การเปรียบเทียบระหว่าง Ultra Fine Pitch QFP และ BGA และแนวโน้มการพัฒนาของพวกมัน

เทคโนโลยีรูทะลุ (Through-hole technology: THT) ที่เริ่มเฟื่องฟูพร้อมกับวงจรรวม (integrated circuit: IC) ในทศวรรษที่ 60 ได้ค่อย ๆ ถูกแทนที่ด้วย SMT (surface mount technology) รุ่นแรก ซึ่งเริ่มปรากฏขึ้นตั้งแต่ทศวรรษที่ 80 ควบคู่ไปกับการพัฒนาอย่างรวดเร็วของ LSI ในช่วงปลายทศวรรษที่ 70 แพ็กเกจแบบรอบขอบ (peripheral packages) ได้กลายเป็นกระแสหลักของแพ็กเกจอิเล็กทรอนิกส์ โดยมี QFP (quad flat package) เป็นตัวอย่าง ทศวรรษที่ 90 ได้เห็นการลดระยะพิทช์ของ QFP ลงอย่างมาก ทำให้เทคโนโลยีการประกอบแผงวงจรต้องเผชิญกับความท้าทายมากมาย แม้จะมีการถือกำเนิดของเทคโนโลยีฟายน์พิทช์ (fine pitch technology: FPT) แต่การประกอบวงจรในระดับบอร์ดที่มีพิทช์ต่ำกว่า 0.4 มม. ก็ยังคงมีประเด็นทางเทคนิคจำนวนมากที่ต้องจัดการ ในฐานะทางออกที่เหมาะสม SMT รุ่นที่สองจึงถูกนำออกใช้ในช่วงต้นทศวรรษที่ 90 นั่นคือแพ็กเกจแบบ BGA (ball grid array) จากนั้นแพ็กเกจขนาดเท่าชิป (chip-scale package: CSP) ก็กลายเป็นจุดสนใจของผู้คนในทศวรรษที่ 1990 โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อมีการใช้เทคโนโลยีฟลิปชิป (flip chip: FC) ทำให้ PBGA (plastic ball grid array) เริ่มถูกนำไปใช้ในซูเปอร์คอมพิวเตอร์และเวิร์กสเตชันและค่อย ๆ กลายเป็นทางเลือกที่ใช้งานได้จริง SMT รุ่นที่สามคือการประกอบชิปโดยตรง (direct chip assembly: DCA) ซึ่งถูกใช้เฉพาะในบางสาขาเนื่องจากข้อจำกัดด้านความเชื่อถือได้ ต้นทุน และ KGD เป็นต้น ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา มีการนำเวเฟอร์เลเวลแพ็กเกจจิง (wafer level packaging: WLP) และเทคโนโลยี FC ขั้นสูงเข้ามามีส่วนร่วมใน SMT รุ่นที่สาม เพื่อตอบสนองความต้องการด้านจำนวนขาพินที่เพิ่มขึ้นและสมรรถนะสูงของเซมิคอนดักเตอร์ ดังนั้นจึงสามารถสรุปได้ว่าแพ็กเกจ IC ในศตวรรษที่ 21^สตศตวรรษนี้จะพัฒนาไปสู่แนวโน้มความหนาแน่นสูง ระยะห่างขาเล็ก ความยืดหยุ่นสูง ความเชื่อถือได้สูง และความหลากหลาย ดังนั้น การตระหนักถึงความแตกต่างระหว่าง QFP และ BGA รวมถึงแนวโน้มการพัฒนาของพวกมันจึงมีความสำคัญอย่างยิ่ง

แพ็กเกจพลาสติกแบบควอดแฟลต (PQFP)

PQFP มีข้อได้เปรียบในการแข่งขันอย่างชัดเจนในตลาดบรรจุภัณฑ์ IC ปัจจุบันบรรจุภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังก้าวไปสู่แพ็กเกจแบบ BGA, CSP และ QFP ระยะพิชช์ละเอียดพิเศษ เนื่องจากมีมูลค่าเพิ่มสูง เมื่อจำนวนขาพินเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง หากจำนวนขามากกว่า 200 ขา โดยมีระยะห่างระหว่างขาพินน้อยกว่า 0.5 มม. ระยะห่างระหว่างขาพินจะอยู่ที่ประมาณ 0.3 มม. สำหรับแพ็กเกจที่มี 300 ขา ยิ่งระยะห่างระหว่างขาพินน้อยลง การสูญเสียของผลิตภัณฑ์ก็จะเพิ่มขึ้นแบบทวีคูณ เมื่อระยะห่างระหว่างขาพินลดลง การเชื่อมติดลัดวงจร (bridging soldering) จะเกิดขึ้นได้ง่ายขึ้น หากระยะห่างระหว่างขาพินอยู่ที่ 0.3 มม. แม้เพียงอนุภาคไม่กี่อนุภาคที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางน้อยกว่า 15μm ก็จะทำให้เกิดการจับตัวเป็นลูกบอลของประสาน (solder balling) ซึ่งเป็นสาเหตุทั่วไปของการเชื่อมติดลัดวงจร ดังนั้นการควบคุมขนาดอนุภาคของครีมประสานจึงมีความสำคัญยิ่งขึ้น เมื่อระยะห่างระหว่างขาพินลดลง จำเป็นต้องควบคุมความเรียบของขาและค่าความเผื่อของระยะห่างระหว่างขา สำหรับ QFP ขนาด (40 มม.²), จำนวนขา (360) และระยะห่างระหว่างขา (0.3 มม.) ได้มาถึงขีดจำกัดแล้ว

เห็นได้ชัดว่า QFP นั้นง่ายต่อการทดสอบและการซ่อมแก้ไขมาก เนื่องจากสามารถมองเห็นขาทั้งหมดบน QFP ได้

BGA

• การเปรียบเทียบระหว่าง BGA และ QFP

ชิ้นส่วน BGA ทั่วไปมีความทนทานสูงจนยังสามารถนำมาใช้ในการประกอบได้แม้จะเผลอทำหล่นลงพื้น ซึ่งสำหรับ PQFP แล้วแทบเป็นไปไม่ได้ในระดับหนึ่ง ข้อได้เปรียบที่สำคัญของแพ็กเกจ BGA อยู่ที่รูปแบบการจัดเรียงเป็นเมทริกซ์ และโดยทั่วไปแล้วชิ้นส่วน BGA สามารถให้จำนวนขา I/O ได้มากกว่าชิ้นส่วน QFP ในพื้นที่ต่อหน่วยเท่ากัน ทุกครั้งที่จำนวน I/O เกิน 250 พื้นที่ที่ BGA ใช้จะน้อยกว่า QFP เสมอ เนื่องจาก BGA มักมีระยะพิทช์ที่กว้างกว่า QFP ชิ้นส่วน BGA จึงติดตั้งได้ง่ายกว่า ทำให้เกิดประสิทธิภาพที่ค่อนข้างสูง เมื่อมีการตรวจสอบข้อบกพร่องที่เกี่ยวข้องกับแพ็กเกจก่อนการประกอบ อัตราความล้มเหลวในการประกอบสามารถต่ำกว่า 1 ppm ได้ จนถึงปัจจุบัน ความท้าทายที่ใหญ่ที่สุดที่พบในการประกอบ BGA อยู่ที่ปัญหาข้อบกพร่องที่เกี่ยวข้องกับแพ็กเกจ ซึ่งอาจเกิดจากการขาดหายของลูกบอลประสาน ความไวต่อความชื้น การกระแทกระหว่างการขนส่ง และการโก่งตัวมากเกินไประหว่างการบัดกรีแบบรีโฟลว์ มีความคลาดเคลื่อนขนาดใหญ่ในด้านขนาดของลูกบอลประสาน ซึ่งมีปริมาตรเบี่ยงเบนระหว่างลูกบอลประสานมากถึงสองหรือสามเท่า อาจมีลูกบอลประสานสองชั้นเกิดขึ้นที่ตำแหน่งจุดประสาน และมีข้อบกพร่องที่เกี่ยวข้องกับการทำเมทัลไลเซชัน เช่น การบัดกรีไม่เพียงพอระหว่างลูกบอลประสานกับแผ่นรองของชิ้นส่วน เนื่องจากเทคโนโลยี การประกอบ BGA จึงสามารถมีอัตราข้อบกพร่อง (ppm) ต่ำที่สุดได้

โครงสร้างของแพ็กเกจ BGA มีขาคอนเน็กชันที่สั้นกว่า QFP ซึ่งมีฟังก์ชันและประสิทธิภาพเทียบเท่ากัน ส่งผลให้แพ็กเกจ BGA มีสมรรถนะทางไฟฟ้าที่ดีเยี่ยม อย่างไรก็ตาม ข้อบกพร่องที่ใหญ่ที่สุดของโครงสร้าง BGA อยู่ที่ต้นทุน แพ็กเกจ BGA มีต้นทุนสูงกว่า QFP ในด้านแผ่นลามิเนตและต้นทุนเรซินที่เกี่ยวข้องกับซับสเตรตซึ่งใช้บรรจุชิ้นส่วน เรซิน BT เซรามิก และตัวพาหะเรซินโพลิอิไมด์มีส่วนประกอบดั้งเดิมที่มีต้นทุนสูง ในขณะที่ QFP ใช้เรซินขึ้นรูปพลาสติกและโครงลายวงจรแผ่นโลหะที่มีต้นทุนต่ำ ตัวพาหะแบบ Array มีต้นทุนค่อนข้างสูงเนื่องจากลายวงจรแบบเส้นละเอียดและเทคโนโลยีกระบวนการทางเคมี นอกจากนี้ เมื่อเปรียบเทียบแพ็กเกจ QFP และ BGA แล้ว แม่พิมพ์ขึ้นรูปกำลังการผลิตสูงและเครื่องอัดขึ้นรูปสามารถนำมาใช้ได้ด้วยขั้นตอนทางเทคนิคด้านการบรรจุหีบห่อน้อยกว่า เมื่อมีการผลิตในปริมาณมาก ต้นทุนของแพ็กเกจ BGA จะลดลง แต่ก็ไม่อาจลดลงได้ถึงระดับของ QFP

ในด้านต้นทุนของแพ็กเกจ BGA นั้น แพ็กเกจ BGA ที่มีจำนวนขา I/O เหมาะสมจะเป็นประเภทที่แพร่หลายที่สุด แพ็กเกจประเภทนี้มีวงจรทั้งหมดอยู่ที่ด้านข้างของตัวรองรับแพ็กเกจและไม่มีรูทะลุที่มีการควบคุม ดังนั้นจึงต้องมีต้นทุนเพิ่มเติมสำหรับแพ็กเกจ BGA อย่างไรก็ตาม ประสิทธิภาพการประกอบที่สูงมากของแพ็กเกจ BGA สามารถชดเชยข้อเสียด้านต้นทุนที่สูงได้ในระดับหนึ่ง จากมุมมองของมูลค่าทางเศรษฐกิจ เมื่อจำนวนขา I/O น้อยกว่า 200 แพ็กเกจ QFP จะเหมาะสม เมื่อจำนวนขา I/O เกิน 200 แพ็กเกจ QFP จะไม่เหมาะสม และสามารถใช้แพ็กเกจ BGA ได้หลายประเภท ส่งผลให้แพ็กเกจ BGA มีช่วงการใช้งานที่กว้างขวาง

• การตรวจสอบและการทำงานแก้ไขของแพ็กเกจ BGA

การตรวจสอบและการซ่อมแซม BGA ก็เป็นเทคโนโลยีประเภทหนึ่งที่ค่อย ๆ พัฒนาจนมีความสมบูรณ์ แม้ว่าจะสามารถตรวจสอบได้ แต่ BGA ต้องการอุปกรณ์ความแม่นยำสูง เช่น ระบบถ่ายภาพเอ็กซเรย์

ชิ้นส่วน BGA ซ่อนจุดเชื่อมต่อไว้ใต้แพ็กเกจ ทำให้การซ่อมแซมยากกว่าชิ้นส่วนที่มีขาอยู่รอบขอบ ปัญหาหลักที่เกี่ยวข้องกับการซ่อมแซม BGA ได้แก่: ความเสียหายต่อชิ้นส่วนที่ถอดออกได้ ความเสียหายต่อชิ้นส่วนทดแทน ความร้อนสูงเกินไปของแผงวงจรและชิ้นส่วนข้างเคียง การโก่งงอของแผงวงจรเนื่องจากการให้ความร้อนเฉพาะจุด และการทำความสะอาดและการผลิตชิ้นส่วนบางประเภท การซ่อมแซมต้องคำนึงถึงประเด็นต่อไปนี้: อุณหภูมิของชิป การกระจายอุณหภูมิของชิ้นส่วนภายในช่วงเวลาการซ่อมแซม และการกระจายอุณหภูมิของแผงวงจร หากจำเป็นต้องจัดซื้ออุปกรณ์ทั้งหมด สถานีซ่อมแซม BGA จะมีต้นทุนสูงด้วยเหตุผลดังต่อไปนี้:
a. เป็นไปไม่ได้ที่จะแก้ไขเฉพาะข้อบกพร่องแบบลัดวงจรหรือวงจรเปิดเพียงจุดเดียว และจำเป็นต้องทำการแก้ไขงานใหม่กับข้อบกพร่องในการประกอบทั้งหมดของ BGA
b. การทำงานแก้ไขซ้ำดำเนินการได้ยากกว่า QFP ทำให้ต้องมีการลงทุนอุปกรณ์เพิ่มเติม
c. ชิ้นส่วน BGA หลังการซ่อมแซมจะไม่สามารถใช้งานได้อีกต่อไป ในขณะที่ชิ้นส่วน QFP ยังสามารถใช้งานได้

ดังนั้น การผลิตแพ็กเกจ BGA ในปริมาณมากจึงเกิดจากการลดข้อบกพร่องในการประกอบ เพื่อให้มั่นใจในอัตราการผ่านที่สูง

• การทำความสะอาดแพ็กเกจ BGA

ข้อเสียที่เด่นชัดของแพ็กเกจ BGA อยู่ที่ความไม่สามารถในการทำความสะอาดฟลักซ์ที่ตกค้างอยู่ด้านล่างของแพ็กเกจแบบอาเรย์ จนถึงปัจจุบัน ขนาดของชิ้นส่วน BGA ที่มีจำนวนขาพินสูงอยู่ที่ประมาณ 45 มม.² ดังนั้นปัญหาการทำความสะอาดจึงกลายเป็นประเด็นที่สำคัญมาก การทำความสะอาด BGA ต้องให้แน่ใจว่าฟลักซ์และครีมประสานทั้งหมดถูกกำจัดออกอย่างหมดจด เพราะสิ่งเหล่านี้อาจทำให้เกิดความล้มเหลวทางไฟฟ้าหรือการรั่วไหลของสัญญาณลงสู่กราวด์ในงานที่ใช้กำลังไฟสูงได้

แนวโน้มการพัฒนา

สามารถคาดการณ์ได้ว่า PQFP ที่มีจำนวนขาน้อยกว่า 200 จะเป็นเทคโนโลยีบรรจุภัณฑ์หลัก เมื่อจำนวนขาเกิน 350 QFP จะไม่สามารถถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายได้ เทคโนโลยีบรรจุภัณฑ์สองประเภทมีให้เลือกเป็นคู่แข่งสำหรับชิ้นส่วนที่มีขา I/O ตั้งแต่ 200 ถึง 300 ดังนั้น เทคโนโลยีบรรจุภัณฑ์ QFP ที่มีระยะพิทช์น้อยกว่า 0.5 มม. จะถูกแทนที่อย่างแน่นอนด้วยแพ็กเกจแบบ BGA

PCBCart สามารถรองรับความต้องการประกอบแผงวงจรเกือบทุกประเภทได้!

PCBCart มีประสบการณ์ยาวนานกว่าสองทศวรรษในการผลิตและประกอบแผงวงจรที่ออกแบบตามสั่งสำหรับบริษัททุกขนาด เรามีประสบการณ์มากมายในการทำงานร่วมกับ Makers และ OEM ไม่ว่าโครงการประกอบแผงวงจรของคุณจะต้องใช้เทคโนโลยีใด เราสามารถประกอบแผงวงจรของคุณได้อย่างแม่นยำตามที่คุณคาดหวัง คลิกปุ่มด้านล่างเพื่อรับใบเสนอราคาการประกอบวงจรฟรี!

คำขอใบเสนอราคาสำหรับการประกอบแผงวงจรพิมพ์ (PCB)

แหล่งข้อมูลที่เป็นประโยชน์
•ประวัติศาสตร์ของเทคโนโลยีบรรจุภัณฑ์ความหนาแน่นสูง
•แนะนำเทคโนโลยีการบรรจุภัณฑ์ SMT
•บทนำเกี่ยวกับเทคโนโลยีการบรรจุภัณฑ์แบบ BGA
•บทนำโดยย่อเกี่ยวกับประเภทแพ็กเกจ BGA
•ปัจจัยที่มีผลต่อคุณภาพของการประกอบ BGA