Применение пластинчатого оксида алюминия в полупроводниковой промышленности.

Применение пластинчатого оксида алюминия в полупроводниковой промышленности.

Пластинчатый оксид алюминия представляет собой плоские частицы с гладкими краями и контролируемым соотношением сторон (10–150:1). Он также обладает такими характеристиками, как высокая твердость, высокая изоляционная способность, высокая теплопроводность, химическая инертность и низкая устойчивость к царапинам. Он применяется в пяти основных областях: шлифовка и полировка пластин, теплоизоляция корпусов, подложки силовых устройств, керамические детали полупроводникового оборудования и заполнение диэлектрическими суспензиями. Это ключевой порошковый материал для передовых технологических процессов и полупроводников третьего поколения.

I. Обработка кремниевых пластин: шлифовка и химико-механическая полировка (ХМП).

1. Грубая шлифовка кремниевых/карбидкремниевых/сапфировых подложек с истончением обратной стороны.

Грубая шлифовка кремниевых пластин после резки : нанесение пластинчатого оксида алюминия размером 1–5 мкм для быстрого удаления слоя, поврежденного при резке; скользящая резка плоскими частицами уменьшает микротрещины на краях кремниевой пластины, снижает деформацию и степень фрагментации пластины, а также повышает выход годной продукции.

Утончение 3D-интегральных схем : пластинчатый оксид алюминия шлифует пластину до толщины 50–100 мкм; по сравнению со сферическим/остроугольным корундом, слой повреждений под поверхностью тоньше, что подходит для процесса сквозного монтажа кремниевых сквозных отверстий (TSV); высокочистая формула с низким содержанием натрия (Na<1 ppm) предотвращает загрязнение медных межсоединений.

Полупроводниковые подложки третьего поколения (SiC/GaN/сапфир) : Карбид кремния и сапфир обладают чрезвычайно высокой твердостью, а их плоская морфология значительно уменьшает количество царапин и ямок на поверхности, что делает их пригодными для предварительной обработки зеркал перед эпитаксией силовых приборов.

2. Абразивный стержень из полировальной суспензии CMP.

1. Полировка металлических межсоединений (барьерный слой медь/вольфрам Ta/TaN) : Основной абразив для химико-механической полировки медной проводки, пластинчатый оксид алюминия в сочетании с окислителем H₂O₂; плоские частицы обеспечивают равномерную резку, позволяют контролировать скорость удаления металла и уменьшают образование углублений и коррозионных дефектов.

2. Полировка методом STI для изоляции неглубоких траншей : пластинчатый оксид алюминия смешивается с коллоидным SiO₂ для контроля селективности полировки оксида кремния/нитрида кремния; плоские частицы обеспечивают общую плоскость и предотвращают появление царапин на боковых стенках траншей.

3. Полировка сапфировых окон/оптических пластин : Щелочная полировальная суспензия на основе пластинчатого оксида алюминия обладает высокой стабильностью и возможностью повторного использования; она обеспечивает высокую скорость удаления материала при сохранении наноразмерной шероховатости Ra<0,5 нм, что делает ее подходящей для полировки фотолитографических окон и сапфировых подложек для светодиодов в массовом производстве.

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. Алюмокерамические конструкционные компоненты для полупроводникового оборудования (плотная пластинчатая керамика из оксида алюминия)

1. Верхняя электродная пластина плазменного травильного станка : изолирует радиочастотные электроды и выдерживает бомбардировку фторсодержащей/хлорсодержащей плазмой; обладает высокой устойчивостью к плазменной коррозии, высокой изоляционной способностью, низкой термической деформацией, стабильностью размеров при 200–500 ℃ и точностью обработки ±0,01 мм.

2. Диэлектрическое окно полости, изоляционный лист, площадка для подложки пластины : изолирует плазму, изолирует радиочастотную энергию, обеспечивает равномерный теплоотвод и защищает металлические компоненты оборудования от коррозии, вызванной высокоэнергетическими ионами.

V. Другие применения в полупроводниковых технологиях

1. Упрочняющая фаза для носителя стружки/теплоотвода керамики : В керамику из оксида алюминия вводится пластинчатая вторая фаза оксида алюминия для повышения ее прочности и упрочнения, что решает проблемы высокой хрупкости и легкого скола по краям чистого оксида алюминия и увеличивает срок службы силовых подложек.

2. Расходные материалы для шлифовки прецизионных пресс-форм и приспособлений для полупроводниковых изделий: плоская полированная оксидная смола для зеркальной полировки контактных площадок, упаковочных пресс-форм и металлических выводных рамок, с минимальным количеством царапин для обеспечения точности изготовления устройств.

3. Высокоизолирующее и теплопроводящее покрытие : В качестве наполнителя для изолирующего и теплопроводящего покрытия подложки для отвода тепла чипа и корпуса силового устройства используется пластинчатый оксид алюминия, который обеспечивает как изоляцию и отвод тепла, так и устойчивость к атмосферным воздействиям.

Тенденции в отрасли

В сфере силовых полупроводниковых приборов третьего поколения на основе SiC/GaN, автомобильных полупроводников и передовых технологий упаковки (2.5D/3D ИС) наблюдается бурный рост спроса на материалы с высокой теплопроводностью, низким уровнем повреждений и высокими изоляционными свойствами. Пластинчатый оксид алюминия, как альтернативный порошок отечественного производства, постепенно заменяет импортные высококачественные полировальные абразивы и теплопроводящие наполнители, являясь ключевым промежуточным материалом в процессах теплоотвода полупроводников и планарной обработки пластин.

PS: Компания Haixu Abrasives производит пластинчатый оксид алюминия с параметрами, сопоставимыми с параметрами японской компании FUJIMI.

Химический состав

Физические свойства

Распределение частиц по размерам (PSD)