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先进封装技术之争 | 玻璃基 Chiplet 异构集成打造未来AI高算力(二)

06/19 09:30
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2028年后,先进封装公司、数据中心AI公司需要更高性能、更低功耗和超大结构优异的大芯片外形尺寸实现差异化价值竞争。目前厂家突破FR4基板材料的限制开始采用玻璃基板。玻璃基板以被确认是改变半导体封装的革命性材料,其表面光滑且易于加工,可从晶圆级扩展至成更大的方形面板,满足超细间距半导体封装的要求。

本文将接先进封装技术之争 | 玻璃基Chiplet异构集成打造未来AI高算力(一),继续更新全球玻璃技术的前沿进展。我们在开头斗胆奉献上玻璃基板封装技术路线图2023-2030,不周之处,敬请批判。同时我们调研的很多公司技术在此首次公开。无需开白名单,所有账号均可迅速转载。

玻璃基板技术路线图2023-2030

2024年以后的封装基板变得越来越大、越来越细、越来越多层化和3D化。未来AI、高性能计算、5.5/6G通信物联网 (IOT) 将对带宽需求不断增长,将推动2.5D 和 3D 中介层技术向玻璃基迁移,要求垂直互连具有更低的高频损耗和更高的孔深/尺寸比,玻璃中介层高纵横比、高密度通孔以及每个通孔所占用的空间及其填充孔洞的金属化能力等将成为技术的核心指标之一。

Chiplet异构集成方法在集成具有不同功能的多个芯片时提供了灵活性和效率,Chiplet与Al/HPC下一代基板技术——玻璃芯板的设计理念浑然天成。玻璃基板是放置AI芯片的介质,是未来2.5D/3D封装的核心,玻璃基板在确保芯片结构稳定性的同时,还将信号从芯片传送到封装系统。

玻璃基板卓越的机械稳定性带来更高互连密度允许在封装中连接更多晶体管——一万亿晶体管可能是未来AI技术的起步,激进的玻璃基板技术路图可能打破我们不敢预知的想象:

大板级封装微细间距从20/15μm(2023/2024),进步10/5μm(2026/27)进入3/2μm(2030年);晶圆级微细间距从10/8μm(2023/2024),进步5/4μm(2026/27),进入2/1μm(2030年),适应下一代HBM标准的更快传输速度。研发试验上的微细间距突破亚微米(2025);

玻璃片/板的厚度从700-500μm(2023/2024)下降至300-100μm(2028/2030)

打孔直径从15/10μm(2023/2024)下降至2到1μm(2026/27)至亚微米(2028)以下;

每510X515mm的面板上打孔数量由10/20万个(2024)提升至1000万个(2030)。每300X300mm的晶圆片打孔数量由数万(2024)提升至300万个(2030)。

深径比从标准的20/10:1(2023/2024)提升到50/30:1(2030);目前研发试验上可达到100/150:1。

取代传统树脂基板的70x70mm封装尺寸,玻璃基板封装尺寸更大适用未来高端服务器100x100mm(2025/2026)-150x150mm/200x200mm(2030前)

玻璃基+复合材料将成为AI多芯片系统级封装的主力。玻璃基占比由15%(2023/2024)提升到30%-50%以上(2028/2030),推动新的玻璃复合基材迭代。传统的有机基板或被替代。

现在业界迫切期待封装技术的转型,有关玻璃基板的概念创新已经完成,全球进入了一个可行的商业化生产生态系统。本文将继续汇报先进封装与基板公司技术服务方案。

高密度的玻璃基板Chiplet方案 

随着业界不断突破摩尔定律的极限,Chiplet设计和异构集成的重要性将与日俱增,国内大板级扇出量产的先行者广东佛智芯微电子已用在国内和先进的终端用户,在玻璃基Chiplet 方面积累了4年的开发经验。目前开发了12层结构的700μm厚的玻璃基板Chiplet(5+2+5) ,玻璃是用到德国肖特AF32,ABF材料用的是国产生益科技SIF01,L/S 为15/15 μm,封装尺寸50*50 mm。未来封装多颗主芯片组成Chiplet将为未来AI芯片提供更高的算力

佛智芯璃微孔加工和金属化技术、板级高深宽比铜柱工艺、板级翘曲控制及芯片偏移校正等多项指标领跑全球。如在TGV技术方向上,最小孔径为1微米,深径比可达150:1,可在510x515玻璃面板上实现20-30万个孔,公司建有国内第一条自主产权i-FOSA™的宽幅615mmx625mm大板级扇出型封装量产线,未来3年应运玻璃基Chiplet方案适用于高密度FCBGA封装人工智能

越摩先进半导体结合行业领先的多物理场仿真设计能力,对人工智能、智能座舱、xPU等产品提供高密度、高性能、 高可靠性的玻璃基先进封装解决方案。对比传统有机基板方案,越摩先进的玻璃基方案可实现综合面积缩减40%,基板厚度缩减50%,电源完整性提升30%以上等特性,同时产品散热及可靠 性均有明显改善。在实际产品应用中,越摩先进半导体不断突破技术边界,还推出玻璃基板+TGV interposer的先进封装解决方案,进一步推动产品性能的飞跃。

原本单芯片需要45×45mm尺寸的有机基板,使用越摩先进玻璃基板封装方案后4颗芯片仅需70×70mm的玻璃基板实现封装集成,且基板厚度还可缩减50%。目前越摩先进已建立了一条TGV玻璃中试线,用于Chiplet的玻璃基TGV interposer已送样。

面对Absolics的来势汹汹,日本DNP半导体封装用玻璃基板量产目标原定于2027年,现在恐将提前到2026下半年。从2023年开始,DNP就将玻璃基板作为研发重点。目前精细TGV的GCS 高纵横比已从最初的9:1提升至20:1,未来(2025/2016)细间距从10/5um进步到2/1.5um,布线层数提升到18/20层。目前DNP在标准的510×515mm面板尺寸上,玻璃芯板的粘合性和防碎性增强,刚性和平整度提升。

除此,DNP微加工技术、精密涂布技术等自主研发的核心技术,生产用于制作半导体微细线路图案的母版光罩,为先进半导体玻璃基板封装提供了必要支持。面向共封装光学器件,DNP聚合物光波导玻璃布线基板可满足下一代数据中心,节省电力和高性能。该基板具有用于安装光学设备的光波导,可应用于共封装光学器件。

需要面对多芯粒、大面积、高密度及高频高速的挑战,武汉新创元以玻璃基板为切入口,整合了离子注入镀膜、精细光刻、加成法等核心技术,实现膜层更薄,结合力更强,从根本上解决了玻璃与多种材料光滑表面结合力的难题。新创元堆叠玻璃层数在4/6层以上,玻璃基板精细线路在15/10微米,且干掉了Interposer,结合玻璃低损耗特性及光滑的铜表面,可以获得更简洁的信号路由和传输,提高芯片的整体效率;玻璃基板还将使光学器件的协同封装(CPO)更容易实现,使得玻璃璃载板技术更适宜Chiplet及SiP先进封装的应用。目前新创元半导体针对玻璃基板等IC载板的总投资有60亿,一期建筑面积61000平米,一期规划产能为年产IC载板36万平米。

群创是台厂中在玻璃面板级扇出型封装技术上傲人战绩的老手,随着国际大厂上门合作,使产能暴增。群创以业界最大尺寸3.5代线面板级扇出型封装玻璃基面向中高阶半导体封装线宽/线距为15μm至10μm,叠层6/12以上,大板尺寸达700x700mm,可容纳约7个12吋晶圆,封装速度为7倍,利用率高达95%。

群创內部已定調,2024年是该公司跨足半导体先进封装量产元年。群创面板级扇出型封装业务拿下两大欧洲整合元件大厂订单,一期产能月产1.5万片已被订光,将于今年第3季开始出货。今年并将准备启动第二期扩产,以利后续承接更多订单。同时,拟将旗下台南四厂(5.5代LCD面板厂)投入AI相关的半导体领域,锁定后段封装应用。群创通过面板级扇出型封装订单客户被曝光的不只有英特尔、恩智浦、以及全球三大存储龙头。

欣兴电子将也要争做率先量产玻璃基板的台商。公司计划到2025年底进行工程样品验证,2026年在产线装机,2027/2028推进大规模量产,并为AI巨头导入。制作RDL基板的玻璃基底上下可叠层8/12层,通孔直径15μm至5μm,微细间距10μm到5μm。欣兴电子研究玻璃基板已超过6年,基于佐治亚理工学院封装研究中心(GT PRC)玻璃基板技术支持,与其高密度混合载板打包应用于先进封装。

面向未来AI算力的2.5D/3D 封装,连接技术公司Samtec启用了硼硅酸盐玻璃和熔融石英基板,厚度从最初的260μm压缩到200μm以下,实现结构包括玻璃通孔 (TGVs)、重布线层 (RDL)、以及微通道和通孔,通过独特的薄膜方法与 TGV 接口。玻璃晶圆上实现10:1至15:1的热导通孔,可叠加4/6层重布线层、铜与PI厚度可低至1微米,在玻璃基板级和晶圆级封装可根据任何封装集成需求进行构建方案,与传统的硅基中介层相比,这可以实现芯片和封装互连的低损耗扇出,并降低成本。Samtec基于玻璃技术的高性能计算微系统,同时加上公司电缆系统为超级计算机芯片和电路板获取大量传输线,以协助协助完成CPU数万个节点高度复杂的任务,而不会出现信号衰减或延迟。

合肥中科岛晶主要从事TGV 技术开展半导体芯片 3D 封装(WLP晶圆级封装、玻璃基三维转接板),针对玻璃晶圆的高绝缘性、低介电常数、高精度的特性,系统开展玻璃基异质异构集成混合工艺的开发。目前,公司开发了面向玻璃晶圆精密加工的激光诱导刻蚀、喷砂等多种工艺,实现了玻璃漏斗孔、垂直孔、盲孔的均一性制作,以及微孔金属填充,建立了玻璃基加工、表面金属化、晶圆键合、划片等完善封测工艺线。在实际应用中,合肥中科岛晶完成了高精度谐振器压力传感器滤波器气体传感器等封测。同时,合肥中科岛晶将持续深入开展围绕TGV技术的混合封测工艺开发,以应用于高速电信号传输、高密度集成的Chiplet AI芯片的微系统封装。

Nanosystems 是一家日本的半导体制造公司,其TGV技术为300mm玻璃晶圆和510×510mm的玻璃面板提供了2.5D方案。20:1的高纵横比可支持AI芯片高密度互连,提供5-10μm的孔径,支持打孔/制造盲孔所需要的基板厚度可薄至50-100μm。还可以铜填充和金属化服务,该工艺从在通孔内沉积钛/铜(Ti/Cu)籽晶层开始,允许保形涂层或完整、无空隙的过孔填充。其他服务有使用湿法蚀刻或化学机械抛光进行玻璃减薄、使用化学机械抛光进行光学级抛光、硅晶片阳极键合、薄膜金属化等。

MEMS 半导体晶圆制造商Plan Optik拥有厚度从100/250μm起步晶圆级封装的玻璃晶圆(石英、无碱玻璃和玻璃硅复合材料)以及为晶圆片通孔、腔体、沟槽/通道和任何图案化和镀铜中介层。目前与4JET microtech公司合作开发了一条高生产率的玻璃通孔(TGV)金属化制造工艺线。最新的技术部署将升级先进连接技术 (ACT),这是用于创建或改进用于 AI芯片、2.5D / 3D集成5G 或其他连接和高频应用的产品的面向面板级Cu-Interposer技术,最小孔径2μm,铜层厚度从1 微米起,除了服务于现有的Osram、Infineon、Motorola、Bosch等客户外,也可能瞄准Samsung和Intel未来的高算力芯片

Rapidus看中了玻璃的便宜、尺寸稳定性,以及支持更大面积和更精细图案的能力,已2024财年获得日本政府高达535亿日元的支持,用于开发小芯片集成2.5/3D集成技术,直接将技术过渡到大面板基板进行小芯片集成,目前在岁工厂进行批量生产。Rapidus 计划于 2027 年开始合同生产2nm代逻辑半导体,或将导入更先进的玻璃基板。

Mosaic Microsystems是一家微电子和光子封装公司,获得了美国国防部国防商业加速器微电子挑战赛的100万美元投资。该公司可在200μm厚的玻璃上制作具有多层互连的薄玻璃原型,以及连接玻璃前后的铜填充玻璃通孔。标准玻璃包括无碱玻璃和 CTE 匹配的硅以及高纯度熔融石英,通孔直径15-30μm,精细线路为15/15,该公司计划迅速将这些产品投入国防和商业行业的生产。

深光谷科技是新晋的高密度光电集成和光通信技术解决方案供应商,联合开发了晶圆级TGV光电interposer工艺,实现了8英寸晶圆级TGV interposer加工,实测带宽达到110GHz,可以面向2.5D和3D光电集成封装应用,为VCSEL、DML、EML、硅光、铌酸锂等技术路线的光模块产品提供低成本的光电共封装(CPO)解决方案。目前可做到4层重布线(RDL)工艺,通孔深宽比10:1,玻璃基板厚度230um,支持电芯片Flipchip封装,支持EML/SOA/硅光/铌酸锂等光芯片植球倒装。

FICT是富士通的 PCB 业务部门,如今独立为一家高可靠、高性能大型半导体封装基板厂。专为用于Al/HPC 开发了下一代基板技术——玻璃全层Z-连接结构(G-ALCS)核心与积层用于Chiplet集成架构拥有Chiplet集成架构的构建层,面向商用采用树脂层缓冲玻璃夹层具备同等有机高密度封装基板具有更好的机械可靠性,可将100μm到300μm厚的4层玻璃芯(多层导电浆料玻璃芯层)叠层到基板内,该技术除了解决划片(切割)过程中的开裂问题,在chiplet集成方面也具有优势,因为它抑制了高温下的翘曲量和热膨胀系数。另外研发有8/12层玻璃基板Chiplet方案。

迈科三叠纪团队聚焦玻璃基三维集成基板、3D玻璃及Chiplet三维集成等先进封装领域解决方案,提出了TGV的第三代TGV技术(TGV3.0)掌握了基于可光刻玻璃的高密度通孔形成技术,研制出最小孔径为5μm、最大深径比可达50:1-80:1、最大通孔密度为25万c㎡的超细孔径玻璃通孔基板,每平方厘米约100万孔超高密度垂直互联,最小孔径将至6-7微米,通孔实心铜填充技术,通孔良率超99.9%,可实现玻璃基板的三维堆叠。2024年底最小孔径将突破1-2微米,表面布线可达4/8层,联通高密度的玻璃封装转接板为AI Chiplet算力芯片打下前沿技术积累。

三叠纪目前已投资5000万建立了年产7万片的晶圆级中试产线,为客户小批量三维集成产品。后续将通过Pre-A轮融资建设一条TGV板级封装试验线,计划产能20000 Pcs/年,以满足客户对大尺寸、低成本TGV产品的需求。已和德国SCHOTT、水晶光电、锦艺新材等各行业龙头企业签署了战略合作协议。

湖北通格微以自主研发的TGV技术为基础,通过叠加沃格集团所拥有的玻璃基薄化、双面多层镀铜线路堆叠、绝缘膜材以及巨量通孔等先进工艺和材料开发技术能力,聚焦玻璃基在半导体先进封装载板(Chiplet/CPO光电共封装),6G通讯射频天线以及新一代半导体显示等领域的量产化应用。技术方面,通格微玻璃基TGV载板规划单边尺寸预计510X515mm,线宽线距10μm-8μm,最小通孔直径可至15/10μm,深径比20/15:1,叠加4层以上铜线路载板。

沃格光电投建的通格微芯片板级封装载板项目总投资金额预计为12.16亿元,其中一期投入人民币5亿元。目前新建厂房69,120平方米,用以构建玻璃基芯片板级封装载板自动化生产线,预计今年下半年进入产能投放阶段。同时公司位于松山湖研究院TGV玻璃载板中试量产线已具备量产能力,该部分产能主要用于客户部分产品小批量供货和新产品验证合作开发。

蓝特光学提供半导体应用类产品主要包括高精度玻璃晶圆,玻璃通孔(TGV)和光刻晶圆,可用于半导体衬底和3D晶圆级芯片封装等领域。最大深径比可达15:1,最小孔径10μm,可以金属镀层目前产品已大批量应用到半导体和消费类电子等领域。

华进半导体IPD技术为无源微信通而量身打造,通过玻璃+硅基进行了无源器件的设计仿真和流片工艺开发。

据未来半导体调研,国内拥有ABF载板能力的大厂都有涉足玻璃基板的研发部署。兴森科技公司已启动玻璃基板研发项目并有序推进中,目前处于技术储备阶段,主要集中于工艺能力研究和设备评估方面进行开发。越亚半导体、安捷利美维等玻璃基与有机基板的融合方案,防止玻璃祸不单行。

后续我们整理工具和供应能力,包括处理设备和材料供应商以及基板测试和组装的方法,在下一篇文章中推出。

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