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低碳材料玻璃基板介紹與觀測
2024/09/24
一、 玻璃基板(Glass Substrate)發展概況
隨著AI和HPC的發展，對晶片效能的要求逐漸提高，推動了先進封裝技術的發展（例如2.5D或3D封裝），不過這樣的技術需要較大面積的載板，以及更多層數和更細的線路。然因傳統使用有機材料製成的基板，在高溫環境下容易發生膨脹和翹曲現象，無法滿足先進封裝的需求。相比之下，玻璃基板具有低熱膨脹係數、低介電常數和優異的平坦度等優點，使其成為下一代先進封裝的理想材料，應用領域包括AI伺服器、交換器IC晶片和RF射頻模組等。
目前全球主要半導體業者都在積極佈局玻璃基板市場，Intel預計在2030年之前將玻璃基板應用於資料中心、AI和HPC領域；三星也計劃在2026年開始量產玻璃基板；而AMD預計在2025年至2026年間，開始採用玻璃基板進行晶片生產；而TSMC目前則在研究玻璃基板應用於扇出型面板級封裝（FOPLP）的可行性。
二、 玻璃基板作為封裝方案之優劣勢分析
玻璃基板最主要的特點是使用玻璃材料作為其核心層，與傳統使用有機樹脂材料作為基板材料不同。玻璃基板上下兩側仍然會使用現有的ABF材料來製作重佈線層，因此不會完全取代現有的有機載板。以下是玻璃基板材料優劣分析：
優勢
1. 低介電常數：有助於減少訊號傳輸過程中的損耗，並提高訊號傳輸速度和效率，對於高頻高速的電子應用尤其重要。
2. 尺寸穩定性高：玻璃基板的熱膨脹係數低，在溫度變化時變形程度較小，有助於維持載板穩定性，減少翹曲現象。此外，玻璃基板也具備優良的機械穩定性和尺寸穩定性，在加工過程中能確保高精度的製作要求。這些特性使其適用於需要搭載多個晶片的大尺寸封裝，例如AI伺服器和HPC應用。
3. 表面平坦度高：玻璃基板表面非常平滑，有利於細線路的製作，能夠支援高密度的電路設計。
4. 提高封裝密度：玻璃基板可以實現更高的互連密度，例如更小的貫穿玻璃通孔（TGV）間距，從而在相同面積上容納更多晶片或電晶體，可降低先進封裝成本。
劣勢
1. 加工難度高：玻璃材質易碎，在加工技術方面（如鑽孔、切割和電鍍等）存在挑戰。鑽孔方面，由於玻璃材質易碎，傳統機械鑽孔不適用，目前主要採用雷射加工以保持玻璃完整性；切割方面，也遇到和鑽孔類似的問題，透過雷射或水刀切割都面臨挑戰；電鍍方面，玻璃與金屬附著力不佳，需要開發新的電鍍技術來改善錶面材質，使兩物質的附著力增加。
2. 可靠性數據不足：玻璃基板在半導體封裝領域屬於新興技術，長期可靠性數據尚未完善，可能會限制其在汽車、航空航天等高可靠性要求領域的應用。
3. 多層電路設計困難：由於玻璃的物理特性限制，目前難以在玻璃基板內部製作多層電路，增加了設計的複雜度。
4. 熱膨脹係數差異：雖然玻璃基板的熱膨脹係數低，但與基板上的其他材料（例如晶片）仍然存在差異，可能導致應力問題，需要進行精密的熱管理。
三、 玻璃基板之低碳潛力
玻璃基板作為一種新興的封裝材料，在促進低碳方面確實存在一定的潛力，特別是在製程以及產品使用的環節。首先，玻璃基板適用於大尺寸封裝，配合面板級封裝方案，可以在單一基板上製造更多晶片，提高生產效率，在生產過程中可能消耗更少的能源和資源，從而減少碳排放。
其次，玻璃基板的低介電特性有助於減少訊號傳輸的損耗，同時其具備的低熱膨脹係數也能減少熱能散失，進而降低整體系統的功耗。對於需要處理大量數據的AI和HPC應用來說，更低的功耗意味著更低的能源消耗，間接減少碳排放。顯示玻璃基板相較過往於傳統有機材料基板，能夠實現現今高速傳輸的需求外，亦可達到減碳的效果。
四、 玻璃基板材料未來展望
在技術優勢與應用上，玻璃基板憑藉其低介電常數、低熱膨脹係數和高平坦度等優勢，成為AI伺服器、HPC等領域的理想材料。再加上FOPLP作為一種新興的先進封裝技術，具有更高的封裝密度和更低的成本，被視為未來封裝技術的重要發展方向。
玻璃基板的特性使其非常適合應用於FOPLP技術，可以進一步提升FOPLP的效能和良率。但儘管玻璃基板材料在未來擁有廣闊的應用前景，但目前仍面臨著一些挑戰包含TGV鑽孔、玻璃切割，以及電鍍等技術難題仍需進一步克服，才能實現更高效、更低成本的量產，除此之外，因為玻璃基板為新興技術，需要更多時間進行可靠度測試，尤其是在車用、航太等對可靠度要求極高的領域。
本資訊來自經濟部產發署113年專案計畫，計畫名稱:113年印刷電路板產業淨零碳排推動計畫。