微晶玻璃材质作为封装基板的优势

以下文章来源于半导体产业研究，作者深芯盟产业研究部

TGV 玻璃基板量产瓶颈在于特种玻璃原片质量不稳定，飞秒激光诱导蚀刻难处理缺陷玻璃，导致产业链协调困难，进度缓慢。

一、微晶玻璃材质作为封装基板的优势

在 AI 和 HPC 芯片需求激增下，玻璃基板被视为突破制程瓶颈、实现变道超车，推动人工智能优越性的关键。如图 1 为玻璃基板在载板层和中介层的封装位置。

图源：深芯盟

图1 玻璃基板在载板层和中介层的封装位置

当前，电子玻璃正向微晶玻璃材质发展，因其低介电常数、低热膨胀系数、高强度和少缺陷，提供更好的电气性能、热稳定性和机械可靠性。

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

图2 Li2O·2SiO2微晶玻璃光学显微照片（晶体、裂纹和气泡）

气泡出现在微晶玻璃中，会降低大多数性能，特别是光传输和断裂强度。巴西圣卡洛斯联邦大学玻璃材料研究中心的O. Peitl, et al.等人研究了Li2O·2SiO2（L2S）微晶玻璃的气泡形成机理，将气泡的形成与玻璃组成的微观结构参数联系起来，旨在通过改变参数提高微晶玻璃的致密性。图2展示了L2S微晶玻璃样品在不同光照条件下（反射光（A）和透射光（B））下的显微照片，图中显示微晶玻璃中的结晶体、微裂纹和微气泡。

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

图3 单晶β-CaSiO3在CBS玻璃体系中的生长机理

华东理工大学曾惠丹教授团队联合上海泽丰半导体有限公司、丹麦奥尔堡大学和武汉理工大学，通过将Al3+掺杂到钙硼硅酸盐（CBS）玻璃体系中，突破了传统技术瓶颈，调节了玻璃的短程有序（SRO）和中程有序（MRO）结构，促进了非均质网络结构的形成。这一过程有利于纳米级β-CaSiO3和亚纳米级α-CaSiO3多晶颗粒的析出。随着烧结温度升高，α-CaSiO3中的[Si3O9]环逐渐打开，转变为β-CaSiO3晶体，并加快了纳米级α-CaSiO3被β-CaSiO3吸收的过程。最终，形成了高单晶含量的β-CaSiO3（1-2 µm）单晶体，达到85%的占比。该微晶玻璃具备低介电常数（4.04@15 GHz）和高抗弯强度（256MPa），并首次将其应用于封装基板，与银浆共烧匹配良好，性能超过国际先进水平。

表1 非晶玻璃、微晶玻璃和硅片的关键性能参数

微晶玻璃的热膨胀系数可调，通过调整其组成和结构，可使其与硅基板匹配，避免长期使用中因膨胀不匹配而导致的基板开裂。

微晶电子玻璃相比非晶电子玻璃具有以下优点：

更高的强度：晶体结构提供更强的抗拉和抗压能力，增强玻璃的机械性能。

优异的热稳定性：低热膨胀系数使其在高温环境下保持尺寸稳定，减少裂纹。

更好的电学性能：低介电常数减少电磁干扰，改善电气性能。

抗腐蚀性能：耐化学腐蚀能力强，适用于极端环境。

高密度互联能力：较小的晶粒和晶体结构能实现更高的密度互联，适用于高性能电子器件。

二、微晶玻璃能抵抗蚀刻应力

原理图来源：深芯盟

图4 飞秒激光诱导刻蚀TGV微晶玻璃基板原理图

无论是非晶玻璃还是微晶玻璃，都会存在微裂纹和微气泡。在飞秒激光诱导刻蚀过程中，超快脉冲飞秒激光大大减少了激光散射对光斑边缘玻璃的热应力影响。在玻璃强度成为主要因素的情况下，微晶玻璃在飞秒激光诱导蚀刻过程中能够更好地保持通孔边缘的强度，减少微裂纹的扩展，在整体上保持 TGV 玻璃基板的结构完整性，为后续先进封装的电气性能打下坚实基础。同时，微晶玻璃具有较强的耐化学腐蚀能力，非激光激活区域能够增强对腐蚀液的抵抗力，为孔内蚀刻液发挥作用争取更多时间。

综合考量，微晶玻璃在 TGV 玻璃基板上展现出更大的优势，尤其在强度和结构稳定性方面潜力优越。

三、玻璃基板原片质量待提升

激光诱导刻蚀 TGV 原理

飞秒激光诱导刻蚀玻璃是目前玻璃通孔制作的先进技术。其原理是通过激光精准聚焦于玻璃的局部区域，激发该区域的反应活性，从而与周围区域产生反应速率差异。激光能量的聚焦导致玻璃表面发生缺陷、晶格结构改变或微裂纹生成，在局部区域形成高反应性，从而精确控制通孔的产生。由于 HF 溶液对玻璃材料的高反应性，结合液流的精准设计，飞秒激光与 HF 复合蚀刻液的组合成为了高效、精准布置通孔的优选方法。尽管面临能量分布控制、化学溶液控制等挑战，但低热效应和高布孔精度使其成为当前的主流 TGV 技术。

国内设备与工艺进展

目前，国内在玻璃基板TGV生产设备与工艺方面已掌握了核心技术，特别是在 TGV 技术的应用上，已经具备了大规模生产的能力。飞秒激光设备（如大族数控和帝尔激光的飞秒 TGV 设备）已成功导入量产，并为规模化生产奠定了基础。国内厂商在这一领域的技术积累使得他们能够在新型封装基板产业革新中受益，从而提升工艺精度和生产效率。

特种玻璃原片质量不稳定

尽管国内设备与工艺技术已具备一定优势，但目前玻璃基板的核心原料 —— 特种玻璃原片仍依赖于国外头部制造商，如康宁、肖特、AGC，国内凯盛科技在玻璃基板领域具有较强的技术实力，其产品主要涉及显示玻璃原片，在半导体级玻璃原片方面，凯盛科技正积极布局，致力于满足高性能封装的需求。由于电子级玻璃原片的高要求和工艺的控制难度，国内企业面对的不仅仅是 TGV 工艺问题，不可忽视的玻璃基板质量缺陷无形中扰乱飞秒激光诱导蚀刻的参数设置。为提高玻璃原片质量的稳定性，可以采用材料基因组工程，借助大模型测试软件（如广立微 SemiMind）和成分调试软件（厦门灵捷软件有限公司开发的玻璃成分设计与测试软件）加速基板原片的开发。同时，加强 TGV 通孔制程设备与工艺的协同，才能提升 TGV 基板整体供应链的可靠性，从而加快玻璃基板的量产进程。

四、为什么要支持玻璃原片企业？

图源：《玻璃通孔技术研究进展》（陈力等，2021），中金公司研究部

图5 玻璃通孔产业链示意图

当前，国内玻璃基板产业在 TGV（Through Glass Via，通孔玻璃）工艺、封装检测以及相关配套设备方面已具备一定的技术实力，但仍然面临电子级玻璃原片质量受制于国外制造商的困境。从全球产业链来看，康宁（Corning）、肖特（Schott）、AGC 等国外企业占据了高端玻璃基板市场的主导地位，而国内企业，如凯盛科技，正在加速布局半导体级玻璃原片，以求打破这种技术壁垒。

支持玻璃原片企业升级改造的必要性

突破核心原材料瓶颈，提高玻璃基板供应链自主可控能力

玻璃基板的质量直接影响 TGV 工艺的稳定性，如果玻璃原片存在质量缺陷，将导致飞秒激光诱导刻蚀的参数难以精准设定，影响量产良率。

电子级晶圆玻璃对厚度均匀性、应力控制、热膨胀系数等都有极高要求，国内企业需要在原料纯度、精密制造和热处理工艺上进行突破。

提升国内玻璃基板企业全球竞争力

目前国内部分企业（如凯盛科技）已在显示玻璃原片领域具有一定优势，但在高端半导体封装玻璃基板领域仍然落后于国际巨头。

通过资本支持，使国内企业可以在设备升级、工艺优化、研发投入等方面加大力度，从而在全球市场形成更强的竞争力。

推动国产电子级晶圆玻璃产业化，实现产业链自主可控

电子级玻璃基板是先进封装和光电器件的重要基材，广泛应用于 5G 通信、微机电系统（MEMS）、先进封装（Fan - Out）等领域。

若能实现大规模量产，不仅能填补国内市场需求，还可实现供应链的稳定性，降低对国外厂商的依赖。

促进 TGV 工艺与玻璃原片质量的协同优化

目前 TGV 玻璃的刻蚀深宽比、通孔密度、孔径一致性等指标要求极高，玻璃原片的质量不稳定会严重影响刻蚀精度和通孔良率。

若玻璃原片稳定性提高，将显著提升 TGV 基板的可靠性，降低工艺成本，使得国内企业可以更快进入量产阶段。

五、结语

玻璃工业的明珠 —— 电子级晶圆玻璃是国内半导体材料领域突破的重要方向，当前国内企业虽然在 TGV 基板制造方面具备一定技术优势，但仍需在玻璃原片质量稳定性、核心工艺控制、产业化量产能力等方面加速发展。国内资本应大力支持玻璃原片企业的升级改造，帮助其攻克高端玻璃基板的核心技术，最终实现从材料端到工艺端的自主可控，为国内电子产业链提供更强的竞争力。