国产替代新赛道：新型半导体载版-玻璃基板

2026-01-09 16:40:19, 创新研究中心北京欧波同光学技术有限公司

近期，我国商务部对原产于日本的进口二氯二氢硅发起反倾销调查，维护我国半导体等产业合法权益。这一动作背后，折射出国内半导体产业链对关键战略材料的迫切突围需求。玻璃基板作为先进封装领域的核心材料之一，正成为国产替代的赛道焦点。

玻璃基板的概念

Part1

玻璃基板（Glass Substrate）是指采用高性能玻璃材料作为半导体、显示面板、封装载体等电子元器件的基底材料。玻璃基板具有优异的光学性能、热稳定性、化学稳定性和电学性能，在现代电子制造领域得到了广泛应用。

玻璃基板最早应用于显示行业，如液晶显示（LCD）和有机发光二极管（OLED）面板，随后随着先进封装技术的发展，玻璃基板开始进入半导体领域，特别是在晶圆级封装（WLP）、面板级封装（PLP）、2.5D/3D封装、射频（RF）应用以及先进光学器件等领域。目前，玻璃基板被视为替代传统硅基板和有机基板（如PCB、BT基板）的重要材料之一，尤其在高密度互连、高频信号传输等应用中展现出独特优势。

玻璃基板与传统基板的差异

Part2

目前，半导体行业主要使用的基板材料包括硅基板（Si Substrate）、有机基板（Organic Substrate，如PCB、BT基板）以及陶瓷基板（Ceramic Substrate）。玻璃基板与这些传统基板在多个方面存在显著差异：

机械性能

玻璃基板相比硅基板具有更高的抗弯强度，不易破碎。相比有机基板，玻璃基板的热膨胀系数（CTE）更接近硅材料，从而减少热应力引起的翘曲问题。

介电性能

玻璃的介电常数（Dk）低，通常在4-6之间，远低于硅基板（Dk约为11.7），在高频通信应用（如5G、毫米波）中可降低信号损耗，提升传输效率。玻璃的介电损耗（Df）更低，使其适用于高速信号传输。

平整度与制造精度

玻璃基板的表面平整度极高，远优于PCB和BT基板，这对先进封装中的微缩化线路加工（如RDL布线）至关重要。

成本与工艺兼容性

玻璃基板可通过面板级制造方式生产，具有更大的尺寸优势，有利于降低单位成本。玻璃基板的化学稳定性好，耐腐蚀性高，可在高温和腐蚀性环境下长期使用。

由于这些优点，玻璃基板在高频高速应用（如5G基站、光通信、AI芯片封装）和先进封装技术（如Fan-Out封装、2.5D/3D封装）中成为重要的候选材料。

玻璃通孔（TGV）技术

Part3

玻璃通孔（TGV）是指在玻璃基板上加工贯穿孔，并在孔内填充导电材料（如铜），以实现芯片之间的垂直互连。TGV技术使玻璃基板在2.5D/3D封装中具备类似硅通孔（TSV）的互连能力，同时保持低成本和优异的介电性能。目前TGV主要采用以下加工工艺：

激光钻孔（Laser Drilling）

利用飞秒激光或皮秒激光直接刻蚀玻璃，适用于高精度微孔加工。

湿法蚀刻（Wet Etching）

通过HF等酸性溶液选择性腐蚀玻璃，适用批量生产。

机械钻孔（Mechanical Drilling）

使用超硬钻头加工，但效率较低。

玻璃通孔加工完成后，需填充导电材料以实现电连接，常见方法包括：溅射（Sputtering）+ 电镀（Electroplating）、化学气相沉积（CVD）和金属浆料填充等工艺。TGV技术使玻璃基板能够实现高密度互连，同时兼具低损耗、高频特性，在5G、光通信、AI芯片封装等领域展现出巨大潜力。

SEM在表征玻璃基板中的应用

Part4

表面形貌分析：SEM可用于观察玻璃基板的微观结构，评估加工质量，如表面粗糙度、裂纹、微孔尺寸等。同时通过断面观察，可评估玻璃基板的内部结构、金属填充状态，以及潜在的缺陷（如空洞、裂纹）。

图1 玻璃表面形貌观测(Apreo 2拍摄)

玻璃通孔（TGV）分析：SEM可用于检测TGV孔径、孔壁质量、金属填充均匀性等关键指标，优化工艺参数。

图2 TGV通孔孔径等关键尺寸测量(图片来自网络)

薄膜沉积质量检测：玻璃基板常需进行金属化（如Cu、Al沉积），SEM可用于评估薄膜厚度、均匀性及附着力。同时结合能量色散X射线谱（EDS, Energy Dispersive Spectroscopy）可以分析玻璃基板的化学成分，检测金属涂层和填充材料的元素分布，优化玻璃基板的制造工艺。

图3 镀层成分分布检测(Apreo 2拍摄)

玻璃基板因其优异的电学、机械和热学性能，正逐步成为半导体行业的新兴材料。玻璃通孔（TGV）技术的成熟使其在先进封装和高频应用中展现出巨大潜力，而扫描电子显微镜（SEM）等高精度表征手段则为玻璃基板的质量控制提供了重要支持。赛默飞超高分辨场发射扫描电镜Apreo 2兼具低电压高质量成像和多功能分析性能于一体，采用双引擎技术，超低电压下可直接分析玻璃样品，且无需做喷镀处理。如上面展示案例所示，在低电压下，直接将玻璃样品置于Apreo 2电镜中进行拍摄，同时凭借快捷的FLASH功能，设备可自动执行精细调节动作，只需移动几次鼠标，就可完成必要的合轴对中、消像散和图像聚焦校正，即使电镜初学者也能充分发挥Apreo 2的最佳性能。

未来，随着半导体封装技术的进步，玻璃基板有望在5G通信、AI芯片、光通信等领域发挥更大的作用。