Eigenschappen en materiaalvergelijking van verschillende typen glazen PCB-substraten

Een glazen PCB-substraat is de diëlektrische basislaag van een glazen printplaat – het materiaal dat zorgt voor mechanische ondersteuning, elektrische isolatie en het platform voor de geleiderpatronen. Het bepaalt alle cruciale elektrische en fysische eigenschappen van de uiteindelijke printplaat: diëlektrische constante, verliesfactor, thermische uitzetting, vlakheid van het oppervlak, optische transmissie en chemische bestendigheid.

De keuze van het substraat is geen bijzaak. Het bepaalt wat het circuit kan doen, op welke frequentie het kan werken en hoe het zich gedraagt ​​onder temperatuurschommelingen, vochtigheid en mechanische belasting. Ingenieurs die circuits ontwerpen boven de 10 GHz, halfgeleidersubstraten die CTE-compatibiliteit met silicium vereisen, of optische circuits die transparantie door de printplaat heen vereisen, kunnen de substraatkeuze niet als vanzelfsprekend beschouwen.

Deze handleiding behandelt de vier commerciële glassubstraten die worden gebruikt bij de productie van printplaten, hun gemeten elektrische en thermische eigenschappen, selectiecriteria per toepassing en hoe het substraattype het fabricageproces en de doorlooptijd beïnvloedt. Voor een compleet overzicht van de glasprintplaattechnologie, zie de handleiding voor glasprintplaten.

Vraag een offerte aan voor uw glazen printplaatproject.

---

Wat is een glazen PCB-substraat?

Bij printplaattechnologie is het substraat de diëlektrische basislaag waarop alle geleiders, via's en oppervlakteafwerkingen worden aangebracht. Bij een standaard FR-4 printplaat is het substraat een composiet van geweven glasvezel en epoxyhars. Bij een glazen printplaat is het substraat een homogene glasplaat – qua samenstelling uniform, zonder vezelweefsel en vervaardigd volgens specificaties voor optische vlakheid in plaats van standaard toleranties voor laminaten.

Het glazen substraat vervult drie gelijktijdige functies in de uiteindelijke printplaat:

• Mechanische drager: Biedt stevige structurele ondersteuning voor geleiders, componenten en via's met diktes van 0.05 mm (ultradun flexibel glas) tot 6 mm (architectonische panelen).
• Elektrische isolator: scheidt geleidende lagen met een diëlektricum dat gedefinieerde, stabiele Dk- en Df-waarden heeft die worden gebruikt bij impedantieberekeningen.
• Functioneel materiaal: Het biedt optische transparantie, chemische inertheid, thermische geleidbaarheid en dimensionale stabiliteit die FR-4 niet kan bieden.

Deze drie functies werken gelijktijdig, en het kiezen van het glassoort betekent het selecteren van de balans tussen eigenschappen die het beste bij de toepassing past – niet het optimaliseren van één enkele parameter op zich.

---

Vier soorten commerciële glassubstraten

Bij de productie van printplaten worden commercieel vier glassamenstellingen gebruikt. Elk heeft een unieke combinatie van elektrische, optische, thermische en mechanische eigenschappen.

Borosilicaatglas

Borosilicaatglas (SiO₂ + B₂O₃, ~81% silicagehalte) is het meest gebruikte glassubstraat voor RF- en halfgeleiderverpakkingstoepassingen. De combinatie van een lage verliesfactor (~0.004 bij 1 GHz), een thermische uitzettingscoëfficiënt van 3.3 ppm/°C, thermische schokbestendigheid en een redelijke prijs maakt het de standaardkeuze voor 5G mmWave, automotive radar en IC-behuizingen met glazen kern. Borosilicaatglas is het belangrijkste substraattype in Highleap's standaard assortiment glazen printplaten.

Gesmolten silica (gesmolten kwarts)

Gesmolten siliciumdioxide (zuiver SiO₂, >99.9% zuiverheid) biedt de laagste diëlektrische verliesfactor van alle commerciële PCB-substraten: minder dan 0.0002 bij 1 GHz en minder dan 0.0005 boven 100 GHz. Het biedt ook de meest stabiele diëlektrische constante (Dk = 3.78 ± 0.01) bij verschillende temperaturen en luchtvochtigheid. Deze eigenschappen maken gesmolten siliciumdioxide het ideale substraat voor toepassingen boven 60 GHz (E-band, D-band, THz-onderzoek) en voor nauwkeurige RF-kalibratiestandaarden. De thermische uitzettingscoëfficiënt (CTE) van 0.55 ppm/°C komt het dichtst in de buurt van die van silicium van alle glassoorten. De meerprijs ten opzichte van borosilicaatglas bedraagt ​​3 tot 5 keer.

Natronkalkglas

Natronkalkglas (SiO₂ + Na₂O + CaO) is de standaardsamenstelling die wordt gebruikt in ramen, flessen en glas voor platte beeldschermen. Het hogere natriumgehalte resulteert in een hogere verliesfactor (~0.010 bij 1 GHz) en een thermische uitzettingscoëfficiënt (CTE) van 9 ppm/°C – te hoog voor een nauwkeurige CTE-aanpassing aan silicium en marginaal voor RF-toepassingen boven 5 GHz. De optische transmissie (>90%) en de lage kosten maken het echter geschikt voor LED-glaspanelen, transparante circuits in de architectuur en displays in winkels, waar RF-prestaties geen selectiecriterium zijn.

Aluminiumsilicaatglas (chemisch versterkt)

Aluminiumsilicaatglas (SiO₂ + Al₂O₃) is de basis voor chemisch versterkte glasproducten, waaronder Corning Gorilla Glass. Chemische versterking (ionenuitwisselingsproces) vervangt natriumionen in het glasoppervlak door grotere kaliumionen, waardoor een drukspanninglaag ontstaat die de oppervlaktehardheid en breukweerstand met een factor 4 tot 6 verhoogt ten opzichte van standaardglas. Dit is het substraat voor touchscreen-sensoren en consumentenapparaten die kras- en stootbestendigheid vereisen. De Dk- en Df-waarden liggen tussen die van soda-calciumglas en borosilicaatglas.

---

Vergelijking van elektrische eigenschappen

De elektrische eigenschappen die de geschiktheid van een substraat voor RF- en snelle digitale toepassingen bepalen, zijn de diëlektrische constante (Dk) en de verliesfactor (Df).

De kolom 'Dk-stabiliteit' verdient bijzondere aandacht. De variatie van ±0.3–0.5 Dk bij FR-4 wordt veroorzaakt door de vezelstructuur: sporen die door glasbundelgebieden lopen, ervaren een andere Dk dan sporen die door harsrijke zones lopen. Dit veroorzaakt niet-uniforme impedantie en een scheefstand van het differentieelpaar. Glassubstraten zijn qua samenstelling homogeen – geen vezelstructuur – waardoor de Dk-variatie over het paneel verwaarloosbaar is (<0.02 voor borosilicaatglas, <0.01 voor gesmolten silica). Voor phased array-antennes, waar faseconsistentie tussen de elementen cruciaal is, is deze homogeniteit een functionele vereiste.

---

Thermische en mechanische eigenschappen

De thermische uitzettingscoëfficiënt (CTE) van borosilicaatglas (3.3 ppm/°C) ligt ongeveer vijf keer dichter bij die van silicium (2.6 ppm/°C) dan die van FR-4. Dit vermindert de thermomechanische spanning op het grensvlak tussen de chip en het substraat in flip-chip-verpakkingen aanzienlijk. Voor directe chipbevestiging bij bump-afstanden kleiner dan 100 μm, maakt het CTE-voordeel van borosilicaatglas ten opzichte van FR-4 het verschil tussen een adequate levensduur van de soldeerverbindingen en voortijdige defecten in het veld. Gesmolten silica met een CTE van 0.55 ppm/°C komt nog dichter in de buurt van de CTE van silicium, wat relevant is voor de meest veeleisende toepassingen in halfgeleiderverpakkingen. Dit wordt uitgebreid behandeld in de handleiding voor printplaten met glazen kern.

Hoe kies je het juiste glazen substraat?

Bij de keuze van het substraat moet worden voldaan aan de toepassingsvereisten, in volgorde van prioriteit:

• Werkfrequentie boven 60 GHz: Uitsluitend gesmolten siliciumdioxide. Borosilicaat Df bij 60–100 GHz is marginaal bruikbaar voor zeer korte transmissielijnen; voor elk circuit met signaalpaden van meer dan 2 cm bij deze frequenties is een Df van gesmolten siliciumdioxide van minder dan 0.0005 vereist.
• Werkfrequentie 10–60 GHz: Borosilicaatglas. Een Df-waarde van 0.004–0.006 over dit bereik biedt voldoende invoegverliesprestaties voor 5G mmWave, 24 GHz en 77 GHz radar en Ku/Ka-band satellietcircuits. De volledige RF-prestatiegegevens zijn te vinden in de hoogfrequente glazen PCB-geleider.
• Halfgeleiderverpakking / fijne bump-afstand: Borosilicaatglas (CTE 3.3 ppm/°C) of gesmolten silica (CTE 0.55 ppm/°C). De keuze hangt af van de bump-pitch en de ernst van de thermische belasting. Voor bump-pitches onder de 50 μm met thermische belasting in de automobielindustrie biedt gesmolten silica een betere CTE-match met silicium.
• LED-/transparant display (binnen): Natronkalkglas. Kosteneffectief, hoge optische transmissie, verkrijgbaar in grote architectonische formaten. RF-prestaties zijn geen selectiecriterium.
• LED-/transparant display (voor buiten of in de auto): Borosilicaat. Thermische schokbestendigheid vereist voor temperatuurschommelingen buitenshuis en AEC-Q100-kwalificatie voor de automobielindustrie.
• Consumententouchscreen / stootbestendig: Chemisch versterkt aluminosilicaat. Mechanische sterkte en krasbestendigheid zijn de belangrijkste selectiecriteria.
• Nauwkeurige RF-kalibratie of vacuümelektronica: Gesmolten siliciumdioxide. Maximale Dk-stabiliteit en geen ontgassing vereist.

---

Oppervlaktevoorbereiding en metallisatie

Glazen substraten vereisen oppervlaktebehandeling vóór het aanbrengen van de geleider, omdat glas van nature niet goed hecht aan koper. Twee oppervlaktebehandelingen zijn standaard:

De behandeling met een silaan-koppelingsmiddel brengt een moleculaire hechtlaag aan op het glasoppervlak. Deze laag zorgt voor reactieve oppervlaktegroepen die zich binden aan zowel het glassubstraat (via silanolchemie) als aan de daaropvolgend aangebrachte metaalkiemlaag (via functionele groepenchemie). Deze behandeling wordt direct vóór de PVD-afzetting uitgevoerd om te voorkomen dat oppervlakteverontreiniging de hechtingschemie verstoort.

Plasmareiniging en -activering maakt gebruik van zuurstof- of argonplasma om organische verontreiniging van het glasoppervlak te verwijderen en reactieve hydroxylgroepen (–OH) aan het oppervlak te creëren die de metaalhechting verbeteren. Plasma-activering wordt direct vóór de metallisatie uitgevoerd om herverontreiniging te voorkomen.

Na de oppervlaktevoorbereiding wordt de geleider op glazen printplaten aangebracht met behulp van fysische dampafzetting (PVD). Dit houdt specifiek in dat een hechtlaag van titanium of titanium-wolfraam (20-50 nm) wordt aangebracht, gevolgd door een koperen kiemlaag (200-500 nm) die door middel van sputteren wordt afgezet. Deze dunne filmstapel wordt vervolgens geëlektroplateerd tot de uiteindelijke koperdikte (doorgaans 12-35 μm voor signaallagen en 35-70 μm voor vermogenslagen). De hechtsterkte van deze PVD-geëlektroplateerde stapel op correct voorbereid glas is hoger dan 0.8 N/mm afpelsterkte, wat voldoende is voor alle standaard printplaatassemblageprocessen, inclusief reflowsolderen en draadverbindingen. Het volledige productieproces wordt beschreven in de handleiding voor de productie van glazen printplaten.

---

Substraattype en fabricageproces

Het type glassubstraat beïnvloedt de keuze van het fabricageproces op twee gebieden: de vorming van via's en de scheiding van het substraat.

Via-vorming: Alle vier glassoorten ondersteunen laser-via-vorming. LIDE (Laser-Induced Deep Etching) heeft de voorkeur voor via's met een hoge aspectverhouding en een fijne via-pitch in borosilicaatglas en gesmolten silica. CO₂-laserablatie wordt gebruikt voor grotere via's (≥150 μm) in LED-toepassingen van soda-calciumglas en aluminosilicaatglas. Gesmolten silica vereist laserparameters die specifiek zijn afgestemd op de zeer zuivere samenstelling; het kan niet worden verwerkt met standaard borosilicaatlaserparameters zonder een verhoogde ruwheid van de via-wand. Het volledige TGV-proces wordt gedetailleerd beschreven in de handleiding voor door-glas-via's.

Substraatsegmentatie: Glaspanelen worden op de uiteindelijke afmetingen gesneden door middel van lasersnijden en mechanische scheiding, of door middel van lasersnijden over de volledige diepte. Mechanisch frezen – de standaardmethode voor FR-4 – wordt niet gebruikt voor glas, omdat het schurende freesproces de glasranden beschadigt en microscheurtjes veroorzaakt die zich voortplanten tot breuk van het substraat. Natronkalkglas heeft de laagste breuktaaiheid en vereist de meest zorgvuldige behandeling van de randen. Chemisch versterkt aluminosilicaatglas is het meest bestand tegen randbreuk dankzij de drukspanning in de oppervlaktelaag.

---

Veelgestelde vragen over glazen PCB-substraten

Wat is het meest gebruikte glassubstraat voor RF-printplaten?

Borosilicaatglas is het standaard RF-glassubstraat voor printplaten met frequenties van 10 tot 60 GHz. De verliesfactor van 0.004–0.006 over dit bereik, in combinatie met de redelijke kosten en een gevestigde toeleveringsketen, maakt het de standaardkeuze voor 5G mmWave, automotive radar en RF-circuits voor satellieten. Gesmolten silica wordt voorgeschreven boven de 60 GHz, waar het verlies van borosilicaatglas de prestaties beperkt.

Kunnen printplaten van glas worden gebruikt met standaard reflow-solderen?

Ja. Alle vier commerciële glassubstraten zijn compatibel met standaard SAC305 loodvrije reflow-profielen (piektemperatuur 245–255 °C). Glas is thermisch stabiel tot ver boven de reflow-temperaturen; het substraat zelf verandert niet van eigenschappen tijdens het reflow-proces. Dunne glassubstraten (minder dan 0.5 mm) vereisen dragers tijdens het transport over de reflow-band om te voorkomen dat het paneel bij hoge temperaturen doorbuigt.

Wat is de minimaal vereiste substraatdikte?

PCB-substraten van borosilicaatglas en gesmolten silicaglas zijn verkrijgbaar vanaf een dikte van 0.1 mm in standaard paneelformaten. Bij een dikte van 0.1 mm kan het substraat alleen handmatig worden verwerkt met behulp van speciale vacuümarmaturen. Substraten met een dikte van minder dan 0.3 mm vereisen draagpanelen gedurende het gehele fabricageproces. De praktische minimumdikte voor de meeste PCB-toepassingen is 0.3 mm zonder draagpaneel. Ultradun glas (0.05–0.1 mm) is beschikbaar voor gespecialiseerde toepassingen met flexibele glazen printplaten.

Hoe verhoudt de vlakheid van het oppervlak van het glazen substraat zich tot die van FR-4?

Glassubstraten worden geproduceerd volgens specificaties voor optische oppervlaktegladheid. Borosilicaatglas heeft een Ra-waarde lager dan 0.5 nm; gesmolten silica heeft een Ra-waarde lager dan 0.1 nm. De oppervlakteruwheid van FR-4 bij de geleider-diëlektrische interface bedraagt ​​1–3 μm vanwege de vezelstructuur van het oppervlak. Dit verschil van 1000 tot 10000 keer in oppervlakteruwheid heeft aanzienlijke gevolgen voor het geleiderverlies bij millimetergolffrequenties: de indringdieptestroom volgt het profiel van de oppervlakteruwheid, waardoor het gladdere glasoppervlak het geleiderverlies met 15–30% vermindert bij 28 GHz in vergelijking met het ruwe oppervlak van FR-4, zelfs wanneer beide substraten vergelijkbare Df-waarden hebben.

Is borosilicaatglas hetzelfde als Pyrex?

Pyrex is een merknaam voor een specifieke borosilicaatglasformule die oorspronkelijk door Corning werd geproduceerd. PCB-kwaliteit borosilicaatglas wordt geproduceerd met strengere maat- en samenstellingstoleranties dan Pyrex-producten voor consumenten, maar de basischemie is vergelijkbaar. De volledige handleiding voor borosilicaatglas is te vinden op borosilicaatglas PCB.