تطبيقات أكسيد الألومنيوم الصفائحي في صناعة أشباه الموصلات
يشير أكسيد الألومنيوم الصفيحي إلى جزيئات مسطحة ذات حواف ناعمة ونسبة أبعاد قابلة للتحكم (10-150:1). كما يتميز بصلابة عالية، وعزل حراري ممتاز، وموصلية حرارية عالية، وخمول كيميائي، ومقاومة منخفضة للخدش. ويُستخدم في خمسة تطبيقات رئيسية: طحن وتلميع الرقائق، والعزل الحراري للتغليف، وركائز أجهزة الطاقة، والأجزاء الخزفية لمعدات أشباه الموصلات، وملء المعجون العازل. وهو مادة مسحوقية أساسية للعمليات المتقدمة وأشباه الموصلات من الجيل الثالث.
أولاً: معالجة الرقاقات: الطحن والتلميع الكيميائي الميكانيكي (CMP)
1. الطحن الخشن لركائز السيليكون/كربيد السيليكون/الياقوت، مع ترقيق الجانب الخلفي.
الطحن الخشن لرقائق السيليكون بعد القطع : أكسيد الألومنيوم الصفيحي 1-5 ميكرومتر لإزالة طبقة تلف القطع بسرعة؛ القطع الانزلاقي للجسيمات المسطحة يقلل من الشقوق الدقيقة على حافة رقاقة السيليكون، ويقلل من انحناء الرقاقة ومعدل التفتت، ويحسن الإنتاجية.
ترقيق الرقاقات الرقيقة للغاية ثلاثية الأبعاد للدوائر المتكاملة : يقوم أكسيد الألومنيوم الصفائحي بطحن الرقاقة إلى 50-100 ميكرومتر؛ بالمقارنة مع الكوروندوم الكروي/ذو الزوايا الحادة، تكون طبقة التلف تحت السطح أرق، مما يجعلها مناسبة لعملية الثقوب السيليكونية TSV؛ تركيبة عالية النقاء ومنخفضة الصوديوم (Na<1 جزء في المليون) تتجنب تلوث التوصيلات النحاسية.
ركائز أشباه الموصلات من الجيل الثالث (SiC/GaN/sapphire) : يتميز كربيد السيليكون والياقوت بصلابة عالية للغاية، كما أن شكلهما المسطح يقلل بشكل كبير من الخدوش والحفر السطحية، مما يجعلهما مناسبين للمعالجة المسبقة للمرآة قبل الترسيب الطبقي لأجهزة الطاقة.
2. مادة كاشطة أساسية لتلميع CMP باستخدام معجون التلميع
1. تلميع التوصيلات المعدنية (طبقة حاجز النحاس/التنغستن Ta/TaN) : المادة الكاشطة الرئيسية لتلميع الأسلاك النحاسية CMP، أكسيد الألومنيوم الصفائحي مع مؤكسد H₂O₂؛ تقطع الجزيئات المسطحة بالتساوي، ويمكن التحكم في معدل إزالة المعدن، ويتم تقليل الانخفاضات على شكل طبق وعيوب التآكل.
2. عزل الخنادق الضحلة STI التلميع : يتم مزج أكسيد الألومنيوم الصفيحي مع SiO₂ الغرواني للتحكم في نسبة انتقائية التلميع لأكسيد السيليكون / نتريد السيليكون؛ تضمن الجسيمات المسطحة التسطيح الكلي وتجنب الخدوش على الجدران الجانبية للخندق.
3. تلميع نوافذ الياقوت / رقائق بصرية : معجون التلميع القلوي لأكسيد الألومنيوم الصفيحي مستقر للغاية وقابل لإعادة التدوير؛ فهو يحقق معدل إزالة عالي مع الحفاظ على خشونة نانوية Ra<0.5nm، مما يجعله مناسبًا لتلميع نوافذ الطباعة الضوئية وركائز الياقوت LED في الإنتاج الضخم.
ثانيًا: تغليف أشباه الموصلات: مادة عازلة ذات موصلية حرارية عالية
تُعدّ البنية ثنائية الأبعاد لأكسيد الألومنيوم الصفيحي ميزته الأساسية : إذ يُسهّل التلامس بين الصفائح إنشاء مسار توصيل حراري متصل داخل الراتنج. عند نفس كمية التعبئة، يكون التوصيل الحراري أعلى بكثير من أكسيد الألومنيوم الكروي، مع الحفاظ على عزل كهربائي ممتاز وتمدد حراري منخفض ليتناسب مع ركيزة الرقاقة.
1. مواد التوصيل الحراري (TIM) (الوسادات الحرارية / الشحوم الحرارية / الجل الحراري)
يستخدم أكسيد الألومنيوم الصفائحي لتبديد الحرارة في وحدات المعالجة المركزية، ووحدات معالجة الرسومات، ووحدات IGBT، ووحدات طاقة SiC، ورقائق الترددات اللاسلكية 5G.
حشو أكسيد الألومنيوم الصفيحي: يزيد من الموصلية الحرارية للسيليكون إلى 1.5 ~ 4 واط / متر · كلفن؛
تركيبة المركب (أكسيد الألومنيوم الصفيحي + أكسيد الألومنيوم الكروي): تعمل الكرات الصغيرة على ملء الفجوات بين الطبقات الصفائحية، مما يحسن التوصيل الحراري بأكثر من 25٪، مع تحقيق التوازن بين التوصيل الحراري العالي وقابلية تدفق الملاط؛ يوفر الألومينا المسطح عزلًا عاليًا ومقاومة لدرجات الحرارة العالية والمنخفضة ومقاومة الجهد، مما يلبي متطلبات عزل الجهد العالي لأجهزة الطاقة.
2. مركبات التغليف الإيبوكسية، ومركبات التشكيل، والحشوات
راتنج الإيبوكسي المستخدم في تغليف رقائق الطاقة ورقائق السيارات مع إضافة أكسيد الألومنيوم الصفائحي:
1. تحسين التوصيل الحراري العام وتبديد حرارة جول بسرعة من الشريحة؛
2. ضبط معامل التمدد الحراري (CTE) للمادة المركبة ليتناسب مع السيليكون / كربيد السيليكون وتقليل تشقق الانفصال أثناء التدوير الحراري؛
3. العزل العالي والشوائب الأيونية المنخفضة تمنع التسرب والتآكل الكهروكيميائي أثناء التغليف؛
4. يمكن أن يحل محل بعض نتريد البورون ونتريد الألومنيوم، مما يقلل بشكل كبير من تكلفة مواد التعبئة والتغليف عالية الجودة.
3. غراء حشو القاع
رقائق BGA و FCBGA المملوءة بأكسيد الألومنيوم الصفيحي: يعمل أكسيد الألومنيوم الصفيحي على تحسين التوصيل الحراري للطبقة اللاصقة، مع تعزيز القوة الميكانيكية ومقاومة الصدمات الحرارية للفيلم اللاصق.
ثالثًا: دوائر الأغشية السميكة/الأغشية الرقيقة، أكسيد الألومنيوم الصفائحي المملوء بمعجون عازل
1. معجون عازل كهربائي لركيزة سيراميكية DBC/AMB
ركائز سيراميك الألومينا لوحدات الطاقة IGBT و SiC، مع إضافة أكسيد الألومنيوم ذي الحجم الميكروني إلى المعجون العازل:
تحسين كثافة وقوة الانحناء للركائز الخزفية؛ تعمل البلورات الشبيهة بالصفائح على تحقيق انحراف الشقوق وتقويتها، مما يمنع تكسر الركيزة الناتج عن دورات الحرارة.
يؤدي ضبط ثابت العزل الكهربائي وجهد تحمل العزل إلى تحسين استقرار الترددات الراديوية للركيزة؛
قم بتحسين خصائص تسوية المعجون للحصول على سطح أكثر نعومة بعد الطباعة.
2. دوائر الأغشية السميكة ذات درجة الحرارة العالية (الترددات الراديوية، رقائق الاستشعار)
المقاومات المطبوعة وحشوات طبقة العزل العازلة: يعمل أكسيد الألومنيوم الصفيحي على تحسين كثافة الفيلم والتوصيل الحراري وموثوقية العزل، ويقلل من فقدان الإشارة عالية التردد.
رابعاً: المكونات الهيكلية الخزفية المصنوعة من الألومينا لمعدات أشباه الموصلات (خزف أكسيد الألومنيوم ذو الصفائح الكثيفة)
1. لوحة القطب العلوي لآلة الحفر بالبلازما : تعزل أقطاب الترددات الراديوية وتتحمل قصف بلازما الفلور/الكلور؛ مقاومة عالية لتآكل البلازما، عزل عالي، تشوه حراري منخفض، استقرار الأبعاد عند 200~500 درجة مئوية، ودقة تشغيل ±0.01 مم.
2. نافذة عازلة للتجويف، ورقة عزل عازلة، وسادة حاملة للرقاقة : تعزل البلازما، وتعزل طاقة الترددات الراديوية، وتضمن نقل الحرارة بشكل موحد، وتحمي المكونات المعدنية للمعدات من تآكل الأيونات عالية الطاقة.
خامساً: تطبيقات أخرى لأشباه الموصلات الفرعية
1. حامل الرقاقة / مرحلة تقوية السيراميك لتبديد الحرارة : يتم إدخال مرحلة ثانية من أكسيد الألومنيوم الصفيحي في سيراميك الألومينا لتقويته وتعزيزه، مما يحل مشاكل الهشاشة العالية وسهولة تكسر الحواف في الألومينا النقية، ويحسن عمر خدمة ركائز الطاقة.
2. مواد استهلاكية لطحن قوالب وأدوات أشباه الموصلات الدقيقة: أكسيد الألومنيوم المسطح لتلميع بطاقات المجس وقوالب التعبئة والتغليف وإطارات الرصاص المعدنية، مع خدوش منخفضة لضمان دقة الجهاز.
3. طلاء عالي العزل والتوصيل الحراري : المادة المالئة للطلاء العازل والموصل حرارياً لركيزة تبديد حرارة الرقاقة وغلاف جهاز الطاقة هي أكسيد الألومنيوم الصفيحي، والذي يأخذ في الاعتبار كلاً من العزل وتبديد الحرارة بالإضافة إلى مقاومة العوامل الجوية.
اتجاهات الصناعة
يشهد الطلب على المواد ذات الموصلية الحرارية العالية، ومقاومة التلف، والعزل العالي ازدهارًا في أجهزة الطاقة من الجيل الثالث المصنوعة من كربيد السيليكون/نيتريد الغاليوم، وأشباه الموصلات المستخدمة في السيارات، والتغليف المتقدم (الدوائر المتكاملة ثنائية وثلاثية الأبعاد). ويحل أكسيد الألومنيوم الصفائحي، كمسحوق بديل محلي الصنع، تدريجيًا محل مواد التلميع الكاشطة عالية الجودة المستوردة والحشوات الموصلة حراريًا، ويُعد مادة أساسية في مجال تبديد الحرارة في أشباه الموصلات وتسوية الرقاقات.
ملاحظة: تقوم شركة Haixu Abrasives بإنتاج أكسيد الألومنيوم الصفائحي بمعايير مماثلة لتلك الخاصة بشركة FUJIMI في اليابان.
التركيب الكيميائي
| Al2O3 | >99.0% |
| SiO 2 | أقل من 0.2% |
| Fe2O3 | أقل من 0.1% |
| Na2O | أقل من 1% |
الخصائص الفيزيائية
| صلابة موس | 9.0 |
| الكثافة النوعية | >3.9 جم/ سم3 |
| مظهر | شكل طبق |
PSD (توزيع حجم الجسيمات)
| مقاس | D0(um) | D3(um) | D50 (واحد) | D94(um) |
| رقم 400/A40 | <77.6 | 39.0-44.6 | 27.7-31.7 | 18.0-20.0 |
| #500/A35 | <64.2 | 35.4-39.8 | 23.8-27.2 | 15.0-17.0 |
| #600/A30 | <50.4 | 28.1-32.3 | 19.2-22.3 | 13.4-15.6 |
| #700/A25 | <40.1 | 24.4-28.2 | 16.1-18.7 | 9.6-11.2 |
| 800/A20 | <32.0 | 20.9-24.1 | 13.1-15.3 | 8.2-9.8 |
| #1200/A15 | <25.2 | 14.8-17.2 | 9.4-11.0 | 5.8-6.8 |
| #1500/A12 | <20.3 | 11.8-13.8 | 7.6-8.8 | 4.5-5.3 |
| #2000/A9 | <16.3 | 8.9-10.5 | 5.9-6.9 | 3.3-3.9 |
| #3000/A5 | أقل من 12.5 | 6.6-7.8 | 4.3-5.1 | 2.55-3.05 |
| #4000/A3 | <10.0 | 4.8-5.6 | 2.8-3.4 | 1.5-2.1 |
