SCHOTT solutions Nr. 1/2016 > Ultradünnglas

Ultradünnglas
Foto: SCHOTT/C. Costard

Biegsam, stabil – und ultradünn


Schnellere Prozessoren, kleinste Chip-Gehäuse, Fingerprint-Sensoren für Smartphones – ultradünnes Glas ist ein vielseitiger Wegbereiter für die Mikroelektronik von morgen.


Thilo Horvatitsch

Ein kleiner Versuch räumt mit den gängigen Vorstellungen über einen Jahrtausende alten Werkstoff auf: In einer Biegevor-richtung krümmt sich eine Glasfolie so sehr, dass sie sich fast um den Finger wickeln ließe – aber sie bricht nicht. Das Glas ist 50 Mikrometer dünn, etwa so dick wie ein menschliches Haar. SCHOTT kann es bis zu einer Dicke von 25 Mikrometern fertigen, im Labor werden schon zehn Mikrometer angestrebt. Der Technologiekonzern zählt zu den wenigen Unternehmen weltweit, die solchen Ultradünngläsern auch die nötige Stabilität für den industriellen Einsatz verleihen können – mit fortschrittlichsten Fertigungs- und Verarbeitungsmethoden (siehe Textbox). „Glas lässt sich buchstäblich immer wieder neu erfinden”, erläutert Dr. Rüdiger Sprengard, Leiter Geschäftsentwicklung Ultradünnglas bei SCHOTT. „Dadurch können wir seine zahlreichen Eigenschaften in vielversprechenden Zukunftsanwendungen optimal nutzbar machen – zum Beispiel in der Mikroelektronik.” In dieser Schlüsselindustrie kann Ultradünnglas den Trend zur Miniaturisierung und Leistungssteigerung dort unterstützen, wo bisherige Substratwerkstoffe Grenzen setzen.
Ultradünnglas
Foto: SCHOTT/C. Costard
So enthält Glas als Hauptbestandteil Siliziumdioxid und verfügt im Hochfrequenzbereich über eine höhere elektrische Isolation als das Standard-Halbleitermaterial Silizium. Damit kann es über metallische Durchführungen Datenströme, wie sie eine wachsende Rolle etwa im Mobilfunk spielen, mit geringerer Verlustleistung transportieren. „Prozessoren mit Ultradünnglas-Substraten können Daten bis zu achtmal schneller verarbeiten als bisher möglich”, so Dr. Sprengard. Dabei spielt auch die geringe Glasdicke eine Rolle: Denn je kürzer die Leiterbahnen durch das Substrat sein können, desto niedriger ist der Energieverlust und desto höher die Datenbandbreite. Diese und andere Vorzüge machen Glas auch für das sogenannte Chip-Packaging attraktiv. In immer kleineren oder flacheren Geräten gilt es, verschiedenste elektronische Bauelemente, in Smartphones auch Subsysteme wie Display, Kamera, Lautsprecher und Mikrofon miteinander zu verbinden. Dies leisten hocheffiziente Packaging-Konzepte über kürzeste Leiterbahnen.
Ultraduennglas
Im Smartphone der Zukunft (oben) übernimmt ultradünnes Glas von SCHOTT (links) wichtige Funktionen: Als gehärtetes Deckglas im biegbaren OLED-Display, in der Kamera oder im Fingerprint-Sensor, als Substrat- material für die Dünnschichtbatterie oder als thermisch und formstabile Komponente im Prozessor. Foto: SCHOTT/Arndt Benedikt
In modernen Smartphones sind schon 60 bis 70 solcher Packages integriert. Plattform für die genannten Verbindungen sind in der Regel Leiterplatten aus (isolierendem) Kunststoff – meist Epoxidharz – oder Kompositwerkstoffen sowie Kupfer für die Leiterbahnen. Deren raue Oberflächen limitieren jedoch die künftig nötige hohe Verdrahtungsdichte und erschweren die fotolithografische Strukturierung der Leiterbahnen mit immer kleineren Strukturgrößen. Auch sorgen solche Platinen bei steigenden Signalfrequenzen für zunehmende Energieverluste. Zudem können sich die Kunststoffsubstrate bei der wachsenden Wärmeentwicklung durch Leistungssteigerung in immer kleineren Gehäusen verbiegen, wodurch das Ausfallrisiko steigt. Dagegen besitzt Ultradünnglas eine exzellente Oberflächengüte, eine hohe Formstabilität über einen großen Temperaturbereich hinweg und erzeugt deutlich weniger elektrische Verluste. Diese idealen Eigenschaften konnte SCHOTT bereits für erste Zukunftsanwendungen nutzen. So etwa für die Entwicklung energieeffizienter Hochfrequenz-Komponenten in Kooperation mit dem Fraunhofer Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration (IZM) in Berlin, aber auch für ein Gemeinschaftsprojekt mit dem Georgia Institute of Technology, USA. Dabei wurden Prototypen sogenannter Interposer aus 30 Mikrometer dünnem SCHOTT Glas gefertigt. Diese Miniaturplatinen verbinden wie herkömmliche Leiterplatten mikroelektronische Bauelemente untereinander oder mit der Hauptplatine, ermöglichen aber höchste Datenraten sowie feinste Umverdrahtungen und Durchkontaktierungen. Dazu bohren SCHOTT Entwickler Löcher, sogenannte Vias (Vertical interconnect access), mit Durchmessern von wenigen 10 Mikrometern in ultradünnes Glas. Basis dafür sind modernste, extrem genaue Bearbeitungsprozesse per Ultrakurzpulslaser.

Mit seinen Kompetenzen rund um Ultradünnglas visiert der Technologiekonzern Zukunftsmärkte vor allem für das Smartphone von morgen an. Dazu zählen etwa bieg- oder faltbare Displays auf Basis organischer Leuchtdioden (OLEDs). Als Substrat- oder Verkapselungsmaterial dafür bietet sich gehärtetes und damit kratzfestes Ultradünnglas ebenso an wie für Fingerprint-Sensoren. Diese Detektoren zur sicheren Identifizierung von Smartphone-Nutzern sind bereits mit ultradünnem SCHOTT Glas im Markt verfügbar. Ein weiteres Anwendungsfeld sind Dünnschichtbatterien. Diese Mikroakkus der nächsten Generation versorgen kleinste autarke Geräte oder Sensoren mit Strom. Einsetzen lassen sie sich zum Beispiel in „Wearables”, also Anzeigegeräten, die sich wie ein Armband tragen lassen, vor allem aber im „Internet der Dinge”. „Zur Umsetzung dieser faszinierenden Zukunftstrends stehen wir in engem Kontakt zu Entwicklungs- und Industriepartnern und sehen relevante Wachstumspotenziale für SCHOTT, so Dr. Sprengard.
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Das Geheimnis ultradünnen Glases

Ultraduennglas
Messungen im Dünnglas-Kompetenzzentrum in Grünenplan (links) und Materialtests im Otto-Schott-Forschungszentrum am SCHOTT Hauptstandort in Mainz geben Aufschluss darüber, wie stabil und fest die ultradünnen Gläser sind. Angewendet werden beispielsweise Zwei-Punkt-Biegetests (rechts) und Langzeit-Flächenfestigkeitstests (mitte). Fotos: SCHOTT/A. Sell
Siehe Interview

„Glas ist Zukunftsmaterial für Chip-Packaging”

Interview mit Dr. Michael Töpper vom Business Development Team im Fraunhofer Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration (IZM)
Ultraduennglas
Interposer (Bild rechts, Quelle: SCHOTT/Arndt Benedikt) verbinden mikroelektronische Bauelemente auf viel kleinerem Raum als herkömmliche Leiterplatten (Bild links, Foto: Thinkstock). Für die dazu nötigen feinsten Durchkontaktierungen lassen sich per Laser mehr Bohrungen in Ultradünnglas einbringen als bisher in konventionelle Substrate: über 12.700 auf einer Fläche von 20 mal 20 Zentimetern (Bilder mitte, Quelle: SCHOTT).