【原創】芯片封裝用玻璃基板：成分體系大揭秘

2025-05-15
來源：中國粉體網月明

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[導讀] 芯片封裝用玻璃基板的理化性能對封裝電子器件的整體綜合性能起著決定性作用

中國粉體網訊 玻璃因具有熱膨脹系數低、電氣絕緣性能好等優勢,被芯片設計開發者引入芯片封裝領域作為封裝基板使用。玻璃基板為芯片提供了穩定的支撐平臺,可確保封裝過程中芯片不會因基板變形或不平坦而受損。

玻璃基板的成分體系

芯片封裝用玻璃基板的成分體系主要包括硼硅酸鹽玻璃體系、鋁硅酸鹽玻璃體系和無堿鋁硼硅玻璃體系。

硼硅酸鹽玻璃基板：通常包括質量分數約80%的SiO和12%~13%的B2O3,該玻璃體系具有耐熱性好、熱膨脹系數低和化學穩定性高等優點。硼硅酸鹽玻璃基板能夠提供優異的熱穩定性,不易因芯片發熱而產生翹曲變形或電路連接的破壞,因此非常適用于對熱穩定性要求高的電子封裝。

鋁硅酸鹽玻璃基板：主要由SiO2和Al2O3組成,同時包含堿金屬氧化物(R2O)和堿土金屬氧化物(RO)。這種玻璃體系具有優異的光學性能、較低的表面張力和熱膨脹系數。鋁硅酸鹽玻璃基板適用于需要高機械強度和耐磨損的電子封裝應用。

無堿鋁硼硅玻璃基板：無堿鋁硼硅玻璃基板不含堿金屬氧化物或含量極低(通常質量分數不超過0.1%)。在酸、堿和有機溶劑中耐腐蝕性出色,能夠長期保持穩定的物理和化學性能，還具有良好的機械性能，能夠抵抗外部沖擊和機械應力，常用于微機電系統器件(如加速度計、陀螺儀和壓力傳感器),這些器件要求基板具有高機械強度和低熱膨脹系數。

玻璃基板的主要理化性能要求

介電常數：介電常數是衡量玻璃材料在電場中儲存電荷能力的指標,較高的介電常數可能導致信號延遲或失真。在高頻信號傳輸中,相比硅基板,介電常數低的玻璃基板更具優勢。另外,過高的介電常數會增加寄生電容,進而影響電路的性能(如信號完整性和信號傳輸速度)。因此,低介電常數的玻璃基板更適用于高頻電子器件,如微波和射頻等領域。

介電損耗：介電損耗是衡量玻璃材料在電場中損失電能能力的指標，而介電損耗正切(tanδ)是介電損耗的量化指標,能定量表示材料在特定頻率下電能損失與儲能之間的比率。低介電損耗意味著在電場作用下能量損失較少,能夠有效提高器件的能量效率。高介電損耗會導致信號在傳輸過程中衰減,影響信號的強度和質量,同時也會產生更多的熱量,需要更好的熱管理措施。

熱膨脹系數：玻璃基板的熱膨脹系數需要與其他封裝材料匹配,從而減少熱作用導致的變形。低熱膨脹系數能夠確保玻璃基板形狀和尺寸在長期使用中保持穩定,減少應力累積,提高電子器件的可靠性。

機械性能：玻璃基板的機械性能決定了封裝結構的可靠性。密度較低的玻璃基板能有效減輕器件質量,且保持足夠的機械強度。彈性模量是衡量材料抵抗變形能力的指標,較高的彈性模量可確保封裝時玻璃基板的穩定性,減少失效風險。維氏硬度是反映材料抗劃傷性和耐磨性的指標,高硬度玻璃基板有助于提升封裝的耐用性。斷裂韌性則表示材料在裂紋擴展時的抗斷裂能力,較高的斷裂韌性可防止玻璃基板在受力時出現裂紋，確保封裝的完整性和穩定性。

光學性能：在光學與電子器件的封裝中,玻璃基板可能會受到機械應力,這些機械應力會導致玻璃基板的光學性能發生變化,進而影響光信號的傳輸和器件的性能。因此玻璃基板應具備高透光率,以確保光信號的有效傳輸。

蝕刻性能：玻璃基板通常采用激光誘導蝕刻技術進行玻璃通孔（TGV）的打孔。TGV工藝通過在玻璃基板上形成精細的通孔結構,為芯片封裝中的電氣互連提供通道。在此工藝中，氫氟酸的蝕刻速率在TGV加工中至關重要。適當的蝕刻速率可確保獲得高深寬比、高垂直度的通孔。光滑的孔壁能降低電阻和電容效應,提升信號傳輸穩定性與速度。合理控制蝕刻速率還可提高加工效率,減少拋光與清洗步驟,優化整體工藝流程。