一、為什麼玻璃基板突然成了先進封裝的焦點
過去十幾年，半導體性能的提升越來越依賴先進封裝，而不只是電晶體微縮。異構整合把 CPU、GPU、IPU、HBM 等不同功能的晶片或小晶片（chiplet）塞進同一個封裝，靠的就是封裝基板裡的垂直互連、水平布線和電源/訊號分配網路。
但封裝越大、晶片越多、功率密度越高，傳統有機基板就越吃力——它在熱循環裡容易翹曲、尺寸穩定性不足、布線密度受限。
玻璃基板正是在這個背景下被重新推上台前。它剛性好、表面平整、介電性能穩定，而且熱膨脹係數可以通過玻璃配方在一定範圍內調控。英特爾這份專利用的就是 solid amorphous glass layer（固態非晶玻璃層）做封裝基板核心，並在玻璃通孔（TGV，Through Glass Via）裡引入一層專門設計的“熱膨脹層”，用來緩解玻璃與導電金屬之間的熱機械失配。
這裡有個容易被忽略的點：玻璃基板的價值從來不是簡單“把有機材料換成玻璃”。真正決定它能不能用起來的，是 TGV 這種穿過脆性玻璃的高密度垂直互連，能不能扛住多次回流焊、功率循環、溫濕度老化和長期服役的熱應力。
二、本專利要解決的核心問題：銅會“頂裂”玻璃
先看一個基本矛盾。TGV 通常由玻璃裡的微孔加內部導電金屬構成，金屬常用銅，因為它電阻低、工藝成熟、成本低。但銅的 CTE 大約在 16.5 ppm/°C，而用於封裝的玻璃材料 CTE 多在 3–10 ppm/°C。溫度一變，銅和玻璃脹縮不同步，玻璃裡就會冒出剪下應力、徑嚮應力和環嚮應力。
專利裡說得直白：當 TGV 用的是銅這類金屬、而玻璃芯又是固態玻璃時，兩者 CTE 不匹配可能導致玻璃基板開裂；尤其在後續加熱工藝裡，這種失效會被進一步放大。
換句話說，玻璃基板雖然整體剛性好、翹曲小，但 TGV 局部恰恰是“硬碰硬”的應力集中點。銅受熱膨脹後會擠壓玻璃孔壁，冷卻收縮時又會拉扯介面，時間一長，介面脫層、裂紋萌生、裂紋擴展乃至整個 TGV 結構失效都可能發生。所以Intel Corporation（英特爾公司）最新公開專利（US 2026/0165174 A1，公開日期為2026 年6月11日，名稱為：COEFFICIENT OF THERMAL EXPANSION MATCHING IN SEMICONDUCTOR PACKAGE SUBSTRATE THROUGH GLASS VIAS）的目標不是單純做一個玻璃通孔，而是讓 TGV 在熱循環中活得更久、更穩。
三、專利的核心創新：在 TGV 裡塞進一層“熱膨脹匹配層”
專利最核心的結構創新，是在 TGV 裡引入一個第二層，也就是熱膨脹層（thermal expansion layer）。這層材料可以選鈦（Ti）、鉑（Pt）、鎢（W）、FeNi36（也就是 Invar 36 類低膨脹合金），或者它們的合金；它既可以是單層，也可以是多層相同或不同材料的組合。它的作用不是替代銅來導電，而是在玻璃和導電金屬之間扮演緩衝、匹配、過渡的角色。
從材料屬性看，這幾類候選各有分工：
- 鈦：CTE 大約 8.6 ppm/°C，正好落在許多玻璃芯 CTE 的匹配區間
- 鉑：CTE 大約 8.8 ppm/°C，適合做低污染、耐腐蝕的過渡層
- 鎢：CTE 大約 4.5 ppm/°C，適合低膨脹玻璃體系
- FeNi36 / Invar 36：CTE 可低至約 1.2 ppm/°C，適合追求極低膨脹的應用
當然，最終能不能用，還得看玻璃成分、工藝溫度、粘附性、可沉積性和成本。
專利對 CTE 匹配給出了明確的量化約束：玻璃芯的 CTE 最好落在熱膨脹層 CTE 的 80% 到 100% 之間；其他可接受的區間還包括 85%–100%、90%–100%、95%–100%。也就是說，玻璃不能跟金屬差太多，越接近越好。
舉個具體的例子：假設玻璃芯 CTE 是 8–9 ppm/°C，熱膨脹層用鈦、CTE 約 8.5 ppm/°C，兩者就非常接近，熱循環裡的相對應變自然被壓下去。專利還特別說明，“about / 約”指的是指示值的 ±10%，所以這裡的數值區間應當按工程容差來理解。
四、六種 TGV 結構：同一種創新思想，六種落地方式
專利通過多張附圖展示了不同的 TGV 結構，這也是它建構專利保護邊界的重要手段。下面逐一拆解。
圖 1A：最基礎的結構——玻璃孔壁 + 熱膨脹層 + 導電填充
圖 1A 來自專利附圖 。 圖中玻璃芯 120 里形成了 TGV，導電區域 105 位於孔中央，周圍是熱膨脹層 125。導電材料可以是銅、鋁、鉑、金或它們的合金；熱膨脹層可選鈦、鉑、鎢、FeNi36 或它們的合金。
從橫截面看，熱膨脹層 125 夾在玻璃芯 120 和導電區域 105 之間，像一個“三明治”的中間層。它的價值在於不讓銅和玻璃直接硬碰硬，而是通過一層 CTE 更接近玻璃的材料來分擔熱應變。
圖 1B：熱膨脹層不只在內壁，還鋪到上下表面
圖 1B 來自專利附圖 。 它和 1A 的關鍵差別在於：熱膨脹層 128 不僅覆蓋 TGV 側壁，還延伸到玻璃芯的上下兩個主表面。導電區域 106 處在孔中央，被熱膨脹層包裹。
這種結構的用意很明確：熱應力不只發生在孔壁，也會在玻璃表面、TGV 開口角和後續 RDL（重布線層）連接處集中。把熱膨脹層做成“內壁 + 表面”的連續結構，就能更好地保護這些高應力區域。
圖 1C：部分填充 + 空腔，給應力留出呼吸空間
圖 1C 來自專利附圖。 導電區域 107 隻部分填充 TGV，留下空腔區域 130，同時孔壁仍有熱膨脹層 127。空腔可以充氣體，也可能在後續工藝中被 buildup layer（如 ABF 等介電層）填上。
這裡藏著另一個工程巧思：TGV 不一定非要百分之百填滿銅。保留一部分空腔，能降低銅體積，也就減少了熱循環中銅膨脹對玻璃的擠壓；空腔若被後續介電材料填充，還能兼作層間介質的一部分。
圖 1D：雙側熱膨脹層 + 中央空腔
圖 1D 來自專利附圖。 熱膨脹層 128 出現在玻璃芯上下兩側，導電區域 108 位於 TGV 中部，中央留有空腔 131。換句話說，玻璃芯上下表面可以先做一層低 CTE 或高延展性材料，再讓導電金屬局部連接上下互連。
這種設計適合既要控制 TGV 內部應力、又要照顧表面金屬化可靠性的場景。上下兩層熱膨脹層就像給玻璃芯穿了兩層“應力緩衝鞋墊”。
圖 1E：熱膨脹層貫穿整根 TGV
圖 1E 來自專利附圖 Sheet 4。 熱膨脹層 125 沿著 TGV 軸向連續延伸，導電區域 109 位於中央，二者之間形成完整的軸向匹配結構。相比只在局部出現的材料層，貫穿式結構對整條孔壁的應力控制更一致。
專利還提到，圖 1E 所示結構可以通過先部分填充導電材料、再沉積第二熱膨脹層來實現，使熱膨脹層沿 TGV 長度方向連續分佈。對高深寬比 TGV 來說，這種連續過渡有利於降低孔口、孔中和孔底的局部應力突變。
圖 1F：空腔貫穿 + 熱膨脹層包覆孔壁
圖 1F 來自專利附圖。 空腔區域 132 沿 TGV 全長延伸，導電區域 111 覆蓋孔壁，熱膨脹層 125 可選。這個結構更接近“中空互連”或“管狀互連”：導電材料主要在孔壁形成殼層，中央留空。
它的好處是進一步減少高 CTE 金屬的體積，從而降低銅膨脹對玻璃的直接壓力。對大孔徑、高深寬比、高熱循環的 TGV 來說，這種“少銅、多緩衝、可中空”的思路很有吸引力。
五、CTE 匹配的工程意義：失配應力是怎麼算出來的
熱失配應力本質上來自不同材料在同一溫度變化下脹縮不一樣。最簡單的線性熱應變關係可以寫成：
ΔL/L = α·ΔT
其中 ΔL/L 是相對長度變化，α 是熱膨脹係數，ΔT 是溫度變化。兩種材料繫結在一起時，CTE 差 Δα 會轉化成相對應變和介面剪下應力。對 TGV 來說，銅的 α 大、玻璃的 α 小，加熱時銅想多脹卻受玻璃約束，於是擠壓孔壁；冷卻時銅想多縮，又會拉扯介面。
專利給出的幾個 CTE 區間值得拎出來單獨看：
這組數字透露出一個關鍵判斷：本專利並不是盲目追求“零 CTE”，而是追求玻璃、熱膨脹層和整體結構之間的可控匹配。熱膨脹層既要有相近的 CTE，又要有一定延展性，這樣才能在玻璃和銅之間吸收、緩衝、重新分配應力。
六、材料體系：玻璃、金屬與工藝窗口
玻璃芯材料
專利提到的玻璃芯可以是鋁矽酸鹽、硼矽酸鹽、鋁硼矽酸鹽、二氧化矽或熔融石英，成分裡還可含 Al₂O₃、B₂O₃、MgO、CaO、SrO、BaO、SnO₂、Na₂O、K₂O、P₂O₃、ZrO₂、Li₂O、Ti、Zn 等。
在某些例子裡，固態非晶玻璃層至少含 23 wt% 矽和 26 wt% 氧；進一步的例子還加入至少 5 wt% 鋁。這說明英特爾關注的不是單一玻璃配方，而是一個可通過組分調節 CTE、模量、化學穩定性和加工適應性的材料平台。
厚度與尺寸
- 玻璃芯厚度：約 50 μm 到 1.4 mm
- 多層玻璃基板（可能是無芯基板）：約 25–50 μm
- 平面尺寸：約 10 mm × 10 mm 到 250 mm × 250 mm
這個跨度很大，說明該思路既可能用於小尺寸高性能模組，也可能服務於大尺寸 AI/HPC 封裝基板。
熱膨脹層材料
前文已提到 Ti、Pt、W、FeNi36 及其合金。這裡再補充它們的工程取捨：
- 鈦：CTE 與中高 CTE 玻璃匹配較好，半導體工藝裡也常用作粘附層或阻擋層
- 鉑：化學穩定性好，適合高可靠場景，但成本高
- 鎢：CTE 更低，適合低膨脹玻璃，但應力匹配需謹慎設計
- FeNi36 / Invar 36：CTE 極低，適合對尺寸穩定性要求極高的系統，但半導體工藝相容性、沉積方式和成本控制都得額外考量
導電材料
主要是銅，也包括鋁、鉑、金或它們的合金。銅依然是 TGV 的首選，因為電阻率、成本和電鍍工藝成熟度都佔優；真正的變化不是換掉銅，而是在銅和玻璃之間加一層更“合拍”的過渡層。
七、製造流程：從雷射改性到 TGV 成型
專利給出了多條製造路線，核心都圍繞雷射誘導改性加選擇性刻蝕，也就是 LIDE（Laser-Induced Deep Etching，雷射誘導深度刻蝕）思路。
圖 4A：先做雷射改性區，再刻出孔
圖 4A 來自專利附圖。 部分製造的玻璃芯 400 包含玻璃區域 410 和雷射改性玻璃區域 415。雷射處理讓選定區域更容易被後續刻蝕去除，再用濕法刻蝕形成帶有腔體孔 420 的玻璃區域 411。
LIDE 的好處是能減少機械鑽孔帶來的微裂紋和邊緣損傷。雷射先在玻璃內部形成改性軌跡，隨後刻蝕液對改性區的去除速率顯著高於未改性區，這樣就能做出高深寬比、低損傷的 TGV。
圖 4B：孔壁沉積熱膨脹層，再完全填充銅
圖 4B 來自專利附圖 Sheet 9。 先在腔體孔 421 的孔壁沉積熱膨脹層 425，再填充導電材料形成導電區域 430。熱膨脹層厚度可在 0.1–30、0.1–20 或 0.1–10 μm 之間選擇。
沉積方法包括 CVD（化學氣相沉積）、ALD（原子層沉積）、PVD（物理氣相沉積）、電化學沉積或電鍍。對高深寬比 TGV 來說，ALD 或 CVD 往往更適合做保形、均勻、連續的薄層；PVD 可能更偏表面覆蓋；電鍍則常用於銅主體的低成本填充。
圖 4C：部分填充銅，再做第二熱膨脹層
圖 4C 來自專利附圖。 導電區域 431 隻部分填充孔，留下空腔 422，隨後再沉積第二熱膨脹層 426。這樣既保留了部分銅互連，又通過空腔和額外熱膨脹層來調節應力。
這條路線特別契合“不要全銅、不要硬填充、不要高應力”的設計哲學。對大孔徑、高熱膨脹差、高功率循環的應用，部分填充往往比全銅填充更安全。
圖 4D：先部分填充銅，再在兩側做熱膨脹層
圖 4D 來自專利附圖 Sheet 10。 導電區域 432 先部分填充腔體孔 420，形成空腔 440，再在玻璃芯兩側沉積熱膨脹層 427。這樣 TGV 內部和玻璃芯表面都被納入熱機械管理。
專利還提到，熱膨脹層 425、426、427 以及不需要的沉積材料，可以通過 CMP（化學機械拋光）或化學刻蝕去除。這一步很關鍵：TGV 內部要保留材料，但玻璃表面多餘的金屬或熱膨脹層必須去掉，否則會影響後續介電層、RDL 和凸點連接。
八、從 TGV 到完整封裝基板
圖 2：帶玻璃芯的完整封裝基板
圖 2 來自專利附圖 。 玻璃芯 205 內有導電 TGV 210，外圍是介電區域 215，其中包含導電通孔 220 和導電線路 225。介電區域可以是 buildup film，比如 ABF；導電材料可以是銅。
這說明 TGV 不是孤立存在的。它要和上下 buildup 層、RDL、焊盤、凸點和封裝級互連一起工作。玻璃芯提供剛性、尺寸穩定和垂直互連通道，buildup 層負責高密度水平布線。
圖 3：晶片裝配到玻璃基板上的完整系統
圖 3 來自專利附圖。 封裝基板包括玻璃芯 305、介電區域 310/311、可選的互連橋 315 和導電 TGV 320。半導體晶片 325、327 通過 FLI（第一級互連）335、336 連接到基板，整個封裝再通過板級互連 340 接到電路板 330。
這裡有個值得關注的點：專利不僅覆蓋 TGV 本身，還把玻璃芯基板、互連橋、晶片、FLI 和主機板連成了一個完整系統。互連橋可以是 EMIB 這類嵌入式互連橋，也能帶 TBV（through-bridge via），從而減少基板布線層數、提高互連密度。
專利最適合的應用，是高性能計算、人工智慧加速器、伺服器 CPU、GPU、IPU、HBM 整合和多 chiplet 封裝。這些場景的共同特點是：晶片面積大、功率密度高、I/O 數量多、熱循環劇烈、封裝尺寸越來越大。
傳統有機基板在這些條件下容易出現翹曲、介電損耗、布線密度不足和可靠性下降。玻璃基板能改善剛性、平整度和 CTE 匹配，但 TGV 的銅—玻璃失配又成了新的短板。英特爾這份專利恰恰補上了這塊短板：既保留玻璃基板的優勢，又通過熱膨脹層降低 TGV 局部失效風險。
專利提到的晶片類型覆蓋面很廣：微處理器、CPU、GPU、處理核、SoC、DSP、I/O 管理器、ASIC、PLD、HBM 和其他儲存器件。也就是說，它瞄準的不只是某一種產品，而是整個先進封裝生態。
把前面所有內容收攏，這份專利的創新性可以濃縮成五個維度：
- 把 CTE 匹配從“基板選材”推進到“TGV 微觀結構工程設計”。以往大家更多關注玻璃基板整體 CTE 是否與矽匹配，本專利進一步指出：即使玻璃整體 CTE 合適，TGV 內部的銅仍可能造成局部開裂，所以必須在孔壁、孔腔內或玻璃表面引入熱膨脹層。
- 用 Ti、Pt、W、FeNi36 等低 CTE 或近匹配材料做緩衝層。這些材料不一定都是傳統 TGV 的主流選擇，但通過把它們放進 TGV 結構，專利建構了更寬的工藝窗口和材料組合空間。
- 允許 TGV 部分填充或中空結構。銅不是越多越好，保留空腔可以降低高 CTE 金屬體積，減少熱循環中的膨脹擠壓；空腔後續還能被介電材料或 buildup 材料填充。
- 熱膨脹層可以分佈在孔壁、上下表面、貫穿孔壁或雙側表面。這種多位置、多層、可變厚度的設計，是為了覆蓋不同孔徑、深寬比、功率等級和可靠性要求。
- 與 LIDE 雷射誘導深度刻蝕工藝相容。先用雷射改性玻璃，再用濕法刻蝕形成 TGV，然後沉積熱膨脹層和導電金屬，整套流程符合先進封裝對低損傷、高精度、高密度垂直互連的要求。
英特爾這份專利的真正價值，不在於“用玻璃做基板”這件事本身，而在於它看清了玻璃基板可靠性的命門——TGV 與玻璃之間的熱機械失配。
通過引入鈦、鉑、鎢、FeNi36 等熱膨脹層，並把 TGV 設計成全填充、部分填充、中空、孔壁緩衝、表面緩衝等多種結構，它為先進封裝提供了一套更系統的應力管理方案。
對材料科學家來說，這是 CTE 匹配、低膨脹合金、薄膜沉積和脆性材料可靠性交叉的典型案例；對半導體工藝裝置專家來說，它牽涉雷射改性、選擇性刻蝕、ALD/CVD/PVD、電鍍、CMP 和封裝整合；對鍍膜工程師來說，它提出了一個很現實的問題：如何在高深寬比玻璃孔裡，沉積出均勻、連續、低應力、粘附可靠的過渡層。
未來 AI 晶片、HPC 封裝和大尺寸異構整合會不會大規模轉向玻璃基板，仍取決於成本、良率、裝置鏈和供應鏈成熟度。但至少有一點是清楚的：TGV 不再只是一個“打孔—填銅”的互連工藝，而正在變成一門關於熱膨脹匹配、應力緩衝和介面可靠性的精密材料工程。 (薄膜材料)