SCHOTT solutions n° 1/2016 > Vidrio ultrafino

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Foto: SCHOTT/C. Costard

Flexible, sólido y ultrafino


Procesadores más rápidos, encapsulados de chip minúsculos, sensores de huella dactilar para smartphones – el vidrio ultrafino es un precursor versátil para la microelectrónica del mañana.


Thilo Horvatitsch

Un pequeño test acaba con las preconcepciones que tenemos sobre un material milenario: en un ensayo de flexión se curva sin que se rompa una lámina de vidrio hasta el punto de que casi se puede rodear el dedo con ella. Este vidrio tiene un espesor de 50 µm, más o menos como un cabello humano. SCHOTT lo puede fabricar con un espesor de 25 µm, aunque en el laboratorio ya se están persiguiendo los 10 µm. Este grupo tecnológico es de las pocas empresas del mundo con capacidades para conferir a estos vidrios ultrafinos la solidez requerida para su uso industrial (ver el cuadro de texto de la ver cuadro de texto). ”El vidrio se puede reinventar cada vez de nuevo”, explica el Dr. Rüdiger Sprengard, Director de Nuevos Negocios para Vidrio Ultrafino en SCHOTT. ”Esto nos permite explotar óptimamente sus numerosas propiedades en prometedoras aplicaciones de futuro, como p. ej. la microelectrónica.” El vidrio ultrafino puede facilitar en este sector clave la miniaturización y el aumento de potencia allí donde los materiales hasta ahora utilizados como substrato alcanzan sus límites.
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Foto: SCHOTT/C. Costard
El vidrio contiene dióxido de silicio como ingrediente principal y presenta un aislamiento eléctrico mejor dentro del espectro de altas frecuencias que el material estándar de los semiconductores, el silicio. Puede transportar con una baja disipación de potencia, a través de pasantes metálicos, los flujos de datos cada vez más predominantes en las comunicaciones móviles. ”Los procesadores con substratos ultrafinos pueden procesar datos hasta 8 veces más rápidamente”, señala el Dr. Sprengard. El reducido espesor del vidrio también importa, porque cuanto más cortas son las pistas conductoras a través del substrato, menor es la pérdida de energía y más grande la anchura de banda de los datos. Estas y otras ventajas hacen también atractivo el vidrio para su uso en el encapsulado de chips. El reto no consiste sólo en conectar los componentes electrónicos más variados en aparatos cada vez más pequeños y planos, sino en hacerlo también con subsistemas de smartphones, como displays, cámaras, altavoces y micrófonos. En los sistemas de encapsulado altamente eficientes se logra con pistas conductoras extraordinariamente cortas.
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El vidrio ultrafino de SCHOTT (izda.) asumirá importantes funciones en el smartphone del futuro (arriba): como vidrio templado de cobertura en el display OLED flexible, la cámara o el sensor de huella dactilar y como material de substrato para baterías de película delgada o componente térmica y dimensionalmente estable del procesador. Foto: SCHOTT/Arndt Benedikt
Los modernos smartphones ya contienen 60 ó 70 de estos paquetes. La plataforma para dichas conexiones es habitualmente una placa de circuito impreso hecha generalmente de una resina epoxi (aislante) o de materiales compuestos y de cobre para las pistas conductoras. Sin embargo, sus superficies rugosas limitan la alta densidad necesaria en el futuro y complican la estructuración fotolitográfica de las pistas conductoras, cada vez más pequeñas. Este tipo de placas presentan también elevadas disipaciones energéticas a medida que aumentan las frecuencias de las señales. Además, los substratos de plástico pueden curvarse cuando son sometidos a las elevadas temperaturas causadas por la mayor potencia confinada en encapsulados más pequeños, lo cual incrementa el riesgo de fallo. En contraste con ello, el vidrio ultrafino presenta superficies de excelente calidad, una elevada estabilidad dimensional dentro de un amplio rango de temperaturas y genera unas pérdidas eléctricas notablemente menores. SCHOTT ha aprovechado ya estas propiedades idóneas para unas primeras aplicaciones futuras colaborando con el Instituto Fraunhofer de Fiabilidad y Microintegración (IZM), de Berlín, en el desarrollo de componentes de bajo consumo para altas frecuencias y participando en un proyecto conjunto con el Georgia Institute of Technology (ee.uu.), para el que se realizaron prototipos de unos ‘interposers’ a partir de vidrio de SCHOTT de 30 µm de espesor. Estas placas en miniatura conectan componentes microelectrónicos entre sí o a la placa principal y hacen posibles unas altísimas tasas de transferencia de datos, así como finísimas redistribuciones de contactos e interconexiones verticales. Los desarrolladores de SCHOTT taladran en un vidrio ultrafino orificios denominados ’vias’ (Vertical interconnect access), de tan sólo unas decenas de micrometros de diámetro, utilizando unos procesos de mecanizado de última tecnología muy precisos basados en láseres de pulsos ultracortos.

SCHOTT tiene previsto aplicar su vasto know how en el campo del vidrio ultrafino en muchos mercados de futuro, en particular para el smartphone. Esto incluye displays a base de OLEDs que se pueden curvar o doblar. El vidrio ultrafino templado y resistente a las rayaduras también resulta idóneo como substrato o material de encapsulado en sensores de huella dactilar, para la identificación fiable de usuarios de smartphones, ya disponibles en el mercado con vidrio ultrafino de SCHOTT. Las baterías de película delgada son otro campo de aplicación. Estas microbaterías de la próxima generación suministran energía a los dispositivos autónomos y sensores más pequeños. Se pueden utilizar p. ej. en ”wearables” y, sobre todo, en la ”Internet de las cosas”. ”Para hacer realidad estas fascinantes tendencias de futuro estamos en estrecho contacto con partners de desarrollo e industriales y detectamos un potencial de crecimiento relevante para SCHOTT”, señala el Dr. Sprengard. <
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El secreto del vidrio ultrafino

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Las mediciones realizadas en el Centro de Competencia en Vidrio Fino de Grünenplan (izda.) y los ensayos de materiales efectuados en el Centro de Investigaciones Otto Schott, en la sede de SCHOTT en Maguncia, demuestran lo sólidos y resistentes que realmente son los vidrios ultrafinos. Esto se verifica, por ejemplo, con ensayos de flexión en dos puntos (abajo) y ensayos de fatiga de la superficie (abajo a la izda.). Fotos: SCHOTT/A. Sell
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”El vidrio es el material deL futuro EN EL encapsulado de chips”

Entrevista con el Dr. Michael Töpper, del Business Development Team del Instituto Fraunhofer de Fiabilidad y Microintegración (IZM)
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Los ’interposers’ (Imagen de la derecha, fuente: SCHOTT/Arndt Benedikt) interconectan los componentes electrónicos en un espacio mucho más reducido que las placas de circuito impreso tradicionales (Imagen de la izquierda, Foto: Thinkstock). Para realizar las finísimas ’vias’ precisadas se pueden perforar con un láser más orificios en un vidrio ultrafino que en los substratos convencionales: aprox. 12.700 sobre una área de 20 x 20 cm (Centro de la foto, fuente: SCHOTT).
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Ultra-Thin Glass