神秘的α阿爾法粒子與電子產品軟錯誤

α粒子（也稱為α射線或α輻射）的動能可達4-9MeV。由于α粒子帶有正電荷，通過物質時極易使其中的原子電離，因此它有很強的電離作用。在阿爾法粒子入射至微電子器件的靈敏區時，會引起半導體器件發生單粒子效應（單粒子翻轉、單粒子鎖定、單粒子燒毀、單粒子柵擊穿等），導致在CPU的指令緩存中引起軟錯誤。由于它對電路的損害不是永久性的，所以這種現象稱為軟失效，同類名詞軟錯誤，軟誤差（軟錯誤通常通過系統重新啟動來解決，因此電子產品軟件崩潰或者數據異常，重啟它會變正常，是有科學根據的！）。在一些重要的應用場合，芯片任何一次軟失效問題都有可能會給系統帶來致命的災難，所以如何應對軟失效問題已經成為各大半導體廠商和芯片應用商共同關心的問題。

α粒子主要來源于在導體器件的各種制造和封裝材料中存在天然放射性元素：主要是痕量的鈾(U)、釷(Th)等雜質，這些材料發射的α粒子可使集成電路發生軟誤差，是造成芯片發生軟失效的主要來源。

▲阿爾法射線是集成電路中軟錯誤的主要來源

上圖α粒子是某些放射性物質衰變時發射出來的粒子，由兩個中子和兩個質子構成，帶正電荷，即He原子核。質量為氫原子的4倍，速度每秒可達兩萬公里。阿爾法粒子擁有一個致密的電荷層，在穿過半導體襯底時將產生多個電子空穴對。如果這種擾動足夠強，它就有可能翻轉某個位。

Low-α射線球形氧化鋁-高端芯片封裝材料

半導體器件具有高密度化和高容量化，因此，受到來自于半導體芯片附近的材料的α射線的影響而發生軟錯誤的危險增多。使用Low-α射線作為封裝材料也顯得非常重要。球形氧化鋁具有優良導熱性，已經成為散熱墊片，固定半導體和半導體裝置部件的絕緣密封材料的基底材料等的侯選填料，在高集成化集成電路、大規模集成電路和超大規模集成電路的樹脂密封材料中使用低α射線指標球形氧化鋁顆粒作為填料（鈾含量為10ppb以下，可以防止半導體元件的故障），特別適于預防由α射線所引起的記憶裝置的操作故障。

據悉Low-α射線球形氧化鋁其技術門檻高，生產難度大，單位售價極高，因此主要應用于特殊用途和高端性能需求的電子封裝材料中，例如國家安全部門的存儲服務器。

在“關于安徽壹石通材料科技股份有限公司向特定對象發行股票申請文件”（2022年）中提到，目前Low-α射線球形氧化鋁全球年需求在1000噸左右，單價在300萬元/噸。近兩年全球市場對Low-α射線球形氧化鋁的確定性需求量約為1，000噸。隨著電子產品對安全性、保密性、精密性要求不斷提高，Low-α射線球形氧化鋁的應用需求將上升（其下游封測市場，全球復合增速在4%，國內在13%）。目前Low-α射線球形氧化鋁市場需求方主要是韓國三星、日本昭和電工和日本住友，主要供應方為日本雅都瑪。

如何獲得Low-α射線球形氧化鋁？

用于半導體元件的封裝材料的球形氧化鋁粉末，具有低阿爾法射線劑量是必要的。換句話說，鈾/釷（氧化鋁中的主要放射性元素）含量必須低（專利文章CN102249276B中提到用于半導體元件的封裝材料的球形氧化鋁粉末中的鈾含量應限制在小于等于10ppb）。由于球形氧化鋁粉末中的鈾含量取決于原料中的鈾含量，因此重要的是使用鈾/釷含量盡可能低以制備具有低鈾含量的球形氧化鋁粉末，或者通過特殊手段除去氧化鋁中的鈾/釷雜質。如下是兩種獲取低鈾/釷含量高純氧化鋁的工藝路線參考。

1、無機酸溶液洗滌

專利文件JPS56164013A中提到了使用無機酸溶解氧化鋁粉體中的放射性元素并除去放射性元素的方法。為了獲得適用于半導體存儲設備的氧化鋁，對煅燒α-氧化鋁進行精細粉碎，并用稀無機酸溶液洗滌粉碎的晶體，以洗脫鈾和釷在無機酸溶液中，隨后氧化鋁通過固液分離從無機酸溶液中分離出來。硝酸作為無機酸最有效，其次是硫酸。然后用純水充分洗滌所得分離的氧化鋁并干燥。類似的，其他工藝路線得到的氧化鋁理論上也可以采用酸洗的方式除去放射性元素。

2、高純金屬燃燒法

專利文件JPH1192136A中提出了一種使用高純金屬鋁制備Low-α射線球形氧化鋁的方法，將高純鋁在高純石墨坩堝中熔化并霧化生產含鈾（U）和釷（Th）低于1ppb的鋁粉，將鋁粉通入含氧氣流燃燒，得到平均粒徑為0.4μm～30μm、α射線劑量可低至0.001C/cm2?hr的氧化鋁粉。改工藝的關鍵材料是高純金屬、高純石墨坩堝、高純霧化氣體，以及無污染氧化氣體。

VMC （汽化金屬燃燒法）法最初由 Admatechs 開發，是一種利用金屬粉末的爆燃來產生球形氧化物顆粒的方法，冷卻后，生成細小的氧化物顆粒，即“ADMAFINE 球形顆粒”。球形顆粒也可以用復合氧化物和單一氧化物生產。金屬在高溫下汽化氧化，產生的氧化熱用于汽化后續金屬，過程節能、不產生有害副產物。

參考來源：

[1]趙樂，王子歐，張立軍.α粒子注入對SRAM存儲單元的影響研究[J].微電子學，

[2]關于安徽壹石通材料科技股份有限公司向特定對象發行股票申請文件

粉體圈編輯：Alpha

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