經常研究半導體封裝材料的人都知道，low-α的球形氧化硅和球形氧化鋁是高集成度芯片模塑料中技術要求極高的關鍵材料。在粉體圈萬里行近日的走訪行程中，團隊記者帶我們認識了一款不一樣的low-α材料：多面體單晶α氧化鋁。下文一起來探討一下這款材料的在半導體封裝領域的應用潛力。

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一、環氧模塑料里的α粒子

芯片級軟錯誤主要由內存芯片封裝材料中如環氧模塑料、焊錫、基板中所含的微量放射性元素的（如鈾U-238、釷Th-232、鉛Pb-210）衰變釋放α粒子（α射線）引起，這一現象在高密度DRAM、SRAM及以及高可靠性存儲器中尤為顯著，這些高封裝密度的半導體存儲器尤其是DRAM對α粒子極其敏感。為了最大限度減少α粒子的污染，高端DRAM通常需要使用超低α射線封裝材料。

HBM（高帶寬存儲器）：多個DRAM芯片以三維方式堆疊并通過TSV（硅通孔）技術連接

環氧模塑料（EMC）是半導體封裝中最常用的封裝材料，其主要作用是保護芯片、提高機械強度、增強耐熱性和電氣絕緣性。無機填充劑在環氧塑封料中占比60-90%，其選擇對封裝的熱膨脹系數（CTE）、導熱性、機械強度和電氣性能有重要影響。過去二氧化硅是主流填料（導熱率在1.5W/m·K左右），但伴隨著半導體封裝密度的增加，對封裝材料的導熱性有了個更高的要求，具有更高熱導率的氧化鋁填料逐漸被采用（單晶α相氧化鋁在室溫下的熱導率可高達35~40W/m·K）。EMC中的α粒子主要來自無機填料中的U/Th雜質，使用高純度的材料是降低α粒子發射率的重要手段。

在JEDEC（微電子行業開放標準的全球領導者）的標準文件JESD89B定義了α粒子通量的測試方法和標準，并提供了半導體塑封料的α粒子發射率范圍。

半導體器件中各種材料的α粒子發射率范圍

數據來源：JEDEC行業標準JESD89B

U/Th含量與α粒子并非線性關系，目前并沒有一個國際標準直接規定U/Th含量與α粒子釋放率的精確對應關系，參考行業數據可以得出一個大致的經驗性的對照表。

備注：僅供參考

二、工藝相關

低α射線球形氧化鋁的供應商：Admatechs公司采用高純度鋁汽化燃燒法來制備低α射線球形氧化鋁；Denka公司使用專有的高溫熔化技術開發的高度球形的氧化鋁，可提供低α射線球形氧化鋁。

日本住友化學公司的AA系列氧化鋁是一種接近多面體球形的α氧化鋁單晶顆粒，純度4N具有較窄的粒度分布，使用不同的粒度搭配可以獲得高達10W/m·K的熱導率。根據住友公司的技術文檔，這種近乎單分散的α-氧化鋁粉末，使用的是住友公司獨有的In Situ ChemicalVapoi Deposition法（原位化學氣相沉積）：該技術通過在特殊氣氛中通過水合氧化鋁的煅燒在氣相中就地生長晶粒，可制備亞微米到幾微米大小的顆粒，該類產品典型的SEM圖如下。

多面體近球形單晶α氧化鋁（來源：住友化學）

（來源：住友化學）

三、類球形多面體單晶α氧化鋁的優勢

與球形氧化鋁相比，多面體單晶α氧化鋁具有更高比例的α相，因而擁有更高熱導率。此外，球形氧化鋁的顯微結構中含有少量的氣孔和微裂紋，而單晶氧化鋁則由于其較為完美的晶體結構，幾乎不含氣孔和裂紋，可以最大程度的降低聲子散熱，因此能夠更有效地傳導熱量。

此外，多面體單晶類球形α氧化鋁具有十四面體結構，粒子有面面相互接觸的可能，相比于球形氧化鋁的點點接觸，導熱通路更多。特殊工藝制備的多面體單晶氧化鋁具有近球形結構與球形氧化鋁相比流動性稍差，但依然具有較高的流動性。

來源：圖片來源DIC株式會社

參考資料：

1、JEDEC的標準文件JESD89B

2、相關產品供應商公開資料

編輯整理：粉體圈Alpha