Поскольку закон Мура приближается к своим физическим пределам, полупроводниковая промышленность стремительно движется к эре "Больше, чем Мура".плотность интеграции, и энергоэффективности.

В передовых технологиях, таких как упаковка 2.5D/3D, гетерогенная интеграция чиплет, оптика совместной упаковки (CPO) и сборка памяти с высокой пропускной способностью (HBM),Термоуправление и стабильность конструкциипревратились в критические узкие места, влияющие на надежность системы.

На этом фоне выбор упаковочных материалов больше не ограничивается традиционными эпоксидными смолами или кремниевыми интерпозаторами.Промышленность все чаще изучает передовые неорганические материалы свысокая теплопроводность,высокая жесткость,низкие диэлектрические потери, иотличная химическая устойчивость.

Среди этих материаловоднокристаллический сапфир или α-Al2O3, расширяет свою традиционную роль в качестве материала-субстрата на передовые носители упаковки, компоненты теплового управления и высокопроизводительные структурные части.С его выдающимися комплексными свойствами, сапфир показывает значительный потенциал по сравнению со стеклокерамическим и кварцевым стеклом.

В этой статье представлено систематическое сравнение сапфира, стеклокерамики и кварцевого стекла с нескольких точек зрения, в том числетеплопроводность,механическая прочность,модуль эластичности, коэффициент теплового расширения,диэлектрические свойства, иоптические характеристикиВ нем также анализируется значение применения и технические проблемы сапфира в передовой упаковке полупроводников.

1. Введение в однокристаллический сапфир

1.1 Химический состав

Сапфир представляет собой α-Al2O3, или однокристаллический оксид алюминия.

В его кристаллической структуре ионы кислорода образуют приблизительно шестиугольное сплоченное расположение, в то время как ионы алюминия занимают две трети октаэдрических интерстициальных мест,что приводит к очень упорядоченной координационной структуре.

Связи Al ≈ O в сапфире демонстрируют сочетание ионных и ковалентных связей.и отличная механическая твердость, что является основой его превосходной физической и химической устойчивости.

1.2 Процесс производства

В настоящее время основным производственным процессом для крупных сапфировых слитков является модифицированный метод Киропулоса.

Этот метод позволяет выращивать высококачественные, малодефектные, крупногабаритные однокристаллы из расплавленного оксида алюминия путем точного контроля температурного градиента и условий тяги.

По сравнению с традиционными методами Цохральского или теплообмена, модифицированный метод Киропулоса предлагает преимущества в размерах кристаллов, оптической однородности и внутреннем контроле напряжения.более подходящий для производства полупроводниковых субстратов и передовых упаковочных носителей.

1.3 Максимальный объем изготовления

В настоящее время сапфировые пластинки диаметром от 8 дюймов или 200 мм до 12 дюймов или 300 мм могут быть обработаны в соответствии с передовыми требованиями к упаковке.от 7 до более 2 мм.

Для форматов панелей также можно настроить размеры от 100 мм × 100 мм до 310 мм × 310 мм, удовлетворяя различным требованиям к упаковке на уровне пластины и панели.

2Сравнение производительности материала

2.1 Теплопроводность: фундаментальные различия в способности к теплоуправлению

2.1.1 Механизм теплопроводности

Теплопроводность материала в основном определяется его микроструктурой и эффективностью транспортировки фононов, которые являются энергетическими квантами вибрации решетки.

Сапфир имеет шестиугольную сплоченную однокристаллическую структуру с высоко упорядоченным атомным расположением и отличной целостностью решетки.Это дает фононам более длинный средний свободный путь и позволяет выдающуюся теплопроводность.

В отличие от этого, стеклокерамика состоит из аморфной стеклянной матрицы и диспергированных микрокристаллических фаз.Большое количество границ зерна и аморфных/кристаллических интерфейсов внутри материала являются основными источниками рассеяния фононов, значительно снижая его эффективную теплопроводность.

Кварцевое стекло - это полностью аморфная сеть диоксида кремния.что делает его материалом с самой низкой теплопроводностью среди трех.

2.1.2 Количественное сравнение при комнатной температуре, 25°C

Теплопроводность сапфира более чем в 10 раз выше, чем у стеклокерамики, и примерно в 25 раз выше, чем у кварца.

для устройств с плотностью теплового потока более 100 Вт/см2, таких как усилители мощности GaN RF или чипы ускорителей ИИ,использование сапфира в качестве теплораспределяющего слоя или упаковочного субстрата может значительно снизить температуру горячей точкиОжидаемое снижение температуры соединения может достигать приблизительно 15-40°C, что значительно повышает надежность устройства и стабильность его работы.

2.1.3 Зависимость от температуры

Теплопроводность сапфира снижается с увеличением температуры из-за усиления рассеяния фононов.сапфир все еще может поддерживать теплопроводность выше 20 W/m·K.

Теплопроводность стекло-керамического и кварцевого стекла меняется постепенно с температурой, но их абсолютные значения остаются низкими.их трудно использовать для активного теплового управления при высоких температурах и высокой мощности.

2.2 Механические свойства: основа конструктивной надежности

2.2.1 Твердость и износостойкость

Сапфир уступает только алмазу, с твердостью Моха 10, и карбиду кремния, с твердостью Моха около 9.5Его чрезвычайно высокая твердость поверхности может эффективно предотвратить царапины и износ во время упаковочных процессов и условий обслуживания.

Это делает сапфир особенно подходящим для оптических интерфейсов или точных поверхностей связывания, которые требуют сверхгладких поверхностей, таких как Ra < 0,5 нм.

2.2.2 Прочность на изгиб и прочность на перелом

Хотя сапфир по сути является хрупким материалом, его прочность на изгиб и прочность на перелом значительно выше, чем у стеклокерамики и кварца.

Это означает, что в тонких упаковочных подложках сапфир лучше выдерживает риски изгиба и трещин, вызванные тепловым напряжением или механическими нагрузками.

2.2.3 Эластичный модуль

Высокий модуль эластичности сапфира означает, что он меньше деформируется при механическом напряжении и имеет чрезвычайно высокую жесткость.

Во время многочипного складирования или теплового цикла высокая жесткость помогает подавить деформацию подложки.Это имеет решающее значение для поддержания точности выравнивания в микро-уровне взаимосвязанных конструкций, таких как микро-нагрузки и гибридные связки, и поэтому имеет важное значение для достижения высокой производительности упаковки.

2.3 Коэффициент теплового расширения и тепловое соответствие

Ультранизкий CTE кварцевого стекла выгоден в применениях, требующих абсолютной стабильности измерений.может быть трудно интегрироваться с другими материалами, используемыми в упаковке полупроводников.

Стекло-керамика обладает ясным преимуществом в отношении CTE. Это одна из основных причин, по которой она выбирается для таких приложений, как литографические стадии,где требуется чрезвычайно низкая термическая деформация.

CTE сапфира выше, чем у кремния, что является одной из основных проблем при непосредственной интеграции сапфира с кремниевыми чипами.сочетание высокой теплопроводности и высокой жесткости позволяет сапфиру более эффективно гомогенизировать температурное поле на уровне системы, частично компенсируя локальную концентрацию стресса, вызванную дисбалансом CTE.

2.4 Диэлектрические и оптические свойства: ключевые факторы высокочастотного и оптоэлектронного интеграции

Анализ применения высокочастотных устройств

Хотя сапфир имеет относительно высокую диэлектрическую постоянную, которая может немного уменьшить скорость распространения сигнала, его чрезвычайно низкая диэлектрическая потеря, или tanδ,позволяет очень низкую потерю энергии сигнала даже в диапазоне частот миллиметровой волны и терагерца.

Это важно для 5G/6G RF фронт-энд модулей и радарной упаковки.

Кварцевое стекло сочетает в себе низкую диэлектрическую постоянную и низкую диэлектрическую потерю, что делает его идеальным изоляционным материалом для высокопроизводительных радиочастотных устройств.который ограничивает его использование в высокочастотных приложениях.

Анализ оптоэлектронной интеграции

Сапфир обладает широким диапазоном оптической передачи от ультрафиолетового до среднего инфракрасного диапазона, а также высокой теплопроводностью.где он может поддерживать лазеры, направляют оптические пути и помогают решать проблемы рассеивания тепла одновременно.

Кварцевое стекло обеспечивает отличную передачу от глубокого ультрафиолета до ближнего инфракрасного и является классическим материалом для чистых оптических компонентов.его способность к теплоотводу остается ограничением.

3Специфические применения в передовой упаковке полупроводников

3.1 Совместная оптика

Требование:

Совместная оптика требует тесной интеграции кремниевых фотонических чипов, лазеров, модуляторов и ASIC драйверов.высокая теплопроводность, электрическая изоляция и отличная плоскость поверхности.

Раствор сапфира:

Сапфир может использоваться в качестве оптического окна, оптического волновода или теплоотвода для лазерной установки.Сапфир позволяет интегрировать оптическую сигнальную связь и эффективное тепловое управление в рамках одной и той же упаковочной платформы.

3.2 Высокочастотные и миллиметровые радиочастотные упаковки

Проблема:

Высокочастотные сигналы очень чувствительны к диэлектрическим потерям, в то время как усилители мощности генерируют значительное тепло во время работы.

Раствор сапфира:

С чрезвычайно низкими диэлектрическими потерями и высокой теплопроводностью сапфир можно использовать в качестве радомы или крышки упаковки, служа как электромагнитным окном, так и компонентом теплового управления.Устройства HEMT с GaN на сапфире уже были коммерциализированы, используя сапфировые подложки для рассеивания тепла без необходимости дополнительного теплоотвода.

3.3 Опаковка и распределение тепла высокопроизводительных устройств

Сценарии применения:

Типичные приложения включают модули питания SiC / GaN, графические процессоры, процессоры и другие высокомощные полупроводниковые устройства.

Раствор сапфира:

Сапфир может использоваться в качестве высокоинтегрированного теплораспределителя или упаковочного субстрата.его отличная электрическая изоляция позволяет ему напрямую контактировать с зоной активного чипаЭто может устранить необходимость в дополнительном изоляционном диэлектрическом слое, который часто способствует значительному тепловому сопротивлению.и, следовательно, может помочь уменьшить общую термостойкость упаковки.

3.4 Временный носитель для скрепления на уровне пластины

Требование к процессу:

При обратной обработке сверхтонких пластинок длиной менее 50 мкм требуется временный носитель с высокой жесткостью, высокой плоскостью, высокой температурной стойкостью и надежной способностью к развязыванию.

Преимущество сапфира:

Сверхвысокая жесткость сапфира помогает эффективно подавлять процессы изгиба.и он может выдержать последующие процессы, такие как плазменный офортКроме того, сапфир совместим с некоторыми технологиями лазерного развязывания,что делает его многообещающим носителем для передовых процессов упаковки на уровне пластин.

4Проблемы и ограничения

Несмотря на свои значительные преимущества, сапфир по-прежнему сталкивается с рядом проблем в передовых приложениях упаковки.

1Высокая стоимость.
Затраты на выращивание и переработку крупногабаритного однокристаллического сапфира, особенно выше 200 мм, намного выше, чем у материалов на стеклянной основе.

2. Трудная обработка
Из-за своей чрезвычайно высокой твердости для резки, измельчения и полировки сапфира требуется больше времени, энергии и точных инструментов.Его сложность обработки намного выше, чем у обычных стеклянных материалов.

3. Несоответствие CTE
Разница в коэффициенте теплового расширения между сапфиром и кремниевым является одним из основных источников теплового напряжения при прямой связке или интеграции с кремниевыми чипами.Эта проблема может потребоваться смягчить с помощью промежуточных слоев буфера., гибкие взаимосвязи или оптимизация моделирования конечных элементов.

4. относительно высокая диэлектрическая постоянная
При чрезвычайно высоких частотах выше 100 ГГц относительно высокая диэлектрическая константа сапфира может вызывать задержку сигнала.для конкретных высокочастотных приложений требуются тщательные компромиссы по конструкции.

5. Будущие направления развития

1. Гетерогенные интегрированные структуры
Разработать сапфир/кремний и сапфир/стеклянный композитные субстраты для сбалансирования теплопроводности, соответствия CTE и общей стоимости.

2Дизайн направленной теплопроводности
Используйте анизотропную теплопроводность сапфира, проектируя пути потока тепла вдоль направления оси с высокой теплопроводностью.

3Низкозатратные производственные технологии
Продвигать использование тонкопленочного сапфира на изоляторе (SOS) и моделированных сапфировых субстратов (PSS) в передовых упаковочных приложениях для улучшения использования материалов и снижения затрат.

4. Стандартные процессовые платформы
Содействие стандартизации и зрелости высокоточных механических изделий, металлизации, прямых склеиваний и других процессов, связанных с упаковкой сапфиров.

Заключение

Поскольку передовая упаковка продолжает двигаться к гетерогенной интеграции, более высокой плотности мощности и более высокой частоте работы, важность материаловедения становится все более очевидной.

По сравнению со стеклокерамическим и кварцевым стеклом, сапфир демонстрирует выдающийся потенциал в качестве высококачественного упаковочного материала.особенно анизотропная теплопроводность, превосходная механическая прочность и жесткость, широкий диапазон оптической передачи и сверхнизкие диэлектрические потери делают его очень ценным для упаковки полупроводников следующего поколения.

Хотя стоимость и сложность обработки остаются практическими проблемами для широкомасштабного промышленного внедрения, сапфир постепенно превращается из специального материала в технологию.В высокопроизводительных вычислениях, высокочастотных коммуникаций и оптоэлектронных интеграционных систем, где критичны теплоразведение, целостность сигнала и конструктивная надежность,сапфир может служить прочной материальной опорой.

Благодаря постоянным инновациям в материалах, развитию процессов и совместному проектированию на уровне системы,ожидается, что сапфир будет играть все более важную роль в ключевых областях передовой упаковки следующего поколения, предоставляя прочную физическую основу для преодоления текущих узких мест в работе.