Властивості типів скляних підкладок для друкованих плат та порівняння матеріалів

Скляна підкладка для друкованої плати — це базовий діелектричний шар скляної друкованої плати — матеріал, який забезпечує механічну підтримку, електричну ізоляцію та платформу для формування малюнка провідників. Вона визначає кожну критичну електричну та фізичну властивість готової плати: діелектричну проникність, тангенс кута діелектричних втрат, теплове розширення, площинність поверхні, оптичне пропускання та хімічну стійкість.

Вибір підкладки не є другорядним рішенням. Він визначає, що може робити схема, на якій частоті вона може працювати та як вона поводиться за циклічних змін температури, вологості та механічних навантажень. Інженери, які проектують схеми з частотою понад 10 ГГц, напівпровідникові корпусні підкладки, що вимагають сумісності з кремнієм за коефіцієнтом теплової експозиції, або оптичні схеми, що вимагають прозорості через плату, не можуть розглядати вибір підкладки як рішення за замовчуванням.

У цьому посібнику розглядаються чотири комерційні типи скляних підкладок, що використовуються у виробництві друкованих плат, їх виміряні електричні та теплові властивості, критерії вибору залежно від застосування, а також те, як тип підкладки впливає на процес виготовлення та час виконання. Повний огляд технології скляних друкованих плат дивіться в посібнику зі скляних друкованих плат.

Отримайте цінову пропозицію на ваш проект зі скляної друкованої плати

---

Що таке скляна підкладка для друкованої плати?

У технології друкованих плат підкладка – це базовий діелектричний шар, на якому побудовані всі провідники, перехідні отвори та поверхневе покриття. У стандартній друкованій платі FR-4 підкладка являє собою композит з плетеного скловолокна та епоксидної смоли. У скляній друкованій платі підкладка являє собою однорідний скляний лист – композиційно однорідний, без плетіння волокон та виготовлений відповідно до специфікацій оптичної площинності поверхні, а не стандартних допусків ламінату.

Скляна підкладка виконує три одночасні функції в готовій друкованій платі:

• Механічний носій: забезпечує жорстку структурну підтримку провідників, компонентів та перехідних отворів товщиною від 0.05 мм (надтонке гнучке скло) до 6 мм (архітектурні панелі)
• Електричний ізолятор: розділяє шари провідника діелектриком, який має визначені, стабільні значення Dk та Df, що використовуються в розрахунках імпедансу
• Функціональний матеріал: сприяє оптичній прозорості, хімічній інертності, теплопровідності та стабільності розмірів, яких FR-4 не може забезпечити

Ці три функції працюють одночасно, і вибір типу скла означає вибір балансу властивостей, який відповідає застосуванню, а не оптимізацію для будь-якого окремого параметра окремо.

---

Чотири типи комерційних скляних підкладок

У виробництві друкованих плат комерційно використовуються чотири склади скла. Кожен з них має особливе поєднання електричних, оптичних, теплових та механічних властивостей.

Боросилікатне скло

Боросилікатне скло (SiO₂ + B₂O₃, вміст кремнезему ~81%) є найпоширенішою скляною підкладкою для корпусування радіочастотних та напівпровідникових пристроїв. Його поєднання низького тангенса кута втрат (~0.004 на частоті 1 ГГц), коефіцієнта теплового розтягування 3.3 ppm/°C, стійкості до термічних ударів та помірної вартості робить його вибором за замовчуванням для підкладок для корпусів мікросхем 5G mmWave, автомобільних радарів та скляних сердечників. Боросилікат є основним типом підкладки в стандартній лінійці скляних друкованих плат Highleap.

Плавлений кремнезем (плавлений кварц)

Плавлений кварцовий диоксид (чистий SiO₂, чистота >99.9%) забезпечує найнижчий тангенс кута діелектричних втрат серед усіх комерційних підкладок для друкованих плат — нижче 0.0002 на частоті 1 ГГц та нижче 0.0005 вище 100 ГГц. Він також забезпечує найстабільнішу діелектричну проникність (Dk = 3.78 ± 0.01) за різних температур і вологості. Ці властивості роблять плавлений кварцовий диоксид необхідною підкладкою для застосувань вище 60 ГГц (дослідження в діапазонах E, D, ТГц) та для прецизійних радіочастотних калібрувальних стандартів. Його КТР 0.55 ppm/°C є найближчим аналогом до кремнію серед будь-якого типу скла. Премія за вартість порівняно з боросилікатом становить 3–5 разів.

Натрієве скло

Натрієво-кальційне скло (SiO₂ + Na₂O + CaO) – це стандартний склад, який використовується у вікнах, пляшках та склі для плоских дисплеїв. Його вищий вміст натрію призводить до вищого тангенса кута втрат (~0.010 при 1 ГГц) та коефіцієнта теплового розсіювання (КТР) 9 ppm/°C, що занадто високо для точного узгодження КТР кремнію та гранично для радіочастотних застосувань вище 5 ГГц. Однак його коефіцієнт оптичного пропускання (>90%) та низька вартість роблять його придатним для світлодіодних скляних панелей, прозорих архітектурних схем та застосувань у роздрібних магазинах, де радіочастотні характеристики не є критерієм вибору.

Алюмосилікатне скло (хімічно зміцнене)

Алюмосилікатне скло (SiO₂ + Al₂O₃) є базовим складом для хімічно зміцнених скляних виробів, включаючи Corning Gorilla Glass. Хімічне зміцнення (процес іонного обміну) замінює іони натрію на поверхні скла більшими іонами калію, створюючи шар стискаючого напруження, який збільшує твердість поверхні та стійкість до розтріскування в 4–6 разів порівняно зі стандартним склом. Це підкладка для сенсорних сенсорів та споживчих пристроїв, що потребують стійкості до подряпин та ударів. Його Dk та Df знаходяться проміжними між натронно-вапняним та боросилікатним склом.

---

Порівняння електричних властивостей

Електричні властивості, що визначають придатність підкладки для радіочастотних та високошвидкісних цифрових застосувань, - це діелектрична проникність (Dk) та тангенс кута діелектричних втрат (Df).

Особливої ​​уваги заслуговує колонка стабільності Dk. Варіація Dk FR-4 ±0.3–0.5 зумовлена ​​переплетенням волокон — сліди, що перетинають області скляних пучків, зазнають іншого Dk, ніж сліди, що перетинають зони, багаті на смолу. Це призводить до неоднорідності імпедансу та диференціальної парної асиметрії. Скляні підкладки є композиційно однорідними — переплетення волокон відсутнє — тому варіація Dk по всій панелі незначна (<0.02 для боросилікату, <0.01 для плавленого кварцу). Для фазованих антенних решіток, де фазова узгодженість між елементами є критичною, ця однорідність є функціональною вимогою.

---

Термічні та механічні властивості

КТР боросилікатного скла (3.3 ppm/°C) приблизно в 5 разів ближчий до КТР кремнію (2.6 ppm/°C), ніж FR-4. Це значно зменшує термомеханічні напруження на межі розділу кристал-підкладка в корпусах типу «фліп-чіп». Для прямого підключення кристалів з кроком між виходами менше 100 мкм перевага КТР боросилікату над FR-4 полягає в різниці між достатньою втомною довговічністю паяного з'єднання та передчасними польовими виходами. Плавлений кварц з концентрацією 0.55 ppm/°C забезпечує ще ближчу відповідність КТР кремнію, що актуально для найвимогливіших застосувань у корпусуванні напівпровідників. Це детально розглядається в посібнику з друкованих плат зі скляним осердям.

Як вибрати правильну скляну підкладку

Вибір субстрату повинен відповідати вимогам застосування в порядку пріоритетності:

• Робоча частота вище 60 ГГц: Тільки плавлений кварц. Боросилікат Df на частоті 60–100 ГГц гранично придатний для використання на дуже коротких лініях передачі; для будь-якого кола з довжиною сигнальних шляхів >2 см на цих частотах потрібен плавлений кварц Df нижче 0.0005.
• Робоча частота 10–60 ГГц: Боросилікатне скло. Коефіцієнт втрат внесення (Df) 0.004–0.006 у цьому діапазоні забезпечує достатні показники вставних втрат для радарів 5G мм-хвиль, 24 ГГц та 77 ГГц, а також для супутникових схем Ku/Ka-діапазону. Повні дані щодо радіочастотних характеристик наведено в високочастотний скляний напрямний для друкованої плати.
• Корпус напівпровідників / дрібний крок виводу: Боросилікат (КТР 3.3 ppm/°C) або плавлений кварц (КТР 0.55 ppm/°C). Вибір залежить від кроку нерівностей та ступеня термоциклування. Для кроку нерівностей менше 50 мкм при термоциклуванні в автомобілі плавлений кварц забезпечує краще узгодження КТР з кремнієм.
• Світлодіодний / прозорий дисплей (для приміщень): Натрієво-кальційне скло. Економічно ефективне, з високим коефіцієнтом оптичного пропускання, доступне у великих архітектурних форматах. Радіочастотні характеристики не є критерієм вибору.
• Світлодіодний / прозорий дисплей (для вулиці або автомобіля): Боросилікат. Термостійкість, необхідна для циклічного перегріву на відкритому повітрі та для автомобільної кваліфікації AEC-Q100.
• Сенсорний екран для споживачів / ударостійкий: Хімічно зміцнений алюмосилікат. Механічна міцність та стійкість до подряпин є основними критеріями вибору.
• Прецизійне радіочастотне калібрування або вакуумна електроніка: Плавлений кварц. Максимальна стабільність Dk та нульове виділення газів.

---

Підготовка поверхні та металізація

Скляні підкладки потребують підготовки поверхні перед нанесенням провідника, оскільки скло природним чином погано зв'язується з міддю. Стандартними є два способи обробки поверхні:

Обробка силановим сполучним агентом наносить на поверхню скла шар молекулярної адгезії, забезпечуючи реактивні поверхневі групи, які зв'язуються як зі скляною підкладкою (завдяки силанольній хімії), так і з згодом нанесеним шаром металевого зародка (завдяки хімії функціональних груп). Ця обробка виконується безпосередньо перед PVD-осадженням, щоб запобігти перериванню хімічного зв'язку забрудненням поверхні.

Плазмове очищення та активація використовують кисневу або аргонову плазму для видалення органічних забруднень зі скляної поверхні та створення на поверхні реакційноздатних гідроксильних груп (–OH), які покращують адгезію металу. Плазмова активація виконується безпосередньо перед металізацією, щоб запобігти повторному забрудненню.

Після підготовки поверхні, нанесення провідників на скляні друковані плати здійснюється методом фізичного осадження з парової фази (PVD), зокрема, титанового або титано-вольфрамового адгезійного шару (20–50 нм), а потім шару мідного зародка (200–500 нм) методом розпилення. Потім цей тонкоплівковий шар гальванічно покривається до кінцевої товщини міді (зазвичай 12–35 мкм для сигнальних шарів, 35–70 мкм для силових шарів). Адгезійна міцність цього гальванічно покритого PVD шару на належним чином підготовленому склі перевищує 0.8 Н/мм на відшарування, що достатньо для всіх стандартних процесів складання друкованих плат, включаючи паяння оплавленням та з'єднання дротів. Повний процес виробництва описано в посібнику з виробництва скляних друкованих плат.

---

Тип основи та процес виготовлення

Тип скляної підкладки впливає на вибір процесу виготовлення у двох сферах: формування переходного отвору та виділення окремої підкладки.

Формування перехідних отворів: Усі чотири типи скла підтримують формування лазерних перехідних отворів. LIDE (глибоке лазерне травлення) є кращим методом для перехідних отворів з високим співвідношенням сторін та дрібним кроком між перехідними отворами в боросилікатному та плавленому кварцовому склі. CO₂-лазерна абляція використовується для більших перехідних отворів (≥150 мкм) у світлодіодах з натрієво-кальційного та алюмосилікатного скла. Плавлений кварцовий скло вимагає спеціально налаштованих лазерних параметрів для його високої чистоти — його неможливо обробляти стандартними параметрами боросилікатного лазера без збільшення шорсткості стінок перехідного отвору. Повний процес TGV детально описано в посібнику з формування перехідних отворів крізь скло.

Розрізання підкладки: Скляні панелі розрізають до кінцевих розмірів за допомогою лазерного надрізання та механічного розділення або лазерного різання на повну глибину. Механічне фрезерування, стандартне для FR-4, не використовується для скла, оскільки абразивний процес фрезерування ламає краї скла та створює мікротріщини, які поширюються до руйнування підкладки. Натрієво-кальцієве скло має найнижчу в'язкість на розрив і вимагає найретельнішого поводження з краями. Хімічно зміцнений алюмосилікат є найбільш стійким до розриву країв завдяки своєму поверхневому шару, що піддається стисканню.

---

Часті запитання про скляну підкладку для друкованих плат

Яка скляна підкладка найчастіше використовується для радіочастотних друкованих плат?

Боросилікатне скло є стандартною підкладкою для друкованих плат радіочастотного скла для частот від 10 до 60 ГГц. Його тангенс кута втрат 0.004–0.006 у цьому діапазоні, у поєднанні з помірною вартістю та налагодженим ланцюгом поставок, робить його вибором за замовчуванням для міліметрових хвиль 5G, автомобільних радарів та радіочастотних схем супутників. Плавлений кварц використовується на частотах вище 60 ГГц, де втрати в боросилікатному склі стають обмежуючими факторами продуктивності.

Чи можна використовувати скляні підкладки для друкованих плат зі стандартним паянням оплавленням?

Так. Усі чотири типи комерційних скляних підкладок сумісні зі стандартними профілями оплавлення без свинцю SAC305 (пік 245–255°C). Скло термічно стабільне значно вище температур оплавлення — сама підкладка не змінює властивостей під час процесу оплавлення. Тонкі скляні підкладки (менше 0.5 мм) потребують кріплення під час транспортування конвеєром оплавлення, щоб запобігти згинанню панелі за підвищеної температури.

Яка мінімальна доступна товщина підкладки?

Підкладки для друкованих плат з боросилікатного та плавленого кварцового скла доступні товщиною від 0.1 мм у стандартних форматах панелей. При товщині 0.1 мм підкладку можна обробляти вручну лише за допомогою спеціалізованих вакуумних пристосувань. Підкладки товщиною менше 0.3 мм вимагають несучих панелей протягом усього процесу виготовлення. Практичний мінімум для більшості застосувань друкованих плат становить 0.3 мм без носія. Для спеціалізованих застосувань у гнучких скляних схемах доступне надтонке скло (0.05–0.1 мм).

Як площинність поверхні скляної підкладки порівнюється з FR-4?

Скляні підкладки виготовляються відповідно до специфікацій оптичної площинності поверхні. Шорсткість поверхні боросилікату Ra менше 0.5 нм; плавленого кварцу Ra менше 0.1 нм. Шорсткість поверхні FR-4 на межі розділу провідник-діелектрик становить 1–3 мкм через топографію поверхні з волоконним переплетенням. Ця різниця в шорсткості поверхні, що дорівнює 1000–10000×, має значні наслідки для втрат у провіднику на міліметрових хвильових частотах: струм глибини скін-променевої поверхні відповідає профілю шорсткості поверхні, тому більш гладка скляна поверхня зменшує втрати у провіднику на 15–30% на частоті 28 ГГц порівняно з шорсткою поверхнею FR-4, навіть коли обидві підкладки мають подібні значення Df.

Чи боросилікатне скло те саме, що й пірекс?

Pyrex – це торгова назва спеціальної рецептури боросилікатного скла, спочатку виготовленого компанією Corning. Боросилікатне скло для друкованих плат виготовляється з жорсткішими допусками на розміри та склад, ніж споживчі вироби Pyrex, але базовий хімічний склад подібний. Повний посібник з боросилікатних матеріалів можна знайти на сторінці боросилікатного скла для друкованих плат.