Trong quy trình sản xuất bán dẫn chính xác và phức tạp, đặc biệt là khâu đóng gói wafer, ứng suất nhiệt giống như một "kẻ hủy diệt" ẩn mình trong bóng tối, liên tục đe dọa chất lượng đóng gói và hiệu năng 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 phát sinh ứng suất nhiệt rất đa dạng, nhưng tất cả đều dẫn đến kết quả là giảm tỷ lệ sản phẩm đạt chất lượng và ảnh hưởng đến độ tin cậy lâu dài của chip. Đá granit, với những đặc tính vật liệu độc đáo, đang âm thầm trở thành một "trợ thủ" đắc lực trong việc giải quyết vấn đề ứng suất nhiệt.
Vấn đề ứng suất nhiệt trong đóng gói wafer
Quá trình đóng gói wafer đòi hỏi sự phối hợp của nhiều loại vật liệu. Chip thường được cấu tạo từ các vật liệu bán dẫn như silicon, trong khi các vật liệu đóng gói như vật liệu nhựa và chất nền có chất lượng khác nhau. Khi nhiệt độ thay đổi trong quá trình đóng gói, các vật liệu khác nhau sẽ có sự giãn nở và co lại nhiệt đáng kể do sự khác biệt lớn về hệ số giãn nở nhiệt (CTE). Ví dụ, hệ số giãn nở nhiệt của chip silicon xấp xỉ 2,6×10⁻⁶/℃, trong khi hệ số giãn nở nhiệt của các vật liệu nhựa epoxy thông thường có thể lên tới 15-20 ×10⁻⁶/℃. Sự chênh lệch lớn này khiến độ co ngót của chip và vật liệu đóng gói không đồng bộ trong giai đoạn làm nguội 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 bị 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 bong tróc giao diện, dẫn đến hư hỏng hiệu năng điện của chip và làm giảm đáng kể tuổi thọ của nó. Theo số liệu thống kê ngành, tỷ lệ lỗi trong quá trình 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.
Những ưu điểm đặc trưng của nền đá granit
Hệ số giãn nở nhiệt thấp: Đá granit chủ yếu bao gồm các tinh thể khoáng chất như thạch anh và fenspat, và hệ số giãn nở nhiệt của nó cực kỳ thấp, thường nằm trong khoảng từ 0,6 đến 5×10⁻⁶/℃, gần với hệ số giãn nở nhiệt của chip silicon. Đặc tính này cho phép trong quá trình vận hành thiết bị đóng gói wafer, ngay cả khi gặp phải sự dao động nhiệt độ, sự khác biệt về giãn nở nhiệt giữa đế granit và chip cũng như vật liệu đóng gói được giảm đáng kể. Ví dụ, khi nhiệt độ thay đổi 10℃, sự thay đổi kích thước của nền tảng đóng gói được xây dựng trên đế granit có thể giảm hơn 80% so với đế kim loại truyền thống, điều này giúp giảm đáng kể ứng suất nhiệt gây ra bởi sự giãn nở và co lại không đồng bộ, 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 vượt trội. Cấu trúc bên trong của nó rất đặc, và các tinh thể liên kết chặt chẽ với nhau 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 sự thay đổi nhiệt độ lên chính nó và duy trì trường nhiệt độ ổn định. Các thí nghiệm liên quan cho thấy rằng dưới 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 tấm wafer nằm trong môi trường nhiệt đồng đều và ổn định trong suốt quá trình đóng gói và giảm nguồn phát sinh ứng suất nhiệt.
Độ cứng cao và khả năng giảm chấn rung động: Trong quá trình vận hành thiết bị đóng gói wafer, các bộ phận chuyển động cơ khí bên trong (như động cơ, thiết bị truyền động, v.v.) sẽ tạo ra rung động. Nếu những rung động này truyền đến wafer, chúng sẽ làm tăng cường hư hại do ứng suất nhiệt gây ra cho wafer. Đế đá granit có độ cứng cao và độ bền cao hơn nhiều vật liệu kim loại, có thể chống lại hiệu quả sự nhiễu loạn của các rung động bên ngoài. Đồng thời, cấu trúc bên trong độc đáo của nó mang lại hiệu suất giảm chấn rung 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 kết hợp của rung động và ứng suất nhiệt, từ đó đảm bảo độ chính xác cao và độ tin cậy cao của quá trình đóng gói wafer.
Hiệu quả ứng dụng thực tiễn
Tại dây chuyền sản xuất đóng gói wafer của một doanh nghiệp sản xuất chất bán dẫn nổi tiếng, sau khi đưa vào sử dụng thiết bị đóng gói với 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 sử dụng đế đá granit, tỷ lệ lỗi cong vênh wafer do ứng suất nhiệt là 12%. Tuy nhiên, sau khi chuyển sang đế đá granit, tỷ lệ lỗi đã giảm mạnh xuống còn dưới 3%, và tỷ lệ sản phẩm đạt chất lượng 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 lượng lỗi mối hàn của chip dựa trên đế đá granit đã giảm 70% so với đế truyền thống, và độ ổn định hiệu năng của chip đã được cải thiện đáng kể.
Khi công nghệ bán dẫn tiếp tục phát triển theo hướng 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. Đế đá granit, với những ưu điểm toàn diện về hệ số giãn nở nhiệt thấp, độ ổn định nhiệt và khả năng giảm rung, đã trở thành lựa chọn quan trọng để nâng cao 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 bài: 15 tháng 5 năm 2025