V presnom a komplexnom procese výroby polovodičov pri balení doštičiek je tepelné namáhanie ako „ničiteľ“ skrytý v tme, ktorý neustále ohrozuje kvalitu balenia a výkon čipov. Od rozdielu v koeficientoch tepelnej rozťažnosti medzi čipmi a obalovými materiálmi až po drastické zmeny teploty počas procesu balenia sú cesty vzniku tepelného namáhania rôznorodé, ale všetky poukazujú na zníženie miery výťažnosti a ovplyvnenie dlhodobej spoľahlivosti čipov. Žulová základňa sa so svojimi jedinečnými materiálovými vlastnosťami nenápadne stáva silným „pomocníkom“ pri riešení problému tepelného namáhania.
Dilema tepelného stresu pri balení doštičiek
Balenie doštičiek zahŕňa spoluprácu mnohých materiálov. Čipy sa zvyčajne skladajú z polovodičových materiálov, ako je kremík, zatiaľ čo obalové materiály, ako sú plastové obalové materiály a substráty, sa líšia kvalitou. Keď sa teplota počas procesu balenia mení, rôzne materiály sa značne líšia v stupni tepelnej rozťažnosti a sťahovania v dôsledku výrazných rozdielov v koeficiente tepelnej rozťažnosti (CTE). Napríklad koeficient tepelnej rozťažnosti kremíkových čipov je približne 2,6 × 10⁻⁶/℃, zatiaľ čo koeficient tepelnej rozťažnosti bežných epoxidových materiálov na tvarovanie je až 15 – 20 × 10⁻⁶/℃. Táto obrovská medzera spôsobuje, že stupeň zmršťovania čipu a obalového materiálu je počas fázy chladenia po balení asynchrónny, čo vytvára silné tepelné napätie na rozhraní medzi nimi. Pri neustálom pôsobení tepelného namáhania sa doštička môže zdeformovať a zdeformovať. V závažných prípadoch môže dokonca spôsobiť fatálne chyby, ako sú praskliny v čipe, zlomy spájkovaných spojov a delaminácia rozhrania, čo vedie k poškodeniu elektrického výkonu čipu a výraznému skráteniu jeho životnosti. Podľa štatistík odvetvia môže miera chybovosti balenia doštičiek spôsobená tepelným namáhaním dosiahnuť až 10 % až 15 %, čo sa stáva kľúčovým faktorom obmedzujúcim efektívny a kvalitný rozvoj polovodičového priemyslu.
Charakteristické výhody žulových podstavcov
Nízky koeficient tepelnej rozťažnosti: Žula sa skladá prevažne z minerálnych kryštálov, ako je kremeň a živec, a jej koeficient tepelnej rozťažnosti je extrémne nízky, zvyčajne sa pohybuje od 0,6 do 5×10⁻⁶/℃, čo je bližšie k koeficientu kremíkových čipov. Táto vlastnosť umožňuje, aby sa počas prevádzky zariadenia na balenie doštičiek, a to aj pri teplotných výkyvoch, výrazne znížil rozdiel v tepelnej rozťažnosti medzi žulovou základňou a čipom a obalovým materiálom. Napríklad, keď sa teplota zmení o 10℃, zmena veľkosti obalovej platformy postavenej na žulovej základni sa môže znížiť o viac ako 80 % v porovnaní s tradičnou kovovou základňou, čo výrazne zmierňuje tepelné namáhanie spôsobené asynchrónnou tepelnou rozťažnosťou a kontrakciou a poskytuje stabilnejšie podporné prostredie pre doštičku.
Vynikajúca tepelná stabilita: Žula má vynikajúcu tepelnú stabilitu. Jej vnútorná štruktúra je hustá a kryštály sú pevne spojené iónovými a kovalentnými väzbami, čo umožňuje pomalé vedenie tepla vo vnútri. Keď baliace zariadenie prechádza zložitými teplotnými cyklami, žulová základňa dokáže účinne potlačiť vplyv teplotných zmien na seba a udržiavať stabilné teplotné pole. Relevantné experimenty ukazujú, že pri bežnej rýchlosti zmeny teploty baliaceho zariadenia (napríklad ±5 ℃ za minútu) je možné regulovať odchýlku rovnomernosti povrchovej teploty žulovej základne v rozmedzí ±0,1 ℃, čím sa zabráni javu koncentrácie tepelného napätia spôsobeného lokálnymi teplotnými rozdielmi, zabezpečí sa, že doštička je počas celého procesu balenia v rovnomernom a stabilnom tepelnom prostredí a zníži sa zdroj vzniku tepelného napätia.
Vysoká tuhosť a tlmenie vibrácií: Počas prevádzky zariadenia na balenie doštičiek vytvárajú mechanické pohyblivé časti vo vnútri (ako sú motory, prevodové zariadenia atď.) vibrácie. Ak sa tieto vibrácie prenášajú na doštičku, zintenzívnia poškodenie spôsobené tepelným namáhaním doštičky. Žulové základne majú vysokú tuhosť a tvrdosť vyššiu ako mnohé kovové materiály, čo im umožňuje účinne odolávať rušeniu vonkajších vibrácií. Vďaka svojej jedinečnej vnútornej štruktúre majú vynikajúce tlmiace vlastnosti a rýchlo rozptyľujú energiu vibrácií. Výskumné údaje ukazujú, že žulová základňa dokáže znížiť vysokofrekvenčné vibrácie (100 – 1 000 Hz) generované prevádzkou baliaceho zariadenia o 60 % až 80 %, čím sa výrazne znižuje spojovací účinok vibrácií a tepelného namáhania a ďalej sa zabezpečuje vysoká presnosť a spoľahlivosť balenia doštičiek.
Praktický aplikačný efekt
Na výrobnej linke na balenie doštičiek známeho podniku na výrobu polovodičov sa po zavedení baliaceho zariadenia s žulovou základňou dosiahli pozoruhodné úspechy. Na základe analýzy údajov z kontroly 10 000 doštičiek po balení, pred zavedením žulovej základne, bola miera deformácie doštičiek spôsobená tepelným namáhaním 12 %. Po prechode na žulovú základňu však miera deformácie prudko klesla na 3 % a výťažnosť sa výrazne zlepšila. Okrem toho dlhodobé testy spoľahlivosti ukázali, že po 1 000 cykloch vysokej teploty (125 ℃) a nízkej teploty (-55 ℃) sa počet porúch spájkovaných spojov čipu založeného na žulovom puzdre znížil o 70 % v porovnaní s tradičným puzdrom a výkonnostná stabilita čipu sa výrazne zlepšila.
S neustálym pokrokom v polovodičovej technológii smerom k vyššej presnosti a menším rozmerom sa požiadavky na kontrolu tepelného namáhania pri balení doštičiek stávajú čoraz prísnejšími. Žulové základne sa vďaka svojim komplexným výhodám, ako je nízky koeficient tepelnej rozťažnosti, tepelná stabilita a zníženie vibrácií, stali kľúčovou voľbou pre zlepšenie kvality balenia doštičiek a zníženie vplyvu tepelného namáhania. Zohrávajú čoraz dôležitejšiu úlohu pri zabezpečovaní udržateľného rozvoja polovodičového priemyslu.
Čas uverejnenia: 15. mája 2025