В точном и сложном процессе производства полупроводниковых пластин и их упаковки термическое напряжение подобно «разрушителю», скрытому в темноте, постоянно угрожающему качеству упаковки и производительности микросхем. От разницы в коэффициентах теплового расширения между микросхемами и упаковочными материалами до резких перепадов температуры в процессе упаковки, пути возникновения термического напряжения разнообразны, но все они указывают на снижение выхода годных изделий и ухудшение долгосрочной надежности микросхем. Гранитная основа, благодаря своим уникальным материальным свойствам, незаметно становится мощным «помощником» в борьбе с проблемой термического напряжения.
Проблема термических напряжений в упаковке кремниевых пластин
Упаковка кремниевых 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 значительно различаются по степени теплового расширения и сжатия из-за существенных различий 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 эпоксидных смол, используемых для формования, достигает 15-20 × 10⁻⁶/℃. Эта огромная разница приводит к тому, что степень усадки чипа и упаковочного материала становится асинхронной на стадии охлаждения после упаковки, создавая сильное термическое напряжение на границе раздела между ними. Под непрерывным воздействием термического напряжения пластина может деформироваться и искривиться. В тяжелых случаях это может даже привести к фатальным дефектам, таким как трещины в кристалле, разрушение паяных соединений и расслоение интерфейса, что ухудшает электрические характеристики кристалла и значительно сокращает срок его службы. Согласно отраслевой статистике, процент брака при упаковке пластин, вызванный проблемами термического напряжения, может достигать 10–15%, что становится ключевым фактором, ограничивающим 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 колеблется от 0,6 до 5×10⁻⁶/℃, что ближе к коэффициенту теплового расширения кремниевых чипов. Эта характеристика позволяет значительно уменьшить разницу в тепловом расширении между гранитным основанием и чипом и упаковочными материалами во время работы оборудования для упаковки кремниевых пластин, даже при колебаниях температуры. Например, при изменении температуры на 10℃ изменение размеров 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 опорную среду для кремниевой пластины.
Превосходная термическая стабильность: Гранит обладает выдающейся термической стабильностью. Его внутренняя структура плотная, а кристаллы тесно связаны ионными и ковалентными связями, что обеспечивает медленную теплопроводность внутри. При сложных температурных циклах упаковочного оборудования гранитное основание эффективно подавляет влияние температурных изменений на себя и поддерживает 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, обеспечивая равномерную и стабильную тепловую среду для пластины на протяжении всего процесса упаковки и снижая источники возникновения термических напряжений.
Высокая жесткость и виброгашение: Во время работы оборудования для упаковки пластин механические движущиеся части внутри (такие как двигатели, приводные устройства и т. д.) генерируют вибрации. Если эти вибрации передаются на пластину, они усиливают повреждения, вызванные термическим напряжением. Гранитные основания обладают высокой жесткостью и твердостью, превышающей твердость многих металлических материалов, что позволяет эффективно противостоять воздействию внешних вибраций. В то же время, их уникальная внутренняя структура обеспечивает превосходное виброгашение и позволяет быстро рассеивать энергию вибрации. Данные исследований показывают, что гранитное основание может снизить высокочастотные вибрации (100-1000 Гц), генерируемые при работе упаковочного оборудования, на 60-80%, значительно уменьшая эффект взаимодействия вибрации и термического напряжения и обеспечивая высокую точность и надежность упаковки пластин.
Эффект практического применения
На линии по упаковке полупроводников на известном предприятии после внедрения упаковочного оборудования с гранитными основаниями были достигнуты значительные успехи. Анализ данных контроля 10 000 упакованных пластин показал, что до использования гранитных оснований процент дефектов, вызванных деформацией пластин из-за термического напряжения, составлял 12%. Однако после перехода на гранитные основания процент дефектов резко снизился до 3%, а выход годной продукции значительно улучшился. Кроме того, долговременные испытания на надежность показали, что после 1000 циклов воздействия высоких температур (125℃) и низких температур (-55℃) количество отказов паяных соединений чипов с гранитным основанием сократилось на 70% по сравнению с традиционным основанием, а стабильность работы чипа значительно улучшилась.
По мере дальнейшего развития полупроводниковых технологий в направлении повышения точности и уменьшения размеров, требования к контролю термических напряжений в упаковке кремниевых пластин становятся все более строгими. Гранитные основания, обладающие комплексными преимуществами в виде низкого коэффициента теплового расширения, термической стабильности и снижения вибрации, стали ключевым выбором для повышения качества упаковки кремниевых пластин и уменьшения воздействия термических напряжений. Они играют все более важную роль в обеспечении устойчивого развития полупроводниковой промышленности.
Дата публикации: 15 мая 2025 г.