Dienstleistungen zur Herstellung von Leiterplatten aus Borosilikatglas

Borosilikatglas-Leiterplatten sind präzisionsgefertigte Leiterplatten auf Borosilikatglas-Substraten. Sie zeichnen sich durch Dimensionsstabilität, optische Transparenz, geringe dielektrische Verluste und zuverlässige Wärmeleitfähigkeit aus. Diese Leiterplatten finden breite Anwendung in HF-Schaltungen, Automobilradar, transparenter Elektronik und IC-Gehäusen mit Glaskern. Erfolgreiche Projekte erfordern eine sorgfältige Anwendungsprüfung, Materialauswahl, DFM-Bewertung und Strukturbestätigung, um Herstellbarkeit und Leistung zu gewährleisten. Eine frühzeitige Abstimmung in der Entwicklung ist entscheidend, da sich Glassubstrate anders verhalten als FR-4 und strengere Toleranzen hinsichtlich Ebenheit, Durchkontaktierungsplatzierung und Wärmeausdehnung erfordern.

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Überblick und Vorteile von Borosilikatglas-Leiterplatten

Borosilikatglas besteht aus ca. 70–80 % SiO₂ und 10–15 % B₂O₃, wodurch es eine geringe Wärmeausdehnung, hohe Temperaturwechselbeständigkeit und geringe dielektrische Verluste aufweist. Borosilikatglas in Leiterplattenqualität wird mit engen Toleranzen (Dicke ±0.01 mm, Ebenheit Ra <0.5 µm) und minimaler Defektdichte gefertigt. Standarddicken reichen von 0.3 mm bis 3 mm, mit ultradünnen Varianten bis hinunter zu 0.1–0.2 mm durch Verwendung von Trägermaterialien sowie dickeren Platten (4–6 mm) für LED- oder Strukturbauteile.

• Der Wärmeausdehnungskoeffizient (CTE) ist dem von Silizium sehr ähnlich (~3.3 ppm/°C gegenüber 2.6 ppm/°C), wodurch die Lötspannung reduziert und die Zuverlässigkeit verbessert wird. IC-Gehäuse mit Glaskern.
• Niedrige dielektrische Verluste (Df ~0.004–0.010 über 1–77 GHz), geeignet für Hochfrequenz-Impedanzkontrolldesigns, Phased-Array-Antennen und mmWave-Anwendungen.
• Dimensionsstabilität und Planheit ermöglichen präzise Leiterbahnführung und Gehäusestrukturen, die für mehrlagige Glasschaltungen und hochdichte Interposer-Layouts von entscheidender Bedeutung sind.
• Die fehlende Feuchtigkeitsaufnahme erhöht die Langzeitzuverlässigkeit in der Luft- und Raumfahrt, der Automobilindustrie und in industriellen Umgebungen.
• Optische Transparenz (91–93 % sichtbares Licht) ermöglicht die Integration in transparente Elektronik, Sensoren und LED-Arrays.

Im Vergleich zu FR-4-Leiterplatten erfordern Borosilikatglas-Leiterplatten spezielle Fertigungsschritte: laserbasierte Durchkontaktierung für vertikale Verbindungen, PVD-Metallisierung für die konforme Kupferabscheidung und fotolithografische Strukturierung für ultrafeine Leiterbahngeometrien. Diese Prozesse gewährleisten präzise elektrische und mechanische Eigenschaften und ermöglichen gleichzeitig fortschrittliche Schaltungsarchitekturen.

Elektrische und thermische Eigenschaften

Borosilikatglas weist über einen weiten Frequenzbereich stabile elektrische Eigenschaften auf. Die Dielektrizitätskonstante (Dk) liegt zwischen 4.55 bei 1 GHz und 4.47 bei 77 GHz, mit einem niedrigen Verlustfaktor (Df) von ca. 0.004–0.010. Dadurch eignet es sich ideal für HF-, 5G-Millimeterwellen- und Hochgeschwindigkeits-Digitalschaltungen. Die geringe Variation der Dielektrizitätskonstante vereinfacht die Impedanzregelung und reduziert Signalverzerrungen.

Zu den thermischen Eigenschaften gehören:

• CTE-Abgleich: Reduziert die thermische Belastung von Flip-Chip- und Gehäuseschaltungen und unterstützt Bump-Pitches von 50–100 μm. Gewährleistet die langfristige Zuverlässigkeit von Lötverbindungen in Automobilradar- und Hochfrequenz-IC-Gehäusen.
• Wärmeschockbeständigkeit: Stabil von −40 °C bis +500 °C, geeignet für Anwendungen in der Automobil-, Luft- und Raumfahrt-, Industrie- und Schifffahrtsbranche, wo schnelle Temperaturwechsel auftreten.
• Wärmeleitfähigkeit: Mit etwa 1.2 W/m·K ist die Wärmeleitfähigkeit für eine moderate Wärmeabfuhr in LEDs, HF-Modulen und kompakten Gehäusebaugruppen ausreichend. Thermische Simulationen und Leistungsdichteberechnungen ermöglichen eine optimierte Anordnung für dauerhafte Leistung.

Bei der elektrischen Auslegung müssen Leiterbahnbreite, Schichtdicke, Durchkontaktierungskapazität und die Strategie der vertikalen Verbindungen berücksichtigt werden, um Impedanz, Signalintegrität und Wärmemanagement zu gewährleisten. Die DFM-Prüfung stellt sicher, dass diese Parameter frühzeitig verifiziert werden, wobei die Fertigungsmöglichkeiten für Glasfaser-Leiterplatten berücksichtigt werden.

Mechanische, optische und chemische Eigenschaften

Leiterplatten aus Borosilikatglas bieten eine Kombination aus Steifigkeit, optischer Transparenz und chemischer Beständigkeit:

• Mechanische Stabilität: Steif, plan und maßhaltig; beim Umgang mit Kanten und Ecken sind Vorsichtsmaßnahmen erforderlich, um Absplitterungen oder Risse zu vermeiden. Zum Vereinzeln wird üblicherweise Laserritzen oder ein Schnitt in voller Tiefe verwendet.
• Optische leistung: 91–93 % Lichtdurchlässigkeit im sichtbaren Bereich, 91–95 % im nahen Infrarotbereich, geeignet für transparente Elektronik, optische Sensoren und LED-Panels. Dies ermöglicht die Integration optischer Zonen ohne Beeinträchtigung der elektrischen Verkabelung.
• Chemische Resistenz: Hydrolytische Klasse 1 (ISO 719), beständig gegen Säuren, Basen, Lösungsmittel und gängige Reinigungsmittel. Geeignet für Schutzlackierungen, Vergussmassen und Klebstoffe für Außenanwendungen und Anwendungen unter rauen Umgebungsbedingungen.
• Oberflächenenergie: Eine hohe Oberflächenenergie verbessert die Haftung von PVD-Metallfilmen, Fotolacken und Schutzlacken. Durch Plasmabehandlung lässt sich die Oberflächenaktivierung weiter steigern.

Diese mechanischen, optischen und chemischen Eigenschaften ermöglichen eine hochdichte Leiterbahnführung, eine präzise Pad-Platzierung und die Integration thermischer oder optischer Merkmale bei gleichzeitiger Gewährleistung langfristiger Zuverlässigkeit in rauen Umgebungen.

Konstruktions-, Herstellbarkeits- und DFM-Überlegungen

Die DFM-Prüfung ist entscheidend, um die Herstellbarkeit von Borosilikat-Leiterplattendesigns sicherzustellen. Glas verhält sich anders als FR-4: Es ist spröde, formstabil und empfindlich gegenüber Kantenspannungen. Wichtige Aspekte sind:

• Via-Platzierung, Durchmesser und Planung vertikaler Verbindungen, siehe Referenz Anforderungen an die Glasdurchführung
• Leiterbahnbreite, Leiterbahnabstand und kontrollierte Impedanzvorgaben sind entscheidend für Hochfrequenz- und HF-Designs.
• Pad-Geometrie, Schichtsymmetrie und Kupferverteilung zur Minimierung von Verformung und mechanischer Spannung
• Kantenbearbeitung, Ausschnitte und Substrathandhabung für Laservereinzelung oder optische Kantenqualität
• Optische Zonen, Transparenz und Montagebeschränkungen zur Vermeidung von Fehlausrichtungen und zur Aufrechterhaltung der Planarität

Eine frühzeitige DFM-Prüfung stellt sicher, dass Prototypen oder Kleinserien die elektrischen, mechanischen und thermischen Anforderungen erfüllen. Das Feedback aus dieser Prüfung dient als Grundlage für Layoutanpassungen, Pad-Design und Prozessauswahl, um eine gleichbleibende Ausbeute zu gewährleisten.

Anwendungs- und Produktionsplanung

Leiterplatten aus Borosilikatglas werden für Projekte ausgewählt, die elektrische Leistungsfähigkeit, thermische Stabilität oder Transparenz erfordern:

• 5G mmWave-HF-Module, Phased-Array-Antennen und AiP-Systeme, die eine präzise Impedanzsteuerung erfordern
• Automobil-Radarschaltungen (77 GHz) und kompakte Sensormodule
• IC-Gehäuse mit Glaskern für die Flip-Chip-Integration mit feiner Rasterteilung
• Transparente LED-Panels und optisch empfindliche Elektronik
• Elektronik für raue Umgebungen: Luft- und Raumfahrt, Schifffahrt, Öl und Gas, industrielle Hochtemperatursysteme
• Optische Biosensoren und Lab-on-a-Chip-Systeme, die chemische Stabilität und Sterilisationskompatibilität erfordern

Die Produktionsplanung umfasst die Prototypenbewertung, die Montagevorbereitung und die Serienfertigung. Oberflächenbeschaffenheit, Pad-Platzierung, Durchkontaktierungsfüllung und Kantenschutz werden bereits in der frühen Entwicklungsphase optimiert. Konstrukteure können über die Angebotsseite Dateien einreichen , um detailliertes Feedback zur Herstellbarkeit zu erhalten und so sicherzustellen, dass das Projekt den Material- und Prozessvorgaben entspricht.