Qu’est-ce qu’un substrat de verre? En termes simples, un substrat de verre est un circuit imprimé dont le matériau de base est le verre. Il a remplacé les cartes en fibre de verre époxy FR-4 longtemps utilisées dans l’industrie électronique, devenant ainsi le matériau de base de nouvelle génération pour les boîtiers haut de gamme et les interconnexions avancées.
Par rapport aux substrats organiques traditionnels, le verre offre toute une série d’avantages uniques en termes de performances thermiques, de propriétés électriques, de caractéristiques optiques et de résistance mécanique. Par conséquent, dans les applications où l’intégrité du signal, l’efficacité de la gestion thermique et la fiabilité à long terme sont d’une importance capitale, les substrat de verre deviennent rapidement un choix incontournable.
Principaux matériaux de substrat de verre et leurs caractéristiques
Le verre de silice fondue est l’un des matériaux de substrat haut de gamme les plus classiques. Il peut résister à des températures extrêmes pouvant atteindre 1 000 °C, présente un coefficient de dilatation thermique extrêmement faible et possède une excellente transparence optique. C’est pourquoi il est largement utilisé dans les équipements laser, les masques de photolithographie et divers instruments de haute précision.
Le verre microcristallin est un matériau composite qui allie la résistance du verre à la stabilité de la céramique. Grâce à sa faible constante diélectrique et à sa perte de transmission de signal minimale, il sert de matériau de base pour garantir la stabilité du signal dans les équipements à haute fréquence tels que les stations de base 5G et les systèmes radar.
Bien que le verre saphir soit relativement coûteux, il présente une résistance exceptionnelle à la corrosion chimique et une excellente transmission infrarouge, ce qui en fait un substrat clé indispensable dans les équipements militaires de détection infrarouge et les instruments optiques haut de gamme.
Le verre trempé (verre renforcé chimiquement) se distingue par sa résistance mécanique, avec une résistance aux chocs et aux vibrations bien supérieure à celle du verre ordinaire, ce qui le rend particulièrement adapté aux applications exigeant une stabilité exceptionnelle, telles que les équipements de surveillance extérieurs robustes et les dispositifs de vision nocturne embarqués.
Bien que le verre époxy (c’est-à-dire le FR-4) soit à proprement parler un substrat composite organo-inorganique, son excellent rapport coût-efficacité, sa résistance modérée à la chaleur et ses procédés de fabrication éprouvés en font la solution « abordable » la plus largement commercialisée et utilisée au sein de la famille des circuits imprimés en verre, couvrant la grande majorité des produits électroniques grand public et des produits à usage général.
Il convient de noter que ces dernières années, le verre sans alcali et le verre borosilicaté ont également commencé à faire leur apparition dans le domaine de l’encapsulation des semi-conducteurs. Le verre sans alcali ne contient pas d’ions sodium, ce qui empêche efficacement la dérive des paramètres du circuit causée par la migration ionique ; le verre borosilicaté, quant à lui, offre un bon équilibre entre un faible coefficient de dilatation thermique et un faible coût, et est considéré comme un matériau candidat potentiel pour l’encapsulation au niveau du panneau de nouvelle génération.
Six avantages clés des substrat de verre par rapport aux substrats traditionnels
1.Une planéité ultra-élevée et une rugosité de surface extrêmement faible. La rugosité de surface des substrat de verre peut généralement être contrôlée à un niveau inférieur au nanomètre, surpassant de loin celle des substrats organiques. Cette caractéristique en fait une plateforme idéale pour la fabrication de dispositifs semi-conducteurs présentant des largeurs de ligne et des pas ultra-fins, et convient particulièrement aux processus RDL (couche de recâblage) dans le domaine de l’encapsulation avancée.
2.Stabilité thermique exceptionnelle et coefficient de dilatation thermique très proche. Les substrat de verre ne présentent pratiquement aucune dégradation de leurs performances dans des conditions de haute température, et leur coefficient de dilatation thermique (CTE) est très proche de celui des puces en silicium, à environ 3,5 ppm/°C. Cela signifie que lors du montage des puces et du soudage par refusion, les contraintes causées par l’incompatibilité thermique sont considérablement réduites, ce qui permet d’éviter efficacement des problèmes tels que la fissuration des joints de soudure et le gauchissement des puces.
3.Propriétés diélectriques supérieures. Certains matériaux en verre possèdent une constante diélectrique élevée et stable, ce qui contribue à réduire les dimensions physiques des composants passifs tels que les condensateurs et les inductances, améliorant ainsi la densité d’intégration globale. De plus, la tangente de l’angle de perte des substrat de verre est extrêmement faible, garantissant l’intégrité du signal même à des fréquences de l’ordre du GHz et des ondes millimétriques, ce qui est crucial pour les circuits numériques à haute vitesse.
4.Une stabilité chimique exceptionnelle. Les substrat de verre présentent une forte résistance à l’humidité, aux acides, aux alcalis et aux solvants organiques. Dans des environnements difficiles, tels que ceux caractérisés par une forte humidité ou un brouillard salin intense, leur dégradation est bien plus lente que celle des substrats organiques, offrant ainsi une protection plus durable aux composants sensibles contenus dans le boîtier.
5.Transparence optique et paramètres optiques ajustables. Pour les boîtiers nécessitant des fenêtres optiques (tels que les boîtiers de capteurs d’image et les modules de communication optique), la haute transparence des substrat de verre est inégalée par les substrats organiques. De plus, grâce au dopage avec différents éléments, l’indice de réfraction du verre peut être contrôlé avec précision, offrant une flexibilité de conception pour les interconnexions optiques sur puce.
6.Respect de l’environnement et durée de vie exceptionnellement longue. Les substrat de verre ne contiennent aucun composé organique volatil (COV), ce qui les rend plus respectueux de l’environnement tant lors de leur fabrication que de leur utilisation. Leur nature inorganique garantit qu’ils ne vieillissent pas, ne jaunissent pas et ne voient pas leurs performances se dégrader avec le temps, contrairement aux matériaux organiques, avec une durée de vie théorique pouvant atteindre plusieurs décennies.
Applications des substrat de verre
Les circuits numériques à haute vitesse constituent l’une des applications les plus représentatives des substrat de verre. Dans les scénarios nécessitant des fréquences de plusieurs GHz, tels que les accélérateurs d’IA, les commutateurs de centres de données et les routeurs haut de gamme, les substrat de verre permettent une transmission du signal sans distorsion grâce à leur perte diélectrique extrêmement faible.
Les circuits à haute puissance tirent également parti des propriétés des substrat de verre.Leur conductivité thermique élevée permet de dissiper efficacement la chaleur générée par les dispositifs de puissance, ce qui explique leur large utilisation dans les applications d’électronique de puissance telles que les onduleurs pour véhicules électriques, les convertisseurs de fréquence industriels et le transport ferroviaire.
Les produits électroniques à haute température constituent un autre domaine clé pour les substrat de verre.Les circuits imprimés en verre peuvent fonctionner en continu à des températures supérieures à 200 °C sans aucune dégradation des performances, ce qui les rend adaptés aux équipements de détection de pétrole et de gaz en fond de puits, aux systèmes électroniques aérospatiaux et aux modules de commande dans les compartiments moteurs automobiles.
Les antennes haute fréquence et à ondes millimétriques exigent une stabilité exceptionnelle des propriétés diélectriques. Les substrat de verre conservent une constante diélectrique stable et de faibles pertes même dans la bande des ondes millimétriques, ce qui les rend particulièrement adaptés à des applications telles que les réseaux d’antennes de stations de base 5G/6G, les radars embarqués sur véhicules et les communications par satellite.
Les capteurs et les transducteurs tirent parti de la résistance des substrat de verre à la corrosion et à l’humidité. Qu’il s’agisse de capteurs de gaz dans des environnements chimiques, de capteurs de pression en eaux profondes ou de dispositifs inertiels MEMS, les substrat de verre offrent un environnement de fonctionnement fiable à long terme.
L’électronique médicale est un secteur en pleine expansion. La durabilité et la biocompatibilité des substrat de verre les rendent particulièrement adaptés à des applications telles que les stimulateurs neuronaux implantables, les dispositifs de surveillance implantés et les cartes de commande de robots chirurgicaux, permettant ainsi une implantation à long terme dans le corps humain sans déclencher de réaction immunitaire.
Dans le domaine du conditionnement des puces d’IA, les substrat de verre s’imposent comme un matériau clé pour « franchir les barrières ». Alors que la puissance de calcul des puces approche des limites physiques des interconnexions à base de silicium, l’industrie a un besoin urgent d’un substrat capable de supporter davantage de couches de RDL et des motifs de circuits plus fins.
Grâce à leurs surfaces ultraplates et à leur faible coefficient de dilatation thermique, les substrat de verre sont considérés comme la voie la plus réaliste pour atteindre des densités d’interconnexion surpassant celles des substrats organiques.
Le processus complet de fabrication des substrat de verre
1.Préparation du matériau et traitement de surface. Le processus de fabrication commence par un nettoyage minutieux du substrat de verre. En général, on utilise d’abord un nettoyeur à ultrasons pour éliminer la poussière et les débris de surface, puis on procède à un nettoyage chimique avec des solvants organiques tels que l’alcool isopropylique (IPA), avant de rincer à l’eau déionisée et de sécher. Le seul objectif de cette série d’opérations est de garantir que la couche de cuivre déposée par la suite forme une liaison chimique solide avec la surface du verre, plutôt que de simplement y adhérer physiquement.
2.Photolithographie pour définir le motif du circuit. Une couche de photorésine est appliquée uniformément sur la surface propre du verre ; il en existe deux types : positive et négative. Le photorésist positif se dissout et s’élimine dans les zones exposées à la lumière ultraviolette, tandis que le photorésist négatif durcit et reste en place dans les zones exposées. Le substrat est ensuite aligné avec le masque de conception du circuit et exposé à la lumière ultraviolette ; après rinçage avec une solution de développement, un motif de circuit précis reste sur le substrat.
3.Dépôt de la couche conductrice. L’objectif principal de cette étape est de « faire croître » une couche de cuivre sur le verre. Trois méthodes sont couramment utilisées dans l’industrie : la pulvérisation magnétron consiste à bombarder une cible de cuivre sous vide, déposant ainsi des atomes de cuivre sur la surface du verre ; tandis que le dépôt chimique en phase vapeur (CVD) utilise des précurseurs gazeux qui réagissent à la surface du substrat pour former un film de cuivre, ce qui le rend adapté à une couverture uniforme sur de grandes surfaces.
Le cuivrage sans courant (cuivrage chimique) ne nécessite aucun courant externe ; il utilise une réaction chimique pour autocatalyser le dépôt d’une couche de cuivre à la surface du substrat. C’est la méthode la plus couramment utilisée pour les substrat de verre : le verre lui-même étant non conducteur, une couche conductrice initiale doit d’abord être établie par placage sans courant.
4.Perçage au laser et fabrication de vias. Lorsque la conception du circuit nécessite des connexions électriques entre les couches, il faut percer des trous dans le substrat de verre. Le verre étant un matériau dur et très fragile, les perceuses mécaniques risquent fortement de provoquer des fissures ; c’est pourquoi le perçage au laser est devenu le procédé standard.
Les lasers couramment utilisés comprennent les lasers ultraviolets picosecondes et les lasers femtosecondes ; les premiers produisent une zone affectée par la chaleur réduite et des parois de trous lisses, tandis que les seconds permettent de traiter des microvias de diamètres plus petits, pouvant descendre jusqu’à quelques dizaines de micromètres.
5.Finition de surface et revêtement protecteur. Une fois la fabrication du circuit terminée, le substrat doit subir un traitement protecteur multicouche. Le nickel-or électrolytique (ENIG) dépose une double couche de nickel/or sur les zones de pastilles, améliorant ainsi la fiabilité du soudage et la résistance à l’oxydation ; le masque de soudure recouvre les zones non soudées pour éviter les courts-circuits et les ponts de soudure ; le revêtement conforme, quant à lui, applique un film protecteur ultra-fin sur toute la surface de la carte, offrant une triple protection contre l’humidité, la poussière et la corrosion.
Le processus central des substrat de verre – TGV (Through-Glass Via)
Le TGV (Through-Glass Via) est la technologie phare qui distingue les substrat de verre de tous les autres substrats. Il permet la création de vias conducteurs microscopiques à l’intérieur du verre, facilitant les interconnexions électriques verticales entre les puces, ainsi qu’entre les puces et le substrat.
Le processus TGV complet se divise en deux étapes principales : la formation des vias et le remplissage.
Formation des vias TGV : cinq approches techniques courantes
La méthode du sablage crée des vias en bombardant physiquement le verre avec des particules abrasives à grande vitesse ; elle se caractérise par un équipement simple et un faible coût, mais les parois des vias sont rugueuses et la précision est médiocre.
La méthode du verre photorésistant utilise la gravure différentielle de zones photosensibles au sein du verre pour créer des vias ; elle permet un traitement par lots mais est limitée dans le choix des matériaux.
La gravure au plasma utilise des ions réactifs pour bombarder la surface du verre ; elle offre une bonne anisotropie et une grande précision, mais présente une vitesse de gravure lente et est relativement coûteuse.
L’ablation laser évapore directement le verre à l’aide d’un laser pour créer des trous ; elle est flexible et sans contact, mais la zone affectée par la chaleur peut provoquer des microfissures.
La gravure humide induite par laser (LIDE) est actuellement la technologie la plus répandue. Son principe de base est le suivant : un laser pulsé est d’abord utilisé pour créer une zone dénaturée continue à l’intérieur du verre ; la vitesse de gravure de cette zone dénaturée dans une solution d’acide fluorhydrique (HF) est nettement supérieure à celle des zones non dénaturées. Grâce à cette différence, la solution chimique suit le tracé induit par le laser pour former le trou traversant.
Comme le processus repose principalement sur la gravure chimique, le laser ne servant que d’initiateur, les parois du trou ne subissent pratiquement aucun dommage thermique et la rugosité des parois latérales peut atteindre le niveau submicronique. Cette technologie s’est avérée adaptée au verre de quartz, au verre borosilicaté et même au verre ultra-fin flexible, et est considérée comme une technologie clé pour la production en série de substrat de verre.
Remplissage interne des trous TGV : solution de placage métallique
Après la formation du trou, l’intérieur du trou traversant est constitué de verre isolant vide, qui doit être rempli d’un matériau conducteur pour permettre la connexion électrique.
L’approche courante consiste à remplir le trou par électroplacage métallique, selon le processus suivant : tout d’abord, une couche d’amorçage extrêmement fine de titane/cuivre est pulvérisée sur la paroi interne du trou traversant afin de fournir un point de départ conducteur pour l’électroplacage ultérieur ; ensuite, par dépôt électrochimique, des ions cuivre se déposent progressivement sur la couche d’amorçage, finissant par remplir l’intégralité du trou traversant.
En matière de stratégies de remplissage, deux options s’offrent à nous : le remplissage complet et le remplissage partiel. Le remplissage complet offre les meilleures performances électriques, mais il est chronophage, utilise une grande quantité de cuivre et est coûteux.
Le remplissage partiel (remplissage le long des parois latérales de la via ou utilisation d’une structure semi-fermée), en revanche, s’est récemment révélé offrir des performances électriques pratiquement identiques à celles du remplissage complet, tout en réduisant la durée du processus de plus de 40 % et la consommation de cuivre de plus de 30 % ; il est donc devenu le choix dominant pour la production industrielle actuelle.
Les substrat de verre ne sont pas destinés à remplacer complètement le FR-4, mais plutôt à s’imposer comme une solution incontournable dans les segments haute performance, haute fiabilité et haute densité. De la formation des vias TGV à l’empilement RDL, et du choix des matériaux aux processus de production de masse, l’ensemble de la chaîne technologique évolue rapidement.
La tendance prévisible est qu’entre 2025 et 2027, les substrat de verre atteindront d’abord une production de masse à petite échelle dans les boîtiers d’accélérateurs d’IA, les modules 5G à ondes millimétriques et les capteurs haut de gamme ; à partir de 2028, à mesure que les coûts de la formation de vias LIDE et des processus TGV partiellement remplis continueront de baisser, les substrat de verre devraient faire leur entrée dans les domaines plus larges du calcul haute performance et de l’électronique automobile.
