In het precieze en complexe productieproces van halfgeleiderwafers is thermische spanning als een "vernietiger" die in het donker op de loer ligt en constant de kwaliteit van de verpakking en de prestaties van de chips bedreigt. Van de verschillen in thermische uitzettingscoëfficiënten tussen chips en verpakkingsmaterialen tot de drastische temperatuurschommelingen tijdens het verpakkingsproces, de oorzaken van thermische spanning zijn divers, maar ze leiden allemaal tot een lagere opbrengst en een verminderde betrouwbaarheid van de chips op de lange termijn. De granieten basis, met zijn unieke materiaaleigenschappen, ontpopt zich stilletjes tot een krachtige "hulp" bij het aanpakken van het probleem van thermische spanning.
Het dilemma van thermische spanning in waferverpakkingen
Waferverpakking vereist de samenwerking van talrijke materialen. Chips bestaan doorgaans uit halfgeleidermaterialen zoals silicium, terwijl verpakkingsmaterialen zoals plastic en substraten in kwaliteit variëren. Wanneer de temperatuur tijdens het verpakkingsproces verandert, variëren de verschillende materialen sterk in thermische uitzetting en krimp als gevolg van aanzienlijke verschillen in de thermische uitzettingscoëfficiënt (CTE). De thermische uitzettingscoëfficiënt van siliciumchips is bijvoorbeeld ongeveer 2,6 × 10⁻⁶/°C, terwijl die van gangbare epoxyhars-vormmaterialen maar liefst 15-20 × 10⁻⁶/°C bedraagt. Dit enorme verschil zorgt ervoor dat de krimp van de chip en het verpakkingsmateriaal asynchroon verloopt tijdens de afkoelingsfase na het verpakken, waardoor er een sterke thermische spanning ontstaat op het grensvlak tussen beide. Onder invloed van deze continue thermische spanning kan de wafer kromtrekken en vervormen. In ernstige gevallen kan het zelfs fatale defecten veroorzaken, zoals chipbreuken, soldeerverbindingen die breken en delaminatie van de interface, met als gevolg schade aan de elektrische prestaties van de chip en een aanzienlijke verkorting van de levensduur. Volgens branchestatistieken kan het defectpercentage van waferverpakkingen als gevolg van thermische spanning oplopen tot 10% à 15%, wat een belangrijke factor is die de efficiënte en hoogwaardige ontwikkeling van de halfgeleiderindustrie belemmert.
De kenmerkende voordelen van granieten sokkels
Lage thermische uitzettingscoëfficiënt: Graniet bestaat voornamelijk uit minerale kristallen zoals kwarts en veldspaat, en de thermische uitzettingscoëfficiënt is extreem laag, doorgaans tussen 0,6 en 5 × 10⁻⁶/℃, wat dichter in de buurt komt van die van siliciumchips. Deze eigenschap zorgt ervoor dat, zelfs bij temperatuurschommelingen, het verschil in thermische uitzetting tussen de granieten basis en de chip en verpakkingsmaterialen tijdens de werking van waferverpakkingsapparatuur aanzienlijk wordt verminderd. Bijvoorbeeld, bij een temperatuurverandering van 10℃ kan de afmetingsvariatie van het verpakkingsplatform op de granieten basis met meer dan 80% worden verminderd in vergelijking met een traditionele metalen basis. Dit vermindert de thermische spanning die wordt veroorzaakt door de asynchrone thermische uitzetting en krimp aanzienlijk en zorgt voor een stabielere ondersteuningsomgeving voor de wafer.
Uitstekende thermische stabiliteit: Graniet heeft een uitzonderlijke thermische stabiliteit. De interne structuur is dicht en de kristallen zijn nauw met elkaar verbonden door ionische en covalente bindingen, waardoor warmtegeleiding binnenin langzaam verloopt. Wanneer de verpakkingsapparatuur complexe temperatuurcycli ondergaat, kan de granieten basis de invloed van temperatuurschommelingen effectief onderdrukken en een stabiel temperatuurveld handhaven. Relevante experimenten tonen aan dat bij de gebruikelijke temperatuurveranderingssnelheid van verpakkingsapparatuur (zoals ±5℃ per minuut) de afwijking in de uniformiteit van de oppervlaktetemperatuur van de granieten basis binnen ±0,1℃ kan worden gehouden. Dit voorkomt het fenomeen van thermische spanningsconcentratie veroorzaakt door lokale temperatuurverschillen, zorgt ervoor dat de wafer zich gedurende het gehele verpakkingsproces in een uniforme en stabiele thermische omgeving bevindt en vermindert de bron van thermische spanningsvorming.
Hoge stijfheid en trillingsdemping: Tijdens de werking van waferverpakkingsapparatuur genereren de mechanische bewegende onderdelen (zoals motoren, transmissiesystemen, enz.) trillingen. Als deze trillingen worden overgedragen op de wafer, versterken ze de schade die wordt veroorzaakt door thermische spanning op de wafer. Granieten bases hebben een hoge stijfheid en een hardheid die hoger is dan die van veel metalen materialen, waardoor ze effectief bestand zijn tegen de invloed van externe trillingen. Tegelijkertijd zorgt de unieke interne structuur voor uitstekende trillingsdemping en maakt het mogelijk om trillingsenergie snel af te voeren. Onderzoeksgegevens tonen aan dat de granieten basis de hoogfrequente trillingen (100-1000 Hz) die worden gegenereerd door de werking van verpakkingsapparatuur met 60% tot 80% kan verminderen, waardoor het koppelingseffect van trillingen en thermische spanning aanzienlijk wordt verminderd en de hoge precisie en betrouwbaarheid van de waferverpakking verder worden gewaarborgd.
Praktisch toepassingseffect
In de waferverpakkingslijn van een bekende halfgeleiderfabrikant zijn na de introductie van verpakkingsapparatuur met granieten bases opmerkelijke resultaten behaald. Uit een analyse van de inspectiegegevens van 10.000 wafers na verpakking blijkt dat vóór de overstap naar granieten bases het defectpercentage van door thermische spanning veroorzaakte wafervervorming 12% bedroeg. Na de overstap naar granieten bases daalde dit percentage echter drastisch tot minder dan 3%, en verbeterde de opbrengst aanzienlijk. Bovendien hebben betrouwbaarheidstests op lange termijn aangetoond dat na 1.000 cycli bij hoge temperatuur (125℃) en lage temperatuur (-55℃) het aantal soldeerfouten van de chip met granieten base met 70% is verminderd ten opzichte van de chip met traditionele bases, en dat de prestatiestabiliteit van de chip sterk is verbeterd.
Naarmate de halfgeleidertechnologie zich verder ontwikkelt richting hogere precisie en kleinere afmetingen, worden de eisen voor thermische spanningsbeheersing in waferverpakkingen steeds strenger. Granieten basisplaten, met hun uitgebreide voordelen zoals een lage thermische uitzettingscoëfficiënt, thermische stabiliteit en trillingsdemping, zijn een belangrijke keuze geworden voor het verbeteren van de kwaliteit van waferverpakkingen en het verminderen van de impact van thermische spanning. Ze spelen een steeds belangrijkere rol in het waarborgen van de duurzame ontwikkeling van de halfgeleiderindustrie.
Publicatiedatum: 15 mei 2025