受人工智能（AI）、數(shù)據(jù)中心、自動駕駛汽車、5G等HPC（高性能計算）的推動，特別是AI和HPC應(yīng)用的日益激增，成為新一輪半導體周期的第一大驅(qū)動力，高性能計算的應(yīng)用場景不斷拓寬，對算力芯片性能提出更高要求，在物理瓶頸拖慢摩爾定律步伐的情況下，先進封裝與晶圓制造技術(shù)相結(jié)合可以滿足計算能力、延遲和更高帶寬的要求，因而在AI的浪潮中地位變得越來越關(guān)鍵，從而刺激了先進封裝市場快速增長。
“包括扇出型晶圓級封裝（FOWLP）和扇出型面板級封裝（FOPLP）在內(nèi)的扇出型先進封裝扮演著關(guān)鍵的作用，可通過RDL工藝實現(xiàn)高帶寬和高密度的芯片對芯片（D2D）互連。其中又以FOPLP更具成長潛力。”高精密設(shè)備制造商Manz亞智科技集團亞洲區(qū)總經(jīng)理林峻生在接受集微網(wǎng)采訪時指出，“與此同時，先進封裝對IC載板有著更高的要求，并且隨著高性能芯片及封裝基板尺寸越來越大，玻璃基板（TGV）越來越被視為可能替代硅基板的下一代三維集成的關(guān)鍵技術(shù)，有望重塑IC載板市場格局，未來將取代部分ABF市場?！?/p>
AI計算攪動先進封裝市場變局，F(xiàn)OPLP異軍突起
去年以來，生成式AI（AIGC）引爆全球科技行業(yè)，對先進封裝、異構(gòu)集成、高效基板的巨量需求前所未有，成為半導體市場的主要增量。林峻生引用市場研究機構(gòu)IDC最新數(shù)據(jù)指出，受內(nèi)存回升和全行業(yè)庫存調(diào)整帶動，今年整體半導體市場預計將增長20%，受AI、計算中心基礎(chǔ)建設(shè)、汽車、HBM和Chiplet（芯粒）等應(yīng)用驅(qū)動，半導體行業(yè)年產(chǎn)值將接近1兆億美元。
上述應(yīng)用帶動了扇出型封裝的持續(xù)高速成長。Yole數(shù)據(jù)顯示，扇出型封裝產(chǎn)值預計將在2028年達到38億美元，2022~2028年復合年增長率為12.5%。其中，F(xiàn)OPLP占據(jù)了整個扇出型封裝市場約5~10%的比例，并且未來幾年還將不斷增長，增速高于整體扇出型封裝市場。
相比于傳統(tǒng)封裝，先進封裝具有提升芯片功能密度、縮短互聯(lián)長度和進行系統(tǒng)重構(gòu)三大功能。無論是FOWLP、FOPLP還是當下最熱門的Chiplet，RDL（重布線層）技術(shù)的運用功不可沒，也正是這項技術(shù)的興起，使得封裝廠得以在扇出型封裝技術(shù)上與晶圓廠一較高下。相比FOWLP應(yīng)用在CPU、GPU、FPGA等I/O數(shù)更高、線寬更細的高密度扇出封裝，F(xiàn)OPLP聚焦在高功率、大電流的功率半導體器件，以及不需要最先進制程的，也不需要太細的線寬/間距的電源管理芯片、高頻射頻芯片等產(chǎn)品。
隨著FOPLP越來越受重視，近幾年行業(yè)內(nèi)已經(jīng)有不同商業(yè)模式的廠商加入這一市場爭奪戰(zhàn)，包括IDM廠、代工廠、封裝廠，甚至面板廠、PCB廠等等，他們已強烈感應(yīng)到通過扇出型技術(shù)涉足先進封裝領(lǐng)域的機會。盡管如此，不可否認的是FOPLP目前還存在許多挑戰(zhàn)亟需解決，包括基板翹曲、組裝精度、材料沖擊、芯片位移、設(shè)備及載板標準化問題、生產(chǎn)良率、設(shè)備投入開發(fā)都是業(yè)內(nèi)所面臨的挑戰(zhàn)。其中，能夠提供均勻的表面線路而不需要額外后處理的鍍銅工藝更是成功實現(xiàn)FOPLP封裝的RDL鍍層的關(guān)鍵。
憑借近四十年在化學濕制程（洗凈、蝕刻、通孔工藝設(shè)備）、自動化及電鍍等生產(chǎn)設(shè)備解決方案領(lǐng)域的豐富經(jīng)驗，Manz持續(xù)為全球十大載板廠及面板廠提供穩(wěn)定量產(chǎn)的有力支持，在IC載板和顯示器行業(yè)中扮演著重要角色。林峻生表示，公司在2016年整合集團核心多元技術(shù)，進軍半導體先進封裝領(lǐng)域，在FOPLP封裝市場取得了多個里程碑式成績。他指出，隨著芯片集成度提高、尺寸縮小，封裝基板厚度不變的同時要整合進更多功能的芯片于載體之上，因此中介層上的孔洞越來越密集，孔洞直徑也會越來越小，帶來高深寬比制程需求，在此基礎(chǔ)之上再封裝形成HPC、高速傳輸、低功耗、散熱性佳等應(yīng)用能力的芯片。
“Manz不斷克服并解決載板生產(chǎn)在翹曲、均勻性、可靠性等方面的挑戰(zhàn)，進行設(shè)備和工藝研發(fā)。最新的RDL制程設(shè)備解決方案無縫整合化學濕制程工藝前后制程，并確保電鍍后的基板表面均勻性最高可達95%，線寬線距最小達到5μm/5μm，銅厚度超過100μm等應(yīng)用目標。不僅提高了芯片密度，還改善了散熱性。在生產(chǎn)尺寸方面，于2022年交付了700mmx700mm FOPLP RDL整廠解決方案，成功協(xié)助客戶量產(chǎn)高散熱性及高密度電源管理及高射頻RF芯片等封裝產(chǎn)品，為客戶進一步提供產(chǎn)能與成本優(yōu)勢?！彼麖娬{(diào)，“更重要的是，Manz最大的差異化優(yōu)勢在于，針對板級封裝RDL制程，我們不止提供單一的設(shè)備，還整合了Manz的自動化、激光加工、檢測系統(tǒng)、濕法化學、電鍍和高精度噴墨打印技術(shù)等多元核心技術(shù)，為客戶提供整個RDL生產(chǎn)線，同時，我們也提供制程及軟件整合整個產(chǎn)線，一體化的服務(wù)，為客戶量身打造并落實制程生產(chǎn)的最佳方案，從開發(fā)項目初期便與客戶緊密合作，深入探討生產(chǎn)制程的每一個環(huán)節(jié)，以確保能為客戶贏得最快速的市場上市時機。”
Manz集團亞洲區(qū)銷售副總經(jīng)理簡偉銓特別強調(diào)，除了制程技術(shù)再升級，Manz RDL先進制程解決方案基于模塊化設(shè)計，占地面積小，十分利于客戶后期產(chǎn)能優(yōu)化和維護，可覆蓋低、中、高階的各類芯片封裝，滿足市場多樣化的需求，包括AI芯片（GPU\CPU\邏輯存儲）、汽車電子芯片(Power IC/ADAS/RF/RADAR)、5G應(yīng)用芯片(低軌道衛(wèi)星通訊、高射頻收發(fā)器、SiP)以及電子產(chǎn)品(RF、PMIC、MEMS、Driver IC)等等。
他表示，Manz的化學濕制程、電鍍以及自動化設(shè)備在半導體封裝中的RDL制程技術(shù)不斷精進，應(yīng)用版圖也在不斷擴大，從載板為有機材料上的布線（如ABF載板、BT載板等）、無載板之板級封裝的布線（如PMIC、RF等），到將芯片通過RDL技術(shù)連接并整合在單一封裝體中，甚至將整個系統(tǒng)所需的功能芯片“打包”為單一組件，整合在一個封裝體中，實現(xiàn)高密度封裝。隨著芯片內(nèi)存和I/O數(shù)量增加，Chiplet提上日程，對RDL密度帶來更高要求，玻璃基板以及玻璃通孔技術(shù)（TGV）逐漸興起，Manz也已加速研究用于下一代玻璃基板封裝技術(shù)的RDL先進制程解決方案。
玻璃基板技術(shù)興起，TGV強勢來襲
去年9月，英特爾宣布推出用于下一代芯片封裝技術(shù)的“玻璃基板設(shè)計(Glass core)”，通過玻璃基板設(shè)計，將可在單一封裝放入更多芯片，實現(xiàn)更高晶體管密度的封裝體，計劃在2026-2030年間量產(chǎn)。今年在1月的CES 2024上，三星電機已提出，今年將建立一條玻璃基板原型生產(chǎn)線，目標是2025年生產(chǎn)原型，2026年實現(xiàn)量產(chǎn)。巨頭先后拋出橄欖枝，使得玻璃基板技術(shù)成為當前業(yè)界最關(guān)注的熱點。
眾所周知，三維封裝與異質(zhì)整合技術(shù)可利用中介層(Interposer)技術(shù)，將不同功能的芯片模塊整合在一起，使得芯片模塊的效能更加強大。所以中介層的制造、基板材料的特性與封裝結(jié)構(gòu)的設(shè)計，成為中介層研發(fā)中不可忽略的關(guān)鍵因素。但是傳統(tǒng)以硅為材料的中介層技術(shù)會遇到制造成本過高，封裝材料匹配性等問題。而玻璃基板具有許多硅基板沒有的特性，例如低介電系數(shù)、超高電阻率、高尺寸安定性、與銅的熱膨脹差異小以及良好的機械性質(zhì)等，因此擁有低翹曲、信號傳遞更快、用電效率更佳等優(yōu)勢，甚至還可以彎曲應(yīng)用在卷對卷(R2R)的制程上。因此以玻璃作為基板材料的中介層也變成各大封裝廠商關(guān)注的熱門話題。
Manz集團亞洲區(qū)研發(fā)部協(xié)理李裕正指出，多年來，尋找新材料用于半導體行業(yè)芯片的核心構(gòu)成一直是一個熱門話題。在這種情況下，專家預測過往半導體產(chǎn)業(yè)使用有機材料所對應(yīng)封裝技術(shù)，將會在2030年以前面臨晶體管封裝數(shù)量極限，同時也可能會有耗電、熱膨脹，或是基于物理因素出現(xiàn)翹曲現(xiàn)象，因此提出以更平坦、耐高溫且具一定抗歪的玻璃材質(zhì)特性作為封裝基板，將成為更好解決方案。并且玻璃基板設(shè)計對應(yīng)緊密多層之間互連覆蓋穩(wěn)定性，使互連密度可提高10倍左右，同時可讓封裝良率大幅提升。
他解釋，當前業(yè)界討論的玻璃基板囊括了兩個概念，即“玻璃基板設(shè)計(又稱為玻璃芯)”和“玻璃中介層”，他們在基板厚度、線距、縱深比和熱膨脹系數(shù)等方面都存在較大差異，而當前討論的主要是前者，要進入實際應(yīng)用及量產(chǎn)還存在著不小的挑戰(zhàn)。這是由于，玻璃芯層需要一個立體的金屬內(nèi)接導線(Interconnect)作為上下信號的信道，所以通常會在玻璃基板上加工，制造出具有一個高深寬比(High Aspect Ratio, HAR)的通孔(Through via)的玻璃基板，即玻璃通孔(Through Glass Via, TGV)基板。
無論是玻璃芯還是玻璃中介層，TGV都尤為關(guān)鍵。相比之下，TGV為具有挑戰(zhàn)性且昂貴的硅技術(shù)提供了一種成本更低、損耗更低的替代方案，預計未來TGV基板將在3D集成半導體封裝廣泛應(yīng)用?！拔覀冾A測，隨著玻璃材料的結(jié)合，先進的基板創(chuàng)新得以持續(xù)，TGV解決方案定位于重塑IC載板市場格局，未來預計將侵蝕高階ABF市場。”
“但是，TGV一個主要挑戰(zhàn)是玻璃基板的加工。在玻璃上打孔并填充銅是復雜的過程，需要精確的激光打孔和化學蝕刻技術(shù)。此外，保證玻璃孔的均勻性和精確性對于信號傳輸?shù)馁|(zhì)量和可靠性至關(guān)重要。另外當TGV被制作完成后，如何將TGV金屬化也是一個很大的難題。”李裕正表示，“因為一般中介層的厚度尺寸約略在100μm ~ 400μm，而玻璃芯的厚度約略在400~1100μm以上，若TGV基板厚度較厚(>400μm)，在制造的過程中可通過不同制程整合流程來達成。但若TGV基板的厚度較薄(100μm)，在制造中會遭遇因制程所造成的應(yīng)力形變或破壞，容易使得玻璃基板產(chǎn)生缺陷或破裂。”
李裕正解釋，中介層與玻璃芯需要內(nèi)接金屬導線作為上下層信號傳遞的信道(RDL制程)，因此TGV基板必須經(jīng)由化學濕制程、電鍍等技術(shù)進行通孔、填孔、鍍銅導線等加工。隨著載板芯層由有機材料轉(zhuǎn)為玻璃設(shè)計，意味著RDL可走向更細的互連線路、更多層數(shù)的立體堆疊，導線對于高機械強度、熱穩(wěn)定性與抗疲勞性等可靠性需求日趨嚴苛，不僅需要新的材料和制程設(shè)備，也使得封裝的生產(chǎn)良率、可靠度面臨更嚴苛的挑戰(zhàn)，需要材料、設(shè)備廠商推出新一代材料或制程設(shè)備機臺，讓客戶得以將先進封裝推向量產(chǎn)。
“實際上玻璃基板技術(shù)已經(jīng)在產(chǎn)學界研究了十多年，盡管TGV技術(shù)在實驗室環(huán)境中取得了進展，但實現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)仍面臨挑戰(zhàn)。這包括提高生產(chǎn)效率、降低成本以及確保產(chǎn)品質(zhì)量。我們看到基于TGV的玻璃芯基板封裝處于起勢階段，中國在TGV技術(shù)方面表現(xiàn)出十分積極的態(tài)度，國內(nèi)研究機構(gòu)、產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)均正在積極研究和開發(fā)相關(guān)技術(shù)，以爭奪市場先機?！崩钤Ｕ龔娬{(diào)，“Manz從2023年起已開啟玻璃芯TGV RDL制程技術(shù)研發(fā)，同時與供應(yīng)鏈在上下游制程工藝及設(shè)備的整合、材料使用等方面都保持著密切的合作，憑借公司近四十年的各式基材的板級應(yīng)用經(jīng)驗，與客戶共同研發(fā)，有效推進國內(nèi)玻璃基板領(lǐng)域的商業(yè)化應(yīng)用?！?/p>
為了推動TGV技術(shù)的發(fā)展，行業(yè)內(nèi)的合作和標準化工作至關(guān)重要。這需要包括材料供應(yīng)商、設(shè)備制造商、封裝服務(wù)提供商以及最終用戶之間的緊密合作。為此，簡偉銓呼吁，“中國需要一個自己的TGV產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟”。
最后，李裕正強調(diào)，從板級封裝擴展到玻璃芯基板，Manz的半導體先進封裝RD解決方案不斷創(chuàng)新與進化?！癕anz的專長在于能夠提供制程工藝、單機設(shè)備及傳輸系統(tǒng)，加之軟件的整合，可提供RDL這一晶圓級封裝核心技術(shù)的設(shè)備解決方案。對Manz來說，TGV技術(shù)雖然面臨一系列挑戰(zhàn)，但也正處于快速發(fā)展之中，尤其是在市場需求的推動下，我們與產(chǎn)業(yè)鏈正在共同努力克服技術(shù)難題，以實現(xiàn)該技術(shù)的商業(yè)化和量產(chǎn)。”
從某種程度上而言，玻璃基板技術(shù)可以說是專為人工智能而生，有望在人工智能、高性能存儲與大模型高性能計算（基于光電子的計算和射頻、硅光集成、高帶寬存儲器）、6G通信等領(lǐng)域大放異彩?？梢钥隙?，玻璃基板是封裝領(lǐng)域的一個重大事件，包括Manz在內(nèi)的封測產(chǎn)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)已準備好，是時候齊心協(xié)力實現(xiàn)封裝技術(shù)的下一次轉(zhuǎn)型了。
