W precyzyjnym i złożonym procesie produkcji półprzewodników, jakim jest pakowanie płytek, naprężenia cieplne działają niczym ukryty w ciemności „niszczyciel”, stale zagrażając jakości opakowania i wydajności układów scalonych. Od różnic we współczynnikach rozszerzalności cieplnej między układami scalonymi a materiałami opakowaniowymi, po drastyczne zmiany temperatury podczas procesu pakowania, ścieżki powstawania naprężeń cieplnych są zróżnicowane, ale wszystkie wskazują na obniżenie współczynnika płynięcia i pogorszenie długoterminowej niezawodności układów scalonych. Podstawa granitowa, dzięki swoim unikalnym właściwościom materiałowym, powoli staje się potężnym „pomocnikiem” w radzeniu sobie z problemem naprężeń cieplnych.
Dylemat naprężeń cieplnych w pakowaniu płytek
Pakowanie płytek półprzewodnikowych wymaga współpracy wielu materiałów. Układy scalone są zazwyczaj wykonane z materiałów półprzewodnikowych, takich jak krzem, natomiast materiały opakowaniowe, takie jak plastikowe materiały opakowaniowe i podłoża, różnią się jakością. Wraz ze zmianą temperatury podczas procesu pakowania, różne materiały różnią się znacznie pod względem stopnia rozszerzalności cieplnej i kurczenia się ze względu na znaczne różnice we współczynniku rozszerzalności cieplnej (CTE). Na przykład, współczynnik rozszerzalności cieplnej układów scalonych krzemowych wynosi około 2,6×10⁻⁶/℃, podczas gdy współczynnik rozszerzalności cieplnej popularnych materiałów do formowania na bazie żywicy epoksydowej sięga nawet 15-20×10⁻⁶/℃. Ta ogromna szczelina powoduje, że stopień skurczu układu scalonego i materiału opakowaniowego jest niesynchroniczny podczas etapu chłodzenia po pakowaniu, generując silne naprężenia termiczne na styku obu elementów. Pod wpływem ciągłego działania naprężeń termicznych, płytka może się odkształcać i deformować. W poważnych przypadkach może to nawet prowadzić do poważnych defektów, takich jak pęknięcia chipów, pęknięcia lutów i rozwarstwienie interfejsów, co prowadzi do pogorszenia parametrów elektrycznych chipa i znacznego skrócenia jego żywotności. Według statystyk branżowych, wskaźnik wadliwych obudów płytek półprzewodnikowych spowodowanych naprężeniami termicznymi może sięgać nawet 10–15%, stając się kluczowym czynnikiem ograniczającym efektywny i wysokiej jakości rozwój przemysłu półprzewodnikowego.
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 i waha się od 0,6 do 5×10⁻⁶/℃, co jest wartością zbliżoną do współczynnika rozszerzalności cieplnej chipów krzemowych. Ta cecha umożliwia znaczne zmniejszenie różnicy rozszerzalności cieplnej między granitową podstawą a chipem i materiałem opakowania podczas pracy urządzeń pakujących wafle, nawet w przypadku wahań temperatury. Na przykład, przy zmianie temperatury o 10℃, różnice w wymiarach platformy pakującej zbudowanej na granitowej podstawie można zmniejszyć o ponad 80% w porównaniu z tradycyjną podstawą metalową, co znacznie zmniejsza naprężenia cieplne spowodowane asynchronicznym rozszerzaniem i kurczeniem cieplnym oraz zapewnia bardziej stabilne środowisko podparcia dla wafla.
Doskonała stabilność termiczna: Granit charakteryzuje się wyjątkową stabilnością termiczną. Jego struktura wewnętrzna jest gęsta, a kryształy są ściśle połączone wiązaniami jonowymi i kowalencyjnymi, co umożliwia powolne przewodzenie ciepła. Gdy urządzenia pakujące podlegają złożonym cyklom temperaturowym, granitowa podstawa może skutecznie tłumić wpływ zmian temperatury na siebie i utrzymywać stabilne pole temperaturowe. Odpowiednie eksperymenty pokazują, że przy typowym tempie zmian temperatury w urządzeniach pakujących (np. ±5°C na minutę), odchylenie jednorodności temperatury powierzchni granitowej podstawy można kontrolować z dokładnością do ±0,1°C, co pozwala uniknąć zjawiska koncentracji naprężeń cieplnych spowodowanego lokalnymi różnicami temperatury, zapewniając jednorodne i stabilne środowisko termiczne wafla przez cały proces pakowania oraz redukując źródło generowania naprężeń cieplnych.
Wysoka sztywność i tłumienie drgań: Podczas pracy urządzeń pakujących wafle, ruchome części mechaniczne (takie jak silniki, przekładnie itp.) generują drgania. Jeśli drgania te zostaną przeniesione na wafel, zintensyfikują uszkodzenia spowodowane naprężeniami termicznymi. Podstawy granitowe charakteryzują się wysoką sztywnością i twardością wyższą niż wiele materiałów metalowych, co skutecznie przeciwdziała interferencji drgań zewnętrznych. Jednocześnie ich unikalna struktura wewnętrzna zapewnia im doskonałe właściwości tłumienia drgań i umożliwia szybkie rozpraszanie energii drgań. Dane badawcze pokazują, że podstawa granitowa może redukować drgania o wysokiej częstotliwości (100–1000 Hz) generowane podczas pracy urządzeń pakujących o 60–80%, znacznie redukując efekt sprzężenia drgań i naprężeń termicznych, a tym samym zapewniając wysoką precyzję i niezawodność pakowania wafli.
Efekt praktycznego zastosowania
W linii produkcyjnej układów scalonych wafli, w znanym przedsiębiorstwie produkującym półprzewodniki, po wprowadzeniu urządzeń pakujących z granitowymi podstawami, osiągnięto znaczące sukcesy. Na podstawie analizy danych z inspekcji 10 000 płytek po ich zapakowaniu, przed zastosowaniem granitowej podstawy, wskaźnik defektów w postaci odkształceń płytek spowodowanych naprężeniami termicznymi wynosił 12%. Jednak po przejściu na granitową podstawę wskaźnik defektów gwałtownie spadł do 3%, a współczynnik wydajności znacznie się poprawił. Ponadto, długoterminowe testy niezawodności wykazały, że po 1000 cykli w wysokiej (125°C) i niskiej (-55°C) temperaturze, liczba uszkodzeń połączeń lutowanych układu scalonego z granitową podstawą została zmniejszona o 70% w porównaniu z tradycyjną obudową, a stabilność działania układu uległa znacznej poprawie.
Wraz z ciągłym postępem technologii półprzewodnikowej w kierunku wyższej precyzji i mniejszych rozmiarów, wymagania dotyczące kontroli naprężeń termicznych w obudowach płytek półprzewodnikowych stają się coraz bardziej rygorystyczne. Podstawy granitowe, dzięki swoim wszechstronnym zaletom w postaci niskiego współczynnika rozszerzalności cieplnej, stabilności termicznej i redukcji wibracji, stały się kluczowym wyborem dla poprawy jakości obudów płytek półprzewodnikowych i redukcji wpływu naprężeń termicznych. Odgrywają one coraz ważniejszą rolę w zapewnieniu zrównoważonego rozwoju przemysłu półprzewodnikowego.
Czas publikacji: 15 maja 2025 r.