半導(dǎo)體芯片微電子封裝膠粘劑涂覆工藝及下一代封裝革命

引言：目前，微電子產(chǎn)業(yè)已經(jīng)逐步演變?yōu)樵O(shè)計、制造和封裝三個相對獨立的產(chǎn)業(yè)。微電子封裝技術(shù)即半導(dǎo)體封裝技術(shù)，又稱先進集成電路封裝。半導(dǎo)體封裝包括組裝（Assembly）和封裝（Packing）兩個方面，它是將數(shù)萬計的半導(dǎo)體元器件組裝成一個緊湊的封裝體，與外界進行信息交流，它的基本功

能包括電源供給、信息交流、散熱、芯片保護和機械支撐。半導(dǎo)體封裝一般可分為4個主要層次：

零級封裝———芯片層次上的互連

一級封裝———芯片（單芯片或者多芯片）上的I/O與基板互連

二級封裝———封裝體連入印刷電路板或其它板卡

三級封裝———電路板或其它板卡連在整機母版上

在半導(dǎo)體封裝和其他微電子工業(yè)裝配領(lǐng)域，膠粘劑涂覆是其中的一道重要工藝，其性能的好壞決定著電子產(chǎn)品品質(zhì)的優(yōu)良。隨著微電子封裝技術(shù)不斷發(fā)展，器件尺寸越來越小，安裝密度越來越高，新型封裝技術(shù)不斷涌現(xiàn)，對電子膠粘劑的涂覆工藝的精度、速度和靈活性提出了更高的求。

電子膠粘劑

1. 電子膠粘劑分類

微電子封裝用電子膠粘劑按封裝形式可分為半導(dǎo)體IC封裝膠粘劑和PCB板級組裝膠粘劑兩大類。

半導(dǎo)體IC封裝膠粘劑有環(huán)氧模塑料（EMC），LED包封膠水（LEDEncapsulant），芯片膠（DieAttachAdhesives），倒裝芯片底部填充材料（FlipChipUnderfills），圍堰與填充材料（DamandFillEncapsulant）。PCB板級組裝膠粘劑有：貼片膠（SMTAdhesives），圓頂包封材料（COBEncapsu-lant），FPC補強膠水（FPCReinforcementAdhe-sives），板級底部填充材料（CSP/BGAUnderfills），攝像頭模組組裝用膠（ImageSensorAssemblyAd-hesives），敷型涂覆材料（conformalcoating），導(dǎo)熱膠水（Thermallyconductiveadhesive）。

電子膠粘劑按固化方式可分為熱固化，UV固化，厭氧固化，濕氣固化，UV固化+熱固化，UV固化+濕氣固化等。按材料體系可分為環(huán)氧樹脂類，丙烯酸酯類及其它。電子制造上常用的膠粘劑有環(huán)氧樹脂，UV（紫外）膠水，熱熔膠，錫膏，厭氧膠，雙組膠等。環(huán)氧樹脂一般通過高溫固化，固化后粘接力大，廣泛應(yīng)用在功能器件的粘接，底部填充Underfill等工藝上。在電子制造業(yè)中環(huán)氧膠的生產(chǎn)廠家有美國漢高旗下的樂泰，日本富士，華海誠科，回天等。

UV膠通過紫外光固化，其污染小固化快，在一些包封點膠，表面點膠等領(lǐng)域應(yīng)用最廣，目前UV膠制造廠家有漢高樂泰，信友，德邦，華海誠科，海斯迪克等。芯片封裝中固晶膠其對膠水的粘接能力，導(dǎo)熱率，熱阻等都有要求，在芯片封裝中特別是LED芯片封裝中，美國道康寧膠水應(yīng)用最為廣泛，國內(nèi)華海誠科，回天，長信，德邦，鑫東邦等公司也在投入研發(fā)生產(chǎn)專用芯片固定的膠水來代替國外產(chǎn)品。熱熔膠是結(jié)構(gòu)PUR膠水，其有低溫自然水汽固化等特點，固化快，無毒無污染，由于其獨特優(yōu)點正在逐漸代替其他類型膠水，目前推廣較好的熱熔膠有3M，漢高樂泰，富樂，威兒邦等。

2. 選擇膠粘劑需考慮的因素

膠粘劑的重要特性包括流變特性（黏度、觸變性、抗塌陷性及拖尾性、儲存期/條件及有效壽命）和機械特性（黏滯性、機械強度和耐熱性、固化周期、電性穩(wěn)定性等。

（1）選擇膠粘劑時首先要保證符合環(huán)保要求，然后再綜合考慮膠粘劑三方面的性能：固化前性能、固化性能及固化后性能。

（2）因雙組份膠粘劑需要在適當(dāng)時間混合到適當(dāng)?shù)谋壤?，增加了工藝難度，因而應(yīng)優(yōu)先選用單組份系統(tǒng)。

（3）優(yōu)選便于與綠油及電路板材料區(qū)分的有色膠粘劑，因為可以很快發(fā)現(xiàn)是否缺件、膠量多少、是否污染了焊盤/元件、空膠等，便于工藝控制；膠粘劑顏色通常有紅色、白色和黃色。

（4）膠粘劑應(yīng)有足夠的黏滯性及濕度，以保證膠粘劑固化前元器件與電路板粘接牢固。兩者通常隨黏度而增加，高黏滯性材料可防止元器件在電路板貼裝及傳送過程中發(fā)生活動。

（5）對印刷工藝，膠粘劑涂覆后應(yīng)有良好的抗塌陷性，以保證元器件與電路板良好接觸，這對于較大支撐高度元器件如SOIC及芯片載體而言尤為重要。觸變性好的膠粘劑，其黏度范圍通常為60～500Pa·s，高觸變率有助于保證良好的可印刷性及一致的模板印膠質(zhì)量。

（6）對印刷工藝，膠粘劑應(yīng)選擇能夠在較長時間暴露于空氣中而對溫濕度不敏感的膠粘劑，如某些新型膠粘劑的印刷壽命可達5天以上，且印刷工藝中將剩余的膠粘劑材料存入在容器中，可以再次使用。

（7）應(yīng)優(yōu)選那些可以在較短時間及較低溫度達到適當(dāng)連接強度的膠粘劑。較好的膠粘劑其固化時間及固化溫度一般都在30～40s，120～130℃。焊接前后的強度應(yīng)足以保證元器件粘結(jié)牢靠并有良好的耐熱性，有足夠的粘結(jié)力承受焊料波的剪切作用。溫度應(yīng)低于電路板基材及元器件可能發(fā)生損傷的溫度，通常應(yīng)低于基材的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，此溫度以75～95℃為宜。連接強度太大會造成返修困難，而太小則起不到固定作用。

（8）應(yīng)盡可能首次完全固化。固化期間不應(yīng)有明顯收縮，以減小元器件的應(yīng)力。固化時不應(yīng)有氣體冒溢，以免氣孔吸取助焊劑及其它污染物，降低電路板的可靠性。

（9）固化方式比較對于較寬大元器件，應(yīng)選擇UV-熱固化方式，以保證涂膠的充分固化。典型的固化工藝是UV加IR輻射固化，某些膠粘劑用IR固化的時間可達到3min以下。同時，某些膠粘劑在低溫加熱時并不能很好地固化，因而也需要聯(lián)合式固化工藝。

（10）膠粘劑在固化后便不再起作用，但應(yīng)不影響后續(xù)工序如清洗、維修等的可靠性。

（11）固化后應(yīng)具有良好的絕緣性、耐潮性和抗腐蝕性，尤其是在潮濕環(huán)境下的耐潮性，否則有可能發(fā)生電遷移而導(dǎo)致短路。

膠粘劑的涂覆工藝技術(shù)

微電子封裝工業(yè)中包含許多的膠體涂覆技術(shù)，一般用來完成點的點膠，線的點膠，面（涂覆）的點膠。根據(jù)膠粘劑涂覆技術(shù)的特征常用的涂覆技術(shù)可分為大量式點膠（MassDispensing），接觸式點膠（ContactDispensing），非接觸式點膠（Non-ContactDispensing），每一類又有衍生出幾種方式，如圖1所示。

1. 大量式點膠（MassDispensing）

大量式點膠又分為針轉(zhuǎn)移和印刷法兩大類。

（1）針轉(zhuǎn)移

針轉(zhuǎn)移采用特制組合針頭吸取膠液后可一次完成整塊基板的布膠涂敷工作，是大批量生產(chǎn)時最簡單的涂覆工藝。首先根據(jù)基板上需要點膠的位置定制專門的針陣列，需要涂覆膠粘劑時，將針陣列的針頭上沾取適量的膠粘劑，轉(zhuǎn)移到基板上，針頭下移，膠粘劑涂到基板上，這樣一塊印刷電路板所需的膠滴一次全部滴涂完成。

針轉(zhuǎn)移技術(shù)適用于大批量生產(chǎn)的場合，點膠速度快，操作容易。缺點是，針移法因工裝夾具昂貴，換產(chǎn)緩慢；材料易受環(huán)境影響；點膠精度不高，涂覆一致性差，質(zhì)量難以控制。不適合高精度及大膠點高度等，在實際生產(chǎn)中應(yīng)用不多。

（2）印刷法

印刷法利用專門制作的絲網(wǎng)或模版一次完成整塊基板的布膠操作。印刷法一般可分為絲印法及模板印刷法，絲印法因涂覆質(zhì)量等原因在實際生產(chǎn)中應(yīng)用不多，主要是模板印刷法。主要應(yīng)用在印制電路板大批量進行表面貼裝（SMT），不需要經(jīng)常修改的場合，所分配膠體一般為焊膏、漿料等高黏度材料。

近年來模板印刷逐漸成為一種可靠而廉價的涂膠工藝，而膠粘劑新材料/新特性的開發(fā)使印膠工藝更為可行，模板印刷法正逐漸成為高產(chǎn)量組裝需要的首選工藝之一。印刷可以同時涂覆所有的膠滴，但基板表面必須平坦，一定不能有突起，因為突起將阻礙絲網(wǎng)同基板的接觸。印刷工藝不能用于已經(jīng)裝有插裝器件的混裝板。模板印刷通過控制模板的厚度和開口尺寸也可獲得理想的涂覆直徑和高度。由于印刷工藝的缺點，分別是膠粘劑暴露于空氣中、需要頻繁清理絲網(wǎng)掩?；蚵┌寮叭菀自赑CB上形成污點，難以印出最理想的膠滴。

2. 接觸式點膠工藝（ContactDispensing）

接觸式分配技術(shù)是通過針頭在z向運動使粘附在針頭端部的液滴與基板接觸，依靠液體黏滯性和界面力作用實現(xiàn)液滴向基板的轉(zhuǎn)移。接觸式點膠根據(jù)其驅(qū)動源不同又可分為：氣壓驅(qū)動的時間壓力型，電機驅(qū)動的螺桿泵式和電動微注射式兩種。接觸式分配技術(shù)可操作液體種類廣泛，尤其適合分配膏狀、漿料類等中高黏度的液體材料。

（1）時間-壓力型接觸式分配技術(shù)，該技術(shù)目前使用最廣泛，它是隨著SMT的發(fā)展最先引入的技術(shù)而且被業(yè)界廣泛接受，使用歷史較長。早期時間-壓力型液體分配系統(tǒng)基于氣壓直接驅(qū)動原理工作，即壓縮空氣直接施加在注射筒內(nèi)液體材料上部，并驅(qū)使液體從針頭內(nèi)流出。其主要的優(yōu)點有：結(jié)構(gòu)及原理簡單，使用及維護成本較低；料桶和針頭更換方便，通過更換零部件可滴出不同量的膠液；設(shè)備清洗和維修方便；系統(tǒng)靈活，可用點涂不同黏度的膠液。

基于氣壓直接驅(qū)動原理的液體分配過程是一個時變參數(shù)動態(tài)系統(tǒng)，隨著分配過程的進行，注射筒內(nèi)原材料將不斷減小，氣體體積不斷增大，這導(dǎo)致在同樣的動作時間和壓力下，分配材料體積呈現(xiàn)減小趨勢，增大了控制難度，難于點出一致性良好的微小膠點。此外，空氣的可壓縮性、控閥的響應(yīng)特性等嚴(yán)重限制了分配精度和工作效率的提高。該種方法多用于分配高黏度材料，當(dāng)流體黏度降低后，面臨脈沖式氣壓直接擊穿液體造成針頭虛噴的問題。

為了避免氣壓直接驅(qū)動式的缺點，產(chǎn)品制造商開發(fā)了一系列氣壓活塞操控型液體分配閥，其原理是用恒壓空氣將液體材料擠壓進分配閥內(nèi)，用另一路脈沖氣壓控制活塞的往復(fù)振動，當(dāng)活塞抬起時將打開流動通道，液體在壓力作用下從針頭內(nèi)流出，當(dāng)活塞落下時將切斷液路，已擠出液體可在基板上形成點、線或圖案。和氣壓直接驅(qū)動型相比，該種方法分配效率較高，液滴體積較小，可分配液體黏度范圍較大。如EFD公司的隔膜閥式膠頭點膠速度可達500點/min；滑閥式膠頭在大壓力驅(qū)動下，能夠?qū)φ澈蟿y漿的高黏度膠體實現(xiàn)分配；針閥式膠頭適用于中低黏度膠體，可點出0.18mm直徑的微滴，在微電子制造等需要精密微量分配場合得到重要應(yīng)用。

時間壓力型點膠具有結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，價格低廉，在普通點膠行業(yè)廣為應(yīng)用。目前國內(nèi)自動化公司都推出自已公司的點膠控制器，而且價格低廉。時間壓力型點膠機全球應(yīng)用最廣的是日本武藏時間壓力型系列產(chǎn)品，MS-1（基礎(chǔ)型用于廉價點膠），ML-5000XⅡ（MS-1基礎(chǔ)上增加數(shù)顯），ME-5000VT（ML-5000XⅡ基礎(chǔ)上增加氣壓，流量反饋功能）。

（2）螺桿泵式點膠：又叫阿基米德螺栓法。螺桿泵式點膠分液技術(shù)，它是通過螺桿旋轉(zhuǎn)帶動膠液往針嘴處流動，并擠出完成點膠。螺桿泵式點膠在結(jié)構(gòu)上利用伺服電機提供驅(qū)動壓力，可以在保持一致性的情況下對黏度較高的膠液進行分液。該膠液分配技術(shù)是目前發(fā)展最快的技術(shù)之一，在市場上的份額不斷增加，而且在很多應(yīng)用上正替代時間壓力式。

這種點膠方式的優(yōu)點是：適應(yīng)范圍廣，可以用來點涂不同黏度的膠液，該技術(shù)驅(qū)動力大，適于分配如焊膏、銀漿等特高黏度的膠體類材料；膠點受螺桿旋轉(zhuǎn)和針頭直徑的影響，因而可以通過調(diào)節(jié)這些參數(shù)，產(chǎn)生不同大小的膠點以適應(yīng)不同的需要；螺桿泵不但可以用來產(chǎn)生一系列均勻的膠點，還可以畫線和畫出不同輪廓的圖案。該技術(shù)不但可以用于滴涂貼片膠，也可以應(yīng)用在諸如圍壩、填充、底填料、粘結(jié)劑和焊膏涂布等具有高精密要求的大批量工業(yè)化生產(chǎn)當(dāng)中。缺點是：螺桿泵式點膠分配過程對溫度變化、膠內(nèi)氣泡敏感，較時間壓力法需要更多的清洗，設(shè)備投資較大。

在點膠市場上主要有兩種類型螺桿泵點膠閥，一種是含定子螺桿泵，另一種是無定子螺桿泵。含定子螺桿泵優(yōu)點是可以對全黏度膠液進行點膠，點膠體積幾乎只受螺桿轉(zhuǎn)動角度控制，可以實現(xiàn)非常高精度點膠作業(yè)。由于設(shè)備加工精度高，含定子螺桿泵德國Viscotec公司生產(chǎn)的Preflow系列最好。無定子螺桿泵其結(jié)構(gòu)簡單，對中高黏度點膠精度控制高，特別適合焊膏點膠、銀漿點膠和高黏度硅膠點膠。最常見的無定子螺桿泵廠家有美國諾信，日本武藏，美國泰康，韓國世宗和國內(nèi)高凱精密機械等。

（3）活塞式點膠?；钊近c膠基于直線位移原理，是一種正向位移的點膠方式。采用類似活塞-氣缸的機構(gòu)來點膠，通過活塞擠壓針管內(nèi)膠體使其流出，特別適合中、高黏度的膠體。點膠量主要由活塞位移大小決定，對膠體黏度、溫度、和壓力不敏感，在高速時有很好的一致性，重復(fù)性高，特別適合小體積連續(xù)點膠。缺點是：設(shè)備需要經(jīng)常清洗，而且清洗流程較復(fù)雜；每一點膠系統(tǒng)所滴膠點的尺寸固定，點較量大小不好調(diào)節(jié)，靈活性稍差；對針管容腔內(nèi)氣體敏感，對密封性要求很高；點膠頻率難以提高；膠液中包含較大的微粉時不適用，只適用于滴點，不適合于畫線或繪制輪廓圖案。目前活塞式點膠閥應(yīng)用最廣的為日本武藏MPP-1型柱塞泵。在LED燈珠熒光粉點膠作業(yè)中以打點為主，對精度要求高，而且點膠過程中不能污染熒光粉，國內(nèi)LED熒光粉點膠大多采用MPP-1柱塞泵或者與其相似的產(chǎn)品。

3. 非接觸式噴射滴膠

目前非接觸式噴射滴膠按其驅(qū)動方式不同可分為：氣動驅(qū)動式噴射點膠和壓電驅(qū)動式噴射點膠。噴射點膠技術(shù)，通過動量使膠水高速噴射至基板上并形成微點，由于不再需要針頭點膠中用于克服膠水附著實現(xiàn)點膠的z軸運動，噴射技術(shù)大幅度提高了點膠速度。當(dāng)從一個點膠位置轉(zhuǎn)移到另一個位置的時候，噴射是在飛行中完成，可以在非常緊湊的區(qū)域和非粘膠區(qū)域很小的地方等苛刻工況下完成的點膠操作。由于噴射式點膠技術(shù)具有分配速度快，一致性好，液滴微小的特點。目前在小批量高精度的半導(dǎo)體裝配上得到了應(yīng)用。例如：非接觸式點膠在電子行業(yè)如linebar燈條上應(yīng)用非常廣泛。Linebar行業(yè)的用膠點在PC透鏡與PCB的粘接，快速定位點膠，單個點點膠速度可以在5ms完成。

由于高頻電磁閥結(jié)構(gòu)原理的限制，氣動驅(qū)動式噴射閥最大工作頻率為333Hz。國際上推出氣動噴射點膠閥的公司及相應(yīng)型號有武藏的Aero-Jet、美國諾信Asymtek的DJ9500、美國泰康公司的9000、深圳軸心自控有限公司的Jet-6000、Jet-7000等。隨后上海力橋自動化有限公司，常州高凱精密機械有限公司等陸續(xù)推出相應(yīng)產(chǎn)品。壓電驅(qū)動式噴射點膠具有響應(yīng)速度快、輸出位移精度高等特點，點膠一致性在±2%，最高頻率可達40kHz，主要應(yīng)用于油墨噴印、UV膠噴印、銀漿噴印中。

不同膠黏劑涂覆工藝的比較

目前，各種膠粘劑涂覆工藝技術(shù)在適用黏度范圍、分配速度、微滴體積等方面均各有優(yōu)勢，在不同場合得到應(yīng)用。對比不同分配技術(shù)，可得出如下結(jié)論：

（1）分配膠粘劑黏度適應(yīng)情況不同。

液體驅(qū)動方法的差異，導(dǎo)致各種分配技術(shù)適用黏度范圍不同。如螺桿泵式分配技術(shù)驅(qū)動力大，適合分配焊膏、含微粒漿料等特高黏度的膠體類材料；而非接觸式分配技術(shù)分配高黏度液體的能力較差，僅適合分配低中等黏度類液體材料。

（2）可分配液滴體積不同。

接觸式分配技術(shù)一般獲取的液滴體積較大，實際應(yīng)用中，多用于大劑量液體材料需求場合。非接觸式分配技術(shù)可獲取更微小的液滴。另外，現(xiàn)有技術(shù)在分配更高黏度液體時，可分配的最小微滴體積往往呈現(xiàn)增大趨勢。

（3）分配速度情況不同。

非接觸式分配技術(shù)不需要噴嘴在z向移動，省略了液體與基板接觸后的停滯時間，因此具有更高的分配效率。一般，低黏度液體材料更容易實現(xiàn)高速分配，隨著液體黏度的增大，需要的驅(qū)動力、單滴分配時間都將增大，從而影響了分配速度的提高。

（4）工作可靠性不同。

基于接觸式分配技術(shù)的液體分配過程更容易受到如針頭位置、基板表面質(zhì)量、物理空間障礙等外界因素的影響，其工作可靠性低于非接觸式分配技術(shù)。另外，非接觸式分配技術(shù)和系統(tǒng)對物理空間環(huán)境要求低，更適合在緊密空間、高密度分配場合應(yīng)用。但非接觸式噴射系統(tǒng)復(fù)雜，控制麻煩，維護費用及設(shè)備成本高。

可見，不同液體分配技術(shù)在工作特性方面差異很大，微量液體配場合眾多，要求不一，使用液體材料類型廣泛。因此，充分考慮具體應(yīng)用環(huán)境，結(jié)合流體類型及經(jīng)濟條件等因素，選擇合適的微量液體分配方法顯得至關(guān)重要。

結(jié)論

本文介紹了目前電子膠粘劑涂覆工藝發(fā)展及應(yīng)用現(xiàn)狀，總結(jié)了各種涂覆工藝的優(yōu)缺點，指出了不同分配技術(shù)的適用情況。如今膠粘接技術(shù)為了適應(yīng)更加苛刻的工作環(huán)境，滿足更加精密的技術(shù)要求，提出了新的發(fā)展方向。膠滴的微小化、系統(tǒng)的自動化，點膠閥的非接觸化以及膠粘劑黏度兼容化成了精密點膠技術(shù)新的研究方向。

（1）膠滴微小化

隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，微裝配面對的零件也變得越來越小，就要求點膠系統(tǒng)得到的膠滴要向微小化方向發(fā)展。

（2）點膠系統(tǒng)自動化

我國許多行業(yè)中自動化程度并不高，在微小裝配中絕大多數(shù)是利用工人的技術(shù)和工作經(jīng)驗來完成粘接的，因此，點膠量的波動很大，一致性難以保證，提高點膠系統(tǒng)的自動化程度有重要意義的。

（3）點膠閥非接觸化

傳統(tǒng)的點膠系統(tǒng)一般采用的是時間/壓力式、螺桿泵式以及活塞式點膠閥。接觸式的點膠閥除有一致性難以保證、難以維護等缺點之外，還很難實現(xiàn)狹小空間中的點膠操作，噴射點膠技術(shù)不但克服了空間的局限性而且消除了z軸方向上的移動，并具有點膠速度快、生產(chǎn)效率高、一致性好、響應(yīng)速度快等優(yōu)點，因此點膠分液技術(shù)正在經(jīng)歷一場由接觸式向非接觸式的轉(zhuǎn)變。

（4）膠粘劑黏度的兼容化

膠粘劑的黏度是影響點膠質(zhì)量的一項重要因素，黏度過低時，在噴射點膠過程中很容易發(fā)生飛濺；黏度太高，表面張力過大，又很難形成較小的膠滴，也容易發(fā)生拉絲、堵塞噴頭、噴頭邊緣黏滯等問題。一種點膠系統(tǒng)如果能夠適用于多種黏度膠粘劑，不僅可以降低設(shè)備成本，而且可以縮短生產(chǎn)周期。

英特爾展示了他們開發(fā)玻璃芯（glass core）基板和芯片相關(guān)封裝工藝的初步工作。由于在玻璃芯研發(fā)方面取得的進展，英特爾現(xiàn)在計劃在本世紀(jì)下半葉將玻璃芯基板引入其產(chǎn)品中，從而使他們能夠以更復(fù)雜、最終性能更高的配置封裝芯片。

按照他們在新聞稿中所說，之所以玻璃基板擁有機會，這與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需求有重要關(guān)系。

隨著對更強大計算的需求增加，以及半導(dǎo)體行業(yè)進入在封裝中使用多個“Chiplet”的異構(gòu)時代，信號傳輸速度、功率傳輸、設(shè)計規(guī)則和封裝基板穩(wěn)定性的改進將至關(guān)重要。這就使得當(dāng)前正在使用的有機基板面臨巨大的挑戰(zhàn)，而這也正是玻璃基板所具備的。

英特爾表示，玻璃基板具有卓越的機械、物理和光學(xué)特性，允許在封裝中連接更多晶體管，從而提供更好的擴展性并能夠組裝更大的小芯片（Chiplet）復(fù)合體（稱為“系統(tǒng)級封裝”）。芯片架構(gòu)師將能夠在一個封裝上以更小的占地面積封裝更多的塊（也稱為小芯片），同時以更大的靈活性和更低的總體成本和功耗實現(xiàn)性能和密度增益。

換而言之，玻璃基板首先能為芯片提供結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性（硅芯片非常脆弱），并且它們也是將來自硅芯片的信號傳送到其他封裝芯片（即小芯片）或芯片背面有大量相對較大的引腳/焊盤。而且，隨著多年來芯片尺寸的增加，以及高端芯片所需的引腳/信號數(shù)量的增加，對用作基板的更新、更好的材料的需求也在增加，這正是推動英特爾發(fā)展的動力。

英特爾高級副總裁兼組裝與測試開發(fā)總經(jīng)理Babak Sabi表示：“經(jīng)過十年的研究，英特爾已經(jīng)實現(xiàn)了行業(yè)領(lǐng)先的先進封裝玻璃基板。我們期待提供這些尖端技術(shù)，使我們的主要參與者和代工客戶在未來幾十年受益?！?/p>

基板的演變

據(jù)anandtech介紹，芯片產(chǎn)業(yè)對基板的需求，最早可以追溯到大規(guī)模集成芯片的早期，當(dāng)時的芯片設(shè)計達到了成千上萬個晶體管。這些小型晶體管需要連接到更大的引腳，以便由相對龐大的人力安裝到系統(tǒng)中，從而產(chǎn)生了第一個芯片封裝，例如雙列直插式封裝。在當(dāng)時，它們使用框架（通常是引線框架）來固定實際的硅芯片，框架（或焊線）提供芯片和外部引腳之間的信號路徑。

自 70 年代以來，基板設(shè)計發(fā)生了多次演變。金屬框架在 90 年代被經(jīng)典陶瓷芯片所取代，然后在世紀(jì)之交被有機封裝所取代。最重要的是，每次迭代的基板都比上一次具有更好的性能，從而可以更輕松地將大量信號和電源引腳布線到日益復(fù)雜的芯片上。

雖然現(xiàn)在你仍會到處發(fā)現(xiàn)引線框架和陶瓷芯片，但有機基板在過去幾十年中一直是該行業(yè)的支柱。據(jù)了解，有機基板的材料主要由類似 PCB 的材料和編織玻璃層壓板制成，允許通過芯片路由相當(dāng)多的信號，包括基本的小芯片設(shè)計，例如英特爾的移動處理器（具有單獨的 PCH 和 CPU 芯片）以及 AMD 基于小芯片的 Zen 處理器。

但有機基板已經(jīng)成為限制因素一段時間了，尤其是在高端芯片中。英特爾認(rèn)為，有機基板將在未來幾年達到其能力的極限，因為該公司將生產(chǎn)面向數(shù)據(jù)中心的 SiP，具有數(shù)十個tiles，功耗可能高達數(shù)千瓦。此類 SiP 需要小芯片之間非常密集的互連，同時確保整個封裝在生產(chǎn)過程中或使用過程中不會因熱量而彎曲。

為此，過去十年中，我們看到了超高密度互連接口的興起，例如硅中介層（基板上晶圓上的芯片）及其衍生產(chǎn)品（例如英特爾自己的 EMIB）。這些技術(shù)使得公司能夠?qū)⑿酒年P(guān)鍵路徑與快速而致密的硅片連接在一起，但成本相當(dāng)高，而且無法完全解決有機基板的缺點。

因此，英特爾也一直在尋找有機基板的真正替代品，一種能夠與大型芯片完美配合的基板，這雖然不能在最高級別取代 CoWoS/EMIB 的需求，但可以提供比當(dāng)前有機基板更好的信號性能和更密集的布線。

按照英特爾所說，在過去的十多年來里，公司一直在研究和評估玻璃基板作為有機基板替代品的可靠性。公司在亞利桑那州錢德勒的園區(qū)擁有一條完全集成的玻璃研發(fā)線，該公司在那里開發(fā)封裝技術(shù)。英特爾表示，這條生產(chǎn)線的成本超過 10 億美元，為了使其正常運行，它需要與設(shè)備和材料合作伙伴合作。業(yè)內(nèi)只有少數(shù)公司能夠負(fù)擔(dān)得起此類投資，而英特爾似乎是迄今為止唯一一家開發(fā)出玻璃基板的公司。值得一提的是，英特爾在實現(xiàn)下一代封裝方面擁有悠久的歷史，在 20 世紀(jì) 90 年代，他們引領(lǐng)了行業(yè)從陶瓷封裝向有機封裝的轉(zhuǎn)變，也是第一個實現(xiàn)鹵素和無鉛封裝的公司，并且是先進嵌入式芯片的封裝技術(shù)的發(fā)明者。英特爾還是業(yè)界首個推出主動3D堆疊技術(shù)的公司。因此，英特爾能夠圍繞這些技術(shù)解鎖從設(shè)備、化學(xué)品和材料供應(yīng)商到基板制造商的整個生態(tài)系統(tǒng)。

英特爾的玻璃基板革命

英特爾院士兼 Substrate TD 模塊工程高級總監(jiān) Rahul Manepalli在一個視頻中表示，與有機基板相比，玻璃芯基板在封裝技術(shù)方面提供了實質(zhì)性改進。與有機材料一樣，玻璃還可以制造成各種尺寸。按照Rahul 的說法，有機基材是一種復(fù)合材料，而玻璃是一種均質(zhì)的非晶態(tài)材料。這就使得英特爾能夠調(diào)整玻璃基板的特性，使其更接近硅的特性，從為許多性能和密度增強提供了機會。

根據(jù)英特爾的介紹，其玻璃芯基板的核心在于用玻璃取代有機封裝中的有機、類似 PCB 的材料。換而言之，英特爾不會將芯片直接安裝在純玻璃上，而是把基板核心的材料替換成玻璃。同時，金屬重新分布層（RDL）仍然存在于芯片的兩側(cè)，提供各種焊盤和焊點之間的實際路徑。

雖然玻璃基板比現(xiàn)在成熟的有機基板更難加工，但英特爾認(rèn)為玻璃基板在機械和電氣性能方面都更優(yōu)越，這反過來又使其適合在未來的芯片中使用。

英特爾表示，玻璃芯基板的機械強度遠高于有機基板；在封裝過程中能夠比有機基材更好地承受更高的溫度，從而減少翹曲和變形；玻璃也更容易變得平坦，這使得封裝和光刻變得更容易；玻璃具有與硅相似的熱膨脹系數(shù)（與有機基板不同），這意味著仍然因熱量而發(fā)生的微小翹曲與上面的芯片一致，而不是芯片的不同部分以不同的速率膨脹。

英特爾稱，為了彌合機械和電氣之間的差距，他們還能夠在玻璃通孔（TGV）上實現(xiàn)更緊密的間距，從而通過基板本身傳輸信號，從而允許整體上有更多數(shù)量的通孔。按照英特爾提供的數(shù)據(jù)，他們能夠?qū)?TGV 的間距控制在 100 微米 （μm） 以內(nèi)，從而將 TGV 密度提高 10 倍。所有這些最終使得通過基板核心路由信號變得更加靈活，并且在某種程度上使得使用更少的 RDL 層路由信號變得更加容易。

這就讓實現(xiàn)更大的芯片變得容易，而且允許在相同尺寸的芯片上放置更多的芯片。英特爾聲稱，玻璃封裝將使他們能夠在芯片上放置多 50% 的芯片，或者更確切地說，芯片內(nèi)的芯片復(fù)雜區(qū)域可能會大 50%，從而實現(xiàn)比英特爾目前所能制造的更密集的芯片封裝。

英特爾表示，玻璃基板可實現(xiàn)更高的互連密度（即更緊密的間距），從而使互連密度增加十倍成為可能，這對于下一代SiP的電力傳輸和信號路由至關(guān)重要。特別是，英特爾正在談?wù)?《5/5um 線/間距和 《100um 玻璃通孔 （TGV） 間距，這使得基板上的芯片到芯片凸塊間距 《36um，核心凸塊間距 《80um。此外，玻璃基板可將圖案畸變減少 50%，從而提高光刻的焦深并確保半導(dǎo)體制造更加精密和準(zhǔn)確。

來到電氣性能方面，據(jù)英特爾透露，玻璃芯基板（更具體地說是 TGV）也能提供更好的表示，這是由于 TGV 中使用的電介質(zhì)具有低損耗特性，而且數(shù)量大得多，因此玻璃芯基板將實現(xiàn)更清潔的信號路由和電力傳輸。對于前者，這意味著能夠通過銅纜發(fā)送 448G 信號，而不必使用光纖互連。與此同時，較低損耗的電力傳輸將減少在到達處理器芯片之前以熱量形式損失的能量，從而進一步提高整體芯片效率。

此外，玻璃芯基板還應(yīng)該使共同封裝的光學(xué)器件更容易實現(xiàn)。玻璃基板將允許光學(xué)互連直接集成到芯片中，而不必以其他方式將其固定。

不過，正如anandtech報道說，雖然玻璃芯基板比有機基板允許更緊密的信號間距，但它們并不能替代 EMIB、Foveros 或其他基于使用硅介質(zhì)的更先進的封裝技術(shù)。TGV 的 75μm 間距與 EMIB 的 45μm 間距仍然相去甚遠，更不用說為 Foveros Direct 計劃的 《10μm 間距了。因此，所有這些封裝技術(shù)仍將是玻璃芯基板的補充附加技術(shù)，最多可以在不需要 EMIB 全面密度改進的產(chǎn)品的邊緣情況下取代 EMIB。

為了證明該技術(shù)的有效性，英特爾發(fā)布了一款全功能測試芯片，該芯片采用 75um TGV，長寬比為 20:1，核心厚度為 1 毫米。雖然測試芯片是客戶端設(shè)備，但該技術(shù)最初將用于構(gòu)建面向數(shù)據(jù)中心的處理器。但當(dāng)技術(shù)變得更加成熟后，它將用于客戶端計算應(yīng)用程序。英特爾提到圖形處理器是該技術(shù)的可能應(yīng)用之一，由于 GPU 可以消耗任意數(shù)量的晶體管，因此它們很可能會受益于互連密度的增加和玻璃基板剛性的提高。

“玻璃基板最初將被引入需要更大外形封裝（即數(shù)據(jù)中心、人工智能、圖形）和更高速度功能的應(yīng)用程序和工作負(fù)載的市場?！庇⑻貭栒f。

只是一個開始

雖然英特爾的這個宣布讓大家感到震撼，但從英特爾的講解看來，這個技術(shù)離量產(chǎn)還有一段時間?！叭绻⑻貭柕漠a(chǎn)品開發(fā)按計劃進行，我們打算在本十年晚些時候開始發(fā)貨玻璃芯產(chǎn)品。”英特爾方面表示。

對于這家有著遠大志向的企業(yè)，英特爾也不會保留這項技術(shù)。作為該公司成為世界級代工廠的更廣泛計劃的一部分，英特爾也將適時向 IFS 客戶提供玻璃芯基板。

不過，正如anandtech所說，雖然英特爾更興奮地談?wù)摬Ａ净宓膬?yōu)點以及他們發(fā)現(xiàn)迄今為止效果良好的東西，但一個不可避免的因素是成本。與任何新技術(shù)一樣，玻璃芯基板的生產(chǎn)和封裝成本將比經(jīng)過驗證的真正（且便宜）的有機基板更昂貴。雖然英特爾目前還沒有談?wù)摿悸?，但玻璃將很難與有機材料競爭，至少在一開始是這樣。

更廣泛地說，玻璃芯基板還意味著英特爾需要為該材料建立一個完整的生態(tài)系統(tǒng)。如今，它們不再與有機基板垂直集成，也不會與玻璃垂直集成。為此，英特爾目前已經(jīng)與合作伙伴合作開發(fā)必要的工具和供應(yīng)能力，以實現(xiàn)初步商業(yè)化生產(chǎn)。但從長遠來看，英特爾將需要弄清楚如何使外包測試和組裝成為可能，特別是因為英特爾計劃未來向 IFS 客戶提供玻璃核心基板。

同時，英特爾并不是唯一看好玻璃芯基板的企業(yè)。在今年年初，來自日本的大日本印刷 （DNP）就展示了公司的玻璃芯基板 （GCS）產(chǎn)。據(jù)他們所說，這可以解決其中許多挑戰(zhàn)。

他們指出，具有玻璃芯的 HDI 基板與有機樹脂基基板相比，具有更優(yōu)越的性能。例如使用玻璃芯基板（GCS）可以實現(xiàn)更精細(xì)的間距，因此可以實現(xiàn)極其密集的布線，因為它更堅硬并且不易因高溫而膨脹。在DNP 展示的示意圖中，甚至完全省略了封裝中的細(xì)間距基板，這意味著可能不再需要該部件。

DNP還聲稱，其玻璃芯基板可以提供高縱橫比的高玻璃通孔 （TGV） 密度（與 FPS 兼容）。在這種情況下，長寬比是玻璃厚度與通孔直徑之間的比率。隨著通孔數(shù)量的增加和比例的增加，基板的加工變得更加困難，并且保持剛性變得更加具有挑戰(zhàn)性?？傊?，下一場封裝革命已然打響。