Im präzisen und komplexen Halbleiterfertigungsprozess der Waferverpackung wirkt thermische Spannung wie ein unsichtbarer „Zerstörer“, der die Qualität der Verpackung und die Leistung der Chips permanent gefährdet. Von den unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen Chips und Verpackungsmaterialien bis hin zu den drastischen Temperaturänderungen während des Verpackungsprozesses – die Entstehungswege thermischer Spannung sind vielfältig, führen aber alle zu einer geringeren Ausbeute und beeinträchtigten Langzeitstabilität der Chips. Granit als Basismaterial mit seinen einzigartigen Materialeigenschaften erweist sich dabei als wertvolle Hilfe im Umgang mit dem Problem der thermischen Spannung.
Das Dilemma der thermischen Spannung bei der Waferverpackung
Die Waferverpackung erfordert das Zusammenwirken zahlreicher Materialien. Chips bestehen typischerweise aus Halbleitermaterialien wie Silizium, während Verpackungsmaterialien wie Kunststoffe und Substrate in ihrer Qualität variieren. Bei Temperaturänderungen während des Verpackungsprozesses zeigen die verschiedenen Materialien aufgrund signifikanter Unterschiede im Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE) ein stark unterschiedliches Wärmeausdehnungs- und -kontraktionsverhalten. Beispielsweise beträgt der Wärmeausdehnungskoeffizient von Siliziumchips etwa 2,6 × 10⁻⁶/°C, während der von gängigen Epoxidharz-Formmassen bis zu 15–20 × 10⁻⁶/°C beträgt. Dieser enorme Unterschied führt dazu, dass sich Chip und Verpackungsmaterial während der Abkühlphase nach der Verpackung nicht synchron zusammenziehen. Dadurch entstehen starke thermische Spannungen an der Grenzfläche zwischen beiden. Unter dem Einfluss dieser anhaltenden thermischen Spannungen kann sich der Wafer verziehen und verformen. In schweren Fällen kann dies sogar zu fatalen Defekten wie Chiprissen, Lötstellenbrüchen und Ablösungen an der Grenzfläche führen. Dies beeinträchtigt die elektrischen Eigenschaften des Chips und verkürzt seine Lebensdauer erheblich. Laut Branchenstatistik kann die Fehlerrate bei der Waferverpackung aufgrund von thermischen Spannungen bis zu 10 bis 15 % betragen und stellt somit einen Schlüsselfaktor dar, der die effiziente und qualitativ hochwertige Entwicklung der Halbleiterindustrie einschränkt.
Die charakteristischen Vorteile von Granitfundamenten
Niedriger Wärmeausdehnungskoeffizient: Granit besteht hauptsächlich aus Mineralkristallen wie Quarz und Feldspat und weist einen extrem niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf, der typischerweise zwischen 0,6 und 5 × 10⁻⁶/°C liegt und damit dem von Siliziumchips sehr ähnlich ist. Diese Eigenschaft ermöglicht es, die Unterschiede in der Wärmeausdehnung zwischen der Granitbasis und den Chip- bzw. Verpackungsmaterialien während des Betriebs von Wafer-Packaging-Anlagen, selbst bei Temperaturschwankungen, deutlich zu reduzieren. Beispielsweise kann bei einer Temperaturänderung von 10 °C die Größenänderung der auf der Granitbasis aufgebauten Packaging-Plattform im Vergleich zu einer herkömmlichen Metallbasis um mehr als 80 % verringert werden. Dies reduziert die durch die asynchrone Wärmeausdehnung und -kontraktion verursachten thermischen Spannungen erheblich und bietet eine stabilere Auflagefläche für den Wafer.
Hervorragende thermische Stabilität: Granit zeichnet sich durch eine herausragende thermische Stabilität aus. Seine dichte innere Struktur und die durch ionische und kovalente Bindungen eng miteinander verbundenen Kristalle ermöglichen eine langsame Wärmeleitung. Bei komplexen Temperaturzyklen in der Verpackungsanlage kann die Granitbasis den Einfluss von Temperaturänderungen effektiv kompensieren und ein stabiles Temperaturfeld aufrechterhalten. Entsprechende Experimente zeigen, dass die Abweichung der Oberflächentemperaturhomogenität der Granitbasis bei der üblichen Temperaturänderungsrate von Verpackungsanlagen (z. B. ±5 °C pro Minute) innerhalb von ±0,1 °C gehalten werden kann. Dadurch wird die durch lokale Temperaturunterschiede verursachte Konzentration von thermischen Spannungen vermieden, sodass der Wafer während des gesamten Verpackungsprozesses in einer gleichmäßigen und stabilen thermischen Umgebung liegt und die Entstehung von thermischen Spannungen reduziert wird.
Hohe Steifigkeit und Schwingungsdämpfung: Beim Betrieb von Wafer-Verpackungsanlagen erzeugen die beweglichen mechanischen Teile (z. B. Motoren, Getriebe) Schwingungen. Werden diese Schwingungen auf den Wafer übertragen, verstärken sie die durch thermische Spannungen verursachten Schäden. Granitbasen zeichnen sich durch hohe Steifigkeit und eine höhere Härte als viele Metalle aus und widerstehen so effektiv externen Schwingungen. Gleichzeitig verleiht ihnen ihre einzigartige innere Struktur eine hervorragende Schwingungsdämpfung und ermöglicht die schnelle Dissipation von Schwingungsenergie. Forschungsergebnisse zeigen, dass Granitbasen die durch den Betrieb der Verpackungsanlagen erzeugten hochfrequenten Schwingungen (100–1000 Hz) um 60 % bis 80 % reduzieren können. Dadurch wird die Wechselwirkung von Schwingungen und thermischen Spannungen deutlich verringert und die hohe Präzision und Zuverlässigkeit der Wafer-Verpackung weiter verbessert.
Praktische Anwendungswirkung
In der Waferverpackungslinie eines renommierten Halbleiterherstellers wurden nach der Einführung von Verpackungsanlagen mit Granitbasis bemerkenswerte Erfolge erzielt. Die Analyse der Inspektionsdaten von 10.000 verpackten Wafern ergab, dass die Fehlerrate aufgrund von thermischer Spannung vor der Umstellung auf Granitbasis 12 % betrug. Nach dem Wechsel sank die Fehlerrate jedoch drastisch auf unter 3 %, und die Ausbeute verbesserte sich signifikant. Darüber hinaus zeigten Langzeit-Zuverlässigkeitstests, dass nach 1.000 Zyklen bei hoher (125 °C) und niedriger (-55 °C) Temperatur die Anzahl der Lötstellenfehler bei Chips mit Granitbasis im Vergleich zu herkömmlichen Gehäusen um 70 % reduziert wurde und die Leistungsstabilität der Chips deutlich verbessert wurde.
Mit dem Fortschritt der Halbleitertechnologie hin zu höherer Präzision und Miniaturisierung steigen die Anforderungen an die thermische Spannungskontrolle beim Wafer-Packaging stetig. Granitbasen, die sich durch einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten, thermische Stabilität und Vibrationsdämpfung auszeichnen, haben sich als Schlüsseltechnologie zur Verbesserung der Wafer-Packaging-Qualität und zur Reduzierung thermischer Spannungen etabliert. Sie spielen eine zunehmend wichtige Rolle für die nachhaltige Entwicklung der Halbleiterindustrie.
Veröffentlichungsdatum: 15. Mai 2025