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玻璃基板之爭
晶片產業正在競相開發用於先進封裝的玻璃，這為幾十年來晶片材料的最大轉變之一奠定了基礎——而且這將帶來一系列新的挑戰，需要數年時間才能完全解決。
十多年來，人們一直在討論用玻璃來取代矽和有機基板，主要用於多晶片封裝。但隨著摩爾定律的失效，從平面晶片轉變為先進的封裝現在幾乎已成為尖端設計的必然趨勢。現在的挑戰是如何更有效地製造這些設備，而玻璃已經成為封裝和光刻技術前沿的關鍵推動因素。英特爾去年宣布將在本世紀後期推出玻璃基板。而美國政府則根據《晶片法案》授予韓國SKC 的附屬公司Absolics 7,500 萬美元，用於在喬治亞州建造一座佔地12 萬平方英尺的工廠，生產玻璃基板。
英特爾研究員兼基板TD 模組工程總監Rahul Manepalli 表示：“玻璃的優勢顯而易見。但你必須解決的問題包括界面應力、了解玻璃的斷裂動力學，以及了解如何將應力從一層分離到另一層。”
隨著基板越來越薄以滿足現代半導體設備的要求，玻璃的脆性問題也愈發嚴重。處理和加工這些薄玻璃基板需要非常小心和精確，因為破損的風險會大大增加。
玻璃也使檢測和計量更具挑戰性。 Onto Innovation光刻產品行銷總監Keith Best 表示：「我們正在從晶圓微影中常見的較小區域過渡。使用玻璃時，僅僅擴大規模是不夠的。它需要一個低數值孔徑(NA) 透鏡系統，能夠在更大的區域內實現必要的焦深，而不會影響解析度。
此外，大型代工廠和OSAT 已對其他材料進行了大量投資，例如覆銅板。這些材料是經過現場驗證的PCB 基礎材料，但當封裝產業線寬/間距低於2/2nm 時，它們將失去發展動力。轉向玻璃需要新一輪的設備投資和新工藝，或以某種方式將其與現有工藝相結合。
日月光集團高級副總裁尹昌表示：“目前還沒有辦法讓我們創建一條專用的玻璃基板生產線。目前沒有業務可以支持這一點。它要么適應標準流程，要么採用將需要更長的時間。”
為什麼是玻璃？為什麼是現在？
儘管存在這些障礙，但業界普遍承認玻璃面板的變革潛力以及最終採用的可能性。玻璃具有出色的尺寸穩定性，以及支援更大面積和更精細圖案的能力。它還具有與矽相同的熱膨脹係數，並且非常平坦和穩定。
佳能市場經理道格·謝爾頓(Doug Shelton) 表示：「玻璃肯定是趨勢。玻璃的適應性很強，而且具有一些有利的電氣特性。只要不嘗試做得超薄，它會讓光刻方面變得更容易。
玻璃最吸引人的特性之一是其低介電常數，可最大限度地減少訊號傳播延遲和相鄰互連之間的串擾，這對於高速電子設備至關重要。它還可以降低互連之間的電容，從而實現更快的訊號傳輸並提高整體性能。在資料中心、電信和高效能運算等速度至關重要的應用中，使用玻璃基板可顯著提高系統效率和資料吞吐量。
低介電常數還能達到更好的阻抗控制，確保整個電路的訊號完整性。這在射頻應用中尤其有吸引力，因為阻抗匹配對於最大限度地提高功率傳輸和最大限度地減少訊號損失至關重要。透過在整個基板表面提供一致的電氣特性，玻璃基板有助於設計和製造具有更高可靠性和性能的高頻電路。
玻璃基板的另一個關鍵優勢是卓越的熱穩定性，這對於在波動的熱條件下保持設備性能至關重要。與在熱應力下會變形或分層的覆銅層壓板不同，玻璃基板在很寬的溫度範圍內尺寸變化很小。在熱管理至關重要的應用中，例如汽車電子、航太系統和工業控制，玻璃能夠承受熱循環並在應力下保持尺寸完整性，有助於防止電氣短路、斷路或其他通常與溫度引起的機械應變有關的可靠性問題。
英特爾的Manepalli 表示：“我們預計，以數據為中心的世界將首先採用玻璃，採用基於AI/ML 的封裝，其性能將立即使該應用受益。”
玻璃基板的熱穩定性也簡化了先進封裝解決方案的設計和實施，使組件整合更緊密，封裝密度更高。透過消除與基板翹曲或變形相關的擔憂，玻璃基板可以實現晶片組件更精確的對準、更細間距的互連，並提高整體系統性能。
Promex Industries首席營運長David Fromm 表示：“觀察這些玻璃材料如何進入這些複雜設備的生態系統將會很有趣，無論是在基板層面還是在更高層次的整合中。”
工藝改進
玻璃基板的另一個優勢是其出色的平整度，這對於面板級光刻製程至關重要，因為精確對準和特徵均勻性對於實現高解析度圖案化至關重要。玻璃基板可確保光刻過程中焦平面對準的一致性，從而能夠以出色的精度和可重複性創建細間距互連和複雜電路圖案。
此外，玻璃基板的平整度可最大程度地減少圖案扭曲或錯位等缺陷的發生，進而提高半導體裝置的產量和可靠性。這反過來又提高了製造產量和整體裝置性能，特別是在需要嚴格公差和高整合度的應用中。
過渡到玻璃也支援工藝流程。玻璃在一系列加工條件下具有可預測的行為，可最大限度地減少製程變數。一旦解決了處理問題，工程師就可以圍繞可靠且一致的響應材料微調其工藝，從而提高生產線的效率和可預測性。
「玻璃面板加工需要極其精細的精度，」Best 補充道。 “但一旦你確定了工藝，材料就會與你合作，而不是與你作對。”
玻璃基板光刻技術面臨的一個重大挑戰是其固有的易碎性，隨著產業轉向更薄的基板以滿足更高的設備整合度和性能要求，這個問題變得尤為突出。薄玻璃板的厚度通常為100µm 或更薄，在處理和製造過程中存在相當大的風險。玻璃在壓力下易開裂或破碎，這凸顯了對專門設備和工藝的需求，以安全地管理這種材料。
「玻璃基板有其自身的挑戰，」諾信測試與檢測公司產品線總監布拉德·珀金斯(Brad Perkins) 表示。 “當你看到那些500 多平方毫米的大型玻璃面板時，你會遇到一些真正的挑戰，比如它的彎曲和翹曲程度，以及如何握住它們？”
解決這個脆弱性問題需要處理系統與光刻技術本身的複雜性相符。先進封裝公司正在積極探索強大的處理、真空和機械支撐系統，以便在不發生破損的情況下運輸和處理這些脆弱的玻璃板。此外，正在尋求從光刻設備裝載和卸載基板的軟處理技術的創新，以減輕處理易碎玻璃基板的風險。
「薄玻璃基板極其脆弱，需要小心處理，」Onto 的Best 說。 「這需要技巧、精確度，最重要的是處理技術的創新。你必須非常小心地移動它。例如，當你把它放在電鍍槽中時，電鍍槽的攪動和湍流可能會把它弄碎。
混合基板
玻璃還可以與傳統基板結合，使現有方法能夠充分利用玻璃的熱穩定性和電氣優勢，同時利用有機層壓板或矽中介層等材料的機械強度和成熟的製造實踐。結果是基板具有卓越的整體性能指標，能夠滿足當代和未來晶片設計的多樣化需求。
例如，混合基板可能採用玻璃芯，用於低損耗、高頻訊號傳輸，並與覆銅板(CCL) 層疊，以提高結構剛度和成本效益。這種協同組合可以緩解與玻璃相關的一些挑戰，例如脆性，同時利用其高性能特性。
Onto 公司的Best 表示：“玻璃與其他基材的結合不僅僅是將兩種材料的優點融合在一起，而是實現了我們從未見過的性能特徵。”
標準化和相容性
玻璃面板採用面臨的一個重大障礙是缺乏統一的玻璃基板尺寸、厚度和特性標準。與遵循精確全球規格的矽晶片不同，玻璃基板目前缺乏普遍接受的尺寸和特性。標準化的缺陷使努力生產通用相容工具的設備製造商和尋求在不對製程進行重大調整的情況下更換基板的半導體工廠的問題變得複雜。
與標準化密切相關的是相容性問題，不僅是不同批次的玻璃基板之間的兼容性，而且還有基板與其支援的半導體裝置之間的兼容性。玻璃獨特的電氣和熱性能必須與半導體裝置的電氣和熱性能進行仔細匹配。
「你不會在成熟的產品上使用玻璃，」ASE 的Chang 補充道。 “它將出現在最先進的應用上，具有更好的電源解決方案。但它將更難處理。這是它的關鍵問題之一。”
隨著半導體產業向晶片和3D-IC 等先進封裝方法發展，後端製程正在發生顯著的轉變。這一轉變涉及採用和調整傳統上與前端半導體製造相關的方法。
如今，光刻技術在實現2µm 以下的線距方面發揮關鍵作用，而這對於採用小晶片和2.5D/3D-IC 封裝必不可少。但這些更精細的尺寸也要求材料能夠承受更嚴格的加工條件，同時保持結構和功能的完整性。
Synopsys高級產品行銷經理Travis Brist 表示：“我們目前面臨的最大挑戰是如何最大限度地利用光刻工具。雖然我們一直在努力做到這一點，但它正變得越來越關鍵。”
由於封裝對基板格式的限制越來越少，並且能夠使用數值孔徑更小的更大透鏡，封裝供應商正在轉向扇出面板級封裝(FOPLP)，以便在每個面板上處理更多封裝，從而降低成本。據估計，相對於圓形300 毫米晶圓扇出，面板成本可降低30% 至40%。
創新
鑑於面板與矽晶圓相比尺寸更大且物理特性不同，實現先進封裝所需的細間距互連需要光刻技術，該技術可以在面板基板上產生更小的特徵尺寸，而不會影響對準精度。這對於較大的面板來說尤其具有挑戰性，因為翹曲會成為一個問題，必須在光刻過程中加以考慮。
覆銅板(CCL) 憑藉其耐用性、堅固的機械性能和成本效益，已成為FOPLP 的首選基板材料。其成分使其成為半導體封裝工藝嚴苛條件下的耐用選擇，而玻璃纖維和銅的相對價格實惠也使其廣泛採用。
但是，CCL 的結構（有助於提高其強度）也使其容易在FOPLP 中常見的熱應力和機械應力下翹曲。基板的每一層都可能產生略有不同的疊加偏差，這是由於面板的扭曲而引起的複雜情況。控制此類偏差至關重要，因為它們可能導致難以保持一致的線條圖案和特徵尺寸。即使是微小的差異也會導致嚴重的產量損失並影響封裝的整體功效。
此外，CCL 電氣性能在基板表面的微小變化會影響訊號完整性和整體設備性能，尤其是在高頻應用中。
Onto 公司的Best 表示：「覆銅板非常堅固，但一旦發生翹曲和變形，就非常不穩定。但如今大多數人都在研究覆銅板。他們已經獲得了9/12 [nm 線寬/間距] ，並考慮可能達到5/5。
相容性不僅限於玻璃的物理特性，還涵蓋半導體堆疊中使用的其他材料（如電介質和金屬）的黏附性，這些材料在玻璃上的表現可能與傳統基板上的表現不同。
由於缺乏行業標準，性能差異也成為一個共同的挑戰。由於每個製造商都遵守其專有的玻璃基板規格，因此會出現這種情況：即使對於相同的應用，一家公司的產品性能也可能與另一家公司的產品性能不完全相同。
隨著先進封裝技術朝向更精細的間距和更複雜的互連技術發展，玻璃與堆疊中其他材料之間的熱膨脹係數和電氣性能差異變得越來越重要。如果沒有標準化，玻璃與玻璃通孔(TSV) 和微凸塊等技術的整合就會變得非常複雜，可能會影響產量和可靠性。
應對這些挑戰需要全產業合作來制定和採用玻璃基板標準。這種合作涉及由玻璃製造商、半導體公司、封裝專家和設備供應商組成的工作小組，所有這些都有助於建立可靠的標準，以提高製造過程的可預測性和效率。
標準化和相容性至關重要，因為玻璃基板有望在未來的先進封裝中發揮關鍵作用。只有透過產業合作和就通用協議達成一致，才能充分發揮玻璃基板的優勢。
結論
借助玻璃面板，製造商可以突破互連密度的界限，為更複雜、更緊密整合的電路鋪路。由於基板上電氣特性的一致性，設備不僅變得更小、更快，而且更可靠，從而確保了一批又一批設備性能的一致性。
「玻璃可以做的還有很多，我們甚至還沒有觸及表面，」Manepalli 補充道。 “我們甚至還沒有利用玻璃的高頻優勢。想像一下，一旦我們搞清楚了這一工藝，你可以用玻璃創造什麼以及它的優勢特性。” (半導體材料與製程設備)