開啟下一代封裝革命

　　今天早上，英特爾展示了他們開發(fā)玻璃芯(glass core)基板和芯片相關(guān)封裝工藝的初步工作。由于在玻璃芯研發(fā)方面取得的進展，英特爾現(xiàn)在計劃在本世紀下半葉將玻璃芯基板引入其產(chǎn)品中，從而使他們能夠以更復(fù)雜、最終性能更高的配置封裝芯片。

　　按照他們在新聞稿中所說，之所以玻璃基板擁有機會，這與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需求有重要關(guān)系。

　　隨著對更強大計算的需求增加，以及半導(dǎo)體行業(yè)進入在封裝中使用多個“Chiplet”的異構(gòu)時代，信號傳輸速度、功率傳輸、設(shè)計規(guī)則和封裝基板穩(wěn)定性的改進將至關(guān)重要。這就使得當(dāng)前正在使用的有機基板面臨巨大的挑戰(zhàn)，而這也正是玻璃基板所具備的。

　　英特爾表示，玻璃基板具有*的機械、物理和光學(xué)特性，允許在封裝中連接更多晶體管，從而提供更好的擴展性并能夠組裝更大的小芯片(Chiplet)復(fù)合體(稱為“系統(tǒng)級封裝”)。芯片架構(gòu)師將能夠在一個封裝上以更小的占地面積封裝更多的塊(也稱為小芯片)，同時以更大的靈活性和更低的總體成本和功耗實現(xiàn)性能和密度增益。

　　換而言之，玻璃基板首先能為芯片提供結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性(硅芯片非常脆弱)，并且它們也是將來自硅芯片的信號傳送到其他封裝芯片(即小芯片)或芯片背面有大量相對較大的引腳/焊盤。而且，隨著多年來芯片尺寸的增加，以及高端芯片所需的引腳/信號數(shù)量的增加，對用作基板的更新、更好的材料的需求也在增加，這正是推動英特爾發(fā)展的動力。

　　英特爾高級副總裁兼組裝與測試開發(fā)總經(jīng)理Babak Sabi表示：“經(jīng)過十年的研究，英特爾已經(jīng)實現(xiàn)了行業(yè)*的先進封裝玻璃基板。我們期待提供這些尖端技術(shù)，使我們的主要參與者和代工客戶在未來幾十年受益。”

　　基板的演變

　　據(jù)anandtech介紹，芯片產(chǎn)業(yè)對基板的需求，最早可以追溯到大規(guī)模集成芯片的早期，當(dāng)時的芯片設(shè)計達到了成千上萬個晶體管。這些小型晶體管需要連接到更大的引腳，以便由相對龐大的人力安裝到系統(tǒng)中，從而產(chǎn)生了*個芯片封裝，例如雙列直插式封裝。

　　在當(dāng)時，它們使用框架(通常是引線框架)來固定實際的硅芯片，框架(或焊線)提供芯片和外部引腳之間的信號路徑。

　　自 70 年代以來，基板設(shè)計發(fā)生了多次演變。金屬框架在 90 年代被經(jīng)典陶瓷芯片所取代，然后在世紀之交被有機封裝所取代。最重要的是，每次迭代的基板都比上一次具有更好的性能，從而可以更輕松地將大量信號和電源引腳布線到日益復(fù)雜的芯片上。

　　雖然現(xiàn)在你仍會到處發(fā)現(xiàn)引線框架和陶瓷芯片，但有機基板在過去幾十年中一直是該行業(yè)的支柱。

　　據(jù)了解，有機基板的材料主要由類似 PCB 的材料和編織玻璃層壓板制成，允許通過芯片路由相當(dāng)多的信號，包括基本的小芯片設(shè)計，例如英特爾的移動處理器(具有單獨的 PCH 和 CPU 芯片)以及 AMD 基于小芯片的 Zen 處理器。

　　但有機基板已經(jīng)成為限制因素一段時間了，尤其是在高端芯片中。英特爾認為，有機基板將在未來幾年達到其能力的極限，因為該公司將生產(chǎn)面向數(shù)據(jù)中心的 SiP，具有數(shù)十個tiles，功耗可能高達數(shù)千瓦。此類 SiP 需要小芯片之間非常密集的互連，同時確保整個封裝在生產(chǎn)過程中或使用過程中不會因熱量而彎曲。

　　為此，過去十年中，我們看到了超高密度互連接口的興起，例如硅中介層(基板上晶圓上的芯片)及其衍生產(chǎn)品(例如英特爾自己的 EMIB)。這些技術(shù)使得公司能夠?qū)⑿酒�的關(guān)鍵路徑與快速而致密的硅片連接在一起，但成本相當(dāng)高，而且無法完全解決有機基板的缺點。

　　因此，英特爾也一直在尋找有機基板的真正替代品，一種能夠與大型芯片*配合的基板，這雖然不能在*別取代 CoWoS/EMIB 的需求，但可以提供比當(dāng)前有機基板更好的信號性能和更密集的布線。

　　按照英特爾所說，在過去的十多年來里，公司一直在研究和評估玻璃基板作為有機基板替代品的可靠性。公司在亞利桑那州錢德勒的園區(qū)擁有一條完全集成的玻璃研發(fā)線，該公司在那里開發(fā)封裝技術(shù)。英特爾表示，這條生產(chǎn)線的成本超過 10 億美元，為了使其正常運行，它需要與設(shè)備和材料合作伙伴合作。業(yè)內(nèi)只有少數(shù)公司能夠負擔(dān)得起此類投資，而英特爾似乎是迄今為止*一家開發(fā)出玻璃基板的公司。

　　值得一提的是，英特爾在實現(xiàn)下一代封裝方面擁有悠久的歷史，在 20 世紀 90 年代，他們引領(lǐng)了行業(yè)從陶瓷封裝向有機封裝的轉(zhuǎn)變，也是*個實現(xiàn)鹵素和無鉛封裝的公司，并且是先進嵌入式芯片的封裝技術(shù)的發(fā)明者。英特爾還是業(yè)界*推出主動3D堆疊技術(shù)的公司。因此，英特爾能夠圍繞這些技術(shù)解鎖從設(shè)備、化學(xué)品和材料供應(yīng)商到基板制造商的整個生態(tài)系統(tǒng)。

　　英特爾的玻璃基板革命

　　英特爾院士兼 Substrate TD 模塊工程高級總監(jiān) Rahul Manepalli在一個視頻中表示，與有機基板相比，玻璃芯基板在封裝技術(shù)方面提供了實質(zhì)性改進。與有機材料一樣，玻璃還可以制造成各種尺寸。

　　按照Rahul 的說法，有機基材是一種復(fù)合材料，而玻璃是一種均質(zhì)的非晶態(tài)材料。這就使得英特爾能夠調(diào)整玻璃基板的特性，使其更接近硅的特性，從為許多性能和密度增強提供了機會。

　　根據(jù)英特爾的介紹，其玻璃芯基板的核心在于用玻璃取代有機封裝中的有機、類似 PCB 的材料。換而言之，英特爾不會將芯片直接安裝在純玻璃上，而是把基板核心的材料替換成玻璃。同時，金屬重新分布層(RDL)仍然存在于芯片的兩側(cè)，提供各種焊盤和焊點之間的實際路徑。

　　雖然玻璃基板比現(xiàn)在成熟的有機基板更難加工，但英特爾認為玻璃基板在機械和電氣性能方面都更優(yōu)越，這反過來又使其適合在未來的芯片中使用。

　　英特爾表示，玻璃芯基板的機械強度遠高于有機基板;在封裝過程中能夠比有機基材更好地承受更高的溫度，從而減少翹曲和變形;玻璃也更容易變得平坦，這使得封裝和光刻變得更容易;玻璃具有與硅相似的熱膨脹系數(shù)(與有機基板不同)，這意味著仍然因熱量而發(fā)生的微小翹曲與上面的芯片一致，而不是芯片的不同部分以不同的速率膨脹。

　　英特爾稱，為了彌合機械和電氣之間的差距，他們還能夠在玻璃通孔(TGV)上實現(xiàn)更緊密的間距，從而通過基板本身傳輸信號，從而允許整體上有更多數(shù)量的通孔。按照英特爾提供的數(shù)據(jù)，他們能夠?qū)?TGV 的間距控制在 100 微米 (μm) 以內(nèi)，從而將 TGV 密度提高 10 倍。所有這些最終使得通過基板核心路由信號變得更加靈活，并且在某種程度上使得使用更少的 RDL 層路由信號變得更加容易。

　　這就讓實現(xiàn)更大的芯片變得容易，而且允許在相同尺寸的芯片上放置更多的芯片。英特爾聲稱，玻璃封裝將使他們能夠在芯片上放置多 50% 的芯片，或者更確切地說，芯片內(nèi)的芯片復(fù)雜區(qū)域可能會大 50%，從而實現(xiàn)比英特爾目前所能制造的更密集的芯片封裝。

　　英特爾表示，玻璃基板可實現(xiàn)更高的互連密度(即更緊密的間距)，從而使互連密度增加十倍成為可能，這對于下一代SiP的電力傳輸和信號路由至關(guān)重要。特別是，英特爾正在談?wù)?<5/5um 線/間距和 <100um 玻璃通孔 (TGV) 間距，這使得基板上的芯片到芯片凸塊間距 <36um，核心凸塊間距 <80um。此外，玻璃基板可將圖案畸變減少 50%，從而提高光刻的焦深并確保半導(dǎo)體制造更加精密和準確。

　　來到電氣性能方面，據(jù)英特爾透露，玻璃芯基板(更具體地說是 TGV)也能提供更好的表示，這是由于 TGV 中使用的電介質(zhì)具有低損耗特性，而且數(shù)量大得多，因此玻璃芯基板將實現(xiàn)更清潔的信號路由和電力傳輸。對于前者，這意味著能夠通過銅纜發(fā)送 448G 信號，而不必使用光纖互連。與此同時，較低損耗的電力傳輸將減少在到達處理器芯片之前以熱量形式損失的能量，從而進一步提高整體芯片效率。

　　此外，玻璃芯基板還應(yīng)該使共同封裝的光學(xué)器件更容易實現(xiàn)。玻璃基板將允許光學(xué)互連直接集成到芯片中，而不必以其他方式將其固定。

　　不過，正如anandtech報道說，雖然玻璃芯基板比有機基板允許更緊密的信號間距，但它們并不能替代 EMIB、Foveros 或其他基于使用硅介質(zhì)的更先進的封裝技術(shù)。TGV 的 75μm 間距與 EMIB 的 45μm 間距仍然相去甚遠，更不用說為 Foveros Direct 計劃的 <10μm 間距了。因此，所有這些封裝技術(shù)仍將是玻璃芯基板的補充附加技術(shù)，最多可以在不需要 EMIB 全面密度改進的產(chǎn)品的邊緣情況下取代 EMIB。

　　為了證明該技術(shù)的有效性，英特爾發(fā)布了一款全功能測試芯片，該芯片采用 75um TGV，長寬比為 20:1，核心厚度為 1 毫米。雖然測試芯片是客戶端設(shè)備，但該技術(shù)最初將用于構(gòu)建面向數(shù)據(jù)中心的處理器。但當(dāng)技術(shù)變得更加成熟后，它將用于客戶端計算應(yīng)用程序。英特爾提到圖形處理器是該技術(shù)的可能應(yīng)用之一，由于 GPU 可以消耗任意數(shù)量的晶體管，因此它們很可能會受益于互連密度的增加和玻璃基板剛性的提高。

　　“玻璃基板最初將被引入需要更大外形封裝(即數(shù)據(jù)中心、人工智能、圖形)和更高速度功能的應(yīng)用程序和工作負載的市場。”英特爾說。

　　只是一個開始

　　雖然英特爾的這個宣布讓大家感到震撼，但從英特爾的講解看來，這個技術(shù)離量產(chǎn)還有一段時間。“如果英特爾的產(chǎn)品開發(fā)按計劃進行，我們打算在本十年晚些時候開始發(fā)貨玻璃芯產(chǎn)品。”英特爾方面表示。

　　對于這家有著遠大志向的企業(yè)，英特爾也不會保留這項技術(shù)。作為該公司成為世界級代工廠的更廣泛計劃的一部分，英特爾也將適時向 IFS 客戶提供玻璃芯基板。

　　不過，正如anandtech所說，雖然英特爾更興奮地談?wù)摬Ａ�芯基板的�?yōu)點以及他們發(fā)現(xiàn)迄今為止效果良好的東西，但一個不可避免的因素是成本。與任何新技術(shù)一樣，玻璃芯基板的生產(chǎn)和封裝成本將比經(jīng)過驗證的真正(且便宜)的有機基板更昂貴。雖然英特爾目前還沒有談?wù)摿悸�，但玻璃將很難與有機材料競爭，至少在一開始是這樣。

　　更廣泛地說，玻璃芯基板還意味著英特爾需要為該材料建立一個完整的生態(tài)系統(tǒng)。如今，它們不再與有機基板垂直集成，也不會與玻璃垂直集成。為此，英特爾目前已經(jīng)與合作伙伴合作開發(fā)必要的工具和供應(yīng)能力，以實現(xiàn)初步商業(yè)化生產(chǎn)。但從長遠來看，英特爾將需要弄清楚如何使外包測試和組裝成為可能，特別是因為英特爾計劃未來向 IFS 客戶提供玻璃核心基板。

　　同時，英特爾并不是*看好玻璃芯基板的企業(yè)。在今年年初，來自日本的大日本印刷 (DNP)就展示了公司的玻璃芯基板 (GCS)產(chǎn)。據(jù)他們所說，這可以解決其中許多挑戰(zhàn)。

　　他們指出，具有玻璃芯的 HDI 基板與有機樹脂基基板相比，具有更優(yōu)越的性能。例如使用玻璃芯基板(GCS)可以實現(xiàn)更精細的間距，因此可以實現(xiàn)極其密集的布線，因為它更堅硬并且不易因高溫而膨脹。在DNP 展示的示意圖中，甚至完全省略了封裝中的細間距基板，這意味著可能不再需要該部件。

　　DNP還聲稱，其玻璃芯基板可以提供高縱橫比的高玻璃通孔 (TGV) 密度(與 FPS 兼容)。在這種情況下，長寬比是玻璃厚度與通孔直徑之間的比率。隨著通孔數(shù)量的增加和比例的增加，基板的加工變得更加困難，并且保持剛性變得更加具有挑戰(zhàn)性。

　　總之，下一場封裝革命已然打響。