В прецизионном и сложном процессе корпусирования пластин в полупроводниковом производстве тепловые напряжения – это скрытое в темноте «разрушительное оружие», постоянно угрожающее качеству упаковки и производительности микросхем. От разницы в коэффициентах теплового расширения микросхем и упаковочных материалов до резких перепадов температур в процессе упаковки – пути возникновения тепловых напряжений разнообразны, но все они приводят к снижению выхода годных изделий и снижению долгосрочной надежности микросхем. Гранитное основание, обладающее уникальными свойствами материала, незаметно становится мощным «помощником» в борьбе с проблемой тепловых напряжений.
Дилемма термического напряжения при упаковке пластин
Упаковка пластин включает в себя совместную работу множества материалов. Чипы обычно состоят из полупроводниковых материалов, таких как кремний, в то время как упаковочные материалы, такие как пластиковые упаковочные материалы и подложки, различаются по качеству. При изменении температуры в процессе упаковки, различные материалы сильно различаются по степени теплового расширения и сжатия из-за значительной разницы в коэффициенте теплового расширения (КТР). Например, коэффициент теплового расширения кремниевых чипов составляет приблизительно 2,6 × 10⁻⁶/℃, в то время как коэффициент теплового расширения обычных формовочных материалов на основе эпоксидной смолы достигает 15-20 × 10⁻⁶/℃. Этот огромный зазор приводит к асинхронной степени усадки чипа и упаковочного материала во время стадии охлаждения после упаковки, создавая сильное термическое напряжение на границе между ними. Под постоянным воздействием термического напряжения пластина может коробиться и деформироваться. В тяжёлых случаях это может привести к серьёзным дефектам, таким как трещины кристалла, разрушение паяных соединений и расслоение интерфейса, что приводит к ухудшению электрических характеристик кристалла и значительному сокращению его срока службы. Согласно отраслевой статистике, процент дефектов при корпусировании пластин, вызванных термическими напряжениями, может достигать 10–15%, что является ключевым фактором, сдерживающим эффективное и качественное развитие полупроводниковой промышленности.
Характерные преимущества гранитных оснований
Низкий коэффициент теплового расширения: гранит в основном состоит из минеральных кристаллов, таких как кварц и полевой шпат, и его коэффициент теплового расширения чрезвычайно низок, обычно в диапазоне от 0,6 до 5×10⁻⁶/℃, что ближе к коэффициенту кремниевых чипов. Эта характеристика позволяет во время работы оборудования для упаковки пластин, даже при столкновении с колебаниями температуры, значительно сократить разницу в тепловом расширении между гранитным основанием и чипом и упаковочными материалами. Например, при изменении температуры на 10℃ изменение размера упаковочной платформы, построенной на гранитном основании, может быть уменьшено более чем на 80% по сравнению с традиционным металлическим основанием, что значительно снижает термическое напряжение, вызванное асинхронным тепловым расширением и сжатием, и обеспечивает более стабильную среду поддержки для пластины.
Превосходная термостойкость: гранит обладает исключительной термостойкостью. Его внутренняя структура плотная, а кристаллы тесно связаны ионными и ковалентными связями, что обеспечивает медленную теплопроводность внутри. Когда упаковочное оборудование подвергается сложным температурным циклам, гранитное основание может эффективно подавлять влияние температурных изменений на себя и поддерживать стабильное температурное поле. Соответствующие эксперименты показывают, что при обычной скорости изменения температуры упаковочного оборудования (например, ±5 ℃ в минуту) отклонение равномерности температуры поверхности гранитного основания можно контролировать в пределах ±0,1 ℃, избегая явления концентрации термических напряжений, вызванного локальными перепадами температур, гарантируя, что пластина находится в однородной и стабильной тепловой среде на протяжении всего процесса упаковки, и уменьшая источник возникновения термических напряжений.
Высокая жесткость и гашение вибраций: во время работы оборудования для упаковки пластин механические движущиеся части внутри (такие как двигатели, передаточные устройства и т. д.) будут генерировать вибрации. Если эти вибрации передаются на пластину, они усиливают повреждения, вызванные термическим напряжением в пластине. Гранитные основания обладают высокой жесткостью и твердостью, превышающей твердость многих металлических материалов, что позволяет эффективно противостоять внешним вибрациям. Между тем, его уникальная внутренняя структура наделяет его превосходными характеристиками гашения вибраций и позволяет ему быстро рассеивать энергию вибрации. Данные исследований показывают, что гранитное основание может снизить высокочастотную вибрацию (100-1000 Гц), генерируемую работой упаковочного оборудования, на 60-80%, значительно уменьшая эффект сопряжения вибрации и термического напряжения, а также обеспечивая высокую точность и надежность упаковки пластин.
Эффект практического применения
На производственной линии упаковки пластин известного предприятия по производству полупроводников, после внедрения упаковочного оборудования с гранитными основаниями, были достигнуты значительные успехи. На основе анализа данных контроля 10 000 пластин после упаковки, до внедрения гранитного основания, уровень дефекта коробления пластины, вызванного термическим напряжением, составлял 12%. Однако после перехода на гранитное основание уровень дефектов резко снизился до 3%, а процент выхода годных значительно увеличился. Кроме того, долгосрочные испытания на надежность показали, что после 1000 циклов высокой температуры (125 ℃) и низкой температуры (-55 ℃), количество отказов паяных соединений чипа на основе гранитного основания сократилось на 70% по сравнению с традиционным основанием, а стабильность работы чипа значительно улучшилась.
По мере того, как полупроводниковые технологии продолжают развиваться в сторону повышения точности и уменьшения габаритов, требования к контролю термических напряжений при корпусировании пластин становятся всё более строгими. Гранитные основания, обладающие комплексными преимуществами, такими как низкий коэффициент теплового расширения, термостойкость и снижение вибрации, стали ключевым выбором для повышения качества корпуса пластин и снижения воздействия термических напряжений. Они играют всё более важную роль в обеспечении устойчивого развития полупроводниковой промышленности.
Время публикации: 15 мая 2025 г.