Typy podłoży PCB ze szkła, właściwości i porównanie materiałów

Szklane podłoże PCB to podstawowa warstwa dielektryczna szklanej płytki drukowanej – materiał zapewniający wsparcie mechaniczne, izolację elektryczną i platformę do tworzenia wzorów przewodników. Określa ono wszystkie krytyczne właściwości elektryczne i fizyczne gotowej płytki: stałą dielektryczną, styczną stratności, rozszerzalność cieplną, płaskość powierzchni, przepuszczalność optyczną i odporność chemiczną.

Wybór podłoża nie jest decyzją drugorzędną. Definiuje on możliwości układu, częstotliwość jego pracy oraz zachowanie w cyklach temperaturowych, wilgotności i obciążeniach mechanicznych. Inżynierowie projektujący obwody o częstotliwości powyżej 10 GHz, podłoża obudów półprzewodnikowych wymagające kompatybilności CTE z krzemem lub obwody optyczne wymagające przezroczystości płytki drukowanej nie mogą traktować wyboru podłoża jako domyślnego.

W tym przewodniku omówiono cztery komercyjne typy podłoży szklanych stosowanych w produkcji płytek PCB, ich zmierzone właściwości elektryczne i termiczne, kryteria wyboru w zależności od zastosowania oraz wpływ rodzaju podłoża na proces produkcji i czas realizacji. Pełny przegląd technologii szklanych płytek PCB można znaleźć w przewodniku po szklanych płytkach PCB.

Uzyskaj wycenę swojego projektu PCB ze szkła

---

Czym jest szklane podłoże PCB?

W technologii PCB podłoże stanowi podstawową warstwę dielektryczną, na której zbudowane są wszystkie przewodniki, przelotki i wykończenia powierzchni. W standardowej płytce PCB FR-4 podłoże stanowi kompozyt z włókna szklanego i żywicy epoksydowej. W szklanej płytce PCB podłoże stanowi jednorodna tafla szkła – jednorodna pod względem składu, bez splotu włókien i wyprodukowana zgodnie ze specyfikacjami optycznej płaskości powierzchni, a nie ze standardowymi tolerancjami laminatu.

Podłoże szklane spełnia w gotowej płytce drukowanej trzy funkcje jednocześnie:

• Nośnik mechaniczny: zapewnia sztywne wsparcie konstrukcyjne dla przewodników, komponentów i przejść o grubości od 0.05 mm (ultracienkie, elastyczne szkło) do 6 mm (panele architektoniczne)
• Izolator elektryczny: oddziela warstwy przewodnika dielektrykiem o zdefiniowanych, stabilnych wartościach Dk i Df, używanych w obliczeniach impedancji
• Materiał funkcjonalny: zapewnia przejrzystość optyczną, obojętność chemiczną, przewodność cieplną i stabilność wymiarową, których nie może zapewnić FR-4

Te trzy funkcje działają jednocześnie, a wybór rodzaju szkła oznacza wybór równowagi właściwości, która służy danemu zastosowaniu, a nie optymalizację dowolnego pojedynczego parametru w izolacji.

---

Cztery komercyjne typy podłoży szklanych

W produkcji PCB komercyjnie stosuje się cztery rodzaje szkła. Każdy z nich charakteryzuje się odmienną kombinacją właściwości elektrycznych, optycznych, termicznych i mechanicznych.

Szkło borokrzemowe

Szkło borokrzemianowe (SiO₂ + B₂O₃, ~81% zawartości krzemionki) jest najczęściej stosowanym podłożem szklanym w zastosowaniach w obudowach układów RF i półprzewodników. Połączenie niskiej stratności tangensa (~0.004 przy 1 GHz), współczynnika rozszerzalności cieplnej (CTE) 3.3 ppm/°C, odporności na szok termiczny i umiarkowanej ceny sprawia, że ​​jest to domyślne podłoże dla podłoży do układów scalonych 5G mmWave, radarów samochodowych i układów scalonych z rdzeniem szklanym. Borokrzemian jest podstawowym rodzajem podłoża w standardowej linii produktów Highleap do szklanych płytek PCB.

Topiona krzemionka (topiony kwarc)

Topiona krzemionka (czysty SiO₂, czystość >99.9%) zapewnia najniższy tangens strat dielektrycznych spośród wszystkich komercyjnych podłoży PCB – poniżej 0.0002 przy 1 GHz, pozostając poniżej 0.0005 powyżej 100 GHz. Zapewnia również najbardziej stabilną stałą dielektryczną (Dk = 3.78 ± 0.01) w zależności od temperatury i wilgotności. Te właściwości sprawiają, że topiona krzemionka jest niezbędnym podłożem do zastosowań powyżej 60 GHz (badania w paśmie E, paśmie D, THz) oraz do precyzyjnych wzorców kalibracji RF. Jej współczynnik rozszerzalności cieplnej (CTE) wynoszący 0.55 ppm/°C jest najbardziej zbliżony do krzemu spośród wszystkich rodzajów szkła. Premia cenowa w porównaniu z borokrzemianem wynosi 3–5x.

Szkłem sodowo wapiennym

Szkło sodowo-wapniowe (SiO₂ + Na₂O + CaO) to standardowy skład stosowany w oknach, butelkach i szklanych wyświetlaczach płaskich. Wyższa zawartość sodu przekłada się na wyższy tangens stratności (~0.010 przy 1 GHz) i współczynnik rozszerzalności cieplnej (CTE) wynoszący 9 ppm/°C – zbyt wysoki dla precyzyjnego dopasowania współczynnika rozszerzalności cieplnej krzemu i marginalny dla zastosowań RF powyżej 5 GHz. Jednak jego przepuszczalność optyczna (>90%) i niski koszt sprawiają, że nadaje się do szklanych paneli LED, przezroczystych obwodów architektonicznych i wyświetlaczy detalicznych, gdzie wydajność RF nie jest kryterium wyboru.

Szkło glinokrzemianowe (wzmocnione chemicznie)

Szkło glinokrzemianowe (SiO₂ + Al₂O₃) stanowi podstawę chemicznie wzmacnianych produktów szklanych, w tym szkła Corning Gorilla Glass. Wzmocnienie chemiczne (proces wymiany jonowej) zastępuje jony sodu w powierzchni szkła większymi jonami potasu, tworząc warstwę naprężeń ściskających, która zwiększa twardość powierzchni i odporność na pękanie 4–6-krotnie w porównaniu ze standardowym szkłem. Jest to podłoże dla czujników ekranów dotykowych i urządzeń konsumenckich wymagających odporności na zarysowania i uderzenia. Jego Dk i Df plasują się pomiędzy szkłem sodowo-wapniowym a borokrzemianowym.

---

Porównanie właściwości elektrycznych

Właściwości elektryczne decydujące o przydatności podłoża do zastosowań RF i szybkich systemów cyfrowych to stała dielektryczna (Dk) i tangens strat (Df).

Na szczególną uwagę zasługuje kolumna stabilności Dk. Zmienność Dk w przypadku FR-4 wynosząca ±0.3–0.5 jest spowodowana splotem włókien – ślady przecinające obszary wiązek szklanych charakteryzują się inną wartością Dk niż ślady przecinające strefy bogate w żywicę. Powoduje to nierównomierność impedancji i różnicowe przesunięcie par. Podłoża szklane są jednorodne pod względem składu – brak splotu włókien – więc zmienność Dk w całym panelu jest pomijalna (<0.02 dla borokrzemianu, <0.01 dla topionej krzemionki). W przypadku anten z fazowanym układem anten, gdzie spójność fazowa między elementami ma kluczowe znaczenie, ta jednorodność jest wymogiem funkcjonalnym.

---

Właściwości termiczne i mechaniczne

Współczynnik rozszerzalności cieplnej (CTE) szkła borokrzemianowego (3.3 ppm/°C) jest około 5 razy bliższy współczynnikowi rozszerzalności cieplnej krzemu (2.6 ppm/°C) niż FR-4. To znacząco zmniejsza naprężenia termomechaniczne na styku matrycy z podłożem w obudowach typu flip-chip. W przypadku bezpośredniego montażu matrycy z odstępami wypukłości poniżej 100 μm, przewaga borokrzemianu nad FR-4 pod względem współczynnika rozszerzalności cieplnej (CTE) polega na różnicy między odpowiednią trwałością zmęczeniową spoiny lutowniczej a przedwczesnymi uszkodzeniami w warunkach polowych. Stopiona krzemionka w temperaturze 0.55 ppm/°C zapewnia jeszcze bliższy współczynnik rozszerzalności cieplnej (CTE) krzemu, co jest istotne w przypadku najbardziej wymagających zastosowań w obudowach półprzewodnikowych. Szczegółowe omówienie tego zagadnienia znajduje się w przewodniku po płytkach PCB z rdzeniem szklanym.

Jak wybrać odpowiednie podłoże szklane

Wybór podłoża powinien być dokonywany zgodnie z wymaganiami zastosowania i kolejnością priorytetów:

• Częstotliwość pracy powyżej 60 GHz: Tylko topiona krzemionka. Borokrzemian Df w paśmie 60–100 GHz jest marginalnie użyteczny w przypadku bardzo krótkich linii transmisyjnych; dla każdego obwodu o ścieżkach sygnału >2 cm w tych częstotliwościach wymagany jest współczynnik Df topionej krzemionki poniżej 0.0005.
• Częstotliwość pracy 10–60 GHz: Szkło borokrzemianowe. Współczynnik Df wynoszący 0.004–0.006 w tym zakresie zapewnia wystarczającą tłumienność wtrąceniową dla obwodów radarowych 5G mmWave, 24 GHz i 77 GHz oraz obwodów satelitarnych pasma Ku/Ka. Pełne dane dotyczące wydajności RF znajdują się w przewodnik PCB ze szkła o wysokiej częstotliwości.
• Obudowa półprzewodnikowa / drobny skok: Borokrzemian (CTE 3.3 ppm/°C) lub topiona krzemionka (CTE 0.55 ppm/°C). Wybór zależy od odstępu wypukłości i intensywności cyklu termicznego. W przypadku odstępu wypukłości poniżej 50 μm w cyklach termicznych stosowanych w motoryzacji, topiona krzemionka zapewnia lepsze dopasowanie współczynnika CTE do krzemu.
• Wyświetlacz LED / transparentny (do użytku wewnętrznego): Szkło sodowo-wapniowe. Ekonomiczne, o wysokiej przepuszczalności optycznej, dostępne w dużych formatach architektonicznych. Wydajność RF nie jest kryterium wyboru.
• Wyświetlacz LED / transparentny (do użytku zewnętrznego lub samochodowego): Borokrzemian. Odporność na szok termiczny wymagana do cyklicznych zmian temperatury na zewnątrz i kwalifikacji motoryzacyjnej AEC-Q100.
• Ekran dotykowy konsumencki / odporny na uderzenia: Chemicznie wzmocniony glinokrzemian. Głównymi kryteriami wyboru są wytrzymałość mechaniczna i odporność na zarysowania.
• Precyzyjna kalibracja RF lub elektronika próżniowa: Topiona krzemionka. Wymagana maksymalna stabilność Dk i zerowe odgazowywanie.

---

Przygotowanie powierzchni i metalizacja

Podłoża szklane wymagają przygotowania powierzchni przed osadzeniem przewodnika, ponieważ szkło naturalnie nie wiąże się dobrze z miedzią. Standardowo stosuje się dwie obróbki powierzchni:

Obróbka silanowym środkiem sprzęgającym nakłada na powierzchnię szkła warstwę adhezji molekularnej, zapewniając reaktywne grupy powierzchniowe, które wiążą się zarówno z podłożem szklanym (poprzez reakcję chemiczną silanolu), jak i z osadzoną następnie warstwą zarodka metalu (poprzez reakcję chemiczną grup funkcyjnych). Obróbka ta jest przeprowadzana bezpośrednio przed osadzeniem PVD, aby zapobiec zakłóceniu reakcji chemicznej wiązania przez zanieczyszczenia powierzchni.

Czyszczenie i aktywacja plazmowa wykorzystuje tlen lub argon do usuwania zanieczyszczeń organicznych z powierzchni szkła i tworzenia na niej reaktywnych grup hydroksylowych (–OH), które poprawiają przyczepność metalu. Aktywacja plazmowa jest przeprowadzana bezpośrednio przed metalizacją, aby zapobiec ponownemu zanieczyszczeniu.

Po przygotowaniu powierzchni, osadzanie przewodników na szklanych płytkach PCB odbywa się metodą fizycznego osadzania z fazy gazowej (PVD) – w szczególności warstwy adhezyjnej tytanu lub tytanu z wolframem (20–50 nm), a następnie miedzianej warstwy posiewnej (200–500 nm) nanoszonej metodą napylania. Ten cienki pakiet warstw jest następnie galwanizowany do końcowej grubości miedzi (zwykle 12–35 μm dla warstw sygnałowych, 35–70 μm dla warstw mocy). Wytrzymałość adhezyjna tego pakietu galwanicznego PVD na prawidłowo przygotowanym szkle przekracza 0.8 N/mm wytrzymałości na odrywanie – co jest wartością wystarczającą dla wszystkich standardowych procesów montażu płytek PCB, w tym lutowania rozpływowego i łączenia drutowego. Pełny opis procesu produkcyjnego znajduje się w przewodniku po produkcji szklanych płytek PCB.

---

Rodzaj podłoża i proces produkcji

Rodzaj podłoża szklanego ma wpływ na wybór procesu produkcji w dwóch obszarach: poprzez formowanie i rozdzielanie podłoża.

Formowanie przelotek: Wszystkie cztery rodzaje szkła umożliwiają formowanie przelotek laserowych. Metoda LIDE (laserowe głębokie trawienie) jest preferowana w przypadku przelotek o dużym wydłużeniu i małym skoku w borokrzemianach i topionej krzemionce. Ablacja laserowa CO₂ jest stosowana w przypadku większych przelotek (≥150 μm) w zastosowaniach LED ze szkła sodowo-wapniowego i glinokrzemianowego. Topiona krzemionka wymaga parametrów lasera specjalnie dostosowanych do jej wysokiej czystości – nie można jej przetwarzać standardowymi parametrami lasera borokrzemianowego bez zwiększenia chropowatości ścianek przelotek. Pełny proces TGV jest szczegółowo opisany w przewodniku po przelotkach przechodzących przez szkło.

Pojedynczość podłoża: Panele szklane są pojedynczo cięte (do ostatecznych wymiarów płyty) poprzez laserowe żłobienie i separację mechaniczną lub poprzez cięcie laserowe na pełnej głębokości. Frezowanie mechaniczne – standardowe dla FR-4 – nie jest stosowane do szkła, ponieważ proces frezowania ściernego powoduje pękanie krawędzi szkła i powstawanie mikropęknięć, które rozprzestrzeniają się, prowadząc do uszkodzenia podłoża. Szkło sodowo-wapniowe ma najniższą odporność na pękanie i wymaga najbardziej ostrożnego obchodzenia się z krawędziami. Chemicznie wzmocniony glinokrzemian jest najbardziej odporny na pękanie krawędzi ze względu na swoją warstwę powierzchniową poddaną naprężeniom ściskającym.

---

Najczęściej zadawane pytania dotyczące podłoża PCB ze szkła

Jakie podłoże szklane jest najczęściej stosowane w płytkach PCB RF?

Szkło borokrzemianowe jest standardowym podłożem szklanym PCB RF dla częstotliwości od 10 do 60 GHz. Jego tangens stratności wynoszący 0.004–0.006 w tym zakresie, w połączeniu z umiarkowanymi kosztami i ugruntowaną siecią dostaw, czyni je domyślnym wyborem dla obwodów RF 5G mmWave, radarów samochodowych i satelitów. Topiona krzemionka jest zalecana powyżej 60 GHz, gdzie straty borokrzemianowe stają się ograniczające wydajność.

Czy podłoża PCB ze szkła można stosować w standardowym lutowaniu rozpływowym?

Tak. Wszystkie cztery komercyjne rodzaje podłoży szklanych są kompatybilne ze standardowymi profilami bezołowiowego lutowania rozpływowego SAC305 (temperatura szczytowa 245–255°C). Szkło jest stabilne termicznie znacznie powyżej temperatur lutowania rozpływowego – samo podłoże nie zmienia swoich właściwości w procesie lutowania rozpływowego. Cienkie podłoża szklane (poniżej 0.5 mm) wymagają stosowania uchwytów nośnych podczas transportu na przenośniku, aby zapobiec wyginaniu się paneli w podwyższonej temperaturze.

Jaka jest minimalna grubość podłoża?

Podłoża PCB ze szkła borokrzemianowego i topionego krzemionkowego są dostępne od grubości 0.1 mm w standardowych formatach paneli. Przy grubości 0.1 mm podłoże można obrabiać ręcznie wyłącznie za pomocą specjalistycznych uchwytów próżniowych. Podłoża o grubości poniżej 0.3 mm wymagają paneli nośnych w całym procesie produkcji. Praktyczne minimum dla większości zastosowań PCB wynosi 0.3 mm bez nośnika. Ultracienkie szkło (0.05–0.1 mm) jest dostępne do specjalistycznych zastosowań w elastycznych obwodach szklanych.

Jak płaskość powierzchni podłoża szklanego wypada w porównaniu z FR-4?

Podłoża szklane są produkowane zgodnie ze specyfikacjami płaskości powierzchni optycznej. Współczynnik Ra dla borokrzemianu wynosi poniżej 0.5 nm; dla krzemionki topionej poniżej 0.1 nm. Chropowatość powierzchni FR-4 na styku przewodnik-dielektryk wynosi 1–3 μm ze względu na splot włókien. Ta 1000–10 000-krotna różnica w chropowatości powierzchni ma istotne konsekwencje dla strat w przewodzeniu przy częstotliwościach fal milimetrowych: prąd w głąb powierzchni podąża za profilem chropowatości powierzchni, więc gładsza powierzchnia szkła zmniejsza straty w przewodzeniu o 15–30% przy 28 GHz w porównaniu z chropowatą powierzchnią FR-4, nawet gdy oba podłoża mają podobne wartości Df.

Czy szkło borokrzemianowe to to samo co Pyrex?

Pyrex to nazwa handlowa szkła borokrzemianowego o specjalnej formule, pierwotnie produkowanego przez firmę Corning. Szkło borokrzemianowe klasy PCB jest produkowane z zachowaniem węższych tolerancji wymiarowych i składu niż produkty konsumenckie Pyrex, ale jego skład chemiczny jest podobny. Pełny przewodnik po materiałach borokrzemianowych znajduje się na stronie poświęconej szkłu borokrzemianowemu PCB.