Lasikiekkotekniikka: Sovellukset, valmistus ja keskeiset ominaisuudet

Mitä lasikiekot ovat ja miksi niillä on merkitystä

Lasikiekot ovat tarkkuussuunnitellut ohuet alustat, jotka on valmistettu erikoislasimateriaaleista , tyypillisesti paksuus 100 mikrometristä useisiin millimetreihin. Nämä substraatit toimivat perustana puolijohteiden valmistuksessa, mikroelektromekaanisissa järjestelmissä (MEMS), mikrofluidilaitteissa ja kehittyneissä pakkaussovelluksissa. Toisin kuin perinteiset piikiekot, lasikiekot tarjoavat ainutlaatuisen optisen läpinäkyvyyden, erinomaiset sähköeristysominaisuudet ja poikkeuksellisen mittavakauden vaihtelevissa lämpötiloissa.

Globaali lasinen kiekko markkinat ovat kokeneet merkittävän kasvun, ja teollisuuden raportit osoittavat yhdistetyn vuotuisen kasvun (CAGR). noin 8-10 % vuosina 2020-2025 . Laajentumisen taustalla on 2.5D- ja 3D-integroitujen piirien pakkauksissa käytettävien interposereiden kasvava kysyntä, joissa lasikiekot tarjoavat ratkaisevia etuja signaalin eheydessä ja lämmönhallinnassa.

Lasikiekkojen valmistusprosessit

Lasikiekkojen tuotantoon liittyy useita kehittyneitä valmistustekniikoita, joista jokainen on räätälöity tiettyjen mittatoleranssien ja pinnan laatuvaatimusten saavuttamiseksi.

Fusion Draw -prosessi

Corningin kaltaisten yritysten edelläkävijä fuusiovetomenetelmä tuottaa erittäin litteitä lasilevyjä koskemattomilla pinnoilla virtaamalla sulaa lasia muodostavan kiilan yli. Tämä prosessi eliminoi molempien pintojen kiillotuksen tarpeen, jolloin saavutetaan alle 10 mikrometrin tasaisuustoleranssi halkaisijaltaan 300 mm:n kiekoissa. Tuloksena saadun materiaalin pinnan karheusarvot ovat alle 1 nanometrin RMS, mikä tekee siitä ihanteellisen fotolitografiasovelluksiin.

Float-lasi ja kiillotus

Perinteiset float-lasiprosessit, joita seuraa kemiallis-mekaaninen kiillotus (CMP) ovat vaihtoehtoinen valmistusreitti. Vaikka tämä lähestymistapa vaatii lisäkäsittelyvaiheita, se mahdollistaa suuremman joustavuuden lasikoostumuksessa ja voi saavuttaa paksuuden tasaisuuden ±5 mikrometriä suurikokoisten alustojen läpi .

Laserleikkaus ja reunankäsittely

Kun lasilevyt on muodostettu, ne läpikäyvät tarkan laserleikkauksen tai piirroksen yksittäisten kiekkojen luomiseksi. Reunojen käsittelytekniikat varmistavat siruttomat reunat kontrolloiduilla viistekulmilla, mikä on kriittistä puolijohdevalmistuslaitteiden automaattiselle käsittelylle. Nykyaikaiset järjestelmät saavuttavat reunan laatuvaatimukset, joiden virhetiheydet ovat alle 0,1 vikaa lineaarisenttimetriä kohden.

Materiaalin ominaisuudet ja koostumus

Lasikiekot ovat engineered from various glass compositions, each offering distinct property profiles for specific applications.

Kriittiset suorituskykyparametrit

• Lämpölaajenemiskerroin (CTE): CTE:n sovittaminen piin kanssa (2,6 ppm/°C) minimoi rasituksen lämpökäsittelyjaksojen aikana, mikä estää vääntymisen ja delaminoitumisen
• Sähköiset ominaisuudet: Yli 10^14 ohm-cm äänenvoimakkuuden resistanssi tarjoaa erinomaisen eristyksen suurtaajuiselle signaalin reititykselle
• Optinen siirto: Yli 90 % läpinäkyvyys näkyvillä aallonpituuksilla mahdollistaa kohdistuksen alustan läpi ja taustapuolen käsittelyn
• Kemiallinen kestävyys: Kestävyys happoja, emäksiä ja orgaanisia liuottimia vastaan varmistaa yhteensopivuuden puolijohteiden käsittelykemian kanssa

Tärkeimmät sovellukset modernissa elektroniikassa

Advanced Packaging ja Interposers

Lasivälittäjät ovat ilmaantuneet a Peliä muuttava tekniikka tehokkaisiin laskentasovelluksiin . Intel, TSMC ja muut suuret valimot investoivat voimakkaasti lasisubstraattiteknologiaan sirujen integroimiseksi. Lasi mahdollistaa lasin läpivientien (TGV:t), joiden halkaisija on jopa 10 mikrometriä ja jakovälit jopa 40 mikrometriä. liitostiheydet 10 kertaa suuremmat kuin orgaaniset substraatit .

Palvelinkeskusten prosessoreissa lasit osoittavat signaalihäviön vähenemistä noin 30-40 % verrattuna perinteisiin materiaaleihin yli 50 GHz:n taajuuksilla. Tämä parannus tarkoittaa suoraan parannettua virrantehokkuutta ja lisääntynyttä kaistanleveyttä tekoälykiihdyttimissä ja suuren kaistanleveyden muistin (HBM) liitännöissä.

MEMS ja anturilaitteet

Lasikiekot tarjoavat ihanteellisia substraatteja mikrofluidisille lab-on-chip-laitteille, paineantureille ja optisille MEMS-järjestelmille. Materiaalin bioyhteensopivuus, kemiallinen inerttiys ja optinen läpinäkyvyys tekevät siitä erityisen arvokkaan lääketieteellisissä diagnostisissa sovelluksissa. Verianalyysisiruja valmistavat yritykset määrittävät rutiininomaisesti borosilikaattilasikiekot pinnan tasaisuustoleranssit alle 2 mikrometrin kokonaispaksuuden vaihtelu (TTV) .

Näyttötekniikat

Nestekidenäyttöjen (LCD) ja OLED-paneeleiden ohutkalvotransistorijärjestelmät (TFT) käyttävät suurikokoisia lasisubstraatteja, ja 10.5-sukupolven fabs käsittelee lasilevyjä, joiden mitat ovat 2940 mm × 3370 mm. Teollisuus on saavuttanut huomattavan taloudellisen tuloksen, sillä substraattikustannukset ovat laskeneet alle 0,50 dollariin neliöjalkaa kohti hyödykkeiden näyttösovelluksissa, samalla kun pintavikoja ja mittojen hallintaa koskevat tiukat vaatimukset on säilytetty.

Edut piikiekoihin verrattuna

Vaikka pii on edelleen hallitseva puolijohdesubstraatti, lasikiekot tarjoavat vakuuttavia etuja tiettyihin sovelluksiin:

1. Alempi signaalihäviö: Dielektrisen häviön tangentin arvot 0,003-0,005 mahdollistavat erinomaisen radiotaajuisen (RF) suorituskyvyn millimetriaaltoviestintäpiireissä
2. Suuremmat alustan koot: Lasinvalmistustekniikka skaalautuu helposti 510 mm × 515 mm:n suorakaiteen muotoihin ylittäen pyöreiden piikiekkojen käytännön rajat
3. Kustannustehokkuus: Interposer-sovelluksissa lasisubstraatit voivat maksaa 40-60 % vähemmän kuin vastaavat piikantoaineet samalla kun ne tarjoavat vertailukelpoisen tai paremman sähköisen suorituskyvyn
4. Suunnittelun joustavuus: Lasin TGV:t voidaan muodostaa korkeammilla kuvasuhteilla (syvyys-halkaisijasuhteet yli 10:1) verrattuna piiläpivientiin, mikä mahdollistaa kompaktimman 3D-arkkitehtuurin
5. Optinen pääsy: Infrapuna- ja näkyvän valon läpäisy mahdollistaa takapuolen kohdistuksen, tarkastuksen ja käsittelytekniikat, jotka ovat mahdottomia läpinäkymättömällä piillä

Haasteiden ja ratkaisujen käsittely

Formation Technologiesin kautta

Lasin läpivientien luominen asettaa ainutlaatuisia teknisiä haasteita. Kolme ensisijaista menetelmää hallitsee nykyistä tuotantoa:

• Laserporaus: Ultranopeat piko- tai femtosekuntilaserit poistavat materiaalia mahdollisimman vähän lämpövaikutteisilla vyöhykkeillä, jolloin muodostumisnopeus on 100-500 läpivientiä sekunnissa halkaisijaltaan 10-100 mikrometriä
• Märkä etsaus: Fluorivetyhappopohjaiset kemiat tarjoavat erinomaisen sivuseinän sileyden suurempia läpivientejä varten. Syövytysnopeudet ovat säädettävissä ±5 %:n tarkkuudella kiekkoerissä.
• Kuiva etsaus: Plasmapohjainen reaktiivinen ionisyövytys tarjoaa anisotrooppisia profiileja sovelluksiin, jotka vaativat pystysuuntaisia sivuseiniä, vaikka suoritusteho on alhaisempi kuin lasermenetelmillä

Metallisointi ja liimaus

Johtavien kerrosten kerrostaminen lasille vaatii huolellista prosessin optimointia. Titaani- tai kromiadheesiokerrosten fyysinen höyrypinnoitus (PVD), jota seuraa kuparin siemenpinnoitus, mahdollistaa myöhemmän galvanoinnin TGV:iden täyttämiseksi. Edistyneet tilat saavuttavat täyttömäärät ylittävät 99,5 % sähkövastuksen ollessa alle 50 milliohmia läpivientiä kohti .

Lasille sovitettuihin kiekkojen liimaustekniikoihin kuuluvat anodinen sidos, fuusioliitos ja liimaliitos, jotka kukin sopivat erilaisiin lämpöbudjettiin ja hermeettisyysvaatimuksiin. Borosilikaattilasin anodisella liittämisellä piin sidoslujuudet ylittävät 20 MPa rajapinnan huokostiheydellä alle 0,01 %.

Toimialan näkymät ja tuleva kehitys

Lasikiekkoteollisuus on käännekohdassa, jota ohjaavat useat lähentyvät trendit. Intelin ilmoitus lasisubstraateista edistyneille pakkauksille, kohdistaminen täytäntöönpanoon 2030 aikaväli seuraavan sukupolven prosessoreille , validoi vuosien tutkimus- ja kehitysinvestoinnit.

Markkina-analyytikot ennustavat, että edistyneiden pakkausten segmentti yksin kuluttaa lasikiekkoja, joiden arvo on yli 2 miljardia dollaria vuodessa vuoteen 2028 mennessä. Tämä kasvu johtuu laskentasuorituskyvyn kyltymättömästä kysynnästä tekoälyssä, autonomisissa ajoneuvoissa ja reunalaskentasovelluksissa, joissa lasin sähköiset edut tulevat yhä kriittisemmiksi.

Kehittyvät sovellukset

• Fotoniikan integrointi: Lasikiekot, joissa on upotetut optiset aaltoputket, mahdollistavat fotoni- ja elektroniikkapiirien yhteispakkaamisen terabitin sekunnissa datanopeuksilla toimivia optisia liitäntöjä varten
• Kvanttilaskenta: Erikoislasien alhainen dielektrinen häviö ja lämpöstabiilisuus tekevät niistä houkuttelevia substraatteja suprajohtaville qubit-ryhmille
• Joustava elektroniikka: Erittäin ohuet lasikiekot (jopa 30 mikrometrin paksuus) tarjoavat mekaanisesti joustavia, mutta kemiallisesti kestäviä substraatteja taivutettaville näytöille ja puetettaville antureille

SEMI:n kaltaisten organisaatioiden suorittamat standardisointitoimet ovat laatimassa eritelmiä lasikiekkojen mitoille, tasaisuustoleransseille ja materiaaliominaisuuksille. Nämä standardit nopeuttavat käyttöönottoa vähentämällä teknisiä riskejä ja mahdollistamalla usean lähteen toimitusketjut suuria määriä varten.