Микропорошок диоксида кремния Это высокоэффективный неорганический неметаллический функциональный материал. Его получают в основном из природного или плавленого кварца. Он подвергается высокоточным процессам, включающим дробление, классификацию, измельчение, магнитную сепарацию, флотацию и кислотную промывку. В результате получается мелкий порошок высокой чистоты.
Он отличается малым размером частиц и стабильными химическими свойствами. Обладает отличными диэлектрическими свойствами. Обладает большой удельной поверхностью и хорошей диспергируемостью. Также обладает высокой теплопроводностью. Микропорошок кремнезема широко применяется. Области применения включают электронику, химическую промышленность, медицину, точное литье и производство высококачественной керамики.
Он может показаться обыденным. Однако в последние годы он стал ключевым компонентом в аэрокосмической промышленности и корпусировании крупногабаритных ИС. Его называют «кровью чипов».
Разрушение стереотипов
Традиционно кремниевый микропорошок считался «промышленным глутаматом натрия», широко используемым в покрытиях, наполнителях и керамике для повышения вязкости, прочности и износостойкости. Его получают из природного или плавленого кварца путем измельчения и очистки, а размеры частиц измеряются микрометрами (мкм) или даже нанометрами (нм).
Однако этот, казалось бы, «обычный» материал претерпел поразительные изменения в электронной промышленности — особенно в корпусировании микросхем — превратившись из вспомогательного материала в основу.
Корпусирование микросхемы — критически важный процесс, обеспечивающий защиту хрупкого ядра микросхемы и установление электрических соединений с внешней средой. В основе этого процесса лежит композитный материал, известный как эпоксидный формовочный компаунд (ЭПК). Основным наполнителем служит микропорошок диоксида кремния, составляющий 80%–90% компаунда.
На самом деле, черная внешняя оболочка большинства микросхем, которые мы видим, в основном состоит из микропорошка кремния.
Три основные функции
«Агент теплоотвода»: регулировка «температуры тела» чипа
Современные графические процессоры, такие как NVIDIA H100 и B200, используют технологию упаковки CoWoS, которая объединяет несколько чипов в одном корпусе, значительно повышая производительность и энергоэффективность. Однако такая структура генерирует огромное количество тепла из-за высокой плотности мощности.
Если тепло не рассеивается эффективно, микросхемы могут испытывать тепловой перегрев или даже выгорание. Чистая эпоксидная смола, будучи плохим проводником тепла, действует как изолирующее покрытие. Добавление высокочистого микропорошка диоксида кремния создает эффективные пути теплопроводности, быстро передающие тепло от ядра микросхемы к внешней оболочке. Это обеспечивает эффективную работу микросхемы при безопасной температуре.
Стабилизатор: сопротивление напряжению, вызванному тепловым расширением и сжатием
Микросхемы состоят из различных материалов — кремния, металлов и полимеров, — каждый из которых обладает своим коэффициентом теплового расширения. При циклическом включении или перепадах температур несоответствие между расширением и сжатием может создавать внутренние напряжения, достаточно сильные, чтобы разрушить тонкие металлические межсоединения микросхемы, которые в сотни раз тоньше волоса.
Добавление микропорошка кремния в эпоксидные формовочные компаунды даёт значительные преимущества. Высокая чистота и низкая радиоактивность способствуют снижению коэффициента линейного расширения и усадки материала при отверждении, одновременно повышая механическую прочность и изоляционные свойства.
Снижая общий коэффициент теплового расширения, кремниевый микропорошок обеспечивает лучшую совместимость с кремниевыми кристаллами и выводными рамками. Действуя как «буфер», он поглощает и рассеивает напряжения, сохраняя структурную целостность и долговременную надежность даже в экстремальных температурных условиях.
«Усиление каркаса»: повышение механической прочности упаковки
Ненаполненная эпоксидная смола относительно мягкая и легко деформируется. Микропорошок диоксида кремния, на долю которого приходится более 90% от общего содержания наполнителя, служит основным функциональным наполнителем в эпоксидных формовочных компаундах.
Его включение значительно повышает твёрдость, прочность и модуль упругости, уменьшая усадку при отверждении и повышая механическую прочность корпуса. В результате получается прочная «броня», защищающая чип от внешних ударов, вибрации и давления.
«Кровь» бывает разной степени чистоты
Не всякий кремниевый микропорошок можно назвать «кровью для чипов». Обычный промышленный кремний содержит металлические примеси, которые серьёзно влияют на электрические характеристики. Высококачественный микропорошок диоксида кремния используемые в корпусе полупроводников, должны соответствовать чрезвычайно строгим стандартам:
- Сверхвысокая чистота: Содержание металлических примесей необходимо контролировать на уровне ppm (частей на миллион) или даже ppb (частей на миллиард).
- Точное распределение размеров частиц: Сферический диоксид кремния с однородным размером частиц обеспечивает оптимальную плотность упаковки и сыпучесть.
- Идеальная сферичность: Сферические частицы кремния демонстрируют меньшее напряжение, лучшую текучесть и более высокие скорости заполнения, чем угловатые порошки, что делает их незаменимыми для современной упаковки микросхем.
Заключение
По мере перехода микросхем на технологические узлы 5 нм, 3 нм и более мелкие узлы их удельная мощность и тепловыделение существенно возрастают, что предъявляет беспрецедентные требования к возможностям терморегулирования упаковочных материалов.
Это привело к постоянным инновациям в технологии получения микропорошков диоксида кремния — от более чистых синтетических сферический кремнезем, для модификации функциональных поверхностей и наполнителей с низкими потерями для определенных диапазонов частот.
Микропорошок кремния больше не является пассивным наполнителем. Он стал активным функциональным материалом, определяющим производительность, термическую стабильность, надежность и предельную производительность микросхем нового поколения.
По сути, кремниевый микропорошок — это не просто основа современных полупроводниковых корпусов, это поистине жизненная сила индустрии производства микросхем.
