Eigenschaften und Materialvergleich von Glas-Leiterplattensubstraten

Das Glassubstrat einer Leiterplatte bildet die dielektrische Basisschicht – es dient der mechanischen Stabilität, der elektrischen Isolation und der Strukturierung der Leiterbahnen. Es bestimmt alle kritischen elektrischen und physikalischen Eigenschaften der fertigen Leiterplatte: Dielektrizitätskonstante, Verlustfaktor, Wärmeausdehnung, Oberflächenebenheit, Lichtdurchlässigkeit und chemische Beständigkeit.

Die Wahl des Substrats ist keine nebensächliche Entscheidung. Sie bestimmt die Leistungsfähigkeit der Schaltung, ihre Betriebsfrequenz und ihr Verhalten unter Temperaturschwankungen, Feuchtigkeit und mechanischer Belastung. Ingenieure, die Schaltungen über 10 GHz, Halbleitergehäusesubstrate mit erforderlicher Wärmeausdehnungskoeffizientenkompatibilität zu Silizium oder optische Schaltungen mit Transparenz durch die Leiterplatte entwickeln, dürfen die Substratwahl nicht als Standard betrachten.

Dieser Leitfaden beschreibt die vier in der Leiterplattenfertigung verwendeten kommerziellen Glassubstrattypen, ihre gemessenen elektrischen und thermischen Eigenschaften, Auswahlkriterien je nach Anwendung sowie den Einfluss des Substrattyps auf den Fertigungsprozess und die Lieferzeit. Einen vollständigen Überblick über die Glas-Leiterplattentechnologie finden Sie im Leitfaden zu Glas-Leiterplatten.

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Was ist ein Glas-Leiterplattensubstrat?

In der Leiterplattentechnologie bildet das Substrat die dielektrische Basisschicht, auf der alle Leiterbahnen, Durchkontaktierungen und Oberflächenstrukturen aufgebaut sind. Bei einer Standard-FR-4-Leiterplatte besteht das Substrat aus einem Verbundwerkstoff aus Glasfasergewebe und Epoxidharz. Bei einer Glas-Leiterplatte hingegen ist das Substrat eine homogene Glasscheibe – gleichmäßig in der Zusammensetzung, ohne Fasergewebe und gefertigt nach Spezifikationen für optische Oberflächenebenheit anstelle der üblichen Laminattoleranzen.

Das Glassubstrat erfüllt in der fertigen Leiterplatte drei gleichzeitige Funktionen:

• Mechanischer Träger: bietet starre strukturelle Unterstützung für Leiter, Bauteile und Durchkontaktierungen bei Dicken von 0.05 mm (ultradünnes flexibles Glas) bis 6 mm (Architekturpaneele)
• Elektrischer Isolator: trennt die Leiterschichten mit einem Dielektrikum, das definierte, stabile Dk- und Df-Werte aufweist, die in Impedanzberechnungen verwendet werden.
• Funktionsmaterial: trägt optische Transparenz, chemische Inertheit, Wärmeleitfähigkeit und Dimensionsstabilität bei, die FR-4 nicht bieten kann.

Diese drei Funktionen wirken gleichzeitig, und die Wahl des Glastyps bedeutet, die richtige Balance der Eigenschaften für die jeweilige Anwendung zu finden – und nicht, einen einzelnen Parameter isoliert zu optimieren.

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Vier Arten von kommerziellen Glassubstraten

Vier Glaszusammensetzungen werden kommerziell in der Leiterplattenherstellung eingesetzt. Jede weist eine spezifische Kombination elektrischer, optischer, thermischer und mechanischer Eigenschaften auf.

Borosilikatglas

Borosilikatglas (SiO₂ + B₂O₃, ca. 81 % Siliciumdioxid) ist das am weitesten verbreitete Glassubstrat für HF- und Halbleitergehäuse. Seine Kombination aus niedrigem Verlustfaktor (ca. 0.004 bei 1 GHz), Wärmeausdehnungskoeffizient von 3.3 ppm/°C, Temperaturwechselbeständigkeit und moderaten Kosten macht es zur Standardwahl für 5G-Millimeterwellen-, Automobilradar- und IC-Gehäusesubstrate mit Glaskern. Borosilikatglas ist der primäre Substrattyp in Highleaps Standard-Glasleiterplatten-Produktlinie.

Quarzglas (Fused Quartz)

Quarzglas (reines SiO₂, >99.9 % Reinheit) bietet den niedrigsten dielektrischen Verlustfaktor aller kommerziellen Leiterplattensubstrate – unter 0.0002 bei 1 GHz und unter 0.0005 oberhalb von 100 GHz. Es weist zudem die stabilste Dielektrizitätskonstante (Δk = 3.78 ± 0.01) über den gesamten Temperatur- und Feuchtigkeitsbereich auf. Aufgrund dieser Eigenschaften ist Quarzglas das ideale Substrat für Anwendungen oberhalb von 60 GHz (E-Band, D-Band, THz-Forschung) und für präzise HF-Kalibrierstandards. Sein Wärmeausdehnungskoeffizient von 0.55 ppm/°C entspricht dem von Silizium von allen Glasarten am besten. Die Kosten sind im Vergleich zu Borosilikatglas 3- bis 5-mal höher.

Natron-Kalk-Glas

Natronkalkglas (SiO₂ + Na₂O + CaO) ist die Standardzusammensetzung für Fenster, Flaschen und Flachbildschirme. Sein hoher Natriumgehalt führt zu einem höheren Verlustfaktor (ca. 0.010 bei 1 GHz) und einem Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE) von 9 ppm/°C – zu hoch für eine präzise Anpassung des CTE an Silizium und grenzwertig für HF-Anwendungen oberhalb von 5 GHz. Aufgrund seiner optischen Transmission (>90 %) und der geringen Kosten eignet es sich jedoch für LED-Glaspaneele, transparente Architekturschaltungen und Displays im Einzelhandel, bei denen die HF-Leistung nicht das Auswahlkriterium ist.

Aluminosilikatglas (chemisch gehärtet)

Aluminosilikatglas (SiO₂ + Al₂O₃) bildet die Basis für chemisch gehärtete Glasprodukte wie Corning Gorilla Glass. Bei der chemischen Härtung (Ionenaustauschverfahren) werden Natriumionen in der Glasoberfläche durch größere Kaliumionen ersetzt. Dadurch entsteht eine Druckspannungsschicht, die die Oberflächenhärte und Bruchfestigkeit im Vergleich zu Standardglas um das 4- bis 6-Fache erhöht. Dieses Material dient als Substrat für Touchscreen-Sensoren und Endgeräte, die kratz- und stoßfest sein müssen. Seine Werte für die Karbid-Dichte (Dk) und den Faseranteil (Df) liegen zwischen denen von Kalk-Natron- und Borosilikatglas.

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Vergleich der elektrischen Eigenschaften

Die elektrischen Eigenschaften, die die Eignung eines Substrats für HF- und digitale Hochgeschwindigkeitsanwendungen bestimmen, sind die Dielektrizitätskonstante (Dk) und der Verlustfaktor (Df).

Die Spalte „Dk-Stabilität“ verdient besondere Beachtung. Die Dk-Schwankung von ±0.3–0.5 bei FR-4 wird durch die Faserstruktur verursacht: Leiterbahnen, die über Glasfaserbündel verlaufen, weisen einen anderen Dk-Wert auf als Leiterbahnen über harzreichen Bereichen. Dies führt zu Impedanzinhomogenitäten und einer Verzerrung der differentiellen Paare. Glassubstrate sind homogen in ihrer Zusammensetzung – sie weisen keine Faserstruktur auf –, sodass die Dk-Schwankung innerhalb des Panels vernachlässigbar ist (<0.02 für Borosilikatglas, <0.01 für Quarzglas). Für Phased-Array-Antennen, bei denen die Phasenkonsistenz zwischen den Elementen entscheidend ist, ist diese Homogenität eine funktionale Voraussetzung.

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Thermische und mechanische Eigenschaften

Der Wärmeausdehnungskoeffizient (CTE) von Borosilikatglas (3.3 ppm/°C) liegt etwa fünfmal näher am CTE von Silizium (2.6 ppm/°C) als der von FR-4. Dies reduziert die thermomechanische Spannung an der Chip-Substrat-Grenzfläche in Flip-Chip-Gehäusen erheblich. Bei der direkten Chipmontage mit Bump-Pitches unter 100 µm ist der CTE-Vorteil von Borosilikatglas gegenüber FR-4 entscheidend für eine ausreichende Lötstellenlebensdauer und verhindert vorzeitige Ausfälle im Feld. Quarzglas mit einem CTE von 0.55 ppm/°C bietet eine noch bessere Übereinstimmung mit dem CTE von Silizium, was für die anspruchsvollsten Halbleitergehäuseanwendungen relevant ist. Dies wird im Leitfaden für Leiterplatten mit Glaskern ausführlich beschrieben.

Wie man das richtige Glassubstrat auswählt

Die Auswahl des Substrats sollte sich nach den Anwendungsanforderungen in der Reihenfolge ihrer Priorität richten:

• Betriebsfrequenz über 60 GHz: Ausschließlich Quarzglas. Borosilikatglas mit einem Df-Wert bei 60–100 GHz ist nur bedingt für sehr kurze Übertragungsleitungen geeignet; für jede Schaltung mit Signalwegen >2 cm bei diesen Frequenzen ist Quarzglas mit einem Df-Wert unter 0.0005 erforderlich.
• Betriebsfrequenz 10–60 GHz: Borosilikatglas. Ein Df-Wert von 0.004–0.006 in diesem Bereich bietet ausreichende Einfügungsdämpfung für 5G-Millimeterwellen-, 24-GHz- und 77-GHz-Radar- sowie Ku/Ka-Band-Satellitenschaltungen. Die vollständigen HF-Leistungsdaten finden Sie in der [Referenz einfügen]. Hochfrequenz-Glas-Leiterplattenführung.
• Halbleitergehäuse / Feiner Kontaktabstand: Borosilikatglas (Wärmeausdehnungskoeffizient 3.3 ppm/°C) oder Quarzglas (Wärmeausdehnungskoeffizient 0.55 ppm/°C). Die Auswahl hängt vom Bump-Pitch und der Intensität der Temperaturwechselbeanspruchung ab. Bei einem Bump-Pitch unter 50 μm und Temperaturwechselbeanspruchung im Automobilbereich bietet Quarzglas eine bessere Anpassung des Wärmeausdehnungskoeffizienten an Silizium.
• LED-/transparentes Display (für Innenräume): Kalk-Natron-Glas. Kostengünstig, hohe Lichtdurchlässigkeit, erhältlich in großen Architekturformaten. HF-Eigenschaften sind kein Auswahlkriterium.
• LED-/transparentes Display (für den Außenbereich oder für Fahrzeuge): Borosilikat. Thermische Schockbeständigkeit erforderlich für Außentemperaturzyklen und die Automobil-Qualifizierung AEC-Q100.
• Touchscreen für Endverbraucher / stoßfest: Chemisch gehärtetes Aluminosilikat. Mechanische Festigkeit und Kratzfestigkeit sind die wichtigsten Auswahlkriterien.
• Präzisions-HF-Kalibrierung oder Vakuumelektronik: Quarzglas. Maximale Dk-Stabilität und keine Ausgasung erforderlich.

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Oberflächenvorbereitung und Metallisierung

Glassubstrate erfordern vor der Leiterabscheidung eine Oberflächenvorbereitung, da Glas von Natur aus keine gute Haftung an Kupfer aufweist. Zwei Oberflächenbehandlungen sind Standard:

Durch die Behandlung mit einem Silan-Haftvermittler wird eine molekulare Haftschicht auf die Glasoberfläche aufgebracht. Diese Schicht erzeugt reaktive Oberflächengruppen, die sowohl an das Glassubstrat (über Silanolchemie) als auch an die nachfolgend abgeschiedene Metallkeimschicht (über funktionelle Gruppenchemie) binden. Die Behandlung erfolgt unmittelbar vor der PVD-Abscheidung, um zu verhindern, dass Oberflächenverunreinigungen die Bindungsreaktion beeinträchtigen.

Bei der Plasmareinigung und -aktivierung wird Sauerstoff- oder Argonplasma eingesetzt, um organische Verunreinigungen von der Glasoberfläche zu entfernen und reaktive Hydroxylgruppen (–OH) zu erzeugen, die die Metallhaftung verbessern. Die Plasmaaktivierung erfolgt unmittelbar vor der Metallisierung, um eine erneute Kontamination zu verhindern.

Nach der Oberflächenvorbereitung erfolgt die Leiterbahnbeschichtung auf Glas-Leiterplatten mittels physikalischer Gasphasenabscheidung (PVD). Konkret wird zunächst eine Titan- oder Titan-Wolfram-Haftschicht (20–50 nm) aufgebracht, gefolgt von einer Kupferkeimschicht (200–500 nm), die durch Sputtern abgeschieden wird. Dieser Dünnschichtstapel wird anschließend galvanisch auf die endgültige Kupferdicke (typischerweise 12–35 µm für Signalschichten, 35–70 µm für Leistungsschichten) abgeschieden. Die Haftfestigkeit dieses PVD-galvanisierten Stapels auf ordnungsgemäß vorbereitetem Glas übersteigt 0.8 N/mm Schälfestigkeit – ausreichend für alle gängigen Leiterplattenmontageverfahren, einschließlich Reflow-Löten und Drahtbonden. Der Herstellungsprozess ist im Fertigungsleitfaden für Glas-Leiterplatten vollständig beschrieben.

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Substrattyp und Herstellungsverfahren

Die Art des Glassubstrats beeinflusst die Auswahl des Herstellungsverfahrens in zwei Bereichen: der Durchkontaktierungsbildung und der Substratvereinzelung.

Durchkontaktierungsherstellung: Alle vier Glasarten eignen sich für die Laserdurchkontaktierungsherstellung. LIDE (Laserinduziertes Tiefenätzen) wird bevorzugt für Durchkontaktierungen mit hohem Aspektverhältnis und geringer Durchkontaktierungsteilung in Borosilikat- und Quarzglas eingesetzt. CO₂-Laserablation wird für größere Durchkontaktierungen (≥ 150 μm) in LED-Anwendungen aus Kalk-Natron- und Aluminosilikatglas verwendet. Quarzglas erfordert speziell auf seine hohe Reinheit abgestimmte Laserparameter – es kann nicht mit Standard-Borosilikat-Laserparametern bearbeitet werden, ohne die Durchkontaktierungswandrauheit zu erhöhen. Der vollständige TGV-Prozess ist im Leitfaden zur Durchkontaktierung von Glas detailliert beschrieben.

Vereinzelung des Substrats: Glasplatten werden durch Laserritzen und mechanische Trennung oder durch Laserschneiden in voller Tiefe vereinzelt (auf die endgültigen Plattenabmessungen zugeschnitten). Mechanisches Fräsen – Standard bei FR-4 – wird für Glas nicht angewendet, da das abrasive Fräsen die Glaskanten bricht und Mikrorisse erzeugt, die sich bis zum Substratversagen ausbreiten können. Kalk-Natron-Glas weist die geringste Bruchzähigkeit auf und erfordert daher die sorgfältigste Kantenbearbeitung. Chemisch gehärtetes Aluminosilikatglas ist aufgrund seiner druckspannungsbehafteten Oberflächenschicht am widerstandsfähigsten gegen Kantenbruch.

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Häufig gestellte Fragen zu Glas-Leiterplattensubstraten

Welches Glassubstrat wird am häufigsten für HF-Leiterplatten verwendet?

Borosilikatglas ist das Standardsubstrat für HF-Leiterplatten im Frequenzbereich von 10 bis 60 GHz. Sein Verlustfaktor von 0.004–0.006 in diesem Bereich, kombiniert mit moderaten Kosten und einer etablierten Lieferkette, macht es zur Standardwahl für 5G-Millimeterwellen-, Automobilradar- und Satelliten-HF-Schaltungen. Oberhalb von 60 GHz wird Quarzglas verwendet, da die Verluste von Borosilikatglas die Leistungsfähigkeit begrenzen.

Können Glasfaser-Leiterplattensubstrate mit Standard-Reflow-Löten verwendet werden?

Ja. Alle vier handelsüblichen Glassubstrattypen sind mit den Standard-SAC305-Reflow-Profilen für bleifreies Glas (Spitzentemperatur 245–255 °C) kompatibel. Glas ist auch weit oberhalb der Reflow-Temperaturen thermisch stabil – das Substrat selbst verändert seine Eigenschaften während des Reflow-Prozesses nicht. Dünne Glassubstrate (unter 0.5 mm) benötigen während des Transports auf dem Reflow-Förderband Trägervorrichtungen, um ein Durchbiegen der Platten bei erhöhter Temperatur zu verhindern.

Welche minimale Substratdicke ist erforderlich?

Borosilikat- und Quarzglas-PCB-Substrate sind ab einer Dicke von 0.1 mm in Standard-Panelformaten erhältlich. Bei einer Dicke von 0.1 mm kann das Substrat nur mit speziellen Vakuumvorrichtungen manuell gehandhabt werden. Substrate unter 0.3 mm benötigen während des gesamten Fertigungsprozesses Trägerplatten. Die praktische Mindestdicke für die meisten PCB-Anwendungen beträgt 0.3 mm ohne Trägerplatte. Ultradünnes Glas (0.05–0.1 mm) ist für spezielle Anwendungen mit flexiblen Glasschaltungen verfügbar.

Wie verhält sich die Oberflächenebenheit des Glassubstrats im Vergleich zu FR-4?

Glassubstrate werden nach Spezifikationen für optische Oberflächenebenheit gefertigt. Die Oberflächenrauheit (Ra) von Borosilikatglas liegt unter 0.5 nm, die von Quarzglas unter 0.1 nm. Die Oberflächenrauheit von FR-4 an der Leiter-Dielektrikum-Grenzfläche beträgt aufgrund der Faserstruktur 1–3 μm. Dieser 1000- bis 10000-fache Unterschied in der Oberflächenrauheit hat erhebliche Auswirkungen auf die Leiterverluste im Millimeterwellenbereich: Der Eindringstrom folgt dem Profil der Oberflächenrauheit. Daher reduziert die glattere Glasoberfläche die Leiterverluste bei 28 GHz um 15–30 % im Vergleich zur rauen Oberfläche von FR-4, selbst wenn beide Substrate ähnliche Df-Werte aufweisen.

Ist Borosilikatglas dasselbe wie Pyrex?

Pyrex ist eine Markenbezeichnung für eine spezielle Borosilikatglas-Rezeptur, die ursprünglich von Corning hergestellt wurde. Borosilikatglas in Leiterplattenqualität wird mit engeren Maß- und Zusammensetzungstoleranzen gefertigt als Pyrex-Produkte für Endverbraucher, die chemische Grundzusammensetzung ist jedoch ähnlich. Den vollständigen Leitfaden zu Borosilikatglas finden Sie unter Borosilikatglas für Leiterplatten.