Ứng dụng của oxit nhôm dạng tấm trong ngành công nghiệp bán dẫn

Ứng dụng của oxit nhôm dạng tấm trong ngành công nghiệp bán dẫn

Nhôm oxit dạng tấm là các hạt có hình dạng phẳng, cạnh nhẵn và tỷ lệ chiều dài/chiều rộng có thể kiểm soát được (10~150:1). Chúng cũng có đặc tính độ cứng cao, khả năng cách điện cao, độ dẫn nhiệt cao, tính trơ hóa học và khả năng chống trầy xước thấp. Nhôm oxit được sử dụng trong năm ứng dụng chính: mài và đánh bóng tấm bán dẫn, cách nhiệt cho bao bì, chất nền thiết bị điện, các bộ phận gốm của thiết bị bán dẫn và chất độn dung dịch điện môi. Đây là vật liệu bột quan trọng cho các quy trình tiên tiến và chất bán dẫn thế hệ thứ ba.

I. Quy trình gia công tấm bán dẫn: Mài và CMP (Đánh bóng cơ học hóa học)

1. Mài thô các chất nền silicon/silicon carbide/sapphire, làm mỏng mặt sau.

Mài thô các tấm silicon sau khi cắt : Sử dụng oxit nhôm dạng tấm 1~5μm để nhanh chóng loại bỏ lớp hư hại do cắt; cắt trượt bằng các hạt phẳng giúp giảm các vết nứt nhỏ trên cạnh tấm silicon, giảm độ cong vênh và tỷ lệ phân mảnh của tấm, đồng thời cải thiện năng suất.

Công nghệ làm mỏng wafer siêu mỏng 3D IC : Nhôm oxit dạng tấm mài wafer xuống còn 50~100μm; so với corundum hình cầu/góc nhọn, lớp hư hỏng dưới bề mặt mỏng hơn, phù hợp với quy trình xuyên lỗ silicon TSV; công thức có độ tinh khiết cao và hàm lượng natri thấp (Na<1ppm) giúp tránh ô nhiễm đường dẫn đồng.

Các chất nền bán dẫn thế hệ thứ ba (SiC/GaN/sapphire) : Silicon carbide và sapphire có độ cứng cực cao, và hình thái phẳng của chúng giúp giảm đáng kể các vết xước và lỗ hổng trên bề mặt, khiến chúng phù hợp cho quá trình xử lý bề mặt gương trước khi epitaxy các thiết bị điện tử công suất.

2. Chất mài mòn lõi dạng huyền phù đánh bóng CMP

1. Đánh bóng mối nối kim loại (lớp chắn đồng/vonfram Ta/TaN) : Chất mài mòn chủ yếu dùng cho quá trình CMP dây dẫn đồng là oxit nhôm dạng tấm kết hợp với chất oxy hóa H₂O₂; các hạt phẳng cắt đều, tốc độ loại bỏ kim loại có thể được kiểm soát, và các vết lõm hình đĩa và các khuyết tật ăn mòn được giảm thiểu.

2. Đánh bóng STI cách ly rãnh nông : oxit nhôm dạng tấm được trộn với SiO₂ dạng keo để kiểm soát tỷ lệ chọn lọc đánh bóng oxit silic/nitrit silic; các hạt phẳng đảm bảo độ phẳng tổng thể và tránh làm xước thành rãnh.

3. Đánh bóng cửa sổ sapphire / đế quang học : Dung dịch đánh bóng kiềm oxit nhôm dạng tấm có độ ổn định cao và có thể tái sử dụng; nó đạt được tốc độ loại bỏ vật liệu cao trong khi vẫn duy trì độ nhám ở cấp độ nano Ra<0,5nm, thích hợp để đánh bóng cửa sổ quang khắc và đế sapphire LED trong sản xuất hàng loạt.

II. Semiconductor Packaging: High Thermal Conductivity Insulating Filler 

The two-dimensional structure of platelet aluminum oxide is its core advantage: the contact between the sheets makes it easy to build a continuous thermal conductivity path inside the resin. Under the same filling amount, the thermal conductivity is significantly higher than that of spherical alumina, while maintaining excellent electrical insulation and low thermal expansion to match the chip substrate.

1. Thermal interface materials (TIM) (thermal pads / thermal grease / thermal gel)

Platelet aluminum oxide is used for heat dissipation in CPUs, GPUs, IGBTs, SiC power modules, and 5G RF chips.

Platelet aluminum oxide filler: Increases the thermal conductivity of silicone to 1.5~4 W/m・K;

The compound formulation (platelet aluminum oxide + spherical aluminum oxide): small spheres fill the gaps between the lamellar layers, improving thermal conductivity by more than 25%, while balancing high thermal conductivity with slurry flowability; flat alumina provides high insulation, resistance to high and low temperatures, and voltage resistance, meeting the high-voltage isolation requirements of power devices.

2. Epoxy potting compounds, molding compounds, and fillers

Power devices and automotive chip packaging epoxy resin with added platelet aluminum oxide:

1. Improve overall thermal conductivity and quickly dissipate Joule heat from the chip;

2. Adjust the coefficient of thermal expansion (CTE) of the composite material to match silicon/silicon carbide and reduce delamination cracking during thermal cycling;

3. High insulation and low ionic impurities prevent leakage and electrochemical corrosion during encapsulation;

4. It can replace some boron nitride and aluminum nitride, significantly reducing the cost of high-end packaging materials.

3. Bottom filler glue

Flip Chip BGA and FCBGA Filled with platelet aluminum oxide: Platelet aluminum oxide improves the thermal conductivity of the adhesive layer, while also enhancing the mechanical strength and thermal shock resistance of the adhesive film.

III. Thick film/thin film circuits, dielectric paste-filled platelet aluminum oxide

1. DBC/AMB Ceramic Substrate Dielectric Paste

IGBT and SiC power module alumina ceramic substrates, with micron-sized platelet aluminum oxide added to the dielectric paste:

Improve the density and flexural strength of ceramic substrates; plate-like crystals achieve crack deflection and toughening, inhibiting thermal cycling fracture of the substrate.

Adjusting dielectric constant and insulation withstand voltage improves the radio frequency stability of the substrate;

Optimize the leveling properties of the paste for a smoother surface after printing.

2. High-temperature thick-film circuits (RF, sensor chips)

Printed resistors and insulating dielectric layer fillers: Platelet aluminum oxide improves film density, thermal conductivity and insulation reliability, and reduces high-frequency signal loss.

IV. Các thành phần cấu trúc gốm alumina cho thiết bị bán dẫn (gốm oxit nhôm dạng tấm đặc)

1. Tấm điện cực trên của máy khắc plasma : cách ly các điện cực tần số vô tuyến và chịu được sự bắn phá của plasma flo/clo; có khả năng chống ăn mòn plasma cao, cách điện cao, biến dạng nhiệt thấp, ổn định kích thước ở 200~500℃ và độ chính xác gia công ±0,01mm.

2. Cửa sổ điện môi khoang, tấm cách ly, tấm đỡ wafer : cách ly plasma, cách ly năng lượng tần số vô tuyến, đảm bảo truyền nhiệt đồng đều và bảo vệ các thành phần kim loại của thiết bị khỏi sự ăn mòn ion năng lượng cao.

V. Các ứng dụng khác dưới dạng bán dẫn

1. Vật liệu mang chip / Pha gốm tản nhiệt tăng cường độ bền : Pha thứ cấp oxit nhôm dạng tấm được đưa vào gốm alumina để tăng cường độ bền và độ chắc chắn, giải quyết các vấn đề về độ giòn cao và dễ bị sứt mẻ cạnh của alumina nguyên chất, đồng thời cải thiện tuổi thọ của chất nền điện.

2. Vật tư tiêu hao để mài khuôn và đồ gá chính xác trong ngành bán dẫn: Oxit nhôm Flatelet dùng để đánh bóng gương các bo mạch thăm dò, khuôn đóng gói và khung dẫn kim loại, với độ xước thấp để đảm bảo độ chính xác của thiết bị.

3. Lớp phủ cách điện và dẫn nhiệt cao : Chất độn cho lớp phủ cách điện và dẫn nhiệt của chất nền tản nhiệt chip và vỏ thiết bị điện là oxit nhôm dạng tấm, đáp ứng cả hai yêu cầu về cách điện, tản nhiệt và khả năng chống chịu thời tiết.

Xu hướng ngành

Nhu cầu về vật liệu có độ dẫn nhiệt cao, ít hư hại và cách điện tốt đang bùng nổ trong các thiết bị điện tử công suất SiC/GaN thế hệ thứ ba, chất bán dẫn ô tô và bao bì tiên tiến (IC 2.5D/3D). Nhôm oxit dạng tấm, một loại bột thay thế được sản xuất trong nước, đang dần thay thế các chất mài mòn đánh bóng cao cấp nhập khẩu và chất độn dẫn nhiệt, và là vật liệu gia tăng quan trọng trong quá trình tản nhiệt chất bán dẫn và làm phẳng wafer.

PS: Công ty Haixu Abrasives sản xuất oxit nhôm dạng tấm với các thông số tương đương với công ty FUJIMI của Nhật Bản.

Thành phần hóa học

Tính chất vật lý

PSD (Phân bố kích thước hạt)