Trong quá trình sản xuất bán dẫn phức tạp và chính xác của quá trình đóng gói wafer, ứng suất nhiệt giống như một "kẻ hủy diệt" ẩn trong bóng tối, liên tục đe dọa chất lượng đóng gói và hiệu suất của chip. Từ sự khác biệt về hệ số giãn nở nhiệt giữa chip và vật liệu đóng gói đến những thay đổi nhiệt độ đột ngột trong quá trình đóng gói, các con đường tạo ra ứng suất nhiệt rất đa dạng, nhưng tất cả đều hướng đến kết quả là làm giảm tỷ lệ năng suất và ảnh hưởng đến độ tin cậy lâu dài của chip. Đế đá granit, với các đặc tính vật liệu độc đáo của nó, đang âm thầm trở thành một "trợ lý" mạnh mẽ trong việc giải quyết vấn đề ứng suất nhiệt.
Sự tiến thoái lưỡng nan về ứng suất nhiệt trong đóng gói wafer
Đóng gói wafer liên quan đến công việc hợp tác của nhiều vật liệu. Chip thường được cấu thành từ các vật liệu bán dẫn như silicon, trong khi các vật liệu đóng gói như vật liệu đóng gói bằng nhựa và chất nền có chất lượng khác nhau. Khi nhiệt độ thay đổi trong quá trình đóng gói, các vật liệu khác nhau có mức độ giãn nở và co lại do nhiệt độ khác nhau đáng kể do hệ số giãn nở nhiệt (CTE) khác nhau. Ví dụ, hệ số giãn nở nhiệt của chip silicon xấp xỉ 2,6×10⁻⁶/℃, trong khi hệ số giãn nở nhiệt của vật liệu đúc nhựa epoxy thông thường lên tới 15-20 ×10⁻⁶/℃. Khoảng cách lớn này khiến mức độ co ngót của chip và vật liệu đóng gói không đồng bộ trong giai đoạn làm mát sau khi đóng gói, tạo ra ứng suất nhiệt mạnh tại giao diện giữa hai vật liệu. Dưới tác động liên tục của ứng suất nhiệt, wafer có thể cong vênh và biến dạng. Trong trường hợp nghiêm trọng, nó thậm chí có thể gây ra các khuyết tật nghiêm trọng như nứt chip, gãy mối hàn và tách lớp giao diện, dẫn đến hỏng hiệu suất điện của chip và giảm đáng kể tuổi thọ của chip. Theo thống kê của ngành, tỷ lệ lỗi trong đóng gói wafer do vấn đề ứng suất nhiệt có thể lên tới 10% đến 15%, trở thành yếu tố chính hạn chế sự phát triển hiệu quả và chất lượng cao của ngành công nghiệp bán dẫn.
Ưu điểm đặc trưng của đá granite
Hệ số giãn nở nhiệt thấp: Đá granit chủ yếu bao gồm các tinh thể khoáng như thạch anh và fenspat, và hệ số giãn nở nhiệt của nó cực kỳ thấp, thường dao động từ 0,6 đến 5×10⁻⁶/℃, gần với chip silicon. Đặc điểm này cho phép trong quá trình vận hành thiết bị đóng gói wafer, ngay cả khi gặp phải biến động nhiệt độ, sự khác biệt về độ giãn nở nhiệt giữa đế granit và chip và vật liệu đóng gói vẫn giảm đáng kể. Ví dụ, khi nhiệt độ thay đổi 10℃, sự thay đổi kích thước của bệ đóng gói được xây dựng trên đế granit có thể giảm hơn 80% so với đế kim loại truyền thống, giúp giảm đáng kể ứng suất nhiệt do sự giãn nở và co lại nhiệt không đồng bộ gây ra và cung cấp môi trường hỗ trợ ổn định hơn cho wafer.
Độ ổn định nhiệt tuyệt vời: Đá granit có độ ổn định nhiệt tuyệt vời. Cấu trúc bên trong của nó dày đặc và các tinh thể được liên kết chặt chẽ thông qua các liên kết ion và cộng hóa trị, cho phép dẫn nhiệt chậm bên trong. Khi thiết bị đóng gói trải qua các chu kỳ nhiệt độ phức tạp, đế đá granit có thể ngăn chặn hiệu quả ảnh hưởng của những thay đổi nhiệt độ lên chính nó và duy trì trường nhiệt độ ổn định. Các thí nghiệm có liên quan cho thấy rằng theo tốc độ thay đổi nhiệt độ thông thường của thiết bị đóng gói (chẳng hạn như ±5℃ mỗi phút), độ lệch đồng đều nhiệt độ bề mặt của đế đá granit có thể được kiểm soát trong phạm vi ±0,1℃, tránh hiện tượng tập trung ứng suất nhiệt do chênh lệch nhiệt độ cục bộ gây ra, đảm bảo rằng wafer ở trong môi trường nhiệt đồng đều và ổn định trong suốt quá trình đóng gói và giảm nguồn tạo ra ứng suất nhiệt.
Độ cứng và giảm chấn cao: Trong quá trình vận hành thiết bị đóng gói wafer, các bộ phận chuyển động cơ học bên trong (như động cơ, thiết bị truyền động, v.v.) sẽ tạo ra rung động. Nếu những rung động này được truyền đến wafer, chúng sẽ làm tăng cường thiệt hại do ứng suất nhiệt gây ra cho wafer. Đế đá granit có độ cứng cao và độ cứng cao hơn nhiều vật liệu kim loại, có thể chống lại hiệu quả sự can thiệp của rung động bên ngoài. Trong khi đó, cấu trúc bên trong độc đáo của nó mang lại cho nó hiệu suất giảm chấn động tuyệt vời và cho phép nó tiêu tán năng lượng rung động nhanh chóng. Dữ liệu nghiên cứu cho thấy đế đá granit có thể giảm rung động tần số cao (100-1000Hz) do hoạt động của thiết bị đóng gói tạo ra từ 60% đến 80%, giảm đáng kể hiệu ứng ghép nối của rung động và ứng suất nhiệt, đồng thời đảm bảo độ chính xác cao và độ tin cậy cao của bao bì wafer.
Hiệu ứng ứng dụng thực tế
Trong dây chuyền sản xuất đóng gói wafer của một doanh nghiệp sản xuất chất bán dẫn nổi tiếng, sau khi giới thiệu thiết bị đóng gói có đế đá granit, đã đạt được những thành tựu đáng kể. Dựa trên phân tích dữ liệu kiểm tra của 10.000 wafer sau khi đóng gói, trước khi áp dụng đế đá granit, tỷ lệ khuyết tật cong vênh wafer do ứng suất nhiệt là 12%. Tuy nhiên, sau khi chuyển sang đế đá granit, tỷ lệ khuyết tật giảm mạnh xuống còn trong vòng 3% và tỷ lệ năng suất được cải thiện đáng kể. Hơn nữa, các thử nghiệm độ tin cậy dài hạn đã chỉ ra rằng sau 1.000 chu kỳ nhiệt độ cao (125℃) và nhiệt độ thấp (-55℃), số lần hỏng mối hàn của chip dựa trên gói đế đá granit đã giảm 70% so với gói đế truyền thống và độ ổn định hiệu suất của chip đã được cải thiện rất nhiều.
Khi công nghệ bán dẫn tiếp tục tiến tới độ chính xác cao hơn và kích thước nhỏ hơn, các yêu cầu về kiểm soát ứng suất nhiệt trong đóng gói wafer ngày càng trở nên nghiêm ngặt hơn. Đá granit, với những ưu điểm toàn diện về hệ số giãn nở nhiệt thấp, độ ổn định nhiệt và giảm rung động, đã trở thành lựa chọn chính để cải thiện chất lượng đóng gói wafer và giảm tác động của ứng suất nhiệt. Chúng đang đóng vai trò ngày càng quan trọng trong việc đảm bảo sự phát triển bền vững của ngành công nghiệp bán dẫn.
Thời gian đăng: 15-05-2025