Tehnologija staklenih pločica: Primjena, proizvodnja i ključna svojstva

Što su staklene ploče i zašto su važne

Staklene napolitanke su precizno projektirane tanke podloge izrađene od specijalnih staklenih materijala , obično u rasponu od 100 mikrometara do nekoliko milimetara debljine. Ovi supstrati služe kao temeljne platforme u proizvodnji poluvodiča, mikroelektromehaničkih sustava (MEMS), mikrofluidnih uređaja i naprednih aplikacija za pakiranje. Za razliku od tradicionalnih silikonskih pločica, staklene pločice nude jedinstvenu optičku prozirnost, vrhunska električna izolacijska svojstva i iznimnu dimenzijsku stabilnost na različitim temperaturama.

Globalni staklena pločica tržište je doživjelo značajan rast, s industrijskim izvješćima koja ukazuju na složenu godišnju stopu rasta (CAGR) od otprilike 8-10% između 2020. i 2025 . Ovo širenje potaknuto je sve većom potražnjom za interposerima u 2.5D i 3D pakiranju integriranih krugova, gdje staklene pločice pružaju ključne prednosti u integritetu signala i upravljanju toplinom.

Proizvodni procesi za staklene ploče

Proizvodnja staklenih pločica uključuje nekoliko sofisticiranih proizvodnih tehnika, od kojih je svaka prilagođena za postizanje specifičnih tolerancija dimenzija i zahtjeva kvalitete površine.

Proces crtanja fuzije

Metoda fuzijskog crtanja, koju su uvele tvrtke poput Corninga, proizvodi ultra ravne staklene ploče s netaknutim površinama strujanjem rastaljenog stakla preko klina za oblikovanje. Ovaj proces eliminira potrebu za poliranjem obje površine, postižući tolerancije ravnosti manje od 10 mikrometara na pločicama promjera 300 mm. Dobiveni materijal pokazuje vrijednosti površinske hrapavosti ispod 1 nanometra RMS, što ga čini idealnim za fotolitografske primjene.

Float staklo i poliranje

Tradicionalni postupci float stakla praćeni kemijsko-mehaničkim poliranjem (CMP) predstavljaju alternativni način proizvodnje. Iako ovaj pristup zahtijeva dodatne korake obrade, on omogućuje veću fleksibilnost u sastavu stakla i može postići ujednačenost debljine ±5 mikrometara preko podloga velikog formata .

Lasersko rezanje i obrada rubova

Nakon što se formiraju, staklene ploče prolaze kroz precizno lasersko rezanje ili piskanje kako bi se stvorile pojedinačne ploče. Tehnike obrade rubova osiguravaju rubove bez krhotina s kontroliranim kutovima zakošenja, kritične za automatizirano rukovanje u opremi za proizvodnju poluvodiča. Moderni sustavi postižu specifikacije kvalitete rubova s ​​gustoćom defekata ispod 0,1 defekta po linearnom centimetru.

Svojstva materijala i sastav

Staklene napolitanke su engineered from various glass compositions, each offering distinct property profiles for specific applications.

Kritični parametri izvedbe

• Koeficijent toplinske ekspanzije (CTE): Usklađivanje CTE sa silicijem (2,6 ppm/°C) smanjuje stres tijekom ciklusa toplinske obrade, sprječavajući savijanje i raslojavanje
• Električna svojstva: Volumni otpor veći od 10^14 ohm-cm pruža izvrsnu izolaciju za usmjeravanje visokofrekventnog signala
• Optički prijenos: Prozirnost veća od 90% u vidljivim valnim duljinama omogućuje poravnavanje kroz podlogu i obradu stražnje strane
• Kemijska postojanost: Otpornost na kiseline, baze i organska otapala osigurava kompatibilnost s kemijskim procesima poluvodiča

Ključne primjene u modernoj elektronici

Napredno pakiranje i interposeri

Stakleni interposeri nastali su kao a tehnologija koja mijenja pravila igre za računalne aplikacije visokih performansi . Intel, TSMC i druge velike ljevaonice ulažu velika sredstva u tehnologiju staklene podloge za integraciju čipleta. Staklo omogućuje prolazne staklene otvore (TGV) s promjerima od samo 10 mikrometara i nagibom do 40 mikrometara, postižući gustoće međusobnog povezivanja 10 puta veće od organskih supstrata .

U procesorima podatkovnih centara stakleni interposeri pokazuju smanjenje gubitka signala od približno 30-40% u usporedbi s tradicionalnim materijalima na frekvencijama iznad 50 GHz. Ovo poboljšanje izravno se prevodi u poboljšanu energetsku učinkovitost i povećanu propusnost za AI akceleratore i sučelja memorije velike propusnosti (HBM).

MEMS i senzorski uređaji

Staklene pločice pružaju idealne podloge za mikrofluidne laboratorijske uređaje na čipu, senzore tlaka i optičke MEMS. Biokompatibilnost materijala, kemijska inertnost i optička prozirnost čine ga posebno vrijednim za medicinske dijagnostičke primjene. Tvrtke koje proizvode čipove za analizu krvi rutinski određuju borosilikatne staklene ploče s tolerancije ravnosti površine ispod 2 mikrometra ukupne varijacije debljine (TTV) .

Tehnologije zaslona

Nizovi tranzistora tankog filma (TFT) za zaslone s tekućim kristalima (LCD) i OLED panele koriste staklene podloge velikog formata, s tvornicama generacije 10.5 koje obrađuju staklene ploče dimenzija 2940 mm × 3370 mm. Industrija je postigla izvanrednu ekonomičnost, s padom troškova supstrata na manje od 0,50 dolara po kvadratnom metru za aplikacije za izlaganje robe, uz zadržavanje strogih specifikacija za površinske nedostatke i kontrolu dimenzija.

Prednosti u odnosu na silikonske pločice

Dok silicij ostaje dominantna podloga poluvodiča, staklene pločice nude uvjerljive prednosti za specifične primjene:

1. Manji gubitak signala: Vrijednosti tangensa dielektričnog gubitka od 0,003-0,005 omogućuju vrhunske performanse radijske frekvencije (RF) u komunikacijskim krugovima milimetarskih valova
2. Veće veličine supstrata: Tehnologija proizvodnje stakla lako se skalira na pravokutne formate od 510 mm × 515 mm, premašujući praktična ograničenja kružnih silikonskih pločica
3. Troškovna učinkovitost: Za aplikacije interposera, stakleni supstrati mogu koštati 40-60% manje od ekvivalentnih silikonskih nosača, a istovremeno pružaju usporedive ili bolje električne performanse
4. Fleksibilnost dizajna: TGV-ovi u staklu mogu se oblikovati s višim omjerima širine i visine (omjeri dubine i promjera veći od 10:1) u usporedbi sa silicijskim otvorima, što omogućuje kompaktnije 3D arhitekture
5. Optički pristup: Transmisija infracrvene i vidljive svjetlosti dopušta poravnanje stražnje strane, inspekciju i tehnike obrade nemoguće s neprozirnim silikonom

Izazovi obrade i rješenja

Putem Formation Technologies

Stvaranje otvora kroz staklo predstavlja jedinstvene tehničke izazove. Tri primarne metode dominiraju trenutnom proizvodnjom:

• Lasersko bušenje: Ultrabrzi pikosekundni ili femtosekundni laseri uklanjaju materijal s minimalnim zonama utjecaja topline, postižući stope formiranja via od 100-500 viasa u sekundi s promjerima od 10-100 mikrometara
• Mokro jetkanje: Kemijski pripravci na bazi fluorovodične kiseline pružaju izvrsnu glatkoću bočnih stijenki za veće otvore, uz kontrolu brzine jetkanja unutar ±5% u serijama pločica
• Suho graviranje: Reaktivno ionsko jetkanje temeljeno na plazmi nudi anizotropne profile za aplikacije koje zahtijevaju okomite bočne stijenke, iako je propusnost niža od laserskih metoda

Metalizacija i lijepljenje

Nanošenje vodljivih slojeva na staklo zahtijeva pažljivu optimizaciju procesa. Fizičko taloženje parom (PVD) adhezijskog sloja titana ili kroma praćeno taloženjem bakrenog klica omogućuje naknadnu galvanizaciju za punjenje TGV-a. Napredni objekti postići prinosi punjenja preko 99,5% s električnim otporima ispod 50 miliohma po prolazu .

Tehnologije pločastog lijepljenja prilagođene za staklo uključuju anodno lijepljenje, spajanje fuzijom i lijepljenje, od kojih svaka odgovara različitim toplinskim proračunima i zahtjevima hermetičnosti. Anodno lijepljenje borosilikatnog stakla na silicij postiže čvrstoću veze veću od 20 MPa s gustoćom praznina na sučelju ispod 0,01%.

Izgledi industrije i budući razvoj

Industrija staklenih pločica nalazi se na prekretnici vođenoj nekoliko konvergentnih trendova. Intelova najava staklenih podloga za napredno pakiranje, s ciljem implementacije u 2030. vremenski okvir za procesore sljedeće generacije , potvrđuje godine ulaganja u istraživanje i razvoj.

Tržišni analitičari predviđaju da će samo segment naprednog pakiranja do 2028. trošiti staklene pločice u vrijednosti od preko 2 milijarde dolara godišnje. Ovaj rast proizlazi iz nezasitne potražnje za računalnim performansama u umjetnoj inteligenciji, autonomnim vozilima i rubnim računalnim aplikacijama gdje električne prednosti stakla postaju sve kritičnije.

Prijave u nastajanju

• Integracija fotonike: Staklene pločice s ugrađenim optičkim valovodima omogućuju zajedničko pakiranje fotonskih i elektroničkih sklopova za optičke interkonekcije koji rade pri brzinama prijenosa podataka terabita po sekundi
• Kvantno računalstvo: Mali dielektrični gubitak i toplinska stabilnost specijalnih stakala čine ih atraktivnim supstratima za supravodljive nizove kubita
• Fleksibilna elektronika: Ultratanke staklene pločice (do 30 mikrometara debljine) pružaju mehanički fleksibilne, ali kemijski robusne podloge za savitljive zaslone i nosive senzore

Standardizacijski napori kroz organizacije kao što je SEMI uspostavljaju specifikacije za dimenzije staklenih ploča, tolerancije ravnosti i svojstva materijala. Ovi će standardi ubrzati usvajanje smanjenjem tehničkog rizika i omogućavanjem opskrbnih lanaca s više izvora za proizvodnju velikih količina.