في عملية تصنيع أشباه الموصلات الدقيقة والمعقدة لتغليف الرقائق، يُشكّل الإجهاد الحراري عاملاً مُدمّراً مُختبئاً في الظلام، يُهدد باستمرار جودة التغليف وأداء الرقائق. تتنوع مسارات توليد الإجهاد الحراري، بدءاً من اختلاف مُعاملات التمدد الحراري بين الرقائق ومواد التغليف، وصولاً إلى التغيرات الحادة في درجات الحرارة أثناء عملية التغليف، إلا أن جميعها تُشير إلى انخفاض معدل العائد والتأثير على موثوقية الرقائق على المدى الطويل. تُصبح قاعدة الجرانيت، بخصائصها المادية الفريدة، تدريجياً "مساعداً" فعّالاً في التعامل مع مشكلة الإجهاد الحراري.
معضلة الإجهاد الحراري في تغليف الرقاقة
تتضمن عملية تغليف الرقاقة العمل التعاوني للعديد من المواد. تتكون الرقاقة عادةً من مواد شبه موصلة مثل السيليكون، بينما تختلف مواد التغليف مثل مواد التغليف البلاستيكية والركائز في الجودة. عندما تتغير درجة الحرارة أثناء عملية التغليف، تختلف المواد المختلفة اختلافًا كبيرًا في درجة التمدد والانكماش الحراري بسبب الاختلافات الكبيرة في معامل التمدد الحراري (CTE). على سبيل المثال، يبلغ معامل التمدد الحراري لرقاقة السيليكون حوالي 2.6 × 10⁻⁶/℃، بينما يصل معامل التمدد الحراري لمواد صب راتنج الإيبوكسي الشائعة إلى 15-20 × 10⁻⁶/℃. تتسبب هذه الفجوة الضخمة في أن تكون درجة انكماش الرقاقة ومادة التغليف غير متزامنة أثناء مرحلة التبريد بعد التغليف، مما يولد إجهادًا حراريًا قويًا عند الواجهة بينهما. تحت التأثير المستمر للإجهاد الحراري، قد تتشوه الرقاقة وتتشوه. في الحالات الشديدة، قد يُسبب عيوبًا قاتلة، مثل تشققات الرقاقة وكسور اللحام وانفصال الواجهات، مما يُلحق الضرر بالأداء الكهربائي للرقاقة ويقلل من عمرها الافتراضي بشكل كبير. ووفقًا لإحصاءات الصناعة، قد يصل معدل عيوب تغليف الرقاقة الناتجة عن مشاكل الإجهاد الحراري إلى ما بين 10% و15%، مما يُمثل عاملًا رئيسيًا يُعيق التطور الفعال والعالي الجودة لصناعة أشباه الموصلات.
المزايا المميزة لقواعد الجرانيت
معامل تمدد حراري منخفض: يتكون الجرانيت بشكل أساسي من بلورات معدنية مثل الكوارتز والفلسبار، ويتميز بمعامل تمدد حراري منخفض للغاية، يتراوح عادةً بين 0.6 و5×10⁻⁶/℃، وهو أقرب إلى معامل تمدد رقائق السيليكون. تُمكّن هذه الخاصية من تقليل فرق التمدد الحراري بين قاعدة الجرانيت والرقاقة ومواد التغليف بشكل ملحوظ أثناء تشغيل معدات تغليف الرقائق، حتى مع تقلبات درجات الحرارة. على سبيل المثال، عند تغير درجة الحرارة بمقدار 10 درجات مئوية، يمكن تقليل تباين 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 ممتاز. بنيته الداخلية كثيفة، وتترابط بلوراته بشكل وثيق عبر روابط أيونية وتساهمية، مما يسمح بتوصيل حراري بطيء. عند تعرض معدات التعبئة والتغليف 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 التغير الحراري الشائع لمعدات التعبئة والتغليف (مثل ±5 درجات مئوية في الدقيقة)، يمكن التحكم في انحراف تجانس درجة حرارة سطح قاعدة الجرانيت ضمن ±0.1 درجة مئوية، مما يتجنب ظاهرة تركيز الإجهاد الحراري الناتج عن اختلافات درجات الحرارة المحلية، ويضمن بقاء الرقاقة في بيئة حرارية موحدة ومستقرة طوال عملية التعبئة والتغليف، ويقلل من مصدر توليد الإجهاد الحراري.
صلابة عالية وتخميد للاهتزازات: أثناء تشغيل معدات تغليف الرقائق، تُولّد الأجزاء الميكانيكية المتحركة داخلها (مثل المحركات وأجهزة النقل، إلخ) اهتزازات. إذا انتقلت هذه الاهتزازات إلى الرقاقة، فإنها ستزيد من الضرر الناتج عن الإجهاد الحراري. تتميز قواعد الجرانيت بصلابة عالية وصلابة أعلى من صلابة العديد من المواد المعدنية، مما يُمكّنها من مقاومة تداخل الاهتزازات الخارجية بفعالية. وفي الوقت نفسه، يمنحها هيكلها الداخلي الفريد أداءً ممتازًا في تخميد الاهتزازات ويُمكّنها من تبديد طاقة الاهتزاز بسرعة. تُظهر بيانات الأبحاث أن قاعدة الجرانيت قادرة على تقليل الاهتزازات عالية التردد (100-1000 هرتز) الناتجة عن تشغيل معدات التغليف بنسبة 60% إلى 80%، مما يُقلل بشكل كبير من تأثير اقتران الاهتزاز والإجهاد الحراري، ويضمن دقة وموثوقية عالية لتغليف الرقائق.
تأثير التطبيق العملي
في خط إنتاج تغليف الرقائق لشركة تصنيع أشباه الموصلات المعروفة، وبعد إدخال معدات التغليف بقواعد الجرانيت، تم تحقيق إنجازات ملحوظة. بناءً على تحليل بيانات فحص 10000 رقاقة بعد التغليف، قبل اعتماد قاعدة الجرانيت، كان معدل عيب تشوه الرقاقة الناتج عن الإجهاد الحراري 12٪. ومع ذلك، بعد التحول إلى قاعدة الجرانيت، انخفض معدل العيب بشكل حاد إلى حوالي 3٪، وتحسن معدل العائد بشكل ملحوظ. علاوة على ذلك، أظهرت اختبارات الموثوقية طويلة المدى أنه بعد 1000 دورة من درجات الحرارة العالية (125 درجة مئوية) ودرجات الحرارة المنخفضة (-55 درجة مئوية)، انخفض عدد حالات فشل وصلات اللحام للرقاقة القائمة على حزمة قاعدة الجرانيت بنسبة 70٪ مقارنةً بحزمة القاعدة التقليدية، وتحسن استقرار أداء الشريحة 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 المتمثلة في انخفاض معامل التمدد الحراري، والاستقرار الحراري، وتقليل الاهتزاز، خيارًا رئيسيًا لتحسين جودة تغليف الرقائق وتقليل تأثير الإجهاد الحراري. وتلعب دورًا متزايد الأهمية في ضمان التنمية المستدامة لصناعة أشباه الموصلات.
وقت النشر: ١٥ مايو ٢٠٢٥