玻璃基板：数字化时代的隐形基石

在数字化时代，智能手机、平板电脑、显示器等电子设备丰富了我们的生活。这些电子设备的显示屏幕表面是一层经过特殊处理的超薄玻璃片，被称为“玻璃基板”，是用来承载各种核心显示元件的“画布”。另外，在芯片封装领域，经过特殊工艺打孔并铺设金属线路的玻璃片也是“玻璃基板”，是大尺寸芯片、多类型芯片连接外部电路的“基座”。如今，玻璃基板正在掀起一场从显示屏幕到芯片封装的材料革命，成为数字化时代的“隐形基石”。

日本一家公司最近开发的一种由玻璃粉和陶瓷粉组成的复合材料制成的核心基板（图片来源：NEG)

显示屏幕的核心

玻璃基板是显示屏幕产业链上游的关键材料，具备超薄、超平整、高纯度的特性，其性能直接决定了显示面板的分辨率、刷新率、对比度、功耗等指标。在两类代表性屏幕“TFT-LCD”和“OLED”中，玻璃基板在显示面板的结构支撑、光学性能保障等方面都发挥着关键作用。

TFT-LCD全称为薄膜晶体管液晶显示器，是一种结合了微电子技术和液晶显示技术的创新成果。它的核心结构是两块玻璃基板中间夹着一层液晶，上层基板带有彩色滤光片，下层基板则镶嵌了薄膜晶体管。当电流通过薄膜晶体管时，会产生电场变化，使液晶分子偏转，从而改变光线的偏振方向，最终形成我们看到的图像。

OLED全称为有机发光二极管，是一种先进的有机电致发光器件。OLED是在氧化铟锡透明导电玻璃上制作一层几十纳米厚的发光材料，形成会自发光的红、绿、蓝子像素。其中，玻璃基板为有机材料的蒸镀和封装提供了平台，同时能有效阻隔外部水汽和氧气，防止有机发光材料受到损害，延长显示器使用寿命。

芯片封装的新宠

芯片是各类电子产品的核心部件，大多封装在有机材质基板、硅基板上，并透过基板与电子产品的各部件进行高速信息传输。目前，芯片行业正经历重大变革，摩尔定律逐渐失效的同时，出现两个芯片封装趋势：一是超大尺寸芯片封装；二是多芯片平面集成、多层堆叠封装。然而，传统的有机基板受热易膨胀，硅基板制造成本高昂，两者都不能满足高性能、低成本芯片封装的关键需求。为此，玻璃基板封装技术应运而生。

让我们细数一下玻璃基板的优势：

一是具有出色的尺寸稳定性和平整度，支持更大封装面积和更精细的图案。在芯片制造过程中，光刻环节需要将电路图案精确转移到基板上，成熟的玻璃基板制造将大幅降低成本，并确保图案转移的准确性，为制造高性能芯片奠定基础。

二是具有较低的介电常数，有助于减少信号传播延迟和相邻互连之间的串扰。在数据中心的服务器芯片中，采用玻璃基板可加快数据处理和传输速度，提升整个数据中心的运行效率。

三是具有优异的热稳定性，在宽温度范围内尺寸变化极小。玻璃基板能承受热循环，防止因温度变化引发电气短路和其他机械应变问题。玻璃的热膨胀系数与硅相当，无论是超大尺寸芯片封装，还是二维、三维平面的芯片集成，都足以胜任。

四是具有一致的电气特性，可以确保信号完整性，特别是在高频应用中表现出色。在5G/6G通信设备芯片中，高频信号传输对信号完整性要求极高，玻璃基板的这一特性能够有效避免信号失真，保证通信质量。

除此之外，玻璃基板还可将光模块与芯片集成为光电共封装（CPO）器件，解决现阶段带宽瓶颈和功耗问题。总之，玻璃基板已经展现出代替有机基板、硅基板的竞争优势，有可能成为芯片封装领域的“新宠”。

玻璃基板封装技术面临的挑战

玻璃基板封装技术虽潜力无限，却像被迷雾笼罩的宝藏，当下仍处于研发阶段，诸多“拦路虎”横亘在产业化应用的道路上。

从材料研发层面来看，不同种类芯片对玻璃材质的要求天差地别。射频芯片需要玻璃具备极低的介电损耗，保障信号高效传输；算力芯片则要求玻璃能在超高温环境下维持稳定运行；光电器件更看重玻璃对光的精准操控，实现光电信号转换。这些需求不仅要突破材料性能的极限，还需要跨行业技术的深度融合与创新。

从技术工艺层面来看，超大尺寸、超薄的玻璃基板加工存在一系列挑战。翘曲问题会使玻璃基板的平整度无法达标，影响芯片与电路板的精准连接；微裂纹可能在芯片后续使用中逐渐扩展，导致整个封装结构的失效；应力分布不均则会引发芯片性能下降甚至损坏。这些工艺难点环环相扣，直接关系到封装后芯片的性能和稳定性。

从产业设备层面来看，业内仍没有标准化参数和流程，从而使标准化设备难以进入市场。化学机械抛光设备是玻璃基板表面的超精密加工的必要设备；电镀设备是确保导电材料在玻璃通孔中均匀沉积的关键设备。显然，这些标准化设备的缺乏阻碍了玻璃基板封装技术的推广和应用。

不过，随着人工智能、高性能计算等领域对先进芯片需求的持续增长，玻璃基板终将凭借其独特优势，在芯片封装领域大放异彩。

展望未来

随着6G、人工智能等新兴技术的快速发展，电子设备的性能和显示效果面临更高的要求，玻璃基板作为显示屏幕和芯片封装的关键材料，将迎来更多的发展机遇。在显示领域，玻璃基板将朝着更薄、更轻、更高分辨率、更强柔性的方向发展，以满足消费者对便携式、可穿戴设备及新型显示设备的需求。在芯片封装领域，玻璃基板有望占据重要地位，推动芯片行业不断向前发展。玻璃基板这一数字化时代的隐形基石将在未来科技发展中持续闪耀光芒，为我们带来更多惊喜。

本文来源于《科学画报》2025年第7期。任永飞，上海市科学学研究所助理研究员；庄珺，上海市科学学研究所研究员。文章观点不代表主办机构立场。

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