O empenamento de pacotes e placas eletrônicas está aumentando à medida que se expandem os tamanhos dos pacotes, dos substratos e do interposer, levando as empresas de encapsulamento a testar materiais capazes de compensar a expansão térmica, em vez de apenas reduzi-la. Um dos caminhos consiste no uso de materiais com coeficiente de expansão térmica negativo (NTE), que se contraem ou limitam a expansão quando a temperatura aumenta, e depois são misturados às resinas epóxi usadas em compostos de moldagem e materiais de preenchimento inferior (underfill).
O problema fundamental surge quando materiais com diferentes coeficientes de expansão térmica entram em contato. Durante o aquecimento, cada componente tenta se expandir a uma taxa própria, mas a adesão entre as camadas impede que se movam de forma independente, gerando tensões que levam ao arqueamento do pacote ou da placa. Quanto maior a área de ligação, maiores as chances de as conexões nas bordas enfraquecerem ou falharem. O empenamento pode se tornar tão grande que chega a dificultar o próprio equipamento de fabricação; Knowlton Olmstead, da Amkor, explicou que as ferramentas de fixação por sucção podem não conseguir obter um bom vácuo quando o empenamento é elevado.
Por que o problema se torna mais urgente?
A ampliação dos pacotes, do interposer e das placas faz parte das tendências de encapsulamento avançado, mas aumenta a sensibilidade do processo às diferenças mecânicas entre o silício, o substrato e o composto de moldagem. Às vezes, o empenamento pode ser reduzido afinando-se o silício, mas isso pode entrar em conflito com a necessidade de manter uma espessura maior para o gerenciamento térmico da potência, segundo Mike Kelly, da Amkor.
A dificuldade aumenta com novos materiais, como o vidro. Segundo Lang Lin, da Synopsys, hoje se fala em empenamento em unidades de micrômetros, enquanto, em placas de vidro maiores, ele pode chegar a milímetros. Portanto, não se trata de uma melhoria meramente formal na formulação de um material, mas de limites de processo que podem afetar o alinhamento, a união e o rendimento da fabricação.
Como funcionam os materiais de expansão negativa?
Existem materiais que apresentam efetivamente expansão térmica negativa, mas seu comportamento pode se limitar a faixas térmicas específicas ou estar associado a uma mudança de fase. Também é possível obter um efeito semelhante usando uma rede ou matriz que restrinja o movimento de outro material. A ideia é que a estrutura interna não permita que o material envolvido se expanda livremente e possa redirecionar o movimento molecular, reduzindo a expansão total ou transformando-a em uma contração limitada.
Essa abordagem se concentra tanto na estrutura do preenchimento quanto em sua composição química. Redes como house-of-cards ou rigid-rod conferem diferentes graus de rigidez e afetam o fluxo do material, enquanto a forma de agrupar os componentes e funcionalizá-los quimicamente determina seu comportamento final. Sanjiv Bhatt, do Mitsubishi Chemical Group, explicou que a questão se aproxima mais de um problema de rede ou estrutura do que de uma propriedade de um único material.
O resultado não precisa necessariamente ser um material com coeficiente de expansão zero. O objetivo é ajustar o coeficiente de expansão do composto de moldagem para que se aproxime dos coeficientes de expansão do die, do substrato e do material encapsulante. Dessa forma, é possível reduzir o descompasso térmico e o acúmulo de tensões, em vez de tentar eliminar totalmente a expansão.
Da pesquisa ao uso comercial
Os materiais de expansão térmica negativa ainda são limitados. Luke Prenger, da Brewer Science, menciona o uso de β-eucryptite em algumas ferramentas cerâmicas, enquanto o tungstato de zircônio é usado como aditivo em certos tipos de compostos de moldagem e materiais de preenchimento inferior. O projeto de materiais orgânicos com expansão negativa em três dimensões é ainda mais difícil; os polímeros que apresentam esse comportamento tendem a manifestá-lo em uma dimensão, o que torna os aditivos inorgânicos uma parte essencial da solução.
A Mitsubishi Chemical Group começou a fornecer um material inorgânico que pode ser misturado com resinas epóxi para personalizar o coeficiente de expansão, e ele também está disponível pré-misturado com a resina. Isso indica uma transição da tecnologia do âmbito da pesquisa para produtos que podem ser testados em aplicações de encapsulamento eletrônico, mas não uma adoção industrial ampla ainda.
O que limita a disseminação?
- O material deve manter seu desempenho em uma faixa térmica que cubra o processamento e as etapas de fabricação de maior temperatura.
- Ele deve se misturar às resinas de forma fácil e homogênea, pois uma distribuição irregular pode enfraquecer o resultado ou criar um comportamento inesperado.
- A pureza e as impurezas devem ser controladas, especialmente porque as emissões resultantes de partículas alfa podem afetar a confiabilidade dos pacotes.
- A matriz restritiva não altera as principais temperaturas de transição térmica do material envolvido, como a temperatura de transição vítrea ou de fusão.
Leitura da certi.news: a mudança efetiva aqui não é apenas o anúncio de um novo material, mas uma tentativa de transferir o gerenciamento do empenamento do nível do projeto do pacote para o nível da engenharia do próprio material. Se essas formulações demonstrarem capacidade de operar de forma estável em várias temperaturas, poderão ajudar a remover uma das limitações mecânicas aos pacotes e placas maiores. No entanto, a fonte não apresenta dados quantitativos de desempenho nem resultados de produção em larga escala; portanto, a questão em aberto continua sendo se a capacidade de mistura, a estabilidade térmica e a pureza permitirão transformar esse caminho em uma prática padrão no encapsulamento avançado.