Lasi-piirilevyalustojen ominaisuudet ja materiaalien vertailu

Lasinen piirilevyalusta on lasisen piirilevyn dielektrinen pohjakerros – materiaali, joka tarjoaa mekaanisen tuen, sähköeristyksen ja alustan johdinkuvioinnille. Se määrittää valmiin levyn kaikki kriittiset sähköiset ja fysikaaliset ominaisuudet: dielektrisyysvakion, häviötangenttin, lämpölaajenemisen, pinnan tasaisuuden, optisen läpäisyn ja kemiallisen kestävyyden.

Substraatin valinta ei ole toissijainen päätös. Se määrittelee, mitä piiri pystyy tekemään, millä taajuudella se voi toimia ja miten se käyttäytyy lämpötilavaihteluissa, kosteudessa ja mekaanisessa rasituksessa. Yli 10 GHz:n piirejä, piin kanssa CTE-yhteensopivuutta vaativia puolijohdekoteloalustoja tai piirilevyn läpi läpinäkyvyyttä vaativia optisia piirejä suunnittelevat insinöörit eivät voi pitää substraatin valintaa oletusarvoisena.

Tämä opas kattaa neljä kaupallista lasisubstraattityyppiä, joita käytetään piirilevyjen valmistuksessa, niiden mitatut sähköiset ja lämpöominaisuudet, valintakriteerit sovelluksen mukaan ja sen, miten substraattityyppi vaikuttaa valmistusprosessiin ja läpimenoaikaan. Täydellinen lasipiirilevytekniikan yleiskatsaus on lasipiirilevyoppaassa.

Pyydä tarjous lasipiirilevyprojektistasi

---

Mikä on lasinen piirilevyalusta?

Piirilevytekniikassa alusta on pohjaeristekerros, jolle kaikki johtimet, läpiviennit ja pintakäsittelyt rakennetaan. Tavallisessa FR-4-piirilevyssä alusta on kudotusta lasikuidusta ja epoksihartsista valmistettu komposiitti. Lasisessa piirilevyssä alusta on homogeeninen lasilevy – koostumukseltaan tasainen, ilman kuitukudosta ja valmistettu optisen pinnan tasaisuusvaatimusten mukaisesti standardilaminaattitoleranssien sijaan.

Lasisubstraatti suorittaa valmiissa piirilevyssä kolme samanaikaista toimintoa:

• Mekaaninen kantolaite: tarjoaa jäykän rakenteellisen tuen johtimille, komponenteille ja läpivienneille paksuuksilla 0.05 mm (erittäin ohut joustava lasi) - 6 mm (arkkitehtoniset paneelit)
• Sähköeriste: erottaa johdinkerrokset dielektrisellä materiaalilla, jolla on määritellyt, vakaat Dk- ja Df-arvot impedanssilaskelmissa
• Toiminnallinen materiaali: edistää optista läpinäkyvyyttä, kemiallista inerttiyttä, lämmönjohtavuutta ja mittapysyvyyttä, joita FR-4 ei pysty tarjoamaan

Nämä kolme toimintoa toimivat samanaikaisesti, ja lasityypin valinta tarkoittaa sovellusta palvelevan ominaisuuksien tasapainon valitsemista – ei yksittäisen parametrin optimointia erikseen.

---

Neljä kaupallista lasialustatyyppiä

Piirilevyjen valmistuksessa käytetään kaupallisesti neljää lasikoostumusta. Jokaisella on oma yhdistelmänsä sähköisiä, optisia, lämpöön liittyviä ja mekaanisia ominaisuuksia.

Borosilikaattilasi

Borosilikaattilasi (SiO₂ + B₂O₃, ~81 % piidioksidipitoisuus) on yleisimmin käytetty lasisubstraatti RF- ja puolijohdepakkaussovelluksissa. Sen alhaisen häviötangentin (~0.004 1 GHz:n taajuudella), 3.3 ppm/°C:n CTE:n, lämpöshokin kestävyyden ja kohtuullisen hinnan yhdistelmä tekee siitä ensisijaisen valinnan 5G mmWave-, autoteollisuuden tutka- ja lasiytimisissä IC-pakkausalustoissa. Borosilikaatti on ensisijainen alustatyyppi Highleapin vakiolasipiirilevytuotelinjassa.

Sulatettu piidioksidi (sulatettu kvartsi)

Sulatettu piidioksidi (puhdas SiO₂, >99.9 %:n puhtaus) tarjoaa pienimmän dielektrisen häviötangentin kaikista kaupallisista piirilevyalustoista – alle 0.0002 1 GHz:n taajuudella ja alle 0.0005 yli 100 GHz:n taajuudella. Se tarjoaa myös vakaimman dielektrisen vakion (Dk = 3.78 ± 0.01) lämpötilan ja kosteuden välillä. Nämä ominaisuudet tekevät sulatetusta piidioksidista vaaditun alustan yli 60 GHz:n sovelluksissa (E-kaista, D-kaista, THz-tutkimus) ja tarkkojen RF-kalibrointistandardien kanssa. Sen CTE, 0.55 ppm/°C, on lähimpänä piitä kaikista lasityypeistä. Kustannuslisä borosilikaattiin verrattuna on 3–5 kertaa.

Soda-Lime lasi

Natronkalkkilasi (SiO₂ + Na₂O + CaO) on standardimateriaali ikkunoissa, pulloissa ja litteiden näyttöjen lasissa. Sen korkeampi natriumpitoisuus tuottaa suuremman häviötangenttin (~0.010 1 GHz:n taajuudella) ja CTE:n 9 ppm/°C – liian korkea tarkkaan piin CTE-sovitukseen ja marginaalinen RF-sovelluksille yli 5 GHz:n taajuuksilla. Sen optinen läpäisykyky (>90 %) ja alhaiset kustannukset tekevät siitä kuitenkin sopivan LED-lasipaneeleihin, arkkitehtonisiin läpinäkyviin piireihin ja vähittäiskaupan näyttösovelluksiin, joissa RF-suorituskyky ei ole valintakriteeri.

Alumiinisilikaattilasi (kemiallisesti vahvistettu)

Alumiinisilikaattilasi (SiO₂ + Al₂O₃) on kemiallisesti lujitettujen lasituotteiden, kuten Corning Gorilla Glassin, peruskoostumus. Kemiallisessa lujituksessa (ioninvaihtoprosessissa) lasin pinnalla olevat natriumionit korvataan suuremmilla kaliumioneilla, mikä luo puristusjännityskerroksen, joka lisää pinnan kovuutta ja murtumiskestävyyttä 4–6 kertaa tavalliseen lasiin verrattuna. Tämä on kosketusnäyttöanturien ja naarmuuntumis- ja iskunkestävyyttä vaativien kuluttajalaitteiden alusta. Sen Dk- ja Df-arvot ovat soodakalkin ja borosilikaatin välimaastossa.

---

Sähköisten ominaisuuksien vertailu

Substraatin soveltuvuutta RF- ja suurnopeussovelluksiin määrittävät sähköiset ominaisuudet ovat dielektrinen vakio (Dk) ja häviötangentti (Df).

Dk-stabiiliussarakkeeseen on syytä kiinnittää erityistä huomiota. FR-4:n ±0.3–0.5 Dk-vaihtelu johtuu kuitujen kudoksesta – lasinippualueiden ylittävät jäljet ​​kokevat eri Dk-arvon kuin hartsipitoisten alueiden ylittävät jäljet. Tämä aiheuttaa impedanssin epätasaisuutta ja differentiaalisen parin vinouman. Lasisubstraatit ovat koostumukseltaan homogeenisia – ei kuitujen kudosta – joten Dk-vaihtelu paneelin poikki on merkityksetön (<0.02 borosilikaatille, <0.01 kvartsille). Vaiheohjatuissa ryhmäantenneissa, joissa elementtien välinen faasitasapaino on kriittistä, tämä homogeenisuus on toiminnallinen vaatimus.

---

Lämpö- ja mekaaniset ominaisuudet

Borosilikaattilasin CTE (3.3 ppm/°C) on noin viisi kertaa lähempänä piin CTE:tä (2.6 ppm/°C) kuin FR-4:n. Tämä vähentää dramaattisesti termomekaanista rasitusta sirun ja alustan rajapinnassa flip-chip-koteloissa. Suorassa sirun kiinnityksessä alle 100 μm:n kohoumien jaoilla borosilikaatin CTE-etu FR-4:ään verrattuna on ero riittävän juotosliitoksen väsymiskestävyyden ja ennenaikaisten kenttävikojen välillä. Sulatettu piidioksidi 0.55 ppm/°C:ssa tarjoaa vieläkin läheisemmän vastaavuuden piin CTE:lle, mikä on olennaista vaativimmissa puolijohdepakkaussovelluksissa. Tätä käsitellään yksityiskohtaisesti lasiytimisten piirilevyjen oppaassa.

Kuinka valita oikea lasialusta

Alustan valinnassa tulee noudattaa käyttövaatimuksia tärkeysjärjestyksessä:

• Toimintataajuus yli 60 GHz: Vain kvartsiluokitelma. Borosilikaattilasin Df-arvo 60–100 GHz:n taajuuksilla on marginaalisesti käyttökelpoinen hyvin lyhyillä siirtolinjoilla; kaikille piireille, joiden signaalipolut ovat yli 2 cm näillä taajuuksilla, kvartsiluokitelman Df-arvon on oltava alle 0.0005.
• Toimintataajuus 10–60 GHz: Borosilikaattilasi. Df-arvo 0.004–0.006 tällä alueella tarjoaa riittävän väliinkytkentävaimennussuorituskyvyn 5G mmWave-, 24 GHz- ja 77 GHz-tutka- sekä Ku/Ka-kaistan satelliittipiireille. Täydelliset RF-suorituskykytiedot ovat ... korkeataajuinen lasinen piirilevyopas.
• Puolijohdepakkaus / hienojakoinen kohouma: Borosilikaatti (CTE 3.3 ppm/°C) tai kvartsilasi (CTE 0.55 ppm/°C). Valinta riippuu kohouman jaosta ja lämpösyklin vakavuudesta. Alle 50 μm:n kohouman jaoilla autoteollisuuden lämpösykleissä kvartsilasi tarjoaa paremman CTE-yhteensopivuuden piin kanssa.
• LED / läpinäkyvä näyttö (sisäkäyttöön): Natronkalkkilasi. Kustannustehokas, korkea optinen läpäisykyky, saatavilla suurissa arkkitehtonisissa muodoissa. RF-suorituskyky ei ole valintakriteeri.
• LED / läpinäkyvä näyttö (ulkokäyttöön tai autokäyttöön): Borosilikaatti. Lämmönkestävyys ulkolämpötilan vaihteluille ja autoteollisuuden AEC-Q100-hyväksynnälle vaaditaan.
• Kuluttajille tarkoitettu kosketusnäyttö / iskunkestävä: Kemiallisesti vahvistettu alumiinisilikaatti. Mekaaninen lujuus ja naarmuuntumisenkesto ovat ensisijaisia ​​valintakriteerejä.
• Tarkkuus-RF-kalibrointi tai tyhjiöelektroniikka: Sulatettu piidioksidi. Maksimaalinen Dk-stabiilius eikä vaadi kaasunmuodostusta.

---

Pinnan esikäsittely ja metallointi

Lasisubstraattien pinta on esikäsiteltävä ennen johtimen pinnoitusta, koska lasi ei luonnostaan ​​tartu hyvin kupariin. Kaksi pintakäsittelyä on vakiona:

Silaanikytkentäainekäsittely levittää lasipinnalle molekyyliadheesiokerroksen, joka muodostaa reaktiivisia pintaryhmiä, jotka sitoutuvat sekä lasialustaan ​​(silanolikemian kautta) että myöhemmin kerrostettuun metallisiemenkerrokseen (funktionaalisten ryhmien kemian kautta). Tämä käsittely suoritetaan välittömästi ennen PVD-kerrosta, jotta pintakontaminaatio ei häiritsisi sidoskemiaa.

Plasmapuhdistuksessa ja -aktivoinnissa käytetään happi- tai argonplasmaa orgaanisen kontaminaation poistamiseen lasipinnalta ja reaktiivisten hydroksyyliryhmien (–OH) luomiseen pinnalle, jotka parantavat metallin tarttumista. Plasmaaktivointi suoritetaan välittömästi ennen metallointia uudelleenkontaminaation estämiseksi.

Pinnan esikäsittelyn jälkeen lasilevyille tehtävässä johtimien kerrostamisessa käytetään fysikaalista höyrypinnoitusta (PVD) – erityisesti titaani- tai titaani-volframi-tartuntakerrosta (20–50 nm), jota seuraa sputteroimalla kerrostettu kupari-siemenkerros (200–500 nm). Tämä ohut kalvopino galvanoidaan sitten lopulliseen kuparipaksuuteen (tyypillisesti 12–35 μm signaalikerroksille, 35–70 μm tehokerroksille). Tämän PVD-galvanoidun pinon tarttuvuuslujuus oikein valmistellulle lasille ylittää 0.8 N/mm kuoriutumislujuutta – riittävä kaikkiin standardinmukaisiin piirilevyjen kokoonpanoprosesseihin, mukaan lukien uudelleensulatusjuotos ja lankaliitos. Valmistusprosessi on kuvattu kokonaisuudessaan lasilevyjen valmistusoppaassa.

---

Alustan tyyppi ja valmistusprosessi

Lasisubstraatin tyyppi vaikuttaa valmistusprosessin valintaan kahdella alueella: muodostumisen ja substraatin erottelun kautta.

Läpivientien muodostus: Kaikki neljä lasityyppiä tukevat laserläpivientien muodostusta. LIDE (Laser-Induced Deep Etching) on ​​ensisijainen menetelmä korkean kuvasuhteen läpivienneille ja hienolle läpivientivälille borosilikaatissa ja kvartsilasissa. CO₂-laserablaatiota käytetään suuremmille läpivienneille (≥150 μm) soodakalkki- ja alumiinisilikaattilasista valmistetuissa LED-sovelluksissa. Kvartsilasi vaatii laserparametrit, jotka on erityisesti säädetty sen erittäin puhtaalle koostumukselle – sitä ei voida käsitellä tavallisilla borosilikaattilaserparametreilla ilman läpiviennin seinämän karheuden lisääntymistä. Koko TGV-prosessi on kuvattu yksityiskohtaisesti lasin läpivientioppaassa.

Alustan erottelu: Lasilevyt erotellaan (leikataan lopullisiin levymittoihin) laserkaiverruksella ja mekaanisella erottelulla tai täyssyvyyslaserleikkauksella. Mekaanista jyrsintää – standardi FR-4-lasille – ei käytetä lasille, koska abrasiivinen jyrsintäprosessi murtaa lasin reunoja ja luo mikrohalkeamia, jotka etenevät alustan murtumiseen. Natronkalkkilasilla on alhaisin murtumissitkeys ja se vaatii huolellisinta reunojen käsittelyä. Kemiallisesti vahvistettu alumiinisilikaatti on kestävin reunojen murtumiselle puristusjännitystä aiheuttavan pintakerroksensa ansiosta.

---

Lasi-piirilevyalustan usein kysytyt kysymykset

Mikä on yleisimmin käytetty lasisubstraatti RF-piirilevyille?

Borosilikaattilasi on RF-lasipiirilevyjen standardialusta taajuuksilla 10–60 GHz. Sen häviötangentti 0.004–0.006 tällä alueella yhdistettynä kohtuullisiin kustannuksiin ja vakiintuneeseen toimitusketjuun tekee siitä oletusvalinnan 5G mmWave-, autoteollisuuden tutka- ja satelliitti-RF-piireihin. Sulatettua piidioksidia käytetään yli 60 GHz:n taajuuksilla, joilla borosilikaattilasista tulee suorituskykyä rajoittava.

Voidaanko lasilevyalustoja käyttää tavallisessa reflow-juotostuksessa?

Kyllä. Kaikki neljä kaupallista lasisubstraattityyppiä ovat yhteensopivia standardin SAC305-lyijyttömien reflow-profiilien kanssa (huippulämpötila 245–255 °C). Lasi on termisesti stabiili selvästi reflow-lämpötilojen yläpuolella – itse substraatti ei muuta ominaisuuksia reflow-prosessin aikana. Ohuet lasisubstraatit (alle 0.5 mm) vaativat kannattimia reflow-kuljettimen kuljetuksen aikana paneelien taipumisen estämiseksi korotetussa lämpötilassa.

Mikä on käytettävissä olevan alustan vähimmäispaksuus?

Borosilikaatti- ja kvartsilasista valmistettuja piirilevyalustoja on saatavilla 0.1 mm:n paksuudesta alkaen vakiolevyformaateissa. 0.1 mm:n paksuista alustaa voidaan käsitellä manuaalisesti vain erikoistuneilla tyhjiökiinnikkeillä. Alle 0.3 mm:n paksuiset alustat vaativat kantajapaneeleita koko valmistusprosessin ajan. Käytännöllinen vähimmäispaksuus useimmissa piirilevysovelluksissa on 0.3 mm ilman kantajaa. Erittäin ohutta lasia (0.05–0.1 mm) on saatavilla erikoistuneisiin joustavien lasipiirien sovelluksiin.

Miten lasialustan pinnan tasaisuus vertautuu FR-4:ään?

Lasisubstraatit valmistetaan optisen pinnan tasaisuusvaatimusten mukaisesti. Borosilikaatti Ra on alle 0.5 nm; kvartsilasin Ra on alle 0.1 nm. FR-4:n pinnan karheus johdin-dielektrinen rajapinnassa on 1–3 μm kuitujen kudotun pinnan topografian vuoksi. Tällä 1000–10000× pinnan karheuden erolla on merkittäviä seurauksia johdinhäviöille millimetriaallon taajuuksilla: pintakerroksen syvyysvirta seuraa pinnan karheusprofiilia, joten sileämpi lasipinta vähentää johdinhäviötä 15–30 % 28 GHz:n taajuudella verrattuna FR-4:n karheaan pintaan, vaikka molemmilla substraateilla olisi samanlaiset Df-arvot.

Onko borosilikaattilasi sama asia kuin Pyrex?

Pyrex on Corningin alun perin valmistaman tietyn borosilikaattilasin tuotemerkki. Piirilevylaatuista borosilikaattilasia valmistetaan tiukemmilla mitta- ja koostumustoleransseilla kuin kuluttajille tarkoitettuja Pyrex-tuotteita, mutta peruskemia on samanlainen. Täydellinen borosilikaattimateriaaliopas on osoitteessa borosilikaattilasi PCB.