semiconductor engineering
与目前使用的有机基板相比，玻璃基板由于其更密集的布线和更高的信号性能，开始在先进封装中获得牵引力。
在这种方法成为主流之前，还有很多问题需要解决。 虽然玻璃本身价格低廉，并且与硅有一些重要的物理相似性，但在积累、应力和处理方面仍然存在挑战，仍然需要解决。 此外，关于在实际应用中可能影响性能和寿命的不同类型的应力下的行为的数据很少。
尽管如此，好处是巨大的，进步是有形的。 “Glass 即将推出，”PDF Solutions 的产品管理顾问 Marc Jacobs 说。 “玻璃是液晶显示器和智能手机屏幕的先驱，我们意识到，如果我们能在液晶显示器的玻璃上制造电线和晶体管，那么我们就可以用它们取代印刷电路板。 玻璃非常扁平，具有与硅相似的膨胀温度系数，比其他材料好得多。 ”
凭借其卓越的平整度、绝缘性和热性能，玻璃为需要密集、高性能互连的新兴应用提供了传统基板的有吸引力的替代品。 然而，与新材料一样，该行业的理解和方法必须与技术本身的采用同步发展。
英特尔 Substrate TD 模块工程研究员兼总监 Rahul Manipali 表示：“将玻璃视为实现互连密度的一种方式，这种密度与硅中介层非常相似。 “玻璃基板为您提供了这种能力，但它也带来了非常具有挑战性的集成和接口工程问题，我们必须解决这些问题。 ”
其中一些挑战包括易碎性、缺乏对金属线的附着力以及难以实现均匀的通孔填充，这对于一致的电气性能至关重要。 此外，玻璃的高透明度和硅的不同反射率也给检测和测量带来了独特的挑战。 许多针对不透明或半透明材料的测量技术在玻璃上效果不佳。 例如，依靠反射率来测量距离和深度的光学计量系统必须适应玻璃的半透明性，这可能导致信号失真或丢失，从而影响测量精度。
所有这些技术都假设某些物理原理，“诺信测试与检查的计算机视觉工程经理John Hoffman说。 “当你开始更换基板时，物理学是否仍然有效？你能吗**？我们的许多算法都对物理学做出了某些假设。 这些算法是否仍然有效，或者是因为物理学发生了变化，我们必须提出全新的算法？”
缺乏可靠性数据
广泛采用玻璃基板的另一个主要障碍是缺乏可靠性数据。 玻璃基板是半导体封装的新进入者，与 FR4、聚酰亚胺或味之素处理膜 （ABF） 等传统材料相比，长期可靠性信息相对稀缺，需要数十年的数据来建立标准、性能指标和预期寿命。 在玻璃方面，该行业仍在建立知识库。 这种数据差距引发了对长期性能和耐用性至关重要的应用的担忧，例如汽车或航空航天领域。
玻璃基板的可靠性数据涵盖了广泛的因素，包括机械强度、抗热循环性、吸湿性、介电击穿和应力引起的分层。 这些特性中的每一个都会深刻影响最终产品的性能，尤其是在极端或不断变化的条件下。
当您过渡到玻璃等新基板时，在可靠性数据方面，您基本上是从头开始，“Onto Innovation 光刻产品营销总监 Keith Best 说。 “除非你有可靠性数据，否则你无法转向大批量生产 （HVM）。 ”
此外，可靠性不仅与玻璃基板本身的耐久性有关，还与它与封装中其他材料的结合程度有关。 玻璃具有出色的尺寸稳定性，可以承受芯片封装过程中的热负荷，但它如何在多个热循环中与焊料或底部填充材料相互作用，以及如何保持对金属线的附着力，尚不清楚。
缺乏数据的影响是巨大的。 如果没有可靠的数据，制造商可能会犹豫是否将玻璃基板用于高可靠性应用。 投资对这些材料进行加速寿命测试，以及开发它们在压力下的长期行为的**模型至关重要。
层数有限
玻璃基板的前景在于能够支持下一代电子产品所必需的高密度互连。 但目前，这种潜力受到施工过程中的实际限制。
目前用于半导体封装的硅基板和各种类型的层压板通常允许多层电路，包括顶层和底层以及内层。 这种分层对于在多芯片模块和复杂集成电路中实现所需的电气路径至关重要。 然而，由于玻璃的物理特性，例如其刚性和玻璃通孔（t**）使用的方法，添加内层是有问题的。
玻璃上可以放置的层数仍然受到严重限制，“爱德万测试业务发展总监 D**e Armstrong 解释道。 “你可以在顶部放几层，在底部放几层，但不要把它们放在中间。 在可预见的未来，这将是它的根本限制。 ”
这种有限的分层能力带来了特殊的设计挑战。 设计工程师必须找到以更少的层数连接更多连接的方法，或者开发新的制造方法，在不影响基板完整性的情况下实现内部分层。 这些创新可能包括新的蚀刻技术、用于玻璃的新型导电材料或用于创建电气互连的替代方法。
困难不仅仅是堆叠层。 它还涉及将它们互连。 在ABF或覆铜层压板等传统基板中，通孔用于连接电路走线层。 对于玻璃来说，通过多层制造这些通孔并实现半导体器件所需的精度和可靠性的技术仍在完善中。
如今，你不能在 ABF 中钻小于 20 微米的孔，“BEST 指出。 “而且玻璃会更小。 RDL 需要更小的通孔，因此我们需要一种新的光敏介电涂料、聚酰胺或其他材料。 ”
热膨胀
玻璃的优点之一是其热膨胀系数与硅相似，但与半导体器件中传统使用的其他材料相比，它的热膨胀系数也表现出显着不同的热膨胀系数。
这种热行为的差异在装配过程中至关重要，在装配过程中，精确的温度控制至关重要。 半导体生产包括各种热工艺——从沉积、蚀刻、退火到回流焊——在这些过程中，材料会受到广泛的温度影响。 鉴于保持尺寸稳定性的重要性，玻璃和其他材料的热膨胀率不匹配会导致显着的变形和错位，尤其是在难以确保均匀加热和冷却的情况下。
例如，考虑高温焊料回流引起的应力和潜在翘曲。 当器件被加热时，零件以由其热膨胀系数定义的速率膨胀和收缩。 如果玻璃基板的膨胀速度与其携带的芯片或互连的速率不同，则应力可能会在界面处积聚，从而产生微裂纹或分层的风险。
有时，测试是设备经历的最高热应力，因为您扫描的图案并不代表实际工作负载，“泰瑞达半导体测试集团产品营销总监Mark Kahwati说。 “接近热平衡的好处是，您可以优化测试吞吐量并最大限度地降低测试成本，但您不想突破界限并引入压力或潜在陷阱。 ”
精确计量以测量和补偿玻璃面板的热效应将是质量控制的一个重要方面。 正在研究创新的热管理解决方案，包括使用具有匹配热性能的导电粘合剂或底部填充胶，均匀分布热量的新型包层技术，甚至可能重新设计设备以适应热膨胀差异。
在处理玻璃时，精确的热建模和模拟也变得越来越重要。 设计师和工程师必须了解玻璃基板在其运行的热机械环境中如何与其他封装组件相互作用。 这从微观尺度（着眼于单个组件）延伸到宏观尺度（考虑整个设备在其生命周期内的性能）。
应力和应变
除了热因素外，在制造过程中施加在玻璃面板上的物理应力也会导致材料内部的应变。 玻璃的机械性能虽然有助于其平整度和刚度，但也使其容易受到加工过程中产生的拉力和压缩力的影响。 了解和测量玻璃的应力分布对于确保结构完整性至关重要。
例如，由于基板和添加层的物理状态不同，将材料沉积到玻璃基板上会产生内应力。 当这些力超过材料的固有强度阈值时，会导致基材开裂甚至完全失效。
此外，在切割和处理玻璃基板时引入的应力也不容忽视。 应用于更坚固基材的传统锯切方法通常会导致玻璃碎裂和开裂。 因此，制造商正在探索替代切割技术，例如激光切割。 这有望降低机械应力，但需要精确控制激光参数以避免热应力积累。
测试和计量工具必须包括应力分析功能。 拉曼光谱提供了一种非接触式方法，通过测量基底分子振动模式的变化来评估应力。 同样，纳米压痕通过在非常小的范围内施加受控力来深入了解玻璃面板的硬度和弹性模量，从而最大限度地减少额外表面损坏的可能性。
除了表征和测量应力外，在实践中管理这些应力还需要将应力消除步骤集成到制造过程中。 这可能涉及受控温度退火，专门设计用于管理玻璃的热膨胀特性，或添加应力补偿层以平衡材料堆栈内的固有张力。
玻璃的优点
并非玻璃和传统基板之间的所有差异都会带来新的挑战。 玻璃基板固有的透明度具有显著的优势，包括集成了以前在传统不透明基板上无法实现的检测技术。
红外 （IR） 和 X 射线成像可用于无损检查玻璃电子封装的内部工作原理。 这些方法能够检测表面下的细节，这种能力对于识别缺陷或确保正确的层对齐特别有价值，而不会物理改变或损坏组件。
玻璃的光学透明特性允许使用更先进的显微镜和扫描技术。 高分辨率光学检测技术充分利用了玻璃的透明度，提供了前所未有的设备结构视图。 它可以实时观察引线键合形成和焊点形成等过程。
如果你开始转向透明材料或基板，你可能会开发一些光学技术，“布鲁克纳米表面与计量应用和产品管理总监Frank Chen说。 “它更便宜、更快、更成熟。 只要光学器件可用，就会选择它们。 ”
玻璃的稳定性也使其成为精密计量的绝佳选择。 与会随着时间的推移而变形或降解的材料不同，玻璃可以保持其形状，从而实现长期可靠的测量。 这种一致性确保了制造过程中的可重复性和高产量。
对于需要射频透明度的电子封装，玻璃的介电特性使其成为一个引人注目的选择。 它允许将天线结构集成到封装本身中，而不会影响信号完整性。 此功能可以提高无线通信设备的性能，其中信号清晰度和强度至关重要。
热成像是玻璃基板的另一个优势领域。 由于其均匀的热性能，它们可以更准确地评估整个设备的热量分布。 这对于热管理策略至关重要，有助于更好的散热器设计，并有助于提高电子元件的整体可靠性。
基于激光的技术可以测量玻璃表面折射率的微小变化，这可以带来新的和改进的检测应力模式和挠度的方法。 这种精度加深了我们对工作条件下材料特性的理解，同时有助于更好的产品设计，能够承受日常使用的严酷考验。
虽然向玻璃的过渡带来了一系列挑战，但它也为测试和测量开辟了潜在的领域。 增强的检测能力、一致的计量、射频透明度和先进的热成像等优势与更广泛的行业目标非常吻合，以提高半导体器件的性能并确保可靠性。
玻璃检测确实存在一些挑战，但它仍然是一项新兴技术，“诺信产品线总监 Brad Perkins 说。 “尽管如此，这是一件令人兴奋的事情，它确实解决了先进封装中的一些问题。 ”
结论
随着各行各业越来越追求更紧凑、更复杂的设备，对高密度、高可靠性封装的需求将持续上升，而玻璃基板将在其发展中发挥作用。 虽然与集成玻璃相关的挑战是巨大的，但与之相匹配的是相当大的技术机遇。
玻璃基板具有无与伦比的平整度和热性能，这是下一代紧凑型高性能封装的基础。 玻璃的制造和测试过程很复杂，但其潜在的好处掩盖了这些复杂性。