آیا پایه گرانیتی می‌تواند تنش حرارتی تجهیزات بسته‌بندی ویفر را از بین ببرد؟

در فرآیند دقیق و پیچیده تولید نیمه‌هادی در بسته‌بندی ویفر، تنش حرارتی مانند یک "نابودگر" پنهان در تاریکی است که دائماً کیفیت بسته‌بندی و عملکرد تراشه‌ها را تهدید می‌کند. از تفاوت در ضرایب انبساط حرارتی بین تراشه‌ها و مواد بسته‌بندی گرفته تا تغییرات شدید دما در طول فرآیند بسته‌بندی، مسیرهای تولید تنش حرارتی متنوع هستند، اما همه به نتیجه کاهش نرخ بازده و تأثیر بر قابلیت اطمینان درازمدت تراشه‌ها اشاره دارند. پایه گرانیتی، با خواص منحصر به فرد مواد خود، بی‌سروصدا در حال تبدیل شدن به یک "دستیار" قدرتمند در مقابله با مشکل تنش حرارتی است.
معضل تنش حرارتی در بسته‌بندی ویفر
بسته‌بندی ویفر شامل کار مشترک مواد متعددی است. تراشه‌ها معمولاً از مواد نیمه‌هادی مانند سیلیکون تشکیل شده‌اند، در حالی که مواد بسته‌بندی مانند مواد بسته‌بندی پلاستیکی و زیرلایه‌ها از نظر کیفیت متفاوت هستند. هنگامی که دما در طول فرآیند بسته‌بندی تغییر می‌کند، مواد مختلف به دلیل تفاوت‌های قابل توجه در ضریب انبساط حرارتی (CTE) از نظر میزان انبساط و انقباض حرارتی بسیار متفاوت هستند. به عنوان مثال، ضریب انبساط حرارتی تراشه‌های سیلیکونی تقریباً 2.6×10⁻⁶/℃ است، در حالی که ضریب انبساط حرارتی مواد قالب‌گیری رزین اپوکسی رایج به 15-20×10⁻⁶/℃ می‌رسد. این شکاف بزرگ باعث می‌شود که درجه انقباض تراشه و ماده بسته‌بندی در مرحله خنک‌سازی پس از بسته‌بندی ناهمزمان باشد و تنش حرارتی شدیدی در سطح مشترک بین این دو ایجاد شود. تحت تأثیر مداوم تنش حرارتی، ویفر ممکن است تاب بردارد و تغییر شکل دهد. در موارد شدید، حتی ممکن است باعث نقص‌های مهلکی مانند ترک‌های تراشه، شکستگی‌های اتصال لحیم و لایه لایه شدن سطح مشترک شود که منجر به آسیب به عملکرد الکتریکی تراشه و کاهش قابل توجه عمر مفید آن می‌شود. طبق آمار صنعت، میزان نقص بسته‌بندی ویفر ناشی از مشکلات تنش حرارتی می‌تواند به 10 تا 15 درصد برسد و به یک عامل کلیدی محدودکننده توسعه کارآمد و باکیفیت صنعت نیمه‌هادی تبدیل شود.

مزایای بارز پایه های گرانیتی
ضریب انبساط حرارتی پایین: گرانیت عمدتاً از کریستال‌های معدنی مانند کوارتز و فلدسپار تشکیل شده است و ضریب انبساط حرارتی آن بسیار پایین است، عموماً از 0.6 تا 5×10⁻⁶/℃ متغیر است که به ضریب انبساط حرارتی تراشه‌های سیلیکونی نزدیک‌تر است. این ویژگی باعث می‌شود که در حین کار تجهیزات بسته‌بندی ویفر، حتی هنگام مواجهه با نوسانات دما، اختلاف انبساط حرارتی بین پایه گرانیتی و تراشه و مواد بسته‌بندی به طور قابل توجهی کاهش یابد. به عنوان مثال، هنگامی که دما 10 درجه سانتیگراد تغییر می‌کند، تغییر اندازه سکوی بسته‌بندی ساخته شده روی پایه گرانیتی می‌تواند بیش از 80٪ در مقایسه با پایه فلزی سنتی کاهش یابد، که این امر استرس حرارتی ناشی از انبساط و انقباض حرارتی ناهمزمان را تا حد زیادی کاهش می‌دهد و محیط پشتیبانی پایدارتری را برای ویفر فراهم می‌کند.
پایداری حرارتی عالی: گرانیت از پایداری حرارتی فوق‌العاده‌ای برخوردار است. ساختار داخلی آن متراکم است و کریستال‌ها از طریق پیوندهای یونی و کووالانسی به هم متصل شده‌اند و امکان هدایت حرارتی آهسته را فراهم می‌کنند. هنگامی که تجهیزات بسته‌بندی تحت چرخه‌های دمایی پیچیده قرار می‌گیرند، پایه گرانیتی می‌تواند به طور مؤثر تأثیر تغییرات دما بر خود را سرکوب کرده و یک میدان دمایی پایدار را حفظ کند. آزمایش‌های مربوطه نشان می‌دهد که تحت نرخ تغییر دمای معمول تجهیزات بسته‌بندی (مانند ±5 درجه سانتیگراد در دقیقه)، انحراف یکنواختی دمای سطح پایه گرانیتی را می‌توان در محدوده ±0.1 درجه سانتیگراد کنترل کرد و از پدیده تمرکز تنش حرارتی ناشی از اختلاف دمای محلی جلوگیری کرد و اطمینان حاصل کرد که ویفر در طول فرآیند بسته‌بندی در یک محیط حرارتی یکنواخت و پایدار قرار دارد و منبع تولید تنش حرارتی را کاهش می‌دهد.
استحکام بالا و میرایی ارتعاش: در حین کار تجهیزات بسته‌بندی ویفر، قطعات متحرک مکانیکی داخل (مانند موتورها، دستگاه‌های انتقال و غیره) ارتعاش ایجاد می‌کنند. اگر این ارتعاشات به ویفر منتقل شوند، آسیب ناشی از تنش حرارتی به ویفر را تشدید می‌کنند. پایه‌های گرانیتی دارای استحکام بالا و سختی بالاتر از بسیاری از مواد فلزی هستند که می‌توانند به طور مؤثر در برابر تداخل ارتعاشات خارجی مقاومت کنند. در همین حال، ساختار داخلی منحصر به فرد آن، عملکرد میرایی ارتعاش عالی را به آن می‌بخشد و آن را قادر می‌سازد تا انرژی ارتعاش را به سرعت از بین ببرد. داده‌های تحقیقاتی نشان می‌دهد که پایه گرانیتی می‌تواند ارتعاش فرکانس بالا (100-1000 هرتز) تولید شده توسط عملکرد تجهیزات بسته‌بندی را 60 تا 80 درصد کاهش دهد و به طور قابل توجهی اثر جفت شدن ارتعاش و تنش حرارتی را کاهش دهد و دقت و قابلیت اطمینان بالای بسته‌بندی ویفر را تضمین کند.
اثر کاربرد عملی
در خط تولید بسته‌بندی ویفر یک شرکت تولیدکننده نیمه‌هادی شناخته‌شده، پس از معرفی تجهیزات بسته‌بندی با پایه‌های گرانیتی، دستاوردهای قابل توجهی حاصل شده است. بر اساس تجزیه و تحلیل داده‌های بازرسی 10،000 ویفر پس از بسته‌بندی، قبل از استفاده از پایه گرانیتی، میزان نقص تاب برداشتن ویفر ناشی از تنش حرارتی 12٪ بود. با این حال، پس از تغییر به پایه گرانیتی، میزان نقص به شدت به 3٪ کاهش یافت و میزان بازده به طور قابل توجهی بهبود یافت. علاوه بر این، آزمایش‌های قابلیت اطمینان بلندمدت نشان داده‌اند که پس از 1000 چرخه دمای بالا (125 درجه سانتیگراد) و دمای پایین (-55 درجه سانتیگراد)، تعداد خرابی‌های اتصال لحیم تراشه مبتنی بر بسته پایه گرانیتی در مقایسه با بسته پایه سنتی 70٪ کاهش یافته و پایداری عملکرد تراشه تا حد زیادی بهبود یافته است.

با پیشرفت فناوری نیمه‌هادی‌ها به سمت دقت بالاتر و اندازه کوچک‌تر، الزامات کنترل تنش حرارتی در بسته‌بندی ویفر به طور فزاینده‌ای سختگیرانه‌تر می‌شود. پایه‌های گرانیتی، با مزایای جامع خود در ضریب انبساط حرارتی پایین، پایداری حرارتی و کاهش ارتعاش، به یک انتخاب کلیدی برای بهبود کیفیت بسته‌بندی ویفر و کاهش تأثیر تنش حرارتی تبدیل شده‌اند. آن‌ها نقش مهمی در تضمین توسعه پایدار صنعت نیمه‌هادی ایفا می‌کنند.