Ultradünnglas: Glasarten und Materialien – Technischer Leitfaden für Ingenieure und Einkaufsteams

Die Wahl des falschen Ultradünnglasmaterials kann eine Fertigungslinie zum Stillstand bringen, die optische Leistung eines Displays ruinieren oder bei der Halbleiterverarbeitung Schäden durch Substratverzug verursachen. Dieser Leitfaden erläutert die vier wichtigsten Ultradünnglasarten und -materialien – Borosilikatglas, Aluminosilikatglas, Kalk-Natron-Floatglas und Quarzglas – anhand konkreter Wärmeausdehnungskoeffizienten, Dickenangaben, Informationen zur Fertigung und einer übersichtlichen Matrix zur Zuordnung von Material und Anwendung. Ob Sie Glas für ein faltbares Display, einen Biosensor oder ein optisches Fenster festlegen: Dieser Leitfaden hilft Ihnen, von Anfang an die richtige Spezifikation zu bestimmen.

Was ist Ultradünnglas und warum ist die Dicke entscheidend?

Die Dicke ist eine funktionale Spezifikation. Sie bestimmt, wie das Glas auf Temperaturwechsel reagiert, wie stark es sich unter Last verformt, mit welchem Fertigungsverfahren es hergestellt werden kann und welches Handhabungssystem nachgelagerte Prozesse erfordern. Ein mit 0,7 mm spezifiziertes Substrat verhält sich völlig anders als eines mit 0,2 mm, selbst wenn beide aus derselben Borosilikatglasrezeptur zugeschnitten werden.

Beim Einsatz von Ultradünnglassubstraten erleben wir, dass die Dicke häufig zuerst festgelegt und allzu oft falsch verstanden wird. Wird “das dünnste mögliche Glas” spezifiziert, ohne die zulässige thermische Belastung, das Handhabungsverfahren oder den Toleranzbereich zu kennen, muss diese Spezifikation im weiteren Verlauf der Produktionsplanung häufig überarbeitet werden. Die Dicke setzt jeder nachgelagerten Entscheidung Grenzen: der Verarbeitbarkeit der Materialfamilie, der Toleranzkontrolle beim Ziehverfahren und der Durchführbarkeit weiterer Bearbeitungsschritte.

Die Familien der Glassubstrate überschneiden sich zudem mit Normen der Displayindustrie (Regelwerken wie IEC 62899 für flexible Elektronik), die Dickentoleranzbereiche und Oberflächenqualitätsklassen festlegen. Wenn Sie Ihre optische Anwendung diesen Kategorien zuordnen, erleichtert dies die entsprechende Auswahl von Borosilikatglas oder Glas.

Die wichtigsten Ultradünnglasmaterialien im Vergleich

Vier Materialfamilien decken die meisten anspruchsvollen Anwendungen für Ultradünnglassubstrate ab. Jede Familie bietet eine andere Kombination aus Wärmeausdehnungskoeffizient (CTE), optischer Transmission, chemischer Beständigkeit, verfügbarer Dicke und Kosten. Welches Material am besten geeignet ist, bestimmt Ihre Prozessumgebung, nicht die optischen oder mechanischen Anforderungen Ihres Endprodukts.

Borosilikatglas

Borosilikatglas – zu den Marken zählen Schott BOROFLOAT® 33 und D 263® T eco – hat einen CTE von 3,25 × 10⁻⁶/K und ist in den dünnsten handelsüblichen Ausführungen erhältlich. Die Kombination aus geringer Wärmeausdehnung, hoher optischer Transmission (über 90 % im sichtbaren Bereich, über 50 % im nahen UV-Bereich) und hoher chemischer Beständigkeit macht es zum Standardmaterial für Optik, Sensoren und MEMS-Substrate.

D 263 T eco erreicht eine Dicke von 0,03 mm und wird in Scheibenform bis 300 mm geliefert. Das im Floatverfahren hergestellte BOROFLOAT 33 bietet einen größeren Dickenbereich und größere Scheibenformate. Beide weisen eine hohe chemische Beständigkeit gegenüber Säuren und Basen auf und eignen sich daher für aggressive Nassreinigungschemikalien, die in der Halbleiterfertigung eingesetzt werden.

Aluminosilikatglas

Wie verbreitet Aluminosilikatglas heute ist, zeigen die Produkte eagle xg® und Willow von Corning, die für die Displayfertigung entwickelt wurden, bei der eine Alkalikontamination der Dünnschichttransistorschichten (TFT-Schichten) unzulässig ist. Das alkalifreie Eagle XG hat einen CTE von ~3,17 × 10⁻⁶/K, ist in Dicken von 0.25 bis 0,5 mm erhältlich und wird in den üblichen Displayglasformaten hergestellt. Willow-Glas geht noch weiter und bietet Dicken von 100–200 μm als Rollenmaterial, das die Aufnahme und Platzierung im Rolle-zu-Rolle-Verfahren für flexible Elektronik ermöglicht.

Für Anwendungen, die eine chemische Vorspannung erfordern – etwa Abdeckglas für Unterhaltungselektronik –, sprechen Aluminosilikatglasrezepturen besser auf das Ionenaustauschverfahren an als Borosilikatglas. Der höhere Aluminiumoxidgehalt erzeugt nach dem Kaliumionenaustausch eine dichtere Oberflächenschicht, wodurch eine noch tiefere Druckspannungszone und höhere Oberflächendruckspannungen entstehen. Deshalb wird chemisch vorgespanntes Aluminosilikatglas für UTG-Abdeckgläser faltbarer Displays spezifiziert.

Kalk-Natron-Floatglas

Kalk-Natron-Floatglas, das im Floatverfahren auf einem Bad aus geschmolzenem Zinn hergestellt wird, hat unter den kostengünstigsten Glasarten das größte Produktionsvolumen. Die Sorte UFF (Ultra Flat Float) von NSG ermöglicht mit dem Floatverfahren Dünnglasformate ab 0,33 mm. Der CTE-Bereich liegt bei 8.5 bis 9,0 × 10⁻⁶/K – weit höher als bei Borosilikatglas oder Aluminosilikatglas und damit ungeeignet für Anwendungen, die eine präzise Abstimmung der Wärmeausdehnung erfordern.

Bei kostensensiblen Anwendungen mit langjährig etablierten Verarbeitungsverfahren spielt Kalk-Natron-Glas seine Vorteile aus. Dünnes Kalk-Natron-Floatglas ist seit mehr als 40 Jahren ein bewährter Werkstoff für Automobilglas. Auch bei Displays, bei denen eine TFT-Kontamination unkritisch und eine unterschiedliche Wärmeausdehnung gegenüber einer angrenzenden Schicht akzeptabel ist, spricht der Materialpreis für Kalk-Natron-Glas. Sein hoher Alkaligehalt macht es ohne Sperrbeschichtung für viele Prozessumgebungen der Halbleiterfertigung ungeeignet.

Quarzglas / Quarz

Quarzglas bietet Eigenschaften, die keine andere Glasart erreicht: CTE ≤ 0,5 × 10⁻⁶/K; UV-Transmission von ca. 80 % bei 200 nm; Temperaturbeständigkeit bis 1.000 °C im Dauerbetrieb. Diese Eigenschaften machen es zum idealen Material für Fotomasken in der Tief-UV-Lithografie, optische UV-Fenster und Hochleistungslaseroptiken, bei denen Kalk-Natron-Glas oder Borosilikatglas durch Thermoschock oder UV-Absorption beeinträchtigt würden.

Die Nachteile sind die Kosten und die schwierige Verarbeitung. Quarzglas ist in der Herstellung deutlich teurer als Borosilikatglas, lässt sich schwieriger schleifen und polieren und ist als ultradünne Scheibe im Handel weniger verbreitet. Für Fotomaskensubstrate in der Halbleiterfertigung und präzise UV-Optiken sind diese Kosten akzeptabel, für allgemeine Display- oder Sensoranwendungen wird es jedoch selten spezifiziert.

Materialvergleichstabelle

Unsere Lieferkette deckt alle vier Materialfamilien ab. Die häufigste Frage neuer Kunden lautet: Benötige ich Aluminosilikatglas oder Borosilikatglas? Meist lässt sich die Antwort auf eine Frage zurückführen: Umfasst Ihr Prozess Abscheidungs- oder Diffusionsschritte bei Temperaturen, bei denen die Migration von Alkalien relevant wird? Falls ja, Aluminosilikatglas. Andernfalls ist Borosilikatglas bei gleicher Leistung in der Regel kostengünstiger.

Wichtige Eigenschaften, die die Leistungsfähigkeit von Ultradünnglas beeinflussen

Neben der Materialfamilie bestimmen sechs zentrale Eigenschaften, ob sich die gewählten Dünnglasmaterialien in der Anwendung zuverlässig bewähren. Jede dieser sechs Eigenschaften ist bei einem gewählten Material mit einem Versagensmechanismus verknüpft – wird auch nur eine davon vernachlässigt, kann es sowohl bei der Montage als auch im Einsatz zu Ausfällen kommen.

Bei Präzisionsanwendungen verdienen die Oberflächenqualität und die Ebenheit des Glases zusätzliche Aufmerksamkeit. Beim Abwärtszieh- oder Fusionsziehverfahren entsteht eine feuerpolierte Oberfläche, die bei der ursprünglichen Herstellung kein oder nur minimales Polieren erfordert. Glas aus dem Floatverfahren benötigt zusätzliche Polierschritte, um die Oberflächenqualität des Abwärtszieh- oder Fusionsziehverfahrens zu erreichen, was die Kosten und das Risiko einer Verunreinigung durch Poliermittelrückstände erhöht.

Wie Ultradünnglas hergestellt wird

Drei grundlegende Ziehverfahren decken nahezu die gesamte kommerzielle Ultradünnglasherstellung ab. Jedes erzeugt ein Substrat mit einem anderen Dickenprofil, einer anderen Oberflächenqualität und einem anderen Format. Wenn Sie Ihr Verfahren kennen, können Sie fundiert beurteilen, ob die vorgelegte Spezifikation erreichbar ist.

1. Fusionsziehverfahren (Überlauf-Abwärtsziehverfahren) – Bei diesem von Corning entwickelten Verfahren fließt die Glasschmelze über beide Seiten einer V-förmigen Rinne (des sogenannten Isopipe-Formkörpers), an deren Unterseite die beiden Ströme zusammenlaufen und nach unten gezogen werden. Da keine der beiden Oberflächen während der Formgebung feuerfestes Material berührt, entsteht eine gezogene Oberfläche, die kein Polieren erfordert. Direkt beim Ziehen ist eine Oberflächenrauheit unter 0.5 nm rms erreichbar. Eagle XG® und Willow® werden nach diesem Verfahren hergestellt, das die in der Displayfertigung verwendeten ultradünnen und flexiblen Glasformate ermöglicht.
2. Abwärtsziehverfahren (Schlitzziehverfahren) – Das Hauptverfahren von Schott für Präzisionsdünnglas. Glasschmelze fließt durch einen präzise bearbeiteten Schlitz und wird nach unten gezogen, wodurch eine feuerpolierte Oberfläche mit einer Rauheit unter 1 nm rms entsteht. Mit diesem Verfahren wird D 263® T eco mit einer Dicke von 0,03 mm hergestellt. Das Abwärtsziehverfahren ermöglicht sehr enge Dickentoleranzen (±0,005 mm bei einer Nenndicke von 0,1 mm) und erzeugt Substrate mit hervorragender Ebenheit ohne anschließendes Polieren.
3. Floatverfahren / Mikrofloatverfahren – Glasschmelze liegt auf einem Bad aus geschmolzenem Zinn auf und breitet sich unter dem Einfluss von Schwerkraft und Oberflächenspannung zu einer gleichmäßigen Dicke aus. Floatglas macht 2025 mengenmäßig etwa 50,68 % der Dünnglasproduktion aus (Mordor Intelligence). Das Verfahren zeichnet sich zwar durch die Fertigung großer Formate und hohe Wirtschaftlichkeit aus, doch die Oberfläche mit Zinnkontakt unterscheidet sich hinsichtlich Rauheit und chemischer Beschaffenheit von der Oberfläche mit Luftkontakt. Das Mikrofloatverfahren verfeinert diesen Prozess für geringere Dicken, die physikalischen Gegebenheiten des geschmolzenen Zinnbads begrenzen die Mindestdicke bei Kalk-Natron-Glasrezepturen jedoch auf etwa 0,33 mm.

Nachgelagerte Bearbeitungsverfahren

• Chemische Vorspannung – Beim Eintauchen in ein Salzbad aus geschmolzenem Kaliumnitrat werden kleinere Natriumionen an der Glasoberfläche durch größere Kaliumionen ersetzt, wodurch eine Druckspannungsschicht entsteht. Das Verfahren ist bei Abdeckglas aus Aluminosilikatglas üblich; Borosilikatglas spricht ebenfalls auf den Ionenaustausch an, erreicht jedoch eine geringere Druckspannung und eine geringere Schichttiefe.
• Antireflexbeschichtung – Mehrlagige dielektrische Dünnschichtbeschichtungen, die durch Sputtern oder im Sol-Gel-Verfahren aufgebracht werden, reduzieren die Oberflächenreflexion von etwa 4 % je Oberfläche auf unter 0,5 % je Oberfläche. Erforderlich für Display-Abdeckglas und optische Fenster.
• Präzisionspolieren – Dient vor allem der Verbesserung der Oberflächengüte von im Floatverfahren hergestelltem Glas sowie dem Erreichen von Ebenheitsspezifikationen mit einer Gesamtdickenschwankung (TTV) unter 1 μm.
• Laserzuschnitt und Laserritzen – Ein CO₂- oder Ultrakurzpulslasersystem erzeugt bei Dicken unter 0,3 mm saubere Kanten ohne mechanische Kantenbeschädigung.

Branchenübergreifende Anwendungen von Ultradünnglas

Der Markt für Ultradünnglasscheiben wächst in mehreren Segmenten der Elektronikindustrie rasant, da Geräte kleiner werden und Polymerwerkstoffe hinsichtlich ihrer optischen Leistungsfähigkeit sowie ihrer thermischen und chemischen Beständigkeit an ihre Grenzen stoßen.

Die Bezeichnung UTG – Ultradünnglas für faltbare Smartphone-Displays – verdient angesichts der raschen kommerziellen Verbreitung besondere Aufmerksamkeit. Chemisch vorgespanntes Aluminosilikatglas in den Geräten Galaxy Z Fold und Z Flip brachte Ultradünnglas unter 100 μm in die Massenproduktion und ersetzte die bisherigen Polymerabdeckungen. Berichten zufolge sicherte sich Apple 2025 die UTG-Belieferung durch Lens Technology, was die Nachfrage nach UTG-Komponenten für Anwendungen in der Unterhaltungselektronik bis 2027 voraussichtlich weiter beschleunigen wird.

Unsere Kunden aus der Halbleiterbranche spezifizieren für die Gehäusefertigung auf Waferebene in der Regel alkalifreie Substrate: Selbst Spuren von Natrium, die während der Verarbeitung aus Kalk-Natron-Glas oder Standard-Borosilikatglassubstraten migrieren, verursachen Schwellenspannungsverschiebungen und Bauelementausfälle, wenn Trägerkomponenten bei 500 °C betrieben werden. Spezifikationen für alkalifreie Substrate verlangen Aluminosilikatglas mit einem geprüften Alkaligehalt unterhalb der Nachweisgrenze.

So wählen Sie das richtige Ultradünnglas für Ihr Projekt

Das größte Risiko bei der Auswahl eines Glasmaterials aus den wenigen verfügbaren Optionen besteht darin, die Entscheidung auf eine einzelne Eigenschaft zu stützen und dabei eine einschränkende Anforderung zu übersehen – es lässt sich durch ein logisches Auswahlverfahren mit diesen fünf Schritten vermeiden. Wir haben unseren eigenen Ansatz zur Auswahl von Ultradünnglas mit den Erfahrungen und Erwartungen unserer Partner bei BSI-Anwendungen kombiniert und daraus die folgenden fünf Schritte abgeleitet:

Eine Glasspezifikation, die von Projektbeginn an alle 5 Schritte abdeckt, reduziert Überarbeitungsschleifen, erhöht die Ausbeute und vermeidet Ausfälle im Einsatz, die kostspielige nachgelagerte Korrekturmaßnahmen verursachen. Unser Ziel ist es, das passende Glas festzulegen – weder das technisch fortschrittlichste/aufwendigste noch das günstigste, das nur den offensichtlichen Bedarf erfüllt…

Häufig gestellte Fragen