Egenskaber og materialesammenligning af glas-PCB-substrattyper

Et glas-PCB-substrat er det dielektriske basislag på et glasprintkort – det materiale, der giver mekanisk støtte, elektrisk isolering og platformen for ledermønsterdannelse. Det bestemmer alle kritiske elektriske og fysiske egenskaber ved det færdige printkort: dielektricitetskonstant, tabstangent, termisk udvidelse, overfladeplanhed, optisk transmittans og kemisk resistens.

Valget af substrat er ikke en sekundær beslutning. Det definerer, hvad kredsløbet kan, ved hvilken frekvens det kan fungere, og hvordan det opfører sig under temperaturændringer, fugtighed og mekanisk belastning. Ingeniører, der designer kredsløb over 10 GHz, halvledersubstrater, der kræver CTE-kompatibilitet med silicium, eller optiske kredsløb, der kræver gennemsigtighed gennem printkortet, kan ikke behandle substratvalg som en standard.

Denne vejledning dækker de fire kommercielle glassubstrattyper, der anvendes i printkortfremstilling, deres målte elektriske og termiske egenskaber, udvælgelseskriterier efter anvendelse, og hvordan substrattypen påvirker fremstillingsprocessen og leveringstiden. For en komplet oversigt over glas-printkortteknologi, se vejledningen til glas-printkort.

Få et tilbud på dit glas-PCB-projekt

---

Hvad er et glas-PCB-substrat?

I PCB-teknologi er substratet det dielektriske basislag, som alle ledere, vias og overfladebehandlinger er bygget på. I et standard FR-4 PCB er substratet en komposit af vævet glasfiber og epoxyharpiks. I et glas-PCB er substratet en homogen glasplade - sammensætningsmæssigt ensartet, uden fibervævning og fremstillet i henhold til specifikationer for optisk overfladeplanhed i stedet for standard laminattolerancer.

Glassubstratet udfører tre samtidige funktioner i det færdige printkort:

• Mekanisk bærer: giver stiv strukturel støtte til ledere, komponenter og vias i tykkelser fra 0.05 mm (ultratyndt fleksibelt glas) til 6 mm (arkitektoniske paneler)
• Elektrisk isolator: adskiller lederlag med et dielektrikum, der har definerede, stabile Dk- og Df-værdier, der anvendes i impedansberegninger
• Funktionelt materiale: bidrager med optisk gennemsigtighed, kemisk inertitet, termisk ledningsevne og dimensionsstabilitet, som FR-4 ikke kan give

Disse tre funktioner fungerer samtidigt, og valg af glastype betyder at vælge den balance af egenskaber, der tjener applikationen – ikke at optimere for en enkelt parameter isoleret set.

---

Fire typer kommercielle glassubstrater

Fire glassammensætninger anvendes kommercielt i printkortfremstilling. Hver har en distinkt kombination af elektriske, optiske, termiske og mekaniske egenskaber.

Borosilicatglas

Borosilikatglas (SiO₂ + B₂O₃, ~81% silicaindhold) er det mest anvendte glassubstrat til RF- og halvlederemballageapplikationer. Kombinationen af ​​lavt tabs-tangent (~0.004 ved 1 GHz), CTE på 3.3 ppm/°C, termisk stødmodstand og moderat pris gør det til standardvalget til 5G mmWave, bilradar og glaskerne-IC-pakkesubstrater. Borosilikat er den primære substrattype i Highleaps standard glas-PCB-produktlinje.

Smeltet silica (smeltet kvarts)

Smeltet silica (rent SiO₂, >99.9% renhed) giver den laveste dielektriske tabstab af alle kommercielle PCB-substrater – under 0.0002 ved 1 GHz og forbliver under 0.0005 over 100 GHz. Det giver også den mest stabile dielektriske konstant (Dk = 3.78 ± 0.01) på tværs af temperatur og fugtighed. Disse egenskaber gør smeltet silica til det nødvendige substrat til applikationer over 60 GHz (E-bånd, D-bånd, THz-forskning) og til præcise RF-kalibreringsstandarder. Dens CTE på 0.55 ppm/°C er det tætteste match til silicium af enhver glastype. Omkostningspræmien i forhold til borosilicat er 3-5 gange.

Soda-Lime glas

Natronkalkglas (SiO₂ + Na₂O + CaO) er standardsammensætningen, der anvendes i vinduer, flasker og fladskærmsglas. Dets højere natriumindhold giver en højere tabstangent (~0.010 ved 1 GHz) og en CTE på 9 ppm/°C – for højt til præcis silicium-CTE-matchning og marginalt til RF-applikationer over 5 GHz. Dets optiske transmittans (>90%) og lave pris gør det dog velegnet til LED-glaspaneler, arkitektoniske transparente kredsløb og detaildisplayapplikationer, hvor RF-ydeevne ikke er udvælgelseskriteriet.

Aluminosilikatglas (kemisk forstærket)

Aluminosilikatglas (SiO₂ + Al₂O₃) er basiskompositionen for kemisk forstærkede glasprodukter, herunder Corning Gorilla Glass. Kemisk forstærkning (ionbytningsproces) erstatter natriumioner i glasoverfladen med større kaliumioner, hvilket skaber et trykspændingslag, der øger overfladehårdheden og brudstyrken med 4-6 gange sammenlignet med standardglas. Dette er substratet for berøringsskærmssensorer og forbrugerenheder, der kræver ridse- og slagfasthed. Dets Dk og Df ligger mellem natronkalk og borosilikat.

---

Sammenligning af elektriske egenskaber

De elektriske egenskaber, der bestemmer substratets egnethed til RF- og højhastigheds digitale applikationer, er den dielektriske konstant (Dk) og tabstangenten (Df).

Dk-stabilitetskolonnen fortjener særlig opmærksomhed. FR-4's ±0.3-0.5 Dk-variation skyldes fibervævningen - spor, der krydser glasbundtområder, oplever en anden Dk end spor, der krydser harpiksrige zoner. Dette forårsager impedansuensartethed og differentiel parskævhed. Glassubstrater er sammensætningsmæssigt homogene - ingen fibervævning - så Dk-variationen på tværs af panelet er ubetydelig (<0.02 for borsilikat, <0.01 for smeltet silica). For fasede antenner, hvor fasekonsistens fra element til element er kritisk, er denne homogenitet et funktionelt krav.

---

Termiske og mekaniske egenskaber

CTE'en for borosilikatglas (3.3 ppm/°C) er cirka 5 gange tættere på siliciums CTE (2.6 ppm/°C) end FR-4. Dette reducerer dramatisk den termomekaniske belastning ved grænsefladen mellem die og substrat i flip-chip-kapsler. Til direkte die-tilføjelse ved bump-pitches under 100 μm er CTE-fordelen ved borosilikatglas i forhold til FR-4 forskellen mellem tilstrækkelig loddeforbindelsesudmattelseslevetid og for tidlige feltfejl. Smeltet silica ved 0.55 ppm/°C giver en endnu tættere matchning med siliciums CTE, hvilket er relevant for de mest krævende halvlederpakningsapplikationer. Dette er dækket i detaljer i glaskerne-PCB-guiden.

Sådan vælger du det rigtige glassubstrat

Valg af substrat bør følge anvendelseskravene i prioriteret rækkefølge:

• Driftsfrekvens over 60 GHz: Kun smeltet silica. Borsilikat Df ved 60-100 GHz er marginalt brugbar til meget korte transmissionslinjer; for ethvert kredsløb med >2 cm signalveje ved disse frekvenser kræves en Df på under 0.0005 for smeltet silica.
• Driftsfrekvens 10–60 GHz: Borosilikatglas. En Df på 0.004-0.006 i dette område giver tilstrækkelig indsættelsestabsydelse for 5G mmWave, 24 GHz og 77 GHz radar samt Ku/Ka-bånds satellitkredsløb. De fulde RF-ydelsesdata findes i højfrekvent glas PCB-guide.
• Halvlederpakning / fin bump pitch: Borsilikat (CTE 3.3 ppm/°C) eller smeltet silica (CTE 0.55 ppm/°C). Valget afhænger af bump-pitch og termisk cyklus-grad. For bump-pitch under 50 μm med termisk cykling i biler giver smeltet silica bedre CTE-matchning til silicium.
• LED / transparent display (indendørs): Natronkalkglas. Omkostningseffektiv, høj optisk transmittans, tilgængelig i store arkitektoniske formater. RF-ydeevne er ikke et udvælgelseskriterium.
• LED / transparent display (udendørs eller bil): Borosilikat. Kræves mod termisk stød ved udendørs temperaturcyklusser og AEC-Q100-kvalificering i bilindustrien.
• Forbrugerberøringsskærm / slagfast: Kemisk forstærket aluminosilikat. Mekanisk styrke og ridsefasthed er de primære udvælgelseskriterier.
• Præcisions RF-kalibrering eller vakuumelektronik: Smeltet silica. Maksimal Dk-stabilitet og ingen udgasning kræves.

---

Overfladebehandling og metallisering

Glassubstrater kræver overfladebehandling før aflejring af ledere, fordi glas ikke naturligt binder godt til kobber. To overfladebehandlinger er standard:

Behandling med silankoblingsmiddel påfører et molekylært adhæsionslag på glasoverfladen, hvilket giver reaktive overfladegrupper, der binder både til glassubstratet (gennem silanolkemi) og til det efterfølgende aflejrede metalkimlag (gennem funktionel gruppekemi). Denne behandling udføres umiddelbart før PVD-aflejring for at forhindre overfladekontaminering i at afbryde bindingskemien.

Plasmarensning og -aktivering bruger ilt- eller argonplasma til at fjerne organisk kontaminering fra glasoverfladen og til at skabe reaktive hydroxylgrupper (-OH) på overfladen, der forbedrer metaladhæsionen. Plasmaaktivering udføres umiddelbart før metallisering for at forhindre rekontaminering.

Efter overfladebehandling bruger lederaflejring på glas-PCB'er fysisk dampaflejring (PVD) - specifikt et titanium- eller titanium-wolfram-adhæsionslag (20-50 nm) efterfulgt af et kobberfrølag (200-500 nm) aflejret ved sputtering. Denne tyndfilmstak elektropletteres derefter til den endelige kobbertykkelse (typisk 12-35 μm for signallag, 35-70 μm for effektlag). Adhæsionsstyrken af ​​denne PVD-elektropletterede stak på korrekt forberedt glas overstiger 0.8 N/mm afskrælningsstyrke - tilstrækkeligt til alle standard PCB-samlingsprocesser, herunder reflow-lodning og trådbinding. Hele fremstillingsprocessen er beskrevet i fremstillingsvejledningen til glas-PCB.

---

Substrattype og fremstillingsproces

Glassubstrattypen påvirker valget af fremstillingsproces på to områder: via dannelse og substratsingulering.

Via-dannelse: Alle fire glastyper understøtter laser-via-dannelse. LIDE (Laser-Induced Deep Etching) foretrækkes til vias med højt aspektforhold og fin via-afstand i borsilikat og smeltet silica. CO₂-laserablation bruges til større vias (≥150 μm) i LED-applikationer med natronkalk og aluminosilikatglas. Smeltet silica kræver laserparametre, der er specifikt indstillet til dets høje renhed - det kan ikke behandles med standard borsilikatlaserparametre uden øget via-vægruhed. Den fulde TGV-proces er detaljeret i vejledningen til gennemgående glas-vias.

Substratsingulering: Glaspaneler singuleres (skæres til de endelige pladedimensioner) ved laserskærning og mekanisk separation eller ved laserskæring i fuld dybde. Mekanisk fræsning – standard for FR-4 – anvendes ikke til glas, fordi den slibende fræseproces brækker glaskanter og skaber mikrorevner, der spreder sig til substratbrud. Natronkalkglas har den laveste brudstyrke og kræver den mest omhyggelige kanthåndtering. Kemisk forstærket aluminiumsilikat er det mest modstandsdygtige over for kantbrud på grund af dets trykspændingsoverfladelag.

---

Ofte stillede spørgsmål om glas-PCB-substrat

Hvad er det mest almindeligt anvendte glassubstrat til RF-printkort?

Borosilikatglas er standard RF-glas-PCB-substratet til frekvenser fra 10 til 60 GHz. Dets tabstangent på 0.004-0.006 på tværs af dette område, kombineret med moderate omkostninger og en etableret forsyningskæde, gør det til standardvalget for 5G mmWave, bilradar og satellit-RF-kredsløb. Smeltet silica er specificeret over 60 GHz, hvor borosilikat-tabet bliver ydelsesbegrænsende.

Kan glas-PCB-substrater bruges med standard reflow-lodning?

Ja. Alle fire kommercielle glassubstrattyper er kompatible med standard SAC305 blyfri reflow-profiler (peak 245-255 °C). Glas er termisk stabilt langt over reflow-temperaturer – selve substratet ændrer ikke egenskaber gennem reflow-processen. Tynde glassubstrater (under 0.5 mm) kræver bærende fastgørelser under transport af reflow-transportbåndet for at forhindre panelbøjning ved forhøjet temperatur.

Hvad er den minimale tilgængelige substrattykkelse?

PCB-substrater af borsilikat og smeltet silicaglas fås fra 0.1 mm tykkelse i standardpanelformater. Ved 0.1 mm kan substratet kun håndteres manuelt med specialiserede vakuumarmaturer. Substrater under 0.3 mm kræver bærepaneler under hele fremstillingsprocessen. Det praktiske minimum for de fleste PCB-applikationer er 0.3 mm uden bærer. Ultratyndt glas (0.05-0.1 mm) er tilgængeligt til specialiserede fleksible glaskredsløbsapplikationer.

Hvordan er glassubstratets overfladeplanhed i forhold til FR-4?

Glassubstrater fremstilles i henhold til specifikationer for optisk overfladeplanhed. Borsilikat Ra er under 0.5 nm; smeltet silica Ra er under 0.1 nm. FR-4 overfladeruhed ved leder-dielektrisk grænseflade er 1-3 μm på grund af fibervævningsoverfladetopografien. Denne forskel i overfladeruhed på 1000-10000× har betydelige konsekvenser for ledertab ved millimeterbølgefrekvenser: strøm i overfladens dybde følger overfladeruhedsprofilen, så den glattere glasoverflade reducerer ledertabet med 15-30% ved 28 GHz sammenlignet med FR-4's ru overflade, selv når begge substrater har lignende Df-værdier.

Er borosilikatglas det samme som Pyrex?

Pyrex er et mærkenavn for en specifik borsilikatglasformulering, der oprindeligt blev fremstillet af Corning. Borsilikatglas af PCB-kvalitet fremstilles med snævrere dimensionelle og sammensætningstolerancer end Pyrex-forbrugerprodukter, men den grundlæggende kemi er den samme. Den fulde guide til borsilikatmaterialer findes på borsilikatglas-PCB.