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(fā)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(yè)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(fā)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(chuàng)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(fā)光二極管，是一種先進的有機電致發(fā)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(fā)光材料，形成會自發(fā)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(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(yè)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(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(yōu)異的熱穩(wěn)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(huán)，防止因溫度變化引發(fā)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?？傊ＡЩ逡呀浾宫F出代替有機基板、硅基板的競爭優(yōu)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(zhàn)

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(fā)階段，諸多“攔路虎”橫亙在產業(yè)化應用的道路上。

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(yè)技術的深度融合與創(chuàng)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(zhàn)。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(xù)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(fā)芯片性能下降甚至損壞。這些工藝難點環(huán)環(huán)相扣，直接關系到封裝后芯片的性能和穩(wěn)定性。

從產業(yè)設備層面來看，業(yè)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?；瘜W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(xù)增長，玻璃基板終將憑借其獨特優(yōu)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(fā)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(fā)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(fā)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(yè)不斷向前發(fā)展。玻璃基板這一數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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