除了电子陶瓷，玻璃在 5G 通讯中还可以这么用
除了电子陶瓷，玻璃在 5G 通讯中还可以这么用
随着5G技术的快速发展，对通信器件的性能要求越来越高。玻璃作为一种重要的材料，在5G通讯中发挥着重要作用。本文将详细介绍玻璃在5G通讯中的多种应用，包括绝缘性、粘结性、晶圆基板、增强材料和LTCC等方面。
第五代无线通信技术(5G)具有最高可达10Gb/s传输速率、1000倍于现有技术的超大网络容量以及毫秒级的超短时延，从而可以实现各种新颖和复杂的应用。5G技术要求所使用的器件具有更大带宽、更高频率和更紧凑的尺寸等特征。5G器件的特性也使其对封装材料有了更高的要求。
图 日本电气硝子开发的5G玻璃透明天线
玻璃的软化温度、烧结温度和热膨胀系数(CTE)可调，热力学稳定性和化学稳定性(在高温、高湿条件下)较好，并且具有良好的电绝缘性、耐久性、高机械强度等特性，使其成为5G毫米波模块封装的理想候选者；此外，玻璃还具有尺寸优势，可低成本用于大面积的基板；玻璃的极低表面粗糙度和介电损耗(tan δ)等特性也更适合高频器件的封装。玻璃因其优良特性与功能被广泛应用于5G器件的生产和制造。
玻璃绝缘性——保护功能
随着5G技术的发展，通信行业对功率半导体的需求激增。玻璃由于具有良好的绝缘性，能提高半导体器件的击穿电压、减小漏电流，对器件起到良好的保护作用，已经广泛应用于半导体器件的生产中。
图 钝化玻璃，来源：SCHOTT
二极管、三极管等功率器件在加工过程中需要使用熔凝玻璃对晶圆进行钝化处理，用于保护P-N结，延长使用寿命。所以，钝化玻璃是半导体行业的关键材料之一。目前，主要有三种体系的钝化玻璃即PbO-Al2O3-SiO2系，ZnO-B2O3-SiO2系和PbO-ZnO-B2O3系，均不含碱金属与碱土金属，玻璃结构致密，网络连通性较好。PbO-Al2O3-SiO2玻璃作为钝化玻璃被广泛使用。
玻璃良好的绝缘性能也使得其能够应用在陶瓷表面，保护5G元器件/熔体免受腐蚀或高温高电压的侵害，保护电路，防止起弧、燃烧等，延长使用寿命。例如，在常见的无源器件电阻器的制造与应用过程中为了保护陶瓷体，烧结端电极前通常在陶瓷表面烧结包封玻璃，常见的包封玻璃体系有B2O3-B2O3-Al2O3-SiO2系、BaO-MgO-Al2O3-SiO2系等。BaO-MgO-Al2O3-SiO2玻璃用于保护负温度系数(NTC)热敏电阻，在经过1000次热冲击循环后，电阻变化率仍就保持在10%以内。玻璃优良的保护性能也使得其能应用于熔断器的生产中。
玻璃粘结性——焊接功能
焊料作为众多5G电子元器件的关键材料，在部件封装、电极和互连等方面发挥着重要的作用。玻璃焊料具有较低烧结温度、良好的电绝缘性与润湿性，以及高化学稳定性(抗水、耐蚀)和耐久性，被广泛应用于金属、玻璃、陶瓷、硅片等基材的焊接。
表 常见的电极浆料
由于5G毫米波器件在工作情况下的损耗主要由电极损耗产生，因此5G器件需要性能良好的厚膜金属浆料用作电极材料(如滤波器银浆)，而玻璃是电极浆料的重要组成部分。电极浆料一般由功能相、粘结相和有机载体三部分组成。导电金属在电极浆料中作为功能相，占组成的绝大部分。玻璃焊料常作为粘结相，含量不高只有2%~10%(质量分数)，其主要作用是焊接功能相与基板。玻璃焊料的性能直接影响电子产品的质量。玻璃粘结相的烧结温度要求与功能相匹配，并对导电金属具有良好的润湿性，以实现更好的烧结性能。适宜的烧结温度还可以减少电子产品金属部件的氧化和变形；玻璃焊料合适的膨胀系数将提升与陶瓷玻璃基板的结合性、密封性和抗拉强度；玻璃较高的电阻率则能延长电子产品的使用寿命。玻璃焊料也可直接用于陶瓷体的连接，如低熔点的B2O3-ZnO-B2O3-SiO2玻璃焊料连接微波铁氧体与钛酸镁陶瓷，用于微波器件的生产。
玻璃晶圆基板——高频应用
晶圆基板是决定毫米波器件性能的关键，通常要求材料具有良好的刚度、化学稳定性、耐候性，以及高的电阻率与低的高频介电损耗。在传统解决方案中低温共烧陶瓷和聚合物等基板材料在技术、成本以及供应上都有局限性。
表 常见的基板材料的性能对比
常见的商用玻璃基板BOROFLOAT®33的组成为4Na2O/K2O-2Al2O3-13B2O3-81SiO2，结构致密且高温稳定性良好。硼硅酸盐玻璃具有比硅更高的电阻率、更低的介电损耗与介电常数，以及与器件适配的热膨胀系数(CTE)和良好的刚性，可用于制造更薄、粗糙度更小的大尺寸品圆/面板封装的基板。硼硅酸盐玻璃基板已成为毫米波器件基板替代解决方案。
图 结构化的玻璃基板及器件制备
玻璃基板在半导体器件中的应用广泛且多样化，玻璃基板出色的大尺寸稳定性实现了类似于后道工艺(BEOL)的精密再分布层(RDL)基本规则，也为精确的金属化提供了方便；玻璃可定制的热膨胀系数(CTE)，使其适用于卓越的小间距装配技术；这使得玻璃在5G射频(RF)前端设备制造和异质封装应用中成为具有吸引力的材料。
表 常见的硼硅酸盐玻璃基板与性能
图 玻璃通孔技术(TGV)工艺流程简单，不需要沉积绝缘层；大尺寸玻璃基板易获取、机械稳定性强、翘曲小且成本低。玻璃基板因其优良的电学特性使得TGV技术在射频组件、光电集成、微机电系统(MEMS)等方面得到广泛运用。相比较于高成本的硅通孔技术(TSV)，TGV是一个极佳的替代方案。因此带有玻璃通孔的玻璃基板成为封装天线(AiP)的解决方案之一。
Georgia Tech在ECTC2017上首次展示了玻璃面板嵌人式封装技术(GPE，也被称为玻璃面板扇出封装(GFO))，与其他扇出式封装技术相比，GPE结构使用玻璃作为基板材料，玻璃基板的优良特性使得GPE封装成为毫米波芯片最前沿的封装方法之一。接着，研究人员在此基础上发展出2.5D玻璃面板嵌人式封装技术(GPE)，并结合 TGV 技术，开发了新型嵌入式玻璃扇出封装技术(eGFO)。
未来的通信网络无论是由毫米波还是亚太赫兹模块主导，其底层技术在封装架构、材料和工艺方面有相似之处，主要挑战均在于实现更低的介电损耗。依托先进的玻璃封装技术，具有超低介电损耗的玻璃基板将更广泛应用于未来通讯器件的生产中。
玻璃纤维——增强材料
PCB基材的重要参数是损耗角正切值(tan δ)，其能更直接地反映出电路板的传输损耗。PCB基板是由树脂、玻璃纤维、铜箔、填料等材料复合而成。玻璃纤维在PCB的电气性能中起着重要作用。玻璃纤维具有优良的绝缘性能、良好的介电性能(相对低的介电常数与介电损耗）、出色的热稳定性，并能够提供足够的机械强度，且对水份和化学物质具有低敏感性，常被用作制造5G天线基板、PCB等功能材料的增强材料。
图 覆铜板结构示意图
为了满足5G PCB的特殊需求，玻纤厂商开发出低介电玻璃纤维，低介电玻璃纤维的介电常数及介电损耗都小于无碱玻璃纤维，有利于降低产品的介电常数和介电损耗。为了得到介电常数与tan δ更低的玻璃纤维，往往是通过提高玻璃组分中B2O3的含量，以减少碱金属氧化物和碱土金属氧化物。
LTCC——关键材料
低温共烧陶瓷技术（LTCC，Low Temperature Co-fired Ceramics）作为无源元器件集成的关键技术，在开发高频、高性能、高集成度的电子元器件方面具有显著优势，是实现电子元件小型化、片式化的一种理想的封装技术，对高频通信的发展有着举足轻重的作用，在5G甚至6G通信都将发挥重要作用。
图 LTCC AiP 和5G基站用LTCC射频器件，摄于TDK展台
玻璃粉是LTCC的关键材料，软化点较低，能降低LTCC的烧结温度和改善复合材料的烧结致密度；通过调节玻璃粉的配方和工艺，可以制备热膨胀系数系列化的玻璃粉料，从而对玻璃陶瓷整体的复合热膨胀系数有调控作用。LTCC三维多芯片模块(3D-MCM)需要具有不同介电常数、不同热导率或不同机械强度等性能特征的多层陶瓷基板。其中，玻璃将进一步充分发挥调节性能，满足LTCC基板的不同需求。
资料来源：《玻璃在5G通讯中的应用》，陈俊伟,等.