Καθώς ο νόμος του Moore πλησιάζει τα φυσικά όριά του, η βιομηχανία ημιαγωγών κινείται γρήγορα προς την εποχή του More than Moore.πυκνότητα ένταξης, και την ενεργειακή απόδοση.

Σε τεχνολογίες αιχμής, όπως η συσκευασία 2.5D/3D, η ετερογενής ολοκλήρωση chiplet, η οπτική συμπαρασκευασμένης συσκευασίας (CPO) και η συσσώρευση μνήμης υψηλού εύρους ζώνης (HBM),θερμική διαχείριση και δομική σταθερότηταέχουν καταστεί κρίσιμα σημεία συμφόρησης που επηρεάζουν την αξιοπιστία του συστήματος.

Στο πλαίσιο αυτό, η επιλογή των υλικών συσκευασίας δεν περιορίζεται πλέον στις παραδοσιακές εποξικές ρητίνες ή στα συλλέγματα πυριτίου.Η βιομηχανία διερευνά όλο και περισσότερο προηγμένα ανόργανα υλικά μευψηλή θερμική αγωγιμότητα,υψηλή ακαμψία,χαμηλή διαλεκτρική απώλεια, καιεξαιρετική χημική σταθερότητα.

Μεταξύ αυτών των υλικών,μονοκρυστάλλιο ζαφείρι, ή α-Al2O3Η τεχνολογία αυτή, η οποία αποτελείται από διάφορες μορφές υλικών, αναπτύσσεται από τον παραδοσιακό της ρόλο ως υλικού υποστρώματος σε προηγμένους φορείς συσκευασίας, εξαρτήματα θερμικής διαχείρισης και δομικά μέρη υψηλών επιδόσεων.Με τις εξαιρετικές περιεκτικές του ιδιότητες, το ζαφείρι παρουσιάζει σημαντικές δυνατότητες σε σύγκριση με το γυάλινο-κεραμικό και το κουαρτζικό γυαλί.

Αυτό το άρθρο παρέχει μια συστηματική σύγκριση του ζαφείριου, του γυαλιού-κεραμικού και του γυαλιού κουάρτζου από πολλαπλές προοπτικές, συμπεριλαμβανομένωνθερμική αγωγιμότητα,μηχανική αντοχή,ελαστικός όγκος, συντελεστής θερμικής διαστολής,διηλεκτρικές ιδιότητες, καιοπτική απόδοσηΑναλύεται επίσης η αξία εφαρμογής και οι τεχνικές προκλήσεις του ζαφείρου στις προηγμένες συσκευασίες ημιαγωγών.

1. Εισαγωγή στο μονοκρυσταλλικό ζαφείρι

1.1 Χημική σύνθεση

Το ζαφείρι είναι α-Al2O3, ή μονοκρυσταλλικό οξείδιο του αλουμινίου.

Στην κρυσταλλική του δομή, τα ιόντα οξυγόνου σχηματίζουν μια περίπου εξάγωνη στενή διάταξη, ενώ τα ιόντα αλουμινίου καταλαμβάνουν τα δύο τρίτα των οκταεδρικών ενδιάμεσων τοποθεσιών,που οδηγεί σε μια πολύ οργανωμένη δομή συντονισμού.

Οι δεσμοί ΑλΟ στο ζαφείρι παρουσιάζουν ένα συνδυασμό ιόντων και ομοσπονδιακών δεσμών.και εξαιρετική μηχανική σκληρότητα, αποτελούν τη βάση της ανώτερης φυσικής και χημικής σταθερότητάς του.

1.2 Διαδικασία παραγωγής

Επί του παρόντος, η κύρια διαδικασία παραγωγής για τα μεγάλα ίντρα ζαφείρου είναι η τροποποιημένη μέθοδος Kyropoulos.

Η μέθοδος αυτή επιτρέπει την ανάπτυξη μονοκρυστάλλων υψηλής ποιότητας, χαμηλών ελαττωμάτων, μεγάλου μεγέθους από λιωμένο οξείδιο του αλουμινίου με ακριβή έλεγχο της κλίσης θερμοκρασίας και των συνθηκών έλξης.

Σε σύγκριση με τις παραδοσιακές μεθόδους Czochralski ή μεθόδους ανταλλαγής θερμότητας, η τροποποιημένη μέθοδος Kyropoulos προσφέρει πλεονεκτήματα στο μέγεθος των κρυστάλλων, την οπτική ομοιομορφία και τον έλεγχο των εσωτερικών πιέσεων.είναι πιο κατάλληλο για την κατασκευή υποστρωμάτων με ποιότητα ημιαγωγών και προηγμένων φορέων συσκευασίας.

1.3 Μέγιστο κατασκευαστικό μέγεθος

Επί του παρόντος, οι ζαφείρινες πλάκες με διάμετρο από 8 ίντσες, ή 200 mm, έως 12 ίντσες, ή 300 mm, μπορούν να επεξεργαστούν σύμφωνα με τις προηγμένες απαιτήσεις συσκευασίας.Από 7 mm έως και άνω των 2 mm.

Για τις μορφές των πάνελ, τα μεγέθη από 100 mm × 100 mm έως 310 mm × 310 mm μπορούν επίσης να προσαρμοστούν, ικανοποιώντας διαφορετικές απαιτήσεις για συσκευασίες επιπέδου πλακέτας και επιπέδου πάνελ.

2. Σύγκριση των επιδόσεων των υλικών

2.1 Θερμική αγωγιμότητα: Θεμελιώδεις διαφορές στην ικανότητα διαχείρισης της θερμότητας

2.1.1 Μηχανισμός θερμικής αγωγής

Η θερμική αγωγιμότητα ενός υλικού καθορίζεται κυρίως από τη μικροδομή του και την αποδοτικότητα μεταφοράς των φωνόνων, τα οποία είναι τα κβάντα ενέργειας της δονήσεως πλέγματος.

Το ζαφείρι έχει μια εξάγωνη στενά συσκευασμένη μονοκρυσταλλική δομή με υψηλά οργανωμένη ατομική διάταξη και εξαιρετική ακεραιότητα πλέγματος.Αυτό δίνει στα φωνόνια μια μεγαλύτερη μέση ελεύθερη διαδρομή και επιτρέπει εξαιρετική θερμική αγωγιμότητα.

Αντίθετα, το γυάλινο κεραμικό αποτελείται από αμορφό γυάλινο μήτρο και διασπορά μικροκρυσταλλικών φάσεων.Ο μεγάλος αριθμός των ορίων των κόκκων και των άμορφων/κρυσταλλικών διεπαφών στο εσωτερικό του υλικού λειτουργούν ως κύριες πηγές διάσπασης των φωνόνων, μειώνοντας σημαντικά την αποτελεσματική θερμική αγωγιμότητά του.

Το γυαλί είναι ένα αμορφό δίκτυο διοξειδίου του πυριτίου.το οποίο το καθιστά το υλικό με τη χαμηλότερη θερμική αγωγιμότητα μεταξύ των τριών.

2.1.2 Ποσοτική σύγκριση σε θερμοκρασία δωματίου, 25°C

Η θερμική αγωγιμότητα του ζαφείριου είναι πάνω από 10 φορές υψηλότερη από εκείνη του γυαλιού κεραμικού και περίπου 25 φορές υψηλότερη από αυτή του γυαλιού του κουαρτζού.

Για συσκευές με πυκνότητα θερμικής ροής άνω των 100 W/cm2, όπως ενισχυτές ισχύος GaN RF ή τσιπ επιταχυντή AI,Η χρήση ζαφείριου ως στρώμα διάχυσης θερμότητας ή υπόστρωμα συσκευασίας μπορεί να μειώσει σημαντικά τη θερμοκρασία του σημείου θερμότηταςΗ αναμενόμενη μείωση της θερμοκρασίας της διασταύρωσης μπορεί να φθάσει περίπου τους 15-40°C, βελτιώνοντας έτσι σημαντικά την αξιοπιστία της συσκευής και τη σταθερότητα της απόδοσης.

2.1.3 Εξαρτησία από τη θερμοκρασία

Η θερμική αγωγιμότητα του ζαφείριου μειώνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας λόγω της ενισχυμένης διασποράς των φωνώνων.το ζαφείρι μπορεί να διατηρήσει ακόμα θερμική αγωγιμότητα μεγαλύτερη από 20 W/m·K.

Η θερμική αγωγιμότητα του γυαλιού-κεραμικού και του γυαλιού κουαρτσού αλλάζει πιο σταδιακά με την θερμοκρασία, αλλά οι απόλυτες τιμές τους παραμένουν χαμηλές.είναι δύσκολο να χρησιμοποιηθούν για ενεργή θερμική διαχείριση σε εφαρμογές υψηλής θερμοκρασίας και υψηλής ισχύος.

2.2 Μηχανικές ιδιότητες: Ίδρυμα δομικής αξιοπιστίας

2.2.1 Σκληρότητα και αντοχή στην φθορά

Το ζαφείρι είναι δεύτερο μόνο στο διαμάντι, με σκληρότητα Mohs 10, και το καρβίδιο του πυριτίου, με σκληρότητα Mohs γύρω στο 9.5Η εξαιρετικά υψηλή σκληρότητα της επιφάνειας της μπορεί να αποτρέψει αποτελεσματικά τις γρατζουνιές και την φθορά κατά τη διάρκεια των διαδικασιών συσκευασίας και των συνθηκών λειτουργίας.

Αυτό καθιστά το ζαφείρι ιδιαίτερα κατάλληλο για οπτικές διεπαφές ή επιφάνειες σύνδεσης ακριβείας που απαιτούν υπερ-ευκατέργαστες επιφάνειες, όπως Ra < 0,5 nm.

2.2.2 Δυνατότητα κάμψης και αντοχή σε κατάγματα

Μολονότι ο ζαφείριος είναι ουσιαστικά εύθραυστος υλικό, η αντοχή του στην κάμψη και η αντοχή του στο κάταγμα είναι σημαντικά υψηλότερες από εκείνες του γυαλοκηραμικού και του κουαρτζικού γυαλιού.

Αυτό σημαίνει ότι στις εφαρμογές λεπτών υποστρωμάτων συσκευασίας, το ζαφείρι είναι πιο ικανό να αντέχει τους κινδύνους κάμψης και ρωγμάτωσης που προκαλούνται από θερμική πίεση ή μηχανικά φορτία.

2.2.3 Ελαστικός Μοδούλος

Το υψηλό ελαστικό μέτρο του ζαφείριου σημαίνει ότι υφίσταται λιγότερη παραμόρφωση υπό μηχανική πίεση και έχει εξαιρετικά υψηλή ακαμψία.

Κατά τη διάρκεια της αλληλεπικάλυψης πολλαπλών τσιπ ή του θερμικού κύκλου, η υψηλή ακαμψία βοηθά στην καταστολή της στρεβλώσεως του υποστρώματος.Αυτό είναι κρίσιμο για τη διατήρηση της ακρίβειας ευθυγράμμισης σε δομές διασύνδεσης μικροεπίπεδου, όπως μικροεπιθέσεις και υβριδική σύνδεση, και επομένως είναι σημαντική για την επίτευξη υψηλής απόδοσης συσκευασίας.

2.3 Συντελεστής θερμικής διαστολής και θερμικής αντιστοίχισης

Η εξαιρετικά χαμηλή CTE του γυαλιού κουαρτζού είναι ευνοϊκή σε εφαρμογές που απαιτούν απόλυτη σταθερότητα διαστάσεων.μπορεί να είναι δύσκολο να ενσωματωθεί με άλλα υλικά που χρησιμοποιούνται σε συσκευασίες ημιαγωγών.

Το υαλοκεραμικό έχει ένα σαφές πλεονέκτημα όσον αφορά την προσαρμοστικότητα CTE.όπου απαιτείται εξαιρετικά χαμηλή θερμική παραμόρφωση.

Η CTE του ζαφείριου είναι υψηλότερη από εκείνη του πυριτίου, η οποία είναι μία από τις κύριες προκλήσεις κατά την άμεση ενσωμάτωση του ζαφείριου με τα τσιπ του πυριτίου.ο συνδυασμός της υψηλής θερμικής αγωγιμότητας και της υψηλής ακαμψίας επιτρέπει στο ζαφείρι να ομοιογενοποιεί το πεδίο θερμοκρασίας πιο αποτελεσματικά σε επίπεδο συστήματος, που αντισταθμίζει εν μέρει την τοπική συγκέντρωση άγχους που προκαλείται από την ασυμφωνία CTE.

2.4 Διηλεκτρικές και οπτικές ιδιότητες: βασικοί παράγοντες για την ένταξη υψηλών συχνοτήτων και οπτοηλεκτρονικών

Ανάλυση εφαρμογών υψηλής συχνότητας

Παρόλο που το ζαφείρι έχει σχετικά υψηλή διηλεκτρική σταθερά, η οποία μπορεί να μειώσει ελαφρά την ταχύτητα διάδοσης του σήματος, η εξαιρετικά χαμηλή διηλεκτρική απώλεια του, ή tanδ,επιτρέπει πολύ χαμηλή απώλεια ενέργειας σήματος ακόμη και στα εύρη συχνοτήτων χιλιοστών κύματος και τεραχέρτζ.

Αυτό είναι σημαντικό για τις ενότητες 5G/6G RF front-end και τις συσκευασίες ραντάρ.

Το γυαλί κουαρτζ συνδυάζει χαμηλή διηλεκτρική σταθερά και χαμηλή διηλεκτρική απώλεια, καθιστώντας το ιδανικό μονωτικό υλικό για συσκευές υψηλών επιδόσεων RF.που περιορίζει τη χρήση του σε εφαρμογές υψηλής συχνότητας.

Ανάλυση Οπτοηλεκτρονικής Ενσωμάτωσης

Το ζαφείρι έχει ένα ευρύ οπτικό παράθυρο μετάδοσης από το υπεριώδες έως το μεσαίο υπέρυθρο, ενώ προσφέρει επίσης υψηλή θερμική αγωγιμότητα.όπου μπορεί να υποστηρίξει λέιζερ, καθοδηγούν οπτικές διαδρομές και βοηθούν την ίδια στιγμή στην επίλυση προβλημάτων διάσπασης θερμότητας.

Το γυαλί κουάρτζου προσφέρει εξαιρετική μετάδοση από βαθύ υπεριώδες σε κοντινό υπέρυθρο και είναι ένα κλασικό υλικό για καθαρά οπτικά στοιχεία.Η ικανότητα της θερμικής διάσπασης παραμένει περιορισμένη.

3Ειδικές εφαρμογές στις προηγμένες συσκευασίες ημιαγωγών

3.1 Συμπληρωμένες οπτικές συσκευές

Απαιτήσεις:

Η οπτική συνδυασμένης συσκευασίας απαιτεί τη στενή ενσωμάτωση των φωτονικών τσιπ πυριτίου, των λέιζερ, των διαμορφωτών και των ASIC οδηγών.υψηλή θερμική αγωγιμότητα, ηλεκτρική μόνωση και εξαιρετική επίπεδη επιφάνεια.

Λύσιμο ζαφείριου:

Το ζαφείρι μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως οπτικό παράθυρο, οπτικό υποστρώμα κυματοδρομικού ή υποστρώμα θερμοπυροσβεστήρα για τοποθέτηση λέιζερ.το σαφείρι επιτρέπει την ενσωμάτωση της σύνδεσης οπτικού σήματος και την αποτελεσματική θερμική διαχείριση εντός της ίδιας πλατφόρμας συσκευασίας.

3.2 Συσκευές ραδιοσυχνοτήτων υψηλής συχνότητας και χιλιοστών κυμάτων

Δύσκολο:

Τα σήματα υψηλής συχνότητας είναι εξαιρετικά ευαίσθητα στις διηλεκτρικές απώλειες, ενώ οι ενισχυτές ισχύος παράγουν σημαντική θερμότητα κατά τη διάρκεια της λειτουργίας.

Λύσιμο ζαφείριου:

Με εξαιρετικά χαμηλές διηλεκτρικές απώλειες και υψηλή θερμική αγωγιμότητα, το ζαφείρι μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως ραντόμ ή κάλυψη συσκευασίας, χρησιμεύοντας τόσο ως ηλεκτρομαγνητικό παράθυρο όσο και ως στοιχείο θερμικής διαχείρισης.Οι συσκευές HEMT με GaN σε ζαφείρι έχουν ήδη εμπορευματοποιηθεί, αξιοποιώντας τα υποστρώματα ζαφείρι για την απώλεια θερμότητας χωρίς να απαιτείται πρόσθετος απορροφητής θερμότητας.

3.3 Συσκευή συσκευής υψηλής ισχύος και διάχυση θερμότητας

Σενάρια εφαρμογής:

Τυπικές εφαρμογές περιλαμβάνουν μονάδες ισχύος SiC/GaN, GPU, CPU και άλλες συσκευές ημιαγωγών υψηλής ισχύος.

Λύσιμο ζαφείριου:

Το ζαφείρι μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως ενσωματωμένος θερμοδιαχέτης ή υπόστρωμα συσκευασίας.Η εξαιρετική ηλεκτρική του μόνωση του επιτρέπει να έρχεται σε άμεση επαφή με την περιοχή του ενεργού τσιπ.Αυτό μπορεί να εξαλείψει την ανάγκη για ένα πρόσθετο μονωτικό διηλεκτρικό στρώμα, το οποίο συχνά συμβάλλει σημαντική θερμική αντίσταση,και μπορεί συνεπώς να συμβάλει στη μείωση της συνολικής θερμικής αντοχής της συσκευασίας.

3.4 Προσωρινός φορέας σύνδεσης σε επίπεδο κυψελών

Απαιτήσεις διαδικασίας:

Κατά την επεξεργασία των πολύ λεπτών πλακών κάτω των 50 μm, απαιτείται προσωρινός φορέας με υψηλή ακαμψία, υψηλή επίπεδεια, αντοχή σε υψηλές θερμοκρασίες και αξιόπιστη ικανότητα αποσύνδεσης.

Το πλεονέκτημα του σαφείρου:

Η εξαιρετικά υψηλή ακαμψία του σαφείρου βοηθά στην αποτελεσματική καταστολή της παραμόρφωσης που προκαλείται από τη διαδικασία.και μπορεί να αντέξει σε μεταγενέστερες διαδικασίες όπως η χαρακτική πλάσματοςΕπιπλέον, το ζαφείρι είναι συμβατό με ορισμένες τεχνολογίες αποσύνδεσης με λέιζερ,καθιστώντας το ένα πολλά υποσχόμενο υλικό μεταφοράς για προηγμένες διαδικασίες συσκευασίας σε επίπεδο κυψελών.

4Προκλήσεις και Περιορισμοί

Παρά τα σημαντικά πλεονεκτήματα του, το ζαφείρι εξακολουθεί να αντιμετωπίζει αρκετές προκλήσεις σε προηγμένες εφαρμογές συσκευασίας.

1Αύξητο κόστος.
Τα έξοδα ανάπτυξης και επεξεργασίας του μονοκρυσταλλικού ζαφείρου μεγάλου μεγέθους, ιδίως άνω των 200 mm, είναι πολύ υψηλότερα από εκείνα των υλικών με βάση το γυαλί.

2Δύσκολη επεξεργασία
Λόγω της εξαιρετικά υψηλής σκληρότητάς του, το κόψιμο, η άλεση και η γυάλωση του ζαφείρου απαιτούν περισσότερο χρόνο, ενέργεια και ακριβή εργαλεία.Η δυσκολία επεξεργασίας του είναι πολύ μεγαλύτερη από εκείνη των συμβατικών υλικών γυαλιού.

3. Διαφορά CTE
Η διαφορά του συντελεστή θερμικής διαστολής μεταξύ του ζαφείριου και του πυριτίου είναι μία από τις κύριες πηγές θερμικής πίεσης κατά την άμεση σύνδεση ή ενσωμάτωση με τσιπ πυριτίου.Αυτό το ζήτημα μπορεί να χρειαστεί να μετριαστεί μέσω ενδιάμεσων στρωμάτων ασφαλείας, ευέλικτες διασυνδέσεις ή βελτιστοποίηση προσομοίωσης πεπερασμένων στοιχείων.

4. σχετικά υψηλή διηλεκτρική σταθερά
Σε εξαιρετικά υψηλές συχνότητες άνω των 100 GHz, η σχετικά υψηλή διηλεκτρική σταθερά του ζαφείρου μπορεί να προκαλέσει καθυστέρηση του σήματος.απαιτούνται προσεκτικοί συμβιβασμοί σχεδιασμού για συγκεκριμένες εφαρμογές υψηλής συχνότητας.

5Μελλοντικές κατευθύνσεις ανάπτυξης

1. Ετερογενείς ολοκληρωμένες δομές
Ανάπτυξη υποστρώσεων από ζαφείρι/σιλικόν και ζαφείρι/γυάλι για την εξισορρόπηση της θερμικής αγωγιμότητας, της αντιστοίχισης CTE και του συνολικού κόστους.

2Σχεδιασμός κατεύθυνσης θερμικής αγωγής
Χρησιμοποιήστε την ανισοτρόπη θερμική αγωγιμότητα του ζαφείριου σχεδιάζοντας διαδρομές ροής θερμότητας κατά μήκος της κατεύθυνσης του άξονα υψηλής θερμικής αγωγιμότητας.

3Τεχνολογίες παραγωγής χαμηλού κόστους
Προώθηση της χρήσης ζαφείριου λεπτής ταινίας σε μονωτή ή SOS και υποστρώματα ζαφείριου με μοτίβα ή PSS σε προηγμένες εφαρμογές συσκευασίας για τη βελτίωση της χρήσης υλικών και τη μείωση του κόστους.

4. Τυποποιημένες πλατφόρμες διαδικασιών
Προώθηση της τυποποίησης και της ωριμότητας της μηχανικής ακριβείας του ζαφείρι, της μεταλλικοποίησης, της άμεσης σύνδεσης και άλλων διαδικασιών που σχετίζονται με τη συσκευασία.

Συμπεράσματα

Καθώς οι προηγμένες συσκευασίες συνεχίζουν να κινούνται προς την ετερογενή ολοκλήρωση, την υψηλότερη πυκνότητα ισχύος και τις υψηλότερες συχνότητες λειτουργίας, η σημασία της επιστήμης των υλικών γίνεται όλο και πιο σαφής.

Σε σύγκριση με το γυάλινο-κεραμικό και το γυαλί του χαλαζιού, το ζαφείρι αποδεικνύει εξαιρετικές δυνατότητες ως υλικό πλατφόρμας συσκευασίας υψηλής ποιότητας.ειδικά ανισοτρόπη θερμική αγωγή, ανώτερη μηχανική αντοχή και ακαμψία, ευρύ φάσμα οπτικής μετάδοσης και εξαιρετικά χαμηλή διηλεκτρική απώλεια το καθιστούν εξαιρετικά πολύτιμο για συσκευασίες ημιαγωγών επόμενης γενιάς.

Παρόλο που το κόστος και η δυσκολία επεξεργασίας παραμένουν πρακτικές προκλήσεις για τη μεγάλης κλίμακας βιομηχανική υιοθέτηση, το ζαφείρι εξελίσσεται σταδιακά από ένα ειδικό υλικό σε μια τεχνολογία που διευκολύνει.Σε υπολογιστές υψηλών επιδόσεων, υψηλής συχνότητας επικοινωνίας και οπτοηλεκτρονικών συστημάτων ολοκλήρωσης όπου η θερμική διάχυση, η ακεραιότητα του σήματος και η δομική αξιοπιστία είναι κρίσιμες,Το ζαφείρι μπορεί να προσφέρει ισχυρή υλική υποστήριξη.

Μέσω της συνεχούς καινοτομίας υλικών, της ανάπτυξης διαδικασιών και του συνεργατικού σχεδιασμού σε επίπεδο συστήματος,Το ζαφείρι αναμένεται να διαδραματίσει όλο και πιο σημαντικό ρόλο σε βασικούς τομείς προηγμένης συσκευασίας επόμενης γενιάς, παρέχοντας μια σταθερή φυσική βάση για την αντιμετώπιση των σημερινών περιορισμών επιδόσεων.