玻璃基板凭借优异的高频电学性能、热稳定性和化学稳定性,有望成为先进封装技术中的关键材料。分析玻璃基板在封装过程中的作用与优势,探讨玻璃基板在中介层、扇出型封装、微机电系统封装和集成天线封装等先进封装技术中的应用,总结了未来芯片封装用玻璃基板的常见成分体系及其主要理化性能参数,并对玻璃基板未来的应用发展进行了展望。
集成电路的发展一直以来遵循着摩尔定律,其集成度和性能每 18 ~ 24 个月翻1倍。但随着集成电路上的晶体管制程持续缩小,提升制造工艺变得愈加困难,摩尔定律正面临失效的局面。芯片是集成电路的主要载体,传统集成电路的芯片工作区和引线普遍采用平面布局,称之为二维芯片。但是,二维平面互联技术存在芯片间互连线过长、信号延迟大等问题,这限制了芯片之间的高频信号传输。
20 世纪 80 年代,随着超微加工技术的发展,出现了在单一芯片构建多层电路的芯片结构。结构通过绝缘层隔离各层电路,并通过穿孔实现层间电路互连,形成三维封装(简称3D封装)。3D 封装技术不仅能为芯片提供稳固的物理保护,还能在不增加芯片占用平面空间的前提下提升芯片的集成度,缩短信号传输路径,实现整体性能的大幅提升。
玻璃因具有热膨胀系数低、电气绝缘性能好等优势,被芯片设计开发者引入芯片封装领域作为封装基板使用。玻璃基板为芯片提供了稳定的支撑平台,确保封装过程中芯片不会因基板变形或不平坦而受损。目前,芯片封装的基板材料主要包括有机基板、陶瓷基板和玻璃基板三种。
有机基板具有质量轻、可实现复杂电路设计、工艺流程简单、生产成本低等优点,但有机基板的高温热稳定性差,易受高温影响而变形;陶瓷基板的介电性能稳定,机械性能好,能满足集成电路的需求,但制造成本较高,且不适用于对轻量化有需求的应用场景;玻璃基板则具备优异的热稳定性,能在高温环境下保持物理形态不变。
玻璃基板可以与硅的热膨胀系数相匹配,有助于减少热循环过程中的应力和变形,提升封装的可靠性。同时,玻璃基板具有优异的电气绝缘性能,能有效减少信号损耗和串扰,适合高频应用环境。玻璃基板还具备高机械强度和高平整度,能够实现高密度互连和精确的层间对准。
随着芯片3D封装技术的发展,硅通孔( through silicon via, TSV) 技术和玻璃通孔( through glass via, TGV)技术相继得到应用。早期的芯片3D封装是通过 TSV 技术实现的,TSV 具有互联密度高、电阻相对小和信号延迟低、工艺技术成熟及机械强度较好等优点,但成本高、散热管理难及加工过程中可能产生应力等问题限制了其广泛应用。TGV 技术因具有电绝缘性能好、高频衰减小、成本低、热膨胀系数与硅匹配等优势,现在已成功应用于射频封装、微机电系统(micro-electro-mechanical system, MEMS)封装等领域,将在芯片3D封装中占据重要地位。
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