هل يمكن لقاعدة الجرانيت أن تقضي على الإجهاد الحراري لمعدات تغليف الرقائق؟

في عملية تصنيع أشباه الموصلات الدقيقة والمعقدة، وتحديدًا في تغليف الرقائق، يُشكل الإجهاد الحراري خطرًا خفيًا يُهدد جودة التغليف وأداء الرقائق باستمرار. تتنوع مسارات توليد الإجهاد الحراري، بدءًا من اختلاف معاملات التمدد الحراري بين الرقائق ومواد التغليف، وصولًا إلى التغيرات الحادة في درجات الحرارة أثناء عملية التغليف، إلا أن جميعها تُؤدي إلى انخفاض معدل الإنتاج والتأثير سلبًا على موثوقية الرقائق على المدى الطويل. وتُصبح قاعدة الجرانيت، بخصائصها الفريدة، عاملًا مساعدًا فعالًا في مواجهة مشكلة الإجهاد الحراري.
معضلة الإجهاد الحراري في تغليف الرقائق
تتطلب عملية تغليف الرقائق الإلكترونية تضافر العديد من المواد. تتكون الرقائق عادةً من مواد شبه موصلة مثل السيليكون، بينما تختلف مواد التغليف، كالمواد البلاستيكية والركائز، في جودتها. عند تغير درجة الحرارة أثناء عملية التغليف، تتباين المواد المختلفة بشكل كبير في درجة التمدد والانكماش الحراري نتيجةً للاختلافات الكبيرة في معامل التمدد الحراري. على سبيل المثال، يبلغ معامل التمدد الحراري لرقائق السيليكون حوالي 2.6 × 10⁻⁶/درجة مئوية، بينما يصل معامل التمدد الحراري لمواد قولبة راتنجات الإيبوكسي الشائعة إلى 15-20 × 10⁻⁶/درجة مئوية. يؤدي هذا التباين الكبير إلى عدم تزامن درجة انكماش الرقاقة ومادة التغليف أثناء مرحلة التبريد بعد التغليف، مما يُولّد إجهادًا حراريًا قويًا عند السطح الفاصل بينهما. تحت تأثير الإجهاد الحراري المستمر، قد تتعرض الرقاقة للتشوه والالتواء. في الحالات الشديدة، قد يتسبب ذلك في عيوب قاتلة مثل تشققات الرقاقة، وكسور وصلات اللحام، وانفصال الطبقات، مما يؤدي إلى تلف الأداء الكهربائي للرقاقة وانخفاض كبير في عمرها الافتراضي. ووفقًا لإحصاءات الصناعة، قد تصل نسبة عيوب تغليف الرقاقات الناتجة عن مشاكل الإجهاد الحراري إلى 10% إلى 15%، مما يجعلها عاملًا رئيسيًا يعيق التطور الفعال وعالي الجودة لصناعة أشباه الموصلات.

المزايا المميزة لقواعد الجرانيت
معامل تمدد حراري منخفض: يتكون الجرانيت بشكل أساسي من بلورات معدنية مثل الكوارتز والفلسبار، ومعامل تمدده الحراري منخفض للغاية، ويتراوح عادةً بين 0.6 و 5 × 10⁻⁶/درجة مئوية، وهو قريب من معامل تمدد رقائق السيليكون. تُمكّن هذه الخاصية من تقليل الفرق في التمدد الحراري بين قاعدة الجرانيت والرقاقة ومواد التغليف بشكل ملحوظ أثناء تشغيل معدات تغليف الرقائق، حتى عند مواجهة تقلبات في درجة الحرارة. على سبيل المثال، عند تغير درجة الحرارة بمقدار 10 درجات مئوية، يمكن تقليل تغير حجم منصة التغليف المبنية على قاعدة الجرانيت بأكثر من 80% مقارنةً بالقاعدة المعدنية التقليدية، مما يُخفف بشكل كبير من الإجهاد الحراري الناتج عن التمدد والانكماش الحراري غير المتزامن، ويوفر بيئة دعم أكثر استقرارًا للرقاقة.
استقرار حراري ممتاز: يتميز الجرانيت باستقرار حراري فائق. فبنيته الداخلية كثيفة، وبلوراته مترابطة بإحكام عبر روابط أيونية وتساهمية، مما يسمح بتوصيل حراري بطيء داخله. وعندما تتعرض معدات التغليف لدورات حرارية معقدة، تستطيع قاعدة الجرانيت كبح تأثير تغيرات درجة الحرارة عليها بفعالية، والحفاظ على مجال حراري مستقر. تُظهر التجارب ذات الصلة أنه في ظل معدل تغير درجة الحرارة الشائع لمعدات التغليف (مثل ±5 درجات مئوية في الدقيقة)، يمكن التحكم في انحراف تجانس درجة حرارة سطح قاعدة الجرانيت في حدود ±0.1 درجة مئوية، مما يتجنب ظاهرة تركيز الإجهاد الحراري الناتج عن اختلافات درجة الحرارة الموضعية، ويضمن وجود الرقاقة في بيئة حرارية متجانسة ومستقرة طوال عملية التغليف، ويقلل من مصادر توليد الإجهاد الحراري.
صلابة عالية وتخميد للاهتزازات: أثناء تشغيل معدات تغليف الرقائق، تُولّد الأجزاء الميكانيكية المتحركة الداخلية (مثل المحركات وأجهزة النقل وغيرها) اهتزازات. إذا انتقلت هذه الاهتزازات إلى الرقاقة، فإنها تُفاقم الضرر الناتج عن الإجهاد الحراري. تتميز قواعد الجرانيت بصلابة عالية، تفوق صلابة العديد من المواد المعدنية، مما يُتيح لها مقاومة فعّالة لتأثير الاهتزازات الخارجية. في الوقت نفسه، يُكسبها تركيبها الداخلي الفريد أداءً ممتازًا في تخميد الاهتزازات، ويُمكّنها من تبديد طاقة الاهتزاز بسرعة. تُشير بيانات البحث إلى أن قاعدة الجرانيت تُقلل الاهتزازات عالية التردد (100-1000 هرتز) الناتجة عن تشغيل معدات التغليف بنسبة تتراوح بين 60% و80%، مما يُقلل بشكل كبير من تأثير اقتران الاهتزاز والإجهاد الحراري، ويضمن بالتالي دقة وموثوقية عاليتين لتغليف الرقائق.
تأثير التطبيق العملي
في خط إنتاج تغليف الرقائق الإلكترونية التابع لشركة تصنيع أشباه موصلات مرموقة، تحققت إنجازات ملحوظة بعد إدخال معدات تغليف ذات قواعد من الجرانيت. فبناءً على تحليل بيانات فحص 10000 رقاقة بعد التغليف، تبين أن معدل عيوب انحناء الرقائق الناتج عن الإجهاد الحراري قبل استخدام قاعدة الجرانيت بلغ 12%. إلا أنه بعد التحول إلى قاعدة الجرانيت، انخفض معدل العيوب بشكل حاد إلى أقل من 3%، وتحسن معدل الإنتاجية بشكل ملحوظ. علاوة على ذلك، أظهرت اختبارات الموثوقية طويلة الأمد أنه بعد 1000 دورة من درجات الحرارة العالية (125 درجة مئوية) والمنخفضة (-55 درجة مئوية)، انخفض عدد حالات فشل وصلات اللحام في الرقاقة المُغلفة بقاعدة الجرانيت بنسبة 70% مقارنةً بالتغليف التقليدي، كما تحسن استقرار أداء الرقاقة بشكل كبير.

مع استمرار تطور تكنولوجيا أشباه الموصلات نحو دقة أعلى وحجم أصغر، تزداد متطلبات التحكم في الإجهاد الحراري في تغليف الرقائق صرامةً. وقد أصبحت قواعد الجرانيت، بمزاياها الشاملة من حيث انخفاض معامل التمدد الحراري، والاستقرار الحراري، وتقليل الاهتزازات، خيارًا أساسيًا لتحسين جودة تغليف الرقائق وتقليل تأثير الإجهاد الحراري. وتلعب هذه القواعد دورًا متزايد الأهمية في ضمان التنمية المستدامة لصناعة أشباه الموصلات.