האם בסיס הגרניט יכול לבטל לחץ תרמי עבור ציוד אריזת ופלים?

בתהליך ייצור מוליכים למחצה מדויק ומורכב של אריזות פרוסות סיליקון, מאמץ תרמי הוא כמו "משחתת" חבויה בחושך, המאיימת ללא הרף על איכות האריזה ועל ביצועי השבבים. מההבדל במקדמי ההתפשטות התרמית בין השבבים לחומרי האריזה ועד לשינויי הטמפרטורה הדרסטיים במהלך תהליך האריזה, מסלולי יצירת המאמץ התרמי מגוונים, אך כולם מצביעים על תוצאה של הפחתת קצב התשואה ופגיעה באמינות השבבים לטווח ארוך. בסיס הגרניט, עם תכונות החומר הייחודיות שלו, הופך בשקט ל"עוזר" רב עוצמה בהתמודדות עם בעיית המאמץ התרמי.
דילמת הלחץ התרמי באריזת פרוסות ופל
אריזת פרוסות סיליקון כרוכה בעבודה משותפת של חומרים רבים. שבבים מורכבים בדרך כלל מחומרים מוליכים למחצה כמו סיליקון, בעוד שחומרי אריזה כמו חומרי אריזה מפלסטיק ומצעים משתנים באיכותם. כאשר הטמפרטורה משתנה במהלך תהליך האריזה, חומרים שונים משתנים מאוד במידת ההתפשטות וההתכווצות התרמית עקב הבדלים משמעותיים במקדם ההתפשטות התרמית (CTE). לדוגמה, מקדם ההתפשטות התרמית של שבבי סיליקון הוא כ-2.6×10⁻⁶/℃, בעוד שמקדם ההתפשטות התרמית של חומרי יציקה נפוצים של שרף אפוקסי הוא גבוה עד 15-20 ×10⁻⁶/℃. פער עצום זה גורם למידת ההתכווצות של השבב וחומר האריזה להיות אסינכרונית במהלך שלב הקירור לאחר האריזה, מה שיוצר מאמץ תרמי חזק בממשק ביניהם. תחת ההשפעה המתמשכת של מאמץ תרמי, הוופל עלול להתעוות ולהתעוות. במקרים חמורים, הדבר עלול אף לגרום לפגמים קטלניים כמו סדקים בשבב, שברים בחיבורי הלחמה והתפרקות ממשק, וכתוצאה מכך נזק לביצועים החשמליים של השבב וצמצום משמעותי של חיי השירות שלו. על פי נתוני התעשייה, שיעור הפגמים באריזות פרוסות סיליקון הנגרמים כתוצאה מבעיות של עומס תרמי יכול להגיע ל-10% עד 15%, מה שהופך לגורם מפתח המגביל את הפיתוח היעיל והאיכותי של תעשיית המוליכים למחצה.

היתרונות האופייניים של בסיסי גרניט
מקדם התפשטות תרמית נמוך: גרניט מורכב בעיקר מגבישים מינרליים כמו קוורץ ופלדספאר, ומקדם ההתפשטות התרמית שלו נמוך ביותר, בדרך כלל נע בין 0.6 ל-5×10⁻⁶/℃, קרוב יותר לזה של שבבי סיליקון. מאפיין זה מאפשר שבמהלך פעולת ציוד אריזת פרוסות סיליקון, גם כאשר נתקלים בתנודות טמפרטורה, ההבדל בהתפשטות התרמית בין בסיס הגרניט לשבב ולחומרי האריזה מצטמצם משמעותית. לדוגמה, כאשר הטמפרטורה משתנה ב-10℃, ניתן להפחית את שינוי הגודל של פלטפורמת האריזה הבנויה על בסיס הגרניט ביותר מ-80% בהשוואה לבסיס המתכת המסורתי, מה שמקל מאוד על הלחץ התרמי הנגרם מהתפשטות והתכווצות תרמית אסינכרונית, ומספק סביבת תמיכה יציבה יותר עבור פרוסות סיליקון.
יציבות תרמית מעולה: לגרניט יציבות תרמית יוצאת דופן. המבנה הפנימי שלו צפוף, והגבישים קשורים זה בזה באמצעות קשרים יוניים וקוולנטיים, מה שמאפשר הולכת חום איטית בתוכו. כאשר ציוד האריזה עובר מחזורי טמפרטורה מורכבים, בסיס הגרניט יכול לדכא ביעילות את השפעת שינויי הטמפרטורה על עצמו ולשמור על שדה טמפרטורה יציב. ניסויים רלוונטיים מראים כי תחת קצב שינוי הטמפרטורה הנפוץ של ציוד אריזה (כגון ±5℃ לדקה), ניתן לשלוט בסטיית אחידות טמפרטורת פני השטח של בסיס הגרניט בטווח של ±0.1℃, תוך הימנעות מתופעת ריכוז הלחץ התרמי הנגרם מהפרשי טמפרטורה מקומיים, הבטחת נוכחות הוופל בסביבה תרמית אחידה ויציבה לאורך כל תהליך האריזה, והפחתת מקור יצירת הלחץ התרמי.
קשיחות גבוהה ובלימת רעידות: במהלך פעולת ציוד אריזת פרוסות, החלקים המכניים הנעים בפנים (כגון מנועים, התקני תמסורת וכו') ייצרו רעידות. אם רעידות אלו מועברות לפרוסות, הן יגבירו את הנזק הנגרם על ידי מאמץ תרמי לפרוסות. לבסיסי גרניט יש קשיחות גבוהה וקשיחות גבוהה מזו של חומרי מתכת רבים, שיכולים לעמוד ביעילות בהפרעות של רעידות חיצוניות. בינתיים, המבנה הפנימי הייחודי שלו מעניק לו ביצועי בלימת רעידות מצוינים ומאפשר לו לפזר אנרגיית רעידות במהירות. נתוני מחקר מראים שבסיס גרניט יכול להפחית את הרעידות בתדר גבוה (100-1000 הרץ) הנוצרות על ידי פעולת ציוד האריזה ב-60% עד 80%, ובכך להפחית משמעותית את אפקט הצימוד של רעידות ועומס תרמי, ולהבטיח עוד יותר את הדיוק הגבוה והאמינות הגבוהה של אריזת פרוסות.
אפקט יישום מעשי
בקו הייצור של אריזות פרוסות סיליקון של מפעל ייצור מוליכים למחצה ידוע, לאחר הצגת ציוד אריזה עם בסיסי גרניט, הושגו הישגים יוצאי דופן. בהתבסס על ניתוח נתוני הבדיקה של 10,000 פרוסות סיליקון לאחר האריזה, לפני אימוץ בסיס הגרניט, שיעור הפגמים של עיוות פרוסות סיליקון הנגרם כתוצאה ממאמץ תרמי היה 12%. עם זאת, לאחר המעבר לבסיס גרניט, שיעור הפגמים ירד בחדות עד ל-3%, ושיעור התפוקה השתפר משמעותית. יתר על כן, בדיקות אמינות ארוכות טווח הראו כי לאחר 1,000 מחזורים של טמפרטורה גבוהה (125℃) וטמפרטורה נמוכה (-55℃), מספר כשלי חיבור ההלחמה של השבב המבוסס על חבילת בסיס הגרניט הופחת ב-70% בהשוואה לחבילת הבסיס המסורתית, ויציבות הביצועים של השבב שופרה מאוד.

ככל שטכנולוגיית המוליכים למחצה ממשיכה להתקדם לעבר דיוק גבוה יותר וגודל קטן יותר, הדרישות לבקרת עומס תרמי באריזת פרוסות סיליקון הופכות מחמירות יותר ויותר. בסיסי גרניט, עם יתרונותיהם המקיפים במקדם התפשטות תרמי נמוך, יציבות תרמית והפחתת רעידות, הפכו לבחירה מרכזית לשיפור איכות אריזת פרוסות סיליקון ולהפחתת השפעת העומס התרמי. הם ממלאים תפקיד חשוב יותר ויותר בהבטחת פיתוח בר-קיימא של תעשיית המוליכים למחצה.