玻璃基板之争

半导体行业观察
玻璃基板在先进封装中具有重要作用,可降低成本并提高设备性能。然而,也面临着翘曲、兼容性和标准化等挑战。

芯片行业正在竞相开发用于先进封装的玻璃,这为几十年来芯片材料的最大转变之一奠定了基础——而且这将带来一系列新的挑战,需要数年时间才能完全解决。

十多年来,人们一直在讨论用玻璃来替代硅和有机基板,主要用于多芯片封装。但随着摩尔定律的失效,从平面芯片向先进封装的转变现在几乎已成为尖端设计的必然趋势。现在的挑战是如何更有效地制造这些设备,而玻璃已经成为封装和光刻技术前沿的关键推动因素。英特尔去年宣布将在本世纪后期推出玻璃基板。而美国政府则根据《芯片法案》授予韩国 SKC 的附属公司 Absolics 7500 万美元,用于在佐治亚州建造一座占地 12 万平方英尺的工厂,生产玻璃基板。

英特尔研究员兼基板 TD 模块工程总监 Rahul Manepalli 表示:“玻璃的优势显而易见。但你必须解决的问题包括界面应力、了解玻璃的断裂动力学,以及了解如何将应力从一层分离到另一层。”

随着基板越来越薄以满足现代半导体设备的要求,玻璃的脆性问题也愈发严重。处理和加工这些薄玻璃基板需要非常小心和精确,因为破损的风险会大大增加。

玻璃也使检测和计量更具挑战性。Onto Innovation光刻产品营销总监 Keith Best 表示:“我们正在从晶圆光刻中常见的较小区域过渡。使用玻璃时,仅仅扩大规模是不够的。它需要一个低数值孔径 (NA) 透镜系统,能够在更大的区域内实现必要的焦深,而不会影响分辨率。”

此外,大型代工厂和 OSAT 已对其他材料进行了大量投资,例如覆铜板。这些材料是经过现场验证的 PCB 基础材料,但当封装行业线宽/间距低于 2/2nm 时,它们将失去发展动力。转向玻璃需要新一轮的设备投资和新工艺,或者以某种方式将其与现有工艺相结合。

日月光集团高级副总裁尹昌表示:“目前还没有办法让我们创建一条专用的玻璃基板生产线。目前没有业务可以支持这一点。它要么适应标准流程,要么采用将需要更长的时间。”

为什么是玻璃?为什么是现在?

尽管存在这些障碍,但业界普遍承认玻璃面板的变革潜力以及最终采用的可能性。玻璃具有出色的尺寸稳定性,以及支持更大面积和更精细图案的能力。它还具有与硅相同的热膨胀系数,并且非常平坦和稳定。

佳能市场经理道格·谢尔顿 (Doug Shelton) 表示:“玻璃肯定是趋势。玻璃的适应性很强,而且具有一些有利的电气特性。只要不尝试做得超薄,它会让光刻方面变得更容易。”

玻璃最吸引人的特性之一是其低介电常数,可最大限度地减少信号传播延迟和相邻互连之间的串扰,这对于高速电子设备至关重要。它还可以降低互连之间的电容,从而实现更快的信号传输并提高整体性能。在数据中心、电信和高性能计算等速度至关重要的应用中,使用玻璃基板可以显著提高系统效率和数据吞吐量。

低介电常数还能实现更好的阻抗控制,确保整个电路的信号完整性。这在射频应用中尤其有吸引力,因为阻抗匹配对于最大限度地提高功率传输和最大限度地减少信号损失至关重要。通过在整个基板表面提供一致的电气特性,玻璃基板有助于设计和制造具有更高可靠性和性能的高频电路。

玻璃基板的另一个关键优势是卓越的热稳定性,这对于在波动的热条件下保持设备性能至关重要。与在热应力下会变形或分层的覆铜层压板不同,玻璃基板在很宽的温度范围内尺寸变化很小。在热管理至关重要的应用中,例如汽车电子、航空航天系统和工业控制,玻璃能够承受热循环并在应力下保持尺寸完整性,有助于防止电气短路、断路或其他通常与温度引起的机械应变有关的可靠性问题。

英特尔的 Manepalli 表示:“我们预计,以数据为中心的世界将首先采用玻璃,采用基于 AI/ML 的封装,其性能将立即使该应用受益。”

玻璃基板的热稳定性还简化了先进封装解决方案的设计和实施,使组件集成更紧密,封装密度更高。通过消除与基板翘曲或变形相关的担忧,玻璃基板可以实现芯片组件更精确的对准、更细间距的互连,并提高整体系统性能。

Promex Industries首席运营官 David Fromm 表示:“观察这些玻璃材料如何进入这些复杂设备的生态系统将会很有趣,无论是在基板层面还是在更高层次的集成中。”

工艺改进

玻璃基板的另一大优势是其出色的平整度,这对于面板级光刻工艺至关重要,因为精确对准和特征均匀性对于实现高分辨率图案化至关重要。玻璃基板可确保光刻过程中焦平面对准的一致性,从而能够以出色的精度和可重复性创建细间距互连和复杂电路图案。

此外,玻璃基板的平整度可最大程度地减少图案扭曲或错位等缺陷的发生,从而提高半导体器件的产量和可靠性。这反过来又提高了制造产量和整体器件性能,特别是在需要严格公差和高集成度的应用中。

过渡到玻璃还支持工艺流程。玻璃在一系列加工条件下具有可预测的行为,可最大限度地减少工艺变量。一旦解决了处理问题,工程师就可以围绕可靠且一致的响应材料微调其工艺,从而提高生产线的效率和可预测性。

“玻璃面板加工需要极其精细的精度,”Best 补充道。“但一旦你确定了工艺,材料就会与你合作,而不是与你作对。”

玻璃基板光刻技术面临的一个重大挑战是其固有的易碎性,随着行业转向更薄的基板以满足更高的设备集成度和性能要求,这一问题变得尤为突出。薄玻璃板的厚度通常为 100µm 或更薄,在处理和制造过程中存在相当大的风险。玻璃在压力下易开裂或破碎,这凸显了对专门设备和工艺的需求,以安全地管理这种材料。

“玻璃基板有其自身的挑战,”诺信测试与检测公司产品线总监布拉德·珀金斯 (Brad Perkins) 表示。“当你看到那些 500 多平方毫米的大型玻璃面板时,你会遇到一些真正的挑战,比如它的弯曲和翘曲程度,以及如何握住它们?”

解决这一脆弱性问题需要处理系统与光刻技术本身的复杂性相匹配。先进封装公司正在积极探索强大的处理、真空和机械支撑系统,以便在不发生破损的情况下运输和处理这些脆弱的玻璃板。此外,正在寻求从光刻设备装载和卸载基板的软处理技术的创新,以减轻处理易碎玻璃基板的风险。

“薄玻璃基板极其脆弱,需要小心处理,”Onto 的 Best 说道。“这需要技巧、精确度,最重要的是处理技术的创新。你必须非常小心地移动它。例如,当你把它放在电镀槽中时,电镀槽的搅动和湍流可能会把它弄碎。”

混合基板

玻璃还可以与传统基板相结合,使现有方法能够充分利用玻璃的热稳定性和电气优势,同时利用有机层压板或硅中介层等材料的机械强度和成熟的制造实践。结果是基板具有卓越的整体性能指标,能够满足当代和未来芯片设计的多样化需求。

例如,混合基板可能采用玻璃芯,用于低损耗、高频信号传输,并与覆铜板 (CCL) 层叠,以提高结构刚度和成本效益。这种协同组合可以缓解与玻璃相关的一些挑战,例如脆性,同时利用其高性能特性。

Onto 公司的 Best 表示:“玻璃与其他基材的结合不仅仅是将两种材料的优点融合在一起,而是实现了我们从未见过的性能特征。”

标准化和兼容性

玻璃面板采用面临的一个重大障碍是缺乏统一的玻璃基板尺寸、厚度和特性标准。与遵循精确全球规格的硅晶片不同,玻璃基板目前缺乏普遍接受的尺寸和特性。标准化的缺陷使努力生产通用兼容工具的设备制造商和寻求在不对工艺进行重大调整的情况下更换基板的半导体工厂的问题变得复杂。

与标准化密切相关的是兼容性问题,不仅是不同批次的玻璃基板之间的兼容性,而且还有基板与其支持的半导体器件之间的兼容性。玻璃独特的电气和热性能必须与半导体器件的电气和热性能进行仔细匹配。

“你不会在成熟的产品上使用玻璃,”ASE 的 Chang 补充道。“它将出现在最先进的应用上,具有更好的电源解决方案。但它将更难处理。这是它的关键问题之一。”

随着半导体行业向芯片和 3D-IC 等先进封装方法发展,后端工艺正在发生显著的转变。这一转变涉及采用和调整传统上与前端半导体制造相关的方法。

如今,光刻技术在实现 2µm 以下的线距方面发挥着关键作用,而这对于采用小芯片和 2.5D/3D-IC 封装必不可少。但这些更精细的尺寸也要求材料能够承受更严格的加工条件,同时保持结构和功能的完整性。

Synopsys高级产品营销经理 Travis Brist 表示:“我们目前面临的最大挑战是如何最大限度地利用光刻工具。虽然我们一直在努力做到这一点,但它正变得越来越关键。”

由于封装对基板格式的限制越来越少,并且能够使用数值孔径更小的更大透镜,封装供应商正在转向扇出面板级封装 (FOPLP),以便在每个面板上处理更多封装,从而降低成本。据估计,相对于圆形 300 毫米晶圆扇出,面板成本可降低 30% 至 40%。

创新

鉴于面板与硅晶圆相比尺寸更大且物理特性不同,实现先进封装所需的细间距互连需要光刻技术,该技术可以在面板基板上产生更小的特征尺寸,而不会影响对准精度。这对于较大的面板来说尤其具有挑战性,因为翘曲会成为一个问题,必须在光刻过程中加以考虑。

覆铜板 (CCL) 凭借其耐用性、坚固的机械性能和成本效益,已成为 FOPLP 的首选基板材料。其成分使其成为半导体封装工艺严苛条件下的耐用选择,而玻璃纤维和铜的相对价格实惠也使其得到广泛采用。

但是,CCL 的结构(有助于提高其强度)也使其容易在 FOPLP 中常见的热应力和机械应力下翘曲。基板的每一层都可能产生略有不同的叠加偏差,这是由于面板的扭曲而引起的复杂情况。控制此类偏差至关重要,因为它们可能导致难以保持一致的线条图案和特征尺寸。即使是微小的差异也会导致严重的产量损失并影响封装的整体功效。

此外,CCL 电气性能在基板表面的微小变化会影响信号完整性和整体设备性能,尤其是在高频应用中。

Onto 公司的 Best 表示:“覆铜板非常坚固,但一旦发生翘曲和变形,就非常不稳定。但如今大多数人都在研究覆铜板。他们已经获得了 9/12 [nm 线宽/间距],并考虑可能达到 5/5。有些人甚至想将其推至 2/2,但这可能是覆铜板的末日。然后是玻璃的竞争。”

兼容性不仅限于玻璃的物理特性,还涵盖半导体堆栈中使用的其他材料(如电介质和金属)的粘附性,这些材料在玻璃上的表现可能与传统基板上的表现不同。

由于缺乏行业标准,性能差异也成为一个共同的挑战。由于每个制造商都遵守其专有的玻璃基板规格,因此会出现这样一种情况:即使对于相同的应用,一家公司的产品性能也可能与另一家公司的产品性能不完全相同。

随着先进封装技术向更精细的间距和更复杂的互连技术发展,玻璃与堆叠中其他材料之间的热膨胀系数和电气性能差异变得越来越重要。如果没有标准化,玻璃与玻璃通孔 (TSV) 和微凸块等技术的集成就会变得非常复杂,可能会影响产量和可靠性。

应对这些挑战需要全行业合作来制定和采用玻璃基板标准。这种合作涉及由玻璃制造商、半导体公司、封装专家和设备供应商组成的工作组,所有这些都有助于建立可靠的标准,以提高制造过程的可预测性和效率。

标准化和兼容性至关重要,因为玻璃基板有望在未来的先进封装中发挥关键作用。只有通过行业合作和就通用协议达成一致,才能充分发挥玻璃基板的优势。

结论

借助玻璃面板,制造商可以突破互连密度的界限,为更复杂、更紧密集成的电路铺平道路。由于基板上电气特性的一致性,设备不仅变得更小、更快,而且更可靠,从而确保了一批又一批设备性能的一致性。

“玻璃可以做的还有很多,我们甚至还没有触及表面,”Manepalli 补充道。“我们甚至还没有利用玻璃的高频优势。想象一下,一旦我们搞清楚了这一工艺,你可以用玻璃创造什么以及它的优势特性。”

本文来源:半导体行业观察,原文标题:《玻璃基板之争》

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