В прецизния и сложен процес на производство на полупроводници и опаковане на пластини, термичното напрежение е като „разрушител“, скрит в тъмното, постоянно заплашващ качеството на опаковката и производителността на чиповете. От разликата в коефициентите на термично разширение между чиповете и опаковъчните материали до драстичните температурни промени по време на процеса на опаковане, пътищата на генериране на термично напрежение са разнообразни, но всички сочат към резултата от намаляване на добива и засягане на дългосрочната надеждност на чиповете. Гранитната основа, с уникалните си свойства на материала, тихо се превръща в мощен „помощник“ в справянето с проблема с термичното напрежение.
Дилемата на термичното напрежение при опаковането на пластини
Опаковането на пластини включва съвместната работа на множество материали. Чиповете обикновено са съставени от полупроводникови материали като силиций, докато опаковъчните материали като пластмасови опаковъчни материали и субстрати варират по качество. Когато температурата се промени по време на процеса на опаковане, различните материали се различават значително по степен на термично разширение и свиване поради значителни разлики в коефициента на термично разширение (CTE). Например, коефициентът на термично разширение на силициевите чипове е приблизително 2,6×10⁻⁶/℃, докато коефициентът на термично разширение на обикновените епоксидни смолни формовъчни материали е висок 15-20 ×10⁻⁶/℃. Тази огромна разлика води до асинхронно свиване на чипа и опаковъчния материал по време на етапа на охлаждане след опаковане, генерирайки силно термично напрежение на границата между двете. Под непрекъснатото въздействие на термично напрежение, пластината може да се изкриви и деформира. В тежки случаи това може дори да причини фатални дефекти като пукнатини в чипа, счупвания на споени съединения и разслояване на границата, което води до увреждане на електрическите характеристики на чипа и значително намаляване на експлоатационния му живот. Според индустриалната статистика, процентът на дефектни опаковки на пластини, причинени от проблеми с термичното напрежение, може да достигне от 10% до 15%, което се превръща в ключов фактор, ограничаващ ефективното и висококачествено развитие на полупроводниковата индустрия.
Характерните предимства на гранитните основи
Нисък коефициент на термично разширение: Гранитът е съставен главно от минерални кристали като кварц и фелдшпат, а коефициентът му на термично разширение е изключително нисък, обикновено вариращ от 0,6 до 5×10⁻⁶/℃, което е по-близо до този на силициевите чипове. Тази характеристика позволява по време на работа на оборудването за опаковане на пластини, дори при температурни колебания, разликата в термичното разширение между гранитната основа и чипа и опаковъчните материали да бъде значително намалена. Например, когато температурата се промени с 10℃, вариацията в размера на опаковъчната платформа, изградена върху гранитната основа, може да бъде намалена с повече от 80% в сравнение с традиционната метална основа, което значително облекчава термичното напрежение, причинено от асинхронното термично разширение и свиване, и осигурява по-стабилна поддържаща среда за пластината.
Отлична термична стабилност: Гранитът има изключителна термична стабилност. Вътрешната му структура е плътна, а кристалите са тясно свързани чрез йонни и ковалентни връзки, което позволява бавна топлопроводимост вътре. Когато опаковъчното оборудване претърпява сложни температурни цикли, гранитната основа може ефективно да потисне влиянието на температурните промени върху себе си и да поддържа стабилно температурно поле. Съответните експерименти показват, че при обичайната скорост на промяна на температурата на опаковъчното оборудване (например ±5℃ в минута), отклонението от равномерността на повърхностната температура на гранитната основа може да се контролира в рамките на ±0,1℃, като се избягва феноменът на концентрация на термично напрежение, причинен от локални температурни разлики, гарантира се, че пластината е в равномерна и стабилна термична среда по време на целия процес на опаковане и се намалява източникът на генериране на термично напрежение.
Висока твърдост и амортизация на вибрациите: По време на работа на оборудването за опаковане на пластини, механичните движещи се части вътре (като двигатели, трансмисионни устройства и др.) генерират вибрации. Ако тези вибрации се предадат на пластината, те ще увеличат щетите, причинени от термичното напрежение върху нея. Гранитните основи имат висока твърдост и по-висока твърдост от тази на много метални материали, което им позволява ефективно да устоят на външни вибрации. В същото време, уникалната им вътрешна структура им осигурява отлични характеристики на амортизация на вибрациите и им позволява бързо да разсейват вибрационната енергия. Данните от изследванията показват, че гранитната основа може да намали високочестотните вибрации (100-1000Hz), генерирани от работата на оборудването за опаковане, с 60% до 80%, като значително намалява ефекта на свързване на вибрациите и термичното напрежение и допълнително осигурява висока прецизност и висока надеждност на опаковането на пластините.
Ефект от практическото приложение
В производствената линия за опаковане на пластини на известно предприятие за производство на полупроводници, след въвеждането на оборудване за опаковане с гранитни основи, бяха постигнати забележителни успехи. Въз основа на анализа на данните от инспекцията на 10 000 пластини след опаковане, преди приемането на гранитната основа, процентът на дефекти, причинени от термично изкривяване на пластините, е бил 12%. След преминаване към гранитна основа обаче, процентът на дефекти рязко спадна до 3%, а коефициентът на добив значително се подобри. Освен това, дългосрочните тестове за надеждност показаха, че след 1000 цикъла на висока температура (125℃) и ниска температура (-55℃), броят на повреди на споените съединения на чипа, базиран на корпус с гранитна основа, е намален със 70% в сравнение с традиционния корпус, а стабилността на производителността на чипа е значително подобрена.
Тъй като полупроводниковата технология продължава да се развива към по-висока прецизност и по-малки размери, изискванията за контрол на термичното напрежение при опаковането на пластини стават все по-строги. Гранитните основи, с техните всеобхватни предимства като нисък коефициент на термично разширение, термична стабилност и намаляване на вибрациите, се превърнаха в ключов избор за подобряване на качеството на опаковането на пластини и намаляване на въздействието на термичното напрежение. Те играят все по-важна роля за осигуряване на устойчивото развитие на полупроводниковата индустрия.
Време на публикуване: 15 май 2025 г.