玻璃通孔(TGV)为硅通孔(TSV)有效补充，AI+Chiplet趋势下大有可为
成都迈科科技有限公司 2023-11-15 15:56 四川
报告出品方：东方财富证券
以下为报告原文节选---
1.先进封装方兴未艾，玻璃通孔工艺（TGV）蓄势待发
1.1 摩尔定律日渐放缓，先进封装另辟蹊径
技术及成本因素推动芯片产业迈入后摩尔时代。从 1987 年的 1μm 到 2015年的 14nm 制程，芯片制程迭代一直遵循摩尔定律，即芯片上容纳的晶体管数目每 18 到 24 个月增加一倍。但 2015 年后，芯片制程发展进入瓶颈期，7nm、5nm 制程的芯片量产进度均落后于预期。一方面，芯片制程工艺已接近物理尺寸的极限 1nm，量子隧穿效应对晶体管功能造成很大削弱，另一方面，建设新一代制程晶圆厂的成本水涨船高，据 DIGITIMES Research，月产 5 万片的 5nm晶圆厂投资高达 140 亿美元。且全球领先的晶圆代工厂台积电 3nm 制程芯片量产遇阻，2nm 制程芯片量产推迟至 2024 年后，芯片产业迈入了后摩尔时代。
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先进封装已经成为后摩尔时代集成电路技术发展的一条重要路径。后摩尔时代，芯片的发展逐渐演化出了不同的技术方向。其中“More Moore”（深度摩尔）方向是研发新方法沿着摩尔定律的道路继续向前推进，不断缩小芯片制程。另一方向则是“More than Moore”（超越摩尔），发展摩尔定律演进过程中未开拓的技术方向，先进封装便是其中之一，其可以实现更高的 I/O 密度、更快的信号传输速度和更好的电热性能，从而提高芯片的性能和功能。并且，先进封装技术还可以降低芯片的功耗和体积，提升芯片的可靠性和生产效率。
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先进封装分两大类型：XY 平面延伸及 Z 轴垂直堆叠。先进封装的定义是采用了先进的设计思路和先进的集成工艺，对芯片进行封装级重构，并且能有效提系统高功能密度的封装。先进封装具有如下特点：①不采用传统的封装工艺，比如无需 Bonding Wire（半导体键合引线）；②封装集成度高，封装体积小；③内部互联短，系统性能得到提升；④单位体积内集成更多功能单元，有效提升系统功能密度。目前先进封装分为两大类：①基于 XY 平面延伸的先进封装技术，主要通过 RDL（ReDistribution Layer，重布线层工艺）进行信号的延伸和互连；② 基于 Z 轴延伸的先进封装技术，主要是通过 TSV（Through Silicon Via，硅通孔）进行信号延伸和互连。
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TSV 技术实现 Z 轴电气延伸和互连。通过 TSV 技术，可以将多个芯片进行垂直堆叠并互连。按照集成类型的不同分为 2.5D TSV 和 3D TSV，2.5D TSV 指的是位于硅转接板（Silicon Inteposer）上的 TSV，3D TSV 是指贯穿芯片体之中，连接上下层芯片的 TSV。在 3D TSV 中，芯片相互靠近，所以延迟会更少，且互连长度缩短，能减少相关寄生效应，使器件以更高的频率运行，从而转化为性能改进，并更大程度的降低成本。TSV 的尺寸范围比较大，大超过 100um，小的小于 1um。随着工艺水平提升，TSV 可以越做越小，密度越来越大，目前最先进的工艺，可在 1 平方毫米硅片上制作 10 万~100 万个 TSV。
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1.2 TGV 是对 TSV 的升级
TSV 技术仍有不完善，TGV 技术或为替代。硅基转接板 2.5D 集成技术作为先进系统集成技术，近年来得到了迅猛的发展。但硅基转接板存在两个主要问题：①成本高，TSV 制作采用硅刻蚀工艺，随后硅通孔需要氧化绝缘层、薄晶圆的拿持等技术；②电学性能差，硅材料属于半导体材料，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，造成信号完整性较差（插损、串扰等）。作为一种可能替代硅基转接板的材料，TGV（Through Glass Via，玻璃通孔）转接板成为半导体企业和科研院所的研究热点。
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相较硅基转接板，玻璃转接板优势显著。玻璃转接板有 6 大优势：①低成本：受益于大尺寸超薄面板玻璃易于获取，以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；②优良的高频电学特性：玻璃材料是一种绝缘体材料，介电常数只有硅材料的 1/3 左右，损耗因子比硅材料低2~3 个数量级，使得衬底损耗和寄生效应大大减小，可以有效提高传输信号的完整性；③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 2 m×2 m）和超薄（小于 50μm）的面板玻璃以及超薄柔性玻璃材料；④工艺流程简单：不需要在衬底表面及TGV内壁沉积绝缘层，且超薄转接板不需要二次减薄；⑤机械稳定性强：当转接板厚度小于 100μm时，翘曲依然较小；⑥应用领域广泛：除了在高频领域有良好应用前景之外，透明、气密性好、耐腐蚀等性能优点使玻璃通孔在光电系统集成领域、MEMS封装领域有巨大的应用前景。
1.3 TGV 工艺流程：成孔/填孔为两大核心环节，技术难度较高
1.3.1 TGV 成孔技术：方法众多，各有优劣
TGV 成孔技术需兼顾成本、速度及质量要求。制约玻璃通孔技术发展的主要困难之一是 TGV 成孔技术，其需要满足高速、高精度、窄节距、侧壁光滑、垂直度好以及低成本等一系列要求。多年以来，业界及学界许多研究工作都致力于研发低成本、快速可规模化量产的成孔技术，已形成至少 7 种工艺方法，包括喷砂法、光敏玻璃法、聚焦放电法、等离子刻蚀法、激光烧蚀、电化学及激光诱导刻蚀法，各具优劣。
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激光诱导刻蚀优势明显且已获应用，有望在成孔技术中脱颖而出。激光诱导刻蚀法通过脉冲激光诱导玻璃产生连续的变性区，变性玻璃在氢氟酸中刻蚀速率较未变性玻璃更快，基于此特性可在 50-500μm 厚的玻璃上形成孔径大于20μm 的玻璃通孔。该技术的优点如下：①成孔质量均匀，一致性好，无裂纹；②成孔速率快，可达到 290 TGV/s；③TGV 形貌可调，由于刻蚀的各向异性，可以通过调节激光参数来控制 TGV 的垂直度和形貌。德国乐普科（LPKF）公司率先用该技术实现了玻璃通孔制备，首先使用皮秒激光在玻璃上产生变性区域，其次将激光处理过的玻璃放到氢氟酸溶液中进行刻蚀。近两年，国内厦门云天半导体也成功开发了先进 TGV 激光刻蚀技术，实现深宽比 10:1 的玻璃通孔量产。综合比较各种玻璃通孔制造技术，激光诱导刻蚀法具有低成本优势，有大规模应用前景。
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1.3.2 TGV 填孔技术：金属填充或电镀薄层
类似 TSV 的金属填充方案可应用在 TGV 金属填充中。首先，制作 TGV 盲孔；其次，通过物理气相沉积（PVD）的方法在 TGV 盲孔内部沉积种子层；再次，自底向上电镀，实现 TGV 的无缝填充；最后，通过临时键合，背面研磨、化学机械抛光（CMP）露铜，解键合，形成 TGV 金属填实转接板。国内厦门云天半导体通过试验研究，开发了完整无缺陷填充的 TGV 通孔技术。
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除电镀填实外，TGV 也可采用孔内电镀薄层实现电学连接。研究表明，在电性能方面，薄层电镀与实心电镀的插入损耗差别较小。采用薄层电镀方案的优势是在保证电学性能的同时可以有效减小电镀时间和电镀成本。通常电镀填孔需要沉积金属粘附层如钛(Ti)、铬(Cr)等，种子层为铜(Cu)，然后进行电镀。
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1.4 TGV 核心设备及特点
1.4.1 激光诱导刻蚀设备
激光刻蚀设备为成孔工艺核心设备，国内厂商已有覆盖。德国 LPKF 是全球领先的激光加工解决方案供应商，其子公司 Vitrion 提供相关激光诱导刻蚀设备，并率先使用激光诱导刻蚀工艺制备 TGV 通孔，孔径最小为 10μm、深宽比达 10:1。国内方面大族激光及帝尔激光已有相关产品覆盖，在 TGV 孔径及精度方面不落下风，其中帝尔激光已于 2022 年 3 月实现首台 TGV 激光微孔设备出货。此外，德龙激光也具有玻璃激光微孔设备产品，能够实现对不同材质0.1~1mm 厚晶圆玻璃的各种尺寸盲孔、圆锥（通）孔制备。
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1.4.2 电镀设备及电镀液
电镀为填孔工艺核心，电镀液体系与TSV相似，由基础镀液及添加剂构成。
电镀液基础镀液包括基础盐和酸两部分，基础盐提供电镀填充的金属源，酸增加镀液导电能力，防止铜离子水解。添加剂则主要为 SPS（聚二硫二乙烷磺酸钠）、PEG（聚乙二醇）、JGB（健那绿 B）的衍生物。目前应用最广泛的电镀液是硫酸铜体系，此外还有甲基磺酸铜体系，其具有更高铜离子浓度，进而拥有更高的扩散速率，可适用于大电流密度电镀。随着通孔深宽比越来越高，甲基磺酸铜具有更广阔的应用前景。
高质量镀液为美日德垄断，国产替代道阻且长。陶氏化学、乐思化学、安美特、巴斯夫等公司掌握高质量的商业镀液，利润率高达 90%，且具体成分属商业机密，无法为国产沿用。近年来国内的上海新阳、飞凯材料、深圳创智芯联公司等也开发了用于先进封装的互连电镀液，但还是和国外存在非常大的差距，大多数仍旧采用国外的电镀液，未来需继续加大对电镀液的研究，以期追赶上国外的水平。
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电镀设备同为国外龙头垄断，国内盛美上海初具匹敌实力。除电镀液外，电镀设备也是影响 TGV 电镀质量的重要因素。先进封装电镀设备领域，基本处于国外垄断状态，主要的设备供应商有美国应用材料、泛林半导体以及日本荏原等。国内企业中，盛美上海凭借先进的技术以及丰富的产品线，已成为少数可以和国外电镀设备厂商竞争的公司。盛美上海自成立之初就聚焦铜互连技术，是世界上较早进入水平电镀领域并自主掌握电镀核心技术的企业之一，目前盛美上海自创的电镀技术已在前道双大马士革和先进封装、3D TSV 以及第三代半导体应用领域均实现了质的飞跃。此外，上海新阳、深圳创智芯联也进行了相关电镀设备的生产。
2.多领域潜力释放+传统工艺替代升级，TGV 未来可期
2.1 市场潜力静待释放，竞争格局高度集中
先进封装方兴未艾，规模+份额持续提升。在电子装置小型化，以及 5G、AI 等对高速与高效运算、高带宽、低延迟、低功耗等的需求推动下，先进封装已成为半导体创新、增强功效和提升成本效益的关键。据 Yole 咨询公司，全球先进封装市场规模持续增长，预计 2027 年将达到 652 亿美元，6 年复合增长率9.73%，其中 TGV/TSV 所属的 2.5D/3D 工艺市场规模也将增至约 150 亿美元，复合增长率超 14%。此外，先进封装市场占比稳步提升，2022 年约为 42%，预计2027 年将达到 52%，首次超过主流封装。
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TGV 衬底格局集中，国外厂商份额领先。目前，较多 TGV 测试产品和技术由国外厂商掌握，包括美国康宁（Corning）、德国乐普科（LPKF）、美国申泰（Samtec）、日本泰库尼思科（Tecnisco）和 KISO WAVE 等。Corning、LPKF 和Samtec 为 TGV 衬底行业龙头，2020 年全球市占率位居前三，分别达到25.47%/19.66%/10.68%，CR3 约 56%。国内方面，目前有厦门云天半导体实现批量供货，其二期工厂（建筑面积约 24000 平方米，引入 8 寸、12 寸晶圆级封装工艺设备）于 2021 年投产使用，提供 WLP/3DWLCSP/Fan-out 等封装技术以及玻璃通孔工艺和集成无源器件(IPD)制造能力。此外，国内沃格光电等企业也取得不同程度进展。
2.2 逻辑芯片：CoWoS 一骑绝尘，核心转接板是替代潜力所在
CoWoS 开启 2.5D 封装，核心是通过转接板实现芯片互连。CoWoS（Chip on Wafer on Substrate）是台积电推出的 2.5D 封装技术，是把芯片封装到硅转接板上，并使用硅转接板上的高密度布线进行互连，再安装在封装基板上。台积电2012 年开始量产 CoWoS-S（S 表示硅转接板），通过该技术把多颗芯片封装到一起，达到封装体积小，性能高、功耗低，引脚少的效果。目前，CoWoS 已经获得 NVIDIA、AMD、Google、XilinX、华为海思等高端芯片厂商的支持。
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先是被赛灵思的高端 FPGA“7V2000T”采用，其制程为基于 28 纳米 CMOS工艺，配备了四颗 FPGA 逻辑芯片。2014 年开发的第二代“CoWoS_S”中，硅转接板面积显著扩大，被赛灵思 FPGA“XCVU440”采用，配备三颗 FPGA 逻辑芯片。2016 年台积电推出第三代 CoWoS-S，首次实现高速 DRAM 模块 HBM 和逻辑芯片混合使用，率先被 NVIDIA 高端 GPU“GP100”采用，其 GPU 芯片和HBM2 混合在一起，HBM 叠层模块之间通过 TSV 连接。
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新一代 AI 芯片仍采取 CoWoS 封装，转接板替代或为 TGV 打开成长空间。
英伟达最新的 H100 加速计算卡仍采用 CoWoS-S 封装，在硅转接板上实现 7 组芯片互连，包括中间的 H100 GPU die 及周围 6 堆 HBM 内存。AMD（超威半导体）MI300 采取类似布局，以 CoWoS 工艺在硅转接板上封装 6 颗 GPU、3 颗CPU 及 8 组 HBM 内存。国内方面，壁仞科技 BR100 系列 GPU 也采用 CoWoS-S封装，将 2 颗计算芯粒互连，实现算力的跨越式提升。CoWoS 封装的核心之一为硅转接板及 TSV 工艺，但其存在成本高和电学性能差等不足，而玻璃转接板及 TGV 工艺具有低成本、易获取、高频电学特性优良等特性，有望作为前者替代品。因此，我们认为 TGV 替代 TSV 将成为先进封装核心演进方向之一，叠加AI 浪潮之下加速计算芯片需求高增，TGV 远期成长空间广阔。
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2.3 LED：MIP 契合 Micro LED 发展趋势，玻璃基板充分受益
Micro LED 趋势明朗，MIP 封装优势明显。MIP（Micro LED in Package）封装技术是一种基于 Micro LED 的新型封装技术，通过将大面积的整块显示面板分开封装，实现 Micro LED 和分立器件的有机结合。其工艺流程是将 Micro LED芯片通过巨量转移技术转移到基板上，进行封装后切割成单颗或多合一的小芯片，再将小芯片分光混光，再进行贴片工艺、屏体表面覆膜，完成显示屏的制作。LED 显示屏封装至今已经发展成为 SMD（表面贴装，Surface Mount Devices）、IMD（矩阵式集成封装，Integrated Matrix Devices）、COB（板上封装，Chips on Board）、MIP 等多种封装方式并存的产业格局。由于不同间距产品采用不同的工艺模式，性价比有所不同，故多种封装模式短时间内将持续共存。从间距逐步减小性价比逐步提升的趋势来看，COB 和 MIP 封装模式具有明显优势。考虑到 LED 直显技术进入 micro LED 时代是大势所趋，MIP 适用更小的芯片，减小间距和降低成本的空间更大，在未来有望更胜一筹。
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TSV 实现电气连接及热传导，玻璃载板为 MIP 更优之选。传统 LED 封装中已存在 TSV 硅通孔应用，其用于实现 LED 芯片及基板两侧的电气互连及热传导。
然而传统 PCB 载板散热性弱于玻璃载板，且在芯片焊接中由于热量密度较高，容易出现翘曲变形的问题，尤其在 Mini/Micro LED 大尺寸应用中，多组背光单位拼接过程中易产生拼缝问题。以玻璃材料为 LED 芯片载板，可提升 MIP 封装可靠性，相较有机基材有如下优势：①优良的表面平整度及低翘曲特性，为小间距巨量芯片封装提供了可能。②超低的热膨胀系数，与芯片热膨胀性能更匹配，提升封装质量。③采用玻璃载板超精密线路加工工艺，实现低至 10um 的极低线宽线距，提高布线密度。以上特性规避了 COB 的超高良率要求及灯板极高的技术难度，同时玻璃材料解决了有机基材平整性差，固晶难度大，小间距实现难度大等问题，从而降低 Micro LED 实现成本。
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国内沃格光电率先发力，Micro LED 载板产品均有序推进。沃格光电基于多年玻璃研发经验，相继开发出了玻璃基直显模组板、玻璃基 Micro LED 芯片载板等产品。其中玻璃基直显模组板依靠沃格领先的 TGV (玻璃通孔) 技术及高精密线路加工技术，可实现 4 层线路，线宽线距低至 10um 且定位偏差精度可满足小间距产品要求。而玻璃基 Micro LED 芯片载板同样基于其领先的玻璃薄化以及 TGV（玻璃通孔）技术，像素间距进一步下探，为小间距 RGB 芯片封装提供性能可靠的载板，PAD 尺寸约为 25um，最窄沟槽约 10um，是目前已知的最小封装尺寸，能大幅降低 LED 芯片成本以及直显模组整体成本。沃格光电目标是未来1到2年内率先实现玻璃基Micro直显在显示产品的规模量产化应用，以此推动 Mini 背光和 Micro 直显整个产业技术迭代升级进程。
消费级应用渗透明显提速，Micro LED 或已位于爆发前夜。据 Yole 咨询公司，未来 3-5 年将成为 Micro LED 走向消费级应用的关键时期，其将首先在VR/AR、智能手表以及大屏显示领域开始量产应用：VR/AR 方面，Micro LED 2022年从单色眼镜开始发展，将在 2025 年进入消费级应用；智能手表方面，Micro LED 也将于 2024 年开始进入快速应用发展阶段；大屏显示方面，Micro LED 预计将于 2025 年进入高端消费级电视市场。据高工产业研究院统计，今年已上市超过 20 款搭载 Micro LED 的 AR 产品。据 DSCC(Display Supply Chain Consultants)咨询公司，Micro LED 屏幕出货量未来将成倍增长，由 2023 的45 万片/年增长至 2027 年的 1747 万片，复合增长率近 150%；市场规模则由 0.44亿美元增至约 14 亿美元，复合增长率近 140%。
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2.4 MEMS：TGV 及玻璃基应用日趋成熟，需求扩张更添成长动力
MEMS（Micro Electromechanical System），即微机电系统，是将具有不同功能的微传感器、微执行器、微结构、信号处理与控制电路、通讯/接口单元在硅晶圆上制作而成，是微型机械加工工艺和半导体工艺相结合的产品。据Yole 咨询公司，加速度计、惯性传感组合、陀螺仪、和压力传感器占比较大，是 MEMS 传感器的主要产品类别。
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TGV 较 TSV 优势突出，众多学界研究聚焦 MEMS 封装。由于玻璃转接板相比于硅转接板的明显优势，也被广泛应用于 MEMS 封装中。2013 年，有学界研究已利用玻璃通孔技术实现射频 MEMS 器件的晶圆级封装，通过该方案制作的射频 MEMS 器件在 40 GHz 以内具有稳定的射频性能。2016 年，国内学者提出一种基于 TGV 转接板的惯性 MEMS 器件晶圆级封装方案，在 400μm 厚的玻璃基板上制作 TGV 通孔，后续采用溅射铝的金属化方案，最终实现 MEMS 加速计的封装制作。2018 年，磁辅助组装方式也被用于填充玻璃通孔及 MEMS 器件封装。
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MEMS 设计制造已有玻璃基材及 TGV 技术导入。早在 2018 年，康宁和专注于数字微动开关（DMS）的美国公司 Menlo Micro 率先宣布成功运用 TGV 技术实现高性能射频和功率产品的超小型晶圆级封装。与传统的引线键合封装技术相比，TGV 使其产品尺寸缩小了 60%以上、封装寄生效应降低 75%以上，适用于电池管理、家庭自动化、电动汽车、军事和专业无线电、5G 基站和物联网等不同领域。全球第一大玻璃晶圓切割拋光厂商德国计划光学(Plan Optik)，多年深耕 MEMS 封装玻璃晶圓，客户包括全球 MEMS 龙头意法半导体、博世、英飞凌等。群创光电也研发了 MEMS 制程与 TFT 驱动技术整合的新型传感器，将 MEMS on CMOS 需要的大面积区域、驱动电路与多工器使用 TFT Glass 电路设计实现。
此外，国内赛微电子子公司 silex microsystems 将 TGV 工艺导入 MEMS 代工，实现适用于射频和其他低电容应用的玻璃晶圆封装。
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--- 报告摘录结束
精选报告来源：报告派
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