以下文章來源于半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)研究，作者深芯盟產(chǎn)業(yè)研究部

TGV 玻璃基板量產(chǎn)瓶頸在于特種玻璃原片質(zhì)量不穩(wěn)定，飛秒激光誘導(dǎo)蝕刻難處理缺陷玻璃，導(dǎo)致產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)調(diào)困難，進(jìn)度緩慢。

一、微晶玻璃材質(zhì)作為封裝基板的優(yōu)勢

在 AI 和 HPC 芯片需求激增下，玻璃基板被視為突破制程瓶頸、實(shí)現(xiàn)變道超車，推動人工智能優(yōu)越性的關(guān)鍵。如圖 1 為玻璃基板在載板層和中介層的封裝位置。

圖源：深芯盟

圖1 玻璃基板在載板層和中介層的封裝位置

當(dāng)前，電子玻璃正向微晶玻璃材質(zhì)發(fā)展，因其低介電常數(shù)、低熱膨脹系數(shù)、高強(qiáng)度和少缺陷，提供更好的電氣性能、熱穩(wěn)定性和機(jī)械可靠性。

圖源：O. Peitl, et al.Ceramics International 46 (2020) 22513–22520

圖2 Li2O·2SiO2微晶玻璃光學(xué)顯微照片（晶體、裂紋和氣泡）

氣泡出現(xiàn)在微晶玻璃中，會降低大多數(shù)性能，特別是光傳輸和斷裂強(qiáng)度。巴西圣卡洛斯聯(lián)邦大學(xué)玻璃材料研究中心的O. Peitl, et al.等人研究了Li2O·2SiO2（L2S）微晶玻璃的氣泡形成機(jī)理，將氣泡的形成與玻璃組成的微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)聯(lián)系起來，旨在通過改變參數(shù)提高微晶玻璃的致密性。圖2展示了L2S微晶玻璃樣品在不同光照條件下（反射光（A）和透射光（B））下的顯微照片，圖中顯示微晶玻璃中的結(jié)晶體、微裂紋和微氣泡。

圖源：Qingchao Jia, et al.* Advanced Materials, 2024.*

圖3 單晶β-CaSiO3在CBS玻璃體系中的生長機(jī)理

華東理工大學(xué)曾惠丹教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合上海澤豐半導(dǎo)體有限公司、丹麥奧爾堡大學(xué)和武漢理工大學(xué)，通過將Al3+摻雜到鈣硼硅酸鹽（CBS）玻璃體系中，突破了傳統(tǒng)技術(shù)瓶頸，調(diào)節(jié)了玻璃的短程有序（SRO）和中程有序（MRO）結(jié)構(gòu)，促進(jìn)了非均質(zhì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的形成。這一過程有利于納米級β-CaSiO3和亞納米級α-CaSiO3多晶顆粒的析出。隨著燒結(jié)溫度升高，α-CaSiO3中的[Si3O9]環(huán)逐漸打開，轉(zhuǎn)變?yōu)棣?CaSiO3晶體，并加快了納米級α-CaSiO3被β-CaSiO3吸收的過程。最終，形成了高單晶含量的β-CaSiO3（1-2 μm）單晶體，達(dá)到85%的占比。該微晶玻璃具備低介電常數(shù)（4.04@15 GHz）和高抗彎強(qiáng)度（256MPa），并首次將其應(yīng)用于封裝基板，與銀漿共燒匹配良好，性能超過國際先進(jìn)水平。

表1 非晶玻璃、微晶玻璃和硅片的關(guān)鍵性能參數(shù)

微晶玻璃的熱膨脹系數(shù)可調(diào)，通過調(diào)整其組成和結(jié)構(gòu)，可使其與硅基板匹配，避免長期使用中因膨脹不匹配而導(dǎo)致的基板開裂。

微晶電子玻璃相比非晶電子玻璃具有以下優(yōu)點(diǎn)：

更高的強(qiáng)度：晶體結(jié)構(gòu)提供更強(qiáng)的抗拉和抗壓能力，增強(qiáng)玻璃的機(jī)械性能。

優(yōu)異的熱穩(wěn)定性：低熱膨脹系數(shù)使其在高溫環(huán)境下保持尺寸穩(wěn)定，減少裂紋。

更好的電學(xué)性能：低介電常數(shù)減少電磁干擾，改善電氣性能。

抗腐蝕性能：耐化學(xué)腐蝕能力強(qiáng)，適用于極端環(huán)境。

高密度互聯(lián)能力：較小的晶粒和晶體結(jié)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)更高的密度互聯(lián)，適用于高性能電子器件。

二、微晶玻璃能抵抗蝕刻應(yīng)力

原理圖來源：深芯盟

圖4 飛秒激光誘導(dǎo)刻蝕TGV微晶玻璃基板原理圖

無論是非晶玻璃還是微晶玻璃，都會存在微裂紋和微氣泡。在飛秒激光誘導(dǎo)刻蝕過程中，超快脈沖飛秒激光大大減少了激光散射對光斑邊緣玻璃的熱應(yīng)力影響。在玻璃強(qiáng)度成為主要因素的情況下，微晶玻璃在飛秒激光誘導(dǎo)蝕刻過程中能夠更好地保持通孔邊緣的強(qiáng)度，減少微裂紋的擴(kuò)展，在整體上保持 TGV 玻璃基板的結(jié)構(gòu)完整性，為后續(xù)先進(jìn)封裝的電氣性能打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。同時(shí)，微晶玻璃具有較強(qiáng)的耐化學(xué)腐蝕能力，非激光激活區(qū)域能夠增強(qiáng)對腐蝕液的抵抗力，為孔內(nèi)蝕刻液發(fā)揮作用爭取更多時(shí)間。

綜合考量，微晶玻璃在 TGV 玻璃基板上展現(xiàn)出更大的優(yōu)勢，尤其在強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性方面潛力優(yōu)越。

三、玻璃基板原片質(zhì)量待提升

激光誘導(dǎo)刻蝕 TGV 原理

飛秒激光誘導(dǎo)刻蝕玻璃是目前玻璃通孔制作的先進(jìn)技術(shù)。其原理是通過激光精準(zhǔn)聚焦于玻璃的局部區(qū)域，激發(fā)該區(qū)域的反應(yīng)活性，從而與周圍區(qū)域產(chǎn)生反應(yīng)速率差異。激光能量的聚焦導(dǎo)致玻璃表面發(fā)生缺陷、晶格結(jié)構(gòu)改變或微裂紋生成，在局部區(qū)域形成高反應(yīng)性，從而精確控制通孔的產(chǎn)生。由于 HF 溶液對玻璃材料的高反應(yīng)性，結(jié)合液流的精準(zhǔn)設(shè)計(jì)，飛秒激光與 HF 復(fù)合蝕刻液的組合成為了高效、精準(zhǔn)布置通孔的優(yōu)選方法。盡管面臨能量分布控制、化學(xué)溶液控制等挑戰(zhàn)，但低熱效應(yīng)和高布孔精度使其成為當(dāng)前的主流 TGV 技術(shù)。

國內(nèi)設(shè)備與工藝進(jìn)展

目前，國內(nèi)在玻璃基板TGV生產(chǎn)設(shè)備與工藝方面已掌握了核心技術(shù)，特別是在 TGV 技術(shù)的應(yīng)用上，已經(jīng)具備了大規(guī)模生產(chǎn)的能力。飛秒激光設(shè)備（如大族數(shù)控和帝爾激光的飛秒 TGV 設(shè)備）已成功導(dǎo)入量產(chǎn)，并為規(guī)模化生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。國內(nèi)廠商在這一領(lǐng)域的技術(shù)積累使得他們能夠在新型封裝基板產(chǎn)業(yè)革新中受益，從而提升工藝精度和生產(chǎn)效率。

特種玻璃原片質(zhì)量不穩(wěn)定

盡管國內(nèi)設(shè)備與工藝技術(shù)已具備一定優(yōu)勢，但目前玻璃基板的核心原料 —— 特種玻璃原片仍依賴于國外頭部制造商，如康寧、肖特、AGC，國內(nèi)凱盛科技在玻璃基板領(lǐng)域具有較強(qiáng)的技術(shù)實(shí)力，其產(chǎn)品主要涉及顯示玻璃原片，在半導(dǎo)體級玻璃原片方面，凱盛科技正積極布局，致力于滿足高性能封裝的需求。由于電子級玻璃原片的高要求和工藝的控制難度，國內(nèi)企業(yè)面對的不僅僅是 TGV 工藝問題，不可忽視的玻璃基板質(zhì)量缺陷無形中擾亂飛秒激光誘導(dǎo)蝕刻的參數(shù)設(shè)置。為提高玻璃原片質(zhì)量的穩(wěn)定性，可以采用材料基因組工程，借助大模型測試軟件（如廣立微 SemiMind）和成分調(diào)試軟件（廈門靈捷軟件有限公司開發(fā)的玻璃成分設(shè)計(jì)與測試軟件）加速基板原片的開發(fā)。同時(shí)，加強(qiáng) TGV 通孔制程設(shè)備與工藝的協(xié)同，才能提升 TGV 基板整體供應(yīng)鏈的可靠性，從而加快玻璃基板的量產(chǎn)進(jìn)程。

四、為什么要支持玻璃原片企業(yè)？

圖源：《玻璃通孔技術(shù)研究進(jìn)展》（陳力等，2021），中金公司研究部

圖5 玻璃通孔產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)疽鈭D

當(dāng)前，國內(nèi)玻璃基板產(chǎn)業(yè)在 TGV（Through Glass Via，通孔玻璃）工藝、封裝檢測以及相關(guān)配套設(shè)備方面已具備一定的技術(shù)實(shí)力，但仍然面臨電子級玻璃原片質(zhì)量受制于國外制造商的困境。從全球產(chǎn)業(yè)鏈來看，康寧（Corning）、肖特（Schott）、AGC 等國外企業(yè)占據(jù)了高端玻璃基板市場的主導(dǎo)地位，而國內(nèi)企業(yè)，如凱盛科技，正在加速布局半導(dǎo)體級玻璃原片，以求打破這種技術(shù)壁壘。

支持玻璃原片企業(yè)升級改造的必要性

突破核心原材料瓶頸，提高玻璃基板供應(yīng)鏈自主可控能力

玻璃基板的質(zhì)量直接影響 TGV 工藝的穩(wěn)定性，如果玻璃原片存在質(zhì)量缺陷，將導(dǎo)致飛秒激光誘導(dǎo)刻蝕的參數(shù)難以精準(zhǔn)設(shè)定，影響量產(chǎn)良率。

電子級晶圓玻璃對厚度均勻性、應(yīng)力控制、熱膨脹系數(shù)等都有極高要求，國內(nèi)企業(yè)需要在原料純度、精密制造和熱處理工藝上進(jìn)行突破。

提升國內(nèi)玻璃基板企業(yè)全球競爭力

目前國內(nèi)部分企業(yè)（如凱盛科技）已在顯示玻璃原片領(lǐng)域具有一定優(yōu)勢，但在高端半導(dǎo)體封裝玻璃基板領(lǐng)域仍然落后于國際巨頭。

通過資本支持，使國內(nèi)企業(yè)可以在設(shè)備升級、工藝優(yōu)化、研發(fā)投入等方面加大力度，從而在全球市場形成更強(qiáng)的競爭力。

推動國產(chǎn)電子級晶圓玻璃產(chǎn)業(yè)化，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)鏈自主可控

電子級玻璃基板是先進(jìn)封裝和光電器件的重要基材，廣泛應(yīng)用于 5G 通信、微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）、先進(jìn)封裝（Fan - Out）等領(lǐng)域。

若能實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)，不僅能填補(bǔ)國內(nèi)市場需求，還可實(shí)現(xiàn)供應(yīng)鏈的穩(wěn)定性，降低對國外廠商的依賴。

促進(jìn) TGV 工藝與玻璃原片質(zhì)量的協(xié)同優(yōu)化

目前 TGV 玻璃的刻蝕深寬比、通孔密度、孔徑一致性等指標(biāo)要求極高，玻璃原片的質(zhì)量不穩(wěn)定會嚴(yán)重影響刻蝕精度和通孔良率。

若玻璃原片穩(wěn)定性提高，將顯著提升 TGV 基板的可靠性，降低工藝成本，使得國內(nèi)企業(yè)可以更快進(jìn)入量產(chǎn)階段。

五、結(jié)語

玻璃工業(yè)的明珠 —— 電子級晶圓玻璃是國內(nèi)半導(dǎo)體材料領(lǐng)域突破的重要方向，當(dāng)前國內(nèi)企業(yè)雖然在 TGV 基板制造方面具備一定技術(shù)優(yōu)勢，但仍需在玻璃原片質(zhì)量穩(wěn)定性、核心工藝控制、產(chǎn)業(yè)化量產(chǎn)能力等方面加速發(fā)展。國內(nèi)資本應(yīng)大力支持玻璃原片企業(yè)的升級改造，幫助其攻克高端玻璃基板的核心技術(shù)，最終實(shí)現(xiàn)從材料端到工藝端的自主可控，為國內(nèi)電子產(chǎn)業(yè)鏈提供更強(qiáng)的競爭力。