非金属新材料行业专题研究：玻璃基板1：从有机到无机，不断延续摩尔定律

玻璃基板新应用 高级封装载体：玻璃基板用于半导体封装，解决CTE不匹配导致的翘曲问题。 晶圆级光学：随着传感器小型化，晶圆级半导体工艺需求增加，玻璃基板材料适用于前端和后端工艺。 增强现实（AR）：玻璃材料与半导体类似的加工能力，为AR头显提供引人入胜的体验。 先进封装领域，关注0-1的机会 封装基板材料演变：从金属框架到陶瓷，再到有机封装，intel预计2030年前将实现玻璃基板的应用。 玻璃基板优势：具有接近元组件的CTE、零湿度系数等特性，有助于构建更高性能的多芯片系统级封装。 市场规模：据Prisma rk，预计2026年全球IC封装基板行业规模将达到214亿美元。随各大芯片巨头的入局，玻璃基板对硅基板的替代有望加速，预计3年内玻璃基板渗透率将达到30%，5年内渗透率将达到50%以上。 封装玻璃基板技术难点在哪？由于玻璃基为新一代封装技术，需要整个生态系统的配合，包括上游玻璃基板原片，中游TGV技术以及相应的设备。 其中TGV技术为关键一环，TGV基板是结合激光和蚀刻技术制造的，先进的激光加工和蚀刻技术能够建立非常高的纵横比，从而达到更少的高频损耗和更高的孔深/尺寸比来实现垂直互连。 玻璃基板产业链发展情况 1、基板端：康宁、肖特等公司已推出相关产品。 2、终端：英特尔宣布在玻璃基板开发上取得重大突破，AMD等企业也在评估玻璃基板样品。 产业链相关标的 沃格光电：掌握TGV技术，布局Mini/Micro LED显示产品基板及相关解决方案，目前已有相关产品。 凯盛科技：产业链一体化布局，从原材料到显示模组，已展出过玻璃基相关产品。 雷曼光电：应用端，公司深耕LED领域，推出玻璃基Micro LED产品。 风险提示：下游市场需求不及预期、行业竞争加剧、产品价格波动风险 重点标的推荐 1.玻璃基板新应用 高级封装载体（Advanced Packaging Carriers）：用于半导体封装，以满足性能改进的需求。解决了由于CTE（热膨胀系数）不匹配导致的加工过程中翘曲问题。如康宁的高级封装载体通过降低ΔCTE（CTE差异）、增加杨氏模量和优化厚度来最小化加工过程中的翘曲。 晶圆级光学（Wafer-Level Optics）：随着光学传感器变得更小、更精确，晶圆级半导体工艺成为必要。如康宁的HPFS®熔融石英材料适用于前端工艺（FEOL），具有超纯度、极端热稳定性和接近零的CTE。后端工艺（BEOL）需要一系列光学玻璃，康宁提供具有低平均厚度变化、低TTV（总厚度变化）和低翘曲的光学玻璃，以满足封装堆叠容差和降低分层应力的需求。 增强现实（Augmented Reality）：增强现实头显的需求即将到来，玻璃材料与半导体类似的加工能力将使这些设备提供引人入胜的体验。 图1：玻璃基板的新应用场景 2.先进封装：从有机到无机，升级在即 2.1.为什么封装需要用玻璃基板？ 基板是芯片封装体的重要组成材料，主要起承载保护芯片与连接上层芯片和下层电路板的作用。自上世纪70年代以来，基板设计发生了多次演变，金属框架在90年代被陶瓷所取代，然后在世纪之交被有机封装所取代，当前的处理器广泛使用有机基板。基板的每次迭代都比上一次具有更好的性能，这使得将更多的信号和电源引脚布线到日益复杂的芯片变得更加容易。据Intel预计，基板从有机到玻璃的转变将在2030年前实现，并且未来玻璃基板将与有机基板共存。 图2：基板的演进 英特尔认为，有机基板将在未来几年达到其能力的极限，因为公司将生产面向数据中心的系统级封装（SiP），具有数十个小瓦片（tile），功耗可能高达数千瓦。此类SiP需要小芯片（chiplet）之间非常密集的互连，同时确保整个封装在生产过程中或使用过程中不会因热量而弯曲。玻璃基板具有卓越的机械、物理和光学特性，使其能够构建更高性能的多芯片SiP，在芯片上多放置50%的裸片（die）。简而言之，玻璃基板在制备更集成化的半导体装置上优势更明显，我们预计玻璃基板将主要用于加载高性能半导体产品，如服务器CPU和AI加速器。 图3：有机基板与玻璃基板的构造 从具体性能参数上看，玻璃基板和其他基板的差别？ 由于玻璃基（印制）板的热膨胀系数（CTE）具有非常接近元组件的热膨胀系数（如高硼硅玻璃的CTE=3.3左右）、同时它的湿度系数为零等优点，因此具备了封装（IC）基板的重要条件。不同物质之间的薄弱环节是在界面处和焊接点处，主要理由：（1）不同的热膨胀系数，在制造和使用工程中，由于热变化而引起和存在着的热-机残留内应力；（2）界面之间的结合力，不同物质的CTE差别小，就具有较高的稳定性和可靠性，反之，安全性和可靠性就较差，特别是在高密度组装和高频化的条件，热-机应力越来显得重要。 比较重要的有以下两点： 1）热膨胀系数小而湿度系数为“0”。封装基板与所封装元（组）件之间的CTE匹配（兼容）问题，正随着安装高密度化、高频化和焊接点面积的缩小而要求两者的CTE相差越来越小，即封装基板的CTE和所封装元组件CTE之差Δ≤0.0005%/℃→Δ≤0.0003%/℃→Δ≤0.0002%/℃→Δ≤0.0001%/℃→Δ＝0。 2）玻璃尺寸稳定性是良好的。玻璃是在1400℃以上温度制成，其玻璃化温度（Tg）也在800℃左右（不同类型玻璃有所不同），同时，其尺寸的温度膨胀系数（CTE）也较小，处在（4~6）×10/℃之间，接近元组件的热膨胀系数[CTE=(2~4)×10/℃之间]，加上玻璃的湿度系数为0，因此元组件和玻璃基板之间的膨胀系数差别是很小的，其△=(1~2)之间，所以玻璃形成的基板的尺寸稳定性较好，作为封装基板使用非常理想。 -6 -6 图4：不同基板的尺寸稳定性和导热系数对比 2.2.打破传统，玻璃基板封装技术进行到哪一步了？ 2.2.1.基板端：老牌全球玻璃龙头已有相关产品 2016年，康宁发布封装玻璃技术和穿孔玻璃技术相关研究报告。当时公司即与高通、unimicron（pcb公司）、DNP等公司进行相关项目合作。目前，康宁可以提供相关的载板玻璃和穿孔玻璃两种产品。23年初，大日本印刷(DNP)展示了公司的玻璃芯基板(GCS)产品。 22年，特种玻璃巨头肖特将FLEXINITY®结构化玻璃系列的应用拓展到先进封装领域，借助FLEXINITY®connect，玻璃电路板不仅可以解决困扰半导体行业的数据延迟和制造问题，同时还能降低成本。同时，肖特也提出利用玻璃芯材封装取代PCB，需要供应链大幅调整升级，同时新方案可实现贯通玻璃通孔（TGVs）的灵活定位位置，提供全面的设计自由度，使制造速度加快、提高产量。 图5：肖特产品FLEXINITY®connect 图6：康宁的熔融技术 传统基板材料公司亦有布局 2022年11月，SKC子公司Absolics在乔治亚州投资6亿美元建设新的制造基地动工，将为美国半导体行业提供先进材料（玻璃基板）。项目分为两期，第一期为小批量制造；第二期为大批量生产，同时美国商务部24年5月23日表示，已签署了根据《芯片法案》（CHIPS Act）向Absolics提供7500万美元的预备交易备忘录（PMT）。 24年3月，LGInnotekCEOMoonHyuk-soo在股东大会表示，LGInnotek的半导体基板主要客户为美国一家大型半导体公司，该公司对玻璃基板表现出极大的兴趣。LG Innotek也在为此做准备。 2023年10月下旬，Ibiden将玻璃基板纳入下一代研发（Ibiden为半导体基板龙头）。 此外，根据三井金属官网23年11月的信息，公司已经为日本和海外的两家封装制造商开始了小规模量产，目前正在开发30多种下一代半导体，包括领先的半导体器件制造商，计划在2025年左右开始全面量产。 2.2.2.终端：Intel率先官宣，NV和AMD等头部企业均有望使用 应用端，对于半导体企业，23年9月，英特尔宣布，在用于下一代先进封装的玻璃基板开发方面取得重大突破。十多年来，英特尔一直在研究和评估玻璃基板作为有机基板替代品的可靠性，公司在实现下一代封装方面有着悠久的历史，在1990年代引领行业从陶瓷封装向有机封装的过渡，率先实现卤素和无铅封装，并且是先进嵌入式芯片封装技术的发明者，这是业界第一个主动3D堆叠技术。因此，英特尔已经能够围绕这些技术解锁整个生态系统（从设备、化学品和材料供应商到基板制造商）。 同时，据韩媒ETNews报道，AMD正对全球多家主要半导体基板企业的玻璃基板样品进行性能评估测试，计划将这一先进基板技术导入半导体制造。我们认为，封装用玻璃基板已处在0-1的关键阶段。 在显示领域，随着Mini LED直显在更多应用场景落地，Mini背光也在电视、电竞显示器、笔电、车载等领域获得越来越多的认可，京东方、TCL华星等面板选择主推玻璃基Mini LED产品。目前，Mini LED玻璃基产品在背光领域的应用，主要集中在TV、显示器等领域，并逐步向MNT、车载产品等其他领域渗透。由于Mini LED产品带来的性能提升，在高画质、高对比度、超薄等要求下，Mini LED玻璃基就为其提供了广阔的应用空间。到Micro LED阶段，玻璃基板凭借工艺精度高、翘曲度小等优点预计可以拥有更大的发展空间。 图7：Mini LED封装技术路线 2.3.封装玻璃基板的工艺流程：TGV技术是关键 1、玻璃基板准备 选择适合的玻璃材料（如硼硅酸盐玻璃、石英玻璃等），并将其切割成所需尺寸的基板。 用于封装（IC）载板的玻璃基板应该选取高硼硅或高铝硅的低膨胀系数和高导热、并经过钢化处理的玻璃，或者选用特种玻璃。根据沃格光电，其用于MLED显示产品和半导体封装载板的玻璃基板最薄0.09-0.2mm，并有望进一步降低至0.05mm。 2、TGV技术（蚀刻步骤） 在封装应用上，TGV技术使玻璃衬底可以批量较低成本获得和基板一样的通孔能力，可以在背部进行互连和引出，同时具有先进工艺的精度，适合对性能和集成度要求高的先进封装应用。 根据SKC专利，芯通孔时，可以采用通过激光等方法在玻璃基板的表面上形成缺陷(瑕疵)之后进行化学蚀刻、激光蚀刻方法等。 图8：一种半导体装置截面 图9：玻璃基板截面 3、芯层制备 通过对形成有上述芯通孔的玻璃基板的表面进行镀覆而形成作为导电层的芯分配层，从而制备芯层。芯层制备步骤可以包括：预处理过程，在形成有上述芯通孔的玻璃基板的表面形成包括具有胺基的纳米颗粒的有机无机复合底漆层（或溅射形成含金属的底漆层），以制备经过预处理的玻璃基板；再在上述预处理的玻璃基板上镀敷金属层。在此步骤中，需要提高玻璃表面与金属之间的附着力。主要有干法（金属溅射）和湿法（底漆处理）两种。（图8中芯层22的内部通过芯通孔形成有导电层，导电层可以为铜镀层） 在形成作为上述导电层的芯分配层之后，芯通孔可以经过用绝缘层填充空白空间的绝缘层形成步骤。此时，所适用的绝缘层可以是以薄膜形式制备的绝缘层。 4、上部层制备 上部层是在芯层上形成上部绝缘层和上部分配图案，可以通过涂覆树脂组合物或堆叠绝缘薄膜的方式形成上部绝缘层。通过反复进行形成上述绝缘层23a和以预定图案形成导电层23c并蚀刻不必要的部分，以形成导电层的蚀刻层23d。（图9） 5、上面连接层和覆盖层 上面连接图案和上面连接电极也可以通过与形成上部分配层的过程类似的过程形成。具体而言，可以通过在绝缘层23e形成绝缘层的蚀刻层23f，并在其上再形成导电层23g，然后形成导电层的蚀刻层23h。（图10）下面连接层和覆盖层操作同理。 图10：上部层制备相关图解 图11：玻璃基板截面 以上步骤为头部公司SKC相关专利中的制备方法。尽管玻璃基板中的芯材从树脂到玻璃发生了变化，但涉及填充ABF和绝缘层的一系列工艺可能与现有方法相似。在实际生产中，玻璃基板主要面临2个挑战，一是玻璃穿孔技术尚未成熟，二是玻璃基板存在热应力翘曲问题。 图12：玻璃基板/有机基板生产