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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