Technologie skleněných plátků: Aplikace, výroba a klíčové vlastnosti

Co jsou skleněné oplatky a proč na nich záleží

Skleněné oplatky jsou precizně zpracované tenké substráty vyrobené ze speciálních skleněných materiálů , typicky v rozmezí od 100 mikrometrů do několika milimetrů v tloušťce. Tyto substráty slouží jako základní platformy pro výrobu polovodičů, mikroelektromechanické systémy (MEMS), mikrofluidní zařízení a pokročilé obalové aplikace. Na rozdíl od tradičních křemíkových plátků nabízejí skleněné pláty jedinečnou optickou průhlednost, vynikající elektrické izolační vlastnosti a výjimečnou rozměrovou stabilitu při různých teplotách.

Globální skleněná oplatka trh zaznamenal významný růst, přičemž průmyslové zprávy uvádějí složenou roční míru růstu (CAGR). přibližně 8–10 % mezi roky 2020 a 2025 . Toto rozšíření je řízeno rostoucí poptávkou po interposerech v 2,5D a 3D balení integrovaných obvodů, kde skleněné destičky poskytují zásadní výhody v integritě signálu a tepelném managementu.

Výrobní procesy pro skleněné destičky

Výroba skleněných plátků zahrnuje několik sofistikovaných výrobních technik, z nichž každá je přizpůsobena k dosažení specifických rozměrových tolerancí a požadavků na kvalitu povrchu.

Proces Fusion Draw

Vyrábí se metoda fusion draw, kterou propagovaly společnosti jako Corning ultra ploché skleněné tabule s nedotčeným povrchem prouděním roztaveného skla přes tvarovací klín. Tento proces eliminuje potřebu leštění na obou površích a dosahuje tolerance rovinnosti menší než 10 mikrometrů na destičkách o průměru 300 mm. Výsledný materiál vykazuje hodnoty drsnosti povrchu pod 1 nanometr RMS, takže je ideální pro fotolitografické aplikace.

Plavené sklo a leštění

Tradiční postupy výroby plaveného skla s následným chemicko-mechanickým leštěním (CMP) představují alternativní výrobní cestu. I když tento přístup vyžaduje další kroky zpracování, umožňuje větší flexibilitu složení skla a může dosáhnout stejnoměrnosti tloušťky ±5 mikrometrů napříč velkoformátovými substráty .

Řezání laserem a opracování hran

Jakmile se skleněné tabule vytvarují, podstoupí přesné řezání laserem nebo rytí, aby se vytvořily jednotlivé plátky. Techniky zpracování hran zajišťují hrany bez třísek s řízenými úhly úkosu, což je kritické pro automatizovanou manipulaci v zařízeních pro výrobu polovodičů. Moderní systémy dosahují specifikací kvality hran s hustotou defektů pod 0,1 defektu na lineární centimetr.

Vlastnosti a složení materiálu

Skleněné oplatky jsou engineered from various glass compositions, each offering distinct property profiles for specific applications.

Kritické parametry výkonu

• Koeficient tepelné roztažnosti (CTE): Přizpůsobení CTE křemíku (2,6 ppm/°C) minimalizuje namáhání během cyklů tepelného zpracování a zabraňuje deformaci a delaminaci
• Elektrické vlastnosti: Objemový odpor přesahující 10^14 ohm-cm poskytuje vynikající izolaci pro směrování vysokofrekvenčního signálu
• Optický přenos: Transparentnost větší než 90 % ve viditelných vlnových délkách umožňuje vyrovnání přes substrát a zpracování zadní strany
• Chemická odolnost: Odolnost vůči kyselinám, zásadám a organickým rozpouštědlům zajišťuje kompatibilitu s chemikáliemi pro zpracování polovodičů

Klíčové aplikace v moderní elektronice

Pokročilé balení a vkladače

Skleněné interposery se objevily jako a technologie měnící hru pro vysoce výkonné počítačové aplikace . Intel, TSMC a další velké slévárny intenzivně investují do technologie skleněného substrátu pro integraci čipů. Sklo umožňuje průchody skrz sklo (TGV) s průměrem až 10 mikrometrů a roztečí až 40 mikrometrů, hustoty propojení 10x vyšší než u organických substrátů .

V procesorech pro datová centra vykazují skleněné interposery snížení ztráty signálu přibližně o 30–40 % ve srovnání s tradičními materiály při frekvencích nad 50 GHz. Toto vylepšení se přímo promítá do vyšší energetické účinnosti a větší šířky pásma pro AI akcelerátory a rozhraní s vysokou šířkou pásma (HBM).

MEMS a senzorová zařízení

Skleněné destičky poskytují ideální substráty pro mikrofluidní laboratorní zařízení na čipu, tlakové senzory a optické MEMS. Díky biologické kompatibilitě, chemické inertnosti a optické průhlednosti je materiál zvláště cenný pro aplikace v lékařské diagnostice. Společnosti vyrábějící čipy pro analýzu krve běžně specifikují oplatky z borosilikátového skla tolerance rovinnosti povrchu pod 2 mikrometry kolísání celkové tloušťky (TTV) .

Technologie displeje

Pole tenkých tranzistorů (TFT) pro displeje s tekutými krystaly (LCD) a OLED panely využívají velkoformátové skleněné substráty, přičemž továrny generace 10.5 zpracovávají skleněné tabule o rozměrech 2940 mm × 3370 mm. Toto odvětví dosáhlo pozoruhodné ekonomiky, přičemž náklady na substrát klesly na méně než 0,50 USD na čtvereční stopu u aplikací pro zobrazování komodit při zachování přísných specifikací pro povrchové vady a kontrolu rozměrů.

Výhody oproti silikonovým destičkám

Zatímco křemík zůstává dominantním polovodičovým substrátem, skleněné destičky nabízejí přesvědčivé výhody pro specifické aplikace:

1. Nižší ztráta signálu: Hodnoty tangens dielektrické ztráty 0,003-0,005 umožňují vynikající výkon na rádiové frekvenci (RF) v komunikačních obvodech s milimetrovými vlnami
2. Větší rozměry substrátu: Technologie výroby skla se snadno přizpůsobí pravoúhlým formátům 510 mm × 515 mm, což překračuje praktické limity kruhových křemíkových plátků
3. Efektivita nákladů: Pro aplikace interposerů mohou skleněné substráty stát o 40–60 % méně než ekvivalentní křemíkové nosiče, přičemž poskytují srovnatelný nebo lepší elektrický výkon
4. Flexibilita designu: TGV ve skle lze tvarovat s vyššími poměry stran (poměr hloubky k průměru přesahující 10:1) ve srovnání s průchozími křemíkovými průchody, což umožňuje kompaktnější 3D architektury
5. Optický přístup: Propustnost infračerveného a viditelného světla umožňuje vyrovnání zadní strany, inspekci a techniky zpracování nemožné s neprůhledným silikonem

Zpracování výzev a řešení

Prostřednictvím Formation Technologies

Vytváření prosklených průchodů představuje jedinečné technické výzvy. Současné výrobě dominují tři základní metody:

• Laserové vrtání: Ultrarychlé pikosekundové nebo femtosekundové lasery ablují materiál s minimálními tepelně ovlivněnými zónami a dosahují rychlosti formování 100-500 průchodů za sekundu s průměry 10-100 mikrometrů
• Mokré leptání: Chemické látky na bázi kyseliny fluorovodíkové poskytují vynikající hladkost bočních stěn pro větší průchody, s rychlostí leptání regulovatelnou v rozmezí ±5 % napříč šaržemi destiček
• Suché leptání: Reaktivní iontové leptání na bázi plazmy nabízí anizotropní profily pro aplikace vyžadující vertikální boční stěny, i když propustnost zůstává nižší než u laserových metod

Metalizace a lepení

Nanášení vodivých vrstev na sklo vyžaduje pečlivou optimalizaci procesu. Fyzikální napařování (PVD) adhezních vrstev titanu nebo chrómu následované nanášením měděných zárodků umožňuje následné galvanické pokovování pro výplně TGV. Pokročilá zařízení dosáhnout přes fill výtěžky přesahující 99,5 % s elektrickým odporem pod 50 miliohmů na průchod .

Technologie spojování plátků přizpůsobené pro sklo zahrnují anodické spojování, tavné spojování a lepení, přičemž každá je vhodná pro různé tepelné požadavky a požadavky na hermetiku. Anodické spojování borosilikátového skla s křemíkem dosahuje pevnosti spoje přesahující 20 MPa s pórovitostí na rozhraní pod 0,01 %.

Průmyslové vyhlídky a budoucí vývoj

Průmysl skleněných oplatek stojí v inflexním bodě, který je dán několika sbližujícími se trendy. Společnost Intel ohlásila skleněné substráty pro pokročilé balení se zaměřením na implementaci v Časový rámec 2030 pro procesory nové generace , potvrzuje roky investic do výzkumu a vývoje.

Analytici trhu předpokládají, že samotný segment pokročilých obalů bude do roku 2028 spotřebovávat skleněné plátky v hodnotě přes 2 miliardy USD ročně. Tento růst pramení z neukojitelné poptávky po výpočetním výkonu v oblasti umělé inteligence, autonomních vozidel a aplikací edge computingu, kde jsou elektrické výhody skla stále důležitější.

Vznikající aplikace

• Integrace fotoniky: Skleněné destičky se zabudovanými optickými vlnovody umožňují společné balení fotonických a elektronických obvodů pro optická propojení pracující s datovými rychlostmi terabit za sekundu
• Kvantové počítání: Nízké dielektrické ztráty a tepelná stabilita speciálních skel z nich činí atraktivní substráty pro supravodivá qubitová pole
• Flexibilní elektronika: Ultratenké skleněné destičky (až do tloušťky 30 mikrometrů) poskytují mechanicky flexibilní, ale chemicky odolné substráty pro ohebné displeje a nositelné senzory

Snahy o standardizaci prostřednictvím organizací, jako je SEMI, zavádějí specifikace pro rozměry skleněných plátků, tolerance rovinnosti a vlastnosti materiálů. Tyto standardy urychlí přijetí snížením technických rizik a umožněním vícezdrojových dodavatelských řetězců pro velkoobjemovou výrobu.