为什么在电子封装中使用玻璃作为电介质？

随着对更高性能、更紧凑、更节能的电子产品的需求不断增长，传统的有机基基板已接近实际应用的极限，促使业界开始尝试替代材料。为此，玻璃基板已成为一种极具前景的替代方案，在半导体封装领域具有显著优势。

包括英特尔、  AMD 和 三星在内的主要芯片制造商都致力于开发玻璃或玻璃芯基板用于下一代设备。尽管异构集成的兴起引发了人们对在一系列应用中引入新型材料和组件的兴趣，但玻璃基板带来了封装和组装方面的挑战，必须加以解决。

首先，为什么是玻璃？

玻璃因其优异的强度和介电性能，有望成为电子封装领域的重要材料，尤其适用于高性能应用。业内通常使用诸如铜导体玻璃环氧树脂之类的电子封装材料。与传统环氧树脂相比，玻璃在多个方面有所改进。

玻璃的高模量和高熔点使其在更宽的温度范围内具有更高的机械稳定性。此外，对于需要1千兆赫(GHz)或更高时钟速度的应用，低损耗角正切(Df)可降低高频信号分量的损耗。即使玻璃较高的介电常数会略微降低信号的传播速度，这也能提高信号质量。

表1：基材的物理特性

总之，玻璃相对于环氧树脂的一个主要优势是它能够在高频场景中提供强度和性能。

可用结构

虽然玻璃是一种坚固的基材，但在可用结构和层数方面存在局限性。通孔可以嵌入玻璃中，尤其是在材料相对较薄的情况下——例如约 100 µm。然后，玻璃的两面都可以进行金属化，并用导体进行图案化。

如果使用合适的电介质将新增层与第一层及后续层隔离，则可以在一侧或两侧沉积并图案化额外的导体层。虽然另一层玻璃可以形成一致的结构，但新增玻璃层的沉积和图案化却很困难。因此，通常使用有机电介质（例如环氧树脂）作为玻璃芯上导体层之间的辅助电介质。然而，与玻璃相比，这些有机材料的损耗角正切值往往更高。这使得它们不太适合高频应用，因为在高频应用中，最大限度地减少信号衰减至关重要。因此，玻璃作为主要基础材料仍然是一个有吸引力的选择，而环氧树脂和其他有机电介质则起着辅助作用。

应用概念

近年来，将光波导集成到中介层（interposer）中备受关注，尤其是在需要高速数据传输的新兴应用中。玻璃为在玻璃芯内制造低损耗单模光波导提供了潜力。在玻璃中制造波导的一种值得注意的方法是激光写入，这是加州大学戴维斯分校的 Ben Yoo 博士首创的技术。这项创新使得在玻璃基板内制造光波导成为可能，从而可以将电气和光学元件集成在一个基板中，并增强了封装设计人员可用的功能。

展望未来，玻璃芯所占据的物理体积或许可以被一种储能材料或系统所取代，从而最大限度地减少电力需求瞬时变化导致的电压随时间波动。这或许可以通过将玻璃芯的至少一部分替换为电池或电容储能材料来实现。

另一种有趣的材料是金刚石，它在某些方面与玻璃相似。金刚石具有异常高的导热性，这使得它对于高散热性或需要整个设备温度均匀的应用（例如电源和光学设备）具有吸引力。目前金刚石的高成本使其仅适用于小型设备，但这种情况未来可能会改变。另一方面，玻璃目前在性能和成本之间取得了平衡，使其成为一系列电子应用的理想选择。

下一步是什么？

玻璃基板为半导体封装开辟了新的可能性，但需要谨慎处理并采用创新解决方案才能满足行业需求。虽然目前还无法完全取代环氧树脂，但对于特定应用而言，它是一种有价值的替代方案。随着越来越多的公司投入研发以应对制造挑战，我们可以预期玻璃和玻璃芯基板将在半导体封装中发挥重要作用，尤其是在高频和高密度应用中。