玻璃基板緣何成為行業焦點？其在芯片封裝領域的卓越性能便是最佳答案

2025-05-13
來源：中國粉體網月明

165人閱讀

[導讀] 玻璃基板憑借優異的高頻電學性能、熱穩定性和化學穩定性,成為芯片封裝應用領域研究重點

中國粉體網訊 芯片封裝是半導體制造的關鍵環節，通過保護裸芯片、實現電氣連接，讓芯片能穩定工作并與外部電路協同。它不僅為芯片提供物理防護，抵御外界環境侵蝕，還能有效管理散熱，防止芯片過熱。封裝類型從傳統的雙列直插式，發展到如今先進的球柵陣列、系統級封裝等。隨著電子產品的發展，芯片封裝正朝著小型化、高性能化、三維集成與異構集成的方向不斷演進。

芯片封裝基板材料是連接并傳遞裸芯片與印刷電路板之間信號的載體，目前,芯片封裝的基板材料主要包括有機基板、陶瓷基板和玻璃基板三種。有機基板具有質量輕、可實現復雜電路設計、工藝流程簡單、生產成本低等優點,但有機基板的高溫熱穩性差,易受高溫影響而變形;陶瓷基板的介電性能穩定,機械性能好,能滿足集成電路的需求,但制造成本較高,且不適用于對輕量化有需求的應用場景;玻璃基板具有優異的電氣絕緣性能,能有效減少信號損耗和串擾,適合高頻應用環境，還具備高機械強度和高平整度,能夠實現高密度互連和精確的層間對準。

目前玻璃基板在芯片封裝中的應用主要包括玻璃中介層、扇出型封裝、微機電系統封裝和集成天線封裝四個方面。

玻璃中介層

玻璃中介層是玻璃基板一種常見應用形式,作為電氣互連層,被廣泛應用于高性能集成電路封裝。玻璃中介層通過玻璃通孔（TGV）技術實現高密度的電氣連接,被認為是有機中介層和硅中介層的有力替代品。

廈門大學鐘毅等將金剛石直接集成到芯片背面,并與玻璃基板進行異質集成,構建了一個高效的散熱系統。該研究采用納米層Cu/Au重結晶的低溫連接技術,將金剛石與硅芯片鍵合,并將此結構封裝到玻璃基板上。玻璃基板作為中介層,其低熱膨脹系數與硅芯片的良好匹配有效減少了熱循環過程中產生的熱應力,同時玻璃基板優異的電氣絕緣性能還可有效降低信號損耗和電氣干擾。

金剛石-芯片-玻璃中介層封裝集成和熱測試來源：《金剛石-芯片-玻璃中介層的異構集成，實現高效的熱管理》（鐘毅等）

扇出型封裝

扇出型封裝是將芯片從傳統的晶圓級封裝中“扇出”到一個更大的封裝區域上，通過在重新分布層（RDL）上進行布線，將芯片的輸入輸出引腳（I/O）重新分布到封裝的周邊或其他指定區域，從而實現更高的引腳密度和更好的電氣性能。

劉佳豪等提出了一種基于玻璃基板嵌入技術的扇出天線封裝結構，通過在單面或雙面玻璃基板上嵌入再布線層技術來增加設計靈活性和改善天線輻射性能,最終得到了兩種優化的天線設計,一種是具有7.6GHz帶寬和4.7dB增益的向上輻射天線,另一種是具有5.3GHz帶寬和5.2dB增益的向下輻射天線。玻璃基板在該創新封裝中發揮了關鍵作用,適用于5G毫米波和其他高頻通信應用。

玻璃嵌入式扇出天線封裝結構來源：《用于5G毫米波應用的玻璃嵌入式扇形天線封裝》（劉佳豪等）

微機電系統封裝

微機電系統（MEMS）封裝是確保器件性能和可靠性的關鍵技術。玻璃基板在MEMS封裝中不僅提供機械保護和電氣絕緣,由于其低熱膨脹系數,還在熱管理方面表現出顯著優勢。

Szyszka等介紹了一種基于MEMS技術的微型四極質譜儀,其中關鍵部件采用單晶硅制造,并通過硼硅酸鹽玻璃進行封裝和電氣絕緣。該裝置通過3D打印外殼確保機械穩定性、元件對齊和電氣絕緣。這項研究展示了玻璃基板作為電絕緣和結構支撐材料在MEMS器件中的應用,成功實現了小型化、便攜性與合理性能的結合,適用于現場實時分析。

微型四極質譜儀來源：Szyszka.MEMS quadrupole mass spectrometer

集成天線封裝

Rooijen等介紹了一種用于D波段(110~170GHz)天線封裝集成的核殼透鏡結構。核心透鏡通過位于玻璃基板上的薄膜漏波饋源進行饋電,玻璃基板作為低損耗中介層,有效連接了天線和電子前端。該研究實現了高增益、寬帶和低損耗的天線設計,為高頻通信系統的發展提供了新的技術解決方案。

Bartlett等利用多層結構玻璃技術首次設計并制造了D波段橢圓波導天線,通過激光誘導刻蝕在玻璃晶片上形成高精度波導結構,并通過鉻和金的金屬化處理確保其導電性。該天線在109~149GHz表現出優異的回波損耗和高增益(14.0~15.6dB)。該研究有效解決了傳統金屬波導在高頻應用中的質量、尺寸和信號衰減問題。