玻璃基板：數字化時代的隱形基石

在數字化時代，智能手機、平板電腦、顯示器等電子設備豐富了我們的生活。這些電子設備的顯示屏幕表面是一層經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，在芯片封裝領域，經過特殊工藝打孔并鋪設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，成為數字化時代的“隱形基石”。

日本一家公司最近開發的一種由玻璃粉和陶瓷粉組成的復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業鏈上游的關鍵材料，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。在兩類代表性屏幕“TFT-LCD”和“OLED”中，玻璃基板在顯示面板的結構支撐、光學性能保障等方面都發揮著關鍵作用。

TFT-LCD全稱為薄膜晶體管液晶顯示器，是一種結合了微電子技術和液晶顯示技術的創新成果。它的核心結構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。當電流通過薄膜晶體管時，會產生電場變化，使液晶分子偏轉，從而改變光線的偏振方向，最終形成我們看到的圖像。

OLED全稱為有機發光二極管，是一種先進的有機電致發光器件。OLED是在氧化銦錫透明導電玻璃上制作一層幾十納米厚的發光材料，形成會自發光的紅、綠、藍子像素。其中，玻璃基板為有機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，防止有機發光材料受到損害，延長顯示器使用壽命。

芯片封裝的新寵

芯片是各類電子產品的核心部件，大多封裝在有機材質基板、硅基板上，并透過基板與電子產品的各部件進行高速信息傳輸。目前，芯片行業正經歷重大變革，摩爾定律逐漸失效的同時，出現兩個芯片封裝趨勢：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，傳統的有機基板受熱易膨脹，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鍵需求。為此，玻璃基板封裝技術應運而生。

讓我們細數一下玻璃基板的優勢：

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

二是具有較低的介電常數，有助于減少信號傳播延遲和相鄰互連之間的串擾。在數據中心的服務器芯片中，采用玻璃基板可加快數據處理和傳輸速度，提升整個數據中心的運行效率。

三是具有優異的熱穩定性，在寬溫度范圍內尺寸變化極小。玻璃基板能承受熱循環，防止因溫度變化引發電氣短路和其他機械應變問題。玻璃的熱膨脹系數與硅相當，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，特別是在高頻應用中表現出色。在5G/6G通信設備芯片中，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，解決現階段帶寬瓶頸和功耗問題。總之，玻璃基板已經展現出代替有機基板、硅基板的競爭優勢，有可能成為芯片封裝領域的“新寵”。

玻璃基板封裝技術面臨的挑戰

玻璃基板封裝技術雖潛力無限，卻像被迷霧籠罩的寶藏，當下仍處于研發階段，諸多“攔路虎”橫亙在產業化應用的道路上。

從材料研發層面來看，不同種類芯片對玻璃材質的要求天差地別。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境下維持穩定運行；光電器件更看重玻璃對光的精準操控，實現光電信號轉換。這些需求不僅要突破材料性能的極限，還需要跨行業技術的深度融合與創新。

從技術工藝層面來看，超大尺寸、超薄的玻璃基板加工存在一系列挑戰。翹曲問題會使玻璃基板的平整度無法達標，影響芯片與電路板的精準連接；微裂紋可能在芯片后續使用中逐漸擴展，導致整個封裝結構的失效；應力分布不均則會引發芯片性能下降甚至損壞。這些工藝難點環環相扣，直接關系到封裝后芯片的性能和穩定性。

從產業設備層面來看，業內仍沒有標準化參數和流程，從而使標準化設備難以進入市場。化學機械拋光設備是玻璃基板表面的超精密加工的必要設備；電鍍設備是確保導電材料在玻璃通孔中均勻沉積的關鍵設備。顯然，這些標準化設備的缺乏阻礙了玻璃基板封裝技術的推廣和應用。

不過，隨著人工智能、高性能計算等領域對先進芯片需求的持續增長，玻璃基板終將憑借其獨特優勢，在芯片封裝領域大放異彩。

展望未來

隨著6G、人工智能等新興技術的快速發展，電子設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鍵材料，將迎來更多的發展機遇。在顯示領域，玻璃基板將朝著更薄、更輕、更高分辨率、更強柔性的方向發展，以滿足消費者對便攜式、可穿戴設備及新型顯示設備的需求。在芯片封裝領域，玻璃基板有望占據重要地位，推動芯片行業不斷向前發展。玻璃基板這一數字化時代的隱形基石將在未來科技發展中持續閃耀光芒，為我們帶來更多驚喜。

本文來源于《科學畫報》2025年第7期。任永飛，上海市科學學研究所助理研究員；莊珺，上海市科學學研究所研究員。文章觀點不代表主辦機構立場。

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