В точном и сложном процессе производства полупроводников при упаковке пластин термическое напряжение подобно «разрушителю», скрытому в темноте, постоянно угрожающему качеству упаковки и производительности чипов. От разницы в коэффициентах теплового расширения чипов и упаковочных материалов до резких перепадов температур в процессе упаковки пути возникновения термического напряжения разнообразны, но все они указывают на результат снижения производительности и влияния на долгосрочную надежность чипов. Гранитное основание с его уникальными свойствами материала незаметно становится мощным «помощником» в решении проблемы термического напряжения.
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. Когда температура изменяется во время процесса упаковки, различные материалы сильно различаются по степени теплового расширения и сжатия из-за значительных 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 формовочных материалов на основе эпоксидной смолы достигает 15-20 ×10⁻⁶/℃. Этот огромный зазор приводит к тому, что степень усадки чипа и упаковочного материала становится асинхронной на этапе охлаждения после упаковки, создавая сильное термическое напряжение на границе между ними. Под постоянным воздействием термического напряжения пластина может деформироваться и деформироваться. В тяжелых случаях это может даже привести к фатальным дефектам, таким как трещины чипа, разрывы паяных соединений и расслоение интерфейса, что приводит к ухудшению электрических характеристик чипа и значительному сокращению его срока службы. Согласно отраслевой статистике, уровень дефектов в упаковке пластин, вызванных проблемами термического напряжения, может достигать 10–15%, становясь 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 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 выдающейся 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 однородности 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 вибрации: 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 пластины. Гранитные основания обладают высокой жесткостью и твердостью, превышающей твердость многих металлических материалов, что позволяет эффективно противостоять помехам от внешних вибраций. Между тем, его уникальная внутренняя структура наделяет его превосходными характеристиками гашения вибрации и позволяет ему быстро рассеивать энергию вибрации. Данные исследований показывают, что гранитное основание может снизить высокочастотную вибрацию (100-1000 Гц), создаваемую работой упаковочного оборудования, на 60–80 %, значительно уменьшая эффект сцепления 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 замечательные достижения. На основе анализа данных проверки 10 000 пластин после упаковки, до принятия гранитного основания, уровень дефектов коробления пластин, вызванных термическим напряжением, составлял 12%. Однако после перехода на гранитное основание уровень дефектов резко снизился до 3%, а выход годных изделий значительно улучшился. 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 пакета с гранитным основанием сократилось на 70% по сравнению с традиционным пакетом с основанием, а стабильность работы чипа значительно улучшилась.
Поскольку полупроводниковая технология продолжает развиваться в сторону большей точности и меньших размеров, требования к контролю термического напряжения в упаковке пластин становятся все более строгими. Гранитные основания с их комплексными преимуществами в низком коэффициенте термического расширения, термической стабильности и снижении вибрации стали ключевым выбором для улучшения качества упаковки пластин и снижения воздействия термического напряжения. Они играют все более важную роль в обеспечении устойчивого развития полупроводниковой промышленности.
Время публикации: 15 мая 2025 г.