От кремниевой пластины до готового чипа эпоксидная формовочная смесь (ЭМС) служит последним защитным барьером, оберегающим полупроводниковое ядро. Во всей эпоксидной системе порошок диоксида кремния — это гораздо больше, чем просто наполнитель; это критически важный функциональный материал, определяющий надежность упаковки, срок службы чипа и верхний предел производительности полупроводниковых устройств. Особенно в передовых технологиях упаковки отрасль следует бескомпромиссному правилу:
«Никакого сферического порошка диоксида кремния, никакой сложной упаковки».
I. Почему оно должно быть сферическим?
Ограничения оборудования и присущие дефекты традиционного порошка угловатого диоксида кремния.
В прошлом для обработки кристаллического диоксида кремния отрасль в основном полагалась на традиционное механическое дробление и ударное оборудование, такое как струйные мельницы и механические футеровочные мельницы. Полученный продукт известен как «угловатый порошок диоксида кремния». Поскольку эти частицы от природы имеют острые края и неправильную форму, они принципиально несовместимы с требованиями современной высокотехнологичной упаковки микросхем, выявляя три основных критических недостатка:
Низкий процент заполнения и высокий уровень отходов материала.
Частицы, образующиеся при измельчении с помощью традиционного дробильного оборудования, напоминают щебень. Они сцепляются друг с другом и образуют большие пустоты при укладке.
Как результат:
- Максимальный коэффициент заполнения в полимерных системах составляет всего около 501Т3Т–601Т3Т.
- Требуется более дорогая эпоксидная смола.
- Затраты на упаковку значительно возрастают.
- Общая компактность и плотность упаковки ухудшаются.
Высокая вязкость и плохая текучесть
Неправильная форма частиц создает огромное трение во время смешивания. После добавления в эпоксидную смолу вязкость системы резко возрастает, в результате чего компаунд течет как густой цементный раствор. Во время упаковки это легко приводит к следующим последствиям:
- Засорение плесенью
- Пустоты и воздушные карманы
- Неполное заполнение
- Снижение выхода годных изделий при упаковке микросхем
Концентрация напряжений, приводящая к образованию сколов.
Острые углы, оставшиеся после механической шлифовки, становятся микроскопическими «точками концентрации напряжений». В процессе эксплуатации стружка подвергается сильным термическим циклам:
В диапазоне температур от -55°C до 125°C напряжения, возникающие в результате термического расширения и сжатия, не могут быть эффективно рассеяны.
При многократном термическом шоке:
- Сколы могут треснуть
- Паяные соединения могут отсоединиться.
- Интерфейсы упаковки могут расслаиваться.
Для дорогостоящих чипов искусственного интеллекта и передовых полупроводниковых устройств подобные сбои часто означают полную потерю продукта.
II. Из «Шлифовкаот «сферонизации»:
Четыре основных преимущества сферического кремнеземного порошка
Для преодоления ограничений, связанных с угловатым порошком, в современных производственных процессах после сверхтонкого измельчения, такого как вибрационное и перемешивающее измельчение, применяются технологии пламенного плавления или плазменной сфероидизации. В этих системах используются температуры в несколько тысяч градусов для мгновенного расплавления поверхности нерегулярных частиц кварца. Благодаря поверхностному натяжению во время охлаждения расплавленные частицы естественным образом сжимаются, образуя почти идеальные сферы.
Конечным продуктом является высокочистый сферический порошок диоксида кремния:
- SiO₂ ≥ 99,9%
После этой «полной трансформации» сферический порошок диоксида кремния приобретает четыре критически важных характеристики, которые напрямую отвечают основным требованиям к упаковке полупроводников.
1. Высокая степень наполнения + низкая вязкость (эффект шарикоподшипника)
Благодаря точному управлению оборудованием для сфероидизации, поверхности частиц становятся чрезвычайно гладкими. Внутри смоляной системы сферические частицы создают «эффект шарикоподшипника», значительно снижая трение между частицами.
Как результат:
- Коэффициент наполнения может достигать 70%–90% по весу.
- Система смол обеспечивает превосходную текучесть.
Это позволяет материалу идеально проникать в узкие зазоры микроскопического масштаба в:
- Упаковка Flip Chip
- Упаковка на уровне пластины (WLP)
- Усовершенствованные полупроводниковые структуры
без пустот и засоров.
2. Низкий коэффициент теплового расширения (буфер согласования КТР)
Коэффициент теплового расширения (КТР) чистой эпоксидной смолы составляет приблизительно:
- 60–80 ppm/°C
в то время как кремниевые чипы имеют коэффициент теплового расширения всего лишь:
- ~2,6 ppm/°C
Это значительное несоответствие температур может привести к расслоению на границе раздела и деформации корпуса. Сам сферический порошок диоксида кремния имеет сверхнизкий коэффициент теплового расширения:
- 0,3–0,5 ppm/°C
Благодаря использованию высоких коэффициентов наполнения, общий коэффициент теплового расширения (КТР) материалов EMC можно точно отрегулировать, чтобы он максимально соответствовал КТР кремниевых чипов. Таким образом, сферический порошок диоксида кремния действует как «буфер термических напряжений», значительно повышая надежность при термических циклах — зачастую увеличивая срок службы более чем в три раза.
3. Высокая теплоизоляция + превосходная стабильность (сверхчистая защита)
Высокочистый сферический порошок диоксида кремния обладает чрезвычайно высоким объемным сопротивлением:
- 10¹⁵ Ом·см
что делает его выдающимся электроизолятором. В сочетании с его высокостабильными химическими свойствами:
- Кислотостойкость
- Устойчивость к щелочам
- Высокая термостойкость
- Влагостойкость
- Коррозионная стойкость
Это позволяет эффективно защищать микросхемы от воздействия влаги и ионного загрязнения в течение длительного периода эксплуатации.
Это значительно снижает риск:
- Утечка электроэнергии
- Короткие замыкания
- Нестабильность сигнала
4. Низкое напряжение + высокая механическая прочность
Благодаря отсутствию острых краев у сферических частиц, внутреннее напряжение равномерно распределяется во всех направлениях. По сравнению с традиционным угловатым порошком:
- Концентрация стресса снижается примерно до 60%.
Между тем, твердость диоксида кремния по шкале Мооса, равная 7, значительно повышает механическую прочность упаковочного материала. Это гарантирует, что чипы останутся устойчивыми к деформации и повреждениям во время:
- Транспорт
- Установка
- Долгосрочная служба
III. Передовые технологии упаковки предъявляют «экстремальные требования» к оборудованию для измельчения и сфероидизации.
Для передовых применений, таких как:
- полупроводниковые процессы 7 нм и ниже
- чипы искусственного интеллекта
- HBM (High Bandwidth Memory)
Требования к качеству сферического порошка диоксида кремния чрезвычайно строгие.
Эти силы шлифовальное оборудование, системы классификацииа также оборудование для сфероидизации, позволяющее достичь промышленной точности мирового класса.
Сверхнизкий уровень примесей
(Правила предотвращения загрязнения оборудования)
Общее содержание вредных металлических примесей, таких как:
- Фе
- На
- К
должно оставаться ниже:
- ≤50 ppm
В то время как для приложений высшего уровня может потребоваться:
- ≤10 ppm
Следовательно, системы измельчения должны соответствовать следующим требованиям:
- облицовка из высокочистого кварца
- Мелющие элементы из оксида алюминия или диоксида циркония.
для полного предотвращения загрязнения железом, вызванного механическим износом.
В противном случае примеси могут вызвать:
- Коррозия от сколов
- Ток утечки
- Аномалии сигнала
Высокая сферичность
(Возможность регулирования температуры в оборудовании для сфероидизации)
Сферичность изделия должна соответствовать следующим параметрам:
- ≥95%
в то время как для премиум-приложений часто требуются:
- ≥99%
Это предъявляет чрезвычайно высокие требования к единообразию:
- Внутренние температурные поля
- Поля воздушного потока
внутри систем пламенного синтеза и сфероидизации плазмы.
Каждая частица должна быть полностью расплавлена, без каких-либо нерасплавленных угловатых частиц или агломерированных скоплений.
Отсутствие дефектов и точное распределение размеров частиц.
(Технология сверхточной классификации)
Конечный продукт должен содержать:
- Нет черных пятен
- Отсутствие примесей обугливания
- Отсутствие скопления людей
Распределение частиц по размерам (D50) должно точно контролироваться в следующих пределах:
- 0,5–30 мкм
в зависимости от требований к зазорам в упаковке.
Для многоступенчатых процессов разделения требуются высокоточные воздушные классификаторы, позволяющие:
- Полностью удалите крупные частицы.
- Предотвратите закупорку узких зазоров крупными частицами.
- Контроль содержания ультратонких наночастиц
- Избегайте локальной концентрации стресса
IV. Заключение
В основе основных проблем электронной упаковки лежат следующие вопросы:
- Тепловое несоответствие между смолой и кремниевыми чипами
- Пропускная способность в сверхузких пространствах
- Долгосрочная надежность изоляции
В настоящее время сферический порошок диоксида кремния является единственным материалом, который можно производить в больших количествах с помощью современных технологий прецизионного измельчения и высокотемпературной сфероидизации, одновременно решая все три задачи.
Это не просто заполнитель.
Это:
- «Балансировщик» теплового расширения
- «Активный» буфер для снятия стресса
- Изоляционный «экран»
- «Ускоритель» выхода годной упаковки
По мере стремительного развития вычислительных чипов для искусственного интеллекта и передовых технологий упаковки, стратегическое значение сферического кремнеземного порошка становится все более критичным. Без передовых технологий измельчения и сфероидизации невозможно получить высококачественный сферический кремнеземный порошок. А без сферического кремнеземного порошка невозможно обеспечить безопасную и надежную высокотехнологичную упаковку полупроводников.
Спасибо за прочтение. Надеюсь, моя статья вам поможет. Пожалуйста, оставьте комментарий ниже. Вы также можете связаться с представителем Zelda Online по любым вопросам.
— Опубликовано Эмили Чен
