No processo de fabricação de semicondutores, preciso e complexo, de encapsulamento de wafers, o estresse térmico atua como um "destruidor" oculto, ameaçando constantemente a qualidade do encapsulamento e o desempenho dos chips. Desde a diferença nos coeficientes de expansão térmica entre os chips e os materiais de encapsulamento até as drásticas variações de temperatura durante o processo de encapsulamento, as vias de geração de estresse térmico são diversas, mas todas convergem para o resultado de redução da taxa de rendimento e comprometimento da confiabilidade a longo prazo dos chips. A base de granito, com suas propriedades únicas, está se tornando, discretamente, uma poderosa "auxiliar" no combate ao problema do estresse térmico.
O dilema do estresse térmico na embalagem de wafers
A embalagem de wafers envolve a interação de diversos materiais. Os chips são tipicamente compostos de materiais semicondutores, como o silício, enquanto os materiais de embalagem, como os plásticos e os substratos, variam em qualidade. Quando a temperatura muda durante o processo de embalagem, diferentes materiais apresentam grandes variações no grau de expansão e contração térmica devido às 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/°C, enquanto o coeficiente de expansão térmica de materiais comuns de moldagem de resina epóxi chega a 15-20 × 10⁻⁶/°C. Essa grande diferença faz com que o grau de contração do chip e do material de embalagem ocorra de forma assíncrona durante a fase de resfriamento após a embalagem, gerando uma forte tensão térmica na interface entre os dois. Sob o efeito contínuo da tensão térmica, o wafer pode sofrer deformações e empenamentos. 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 da indústria, a taxa de defeitos na embalagem de wafers causada por problemas de estresse térmico pode chegar a 10% a 15%, tornando-se um fator crucial 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 de 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 próximo ao dos chips de silício. Essa característica permite que, durante a operação de equipamentos de encapsulamento de wafers, mesmo quando sujeitos a flutuações de temperatura, a diferença na expansão térmica entre a base de granito e o chip e os materiais de encapsulamento seja significativamente reduzida. Por exemplo, quando a temperatura varia em 10°C, a variação dimensional da plataforma de encapsulamento construída sobre a base de granito pode ser reduzida em mais de 80% em comparação com a base metálica tradicional, o que alivia consideravelmente o estresse térmico causado pela expansão e contração térmica assíncronas e proporciona um ambiente de suporte mais estável para o wafer.
Excelente estabilidade térmica: O granito possui estabilidade térmica excepcional. Sua estrutura interna é densa, com cristais fortemente ligados por ligações iônicas e covalentes, permitindo uma condução de calor lenta em seu interior. Quando o equipamento de encapsulamento é submetido a ciclos complexos de temperatura, a base de granito consegue suprimir eficazmente a influência das variações de temperatura, mantendo um campo térmico estável. Experimentos relevantes demonstram que, sob a taxa de variação de temperatura comum em equipamentos de encapsulamento (como ±5 °C por minuto), o desvio na uniformidade da temperatura da superfície da base de granito pode ser controlado em ±0,1 °C, evitando o fenômeno de concentração de tensão térmica causado por diferenças locais de temperatura. Isso garante que o wafer permaneça em um ambiente térmico uniforme e estável durante todo o processo de encapsulamento, reduzindo as fontes de geração de tensão térmica.
Alta rigidez e amortecimento de vibrações: Durante a operação de equipamentos de encapsulamento de wafers, as partes mecânicas móveis internas (como motores, dispositivos de transmissão, etc.) geram vibrações. Se essas vibrações forem transmitidas ao wafer, intensificarão os danos causados pelo estresse térmico. As bases de granito possuem alta rigidez e dureza superior à de muitos materiais metálicos, resistindo eficazmente à interferência de vibrações externas. Além disso, sua estrutura interna única confere excelente desempenho de amortecimento de vibrações, permitindo a rápida dissipação da energia vibratória. Dados de pesquisa mostram que a base de granito pode reduzir a vibração de alta frequência (100-1000 Hz) gerada pela operação de equipamentos de encapsulamento em 60% a 80%, reduzindo significativamente o efeito de acoplamento entre vibração e estresse térmico e, consequentemente, garantindo a alta precisão e confiabilidade do encapsulamento 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 bases de granito, foram alcançados resultados notáveis. 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 empenamento dos wafers causado por estresse térmico era de 12%. No entanto, após a mudança para a base de granito, a taxa de defeitos caiu drasticamente para menos de 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 embalado com base de granito foi reduzido em 70% em comparação com a embalagem com base tradicional, e a estabilidade de desempenho do chip foi consideravelmente aprimorada.
À medida que a tecnologia de semicondutores avança em direção a maior precisão e tamanho reduzido, os requisitos para o controle do estresse térmico na embalagem de wafers tornam-se cada vez mais rigorosos. As bases de granito, com suas vantagens abrangentes em termos de baixo coeficiente de expansão térmica, estabilidade térmica e redução de vibração, tornaram-se uma escolha fundamental para melhorar a qualidade da embalagem 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 da publicação: 15 de maio de 2025