Ponieważ prawo Moore'a zbliża się do swoich fizycznych ograniczeń, przemysł półprzewodników szybko zmierza w kierunku ery "Więcej niż Moore".gęstość integracji, i efektywności energetycznej.

W najnowocześniejszych technologiach, takich jak opakowanie 2,5D/3D, integracja heterogeniczna chipletów, optyka kopakowana (CPO) i układanie pamięci o dużej przepustowości (HBM),zarządzanie cieplne i stabilność konstrukcyjnastały się krytycznymi wąskimi gardłami wpływającymi na niezawodność systemu.

W tym kontekście wybór materiałów opakowaniowych nie ogranicza się już do tradycyjnych żywic epoksydowych lub silikonowych.Przemysł coraz częściej bada zaawansowane materiały nieorganiczne zwysoka przewodność cieplna,wysoka sztywność,niskie straty dielektryczne, orazdoskonała stabilność chemiczna.

Wśród nich,jednokrystaliczny szafir lub α-Al2O3, rozszerza swoją tradycyjną rolę jako materiał podłożowy na zaawansowane nośniki opakowań, komponenty zarządzania cieplnym i wysokiej wydajności części konstrukcyjne.Z wyjątkowymi właściwościamiJak wynika z analizy przeprowadzonej przez Komisję, szafir wykazuje znaczący potencjał w porównaniu ze szkłem ceramicznym i kwarcami.

W tym artykule przedstawiono systematyczne porównanie szafiru, szkła ceramicznego i szkła kwarcowego z wielu perspektyw, w tymprzewodność cieplna,wytrzymałość mechaniczna,moduł elastyczności, współczynnik rozszerzenia cieplnego,właściwości dielektryczne, orazwydajność optycznaAnaliza obejmuje również wartość zastosowań i wyzwania techniczne związane z szafirem w zaawansowanych opakowaniach półprzewodników.

1Wprowadzenie do jednokrystalicznego szafiru

1.1 Skład chemiczny

Sapphire to α-Al2O3, czyli jednokrystaliczny tlenek aluminium.

W jego strukturze kryształowej jony tlenu tworzą w przybliżeniu sześciokątny układ, podczas gdy jony aluminium zajmują dwie trzecie oktaedrów.w wyniku czego powstaje bardzo uporządkowana struktura koordynacyjna.

Powiązania Al-O w szafirze wykazują kombinację cech wiązania jonowego i kowalentnego.i wyjątkowej twardości mechanicznej, stanowiące podstawę jego doskonałej stabilności fizycznej i chemicznej.

1.2 Proces produkcji

Obecnie głównym procesem produkcji wielkowymiarowych ingotów szafirowych jest zmodyfikowana metoda Kyropoulosa.

Metoda ta umożliwia wytwarzanie wysokiej jakości, nisko wadliwych, wielkowymiarowych pojedynczych kryształów z stopionego tlenku aluminium poprzez precyzyjne kontrolowanie gradientu temperatury i warunków ciągnięcia.

W porównaniu z tradycyjnymi metodami Czochralskiego lub metodami wymiany ciepła zmodyfikowana metoda Kyropoulosa oferuje zalety w zakresie rozmiaru kryształu, jednolitości optycznej i kontroli naprężenia wewnętrznego.jest bardziej odpowiedni do produkcji substratów półprzewodnikowych i zaawansowanych nośników opakowań.

1.3 Maksymalny rozmiar do produkcji

Obecnie płytki szafirowe o średnicy od 8 cali lub 200 mm do 12 cali lub 300 mm mogą być przetwarzane zgodnie z zaawansowanymi wymaganiami opakowania.O szerokości nieprzekraczającej 7 mm.

W przypadku formatów paneli można również dostosować rozmiary od 100 mm × 100 mm do 310 mm × 310 mm, spełniając różne wymagania dotyczące opakowań na poziomie płytki i paneli.

2Porównanie wydajności materiału

2.1 Przewodność cieplna: zasadnicze różnice w zdolności zarządzania cieplą

2.1.1 Mechanizm przewodzenia cieplnego

Przewodność cieplna materiału zależy głównie od jego mikrostruktury i efektywności transportu fononów, które są kwantami energii wibracji sieci.

Sapphire ma sześciokątną strukturę jednokrystaliczną z bardzo uporządkowanym układem atomowym i doskonałą integralnością siatki.Daje to fononom dłuższą średnią wolną ścieżkę i umożliwia doskonałą przewodność cieplną.

W przeciwieństwie do tego, szkło-ceramika składa się z amorficznej matrycy szklanej i rozproszonych faz mikrokrystalicznych.Duża liczba granic ziaren i amorficznych / krystalicznych interfejsów wewnątrz materiału stanowią główne źródła rozpraszania fononów, znacząco zmniejszając jej efektywną przewodność cieplną.

Szkło kwarcowe jest w pełni amorficzną siecią tlenku krzemu.co czyni go materiałem o najniższej przewodności cieplnej spośród trzech.

2.1.2 Porównanie ilościowe w temperaturze pokojowej, 25°C

Przewodność cieplna szafiru jest ponad 10 razy wyższa od przewodności szkła ceramicznego i około 25 razy wyższa od przewodności szkła kwarcowego.

W przypadku urządzeń o gęstości strumienia cieplnego przekraczającej 100 W/cm2, takich jak wzmacniacze mocy GaN RF lub układy przyspieszające AI,stosowanie szafiru jako warstwy rozpraszającej ciepło lub podłoża opakowania może znacznie zmniejszyć temperaturę punktu gorącegoOczekiwana redukcja temperatury połączenia może osiągnąć około 15-40°C, znacznie poprawiając w ten sposób niezawodność urządzenia i stabilność jego działania.

2.1.3 Zależność od temperatury

Przewodność cieplna szafiru zmniejsza się wraz ze wzrostem temperatury z powodu zwiększonego rozpraszania fononów.szafir może nadal utrzymywać przewodność cieplną wyższą niż 20 W/m·K.

Przewodność cieplna szkła-ceramiki i szkła kwarcowego zmienia się stopniowo wraz z temperaturą, ale ich wartości bezwzględne pozostają niskie.są trudne do użycia do aktywnego zarządzania cieplnym w zastosowaniach o wysokiej temperaturze i wysokiej mocy.

2.2 Właściwości mechaniczne: podstawa niezawodności konstrukcyjnej

2.2.1 Twardość i odporność na zużycie

Sapphire jest drugie tylko do diamentu, z twardością Mohs 10, i węglika krzemu, z twardością Mohs około 9.5Jego niezwykle wysoka twardość powierzchniowa skutecznie zapobiega zadrapania i zużyciu podczas procesów pakowania i warunków eksploatacji.

Dzięki temu szafir jest szczególnie odpowiedni do interfejsów optycznych lub precyzyjnych powierzchni łączących, które wymagają powierzchni ultragładkich, takich jak Ra < 0,5 nm.

2.2.2 Wytrzymałość na gięcie i wytrzymałość na złamanie

Chociaż szafir jest zasadniczo kruchym materiałem, jego wytrzymałość na gięcie i wytrzymałość na złamanie są znacznie wyższe niż w przypadku szkła ceramicznego i kwarcowego.

Oznacza to, że w przypadku zastosowań na substratach cienkiego opakowania szafir jest lepiej odporny na ryzyko gięcia i pękania spowodowane naprężeniem termicznym lub obciążeniami mechanicznymi.

2.2.3 Elastyczny moduł

Wysoki moduł elastyczności szafiru oznacza, że jest mniej deformowany pod obciążeniem mechanicznym i ma niezwykle wysoką sztywność.

W trakcie wielołatowego układania lub cyklu termicznego wysoka sztywność pomaga tłumić wypaczanie podłoża.Jest to kluczowe dla utrzymania dokładności wyrównania w strukturze połączeń między sieciami na poziomie mikronów, takich jak mikrokręty i połączenia hybrydowe, a zatem jest ważny dla osiągnięcia wysokiej wydajności opakowań.

2.3 Współczynnik rozszerzenia termicznego i dopasowanie termiczne

Bardzo niskie CTE szkła kwarcowego jest korzystne w zastosowaniach wymagających absolutnej stabilności wymiarowej.może być trudne do zintegrowania z innymi materiałami stosowanymi w opakowaniach półprzewodników.

Szkło-ceramika ma wyraźną przewagę w zakresie dostosowywalności CTE.gdzie wymagane jest bardzo niskie odkształcenie termiczne.

CTE szafiru jest wyższa niż w przypadku krzemu, co stanowi jedno z głównych wyzwań związanych z bezpośrednią integracją szafiru z chipami krzemowymi.połączenie wysokiej przewodności cieplnej i wysokiej sztywności pozwala szafirowi bardziej efektywnie homogenizować pole temperatury na poziomie systemu, częściowo kompensując lokalne stężenie stresu spowodowane niezgodnością CTE.

2.4 Właściwości dielektryczne i optyczne: kluczowe czynniki integracji optoelektronicznej i wysokiej częstotliwości

Analiza zastosowań o wysokiej częstotliwości

Chociaż szafir ma stosunkowo wysoką stałą dielektryczną, co może nieznacznie zmniejszyć prędkość rozprzestrzeniania się sygnału, jego niezwykle niska strata dielektryczna lub tanδ,umożliwia bardzo niskie straty energii sygnału nawet w zakresie fal milimetrowych i terahertzowych.

Jest to ważne dla modułów 5G/6G RF front-end i opakowań radarowych.

Szkło kwarcowe łączy w sobie niską stałą dielektryczną i niską stratę dielektryczną, co czyni je idealnym materiałem izolacyjnym dla urządzeń RF o wysokiej wydajności.który ogranicza jego stosowanie w zastosowaniach o wysokiej częstotliwości.

Analiza integracji optoelektronicznej

Sapphire ma szerokie okno transmisji optycznej od ultrafioletu do średniej podczerwieni, oferując jednocześnie wysoką przewodność cieplną.gdzie może wspierać lasery, kierować ścieżkami optycznymi i jednocześnie pomagać rozwiązywać problemy z rozpraszaniem ciepła.

Szkło kwarcowe oferuje doskonałą przepustowość od ultrafioletu głębokiego do bliskiej podczerwieni i jest klasycznym materiałem do czystych elementów optycznych.jego zdolność rozpraszania ciepła pozostaje ograniczona.

3Specyficzne zastosowania w zaawansowanych opakowaniach półprzewodników

3.1 Optyka w opakowaniu wspólnym

Wymóg:

Optyka kopakowana wymaga ścisłej integracji układów fotonicznych krzemowych, laserów, modulatorów i sterowników ASIC.wysoka przewodność cieplna, izolacji elektrycznej i doskonałej płaskości powierzchni.

Roztwór szafirowy

Sapphire może być używany jako okno optyczne, podłoże optycznego przewodnika fal lub podłoże cieplne do montażu laserowego.Sapphire umożliwia integrację łączenia sygnałów optycznych i efektywne zarządzanie cieplne w ramach tej samej platformy opakowaniowej.

3.2 Opakowania RF o wysokiej częstotliwości i fal milimetrowych

Wyzwanie:

Sygnały o wysokiej częstotliwości są bardzo wrażliwe na utratę dielektryczną, podczas gdy wzmacniacze mocy wytwarzają znaczne ciepło podczas pracy.

Roztwór szafirowy

Ze względu na bardzo niskie straty dielektryczne i wysoką przewodność cieplną szafir może być stosowany jako radoma lub pokrywa opakowań, służąc zarówno jako okno elektromagnetyczne, jak i jako element zarządzania cieplą.Urządzenia HEMT GaN na szafirze zostały już wprowadzone do obrotu, wykorzystując substraty szafirowe do rozpraszania ciepła bez konieczności dodatkowego ciepłoodpornika.

3.3 Opakowanie i rozpraszanie ciepła urządzeń o dużej mocy

Scenariusze zastosowania:

Typowe zastosowania obejmują moduły zasilania SiC/GaN, GPU, procesory i inne urządzenia półprzewodnikowe o dużej mocy.

Roztwór szafirowy

Sapphire może być stosowany jako zintegrowany rozpraszacz ciepła lub podłoże opakowania.jego doskonała izolacja elektryczna pozwala bezpośrednio na kontakt z obszarem aktywnego chipaW ten sposób można wyeliminować potrzebę dodatkowej izolacyjnej warstwy dielektrycznej, która często przyczynia się do znacznej odporności termicznej,i może zatem pomóc zmniejszyć ogólną odporność termiczną opakowania.

3.4 Tymczasowy nośnik wiązania na poziomie płytki

Wymóg procesu:

Podczas obróbki z tyłu ultracieńszych płytek poniżej 50 μm wymagana jest tymczasowa nośnica o wysokiej sztywności, wysokiej płaskości, odporności na wysokie temperatury i niezawodnej zdolności odłączenia.

Zalety szafiru:

Jego niezwykle wysoka sztywność pomaga skutecznie tłumić procesy wywołane wypaczeniem.i może wytrzymać kolejne procesy, takie jak etycja plazmowaPonadto szafir jest kompatybilny z niektórymi technologiami usuwania wiązań laserowych,co czyni go obiecującym materiałem nośnym dla zaawansowanych procesów pakowania na poziomie płytek.

4Wyzwania i ograniczenia

Pomimo znaczących zalet, szafir nadal stoi przed kilkoma wyzwaniami w zaawansowanych zastosowaniach opakowań.

1Wysoka cena.
Koszty rozwoju i przetwarzania dużych, jednokrystalicznych szafirów, zwłaszcza powyżej 200 mm, są znacznie wyższe niż w przypadku materiałów na bazie szkła.

2. Trudność przetwarzania
Ze względu na niezwykle wysoką twardość, cięcie, szlifowanie i polerowanie szafiru wymaga więcej czasu, energii i precyzyjnych narzędzi.Trudność przetwarzania jest znacznie wyższa niż w przypadku konwencjonalnych materiałów szklanych.

3Niezgodność CTE
Różnica współczynnika rozszerzenia termicznego między szafirem a krzemu jest jednym z głównych źródeł naprężenia termicznego podczas bezpośredniego wiązania lub integracji z chipami krzemowymi.Problem ten może wymagać łagodzenia poprzez pośrednie warstwy buforu, elastycznych połączeń lub optymalizacji symulacji elementów skończonych.

4. stosunkowo wysoka stała dielektryczna
Przy bardzo wysokich częstotliwościach powyżej 100 GHz stosunkowo wysoka stała dielektryczna szafiru może powodować opóźnienie sygnału.w przypadku konkretnych zastosowań wysokiej częstotliwości wymagane są ostrożne kompromisy projektowe.

5. Przyszłe kierunki rozwoju

1Heterogenne zintegrowane struktury
Opracowanie substratów kompozytowych szafiru/krzemu i szafiru/szkła w celu zrównoważenia przewodności cieplnej, dopasowania CTE i ogólnych kosztów.

2Projektowanie kierunkowego przewodzenia cieplnego
Wykorzystaj anizotropową przewodność cieplną szafiru, projektując ścieżki przepływu ciepła wzdłuż osi o wysokiej przewodności cieplnej.

3Technologie produkcji o niskich kosztach
Promowanie stosowania szafiru cienkiej folii na izolacji (SOS) i substratu szafirowego wzorcowanego (PSS) w zaawansowanych zastosowaniach opakowaniowych w celu poprawy wykorzystania materiału i zmniejszenia kosztów.

4. Standaryzowane platformy procesów
Wspieranie standaryzacji i dojrzałości precyzyjnego obróbki szafirów, metalizacji, bezpośredniego wiązania i innych procesów związanych z pakowaniem.

Wniosek

Ponieważ zaawansowane opakowania nadal zmierzają w kierunku heterogenicznej integracji, wyższej gęstości mocy i wyższych częstotliwości działania, znaczenie nauki o materiałach staje się coraz bardziej jasne.

W porównaniu ze szkła ceramicznego i szkła kwarcowego, szafir wykazuje wyjątkowy potencjał jako materiał platformy opakowaniowej wysokiej klasy.przewodnictwo cieplne szczególnie anizotropowe, wyższa wytrzymałość mechaniczna i sztywność, szeroki zakres transmisji optycznej i bardzo niskie straty dielektryczne sprawiają, że jest bardzo cenny dla opakowań półprzewodnikowych nowej generacji.

Chociaż koszty i trudności związane z przetwarzaniem pozostają praktycznymi wyzwaniami dla zastosowania na dużą skalę w przemyśle, szafir stopniowo przekształca się z materiału specjalistycznego w technologię umożliwiającą.W obliczeniach o wysokiej wydajności, komunikacji o wysokiej częstotliwości i systemów integracji optoelektronicznej, w których rozpraszanie cieplne, integralność sygnału i niezawodność konstrukcyjna są kluczowe,szafir może być silnym podtrzymywaniem materialnym.

Dzięki ciągłym innowacjom materiałowym, rozwojowi procesów i projektowaniu na poziomie systemu,szafir ma odgrywać coraz ważniejszą rolę w kluczowych obszarach nowej generacji zaawansowanych opakowań, zapewniając solidne fizyczne podstawy do przezwyciężenia obecnych wąskich gardłów w zakresie wydajności.