美國芯片巨擘英特爾9月18日宣布推出業(yè)界首款用于下一代先進(jìn)封裝的玻璃基板，計劃于2026 年至 2030 年量產(chǎn)，憑借單一封裝納入更多的晶體管，預(yù)計這將實現(xiàn)更強大的算力 (HashRate)，持續(xù)推進(jìn)摩爾定律極限，這也是英特爾從封裝測試下手，迎戰(zhàn)臺積電的新策略。

英特爾趕在創(chuàng)新日 (9月19 日) 活動開跑前，搶先宣布推出業(yè)界首款用于下一代先進(jìn)封裝的玻璃基板方案。

隨著對更強大計算的需求增加，以及半導(dǎo)體行業(yè)進(jìn)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(jìn)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(jìn)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>

英特爾稱，憑借這些功能，玻璃基板上的互連密度可以提高 10 倍，并允許實現(xiàn)高組裝良率的超大型封裝，預(yù)計在 2026 至 2030 年推出完整的玻璃基板解決方案。

英特爾提及，玻璃基板重大突破使封裝技術(shù)能夠持續(xù)擴展，在單一封裝中容納 1 兆個晶體管的目標(biāo)，并將摩爾定律延續(xù)到 2030 年之后。

英特爾表示：「我們將首先在人工智能 (AI)、繪圖處理和資料中心等高性能領(lǐng)域看到使用玻璃基板的芯片?！?/p>

英特爾此一突破性成就是英特爾也在為其美國芯片代工廠增強先進(jìn)封裝能力的另一個跡象，也是英特爾迎戰(zhàn)臺積電的新策略。

據(jù)報導(dǎo)，英特爾對手臺積電 (TSM-US) 的亞利桑那州廠計劃生產(chǎn) 4 納米和 3 納米芯片，但目前并無在亞利桑那州或美國境內(nèi)打造封裝廠的計劃，主要卡關(guān)因素是成本高昂，因此這些先進(jìn)芯片不會在美國完成封裝。

英特爾先進(jìn)封裝資深經(jīng)理 Mark Gardner 于今年 5 月份指出，英特爾芯片制造工廠和組裝、測試、封裝站點分布在世界各地，相較臺積電目前大部分芯片制造設(shè)施都在中國臺灣，英特爾優(yōu)勢在于提供安全供應(yīng)鏈、分散地緣風(fēng)險，也可提供客戶部分 IDM 流程，彈性選擇。

Gardner 稱：「英特爾晶圓制造服務(wù)愿意讓客戶只使用服務(wù)的一部分，也就是說，他們可以委托其他晶圓代工業(yè)者生產(chǎn)芯片，英特爾只做封測。」

一、基板的變

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(dá)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(dá)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(dá)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。

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。

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(jìn)嵌入式芯片的封裝技術(shù)的發(fā)明者。

二、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(jìn)。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。

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(dá)處理器芯片之前以熱量形式損失的能量，從而進(jìn)一步提高整體芯片效率。

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(jìn)的封裝技術(shù)。TGV 的 75μm 間距與 EMIB 的 45μm 間距仍然相去甚遠(yuǎn)，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(jìn)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。

編輯：黃飛

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