神秘的α阿尔法粒子与电子产品软错误

α粒子（也称为α射线或α辐射）的动能可达4-9MeV。由于α粒子带有正电荷，通过物质时极易使其中的原子电离，因此它有很强的电离作用。在阿尔法粒子入射至微电子器件的灵敏区时，会引起半导体器件发生单粒子效应（单粒子翻转、单粒子锁定、单粒子烧毁、单粒子栅击穿等），导致在CPU的指令缓存中引起软错误。由于它对电路的损害不是永久性的，所以这种现象称为软失效，同类名词软错误，软误差（软错误通常通过系统重新启动来解决，因此电子产品软件崩溃或者数据异常，重启它会变正常，是有科学根据的！）。在一些重要的应用场合，芯片任何一次软失效问题都有可能会给系统带来致命的灾难，所以如何应对软失效问题已经成为各大半导体厂商和芯片应用商共同关心的问题。

α粒子主要来源于在导体器件的各种制造和封装材料中存在天然放射性元素：主要是痕量的铀(U)、钍(Th)等杂质，这些材料发射的α粒子可使集成电路发生软误差，是造成芯片发生软失效的主要来源。

▲阿尔法射线是集成电路中软错误的主要来源

上图α粒子是某些放射性物质衰变时发射出来的粒子，由两个中子和两个质子构成，带正电荷，即He原子核。质量为氢原子的4倍，速度每秒可达两万公里。阿尔法粒子拥有一个致密的电荷层，在穿过半导体衬底时将产生多个电子空穴对。如果这种扰动足够强，它就有可能翻转某个位。

Low-α射线球形氧化铝-高端芯片封装材料

半导体器件具有高密度化和高容量化，因此，受到来自于半导体芯片附近的材料的α射线的影响而发生软错误的危险增多。使用Low-α射线作为封装材料也显得非常重要。球形氧化铝具有优良导热性，已经成为散热垫片，固定半导体和半导体装置部件的绝缘密封材料的基底材料等的侯选填料，在高集成化集成电路、大规模集成电路和超大规模集成电路的树脂密封材料中使用低α射线指标球形氧化铝颗粒作为填料（铀含量为10ppb以下，可以防止半导体元件的故障），特别适于预防由α射线所引起的记忆装置的操作故障。

据悉Low-α射线球形氧化铝其技术门槛高，生产难度大，单位售价极高，因此主要应用于特殊用途和高端性能需求的电子封装材料中，例如国家安全部门的存储服务器。

在“关于安徽壹石通材料科技股份有限公司向特定对象发行股票申请文件”（2022年）中提到，目前Low-α射线球形氧化铝全球年需求在1000吨左右，单价在300万元/吨。近两年全球市场对Low-α射线球形氧化铝的确定性需求量约为1，000吨。随着电子产品对安全性、保密性、精密性要求不断提高，Low-α射线球形氧化铝的应用需求将上升（其下游封测市场，全球复合增速在4%，国内在13%）。目前Low-α射线球形氧化铝市场需求方主要是韩国三星、日本昭和电工和日本住友，主要供应方为日本雅都玛。

如何获得Low-α射线球形氧化铝？

用于半导体元件的封装材料的球形氧化铝粉末，具有低阿尔法射线剂量是必要的。换句话说，铀/钍（氧化铝中的主要放射性元素）含量必须低（专利文章CN102249276B中提到用于半导体元件的封装材料的球形氧化铝粉末中的铀含量应限制在小于等于10ppb）。由于球形氧化铝粉末中的铀含量取决于原料中的铀含量，因此重要的是使用铀/钍含量尽可能低以制备具有低铀含量的球形氧化铝粉末，或者通过特殊手段除去氧化铝中的铀/钍杂质。如下是两种获取低铀/钍含量高纯氧化铝的工艺路线参考。

1、无机酸溶液洗涤

专利文件JPS56164013A中提到了使用无机酸溶解氧化铝粉体中的放射性元素并除去放射性元素的方法。为了获得适用于半导体存储设备的氧化铝，对煅烧α-氧化铝进行精细粉碎，并用稀无机酸溶液洗涤粉碎的晶体，以洗脱铀和钍在无机酸溶液中，随后氧化铝通过固液分离从无机酸溶液中分离出来。硝酸作为无机酸最有效，其次是硫酸。然后用纯水充分洗涤所得分离的氧化铝并干燥。类似的，其他工艺路线得到的氧化铝理论上也可以采用酸洗的方式除去放射性元素。

2、高纯金属燃烧法

专利文件JPH1192136A中提出了一种使用高纯金属铝制备Low-α射线球形氧化铝的方法，将高纯铝在高纯石墨坩埚中熔化并雾化生产含铀（U）和钍（Th）低于1ppb的铝粉，将铝粉通入含氧气流燃烧，得到平均粒径为0.4μm～30μm、α射线剂量可低至0.001C/cm2▪hr的氧化铝粉。改工艺的关键材料是高纯金属、高纯石墨坩埚、高纯雾化气体，以及无污染氧化气体。

VMC （汽化金属燃烧法）法最初由 Admatechs 开发，是一种利用金属粉末的爆燃来产生球形氧化物颗粒的方法，冷却后，生成细小的氧化物颗粒，即“ADMAFINE 球形颗粒”。球形颗粒也可以用复合氧化物和单一氧化物生产。金属在高温下汽化氧化，产生的氧化热用于汽化后续金属，过程节能、不产生有害副产物。

参考来源：

[1]赵乐，王子欧，张立军.α粒子注入对SRAM存储单元的影响研究[J].微电子学，

[2]关于安徽壹石通材料科技股份有限公司向特定对象发行股票申请文件

粉体圈编辑：Alpha

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