Technologia płytek szklanych: zastosowania, produkcja i kluczowe właściwości

Czym są wafle szklane i dlaczego mają znaczenie

Wafle szklane są precyzyjnie zaprojektowane cienkie podłoża wykonane ze specjalnych materiałów szklanych , zwykle o grubości od 100 mikrometrów do kilku milimetrów. Podłoża te służą jako podstawowe platformy w produkcji półprzewodników, systemach mikroelektromechanicznych (MEMS), urządzeniach mikroprzepływowych i zaawansowanych zastosowaniach opakowaniowych. W przeciwieństwie do tradycyjnych płytek krzemowych, płytki szklane oferują wyjątkową przezroczystość optyczną, doskonałe właściwości izolacji elektrycznej i wyjątkową stabilność wymiarową w różnych temperaturach.

Globalny wafel szklany rynek odnotował znaczny wzrost, a raporty branżowe wskazują na złożoną roczną stopę wzrostu (CAGR) wynoszącą około 8–10% w latach 2020–2025 . Rozwój ten jest napędzany rosnącym zapotrzebowaniem na przekładki w opakowaniach układów scalonych 2,5D i 3D, w których płytki szklane zapewniają kluczowe korzyści w zakresie integralności sygnału i zarządzania temperaturą.

Procesy produkcyjne płytek szklanych

Produkcja płytek szklanych obejmuje kilka wyrafinowanych technik produkcyjnych, z których każda jest dostosowana do osiągnięcia określonych tolerancji wymiarowych i wymagań dotyczących jakości powierzchni.

Proces rysowania Fusion

Metoda pobierania metodą termojądrową, której pionierami są firmy takie jak Corning, produkuje ultrapłaskie tafle szkła o nieskazitelnych powierzchniach poprzez przepływ roztopionego szkła po klinie formującym. Proces ten eliminuje potrzebę polerowania obu powierzchni, osiągając tolerancję płaskości mniejszą niż 10 mikrometrów w przypadku płytek o średnicy 300 mm. Powstały materiał wykazuje chropowatość powierzchni poniżej 1 nanometra RMS, co czyni go idealnym do zastosowań w fotolitografii.

Szkło float i polerowanie

Tradycyjne procesy szkła float, po których następuje polerowanie chemiczno-mechaniczne (CMP), stanowią alternatywną metodę produkcji. Chociaż to podejście wymaga dodatkowych etapów przetwarzania, pozwala na większą elastyczność składu szkła i może osiągnąć jednolitość grubości ±5 mikrometrów na podłożach wielkoformatowych .

Cięcie laserowe i obróbka krawędzi

Po uformowaniu tafle szkła poddawane są precyzyjnemu cięciu laserowemu lub żłobieniu w celu utworzenia indywidualnych wafli. Techniki obróbki krawędzi zapewniają krawędzie wolne od wiórów i kontrolowane kąty ukosowania, co ma kluczowe znaczenie dla zautomatyzowanej obsługi w sprzęcie do produkcji półprzewodników. Nowoczesne systemy osiągają specyfikacje jakości krawędzi przy gęstości defektów poniżej 0,1 defektu na centymetr liniowy.

Właściwości materiału i skład

Wafle szklane są engineered from various glass compositions, each offering distinct property profiles for specific applications.

Krytyczne parametry wydajności

• Współczynnik rozszerzalności cieplnej (CTE): Dopasowanie współczynnika CTE do krzemu (2,6 ppm/°C) minimalizuje naprężenia podczas cykli obróbki cieplnej, zapobiegając wypaczeniom i rozwarstwianiu
• Właściwości elektryczne: Rezystywność skrośna przekraczająca 10^14 om-cm zapewnia doskonałą izolację przy prowadzeniu sygnałów o wysokiej częstotliwości
• Transmisja optyczna: Przezroczystość większa niż 90% w zakresie fal widzialnych umożliwia wyrównanie przez podłoże i obróbkę odwrotną
• Trwałość chemiczna: Odporność na kwasy, zasady i rozpuszczalniki organiczne zapewnia zgodność z chemikaliami stosowanymi w procesach półprzewodników

Kluczowe zastosowania w nowoczesnej elektronice

Zaawansowane pakowanie i przekładki

Szklane przekładki pojawiły się jako przełomowa technologia dla zastosowań obliczeniowych o wysokiej wydajności . Intel, TSMC i inne duże odlewnie intensywnie inwestują w technologię podłoża szklanego do integracji chipletów. Szkło umożliwia przelotki szklane (TGV) o średnicach tak małych jak 10 mikrometrów i odstępach do 40 mikrometrów, osiągając gęstość połączeń wzajemnych 10 razy większa niż w przypadku substratów organicznych .

W procesorach do centrów danych szklane przekładki wykazują redukcję strat sygnału o około 30–40% w porównaniu z tradycyjnymi materiałami przy częstotliwościach powyżej 50 GHz. To ulepszenie przekłada się bezpośrednio na zwiększoną efektywność energetyczną i zwiększoną przepustowość dla akceleratorów AI i interfejsów pamięci o dużej przepustowości (HBM).

MEMS i urządzenia czujnikowe

Płytki szklane stanowią idealne podłoża dla mikroprzepływowych urządzeń typu lab-on-chip, czujników ciśnienia i optycznych MEMS. Biokompatybilność, obojętność chemiczna i przezroczystość optyczna materiału sprawiają, że jest on szczególnie cenny w zastosowaniach w diagnostyce medycznej. Firmy produkujące chipy do analizy krwi rutynowo określają wafle ze szkła borokrzemianowego tolerancje płaskości powierzchni poniżej 2 mikrometrów zmienność grubości całkowitej (TTV) .

Technologie wyświetlania

Układy tranzystorów cienkowarstwowych (TFT) do wyświetlaczy ciekłokrystalicznych (LCD) i paneli OLED wykorzystują wielkoformatowe podłoża szklane, a fabryki Generacji 10.5 przetwarzają arkusze szkła o wymiarach 2940 mm × 3370 mm. Branża osiągnęła niezwykłą ekonomikę, a koszty podłoża spadły do ​​mniej niż 0,50 dolara za stopę kwadratową w przypadku zastosowań związanych z wyświetlaniem towarów, przy jednoczesnym zachowaniu rygorystycznych specyfikacji dotyczących wad powierzchni i kontroli wymiarów.

Zalety w porównaniu z płytkami krzemowymi

Chociaż krzem pozostaje dominującym podłożem półprzewodnikowym, płytki szklane oferują istotne zalety w określonych zastosowaniach:

1. Niższa utrata sygnału: Wartości tangensa strat dielektrycznych wynoszące 0,003–0,005 zapewniają doskonałą wydajność częstotliwości radiowej (RF) w obwodach komunikacyjnych wykorzystujących fale milimetrowe
2. Większe rozmiary podłoża: Technologia produkcji szkła z łatwością można skalować do prostokątnych formatów 510 mm × 515 mm, co przekracza praktyczne ograniczenia okrągłych płytek krzemowych
3. Efektywność kosztowa: W przypadku zastosowań z przekładkami podłoża szklane mogą kosztować o 40–60% mniej niż równoważne nośniki krzemowe, zapewniając jednocześnie porównywalne lub lepsze parametry elektryczne
4. Elastyczność projektowania: Pojazdy TGV ze szkła można formować z wyższymi współczynnikami kształtu (stosunek głębokości do średnicy przekraczający 10:1) w porównaniu z przelotkami wykonanymi z krzemu, co umożliwia bardziej zwartą architekturę 3D
5. Dostęp optyczny: Transmisja światła podczerwonego i widzialnego umożliwia wyrównanie tylnej części, kontrolę i zastosowanie technik przetwarzania, których nie można uzyskać w przypadku nieprzezroczystego krzemu

Wyzwania i rozwiązania w zakresie przetwarzania

Poprzez technologie formacyjne

Tworzenie przelotek szklanych wiąże się z wyjątkowymi wyzwaniami technicznymi. Obecnie w produkcji dominują trzy podstawowe metody:

• Wiercenie laserowe: Ultraszybkie lasery pikosekundowe lub femtosekundowe ablują materiał przy minimalnej liczbie stref wpływu ciepła, osiągając prędkość formowania 100–500 przelotek na sekundę przy średnicach od 10–100 mikrometrów
• Trawienie na mokro: Substancje chemiczne na bazie kwasu fluorowodorowego zapewniają doskonałą gładkość ścian bocznych w przypadku większych przelotek, a szybkość trawienia można kontrolować z dokładnością do ± 5% w przypadku partii płytek
• Trawienie na sucho: Wytrawianie jonami reaktywnymi w plazmie zapewnia profile anizotropowe do zastosowań wymagających pionowych ścian bocznych, chociaż wydajność pozostaje niższa niż w przypadku metod laserowych

Metalizacja i klejenie

Osadzanie warstw przewodzących na szkle wymaga starannej optymalizacji procesu. Fizyczne osadzanie z fazy gazowej (PVD) warstw adhezyjnych z tytanu lub chromu, a następnie osadzanie zarodków miedzi umożliwia późniejsze powlekanie galwaniczne w celu wypełnienia TGV. Zaawansowane udogodnienia osiągają poprzez wydajność wypełnienia przekraczającą 99,5% przy rezystancji elektrycznej poniżej 50 miliomów na przelotkę .

Technologie łączenia płytek przystosowane do szkła obejmują łączenie anodowe, łączenie metodą stapiania i klejenie, każde dostosowane do różnych wymagań dotyczących budżetu termicznego i hermetyczności. Anodowe wiązanie szkła borokrzemianowego z krzemem pozwala uzyskać siłę wiązania przekraczającą 20 MPa przy gęstości pustych przestrzeni międzyfazowych poniżej 0,01%.

Perspektywy branżowe i przyszły rozwój

Przemysł płytek szklanych znajduje się w punkcie zwrotnym, na który wpływa kilka zbieżnych trendów. Ogłoszenie firmy Intel dotyczące szklanych podłoży do zaawansowanych opakowań, którego celem jest wdrożenie w Ramy czasowe do roku 2030 dla procesorów nowej generacji , potwierdza lata inwestycji w badania i rozwój.

Analitycy rynku przewidują, że do 2028 r. sam segment zaawansowanych opakowań będzie zużywał płytki szklane o wartości ponad 2 miliardów dolarów rocznie. Wzrost ten wynika z nienasyconego zapotrzebowania na wydajność obliczeniową w sztucznej inteligencji, pojazdach autonomicznych i zastosowaniach przetwarzania brzegowego, gdzie zalety elektryczne szkła stają się coraz bardziej krytyczne.

Pojawiające się aplikacje

• Integracja fotoniki: Płytki szklane z wbudowanymi falowodami optycznymi umożliwiają wspólne pakowanie obwodów fotonicznych i elektronicznych na potrzeby optycznych połączeń wzajemnych działających z szybkością transmisji danych wynoszącą terabajty na sekundę
• Obliczenia kwantowe: Niska strata dielektryczna i stabilność termiczna specjalnych szkieł czynią je atrakcyjnymi podłożami dla nadprzewodzących układów kubitowych
• Elastyczna elektronika: Ultracienkie płytki szklane (o grubości do 30 mikrometrów) zapewniają mechanicznie elastyczne, a jednocześnie wytrzymałe chemicznie podłoża dla zginanych wyświetlaczy i czujników do noszenia

Wysiłki normalizacyjne podejmowane przez organizacje takie jak SEMI ustalają specyfikacje dotyczące wymiarów płytek szklanych, tolerancji płaskości i właściwości materiału. Normy te przyspieszą przyjęcie, zmniejszając ryzyko techniczne i umożliwiając wieloźródłowe łańcuchy dostaw w celu produkcji na dużą skalę.