中國(guó)粉體網(wǎng)訊 在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展歷程中，摩爾定律長(zhǎng)期引領(lǐng)著芯片性能的提升與規(guī)模的擴(kuò)張。然而，隨著晶體管尺寸不斷逼近物理極限，量子隧穿效應(yīng)等問(wèn)題日益凸顯，傳統(tǒng)技術(shù)路徑遭遇瓶頸。玻璃通孔（TGV）技術(shù)憑借獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，或成為半導(dǎo)體突破摩爾定律束縛、開啟新增長(zhǎng)曲線的關(guān)鍵力量。
2.5D/3D封裝工藝中的TSV技術(shù)
我們都知道，要實(shí)現(xiàn)芯片性能的提升就需要堆疊更多的晶體管，根據(jù)“摩爾定律”，芯片上容納的晶體管數(shù)目每18到24個(gè)月增加一倍。過(guò)去數(shù)十年，伴隨“摩爾定律”推進(jìn)，單位面積晶體管密度持續(xù)攀升，驅(qū)動(dòng)芯片不斷向微型化演進(jìn)，催生出智能手機(jī)、筆記本電腦等一系列便攜式電子產(chǎn)品，深刻重塑了大眾的生活與消費(fèi)形態(tài)。
但“摩爾定律”終有觸及天花板的一天。當(dāng)晶圓制造工藝演進(jìn)到14nm、7nm、5nm，直至當(dāng)下最前沿的3nm，其有效性愈發(fā)受到嚴(yán)峻挑戰(zhàn)：工藝推進(jìn)舉步維艱，性能提升陷入瓶頸，成本卻如脫韁野馬般大幅飆升。
近兩年來(lái)，AI浪潮席卷全球，AI服務(wù)器對(duì)算力的需求呈井噴式爆發(fā)。強(qiáng)大算力的背后固然需要強(qiáng)勁芯片支撐，但提升芯片性能是否只能依賴光刻工藝的持續(xù)突破？答案是否定的。當(dāng)前芯片已高度微型化，且服務(wù)器對(duì)輕薄化的要求遠(yuǎn)低于消費(fèi)電子，一條全新思路應(yīng)運(yùn)而生——通過(guò)堆疊多顆芯片實(shí)現(xiàn)算力躍升。打個(gè)不是很形象的比喻就是一節(jié)火車頭不夠用那就多加兩節(jié)，猶如詹天佑當(dāng)年的解決思路。
由此產(chǎn)生了問(wèn)題，芯片堆疊如何實(shí)現(xiàn)？
目前先進(jìn)封裝分為兩大類：一、基于XY平面延伸的先進(jìn)封裝技術(shù)，主要通過(guò)重布線層工藝（RDL）進(jìn)行信號(hào)的延伸和互連；二、基于Z軸延伸的先進(jìn)封裝技術(shù)，主要是通過(guò)硅通孔（TSV）進(jìn)行信號(hào)延伸和互連。顯然，芯片堆疊屬于第二種。通過(guò)TSV技術(shù)，可以將多個(gè)芯片進(jìn)行垂直堆疊并互連。按照集成類型的不同分為2.5D TSV和3D TSV，2.5D TSV指的是位于硅轉(zhuǎn)接板上的TSV，3D TSV是指貫穿芯片體之中，連接上下層芯片的TSV。在3D TSV中，芯片相互靠近，所以延遲會(huì)更少，且互連長(zhǎng)度縮短，能減少相關(guān)寄生效應(yīng)，使器件以更高的頻率運(yùn)行，從而轉(zhuǎn)化為性能改進(jìn)，并更大程度的降低成本。TSV的尺寸范圍比較大，大的超過(guò)100um，小的小于1um。隨著工藝水平提升，TSV可以越做越小，密度越來(lái)越大。
基于TSV技術(shù)的系統(tǒng)級(jí)封裝 來(lái)源:萬(wàn)聯(lián)證券研究所
TGV：TSV的升級(jí)
雖然在先進(jìn)封裝領(lǐng)域TSV技術(shù)較為成熟，但其存在兩個(gè)主要問(wèn)題。
成本高：材料上需高純度硅晶圓及特殊絕緣、金屬填充材料，損耗大；工藝復(fù)雜，含深孔刻蝕、金屬填充等精細(xì)環(huán)節(jié)，設(shè)備精度要求高，采購(gòu)及維護(hù)成本驚人；良率低，缺陷問(wèn)題易導(dǎo)致成本增加。
電學(xué)性能差：硅材料屬于半導(dǎo)體材料，傳輸線在傳輸信號(hào)時(shí)，信號(hào)與襯底材料有較強(qiáng)的電磁耦合效應(yīng)，襯底中產(chǎn)生渦流現(xiàn)象，造成信號(hào)完整性較差（插損、串?dāng)_等）。
相較硅基轉(zhuǎn)接板，玻璃轉(zhuǎn)接板有諸多優(yōu)勢(shì)：
一、低成本：受益于大尺寸超薄面板玻璃易于獲取，以及不需要沉積絕緣層，成本大大降低；
二、優(yōu)良的高頻電學(xué)特性：玻璃材料是一種絕緣體材料，介電常數(shù)只有硅材料的1/3左右，損耗因子比硅材料低2~3個(gè)數(shù)量級(jí)，使得襯底損耗和寄生效應(yīng)大大減小，可以有效提高傳輸信號(hào)的完整性；
三、大尺寸超薄玻璃襯底易于獲取：康寧、旭硝子以及肖特等玻璃廠商可以量產(chǎn)超大尺寸（大于2m×2m）和超�。ㄐ∮�50μm）的面板玻璃以及超薄柔性玻璃材料；
四、工藝流程簡(jiǎn)單：不需要在襯底表面及TGV內(nèi)壁沉積絕緣層，且超薄轉(zhuǎn)接板不需要二次減�。�
五、機(jī)械穩(wěn)定性強(qiáng)：當(dāng)轉(zhuǎn)接板厚度小于100μm時(shí)，翹曲依然較小。
TGV技術(shù)遠(yuǎn)期成長(zhǎng)空間廣闊
英偉達(dá)的H100加速計(jì)算卡采用臺(tái)積電CoWoS-S 2.5D封裝技術(shù)，在硅轉(zhuǎn)接板上實(shí)現(xiàn)7組芯片互連。AMD（超威半導(dǎo)體）MI300采取類似布局，以CoWoS工藝在硅轉(zhuǎn)接板上封裝6顆GPU、3顆CPU及8組HBM內(nèi)存。國(guó)內(nèi)方面，壁仞科技BR100系列GPU也采用CoWoS-S封裝，將2顆計(jì)算芯粒互連，實(shí)現(xiàn)算力的跨越式提升。
CoWoS封裝的核心之一為硅轉(zhuǎn)接板及TSV工藝，但其存在成本高和電學(xué)性能差等不足，而玻璃轉(zhuǎn)接板及TGV工藝具有低成本、易獲取、高頻電學(xué)特性優(yōu)良等特性，因此，TGV有望作為前者替代品，成為先進(jìn)封裝核心演進(jìn)方向之一，疊加AI浪潮之下加速計(jì)算芯片需求高增，TGV遠(yuǎn)期成長(zhǎng)空間廣闊。其實(shí)，不止可用于轉(zhuǎn)接板，搭配TGV技術(shù)，玻璃基板在光電系統(tǒng)集成領(lǐng)域、MEMS封裝等領(lǐng)域也有巨大的應(yīng)用前景，可以作為IC載板使用，以在部分領(lǐng)域替代現(xiàn)在主流的有機(jī)載板。
參考來(lái)源:
鐘毅.芯片三維互連技術(shù)及異質(zhì)集成研究進(jìn)展
陳俊偉.玻璃在5G通訊中的應(yīng)用
東方證券《先進(jìn)封裝持續(xù)演進(jìn)，玻璃基板大有可為》
(中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/月明)
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