新技术前瞻专题系列（二）：玻璃基板行业五问五答

司 公DONGXING 研究 SECURITIES 东兴 券 证玻璃基板行业五问五答 股 有 份——新技术前瞻专题系列（二） 分析师 刘航 执业证书编号：S1480522060001 分析师 石伟晶 执业证书编号：S1480518080001 分析师 刘蒙 执业证书编号：S1480522090001 分析师 张永嘉 执业证书编号：S1480523070001 限公司证券研究报告 东兴证券研究所 2024年9月25日 摘要 Q1:玻璃基板是什么？玻璃基板是下一代芯片基板，核心材料由玻璃制成。玻璃基板封装关键技术为TGV。玻璃基板产业链包括生产、原料、设备、 技术、封装、检测、应用等环节，上游为生产、原料、设备环节。因独特的物理化学属性，玻璃基板在电子元件材料应用领域展现出巨大潜力。 Q2：玻璃基板与传统硅片和PCB相比有哪些优劣势?和CoWoS-S封装比，玻璃基板封装技术的优势可从基板材料、中介层、关键技术、成本四方面展开，玻璃基板与有机基板相比可以实现：（1）超低平坦度（2）良好的热稳定性和机械稳定性（3）可实现更高的互连密度（4）可将图案变形减少50%。但目前技术不成熟与市场接受度不高是玻璃基板面临的两大挑战。 Q3：玻璃基板行业的市场空间、竞争格局怎样?全球IC封装基板市场快速发展，预计2029年规模达315.4亿美。玻璃基板为最新趋势，预计5年内渗透率达50%以上。全球玻璃基板市场空间广阔，2031年预计增长至113亿美元。中国玻璃基板市场规模不断扩大，2023年达333亿元。康宁占全球市场主导地位，份额占比48%。国内厂商成本优势显著，玻璃基板国产化提速，市场空间巨大。 Q4：巨头为何在当前节点推玻璃基板?在高端芯片中，有机基板将在未来几年达到能力极限，以英特尔为例，英特尔将生产面向数据中心的SiP， 具有数十个tiles，功耗可能高达数千瓦且成本相当高。为追求推进摩尔定律极限，英特尔、三星、英伟达、台积电等大厂入局玻璃基板。英特尔率先推出用于先进封装的玻璃基板，推动摩尔定律进步。三星将玻璃基板视为芯片封装的未来，组建“军团”加码研发玻璃基板。英伟达的GB200或将使用玻璃基板，并计划投产。台积电已组建专门的团队探索FOPLP技术，并大力投资玻璃基板研发。 Q5:玻璃基板产业链的哪些环节有望受益?玻璃基板产业链上游原料、生产、设备环节有望受益。生产环节，国内玻璃基板生产厂商有望在高世代领域占一席之地。钻孔设备环节，国内部分企业开始研发LIDE技术，有望实现钻孔设备技术突破；显影设备环节，随着电子信息产业快速发展及玻璃基板需求推动，对激光直接成像设备的需求持续增长；电镀设备环节，玻璃基板技术不断成熟，给电镀设备升级带来巨大商机。 投资建议：玻璃基板是封装基板未来发展的大趋势，全球半导体龙头争相布局。受益于算力芯片技术发展，产业链有望迎来加速成长，受益标的：天承科技、沃格光电、三超新材、德龙激光、帝尔激光等。 风险提示：下游需求放缓、技术导入不及预期、客户导入不及预期、贸易摩擦加剧。 Q1 玻璃基板是什么？ 芯片基板是芯片裸片所在的介质，是芯片封装最后一步的主角，玻璃基板是下一代基板。在确保芯片结构稳定性的同时，基板还将信号从芯片裸片传送到封装，它们卓越的机械稳定性和更高的互连密度将有助于创造高性能芯片封装。上世纪70年代以来，芯片基板材料经历了两次迭代，最开始是利用引线框架固定晶片，到90年代陶瓷基板取代了引线框架，现在最常见的是有机材料基板，而玻璃基板是下一代基 板。 玻璃基板是核心材料由玻璃制成的基板。玻璃基板是用玻璃取代有机封装中的有机材料，并不意味着用玻璃取代整个基板，而是基板核心的材料将由玻璃制成。简单来说，就是在玻璃上打孔、填充和上下互联，以玻璃为楼板构建集成电路的高楼大厦。 图1:下一代芯片基板为玻璃基板 图2:Intel的玻璃基板 资料来源：Intel官网，东兴证券研究所 资料来源：Intel官网，东兴证券研究所 玻璃基板封装技术对CoWoS-S封装进行了改进，将挑战目前半导体封装技术的主导地位。台积电的2.5D芯片封装技术CoWoS-S是将芯片连接至硅转接板上，再把堆叠芯片与基板连接，实现芯片-转接板-基板的三维封装结构。玻璃基板封装技术对其做了改进，将挑战目前半导体封装技术的主导地位。（1）基板材料：从FC-BGA载板改为玻璃芯基板。（2）中介层：从硅改为玻璃基板。（3）关键技术：从硅通孔TSV改成玻璃通孔TGV。 图3:玻璃基板封装和CoWoS-S封装结构对比 资料来源：钟毅等《芯片三维互连技术及异质集成研究进展》，东兴证券研究所 玻璃基板封装的关键技术是TGV。TGV（玻璃通孔）技术是通过在玻璃基板上制作垂直贯通的微小通孔，并在通孔中填充导电材料，从而实现不同层面间的电气连接。TGV以高品质硼硅玻璃、石英玻璃为基材，通过种子层溅射、电镀填充、化学机械平坦化、RDL再布线，bump工艺引出实现3D互联，被视为下一代先进封装集成的关键技术。而TSV（硅通孔）技术是在硅中介层打孔。TGV是TSV的延续，两者 都是三维集成的关键技术，在实现更高密度的互连、提高性能和降低功耗等方面发挥重要作用。 目前TGV技术已推进至第三代，最小孔径小于5微米。第三代TGV技术采用精准激光诱导和湿法工艺，既具有超高精度三维加工能力——最小孔径小于5微米、最小节距6微米，可通孔金属化、表面布线、三维堆叠，又具有灵活广泛的材料选择性。其用小功率特殊激光器处理玻璃，不是直接打成一个孔，而是让它发生光化学反应。使材料选择没有严格的限制，实现了应用场景的扩大。 图4:玻璃孔径最小5微米，最小节距6微米 图5:TGV和TSV技术示意图 TSV（硅通孔） TGV（玻璃通孔） 资料来源：三叠纪官网，东兴证券研究所 资料来源：CSDN，东兴证券研究所 玻璃基板产业链包括生产、原料、设备、技术、封装、检测、应用等环节。上游为生产、原料、设备环节，中游为技术、封装检测环节，下游为应用环节。 图6:玻璃基板产业链及各环节相关企业 资料来源：陈力等《玻璃通孔技术研究进展》，各公司官网，东兴证券研究所 玻璃基板产业链上游为生产、原料、设备环节。玻璃基板制造需硅砂、纯碱、石灰石、硼酸、氧化铝等原料；玻璃基板生产工艺包括高温熔融、均化处理、成型、加工、清洗检验和包装等环节；玻璃通孔设备包括钻孔、电镀、溅射、显影设备。 玻璃基板因独特的物理化学属性，在电子元件材料应用领域展现出巨大潜力。玻璃基板有望在需要高算力和低延迟的场景中大展身手，如 自动驾驶汽车的实时数据处理。其耐高温的特性也使它适合应用于工业物联网、边缘计算等对温度耐受性有严格要求的领域。然而，玻璃 材质在机械性能和抗冲击性上具局限性，故在车载等高要求环境中的应用仍受限。 表1：玻璃基板原料成分及其含量 图7:玻璃基板的应用领域 成分 含量（%） 成分 含量（%） 成分 含量（%） SiO2 58.5±0.5 AI2O3 15.3±0.5 B2O3 9.5±0.5 CaO 5.5±0.3 SrO 3.15±0.3 BaO 5.4±0.3 ZnO 0.4±0.2 As2O3 0.45±0.2 Sb2O3 0.20±0.15 ZrO2 0.15±0.05 MgO <0.10 TiO2 <0.02 Na2O <0.02 K2O <0.003 Fe2O3 <0.02 资料来源：e玻网天下公众号，东兴证券研究所 资料来源：三叠纪官网，合明科技官网，东兴证券研究所 Q2 玻璃基板与传统硅片和PCB相比有哪些优劣势? 与CoWoS-S封装相比，玻璃基板封装技术的优势可从基板材料、中介层、关键技术、成本四方面展开。（1）材料：玻璃基板封装以树脂玻璃为基板材料，在芯片对准和互连方面有显著优势。还可能引入超过100x100mm的大型封装基板，允许封装更多芯片，提高性能和集成度。（2）中介层：玻璃基板封装无需中介层即可直接安装SoC和HBM芯片，使在更低的高度内安装更多芯片成为可能（3）关键技术：TGV工艺流程比TSV更简单高效，机械、激光或刻蚀等方法组合使用，均可批量进行玻璃打孔。由于玻璃本身绝缘特性，TGV无需沉淀绝缘层，仅需沉积粘附层与种子层即可进行电镀填充。（4）成本：玻璃基板封装可通过玻璃面板级工艺进行大批量制作，具成本优势。 但是，玻璃基板封装在最高级别的需求上可能仍无法完全替代CoWoS-S或EMIB技术。 图8：玻璃基板封装技术在基板材料、中介层、关键技术、成本四方面的优势 资料来源：钟毅等《芯片三维互连技术及异质集成研究进展》，新浪科技，东兴证券研究所 势 基板类型 热膨胀系数/ （10-6/℃） 湿度系数/（10-∆CET差别/（10- 6/%RH）6/℃） 导热系数 （W/m·K） 图9：玻璃基板与有机基板对比具有一系列优 表2:部分基板的尺寸稳定性和导热系数对比 CCL（常规型） 13～15 11～13 9～13 CCL（低CET型） CCL（甚低CET型）CCL（超低CET 10～12 10～12 6～10 8～10 8～10 4～8 6～8 6～8 2～6 0.24（导热型 0.5） 0.24（导热型 0.5） 0.24（导热型 0.5） 0.24（导热型 资料来源：Intel官网，东兴证券研究所 资料来源：林金堵《玻璃基板和封装玻璃载板》，东兴证券研究所 玻璃基板与使用有机基板的传统PCB相比具有一系列优势：（1）超低的平坦度。可改善光刻的焦深及互连的良好尺寸稳定性。（2）良好的热稳定性和机械稳定性。能承受更高温度，在数据中心应用中更具弹性。（3）可实现更高的互连密度。使互连密度增加十倍成为可能，对下一代SiP电力和信号传输至关重要。（4）可将图案变形减少50%。提高光刻的焦深并确保半导体制造更加精密和准确。 技术不成熟与市场接受度不高是玻璃基板目前面临的两大挑战。玻璃基板硬度大、脆性高的特点增加了加工难度。此外，在玻璃基板复杂的生产过程中，需高精度的工艺和设备，对技术要求极高。同时，作为新生事物，玻璃基板的市场接受度也有待提高。相关行业标准和技术规范也尚未完善，可能会影响其推广和应用。 型 金属Al基板 22～25 接近“0” / 0.5） 1.2～4.2 金属Cu基板 17 接近“0” / 1.5～5.5 陶瓷封装基板 6~8 接近“0” 2～6 18（氧化铝基板） 玻璃封装基板 4~6 0 0～4 1.2～10.0 晶圆（片）级封装基板 2~4 / 0（成本高） ≤1.2 与硅通孔TSV相比，玻璃通孔TGV的优势主要体现在以下几方面： （1）低成本：大尺寸超薄面板玻璃易于获取，及不需要沉积绝缘层，玻璃转接板的制作成本大约只有硅基转接板的1/8。而硅通孔制作采用硅刻蚀工艺，随后需氧化绝缘层、薄晶圆的拿持等技术。（2）优良的高频电学特性：玻璃是绝缘体材料，介电常数只有硅的1/3左右，损耗因子比硅低2～3个数量级，使衬底损耗和寄生效应大大减小，有效提高传输信号的完整性。硅属半导体材料，传输线在传输信号时， 信号与衬底材料有较强的电磁耦合效应，衬底中产生涡流现象，信号完整性较差。（3）工艺流程简单：不需要在衬底表面及内壁沉积绝缘层，且超薄转接板不需要二次减薄。（4）机械稳定性强：当转接板厚度小于100μm时，翘曲仍较小。（5）大尺寸超薄玻璃衬底易于获取：康宁、旭硝子以及肖特等玻璃厂商可以量产超大尺寸（大于2m×2m）和超薄（小于50μm）的面板玻璃及超薄柔性玻璃材料。（6）应用领域广泛：除在高频领域外，透明、气密性好、耐腐蚀等性能优点使其在光电系统集成、MEMS封装领域有巨大应用前景。 图10：TSV与TGV的主要工艺步骤对比 资料来源：CSDN，东兴证券研究所 表3：不同TGV成孔技术的优缺点 激光诱导刻蚀法 成孔快，可制作高密度、高深宽比的玻璃通孔，玻璃通孔无损伤 玻璃通孔不太垂直，激光设备昂贵 资料来源：陈力等《玻璃通孔技术研究进展