Dans le processus précis et complexe de fabrication de semi-conducteurs, le conditionnement des plaquettes, la contrainte thermique agit comme un « destructeur » caché dans l'ombre, menaçant constamment la qualité du conditionnement et les performances des puces. De la différence de coefficients de dilatation thermique entre les puces et les matériaux de conditionnement aux variations brutales de température pendant le processus de conditionnement, les mécanismes de génération de contrainte thermique sont variés, mais tous aboutissent à une réduction du rendement et à une altération de la fiabilité à long terme des puces. Le support en granit, grâce à ses propriétés matérielles uniques, devient progressivement un puissant « assistant » pour gérer le problème de la contrainte thermique.
Le dilemme du stress thermique dans l'emballage des plaquettes
L'encapsulation des plaquettes implique la collaboration de nombreux matériaux. Les puces sont généralement composées de matériaux semi-conducteurs comme le silicium, tandis que les matériaux d'encapsulation, comme les plastiques et les substrats, varient en qualité. Lorsque la température varie pendant le processus d'encapsulation, les degrés de dilatation et de contraction thermiques varient considérablement selon les matériaux, en raison de différences significatives de coefficient de dilatation thermique (CTE). Par exemple, le coefficient de dilatation thermique des puces en silicium est d'environ 2,6 × 10⁻⁶/℃, tandis que celui des matériaux de moulage en résine époxy courants atteint 15 à 20 × 10⁻⁶/℃. Cet écart important entraîne un retrait asynchrone de la puce et du matériau d'encapsulation pendant la phase de refroidissement après l'encapsulation, générant une forte contrainte thermique à l'interface entre les deux. Sous l'effet continu de cette contrainte thermique, la plaquette peut se déformer. Dans les cas les plus graves, cela peut même entraîner des défauts fatals tels que des fissures de puce, des fractures de soudure et un délaminage de l'interface, ce qui altère les performances électriques de la puce et réduit considérablement sa durée de vie. Selon les statistiques du secteur, le taux de défauts de conditionnement des plaquettes causés par des contraintes thermiques peut atteindre 10 à 15 %, ce qui constitue un frein majeur au développement efficace et de haute qualité de l'industrie des semi-conducteurs.
Les avantages caractéristiques des bases en granit
Faible coefficient de dilatation thermique : Le granit est principalement composé de cristaux minéraux tels que le quartz et le feldspath. Son coefficient de dilatation thermique est extrêmement faible, généralement compris entre 0,6 et 5×10⁻⁶/℃, ce qui le rapproche de celui des puces de silicium. Cette caractéristique permet de réduire considérablement la différence de dilatation thermique entre la base en granit et les matériaux de la puce et de l'emballage, même en cas de fluctuations de température. Par exemple, pour une variation de température de 10 °C, la variation dimensionnelle de la plateforme d'emballage construite sur la base en granit peut être réduite de plus de 80 % par rapport à une base métallique traditionnelle, ce qui atténue considérablement les contraintes thermiques dues aux dilatations et contractions thermiques asynchrones et offre un support plus stable à la plaquette.
Excellente stabilité thermique : Le granit présente une stabilité thermique exceptionnelle. Sa structure interne est dense et ses cristaux sont étroitement liés par des liaisons ioniques et covalentes, permettant une conduction thermique lente. Lorsque l'équipement d'emballage est soumis à des cycles de température complexes, la base en granit peut efficacement atténuer l'influence des variations de température et maintenir un champ thermique stable. Des expériences pertinentes montrent qu'avec une vitesse de variation de température courante de l'équipement d'emballage (par exemple, ± 5 °C par minute), l'écart d'uniformité de la température de surface de la base en granit peut être contrôlé à ± 0,1 °C, évitant ainsi le phénomène de concentration de contraintes thermiques dû aux différences de température locales, garantissant ainsi un environnement thermique uniforme et stable pour la plaquette tout au long du processus d'emballage et réduisant les sources de contraintes thermiques.
Rigidité élevée et amortissement des vibrations : Lors du fonctionnement des équipements de conditionnement de plaquettes, les pièces mécaniques mobiles internes (moteurs, dispositifs de transmission, etc.) génèrent des vibrations. Si ces vibrations sont transmises à la plaquette, elles aggravent les dommages causés par les contraintes thermiques. Les bases en granit présentent une rigidité élevée et une dureté supérieure à celle de nombreux matériaux métalliques, ce qui leur permet de résister efficacement aux vibrations externes. De plus, leur structure interne unique leur confère d'excellentes performances d'amortissement des vibrations et leur permet de dissiper rapidement l'énergie vibratoire. Des études montrent que la base en granit peut réduire de 60 % à 80 % les vibrations haute fréquence (100-1 000 Hz) générées par le fonctionnement des équipements de conditionnement, réduisant ainsi considérablement l'effet de couplage entre vibrations et contraintes thermiques, et garantissant ainsi une précision et une fiabilité élevées du conditionnement des plaquettes.
Effet d'application pratique
Sur la ligne de production de conditionnement de plaquettes d'une entreprise renommée de fabrication de semi-conducteurs, l'introduction d'équipements de conditionnement à base de granit a permis d'obtenir des résultats remarquables. L'analyse des données d'inspection de 10 000 plaquettes après conditionnement, avant l'adoption de la base de granit, a révélé que le taux de défauts de déformation des plaquettes dus aux contraintes thermiques était de 12 %. Cependant, après le passage à la base de granit, ce taux a fortement chuté à moins de 3 % et le rendement s'est considérablement amélioré. De plus, des tests de fiabilité à long terme ont montré qu'après 1 000 cycles à haute température (125 °C) et basse température (-55 °C), le nombre de défaillances des soudures des puces à base de granit a été réduit de 70 % par rapport aux puces à base de granit traditionnelles, et la stabilité des performances de la puce a été considérablement améliorée.
À mesure que la technologie des semi-conducteurs progresse vers une précision accrue et des dimensions réduites, les exigences en matière de contrôle des contraintes thermiques dans le conditionnement des plaquettes deviennent de plus en plus strictes. Les bases en granit, offrant de nombreux avantages en termes de faible coefficient de dilatation thermique, de stabilité thermique et de réduction des vibrations, sont devenues un choix essentiel pour améliorer la qualité du conditionnement des plaquettes et réduire l'impact des contraintes thermiques. Elles jouent un rôle de plus en plus important dans le développement durable de l'industrie des semi-conducteurs.
Date de publication : 15 mai 2025