W precyzyjnym i złożonym procesie produkcji półprzewodników w procesie pakowania płytek, naprężenie cieplne jest niczym ukryty w ciemności „niszczyciel”, stale zagrażający jakości opakowania i wydajności układów scalonych. Od różnicy współczynników rozszerzalności cieplnej między układami scalonymi a materiałami opakowaniowymi po drastyczne zmiany temperatury podczas procesu pakowania, ścieżki generowania naprężenia cieplnego są różnorodne, ale wszystkie wskazują na wynik zmniejszenia współczynnika wydajności i wpływu na długoterminową niezawodność układów scalonych. Podstawa granitowa, dzięki swoim unikalnym właściwościom materiałowym, po cichu staje się potężnym „asystentem” w radzeniu sobie z problemem naprężenia cieplnego.
Dylemat naprężeń cieplnych w pakowaniu płytek
Pakowanie wafli wymaga współpracy wielu materiałów. Chipy są zazwyczaj wykonane z materiałów półprzewodnikowych, takich jak krzem, podczas gdy materiały opakowaniowe, takie jak materiały opakowaniowe z tworzyw sztucznych i podłoża, różnią się jakością. Gdy temperatura zmienia się podczas procesu pakowania, różne materiały znacznie różnią się pod względem stopnia rozszerzalności cieplnej i kurczenia się ze względu na znaczne różnice we współczynniku rozszerzalności cieplnej (CTE). Na przykład współczynnik rozszerzalności cieplnej chipów krzemowych wynosi około 2,6×10⁻⁶/℃, podczas gdy współczynnik rozszerzalności cieplnej powszechnych materiałów do formowania żywic epoksydowych wynosi aż 15-20 ×10⁻⁶/℃. Ta ogromna szczelina powoduje, że stopień kurczenia się chipa i materiału opakowaniowego jest asynchroniczny podczas etapu chłodzenia po pakowaniu, generując silne naprężenie cieplne na styku między nimi. Pod wpływem ciągłego naprężenia cieplnego wafel może się odkształcać i deformować. W poważnych przypadkach może to nawet powodować poważne wady, takie jak pęknięcia chipów, pęknięcia spoin lutowniczych i rozwarstwienie interfejsu, co prowadzi do uszkodzenia wydajności elektrycznej chipa i znacznego skrócenia jego żywotności. Według statystyk branżowych wskaźnik wadliwych obudów płytek spowodowanych problemami z naprężeniami cieplnymi może wynosić nawet 10% do 15%, stając się kluczowym czynnikiem ograniczającym wydajny i wysokiej jakości rozwój przemysłu półprzewodników.
Charakterystyczne zalety podstaw granitowych
Niski współczynnik rozszerzalności cieplnej: Granit składa się głównie z kryształów mineralnych, takich jak kwarc i skaleń, a jego współczynnik rozszerzalności cieplnej jest wyjątkowo niski, ogólnie wahając się od 0,6 do 5×10⁻⁶/℃, co jest bliższe współczynnikowi chipów krzemowych. Ta cecha umożliwia, że podczas pracy sprzętu do pakowania wafli, nawet w przypadku wahań temperatury, różnica w rozszerzalności cieplnej między podstawą granitową a chipem i materiałami opakowaniowymi jest znacznie zmniejszona. Na przykład, gdy temperatura zmienia się o 10℃, zmienność wielkości platformy opakowaniowej zbudowanej na podstawie granitowej może zostać zmniejszona o ponad 80% w porównaniu z tradycyjną podstawą metalową, co znacznie łagodzi naprężenia cieplne spowodowane asynchronicznym rozszerzaniem i kurczeniem się cieplnym oraz zapewnia bardziej stabilne środowisko podparcia dla wafla.
Doskonała stabilność termiczna: Granit ma wyjątkową stabilność termiczną. Jego struktura wewnętrzna jest gęsta, a kryształy są ściśle związane za pomocą wiązań jonowych i kowalencyjnych, co umożliwia powolne przewodzenie ciepła wewnątrz. Gdy sprzęt pakujący przechodzi przez złożone cykle temperaturowe, podstawa granitowa może skutecznie tłumić wpływ zmian temperatury na siebie i utrzymywać stabilne pole temperaturowe. Odpowiednie eksperymenty pokazują, że przy powszechnym tempie zmian temperatury sprzętu pakującego (takim jak ±5℃ na minutę) odchylenie jednorodności temperatury powierzchni podstawy granitowej można kontrolować w zakresie ±0,1℃, unikając zjawiska koncentracji naprężeń cieplnych spowodowanego lokalnymi różnicami temperatur, zapewniając, że wafel znajduje się w jednolitym i stabilnym środowisku termicznym przez cały proces pakowania i zmniejszając źródło generowania naprężeń cieplnych.
Wysoka sztywność i tłumienie drgań: Podczas pracy urządzeń pakujących wafle, ruchome części mechaniczne wewnątrz (takie jak silniki, urządzenia transmisyjne itp.) generują drgania. Jeśli drgania te zostaną przeniesione na wafel, nasilą uszkodzenia spowodowane naprężeniem cieplnym wafla. Podstawy granitowe mają wysoką sztywność i twardość wyższą niż wiele materiałów metalowych, co może skutecznie przeciwstawić się zakłóceniom zewnętrznych drgań. Tymczasem ich unikalna struktura wewnętrzna zapewnia im doskonałe właściwości tłumienia drgań i umożliwia szybkie rozpraszanie energii drgań. Dane badawcze pokazują, że podstawa granitowa może zmniejszyć drgania o wysokiej częstotliwości (100-1000 Hz) generowane podczas pracy urządzeń pakujących o 60% do 80%, znacznie zmniejszając efekt sprzężenia drgań i naprężeń cieplnych, a także zapewniając wysoką precyzję i niezawodność pakowania wafli.
Efekt praktycznego zastosowania
W linii produkcyjnej opakowań wafli znanego przedsiębiorstwa produkującego półprzewodniki, po wprowadzeniu urządzeń pakujących z granitowymi podstawami, osiągnięto niezwykłe rezultaty. Na podstawie analizy danych z inspekcji 10 000 wafli po zapakowaniu, przed zastosowaniem granitowej podstawy, wskaźnik defektów odkształceń wafli spowodowanych naprężeniami cieplnymi wynosił 12%. Jednak po przejściu na granitową podstawę wskaźnik defektów gwałtownie spadł do 3%, a wydajność znacznie się poprawiła. Ponadto długoterminowe testy niezawodności wykazały, że po 1000 cykli wysokiej temperatury (125℃) i niskiej temperatury (-55℃) liczba awarii połączeń lutowanych układu scalonego opartego na granitowej podstawie została zmniejszona o 70% w porównaniu z tradycyjną podstawą, a stabilność działania układu scalonego została znacznie poprawiona.
W miarę jak technologia półprzewodników nadal rozwija się w kierunku większej precyzji i mniejszych rozmiarów, wymagania dotyczące kontroli naprężeń cieplnych w opakowaniach płytek stają się coraz bardziej rygorystyczne. Podstawy granitowe, dzięki swoim wszechstronnym zaletom w postaci niskiego współczynnika rozszerzalności cieplnej, stabilności termicznej i redukcji drgań, stały się kluczowym wyborem w celu poprawy jakości opakowań płytek i zmniejszenia wpływu naprężeń cieplnych. Odgrywają coraz ważniejszą rolę w zapewnianiu zrównoważonego rozwoju przemysłu półprzewodnikowego.
Czas publikacji: 15-05-2025