У точному та складному процесі виробництва напівпровідників для упаковки пластин теплове напруження подібне до «руйнівника», що прихований у темряві, постійно загрожуючи якості упаковки та продуктивності мікросхем. Від різниці в коефіцієнтах теплового розширення між мікросхемами та пакувальним матеріалом до різких перепадів температури під час процесу упаковки, шляхи виникнення теплового напруження різноманітні, але всі вони вказують на зниження коефіцієнта плинності та вплив на довгострокову надійність мікросхем. Гранітна основа, з її унікальними властивостями матеріалу, непомітно стає потужним «помічником» у вирішенні проблеми теплового напруження.
Дилема термічного напруження в упаковці пластин
Упаковка пластин передбачає спільну роботу численних матеріалів. Чіпи зазвичай складаються з напівпровідникових матеріалів, таких як кремній, тоді як пакувальні матеріали, такі як пластикові пакувальні матеріали та підкладки, різняться за якістю. Коли температура змінюється під час процесу упаковки, різні матеріали значно відрізняються за ступенем теплового розширення та стиснення через значні відмінності в коефіцієнті теплового розширення (КТР). Наприклад, коефіцієнт теплового розширення кремнієвих чіпів становить приблизно 2,6×10⁻⁶/℃, тоді як коефіцієнт теплового розширення звичайних епоксидних смол для лиття досягає 15-20 ×10⁻⁶/℃. Цей величезний розрив призводить до асинхронного ступеня усадки чіпа та пакувального матеріалу під час стадії охолодження після упаковки, створюючи сильне теплове напруження на межі розділу між ними. Під постійним впливом теплового напруження пластина може деформуватися. У важких випадках це може навіть спричинити фатальні дефекти, такі як тріщини чіпа, розриви паяних з'єднань та розшарування межі розділу, що призводить до пошкодження електричних характеристик чіпа та значного скорочення терміну його служби. Згідно з галузевою статистикою, рівень дефектів упаковки пластин, спричинених проблемами термічного напруження, може сягати від 10% до 15%, що стає ключовим фактором, що обмежує ефективний та якісний розвиток напівпровідникової промисловості.
Характерні переваги гранітних цоколів
Низький коефіцієнт теплового розширення: Граніт складається переважно з мінеральних кристалів, таких як кварц і польовий шпат, а його коефіцієнт теплового розширення надзвичайно низький, зазвичай коливаючись від 0,6 до 5×10⁻⁶/℃, що ближче до коефіцієнта розширення кремнієвих кристалів. Ця характеристика дозволяє під час роботи обладнання для пакування пластин, навіть за умови коливань температури, значно зменшити різницю в тепловому розширенні між гранітною основою та кристалом і пакувальним матеріалом. Наприклад, при зміні температури на 10℃ варіація розмірів пакувальної платформи, побудованої на гранітній основі, може бути зменшена більш ніж на 80% порівняно з традиційною металевою основою, що значно зменшує теплове напруження, спричинене асинхронним тепловим розширенням і стисненням, і забезпечує більш стабільне середовище підтримки для пластини.
Відмінна термічна стабільність: Граніт має видатну термічну стабільність. Його внутрішня структура щільна, а кристали тісно пов'язані іонними та ковалентними зв'язками, що забезпечує повільну теплопровідність всередині. Коли пакувальне обладнання зазнає складних температурних циклів, гранітна основа може ефективно пригнічувати вплив змін температури на себе та підтримувати стабільне температурне поле. Відповідні експерименти показують, що за звичайної швидкості зміни температури пакувального обладнання (наприклад, ±5℃ за хвилину) відхилення однорідності температури поверхні гранітної основи можна контролювати в межах ±0,1℃, уникаючи явища концентрації термічних напружень, спричиненого локальними перепадами температур, забезпечуючи рівномірне та стабільне теплове середовище пластини протягом усього процесу упаковки та зменшуючи джерело виникнення термічних напружень.
Висока жорсткість та гасіння вібрацій: Під час роботи обладнання для пакування пластин, механічні рухомі частини всередині (такі як двигуни, трансмісійні пристрої тощо) генеруватимуть вібрації. Якщо ці вібрації передаються на пластину, вони посилять пошкодження, спричинені термічним навантаженням. Гранітні основи мають високу жорсткість та твердість, вищу, ніж у багатьох металевих матеріалів, що дозволяє їм ефективно протистояти впливу зовнішніх вібрацій. Тим часом, їхня унікальна внутрішня структура забезпечує їм чудові характеристики гасіння вібрацій та дозволяє швидко розсіювати енергію вібрацій. Дані досліджень показують, що гранітна основа може зменшити високочастотну вібрацію (100-1000 Гц), що генерується роботою пакувального обладнання, на 60-80%, значно зменшуючи ефект зв'язку вібрації та термічного навантаження, а також забезпечуючи високу точність та надійність пакування пластин.
Ефект практичного застосування
На виробничій лінії пакування пластин відомого підприємства з виробництва напівпровідників, після впровадження пакувального обладнання з гранітною основою, було досягнуто значних успіхів. На основі аналізу даних контролю 10 000 пластин після пакування, до використання гранітної основи, рівень дефектів пластин, спричинених термічним напруженням, становив 12%. Однак після переходу на гранітну основу рівень дефектів різко знизився до 3%, а коефіцієнт виходу продукції значно покращився. Крім того, довгострокові випробування на надійність показали, що після 1000 циклів високої температури (125℃) та низької температури (-55℃) кількість поломок паяних з'єднань мікросхеми на основі гранітної основи зменшилася на 70% порівняно з традиційним корпусом, а стабільність роботи мікросхеми значно покращилася.
Оскільки напівпровідникові технології продовжують розвиватися в напрямку підвищення точності та зменшення розмірів, вимоги до контролю термічних напружень при упаковці пластин стають дедалі суворішими. Гранітні основи, завдяки своїм комплексним перевагам у вигляді низького коефіцієнта теплового розширення, термостабільності та зменшенню вібрації, стали ключовим вибором для покращення якості упаковки пластин та зменшення впливу термічних напружень. Вони відіграють дедалі важливішу роль у забезпеченні сталого розвитку напівпровідникової промисловості.
Час публікації: 15 травня 2025 р.