Vom Chip-Packaging bis zum Schutz flexibler Elektronik Ultradünnes Glas für die Mikrolektronik von morgen

Ultradünne Gläser mit Dicken von 100 bis zu 25 µm 
eröffnet neue in Zukunft vielfältige Möglichkeiten für die Elektronik- und Halbleiterindustrie. Der heute absehbare Einsatz hauchdünner Gläser reicht vom Chip-Packaging über (Touch-)Sensoren und Dünnschichtbatterien bis hin zu Konzepten für biegsame Smartphones.
(Bild: Schott)
Ultradünne Gläser mit Dicken von 100 bis zu 25 µm eröffnet vielfältige Möglichkeiten für die Elektronik- und Halbleiterindustrie.

Das Einsatzspektrum ultradünner, biegsamer Gläser mit Dicken unter 50 µm reicht vom Interposer in hochintegrierten Komponenten-Packages bis zu neuen Displays, kompakten Solid-State-Akkus und Biotech-Anwendungen im Bereich der Mikrofluidik.

Als unterkühlte Flüssigkeit zeigt der Werkstoff Glas viele Gesichter, wie Dr. Roland Langfeld, Research Fellow bei Schott, erläutert. Durch die Auswahl verschiedener Glaskomponenten lässt sich eine Vielzahl verschiedener Eigenschaften bei Glas einstellen. So gibt es chemisch sehr beständige Gläser, die sich beispielsweise zur Verkapselung elektronischer Bauteile eignen, und sehr reaktive Gläser, deren Fähigkeit zum Ionenaustausch es erlaubt, die Festigkeit von Spezialgläsern zu erhöhen. 

Manche Gläser sind darüber hinaus undurchlässig für Sauerstoff und Wasserdampf, eine Eigenschaft, die bei der Verkapselung von elektronischen Bauteilen wie OLEDs von Vorteil ist. Andere Gläser wiederum sind durchlässig wie ein Sieb. Sie lassen sich als Filtermaterialien einsetzen. Auch die Eigenschaft einiger Gläser, elektrisch sehr gut isolierend zu sein, lässt sich beispielsweise zur Passivierung nutzen. Gläser, die den Strom dagegen sehr gut leiten, eignen sich beispielsweise als ionenleitende Materialien (Festkörperelektrolyte) für Batterien und Brennstoffzellen. 

Andere Gläser sind thermisch sehr belastbar und eignen sich damit zur Verkapselung thermisch belasteter Elektronik. Genauso gibt es aber auch Gläser, die schon bei geringen Temperaturen erweichen, ein Effekt, der sich zum Einschmelzen (Passivieren) elektrischer Bauteile nutzen lässt. Wieder andere Gläser sind dielektrisch »unauffällig« und eignen sich damit zur verlustlosen Verkapselung von Bauteilen. Glas kommt aber auch als Dielektrikum etwa in Hochspannungskondensatoren zum Einsatz. 

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Vom Chip-Packaging bis zum Schutz flexibler Elektronik

Ultradünnes Glas für die Mikroelektronik von morgen

Und wohl jeder kennt mechanisch sehr feste Varianten von Glas, wie sie etwa in diversen Skywalk-Projekten zum Einsatz kommen, sich aber auch für druckbelastete elektrische Durchführungen empfehlen. Glas kann aber auch äußerst flexibel sein. Biegbares, ultradünnes Glas, wie es etwa der  Technologiekonzern Schott entwickelt hat, eröffnet neue Einsatzbereiche für Spezialgläser, die vom Chip-Packaging über Touch-Sensoren und Dünnschichtbatterien bis hin zu Konzepten für biegsame Smart-phones reichen. 

Aktuell wird Glas in der Elektronik bislang vor allem als Material für Displays oder auch als Ausgangsstoff zur Realisierung von Hochleistungs-Glasfaser-Lösungen gesehen. Mit der Entwicklung ultradünner Gläser wird sich das in Zukunft ändern. Ultradünnes Glas ist äußerst transparent, damit kaum sichtbar und darüber hinaus hauchfein. 

Schott liefert solche Gläser mit einer Stärke bis hinab zu 50 µm bereits seit einigen Jahren in Form sogenannter Sheets an Kunden. Bei Forschungskooperationen mit Partner werden inzwischen schon Gläser mit Dicken von nur noch 25 µm eingesetzt. Aktuell arbeiten die Forscher in den Laboren von Schott an Ultradünnglas mit einer Stärke von 10 µm. 

Welche Möglichkeiten ultradünnes Glas aufgrund seiner Eigenschaften für den Einsatz im Elektronikbereich bietet, macht ein entscheidender Unterschied zum klassischen Halbleitermaterial Silizium deutlich: Glas ist ein wesentlich besserer elektrischer Isolator als Silizium. Deshalb lassen sich Chips und Leiterbahnen auf Glas deutlich enger anordnen und bei höheren Frequenzen betreiben als auf einem Silizium-Träger. »Die herausragenden Isolationseigenschaften von Glas bis hin zu höchsten Frequenzen«, so Prof. Dr. Michael Töpper vom Business Development Team des Fraunhofer Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration (IZM), »stellen eine wichtige Grundlage für den Industrietrend der Integration mehrerer diskreter elektronischer Bauelemente in ein Package dar«. Die Leistungsfähigkeit von Smartphones, Tablets und Kameras ließe sich auf diese Weise noch einmal deutlich steigern.

Halbleiterbauelemente wie Mikroprozessoren, Speicherchips und Funkchips, aber auch passive Bauelemente wie Kondensatoren und Widerstände sowie ganze Subsysteme wie Mikrofon, Kamera, Lautsprecher oder Display, werden dabei über möglichst kurze Leiterbahnen elektrisch hocheffizient miteinander verbunden. Beim Apple iPhone 6 und dem Samsung Galaxy S6 Edge sind es heute schon nach Auskunft von Prof. Töpper jeweils zwischen 60 und 70 Packages dieser Art. 

Um Ultradünnglas so zu bohren, dass es Leiterplatten in solchen Packages ersetzen kann, bedarf es Lochdurchmesser von 1 bis 50 µm. Bei Schott kommen dafür Ultrakurzpulslaser zum Einsatz. Mit ihnen lassen sich wenige tausendstel Millimeter kleine Bereiche im Glas aufschmelzen oder sogar verdampfen, ohne dass das umliegende Material dabei berührt wird. Wie Dr. Rüdiger Sprengard, Director New Business Ultra-Thin Glass, Advanced Optics bei Schott, erläutert, lassen sich so bis zu 50.000 Löcher pro qcm bohren, wodurch eine sehr flexible Strukturgeometrie für Durchkontaktierungen und Mikrokanäle entsteht. 

Auf diese Weise bearbeitet, empfiehlt sich ultradünnes Glas beispielsweise als Interposer. Anders als organische Substratmaterialien wie etwa Polymere oder Kompositen weist ultradünnes Glas bei hochintegrierten Packaging-Konzepten unter Wärmeeinwirkung über einen großen Temperaturbereich hinweg eine außerordentliche mechanische Steifigkeit auf. Es verbiegt sich nicht und ermöglicht so dünnste Formfaktoren für sehr flache, schlanke Geräte-Bauformen, wie sie inzwischen nicht nur im Smartphone- oder Tablet-Bereich gefordert werden.

Darüber hinaus verfügt Glas über einen höhere elektrische Isolation als das Standard-Halbleitermaterial Silizium und kann über metallische Durchführungen Hochfrequenz-Datenströme mit geringer Verlustleistung transportieren. Dadurch sind Prozessorleistungen mit bis zu achtmal höheren Datentransferraten als der bisherigen Technik möglich.