In het precieze en complexe halfgeleiderproductieproces van waferverpakking is thermische spanning als een verborgen "vernietiger" in het donker, die constant de kwaliteit van de verpakking en de prestaties van chips bedreigt. Van het verschil in thermische uitzettingscoëfficiënt tussen chips en verpakkingsmaterialen tot de drastische temperatuurschommelingen tijdens het verpakkingsproces: de oorzaken van thermische spanning zijn divers, maar ze wijzen allemaal op een lagere opbrengst en een aantasting van de betrouwbaarheid van chips op de lange termijn. De granieten basis, met zijn unieke materiaaleigenschappen, ontwikkelt zich stilletjes aan tot een krachtige "assistent" bij het aanpakken van het probleem van thermische spanning.
Het dilemma van thermische spanning bij het verpakken van wafers
Het verpakken van wafers vereist de samenwerking van talloze materialen. Chips bestaan doorgaans uit halfgeleidermaterialen zoals silicium, terwijl verpakkingsmaterialen zoals kunststof en substraten in kwaliteit variëren. Wanneer de temperatuur tijdens het verpakkingsproces verandert, variëren de materialen sterk in de mate van thermische uitzetting en krimp als gevolg van aanzienlijke verschillen in de thermische uitzettingscoëfficiënt (CTE). Zo is de thermische uitzettingscoëfficiënt van siliciumchips ongeveer 2,6 × 10⁻⁶/℃, terwijl de thermische uitzettingscoëfficiënt van gangbare epoxyharsgietmaterialen wel 15-20 × 10⁻⁶/℃ kan bedragen. Deze enorme afstand zorgt ervoor dat de krimp van de chip en het verpakkingsmateriaal asynchroon is tijdens de afkoelingsfase na het verpakken, waardoor er een sterke thermische spanning ontstaat op het grensvlak tussen beide. Onder de voortdurende invloed van thermische spanning kan de wafer kromtrekken en vervormen. In ernstige gevallen kan het zelfs fatale defecten veroorzaken, zoals chipscheuren, soldeerverbindingsbreuken en interface-delaminatie, wat leidt tot aantasting van de elektrische prestaties van de chip en een aanzienlijke verkorting van de levensduur. Volgens industriestatistieken kan het percentage defecten in waferverpakkingen als gevolg van thermische spanning oplopen tot 10% tot 15%, wat een belangrijke factor vormt die de efficiënte en hoogwaardige ontwikkeling van de halfgeleiderindustrie belemmert.
De karakteristieke 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 variërend van 0,6 tot 5 × 10⁻⁶/℃, wat dichter bij die van siliciumchips ligt. Deze eigenschap zorgt ervoor dat tijdens de werking van waferverpakkingsapparatuur, zelfs bij temperatuurschommelingen, het verschil in thermische uitzetting tussen de granieten basis en de chip en verpakkingsmaterialen aanzienlijk wordt verminderd. Bijvoorbeeld, bij temperatuurschommelingen van 10℃ kan de groottevariatie van het verpakkingsplatform op de granieten basis met meer dan 80% worden verminderd in vergelijking met de traditionele metalen basis. Dit verlicht de thermische spanning veroorzaakt door de asynchrone thermische uitzetting en krimp aanzienlijk en zorgt voor een stabielere ondersteuning van de wafer.
Uitstekende thermische stabiliteit: Graniet heeft een uitstekende thermische stabiliteit. De interne structuur is dicht en de kristallen zijn nauw verbonden door ionische en covalente bindingen, wat zorgt voor een langzame warmtegeleiding. Wanneer de verpakkingsapparatuur complexe temperatuurcycli ondergaat, kan de granieten basis de invloed van temperatuurveranderingen op zichzelf effectief onderdrukken en een stabiel temperatuurveld handhaven. Relevante experimenten tonen aan dat bij de gebruikelijke temperatuurveranderingssnelheid van verpakkingsapparatuur (bijvoorbeeld ±5 ℃ per minuut) de afwijking van de oppervlaktetemperatuuruniformiteit van de granieten basis binnen ±0,1 ℃ kan worden gecontroleerd, waardoor het fenomeen van thermische spanningsconcentratie veroorzaakt door lokale temperatuurverschillen wordt vermeden, waardoor de wafer zich gedurende het hele verpakkingsproces in een uniforme en stabiele thermische omgeving bevindt en de bron van thermische spanningsgeneratie wordt verminderd.
Hoge stijfheid en trillingsdemping: Tijdens de werking van waferverpakkingsapparatuur zullen de mechanische bewegende onderdelen binnenin (zoals motoren, transmissieapparatuur, enz.) trillingen genereren. Als deze trillingen worden overgedragen op de wafer, versterken ze de schade die wordt veroorzaakt door thermische belasting van de wafer. Granieten voetstukken hebben een hoge stijfheid en een hogere hardheid dan veel andere metalen materialen, waardoor ze effectief bestand zijn tegen externe trillingen. Tegelijkertijd zorgt de unieke interne structuur voor uitstekende trillingsdemping en een snelle afvoer van trillingsenergie. Onderzoeksgegevens tonen aan dat de granieten voetstuk 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 belasting aanzienlijk wordt verminderd en de hoge precisie en betrouwbaarheid van waferverpakking verder wordt gewaarborgd.
Effect van de praktische toepassing
In de productielijn voor waferverpakking van een bekende halfgeleiderfabrikant zijn opmerkelijke resultaten geboekt na de introductie van verpakkingsapparatuur met granieten voetstukken. Gebaseerd op de analyse van de inspectiegegevens van 10.000 wafers na verpakking, vóór de toepassing van de granieten voetstuk, bedroeg het defectpercentage van wafervervorming door thermische spanning 12%. Na de overstap naar de granieten voetstuk daalde het defectpercentage echter scherp tot binnen 3% en verbeterde de opbrengst aanzienlijk. Bovendien hebben langetermijnbetrouwbaarheidstests aangetoond dat na 1000 cycli van hoge temperatuur (125 °C) en lage temperatuur (-55 °C) het aantal soldeerverbindingsfouten van de chip met de granieten voetstukbehuizing met 70% is verminderd in vergelijking met de traditionele voetstukbehuizing, en dat de prestatiestabiliteit van de chip aanzienlijk 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 bodems, met hun uitgebreide voordelen op het gebied van een lage thermische uitzettingscoëfficiënt, thermische stabiliteit en trillingsreductie, 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.
Geplaatst op: 15 mei 2025