Что представляет собой реформа в силиконовой электронной полупроводниковой промышленности?

Semiconductor materials are at the heart of modern electronics, and as technology continues to advance, so do the performance requirements for semiconductor materials. Moore’s Law is facing the physical limit of the challenge today, the semiconductor industry is experiencing a full range of changes from material innovation to packaging technology. What is the reform of silicone electronics semiconductor industry?

Благодаря своим уникальным физико-химическим свойствам, силиконовые материалы постепенно демонстрируют широкие перспективы применения в полупроводниковой отрасли, включая их использование в упаковочных материалах, вспомогательных веществах для фоторезистов, органических оптоэлектронных устройствах и т.д., что переосмысляет парадигму проектирования и производства полупроводниковых приборов. От упаковки чипов до гибкой электроники, от базовых станций 5G до квантовых компьютеров — органосиликоновые полимерные материалы расширяют границы полупроводниковых технологий с темпами роста рынка более 12% в год.

Следующие пять аспектов применения силикона в электронной и полупроводниковой промышленности:

• Каковы свойства силиконового материала?
• Каковы преимущества силиконов?
• Каково применение силикона в полупроводниках?
• Какие существуют проблемы применения силикона в полупроводниковых устройствах?
• Как улучшить характеристики силикона?

1. Каковы особенности силиконовых материалов?

(1) Преимущества молекулярной структуры

Основная цепь силикона (полисилоксана) состоит из чередующихся связей кремний-кислород с энергией связи до 452 кДж/моль, что обеспечивает более высокую термостабильность по сравнению с традиционными полимерами на углеродной основе (энергия связи C-C составляет 348 кДж/моль). Пространственный стерический эффект метильной боковой цепи обуславливает температуру стеклования (Tg) всего -120°C℃, а его модуль упругости остаётся стабильным в диапазоне до -50°C℃ до 250℃, что идеально соответствует требованиям полупроводниковых устройств, работающих в широком диапазоне температур.

(2) Прорыв в диэлектрических свойствах

Благодаря введению функциональных групп, таких как фенильная, диэлектрическая проницаемость силикона может регулироваться в диапазоне 2,3-3,2 (1 МГц), а тангенс угла диэлектрических потерь составляет менее 0,001.

(3) Инновация в области управления теплом

Технология допирования наноразмерным нитридом бора позволяет теплопроводности силиконовых термоинтерфейсных материалов (TIM) превысить 8 Вт/м·К.

2. Каковы преимущества силикона?

Силиконовые материалы обеспечивают многогранную защиту полупроводниковых устройств, главным образом в следующих областях:

(1) Защита с помощью электроизоляции

Silicone materials have excellent electrical insulation properties, and can effectively prevent the semiconductor device in the high voltage and high current conditions of the electrical breakdown phenomenon. Its high dielectric strength and volume resistivity can protect the chip terminal passivation layer and the device’s internal electric field concentration location of the insulation.

(2) Защита от высоких и низких температур

Силиконовые материалы способны сохранять стабильные характеристики при экстремальных температурах, их температурный диапазон для длительного использования обычно составляет от -50 ℃ до 220 градусов ℃. Эта характеристика термостойкости позволяет полупроводниковым устройствам правильно работать в условиях высоких или низких температур, избегая повреждений от термоусталости, вызванных перепадами температур.

(3) Защита от влаги, пыли и коррозии

Силиконовые материалы обладают хорошей гидрофобностью и водоотталкивающими свойствами, способны эффективно предотвращать проникновение влаги и пыли внутрь корпуса, защищая таким образом полупроводниковое устройство от воздействия окружающей среды. Кроме того, их химическая стойкость позволяет противостоять воздействию обычных химических веществ, продлевая срок службы устройства.

(4) Амортизация и защита от ударов

Силиконовые материалы мягкие и обладают хорошей ударопрочностью и амортизацией. Их низконапряженные характеристики позволяют снизить давление на кристалл в процессе инкапсуляции, защищая чип от механических повреждений.

(5) Отсутствие образования побочных продуктов

В процессе отверждения силиконовый гель (особливо литьевой силиконовый гель) не образует побочных продуктов, что позволяет избежать проблем с пузырьками и усадкой, вызванных побочными продуктами. Это даёт ему значительное преимущество при высокоточном инкапсулировании и может повысить надёжность герметизации.

(6) Сильная адгезия

Силиконовые материалы обладают хорошей адгезией и низкой вязкостью к различным материалам (таким как металлы, пластики, керамика и т.д.), что обеспечивает прочное соединение между инкапсулирующим материалом, кристаллом и подложкой, повышая тем самым общую стабильность корпуса.

(7) Самовосстановление

Силиконовые материалы обладают способностью к самовосстановлению и могут в определённой степени восстанавливаться после повреждений, вызванных механическим или термическим напряжением. Эта характеристика помогает дополнительно повысить надёжность и срок службы полупроводниковых устройств.

(8) Прозрачность и оптические свойства

Силиконовые материалы обладают хорошей прозрачностью и подходят для применений, требующих оптических свойств, например, для упаковки светодиодов. Их высокий коэффициент пропускания и показатель преломления могут эффективно улучшить производительность оптоэлектронных устройств.

(9) Экологичность

Силиконовые материалы экологичны в производстве и использовании, что соответствует современным требованиям электронного производства к охране окружающей среды.

(10) Настраиваемый

Силиконовые материалы могут быть адаптированы к различным потребностям в упаковке путем корректировки состава и технологии, например, регулировки их вязкости, времени отверждения, теплопроводности и так далее. Эта настраиваемость позволяет адаптироваться к различным сложным технологиям полупроводниковой упаковки.

3. Применение силикона в полупроводниковой электронике?

3.1 Силикон в полупроводниковой упаковке

(1) Упаковочные материалы: Электронный силиконовый герметик обладает превосходными электроизоляционными свойствами, термостойкостью и механической стабильностью, широко используется в полупроводниковой упаковке и других электронных сборках. Например, в упаковке IGBT (биполярный транзистор с изолированным затвором) силиконовый герметик-клей обеспечивает изоляцию, виброзащиту, быстрый процесс отверждения и изоляцию от внешних агрессивных сред, таких как влага, воздух и т.д., защищая чип IGBT в электронных системах.

Смола XJY-8205 MQ является продуктом совместного гидролиза тетраалкоксисилана (Q-единица) и триметилалкоксисилана (M-единица). Может использоваться в качестве упрочняющего материала в герметизирующих составах и оказывает антивибрационное и изолирующее действие.

(2) Вспомогательные материалы для фоторезистов: в фотолитографическом процессе при производстве полупроводников силикон используется в качестве материалов Si-BARC (кремнийсодержащее антиотражающее покрытие). Покрытие, наносимое конформным методом между поверхностью Si-подложки и фоторезистом, может уменьшить отражение света под поверхностью фоторезиста, благодаря чему большая часть энергии в процессе экспонирования поглощается фоторезистом, что повышает точность и оптические характеристики фотолитографического процесса.

3.2 Силикон в органических фотовольтаических устройствах

(1) Органические солнечные элементы: из силиконовых материалов можно изготавливать тонкие пленки, и, используя их полупроводниковые свойства, производить органические солнечные элементы для электронного оборудования. Эти элементы обладают такими преимуществами, как низкая стоимость, малый вес, гибкость и т.д., и подходят для применения в крупномасштабных системах солнечной энергетики.

(2) Органические светодиоды (OLED): силиконовые материалы также имеют важные применения в органических светодиодах. Путем оптимизации структуры и свойств силикона можно повысить световую отдачу и стабильность органических светодиодов.

(3) Органические тонкопленочные транзисторы: органосиликоновые тонкопленочные транзисторы можно использовать для изготовления гибких дисплеев и прозрачных электронных устройств. По сравнению с традиционными кремниевыми транзисторами, силиконовые тонкопленочные транзисторы обладают лучшей гибкостью и прозрачностью, что соответствует будущим требованиям к тонким, легким и гибким электронным продуктам.

3.3 Силикон в других полупроводниковых областях

(1) Оптические датчики: силиконовые материалы также используются в производстве оптических датчиков. Их хорошие оптические свойства и стабильность позволяют применять их для изготовления высокоточных оптических датчиков.

(2) Блок подсветки ЖК-дисплеев: при изготовлении блока подсветки ЖК-дисплеев силикон используется в качестве материала отражающего и светорассеивающего слоев, что позволяет повысить яркость и равномерность дисплея.

Полиметилсилсесквиоксан XJY-801 (сферический силиконовый смоляной порошок) может широко применяться в высококачественных прозрачных светильниках из ПК, плафонах, лайтбоксах, светорассеивающих панелях для ЖК-дисплеев и т.д. Это ультратонкий сферический порошковый материал, обладающий как органическими, так и неорганическими характеристиками, имеющий форму трехмерной сетчатой сферы, с хорошими оптическими свойствами, диспергируемостью, смазывающей способностью, термостойкостью и превосходным шелковистым тактильным ощущением.

4. Каковы вызовы для силикона в полупроводниковых применениях?

(1) Стабильность характеристик: Хотя силиконовые материалы обладают множеством преимуществ, в условиях высоких температур, высокой влажности и других экстремальных сред стабильность их характеристик по-прежнему требует дальнейшего улучшения.

(2) Чистота материала: применения в полупроводниковой промышленности требуют высокой чистоты материалов, поэтому контроль чистоты силиконовых материалов представляет собой сложную задачу.

5. Как улучшить характеристики силикона?

Силиконовые технологии демонстрируют широкие перспективы применения в полупроводниковой области благодаря своим физическим свойствам. От материалов для инкапсуляции до органических оптоэлектронных устройств – применение силикона для развития полупроводниковой промышленности и электронных компонентов (телефонов) открывает новые идеи и методы. Как повысить конкурентоспособность продуктов?

XJY Silicones – один из ведущих производителей силиконовых MQ-смол и VMQ-силиконов в Китае, имеющий более чем 30-летний опыт исследований, разработок и производства в силиконовой отрасли, а также более 15 связанных патентов и техническую поддержку. Наша продукция из сырья силикона может удовлетворять потребности области электронных силиконов и поддерживать предоставление диверсифицированных индивидуальных решений.