玻璃通孔（TGV）技術(shù)的前景及機遇

近期，玻璃基板概念橫空出世，通達信及東方財富Choice 等行情軟件均推出相關(guān)概念板塊及指數(shù)，原因是“大摩爆料GB200 將使用玻璃基板”及“英特爾加大了對多家設備和材料供應商的訂單，積極備戰(zhàn)下一代先進封裝的玻璃基板”等消息的共振。

實際上，我們經(jīng)過深入研究發(fā)現(xiàn)，按照上述多重消息的指向，該玻璃基板概念實際上指的是用于半導體封裝過程中的轉(zhuǎn)接板之用，利用玻璃通孔（TGV）技術(shù)來實現(xiàn)芯片電路連接，實現(xiàn)2.5D/3D 封裝，以滿足AI+Chiplet 趨勢化需求。需要注意的是，目前市場火熱的玻璃基板概念股，有的是與顯示相關(guān)，有的甚至純粹是炒作，真正用于半導體封裝的產(chǎn)業(yè)鏈產(chǎn)品并不多。本期封面文章我們就將簡明扼要地對TGV 技術(shù)做介紹和分析，希望對各位讀者辨別“ 李逵”和“ 李鬼”有所幫助。

2.5D/3D封裝工藝中的TSV技術(shù)

我們都知道，要實現(xiàn)芯片性能的提升就需要堆疊更多的晶體管，根據(jù)“摩爾定律”，芯片上容納的晶體管數(shù)目每18 到24 個月增加一倍。近幾十年來，隨著“摩爾定律”的發(fā)展，由于單位面積堆疊的晶體管越來越多，因此芯片得以不斷微型化，這造就了諸多便攜式電子產(chǎn)品的問世，如智能手機、電腦、筆記本等等。

但“摩爾定律”終有觸及天花板的時候，自從晶圓制造進入14nm、7nm、5nm 直至最新的3nm 工藝，“摩爾定律”的有效性越來越受到挑戰(zhàn)：工藝進步越來越難，性能也提升有限，且成本上升巨大。

隨著近兩年來AI 的火熱，AI 服務器對于算力的需求出現(xiàn)井噴，而強大的算力當然需要強大的芯片，那么強大的芯片只能通過不斷進步的光刻工藝嗎？當然不是，由于目前的芯片已經(jīng)非常很微型化了，加上服務器并不像消費電子那樣對輕薄化要求那么高，另一條思路就誕生了——堆疊更多芯片在一起達成算力提升。打個不是很形象的比喻就是一節(jié)火車頭不夠用那就多加兩節(jié)，猶如詹天佑當年的解決思路。

由此產(chǎn)生了問題，芯片堆疊如何實現(xiàn)？

也因此，對于封裝技術(shù)又有了新的要求，以期可以實現(xiàn)更高的I/O 密度、更快的信號傳輸速度和更好的電熱性能，從而提高芯片的性能和功能。并且，還需要兼顧降低芯片的功耗和體積，提升芯片的可靠性和生產(chǎn)效率。

根據(jù)東方財富證券鄒杰的研報，目前先進封裝分為兩大類（見圖一）：

一、基于XY 平面延伸的先進封裝技術(shù)，主要通過RDL（ReDistributionLayer，重布線層工藝）進行信號的延伸和互連；

二、基于Z 軸延伸的先進封裝技術(shù)，主要是通過TSV（Through Silicon Via，硅通孔）進行信號延伸和互連。

圖一：先進封裝兩大類型

資料來源：先藝電子官網(wǎng)，東方財富證券研究所

顯然，芯片堆疊屬于第二種。通過TSV 技術(shù)，可以將多個芯片進行垂直堆疊并互連。按照集成類型的不同分為2.5D TSV 和3D TSV，2.5D TSV 指的是位于硅轉(zhuǎn)接板（Silicon Inteposer）上的TSV，3D TSV 是指貫穿芯片體之中，連接上下層芯片的TSV。在3D TSV 中，芯片相互靠近，所以延遲會更少，且互連長度縮短，能減少相關(guān)寄生效應，使器件以更高的頻率運行，從而轉(zhuǎn)化為性能改進，并更大程度的降低成本。TSV 的尺寸范圍比較大，大的超過100um，小的小于1um。隨著工藝水平提升，TSV 可以越做越小，密度越來越大，目前最先進的工藝，可在1 平方毫米硅片上制作10 萬-100 萬個TSV。（見圖二）

根據(jù)中泰電子王芳等聯(lián)名的報告，TSV 技術(shù)是目前唯一的垂直電互連技術(shù)。

TGV：TSV 的升級

TGV 正是對TSV 的升級。（見圖三）

根據(jù)東財研報，這是由于硅基轉(zhuǎn)接板存在兩個主要問題：

一、成本高，TSV 制作采用硅刻蝕工藝，隨后硅通孔需要氧化絕緣層、薄晶圓的拿持等技術(shù)；

二、電學性能差，硅材料屬于半導體材料，傳輸線在傳輸信號時，信號與襯底材料有較強的電磁耦合效應，襯底中產(chǎn)生渦流現(xiàn)象，造成信號完整性較差（插損、串擾等）。

相較硅基轉(zhuǎn)接板，玻璃轉(zhuǎn)接板優(yōu)勢顯著。玻璃轉(zhuǎn)接板有諸多優(yōu)勢：

一、低成本：受益于大尺寸超薄面板玻璃易于獲取，以及不需要沉積絕緣層，玻璃轉(zhuǎn)接板的制作成本大約只有硅基轉(zhuǎn)接板的1/8；

二、優(yōu)良的高頻電學特性：玻璃材料是一種絕緣體材料，介電常數(shù)只有硅材料的1/3 左右，損耗因子比硅材料低2～3 個數(shù)量級，使得襯底損耗和寄生效應大大減小，可以有效提高傳輸信號的完整性；

三、大尺寸超薄玻璃襯底易于獲?。嚎祵?、旭硝子以及肖特等玻璃廠商可以量產(chǎn)超大尺寸（大于2m×2m）和超薄（小于50μm）的面板玻璃以及超薄柔性玻璃材料；

四、工藝流程簡單：不需要在襯底表面及TGV 內(nèi)壁沉積絕緣層，且超薄轉(zhuǎn)接板不需要二次減?。?/p>

五、機械穩(wěn)定性強：當轉(zhuǎn)接板厚度小于100μm 時，翹曲依然較小。

圖二：3D TSV結(jié)構(gòu)

來源：《先進封裝與異構(gòu)集成》，中泰證券研究所

圖三：TGV工藝示意圖

資料來源：臺灣工研院官網(wǎng)，東方財富證券研究所

TGV 遠期成長空間廣闊

英偉達的H100 加速計算卡采用臺積電CoWoS-S（S表示硅轉(zhuǎn)接板）2.5D 封裝技術(shù)，在硅轉(zhuǎn)接板上實現(xiàn)7 組芯片互連，包括中間的H100 GPU die 及周圍6 堆HBM 內(nèi)存。AMD（超威半導體）MI300 采取類似布局，以CoWoS 工藝在硅轉(zhuǎn)接板上封裝6 顆GPU、3 顆CPU 及8 組HBM 內(nèi)存。國內(nèi)方面，壁仞科技BR100 系列GPU 也采用CoWoS-S 封裝，將2 顆計算芯粒互連，實現(xiàn)算力的跨越式提升。

CoWoS 封裝的核心之一為硅轉(zhuǎn)接板及TSV 工藝，但其存在成本高和電學性能差等不足，而玻璃轉(zhuǎn)接板及TGV 工藝具有低成本、易獲取、高頻電學特性優(yōu)良等特性，因此，東財鄒杰認為，TGV 有望作為前者替代品，成為先進封裝核心演進方向之一，疊加AI 浪潮之下加速計算芯片需求高增，TGV 遠期成長空間廣闊。

其實，不止可用于轉(zhuǎn)接板，搭配TGV 技術(shù)，玻璃基板的應用領域廣泛，透明、氣密性好、耐腐蝕等性能優(yōu)點使玻璃通孔在光電系統(tǒng)集成領域、MEMS 封裝領域有巨大的應用前景，也可以作為IC 載板使用，以在部分領域替代現(xiàn)在主流的ABF。

Chiplet 技術(shù)風潮之下產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)向大尺寸封裝及小芯片設計，大型數(shù)據(jù)中心GPU 均使用小芯片封裝，一片載板上最多可封裝50 顆芯片，只要有一顆封裝不良，就會導致整片報廢。因此封裝重要程度日漸提升，進而給封裝材料提出新需求。ABF 載板已有劣勢顯露，其粗糙表面會對超精細電路的固有性能產(chǎn)生負面影響。作為替代方案的玻璃載板進入視線，玻璃載板具有比ABF 載板更光滑的表面，厚度降低四分之一以上，且使芯片的性能提高、功耗下降。

2023 年3 月DNP（大日本印刷株式會社）發(fā)布了針對下一代半導體封裝的玻璃芯載板（GCS，GlassCore‐Substrate）。新產(chǎn)品用玻璃基板取代了傳統(tǒng)的樹脂基板（如倒裝芯片球柵陣列）。通過使用高密度玻璃通孔（TGV）技術(shù)提供比基于現(xiàn)有技術(shù)更高性能的半導體封裝，且該產(chǎn)品的制造工藝還可以支持對更高效率和更大尺寸載板的需求（見圖四）東財鄒杰認為，盡管玻璃載板商業(yè)化尚需時日，但其有望成為載板行業(yè)的規(guī)則改變者。

根據(jù)MarketsandMarkets 最近的研究，全球玻璃基板市場預計將從2023 年的71 億美元增長到2028 年的84億美元，2023 年至2028 年的復合年增長率為3.5%。在AI 的大勢之下，目前，已有包括英特爾、AMD、三星等多家大廠公開表示入局玻璃基板封裝。

大規(guī)模應用仍需再等等

雖然A 股市場已經(jīng)熱火朝天，但可真正用于半導體封裝的產(chǎn)業(yè)鏈產(chǎn)品并不多。目前玻璃基板主要應用于顯示面板的制造中，大多國內(nèi)產(chǎn)業(yè)鏈廠商的應用暫時也僅限于顯示場景。半導封裝的玻璃基板要求比顯示玻璃基板要求更高，高性能的玻璃基板成本較高，會導致產(chǎn)品整體成本增加。

另外，根據(jù)財聯(lián)社報道，“ GB200 將使用玻璃基板封裝”這一說辭也并不準確。盡管此次大摩用了一整頁的篇幅介紹玻璃基板封裝，但是財聯(lián)社記者翻閱該報告發(fā)現(xiàn)，大摩并未明確GB200 將使用玻璃基板，僅表示預計在未來兩年左右玻璃基板將被用于先進封裝。

圖四：DNP 玻璃芯載板示意圖

資料來源：DNP 公司官網(wǎng)，東方財富證券研究所