先进封装技术之争 | 玻璃基封装巨头大战开启,抢占人工智能未来高地

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未来AI芯片是各家抢占的高地,玻璃技术成为提效降本的翘板。自20世纪70年代引线框架/引线接合封装诞生以来,大约每15年就会发生一次重大的基板技术变化。现在新的玻璃基板技术路线徐徐而来,除了台积电无心应战,英特尔、三星、SKC三巨头已经宣战,国内四小龙提前应战,其他小伙伴且看且站。本文为诸位看官汇报了当前TGV玻璃基板封装最领先的技术进展。文末为您呈现了最全面的产业链表格,记得转发收藏哦。

FICT开发出适合chiplet集成的5层堆叠玻璃芯基板 图源:Nikkei Crosstech

AI芯片,广义上是面向人工智能应用芯片,其中GPU(如英伟达A100/H100、华为昇腾910)是最为常见的A芯片类型之一。GPU具备海量数据并行运算能力,成为A芯片的主流。NVIDIA 、AMD、Intel相继发布了高算力Chiplet芯片。这些芯片离不开Cowos、FOEB等先进封装平台。A芯片尺寸/封装基板越来越大,玻璃基封装被提上日程。无论作为基板还是中介层,都已被证实商业化的潜质,给芯片设计架构师提供更大的设计空间。

图源:yekglas

相较于有机基板,为什么选择玻璃基板?

当前AI运算及处理器芯片的封装尺寸越来越大,大尺寸FCBGA翘曲面临瓶颈。由于大尺寸芯片不断增加芯板厚度来克服翘曲问题,会使得通孔距离变长增加了过孔传输损耗,且无法同时满足高模量与DK、DF指标;高温下的涨缩变形小,可降低50%的图形失真。玻璃基板可以提高系统的良率与可靠性。若成功实现量产,将带来新一代的光通信革命:

  • 玻璃基板在AI芯片大尺寸封装当中可以克服有机基板的翘曲问题,强化 GPU 的结构并实现更好的电气和机械可靠性(可与ABF\PI共用)可实现超大尺寸、高组装产量的外形封装。

  • 具有超低的粗糙度(超级平坦),可提高光刻的聚焦度。

  • 能提供紧密的叠层互连所需的尺寸稳定性,具有将互连密度和光学互连集成度提高 10 倍的潜力。

  • 玻璃基板在功率传输和信号路由的设计规则方面为AI芯片设计师提供了更大的创意。

  • 能够与光学组件无缝互连集成,并能在更高的温度流程下将电感器和电容器嵌入玻璃基板中。

  • 还有更好的功率传输解决方案,同时以更低的成本实现所需的高速信号。

  • 适用于玻璃晶圆和超大尺寸的玻璃面板。


时长00:28玻璃基板封装设计AI芯片 视频来源:Chipletz

专为人工智能而生,大厂战争已拉开大幕

玻璃基板有望应用在人工智能、高性能存储与大模型高性能计算(基于光电子的计算和射频、硅光集成、高带宽存储器)、6G通信领域。三星、英特尔、英伟达、AMD未来3-5年的新产品或有亮相。

ChatGPT、Sora彻底引爆了人工智能,对数据中心和传输效率提出了更高的要求,尤其是对低功耗、高带宽的光模块的需求更加迫切。CPO共封装光学成为一匹黑马半道杀出,引发关注。该技术将硅光模块和CMOS芯片封装集成,使用玻璃基板,从玻璃基板边缘进行插拔互联,可降低功耗和成本。

CPO封装 图源:康宁

英伟达指出,AI所需的网络连接带宽将激增32倍,继续使用传统光模块将导致成本翻倍和额外的20-25%功耗。CPO技术有望降低现有可插拔光模块架构的功耗达50%。因此,有望成为满足AI高算力需求的高效能比解决方案。

英特尔研发的可共同封装光学元件技术(CPO)通过玻璃基板设计利用光学传输的方式增加信号。并联合康宁通过CPO工艺集成电光玻璃基板探索400G及以上的集成光学解决方案。IBM、II-VI、HPE、Fujitsu、Furukawa也开发了基于硅光解决方案的CPO产品,将芯片倒装到玻璃基板上。

四个芯片的位置,两个逻辑和两个内存。左图逻辑和内存垂直堆叠在玻璃中,有图芯片仅并排放置在硅、Shinko和APX中。横断面视图见图左。 图源:Georgia Institute of Technology

英特尔是玻璃基板概念的引爆者,将玻璃视为人工智能竞赛中的重要材料。英特尔表示玻璃基板用在需要更大外形封装(即数据中心、人工智能、图形)和更高速度功能的应用程序和工作负载。针对数据中芯,期望玻璃基板能够构建更高性能的多芯片系统级封装(SiP)。

玻璃基板是封装领域的下一个重大事件,并为英特尔代工生态系统制定了广阔的愿景,如果我们查看下方最新的英特尔先进封装路线图,可以看到它已将玻璃芯基板添加到其路线图产品中。

英特尔的先进封装路线图 图源:INEMI2024/Intel

贵司已投入超10亿美元在亚利桑那州拥有一条完全集成的玻璃研发线,该封装产线2027/2028年开始使用玻璃基板,2030年开始批量生产。第一批玻璃芯基板的高端HPC和AI芯片产品将是英特尔规模最大、利润最高的产品,更是其至强处理器等庞然大物的后继者。英特尔正在努力恢复长久以来被台积电和三星蚕食的实力。

英特尔与设备材料合作伙伴展开了密切合作。如展开与LPKF 和德国玻璃公司 Schott 合作,致力于玻璃基板的商业化。值得注意的是,在英特尔总部所在地美国,宾夕法尼亚州立大学领导了一项全国性的努力,有十多所著名大学和材料、零部件和设备公司在玻璃基板研究方面进行合作。英特尔还带头组建了一个生态系统,已经拥有大多数主要的 EDA 和 IP 供应商、云服务提供商和 IC 设计服务提供商。英特尔还与著名玻璃加工厂LPKF和德国玻基公司Schott合作,致力于玻璃基板的产品化。“现在是齐心协力实现封装领域下一次转型的时候了。”英特尔表示。

英特尔还开发了一种电子功能组装多芯片封装 (MCP) 测试工具,具有三个重新分布层 (RDL) 和 75μm 的玻璃通孔 (TGV)。填充式 TGV 的长宽比为 20:1,核心厚度为 1 毫米,适合人工智能和数据中心应用。英特尔声称拥有 600 多项与架构、工艺、设备和材料相关的发明。

作为全球芯片制造商千年老二,三星自然无法直视英特尔玻璃基板业务上鹤立鸡群。相对于最大竞争对手的大张旗鼓,三星在暗中观察了几个月后,终于在今年宣告了加速玻璃基板芯片封装研发。

2024年3月,三星组建了一个由三星电机、三星电子和三星显示器部门组成的联合研发(R&D)统一战线,以在尽可能短的时间内开发玻璃基板并将其商业化。事实上,三星电机已在CES上就宣布计划在 2026 年大规模生产玻璃基板,比英特尔更快。将加强玻璃基板硬度,增加高带宽存储器(HBM)、中央处理单元(CPU)和图形处理单元(GPU)等级数。

三星电子预计将专注于半导体和基板的集成,而三星显示器将处理与玻璃加工相关的方面。三星电机已于2024年1月宣布开发半导体封装玻璃基板,计划于2025年生产样品。这标志着三星电机首次与三星电子和三星显示器等电子元件子公司合作进行玻璃基板研究。三星的快速反击是基于玻璃基产品可能对扭转AI半导体产业格局产生潜在影响的决策,这种协作方式旨在增强集团的竞争优势。

三星电机的玻璃基板

SKC一直在寻找中小型半导体公司作为收购目标,作为其业务转向芯片测试。先后将全球第一大半导体测试座生产商ISC、美国玻璃基板制造商Absolics收为囊中。如今Absolics(应用材料也入股) 变成 SKC 的子公司,战略执行 SK 集团的半导体业务。

SKC认为玻璃基板可以将更多的MLCC埋入到玻璃基板内部,腾出的空间可以用于增加CPU/GPU面积,或者可以搭载更多的存储芯片,数据处理速度显著提高,同时SI 提高 40%,PI 提高 50%。目前已在美国佐治亚州总投资6亿美元建设一家4000块/月的玻璃基板工厂,目标是在 2024 年下半年开始量产,2027-2028年建造第二座工厂,产能是24000片/月,将为 HPC 相关封装公司、数据中心、人工智能等提供高性能/低功耗/外形尺寸等差异化价值。Absolics 的目标是赢得英特尔、Nvidia、AMD、博通和其他主要芯片制造商等客户。

图源:Chipletz 

SKC还参与了对美国专门从事半导体封装的初创公司 Chipletz 的 B 轮投资(日月光也是 Chipletz 的主要投资者)。Chipletz 总部位于德克萨斯州的无晶圆厂基板公司,于 2016 年作为AMD)的内部风险投资公司成立,并于 2021 年分拆为独立实体。Chipletz专门从事芯片封装,该司有种称为智能基板的技术(Smart Substrate™), 采用尖端的小芯片集成技术,无需插入器即可从头开始彻底改造 AI 和 HPC 系统,能支持集成几乎所有制造商的芯片。

LG Innotek 表示玻璃很可能成为其未来半导体封装基板的主要成分。基于这一趋势,这家韩国电子零件制造商也在审查玻璃基板的开发——或许正在秘密研发,将半导体基板做到第一是他们的业务目标。在回答有关发展半导体玻璃基板业务的问题时,其CEO表示:“我们半导体基板的主要客户是美国一家大型半导体公司,该公司对玻璃基板表现出极大的兴趣。当然,我们正在为此做准备。”

Dai Nippon Printing开发了自己的玻璃芯基板,并表示相信玻璃将在倒装芯片球栅阵列等高端芯片封装中取代树脂。DNP提出了在2027年大规模量产TGV玻璃芯基板的目标。总部位于日本的全球领先半导体基板制造商Ibiden宣传已将玻璃基板确定为新业务,并已开始研发。

在大敌过境之时,作为封装老大的台积电已经在CoWoS封装赚红了眼,没有心思去搞玻璃这基,似乎放弃了这一块未来战场。

同一起跑线,中国队拒绝再输

前述文章中,玻璃基板面临易碎风险,玻璃基与ABF载板可结合拼接堆叠, 可提供机械、可靠性和成本效益,打造越来越庞大、强大的AI芯片。

去年9月18日英特尔发布的玻璃基板是基于ABF载板的。就在同天,国内ABF大厂安捷利美维向重点客户推送了同样的ABF基玻璃载板。成为全球唯一ABF载板封装厂发布玻璃基ABF载板封装的基板商。ABF夹层玻璃基板,用于机械支撑,防止微裂纹在过孔形成过程中,以及改进的表面导体粘附性,可以将ABF基玻璃叠层14层。目前上海工厂2万BU/月,厦门工厂建成后将达到20万BU/每月。

云天半导体和三叠纪是目前国内唯二量产玻璃晶圆级的封装厂。厦门云天半导体是是是高速高频的系统集成厂商,拥有2.5D高密度玻璃转接板、滤波器三维封装、集成无源器件、玻璃通孔技术和量产化平台。2023年成功开发了75:1 TGV和50:1盲孔工艺,总共已经实现了5000多块玻璃TGV板。2024最新开发的细间距1.5/1.5um L/S TGv插入器,可达到2700mm²(60x45mm²)完成多层RDL内插器工艺开发,可用于射频模块一体化;为用于Al的GPU/CPU异构集成提供了新的途径。高密度玻璃转接板技术将广泛应用于CPU/GPU与HBM的2.5D封装、硅光集成等领域,未来潜力巨大。

图源:厦门云天半导体

三叠纪广东公司突破传统通孔填充深径比限制,实现最大深径比达70:1的超高深径比、亚微米孔径、玻璃通孔实心金属化,解决了信号连续性问题,攻克了TGV工程化难题。还可以将玻璃混合键合成四层,扩展单个芯片的继承能力。目前三叠纪晶圆级TGV中试生产线,晶圆级中试产线年产能约7万片,实现从玻璃材料、3D微纳结构、超高深径比通孔填充、表面布线和多层堆叠全工艺链拉通,可批量提供系列化微结构玻璃、IPD无源集成器件和三维封装转接板。另外,公司2025年以后增设TGV板级封装试验线,计划产能达到每年2万片。

3D SIP集成封装 图源:三叠纪

广东佛智芯公司打造半加成法扇出封装先进的线路创成工艺(i-FOSATM),建设国内首条高性价比板级扇出型封装研发线。TGV技术方向上,最小孔径为1微米,深径比可达150:1,通孔率100%,结合强>15N/cm,0-110GHz评断内不增加插值损耗。钻孔效率为1-2k/秒,可在510x515玻璃面板上实现20万个孔。佛智芯提供玻璃芯板的批量制作及玻璃载板样品制作。2024年Q1的产能是3600片/月。玻璃载板可在FCBGA大尺寸上应用。佛智芯的大板级玻璃封装产线或将助力国内重要客户AI芯片未来数年的量产。

图源:佛智芯

奕成科技是大陆第一家高密度板级系统封测集成电路工厂,奕成科技采用先进的前道技术进行大尺寸系统集成,RDL线宽线距和当前主流晶圆级同步,并且提升产能,降低成本。公司PLP高精度封装平台对应2D FO、2.xD FO、FOPoP、FCPLP等先进系统集成封装公司正在通过FOPLP技术演进先进基板,开发更高性能的嵌入硅桥接芯片和玻璃基板封装解决方案。一期到三期的如期研发量产,到2030年或将拥有全球市场份额最高的(玻璃)面板级封装集成线,以满足人工智能市场对于高性能、高密度、低功耗封装解决方案日益增长的需求。

高密板级封装样品 图源:奕成科技

以上四家封装厂代表了当前国内技术最高和量产最大的玻璃晶圆级/面板级企业。除此,国内还有湖北通格微宣布大举进军玻璃基板,该司于2月沃格光电收购为全资子公司。3月4日公告称,“分利用现有 TGV 核心技术优势,积极布局玻璃基半导体先进封装载板以及新一代半导体显示等领域“继续投资建设年产100万平米芯片板级封装载板项目,该项目总投资超12亿。预计今年下半年进入一期正式量产阶段或将有30%的面板级玻璃载板投向先进封装和显示领域。以下表格是截止到2024年3月各家的进展。

玻璃基板封装AI芯片终将展示超新星爆发一样的威力

目前国内AI芯片出货量最大的A公司正在采购玻璃基板用于3D chiplet 垂直互联封装。TGV可用来替代目前AI芯片量产最大的Cowos中的Interposer。国内玻璃封装大厂未来有望承接研发和量产任务。目前国内激光龙头为A公司做激光打孔业务,并且有产品已经开始出货,A公司玻璃基板封装的AI芯片或抢在将Intel之前提前量产。芯片设计厂商B公司、C公司计划未来2-3年实施玻璃基板战略计划。

TGV技术从平面集成到三维集成,为我国未来半导体提供了弯道超车的机会。目前咱们的玻璃基板技术基本上跟国际上同步的,在某些细节甚至是领先的,业内一致预测量产将从2026/2028年开始。

未来半导体的新兴应用,如工业4.0、自动驾驶、超级计算机、人工智能、数据中心/云、虚拟世界、卫星通讯、仿人机器人、脑机接口、智能医疗等未来产业达3万亿美元以上。业内预测到2030年,半导体应用市场的高性能计算、移动手机、自动驾驶、物联网占比分别达到40%、30%、15%、10%,这些超1万亿美元的市场需要高阶的半导体芯片技术作为运算、存储和操控支撑。届时,玻璃基板封装AI芯片将展示超新星爆发一样的威力。

我们欢迎国内同仁共建TGV生态链。目标,在晶圆工艺节点落后的情况下,多颗主芯片组成的Chiplet才能达到更高的算力,国产供应链将提前遇到大尺寸封装带来的技术难题。玻璃基板是解决大尺寸封装翘曲问题的重要解决方案之一,也是未来光电合封领域的关键技术玻璃基板产业链还不成熟,封装厂可能需要配合改造治具或设备会存在封装可靠性和板级可靠性等方面的新问题,需要更多的设计公司参与到其中,完善玻璃基板生态。希望寒武纪、平头哥、壁仞科技、昆仑芯等一波站友向前走两步。

责编: 爱集微
来源:未来半导体 #玻璃基封装# #AI芯片#
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