在數(shù)字化時代，智能手機(jī)、平板電腦、顯示器等電子設(shè)備豐富了我們的生活。這些電子設(shè)備的顯示屏幕表面是一層經(jīng)過特殊處理的超薄玻璃片，被稱為“玻璃基板”，是用來承載各種核心顯示元件的“畫布”。另外，在芯片封裝領(lǐng)域，經(jīng)過特殊工藝打孔并鋪設(shè)金屬線路的玻璃片也是“玻璃基板”，是大尺寸芯片、多類型芯片連接外部電路的“基座”。如今，玻璃基板正在掀起一場從顯示屏幕到芯片封裝的材料革命，成為數(shù)字化時代的“隱形基石”。

日本一家公司最近開發(fā)的一種由玻璃粉和陶瓷粉組成的復(fù)合材料制成的核心基板（圖片來源：NEG)

顯示屏幕的核心

玻璃基板是顯示屏幕產(chǎn)業(yè)鏈上游的關(guān)鍵材料，具備超薄、超平整、高純度的特性，其性能直接決定了顯示面板的分辨率、刷新率、對比度、功耗等指標(biāo)。在兩類代表性屏幕“TFT-LCD”和“OLED”中，玻璃基板在顯示面板的結(jié)構(gòu)支撐、光學(xué)性能保障等方面都發(fā)揮著關(guān)鍵作用。

TFT-LCD全稱為薄膜晶體管液晶顯示器，是一種結(jié)合了微電子技術(shù)和液晶顯示技術(shù)的創(chuàng)新成果。它的核心結(jié)構(gòu)是兩塊玻璃基板中間夾著一層液晶，上層基板帶有彩色濾光片，下層基板則鑲嵌了薄膜晶體管。當(dāng)電流通過薄膜晶體管時，會產(chǎn)生電場變化，使液晶分子偏轉(zhuǎn)，從而改變光線的偏振方向，最終形成我們看到的圖像。

OLED全稱為有機(jī)發(fā)光二極管，是一種先進(jìn)的有機(jī)電致發(fā)光器件。OLED是在氧化銦錫透明導(dǎo)電玻璃上制作一層幾十納米厚的發(fā)光材料，形成會自發(fā)光的紅、綠、藍(lán)子像素。其中，玻璃基板為有機(jī)材料的蒸鍍和封裝提供了平臺，同時能有效阻隔外部水汽和氧氣，防止有機(jī)發(fā)光材料受到損害，延長顯示器使用壽命。

芯片封裝的新寵

芯片是各類電子產(chǎn)品的核心部件，大多封裝在有機(jī)材質(zhì)基板、硅基板上，并透過基板與電子產(chǎn)品的各部件進(jìn)行高速信息傳輸。目前，芯片行業(yè)正經(jīng)歷重大變革，摩爾定律逐漸失效的同時，出現(xiàn)兩個芯片封裝趨勢：一是超大尺寸芯片封裝；二是多芯片平面集成、多層堆疊封裝。然而，傳統(tǒng)的有機(jī)基板受熱易膨脹，硅基板制造成本高昂，兩者都不能滿足高性能、低成本芯片封裝的關(guān)鍵需求。為此，玻璃基板封裝技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

讓我們細(xì)數(shù)一下玻璃基板的優(yōu)勢：

一是具有出色的尺寸穩(wěn)定性和平整度，支持更大封裝面積和更精細(xì)的圖案。在芯片制造過程中，光刻環(huán)節(jié)需要將電路圖案精確轉(zhuǎn)移到基板上，成熟的玻璃基板制造將大幅降低成本，并確保圖案轉(zhuǎn)移的準(zhǔn)確性，為制造高性能芯片奠定基礎(chǔ)。

二是具有較低的介電常數(shù)，有助于減少信號傳播延遲和相鄰互連之間的串?dāng)_。在數(shù)據(jù)中心的服務(wù)器芯片中，采用玻璃基板可加快數(shù)據(jù)處理和傳輸速度，提升整個數(shù)據(jù)中心的運(yùn)行效率。

三是具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性，在寬溫度范圍內(nèi)尺寸變化極小。玻璃基板能承受熱循環(huán)，防止因溫度變化引發(fā)電氣短路和其他機(jī)械應(yīng)變問題。玻璃的熱膨脹系數(shù)與硅相當(dāng)，無論是超大尺寸芯片封裝，還是二維、三維平面的芯片集成，都足以勝任。

四是具有一致的電氣特性，可以確保信號完整性，特別是在高頻應(yīng)用中表現(xiàn)出色。在5G/6G通信設(shè)備芯片中，高頻信號傳輸對信號完整性要求極高，玻璃基板的這一特性能夠有效避免信號失真，保證通信質(zhì)量。

除此之外，玻璃基板還可將光模塊與芯片集成為光電共封裝（CPO）器件，解決現(xiàn)階段帶寬瓶頸和功耗問題?？傊ＡЩ逡呀?jīng)展現(xiàn)出代替有機(jī)基板、硅基板的競爭優(yōu)勢，有可能成為芯片封裝領(lǐng)域的“新寵”。

玻璃基板封裝技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)

玻璃基板封裝技術(shù)雖潛力無限，卻像被迷霧籠罩的寶藏，當(dāng)下仍處于研發(fā)階段，諸多“攔路虎”橫亙在產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的道路上。

從材料研發(fā)層面來看，不同種類芯片對玻璃材質(zhì)的要求天差地別。射頻芯片需要玻璃具備極低的介電損耗，保障信號高效傳輸；算力芯片則要求玻璃能在超高溫環(huán)境下維持穩(wěn)定運(yùn)行；光電器件更看重玻璃對光的精準(zhǔn)操控，實(shí)現(xiàn)光電信號轉(zhuǎn)換。這些需求不僅要突破材料性能的極限，還需要跨行業(yè)技術(shù)的深度融合與創(chuàng)新。

從技術(shù)工藝層面來看，超大尺寸、超薄的玻璃基板加工存在一系列挑戰(zhàn)。翹曲問題會使玻璃基板的平整度無法達(dá)標(biāo)，影響芯片與電路板的精準(zhǔn)連接；微裂紋可能在芯片后續(xù)使用中逐漸擴(kuò)展，導(dǎo)致整個封裝結(jié)構(gòu)的失效；應(yīng)力分布不均則會引發(fā)芯片性能下降甚至損壞。這些工藝難點(diǎn)環(huán)環(huán)相扣，直接關(guān)系到封裝后芯片的性能和穩(wěn)定性。

從產(chǎn)業(yè)設(shè)備層面來看，業(yè)內(nèi)仍沒有標(biāo)準(zhǔn)化參數(shù)和流程，從而使標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)備難以進(jìn)入市場?；瘜W(xué)機(jī)械拋光設(shè)備是玻璃基板表面的超精密加工的必要設(shè)備；電鍍設(shè)備是確保導(dǎo)電材料在玻璃通孔中均勻沉積的關(guān)鍵設(shè)備。顯然，這些標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)備的缺乏阻礙了玻璃基板封裝技術(shù)的推廣和應(yīng)用。

不過，隨著人工智能、高性能計算等領(lǐng)域?qū)ο冗M(jìn)芯片需求的持續(xù)增長，玻璃基板終將憑借其獨(dú)特優(yōu)勢，在芯片封裝領(lǐng)域大放異彩。

展望未來

隨著6G、人工智能等新興技術(shù)的快速發(fā)展，電子設(shè)備的性能和顯示效果面臨更高的要求，玻璃基板作為顯示屏幕和芯片封裝的關(guān)鍵材料，將迎來更多的發(fā)展機(jī)遇。在顯示領(lǐng)域，玻璃基板將朝著更薄、更輕、更高分辨率、更強(qiáng)柔性的方向發(fā)展，以滿足消費(fèi)者對便攜式、可穿戴設(shè)備及新型顯示設(shè)備的需求。在芯片封裝領(lǐng)域，玻璃基板有望占據(jù)重要地位，推動芯片行業(yè)不斷向前發(fā)展。玻璃基板這一數(shù)字化時代的隱形基石將在未來科技發(fā)展中持續(xù)閃耀光芒，為我們帶來更多驚喜。

本文來源于《科學(xué)畫報》2025年第7期。任永飛，上海市科學(xué)學(xué)研究所助理研究員；莊珺，上海市科學(xué)學(xué)研究所研究員。文章觀點(diǎn)不代表主辦機(jī)構(gòu)立場。

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