Изгиб корпусов и электронных плат усиливается по мере увеличения размеров корпусов, подложек и интерпозеров, что побуждает компании, занимающиеся упаковкой, испытывать материалы, способные компенсировать тепловое расширение, а не только уменьшать его. Один из подходов заключается в использовании материалов с отрицательным коэффициентом теплового расширения (NTE), которые сжимаются или ограничивают расширение при повышении температуры, а затем смешиваются с эпоксидными смолами, применяемыми в компаундах и материалах для заполнения зазоров (underfill).
Основная проблема возникает при контакте материалов с разными коэффициентами теплового расширения. При нагреве каждый компонент стремится расширяться со своей скоростью, однако сцепление между слоями не позволяет им двигаться независимо, в результате чего возникают напряжения, приводящие к изгибу корпуса или платы. Чем больше площадь соединения, тем выше вероятность ослабления или разрушения соединений по краям. Изгиб может стать настолько значительным, что начнёт мешать самому производственному оборудованию; Knowlton Olmstead из Amkor отметил, что вакуумные зажимные инструменты могут не создавать хороший вакуум при сильном изгибе.
Почему проблема становится более острой?
Увеличение размеров корпусов, интерпозеров и плат является частью тенденций в передовой упаковке, однако оно повышает чувствительность процесса к механическим различиям между кремнием, подложкой и компаундом. Иногда изгиб можно уменьшить за счёт утоншения кремния, однако это может противоречить необходимости сохранять большую толщину для управления тепловой мощностью, согласно Mike Kelly из Amkor.
Ситуация усложняется с появлением новых материалов, таких как стекло. По словам Lang Lin из Synopsys, сегодня об изгибе говорят в микрометрах, тогда как в более крупных стеклянных платах он может достигать миллиметров. Поэтому речь идёт не о формальном улучшении состава материала, а о технологических ограничениях, способных повлиять на выравнивание, соединение и выход годных изделий.
Как работают материалы с отрицательным расширением?
Существуют материалы, действительно демонстрирующие отрицательное тепловое расширение, однако их поведение может ограничиваться определёнными температурными диапазонами или быть связано с фазовым переходом. Аналогичный эффект можно получить с помощью сетки или матрицы, ограничивающей движение другого материала. Идея заключается в том, что внутренняя структура не позволяет окружённому материалу свободно расширяться и может перенаправлять движение молекул таким образом, чтобы общее расширение уменьшалось или превращалось в ограниченное сжатие.
Этот подход уделяет структуре наполнителя не меньше внимания, чем его химическому составу. Такие структуры, как house-of-cards или rigid-rod, обеспечивают разную степень жёсткости и влияют на текучесть материала, а способ объединения компонентов и их химического использования определяет конечное поведение. Sanjiv Bhatt из Mitsubishi Chemical Group объяснил, что это скорее проблема сети или структуры, чем свойство отдельного материала.
Целью не обязательно является получение материала с нулевым коэффициентом расширения. Задача состоит в настройке коэффициента расширения компаунда так, чтобы он приближался к коэффициентам расширения кристалла, подложки и инкапсулирующего материала. Это позволяет уменьшить тепловое рассогласование и накопление напряжений, а не пытаться полностью устранить расширение.
От исследований к коммерческому использованию
Материалы с отрицательным тепловым расширением по-прежнему ограничены в применении. Luke Prenger из Brewer Science указывает на использование β-eucryptite в некоторых керамических инструментах, тогда как zirconium tungstate применяется в качестве добавки в некоторых видах компаундов и материалов для заполнения зазоров. Проектирование органических материалов с отрицательным расширением в трёх измерениях представляет ещё большую сложность: полимеры, демонстрирующие такое поведение, как правило, проявляют его в одном измерении, поэтому неорганические добавки становятся важной частью решения.
Mitsubishi Chemical Group начала поставлять неорганический материал, который можно смешивать с эпоксидными смолами для настройки коэффициента расширения; он также доступен в предварительно смешанной с полимером форме. Это указывает на переход технологии от исследовательской стадии к продуктам, которые можно испытывать в приложениях для электронной упаковки, но ещё не свидетельствует о широком промышленном внедрении.
Что ограничивает распространение?
- Материал должен сохранять свои характеристики в температурном диапазоне, охватывающем отверждение и более высокотемпературные производственные процессы.
- Он должен легко и равномерно смешиваться со смолами, поскольку неравномерное распределение может ухудшить результат или создать непредсказуемое поведение.
- Необходимо контролировать чистоту и примеси, особенно поскольку выбросы, вызванные альфа-частицами, могут влиять на надёжность корпусов.
- Ограничивающая матрица не изменяет основные температуры переходов окружённого материала, такие как температура стеклования или плавления.
Комментарий certi.news: фактическое изменение здесь заключается не просто в представлении нового материала, а в попытке перенести управление изгибом с уровня проектирования корпуса на уровень инженерии самого материала. Если эти составы докажут способность стабильно работать при различных температурах, они могут помочь устранить одно из механических ограничений для более крупных корпусов и плат. Однако источник не приводит количественных данных о характеристиках или результатов широкого производства, поэтому открытым остаётся вопрос о том, позволят ли смешиваемость, термическая стабильность и чистота превратить этот подход в стандартную практику передовой упаковки.