随着人工智慧（AI）浪潮席卷全球，大型语言模型与高效能运算（HPC）对晶片效能的需求呈指数级增长。然而，半导体产业正面临一个严峻的物理现实——「摩尔定律」正逐渐走向尽头。
为了在有限的空间内塞入更多电晶体，晶片制造商从 2D 平面转向 3D 堆叠，而这场竞赛的决胜点，已从晶片制造本身转移到了「先进封装」。在这场技术变革中，一项被视为「游戏规则改变者」的技术正在崛起，那就是玻璃基板（Glass Substrate）。各大厂亦有相应布局，预计在 2026 至 2030 年间实现量产。究竟玻璃基板是什么？为何它能成为 AI 时代的救世主？本文将带您深入解析。
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打破封裝極限：從有機載板到玻璃基板的技術演進
晶片基板是半导体封装制程中不可或缺的「地基」，用来固定切割好的裸晶（Die）并连接外部电路；基板上能承载的晶片越多，整体的电晶体数量与效能就越强大。回顾过去半导体发展史，基板材料经历了两次重大变革：从 1970 年代的引线框架（Lead Frame），到 1990 年代由陶瓷基板取而代之，再到如今最普及的有机材料基板。
1. 引线框架 (Lead Frame)：这是最传统、也是成本最低的封装技术。它是一层薄薄的金属框架（通常是铜或铁镍合金），上面有像「梳子」一样的引脚。
- 运作方式： 晶片放在框架中央，透过金属线（Wire Bonding）将晶片上的讯号连到框架的引脚上。
- 优点： 成本极低、导电性与导热性良好、制程成熟。
- 缺点： 体积较大，无法应对高密度、多接点的先进运算晶片。
- 应用： 常见于电源管理 IC、汽车电子、传统家电晶片。
2. 陶瓷基板 (Ceramic Substrate)：如氧化铝或氮化铝，以其卓越的热稳定性和绝缘性著称。
- 特性： 陶瓷非常耐高溫，且其熱膨脹係數（CTE）與晶片非常接近，能防止在冷熱交替時因膨脹不均導致晶片損壞。
- 优点： 耐热极佳、绝缘性好、在高温高压环境下物理稳定性极高。
- 缺点： 价格昂贵、质地脆易碎、制造过程相对复杂。
- 应用： 大功率 LED、航太电子、电动车功率模组（IGBT）、高频通讯。
3. 有机材料基板 (Organic Substrate / IC Substrate)：这是目前主流智慧型手机与电脑晶片最常用的基板，最著名的代表就是 BT 基板与 ABF 基板。
- 组成： 由环氧树脂（Epoxy）与玻璃纤维等有机材料复合而成。
- 優點：
- 可布线密度高： 可以在极小的面积内拉出密密麻麻的线路。
- 轻薄： 适合行动装置。
- 缺点： 散热性不如陶瓷，且容易受热变形（翘曲问题）。
- 應用： 手機處理器、顯示卡 GPU、電腦 CPU（ABF 基板是目前的關鍵戰略物資）。
4.玻璃基板 (Glass Substrate)：这是封装领域的明日之星，正积极研发的下一代技术。
- 为何需要它： 当 AI 晶片变得越来越大、传输速度要求越来越快时，传统的有机基板会因为受热不均而变形。
- 優點：
- 平整度极高： 能刻划出比有机基板更精细的线路。
- 热稳定性强： 不容易变形。
- 整合度： 允许将多个晶片更紧密地封装在一起。
- 缺点： 技术门槛极高、目前成本昂贵。
- 应用： 未来的高阶 AI 运算晶片、伺服器处理器。
现今，随着 AI 与高效能运算的需求爆发，目前主流的有机基板（由类似 PCB 材料与玻璃纤维层压而成）逐渐显露疲态。虽然有机基板具备加工难度低与高速传输的优势，但它与晶片的热膨胀系数（CTE）差异过大的原因成为致命伤。在高温运作下，两者会因膨胀程度不同，容易导致连接断裂。因此，晶片为了避免过热烧毁，必须透过「热节流」强行降速，导致无法长时间维持峰值效能。此外，有机材料在尺寸扩大时容易翘曲，严重限制了电晶体的容纳密度，因此有了新技术「玻璃基板（Glass Substrate）」来解决现有问题。
玻璃基板是什么？
简单来说，「玻璃基板（Glass Substrate）」是一种用于晶片封装的新型核心载板材料，旨在以特殊的玻璃材质取代传统的有机树脂，如:ABF 热固性环氧树脂基板。
在晶片封装的过程中，基板扮演着「地基」的角色，用来固定晶圆切下来的裸晶（Die），并负责连接晶片与外部电路。传统上，我们经历了引线框架、陶瓷基板，到目前最主流的有机材料基板。而玻璃基板则是利用玻璃优异的物理特性，透过玻璃通孔（TGV, Through-Glass Via）技术，让基板能支援更精细的电路布线，是实现下一代高密度封装的关键技术。
玻璃基板与有机载板的差异
下表详细比较了新一代玻璃基板与现行主流有机载板（如 ABF）在物理特性、效能表现及商业化程度上的区别：
| 玻璃基板 (Glass Substrate) | 有機載板 (Organic Substrate / ABF) | |
| 主要材质 | 主要材质 | 有機樹脂（如 ABF）、玻璃編織層壓板。 |
| 平坦度 | 极高。超平整特性有利于微影聚焦与精密蚀刻，图案变形机率降低 50%。 | 较低。表面较粗糙，且容易在加工过程中产生翘曲。 |
| 互连密度 | 极高（提升 10 倍）。 TGV 间距可小于 100 微米，同面积下能多放置 50% 的晶片。 | 受限。受限于材料物理特性，开孔数量与布线密度远低于玻璃。 |
| 熱穩定性 (CTE) | 优异。热膨胀系数（CTE）与矽晶片接近，耐温达 700°C 以上，高温下不易变形。 | 较差。与晶片 CTE 差异过大，高温下易膨胀、翘曲，导致连接断开。 |
| 訊號與功耗 | 低损耗、高速度。低介电常数，讯号衰减低；厚度可减少一半，功耗更低。 | 高频损耗较大。需透过热节流控制温度，限制了晶片维持最高效能的时间。 |
| 尺寸能力 | 可做超大面积。支援如 120×120 mm 的大尺寸核心，满足 AI 超大模组需求。 | 尺寸受限。在有限尺寸下难以容纳更多电晶体，且大尺寸易变形。 |
| 技術成熟度與成本 | 发展中，成本较高。面临 TGV 钻孔、金属附着力等挑战，预计 2026-2030 量产。 | 成熟，成本较低。加工难度小，是目前的产业标准与市场主流。 |
为何会成为新的关注技术？
玻璃基板之所以迅速成为半导体产业的关注焦点，主要源于现有技术面临的物理瓶颈以及 AI 世代对于极致效能的渴望。随着电晶体微缩逐渐逼近物理极限，摩尔定律的推进脚步放缓，产业界因而转向 Chiplet（小晶片）与 3D 封装技术来寻求突破。然而，面对 AI 训练与推论所需的庞大算力，晶片尺寸与功耗急剧增加，传统基板在承载这类超大面积封装时，往往难以克服高温翘曲与讯号传输的挑战。此时，玻璃基板凭借着优异的结构支撑性与讯号传输能力，正好能完美应对这些难题，成为支撑先进封装技术、延续晶片效能成长的重要关键。
玻璃基板所帶來的優勢
相較於傳統材料，玻璃基板展現了壓倒性的物理與電性優勢，主要體現在以下幾點：
- 极致的平坦度与互连密度： 玻璃拥有无与伦比的超高平坦度，极大改善了光刻制程的聚焦深度，使其能进行更精密的蚀刻。这让玻璃通孔（TGV）的间距能缩小至 100 微米以内，直接将互连密度提升 10 倍；在相同面积下，玻璃基板能多容纳 50% 的晶片（Die），显著增加了封装内的电晶体数量。
- 优异的热稳定性与可靠度： 玻璃耐温可达 700°C 以上，且热膨胀系数（CTE）与矽晶片极为接近。这解决了传统有机材料易膨胀翘曲的问题，将高温下的图案变形机率降低 50%，大幅减少晶片断裂风险，确保连接的可靠性。
- 高速传输与峰值效能维持： 受益于低介电损耗与优异的散热特性，玻璃基板不仅讯号传输更快、功耗更低，更能让晶片在更长时间内维持峰值效能，避免因过热而被迫降速（热节流）。
- 更轻薄与大尺寸封装潜力： 玻璃基板的厚度可减少约一半，有利于设备的轻薄化。同时，业界正开发如 120×120 mm 的超大尺寸玻璃核心，突破了有机载板的尺寸上限，完美契合 AI 超大模组的封装需求。
玻璃基板的应用场合
基於上述優勢，玻璃基板將主要應用於對「效能」與「整合度」要求極高的領域：
- AI 加速器与 HPC（高效能运算）： 这是最迫切的需求端。透过大面积 Chiplet 拼接与 HBM（高频宽记忆体）堆叠，满足大模型训练的算力需求。
- CPO（共同封装光学）与光电整合： 玻璃是透明的，非常适合内嵌光波导，这对于资料中心追求低延迟的光互连以及未来的 6G 通讯至关重要。
- 先進 3D 封裝平台： 作為 Fan-out 或 RDL 的大尺寸核心載板，承載複雜的多晶片模組。
- 高阶消费电子： 虽然目前成本较高，但中长期来看，高阶笔电、平板或手机若有轻薄化与极致散热需求，也将评估导入。
玻璃基板未来所面临的挑战
尽管玻璃基板展现了令人期待的应用前景，但要从实验室迈向大规模量产，仍需跨越多重技术与产业门槛。首当其冲的是玻璃本身的材料特性，其易碎本质使得生产与搬运过程极具挑战，如何降低破损率并维持产线良率，是制造端必须解决的难题。
此外，核心的玻璃通孔（TGV）技術也面臨高度複雜性，不僅要在玻璃上精準鑽出微小孔洞並均勻填充金屬導電層，還需克服金屬與玻璃介面附著力較差的問題，確保連接的穩固與可靠。
在檢測環節方面，由於現有的傳統檢測設備多是針對不透明材料設計，玻璃的高透明度與獨特反射特性容易導致訊號失真或遺失，這迫使產業界必須開發全新的光學檢測與量測技術以確保精度。
最後，供應鏈的整合與成本控制也是一大阻礙，相較於已相當成熟的有機載板生態系，玻璃基板從材料、設備到封裝廠的協作模式仍處於磨合期，導致初期製造成本居高不下，這些都是未來幾年產業必須共同攻克的艱鉅挑戰。
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