美國芯片巨擘英特爾9月18日宣布推出業(yè)界首款用于下一代先進封裝的玻璃基板，計劃于2026 年至 2030 年量產(chǎn)，憑借單一封裝納入更多的晶體管，預計這將實現(xiàn)更強大的算力 (HashRate)，持續(xù)推進摩爾定律極限，這也是英特爾從封裝測試下手，迎戰(zhàn)臺積電的新策略。

英特爾趕在創(chuàng)新日 (9月19 日) 活動開跑前，搶先宣布推出業(yè)界首款用于下一代先進封裝的玻璃基板方案。

隨著對更強大計算的需求增加，以及半導體行業(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，玻璃基板具有卓越的機械、物理和光學特性，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)領(lǐng)先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。”

英特爾稱，憑借這些功能，玻璃基板上的互連密度可以提高 10 倍，并允許實現(xiàn)高組裝良率的超大型封裝，預計在 2026 至 2030 年推出完整的玻璃基板解決方案。

英特爾提及，玻璃基板重大突破使封裝技術(shù)能夠持續(xù)擴展，在單一封裝中容納 1 兆個晶體管的目標，并將摩爾定律延續(xù)到 2030 年之后。

英特爾表示：「我們將首先在人工智能 (AI)、繪圖處理和資料中心等高性能領(lǐng)域看到使用玻璃基板的芯片。」

英特爾此一突破性成就是英特爾也在為其美國芯片代工廠增強先進封裝能力的另一個跡象，也是英特爾迎戰(zhàn)臺積電的新策略。

據(jù)報導，英特爾對手臺積電 (TSM-US) 的亞利桑那州廠計劃生產(chǎn) 4 納米和 3 納米芯片，但目前并無在亞利桑那州或美國境內(nèi)打造封裝廠的計劃，主要卡關(guān)因素是成本高昂，因此這些先進芯片不會在美國完成封裝。

英特爾先進封裝資深經(jīng)理 Mark Gardner 于今年 5 月份指出，英特爾芯片制造工廠和組裝、測試、封裝站點分布在世界各地，相較臺積電目前大部分芯片制造設施都在中國臺灣，英特爾優(yōu)勢在于提供安全供應鏈、分散地緣風險，也可提供客戶部分 IDM 流程，彈性選擇。

Gardner 稱：「英特爾晶圓制造服務愿意讓客戶只使用服務的一部分，也就是說，他們可以委托其他晶圓代工業(yè)者生產(chǎn)芯片，英特爾只做封測。」

一

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，當時的芯片設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)生了第一個芯片封裝，例如雙列直插式封裝。

在當時，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多的信號，包括基本的小芯片設計，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。

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完美配合的基板，這雖然不能在最高級別取代 CoWoS/EMIB 的需求，但可以提供比當前有機基板更好的信號性能和更密集的布線。

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，也是第一個實現(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。

二

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。

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，英特爾正在談論 <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。

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。但當技術(shù)變得更加成熟后，它將用于客戶端計算應用程序。英特爾提到圖形處理器是該技術(shù)的可能應用之一，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用程序和工作負載的市場。”英特爾說。

編輯：黃飛

?