En el preciso y complejo proceso de fabricación de semiconductores para el encapsulado de obleas, el estrés térmico actúa como un "destructor" oculto, que amenaza constantemente la calidad del encapsulado y el rendimiento de los chips. Desde la diferencia en los coeficientes de expansión térmica entre los chips y los materiales de encapsulado hasta los drásticos cambios de temperatura durante el proceso de encapsulado, las vías de generación de estrés térmico son diversas, pero todas apuntan a una reducción del rendimiento y a la fiabilidad a largo plazo de los chips. La base de granito, con sus propiedades únicas, se está convirtiendo poco a poco en un potente "auxiliar" para abordar el problema del estrés térmico.
El dilema del estrés térmico en el empaquetado de obleas
El empaquetado de obleas implica la colaboración de numerosos materiales. Los chips suelen estar compuestos de materiales semiconductores como el silicio, mientras que los materiales de empaquetado, como los plásticos y los sustratos, varían en calidad. Cuando la temperatura cambia durante el proceso de empaquetado, el grado de expansión y contracción térmica de los diferentes materiales varía considerablemente debido a diferencias significativas en el coeficiente de expansión térmica (CTE). Por ejemplo, el coeficiente de expansión térmica de los chips de silicio es de aproximadamente 2,6 × 10⁻⁶/℃, mientras que el coeficiente de expansión térmica de los materiales comunes de moldeo de resina epoxi es de hasta 15-20 × 10⁻⁶/℃. Esta enorme diferencia provoca que el grado de contracción del chip y el material de empaquetado sea asincrónico durante la etapa de enfriamiento después del empaquetado, lo que genera una fuerte tensión térmica en la interfaz entre ambos. Bajo el efecto continuo de la tensión térmica, la oblea puede deformarse. En casos graves, puede incluso causar defectos fatales como grietas en el chip, fracturas de las uniones soldadas y delaminación de la interfaz, lo que resulta en daños al rendimiento eléctrico del chip y una reducción significativa de su vida útil. Según las estadísticas de la industria, la tasa de defectos en el empaquetado de obleas causados por problemas de estrés térmico puede alcanzar entre el 10 % y el 15 %, convirtiéndose en un factor clave que limita el desarrollo eficiente y de alta calidad de la industria de semiconductores.
Las ventajas características de las bases de granito
Bajo coeficiente de expansión térmica: El granito se compone principalmente de cristales minerales como el cuarzo y el feldespato, y su coeficiente de expansión térmica es extremadamente bajo, generalmente entre 0,6 y 5 × 10⁻⁶/℃, similar al de los chips de silicio. Esta característica permite que, durante el funcionamiento de los equipos de empaquetado de obleas, incluso con fluctuaciones de temperatura, la diferencia de expansión térmica entre la base de granito y el chip y los materiales de empaquetado se reduzca significativamente. Por ejemplo, cuando la temperatura varía 10 ℃, la variación de tamaño de la plataforma de empaquetado construida sobre la base de granito se puede reducir en más del 80 % en comparación con la base metálica tradicional, lo que alivia considerablemente la tensión térmica causada por la expansión y contracción térmica asincrónica y proporciona un entorno de soporte más estable para la oblea.
Excelente estabilidad térmica: El granito posee una estabilidad térmica excepcional. Su estructura interna es densa y sus cristales están estrechamente unidos mediante enlaces iónicos y covalentes, lo que permite una conducción térmica lenta en su interior. Cuando el equipo de envasado se somete a ciclos de temperatura complejos, la base de granito puede suprimir eficazmente la influencia de los cambios de temperatura sobre sí misma y mantener un campo de temperatura estable. Experimentos relevantes demuestran que, con la tasa de variación de temperatura habitual en los equipos de envasado (por ejemplo, ±5 °C por minuto), la desviación de la uniformidad de la temperatura superficial de la base de granito puede controlarse con una precisión de ±0,1 °C, evitando así la concentración de tensión térmica causada por las diferencias locales de temperatura, garantizando que la oblea se mantenga en un entorno térmico uniforme y estable durante todo el proceso de envasado y reduciendo la generación de tensión térmica.
Alta rigidez y amortiguación de vibraciones: Durante el funcionamiento de los equipos de envasado de obleas, las piezas mecánicas móviles internas (como motores, dispositivos de transmisión, etc.) generan vibraciones. Si estas vibraciones se transmiten a la oblea, intensifican el daño causado por la tensión térmica. Las bases de granito tienen una alta rigidez y una dureza superior a la de muchos materiales metálicos, lo que les permite resistir eficazmente la interferencia de vibraciones externas. Además, su exclusiva estructura interna les confiere una excelente amortiguación de vibraciones y les permite disipar la energía de las vibraciones rápidamente. Los estudios demuestran que la base de granito puede reducir la vibración de alta frecuencia (100-1000 Hz) generada por el funcionamiento de los equipos de envasado entre un 60 % y un 80 %, lo que reduce significativamente el efecto de acoplamiento de la vibración y la tensión térmica, garantizando así la alta precisión y fiabilidad del envasado de obleas.
Efecto de aplicación práctica
En la línea de producción de empaquetado de obleas de una reconocida empresa de fabricación de semiconductores, tras la introducción de equipos de empaquetado con bases de granito, se han logrado avances notables. Según el análisis de los datos de inspección de 10 000 obleas después del empaquetado, antes de adoptar la base de granito, la tasa de defectos por deformación de las obleas causada por tensión térmica era del 12 %. Sin embargo, tras la adopción de la base de granito, la tasa de defectos se redujo drásticamente hasta el 3 % y el rendimiento mejoró significativamente. Además, las pruebas de fiabilidad a largo plazo han demostrado que, tras 1000 ciclos de alta temperatura (125 °C) y baja temperatura (-55 °C), el número de fallos en las uniones de soldadura del chip con base de granito se ha reducido en un 70 % en comparación con el chip con base tradicional, y la estabilidad del rendimiento del chip ha mejorado considerablemente.
A medida que la tecnología de semiconductores avanza hacia una mayor precisión y un tamaño más pequeño, los requisitos de control de la tensión térmica en el encapsulado de obleas se vuelven cada vez más estrictos. Las bases de granito, con sus amplias ventajas en cuanto a bajo coeficiente de expansión térmica, estabilidad térmica y reducción de vibraciones, se han convertido en una opción clave para mejorar la calidad del encapsulado de obleas y reducir el impacto de la tensión térmica. Desempeñan un papel cada vez más importante para garantizar el desarrollo sostenible de la industria de semiconductores.
Hora de publicación: 15 de mayo de 2025