Como a Lei de Moore aproxima-se dos seus limites físicos, a indústria de semicondutores está rapidamente se movendo para a era de "Mais do que Moore".densidade de integração, e eficiência energética.

Em tecnologias de ponta, como a embalagem 2.5D/3D, a integração heterogênea de chiplet, a óptica co-embalada (CPO) e a empilhamento de memória de alta largura de banda (HBM),Gestão térmica e estabilidade estruturaltornaram-se estrangulamentos críticos que afectam a fiabilidade do sistema.

Neste contexto, a selecção dos materiais de embalagem já não se limita às tradicionais resinas epóxi ou interpostos de silício.A indústria explora cada vez mais materiais inorgânicos avançados comAlta condutividade térmica,alta rigidez,baixa perda dielétrica, eExcelente estabilidade química.

Entre estes materiais,safira de cristal único, ou α-Al2O3A indústria de embalagens está a expandir o seu papel tradicional como material de substrato para suportes de embalagem avançados, componentes de gestão térmica e peças estruturais de alto desempenho.Com as suas propriedades abrangentes excepcionais, o safiro apresenta um potencial significativo em comparação com o vidro-cerâmica e o vidro quartzo.

Este artigo fornece uma comparação sistemática de safira, vidro-cerâmica e vidro de quartzo a partir de múltiplas perspectivas, incluindocondutividade térmica,resistência mecânica,módulo elástico,coeficiente de expansão térmica,Propriedades dielétricas, edesempenho ópticoTambém analisa o valor de aplicação e os desafios técnicos do safiro em embalagens avançadas de semicondutores.

1Introdução ao zafiro de cristal único

1.1 Composição química

O safiro é α-Al2O3, ou óxido de alumínio monocristalino.

Na sua estrutura cristalina, os íons oxigénio formam um arranjo aproximadamente hexagonal, enquanto os íons de alumínio ocupam dois terços dos locais intersticiais octaédricos,resultando numa estrutura de coordenação altamente ordenada.

As ligações de Al-O no safiro exibem uma combinação de características de ligação iónica e covalente.e excelente dureza mecânica, formando a base da sua superior estabilidade física e química.

1.2 Processo de produção

Atualmente, o principal processo de produção de lingotes de safira de grandes dimensões é o método Kyropoulos modificado.

Este método permite o crescimento de cristais individuais de alta qualidade, com baixo defeito e de grande tamanho a partir de óxido de alumínio fundido, controlando com precisão o gradiente de temperatura e as condições de puxagem.

Em comparação com os métodos tradicionais de Czochralski ou de troca de calor, o método Kyropoulos modificado oferece vantagens no tamanho do cristal, uniformidade óptica e controle de tensão interna.É mais adequado para a fabricação de substratos de qualidade semicondutora e suportes de embalagem avançados..

Figura: Diagrama esquemático do crescimento do cristal de safira utilizando o método modificado de Kyropoulos.

1.3 Tamanho máximo fabricável

Atualmente, as bolinhas de safira com diâmetros de 8 polegadas, ou 200 mm, a 12 polegadas, ou 300 mm, podem ser processadas de acordo com requisitos avançados de embalagem.De largura não superior a 7 mm.

Para os formatos de painéis, os tamanhos de 100 mm × 100 mm a 310 mm × 310 mm também podem ser personalizados, atendendo a diferentes requisitos para embalagens de nível de bolacha e de nível de painel.

2Comparação de desempenho dos materiais

2.1 Conductividade térmica: diferenças fundamentais na capacidade de gestão térmica

2.1.1 Mecanismo de condução térmica

A condutividade térmica de um material é determinada principalmente por sua microstrutura e pela eficiência de transporte de fonões, que são os quantos de energia da vibração da rede.

O safiro possui uma estrutura hexagonal de cristal único, com arranjo atômico altamente ordenado e excelente integridade de rede.Isso dá aos fonões um caminho livre médio mais longo e permite uma excelente condução térmica.

Em contraste, a cerâmica de vidro consiste numa matriz amorfa de vidro e em fases microcristalinas dispersas.O grande número de limites de grãos e interfaces amorfas / cristalinas dentro do material atuam como principais fontes de dispersão de fonões, reduzindo significativamente a sua condutividade térmica efetiva.

O vidro de quartzo é uma rede totalmente amorfa de dióxido de silício, cuja desordem atômica de longo alcance cria a mais forte obstrução ao transporte de fonões.tornando-se o material com a menor condutividade térmica entre os três.

2.1.2 Comparação quantitativa à temperatura ambiente, 25°C

A condutividade térmica do safiro é mais de 10 vezes superior à do vidro-cerâmica e aproximadamente 25 vezes superior à do vidro quartzo.

Para dispositivos com densidades de fluxo térmico superiores a 100 W/cm2, tais como amplificadores de potência GaN RF ou chips aceleradores de IA,O uso de safira como camada de propagação de calor ou substrato de embalagem pode reduzir significativamente a temperatura do ponto quenteA redução esperada da temperatura de junção pode atingir aproximadamente 15°C, melhorando assim consideravelmente a fiabilidade e a estabilidade de desempenho do dispositivo.

2.1.3 Dependência da temperatura

A condutividade térmica do zafiro diminui com o aumento da temperatura devido à dispersão de fonônios.o zafiro pode ainda manter uma condutividade térmica superior a 20 W/m·K.

A condutividade térmica do vidro-cerâmica e do vidro de quartzo muda mais gradualmente com a temperatura, mas os seus valores absolutos permanecem baixos.São difíceis de utilizar para gestão térmica ativa em aplicações de alta temperatura e alta potência..

2.2 Propriedades mecânicas: fundamento da fiabilidade estrutural

2.2.1 Dureza e resistência ao desgaste

O safiro é o segundo depois do diamante, com dureza de Mohs 10, e do carburo de silício, com dureza de Mohs em torno de 9.5A sua extremamente elevada dureza superficial pode prevenir eficazmente arranhões e desgaste durante os processos de embalagem e as condições de serviço.

Isto torna o safiro particularmente adequado para interfaces ópticas ou superfícies de ligação de precisão que exigem superfícies ultra- suaves, como Ra < 0,5 nm.

2.2.2 Força flexural e resistência à fractura

Embora o safiro seja essencialmente um material frágil, sua resistência à flexão e resistência à fratura são significativamente superiores às do vidro-cerâmica e do quartzo.

Isto significa que, em aplicações de substrato de embalagem fina, o safiro é mais capaz de resistir aos riscos de dobra e rachadura causados por tensões térmicas ou cargas mecânicas.

2.2.3 Módulo elástico

O elevado módulo elástico do safiro significa que ele sofre menos deformação sob tensão mecânica e tem uma rigidez extremamente elevada.

Durante a empilhamento de multi-chips ou ciclo térmico, a alta rigidez ajuda a suprimir a deformação do substrato.Isto é crítico para manter a precisão de alinhamento em estruturas de interconexão de nível micron como micro-bumps e ligação híbrida, e é, por conseguinte, importante para alcançar um elevado rendimento de embalagem.

2.3 Coeficiente de expansão térmica e correspondência térmica

A CTE ultra-baixa do vidro de quartzo é vantajosa em aplicações que exigem estabilidade dimensional absoluta.pode ser difícil integrar com outros materiais utilizados em embalagens de semicondutores.

O vidro-cerâmica tem uma clara vantagem em termos de afinação CTE. Esta é uma das principais razões pelas quais é escolhida para aplicações como os estágios de máquinas de litografia,onde é necessária uma deformação térmica extremamente baixa.

A CTE do safiro é superior à do silício, o que constitui um dos principais desafios na integração directa do safiro com os chips de silício.A combinação de alta condutividade térmica e alta rigidez permite que o safiro homogeneize o campo de temperatura de forma mais eficiente a nível do sistema., compensando parcialmente a concentração de estresse local causada pela incompatibilidade da ETC.

2.4 Propriedades dielétricas e ópticas: fatores-chave para a integração de alta frequência e optoeletrónica

Análise de aplicações de alta frequência

Embora o safiro tenha uma constante dielétrica relativamente elevada, o que pode reduzir ligeiramente a velocidade de propagação do sinal, sua perda dielétrica extremamente baixa, ou tanδ,permite uma perda de energia de sinal muito baixa, mesmo nas faixas de frequência de ondas milimétricas e terahertz.

Isto é importante para módulos de front-end de RF 5G/6G e embalagens de radar.

O vidro de quartzo combina baixa constante dielétrica e baixa perda dielétrica, tornando-o um material isolante ideal para dispositivos de RF de alto desempenho.que limita a sua utilização em aplicações de alta frequência.

Análise de integração optoeletrônica

Sapphire tem uma ampla janela de transmissão óptica do ultravioleta ao infravermelho médio, ao mesmo tempo em que oferece alta condutividade térmica.onde pode suportar lasers, guiar os caminhos ópticos e ajudar a resolver os problemas de dissipação de calor ao mesmo tempo.

O vidro de quartzo oferece uma excelente transmissão do ultravioleta profundo para o infravermelho próximo e é um material clássico para componentes ópticos puros.A sua capacidade de dissipação térmica continua a ser limitada..

3Aplicações específicas em embalagens avançadas de semicondutores

3.1 Ópticas em conjunto

Requisito:

O material de embalagem deve fornecer caminhos de transmissão óptica,Alta condutividade térmica, isolamento elétrico e excelente planosidade da superfície.

Solução de safira:

Sapphire pode ser usado como uma janela óptica, um substrato de guia de ondas óptico, ou um substrato de dissipador de calor para montagem a laser.Sapphire permite a integração de acoplamento de sinal óptico e gestão térmica eficiente dentro da mesma plataforma de embalagem.

3.2 Embalagens RF de alta frequência e ondas milimétricas

Desafio:

Os sinais de alta frequência são altamente sensíveis à perda dielétrica, enquanto os amplificadores de potência geram calor significativo durante a operação.

Solução de safira:

Com perda dieléctrica ultra-baixa e alta condutividade térmica, o safiro pode ser usado como um radoma ou cobertura de pacote, servindo tanto como uma janela eletromagnética quanto como um componente de gerenciamento térmico.Os dispositivos HEMT GaN-on-sapphire já foram comercializados, aproveitando substratos de safira para dissipação de calor sem necessidade de um dissipador de calor adicional.

3.3 Embalagem e dispersão de calor dos dispositivos de alta potência

Scenários de aplicação:

Aplicações típicas incluem módulos de potência SiC / GaN, GPUs, CPUs e outros dispositivos semicondutores de alta potência.

Solução de safira:

O zafiro pode ser usado como um difundidor de calor ou substrato de embalagem integrado.seu excelente isolamento elétrico permite que ele entre em contato direto com a área ativa do chipIsto pode eliminar a necessidade de uma camada dieléctrica de isolamento adicional, que muitas vezes contribui para uma resistência térmica significativa.e podem, por conseguinte, ajudar a reduzir a resistência térmica global da embalagem.

3.4 Portador de ligação temporária a nível de wafer

Requisito de processo:

Durante o processamento posterior de wafers ultrafinos abaixo de 50 μm, é necessário um suporte temporário com alta rigidez, alta planície, resistência a altas temperaturas e capacidade de desligação confiável.

Vantagem do safiro:

A sua extrema rigidez ajuda a suprimir eficazmente a deformação induzida pelo processo.e pode suportar processos subsequentes como a gravação por plasmaAlém disso, a safira é compatível com certas tecnologias de desligação a laser,tornando-o um material promissor para processos avançados de embalagem a nível de wafer.

4Desafios e limitações

Apesar das suas vantagens significativas, o safiro enfrenta ainda vários desafios em aplicações avançadas de embalagens.

1- Custo elevado.

Os custos de crescimento e de processamento do zafiro monocristalino de grandes dimensões, especialmente acima de 200 mm, são muito mais elevados do que os dos materiais à base de vidro.

2Processamento difícil

Devido à sua extrema dureza, cortar, moer e polir safira requer mais tempo, energia e ferramentas de precisão.A sua dificuldade de processamento é muito superior à dos materiais convencionais de vidro.

3. Descoordenação CTE

A diferença no coeficiente de expansão térmica entre safira e silício é uma das principais fontes de estresse térmico durante a ligação direta ou integração com chips de silício.Este problema pode ter de ser atenuado através de camadas de amortecimento intermediárias, interconexões flexíveis ou otimização de simulação de elementos finitos.

4. Constante dieléctrica relativamente elevada

Em frequências extremamente elevadas acima de 100 GHz, a constante dielétrica relativamente elevada do safiro pode introduzir um atraso no sinal.são necessárias equilíbrios de projeto cuidadosos para aplicações específicas de alta frequência.

5Direcções de desenvolvimento futuras

1Estruturas integradas heterogéneas

Desenvolver substratos compostos de safira/sílico e safira/vidro para equilibrar a condutividade térmica, a correspondência CTE e o custo global.

2. Design de condução térmica direcional

Faça uso da condutividade térmica anisotrópica do safiro, projetando caminhos de fluxo de calor ao longo da direção do eixo de alta condutividade térmica.

3Tecnologias de Fabricação de Baixo Custo

Promover o uso de safira de película fina no isolante, ou SOS, e substratos de safira padronizados, ou PSS, em aplicações avançadas de embalagens para melhorar a utilização do material e reduzir os custos.

4Plataformas de Processos Padronizadas

Promover a padronização e a maturidade da usinagem de precisão de safira, a metalização, a ligação direta e outros processos relacionados com a embalagem.

Conclusão

À medida que as embalagens avançadas continuam a avançar em direção à integração heterogênea, maior densidade de energia e frequências operacionais mais elevadas, a importância da ciência dos materiais está se tornando cada vez mais clara.

Em comparação com o vidro-cerâmica e o vidro de quartzo, o safiro demonstra um potencial excepcional como um material de plataforma de embalagem de ponta.condução térmica especialmente anisotrópica, resistência mecânica e rigidez superiores, ampla faixa de transmissão óptica e perda dielétrica ultra-baixa tornam-no altamente valioso para embalagens de semicondutores de próxima geração.

Embora o custo e a dificuldade de processamento continuem a ser desafios práticos para a adoção industrial em larga escala, o safiro está gradualmente evoluindo de um material especial para uma tecnologia facilitadora.Em computação de alto desempenho, comunicações de alta frequência e sistemas de integração optoeletrônica em que a dissipação térmica, a integridade do sinal e a fiabilidade estrutural são críticas,o safiro pode fornecer um forte suporte material.

Através da inovação contínua de materiais, desenvolvimento de processos e design colaborativo a nível do sistema,Espera-se que o safiro desempenhe um papel cada vez mais importante nas áreas-chave da próxima geração de embalagens avançadas, proporcionando uma base física sólida para superar os atuais gargalos de desempenho.