与当今使用的有机基板相比，玻璃基板具有更密集的布线和更高的信号性能，因此开始在先进封装中受到关注。

在这种方法成为主流之前，还有很多问题需要解决。虽然玻璃本身很便宜，并且与硅有一些重要的物理相似性，但仍存在堆积、应力和处理方面的挑战，仍需要解决。此外，有关不同类型压力下的行为的数据很少，这些压力可能会影响实际应用中的性能和寿命。

尽管如此，好处是巨大的，进步是有形的。“玻璃即将问世，” PDF Solutions产品管理顾问 Marc Jacobs 说道。“玻璃是液晶显示器和智能手机屏幕的先驱，我们意识到，如果我们可以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。玻璃非常平坦，并且具有与硅相似的膨胀温度系数——比其他材料好得多。”

图 1：英特尔组装和测试技术开发工厂的玻璃基板测试装置。资料来源：英特尔

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，正如新材料的情况一样，行业的理解和方法必须与技术本身的采用同时发展。

英特尔基板 TD 模块工程研究员兼总监 Rahul Manipali 表示：“将玻璃视为一种获得与硅中介层非常相似的互连密度的方法。” “玻璃基板为您提供了这种能力，但它带来了我们必须解决的非常具有挑战性的集成和界面工程问题。”

其中一些挑战包括脆弱性、对金属线缺乏粘附力以及难以实现均匀的过孔填充，而均匀的过孔填充对于一致的电气性能至关重要。此外，由于玻璃的透明度高且反射率与硅不同，因此给检查和测量带来了独特的挑战。许多适用于不透明或半透明材料的测量技术在玻璃上效果较差。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度，这可能会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一定的物理原理，”诺信测试与检验公司的计算机视觉工程经理 John Hoffman 说。“当你开始更换基材时，物理原理仍然有效吗？你能康复吗？我们的许多算法都对物理学做出了某些假设。这些算法仍然有效，还是因为物理原理已经改变，我们必须想出全新的算法？”

缺乏可靠性数据

广泛采用玻璃基板的另一个关键障碍是缺乏可靠性数据。玻璃基板是半导体封装领域的新进入者，与 FR4、聚酰亚胺或味之素增粘膜 (ABF) 等传统材料相比，长期可靠性信息相对匮乏，需要数十年的数据来建立标准、性能指标、和预期寿命。对于玻璃，该行业仍在构建知识库。这种数据空白引起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广泛的因素，包括机械强度、耐热循环性、吸湿性、介电击穿和应力引起的分层。这些特性中的每一项都会深刻影响最终产品的性能，特别是在极端或变化的条件下。

“当您过渡到玻璃等新基材时，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 说道。“除非获得可靠性数据，否则无法转向大批量制造 (HVM)。”

此外，可靠性不仅涉及玻璃基板本身的耐用性，还涉及其与封装中其他材料的接合程度。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，以及它如何保持对金属线的粘附力，尚不清楚。

数据缺乏的影响是重大的。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。投资这些材料的加速寿命测试以及开发其在压力下的长期行为的预测模型至关重要。

有限的层数

玻璃基板的前景在于支持高密度互连的能力，这是下一代电子产品所必需的。但目前这种潜力因建设过程中的实际限制而受到限制。

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，包括顶部和底部以及内部层。这种分层对于实现多芯片模块和复杂集成电路中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 (TGV) 使用的方法，添加内层是有问题的。

“可以在玻璃上放置的层数仍然受到严重限制，”Advantest 业务开发总监 Dave Armstrong 解释道。“你可以在顶部放几层，在底部放几层，但中间不要放。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通过更少的层布线更多连接的方法，或者开发新的制造方法，允许内部分层而不损害基板的完整性。此类创新可能包括新的蚀刻技术、与玻璃一起使用的新型导电材料或创建电气互连的替代方法。

困难不仅仅在于堆叠各层。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，通过多层创建这些通孔并达到半导体器件所需的精度和可靠性的技术仍在完善中。

“如今，您无法在 ABF 中钻出小于 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漆、聚酰胺或某种其他材料。”

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，玻璃也表现出明显不同的热膨胀系数。

这种热行为差异在装配过程中至关重要，其中精确的温度控制至关重要。半导体生产涵盖各种热工艺——从沉积、蚀刻、退火到回流焊——在此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，玻璃和其他材料的不匹配的热膨胀率可能导致显着的扭曲和错位，特别是在难以确保均匀加热和冷却的情况下。

例如，考虑高温焊料回流过程中引起的应力和潜在的翘曲。当设备受热时，零件会以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所承载的芯片或互连的膨胀速度不同，则应力会在界面处累积，从而有形成微裂纹或分层的风险。

“有时，测试是设备所经历的最高热应力，因为您扫描的模式并不代表实际工作负载，”Teradyne 半导体测试组产品营销总监 Mark Kahwati说道。“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，但您不希望超出界限而引入压力或潜在缺陷。”

测量和补偿玻璃面板热效应的精确计量将是质量控制的一个重要方面。人们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材料、均匀分布热量的新包层技术，甚至可能重新设计设备以适应热膨胀差异。

在处理玻璃时，准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预测玻璃基板在其操作的热机械环境中如何与其余封装元件相互作用。这从微观尺度（着眼于单个组件）延伸到宏观尺度，考虑整个设备在其使用寿命期间的性能。

应力和应变

除了热因素之外，制造过程中施加在玻璃面板上的物理应力也会引起材料内的应变。玻璃的机械特性虽然有助于其平整度和刚性，但也使其容易受到加工过程中产生的拉伸和压缩力的影响。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可能会引入内应力。当这些力超过材料的固有强度阈值时，可能会导致破裂甚至基材完全失效。

此外，在玻璃基板的切割和处理过程中引入的应力也不容忽视。应用于更坚固的基材的传统锯切方法通常会导致玻璃碎裂和破裂。因此，制造商正在探索替代切割技术，例如激光切割。这有望减少机械应力，但需要精确控制激光参数以避免热应力累积。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的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。

除了应力的表征和测量之外，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。这可能涉及控制温度退火，专门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叠内的固有张力。

玻璃的优势

玻璃与传统基材的所有差异并非都会带来新的挑战。玻璃基板固有的透明度具有明显的优势，包括集成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而不物理改变或损坏组件特别有价值。

玻璃的光学透明特性允许更先进的显微镜和扫描技术。高分辨率光学检测技术可以充分利用玻璃的透明度，提供前所未有的器件结构视图。它允许实时观察引线键合形成和焊点创建等过程。

“如果你开始改用透明的材料或基材，你可能会开发一些光学技术，”布鲁克纳米表面与计量公司的应用和产品管理总监 Frank Chen 说。“这更便宜、更快、更成熟。只要可以使用光学，就选择光学。”

玻璃的稳定性也使其成为精密计量的绝佳选择。与可能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。这种一致性可以确保制造过程的可重复性和高良率。

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令人信服的选择。它可以将天线结构集成到封装本身内，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擅长领域。由于其均匀的热行为，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变化的微小变化，可以带来检测应力模式和偏转的新的和改进的方法。这种精度可以加深我们对操作条件下材料特性的理解，同时有助于更好的产品设计，经得起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，但它也开辟了测试和测量的潜力领域。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增强半导体器件性能和确保可靠性的更广泛行业目标非常契合。

“玻璃检测确实存在一些挑战，但它仍然是一项新兴技术”，Nordson 产品线总监 Brad Perkins 说道。“尽管如此，这仍然是一个令人兴奋的事情，它确实解决了先进封装中的一些问题。”

结论

随着各行业日益追求更加紧凑和复杂的设备，对高密度、高可靠性封装的需求将持续上升，而玻璃基板将在其进步中发挥作用。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多的技术机遇。

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非常复杂，但其潜在优势却让这些复杂性黯然失色。

（本文转自 semiconductor Engineering，转载仅供学习分享。）