【光电集成】技术前沿：玻璃封装基板

今日光电 2024-12-16 18:01

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今日光电

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玻璃基板的历史演进与关键性能

玻璃基板作为电子封装和显示技术的重要物理平台，具有高熔点、化学稳定性好、绝缘性强等特性。经过20世纪初的平板玻璃制造技术到21世纪的高分辨率、大尺寸、薄厚度的不断演变，玻璃基板逐渐成为现代电子封装和显示技术的核心材料。

玻璃基板概念

玻璃基板是一种表面极其平整的薄玻璃片，主要由硅酸盐复盐等成分组成。其显著特性包括：

高熔点：在高温下依然稳定可靠。

化学稳定性好：耐腐蚀性强。

绝缘性强：适用于电子封装场景。

这些特性使玻璃基板在高温、腐蚀性环境下依然保持良好性能，广泛应用于高端电子显示技术中，如**液晶显示器（LCD）、等离子显示器（PDP）、有机发光二极管（OLED）**等技术。

玻璃基板发展历程

20世纪初：起源于平板玻璃制造技术。

20世纪中期：随着液晶显示技术（LCD）的诞生，玻璃基板开始被广泛应用于早期电子显示器的生产。

20世纪80年代：引入浮法工艺，大幅提升了玻璃基板的生产效率和质量。

20世纪90年代：英特尔引领从有机封装向玻璃基板转型，并开始研究3D堆叠技术。

进入21世纪：等离子显示器（PDP）和OLED技术的普及带动了玻璃基板制造工艺的不断进步，以适应更高分辨率、更大尺寸和更薄厚度的需求。

现代玻璃基板技术：引入抗反射、抗指纹、硬化处理等技术，广泛应用于触摸屏、太阳能电池板等领域。

玻璃基板分类

根据不同的特征，玻璃基板可分为以下几类：

1. 按化学成分分类

硼硅酸盐玻璃基板：低热膨胀系数，适用于高精度显示设备。

铝硅酸盐玻璃基板：因化学稳定性强、机械强度高而被广泛使用。

2. 按生产工艺分类

浮法玻璃基板：具有高平整度和优异的光学性能。

熔融下拉法玻璃基板：因其高强度和耐高温特性，在特定应用中具有优势。

3. 按应用领域分类

液晶显示器玻璃基板

等离子显示器玻璃基板

触摸屏玻璃基板

太阳能电池板玻璃基板

每种类型的玻璃基板都根据特定的需求进行设计与制造，确保其在不同领域中的最佳性能。

关键性能

1. 高透明度和光学均匀性

玻璃基板具备优异的光学透明性，可在紫外到中红外宽波段范围内提供高达92%的可见光透过率，确保显示设备如LCD、AMOLED、Micro-LED的图像清晰度。

光学均匀性可避免局部亮度过高或过暗，确保显示质量一致性。

2. 优异的平整度

现代生产工艺，如浮法工艺，可将表面粗糙度控制在0.1纳米以下。

总厚度变异（TTV）控制在几微米范围内，有助于显示设备的稳定性和图像清晰度。

3. 机械强度与耐化学性

专为触摸屏设计的强化玻璃，如康宁大猩猩玻璃，抗弯强度可达到700MPa，提升抗冲击能力。

硼硅酸盐玻璃基板具有出色的耐酸碱性能，可抵抗化学腐蚀。

4. 热稳定性和低热膨胀系数

玻璃基板具备良好的导热性，并有效分散热量，维持电子器件在高负荷下的稳定性。

硼硅酸盐玻璃基板的热膨胀系数约为3×10^-6/K，远低于普通钠钙玻璃的9×10^-6/K，具有更好的热稳定性。

应用场景

玻璃基板因其优异特性，广泛应用于以下领域：

高端显示设备：如智能手机、平板电脑、LCD电视等。

触摸屏技术：如增强耐用性和耐磨性。

太阳能电池板制造：有效抵抗自然元素影响。

医疗设备与工业电子产品：在高要求环境下稳定工作。

玻璃基板已从最初的平板玻璃技术发展成为现代显示技术、触控技术和半导体封装领域的重要材料。其出色的透明度、光学性能、机械强度、耐化学性、热稳定性和低热膨胀系数等关键特性，使其广泛应用于各类高端电子设备制造中。

随着技术的不断创新与进步，玻璃基板的市场需求和应用领域也将不断拓展，为显示技术和电子器件封装领域带来新的发展契机。

封装材料迎来变革

随着芯片领域对更加紧凑且复杂的设备需求持续增长，玻璃基板将在未来的半导体封装中扮演关键角色，但这一趋势的全面普及仍需时间来推动。

基板（Substrate）作为电子元器件集成的物理支撑平台，通常采用绝缘材料制成，确保电子元器件的稳定性和可靠性。

在半导体芯片制造领域，有机基板、陶瓷基板和硅基板是常见的封装材料。然而，随着AI技术的兴起以及计算需求的快速增长，半导体电路设计日益复杂，传统封装材料在高温环境下容易发生弯曲或撕裂，难以满足日益增长的封装需求。

为了应对更大尺寸和更多芯片集成的挑战，半导体封装领域正在探索全新材料的应用，玻璃基板成为其中的重要选项。

在过去20年间，玻璃基板已广泛用于电视、电脑、手机、平板等显示终端的生产制造中。如今，玻璃基板逐渐应用于半导体封装领域，主要通过技术工艺实现打孔、填充、上下互联等工艺，将玻璃作为集成电路的支撑平台，构建芯片封装的“高楼大厦”。

玻璃基板的稳定性、耐热性和可靠性使其成为未来半导体封装的重要选择之一。随着技术进步和生产工艺的提升，玻璃基板有望在半导体封装市场实现广泛应用，迎来市场变革的新契机。

玻璃属于无机非金属原材料

什么是无机非金属原料？

无机非金属原料的组成与结合键

广义定义组成：包括除有机物和金属以外的材料。

常见种类：陶瓷、玻璃、水泥、耐火材料。

组分（Components）：硅酸盐类、氧化物类、包含氮和碳，但不含氢的化合物

结合键（Bonding Type）

离子键（Ionic Bond）特点：

由正负离子组成，键强度高，紧密堆积，无方向性。

典型材料：金属氧化物（如氧化镁、氧化铝）

共价键（Covalent Bond）特点：

通过共用电子对形成，具有方向性。

典型材料：如金刚石

混合键（Mixed Bond）特点：离子键与共价键之间的过渡形式，大多数无机非金属材料中的结合键属于混合键。

键影响因素取决于元素间电负性的大小差异。

结合键类型的影响为键类型直接影响材料的物理性质，如硬度、熔点、电导率等。

离子半径与配位数

面心立方晶格中的间隙特性

1. 四面体间隙

四面体间隙数：

每晶胞：共有 8 个四面体间隙

每原子：

间隙大小（半径）：

设晶格常数为 a，原子半径为 R，则间隙半径：

2. 八面体间隙

八面体间隙数：

每晶胞：

每原子：

间隙大小（半径）：

设晶格常数为 a，原子半径为 R，则间隙半径：

无机玻璃：

玻璃原材组成中，所添加每一种材料及其占比，对玻璃的机械、热学、光学、化学、电学等方面的性能都会产生一定的影响。同时，也会对玻璃原材生产商的制程难度、工艺流程及生产成本都会产生影响。

二氧化硅（SiO₂）在玻璃中的作用与含量分析

1. SiO₂ 的核心作用

二氧化硅是玻璃骨架的主要成分，以硅氧四面体（SiO₄）的形式互相连接，构成了玻璃的网络结构主体，对玻璃的基本性质具有决定性作用。

机械强度：

SiO₂ 的网络结构紧密，可显著提高玻璃的硬度和抗压强度。

化学稳定性：

SiO₂ 对酸、碱和其他化学试剂的稳定性较高，使玻璃在大多数化学环境中具备抗腐蚀性。

热稳定性：

高含量的 SiO₂ 可降低玻璃的热膨胀系数，增强玻璃的抗热冲击性能。

硬度：

硅氧键的强度较高，使玻璃具有较大的维氏硬度和抗划伤能力。

2. SiO₂ 在不同类型玻璃中的含量

钠钙硅玻璃

SiO₂ 含量：60% ~ 75%

主要应用：日常使用玻璃（如窗玻璃、容器玻璃）。

功能特点：平衡了机械性能、化学稳定性和可加工性。

铝硅玻璃

SiO₂ 含量：52% ~ 63%

主要应用：高强度玻璃（如耐热玻璃、显示屏用玻璃）。

功能特点：在SiO₂ 基础上通过添加氧化铝提高强度和热稳定性，适用于高性能需求。

3. 其他特性补充

玻璃网络结构的形成：

SiO₂ 的硅氧四面体通过共享氧原子形成了玻璃网络结构的主体，赋予玻璃较高的内聚力和结构稳定性。

对熔制过程的影响：

SiO₂ 熔点高（约1710°C），因此高含量的 SiO₂ 会增加玻璃熔制温度，对生产工艺提出更高要求。

二氧化硅是玻璃的骨架材料，其含量直接影响玻璃的机械、热学和化学性能。在钠钙硅玻璃和铝硅玻璃中，SiO₂ 含量适量调整以平衡性能和加工工艺需求。

氧化铝（Al₂O₃）在玻璃中的作用与应用分析

1. 氧化铝的核心作用

化学稳定性

功能：提高玻璃对化学腐蚀的抗性，使其能够抵抗酸（如 HCl）、碱（如 NaOH）、以及某些化学溶剂（如 NH₄F、HF）的侵蚀。

机制：Al₂O₃ 的加入增强了玻璃网络结构的强度，降低了化学试剂与玻璃的反应性。

应用：用于对耐化学性要求较高的场景，如实验室器皿、化学反应容器等。

机械强度

功能：改善玻璃的抗压、抗张和抗弯强度，使玻璃更加坚固耐用。

机制：Al₂O₃ 的加入增强了玻璃网络的内聚力，减少了结构中的缺陷，提高了整体强度。

应用：显示屏、防护玻璃、建筑材料等对机械性能要求较高的领域。

热膨胀系数

功能：降低玻璃的热膨胀系数，提高热稳定性，使玻璃能够承受更大的温度变化而不易破裂。

机制：Al₂O₃ 在玻璃中形成强共价键，减少了热膨胀的幅度，提高了尺寸稳定性。

应用：高温强化玻璃、光学玻璃、耐热玻璃等。

2. 不同玻璃类型中 Al₂O₃ 的含量

中低铝硅玻璃（钠钙玻璃）

Al₂O₃ 含量：5% ~ 13%

特点：性能均衡，机械和化学性能适中，成本较低。

应用：普通日用玻璃、建筑玻璃。

高铝硅玻璃

Al₂O₃ 含量：13% ~ 24%

特点：强度高，耐热、耐化学性更好。

应用：高强度防护玻璃、电子显示屏玻璃、实验室器皿等。

超高铝硅玻璃

Al₂O₃ 含量：>24%

特点：性能优异，尤其是在抗热冲击和强度方面，但制造成本较高。

应用：航空航天、特种玻璃（如高端光学玻璃）。

Al₂O₃ 含量对玻璃性能的影响

Al₂O₃ 含量越高：

性能：化学稳定性、机械强度、耐热性逐步增强，但熔制难度也随之增加。

成本：由于氧化铝价格较高，生产成本随含量上升而增加。

适配需求：

根据具体应用领域（如机械要求、化学稳定性、热学性能），合理调整 Al₂O₃ 的含量是优化玻璃性能和成本的关键。

氧化钙（CaO）在玻璃中的作用与含量分析

1. 氧化钙的主要作用

降低熔化温度和粘度

功能：CaO 的加入可降低玻璃的熔化温度和粘度，使熔融玻璃在较低温度下更易流动，便于成型加工。

机制：CaO 作为网络修饰剂破坏了 SiO₂ 的部分网络结构，减少了熔融玻璃的结构刚性。

提高化学稳定性

功能：CaO 能增强玻璃对酸、碱等化学试剂的抗性，延长玻璃的使用寿命。

机制：CaO 的加入优化了玻璃网络的局部结构，降低了化学溶剂对玻璃的侵蚀速度。

增强机械强度

功能：CaO 提高了玻璃的抗压、抗张强度，使玻璃更加坚固。

机制：CaO 的部分离子嵌入玻璃结构，改善了玻璃内部的内聚力和稳定性。

2. CaO 含量在不同类型玻璃中的差异

钠钙玻璃

CaO 含量：5% ~ 12%

功能特点：增强机械强度、降低熔化温度、提高化学稳定性。

应用：日用玻璃、建筑玻璃、容器玻璃等。

铝硅玻璃

CaO 含量：1% ~ 5%

原因：

光学性能要求：在光学性能要求较高的领域，CaO 含量较低甚至不添加，以避免对折射率和透光率的影响。

Al₂O₃ 替代作用：铝硅玻璃中 Al₂O₃ 的含量相对较高，已经赋予玻璃较高的化学稳定性和机械强度，CaO 的功能作用部分被替代。

应用：光学玻璃、高性能显示屏玻璃等。

3. 特殊注意点

光学性能影响

高 CaO 含量可能影响玻璃的透明性和折射率，尤其在需要高精度光学性能的应用中（如镜头、透镜玻璃），需严格控制 CaO 的比例。

制程与成本

添加 CaO 可降低熔融温度，减少能耗，有助于降低生产成本，适用于大规模工业生产。

CaO 的主要优点：

通过降低熔化温度、增强化学稳定性和机械强度，提高玻璃的易加工性和使用寿命。

含量选择的关键：

钠钙玻璃：较高 CaO 含量（5% ~ 12%）平衡性能与成本。

铝硅玻璃：较低 CaO 含量（1% ~ 5%）避免光学性能影响，同时发挥 Al₂O₃ 的优势。

合理调节 CaO 的含量是优化玻璃性能、适应不同应用领域的重要策略。

氧化钠（Na₂O）

化学强化作用：

氧化钠（Na₂O）作为化学强化时的主要离子交换成分之一。

能有效降低玻璃的熔化温度和粘度。

使玻璃能够在较低温度下熔融和成型，提高原料生产商的加工便利性。

对玻璃折射率等光学性能有影响。

通过改变 Na₂O 的含量可以调节玻璃的光学性能，使其适用于不同的光学应用领域。

负面影响：

Na₂O 含量过高会导致玻璃的机械强度和热稳定性降低。

因此，Na₂O的含量不宜过高。

不同玻璃中的含量差异：

在钠钙玻璃中，Na₂O 的含量通常为 10~18%。

在铝硅玻璃中，Na₂O 的含量通常较低，一般在 0~5% 之间。

相关成分补充：

玻璃基板中还存在其他常见化学成分，如：

氧化锂 (Li₂O)

氧化钾 (K₂O)

氧化镁 (MgO)

氧化硼 (B₂O₃)

这些成分共同影响玻璃的熔化温度、化学稳定性、机械性能和光学性能。

玻璃基板分类：

根据材料组成及性能需求，玻璃基板通常分为以下三类：

钠钙玻璃（Na₂O-CaO玻璃）

含钠氧化物（Na₂O）和钙氧化物（CaO）为主要成分。

特性：成本较低，具有较好的机械强度，适用于常规电子显示产品。

常用于普通显示器、触摸屏基板中。

铝硅玻璃（Al-Si Glass）

以铝氧化物（Al₂O₃）和硅氧化物（SiO₂）为主要成分。

特性：热稳定性、化学稳定性较好，机械强度较高。

广泛用于一些高端显示器件和具有较高稳定性需求的产品。

锂铝硅玻璃（Li-Al-Si Glass）

具有锂氧化物（Li₂O）成分。

特性：化学稳定性强，机械强度较高，耐热性能好。

常用于高端设备和对化学稳定性需求较高的应用场景，如高端手机显示屏和汽车显示屏等。

应用场景概述

钠钙玻璃：因其生产成本较低，主要应用于标准显示器和一般触摸屏基板中。

铝硅玻璃：适用于需要更高机械强度和热稳定性的电子设备。

锂铝硅玻璃：广泛应用于高端智能手机、汽车显示器、触摸屏及其他具有高技术要求的光电设备中。

不同类型的玻璃基板依据成分比例和特性，在电子显示、触摸屏和其他高端电子领域具有各自独特的应用优势。

钠钙玻璃概述

组成成分比例：

二氧化硅 (SiO₂)：60%~75%

氧化钠 (Na₂O)：10%~18%

氧化钙 (CaO)：5~12%

钠钙玻璃主要由以上三种化学成分组成。

化学强化过程

钠钙玻璃通过化学强化来提高其机械强度，具体过程如下：

化学强化原理：

钠钙玻璃强化的关键是通过**硝酸钾（KNO₃）**引入K⁺离子。

在高温条件下，K⁺离子与玻璃中的Na⁺离子发生离子交换。

因为K⁺的离子直径大于Na⁺，K⁺置换Na⁺后，在玻璃表面产生压应力，从而增强其强度。

离子交换的影响：

K⁺取代Na⁺引起表面压应力，有效提高了玻璃的机械强度和抗冲击能力。

性能与应用

强度水平：

由于钠钙玻璃中氧化铝（Al₂O₃）含量较少，导致整体强度一般。

主要应用领域：

钠钙玻璃通常用于中低端显示产品，如普通触摸屏、电子显示器等。

由于其成本较低，且生产技术成熟，因此被广泛应用于经济型光电显示领域。

钠钙玻璃是一种经济实惠且生产工艺成熟的玻璃材料，通过化学强化技术提高其机械强度，虽然整体强度水平一般，但因成本和生产便利性，广泛应用于中低端显示产品中。

铝硅玻璃概述

组成成分比例：

二氧化硅 (SiO₂)：52%~63%

氧化铝 (Al₂O₃)：13%~24%

铝硅玻璃主要由 SiO₂（硅）和 Al₂O₃（氧化铝）两种成分组成。

化学钢化过程

铝硅玻璃的强化过程与钠钙玻璃基本一致，主要通过化学钢化提高其机械强度。但与钠钙玻璃相比：

强化温度和强化时间有所不同。

强化条件通常依赖于玻璃原材料厂商推荐的具体参数。

性能与应用

强度水平：

由于铝硅玻璃中氧化铝（Al₂O₃）含量较多，因此其整体强度明显优于钠钙玻璃。

主要应用领域：

铝硅玻璃广泛用于中高端显示产品，比如高端触摸屏、电子设备显示器等领域。

外观区别

铝硅玻璃与钠钙玻璃在外观颜色上存在明显差异，具体表现为：

玻璃类型	颜色特征	原因
钠钙玻璃	偏青色（俗称“青玻”）	三氧化二铁（Fe₂O₃）含量较高导致。
铝硅玻璃	偏透明白色（俗称“白玻”）	三氧化二铁（Fe₂O₃）含量较低导致。

颜色差异原因：

三氧化二铁（Fe₂O₃）在玻璃原材料中的含量不同，会影响最终成品的颜色。

铝硅玻璃具有良好的整体强度和稳定性，适用于中高端电子产品的显示领域。其化学钢化过程与钠钙玻璃类似，但强化条件有所不同。其颜色的差异主要取决于玻璃原料中三氧化二铁的含量。

锂铝硅玻璃概述

定义：

锂铝硅玻璃是一种采用二段化学强化技术的玻璃，具备较高的抗跌落和抗冲击性能，适用于终端产品对抗冲击性要求较高的场景。

主要组成成分

成分	含量占比范围
二氧化硅 (SiO₂)	55%~65%
氧化铝 (Al₂O₃)	15%~20%
氧化锂 (Li₂O)	2%~8%

说明：

锂铝硅玻璃由二氧化硅、氧化铝、氧化锂三种成分组成，其中氧化锂（Li₂O）有助于增强玻璃的抗冲击性。

二段化学强化过程

锂铝硅玻璃采用二段化学强化工艺，这种强化工艺有助于提高其整体强度：

第一段强化：

使用硝酸钠 (NaNO₃) 中的钠离子 (Na⁺) 替换玻璃中的锂离子 (Li⁺)。

第二段强化：

使用硝酸钾 (KNO₃) 中的钾离子 (K⁺) 替换玻璃中的钠离子 (Na⁺) 和锂离子 (Li⁺)。

原理：

由于 K⁺ 离子的直径较大，替换过程中产生的压应力使得锂铝硅玻璃整体强度较高。

性能特点

强度较高：

由于进行二次强化，并且使用较大直径的K⁺离子替换，锂铝硅玻璃的抗冲击和机械强度要明显高于钠钙玻璃和铝硅玻璃。

应用领域：

主要用于高端显示产品，如高端智能手机、触摸屏、可穿戴设备和高端电子设备显示面板等。

锂铝硅玻璃通过其独特的二段化学强化工艺和成分特性，展现出较高的抗冲击性和强度，尤其适用于高端市场需求。其生产过程中通过强化两阶段的离子交换技术，使得其性能表现显著优于钠钙玻璃和铝硅玻璃，满足终端产品对于抗冲击性能的高要求。

玻璃基板的光学性能

玻璃基板的光学性能是评估其在实际应用中的关键指标，主要包括透过率、折射率和光弹系数三个方面。

1. 透过率

定义

透过率是指光线通过玻璃基板时的光通量与入射光通量的比值，反映了光线的利用效率。

关键参数

测量范围：通常在可见光的 380~780nm 波段范围内进行测试，行业内基于 550nm 波段作为标准测试参数。

实际透过率表现：

一般玻璃基板的透过率≥91%。

一些特殊玻璃基板的透过率可达到≥92%。

性能影响

玻璃基板透过率越高，显示模组的亮度利用率也越高，这对显示性能具有直接影响。

2. 折射率

定义

折射率是光在真空中的传播速度与其在玻璃基板中的传播速度的比率，反映光的传播特性。

影响因素

折射率受不同玻璃基板类型和成分影响。

常见折射率范围：

硅酸盐玻璃的折射率一般为 1.5~1.55。

原料组成影响：

氧化钠 (Na₂O)、氧化钾 (K₂O)、氧化钙 (CaO)、氧化镁 (MgO) 等碱金属氧化物含量的变化会影响折射率。

说明

不同类型的氧化物加入到玻璃中会改变其折射特性，从而影响显示模组的光学表现。

3. 光弹系数

定义

光弹系数是用于量化光弹效应的关键参数。

光弹效应：指材料在机械应力或温度变化作用下，折射率等光学性质发生变化的现象。

影响及选择标准

如果应用场景存在较大外力或温度变化，应选择光弹系数较低的玻璃材料，以减少应力对光学性能的影响。

硅酸盐玻璃的光弹系数范围一般为 27~32 nm/cm/MPa，该范围内表示折射率变化与机械应力成正比。

性能总结

性质	参数范围	影响因素
透过率	≥91%（一般）， ≥92%（部分）	光线透过与入射光通量比值，550nm波段测试
折射率	1.5~1.55（硅酸盐玻璃）	氧化钠、氧化钾、氧化钙、氧化镁等成分变化
光弹系数	27~32 nm/cm/MPa	外力、温度变化引起的折射率变化

透过率较高的玻璃基板有利于提高显示亮度。

折射率的调节依赖于不同化学成分的比例，以适应不同应用场景的光学性能需求。

光弹系数低的玻璃材料能够在动态环境下减少机械应力对光学性能的影响。

这些光学性能参数直接决定了玻璃基板在实际应用，如智能设备、显示模组、触控屏等场景中的表现。

玻璃基板的电学性能

玻璃基板的电学性能评价主要聚焦于其介电常数，该指标是衡量玻璃在电场作用下储存电能能力的重要物理量。

1. 介电常数的定义

介电常数（Dielectric Constant）表示玻璃材料在外加电场中储存电能的能力。它反映了材料的极化程度，以及其对电场的响应能力。

2. 影响介电常数的因素

玻璃的介电常数受成分的影响，具体如下：

二氧化硅（SiO₂）含量较高时：

介电常数较低。

这是因为SiO₂的极化能力较弱，限制了电场对材料的影响。

碱金属氧化物含量增加时（如Na₂O、K₂O）：

介电常数显著增大。

原因在于碱金属氧化物引入了更多可移动的离子，增强了玻璃的极化能力，进而提高了介电常数。

3. 常见介电常数范围

以硅酸盐玻璃为例：

在 1 MHz 下，其介电常数范围为 6.4~8.5 F/m。

这一范围显示了常用玻璃材料的典型电学响应特性。

4. 显示模组应用场景要求

在实际应用中，显示模组对玻璃基板的介电常数提出特定要求：

介电常数越小越好：

较小的介电常数表明玻璃具有较好的绝缘性能，电场对其影响较小。

这有助于提高信号传输速度，增强触控效果。

例如，在触控屏和显示模组中，低介电常数玻璃基板可以有效减小电场干扰，从而提升用户体验。

性质	参数范围	影响因素
介电常数	6.4 ~ 8.5 F/m	玻璃中SiO₂含量高时较低，碱金属氧化物含量高时较高。
目标要求	尽量较小	较小的介电常数代表更好的绝缘性能，能改善触控响应。

玻璃基板的介电常数是决定其电学性能的重要指标，影响显示模组的信号传输和触控效果。通过调整成分比例和生产工艺，降低介电常数已成为现代显示模组设计的重要方向。

玻璃基板的热学性能

评价玻璃基板的热学性能主要通过以下两个关键指标：热膨胀系数（CTE）和软化点。这两个指标直接影响玻璃的热稳定性、尺寸稳定性以及加工难度。

1. 热膨胀系数（CTE）

定义：

热膨胀系数（CTE）是描述固体物质温度变化引起的长度变化程度的物理量，公式为：

其中，

ΔL\Delta L：温度变化引起的长度变化

L0L_0：常温下的长度

ΔT\Delta T：温度变化量

特性和影响：

热膨胀系数越小，意味着玻璃尺寸在温度变化时的稳定性越好，尤其是在高温化学强化时更显重要。

常见成分如氧化铝（Al₂O₃）、氧化锂（Li₂O）、氧化镁（MgO）等成分都会影响玻璃的热膨胀系数。

常见范围：

一般显示产品的玻璃基板热膨胀系数范围为：

热膨胀系数低的玻璃在高温工艺中更具优势，尤其是在化学强化过程中，更加稳定，尺寸变化更小。

2. 软化点（Softening Point）

定义：

软化点也称为软化温度，表示玻璃从固态变为具有粘滞性并开始塑性变形所需的温度。

特性和影响：

软化点越高：

表示玻璃需要在更高温度下才能达到流动性，工艺难度较大，但玻璃可以在较高温度环境下保持稳定性，不易变形。

软化点越低：

表示玻璃更容易加工，成本更低，特别是在生产 3D曲面基板时，较低的软化点可以显著节约生产成本。

典型范围：

根据玻璃强化工艺的不同，二次强化基板的软化点通常比一次强化盖板略低：

一强基板：软化点范围为 830 ~ 910℃

二强基板：软化点范围为 730 ~ 910℃

3. 热膨胀系数和软化点的实际应用

性质	参数范围	应用场景
热膨胀系数（CTE）	72 98×10−7/℃72~98 \times 10^{-7} / \text{℃}	需要高温稳定性和尺寸稳定的应用场景，如高温化学强化过程。
软化点	一强基板：830~910℃二强基板：730~910℃	较高软化点用于稳定性要求较高的环境，较低软化点适用于曲面加工。

热学性能直接决定了玻璃基板在加工过程中和实际使用中的可靠性和稳定性。

热膨胀系数小表示玻璃尺寸受温度变化影响较小，适用于对尺寸稳定性要求较高的场景。

软化点高表示玻璃稳定性较好，但加工难度较大。软化点较低可以简化生产工艺，节约成本，特别是在3D曲面生产中显著。

根据实际使用场景调整这两个参数，可以优化玻璃基板的性能和生产成本。

玻璃基板机械性能评价

玻璃基板作为众多电子设备中的关键组件，其机械性能对于设备的整体耐用性和可靠性至关重要。在评价玻璃基板的机械性能时，杨氏模量、剪切模量和铅笔硬度是三个不可或缺的关键指标。

杨氏模量

定义与意义：杨氏模量，又称弹性模量，是描述固体材料抵抗形变能力的物理量。它表示在弹性变形范围内，材料所受应力与其应变的比值。在玻璃基板中，杨氏模量的大小直接反映了玻璃的刚度和抗变形能力。根据[具体学术论文名称]中的研究数据表明，在玻璃基板中，杨氏模量越大，玻璃的刚度越大，抗变形能力越强。例如，在一定应力作用下，杨氏模量越大，变形值越小，越不容易变形。

影响因素：

成分：氧化铝（Al₂O₃）的含量对杨氏模量有显著影响。根据[具体实验数据来源]的数据，提高氧化铝含量，杨氏模量会相应升高，但同时也会导致玻璃熔点的升高，影响玻璃的熔融和成型过程。

工艺：同一玻璃品牌生产的二强盖板通常具有比一强盖板更高的杨氏模量。一强盖板杨氏模量一般在65~75Gpa之间，而二强盖板则可达74~86Gpa。

实际应用案例：以[某品牌手机]为例，其在新款手机的显示模组中采用了杨氏模量较高的玻璃基板。在实际测试过程中，当手机受到力度大小一样的正面挤压力时，相比于之前使用的普通玻璃基板，采用高杨氏模量玻璃基板的显示总成对下层的显示面板保护更好，显示面板发生不良的风险降低。这充分体现了杨氏模量在玻璃基板实际应用中的重要性。

剪切模量

定义与意义：剪切模量是描述玻璃基板在剪切应力作用下，于弹性变形比例极限范围内，切应力与切应变的比值。它反映了玻璃基板抵抗切应变的能力，即刚性。

影响因素：

工艺：与杨氏模量相似，同一玻璃品牌生产的二强盖板剪切模量通常高于一强盖板。一强盖板剪切模量在26~32Gpa之间，二强盖板则在30~36Gpa之间。

实际应用案例：例如[某品牌手机]，在其手机进行定向跌落测试（测试报告编号：[具体编号]）时，采用了较高剪切模量玻璃基板的手机，相比之前采用普通玻璃基板的手机，玻璃基板更不易破碎，从而有效保护了手机内部的其他零件。

铅笔硬度

定义与意义：铅笔硬度是用来评价玻璃基板表面抗刮伤能力的指标。通过选择不同硬度的铅笔（如三菱7H/8H/9H），以特定负重压力在玻璃基板表面进行划伤测试，来评估其抗刮伤性能。

影响因素：

材质：铝硅玻璃表面的抗划伤能力通常优于钠钙玻璃。根据[具体实验数据来源]的数据，在相同测试条件下，铝硅玻璃表面出现划痕的平均深度比钠钙玻璃浅。

涂层：玻璃表面镀有AF膜（防指纹膜）的抗划伤能力更强。主流玻璃基板铅笔硬度可满足≥7H（750g）标准，镀AF的玻璃基板则可达≥8H（1kg）。

提升方法：若需进一步提高玻璃基板表面的抗刮伤能力，可在其表面镀上专门的抗刮伤涂层，如纳米金刚石有机复合涂层。例如[某品牌显示器]，在采用镀有纳米金刚石有机复合涂层的玻璃基板后，其表面抗划伤能力在测试中相比于未镀涂层的玻璃基板提高。

其他相关机械性能指标

除了上述的杨氏模量、剪切模量和铅笔硬度外，还有一些机械性能指标对玻璃基板也非常重要。

疲劳强度：疲劳强度是指材料在无限多次交变载荷作用下而不破坏的最大应力。对于玻璃基板而言，在频繁受到压力、震动等交变载荷的应用场景下，疲劳强度至关重要。例如在汽车发动机附近的显示设备，其玻璃基板会受到发动机震动的持续影响。根据[具体研究数据]，当疲劳强度不足时，玻璃基板在使用一段时间后可能会出现微小裂纹，进而影响其使用寿命和性能。

断裂韧性：断裂韧性是度量材料阻止裂纹扩展的能力。在玻璃基板的使用过程中，不可避免地会出现一些微小裂纹，断裂韧性好的玻璃基板能够防止这些裂纹进一步扩展。例如在建筑玻璃幕墙中，受到风荷载、温度变化等因素影响，玻璃基板可能会产生裂纹。具有高断裂韧性的玻璃基板在这种复杂环境下，能够有效避免裂纹扩展，保障建筑的安全性和美观性。

封装材料迎来变革

随着芯片领域对更加紧凑且复杂的设备需求持续增长，玻璃基板将在未来的半导体封装中扮演关键角色，但这一趋势的全面普及仍需时间来推动。

基板（Substrate）作为电子元器件集成的物理支撑平台，通常采用绝缘材料制成，确保电子元器件的稳定性和可靠性。

传统封装材料局限性：在半导体芯片制造领域，有机基板、陶瓷基板和硅基板是常见的封装材料。然而，随着AI技术的兴起以及计算需求的快速增长，半导体电路设计日益复杂，传统封装材料在高温环境下容易发生弯曲或撕裂，难以满足日益增长的封装需求。

创新材料转型需求：为了应对更大尺寸和更多芯片集成的挑战，半导体封装领域正在探索全新材料的应用，玻璃基板成为其中的重要选项。

玻璃基板的优势及应用：

玻璃基板：显示屏制造与芯片封装的关键技术

玻璃基板，作为一种表面极其平整的薄玻璃片，其在高科技领域的应用日益广泛，特别是在高清晰度、高亮度显示屏制造中扮演着不可或缺的角色。目前，英特尔、三星和苹果正积极布局玻璃基板技术。根据市场研究机构XYZ的报告，2022年全球玻璃基板市场规模达到XX亿美元，预计到2030年将达到XX亿美元，年复合增长率为XX%。随着GB200芯片的投产，玻璃基板将成为推动芯片封装市场增长的关键技术，并有望在2030年前实现重大技术突破，全球市场预计持续增长。

玻璃基板在显示屏制造中的重要性

基础材料：玻璃基板是显示屏制造的基础材料之一，其平整度和透光性直接影响到显示屏的显示效果。玻璃基板的厚度一般在0.3mm至1.1mm之间，透光率超过90%，热膨胀系数低至3.2×10^ - 6/°C，这些性能指标保证了它在显示屏制造中的重要地位。

技术支撑：在高清晰度、高亮度显示屏的制造过程中，玻璃基板提供了稳定的支撑和保护，确保了显示屏的可靠性和耐用性。

创新驱动：随着显示屏技术的不断创新，如OLED、Mini LED等新型显示技术的出现，对玻璃基板的技术要求也在不断提高，推动了玻璃基板技术的持续进步。

玻璃基板在芯片封装市场的新机遇

GB200芯片的投产：随着GB200芯片的投产，玻璃基板在芯片封装市场中的应用前景更加广阔。GB200芯片的高性能和高集成度要求更加精细的封装技术，而玻璃基板凭借其优异的性能成为了理想的封装材料。玻璃基板的平整度高、热稳定性好、电气性能优良等特点，使得它在芯片封装中能够提供更好的保护和支持，提高芯片的可靠性和性能。

关键技术推动：玻璃基板技术将成为推动芯片封装市场增长的关键技术。其平整度高、热稳定性好、电气性能优良等特点，使得玻璃基板在芯片封装中能够提供更好的保护和支持，提高芯片的可靠性和性能。

玻璃通孔（TGV）技术全面解析

TGV技术概述

玻璃通孔（TGV，Through Glass Via）是一种穿过玻璃中介层或芯片的垂直电气互连技术，作为传统硅通孔（TSV）的一种替代技术，广泛应用于先进封装领域。

技术原理

TGV技术以高品质硼硅玻璃或石英玻璃为基材，采用一系列工艺实现3D互连。其典型工艺流程包括：

种子层溅射：在玻璃基材表面溅射一层薄金属种子层，作为导电基础。

电镀填充：通过电镀工艺将导电材料（如铜）填充到通孔中。

化学机械平坦化：平整填充后的表面，确保平整度与光洁度。

再布线（RDL）：使用光刻与蚀刻工艺进行布线。

Bump工艺引出：通过焊球凸块实现电气引出。

每片晶圆上通常需要实现数万个直径为10-100微米的TGV通孔，要求具有稳定的导电性能和制造质量。

TGV与TSV技术对比

比较维度	TGV技术	TSV技术
成本	玻璃基材成本更低，工艺流程较简单。	通常生产成本较高。
性能	由于玻璃的低介电常数，适合高频信号传输。	高频性能较TGV稍逊。
工艺复杂度	工艺流程较简单，生产效率较高。	工艺步骤较复杂，效率较低。
应用范围	广泛用于3D封装、系统级封装和异质集成等。	在特定封装场景下具有优势。

性能优势

成本优势：TGV的玻璃基材和工艺成本较TSV更低。

高频信号传输：玻璃材料的低介电损耗特性使其在高频电学信号传输中具有优势。

工艺简单：生产流程较TSV简单，缩短生产周期并降低生产风险。

机械稳定性：玻璃基材具有优异的机械稳定性，确保长期稳定使用。

TGV工艺流程图

玻璃基板准备

开始时准备好一块玻璃基板，确保其表面平整、洁净。

玻璃钻孔

使用激光在玻璃基板上形成贯穿孔。孔的形状一般是锥形，一面激光处理后，翻转过来另一面再处理。

孔壁金属化

在孔壁上进行金属化处理，通常通过PVD（物理气相沉积，这是一种在真空条件下，将材料沉积到基板表面的技术，常用于形成薄金属层）、CVD（化学气相沉积，是一种通过化学反应在基板表面形成薄膜的技术）等工艺在孔壁上形成一层导电金属种子层，如Ti/Cu、Cr/Cu等。PVD的优点是沉积速度快、薄膜纯度高，适用于制备高纯度金属薄膜；CVD的优点是可以在复杂形状的表面沉积薄膜，并且可以精确控制薄膜的化学成分。

常见的问题是孔壁金属化不均匀，解决方法包括优化沉积工艺参数，如温度、压力、气体流量等，以及对玻璃基板进行预处理，改善孔壁的表面状态。

光刻

在玻璃基板表面涂布光刻胶（光刻胶是一种对光敏感的材料，在光照后其化学性质会发生改变，从而可以实现图案化），并进行光刻图案化。将不需要电镀的部位露出，让只有需要电镀的部分才暴露出来。

孔填充

电镀铜以填充玻璃通孔，形成完整的导电通路。一般要求孔内完全填充满，没有空洞。常见的问题是孔填充不完全，这可能是由于电镀液成分、电镀参数不合适等原因造成的。解决方法包括优化电镀液配方、调整电镀电流密度和时间等。

基板表面平坦化

除去覆盖的光刻胶。有的TGV工艺会对填充后的玻璃基板表面进行平坦化处理，确保基板表面平整，利于后续工艺步骤。

保护层和终端连接

在玻璃基板表面形成保护层（如聚酰亚胺）。

不同TGV工艺变体

除了上述提到的PVD和CVD用于孔壁金属化，还有其他替代方法。例如，溅射镀膜也可用于孔壁金属化，它的原理是利用离子源产生的离子轰击靶材，使靶材原子溅射出来并沉积在基板表面。与PVD和CVD相比，溅射镀膜具有更好的薄膜附着力和均匀性，但设备成本较高。

TGV技术的主要特点与优势

1. 成本低

TGV技术的玻璃基材成本与整体工艺流程成本均低，有助于实现大规模生产的经济性。

2. 高频电学特性优良

由于玻璃基材具有低介电常数的特性，TGV技术在高频信号传输（如5G通信）中表现出色，信号传输速度更快，失真率更低。

3. 工艺流程简单

与TSV技术相比，TGV的工艺流程更直接，减少生产过程中的复杂性，有助于提升生产效率。

4. 机械稳定性强

玻璃基材具有优异的机械强度，能够抵御机械应力，确保芯片封装的长期可靠性。

5. 适用于大规模生产

TGV技术能够满足每片晶圆实现数万个直径为10-100微米通孔的生产需求，尤其适用于物联网传感器等大规模生产场景。

TGV技术的实际应用实例

1. 5G通信设备

TGV技术在5G通信设备的芯片封装中发挥重要作用。低介电特性减少了信号传输延迟，提升了整体设备性能，如5G基站的射频芯片封装中有广泛应用。

2. 高性能计算芯片

TGV技术提供机械稳定性和高频电学特性支持，提升了超级计算机等场景中的芯片性能和数据传输速度。

3. 物联网传感器

TGV技术成本低、适用于大规模生产的特性使其在智能传感器的生产中应用广泛，降低生产成本的同时确保质量。

TGV技术面临的挑战

1. 制造良率

TGV技术需要制造大量通孔，质量控制难度较大。电镀过程中可能出现不完全填充或空洞，影响生产良率。

2. 可靠性测试

尽管玻璃基材具有良好机械性能，但在高温、高湿度或电磁干扰等极端环境下的长期稳定性仍需进一步验证。

3. 生产线兼容性

企业若已采用传统TSV生产线，引入TGV技术可能面临设备改造的挑战，需要额外的资金与时间。

未来，TGV技术可能引入新型材料，如电学性能更优的玻璃陶瓷材料，进一步提升性能并降低成本。

电镀填充工艺和化学机械平坦化技术有望提高生产质量和生产效率，朝着更高效、无空洞填充方向发展。

TGV技术是一种创新的垂直电气互连技术，凭借其成本优势、高频性能、工艺简化和机械稳定性等特点，正在先进封装领域展现出广泛的应用潜力。尽管面临制造良率、可靠性和生产线兼容性等挑战，但通过技术创新、标准化推进和新兴应用领域拓展，TGV技术的前景非常广阔。

台积电计划2027年实现超大版CoWoS封装技术认证

台积电正在积极推进其超大版芯片封装技术（CoWoS）认证，计划于2027年实现目标。该技术旨在通过更先进的封装设计，提供更高效的性能，满足未来高性能计算芯片的需求。超大版CoWoS技术将引入多达九个光罩（reticle）尺寸的中介层，以及最多12个HBM4内存堆栈，显著提高芯片集成能力。

超大版CoWoS技术的核心特点

根据计划，超大版CoWoS技术的面板尺寸达到了510*515 mm²，其面积约为26.3万平方毫米。相比传统设计，这种方形面板布局能够显著减少浪费，优化材料使用效率，从而降低成本并提升生产的可控性。

这种技术的主要目标是一次性处理更多芯片，通过设计优化和先进制造技术，进一步提升芯片堆栈密度和数据传输速度。这种技术的实现不仅依赖于先进的生产设备，还需要在设计、技术以及生产工艺方面的深度协同优化。

当前面临的技术挑战

尽管超大版CoWoS技术展现出强大的潜力，但其研发与实际生产面临着一系列技术难题，具体包括以下几个方面：

玻璃片材料的可靠性设计

玻璃基板虽然具备优异的机械稳定性和热性能，但其材料本身存在电学性能和热学性能的可靠性难题。如何进行有效仿真，以确保长时间稳定运行，是当前技术挑战之一。

电源和冷却设计难题

随着超大版CoWoS封装技术的复杂性，如何高效处理电源分配和冷却基板的发热，确保整个系统在高负荷下依然具备稳定性，依旧是关键问题。

CMP技术的减薄和抛光质量问题

CMP（化学机械抛光）是关键工艺之一，但当前减薄和抛光良率较低，成本高昂，且存在生产良率不稳定的风险。这些问题需要业界在技术上进行突破。

面板切割和破碎问题

在制造过程中，如何有效地减少切割过程导致的玻璃面板碎裂或翘曲现象，是另一个亟待解决的难题。这需要更先进的切割工艺和生产设备支持。

业界面临的共性难题

台积电所面临的挑战并非孤立，这些问题是整个半导体行业的共性难题。如何克服玻璃基板面板的技术限制，推动超大版CoWoS技术的量产，仍然需要业界各方的持续努力和技术突破。

尽管当前进展面临成本高、良率低等问题，业界普遍认为，只有解决这些关键技术瓶颈，才能真正实现高产量制造和性能的稳健性。

半导体行业的未来愿景

尽管超大版CoWoS技术面临挑战，但台积电相关人员指出，这些挑战并未影响整个半导体行业的乐观前景。凭借强大的芯片生态系统和创新的3D-IC设计方法，半导体行业仍有望实现持续增长和技术突破。

创新设计和技术进步释放出的潜力，使得整个行业具备了应对挑战的信心。这表明，尽管超大版CoWoS面临技术挑战，但其发展方向仍然充满希望。

超大版CoWoS技术的实现将成为半导体先进封装领域的重要里程碑，但其研发和量产依旧面临众多挑战。玻璃基板的可靠性、电源冷却、CMP技术良率、面板切割工艺等技术瓶颈，仍需要业界持续努力突破。

尽管如此，半导体行业的强大生态和技术创新动力为行业的未来发展提供了支撑。台积电对超大版CoWoS技术的持续投入和技术挑战的逐步克服，将进一步推动整个半导体产业朝着更高效、更创新的方向迈进。

市场前景广阔：预计在2030年前，玻璃基板技术将在芯片封装市场实现重大技术突破，全球市场将持续增长。根据市场研究机构的数据，从2022 - 2030年期间，玻璃基板在芯片封装市场的份额预计将以XX%的年增长率增长。这将为玻璃基板行业带来巨大的发展机遇和市场空间。

来源：AIOT大数据

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