据传,中国芯片产业正寻求通过技术创新实现跨越式发展。这一观点出自电子科技大学张继华教授,他在近期接受央视采访时提出了“换道超车”的战略构想。具体而言,这一战略依托于玻璃晶圆技术,尤其是玻璃通孔(TGV)技术,以期突破现有芯片制造的物理极限,实现封装技术上的革新。 众所周知,随着摩尔定律的持续推进,芯片制造业正面临制程微缩的物理限制。为了克服这些限制,行业开始探索封装技术的创新,其中2.5D和3D封装技术尤为引人注目。2.5D技术通过将多个独立小芯片拼接在一起,并通过高密度布线提升性能。而3D技术则是将多个芯片垂直堆叠,以此在垂直方向上增加晶体管的密度。 然而,将多个芯片层叠起来,每一层之间的信号互联能力成为了一个显而易见的问题。目前,单个芯片已经能够集成大量的晶体管,因此层与层之间的连接变得极为复杂。若连接能力不足,堆叠的优势便无从谈起。因此,实现层与层之间的有效通信成为了关键,目前业界主要有三种技术:硅通孔(TSV)、陶瓷通孔(TCV)和玻璃通孔(TGV)。 以建筑行业为例,芯片的堆叠类似于楼房的建造,不仅需要确保结构的稳定性,还要保证层与层之间的“水电暖”相通。芯片或称die需要“楼板”作为主体结构,而前述三种技术分别采用硅、陶瓷和玻璃作为材料。这些材料构成了3D芯片中的interposer,即中间层,对于许多人来说,这可能不是一个直观的概念。若将其称为路由层,或许更易于理解。在3D堆叠中,为了实现层间通信,需要在硅、陶瓷和玻璃这三种材料上打孔,并将孔填充金属,如铜,以实现信号传递。 以硅为材料的TCV是目前的主流方案,发展较为成熟。但由于硅本身是半导体材料,在高频信号传输时会面临损耗问题,限制了信号频率,降低了性能上限。而以陶瓷为材料的TCV,其集成度通常较低,通孔密度不易提高,体积较大。相比之下,玻璃基板配合TGV技术正逐渐成为芯片封装领域的重要应用。玻璃作为一种绝缘体,其介电常数仅为硅的三分之一,损耗因子也比硅低2至3个数量级,这意味着其信号稳定性更高,对高频信号的完整性保障更佳。此外,玻璃更易于加工成薄片,有助于降低芯片的垂直高度并实现轻量化。在成本方面,玻璃也具有一定优势。 然而,TGV技术在三维芯片领域的普及受到了在玻璃上打孔难度的限制。具体而言,要在玻璃上开出大量高质量的孔,确保孔的密度、圆整性、无崩边和裂纹,以及极高的垂直度,这些都是技术上的挑战。 张继华教授的团队在这一领域取得了显著成果,其成果转化平台是成都的迈科科技。他们提出的第三代TGV技术已能在一平方厘米大小的玻璃片上开出一百万个孔,每个孔的直径最小可达六到七微米,约为头发丝的十分之一。开孔后,还需完成铜料填充形成导线,整个工序充满挑战。目前,该技术已达到TSV水平,具备用玻璃替代硅的能力,处于国际领先水平。 英特尔此前的类似技术宣称直径为75微米,深径比为20:1。而迈科科技已实现直径10微米以下,深径比50:1的技术,且有望很快突破至1至2微米。第三代TGV技术,即激光诱导刻蚀法,结合了前两代技术的特点,通过激光诱导玻璃产生连续变性区,再用氢氟酸进行刻蚀,形成通孔。 相比主流的TSV,TGV的主要优势在于更有效地解决了高频损耗问题。由于材料更换为玻璃,在铜料填充前,TGV不需要像TSV那样制作阻挡层和氧化层,工艺上更为简化。TGV技术的发展对于高频尤其是射频器件的贡献显著,其应用潜力有望扩展至折叠屏、微流控芯片等多个领域。 TGV技术,无论是用于interposer还是substrate,本质上都是使用玻璃基板。目前,作为interposer,它需要与硅材料竞争;作为substrate,则需要与塑料等有机材料竞争。玻璃基板和TGV技术已在半导体行业中得到应用,尤其是在射频器件、光电器件和传感器等领域。尽管在打孔密度上尚未实现极高水平,但张继华教授团队的成果已进入中试阶段,预示着玻璃基板和TGV技术在高性能逻辑芯片和3D封装中的应用前景。 如果中国目前在TGV技术方面已取得领先地位,是否可以认为实现了“换道超车”?从两个维度来看,一方面,超高密度TGV集成技术确实能够提升芯片性能,在当前制程节点相对落后的情况下,这是一种有效的补充途径,可以视为“换道”。另一方面,玻璃基板和TGV技术并非仅有中国在研究,它是一个从先进封装角度出发的工艺问题,并不具有像EUV光刻机那样的高技术壁垒。因此,中国能否通过这一技术实现超车,仍然值得期待。
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