Vlastnosti a porovnání materiálů typů skleněných desek plošných spojů

Skleněný substrát desky plošných spojů (PCB) je základní dielektrická vrstva skleněné desky plošných spojů – materiál, který poskytuje mechanickou oporu, elektrickou izolaci a platformu pro strukturování vodičů. Určuje všechny kritické elektrické a fyzikální vlastnosti hotové desky: dielektrickou konstantu, ztrátovou tangens, tepelnou roztažnost, rovinnost povrchu, optickou propustnost a chemickou odolnost.

Volba substrátu není druhořadým rozhodnutím. Definuje, co obvod dokáže, na jaké frekvenci může pracovat a jak se chová při teplotních cyklech, vlhkosti a mechanickém namáhání. Inženýři navrhující obvody nad 10 GHz, polovodičové substráty vyžadující kompatibilitu CTE s křemíkem nebo optické obvody vyžadující průhlednost desky nemohou považovat výběr substrátu za implicitní.

Tato příručka se zabývá čtyřmi komerčními typy skleněných substrátů používaných při výrobě desek plošných spojů, jejich naměřenými elektrickými a tepelnými vlastnostmi, kritérii výběru podle aplikace a tím, jak typ substrátu ovlivňuje výrobní proces a dodací lhůtu. Úplný přehled technologie skleněných desek plošných spojů naleznete v příručce pro skleněné desky plošných spojů.

Získejte cenovou nabídku na váš projekt skleněných desek plošných spojů

---

Co je to skleněný substrát pro desky plošných spojů?

V technologii desek plošných spojů (PCB) je substrát základní dielektrickou vrstvou, na které jsou postaveny všechny vodiče, prostupy a povrchové úpravy. U standardních desek plošných spojů FR-4 je substrát kompozitní materiál z tkaných skelných vláken a epoxidové pryskyřice. U skleněných desek plošných spojů je substrátem homogenní skleněná tabule – kompozičně jednotná, bez tkaní vláken a vyrobená podle specifikací optické rovinnosti povrchu, nikoli podle standardních tolerancí laminátu.

Skleněný substrát plní v hotové desce plošných spojů tři současné funkce:

• Mechanický nosič: poskytuje pevnou strukturální oporu pro vodiče, součástky a prostupy o tloušťkách od 0.05 mm (ultratenké flexibilní sklo) do 6 mm (architektonické panely)
• Elektrický izolant: odděluje vrstvy vodičů dielektrikem s definovanými, stabilními hodnotami Dk a Df používanými při výpočtech impedance
• Funkční materiál: přispívá k optické průhlednosti, chemické inertitě, tepelné vodivosti a rozměrové stálosti, které FR-4 nemůže poskytnout

Tyto tři funkce fungují současně a výběr typu skla znamená výběr rovnováhy vlastností, která slouží dané aplikaci – nikoli optimalizaci pro jakýkoli jednotlivý parametr izolovaně.

---

Čtyři typy komerčních skleněných substrátů

Při výrobě desek plošných spojů se komerčně používají čtyři složení skla. Každé z nich má odlišnou kombinaci elektrických, optických, tepelných a mechanických vlastností.

Borosilikátové sklo

Borosilikátové sklo (SiO₂ + B₂O₃, obsah oxidu křemičitého ~81 %) je nejpoužívanějším skleněným substrátem pro pouzdra vysokofrekvenčních a polovodičových technologií. Jeho kombinace nízkého ztrátového tangensu (~0.004 při 1 GHz), koeficientu tepelné roztažnosti (CTE) 3.3 ppm/°C, odolnosti vůči tepelným šokům a mírné ceny z něj činí výchozí volbu pro pouzdra 5G mmWave, automobilových radarů a skleněných integrovaných obvodů. Borosilikát je primárním typem substrátu ve standardní řadě skleněných desek plošných spojů společnosti Highleap.

Tavený oxid křemičitý (tavený křemen)

Křemenné tavené oxidy křemičité (čistý SiO₂, čistota >99.9 %) poskytují nejnižší tangens dielektrických ztrát ze všech komerčních substrátů desek plošných spojů – pod 0.0002 při 1 GHz a pod 0.0005 nad 100 GHz. Poskytují také nejstabilnější dielektrickou konstantu (Dk = 3.78 ± 0.01) v závislosti na teplotě a vlhkosti. Díky těmto vlastnostem je křemenné tavené oxidy křemičité nezbytným substrátem pro aplikace nad 60 GHz (výzkum v pásmu E, pásmu D, THz) a pro přesné kalibrační standardy RF. Jeho součinitel tepelné roztavenosti 0.55 ppm/°C se nejvíce blíží křemíku ze všech typů skla. Cenová přirážka oproti borosilikátu je 3–5×.

Sodno-vápenaté sklo

Sodnovápenaté sklo (SiO₂ + Na₂O + CaO) je standardní složení používané v oknech, lahvích a skle pro ploché displeje. Jeho vyšší obsah sodíku má za následek vyšší tangentu ztrát (~0.010 při 1 GHz) a CTE 9 ppm/°C – což je příliš vysoké pro přesné přizpůsobení CTE křemíku a hraniční hodnota pro RF aplikace nad 5 GHz. Jeho optická propustnost (>90 %) a nízká cena ho však předurčují pro LED skleněné panely, architektonické transparentní obvody a aplikace v maloobchodních displejích, kde RF výkon není kritériem výběru.

Hlinitokřemičité sklo (chemicky zpevněné)

Hlinitokřemičité sklo (SiO₂ + Al₂O₃) je základním složením pro chemicky zpevněné skleněné výrobky včetně skla Corning Gorilla Glass. Chemické zpevnění (proces iontové výměny) nahrazuje ionty sodíku na povrchu skla většími ionty draslíku, čímž vytváří vrstvu tlakového napětí, která zvyšuje tvrdost povrchu a odolnost proti lomu 4–6krát ve srovnání se standardním sklem. Toto je substrát pro dotykové senzory a spotřební zařízení vyžadující odolnost proti poškrábání a nárazu. Jeho Dk a Df jsou mezi sodno-vápenatým a borosilikátovým sklem.

---

Porovnání elektrických vlastností

Elektrické vlastnosti, které určují vhodnost substrátu pro RF a vysokorychlostní digitální aplikace, jsou dielektrická konstanta (Dk) a tangens úbytku (Df).

Zvláštní pozornost si zaslouží sloupec stability Dk. Variace Dk ±0.3–0.5 u FR-4 je způsobena vazbou vláken – stopy protínající oblasti svazku skleněných vláken vykazují jinou hodnotu Dk než stopy protínající zóny bohaté na pryskyřici. To způsobuje impedanční nerovnoměrnost a diferenciální párové zkreslení. Skleněné substráty jsou kompozičně homogenní – bez vazby vláken – takže variabilita Dk napříč panelem je zanedbatelná (<0.02 pro borosilikát, <0.01 pro tavený oxid křemičitý). U fázovaných anténních soustav, kde je fázová konzistence mezi prvky kritická, je tato homogenita funkčním požadavkem.

---

Tepelné a mechanické vlastnosti

Součinitel tepelné roztažnosti (CTE) borosilikátového skla (3.3 ppm/°C) je přibližně 5× blíže CTE křemíku (2.6 ppm/°C) než FR-4. To dramaticky snižuje termomechanické napětí na rozhraní čip-substrát v pouzdrech typu flip-chip. Pro přímé připojení čipů s roztečí výčnělků pod 100 μm je výhodou CTE borosilikátu oproti FR-4 rozdíl mezi dostatečnou únavovou životností pájeného spoje a předčasnými poruchami v poli. Tavený oxid křemičitý s koncentrací 0.55 ppm/°C poskytuje ještě bližší shodu s CTE křemíku, což je relevantní pro nejnáročnější aplikace v oblasti pouzder polovodičů. Toto je podrobně popsáno v průvodci deskami plošných spojů se skleněným jádrem.

Jak vybrat správný skleněný substrát

Výběr substrátu by měl splňovat požadavky aplikace v pořadí priorit:

• Provozní frekvence nad 60 GHz: Pouze tavený oxid křemičitý. Borosilikát Df při 60–100 GHz je okrajově použitelný pro velmi krátké přenosové vedení; pro jakýkoli obvod se signálovými cestami > 2 cm při těchto frekvencích je vyžadován tavený oxid křemičitý Df pod 0.0005.
• Provozní frekvence 10–60 GHz: Borosilikátové sklo. Df 0.004–0.006 v tomto rozsahu poskytuje dostatečný výkon vložného útlumu pro 5G mmWave, radar 24 GHz a 77 GHz a satelitní obvody v pásmu Ku/Ka. Úplné údaje o rádiovém výkonu jsou uvedeny v vysokofrekvenční skleněný vodič pro desky plošných spojů.
• Pouzdro polovodičů / jemná rozteč pájecích vodičů: Borosilikát (CTE 3.3 ppm/°C) nebo tavený oxid křemičitý (CTE 0.55 ppm/°C). Výběr závisí na rozteči hrbolů a závažnosti tepelného cyklu. Pro rozteč hrbolů pod 50 μm při tepelném cyklování v automobilovém průmyslu poskytuje tavený oxid křemičitý lepší shodu CTE s křemíkem.
• LED / průhledný displej (vnitřní): Sodnovápenaté sklo. Cenově výhodné, vysoká optická propustnost, dostupné ve velkých architektonických formátech. VF výkon není kritériem výběru.
• LED / průhledný displej (venkovní nebo automobilový): Borosilikát. Odolnost proti tepelným šokům je vyžadována pro cyklické střídání venkovních teplot a pro automobilový průmysl splňuje normu AEC-Q100.
• Dotyková obrazovka pro spotřebitele / odolná proti nárazu: Chemicky zpevněný hlinitokřemičitan. Mechanická pevnost a odolnost proti poškrábání jsou hlavními kritérii výběru.
• Přesná RF kalibrace nebo vakuová elektronika: Křemenná slitina. Maximální stabilita Dk a nulové odplyňování.

---

Příprava povrchu a metalizace

Skleněné substráty vyžadují před nanesením vodičů přípravu povrchu, protože sklo se přirozeně dobře nespojuje s mědí. Standardní jsou dvě povrchové úpravy:

Ošetření silanovým vazebným činidlem nanáší na povrch skla molekulární adhezní vrstvu, která vytváří reaktivní povrchové skupiny, jež se vážou jak na skleněný substrát (prostřednictvím silanolové chemie), tak na následně nanesenou vrstvu kovového zárodku (prostřednictvím chemie funkčních skupin). Toto ošetření se provádí bezprostředně před PVD depozicí, aby se zabránilo přerušení chemického procesu v důsledku kontaminace povrchu.

Plazmové čištění a aktivace využívá kyslíkovou nebo argonovou plazmu k odstranění organické kontaminace z povrchu skla a k vytvoření reaktivních hydroxylových skupin (–OH) na povrchu, které zlepšují adhezi kovu. Plazmová aktivace se provádí bezprostředně před metalizací, aby se zabránilo opětovné kontaminaci.

Po přípravě povrchu se na skleněné depozice vodičů na deskách plošných spojů (PCB) provádí fyzikální depozicí z plynné fáze (PVD) – konkrétně se nanáší adhezní vrstva z titanu nebo titanu a wolframu (20–50 nm), po níž následuje vrstva měděného zárodku (200–500 nm) nanášená naprašováním. Tato tenká vrstva se poté galvanicky pokoví na konečnou tloušťku mědi (obvykle 12–35 μm pro signální vrstvy, 35–70 μm pro výkonové vrstvy). Adhezní pevnost této galvanicky pokovené vrstvy PVD na správně připraveném skle přesahuje pevnost v odlupování 0.8 N/mm – což je dostatečné pro všechny standardní procesy montáže desek plošných spojů, včetně pájení reflow a spojování vodičů. Úplný výrobní proces je popsán v průvodci výrobou skleněných desek plošných spojů.

---

Typ substrátu a výrobní proces

Typ skleněného substrátu ovlivňuje výběr výrobního procesu ve dvou oblastech: formování přesahu a jednotkové rozdělení substrátu.

Tvorba průchodů: Všechny čtyři typy skla podporují tvorbu průchodů laserem. LIDE (Laser-Induced Deep Etching) je preferováno pro průchody s vysokým poměrem stran a jemnou roztečí průchodů v borosilikátovém a křemičitém skelném vlákně. Ablace CO₂ laserem se používá pro větší průchody (≥150 μm) v aplikacích LED ze sodnovápenatého a hlinitokřemičitého skla. Křemičitý skelný vláknitý ...

Jednotlivé řezy substrátu: Skleněné panely se jednotlivě řezají (řezají se na konečné rozměry desky) laserovým rýhováním a mechanickým dělením nebo laserovým řezáním do plné hloubky. Mechanické frézování – standardní pro FR-4 – se u skla nepoužívá, protože abrazivní frézovací proces láme hrany skla a vytváří mikrotrhliny, které se šíří až k porušení substrátu. Sodnovápenaté sklo má nejnižší lomovou houževnatost a vyžaduje nejpečlivější zacházení s hranami. Chemicky zpevněný hlinitokřemičitan je nejodolnější vůči lomu hran díky své povrchové vrstvě s tlakovým napětím.

---

Nejčastější dotazy k substrátům skleněných desek plošných spojů

Jaký je nejčastěji používaný skleněný substrát pro RF desky plošných spojů?

Borosilikátové sklo je standardním substrátem pro plošné spoje s vysokofrekvenčním sklem pro frekvence od 10 do 60 GHz. Jeho tangens ztrát 0.004–0.006 v tomto rozsahu v kombinaci s mírnou cenou a zavedeným dodavatelským řetězcem z něj činí výchozí volbu pro 5G mmWave, automobilové radary a satelitní vysokofrekvenční obvody. Tavený oxid křemičitý je specifikován nad 60 GHz, kde se ztráty v borosilikátovém skle stávají omezujícími pro výkon.

Lze použít skleněné substráty desek plošných spojů při standardním pájení reflow?

Ano. Všechny čtyři komerční typy skleněných substrátů jsou kompatibilní se standardními profily pro bezolovnaté přetavování SAC305 (vrchol 245–255 °C). Sklo je tepelně stabilní výrazně nad teplotami přetavování – samotný substrát nemění vlastnosti během procesu přetavování. Tenké skleněné substráty (pod 0.5 mm) vyžadují během přepravy přetavovacím dopravníkem upevnění nosičů, aby se zabránilo ohýbání panelu při zvýšené teplotě.

Jaká je minimální dostupná tloušťka substrátu?

Borosilikátové a křemičité skleněné substráty pro desky plošných spojů jsou k dispozici od tloušťky 0.1 mm ve standardních formátech panelů. Při tloušťce 0.1 mm lze se substrátem manipulovat ručně pouze pomocí specializovaných vakuových přípravků. Substráty s tloušťkou menší než 0.3 mm vyžadují nosné panely během celého výrobního procesu. Praktické minimum pro většinu aplikací na deskách plošných spojů je 0.3 mm bez nosiče. Pro specializované aplikace v oblasti flexibilních skleněných obvodů je k dispozici ultratenké sklo (0.05–0.1 mm).

Jak si rovinnost povrchu skleněného substrátu vede v porovnání s FR-4?

Skleněné substráty se vyrábějí podle specifikací optické rovinnosti povrchu. Borosilikát Ra je pod 0.5 nm; tavený oxid křemičitý Ra je pod 0.1 nm. Drsnost povrchu FR-4 na rozhraní vodič-dielektrikum je 1–3 μm v důsledku topografie povrchu s vláknitou vazbou. Tento 1000–10000× rozdíl v drsnosti povrchu má významné důsledky pro ztráty ve vodiči na milimetrových vlnových frekvencích: proud v hloubce povrchu sleduje profil drsnosti povrchu, takže hladší skleněný povrch snižuje ztráty ve vodiči o 15–30 % při 28 GHz ve srovnání s drsným povrchem FR-4, a to i v případě, že oba substráty mají podobné hodnoty Df.

Je borosilikátové sklo totéž co Pyrex?

Pyrex je obchodní název pro specifickou recepturu borosilikátového skla, kterou původně vyráběla společnost Corning. Borosilikátové sklo pro výrobu desek plošných spojů (PCB) se vyrábí s přísnějšími rozměrovými a kompozičními tolerancemi než spotřebitelské produkty Pyrex, ale základní chemické složení je podobné. Úplný průvodce borosilikátovými materiály naleznete na adrese borosilikátové sklo PCB.