Technológia sklenených plátkov: aplikácie, výroba a kľúčové vlastnosti

Čo sú sklenené oblátky a prečo na nich záleží

Sklenené oblátky sú precízne skonštruované tenké substráty vyrobené zo špeciálnych sklenených materiálov , typicky v rozmedzí od 100 mikrometrov do niekoľkých milimetrov. Tieto substráty slúžia ako základné platformy vo výrobe polovodičov, mikroelektromechanických systémoch (MEMS), mikrofluidných zariadeniach a pokročilých obalových aplikáciách. Na rozdiel od tradičných kremíkových plátkov, sklenené plátky ponúkajú jedinečnú optickú priehľadnosť, vynikajúce elektrické izolačné vlastnosti a výnimočnú rozmerovú stabilitu pri rôznych teplotách.

Globálne sklenená oblátka trh zaznamenal výrazný rast, pričom priemyselné správy uvádzajú zloženú ročnú mieru rastu (CAGR). približne 8 – 10 % medzi rokmi 2020 a 2025 . Toto rozšírenie je poháňané rastúcim dopytom po interposeroch v 2,5D a 3D balení integrovaných obvodov, kde sklenené doštičky poskytujú zásadné výhody v integrite signálu a tepelnom manažmente.

Výrobné procesy pre sklenené oblátky

Výroba sklenených doštičiek zahŕňa niekoľko sofistikovaných výrobných techník, z ktorých každá je prispôsobená na dosiahnutie špecifických rozmerových tolerancií a požiadaviek na kvalitu povrchu.

Proces fúzie

Metóda fúzneho ťahania, ktorú propagujú spoločnosti ako Corning, vyrába ultra ploché sklenené tabule s nedotknutým povrchom prúdením roztaveného skla cez tvarovací klin. Tento proces eliminuje potrebu leštenia na oboch povrchoch a dosahuje tolerancie rovinnosti menšie ako 10 mikrometrov na doštičkách s priemerom 300 mm. Výsledný materiál vykazuje hodnoty drsnosti povrchu pod 1 nanometer RMS, vďaka čomu je ideálny pre fotolitografické aplikácie.

Plavené sklo a leštenie

Tradičné procesy plaveného skla s následným chemicko-mechanickým leštením (CMP) predstavujú alternatívnu výrobnú cestu. Aj keď tento prístup vyžaduje ďalšie kroky spracovania, umožňuje väčšiu flexibilitu zloženia skla a môže dosiahnuť rovnomernosť hrúbky ±5 mikrometrov naprieč veľkoformátovými substrátmi .

Rezanie laserom a opracovanie hrán

Po vytvorení sa sklenené tabule podrobia presnému laserovému rezaniu alebo ryhovaniu, aby sa vytvorili jednotlivé doštičky. Techniky opracovania hrán zaisťujú hrany bez triesok s kontrolovanými uhlami skosenia, ktoré sú rozhodujúce pre automatizovanú manipuláciu v zariadeniach na výrobu polovodičov. Moderné systémy dosahujú špecifikácie kvality hrán s hustotou defektov pod 0,1 defektu na lineárny centimeter.

Vlastnosti a zloženie materiálu

Sklenené oblátky sú engineered from various glass compositions, each offering distinct property profiles for specific applications.

Kritické parametre výkonu

• Koeficient tepelnej rozťažnosti (CTE): Prispôsobenie CTE kremíku (2,6 ppm/°C) minimalizuje napätie počas cyklov tepelného spracovania, čím zabraňuje deformácii a delaminácii
• Elektrické vlastnosti: Objemový odpor presahujúci 10^14 ohm-cm poskytuje vynikajúcu izoláciu pre smerovanie vysokofrekvenčného signálu
• Optický prenos: Transparentnosť väčšia ako 90 % vo viditeľných vlnových dĺžkach umožňuje zarovnanie cez substrát a spracovanie zadnej strany
• Chemická odolnosť: Odolnosť voči kyselinám, zásadám a organickým rozpúšťadlám zaisťuje kompatibilitu s chemikáliami spracovania polovodičov

Kľúčové aplikácie v modernej elektronike

Pokročilé balenie a vkladače

Sklenené vložky sa objavili ako a technológia, ktorá mení hru pre vysokovýkonné počítačové aplikácie . Intel, TSMC a ďalšie veľké zlievarne veľa investujú do technológie sklenených substrátov na integráciu čipov. Sklo umožňuje priechody cez sklo (TGV) s priemerom len 10 mikrometrov a rozstupom až 40 mikrometrov, čím sa dosiahne hustoty prepojenia 10-krát vyššie ako organické substráty .

V procesoroch dátových centier vykazujú sklenené interposéry zníženie straty signálu približne o 30 – 40 % v porovnaní s tradičnými materiálmi pri frekvenciách nad 50 GHz. Toto zlepšenie sa priamo premieta do zvýšenej energetickej účinnosti a väčšej šírky pásma pre akcelerátory AI a rozhrania s veľkou šírkou pásma (HBM).

MEMS a senzorové zariadenia

Sklenené doštičky poskytujú ideálne substráty pre mikrofluidné laboratórne zariadenia na čipe, tlakové senzory a optické MEMS. Vďaka biokompatibilite, chemickej inertnosti a optickej priehľadnosti je materiál obzvlášť cenný pre aplikácie lekárskej diagnostiky. Spoločnosti vyrábajúce čipy na analýzu krvi bežne špecifikujú doštičky z borosilikátového skla tolerancie rovinnosti povrchu pod 2 mikrometre odchýlka celkovej hrúbky (TTV) .

Zobrazovacie technológie

Tenkovrstvové tranzistorové (TFT) polia pre displeje s tekutými kryštálmi (LCD) a OLED panely využívajú veľkoformátové sklenené substráty, pričom továrne generácie 10.5 spracúvajú sklenené tabule s rozmermi 2940 mm × 3370 mm. Toto odvetvie dosiahlo pozoruhodnú hospodárnosť, pričom náklady na substrát klesli na menej ako 0,50 USD na štvorcový meter pre aplikácie na zobrazovanie komodít pri zachovaní prísnych špecifikácií pre povrchové defekty a kontrolu rozmerov.

Výhody oproti kremíkovým doštičkám

Zatiaľ čo kremík zostáva dominantným polovodičovým substrátom, sklenené doštičky ponúkajú presvedčivé výhody pre špecifické aplikácie:

1. Nižšia strata signálu: Hodnoty tangens dielektrickej straty 0,003-0,005 umožňujú vynikajúci výkon rádiovej frekvencie (RF) v komunikačných obvodoch s milimetrovými vlnami
2. Väčšie veľkosti substrátu: Technológia výroby skla sa ľahko upraví na obdĺžnikové formáty 510 mm × 515 mm, čím prekračuje praktické limity kruhových kremíkových plátkov
3. Nákladová efektívnosť: Pre aplikácie vložiek môžu sklenené substráty stáť o 40 – 60 % menej ako ekvivalentné kremíkové nosiče, pričom poskytujú porovnateľný alebo lepší elektrický výkon
4. Flexibilita dizajnu: Vozidlá TGV v skle môžu byť vyrobené s vyššími pomermi strán (pomer hĺbky k priemeru presahujúci 10:1) v porovnaní s priechodnými priechodmi z kremíka, čo umožňuje kompaktnejšie 3D architektúry
5. Optický prístup: Prenos infračerveného a viditeľného svetla umožňuje zarovnanie zadnej strany, kontrolu a techniky spracovania nemožné s nepriehľadným kremíkom

Spracovanie výziev a riešení

Prostredníctvom Formation Technologies

Vytváranie priechodov cez sklo predstavuje jedinečné technické výzvy. V súčasnej výrobe dominujú tri hlavné metódy:

• Laserové vŕtanie: Ultrarýchle pikosekundové alebo femtosekundové lasery ablujú materiál s minimálnymi tepelne ovplyvnenými zónami a dosahujú rýchlosť formovania 100-500 vias za sekundu s priemermi od 10-100 mikrometrov
• Mokré leptanie: Chemikálie na báze kyseliny fluorovodíkovej poskytujú vynikajúcu hladkosť bočnej steny pre väčšie priechody s rýchlosťou leptania regulovateľnou s presnosťou ± 5 % naprieč dávkami plátkov
• Suché leptanie: Reaktívne iónové leptanie na báze plazmy ponúka anizotropné profily pre aplikácie vyžadujúce vertikálne bočné steny, hoci priepustnosť zostáva nižšia ako pri laserových metódach

Metalizácia a lepenie

Ukladanie vodivých vrstiev na sklo vyžaduje starostlivú optimalizáciu procesu. Fyzikálne nanášanie pár (PVD) adhéznych vrstiev titánu alebo chrómu, po ktorom nasleduje nanášanie zárodkov medi, umožňuje následné galvanické pokovovanie na vyplnenie TGV. Pokročilé zariadenia dosiahnuť cez výťažok presahujúci 99,5 % s elektrickým odporom pod 50 miliohmov na via .

Technológie lepenia plátkov prispôsobené pre sklo zahŕňajú anodické spájanie, tavné spájanie a lepenie, pričom každá z nich vyhovuje rôznym tepelným požiadavkám a požiadavkám na hermetickosť. Anodickým spájaním borosilikátového skla s kremíkom sa dosahuje pevnosť spoja presahujúca 20 MPa s hustotou pórov na rozhraní pod 0,01 %.

Priemyselné vyhliadky a budúci vývoj

Priemysel sklenených oblátok stojí na inflexnom bode, ktorý poháňa niekoľko zbližujúcich sa trendov. Spoločnosť Intel oznámila sklenené substráty pre pokročilé balenie so zameraním na implementáciu v Časový rámec 2030 pre procesory novej generácie , potvrdzuje dlhoročné investície do výskumu a vývoja.

Trhoví analytici predpokladajú, že samotný segment pokročilých obalov bude do roku 2028 spotrebovávať sklenené oblátky v hodnote viac ako 2 miliardy USD ročne. Tento rast pramení z neukojiteľného dopytu po výpočtovom výkone v oblasti umelej inteligencie, autonómnych vozidiel a okrajových počítačových aplikácií, kde sú elektrické výhody skla čoraz kritickejšie.

Vznikajúce aplikácie

• Integrácia fotoniky: Sklenené doštičky so zabudovanými optickými vlnovodmi umožňujú spoločné balenie fotonických a elektronických obvodov pre optické prepojenia pracujúce s prenosovými rýchlosťami terabit za sekundu
• Kvantové počítanie: Nízka dielektrická strata a tepelná stabilita špeciálnych skiel z nich robí atraktívne substráty pre supravodivé qubitové polia
• Flexibilná elektronika: Ultratenké sklenené doštičky (až do hrúbky 30 mikrometrov) poskytujú mechanicky flexibilné a zároveň chemicky odolné substráty pre ohýbateľné displeje a nositeľné senzory

Úsilie o štandardizáciu prostredníctvom organizácií ako SEMI stanovuje špecifikácie pre rozmery sklenených plátkov, tolerancie rovinnosti a vlastnosti materiálov. Tieto štandardy urýchlia prijatie znížením technického rizika a umožnením viaczdrojových dodávateľských reťazcov pre veľkoobjemovú výrobu.