I den exakta och komplexa halvledartillverkningsprocessen för waferförpackningar är termisk stress som en "förstörare" gömd i mörkret, som ständigt hotar förpackningens kvalitet och chips prestanda. Från skillnaden i värmeutvidgningskoefficienter mellan chips och förpackningsmaterial till de drastiska temperaturförändringarna under förpackningsprocessen är genereringsvägarna för termisk stress olika, men alla pekar på resultatet av att minska utbyteshastigheten och påverka chips långsiktiga tillförlitlighet. Granitbasen, med sina unika materialegenskaper, blir i tysthet en kraftfull "assistent" för att hantera problemet med termisk stress.
Termisk stressdilemmat vid waferförpackning
Waferförpackning innebär samarbete mellan många olika material. Chips består vanligtvis av halvledarmaterial som kisel, medan förpackningsmaterial som plastförpackningsmaterial och substrat varierar i kvalitet. När temperaturen ändras under förpackningsprocessen varierar olika material kraftigt i graden av termisk expansion och kontraktion på grund av betydande skillnader i värmeutvidgningskoefficienten (CTE). Till exempel är värmeutvidgningskoefficienten för kiselchips ungefär 2,6 × 10⁻⁶/℃, medan värmeutvidgningskoefficienten för vanliga epoxihartsformmaterial är så hög som 15-20 × 10⁻⁶/℃. Detta enorma gap gör att krympningsgraden för chipet och förpackningsmaterialet är asynkron under kylningssteget efter förpackningen, vilket genererar en stark termisk stress vid gränssnittet mellan de två. Under den kontinuerliga effekten av termisk stress kan wafern vridas och deformeras. I allvarliga fall kan det till och med orsaka dödliga defekter som chipsprickor, lödfogsfrakturer och gränssnittsdelaminering, vilket resulterar i skador på chipets elektriska prestanda och en betydande minskning av dess livslängd. Enligt branschstatistik kan andelen defekta waferförpackningar orsakade av termiska stressproblem vara så hög som 10 % till 15 %, vilket blir en nyckelfaktor som begränsar en effektiv och högkvalitativ utveckling av halvledarindustrin.
De karakteristiska fördelarna med granitbaser
Låg värmeutvidgningskoefficient: Granit består huvudsakligen av mineralkristaller som kvarts och fältspat, och dess värmeutvidgningskoefficient är extremt låg, vanligtvis mellan 0,6 och 5 × 10⁻⁶/℃, vilket är närmare den för kiselchips. Denna egenskap gör att skillnaden i värmeutvidgning mellan granitbasen och chipet och förpackningsmaterialet minskas avsevärt under drift av waferförpackningsutrustning, även vid temperaturfluktuationer. Till exempel, när temperaturen ändras med 10 ℃, kan storleksvariationen på förpackningsplattformen byggd på granitbasen minskas med mer än 80 % jämfört med den traditionella metallbasen, vilket avsevärt minskar den termiska stressen som orsakas av asynkron värmeutvidgning och kontraktion, och ger en mer stabil stödmiljö för wafern.
Utmärkt termisk stabilitet: Granit har enastående termisk stabilitet. Dess inre struktur är tät och kristallerna är nära bundna genom joniska och kovalenta bindningar, vilket möjliggör långsam värmeledning. När förpackningsutrustningen genomgår komplexa temperaturcykler kan granitbasen effektivt undertrycka temperaturförändringars inverkan på sig själv och bibehålla ett stabilt temperaturfält. Relevanta experiment visar att under den vanliga temperaturförändringshastigheten för förpackningsutrustning (såsom ±5 ℃ per minut) kan avvikelsen i yttemperaturjämnheten hos granitbasen kontrolleras inom ±0,1 ℃, vilket undviker fenomenet med termisk stresskoncentration orsakad av lokala temperaturskillnader, säkerställer att wafern befinner sig i en enhetlig och stabil termisk miljö under hela förpackningsprocessen och minskar källan till termisk stressgenerering.
Hög styvhet och vibrationsdämpning: Under drift av waferförpackningsutrustning kommer de mekaniska rörliga delarna inuti (såsom motorer, transmissionsenheter etc.) att generera vibrationer. Om dessa vibrationer överförs till wafern kommer de att intensifiera skadorna orsakade av termisk stress på wafern. Granitbaser har hög styvhet och en hårdhet som är högre än många metallmaterial, vilket effektivt kan motstå störningar från externa vibrationer. Samtidigt ger dess unika interna struktur den utmärkt vibrationsdämpningsprestanda och gör det möjligt för den att snabbt avleda vibrationsenergi. Forskningsdata visar att granitbasen kan minska högfrekventa vibrationer (100-1000 Hz) som genereras av drift av förpackningsutrustning med 60 % till 80 %, vilket avsevärt minskar kopplingseffekten av vibration och termisk stress och ytterligare säkerställer hög precision och hög tillförlitlighet hos waferförpackning.
Praktisk tillämpningseffekt
I produktionslinjen för waferförpackningar hos ett välkänt halvledarföretag har anmärkningsvärda framsteg gjorts efter att förpackningsutrustning med granitbaser introducerats. Baserat på analysen av inspektionsdata från 10 000 wafers efter förpackning, innan granitbasen antogs, var defektfrekvensen för waferböjning orsakad av termisk stress 12 %. Efter övergången till granitbasen sjönk dock defektfrekvensen kraftigt till inom 3 %, och utbytesgraden förbättrades avsevärt. Dessutom har långsiktiga tillförlitlighetstester visat att efter 1 000 cykler av hög temperatur (125 ℃) och låg temperatur (-55 ℃) har antalet lödfel i chipet baserat på granitbaspaketet minskat med 70 % jämfört med det traditionella baspaketet, och chipets prestandastabilitet har förbättrats avsevärt.
I takt med att halvledartekniken fortsätter att utvecklas mot högre precision och mindre storlekar blir kraven på termisk stresskontroll i waferförpackningar allt strängare. Granitbaser, med sina omfattande fördelar som låg värmeutvidgningskoefficient, termisk stabilitet och vibrationsreducering, har blivit ett viktigt val för att förbättra kvaliteten på waferförpackningar och minska effekten av termisk stress. De spelar en allt viktigare roll för att säkerställa en hållbar utveckling av halvledarindustrin.
Publiceringstid: 15 maj 2025