Im präzisen und komplexen Halbleiterherstellungsprozess der Waferverpackung wirkt thermischer Stress wie ein im Dunkeln verborgener „Zerstörer“, der die Qualität der Verpackung und die Leistung der Chips ständig gefährdet. Von den unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen Chips und Verpackungsmaterialien bis hin zu den drastischen Temperaturschwankungen während des Verpackungsprozesses sind die Entstehungswege thermischer Spannungen vielfältig, führen aber alle zu einer Verringerung der Ausbeute und einer Beeinträchtigung der langfristigen Zuverlässigkeit der Chips. Die Granitbasis mit ihren einzigartigen Materialeigenschaften entwickelt sich zunehmend zu einem leistungsstarken „Assistenten“ im Umgang mit thermischen Spannungsproblemen.
Das thermische Stress-Dilemma bei der Waferverpackung
Beim Wafer-Packaging arbeiten zahlreiche Materialien zusammen. Chips bestehen typischerweise aus Halbleitermaterialien wie Silizium, während Verpackungsmaterialien wie Kunststoffverpackungen und Substrate von unterschiedlicher Qualität sind. Bei Temperaturänderungen während des Packaging-Prozesses variieren die thermischen Ausdehnungs- und Kontraktionsgrade verschiedener Materialien aufgrund erheblicher Unterschiede im Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE) stark. Beispielsweise beträgt der Wärmeausdehnungskoeffizient von Siliziumchips etwa 2,6 × 10⁻⁶/℃, während der Wärmeausdehnungskoeffizient gängiger Epoxidharz-Formmaterialien bis zu 15–20 × 10⁻⁶/℃ beträgt. Dieser große Unterschied führt dazu, dass Chip und Verpackungsmaterial während der Abkühlung nach dem Packaging asynchron schrumpfen, was zu starker thermischer Spannung an der Schnittstelle zwischen beiden führt. Unter der anhaltenden thermischen Belastung kann sich der Wafer verziehen und verformen. In schwerwiegenden Fällen kann es sogar zu schwerwiegenden Defekten wie Chiprissen, Lötstellenbrüchen und Grenzflächendelamination kommen, was die elektrische Leistung des Chips beeinträchtigt und seine Lebensdauer deutlich verkürzt. Branchenstatistiken zufolge kann die durch thermische Belastung verursachte Fehlerquote bei Waferverpackungen bis zu 10 bis 15 % betragen und stellt damit einen Schlüsselfaktor dar, der die effiziente und qualitativ hochwertige Entwicklung der Halbleiterindustrie einschränkt.
Die charakteristischen Vorteile von Granitsockeln
Niedriger Wärmeausdehnungskoeffizient: Granit besteht hauptsächlich aus Mineralkristallen wie Quarz und Feldspat und hat einen extrem niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten, der im Allgemeinen zwischen 0,6 und 5×10⁻⁶/℃ liegt und damit näher an dem von Siliziumchips liegt. Diese Eigenschaft ermöglicht es, dass während des Betriebs von Wafer-Verpackungsanlagen selbst bei Temperaturschwankungen der Unterschied in der Wärmeausdehnung zwischen der Granitbasis und den Chip- und Verpackungsmaterialien deutlich reduziert wird. Beispielsweise kann bei einer Temperaturänderung von 10 °C die Größenabweichung der auf der Granitbasis errichteten Verpackungsplattform im Vergleich zu einer herkömmlichen Metallbasis um mehr als 80 % reduziert werden, was die durch die asynchrone Wärmeausdehnung und -kontraktion verursachte Wärmespannung erheblich verringert und eine stabilere Trägerumgebung für den Wafer bietet.
Hervorragende thermische Stabilität: Granit weist eine hervorragende thermische Stabilität auf. Seine innere Struktur ist dicht, und die Kristalle sind durch ionische und kovalente Bindungen eng miteinander verbunden, was eine langsame Wärmeleitung im Inneren ermöglicht. Wenn die Verpackungsanlage komplexen Temperaturzyklen unterzogen wird, kann die Granitbasis den Einfluss von Temperaturänderungen effektiv unterdrücken und ein stabiles Temperaturfeld aufrechterhalten. Relevante Experimente zeigen, dass bei der üblichen Temperaturänderungsrate von Verpackungsanlagen (z. B. ±5 °C pro Minute) die Abweichung der Oberflächentemperaturgleichmäßigkeit der Granitbasis auf ±0,1 °C begrenzt werden kann. Dadurch wird das Phänomen der thermischen Spannungskonzentration durch lokale Temperaturunterschiede vermieden, wodurch sichergestellt wird, dass sich der Wafer während des gesamten Verpackungsprozesses in einer gleichmäßigen und stabilen thermischen Umgebung befindet, und die Quelle der thermischen Spannungsentstehung reduziert wird.
Hohe Steifigkeit und Schwingungsdämpfung: Während des Betriebs von Wafer-Verpackungsanlagen erzeugen die mechanischen beweglichen Teile im Inneren (wie Motoren, Getriebe usw.) Vibrationen. Übertragen sich diese Vibrationen auf den Wafer, verstärken sie dessen durch thermische Belastung verursachte Schäden. Granitsockel weisen eine hohe Steifigkeit und Härte auf, die die vieler metallischer Werkstoffe übertrifft, und können so externen Vibrationen effektiv widerstehen. Ihre einzigartige innere Struktur verleiht ihnen gleichzeitig eine hervorragende Schwingungsdämpfung und ermöglicht eine schnelle Ableitung von Vibrationsenergie. Forschungsdaten zeigen, dass Granitsockel die durch den Betrieb von Verpackungsanlagen erzeugten hochfrequenten Vibrationen (100–1000 Hz) um 60 bis 80 % reduzieren können. Dadurch wird der Kopplungseffekt von Vibration und thermischer Belastung deutlich verringert und die hohe Präzision und Zuverlässigkeit der Wafer-Verpackung weiter gewährleistet.
Praktischer Anwendungseffekt
In der Waferverpackungs-Produktionslinie eines namhaften Halbleiterherstellers wurden nach der Einführung von Verpackungsanlagen mit Granitsockel bemerkenswerte Erfolge erzielt. Basierend auf der Analyse der Inspektionsdaten von 10.000 Wafern nach der Verpackung lag die Fehlerrate der durch thermische Spannung verursachten Waferverformung vor dem Einsatz des Granitsockels bei 12 %. Nach der Umstellung auf den Granitsockel sank die Fehlerrate jedoch deutlich auf unter 3 %, und die Ausbeute verbesserte sich signifikant. Darüber hinaus haben Langzeit-Zuverlässigkeitstests gezeigt, dass nach 1.000 Zyklen mit hohen Temperaturen (125 °C) und niedrigen Temperaturen (-55 °C) die Anzahl der Lötstellenfehler des Chips im Granitsockelgehäuse im Vergleich zum herkömmlichen Gehäuse um 70 % reduziert und die Leistungsstabilität des Chips deutlich verbessert wurde.
Mit der Weiterentwicklung der Halbleitertechnologie hin zu höherer Präzision und kleinerer Baugröße steigen die Anforderungen an die thermische Spannungskontrolle bei Waferverpackungen. Granitsockel mit ihren umfassenden Vorteilen wie niedrigem Wärmeausdehnungskoeffizienten, thermischer Stabilität und Vibrationsreduzierung sind zu einer wichtigen Wahl geworden, um die Qualität der Waferverpackung zu verbessern und die Auswirkungen thermischer Spannungen zu reduzieren. Sie spielen eine zunehmend wichtige Rolle für die nachhaltige Entwicklung der Halbleiterindustrie.
Veröffentlichungszeit: 15. Mai 2025