무어의 법칙이 물리적인 한계에 가까워지면서 반도체 산업은 무어보다 더 많은 시대를 향해 빠르게 움직이고 있습니다. 첨단 패키징은 칩 성능을 향상시키는 핵심 경로가 되었습니다.통합 밀도, 에너지 효율성
2.5D/3D 패키징, 칩렛 이질적 통합, 코패키지드 광학 (CPO) 및 고속 대역폭 메모리 (HBM) 스택링과 같은 최첨단 기술에서열 관리 및 구조 안정성시스템 신뢰성에 영향을 미치는 중요한 병목이 되었습니다.
이러한 배경에서 포장재의 선택은 더 이상 전통적인 에포시스 樹脂 또는 실리콘 중재로 제한되지 않습니다.산업은 첨단 무기 물질을 점점 더 탐구하고 있습니다.높은 열전도성,높은 경직성,낮은 다이렉트릭 손실, 그리고우수한 화학적 안정성.
이 자료들 중단일 결정 사피르 또는 α-Al2O3, 서브스트라트 재료로서의 전통적인 역할에서 고급 포장 수송기, 열 관리 구성 요소 및 고성능 구조 부품으로 확장되고 있습니다.뛰어난 종합적인 특성을 가진, 사파이어는 유리 세라믹과 쿼츠 유리와 비교하면 상당한 잠재력을 보여줍니다.
이 기사 는 여러 관점 에서 사피르, 유리 세라믹, 쿼츠 유리 를 체계적 인 비교 를 제공 합니다.열전도성,기계적 강도,탄력 모듈,열 확장 계수,다이렉트릭 성질, 그리고광학 성능또한 첨단 반도체 포장재에서 사파이어의 응용 가치와 기술적 과제를 분석합니다.
사파이어는 α-Al2O3 또는 단일 결정 알루미늄 산화질소이다. 그것은 육각형 밀접한 결정 구조를 가지고 있으며 삼각형 결정 체계에 속한다.
그 결정 구조에서 산소 이온은 대략 육각형의 밀접한 배열을 형성하고, 알루미늄 이온은 여덟자리 간편성 부위의 3분의 2를 차지하고,매우 질서있는 조정 구조를 초래합니다..
사피르에 있는 알로오 결합은 이온 결합과 코발렌트 결합의 조합을 나타냅니다. 이러한 고에너지 결합은 사피르에 매우 높은 녹는점, 우수한 화학적 무력성,그리고 뛰어난 기계적 경직성, 그 우수한 물리적 및 화학적 안정성의 기초를 형성합니다.
현재 큰 크기의 사파이어 잉글리의 주류 생산 과정은 수정된 키로폴로스 방법입니다.
이 방법은 고품질의, 결함이 적은, 용액 알루미늄 산화물에서 큰 크기의 단일 결정의 성장을 가능하게 해 온도 경사 및 당기는 조건을 정확하게 제어합니다.
전통적인 Czochralski 또는 열 교환 방법과 비교하면 수정된 Kyropoulos 방법은 결정 크기, 광학 균일성 및 내부 스트레스 제어에서 장점을 제공합니다. 따라서반도체 수준의 기판 및 고급 포장 수송기 제조에 더 적합합니다..
그림: 수정 된 키로폴로스 방법을 사용하여 사파이어 결정 성장의 계획 도표.
현재 사파이어 웨이퍼의 지름은 8 인치 또는 200 mm에서 12 인치 또는 300 mm까지 고급 포장 요구 사항에 따라 처리 할 수 있습니다. 두께 범위는 일반적으로 0.7mm에서 2mm 이상.
패널 포맷의 경우 100 mm × 100 mm에서 310 mm × 310 mm까지의 크기도 사용자 정의 할 수 있으며 웨이퍼 레벨과 패널 레벨 포장에 대한 다른 요구 사항을 충족시킵니다.
물질의 열전도성은 주로 그 미세 구조와 격자 진동의 에너지 양자인 폰온의 운송 효율에 의해 결정됩니다.
사파이어는 고도로 정렬된 원자 배열과 훌륭한 격자 무결성을 가진 육각형 밀접한 단일 결정 구조를 가지고 있습니다.이것은 폰론에게 더 긴 평균 자유 경로를 제공하고 뛰어난 열 전도성을 가능하게합니다..
반면, 유리 세라믹은 amorphous 유리 매트릭스와 분산된 미세 결정 단계로 구성됩니다.물질 내부의 많은 양의 곡물 경계와 amorphous/crystalline 인터페이스는 주요 폰온 산란 원천으로 작용합니다., 그 효과적 열전도성을 크게 감소시킵니다.
쿼츠 유리는 완전 무형의 이산화 실리콘 네트워크입니다.3가지 중 가장 낮은 열전도성을 가진 물질입니다..
| 소재 | 열 전도성 κ (W/m·K) | 아니소트로피 | 언급 |
|---|---|---|---|
| 사피르 | 30~40 | 네 | 고열전도성 단일 결정 |
| 유리-세라믹 | 10.5 ∼3.5 | 아니 | 리?? 알루미노 실리케이트 시스템과 같은 결정 단계에 달려 있습니다. |
| 쿼츠 유리 | 1.3 ′′1.4 | 아니 | 고순도의 녹은 쿼츠의 전형적 값 |
사파이어의 열전도성은 유리세라믹의 10배 이상이고, 쿼츠 유리보다 약 25배나 높습니다.
가N RF 전력 증폭기 또는 AI 가속기 칩과 같은 100 W/cm2 이상의 열 흐름 밀도를 가진 장치에 대해,타피어를 열을 퍼뜨리는 층이나 포장 기판으로 사용하면 핫스팟 온도를 크게 줄일 수 있습니다.예상되는 결합 온도 감소는 약 15~40°C까지 도달 할 수 있으며, 이로 인해 장치의 신뢰성과 성능 안정성이 크게 향상됩니다.
사파이어의 열전도성은 온도가 증가함에 따라 포론·포론 산란이 증가하기 때문에 감소합니다. 그러나 100~200°C의 전형적인 작동 온도 범위 내에서,사파이어는 여전히 20W/m·K 이상의 열 전도성을 유지할 수 있습니다..
유리-세라믹 및 쿼츠 유리의 열전도성은 온도와 함께 점차적으로 변하지만 절대 값은 낮습니다. 따라서높은 온도 및 높은 전력 애플리케이션에서 활성 열 관리를 위해 사용하기가 어렵습니다..
| 소재 | 비커스 강도 HV (kgf/mm2) | 모스 강도 | 처리 특성 |
| 사피르 | 1800~2200 | 9 | 매우 단단합니다. 자르기, 깎기, 닦기 위해 다이아몬드 도구가 필요합니다. 높은 처리 비용입니다. |
| 유리-세라믹 | 500~700 | 6~7 | 중저한 경도는 정밀 가공과 화학적 발각에 적합합니다. |
| 쿼츠 유리 | 500~600 | 7 | 비교적 단단하지만 깨지기 쉽다. 가공 중에 균열을 방지하기 위해 주의가 필요합니다. |
사파이어는 다이아몬드 다음으로, 모스 경도는 10이고, 실리콘 탄화물은 모스 경도는 9 정도입니다.5매우 높은 표면 경직은 포장 과정과 서비스 조건에서 스크래치와 마모를 효과적으로 방지 할 수 있습니다.
이것은 사파이어를 특히 광적 인터페이스 또는 Ra < 0.5 nm와 같은 초 부드러운 표면을 필요로하는 정밀 결합 표면에 적합하게 만듭니다.
| 소재 | 굽기 강도 (MPa) | 분쇄 강도 KIC (MPa·m1/2) |
| 사피르 | 300~400 | 20.04.0 |
| 유리-세라믹 | 100~250 | 10.0220 |
| 쿼츠 유리 | 50~100 | 00.7 ∼ 0.8 |
사파이어는 본질적으로 부서지기 쉬운 물질이지만, 굽기 강도와 깨지기 강도는 유리-세라믹 및 쿼츠 유리보다 상당히 높습니다.
이것은 얇은 패키지 기판 응용 분야에서 타피어는 열 스트레스 또는 기계적 부하로 인한 구부러짐 및 균열 위험에 더 잘 견딜 수 있음을 의미합니다.
| 소재 | 탄력 모듈 E (GPa) |
| 사피르 | 345~420 |
| 유리-세라믹 | 70~90 |
| 쿼츠 유리 | 72~74 |
사파이어의 높은 탄력 모듈은 기계적 스트레스로 인해 변형이 덜되고 매우 높은 딱딱함을 의미합니다.
멀티 칩 스파킹 또는 열 사이클 도중, 높은 딱딱함은 기판 warpage를 억제하는 데 도움이됩니다.이것은 마이크로 펌프와 하이브리드 결합과 같은 마이크로 레벨의 상호 연결 구조에서 정렬 정확성을 유지하는 데 중요합니다., 따라서 높은 포장 생산량을 달성하는 데 중요합니다.
| 소재 | CTE (×10−6/K, 25~300°C) | 일치 분석 |
| 사피르 | 5~7 | 실리콘과 맞지 않는 게 2개 정도야6구리보다 훨씬 낫습니다. |
| 유리-세라믹 | 3~8 | CTE는 실리콘과 거의 일치하도록 구성 디자인을 통해 정확하게 조정할 수 있으며, 탁월한 열 일치 기능을 제공합니다. |
| 쿼츠 유리 | 0.5 | 극히 낮은 CTE. 그러나 일반적인 반도체 재료 및 금속 상호 연결 층과 크게 다르기 때문에 인터페이스 열 스트레스 관리는 어려울 수 있습니다. |
| 실리콘 | 2.6 | 참고 자료 |
| 구리 | 17 | 비교적 높은 CTE를 가진 일반적인 상호 연결 금속 |
쿼츠 유리의 극저 CTE는 절대적인 차원 안정성을 요구하는 응용 프로그램에서 유리합니다.반도체 포장에 사용되는 다른 재료와 통합하기가 어려울 수 있습니다..
유리 세라믹은 CTE 조율성에서 분명한 이점을 가지고 있습니다. 이것은 리토그래피 기계 단계와 같은 응용 프로그램에 선택되는 주요 이유 중 하나입니다.극히 낮은 열 변형이 필요한 경우.
사파이어의 CTE는 실리콘보다 높습니다. 사파이어를 실리콘 칩과 직접 통합할 때 가장 큰 도전 중 하나입니다.높은 열전도와 높은 딱딱함의 조합으로 사파이어는 시스템 수준에서 온도 필드를 더 효율적으로 균일화 할 수 있습니다.CTE 불일치로 인한 지역 스트레스 농도를 부분적으로 보상합니다.
| 재산 | 사피르 | 유리-세라믹 | 쿼츠 유리 |
| 10GHz에서 상대적 변전수 εr | 90.5115아니소트로프 | 40.57.0 | 3.8 |
| 다이렉트릭 손실 tanδ | < 0.0001 | 0.001 ¥0.01 | < 0.0001 |
| 광적 전송 범위 | 0.15~5.5μm, UV~중간 IR | 주로 가시광선 | 0.2~3.5μm, 깊은 UV에서 IR 가까이 |
| 전기 저항성 | > 1014 Ω·cm | > 1012 Ω·cm | > 1016 Ω·cm |
비록 사파이어는 상대적으로 높은 변압전력을 가지고 있지만 신호 전파 속도를 약간 줄일 수 있지만 매우 낮은 변압전력 손실 또는 tanδ밀리미터파와 테라헤르츠 주파수 범위에서도 매우 낮은 신호 에너지 손실을 가능하게 합니다..
이것은 5G/6G RF 프론트 엔드 모듈과 레이더 패키지에서 중요합니다.
쿼츠 유리 는 낮은 변전력 상수 와 낮은 변전력 손실 을 결합 하여 고성능 RF 장치 에 이상적 인 절연 물질 이 된다. 유리 세라믹 은 상대적으로 높은 변전력 손실 을 가지고 있다.고주파 애플리케이션에서 사용을 제한하는.
사파이어는 자외선에서 중부 적외선까지 광학 전송 창이 넓으며 높은 열전도성을 제공합니다. 이것은 공동 패키지 광학에 이상적인 후보 재료로 만듭니다.레이저를 지원할 수 있습니다., 광학적 경로를 안내하고 동시에 열 분산 문제를 해결하는 데 도움이됩니다.
쿼츠 유리는 깊은 자외선에서 근 적외선으로의 뛰어난 전송을 제공하며 순수 광학 부품을 위한 고전적인 재료입니다.그 열 분산 능력은 여전히 한계입니다..
요구 사항:
공동 패키지 광학은 실리콘 광학 칩, 레이저, 모듈러 및 드라이버 ASIC의 긴밀한 통합을 요구합니다. 패키지 재료는 광학 전송 경로를 제공해야합니다.높은 열전도성, 전기 단열, 그리고 탁월한 표면 평면성.
사파이어 용액:
사피어는 광학 창, 광학 파도 유도 기판 또는 레이저 장착용 열 방조 기판으로 사용될 수 있습니다. 실리콘 광학 칩과 직접 결합함으로써사파이어는 동일한 포장 플랫폼 내에서 광 신호 결합과 효율적인 열 관리를 통합 할 수 있습니다..
도전:
고주파 신호는 다이 일렉트릭 손실에 매우 민감하며, 전력 증폭기는 작동 중에 상당한 열을 발생시킵니다.
사파이어 용액:
극히 낮은 변압전력 손실과 높은 열전도성으로, 사파이어는 라돔 또는 패키지 덮개로 사용될 수 있으며, 전자기 창과 열 관리 구성 요소로 모두 사용됩니다.자피어 위에 GaN HEMT 장치는 이미 상용화되었습니다., 추가 히트 싱크가 필요하지 않고 열 분비를 위해 사피어 기판을 활용합니다.
적용 시나리오:
대표적인 응용 분야는 SiC/GaN 전력 모듈, GPU, CPU 및 기타 고전력 반도체 장치입니다.
사파이어 용액:
사파이어는 상부 통합 열 분산기 또는 포장 기판으로 사용될 수 있습니다. 비록 그것의 열 전도성은 구리 또는 다이아몬드보다 낮지만,그것의 우수한 전기 단열은 그것이 직접 활성 칩 영역에 접촉 할 수 있습니다이것은 종종 상당한 열 저항을 기여하는 추가 방열 다이 일렉트릭 층의 필요성을 제거 할 수 있습니다.따라서 패키지의 전체 열 저항을 줄이는 데 도움이 될 수 있습니다..
프로세스 요구 사항:
50μm 이하의 초느다란 웨이퍼의 백사이드 처리시, 고직성, 높은 평면성, 고온 저항성 및 신뢰할 수 있는 탈결 능력의 임시 운반체가 필요합니다.
사파이어 장점:
사파이어 란 매우 높은 딱딱성으로 인해 가변화 현상을 효과적으로 억제할 수 있습니다.그리고 그것은 플라즈마 에칭과 같은 후속 프로세스를 견딜 수 있습니다.화학 증기 퇴적 및 고온 굽기. 또한 사파이어는 특정 레이저 디보인딩 기술과 호환됩니다.웨이퍼 수준의 고급 포장 프로세스에 유망한 운반 재료로 만듭니다..
사파이어는 상당한 장점에도 불구하고 첨단 포장 용도에 여전히 몇 가지 과제를 직면합니다.
1높은 비용
큰 크기의 단일 결정 사파이어의 성장 및 처리 비용은 특히 200mm 이상에는 유리 기반 재료보다 훨씬 높습니다.
2. 처리하기가 어렵죠.
사파이어 가 매우 단단 하기 때문 에, 사파이어 를 절단, 깎아, 닦는 데는 더 많은 시간, 에너지, 그리고 정밀 한 도구 가 필요 합니다.그 가공 난이도는 일반적인 유리 재료보다 훨씬 높습니다..
3CTE 불일치
사파이어와 실리콘 사이의 열 팽창 계수의 차이는 실리콘 칩과 직접 결합 또는 통합하는 동안 열 스트레스의 주요 원천 중 하나입니다.이 문제는 중간 버퍼 계층을 통해 완화해야 할 수도 있습니다., 유연한 상호 연결, 또는 유한 요소 시뮬레이션 최적화
4. 상대적으로 높은 변압수
100GHz 이상의 극도로 높은 주파수에서, 사파이어 (sapphire) 의 상대적으로 높은 변압 변수는 신호 지연을 일으킬 수 있습니다. 따라서,특정 고주파 애플리케이션에 대한 신중한 설계 타협이 필요합니다..
1이질적인 통합 구조
열전도, CTE 매칭, 전체 비용의 균형을 맞추기 위해 사파이어/실리콘 및 사파이어/글라스 복합 기판을 개발합니다.
2방향 열전도 설계
사파이어의 안이소트로프 열전도성을 활용하여 고열전도성 축 방향으로 열 흐름 경로를 설계하십시오.
3저비용 제조 기술
얇은 필름 사파이어 단열기 (SOS) 및 패턴 된 사파이어 기판 (PSS) 을 첨단 포장 응용 프로그램에서 사용하여 재료 활용도를 향상시키고 비용을 줄이십시오.
4표준화된 프로세스 플랫폼
사파이어 정밀 가공, 금속화, 직접 결합 및 다른 포장 관련 프로세스의 표준화 및 성숙을 촉진합니다.
첨단 패키지가 이질적인 통합, 더 높은 전력 밀도, 더 높은 작동 주파수를 향해 계속 이동함에 따라 재료 과학의 중요성은 점점 더 분명해지고 있습니다.
유리 세라믹과 쿼츠 유리와 비교하면 사파이어는 고급 포장 플랫폼 재료로서 탁월한 잠재력을 보여줍니다.특히 애니소트로프 열 전도성, 우수한 기계적 강도와 딱딱성, 광학 전송 범위가 넓고, 과감한 다이 일렉트릭 손실은 다음 세대의 반도체 포장에 매우 가치가 있습니다.
비용과 가공의 어려움이 대규모 산업 도입에 실질적인 도전으로 남아 있지만, 사파이어는 특수한 재료에서 점차 기술로 발전하고 있습니다.고성능 컴퓨팅, 고주파 통신 및 열 분산, 신호 무결성 및 구조 신뢰성이 중요한 광 전자 통합 시스템사파이어 는 강한 물질적 지원 을 제공할 수 있다.
지속적인 재료 혁신, 프로세스 개발, 시스템 수준의 협업 설계를 통해사파이어는 차세대 첨단 포장재의 핵심 분야에서 점점 더 중요한 역할을 할 것으로 예상됩니다., 현재 성능 병목을 극복하기 위한 단단한 물리적 기반을 제공합니다.
무어의 법칙이 물리적인 한계에 가까워지면서 반도체 산업은 무어보다 더 많은 시대를 향해 빠르게 움직이고 있습니다. 첨단 패키징은 칩 성능을 향상시키는 핵심 경로가 되었습니다.통합 밀도, 에너지 효율성
2.5D/3D 패키징, 칩렛 이질적 통합, 코패키지드 광학 (CPO) 및 고속 대역폭 메모리 (HBM) 스택링과 같은 최첨단 기술에서열 관리 및 구조 안정성시스템 신뢰성에 영향을 미치는 중요한 병목이 되었습니다.
이러한 배경에서 포장재의 선택은 더 이상 전통적인 에포시스 樹脂 또는 실리콘 중재로 제한되지 않습니다.산업은 첨단 무기 물질을 점점 더 탐구하고 있습니다.높은 열전도성,높은 경직성,낮은 다이렉트릭 손실, 그리고우수한 화학적 안정성.
이 자료들 중단일 결정 사피르 또는 α-Al2O3, 서브스트라트 재료로서의 전통적인 역할에서 고급 포장 수송기, 열 관리 구성 요소 및 고성능 구조 부품으로 확장되고 있습니다.뛰어난 종합적인 특성을 가진, 사파이어는 유리 세라믹과 쿼츠 유리와 비교하면 상당한 잠재력을 보여줍니다.
이 기사 는 여러 관점 에서 사피르, 유리 세라믹, 쿼츠 유리 를 체계적 인 비교 를 제공 합니다.열전도성,기계적 강도,탄력 모듈,열 확장 계수,다이렉트릭 성질, 그리고광학 성능또한 첨단 반도체 포장재에서 사파이어의 응용 가치와 기술적 과제를 분석합니다.
사파이어는 α-Al2O3 또는 단일 결정 알루미늄 산화질소이다. 그것은 육각형 밀접한 결정 구조를 가지고 있으며 삼각형 결정 체계에 속한다.
그 결정 구조에서 산소 이온은 대략 육각형의 밀접한 배열을 형성하고, 알루미늄 이온은 여덟자리 간편성 부위의 3분의 2를 차지하고,매우 질서있는 조정 구조를 초래합니다..
사피르에 있는 알로오 결합은 이온 결합과 코발렌트 결합의 조합을 나타냅니다. 이러한 고에너지 결합은 사피르에 매우 높은 녹는점, 우수한 화학적 무력성,그리고 뛰어난 기계적 경직성, 그 우수한 물리적 및 화학적 안정성의 기초를 형성합니다.
현재 큰 크기의 사파이어 잉글리의 주류 생산 과정은 수정된 키로폴로스 방법입니다.
이 방법은 고품질의, 결함이 적은, 용액 알루미늄 산화물에서 큰 크기의 단일 결정의 성장을 가능하게 해 온도 경사 및 당기는 조건을 정확하게 제어합니다.
전통적인 Czochralski 또는 열 교환 방법과 비교하면 수정된 Kyropoulos 방법은 결정 크기, 광학 균일성 및 내부 스트레스 제어에서 장점을 제공합니다. 따라서반도체 수준의 기판 및 고급 포장 수송기 제조에 더 적합합니다..
그림: 수정 된 키로폴로스 방법을 사용하여 사파이어 결정 성장의 계획 도표.
현재 사파이어 웨이퍼의 지름은 8 인치 또는 200 mm에서 12 인치 또는 300 mm까지 고급 포장 요구 사항에 따라 처리 할 수 있습니다. 두께 범위는 일반적으로 0.7mm에서 2mm 이상.
패널 포맷의 경우 100 mm × 100 mm에서 310 mm × 310 mm까지의 크기도 사용자 정의 할 수 있으며 웨이퍼 레벨과 패널 레벨 포장에 대한 다른 요구 사항을 충족시킵니다.
물질의 열전도성은 주로 그 미세 구조와 격자 진동의 에너지 양자인 폰온의 운송 효율에 의해 결정됩니다.
사파이어는 고도로 정렬된 원자 배열과 훌륭한 격자 무결성을 가진 육각형 밀접한 단일 결정 구조를 가지고 있습니다.이것은 폰론에게 더 긴 평균 자유 경로를 제공하고 뛰어난 열 전도성을 가능하게합니다..
반면, 유리 세라믹은 amorphous 유리 매트릭스와 분산된 미세 결정 단계로 구성됩니다.물질 내부의 많은 양의 곡물 경계와 amorphous/crystalline 인터페이스는 주요 폰온 산란 원천으로 작용합니다., 그 효과적 열전도성을 크게 감소시킵니다.
쿼츠 유리는 완전 무형의 이산화 실리콘 네트워크입니다.3가지 중 가장 낮은 열전도성을 가진 물질입니다..
| 소재 | 열 전도성 κ (W/m·K) | 아니소트로피 | 언급 |
|---|---|---|---|
| 사피르 | 30~40 | 네 | 고열전도성 단일 결정 |
| 유리-세라믹 | 10.5 ∼3.5 | 아니 | 리?? 알루미노 실리케이트 시스템과 같은 결정 단계에 달려 있습니다. |
| 쿼츠 유리 | 1.3 ′′1.4 | 아니 | 고순도의 녹은 쿼츠의 전형적 값 |
사파이어의 열전도성은 유리세라믹의 10배 이상이고, 쿼츠 유리보다 약 25배나 높습니다.
가N RF 전력 증폭기 또는 AI 가속기 칩과 같은 100 W/cm2 이상의 열 흐름 밀도를 가진 장치에 대해,타피어를 열을 퍼뜨리는 층이나 포장 기판으로 사용하면 핫스팟 온도를 크게 줄일 수 있습니다.예상되는 결합 온도 감소는 약 15~40°C까지 도달 할 수 있으며, 이로 인해 장치의 신뢰성과 성능 안정성이 크게 향상됩니다.
사파이어의 열전도성은 온도가 증가함에 따라 포론·포론 산란이 증가하기 때문에 감소합니다. 그러나 100~200°C의 전형적인 작동 온도 범위 내에서,사파이어는 여전히 20W/m·K 이상의 열 전도성을 유지할 수 있습니다..
유리-세라믹 및 쿼츠 유리의 열전도성은 온도와 함께 점차적으로 변하지만 절대 값은 낮습니다. 따라서높은 온도 및 높은 전력 애플리케이션에서 활성 열 관리를 위해 사용하기가 어렵습니다..
| 소재 | 비커스 강도 HV (kgf/mm2) | 모스 강도 | 처리 특성 |
| 사피르 | 1800~2200 | 9 | 매우 단단합니다. 자르기, 깎기, 닦기 위해 다이아몬드 도구가 필요합니다. 높은 처리 비용입니다. |
| 유리-세라믹 | 500~700 | 6~7 | 중저한 경도는 정밀 가공과 화학적 발각에 적합합니다. |
| 쿼츠 유리 | 500~600 | 7 | 비교적 단단하지만 깨지기 쉽다. 가공 중에 균열을 방지하기 위해 주의가 필요합니다. |
사파이어는 다이아몬드 다음으로, 모스 경도는 10이고, 실리콘 탄화물은 모스 경도는 9 정도입니다.5매우 높은 표면 경직은 포장 과정과 서비스 조건에서 스크래치와 마모를 효과적으로 방지 할 수 있습니다.
이것은 사파이어를 특히 광적 인터페이스 또는 Ra < 0.5 nm와 같은 초 부드러운 표면을 필요로하는 정밀 결합 표면에 적합하게 만듭니다.
| 소재 | 굽기 강도 (MPa) | 분쇄 강도 KIC (MPa·m1/2) |
| 사피르 | 300~400 | 20.04.0 |
| 유리-세라믹 | 100~250 | 10.0220 |
| 쿼츠 유리 | 50~100 | 00.7 ∼ 0.8 |
사파이어는 본질적으로 부서지기 쉬운 물질이지만, 굽기 강도와 깨지기 강도는 유리-세라믹 및 쿼츠 유리보다 상당히 높습니다.
이것은 얇은 패키지 기판 응용 분야에서 타피어는 열 스트레스 또는 기계적 부하로 인한 구부러짐 및 균열 위험에 더 잘 견딜 수 있음을 의미합니다.
| 소재 | 탄력 모듈 E (GPa) |
| 사피르 | 345~420 |
| 유리-세라믹 | 70~90 |
| 쿼츠 유리 | 72~74 |
사파이어의 높은 탄력 모듈은 기계적 스트레스로 인해 변형이 덜되고 매우 높은 딱딱함을 의미합니다.
멀티 칩 스파킹 또는 열 사이클 도중, 높은 딱딱함은 기판 warpage를 억제하는 데 도움이됩니다.이것은 마이크로 펌프와 하이브리드 결합과 같은 마이크로 레벨의 상호 연결 구조에서 정렬 정확성을 유지하는 데 중요합니다., 따라서 높은 포장 생산량을 달성하는 데 중요합니다.
| 소재 | CTE (×10−6/K, 25~300°C) | 일치 분석 |
| 사피르 | 5~7 | 실리콘과 맞지 않는 게 2개 정도야6구리보다 훨씬 낫습니다. |
| 유리-세라믹 | 3~8 | CTE는 실리콘과 거의 일치하도록 구성 디자인을 통해 정확하게 조정할 수 있으며, 탁월한 열 일치 기능을 제공합니다. |
| 쿼츠 유리 | 0.5 | 극히 낮은 CTE. 그러나 일반적인 반도체 재료 및 금속 상호 연결 층과 크게 다르기 때문에 인터페이스 열 스트레스 관리는 어려울 수 있습니다. |
| 실리콘 | 2.6 | 참고 자료 |
| 구리 | 17 | 비교적 높은 CTE를 가진 일반적인 상호 연결 금속 |
쿼츠 유리의 극저 CTE는 절대적인 차원 안정성을 요구하는 응용 프로그램에서 유리합니다.반도체 포장에 사용되는 다른 재료와 통합하기가 어려울 수 있습니다..
유리 세라믹은 CTE 조율성에서 분명한 이점을 가지고 있습니다. 이것은 리토그래피 기계 단계와 같은 응용 프로그램에 선택되는 주요 이유 중 하나입니다.극히 낮은 열 변형이 필요한 경우.
사파이어의 CTE는 실리콘보다 높습니다. 사파이어를 실리콘 칩과 직접 통합할 때 가장 큰 도전 중 하나입니다.높은 열전도와 높은 딱딱함의 조합으로 사파이어는 시스템 수준에서 온도 필드를 더 효율적으로 균일화 할 수 있습니다.CTE 불일치로 인한 지역 스트레스 농도를 부분적으로 보상합니다.
| 재산 | 사피르 | 유리-세라믹 | 쿼츠 유리 |
| 10GHz에서 상대적 변전수 εr | 90.5115아니소트로프 | 40.57.0 | 3.8 |
| 다이렉트릭 손실 tanδ | < 0.0001 | 0.001 ¥0.01 | < 0.0001 |
| 광적 전송 범위 | 0.15~5.5μm, UV~중간 IR | 주로 가시광선 | 0.2~3.5μm, 깊은 UV에서 IR 가까이 |
| 전기 저항성 | > 1014 Ω·cm | > 1012 Ω·cm | > 1016 Ω·cm |
비록 사파이어는 상대적으로 높은 변압전력을 가지고 있지만 신호 전파 속도를 약간 줄일 수 있지만 매우 낮은 변압전력 손실 또는 tanδ밀리미터파와 테라헤르츠 주파수 범위에서도 매우 낮은 신호 에너지 손실을 가능하게 합니다..
이것은 5G/6G RF 프론트 엔드 모듈과 레이더 패키지에서 중요합니다.
쿼츠 유리 는 낮은 변전력 상수 와 낮은 변전력 손실 을 결합 하여 고성능 RF 장치 에 이상적 인 절연 물질 이 된다. 유리 세라믹 은 상대적으로 높은 변전력 손실 을 가지고 있다.고주파 애플리케이션에서 사용을 제한하는.
사파이어는 자외선에서 중부 적외선까지 광학 전송 창이 넓으며 높은 열전도성을 제공합니다. 이것은 공동 패키지 광학에 이상적인 후보 재료로 만듭니다.레이저를 지원할 수 있습니다., 광학적 경로를 안내하고 동시에 열 분산 문제를 해결하는 데 도움이됩니다.
쿼츠 유리는 깊은 자외선에서 근 적외선으로의 뛰어난 전송을 제공하며 순수 광학 부품을 위한 고전적인 재료입니다.그 열 분산 능력은 여전히 한계입니다..
요구 사항:
공동 패키지 광학은 실리콘 광학 칩, 레이저, 모듈러 및 드라이버 ASIC의 긴밀한 통합을 요구합니다. 패키지 재료는 광학 전송 경로를 제공해야합니다.높은 열전도성, 전기 단열, 그리고 탁월한 표면 평면성.
사파이어 용액:
사피어는 광학 창, 광학 파도 유도 기판 또는 레이저 장착용 열 방조 기판으로 사용될 수 있습니다. 실리콘 광학 칩과 직접 결합함으로써사파이어는 동일한 포장 플랫폼 내에서 광 신호 결합과 효율적인 열 관리를 통합 할 수 있습니다..
도전:
고주파 신호는 다이 일렉트릭 손실에 매우 민감하며, 전력 증폭기는 작동 중에 상당한 열을 발생시킵니다.
사파이어 용액:
극히 낮은 변압전력 손실과 높은 열전도성으로, 사파이어는 라돔 또는 패키지 덮개로 사용될 수 있으며, 전자기 창과 열 관리 구성 요소로 모두 사용됩니다.자피어 위에 GaN HEMT 장치는 이미 상용화되었습니다., 추가 히트 싱크가 필요하지 않고 열 분비를 위해 사피어 기판을 활용합니다.
적용 시나리오:
대표적인 응용 분야는 SiC/GaN 전력 모듈, GPU, CPU 및 기타 고전력 반도체 장치입니다.
사파이어 용액:
사파이어는 상부 통합 열 분산기 또는 포장 기판으로 사용될 수 있습니다. 비록 그것의 열 전도성은 구리 또는 다이아몬드보다 낮지만,그것의 우수한 전기 단열은 그것이 직접 활성 칩 영역에 접촉 할 수 있습니다이것은 종종 상당한 열 저항을 기여하는 추가 방열 다이 일렉트릭 층의 필요성을 제거 할 수 있습니다.따라서 패키지의 전체 열 저항을 줄이는 데 도움이 될 수 있습니다..
프로세스 요구 사항:
50μm 이하의 초느다란 웨이퍼의 백사이드 처리시, 고직성, 높은 평면성, 고온 저항성 및 신뢰할 수 있는 탈결 능력의 임시 운반체가 필요합니다.
사파이어 장점:
사파이어 란 매우 높은 딱딱성으로 인해 가변화 현상을 효과적으로 억제할 수 있습니다.그리고 그것은 플라즈마 에칭과 같은 후속 프로세스를 견딜 수 있습니다.화학 증기 퇴적 및 고온 굽기. 또한 사파이어는 특정 레이저 디보인딩 기술과 호환됩니다.웨이퍼 수준의 고급 포장 프로세스에 유망한 운반 재료로 만듭니다..
사파이어는 상당한 장점에도 불구하고 첨단 포장 용도에 여전히 몇 가지 과제를 직면합니다.
1높은 비용
큰 크기의 단일 결정 사파이어의 성장 및 처리 비용은 특히 200mm 이상에는 유리 기반 재료보다 훨씬 높습니다.
2. 처리하기가 어렵죠.
사파이어 가 매우 단단 하기 때문 에, 사파이어 를 절단, 깎아, 닦는 데는 더 많은 시간, 에너지, 그리고 정밀 한 도구 가 필요 합니다.그 가공 난이도는 일반적인 유리 재료보다 훨씬 높습니다..
3CTE 불일치
사파이어와 실리콘 사이의 열 팽창 계수의 차이는 실리콘 칩과 직접 결합 또는 통합하는 동안 열 스트레스의 주요 원천 중 하나입니다.이 문제는 중간 버퍼 계층을 통해 완화해야 할 수도 있습니다., 유연한 상호 연결, 또는 유한 요소 시뮬레이션 최적화
4. 상대적으로 높은 변압수
100GHz 이상의 극도로 높은 주파수에서, 사파이어 (sapphire) 의 상대적으로 높은 변압 변수는 신호 지연을 일으킬 수 있습니다. 따라서,특정 고주파 애플리케이션에 대한 신중한 설계 타협이 필요합니다..
1이질적인 통합 구조
열전도, CTE 매칭, 전체 비용의 균형을 맞추기 위해 사파이어/실리콘 및 사파이어/글라스 복합 기판을 개발합니다.
2방향 열전도 설계
사파이어의 안이소트로프 열전도성을 활용하여 고열전도성 축 방향으로 열 흐름 경로를 설계하십시오.
3저비용 제조 기술
얇은 필름 사파이어 단열기 (SOS) 및 패턴 된 사파이어 기판 (PSS) 을 첨단 포장 응용 프로그램에서 사용하여 재료 활용도를 향상시키고 비용을 줄이십시오.
4표준화된 프로세스 플랫폼
사파이어 정밀 가공, 금속화, 직접 결합 및 다른 포장 관련 프로세스의 표준화 및 성숙을 촉진합니다.
첨단 패키지가 이질적인 통합, 더 높은 전력 밀도, 더 높은 작동 주파수를 향해 계속 이동함에 따라 재료 과학의 중요성은 점점 더 분명해지고 있습니다.
유리 세라믹과 쿼츠 유리와 비교하면 사파이어는 고급 포장 플랫폼 재료로서 탁월한 잠재력을 보여줍니다.특히 애니소트로프 열 전도성, 우수한 기계적 강도와 딱딱성, 광학 전송 범위가 넓고, 과감한 다이 일렉트릭 손실은 다음 세대의 반도체 포장에 매우 가치가 있습니다.
비용과 가공의 어려움이 대규모 산업 도입에 실질적인 도전으로 남아 있지만, 사파이어는 특수한 재료에서 점차 기술로 발전하고 있습니다.고성능 컴퓨팅, 고주파 통신 및 열 분산, 신호 무결성 및 구조 신뢰성이 중요한 광 전자 통합 시스템사파이어 는 강한 물질적 지원 을 제공할 수 있다.
지속적인 재료 혁신, 프로세스 개발, 시스템 수준의 협업 설계를 통해사파이어는 차세대 첨단 포장재의 핵심 분야에서 점점 더 중요한 역할을 할 것으로 예상됩니다., 현재 성능 병목을 극복하기 위한 단단한 물리적 기반을 제공합니다.
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