Vzhledem k tomu, že skleněné substráty hrají v oblasti pokročilých polovodičových obalů stále důležitější roli, mají přesné otvory vyřezané do skleněných destiček zásadní význam pro vývoj elektronických zařízení nové generace. Tyto otvory slouží jako cesty pro elektrická propojení, kanály pro průtok tekutin, optický přenos, vyrovnávací struktury a speciální prvky obalů.
Na rozdíl od konvenčního obrábění křemíku představuje vytváření otvorů ve skleněných destičkách specifické výzvy, protože sklo je křehký materiál, který je velmi náchylný k odštípnutí hran, vzniku mikrotrhlin a zbytkovému napětí. K dosažení čistých otvorů s přesnými rozměry je nutný pečlivý výběr obráběcích metod, procesních parametrů a kontrolních technik.
Tento článek popisuje proces vyřezávání otvorů do skleněných destiček, dostupné výrobní technologie, běžné problémy související s kvalitou a klíčové aspekty návrhu pro aplikace v oblasti polovodičů a pokročilých balicích technologií.
Co je to odběr vzorků ze skleněných destiček?
Vytváření otvorů ve skleněných destičkách je proces, při kterém se ve skleněné destičce vytvářejí přesné kruhové otvory nebo dutiny při zachování strukturální integrity okolního materiálu.
Vzniklé otvory lze využít k:
- Příprava průchozích spojů sklem (TGV)
- Integrace senzorů
- Optické dráhy
- Zařízení MEMS
- Mikrofluidní systémy
- Balení na úrovni čipu
- Vyrovnávací otvory
- Mechanické polohování
- Vakuové balení
- Struktury polovodičových mezivrstev
V závislosti na použití může být otvor:
- Kompletní průchozí otvor
- Slepá díra
- Zapuštěná dutina
- Stupňovitý otvor
- Přesné zahloubení
Požadovaná geometrie určuje vhodný výrobní proces.
Proč se sklo používá v moderních obalech
Sklo se stalo atraktivním materiálem pro výrobu substrátů, protože v sobě spojuje vynikající elektrické, mechanické a tepelné vlastnosti.
Ve srovnání s organickými substráty sklo nabízí:
- Vynikající rozměrová stabilita
- Nízké dielektrické ztráty
- Vysoká elektrická izolace
- Hladký povrch
- Nízká variabilita tepelné roztažnosti
- Vysoká rovinnost
- Dobrá optická průhlednost
- Kompatibilita s redistribučními vrstvami s jemným roztečem
Ve srovnání s křemíkem vykazuje sklo obecně nižší ztráty vysokofrekvenčního signálu a lepší výkon ve vysokofrekvenčních aplikacích.
Vzhledem k tomu, že se architektury typu „chiplet“, procesory pro umělou inteligenci a heterogenní integrace neustále vyvíjejí, skleněné mezivrstvy přitahují stále větší pozornost výrobců polovodičů.
Proč je odběr vzorků jádrovou metodou obtížnější, než se zdá
Ačkoli se sklo ve srovnání se safírem nebo karbidem křemíku jeví jako relativně měkký materiál, při obrábění se chová jako křehký materiál.
Na rozdíl od tvárných kovů se sklo spíše láme, než aby se plasticky deformovalo.
Při odběru vzorků jádrovým vrtáním může nesprávné řízení procesu vést k:
- Odlamování hran
- Radiální trhliny
- Podpovrchové poškození
- Zbytkové napětí
- Škrábance na povrchu
- Kónické otvory
- Kontaminace částicemi
- Zlomeniny v rohu
Tyto vady mohou snížit výtěžnost destiček a ovlivnit následné procesy, jako je metalizace, tvorba TGV a lepení destiček.
Běžné technologie pro odběr vzorků ze skleněných destiček
V závislosti na velikosti otvoru, tloušťce destičky, požadavcích na toleranci a objemu výroby je k dispozici několik výrobních metod.
Mechanické jádrové vrtání
Vrtání diamantovým jádrem je jednou z tradičních metod pro vytváření relativně velkých otvorů.
Mezi výhody patří:
- Osvědčená technologie
- Dobrá kontrola rozměrů
- Vhodné pro výrobu prototypů
- Kompatibilní s různými druhy skla
Mechanický kontakt však způsobuje vznik řezných sil, které mohou zvýšit riziko odlupování a vzniku mikrotrhlin.
Zásadní význam má správný přívod chladicí kapaliny, otáčky vřetena a posuv.
Ultrazvukové obrábění
Ultrazvukové obrábění kombinuje vysokofrekvenční vibrace s abrazivní kaší za účelem odstraňování křehkých materiálů.
Mezi výhody patří:
- Nižší řezné síly
- Menší poškození hran
- Vyšší odolnost pro křehké sklo
- Vhodné pro přesné otvory
Ultrazvukové obrábění se často volí v případech, kdy je třeba minimalizovat mechanické namáhání.
Laserové vrtání
Laserové vrtání se v oblasti polovodičů těší stále větší oblibě.
Na rozdíl od mechanického řezání upravuje nebo odstraňuje soustředěná laserová energie materiál bez fyzického kontaktu s nástrojem.
Mezi výhody patří:
- Schopnost vrtání malých otvorů
- Vysoká přesnost polohování
- Flexibilní geometrie
- Snížené mechanické namáhání
- Vynikající možnosti automatizace
Ultrarychlé laserové systémy dále omezují zóny tepelně ovlivněné a vznik mikrotrhlin.
Laserové vrtání je obzvláště vhodné pro pokročilé balení a přesnou mikroelektroniku.
Obrábění s využitím vodního paprsku
U některých větších otvorů lze použít obrábění abrazivním vodním paprskem.
Ačkoli má tento proces relativně malý tepelný vliv, bez dodatečných dokončovacích procesů obecně nedokáže dosáhnout stejné rozměrové přesnosti, jaká je vyžadována při balení polovodičů.
Hybridní výroba
Mnoho výrobců kombinuje v rámci jednoho výrobního procesu více technik.
Například:
- Laserové předvrtání
- Mechanické dokončování
- Leštění hran
- Čištění
- Kontrola povrchu
Hybridní zpracování může zvýšit jak produktivitu, tak konečnou kvalitu.
Aspekty návrhu přesných skleněných otvorů
Úspěšné vyřezávání otvorů do skleněných destiček začíná správným návrhem výrobku.
Průměr otvoru
Menší otvory obecně vyžadují přísnější kontrolu výrobního procesu.
Vliv velikosti otvoru:
- Způsob obrábění
- Doba cyklu
- Poměr stran
- Kvalita hran
- Obtížnost kontroly
- Výrobní náklady
Konstruktéři by se měli pokud možno vyhýbat zbytečně malým průměrům.
Tloušťka destičky
Vztah mezi tloušťkou destičky a průměrem otvoru má přímý vliv na náročnost obrábění.
Vysoký poměr stran zvyšuje obtížnost:
- Odklízení trosek
- Kvalita bočnic
- Rozměrová přesnost
- Přímost otvoru
Tenčí destičky snižují hloubku vrtání, vyžadují však dodatečnou podporu při manipulaci.
Poloha otvoru
Přesnost polohy je obzvláště důležitá pro:
- TGV pole
- Optické seřízení
- Balení více čipů
- MEMS struktury
- Integrace senzorů
Odkazy na referenční rovinu by měly být na technických výkresech jasně vyznačeny.
Vzdálenost od okraje
Nedostatečná vzdálenost mezi otvorem a okrajem destičky zvyšuje riziko zlomení.
Inženýři by měli kolem každého otvoru ponechat dostatečnou rezervu materiálu, aby byla během celého procesu zachována mechanická pevnost.
Kvalita povrchu a bočnic
Kvalita otvoru se hodnotí na základě několika charakteristik.
Kruhovost
Hotový otvor by měl co nejvíce odpovídat zamýšlenému kruhovému tvaru.
Špatná kruhovost může zkomplikovat metalizaci a montáž součástek.
Válcovitost
U průchozích otvorů by stěny měly zůstat co nejrovnější.
Přílišný zúžený tvar může narušit pokovení TGV a elektrické vlastnosti.
Drsnost bočnice
Hladké bočnice zlepšují:
- Nanášení kovu
- Adheze
- Elektrická spolehlivost
- Průtok tekutiny
- Optické vlastnosti
U náročných aplikací může být nutné dodatečné leštění.
Odštěpování hran
Drobné odštěpky v okolí vstupu nebo výstupu otvoru se mohou stát místy, kde vznikají trhliny.
Kvalita hran je proto před dalším zpracováním pečlivě zkontrolována.
Čištění po odběru vzorků
Při obrábění vznikají částice, abrazivní zbytky a mikroskopické úlomky skla.
Úklid obvykle zahrnuje:
- Oplachování deionizovanou vodou
- Ultrazvukové čištění
- Chemické čištění
- Odstraňování částic
- Sušení
- Kontrola povrchu
Čistota je obzvláště důležitá před metalizací nebo lepením destiček.
Metody kontroly
Otvory ve skleněných destičkách se obvykle kontrolují pomocí několika metrologických technik.
Optická mikroskopie
Používá se k:
- Čipy Edge
- Povrchové vady
- Detekce trhlin
- Geometrie otvoru
Souřadnicové měřicí systémy
Měření:
- Průměr otvoru
- Přesnost polohy
- Rozteč otvorů
- Kruhovost
3D optická profilometrie
Poskytuje informace o:
- Drsnost povrchu
- Výška schodu
- Profil hrany
- Geometrie bočnice
Automatizovaná vizuální kontrola
Ve výrobních prostředích se často využívají automatizované kontrolní systémy pro kontrolu kvality při velkých objemech výroby.
Tyto systémy zvyšují konzistenci a zároveň zkracují dobu kontroly.
Běžné výzvy ve výrobě
Mikrotrhliny
Mikropraskliny nemusí být při počáteční kontrole viditelné, ale mohou se šířit během teplotních cyklů nebo při manipulaci s destičkami.
Optimalizované parametry obrábění pomáhají minimalizovat jejich vznik.
Vytváření částic
Částice skla mohou znečistit následné procesy při výrobě polovodičů.
Správný průtok chladicí kapaliny, čisticí postupy a údržba zařízení snižují znečištění.
Kónický otvor
Opotřebení nástroje nebo nesprávné nastavení procesu mohou vést ke vzniku kuželovitých otvorů.
U aplikací TGV je geometrie boční stěny obzvláště důležitá, protože ovlivňuje následnou metalizaci.
Zbytkové napětí
Mechanické nebo tepelné zpracování může způsobit vznik vnitřního pnutí.
Stres může vést k opožděnému vzniku trhlin během balení nebo při zkouškách spolehlivosti.
Využití technologie vyřezávání otvorů do skleněných destiček
Přesné skleněné otvory se hojně využívají v moderní výrobě polovodičů.
Mezi typické oblasti použití patří:
Průchod sklem (TGV)
Vrtáním do skla se vytvoří počáteční otvory, které se později pokoví, čímž vzniknou elektrická propojení.
MEMS zařízení
Mnoho MEMS senzorů vyžaduje přesně umístěné dutiny a kanálky pro tekutiny.
Optické obaly
Skleněné otvory umožňují integraci optických vláken, čoček a fotonických komponentů do kompaktních pouzder.
Biomedicínské čipy
Mikrofluidní zařízení často využívají přesně opracované skleněné kanálky a zásobníky.
RF balení
Skleněné substráty umožňují použití ve vysokofrekvenčních komunikačních zařízeních s vynikající integritou signálu.
Balení na úrovni čipu
Přesné otvory umožňují kompaktní integraci více funkčních vrstev do moderních polovodičových pouzder.
Informace potřebné pro výrobu na zakázku
Při žádosti o cenovou nabídku na vyvrtávání otvorů do skleněných destiček by odběratelé měli uvést:
- Sklenený materiál
- Průměr destičky
- Tloušťka destičky
- Průměr otvoru
- Hloubka otvoru
- Počet volných míst
- Tolerance polohy
- Kvalita povrchu
- Požadavky na bočnice
- Kvalita hran
- Soubor s výkresem
- Výrobní množství
- Požadavky na kontrolu
Kompletní výkresy pomáhají výrobcům doporučit nejvhodnější postup.
Často kladené otázky
Jaký je rozdíl mezi vyřezáváním otvorů do skleněných destiček a vrtáním?
Pod pojmem „vykrajování“ se obecně rozumí vytváření přesných otvorů s kontrolovanou geometrií a minimálním poškozením, zatímco „vrtání“ je širší pojem z oblasti obrábění. Aplikace v polovodičovém průmyslu často vyžadují mnohem přísnější tolerance než běžné vrtání.
Může laserové vyvrtávání zabránit odlupování hran?
Laserové zpracování může výrazně omezit mechanické poškození, avšak nesprávné parametry procesu mohou i tak vést ke vzniku tepelných vad nebo mikrotrhlin.
Který proces je nejvhodnější pro výrobu TGV?
Optimální metoda závisí na velikosti otvoru, tloušťce destičky, poměru stran, objemu výroby a požadavcích na metalizaci. Mnoho výrobců kombinuje laserové zpracování s následnými kroky povrchové úpravy.
Je možné ve skleněných destičkách vyrobit velmi malé otvory?
Ano. Ultrarychlé laserové systémy a specializované technologie mikroobrábění umožňují vytvářet extrémně malé otvory s vysokou polohovou přesností.
Jak se kontroluje kvalita otvorů?
Výrobci obvykle hodnotí průměr, polohu, kuželovitost, kvalitu boční stěny, povrchové vady, odštěpky na hranách a znečištění částicemi pomocí optických a automatizovaných měřicích přístrojů.
Má druh skla vliv na proces odběru vzorků?
Ano. Borosilikátové sklo, tavený oxid křemičitý, křemenné sklo a speciální obalové sklo mají každé odlišné tepelné a mechanické vlastnosti, které vyžadují odlišné parametry obrábění.
Závěr
Vrtání otvorů do skleněných destiček je klíčový výrobní proces, který podporuje rychlý rozvoj pokročilých technologií balení polovodičů, MEMS zařízení, fotoniky a technologie průchodů skrz sklo (Through-Glass Via).
Výroba vysoce kvalitních otvorů vyžaduje mnohem více než pouhé vytvoření otvoru. Konečné spolehlivosti zařízení přispívá výběr procesu, parametry obrábění, kvalita bočních stěn, čistota i kontrola.
Vzhledem k tomu, že se v oblasti balení polovodičů pokračuje v trendu směrem k menším roztečím a větším skleněným substrátům, zůstane přesné vyvrtávání otvorů do skleněných destiček klíčovou technologií pro budoucí elektronické systémy.