隨著人工智能(AI)和高性能計(jì)算(HPC)等領(lǐng)域的快速發(fā)展，對(duì)芯片性能的要求日益提高。在這一背景下，玻璃基板技術(shù)以其卓越的物理特性和先進(jìn)的封裝潛力，逐漸成為半導(dǎo)體行業(yè)的新寵。美國(guó)政府的大力推進(jìn)，尤其是近期芯片法案宣布對(duì)Absolics等公司的資助，標(biāo)志著玻璃基板產(chǎn)業(yè)正迎來(lái)前所未有的發(fā)展機(jī)遇。

近兩年玻璃基板技術(shù)的不斷成熟，其在先進(jìn)封裝領(lǐng)域的潛力逐漸被發(fā)掘。全球各大半導(dǎo)體公司，如英特爾和三星，都在積極布局玻璃基板技術(shù)。英特爾宣布將在2030年大規(guī)模生產(chǎn)玻璃基板，并已在亞利桑那廠投資10億美元建立玻璃基板研發(fā)線及供應(yīng)鏈。三星則組建了三星電子、三星顯示、三星電機(jī)的統(tǒng)一戰(zhàn)線，進(jìn)軍玻璃基板研發(fā)。此外，玻璃基板材料應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，還包括替代CoWoS-中介層/FC-BGA基板，共封裝光學(xué)器件集成、Mini/Micro LED背板材料、無(wú)源器件和傳感器封裝等領(lǐng)域。如今，包括京東方、臺(tái)積電等越來(lái)越多頭部企業(yè)開(kāi)始積極探索玻璃基板技術(shù)。

通過(guò)對(duì)近期先進(jìn)封裝中玻璃中介層及核心基板相關(guān)專利的深入剖析，能夠一窺玻璃基板領(lǐng)域當(dāng)下的研究熱點(diǎn)與發(fā)展方向。

一、玻璃基板專利格局

根據(jù)Knowmade的統(tǒng)計(jì)，當(dāng)前用于先進(jìn)封裝領(lǐng)域的玻璃中介層（Glass Interposers）和玻璃基板（Glass Core Substrates）相關(guān)專利超過(guò)300項(xiàng)，主要參與者包括英特爾、Absolics，這兩家企業(yè)合計(jì)申請(qǐng)了近半數(shù)專利，其余全球70余家實(shí)體合計(jì)申請(qǐng)了超過(guò)150項(xiàng)專利。

英特爾：在專利數(shù)量方面處于領(lǐng)先地位，擁有最多的專利申請(qǐng)，其專利組合涵蓋玻璃核心基板和玻璃中介層，展現(xiàn)出全面且均衡的布局，在行業(yè)中處于技術(shù)創(chuàng)新的前沿位置。

Absolics：專注于玻璃核心基板領(lǐng)域，是英特爾在專利數(shù)量上最接近的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，凸顯其在該特定領(lǐng)域的研發(fā)投入和技術(shù)實(shí)力。

其他眾多實(shí)體：70多個(gè)實(shí)體合計(jì)持有當(dāng)前全部相關(guān)專利的半數(shù)，但每個(gè)實(shí)體的專利持有量相對(duì)較少，呈現(xiàn)出高度分散的態(tài)勢(shì)。包括TOPPAN、康寧、日立、格羅方德、臺(tái)積電、三星、高通、Unimicron、京東方、華進(jìn)半導(dǎo)體、廈門(mén)云天、盛合晶微、通富微電、廣東佛智芯等，它們?cè)诓ＡЩ瀹a(chǎn)業(yè)的專利布局中也占據(jù)一定份額。從專利申請(qǐng)趨勢(shì)來(lái)看，英特爾早期積極布局，從2004年起持續(xù)積累專利，但是在最近幾年開(kāi)始激增。2019~2024年期間，眾多公司紛紛涌入。如Absolics（SK集團(tuán)）專利申請(qǐng)量逐漸增加，三星、中國(guó)的盛合晶微、廈門(mén)云天半導(dǎo)體等公司在這一時(shí)期嶄露頭角。

這表明玻璃基板產(chǎn)業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新和知識(shí)產(chǎn)權(quán)競(jìng)爭(zhēng)日益激烈，吸引了越來(lái)越多企業(yè)的重視和投入。

在新興競(jìng)爭(zhēng)者中，三星、盛合晶微、廈門(mén)云天半導(dǎo)體等公司在2019~2024年期間首次發(fā)表了眾多專利，并呈逐年上升趨勢(shì)，標(biāo)志著它們?cè)诓ＡЩ寮夹g(shù)研發(fā)方面的積極探索和創(chuàng)新成果且不斷加大研發(fā)投入，進(jìn)一步豐富了行業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新生態(tài)，推動(dòng)了整個(gè)產(chǎn)業(yè)的專利競(jìng)爭(zhēng)格局朝著多元化方向發(fā)展。

從地域分布來(lái)看，英特爾和Absolics這兩家領(lǐng)先企業(yè)在專利布局上具有廣泛的地域覆蓋范圍，均在美國(guó)、中國(guó)大陸、中國(guó)臺(tái)灣、韓國(guó)、日本和歐洲等地申請(qǐng)專利。這種全球化的專利布局策略有助于它們?cè)诓煌袌?chǎng)中保護(hù)自身技術(shù)創(chuàng)新成果，同時(shí)也反映出玻璃基板產(chǎn)業(yè)的國(guó)際化競(jìng)爭(zhēng)態(tài)勢(shì)。

三星主要在美國(guó)、中國(guó)和韓國(guó)進(jìn)行專利申請(qǐng)，重點(diǎn)關(guān)注其在亞洲和北美市場(chǎng)的技術(shù)保護(hù)和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

國(guó)內(nèi)企業(yè)既有在國(guó)內(nèi)國(guó)外均重點(diǎn)布局的，也有集中在國(guó)內(nèi)布局的。例如盛合晶微專利申請(qǐng)集中于美國(guó)和中國(guó)，體現(xiàn)其對(duì)這兩個(gè)重要市場(chǎng)的重視以及在當(dāng)?shù)厥袌?chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中的戰(zhàn)略布局。而廈門(mén)云天目前專利申請(qǐng)幾乎都在中國(guó)國(guó)內(nèi)，表明其在立足本土市場(chǎng)的基礎(chǔ)上，逐步積累技術(shù)實(shí)力和知識(shí)產(chǎn)權(quán)資產(chǎn)，為未來(lái)在更廣泛市場(chǎng)的拓展奠定基礎(chǔ)。

二、玻璃基板技術(shù)研究熱點(diǎn)

-玻璃基板、中介層在封裝層面的集成

從硅材料到玻璃材料，需要解決多項(xiàng)挑戰(zhàn)，這些也在專利申請(qǐng)中反映。包括在嵌入式芯片中，實(shí)現(xiàn)更薄的封裝；芯片到芯片的耦合方面，需要實(shí)現(xiàn)更高密度的互連；芯片/玻璃的混合鍵合；英特爾研究的EMIB等等。

其中，金屬化與連接技術(shù)創(chuàng)新是研究熱點(diǎn)之一。例如高縱橫比通孔（TGV）金屬化：針對(duì)TGV的高縱橫比特點(diǎn)，研發(fā)高效的金屬化工藝，確保通孔內(nèi)部金屬填充均勻、無(wú)孔洞，提高電氣連接性能，降低信號(hào)傳輸損耗；金屬/玻璃粘附性提升：研究金屬與玻璃之間的粘附機(jī)制，通過(guò)表面處理或材料改進(jìn)等方法，增強(qiáng)兩者之間的結(jié)合力，防止在封裝過(guò)程或產(chǎn)品使用過(guò)程中出現(xiàn)分層或剝離現(xiàn)象，提高產(chǎn)品的長(zhǎng)期可靠性；混合鍵合技術(shù)（芯片/玻璃）：探索芯片與玻璃之間的混合鍵合方式，如直接 Cu/SiO?鍵合，實(shí)現(xiàn)更緊密的連接，提高封裝密度，減少信號(hào)延遲，同時(shí)優(yōu)化熱管理性能，為高性能計(jì)算和高密度封裝提供解決方案。

封裝架構(gòu)的優(yōu)化與功能提升是另一大熱點(diǎn)。例如嵌入式芯片（Embedded Die）：通過(guò)將芯片嵌入玻璃基板，實(shí)現(xiàn)更薄的封裝結(jié)構(gòu)，減小封裝體積，提高產(chǎn)品的集成度，滿足電子產(chǎn)品小型化、輕量化的發(fā)展趨勢(shì)；芯片間耦合（D2D Coupling）：專注于增強(qiáng)芯片與芯片之間的連接性，開(kāi)發(fā)高密度、高性能的互連技術(shù)，如采用微型凸塊（μbumps）或互連橋（interconnect bridge）等，實(shí)現(xiàn)更快速、更穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸，提升系統(tǒng)整體性能；英特爾推出了多年的扇出嵌入式玻璃橋（Fan - out Embedded Glass Bridge，EMIB）：研究EMIB技術(shù)在玻璃基板上的應(yīng)用，通過(guò)在玻璃基板中嵌入導(dǎo)電橋，實(shí)現(xiàn)芯片間的高效信號(hào)傳輸，同時(shí)優(yōu)化封裝的散熱性能，提高產(chǎn)品的可靠性和性能表現(xiàn)。

此外，共封裝光子也是研究的熱點(diǎn)，英特爾有半數(shù)專利組合聚焦在光子的集成相關(guān)領(lǐng)域。還有提高成本效益的大尺寸面板級(jí)封裝，以及熱管理相關(guān)專利。

-玻璃基板、中介層的制造工藝或設(shè)計(jì)

涉及玻璃基板、玻璃中介層的設(shè)計(jì)和制造相關(guān)的專利，主要有缺陷控制（檢查質(zhì)量的材料或程序）；薄玻璃基板強(qiáng)化方法；對(duì)準(zhǔn)方法（基于玻璃透明度）；高AR通孔的金屬化、金屬/玻璃之間的粘合；TGV結(jié)構(gòu)和制造；減少中介層內(nèi)部的信號(hào)串?dāng)_；熱管理等等。

其中，制造工藝的改進(jìn)是研究的熱點(diǎn)。包括表面處理技術(shù)創(chuàng)新：針對(duì)玻璃表面粗糙度和 TGV 高縱橫比帶來(lái)的挑戰(zhàn)，開(kāi)發(fā)新型表面處理工藝，如直接在電介質(zhì)上鍍銅（無(wú)需種子層），實(shí)現(xiàn)無(wú)孔洞的金屬通孔填充，提高金屬化質(zhì)量和可靠性。同時(shí)，研究等離子體表面活化等技術(shù)，增強(qiáng)玻璃表面與金屬的反應(yīng)活性，改善粘附性能；應(yīng)力管理與翹曲控制：通過(guò)優(yōu)化制造工藝參數(shù)或采用特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，解決玻璃基板在制造和使用過(guò)程中的應(yīng)力問(wèn)題，降低翹曲變形風(fēng)險(xiǎn)。例如，在玻璃核心基板中形成空腔并嵌入硅橋中介層，利用玻璃和硅材料的特性組合，有效減少封裝基板的翹曲程度，提高產(chǎn)品的平整度和穩(wěn)定性；預(yù)制組件與簡(jiǎn)化組裝工藝：研發(fā)預(yù)制銅柱等組件，并探索與玻璃材料的高效組裝方法，如通過(guò)電化學(xué)沉積在硅基板上制造銅柱，然后與玻璃基板進(jìn)行陽(yáng)極鍵合，避免復(fù)雜昂貴的電鍍和化學(xué)機(jī)械拋光（CMP）步驟，同時(shí)集成鈍化層作為應(yīng)力緩沖層，提高產(chǎn)品可靠性，降低生產(chǎn)成本。

熱管理和光學(xué)性能優(yōu)化是另一大熱點(diǎn)。例如設(shè)計(jì)具有流體通道的玻璃核心基板，實(shí)現(xiàn)通過(guò)封裝基板的有效冷卻，而非僅依賴頂部芯片散熱，提高散熱效率，確保產(chǎn)品在高功率運(yùn)行條件下的穩(wěn)定性。同時(shí)，研究在TGV周圍設(shè)置導(dǎo)熱套管等設(shè)計(jì)，改善熱傳導(dǎo)路徑，避免因玻璃與銅的熱膨脹系數(shù)（CTE）不匹配導(dǎo)致的裂紋擴(kuò)展，增強(qiáng)產(chǎn)品的熱可靠性。光學(xué)性能方面，利用玻璃的光學(xué)透明特性，優(yōu)化玻璃基板的光學(xué)設(shè)計(jì)，如開(kāi)發(fā)波導(dǎo)集成技術(shù)，實(shí)現(xiàn)光子集成電路（PIC）與電子芯片（EIC）在玻璃基板上的高效集成，提高光學(xué)信號(hào)傳輸效率和精度，為光子學(xué)應(yīng)用提供更好的平臺(tái)支持。

三、關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)及對(duì)應(yīng)專利解決方案案例

-機(jī)械應(yīng)力管理（翹曲問(wèn)題）

玻璃材料與其他封裝材料（如硅芯片、有機(jī)封裝材料等）的熱膨脹系數(shù)差異較大，在封裝過(guò)程中的溫度變化會(huì)導(dǎo)致不同材料之間產(chǎn)生不均勻的熱膨脹或收縮，從而引起封裝基板的翹曲變形。翹曲問(wèn)題不僅影響封裝的精度和電氣連接性能，還可能導(dǎo)致芯片與基板之間的焊點(diǎn)疲勞、開(kāi)裂，嚴(yán)重影響產(chǎn)品的可靠性和使用壽命。

專利解決方案

組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：三星（如CN118431173）的專利涉及玻璃基板與玻璃中介層的組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。通過(guò)優(yōu)化兩者之間的組合方式，利用玻璃的低CTE和高剛性特性，有效減少了封裝基板的翹曲程度。

空腔與嵌入式結(jié)構(gòu)應(yīng)用：在玻璃核心基板中形成空腔，并嵌入硅橋中介層等組件。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠在一定程度上補(bǔ)償不同材料之間的熱膨脹差異，通過(guò)調(diào)整結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應(yīng)力分布，降低翹曲變形的風(fēng)險(xiǎn)，提高封裝結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和可靠性。

-玻璃表面處理

玻璃表面的高粗糙度和TGV的高縱橫比給金屬化過(guò)程帶來(lái)了困難，傳統(tǒng)的金屬化工藝難以在這種表面上實(shí)現(xiàn)均勻、無(wú)孔洞的金屬沉積，影響電氣連接性能。玻璃光滑表面的粘附性較差，在與金屬層（如銅）結(jié)合時(shí)容易出現(xiàn)剝離或分層現(xiàn)象，降低了封裝結(jié)構(gòu)的可靠性。此外，在封裝過(guò)程中，玻璃基板在工藝設(shè)備中的面板移動(dòng)也會(huì)因粘附問(wèn)題導(dǎo)致處理困難。

專利解決方案

直接鍍銅工藝創(chuàng)新：英特爾的專利（US20240213131）提出了直接在電介質(zhì)上鍍銅的工藝，無(wú)需種子層。通過(guò)將玻璃表面形成的 - OH 鍵離子化形成 - O?鍵，使其與金屬離子具有高反應(yīng)活性，實(shí)現(xiàn)了直接鍍銅，有效解決了 TGV 高縱橫比下的保形金屬化問(wèn)題，避免了傳統(tǒng)工藝中可能出現(xiàn)的孔洞問(wèn)題，提高了金屬化質(zhì)量。

表面粗糙化增強(qiáng)粘附：英特爾的另一項(xiàng)專利（US20240222249）涉及對(duì)玻璃核心層表面進(jìn)行粗糙化處理。粗糙化的玻璃表面能夠增加與金屬層之間的機(jī)械咬合力，從而增強(qiáng)玻璃與金屬之間的粘附性，解決了因粘附問(wèn)題導(dǎo)致的玻璃與銅特征之間的分離以及工藝處理中的面板移動(dòng)問(wèn)題，提高了封裝結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和可靠性。

-熱管理

隨著電子產(chǎn)品性能提升，芯片功耗增加，玻璃基板在封裝中的散熱問(wèn)題成為關(guān)鍵挑戰(zhàn)。玻璃本身導(dǎo)熱性相對(duì)較差，如何有效散去芯片產(chǎn)生的熱量，確保產(chǎn)品在高溫環(huán)境下穩(wěn)定運(yùn)行，是需要解決的重要問(wèn)題。在玻璃核心基板或玻璃中介層中，由于材料熱膨脹系數(shù)（CTE）不匹配，如玻璃與銅（常用于通孔填充和電路連接）之間的CTE差異，在溫度變化時(shí)容易產(chǎn)生熱應(yīng)力，可能導(dǎo)致通孔開(kāi)裂、芯片與基板分層等可靠性問(wèn)題。

專利解決方案

玻璃基冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：英特爾提出了一種基于玻璃的空腔和通道結(jié)構(gòu)（如US20220406686），用于冷卻嵌入式芯片和3D集成模塊。通過(guò)在玻璃核心基板中設(shè)計(jì)流體通道，使冷卻介質(zhì)能夠流經(jīng)封裝基板，實(shí)現(xiàn)更全面的散熱，而不僅僅依賴頂部芯片散熱，有效提高了散熱效率。

導(dǎo)熱套管應(yīng)用：英特爾的另一項(xiàng)專利（US20230088392）涉及在TGV周圍設(shè)置導(dǎo)熱套管。該套管采用導(dǎo)熱率高于通孔材料（如銅）的材料制成，能夠更有效地將熱量從芯片傳導(dǎo)出去，同時(shí)避免了因玻璃與銅CTE不匹配導(dǎo)致的裂紋在通孔周圍擴(kuò)展，提高了產(chǎn)品的熱可靠性。

-預(yù)制銅柱組裝

在傳統(tǒng)的玻璃基板與其他組件（如芯片）的組裝過(guò)程中，電鍍和化學(xué)機(jī)械拋光（CMP）步驟復(fù)雜且昂貴，增加了生產(chǎn)成本，同時(shí)也可能引入工藝缺陷，影響產(chǎn)品質(zhì)量。精確控制通孔直徑和玻璃孔側(cè)壁粗糙度對(duì)于確保良好的電氣連接和組件之間的可靠結(jié)合至關(guān)重要，但傳統(tǒng)工藝在這方面存在一定難度。

專利解決方案

云天半導(dǎo)體（如CN118412319）提出了一種玻璃適配器板的制造方法，先在硅基板上通過(guò)電化學(xué)沉積制造銅柱，然后將玻璃基板與之進(jìn)行陽(yáng)極鍵合，接著填充鈍化層并添加金屬層連接銅柱，最后去除硅基板。這種方法避免了復(fù)雜的電鍍和CMP步驟，降低了成本，同時(shí)集成的鈍化層作為應(yīng)力緩沖層，提高了產(chǎn)品可靠性。

盛合晶微的成型工藝（如 CN116631876）專利涉及一種TGV適配器板的集成成型制造方法。通過(guò)在硅基板上形成凹槽，進(jìn)行玻璃回流，然后將預(yù)制金屬柱從載體板壓入凹槽并填充玻璃液體，實(shí)現(xiàn)了對(duì)通孔直徑的精確控制，減少了玻璃孔側(cè)壁粗糙度，提高了組件之間的粘附性和整體產(chǎn)品性能。

總結(jié)

隨著人工智能、高性能計(jì)算、光子學(xué)等新興技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，玻璃基板產(chǎn)業(yè)將迎來(lái)更多機(jī)遇。預(yù)計(jì)未來(lái)將有更多企業(yè)進(jìn)入該領(lǐng)域參與競(jìng)爭(zhēng)，推動(dòng)技術(shù)創(chuàng)新的加速發(fā)展，新的專利申請(qǐng)和技術(shù)突破有望不斷涌現(xiàn)。

在競(jìng)爭(zhēng)格局方面，當(dāng)前尚處于早期階段且將不斷演變，現(xiàn)有企業(yè)可能會(huì)進(jìn)一步加大研發(fā)投入，鞏固和拓展自身的專利組合，以保護(hù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)并提升市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。同時(shí)，新進(jìn)入者可能會(huì)帶來(lái)新的技術(shù)思路和商業(yè)模式，促使行業(yè)格局發(fā)生動(dòng)態(tài)變化。

在技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)上，玻璃基板的性能將不斷優(yōu)化，如更高的散熱效率、更低的翹曲變形、更優(yōu)異的光學(xué)性能等。與其他先進(jìn)封裝技術(shù)（如 3D 堆疊、混合鍵合等）的融合應(yīng)用將更加廣泛。