过去五十年,半导体行业只有一个信仰:缩小。晶体管越小,芯片越猛,算力越炸。十纳米、五纳米、三纳米,一路往下卷,卷到物理定律站出来敲黑板:尺度触底,规则锁死。晶体管继续缩小的空间被自然法则封顶,行业逻辑随之转向。
当单个单元的尺寸逼近极限,工程师脑子一热,提出一个带火星的提问:既然一个做不到无限小,多个拼起来行不行。这个问题直接掀桌。焦点从芯片内部的细线条,转移到芯片与芯片之间的连接桥梁,还有托着它们的地板。纳米级精雕细琢退居幕后,微米级连接密度登上舞台中央。舞台正中央摆着一块透明材料:玻璃。
这一波转向背后是一句硬话:单片巨无霸芯片走到尽头,拼接架构成为生存路径。谁能把拼接这件事做到高速、低耗、可量产,谁就掌握下一个十年的算力钥匙。
芯片长到天花板:光刻极限与良率铁律
人类花了整整五十年痴迷于把东西越做越小,这就是半导体行业的全部信仰,晶体管从10纳米砍到5纳米再砍到3纳米,每一次缩小都像是技术圣杯的光芒在闪耀。
但物理定律终于冷笑着拍桌子说,到此为止了,小子们,你们已经触碰到天花板了,再往下走就是量子隧穿的魔幻世界了,电子会开始玩瞬移游戏,芯片会变成抽奖箱。
芯片面积存在物理上限:芯片图案靠光刻曝光完成,一次曝光的最大面积叫做光罩极限,目前大约八百五十八平方毫米。晶圆代工龙头台积电(TSMC)工艺线上,这个数字是实打实的天花板。
英伟达(NVIDIA)的H100核心面积已经接近八百一十四平方毫米,几乎贴着天花板滑行。继续放大芯片面积意味着什么。意味着一张圆形晶圆上能切出来的芯片数量减少,意味着缺陷概率飙升。想象一块大画布上划分很多小格子,随机甩几滴油漆。格子小的时候存活率高,格子大时一滴油漆就宣判整块报废。面积越大,良率下降越快,成本曲线直接飞天。
尺寸向下被物理定律封顶,尺寸向上被良率打脸,单片巨芯片进入死胡同。算力需求却在人工智能浪潮下爆炸式增长,
所以整个行业开始脑筋急转弯,既然单个单元不能再小了,那把几个单元拼在一起搞个大的行不行,这个问题直接改写了游戏规则,现在的核心战场不再是芯片内部那些 螺丝壳做道场的电路,而是芯片与芯片之间的桥梁,还有支撑这一切的地面。
纳米战争结束了,微米战争刚刚打响,而这场新战争的 C 位主角,是一块透明的玻璃。
乐高逻辑登场:芯粒架构接管舞台
解决方案叫做芯粒,也就是把一个庞然大物拆成多个小块分别制造,然后重新拼接。像用乐高搭城堡,一块砖有瑕疵,换一块继续。良率上升,成本下降,工艺选择灵活。计算核心用三纳米先进工艺,输入输出电路用六纳米成熟工艺,材料与工艺组合形成理性配置。
英伟达(NVIDIA)的Blackwell架构把两个接近极限尺寸的核心拼成一个图形处理器。英特尔(Intel)的Ponte Vecchio处理器更猛,四十七块芯粒组合成一个超级处理器,结构复杂到像城市立交桥。
芯粒架构带来巨大收益,同时引入一个新的关键变量:连接。原本在单片内部通过金属布线完成的通信,如今需要跨越芯片边界。内部布线高速、宽带、低功耗;外部连接如果速度跟不上,延迟拉长,功耗飙升,系统性能直接打折。拼接架构的成败取决于连接质量,
拼接是王道,连接决定生死。
三明治:基板、桥梁、芯片
拼接结构长得像三明治:
- 底层是基板,负责供电、对外连接、物理支撑。
- 中间夹层是中介层,负责芯片之间的高速通信。
- 上层是芯片本体,负责计算。
台积电(TSMC)的CoWoS封装技术全称是芯片在晶圆上再在基板上,名字就是结构:
C代表芯片,W代表中介层,S代表基板。
中介层像鸡蛋,基板像松饼,芯片像培根。
结构决定性能,材料决定命运。
关键问题集中在材料选择。中介层与基板用什么做,直接决定性能、成本、产能。行业过去二十五年主流材料是有机基板,由树脂与玻璃纤维叠层构成。稳定、便宜、成熟,替代陶瓷基板后成为半导体行业的安静地基。
两大考试压顶:热膨胀与信号损耗
优秀基板必须通过两道关卡。
第一关是热膨胀匹配。材料受热会膨胀,膨胀速率由热膨胀系数决定。硅的系数约三ppm每摄氏度,有机基板在十七到二十ppm每摄氏度,差距六到七倍。小尺寸封装时差距可控,人工智能芯片面积巨大、功耗数百瓦,温度波动频繁,膨胀差距带来翘曲,焊点承受应力,极端情况直接开裂。芯片与基板像绑着三脚跑,步幅差距拉扯到极限。
第二关是信号完整性。高速电信号通过基板材料会损耗能量。有机材料对高频信号的吸收导致信号模糊,数字信号恢复电路负担加重,功耗上升,温度上升,信号进一步恶化,形成闭环压力。算力越强,频率越高,这个问题越尖锐。
人工智能芯片规模与速度同时跃迁,有机基板在这两道考试前承压。行业需要新的材料路径。
硅中介层登场:性能顶级,产能焦虑
第一步突破发生在中介层。台积电(TSMC)在二零一二年提出用硅制作中介层。硅与芯片同源,热膨胀匹配改善,布线精度可达亚发丝级别。没有硅中介层,今天的高端人工智能加速器无法成立。
硅中介层占用晶圆制造产能,需要洁净室、光刻设备、封装线。生产桥梁与生产芯片共享资源。需求暴涨时,产线像四个炉灶同时开火,鸡蛋与培根抢锅。桥梁占用两口炉,芯片数量受限。瓶颈形成。
成本同样高昂。大型硅中介层单价超过一百美元,封装成本占整颗高端芯片成本比例超过一半。未来高端人工智能芯片单颗封装成本可能达到一千三百美元。规模扩大,成本曲线压力巨大。
硅中介层解决性能问题,放大资源压力。产业在有机与硅之间寻找第三条路径。
玻璃入场:两条路线,两种逻辑
玻璃基板成为焦点。路线一是用玻璃替代硅中介层。显示产业拥有大面积玻璃加工能力,利用现有设备生产玻璃桥梁,释放晶圆产能。三星电机(Samsung Electro-Mechanics)计划在二零二八年前推进该路线。
路线二是用玻璃替代有机基板,从底层提升性能。英特尔(Intel)投入超过十亿美元布局玻璃基板,目标是突破有机材料性能上限。
两条路线解决的问题不同,一个优化桥梁产能与成本,一个升级地板性能与未来扩展能力。共同核心是玻璃材料特性。
玻璃的三板斧:热匹配、低损耗、超平整
玻璃的热膨胀系数可以通过成分调控接近硅,大约三ppm每摄氏度,实现步幅一致。大尺寸封装的翘曲问题得到缓解,封装面积上限提高。
信号损耗方面,玻璃对高频信号的吸收远低于有机材料,损耗可降低十倍以上。信号清晰,恢复电路压力减轻,功耗下降,温度压力下降,形成良性循环。
表面平整度极高,接近冰面级别。混合键合技术依赖极致平整的铜垫直接压合,无需焊料。连接间距可从几十微米缩小到十微米以下,单位面积连接数量提升数十倍。连接密度跃迁,芯片间通信能力提升。
玻璃具备透明特性,支持在基板内部嵌入光波导。电信号转为光信号在基板内传输,热产生极低。电与光的结合为未来光互连打基础。这个节点是第三个情绪爆点。电变光,基板内部成为光通道,算力架构想象空间直接拉满。
玻璃的三座山:可靠性、散热、供电噪声
玻璃易碎。切割、钻孔、搬运过程中产生微裂纹。芯片反复上电下电,热胀冷缩循环上万次,裂纹可能扩展。行业通过边缘处理与强化工艺控制风险,长期热循环可靠性数据仍在积累。
导热能力远低于硅。硅导热系数约一百三十到一百五十瓦每米开尔文,玻璃约一瓦每米开尔文。热扩散能力弱。光互连在此提供补偿路径。光信号传输几乎不产生热量,降低基板内部热负担。
玻璃低损耗特性带来供电噪声挑战。电源噪声在低吸收环境中容易反射与叠加,供电稳定性设计复杂度上升。工程团队通过电源网络设计与去耦技术优化解决路径。
实验室验证路径明确,量产路径需要跨越可靠性、热管理、供电完整性三座山。资本正在流动,设备正在升级,产业竞速已经开启。
终局视角:基板成为第二半导体
晶体管缩小的刀锋逐渐变钝,连接与封装的针线愈发锋利。基板从塑料地板升级为大规模电路系统,成为第二半导体。系统性能上限由封装与基板能力决定。
二零二八年前后,玻璃基板将在高端人工智能加速器中逐步落地。更远的未来,电信号与光信号在玻璃内部交织流动,芯片之间以光速交流。这个画面具备清晰的技术逻辑支撑。
资本规模以万亿韩元计正在布局。谁率先跨越量产门槛,谁掌握话语权。算力战争进入新章节,战场在微米级连接,王座在玻璃之上。
A股玻璃基板相关概念股
1、 核心龙头(直接掌握TGV技术)
沃格光电(603773):国内玻璃基板领先企业,全球少数掌握TGV(玻璃通孔)技术的厂家之一,已建成年产100万平米芯片板级封装载板项目主体厂房,一期10万平米预计2024年下半年量产,产品应用于CPO 2.5D/3D封装的垂直封装载板interposer。
赛微电子(300456):旗下代工厂掌握国际领先的玻璃通孔MetVia®TGV技术,被视为玻璃基TGV龙头股之一,涉及玻璃基半导体封装载板核心技术。
五方光电(002962):具备TGV产品批量交付能力,已导入全自动超短脉冲飞秒激光设备,TGV玻璃通孔项目正持续送样并进行量产线调试。
2、 激光设备与加工
帝尔激光(300776):拥有TGV激光微孔设备,通过精密控制系统及激光改质技术,实现对不同材质玻璃基板进行微孔、微槽加工,应用于半导体芯片封装、显示芯片封装。
德龙激光(688170):具备玻璃通孔TGV激光精细微加工设备,用于集成电路先进封装,已完成对德国康宁激光的收购布局TGV业务。
蓝特光学(688127):率先对TGV项目产业化,深加工玻璃晶圆包括TGV玻璃晶圆,面向半导体3D封装的通孔晶圆可实现通孔间距50-150um。
3、 材料与靶材
阿石创(300706):玻璃基板电极层镀膜应用核心铝合金靶材供应商,为玻璃基板电基层镀膜提供关键材料。
天马新材(920971):年产5000吨球形氧化铝生产线预计2024年中投产,产品可用于基板芯片封装,为玻璃基板制造提供材料支持。
需要特别注意的是,部分公司虽已布局玻璃基板技术,但多数仍处于研发或小批量阶段。例如沃格光电曾明确表示,公司玻璃基TGV产品目前不具备量产能力,未形成营业收入。