Dans le processus de fabrication précis et complexe des semi-conducteurs, notamment pour l'encapsulation des plaquettes, les contraintes thermiques constituent un fléau insidieux qui menace constamment la qualité de l'encapsulation et les performances des puces. Qu'il s'agisse des différences de coefficients de dilatation thermique entre les puces et les matériaux d'encapsulation ou des variations de température importantes lors de ce processus, les mécanismes de génération des contraintes thermiques sont multiples, mais tous convergent vers une réduction du rendement et une altération de la fiabilité à long terme des puces. Le socle en granit, grâce à ses propriétés uniques, s'impose discrètement comme un atout précieux pour lutter contre ce problème de contraintes thermiques.
Le dilemme des contraintes thermiques dans l'encapsulation des plaquettes
L'encapsulation des plaquettes de silicium nécessite l'utilisation conjointe de nombreux matériaux. Les puces sont généralement composées de matériaux semi-conducteurs tels que le silicium, tandis que les matériaux d'encapsulation, comme les plastiques et les substrats, présentent des qualités variables. Lors des variations de température pendant le processus d'encapsulation, les différents matériaux subissent des dilatations et des contractions thermiques très différentes en raison des coefficients de dilatation thermique (CDT) significativement différents. Par exemple, le CDT des puces en silicium est d'environ 2,6 × 10⁻⁶/°C, tandis que celui des résines époxy couramment utilisées pour le moulage atteint 15 à 20 × 10⁻⁶/°C. Cet écart important entraîne un retrait asynchrone de la puce et du matériau d'encapsulation lors du refroidissement après encapsulation, générant ainsi de fortes contraintes thermiques à leur interface. Sous l'effet continu de ces contraintes thermiques, la plaquette peut se déformer. Dans les cas les plus graves, cela peut même engendrer des défauts critiques tels que des fissures dans la puce, des ruptures de soudure et un délaminage de l'interface, ce qui compromet les performances électriques de la puce et réduit considérablement sa durée de vie. Selon les statistiques du secteur, le taux de défauts des boîtiers de plaquettes dus aux contraintes thermiques peut atteindre 10 à 15 %, constituant ainsi un frein majeur au développement efficace et qualitatif de l'industrie des semi-conducteurs.
Les avantages caractéristiques des socles en granit
Faible coefficient de dilatation thermique : le granit est principalement composé de cristaux minéraux tels que le quartz et le feldspath, et son coefficient de dilatation thermique est extrêmement faible, généralement compris entre 0,6 et 5 × 10⁻⁶/°C, une valeur proche de celle des puces de silicium. Cette caractéristique permet, lors du fonctionnement des équipements d’encapsulation de plaquettes, même en cas de fluctuations de température, de réduire considérablement la différence de dilatation thermique entre le support en granit et la puce ainsi que les matériaux d’encapsulation. Par exemple, pour une variation de température de 10 °C, la variation dimensionnelle de la plateforme d’encapsulation construite sur un support en granit peut être réduite de plus de 80 % par rapport à un support métallique traditionnel. Ceci atténue considérablement les contraintes thermiques dues à la dilatation et à la contraction thermiques asynchrones et offre un environnement de support plus stable pour la plaquette.
Excellente stabilité thermique : Le granit possède une stabilité thermique remarquable. Sa structure interne dense, composée de cristaux étroitement liés par des liaisons ioniques et covalentes, assure une conduction thermique lente. Lors des cycles de température complexes subis par les équipements d'encapsulation, le socle en granit atténue efficacement l'influence des variations de température et maintient un champ thermique stable. Des expériences ont démontré que, pour une vitesse de variation de température courante des équipements d'encapsulation (par exemple ±5 °C par minute), l'écart d'uniformité de la température de surface du socle en granit est maintenu à ±0,1 °C. Ceci permet d'éviter la concentration des contraintes thermiques due aux différences de température locales, garantissant ainsi un environnement thermique uniforme et stable pour la plaquette tout au long du processus d'encapsulation et réduisant les sources de contraintes thermiques.
Rigidité élevée et amortissement des vibrations : Lors du fonctionnement des équipements d’encapsulation de plaquettes, les pièces mécaniques mobiles internes (moteurs, dispositifs de transmission, etc.) génèrent des vibrations. Si ces vibrations sont transmises à la plaquette, elles intensifient les dommages causés par les contraintes thermiques. Les socles en granit présentent une rigidité et une dureté supérieures à celles de nombreux métaux, ce qui leur permet de résister efficacement aux perturbations des vibrations externes. Par ailleurs, leur structure interne unique leur confère d’excellentes performances d’amortissement des vibrations et leur permet de dissiper rapidement l’énergie vibratoire. Les données de recherche montrent que le socle en granit peut réduire de 60 % à 80 % les vibrations haute fréquence (100-1000 Hz) générées par le fonctionnement des équipements d’encapsulation, réduisant ainsi considérablement le couplage entre vibrations et contraintes thermiques et garantissant une précision et une fiabilité élevées de l’encapsulation des plaquettes.
effet d'application pratique
Dans la ligne de production d'encapsulation de plaquettes d'une entreprise de semi-conducteurs renommée, l'introduction d'équipements d'encapsulation à socle en granit a permis d'obtenir des résultats remarquables. L'analyse des données d'inspection de 10 000 plaquettes après encapsulation a révélé qu'avant l'adoption du socle en granit, le taux de défauts liés à la déformation des plaquettes due aux contraintes thermiques était de 12 %. Après le passage au socle en granit, ce taux a chuté brutalement à moins de 3 %, et le rendement s'est considérablement amélioré. De plus, des tests de fiabilité à long terme ont démontré qu'après 1 000 cycles de températures élevées (125 °C) et basses (-55 °C), le nombre de défaillances des joints de soudure des puces encapsulées sur socle en granit a été réduit de 70 % par rapport aux encapsulations traditionnelles, et la stabilité des performances des puces a été grandement améliorée.
Avec les progrès constants de la technologie des semi-conducteurs vers une précision accrue et une miniaturisation toujours plus grande, les exigences en matière de contrôle des contraintes thermiques dans l'encapsulation des plaquettes deviennent de plus en plus strictes. Les supports en granit, grâce à leurs nombreux avantages (faible coefficient de dilatation thermique, stabilité thermique et réduction des vibrations), sont devenus un choix privilégié pour améliorer la qualité de l'encapsulation des plaquettes et atténuer l'impact des contraintes thermiques. Ils jouent un rôle de plus en plus important pour garantir le développement durable de l'industrie des semi-conducteurs.
Date de publication : 15 mai 2025