玻璃基板

发布时间：2026-07-13 13:36
作者：AMEYA360
来源：网络
阅读量：193

　　玻璃基板是一种广泛应用于电子产品、光学器件和显示技术中的重要材料，具有优良的透明性、平整度和化学稳定性。作为支撑物或基础材料，玻璃基板在各种领域发挥着关键作用。本文将介绍玻璃基板的定义、特点、制备方法、应用领域、优势。


定义

　　玻璃基板是由无机非晶态或部分结晶态的玻璃材料制成的平坦均匀的基板，通常具有高透明度、低热膨胀系数和优异的化学稳定性。它被广泛应用于液晶显示器、光伏电池、半导体芯片等领域，作为器件的支撑和衬底材料。


特点

　　玻璃基板具有以下主要特点：

　　透明性：玻璃基板具有优秀的透明性，可以作为透明的支撑材料用于显示器件。

　　平整度：玻璃基板表面平整度高，有利于制备高精度的电子元件。

　　化学稳定性：玻璃基板对酸碱腐蚀性能较好，能够保护器件免受外界环境侵害。

　　热膨胀系数低：玻璃基板的热膨胀系数低，有助于降低温度变化对器件性能的影响。


制备方法

　　制备玻璃基板的常见方法包括：

　　浮法工艺：通过浮法工艺生产出大面积的平整透明玻璃，用于大尺寸显示器件。

　　离子交换工艺：利用离子交换技术改变玻璃表面的化学性质，提高其耐磨性和强度。

　　化学沉积：采用溶胶-凝胶法、磁控溅射等技术，在表面沉积薄膜以改善玻璃基板的特性。

　　热处理：经过特定的热处理后，玻璃基板的热膨胀系数和机械性能得到改善。


应用领域

　　玻璃基板在多个领域得到广泛应用，包括但不限于：

　　显示技术：液晶显示器、OLED显示器等的基板材料。

　　光伏技术：太阳能电池板的基底材料。

　　半导体制造：半导体芯片的衬底材料，用于制备集成电路。

　　光学器件：用于制备光学镜片、棱镜等器件。


优势

　　高透明度：玻璃基板具有出色的透明性，有利于显示器件和光学器件的传输效率。

　　化学稳定性：玻璃基板在各种化学环境下表现出良好的稳定性，能够保护器件免受腐蚀。

　　可加工性：玻璃基板易于加工和制备成各种形状和尺寸，满足不同应用的需求。

　　低热膨胀系数：低热膨胀系数的玻璃基板有助于降低温度变化对器件性能的影响。


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　　1. 玻璃面板嵌入(Glass Panel Embedding, GPE)　　玻璃面板嵌入(GPE)已成为高密度封装领域的一项有前景的技术进展，它通过在结构化玻璃基板中嵌入芯片，实现异构集成。在玻璃基中介层(interposer)已有研究的基础上，GPE 利用了玻璃的独特特性，如低损耗、尺寸稳定性以及可调热膨胀系数(CTE)，同时引入了面板级嵌入方法，避免了对硅通孔(TSV)或模塑化合物封装的依赖。　　与基于 TSV 的 2.5D 和 3D 硅中介层相比，这些方案需要通过硅晶圆进行垂直互连，成本高、工艺复杂;而 GPE 允许将已知良品芯片被动嵌入玻璃腔中，信号和电源通过多层聚合物再分布层(RDL)实现重新分配。　　与晶圆级扇出封装(WLFO)相比，这类封装受限于翘曲和模具稳定性，尤其在更细间距时表现不佳;GPE 提供了热机械上稳健的基板，支持细间距 I/O(<20 μm)、更高的布线密度以及大面积面板格式。使用玻璃还可减少翘曲并获得优异的表面平整度，这对于细线光刻和多芯片组装至关重要。此外，GPE 避免了有机封装中焊球回流和翘曲控制的限制，也规避了基于 TSV 堆叠的预组装对芯片良率的影响。　　S.拉维奇丹兰等报告展示了 GPE 在高性能计算应用中实现的两种基于玻璃的 3D 封装架构。图 1a、1b 显示了这两种架构的示意图。在该方案中，芯片被嵌入玻璃腔中，并通过聚合物再分布层(RDL)互连，从而无需 TSV。　　在第一个测试载具中，两颗芯片在玻璃腔中横向嵌入，芯片间距约 92 μm，通过 16 μm 微通孔互连。额外的 HBM 模拟器芯片通过微凸点组装在顶部，实现垂直互连长度小于 45 μm。I/O 间距被缩小到 <20 μm，实现高密度集成。　　在第二个载具中，使用 50 mm × 50 mm 的玻璃中介层嵌入四颗芯片，位于两颗大型 SoC 下方，表面安装八颗 HBM 模拟器芯片，焊球间距为 35 μm。用于板级互连的镀铜 TGV 间距为 300 μm，高功耗芯片未嵌入以优化热管理。　　这些架构在面板级基板上制造，展示了 GPE 作为无 TSV 异构集成平台的可扩展性、细间距能力和热优势。图 1c 显示了组装及毛细作用下底填料完成后的玻璃中介层封装。图 2 展示了利用 GPE 方法将天线与 MMIC 集成的示例架构，这类集成方案可实现更低的插入损耗和寄生损耗。图1.( a,b )不同的架构，芯片嵌入玻璃(c)组装后的嵌入式玻璃插入器封装和毛细管填充图2. 天线在封装(AiP)架构中使用玻璃面板嵌入(a)芯片朝下(b)芯片朝上　　2. 光学集成　　对玻璃基板进行微结构化处理为先进光学集成提供了关键能力，尤其是在共封装光学(co-packaged optics)应用中。多种波导制备技术可用，包括离子交换扩散、飞秒激光诱导折射率调制，以及填充光学透明聚合物的玻璃通孔(TGV)，从而支持平面及垂直(3D)波导架构。此外，光子集成电路(PICs)可以嵌入玻璃腔中，实现与电子集成电路(IC)的高密度共集成。　　Brusberg 等展示了一种紧凑、低成本的共封装光学平台。该设计使用离子交换波导(损耗 <0.1 dB/cm)、玻璃通孔以及嵌入 50 μm 深腔体的精细铜再分布层，实现高密度光电互连。实验中实现了与硅氮化物 PIC 的低损耗(∼0.5 dB)耦合，以及通过新型 4.4 mm 高连接器的边缘光纤连接。被动对准特性使连接器损耗低至 0.85 dB。图 3a 显示了组装了 PIC 的玻璃平台示意图，图 3b 为光学显微图，波导位于玻璃表面下方。　　除了波导外，其他光学元件如镜子和透镜也可与玻璃基板集成。Chou 等展示了一种三维玻璃光子中介层(3D glass photonic interposer)，集成了微型镜子和透镜，实现低损耗(<0.5 dB)、低成本且对准容差高的单模光纤耦合。图3. (a)带有组装的pic的玻璃平台，用于与rdl、tgv和iox波导进行光纤到芯片和芯片到芯片的光学连接。(b)端面光学显微图，显示波导位于玻璃表面下方，间距为250微米，与mpo光纤阵列连接器中的光纤间距相同　　3. 毫米波无源器件与互连　　利用先进的玻璃加工技术，毫米波(mmWave)互连和器件已被开发出低损耗、最小色散、高功率承载能力以及优异宽带性能的特点。　　在毫米波频段，采用系统封装(SoP)技术的高度集成封装对封装基板中的金属层数量提出了更高要求，用于信号布线、电源或电流分布以及地平面布设。封装内部的信号布线包括传输线、穿封装通孔(TPVs)和微通孔(microvias)，用于连接不同层的信号线或平面。　　各种互连结构，如微带线(microstrip)、共面波导(CPW)以及导体背共面波导(CB-CPW)，已经被制备并进行了表征。图 4 显示了在玻璃上为 5G 频段以及 D 频段 ABF/玻璃/ABF 堆叠结构制备的微带线和 CPW 结构。提取的微带线损耗在 5G 毫米波频段(28–40 GHz)为 0.1–0.122 dB/mm，在 140 GHz 时为 0.45 dB/mm;而 CPW 在 5G 毫米波频段损耗为 0.075–0.095 dB/mm，在 140 GHz 时为 0.25 dB/mm。为了表征毫米波频段微通孔(microvias)的行为，制备了雏菊链(daisy chain)结构，如图 5 所示。图4. CPW在玻璃上。(a)堆栈。(b)不同长度的 CPWs。(c)D波段设计的堆叠。(d)不同长度的微带线和共面波导图5. (a)带有低损耗互连的定制玻璃面板，带有放大图像的插图。(b)线段。(c)Daisy链。(d)菊花链的横截面　　另一类垂直互连是电容式和电感式互连。无通孔(via-less)互连基于电容耦合或电感耦合原理来实现电连接。互连中补丁的尺寸会影响寄生参数，并决定其工作频率。[80]中提出的无通孔互连基于电容耦合，如图 6 所示，即使在 170 GHz 下，其插入损耗仍小于 2 dB。　　图6. (a)建议的无垂直通路的互连。(b)用于互连演示的材料堆叠。(c)人工制造的互连　　3.1 基板集成波导(SIW)　　随着工作频率的提升，波导的尺寸缩小，使其更容易集成到封装中。SIW 在射频工程领域广泛应用，因其固有的屏蔽特性和高品质因数(Q)优势。图 7a 展示了 ABF/玻璃/ABF 堆叠中的 SIW，图 7b 展示了玻璃上的充气 Astra SIW。测得的 SIW 在整个 D 频段的损耗为 0.5–0.8 dB/mm，而报告的充气 SIW 在 D 频段的损耗为 0.13–0.2 dB/mm。　　图7. SIW在玻璃衬底上。(a)ABF/玻璃/ABF堆栈上的SIW。(b)玻璃上的充气SIW　　3.2 滤波器　　射频滤波器属于电子滤波器的一类，设计用于通过所需频率而阻挡不需要的频率。在系统集成中，滤波器必须具备优异性能、微型化和工艺兼容性。在玻璃基板上设计并制备了高度微型化的带通和低通滤波器，用于 5G NR 频段，覆盖 28 GHz 和 39 GHz 通信频段。滤波器整体尺寸小于 0.5 λ₀ × 0.5 λ₀。通过使用低介电损耗材料，将第五阶滤波器的中频插入损耗降至小于 2.6 dB。[84] 中展示了滤波器性能比较。图 8 显示了制备的滤波器，图9 展示了堆叠、拓扑、制造结构和测量响应。图8. 用于5G毫米波频段的定制滤波器。(a)28 GHz 频带的九阶LPF。(b)五阶叉指型BPF。(c)五阶发卡滤波器。(d)测试车辆的包装。图9. 一个多TZ带通滤波器。(a)堆栈。(b)过滤器拓扑。(c)人工制造的过滤器　　3.3 封装内天线(AiP)　　AiP 通过高效利用可用空间设计更小、更紧凑的器件，同时提高性能和可靠性。在 5G 系统中，高频设计、材料和工艺互连损耗以及精确阻抗匹配的工艺控制都提出了挑战。需要对寄生效应和传播损耗进行严格控制，并设计微型化、高带宽和高增益的天线。已经展示了多种玻璃上的天线实现。De 等对 D 频段天线进行了综述。　　平面天线(broadside)沿天线平面垂直方向辐射能量，设计规则简单且方向性高。图10b 显示了一个 4 × 4 Patch 天线阵列，带宽为 137–144 GHz，主瓣增益为 16.2 dBi。文献 [41] 描述了通过玻璃基板嵌入芯片实现 1 × 8 串联馈电天线(中心频率 140 GHz)的优势及工艺。图10. 一个4×4的天线阵列。(a)堆栈。(b)伪造的样本。(c)嵌入式芯片的天线　　端射天线(end-fire)沿天线导向方向发射能量，具有高增益、高方向性、宽阻抗匹配带宽、低复杂度和易集成的优势。Watanabe 等描述了在玻璃基板上制备的 5G NR 带紧凑型偶极 Yagi-Uda 天线(图 11a,b)。　　Erdogan 等讨论了带单极子辐射器的印刷准 Yagi 天线，覆盖 110–170 GHz 几乎整个带宽(图 11d)，简化了天线设计规则，无需 Balun，同时保留了所有优点。文献 [91] 讨论了 Vivaldi 风格的 SIW 天线，提供更高增益，覆盖整个 D 频段(图 11f)。该天线利用基板核心实现天线功能，而不仅仅是像之前的例子那样仅利用玻璃的机械性能。图11. (a)用2.92毫米端发射连接器组装的切块式八木-乌达天线单元。(b)Yagi-Uda天线与组装LNA的X射线检查。(c) 印刷的准Yagi天线的堆叠。(d)制造 1 × 4 线性阵列。(e)维瓦尔迪灵感天线的堆叠。(f)设计的天线元件和制作的天线的横截面。(g)TGV的横截面
2025-12-11 16:50 阅读量：1432
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