随着人工智能(AI)和高性能计算(HPC)等领域的快速发展，对芯片性能的要求日益提高。在这一背景下，玻璃基板技术以其卓越的物理特性和先进的封装潜力，逐渐成为半导体行业的新宠。美国政府的大力推进，尤其是近期芯片法案宣布对Absolics等公司的资助，标志着玻璃基板产业正迎来前所未有的发展机遇。
近两年玻璃基板技术的不断成熟，其在先进封装领域的潜力逐渐被发掘。全球各大半导体公司，如英特尔和三星，都在积极布局玻璃基板技术。英特尔宣布将在2030年大规模生产玻璃基板，并已在亚利桑那厂投资10亿美元建立玻璃基板研发线及供应链。三星则组建了三星电子、三星显示、三星电机的统一战线，进军玻璃基板研发。此外，玻璃基板材料应用领域广泛，还包括替代CoWoS-中介层/FC-BGA基板，共封装光学器件集成、Mini/Micro LED背板材料、无源器件和传感器封装等领域。如今，包括京东方、台积电等越来越多头部企业开始积极探索玻璃基板技术。
通过对近期先进封装中玻璃中介层及核心基板相关专利的深入剖析，能够一窥玻璃基板领域当下的研究热点与发展方向。
一、玻璃基板专利格局
根据Knowmade的统计，当前用于先进封装领域的玻璃中介层（Glass Interposers）和玻璃基板（Glass Core Substrates）相关专利超过300项，主要参与者包括英特尔、Absolics，这两家企业合计申请了近半数专利，其余全球70余家实体合计申请了超过150项专利。
英特尔：在专利数量方面处于领先地位，拥有最多的专利申请，其专利组合涵盖玻璃核心基板和玻璃中介层，展现出全面且均衡的布局，在行业中处于技术创新的前沿位置。
Absolics：专注于玻璃核心基板领域，是英特尔在专利数量上最接近的竞争对手，凸显其在该特定领域的研发投入和技术实力。
其他众多实体：70多个实体合计持有当前全部相关专利的半数，但每个实体的专利持有量相对较少，呈现出高度分散的态势。包括TOPPAN、康宁、日立、格罗方德、台积电、三星、高通、Unimicron、京东方、华进半导体、厦门云天、盛合晶微、通富微电、广东佛智芯等，它们在玻璃基板产业的专利布局中也占据一定份额。从专利申请趋势来看，英特尔早期积极布局，从2004年起持续积累专利，但是在最近几年开始激增。2019~2024年期间，众多公司纷纷涌入。如Absolics（SK集团）专利申请量逐渐增加，三星、中国的盛合晶微、厦门云天半导体等公司在这一时期崭露头角。
这表明玻璃基板产业的技术创新和知识产权竞争日益激烈，吸引了越来越多企业的重视和投入。
在新兴竞争者中，三星、盛合晶微、厦门云天半导体等公司在2019~2024年期间首次发表了众多专利，并呈逐年上升趋势，标志着它们在玻璃基板技术研发方面的积极探索和创新成果且不断加大研发投入，进一步丰富了行业的技术创新生态，推动了整个产业的专利竞争格局朝着多元化方向发展。
从地域分布来看，英特尔和Absolics这两家领先企业在专利布局上具有广泛的地域覆盖范围，均在美国、中国大陆、中国台湾、韩国、日本和欧洲等地申请专利。这种全球化的专利布局策略有助于它们在不同市场中保护自身技术创新成果，同时也反映出玻璃基板产业的国际化竞争态势。
三星主要在美国、中国和韩国进行专利申请，重点关注其在亚洲和北美市场的技术保护和市场竞争优势。
国内企业既有在国内国外均重点布局的，也有集中在国内布局的。例如盛合晶微专利申请集中于美国和中国，体现其对这两个重要市场的重视以及在当地市场竞争中的战略布局。而厦门云天目前专利申请几乎都在中国国内，表明其在立足本土市场的基础上，逐步积累技术实力和知识产权资产，为未来在更广泛市场的拓展奠定基础。
二、玻璃基板技术研究热点
-玻璃基板、中介层在封装层面的集成
从硅材料到玻璃材料，需要解决多项挑战，这些也在专利申请中反映。包括在嵌入式芯片中，实现更薄的封装；芯片到芯片的耦合方面，需要实现更高密度的互连；芯片/玻璃的混合键合；英特尔研究的EMIB等等。
其中，金属化与连接技术创新是研究热点之一。例如高纵横比通孔（TGV）金属化：针对TGV的高纵横比特点，研发高效的金属化工艺，确保通孔内部金属填充均匀、无孔洞，提高电气连接性能，降低信号传输损耗；金属/玻璃粘附性提升：研究金属与玻璃之间的粘附机制，通过表面处理或材料改进等方法，增强两者之间的结合力，防止在封装过程或产品使用过程中出现分层或剥离现象，提高产品的长期可靠性；混合键合技术（芯片/玻璃）：探索芯片与玻璃之间的混合键合方式，如直接 Cu/SiO₂键合，实现更紧密的连接，提高封装密度，减少信号延迟，同时优化热管理性能，为高性能计算和高密度封装提供解决方案。
封装架构的优化与功能提升是另一大热点。例如嵌入式芯片（Embedded Die）：通过将芯片嵌入玻璃基板，实现更薄的封装结构，减小封装体积，提高产品的集成度，满足电子产品小型化、轻量化的发展趋势；芯片间耦合（D2D Coupling）：专注于增强芯片与芯片之间的连接性，开发高密度、高性能的互连技术，如采用微型凸块（µbumps）或互连桥（interconnect bridge）等，实现更快速、更稳定的数据传输，提升系统整体性能；英特尔推出了多年的扇出嵌入式玻璃桥（Fan - out Embedded Glass Bridge，EMIB）：研究EMIB技术在玻璃基板上的应用，通过在玻璃基板中嵌入导电桥，实现芯片间的高效信号传输，同时优化封装的散热性能，提高产品的可靠性和性能表现。
此外，共封装光子也是研究的热点，英特尔有半数专利组合聚焦在光子的集成相关领域。还有提高成本效益的大尺寸面板级封装，以及热管理相关专利。
-玻璃基板、中介层的制造工艺或设计
涉及玻璃基板、玻璃中介层的设计和制造相关的专利，主要有缺陷控制（检查质量的材料或程序）；薄玻璃基板强化方法；对准方法（基于玻璃透明度）；高AR通孔的金属化、金属/玻璃之间的粘合；TGV结构和制造；减少中介层内部的信号串扰；热管理等等。
其中，制造工艺的改进是研究的热点。包括表面处理技术创新：针对玻璃表面粗糙度和 TGV 高纵横比带来的挑战，开发新型表面处理工艺，如直接在电介质上镀铜（无需种子层），实现无孔洞的金属通孔填充，提高金属化质量和可靠性。同时，研究等离子体表面活化等技术，增强玻璃表面与金属的反应活性，改善粘附性能；应力管理与翘曲控制：通过优化制造工艺参数或采用特殊结构设计，解决玻璃基板在制造和使用过程中的应力问题，降低翘曲变形风险。例如，在玻璃核心基板中形成空腔并嵌入硅桥中介层，利用玻璃和硅材料的特性组合，有效减少封装基板的翘曲程度，提高产品的平整度和稳定性；预制组件与简化组装工艺：研发预制铜柱等组件，并探索与玻璃材料的高效组装方法，如通过电化学沉积在硅基板上制造铜柱，然后与玻璃基板进行阳极键合，避免复杂昂贵的电镀和化学机械抛光（CMP）步骤，同时集成钝化层作为应力缓冲层，提高产品可靠性，降低生产成本。
热管理和光学性能优化是另一大热点。例如设计具有流体通道的玻璃核心基板，实现通过封装基板的有效冷却，而非仅依赖顶部芯片散热，提高散热效率，确保产品在高功率运行条件下的稳定性。同时，研究在TGV周围设置导热套管等设计，改善热传导路径，避免因玻璃与铜的热膨胀系数（CTE）不匹配导致的裂纹扩展，增强产品的热可靠性。光学性能方面，利用玻璃的光学透明特性，优化玻璃基板的光学设计，如开发波导集成技术，实现光子集成电路（PIC）与电子芯片（EIC）在玻璃基板上的高效集成，提高光学信号传输效率和精度，为光子学应用提供更好的平台支持。
三、关键技术挑战及对应专利解决方案案例
-机械应力管理（翘曲问题）
玻璃材料与其他封装材料（如硅芯片、有机封装材料等）的热膨胀系数差异较大，在封装过程中的温度变化会导致不同材料之间产生不均匀的热膨胀或收缩，从而引起封装基板的翘曲变形。翘曲问题不仅影响封装的精度和电气连接性能，还可能导致芯片与基板之间的焊点疲劳、开裂，严重影响产品的可靠性和使用寿命。
专利解决方案
组合结构设计：三星（如CN118431173）的专利涉及玻璃基板与玻璃中介层的组合结构设计。通过优化两者之间的组合方式，利用玻璃的低CTE和高刚性特性，有效减少了封装基板的翘曲程度。
空腔与嵌入式结构应用：在玻璃核心基板中形成空腔，并嵌入硅桥中介层等组件。这种结构设计能够在一定程度上补偿不同材料之间的热膨胀差异，通过调整结构内部的应力分布，降低翘曲变形的风险，提高封装结构的稳定性和可靠性。
-玻璃表面处理
玻璃表面的高粗糙度和TGV的高纵横比给金属化过程带来了困难，传统的金属化工艺难以在这种表面上实现均匀、无孔洞的金属沉积，影响电气连接性能。玻璃光滑表面的粘附性较差，在与金属层（如铜）结合时容易出现剥离或分层现象，降低了封装结构的可靠性。此外，在封装过程中，玻璃基板在工艺设备中的面板移动也会因粘附问题导致处理困难。
专利解决方案
直接镀铜工艺创新：英特尔的专利（US20240213131）提出了直接在电介质上镀铜的工艺，无需种子层。通过将玻璃表面形成的 - OH 键离子化形成 - O⁻键，使其与金属离子具有高反应活性，实现了直接镀铜，有效解决了 TGV 高纵横比下的保形金属化问题，避免了传统工艺中可能出现的孔洞问题，提高了金属化质量。
表面粗糙化增强粘附：英特尔的另一项专利（US20240222249）涉及对玻璃核心层表面进行粗糙化处理。粗糙化的玻璃表面能够增加与金属层之间的机械咬合力，从而增强玻璃与金属之间的粘附性，解决了因粘附问题导致的玻璃与铜特征之间的分离以及工艺处理中的面板移动问题，提高了封装结构的稳定性和可靠性。
-热管理
随着电子产品性能提升，芯片功耗增加，玻璃基板在封装中的散热问题成为关键挑战。玻璃本身导热性相对较差，如何有效散去芯片产生的热量，确保产品在高温环境下稳定运行，是需要解决的重要问题。在玻璃核心基板或玻璃中介层中，由于材料热膨胀系数（CTE）不匹配，如玻璃与铜（常用于通孔填充和电路连接）之间的CTE差异，在温度变化时容易产生热应力，可能导致通孔开裂、芯片与基板分层等可靠性问题。
专利解决方案
玻璃基冷却结构设计：英特尔提出了一种基于玻璃的空腔和通道结构（如US20220406686），用于冷却嵌入式芯片和3D集成模块。通过在玻璃核心基板中设计流体通道，使冷却介质能够流经封装基板，实现更全面的散热，而不仅仅依赖顶部芯片散热，有效提高了散热效率。
导热套管应用：英特尔的另一项专利（US20230088392）涉及在TGV周围设置导热套管。该套管采用导热率高于通孔材料（如铜）的材料制成，能够更有效地将热量从芯片传导出去，同时避免了因玻璃与铜CTE不匹配导致的裂纹在通孔周围扩展，提高了产品的热可靠性。
-预制铜柱组装
在传统的玻璃基板与其他组件（如芯片）的组装过程中，电镀和化学机械抛光（CMP）步骤复杂且昂贵，增加了生产成本，同时也可能引入工艺缺陷，影响产品质量。精确控制通孔直径和玻璃孔侧壁粗糙度对于确保良好的电气连接和组件之间的可靠结合至关重要，但传统工艺在这方面存在一定难度。
专利解决方案
云天半导体（如CN118412319）提出了一种玻璃适配器板的制造方法，先在硅基板上通过电化学沉积制造铜柱，然后将玻璃基板与之进行阳极键合，接着填充钝化层并添加金属层连接铜柱，最后去除硅基板。这种方法避免了复杂的电镀和CMP步骤，降低了成本，同时集成的钝化层作为应力缓冲层，提高了产品可靠性。
盛合晶微的成型工艺（如 CN116631876）专利涉及一种TGV适配器板的集成成型制造方法。通过在硅基板上形成凹槽，进行玻璃回流，然后将预制金属柱从载体板压入凹槽并填充玻璃液体，实现了对通孔直径的精确控制，减少了玻璃孔侧壁粗糙度，提高了组件之间的粘附性和整体产品性能。
总结
随着人工智能、高性能计算、光子学等新兴技术的持续发展，玻璃基板产业将迎来更多机遇。预计未来将有更多企业进入该领域参与竞争，推动技术创新的加速发展，新的专利申请和技术突破有望不断涌现。
在竞争格局方面，当前尚处于早期阶段且将不断演变，现有企业可能会进一步加大研发投入，巩固和拓展自身的专利组合，以保护知识产权并提升市场竞争力。同时，新进入者可能会带来新的技术思路和商业模式，促使行业格局发生动态变化。
在技术发展趋势上，玻璃基板的性能将不断优化，如更高的散热效率、更低的翘曲变形、更优异的光学性能等。与其他先进封装技术（如 3D 堆叠、混合键合等）的融合应用将更加广泛。
