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为了复活摩尔定律,英特尔决定用玻璃来连接芯片。

这两年,摩尔定律已死的说法是传得沸沸扬扬。

但别着急钉棺材板,因为照最近的消息来看,它可能又要活过来了。。。

让摩尔定律复活的,不是什么稀奇玩意儿,而是我们日常都能用到的玻璃。

最近,英特尔在官网上放出消息,说下一代先进封装的基板,它们打算用玻璃替代有机材料。

理由呢,不是玻璃更便宜,也不是更好看,而是他们发现用玻璃做基板的芯片,比有机材料的性能好多了。

更直观一点,用玻璃做芯片基板,有这么两个好处:

一个是提高芯片中信号传输的效率,另一个是明显提高芯片的密度,进而拉动更好的性能。

这在大模型野蛮生长、算力紧缺的现在,算是重磅利好的消息了。

英特尔官方还放出豪言,说在在 2030 年之前,它们一个封装上的晶体管就能扩展到 1 万亿个。

世超翻出摩尔定律的曲线图,目前一个封装的晶体管极限也就 1340 亿个,来自苹果的 M2 Ultra 芯片, 1 万亿个的数据和它相比,直接将近 10 倍。

再到曲线图上对一下,还挺符合摩尔定律的。。。

看到这里,我猜各位差友心里可能犯这样的嘀咕,玻璃也不是啥罕见的材料,它真有这么大能耐?

在回答这个问题之前,我们得先了解一下芯片基板的基础知识。

芯片基板,是进行最后一步封装的主角,用来固定上一步从晶圆切好的晶片( Die ),基板上固定的晶片越多,整个芯片的晶体管数量自然也就越多。

打个比方,整个封装好的芯片相当于是一个城市,如果说基板上晶片是摩天大楼的话,那基板就相当于是串联起这些大楼的公共交通,晶体管就是生活在大楼里的人。

要让晶体管也就是整个城市的人更多,就只有两个办法:

一个是在现有的公共交通资源下做好城市规划,对应到芯片封装中就是提高工艺。

另外一个就是盖更多更高的楼,前提是城市的公共交通系统得全面升级,对应下来就是改变基板的材料。

当然在芯片封装发展的过程中,这两个方法是交替来着的。

从上世纪 70 年代开始起步到现在,芯片基板材料已经经历了两次迭代,最开始的芯片基板靠引线框架来固定晶片。

英特尔 4004 芯片

英特尔 4004 芯片基板

到了二十世纪 90 年代,因为有更好的密封性和良好的导热性,陶瓷基板逐渐取代了之前的金属引线框架,在然后在 00 年代,我们现在最常见的有机材料基板出现了。

和陶瓷基板相比,有机材料基板不用烧结,加工难度小,还有利于高速信号的传输。

所以到目前为止,有机材料基板都被视作是芯片领域的排头兵。

但有机材料身上也有缺点,就是它和晶片两个材料之间的热膨胀系数差别太大了。

温度低还好,但只要温度稍微过高一点,一个变形程度很大,另外一个很小,晶片和基板之间的连接就会断开。

芯片这不就被烧坏了。。。

因此为了避免这种情况的发生,有机基板的尺寸一般都不会太大。

尺寸小,但想要上面的晶体管变多,就只有在工艺上下功夫了,为此,业内的厂商也都使出了十八般武艺。

从原来专注于平面封装到之后开始搞叠叠乐,也就是堆叠式封装。

而在堆叠式封装领域,现在也是卷出了天际,经历了多次迭代,已经来到了最先进的硅通孔技术( TSV ),就是让硅芯片堆起来,然后穿孔连通。

不过现在,无论封装技术再怎么精进再怎么牛,它们面对摩尔定律的发展趋势,都已经开始捉襟见肘了。

就拿 TSV 技术来说,虽然在一定程度上它能让晶体管数量成倍增长,但同时它的技术要求也更高,更不用说成本了。

并且,下一代封装技术的要求是:封装尺寸要超过 120 mm* 120 mm 。

上面已经说到,由于有机基板是类似合成树脂的材料组成的,受热容易弯曲。

而现在芯片的封装设计都要求晶片个挨个地凑在一起,发热肯定是避免不了的,想要搞更大的封装尺寸用有机材料肯定没戏。

这下刀就已经架在了有机基板的头上,反正这命是迟早得革。

怎么革,靠谁革?

我们在开头就已经给出了答案——玻璃。这里的玻璃并不是说要用纯玻璃做基板,而是把之前之前基板中类似合成树脂的材料替换成玻璃,金属的封边依旧还在,类似下图这种。

玻璃当然也不是我们日常用的那种玻璃,而是会通过调整,造出一种和硅的性质接近的玻璃。

相较于之前的有机材料,这次替换的玻璃主要看中的是它的三个性能:机械性能、热稳定性和电气性能。

首先是机械性能,玻璃基板在机械强度这块是吊打有机基板。

玻璃在充当基板材料时,会在上面开孔,保证信号的传输。

因为玻璃材料超级平整,要光刻或者封装也更容易,所以同样的面积下,在它上面开的孔的数量要比在有机材料上多得多。

就相当于是,在玻璃材料上建的公共交通会比在有机材料上建得更密集、线路也会更加多。

据英特尔的说法,玻璃芯通孔之间的间隔能够小于 100 微米,这直接能让晶片之间的互连密度提升 10 倍。

互连密度提升了,相同面积下能容纳的晶体管数量也就更多了。

再来是热稳定性,玻璃基板不容易因为温度高而产生翘边或者变形的问题。

万一有个特殊情况,玻璃中也含有二氧化硅,和硅的性质接近,它们的热膨胀系数也差不多,就算温度过高,也是基板上的芯片和基板以一样的膨胀速度一起变形。

最后就是玻璃芯独特的电气性能,说更准确一点其实是开孔之后的玻璃的电气性能,它的电介质损耗会更低,允许更加清晰的信号和电力传输。

这样一来,信号传输过程中的功率损耗就会降低,芯片整体的效率也就自然而然被提上去了。

而这些性能综合下来,在最后芯片上的体现就是,用玻璃芯基板封装的话,可放置的芯片数量比其他芯片多 50% 。

不过还有个问题,既然相较于有机基板,玻璃基板的性能这么好,为什么不早点用玻璃基板呢?

其实不是不想用,而是要替换一个材料,可不是那么简单的事儿,前期摸索、中期研发、后期落地,这都是要砸钱、砸时间的。

还拿英特尔来说,它在十年前就已经开始研发玻璃芯基板了,前前后后丢在里面的资金少说也有十亿美元。

而现在的成果也就是组装好了一套测试工具,要实际量产玻璃芯基板,还得等到 2026 年往后。

当然不止英特尔,整个行业内也有不少企业都在着手搞玻璃基板的研发,毕竟玻璃取代有机材料也算是业内的一个共识。

就比如大半年前,日本的 DNP 也透露正在开发玻璃基板,以替换掉传统的树脂基材,并且他们还定下一个小目标:在 2027 年之前靠玻璃基板拿下 50 亿日元的销售额。

要说最早入局玻璃基板的,还得是 SKC 子公司 Absolics ,甚至在去年的时候,它就已经投资了 6 亿美元,打算在乔治亚州科文顿建厂了。

按照他们的规划,不出意外今年年底,就有小批量的玻璃基板开始生产了。

当然,在短时间内,芯片基板市场的主流还依旧会是有机材料,毕竟技术迭代完成商业化转身也需要一个过渡时期,技术成本、良率等等都是厂商需要解决的问题。

不过可以肯定的是,有机材料在芯片基板的舞台上,重要性会逐渐被玻璃取代。

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