经常研究半导体封装材料的人都知道，low-α的球形氧化硅和球形氧化铝是高集成度芯片模塑料中技术要求极高的关键材料。在粉体圈万里行近日的走访行程中，团队记者带我们认识了一款不一样的low-α材料：多面体单晶α氧化铝。下文一起来探讨一下这款材料的在半导体封装领域的应用潜力。

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一、环氧模塑料里的α粒子

芯片级软错误主要由内存芯片封装材料中如环氧模塑料、焊锡、基板中所含的微量放射性元素的（如铀U-238、钍Th-232、铅Pb-210）衰变释放α粒子（α射线）引起，这一现象在高密度DRAM、SRAM及以及高可靠性存储器中尤为显著，这些高封装密度的半导体存储器尤其是DRAM对α粒子极其敏感。为了最大限度减少α粒子的污染，高端DRAM通常需要使用超低α射线封装材料。

HBM（高带宽存储器）：多个DRAM芯片以三维方式堆叠并通过TSV（硅通孔）技术连接

环氧模塑料（EMC）是半导体封装中最常用的封装材料，其主要作用是保护芯片、提高机械强度、增强耐热性和电气绝缘性。无机填充剂在环氧塑封料中占比60-90%，其选择对封装的热膨胀系数（CTE）、导热性、机械强度和电气性能有重要影响。过去二氧化硅是主流填料（导热率在1.5W/m·K左右），但伴随着半导体封装密度的增加，对封装材料的导热性有了个更高的要求，具有更高热导率的氧化铝填料逐渐被采用（单晶α相氧化铝在室温下的热导率可高达35~40W/m·K）。EMC中的α粒子主要来自无机填料中的U/Th杂质，使用高纯度的材料是降低α粒子发射率的重要手段。

在JEDEC（微电子行业开放标准的全球领导者）的标准文件JESD89B定义了α粒子通量的测试方法和标准，并提供了半导体塑封料的α粒子发射率范围。

半导体器件中各种材料的α粒子发射率范围

数据来源：JEDEC行业标准JESD89B

U/Th含量与α粒子并非线性关系，目前并没有一个国际标准直接规定U/Th含量与α粒子释放率的精确对应关系，参考行业数据可以得出一个大致的经验性的对照表。

备注：仅供参考

二、工艺相关

低α射线球形氧化铝的供应商：Admatechs公司采用高纯度铝汽化燃烧法来制备低α射线球形氧化铝；Denka公司使用专有的高温熔化技术开发的高度球形的氧化铝，可提供低α射线球形氧化铝。

日本住友化学公司的AA系列氧化铝是一种接近多面体球形的α氧化铝单晶颗粒，纯度4N具有较窄的粒度分布，使用不同的粒度搭配可以获得高达10W/m·K的热导率。根据住友公司的技术文档，这种近乎单分散的α-氧化铝粉末，使用的是住友公司独有的In Situ ChemicalVapoi Deposition法（原位化学气相沉积）：该技术通过在特殊气氛中通过水合氧化铝的煅烧在气相中就地生长晶粒，可制备亚微米到几微米大小的颗粒，该类产品典型的SEM图如下。

多面体近球形单晶α氧化铝（来源：住友化学）

（来源：住友化学）

三、类球形多面体单晶α氧化铝的优势

与球形氧化铝相比，多面体单晶α氧化铝具有更高比例的α相，因而拥有更高热导率。此外，球形氧化铝的显微结构中含有少量的气孔和微裂纹，而单晶氧化铝则由于其较为完美的晶体结构，几乎不含气孔和裂纹，可以最大程度的降低声子散热，因此能够更有效地传导热量。

此外，多面体单晶类球形α氧化铝具有十四面体结构，粒子有面面相互接触的可能，相比于球形氧化铝的点点接触，导热通路更多。特殊工艺制备的多面体单晶氧化铝具有近球形结构与球形氧化铝相比流动性稍差，但依然具有较高的流动性。

来源：图片来源DIC株式会社

参考资料：

1、JEDEC的标准文件JESD89B

2、相关产品供应商公开资料

编辑整理：粉体圈Alpha