Nel preciso e complesso processo di produzione di semiconduttori per il confezionamento dei wafer, lo stress termico è come un "distruttore" nascosto nell'oscurità, che minaccia costantemente la qualità del confezionamento e le prestazioni dei chip. Dalla differenza nei coefficienti di dilatazione termica tra chip e materiali di confezionamento alle drastiche variazioni di temperatura durante il processo di confezionamento, le modalità di generazione dello stress termico sono diverse, ma tutte puntano alla riduzione del tasso di rendimento e all'influsso sull'affidabilità a lungo termine dei chip. La base in granito, con le sue proprietà uniche, sta diventando silenziosamente un potente "assistente" nella gestione del problema dello stress termico.
Il dilemma dello stress termico nel confezionamento dei wafer
Il confezionamento dei wafer richiede la collaborazione di numerosi materiali. I chip sono tipicamente composti da materiali semiconduttori come il silicio, mentre i materiali di confezionamento, come i materiali di imballaggio in plastica e i substrati, variano in termini di qualità. Quando la temperatura varia durante il processo di confezionamento, i diversi materiali variano notevolmente nel grado di espansione e contrazione termica a causa di differenze significative nel coefficiente di espansione termica (CTE). Ad esempio, il coefficiente di espansione termica dei chip in silicio è di circa 2,6×10⁻⁶/℃, mentre il coefficiente di espansione termica dei comuni materiali di stampaggio in resina epossidica arriva fino a 15-20×10⁻⁶/℃. Questa enorme differenza fa sì che il grado di restringimento del chip e del materiale di confezionamento sia asincrono durante la fase di raffreddamento successiva al confezionamento, generando un forte stress termico all'interfaccia tra i due. Sotto l'effetto continuo dello stress termico, il wafer può deformarsi e deformarsi. Nei casi più gravi, può persino causare difetti fatali come cricche sul chip, fratture dei giunti di saldatura e delaminazione dell'interfaccia, con conseguenti danni alle prestazioni elettriche del chip e una significativa riduzione della sua vita utile. Secondo le statistiche di settore, il tasso di difettosità del packaging dei wafer causato da problemi di stress termico può raggiungere il 10-15%, diventando un fattore chiave che limita lo sviluppo efficiente e di alta qualità dell'industria dei semiconduttori.
I vantaggi caratteristici delle basi in granito
Basso coefficiente di dilatazione termica: il granito è composto principalmente da cristalli minerali come quarzo e feldspato e il suo coefficiente di dilatazione termica è estremamente basso, generalmente compreso tra 0,6 e 5×10⁻⁶/℃, un valore più vicino a quello dei chip di silicio. Questa caratteristica consente che durante il funzionamento delle apparecchiature di confezionamento dei wafer, anche in caso di fluttuazioni di temperatura, la differenza di dilatazione termica tra la base in granito e il chip e i materiali di confezionamento sia significativamente ridotta. Ad esempio, quando la temperatura varia di 10℃, la variazione dimensionale della piattaforma di confezionamento costruita sulla base in granito può essere ridotta di oltre l'80% rispetto alla tradizionale base metallica, il che allevia notevolmente lo stress termico causato dall'espansione e contrazione termica asincrona e fornisce un ambiente di supporto più stabile per il wafer.
Eccellente stabilità termica: il granito vanta un'eccezionale stabilità termica. La sua struttura interna è densa e i cristalli sono strettamente legati da legami ionici e covalenti, consentendo una lenta conduzione del calore al suo interno. Quando l'apparecchiatura di confezionamento è sottoposta a cicli di temperatura complessi, la base in granito può efficacemente sopprimere l'influenza delle variazioni di temperatura su se stessa e mantenere un campo termico stabile. Esperimenti pertinenti dimostrano che, alla normale velocità di variazione della temperatura delle apparecchiature di confezionamento (ad esempio ±5 °C al minuto), la deviazione dell'uniformità della temperatura superficiale della base in granito può essere controllata entro ±0,1 °C, evitando il fenomeno di concentrazione dello stress termico causato da differenze di temperatura locali, garantendo che il wafer si trovi in un ambiente termico uniforme e stabile durante l'intero processo di confezionamento e riducendo la fonte di generazione di stress termico.
Elevata rigidità e smorzamento delle vibrazioni: durante il funzionamento delle apparecchiature di confezionamento per wafer, le parti meccaniche in movimento al loro interno (come motori, dispositivi di trasmissione, ecc.) generano vibrazioni. Se queste vibrazioni vengono trasmesse al wafer, intensificano i danni causati dallo stress termico. Le basi in granito presentano un'elevata rigidità e una durezza superiore a quella di molti materiali metallici, che le rendono in grado di resistere efficacemente all'interferenza delle vibrazioni esterne. Allo stesso tempo, la sua esclusiva struttura interna le conferisce eccellenti prestazioni di smorzamento delle vibrazioni e le consente di dissipare rapidamente l'energia delle vibrazioni. I dati di ricerca dimostrano che la base in granito può ridurre le vibrazioni ad alta frequenza (100-1000 Hz) generate dal funzionamento delle apparecchiature di confezionamento dal 60% all'80%, riducendo significativamente l'effetto di accoppiamento tra vibrazioni e stress termico e garantendo ulteriormente l'elevata precisione e l'elevata affidabilità del confezionamento dei wafer.
Effetto pratico dell'applicazione
Nella linea di produzione per il confezionamento di wafer di una nota azienda produttrice di semiconduttori, l'introduzione di apparecchiature di confezionamento con base in granito ha permesso di raggiungere risultati notevoli. Analizzando i dati di ispezione di 10.000 wafer dopo il confezionamento, prima dell'adozione della base in granito, il tasso di difetti dovuto a deformazione dei wafer causata da stress termico era del 12%. Tuttavia, dopo il passaggio alla base in granito, il tasso di difetti è sceso drasticamente, attestandosi entro il 3%, e il rendimento è migliorato significativamente. Inoltre, test di affidabilità a lungo termine hanno dimostrato che, dopo 1.000 cicli ad alta temperatura (125 °C) e bassa temperatura (-55 °C), il numero di guasti ai giunti di saldatura del chip con package con base in granito è stato ridotto del 70% rispetto al package con base tradizionale, migliorando notevolmente la stabilità delle prestazioni del chip.
Con il continuo progresso della tecnologia dei semiconduttori verso una maggiore precisione e dimensioni ridotte, i requisiti per il controllo dello stress termico nel confezionamento dei wafer stanno diventando sempre più rigorosi. Le basi in granito, con i loro vantaggi globali in termini di basso coefficiente di dilatazione termica, stabilità termica e riduzione delle vibrazioni, sono diventate una scelta fondamentale per migliorare la qualità del confezionamento dei wafer e ridurre l'impatto dello stress termico. Stanno svolgendo un ruolo sempre più importante nel garantire lo sviluppo sostenibile dell'industria dei semiconduttori.
Data di pubblicazione: 15 maggio 2025