W miarę jak prawo Moore'a zbliża się do swoich fizycznych granic, przemysł półprzewodników szybko zmierza w stronę ery „Więcej niż Moore”. Zaawansowane pakowanie stało się kluczową drogą do poprawy wydajności chipów, gęstości integracji i efektywności energetycznej.
W najnowocześniejszych technologiach, takich jak pakowanie 2.5D/3D, heterogeniczna integracja chipletów, optyka co-packaged (CPO) i układanie pamięci o dużej przepustowości (HBM),zarządzanie temperaturą i stabilność strukturalnastały się krytycznymi wąskimi gardłami wpływającymi na niezawodność systemu.
W związku z tym wybór materiałów opakowaniowych nie ogranicza się już do tradycyjnych żywic epoksydowych lub przekładek silikonowych. Zamiast tego branża w coraz większym stopniu eksploruje zaawansowane materiały nieorganicznewysoka przewodność cieplna,wysoka sztywność,niskie straty dielektryczne, Idoskonała stabilność chemiczna.
Wśród tych materiałów m.in.szafir monokryształowy, czyli α-Al₂O₃, rozszerza się od swojej tradycyjnej roli materiału podłoża na zaawansowane nośniki opakowaniowe, komponenty zarządzające temperaturą i wysokowydajne części konstrukcyjne. Dzięki swoim wyjątkowym wszechstronnym właściwościom szafir wykazuje znaczny potencjał w porównaniu ze szkłem ceramicznym i szkłem kwarcowym.
W artykule przedstawiono systematyczne porównanie szkła szafirowego, szklano-ceramicznego i kwarcowego z wielu perspektyw, w tymprzewodność cieplna,wytrzymałość mechaniczna,moduł sprężystości,współczynnik rozszerzalności cieplnej,właściwości dielektryczne, Iwydajność optyczna. Analizuje także wartość zastosowania i wyzwania techniczne szafiru w zaawansowanych opakowaniach półprzewodników.
Szafir to α-Al₂O₃, czyli monokryształowy tlenek glinu. Ma sześciokątną, zwartą strukturę krystaliczną i należy do układu kryształów trygonalnych.
W swojej strukturze krystalicznej jony tlenu tworzą w przybliżeniu sześciokątny, gęsto upakowany układ, podczas gdy jony glinu zajmują dwie trzecie oktaedrycznych miejsc śródmiąższowych, co skutkuje wysoce uporządkowaną strukturą koordynacyjną.
Wiązania Al – O w szafirze wykazują kombinację właściwości wiązań jonowych i kowalencyjnych. Te wysokoenergetyczne wiązania nadają szafirowi wyjątkowo wysoką temperaturę topnienia, doskonałą obojętność chemiczną i wyjątkową twardość mechaniczną, co stanowi podstawę jego doskonałej stabilności fizycznej i chemicznej.
Obecnie głównym procesem produkcji wielkogabarytowych wlewków szafirowych jest zmodyfikowana metoda Kyropoulosa.
Metoda ta umożliwia hodowlę wysokiej jakości, niskodefektowych, wielkogabarytowych monokryształów ze stopionego tlenku glinu poprzez precyzyjną kontrolę gradientu temperatury i warunków rozciągania.
W porównaniu z tradycyjnymi metodami Czochralskiego lub metodą wymiany ciepła, zmodyfikowana metoda Kyropoulosa oferuje zalety w zakresie wielkości kryształów, jednorodności optycznej i kontroli naprężeń wewnętrznych. Dlatego jest bardziej odpowiedni do produkcji podłoży klasy półprzewodnikowej i zaawansowanych nośników opakowaniowych.
Rysunek: Schematyczny diagram wzrostu kryształów szafiru przy użyciu zmodyfikowanej metody Kyropoulosa.
Obecnie wafle szafirowe o średnicach od 8 cali, czyli 200 mm, do 12 cali, czyli 300 mm, można przetwarzać zgodnie z zaawansowanymi wymaganiami dotyczącymi pakowania. Zakres grubości może zazwyczaj obejmować od 0,7 mm do ponad 2 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 na poziomie panelu.
Przewodność cieplna materiału zależy głównie od jego mikrostruktury i wydajności transportu fononów, które są kwantami energii drgań sieci.
Szafir ma sześciokątną, zwartą strukturę monokryształową z wysoce uporządkowanym układem atomów i doskonałą integralnością sieci. Daje to fononom dłuższą średnią swobodną ścieżkę i umożliwia doskonałe przewodzenie ciepła.
Natomiast ceramika szklana składa się z amorficznej matrycy szklanej i zdyspergowanych faz mikrokrystalicznych. Duża liczba granic ziaren i granic amorficznych/krystalicznych wewnątrz materiału działa jako główne źródła rozpraszania fononów, znacznie zmniejszając jego efektywną przewodność cieplną.
Szkło kwarcowe to w pełni amorficzna sieć dwutlenku krzemu. Jego zaburzenie atomowe dalekiego zasięgu stwarza najsilniejszą przeszkodę w transporcie fononów, co czyni go materiałem o najniższej przewodności cieplnej spośród wszystkich trzech.
| Tworzywo | Przewodność cieplna κ (W/m·K) | Anizotropia | Uwagi |
|---|---|---|---|
| Szafir | 30–40 | Tak | Monokryształ o wysokiej przewodności cieplnej |
| Szkło-ceramika | 1,5–3,5 | NIE | Zależy od fazy krystalicznej, takiej jak układy glinokrzemianu litu |
| Szkło kwarcowe | 1,3–1,4 | NIE | Typowa wartość dla topionego kwarcu o wysokiej czystości |
Przewodność cieplna szafiru jest ponad 10 razy wyższa niż w przypadku ceramiki szklanej i około 25 razy większa niż w przypadku szkła kwarcowego.
W przypadku urządzeń o gęstości strumienia ciepła przekraczającej 100 W/cm², takich jak wzmacniacze mocy GaN RF lub chipy akceleratora AI, zastosowanie szafiru jako warstwy rozpraszającej ciepło lub podłoża opakowaniowego może znacznie obniżyć temperaturę hotspotu. Oczekiwane obniżenie temperatury złącza może osiągnąć około 15–40°C, co znacznie poprawi niezawodność urządzenia i stabilność jego działania.
Przewodność cieplna szafiru zmniejsza się wraz ze wzrostem temperatury z powodu zwiększonego rozpraszania fononów-fononów. Jednakże w typowym zakresie temperatur roboczych 100–200°C szafir może nadal utrzymywać przewodność cieplną wyższą niż 20 W/m·K.
Przewodność cieplna szkła ceramicznego i kwarcowego zmienia się stopniowo wraz z temperaturą, ale ich wartości bezwzględne pozostają niskie. Dlatego są trudne w użyciu do aktywnego zarządzania ciepłem w zastosowaniach wysokotemperaturowych i wymagających dużej mocy.
| Tworzywo | Twardość Vickersa HV (kgf/mm²) | Twardość Mohsa | Charakterystyka przetwarzania |
| Szafir | 1800–2200 | 9 | Niezwykle trudne. Wymaga narzędzi diamentowych do cięcia, szlifowania i polerowania. Wysoki koszt przetwarzania. |
| Szkło-ceramika | 500–700 | 6–7 | Umiarkowana twardość. Nadaje się do precyzyjnej obróbki i trawienia chemicznego. |
| Szkło kwarcowe | 500–600 | 7 | Stosunkowo twardy, ale kruchy. Podczas obróbki należy zachować ostrożność, aby zapobiec pękaniu. |
Szafir ustępuje jedynie diamentowi o twardości w skali Mohsa 10 i węgliku krzemu o twardości w skali Mohsa około 9,5. Jego wyjątkowo wysoka twardość powierzchniowa może skutecznie zapobiegać zarysowaniom i zużyciu podczas procesów pakowania i warunków pracy.
To sprawia, że szafir szczególnie nadaje się do interfejsów optycznych lub precyzyjnych powierzchni spajających, które wymagają ultragładkich powierzchni, takich jak Ra <0,5 nm.
| Tworzywo | Wytrzymałość na zginanie (MPa) | Odporność na pękanie KIC (MPa·m¹/²) |
| Szafir | 300–400 | 2,0–4,0 |
| Szkło-ceramika | 100–250 | 1,0–2,0 |
| Szkło kwarcowe | 50–100 | 0,7–0,8 |
Chociaż szafir jest zasadniczo materiałem kruchym, jego wytrzymałość na zginanie i odporność na pękanie są znacznie wyższe niż w przypadku szkła ceramicznego i kwarcowego.
Oznacza to, że w przypadku cienkich podłoży opakowaniowych szafir jest w stanie lepiej wytrzymać ryzyko zginania i pękania spowodowane naprężeniami termicznymi lub obciążeniami mechanicznymi.
| Tworzywo | Moduł sprężystości E (GPa) |
| Szafir | 345–420 |
| Szkło-ceramika | 70–90 |
| Szkło kwarcowe | 72–74 |
Wysoki moduł sprężystości szafiru oznacza, że ulega on mniejszym odkształceniom pod wpływem naprężeń mechanicznych i ma wyjątkowo wysoką sztywność.
Podczas układania wielu wiórów lub cykli termicznych wysoka sztywność pomaga zapobiegać wypaczeniu podłoża. Ma to kluczowe znaczenie dla utrzymania dokładności wyrównania w strukturach wzajemnych na poziomie mikronów, takich jak mikrowypukłości i wiązania hybrydowe, a zatem jest ważne dla osiągnięcia wysokiej wydajności pakowania.
| Tworzywo | WRC (×10⁻⁶/K, 25–300°C) | Analiza dopasowania |
| Szafir | 5–7 | Pewne niedopasowanie z krzemem, około 2,6, ale znacznie lepsze niż miedź, około 17. Można zoptymalizować poprzez wybór orientacji kryształu. |
| Szkło-ceramika | 3–8 | Współczynnik CTE można precyzyjnie dostosować poprzez projekt składu, aby ściśle odpowiadał krzemowi, zapewniając doskonałe dopasowanie termiczne. |
| Szkło kwarcowe | 0,5 | Wyjątkowo niski współczynnik CTE. Różni się jednak znacznie od popularnych materiałów półprzewodnikowych i metalowych warstw wzajemnych, co sprawia, że zarządzanie naprężeniami termicznymi interfejsu jest wyzwaniem. |
| Krzem | 2.6 | Materiał referencyjny |
| Miedź | 17 | Powszechny metal interkonektu o stosunkowo wysokim współczynniku CTE |
Ultraniski współczynnik CTE szkła kwarcowego jest korzystny w zastosowaniach wymagających absolutnej stabilności wymiarowej. Jednakże integracja z innymi materiałami stosowanymi w opakowaniach półprzewodników może być trudna.
Ceramika szklana ma wyraźną przewagę w zakresie przestrajania CTE. Jest to jeden z głównych powodów, dla których wybiera się go do zastosowań takich jak stopnie maszyn litograficznych, gdzie wymagana jest wyjątkowo niska deformacja termiczna.
Współczynnik CTE szafiru jest wyższy niż krzemu, co stanowi jedno z głównych wyzwań przy bezpośredniej integracji szafiru z chipami krzemowymi. Jednakże połączenie wysokiej przewodności cieplnej i wysokiej sztywności pozwala szafirowi na skuteczniejsze ujednolicenie pola temperaturowego na poziomie systemu, częściowo kompensując lokalną koncentrację naprężeń spowodowaną niedopasowaniem CTE.
| Nieruchomość | Szafir | Szkło-ceramika | Szkło kwarcowe |
| Względna stała dielektryczna εr przy 10 GHz | 9,5–11,5, anizotropowy | 4,5–7,0 | 3.8 |
| Strata dielektryczna tanδ | < 0,0001 | 0,001–0,01 | < 0,0001 |
| Zasięg transmisji optycznej | 0,15–5,5 μm, UV do średniej podczerwieni | Głównie światło widzialne | 0,2–3,5 μm, głębokie UV do bliskiej podczerwieni |
| Oporność elektryczna | >10¹⁴ Ω·cm | >10¹² Ω·cm | >10¹⁶ Ω·cm |
Chociaż szafir ma stosunkowo wysoką stałą dielektryczną, która może nieznacznie zmniejszyć prędkość propagacji sygnału, jego wyjątkowo niska strata dielektryczna, czyli tanδ, umożliwia bardzo niskie straty energii sygnału nawet w zakresach częstotliwości fal milimetrowych i terahercowych.
Jest to ważne w przypadku modułów front-end RF 5G/6G i opakowań radarowych.
Szkło kwarcowe łączy w sobie niską stałą dielektryczną i niską stratę dielektryczną, co czyni go idealnym materiałem izolacyjnym dla wysokowydajnych urządzeń RF. Ceramika szklana ma stosunkowo wyższą stratę dielektryczną, co ogranicza jej zastosowanie w zastosowaniach o wysokiej częstotliwości.
Szafir ma szerokie okno transmisji optycznej od ultrafioletu do średniej podczerwieni, oferując jednocześnie wysoką przewodność cieplną. To sprawia, że jest to idealny materiał kandydata na optykę pakowaną, gdzie może wspierać lasery, prowadzić ścieżki optyczne i jednocześnie pomagać w rozwiązywaniu problemów z rozpraszaniem ciepła.
Szkło kwarcowe zapewnia doskonałą transmisję od głębokiego ultrafioletu do bliskiej podczerwieni i jest klasycznym materiałem do produkcji elementów czysto optycznych. Jednak jego zdolność do rozpraszania ciepła pozostaje ograniczeniem.
Wymóg:
Optyka w pakietach wymaga ścisłej integracji krzemowych chipów fotonicznych, laserów, modulatorów i układów ASIC sterowników. Materiał opakowaniowy musi zapewniać optyczne ścieżki transmisji, wysoką przewodność cieplną, izolację elektryczną i doskonałą płaskość powierzchni.
Szafirowe rozwiązanie:
Szafir może być używany jako okno optyczne, podłoże falowodu optycznego lub podłoże radiatora do montażu laserowego. Dzięki bezpośredniemu połączeniu z krzemowymi chipami fotonicznymi szafir umożliwia integrację sprzężenia sygnału optycznego i wydajnego zarządzania temperaturą w ramach tej samej platformy pakowania.
Wyzwanie:
Sygnały o wysokiej częstotliwości są bardzo wrażliwe na straty dielektryczne, podczas gdy wzmacniacze mocy generują znaczne ciepło podczas pracy.
Szafirowe rozwiązanie:
Dzięki wyjątkowo niskim stratom dielektrycznym i wysokiej przewodności cieplnej szafir może być stosowany jako osłona kopuły lub pokrywa opakowania, służąc zarówno jako okno elektromagnetyczne, jak i element zarządzający ciepłem. Urządzenia HEMT z GaN na szafirze zostały już wprowadzone na rynek, wykorzystując podłoża szafirowe do rozpraszania ciepła bez konieczności stosowania dodatkowego radiatora.
Scenariusze zastosowań:
Typowe zastosowania obejmują moduły mocy SiC/GaN, procesory graficzne, procesory i inne urządzenia półprzewodnikowe dużej mocy.
Szafirowe rozwiązanie:
Szafir może być stosowany jako zintegrowany od góry rozpraszacz ciepła lub podłoże opakowaniowe. Chociaż jego przewodność cieplna jest niższa niż w przypadku miedzi czy diamentu, doskonała izolacja elektryczna pozwala na bezpośredni kontakt z aktywnym obszarem chipa. Może to wyeliminować potrzebę stosowania dodatkowej izolacyjnej warstwy dielektrycznej, która często zapewnia znaczny opór cieplny, a zatem może pomóc zmniejszyć ogólny opór cieplny opakowania.
Wymagania dotyczące procesu:
Podczas obróbki tylnej części ultracienkich płytek o grubości poniżej 50 μm wymagany jest tymczasowy nośnik o dużej sztywności, dużej płaskości, odporności na wysoką temperaturę i niezawodnej zdolności odklejania.
Szafirowa zaleta:
Niezwykle wysoka sztywność Sapphire pomaga skutecznie tłumić wypaczenia spowodowane procesem. Jego powierzchnię można wypolerować do płaskości na poziomie atomowym i może ona wytrzymać kolejne procesy, takie jak trawienie plazmowe, chemiczne osadzanie z fazy gazowej i wyżarzanie w wysokiej temperaturze. Ponadto szafir jest kompatybilny z niektórymi technologiami oddzielania laserowego, co czyni go obiecującym materiałem nośnym do zaawansowanych procesów pakowania na poziomie płytki.
Pomimo swoich znaczących zalet szafir nadal stoi przed wieloma wyzwaniami w zaawansowanych zastosowaniach opakowaniowych.
1. Wysoki koszt
Koszty wzrostu i przetwarzania wielkogabarytowych szafirów monokryształowych, zwłaszcza powyżej 200 mm, są znacznie wyższe niż w przypadku materiałów na bazie szkła.
2. Trudne przetwarzanie
Ze względu na wyjątkowo wysoką twardość, cięcie, szlifowanie i polerowanie szafiru wymaga więcej czasu, energii i precyzyjnych narzędzi. Trudność jego przetwarzania jest znacznie większa niż w przypadku konwencjonalnych materiałów szklanych.
3. Niedopasowanie CTE
Różnica współczynnika rozszerzalności cieplnej pomiędzy szafirem a krzemem jest jednym z głównych źródeł naprężeń termicznych podczas bezpośredniego łączenia lub integracji z chipami krzemowymi. Może zaistnieć potrzeba rozwiązania tego problemu poprzez pośrednie warstwy buforów, elastyczne połączenia wzajemne lub optymalizację symulacji metodą elementów skończonych.
4. Stosunkowo wysoka stała dielektryczna
Przy wyjątkowo wysokich częstotliwościach powyżej 100 GHz stosunkowo wysoka stała dielektryczna szafiru może powodować opóźnienie sygnału. Dlatego w przypadku konkretnych zastosowań wymagających wysokiej częstotliwości wymagane są ostrożne kompromisy projektowe.
1. Heterogeniczne struktury zintegrowane
Opracuj podłoża kompozytowe szafir/krzem i szafir/szkło, aby zrównoważyć przewodność cieplną, dopasowanie współczynnika CTE i całkowity koszt.
2. Projektowanie kierunkowego przewodzenia ciepła
Wykorzystaj anizotropową przewodność cieplną szafiru, projektując ścieżki przepływu ciepła wzdłuż osi a o wysokiej przewodności cieplnej.
3. Tanie technologie produkcyjne
Promuj zastosowanie cienkowarstwowego szafiru na izolatorze (SOS) i wzorzystych podłożach szafirowych (PSS) w zaawansowanych zastosowaniach opakowaniowych, aby poprawić wykorzystanie materiału i obniżyć koszty.
4. Standaryzowane platformy procesowe
Promuj standaryzację i dojrzałość precyzyjnej obróbki szafiru, metalizacji, bezpośredniego łączenia i innych procesów związanych z pakowaniem.
W miarę jak zaawansowane opakowania zmierzają w kierunku heterogenicznej integracji, wyższej gęstości mocy i wyższych częstotliwości roboczych, znaczenie nauki o materiałach staje się coraz bardziej oczywiste.
W porównaniu ze szkłem ceramicznym i kwarcowym szafir wykazuje wyjątkowy potencjał jako wysokiej klasy materiał na platformę opakowaniową. Unikalne połączenie doskonałej przewodności cieplnej, szczególnie anizotropowej przewodności cieplnej, doskonałej wytrzymałości mechanicznej i sztywności, szerokiego zakresu transmisji optycznej i bardzo niskich strat dielektrycznych sprawia, że jest on bardzo cenny w opakowaniach półprzewodników nowej generacji.
Chociaż koszty i trudności w przetwarzaniu pozostają praktycznymi wyzwaniami w przypadku zastosowania przemysłowego na dużą skalę, szafir stopniowo ewoluuje od materiału specjalnego do technologii wspomagającej. W obliczeniach o wysokiej wydajności, komunikacji wysokiej częstotliwości i systemach integracji optoelektronicznej, w których rozpraszanie ciepła, integralność sygnału i niezawodność strukturalna mają kluczowe znaczenie, szafir może zapewnić silne wsparcie materiałowe.
Oczekuje się, że dzięki ciągłym innowacjom materiałowym, rozwojowi procesów i wspólnemu projektowaniu na poziomie systemu szafir będzie odgrywał coraz ważniejszą rolę w kluczowych obszarach zaawansowanych opakowań nowej generacji, zapewniając solidną fizyczną podstawę do przezwyciężania obecnych wąskich gardeł w wydajności.
W miarę jak prawo Moore'a zbliża się do swoich fizycznych granic, przemysł półprzewodników szybko zmierza w stronę ery „Więcej niż Moore”. Zaawansowane pakowanie stało się kluczową drogą do poprawy wydajności chipów, gęstości integracji i efektywności energetycznej.
W najnowocześniejszych technologiach, takich jak pakowanie 2.5D/3D, heterogeniczna integracja chipletów, optyka co-packaged (CPO) i układanie pamięci o dużej przepustowości (HBM),zarządzanie temperaturą i stabilność strukturalnastały się krytycznymi wąskimi gardłami wpływającymi na niezawodność systemu.
W związku z tym wybór materiałów opakowaniowych nie ogranicza się już do tradycyjnych żywic epoksydowych lub przekładek silikonowych. Zamiast tego branża w coraz większym stopniu eksploruje zaawansowane materiały nieorganicznewysoka przewodność cieplna,wysoka sztywność,niskie straty dielektryczne, Idoskonała stabilność chemiczna.
Wśród tych materiałów m.in.szafir monokryształowy, czyli α-Al₂O₃, rozszerza się od swojej tradycyjnej roli materiału podłoża na zaawansowane nośniki opakowaniowe, komponenty zarządzające temperaturą i wysokowydajne części konstrukcyjne. Dzięki swoim wyjątkowym wszechstronnym właściwościom szafir wykazuje znaczny potencjał w porównaniu ze szkłem ceramicznym i szkłem kwarcowym.
W artykule przedstawiono systematyczne porównanie szkła szafirowego, szklano-ceramicznego i kwarcowego z wielu perspektyw, w tymprzewodność cieplna,wytrzymałość mechaniczna,moduł sprężystości,współczynnik rozszerzalności cieplnej,właściwości dielektryczne, Iwydajność optyczna. Analizuje także wartość zastosowania i wyzwania techniczne szafiru w zaawansowanych opakowaniach półprzewodników.
Szafir to α-Al₂O₃, czyli monokryształowy tlenek glinu. Ma sześciokątną, zwartą strukturę krystaliczną i należy do układu kryształów trygonalnych.
W swojej strukturze krystalicznej jony tlenu tworzą w przybliżeniu sześciokątny, gęsto upakowany układ, podczas gdy jony glinu zajmują dwie trzecie oktaedrycznych miejsc śródmiąższowych, co skutkuje wysoce uporządkowaną strukturą koordynacyjną.
Wiązania Al – O w szafirze wykazują kombinację właściwości wiązań jonowych i kowalencyjnych. Te wysokoenergetyczne wiązania nadają szafirowi wyjątkowo wysoką temperaturę topnienia, doskonałą obojętność chemiczną i wyjątkową twardość mechaniczną, co stanowi podstawę jego doskonałej stabilności fizycznej i chemicznej.
Obecnie głównym procesem produkcji wielkogabarytowych wlewków szafirowych jest zmodyfikowana metoda Kyropoulosa.
Metoda ta umożliwia hodowlę wysokiej jakości, niskodefektowych, wielkogabarytowych monokryształów ze stopionego tlenku glinu poprzez precyzyjną kontrolę gradientu temperatury i warunków rozciągania.
W porównaniu z tradycyjnymi metodami Czochralskiego lub metodą wymiany ciepła, zmodyfikowana metoda Kyropoulosa oferuje zalety w zakresie wielkości kryształów, jednorodności optycznej i kontroli naprężeń wewnętrznych. Dlatego jest bardziej odpowiedni do produkcji podłoży klasy półprzewodnikowej i zaawansowanych nośników opakowaniowych.
Rysunek: Schematyczny diagram wzrostu kryształów szafiru przy użyciu zmodyfikowanej metody Kyropoulosa.
Obecnie wafle szafirowe o średnicach od 8 cali, czyli 200 mm, do 12 cali, czyli 300 mm, można przetwarzać zgodnie z zaawansowanymi wymaganiami dotyczącymi pakowania. Zakres grubości może zazwyczaj obejmować od 0,7 mm do ponad 2 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 na poziomie panelu.
Przewodność cieplna materiału zależy głównie od jego mikrostruktury i wydajności transportu fononów, które są kwantami energii drgań sieci.
Szafir ma sześciokątną, zwartą strukturę monokryształową z wysoce uporządkowanym układem atomów i doskonałą integralnością sieci. Daje to fononom dłuższą średnią swobodną ścieżkę i umożliwia doskonałe przewodzenie ciepła.
Natomiast ceramika szklana składa się z amorficznej matrycy szklanej i zdyspergowanych faz mikrokrystalicznych. Duża liczba granic ziaren i granic amorficznych/krystalicznych wewnątrz materiału działa jako główne źródła rozpraszania fononów, znacznie zmniejszając jego efektywną przewodność cieplną.
Szkło kwarcowe to w pełni amorficzna sieć dwutlenku krzemu. Jego zaburzenie atomowe dalekiego zasięgu stwarza najsilniejszą przeszkodę w transporcie fononów, co czyni go materiałem o najniższej przewodności cieplnej spośród wszystkich trzech.
| Tworzywo | Przewodność cieplna κ (W/m·K) | Anizotropia | Uwagi |
|---|---|---|---|
| Szafir | 30–40 | Tak | Monokryształ o wysokiej przewodności cieplnej |
| Szkło-ceramika | 1,5–3,5 | NIE | Zależy od fazy krystalicznej, takiej jak układy glinokrzemianu litu |
| Szkło kwarcowe | 1,3–1,4 | NIE | Typowa wartość dla topionego kwarcu o wysokiej czystości |
Przewodność cieplna szafiru jest ponad 10 razy wyższa niż w przypadku ceramiki szklanej i około 25 razy większa niż w przypadku szkła kwarcowego.
W przypadku urządzeń o gęstości strumienia ciepła przekraczającej 100 W/cm², takich jak wzmacniacze mocy GaN RF lub chipy akceleratora AI, zastosowanie szafiru jako warstwy rozpraszającej ciepło lub podłoża opakowaniowego może znacznie obniżyć temperaturę hotspotu. Oczekiwane obniżenie temperatury złącza może osiągnąć około 15–40°C, co znacznie poprawi niezawodność urządzenia i stabilność jego działania.
Przewodność cieplna szafiru zmniejsza się wraz ze wzrostem temperatury z powodu zwiększonego rozpraszania fononów-fononów. Jednakże w typowym zakresie temperatur roboczych 100–200°C szafir może nadal utrzymywać przewodność cieplną wyższą niż 20 W/m·K.
Przewodność cieplna szkła ceramicznego i kwarcowego zmienia się stopniowo wraz z temperaturą, ale ich wartości bezwzględne pozostają niskie. Dlatego są trudne w użyciu do aktywnego zarządzania ciepłem w zastosowaniach wysokotemperaturowych i wymagających dużej mocy.
| Tworzywo | Twardość Vickersa HV (kgf/mm²) | Twardość Mohsa | Charakterystyka przetwarzania |
| Szafir | 1800–2200 | 9 | Niezwykle trudne. Wymaga narzędzi diamentowych do cięcia, szlifowania i polerowania. Wysoki koszt przetwarzania. |
| Szkło-ceramika | 500–700 | 6–7 | Umiarkowana twardość. Nadaje się do precyzyjnej obróbki i trawienia chemicznego. |
| Szkło kwarcowe | 500–600 | 7 | Stosunkowo twardy, ale kruchy. Podczas obróbki należy zachować ostrożność, aby zapobiec pękaniu. |
Szafir ustępuje jedynie diamentowi o twardości w skali Mohsa 10 i węgliku krzemu o twardości w skali Mohsa około 9,5. Jego wyjątkowo wysoka twardość powierzchniowa może skutecznie zapobiegać zarysowaniom i zużyciu podczas procesów pakowania i warunków pracy.
To sprawia, że szafir szczególnie nadaje się do interfejsów optycznych lub precyzyjnych powierzchni spajających, które wymagają ultragładkich powierzchni, takich jak Ra <0,5 nm.
| Tworzywo | Wytrzymałość na zginanie (MPa) | Odporność na pękanie KIC (MPa·m¹/²) |
| Szafir | 300–400 | 2,0–4,0 |
| Szkło-ceramika | 100–250 | 1,0–2,0 |
| Szkło kwarcowe | 50–100 | 0,7–0,8 |
Chociaż szafir jest zasadniczo materiałem kruchym, jego wytrzymałość na zginanie i odporność na pękanie są znacznie wyższe niż w przypadku szkła ceramicznego i kwarcowego.
Oznacza to, że w przypadku cienkich podłoży opakowaniowych szafir jest w stanie lepiej wytrzymać ryzyko zginania i pękania spowodowane naprężeniami termicznymi lub obciążeniami mechanicznymi.
| Tworzywo | Moduł sprężystości E (GPa) |
| Szafir | 345–420 |
| Szkło-ceramika | 70–90 |
| Szkło kwarcowe | 72–74 |
Wysoki moduł sprężystości szafiru oznacza, że ulega on mniejszym odkształceniom pod wpływem naprężeń mechanicznych i ma wyjątkowo wysoką sztywność.
Podczas układania wielu wiórów lub cykli termicznych wysoka sztywność pomaga zapobiegać wypaczeniu podłoża. Ma to kluczowe znaczenie dla utrzymania dokładności wyrównania w strukturach wzajemnych na poziomie mikronów, takich jak mikrowypukłości i wiązania hybrydowe, a zatem jest ważne dla osiągnięcia wysokiej wydajności pakowania.
| Tworzywo | WRC (×10⁻⁶/K, 25–300°C) | Analiza dopasowania |
| Szafir | 5–7 | Pewne niedopasowanie z krzemem, około 2,6, ale znacznie lepsze niż miedź, około 17. Można zoptymalizować poprzez wybór orientacji kryształu. |
| Szkło-ceramika | 3–8 | Współczynnik CTE można precyzyjnie dostosować poprzez projekt składu, aby ściśle odpowiadał krzemowi, zapewniając doskonałe dopasowanie termiczne. |
| Szkło kwarcowe | 0,5 | Wyjątkowo niski współczynnik CTE. Różni się jednak znacznie od popularnych materiałów półprzewodnikowych i metalowych warstw wzajemnych, co sprawia, że zarządzanie naprężeniami termicznymi interfejsu jest wyzwaniem. |
| Krzem | 2.6 | Materiał referencyjny |
| Miedź | 17 | Powszechny metal interkonektu o stosunkowo wysokim współczynniku CTE |
Ultraniski współczynnik CTE szkła kwarcowego jest korzystny w zastosowaniach wymagających absolutnej stabilności wymiarowej. Jednakże integracja z innymi materiałami stosowanymi w opakowaniach półprzewodników może być trudna.
Ceramika szklana ma wyraźną przewagę w zakresie przestrajania CTE. Jest to jeden z głównych powodów, dla których wybiera się go do zastosowań takich jak stopnie maszyn litograficznych, gdzie wymagana jest wyjątkowo niska deformacja termiczna.
Współczynnik CTE szafiru jest wyższy niż krzemu, co stanowi jedno z głównych wyzwań przy bezpośredniej integracji szafiru z chipami krzemowymi. Jednakże połączenie wysokiej przewodności cieplnej i wysokiej sztywności pozwala szafirowi na skuteczniejsze ujednolicenie pola temperaturowego na poziomie systemu, częściowo kompensując lokalną koncentrację naprężeń spowodowaną niedopasowaniem CTE.
| Nieruchomość | Szafir | Szkło-ceramika | Szkło kwarcowe |
| Względna stała dielektryczna εr przy 10 GHz | 9,5–11,5, anizotropowy | 4,5–7,0 | 3.8 |
| Strata dielektryczna tanδ | < 0,0001 | 0,001–0,01 | < 0,0001 |
| Zasięg transmisji optycznej | 0,15–5,5 μm, UV do średniej podczerwieni | Głównie światło widzialne | 0,2–3,5 μm, głębokie UV do bliskiej podczerwieni |
| Oporność elektryczna | >10¹⁴ Ω·cm | >10¹² Ω·cm | >10¹⁶ Ω·cm |
Chociaż szafir ma stosunkowo wysoką stałą dielektryczną, która może nieznacznie zmniejszyć prędkość propagacji sygnału, jego wyjątkowo niska strata dielektryczna, czyli tanδ, umożliwia bardzo niskie straty energii sygnału nawet w zakresach częstotliwości fal milimetrowych i terahercowych.
Jest to ważne w przypadku modułów front-end RF 5G/6G i opakowań radarowych.
Szkło kwarcowe łączy w sobie niską stałą dielektryczną i niską stratę dielektryczną, co czyni go idealnym materiałem izolacyjnym dla wysokowydajnych urządzeń RF. Ceramika szklana ma stosunkowo wyższą stratę dielektryczną, co ogranicza jej zastosowanie w zastosowaniach o wysokiej częstotliwości.
Szafir ma szerokie okno transmisji optycznej od ultrafioletu do średniej podczerwieni, oferując jednocześnie wysoką przewodność cieplną. To sprawia, że jest to idealny materiał kandydata na optykę pakowaną, gdzie może wspierać lasery, prowadzić ścieżki optyczne i jednocześnie pomagać w rozwiązywaniu problemów z rozpraszaniem ciepła.
Szkło kwarcowe zapewnia doskonałą transmisję od głębokiego ultrafioletu do bliskiej podczerwieni i jest klasycznym materiałem do produkcji elementów czysto optycznych. Jednak jego zdolność do rozpraszania ciepła pozostaje ograniczeniem.
Wymóg:
Optyka w pakietach wymaga ścisłej integracji krzemowych chipów fotonicznych, laserów, modulatorów i układów ASIC sterowników. Materiał opakowaniowy musi zapewniać optyczne ścieżki transmisji, wysoką przewodność cieplną, izolację elektryczną i doskonałą płaskość powierzchni.
Szafirowe rozwiązanie:
Szafir może być używany jako okno optyczne, podłoże falowodu optycznego lub podłoże radiatora do montażu laserowego. Dzięki bezpośredniemu połączeniu z krzemowymi chipami fotonicznymi szafir umożliwia integrację sprzężenia sygnału optycznego i wydajnego zarządzania temperaturą w ramach tej samej platformy pakowania.
Wyzwanie:
Sygnały o wysokiej częstotliwości są bardzo wrażliwe na straty dielektryczne, podczas gdy wzmacniacze mocy generują znaczne ciepło podczas pracy.
Szafirowe rozwiązanie:
Dzięki wyjątkowo niskim stratom dielektrycznym i wysokiej przewodności cieplnej szafir może być stosowany jako osłona kopuły lub pokrywa opakowania, służąc zarówno jako okno elektromagnetyczne, jak i element zarządzający ciepłem. Urządzenia HEMT z GaN na szafirze zostały już wprowadzone na rynek, wykorzystując podłoża szafirowe do rozpraszania ciepła bez konieczności stosowania dodatkowego radiatora.
Scenariusze zastosowań:
Typowe zastosowania obejmują moduły mocy SiC/GaN, procesory graficzne, procesory i inne urządzenia półprzewodnikowe dużej mocy.
Szafirowe rozwiązanie:
Szafir może być stosowany jako zintegrowany od góry rozpraszacz ciepła lub podłoże opakowaniowe. Chociaż jego przewodność cieplna jest niższa niż w przypadku miedzi czy diamentu, doskonała izolacja elektryczna pozwala na bezpośredni kontakt z aktywnym obszarem chipa. Może to wyeliminować potrzebę stosowania dodatkowej izolacyjnej warstwy dielektrycznej, która często zapewnia znaczny opór cieplny, a zatem może pomóc zmniejszyć ogólny opór cieplny opakowania.
Wymagania dotyczące procesu:
Podczas obróbki tylnej części ultracienkich płytek o grubości poniżej 50 μm wymagany jest tymczasowy nośnik o dużej sztywności, dużej płaskości, odporności na wysoką temperaturę i niezawodnej zdolności odklejania.
Szafirowa zaleta:
Niezwykle wysoka sztywność Sapphire pomaga skutecznie tłumić wypaczenia spowodowane procesem. Jego powierzchnię można wypolerować do płaskości na poziomie atomowym i może ona wytrzymać kolejne procesy, takie jak trawienie plazmowe, chemiczne osadzanie z fazy gazowej i wyżarzanie w wysokiej temperaturze. Ponadto szafir jest kompatybilny z niektórymi technologiami oddzielania laserowego, co czyni go obiecującym materiałem nośnym do zaawansowanych procesów pakowania na poziomie płytki.
Pomimo swoich znaczących zalet szafir nadal stoi przed wieloma wyzwaniami w zaawansowanych zastosowaniach opakowaniowych.
1. Wysoki koszt
Koszty wzrostu i przetwarzania wielkogabarytowych szafirów monokryształowych, zwłaszcza powyżej 200 mm, są znacznie wyższe niż w przypadku materiałów na bazie szkła.
2. Trudne przetwarzanie
Ze względu na wyjątkowo wysoką twardość, cięcie, szlifowanie i polerowanie szafiru wymaga więcej czasu, energii i precyzyjnych narzędzi. Trudność jego przetwarzania jest znacznie większa niż w przypadku konwencjonalnych materiałów szklanych.
3. Niedopasowanie CTE
Różnica współczynnika rozszerzalności cieplnej pomiędzy szafirem a krzemem jest jednym z głównych źródeł naprężeń termicznych podczas bezpośredniego łączenia lub integracji z chipami krzemowymi. Może zaistnieć potrzeba rozwiązania tego problemu poprzez pośrednie warstwy buforów, elastyczne połączenia wzajemne lub optymalizację symulacji metodą elementów skończonych.
4. Stosunkowo wysoka stała dielektryczna
Przy wyjątkowo wysokich częstotliwościach powyżej 100 GHz stosunkowo wysoka stała dielektryczna szafiru może powodować opóźnienie sygnału. Dlatego w przypadku konkretnych zastosowań wymagających wysokiej częstotliwości wymagane są ostrożne kompromisy projektowe.
1. Heterogeniczne struktury zintegrowane
Opracuj podłoża kompozytowe szafir/krzem i szafir/szkło, aby zrównoważyć przewodność cieplną, dopasowanie współczynnika CTE i całkowity koszt.
2. Projektowanie kierunkowego przewodzenia ciepła
Wykorzystaj anizotropową przewodność cieplną szafiru, projektując ścieżki przepływu ciepła wzdłuż osi a o wysokiej przewodności cieplnej.
3. Tanie technologie produkcyjne
Promuj zastosowanie cienkowarstwowego szafiru na izolatorze (SOS) i wzorzystych podłożach szafirowych (PSS) w zaawansowanych zastosowaniach opakowaniowych, aby poprawić wykorzystanie materiału i obniżyć koszty.
4. Standaryzowane platformy procesowe
Promuj standaryzację i dojrzałość precyzyjnej obróbki szafiru, metalizacji, bezpośredniego łączenia i innych procesów związanych z pakowaniem.
W miarę jak zaawansowane opakowania zmierzają w kierunku heterogenicznej integracji, wyższej gęstości mocy i wyższych częstotliwości roboczych, znaczenie nauki o materiałach staje się coraz bardziej oczywiste.
W porównaniu ze szkłem ceramicznym i kwarcowym szafir wykazuje wyjątkowy potencjał jako wysokiej klasy materiał na platformę opakowaniową. Unikalne połączenie doskonałej przewodności cieplnej, szczególnie anizotropowej przewodności cieplnej, doskonałej wytrzymałości mechanicznej i sztywności, szerokiego zakresu transmisji optycznej i bardzo niskich strat dielektrycznych sprawia, że jest on bardzo cenny w opakowaniach półprzewodników nowej generacji.
Chociaż koszty i trudności w przetwarzaniu pozostają praktycznymi wyzwaniami w przypadku zastosowania przemysłowego na dużą skalę, szafir stopniowo ewoluuje od materiału specjalnego do technologii wspomagającej. W obliczeniach o wysokiej wydajności, komunikacji wysokiej częstotliwości i systemach integracji optoelektronicznej, w których rozpraszanie ciepła, integralność sygnału i niezawodność strukturalna mają kluczowe znaczenie, szafir może zapewnić silne wsparcie materiałowe.
Oczekuje się, że dzięki ciągłym innowacjom materiałowym, rozwojowi procesów i wspólnemu projektowaniu na poziomie systemu szafir będzie odgrywał coraz ważniejszą rolę w kluczowych obszarach zaawansowanych opakowań nowej generacji, zapewniając solidną fizyczną podstawę do przezwyciężania obecnych wąskich gardeł w wydajności.
english
français
Deutsch
Italiano
Русский
Español
português
Nederlandse
ελληνικά
日本語
한국
العربية
Türkçe
polski