Silica micropoeder is een hoogwaardig anorganisch niet-metalen materiaal. Het wordt voornamelijk gewonnen uit natuurlijk of gesmolten kwarts door middel van nauwkeurige processen zoals breken, malen, magnetische scheiding, flotatie en zuurwassen. Het heeft een fijne deeltjesgrootte, chemische stabiliteit, uitstekende diëlektrische eigenschappen, een groot oppervlak en een hoge thermische geleidbaarheid. Het speelt een cruciale rol in industrieën zoals de elektronica, chemie, farmacie, keramiek en precisiegieten. Recentelijk is silica micropoeder onmisbaar geworden in geavanceerde sectoren zoals de lucht- en ruimtevaart en de verpakking van geïntegreerde schakelingen.
Stereotypen doorbreken
Silicamicropoeder is een veelgebruikt industrieel additief dat wordt gebruikt voor verdikking, versterking of slijtvastheid in coatings en vulmiddelen.
Het wordt verkregen door het vermalen en zuiveren van natuurlijk of gesmolten kwarts. De deeltjesgrootte is minuscuul en wordt doorgaans gemeten in micrometers (μm) of zelfs nanometers (nm).
Het is echter juist dit materiaal dat een opmerkelijke transformatie heeft ondergaan van een ondersteunende rol naar een hoeksteen binnen de elektronische informatie-industrie, met name op het gebied van chipverpakkingen. Chipverpakking is de cruciale stap die de kwetsbare chipkern beschermt en elektrische verbindingen met de buitenwereld tot stand brengt. De kern van het verpakkingsmateriaal is een composietmateriaal dat bekend staat als "Epoxy Molding Compound" (EMC). Dit vormt het primaire vulmateriaal in dit composiet en is goed voor een aanzienlijk deel (80% tot 90%) van de inhoud. In wezen bestaat de zwarte chipbehuizing die we zien voornamelijk uit microsilicapoeder.
Drie kernfuncties
Koelmiddel: de temperatuur van de chip bepalen
NVIDIA's GPU's, van H100 tot B200, maken gebruik van CoWoS-verpakkingstechnologie. Deze technologie integreert meerdere chips dicht op elkaar in één behuizing, waardoor de systeemprestaties en energie-efficiëntie aanzienlijk worden verbeterd. Naarmate het GPU-vermogen toeneemt, vereist de integratie van meerdere chips op een silicium interposer extreem veel koeling. Als warmte niet snel kan worden afgevoerd, leidt dit tot prestatievermindering (thermische throttling) of zelfs tot chipfalen. Pure epoxyhars heeft een zeer slechte thermische geleidbaarheid, vergelijkbaar met een warme deken. Door de hars te vullen met hoogzuiver silica-micropoeder ontstaan efficiënte warmtegeleidingspaden, waardoor de door de chipkern gegenereerde warmte snel naar de buitenmantel wordt overgebracht voor afvoer, zodat de chip efficiënt werkt binnen een veilig temperatuurbereik.
Stabilisator: tegengaan van thermische uitzetting en krimpspanning
Chips bestaan uit verschillende materialen (silicium, metaal, kunststof), elk met een verschillende thermische uitzettingscoëfficiënt (CTE). Tijdens spanningscycli en temperatuurschommelingen genereren de verschillende uitzetting en krimp van deze materialen aanzienlijke interne spanningen, waardoor de interne metalen circuits van de chip, die honderden keren dunner zijn dan een mensenhaar, kunnen breken. Het gebruik van silica-micropoeder als vulstof in EMC biedt duidelijke voordelen. De hoge zuiverheid en lage radioactiviteit verminderen effectief de lineaire uitzettingscoëfficiënt en krimp van de verbinding tijdens het uitharden, terwijl tegelijkertijd de mechanische sterkte en isolatie-eigenschappen worden verbeterd. De toevoeging van silica-micropoeder verlaagt de totale CTE van de EMC aanzienlijk, waardoor deze beter compatibel is met de siliciumchip, het leadframe, enz. Het fungeert als een "buffer" die effectief spanning absorbeert en verspreidt, waardoor de structurele integriteit en de betrouwbaarheid van de chip op lange termijn onder zware omstandigheden worden gewaarborgd.
Versterkend skelet: verbetering van de mechanische sterkte van verpakkingen
Ongevulde epoxyhars is relatief zacht en gevoelig voor vervorming. Het dient als de primaire functionele vulstof in EMC en is goed voor meer dan 90% van alle vulstoffen. De toepassing ervan verbetert de hardheid, sterkte en modulus van de behuizing aanzienlijk, waardoor deze bestand is tegen externe fysieke schokken, trillingen en druk – als een stevig "pantser" dat de interne chip beschermt.
Niet alle silica-micropoeder is hetzelfde
Niet alle silica-micropoeder is echter geschikt als levensader voor chips. Gewoon industrieel silica-micropoeder bevat aanzienlijke metaalverontreinigingen die de elektrische prestaties van de chip ernstig kunnen aantasten. Het moet voor chipverpakkingen voldoen aan extreem hoge normen:
Zeer hoge zuiverheid: het gehalte aan metaalverontreinigingen moet worden gecontroleerd op ppm (parts per million) of zelfs ppb (parts per billion)-niveaus.
Nauwkeurige verdeling van de deeltjesgrootte: bolvormig silicamicropoeder met een gelijkmatige verdeling van de deeltjesgrootte is vereist om de hoogste pakkingsdichtheid en optimale vloeibaarheid te bereiken.
Perfecte sfericiteit: Vergeleken met hoekig poeder vertoont sferisch silica-micropoeder een lagere spanning, betere vloeibaarheid en hogere pakkingsdichtheid. Dit maakt het de ideale keuze voor hoogwaardige chipverpakkingen.
Samenvatting
Naarmate chips 5nm, 3nm en zelfs kleinere nodes naderen, nemen het stroomverbruik en de warmtedichtheid dramatisch toe, wat strenge eisen stelt aan de thermische capaciteiten van verpakkingsmaterialen. Bedrijven zoals NVIDIA en Intel investeren al in R&D voor de volgende generatie chipkoelmaterialen. Tegelijkertijd vereist de opkomst van geavanceerde verpakkingstechnologieën zoals 2.5D/3D-verpakkingen en chiplets verpakkingsmaterialen met lagere diëlektrische constanten, minder verlies en een hogere betrouwbaarheid.
Dit stimuleert de continue vooruitgang in de technologie voor silica-micropoeder. Synthetisch sferisch silica-micropoeder met een hogere zuiverheidsgraad, gefunctionaliseerde oppervlaktemodificatietechnieken en verliesarme vulstoffen, afgestemd op specifieke frequentiebanden, zullen de speerpunten worden van R&D voor de volgende generatie 'chip lifeblood'. Het is niet langer slechts een passieve vulstof, maar een belangrijk functioneel materiaal dat actief bijdraagt aan en de prestatielimieten van chips bepaalt.
Episch poeder
Het geheim van het maken van die perfecte bolletjes silicapoeder zit hem niet in het vermalen ervan. Het zit hem in het smelten ervan. Een speciale machine, een zogenaamde sferoïdisatieoven, gebruikt een superhete vlam om de stoffige, puntige deeltjes te smelten. Wanneer ze smelten, trekt de natuurlijke oppervlaktespanning elk bolletje tot een perfect ronde bal, net als een waterdruppel.
Nadat de bolletjes zijn gemaakt, is de volgende belangrijke stap het sorteren op grootte. Dit wordt gedaan met een luchtclassificator. Zie het als een superprecieze zeef die ervoor zorgt dat alle kleine bolletjes ongeveer even groot zijn. Dit is cruciaal, omdat bolletjes van gelijke grootte dicht op elkaar zitten. Het zorgt ervoor dat het uiteindelijke chipverpakkingsmateriaal beter warmte geleidt en over het algemeen sterker is. Epic Powder's luchtclassificator verzorgt de fijnafstemming en zorgt ervoor dat het eindproduct zuiver genoeg is om er een chip van te maken.
