如今，ChatGPT等系統(tǒng)提供動力的大型語言模型日益普及，面對越來越大的用戶需求壓力，數(shù)據(jù)中心、服務(wù)器等都在朝著高頻、高功率的方向發(fā)展，而各種高性能材料的應(yīng)用成為了推動這一領(lǐng)域迭代升級的關(guān)鍵因素之一。玻璃材料具有軟化溫度、燒結(jié)溫度和熱膨脹系數(shù)(CTE)可調(diào)，熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性(在高溫、高濕條件下)較好，并且具有良好的電絕緣性、耐久性、高機(jī)械強(qiáng)度等特性，在AI數(shù)據(jù)中心和服務(wù)器中有著重要的應(yīng)用價值。本文就簡單探討一下玻璃材料是如何助力AI領(lǐng)域發(fā)展的。

一、玻璃封裝基板

在半導(dǎo)體封裝技術(shù)中，封裝基板（又稱又稱IC載板）是芯片裸片（Die）之間高密度信號互聯(lián)的封裝材料，，主要起承載保護(hù)芯片與連接上層芯片和下層電路板的作用，保障電子元器件穩(wěn)定性和可靠性。為了確保電路中的不同部分之間不會發(fā)生電氣短路，封裝基板材料需要具有優(yōu)良的絕緣性能，目前主要以ABF和BT樹脂兩種有機(jī)材料為主。但隨著AI領(lǐng)域芯片處理需求的不斷增長，Chiplet等異構(gòu)封裝需求愈來愈盛，不僅單顆芯片的基板尺寸也越來越大，而且由于與芯片的熱膨脹系數(shù)存在較大的差異，在高溫環(huán)境下芯易出現(xiàn)變形或斷裂的情況，尤其在高算力的形勢下，這類有機(jī)基板即將到達(dá)能力的極限，因此與硅基之間的熱膨脹系數(shù)更為接近的玻璃材料有望成為推動芯片封裝市場增長的關(guān)鍵技術(shù)。

英特爾玻璃基板測試單元

玻璃基板主要以鈉鈣玻璃和高鋁玻璃為主，除了具有優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性、高介電常數(shù)與低介電損耗，可以發(fā)揮傳輸信號的完整性，保障封裝內(nèi)元件的長期穩(wěn)定性。其與傳統(tǒng)有機(jī)基板材料相比，還具有高密度通孔、超低的平面度、較好的機(jī)械穩(wěn)定性、有較高的導(dǎo)熱率和良好的熱穩(wěn)定性的優(yōu)勢，既有助于減少封裝過程中因熱失配導(dǎo)致的應(yīng)力問題，使變形減少50%，有效解決3D-IC堆疊扭曲的問題，也能夠有效的散熱，降低芯片的工作溫度，從而提高芯片的可靠性和壽命，同時其在線寬、線距、凸點(diǎn)尺寸等方面做到更加精細(xì)，開孔之間的間隔往往小于100微米，可實(shí)現(xiàn)在相同尺寸放置更多的芯片，而提高互聯(lián)密度，有效提升計算速度和能源效能。目前三星、AMD、蘋果等國際知名科技芯片公司均表示將導(dǎo)入或探索玻璃基板芯片封裝技術(shù)。不過，其目前存在易碎、玻璃穿孔技術(shù)不成熟等問題成為困擾一眾布局玻璃基板技術(shù)的企業(yè)共同關(guān)心的話題。

二、鈍化玻璃（GPP）

生成式人工智能（AI）的熱潮來襲，使得服務(wù)器功耗迅速增加，半導(dǎo)體功率器件將不斷朝著更高的性能、更小的尺寸、更低的功耗的方向發(fā)展。為了實(shí)現(xiàn)對芯片的保護(hù)，產(chǎn)業(yè)界采取了GPP（玻璃鈍化）工藝技術(shù)，即將玻璃粉在晶圓表面燒結(jié)熔化后冷卻，產(chǎn)生與芯片融為一體的玻璃層，由于玻璃具有良好的絕緣性，能提高半導(dǎo)體器件的擊穿電壓、減小漏電流，從而保護(hù)P-N結(jié)，延長器件使用壽命。

鈍化玻璃用于功率器件的生產(chǎn)（來源：參考來源1）

相比采用涂膠保護(hù)P-N結(jié)的OJ（酸洗）結(jié)構(gòu)產(chǎn)品，GPP結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的玻璃層和芯片熔為一體，無法用機(jī)械的方法分開，因此當(dāng)有外界應(yīng)力產(chǎn)生（比如進(jìn)行彎角處理），器件進(jìn)行冷熱沖擊等情況發(fā)生時，GPP產(chǎn)品的可靠性要更高。此外OJ結(jié)構(gòu)產(chǎn)品僅能承受100度左右的HTRB（高溫反向偏置，衡量產(chǎn)品可靠性的最重要標(biāo)志參數(shù)）。而GPP在溫度達(dá)到150度時，仍然表現(xiàn)非常出色。

OJ結(jié)構(gòu)器件與GPP結(jié)構(gòu)器件（來源：SPSEMI瞬雷電子）

三、PCB用玻璃纖維增強(qiáng)材料

人工智能（AI）發(fā)展對算力提出了新的更高要求，服務(wù)器、數(shù)據(jù)中心等升級迭代，將帶動作為電子元器件支撐體的PCB（印制電路板）需求的提升。PCB基板是由樹脂、玻璃纖維、銅箔、填料等材料復(fù)合而成。其中，玻璃纖維具有優(yōu)良的絕緣性能、良好的介電性能(相對低的介電常數(shù)與介電損耗)、出色的熱穩(wěn)定性，并能夠提供足夠的機(jī)械強(qiáng)度，且對水份和化學(xué)物質(zhì)具有低敏感性，在PCB中不僅用作增強(qiáng)材料添加到PCB介質(zhì)層中來實(shí)現(xiàn)PCB的高機(jī)械強(qiáng)度，而且其還直接影響到電路板的電氣性能和信號傳輸質(zhì)量。

對于普通的消費(fèi)電子產(chǎn)品，傳統(tǒng)的E-glass玻璃纖維（主要成分為硼硅酸鹽玻璃）就能滿足大部分的需求，不過隨著AI驅(qū)動數(shù)據(jù)計算需求持續(xù)增長，將帶動PCB升級迭代，這就需要用到低介電常數(shù)和低介電損耗的玻璃纖維材料來優(yōu)化PCB基板介電性能，以保證信號的高速傳輸。目前，往往是通過提高玻璃組分中B₂O₃的含量，減少堿金屬氧化物和堿土金屬氧化物來實(shí)現(xiàn)。比如，SiO₂+B₂O₃含量較高的D-glass為玻璃纖維制造商以及下游電路板制造商提供了一組近乎理想的介電特性。然而，該玻璃纖維在玻璃熔化、纖維成型、織物編織等領(lǐng)域存在許多不足，限制了其進(jìn)一步的推廣。

參考文獻(xiàn)：

1、陳俊偉,王超凡,張章龍,等.玻璃在5G通訊中的應(yīng)用[J].電子元件與材料.

2、杜俱元.芯片的玻璃鈍化研究[D].電子科技大學(xué).

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