Applications de l’oxyde d’aluminium en plaquettes dans l’industrie des semi-conducteurs

Applications de l’oxyde d’aluminium en plaquettes dans l’industrie des semi-conducteurs

L’oxyde d’aluminium en plaquettes désigne des particules plates, à bords lisses et dont le rapport d’aspect est contrôlable (10 à 150:1). Il se caractérise par une dureté élevée, une excellente isolation, une conductivité thermique élevée, une inertie chimique et une faible résistance aux rayures. Il trouve des applications dans cinq domaines principaux : le meulage et le polissage des plaquettes, l’isolation thermique des boîtiers, les substrats pour dispositifs de puissance, les pièces céramiques des équipements pour semi-conducteurs et le remplissage des suspensions diélectriques. C’est un matériau en poudre essentiel pour les procédés avancés et les semi-conducteurs de troisième génération.

I. Traitement des plaquettes : Rectification et CMP (Polissage chimico-mécanique)

1. Dégrossissage des substrats en silicium/carbure de silicium/saphir, avec amincissement de la face arrière.

Ébauche des plaquettes de silicium après découpe : oxyde d’aluminium en plaquettes de 1 à 5 µm pour éliminer rapidement la couche endommagée par la découpe ; la découpe par glissement de particules plates réduit les microfissures sur le bord de la plaquette de silicium, réduit le gauchissement et le taux de fragmentation de la plaquette et améliore le rendement.

Amincissement ultra-mince des plaquettes de circuits intégrés 3D : l’oxyde d’aluminium en plaquettes amincit la plaquette à 50-100 µm ; comparée au corindon sphérique/à angles vifs, la couche endommagée sous la surface est plus mince, ce qui convient au processus de traversée de silicium TSV ; la formule à haute pureté et faible teneur en sodium (Na < 1 ppm) évite la contamination des interconnexions en cuivre.

Substrats semi-conducteurs de troisième génération (SiC/GaN/saphir) : Le carbure de silicium et le saphir ont une dureté extrêmement élevée et leur morphologie plate réduit considérablement les rayures et les piqûres de surface, ce qui les rend adaptés au prétraitement miroir avant l’épitaxie des dispositifs de puissance.

2. Abrasif à noyau pour suspension de polissage CMP

1. Polissage des interconnexions métalliques (couche barrière cuivre/tungstène Ta/TaN) : L’abrasif courant pour le CMP des câbles en cuivre, l’oxyde d’aluminium en plaquettes combiné à l’oxydant H₂O₂ ; les particules plates coupent uniformément, le taux d’enlèvement de métal peut être contrôlé et les dépressions en forme de coupelle et les défauts de corrosion sont réduits.

2. Polissage STI d’isolation de tranchée peu profonde : l’oxyde d’aluminium en plaquettes est composé avec du SiO₂ colloïdal pour contrôler le rapport de sélectivité de polissage oxyde de silicium/nitrure de silicium ; les particules plates assurent une planéité globale et évitent les rayures sur les parois latérales de la tranchée.

3. Polissage de fenêtres en saphir / plaquettes optiques : La suspension de polissage alcaline à base d’oxyde d’aluminium en plaquettes est très stable et recyclable ; elle permet d’obtenir un taux d’enlèvement élevé tout en maintenant une rugosité nanométrique Ra < 0,5 nm, ce qui la rend adaptée au polissage des fenêtres de photolithographie et des substrats de saphir LED en production de masse.

II. Conditionnement des semi-conducteurs : matériau de remplissage isolant à haute conductivité thermique 

La structure bidimensionnelle de l’oxyde d’aluminium en plaquettes constitue son principal atout : le contact entre les feuillets facilite la création d’un chemin de conduction thermique continu au sein de la résine. À taux de remplissage égal, la conductivité thermique est nettement supérieure à celle de l’alumine sphérique, tout en conservant une excellente isolation électrique et une faible dilatation thermique, compatibles avec le substrat de la puce.

1. Matériaux d’interface thermique (TIM) (pads thermiques / graisse thermique / gel thermique)

L’oxyde d’aluminium en plaquettes est utilisé pour la dissipation de la chaleur dans les processeurs, les GPU, les IGBT, les modules de puissance SiC et les puces RF 5G.

Charge d’oxyde d’aluminium en plaquettes : Augmente la conductivité thermique du silicone à 1,5~4 W/m・K ;

La formulation composite (oxyde d’aluminium en plaquettes + oxyde d’aluminium sphérique) : les petites sphères remplissent les espaces entre les couches lamellaires, améliorant la conductivité thermique de plus de 25 %, tout en équilibrant une conductivité thermique élevée avec la fluidité de la suspension ; l’alumine plate offre une isolation élevée, une résistance aux hautes et basses températures et une résistance à la tension, répondant aux exigences d’isolation haute tension des dispositifs de puissance.

2. Composés d’enrobage époxy, composés de moulage et charges

Résine époxy pour dispositifs de puissance et conditionnement de puces automobiles avec ajout d’oxyde d’aluminium en plaquettes :

1. Améliorer la conductivité thermique globale et dissiper rapidement la chaleur Joule de la puce ;

2. Ajuster le coefficient de dilatation thermique (CTE) du matériau composite pour correspondre au silicium/carbure de silicium et réduire la fissuration par délamination pendant les cycles thermiques ;

3. Une isolation élevée et de faibles impuretés ioniques empêchent les fuites et la corrosion électrochimique pendant l’encapsulation ;

4. Il peut remplacer une partie du nitrure de bore et du nitrure d’aluminium, réduisant ainsi considérablement le coût des matériaux d’emballage haut de gamme.

3. Colle de remplissage du fond

Boîtiers Flip Chip BGA et FCBGA remplis d’oxyde d’aluminium en plaquettes : l’oxyde d’aluminium en plaquettes améliore la conductivité thermique de la couche adhésive, tout en renforçant la résistance mécanique et la résistance aux chocs thermiques du film adhésif.

III. Circuits à couches épaisses/couches minces, oxyde d’aluminium en plaquettes rempli de pâte diélectrique

1. Pâte diélectrique pour substrat céramique DBC/AMB

Substrats en céramique d’alumine pour modules de puissance IGBT et SiC, avec ajout d’oxyde d’aluminium en plaquettes de taille micrométrique à la pâte diélectrique :

Améliorer la densité et la résistance à la flexion des substrats céramiques ; les cristaux en forme de plaques permettent la déviation des fissures et le renforcement, inhibant ainsi la rupture du substrat par cyclage thermique.

L’ajustement de la constante diélectrique et de la tension de tenue d’isolation améliore la stabilité radiofréquence du substrat ;

Optimisez les propriétés de nivellement de la pâte pour obtenir une surface plus lisse après impression.

2. Circuits à couches épaisses haute température (RF, puces de capteurs)

Résistances imprimées et charges de couche diélectrique isolante : l’oxyde d’aluminium en plaquettes améliore la densité du film, la conductivité thermique et la fiabilité de l’isolation, et réduit la perte de signal haute fréquence.

IV. Composants structuraux en céramique d’alumine pour équipements semi-conducteurs (céramique d’oxyde d’aluminium à plaquettes denses)

1. Plaque d’électrode supérieure de la machine de gravure plasma : isole les électrodes radiofréquence et résiste au bombardement plasma fluor/chlore ; haute résistance à la corrosion plasma, isolation élevée, faible déformation thermique, stabilité dimensionnelle à 200~500℃ et précision d’usinage ±0,01 mm.

2. Fenêtre diélectrique de cavité, feuille d’isolation isolante, support de plaquette : isole le plasma, isole l’énergie radiofréquence, assure un transfert de chaleur uniforme et protège les composants métalliques de l’équipement contre la corrosion par ions de haute énergie.

V. Autres applications sous-semi-conducteurs

1. Phase de renforcement céramique du support de puce / dissipation de chaleur : Une seconde phase d’oxyde d’aluminium en plaquettes est introduite dans la céramique d’alumine pour la renforcer et la durcir, résolvant ainsi les problèmes de fragilité élevée et d’écaillage facile des bords de l’alumine pure, et améliorant la durée de vie des substrats de puissance.

2. Consommables de rectification de moules et gabarits de précision pour semi-conducteurs : oxyde d’aluminium Flatelet pour le polissage miroir des cartes de sondes, des moules d’emballage et des cadres de connexion métalliques, avec de faibles rayures pour garantir la précision du dispositif.

3. Revêtement à haute isolation et conductivité thermique : Le matériau de remplissage du revêtement isolant et thermoconducteur du substrat de dissipation thermique de la puce et de l’enveloppe du dispositif de puissance est de l’oxyde d’aluminium en plaquettes, qui prend en compte à la fois l’isolation et la dissipation de chaleur ainsi que la résistance aux intempéries.

Tendances du secteur

La demande en matériaux à haute conductivité thermique, faible endommagement et haute isolation est en plein essor pour les dispositifs de puissance SiC/GaN de troisième génération, les semi-conducteurs automobiles et l’encapsulation avancée (circuits intégrés 2,5D/3D). L’oxyde d’aluminium en plaquettes, poudre alternative produite localement, remplace progressivement les abrasifs de polissage haut de gamme et les charges thermoconductrices importés, et constitue un matériau d’étape clé dans la dissipation thermique des semi-conducteurs et la planarisation des plaquettes.

PS : Haixu Abrasives produit de l’oxyde d’aluminium en plaquettes avec des paramètres comparables à ceux de FUJIMI au Japon.

Composition chimique

Propriétés physiques

PSD (Distribution granulométrique)