No preciso e complexo processo de fabricação de semicondutores para encapsulamento de wafers, o estresse térmico atua como um "destruidor" oculto no escuro, ameaçando constantemente a qualidade do encapsulamento e o desempenho dos chips. Da diferença nos coeficientes de expansão térmica entre os chips e os materiais de encapsulamento às mudanças drásticas de temperatura durante o processo de encapsulamento, as vias de geração do estresse térmico são diversas, mas todas apontam para a redução da taxa de rendimento e o impacto na confiabilidade dos chips a longo prazo. A base de granito, com suas propriedades únicas, está se tornando discretamente um poderoso "assistente" no tratamento do problema do estresse térmico.
O dilema do estresse térmico na embalagem de wafers
O encapsulamento de wafers envolve o trabalho colaborativo de vários materiais. Os chips são normalmente compostos de materiais semicondutores, como o silício, enquanto os materiais de encapsulamento, como os materiais de encapsulamento plástico e os substratos, variam em qualidade. Quando a temperatura muda durante o processo de encapsulamento, diferentes materiais variam muito no grau de expansão e contração térmica devido a diferenças significativas no coeficiente de expansão térmica (CTE). Por exemplo, o coeficiente de expansão térmica dos chips de silício é de aproximadamente 2,6 × 10⁻⁶/℃, enquanto o coeficiente de expansão térmica dos materiais comuns de moldagem de resina epóxi é tão alto quanto 15-20 × 10⁻⁶/℃. Essa enorme lacuna faz com que o grau de contração do chip e do material de encapsulamento seja assíncrono durante o estágio de resfriamento após o encapsulamento, gerando um forte estresse térmico na interface entre os dois. Sob o efeito contínuo do estresse térmico, o wafer pode deformar e entortar. Em casos graves, pode até causar defeitos fatais, como rachaduras no chip, fraturas nas juntas de solda e delaminação da interface, resultando em danos ao desempenho elétrico do chip e uma redução significativa em sua vida útil. De acordo com estatísticas do setor, a taxa de defeitos em encapsulamentos de wafers causados por estresse térmico pode chegar a 10% a 15%, tornando-se um fator-chave que restringe o desenvolvimento eficiente e de alta qualidade da indústria de semicondutores.
As vantagens características das bases de granito
Baixo coeficiente de expansão térmica: O granito é composto principalmente por cristais minerais, como quartzo e feldspato, e seu coeficiente de expansão térmica é extremamente baixo, geralmente variando de 0,6 a 5×10⁻⁶/°C, o que é mais próximo ao dos chips de silício. Essa característica permite que, durante a operação do equipamento de embalagem de wafers, mesmo diante de flutuações de temperatura, a diferença de expansão térmica entre a base de granito e o chip e os materiais de embalagem seja significativamente reduzida. Por exemplo, quando a temperatura muda em 10°C, a variação de tamanho da plataforma de embalagem construída sobre a base de granito pode ser reduzida em mais de 80% em comparação com a base metálica tradicional, o que alivia significativamente o estresse térmico causado pela expansão e contração térmica assíncrona e fornece um ambiente de suporte mais estável para o wafer.
Excelente estabilidade térmica: O granito possui excelente estabilidade térmica. Sua estrutura interna é densa e os cristais estão intimamente ligados por ligações iônicas e covalentes, permitindo uma condução lenta de calor em seu interior. Quando o equipamento de embalagem passa por ciclos complexos de temperatura, a base de granito pode suprimir efetivamente a influência das mudanças de temperatura sobre si mesma e manter um campo de temperatura estável. Experimentos relevantes mostram que, sob a taxa de variação de temperatura comum do equipamento de embalagem (como ±5°C por minuto), o desvio da uniformidade da temperatura da superfície da base de granito pode ser controlado dentro de ±0,1°C, evitando o fenômeno de concentração de estresse térmico causado por diferenças locais de temperatura, garantindo que o wafer esteja em um ambiente térmico uniforme e estável durante todo o processo de embalagem e reduzindo a fonte de geração de estresse térmico.
Alta rigidez e amortecimento de vibrações: Durante a operação do equipamento de embalagem de wafers, as peças mecânicas móveis internas (como motores, dispositivos de transmissão, etc.) geram vibrações. Se essas vibrações forem transmitidas ao wafer, elas intensificarão os danos causados pelo estresse térmico ao wafer. As bases de granito possuem alta rigidez e dureza superior à de muitos materiais metálicos, o que pode resistir eficazmente à interferência de vibrações externas. Ao mesmo tempo, sua estrutura interna exclusiva confere-lhe excelente desempenho de amortecimento de vibrações e permite dissipar a energia da vibração rapidamente. Dados de pesquisa mostram que a base de granito pode reduzir a vibração de alta frequência (100-1000 Hz) gerada pela operação do equipamento de embalagem em 60% a 80%, reduzindo significativamente o efeito de acoplamento da vibração e do estresse térmico, garantindo ainda mais a alta precisão e a alta confiabilidade da embalagem de wafers.
Efeito de aplicação prática
Na linha de produção de embalagens de wafers de uma renomada empresa de fabricação de semicondutores, após a introdução de equipamentos de embalagem com base de granito, conquistas notáveis foram alcançadas. Com base na análise dos dados de inspeção de 10.000 wafers após a embalagem, antes da adoção da base de granito, a taxa de defeitos por deformação do wafer causada por estresse térmico era de 12%. No entanto, após a mudança para a base de granito, a taxa de defeitos caiu drasticamente para 3%, e a taxa de rendimento melhorou significativamente. Além disso, testes de confiabilidade de longo prazo mostraram que, após 1.000 ciclos de alta temperatura (125°C) e baixa temperatura (-55°C), o número de falhas nas juntas de solda do chip baseado na embalagem com base de granito foi reduzido em 70% em comparação com a embalagem com base tradicional, e a estabilidade de desempenho do chip foi significativamente melhorada.
À medida que a tecnologia de semicondutores avança rumo a maior precisão e menor tamanho, os requisitos para controle do estresse térmico em encapsulamentos de wafers estão se tornando cada vez mais rigorosos. Bases de granito, com suas vantagens abrangentes em baixo coeficiente de expansão térmica, estabilidade térmica e redução de vibração, tornaram-se uma escolha fundamental para melhorar a qualidade do encapsulamento de wafers e reduzir o impacto do estresse térmico. Elas desempenham um papel cada vez mais importante para garantir o desenvolvimento sustentável da indústria de semicondutores.
Data de publicação: 15 de maio de 2025