En el preciso y complejo proceso de fabricación de semiconductores para el empaquetado de obleas, el estrés térmico actúa como un elemento destructivo latente, amenazando constantemente la calidad del empaquetado y el rendimiento de los chips. Desde la diferencia en los coeficientes de dilatación térmica entre los chips y los materiales de empaquetado hasta los drásticos cambios de temperatura durante el proceso de empaquetado, las causas del estrés térmico son diversas, pero todas apuntan a una reducción del rendimiento y a una menor fiabilidad a largo plazo de los chips. La base de granito, con sus propiedades únicas, se está convirtiendo discretamente en una valiosa aliada para mitigar el problema del estrés térmico.
El dilema del estrés térmico en el empaquetado de obleas
El empaquetado de obleas implica la interacción 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. Durante el proceso de empaquetado, las variaciones de temperatura provocan grandes diferencias en la dilatación y contracción térmica de los distintos materiales, debido a las significativas diferencias en su coeficiente de dilatación térmica (CDT). Por ejemplo, el CDT de los chips de silicio es de aproximadamente 2,6 × 10⁻⁶/°C, mientras que el de las resinas epoxi comunes alcanza los 15-20 × 10⁻⁶/°C. Esta enorme diferencia provoca que la contracción del chip y del material de empaquetado sea asincrónica durante el enfriamiento posterior al empaquetado, generando una fuerte tensión térmica en la interfaz entre ambos. Bajo el efecto continuo de esta tensión, la oblea puede deformarse. En casos graves, puede incluso provocar defectos fatales como grietas en el chip, fracturas en las juntas de soldadura y delaminación de la interfaz, lo que daña el rendimiento eléctrico del chip y reduce significativamente su vida útil. Según estadísticas del sector, la tasa de defectos en el encapsulado de obleas causada 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 dilatación térmica: El granito se compone principalmente de cristales minerales como cuarzo y feldespato, y su coeficiente de dilatación térmica es extremadamente bajo, generalmente entre 0,6 y 5 × 10⁻⁶/°C, similar al de los chips de silicio. Esta característica permite que, durante el funcionamiento de los equipos de empaquetado de obleas, incluso ante fluctuaciones de temperatura, la diferencia de dilatación térmica entre la base de granito y el chip y los materiales de empaquetado se reduzca significativamente. Por ejemplo, ante una variación de temperatura de 10 °C, la variación dimensional de la plataforma de empaquetado construida sobre la base de granito puede reducirse en más del 80 % en comparación con la base metálica tradicional, lo que alivia considerablemente la tensión térmica causada por la dilatación y contracción térmica asincrónicas 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 los cristales están estrechamente unidos mediante enlaces iónicos y covalentes, lo que permite una lenta conducción del calor en su interior. Cuando el equipo de empaquetado se somete a ciclos de temperatura complejos, la base de granito suprime eficazmente el efecto de las variaciones de temperatura y mantiene un campo térmico estable. Experimentos realizados demuestran que, con la tasa de variación de temperatura habitual del equipo de empaquetado (como ±5 °C por minuto), la desviación de la uniformidad de la temperatura superficial de la base de granito se puede controlar dentro de ±0,1 °C, evitando la concentración de tensiones térmicas causada por diferencias de temperatura locales. Esto garantiza que la oblea se encuentre en un entorno térmico uniforme y estable durante todo el proceso de empaquetado y reduce la generación de tensiones térmicas.
Alta rigidez y amortiguación de vibraciones: Durante el funcionamiento de los equipos de empaquetado de obleas, las piezas mecánicas móviles internas (como motores, dispositivos de transmisión, etc.) generan vibraciones. Si estas vibraciones se transmiten a la oblea, intensifican los daños causados por el estrés térmico. Las bases de granito poseen una alta rigidez y una dureza superior a la de muchos materiales metálicos, lo que les permite resistir eficazmente la interferencia de las vibraciones externas. Además, su estructura interna única les confiere una excelente capacidad de amortiguación de vibraciones y les permite disipar la energía vibratoria rápidamente. Los datos de investigación muestran que la base de granito puede reducir la vibración de alta frecuencia (100-1000 Hz) generada por el funcionamiento de los equipos de empaquetado entre un 60 % y un 80 %, lo que reduce significativamente el efecto de acoplamiento entre la vibración y el estrés térmico, y garantiza aún más la alta precisión y fiabilidad del empaquetado de obleas.
efecto de aplicación práctica
En la línea de producción de empaquetado de obleas de una reconocida empresa de fabricación de semiconductores, la introducción de equipos de empaquetado con bases de granito ha arrojado resultados notables. Según el análisis de los datos de inspección de 10 000 obleas tras el empaquetado, antes de la adopción de la base de granito, la tasa de defectos por deformación causada por estrés térmico era del 12 %. Sin embargo, tras el cambio a la base de granito, la tasa de defectos se redujo drásticamente a menos del 3 %, y la tasa de 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 juntas de soldadura del chip con encapsulado en base de granito se redujo en un 70 % en comparación con el encapsulado tradicional, y la estabilidad del rendimiento del chip mejoró notablemente.
A medida que la tecnología de semiconductores avanza hacia una mayor precisión y un tamaño más reducido, los requisitos para el control de la tensión térmica en el encapsulado de obleas se vuelven cada vez más estrictos. Las bases de granito, con sus múltiples ventajas en cuanto a bajo coeficiente de dilatación 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.
Fecha de publicación: 15 de mayo de 2025