Vad är ett glasplatte? Kort sagt är ett glasplatte ett kretskort som använder glas som sitt kärnsubstratmaterial. Det har ersatt de FR-4-epoxiglasfiberkort som länge använts inom elektronikindustrin och blir nästa generations plattformsmaterial för högklassig förpackning och avancerade interkopplingar.
Jämfört med traditionella organiska substrat erbjuder glas en rad unika fördelar när det gäller termisk prestanda, elektriska egenskaper, optiska karakteristika och mekanisk hållfasthet. Därför blir glasplatte snabbt ett oundgängligt val i tillämpningar där signalintegritet, termisk hanteringseffektivitet och långsiktig tillförlitlighet är av yttersta vikt.
Vanliga glasplatte material och deras egenskaper
Fused silica-glas är ett av de mest klassiska högklassiga substrat materialen. Det tål extrema temperaturer upp till 1000 °C, har en extremt låg termisk expansionskoefficient och utmärkt optisk transparens. Därför används det brett inom laserutrustning, fotolitografimasker och olika högprecisionsinstrument.
Mikrokristallint glas är ett kompositmaterial som kombinerar glasets seghet med keramikens stabilitet. Med sin låga dielektriska konstant och minimala signalöverföringsförlust fungerar det som kärnmaterial för att säkerställa signalstabilitet i högfrekvensutrustning som 5G-basstationer och radarsystem.
Safirglas är relativt dyrt men har exceptionell resistens mot kemisk korrosion och utmärkt infraröd transmittans, vilket gör det till ett oundgängligt nyckelsubstrat inom militär infraröd detekteringsutrustning och högklassiga optiska instrument.
Härdat glas (kemiskt förstärkt glas) utmärker sig i mekanisk hållfasthet, med slag- och vibrationsbeständighet som långt överstiger vanligt glas, vilket gör det mycket lämpligt för tillämpningar som kräver exceptionell stabilitet, som robust utomhusövervakningsutrustning och fordonsmonterad nattsyn.
Epoxiglas (dvs. FR-4) är strikt taget ett organiskt-oorganiskt kompositsubstrat, men dess enastående kostnadseffektivitet, måttliga värmetålighet och mogna tillverkningsprocesser gör det till den mest levererade och tillämpade ”prisvärda” lösningen inom glas-PCB-familjen, som täcker de allra flesta konsumentelektronik- och allmänprodukter.
Det är värt att notera att alkalifritt glas och borosilikatglas också har börjat komma in i halvledarförpackningsområdet på senare år. Alkalifritt glas innehåller inga natriumjoner, vilket effektivt förhindrar kretsparameterdrift orsakad av jonmigration. Borosilikatglas å sin sida uppnår en bra balans mellan låg termisk expansionskoefficient och låg kostnad och betraktas som ett potentiellt kandidatmaterial för nästa generations panelnivåförpackning.
Sex nyckelfördelar med glasplatte jämfört med traditionella substrat
1.Ultrahög planhet och extremt låg ytråhet. Ytråheten hos glasplatte kan vanligtvis kontrolleras till subnanometernivå, vilket långt överstiger organiska substrat. Denna egenskap gör dem till en idealisk plattform för tillverkning av halvledarenheter med ultrafina linjebredder och ultrafina avstånd, och är särskilt lämplig för RDL (omledningsskikt)-processer inom avancerad förpackning.
2.Exceptionell termisk stabilitet och en nära matchad termisk expansionskoefficient. glasplatte uppvisar praktiskt taget ingen prestandaförsämring under högtemperaturförhållanden, och deras termiska expansionskoefficient (CTE) är mycket nära den hos kiselchip, cirka 3,5 ppm/°C. Det innebär att spänningar orsakade av termisk missmatchning minskas avsevärt under chipmontering och reflow-lödning, vilket effektivt förhindrar problem som lödfogskrackning och chipkrökning.
3.Överlägsna dielektriska egenskaper. Vissa glasmaterial har en hög och stabil dielektrisk konstant, vilket bidrar till att minska de fysiska dimensionerna hos passiva komponenter som kondensatorer och spolar, och därmed förbättra den totala integrationstätheten. Dessutom är förlustvinkeltangenten hos glasplatte extremt låg, vilket säkerställer signalintegritet även vid GHz- och millimetervågsfrekvenser – avgörande för höghastighetsdigitala kretsar.
4.Utmärkt kemisk stabilitet. glasplatte uppvisar stark resistens mot fukt, syror, alkali och organiska lösningsmedel. I hårda miljöer som hög luftfuktighet och hög saltspraya är deras prestandaförsämring betydligt långsammare än hos organiska substrat, vilket ger längre varaktigt skydd för känsliga komponenter inuti förpackningen.
5.Optisk transparens och justerbara optiska parametrar. För förpackningar som kräver optiska fönster (som bildsensorförpackningar och optiska kommunikationsmoduler) är glasplatte höga transparens oöverträffad av organiska substrat. Dessutom kan glasets brytningsindex kontrolleras exakt genom dopning med olika grundämnen, vilket ger designflexibilitet för optiska interkopplingar på chipnivå.
6.Miljövänlighet och exceptionellt lång livslängd. glasplatte innehåller inga flyktiga organiska föreningar (VOC), vilket gör dem mer miljövänliga under både tillverkning och användning. Deras oorganiska natur säkerställer att de inte åldras, gulnar eller försämras i prestanda över tid, som organiska material gör, med en teoretisk livslängd på upp till flera decennier.
Tillämpningar för glasplatte
Höghastighetsdigitala kretsar är en av de mest representativa tillämpningarna för glasplatte. I scenarier som kräver multifrekvenser, som AI-acceleratorer, datacenterswitchar och högklassiga routrar, möjliggör glasplatte distorsionsfri signalöverföring tack vare deras extremt låga dielektriska förluster.
Högeffektskretsar drar också nytta av glasplatte egenskaper. Deras höga värmeledningsförmåga dissiperar effektivt värme som genereras av effektenheter, vilket gör dem brett använda inom kraftelektronik som elbilsinvertrar, industriella frekvensomriktare och järnvägstransport.
Högtemperaturelektronikprodukter representerar ytterligare ett nyckelområde för glasplatte. Glas-PCB:er kan fungera kontinuerligt vid temperaturer över 200 °C utan någon prestandaförsämring, vilket gör dem lämpliga för borrhålsolje- och gasdetekteringsutrustning, flygelektroniksystem och styrmoduler inom fordonsmotorutrymmen.
Högfrekvens- och millimetervågsantenner kräver exceptionell stabilitet i dielektriska egenskaper. glasplatte upprätthåller en stabil dielektrisk konstant och låg förlust även i millimetervågsbandet, vilket gör dem mycket lämpliga för tillämpningar som 5G/6G-basstationsantennarrayer, fordonsmonterad radar och satellitkommunikation.
Sensorer och givare utnyttjar glasplatte resistens mot korrosion och fukt. Oavsett om det är gassensorer i kemiska miljöer, trycksensorer på djuphavet eller MEMS-tröghetsenheter, ger glasplatte en pålitlig långtidsdriftsmiljö.
Medicinsk elektronik är en snabbt växande sektor. glasplatte hållbarhet och biokompatibilitet gör dem lämpliga för tillämpningar som implanterbara neuralstimulatorer, kroppsinterna övervakningsenheter och kirurgirobotstyrkort, vilket möjliggör långtidsimplantation i människokroppen utan att utlösa immunsvar.
Inom AI-chipförpackning framstår glasplatte som ett nyckelmaterial för att ”bryta igenom barriärer”. När chipberäkningskraft närmar sig de fysiska gränserna för kiselbaserade interkopplingar, kräver industrin akut ett substrat som kan stödja fler lager av RDL och finare kretsmönster.
Tack vare sina ultraplana ytor och låga termiska expansionskoefficient betraktas glasplatte som den mest realistiska vägen till att uppnå interkopplingstätheter som överstiger de hos organiska substrat.
Den fullständiga tillverkningsprocessen för glasplatte
1.Materialförberedelse och ytbehandling. Tillverkningsprocessen börjar med en noggrann rengöring av glasplatteet. Vanligtvis används först en ultraljudsrengörare för att avlägsna ytdamm och skräp, följt av kemisk rengöring med organiska lösningsmedel som isopropanol (IPA), och slutligen sköljning med avjoniserat vatten och torkning. Syftet med hela denna operationsserie är att säkerställa att det efterföljande deponerade kopparskiktet bildar en stark kemisk bindning med glasytan, snarare än att bara vidhäfta fysiskt.
2.Fotolitografi för att definiera kretsmönstret. Ett lager fotoresist appliceras jämnt på den rena glasytan; det finns två typer: positiv och negativ. Positiv fotoresist löses upp och avlägsnas i områden som exponeras för ultraviolett ljus, medan negativ fotoresist härdas och förblir i de exponerade områdena. Substratet justeras sedan mot kretsdesignmasken och exponeras för ultraviolett ljus; efter sköljning med en framkallningslösning lämnas ett precist kretsmönster kvar på substratet.
3.Deponering av det ledande skiktet. Kärnuppgiften i detta steg är att ”odla” ett lager koppar på glaset. Tre metoder används vanligtvis i industrin: magnetronsputtring innebär att bombardera ett kopparmål i vakuum och deponera kopparatomer på glasytan; kemisk ångdeponering (CVD) använder gasformiga prekursorer som reagerar på substratytan och bildar en kopparfilm, vilket gör den lämplig för stor area, jämn täckning; kemisk kopparplätering (elektrolös kopparplätering) kräver ingen extern ström; den utnyttjar en kemisk reaktion för att självkatalysera deponeringen av ett kopparskikt på substratytan. Detta är den vanligaste metoden för glasplatte – eftersom glas i sig är icke-ledande måste ett initialt ledande skikt först etableras via elektrolös plätering.
4.Laserborrning och via-tillverkning. När kretsdesignen kräver elektriska mellanlageranslutningar måste hål borras i glasplatte. Eftersom glas är hårt och mycket sprött är mekaniska borrar mycket benägna att orsaka sprickbildning; därför har laserborrning blivit standardprocessen. Vanligt använda lasrar inkluderar ultravioletta pikosekundslasrar och femtosekundslasrar; den förra producerar en liten värmepåverkad zon och släta hålväggar, medan den senare kan bearbeta mikroviaer med mindre diametrar, ner till tiotals mikrometer.
5.Ytbehandling och skyddande beläggning. Efter att kretstillverkningen är klar måste substratet genomgå flerlagers skyddsbehandling. Elektrolytisk nickel-guld (ENIG) deponerar ett dubbelt nickel/guld-skikt i pad-områdena, vilket förbättrar lödningstillförlitligheten och oxidationsresistensen; lödmasken täcker icke-lödningsområden för att förhindra kortslutningar och lödbryggor; konform beläggning applicerar en ultratunn skyddande film över hela kortytan, vilket ger trippelt skydd mot fukt, damm och korrosion.
Kärnprocessen för glasplattor – TGV (Through-Glass Via)
TGV (Through-Glass Via) är den signaturteknik som skiljer glasplattor från alla andra substrat. Den möjliggör skapandet av mikroskopiska ledande viaer inuti glaset, vilket underlättar vertikala elektriska kopplingar mellan chip och mellan chip och substratet.
Den fullständiga TGV-processen delas in i två huvudsakliga steg: via-bildning och fyllning.
TGV-via-bildning: Fem huvudsakliga tekniska metoder
Sandblästringsmetoden skapar viaer genom att fysiskt bombardera glaset med höghastighetsslipande partiklar; den har enkel utrustning och låg kostnad, men via-väggarna är grova och precisionen är dålig.
Fotoresistglasmetoden utnyttjar differentiell etsning av ljuskänsliga områden inuti glaset för att skapa viaer; den möjliggör batchbehandling men är begränsad i materialvalet.
Plasmaetsning använder reaktiva joner för att bombardera glasytan; den erbjuder god anisotropi och hög precision, men har en långsam etsningshastighet och är relativt dyr.
Laserablation förångar direkt glasmaterial med en laser för att skapa hål; den är flexibel och kontaktfri, men den värmepåverkade zonen kan orsaka mikrosprickor.
Laserinducerad våtetsning (LIDE) är för närvarande den mest framträdande teknologin. Dess kärnprincip är följande: en pulserad laser används först för att inducera en kontinuerlig denaturerad zon inuti glaset; etsningshastigheten för denna denaturerade zon i fluorvätesyra (HF)-lösning är betydligt högre än för de odena turerade regionerna. Baserat på denna skillnad följer den kemiska lösningen den laserinducerade vägen för att bilda genomgående hålet. Eftersom processen huvudsakligen är kemisk etsning med lasern som endast fungerar som initierare, drabbas hålväggarna av praktiskt taget ingen termisk skada, och sidoväggslätheten kan nå submikronnivå. Denna teknologi har visat sig lämplig för kvartsglas, borosilikatglas och till och med ultra-tunt glas, och betraktas som en nyckelmöjliggörande teknologi för massproduktion av glasplatte.
TGV Hålfyllning: Metallpläteringslösning
Efter att hålet har bildats består det genomgående hålets insida av tomt, isolerande glas, vilket måste fyllas med ledande material för att uppnå elektrisk anslutning.
Den vanligaste metoden är fyllning genom galvanisering av metall, med följande specifika process: först sprutas ett extremt tunt titan-/kopparfröskikt på genomgående hålets innervägg för att ge en ledande utgångspunkt för efterföljande galvanisering; sedan växer kopparjoner gradvis på fröskiktet genom elektrokemisk avsättning och fyller så småningom hela det genomgående hålet.
När det gäller fyllningsstrategier finns det två alternativ: fullständig fyllning och partiell fyllning. Fullständig fyllning ger bäst elektrisk prestanda men är tidskrävande, kräver stora mängder koppar och är kostsam. Delvis fyllning (fyllning längs via-hålets sidoväggar eller med en halvsluten struktur) har dock nyligen visat sig ge en elektrisk prestanda som är praktiskt taget omöjlig att skilja från fullständig fyllning, samtidigt som processtiden minskas med över 40 % och kopparförbrukningen med över 30 %; den har därför blivit det vanligaste valet för dagens industriella produktion.
Glasplatte är inte avsedda att helt ersätta FR-4, utan snarare att etablera en oersättlig position i de högpresterande, högtillförlitliga och högtäta segmenten. Från TGV-viabildning till RDL-stapling, och från materialval till massproduktionsprocesser, mognar hela teknologikedjan snabbt.
Den förutsägbara trenden är att mellan 2025 och 2027 kommer glasplatte först att uppnå småskalig massproduktion inom AI-acceleratorförpackning, 5G-millimetervågsmoduler och högklassiga sensorer; från 2028 och framåt, när kostnaderna för LIDE-viabildning och partiellt fyllda TGV-processer sjunker ytterligare, förväntas glasplatte komma in i de bredare fälten för högpresterande beräkning och fordonselektronik.
