V přesném a složitém procesu výroby polovodičů a balení waferů je tepelné namáhání jako „ničitel“ skrytý ve tmě, který neustále ohrožuje kvalitu balení a výkon čipů. Od rozdílu v koeficientech tepelné roztažnosti mezi čipy a obalovými materiály až po drastické změny teploty během procesu balení jsou cesty vzniku tepelného namáhání rozmanité, ale všechny ukazují na důsledek snížení míry výtěžnosti a ovlivnění dlouhodobé spolehlivosti čipů. Žulová základna se svými jedinečnými materiálovými vlastnostmi nenápadně stává silným „pomocníkem“ při řešení problému tepelného namáhání.
Problematika tepelného namáhání při balení destiček
Balení destiček zahrnuje spolupráci mnoha materiálů. Čipy se obvykle skládají z polovodičových materiálů, jako je křemík, zatímco obalové materiály, jako jsou plastové obalové materiály a substráty, se liší kvalitou. Když se teplota během procesu balení mění, různé materiály se značně liší ve stupni tepelné roztažnosti a smrštění v důsledku značných rozdílů v koeficientu tepelné roztažnosti (CTE). Například koeficient tepelné roztažnosti křemíkových čipů je přibližně 2,6 × 10⁻⁶/℃, zatímco koeficient tepelné roztažnosti běžných epoxidových pryskyřičných lisovacích materiálů je až 15–20 × 10⁻⁶/℃. Tato obrovská mezera způsobuje, že stupeň smrštění čipu a obalového materiálu je během fáze chlazení po balení asynchronní, což vytváří silné tepelné napětí na rozhraní mezi nimi. V důsledku neustálého působení tepelného napětí se destička může deformovat a zdeformovat. V závažných případech může dokonce způsobit fatální vady, jako jsou praskliny v čipu, zlomení pájených spojů a delaminace rozhraní, což má za následek poškození elektrického výkonu čipu a výrazné snížení jeho životnosti. Podle statistik odvětví může míra vadného balení waferů způsobená tepelným namáháním dosáhnout až 10 % až 15 %, což se stává klíčovým faktorem omezujícím efektivní a kvalitní rozvoj polovodičového průmyslu.
Charakteristické výhody žulových základů
Nízký koeficient tepelné roztažnosti: Žula se skládá převážně z minerálních krystalů, jako je křemen a živec, a její koeficient tepelné roztažnosti je extrémně nízký, obvykle se pohybuje v rozmezí od 0,6 do 5×10⁻⁶/℃, což je blíže koeficientu tepelné roztažnosti křemíkových čipů. Tato vlastnost umožňuje, aby se během provozu zařízení na balení destiček, a to i při teplotních výkyvech, výrazně snížil rozdíl v tepelné roztažnosti mezi žulovou základnou a čipem a obalovým materiálem. Například při změně teploty o 10℃ se může kolísání velikosti obalové platformy postavené na žulové základně snížit o více než 80 % ve srovnání s tradiční kovovou základnou, což výrazně zmírňuje tepelné namáhání způsobené asynchronní tepelnou roztažností a smršťováním a poskytuje stabilnější podpůrné prostředí pro destičku.
Vynikající tepelná stabilita: Žula má vynikající tepelnou stabilitu. Její vnitřní struktura je hustá a krystaly jsou pevně propojeny iontovými a kovalentními vazbami, což umožňuje pomalé vedení tepla uvnitř. Když balicí zařízení prochází složitými teplotními cykly, může žulová základna účinně potlačit vliv teplotních změn na sebe a udržovat stabilní teplotní pole. Relevantní experimenty ukazují, že při běžné rychlosti změn teploty balicího zařízení (například ±5 °C za minutu) lze odchylku rovnoměrnosti povrchové teploty žulové základny regulovat v rozmezí ±0,1 °C, čímž se zabrání jevu koncentrace tepelného napětí způsobeného lokálními teplotními rozdíly, zajistí se, že destička je v rovnoměrném a stabilním tepelném prostředí během celého procesu balení a sníží se zdroj vzniku tepelného napětí.
Vysoká tuhost a tlumení vibrací: Během provozu zařízení pro balení destiček vytvářejí mechanické pohyblivé části uvnitř (jako jsou motory, převodová zařízení atd.) vibrace. Pokud se tyto vibrace přenášejí na destičku, zesílí se poškození způsobené tepelným namáháním destičky. Žulové základny mají vysokou tuhost a tvrdost vyšší než mnoho kovových materiálů, což jim umožňuje účinně odolávat rušení vnějších vibrací. Jejich jedinečná vnitřní struktura jim zároveň poskytuje vynikající tlumení vibrací a umožňuje jim rychle rozptylovat vibrační energii. Výzkumná data ukazují, že žulová základna dokáže snížit vysokofrekvenční vibrace (100–1000 Hz) generované provozem balicího zařízení o 60 % až 80 %, čímž se výrazně snižuje vazebný účinek vibrací a tepelného namáhání a dále se zajišťuje vysoká přesnost a spolehlivost balení destiček.
Praktický aplikační efekt
Na výrobní lince na balení destiček známého podniku na výrobu polovodičů bylo po zavedení balicího zařízení s žulovou základnou dosaženo pozoruhodných výsledků. Na základě analýzy dat z kontrol 10 000 destiček po balení bylo před zavedením žulové základny zjištěno, že míra deformace destiček způsobená tepelným namáháním byla 12 %. Po přechodu na žulovou základnu však míra deformací prudce klesla na méně než 3 % a výtěžnost se výrazně zlepšila. Dlouhodobé testy spolehlivosti navíc ukázaly, že po 1 000 cyklech vysoké teploty (125 °C) a nízké teploty (-55 °C) se počet selhání pájených spojů čipu s žulovou základnou snížil o 70 % ve srovnání s tradiční základnou a výrazně se zlepšila výkonnostní stabilita čipu.
S tím, jak se polovodičová technologie neustále vyvíjí směrem k vyšší přesnosti a menším rozměrům, jsou požadavky na regulaci tepelného namáhání při balení destiček stále přísnější. Žulové základny se svými komplexními výhodami v podobě nízkého koeficientu tepelné roztažnosti, tepelné stability a snížení vibrací staly klíčovou volbou pro zlepšení kvality balení destiček a snížení dopadu tepelného namáhání. Hrají stále důležitější roli v zajišťování udržitelného rozvoje polovodičového průmyslu.
Čas zveřejnění: 15. května 2025