一、玻璃基板在芯片制造中的崛起
下一代芯片将在玻璃上制造，这将开启半导体行业的新纪元。如果你看任何芯片，它都离不开基板。每一个CPU都是由若干片硅片组成，行为上就像是一个单一的芯片，它们都集成在一块基板之上。基板的功能是重新分配信号，以便芯片能够在主板内进行电子通信。
玻璃基板的主要优势
1. 物理特性
玻璃的刚性允许构建更大、更稳定的基板，适合大尺寸芯片。与有机材料相比，玻璃基板具有更好的热稳定性和机械稳定性，能够承受更高的温度和压力，不易变形。例如，在芯片制造过程中，需要进行高温处理和复杂的工艺步骤，玻璃基板能够保持其形状和性能，确保芯片的质量和可靠性。由于玻璃具有刚性，我们可以使用它构建更大的设计。这意味着我们可以为超过100x100毫米大小的更大芯片构建更稳定的基板，并避免任何形式的扭曲或变形。因此，通过使用玻璃，我们可以在更大的封装内集成更多的芯粒，并提高每单位面积的晶体管数量。例如，乔治亚理工学院在最近的一篇论文中展示了如何在玻璃基板上封装60片芯片，这大约是目前台积电CoWoS封装技术可能实现的四倍。
2. 集成能力
能在更大的封装内集成更多芯粒，提高晶体管密度。根据相关数据，玻璃基板可多放置约 50% 的芯片 “裸片”，这意味着在相同面积的封装内，可以容纳更多的晶体管，提高芯片的性能和功能。在一篇近期的论文中，乔治亚理工学院和Meta的研究人员展示了使用玻璃将逻辑和存储芯粒集成到5.5D系统中的方法。5.5D封装是一个新的概念，它结合了2.5D和3D堆叠，这项研究表明，使用玻璃而非有机硅材料在面积、电源和信号完整性方面都有显著的改进。
3. 光刻技术
光刻是芯片制造过程中最关键的步骤之一，用于在晶圆上创建非常微小的图案，基本上是将集成电路设计转移到晶圆上。这需要一个非常平坦的基板作为起点。问题是，有机基板没有像半导体那样的晶格结构。如果仔细观察，它的结构不均匀，这当然会极大地影响光刻的精度以及信号传播的质量。在玻璃基板上，我们可以更精确地进行光刻，进行更精细的图案制作，因为玻璃是完全平滑的。这使得我们能够在任何给定尺寸的芯片上将组件放得更近，从而在整个晶圆上均匀地曝光。
4. 介电常数
介电常数表示材料存储电能的能力。芯片设计中有个关键的RC时间常数，在RC常数中，C取决于材料的介电常数。由于玻璃的介电常数低，这意味着更少的能量浪费在寄生效应上。这使得信号传播速度更快、频率更高。玻璃的低介电常数有助于减少能量浪费，提高信号传播速度和频率。玻璃基板具有高介电常数与低介电损耗，能够提供更高的信号传播速度和更低的能量损耗。这对于高性能计算和人工智能等领域的芯片来说，至关重要。例如，在数据中心和服务器中，需要处理大量的数据和高速的信号传输，玻璃基板能够提供更好的性能和效率。
5. 热稳定性
在高性能芯片运行过程中，会产生大量的热量，玻璃基板能够更好地散热，降低芯片的工作温度，从而提高芯片的可靠性和寿命。玻璃的热膨胀系数非常低，至少比有机材料低五倍。它能更好地管理热量，并在通常高达600摄氏度的温度下保持稳定。热管理是现代GPU、AI GPU和芯片面临的最大挑战之一。处理的数据越多，芯片就越热。对于AI加速器和GPU来说，这是一个大问题，因为它们会不停地处理大量数据。当温度过高时，有机基板会开始退化，可能发生翘曲和弯曲，导致芯片各部分之间的连接失败。玻璃可能是解决这一问题的潜在良方。玻璃与硅的热膨胀系数相似，因为它们都含有硅原子。两者在高温下以相同的速率膨胀，因此，当我们将玻璃基板与硅芯片结合时，即使是未来最大设计的芯片，我们也可以避免任何热应力或变形。玻璃芯片通常以650x650毫米大小的矩形晶圆形式制造。晶圆从一开始就是矩形的，因为熔融玻璃会被形成薄薄的矩形片，然后在制造过程中保持这一形状。玻璃的低热膨胀系数有助于更好地管理热量，提高芯片的热稳定性。玻璃基板的热膨胀系数与晶片更为接近，更高的温度耐受可使变形减少 50％，可以降低断裂的风险，增加芯片的可靠性。
二、主要芯片制造商在玻璃基板芯片上的布局
（一）国际大厂技术布局
英特尔作为行业先驱，早在十多年前就宣布了其玻璃基板计划，并声称已具备量产能力，在 2030 年投入量产。英特尔加大了与多家设备和材料供应商的订单，以生产基于玻璃基板技术的下一代先进封装，致力于解决晶圆翘曲、焊点可靠性等先进封装技术目前面临的问题。
台积电将为英伟达开发玻璃基板，主要用于英伟达未来的 FOPLP（扇出型面板级封装），该技术将带来许多好处，特别是在芯片尺寸和单位面积晶体管比例增加方面。同时，台积电还在积极扩大玻璃基板研发力度，与英特尔等国际大厂展开竞争。
三星集团已组建新的跨部门联盟，包括三星电子、三星显示、三星电机等子公司，联合研发玻璃基板，推进商业化。三星电机提出今年将建立一条玻璃基板原型生产线，目标是 2025 年生产原型，2026 年实现量产。
AMD 计划在 2025 - 2026 年在其超高性能系统级封装（SiP）产品中引入玻璃基板。相比目前普遍使用的有机基板封装，玻璃基板具有超低平面度、更高热稳定性和机械稳定性的突出优势。
苹果也在积极布局先进封装领域，虽具体技术细节暂未公布，但与 AMD、英特尔等科技巨头的行动一致，预示着该技术将成为未来发展的重要方向。英伟达优先考虑在未来芯片中使用玻璃基板技术，与台积电合作，瞄准 2025 - 2026 年解决方案进入市场的窗口期。
（二）国际大厂投资项目布局
英特尔在亚利桑那厂投资 10 亿美元，建立玻璃基板研发线及供应链，以确保基于玻璃基板技术的下一代先进封装产品能够顺利研发和生产。
台积电根据英伟达的需求为其未来的 FOPLP 封装开发玻璃基板，集结相关供应链成立玻璃基板供应商 E-core System 联盟，抢食英特尔、台积电等订单。
三星集团旗下三星电机计划今年建立玻璃基板原型生产线，投入大量资源进行研发和生产，目标在 2026 年实现量产，以抢占市场先机。
与此同时，AMD也在开发玻璃基板的原型。
新的参与者如Absolics也收到了大量投资，正在建造一个专门的玻璃芯片工厂。
（三）其他基板技术的研发及应用情况
华为与哈工大联手申请的 “一种基于硅和金刚石的三维集成芯片的混合键合方法” 专利于近日公布。
金刚石作为已知天然物质中热导率最高的材料，在热沉、大功率、高频器件、光学窗口、量子信息等领域具有极大应用潜力。
国内国机精工、沃尔德、四方达、上海征世等头部 CVD 金刚石公司均在相关领域开展研究、生产。
美国厂商 Diamond Foundry 已制造出世界上第一块直径为 100 毫米的单晶金刚石晶圆，计划提供金刚石基板作为改善热性能的途径，也可改善人工智能计算和无线通信以及更小的电力电子设备。
虽然目前金刚石在芯片领域的大规模应用估计还需要时间验证，但国内企业对金刚石芯片基板的研发为未来芯片制造提供了新的方向和可能性。
三、风险挑战与应对
（一）投资需求
玻璃基板在芯片制造中的应用需要对生产线设备进行更新，这无疑需要大量的投资。
目前，大型代工厂和 OSAT（外包半导体组装与测试）企业已经在其他材料上进行了大量投资，如覆铜板（CCL）。
转向玻璃基板意味着需要新一轮的设备投资，包括但不限于高精度的打孔设备、研磨设备以及特殊的处理设备等。
据行业数据显示，建立一条完整的玻璃基板芯片制造生产线的投资可能高达数亿美元甚至更多。
这对于企业来说是一个巨大的财务压力，尤其是对于一些中小型企业而言，可能难以承担如此高昂的投资成本。
此外，投资不仅仅局限于设备采购，还包括技术研发、人员培训等方面。
玻璃基板技术相对较新，企业需要投入大量的资源进行研发，以确保生产工艺的稳定性和可靠性。
同时，员工也需要接受专业的培训，以适应新的生产工艺和设备操作要求。
（二）工艺调整
玻璃的易碎性确实要求制造工艺进行重大调整。玻璃基板在处理和加工过程中需要极其小心和精确，稍有不慎就可能导致基板破裂。
首先，在搬运和存储环节，需要采用特殊的设备和方法。
例如，使用专门设计的夹具和托盘，以确保玻璃基板在运输过程中不会受到震动和碰撞。
同时，存储环境也需要严格控制，避免温度和湿度的剧烈变化，以免影响玻璃基板的性能和稳定性。
在光刻过程中，玻璃的脆性同样带来了检测和计量的挑战。
对于光刻设备，需要低数值孔径（NA）透镜系统，以在不影响分辨率的情况下，实现更大的焦深和更高的分辨率。
这就要求企业对现有的光刻设备进行升级或更换，增加了生产成本。
此外，玻璃基板的加工难度较大，涉及钻孔与填孔优化、脆性处理、金属线粘附性、过孔填充均匀性、电气性能一致性等问题。
材料选择、抗裂性、高纵横比、金属化、良品率、切割、散热与机械力承受能力等也是待解决的技术难题。
（三）应对措施
尽管玻璃基板在芯片制造中面临着诸多挑战，但它的未来发展潜力巨大。随着技术的不断进步，企业和研究机构正在积极探索解决方案，以克服玻璃基板的易碎性和高成本等问题。
一方面，通过材料科学的不断创新，有望开发出更加坚韧的玻璃材料，或者采用功能性涂层复合材料来增强玻璃基板的机械性能和保护性。例如，斯迪克公司的部分保护膜可用于玻璃制程保护，为提高玻璃基板的耐用性和可靠性提供了一种可能的解决方案。另一方面，随着玻璃基板市场需求的增加，规模效应有望降低生产成本。
同时，全行业的合作也将有助于制定和采用玻璃基板标准，提高制造过程中的可预测性和效率。
总之，虽然玻璃基板在芯片制造中面临着挑战，但随着技术的不断进步和全行业的共同努力，它有望在未来的芯片领域发挥关键作用，为更复杂、更紧密集成的电路铺平道路。
四、市场前景
（一）行业增长趋势分析
玻璃基板芯片制造技术未来的主要应用市场前景广阔，其中：
在人工智能领域，随着技术的不断发展，对高性能计算芯片的需求持续增长。玻璃基板芯片凭借其优异的性能和集成能力，能够更好地满足人工智能算法对算力的要求。预计未来几年，人工智能芯片市场中玻璃基板芯片的占比将逐步提高。
在高性能计算领域，如超级计算机、数据中心等，对芯片的处理速度和稳定性要求极高。玻璃基板芯片的低介电常数和热稳定性等优势，使其在该领域具有巨大的应用潜力。随着数据中心规模的不断扩大和对计算能力需求的持续增加，玻璃基板芯片在高性能计算市场的应用将越来越广泛。
在 5G 通信领域，玻璃基板芯片的高信号传播速度和频率特性，能够满足 5G 通信对高速数据传输的要求。随着 5G 网络的普及和应用场景的不断拓展，玻璃基板芯片在 5G 通信设备中的需求也将逐渐增加。
在消费电子领域，如智能手机、平板电脑等，消费者对设备性能和轻薄化的要求不断提高。玻璃基板芯片能够在更小的空间内集成更多的功能，同时提供更高的性能和更低的功耗，满足消费电子市场的发展需求。预计未来，越来越多的消费电子产品将采用玻璃基板芯片。
（二）竞争格局分析
目前，玻璃基板芯片制造行业的竞争格局较为激烈。
国际大厂如英特尔、台积电、三星等在技术研发和市场份额方面占据领先地位。这些企业拥有雄厚的资金实力、先进的技术和广泛的客户资源，能够在市场竞争中占据优势。
然而，国内企业也在积极布局玻璃基板芯片制造领域。华为与哈工大的合作以及国内头部 CVD 金刚石公司的研究，为国内企业在该领域的发展提 供了新的方向和可能性。随着国内技术的不断进步，国内企业有望在未来的市场竞争中逐渐崛起。
此外，新的竞争对手也可能不断涌现。随着玻璃基板芯片市场的潜力逐渐被挖掘，其他企业可能会加大对该领域的投入，进一步加剧市场竞争。
（三）技术创新方面
技术创新是推动玻璃基板芯片制造行业发展的关键因素。一方面，材料科学的不断创新有望开发出更加坚韧的玻璃材料或功能性涂层复合材料，增强玻璃基板的机械性能和保护性，解决玻璃易碎性的问题。另一方面，光刻技术、封装技术等的不断进步，将进一步提高玻璃基板芯片的制造精度和性能。
例如，低数值孔径透镜系统的应用，能够在不影响分辨率的情况下，实现更大的焦深和更高的分辨率，提高光刻过程的精度。此外，全行业的合作也将促进技术创新。企业、研究机构和高校之间的合作，有助于加快技术研发的速度，提高创新的效率。
（四）宏观因素影响
宏观经济因素对玻璃基板芯片制造行业也有着重要的影响。经济增长、通货膨胀、利率变化等宏观经济指标的变化，会影响企业的投资决策和市场需求。在经济增长强劲的时期，企业对新技术的投资意愿较强，市场需求也较为旺盛，有利于玻璃基板芯片制造行业的发展。而在经济衰退时期，企业可能会减少投资，市场需求也会受到抑制，对该行业的发展带来一定的挑战。
此外，政府的政策也会对该行业产生影响。例如，政府对科技创新的支持政策、环保政策等，都可能为玻璃基板芯片制造行业带来机遇或挑战。
（五）消费者行为和偏好的变化
消费者对电子产品性能和功能的需求不断提高，推动了芯片制造行业的发展。随着人工智能、物联网、5G 等技术的普及，消费者对电子产品的性能要求越来越高，这将促使芯片制造商不断提高芯片的性能和集成度。玻璃基板芯片凭借其优异的性能，能够满足消费者对电子产品高性能的需求。
例如，在智能手机、平板电脑、笔记本电脑等电子产品中，采用玻璃基板芯片可以提高设备的运行速度、降低功耗、增加存储容量等。此外，消费者对环保产品的需求也在不断增加。玻璃基板芯片制造过程相对环保，符合消费者对环保产品的需求趋势。
国内与玻璃基板芯片有关的有关上市企业
（排名不分先后）
兴森科技：主要PCB以及半导体封装载板业务，公司投资60亿进入FCBGA封装载板领域，挑战摘下行业技术领域最后一顶皇冠，公司在互动平台透露公司的玻璃基板样品已经成功试制。公司半年报营业收入28亿。
京东方 A
主要芯片业务：在显示芯片相关领域有深入涉足，玻璃基板是其显示面板生产的重要基础部件。公司不断进行显示芯片与玻璃基板集成技术的研发，以提升显示性能等，是半导体显示行业的龙头企业。
2023 年营收情况：公司整体营收规模庞大，但具体与玻璃基板芯片相关业务在总营收中的占比未详细披露，2023 年公司实现营业收入约 1333.49 亿元。
通富微电
主要芯片业务：具有玻璃基板封装相关技术储备，具备使用 TGV（玻璃通孔）玻璃基板进行封装的技术能力，是国内领先的集成电路封装测试企业。
2023 年营收情况：营业收入为 222.69 亿元，净利润为 2.16 亿元。
沃格光电
主要芯片业务：是全球少数掌握 TGV 技术的厂家之一，TGV 有望成为下一代半导体封装基板材料的技术解决方案。公司在玻璃基 Micro LED 新型显示及半导体先进封装载板材料领域有布局。
2023 年营收情况：相关业务处于发展阶段，具体在 2023 年的营收数据未单独详细披露其玻璃基板相关业务的准确数据，但公司整体实现了一定的营收。
帝尔激光
主要芯片业务：是激光设备的龙头厂商，在显示面板、消费电子、集成电路、半导体封装等领域均有技术积累及平台化布局，其 TGV 激光微孔设备可实现对不同材质的玻璃基板进行微孔、微槽加工。
2023 年营收情况：2023 年营收数据显示其 99.52% 来自于光伏激光设备领域，在半导体芯片封装等领域收入规模相对较小。
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