การเชื่อมลวดละเอียดสูงและการประกอบโมดูลหลายชิป: สิ่งที่เทคโนโลยีเหล่านี้ช่วยให้เป็นไปได้

การเชื่อมลวดระยะละเอียดคืออะไร และเหตุใดระยะพิทช์จึงมีความสำคัญ?

การเชื่อมต่อด้วยลวด (Wire bonding) เชื่อมต่อแผ่นบอนด์ของไดกับซับสเตรตด้วยลวดเส้นเล็ก กลไกทั่วไปของกระบวนการนั้น รวมถึงเหตุผลที่เส้นผ่านศูนย์กลางของลวดมีความสำคัญ ได้อธิบายไว้ในคู่มือการติดตั้งไดและการเชื่อมลวดสิ่งที่บทความนั้นไม่ได้กล่าวถึงคือระดับเสียงระยะห่างจากกึ่งกลางถึงกึ่งกลางระหว่างแผ่นบอนด์ที่อยู่ติดกัน และเหตุใดการทำให้ระยะนี้เล็กลงจึงเปลี่ยนแปลงความสามารถของการออกแบบได้

กระบวนการเชื่อมลวดมาตรฐานทำงานอยู่ในช่วงระยะห่างระหว่างจุดเชื่อมที่ค่อนข้างสะดวกและเหมาะสมกับการออกแบบส่วนใหญ่ การเชื่อมลวดระยะพิชช์ละเอียด (fine-pitch) หมายถึงกระบวนการที่สามารถรองรับระยะห่างระหว่างแผ่นรองเชื่อม (pad) ที่ถี่กว่ามาก การจะทำเช่นนั้นได้ไม่ใช่แค่เพียงการใช้ลวดที่เล็กลงเท่านั้น แต่ยังขึ้นอยู่กับความแม่นยำของการจัดวางหัวเชื่อม รูปทรงปลายคาปิลลารี และหน้าต่างกระบวนการที่เข้มงวดขึ้นสำหรับอุณหภูมิ แรงกด และพลังงานอัลตราโซนิก เมื่อระยะพิชช์ลดลง ช่วงเผื่อของความคลาดเคลื่อนในการจัดวางตำแหน่งก็ลดลงตามไปด้วย นั่นคือเหตุผลที่ความสามารถในการเชื่อมลวดระยะพิชช์ละเอียดจึงถูกมองว่าเป็นระดับกระบวนการอีกชั้นหนึ่ง แทนที่จะเป็นเพียงส่วนขยายอย่างง่ายของการเชื่อมลวดมาตรฐาน

ผลตอบแทนในทางปฏิบัติคือความหนาแน่นของ I/Oชิปไดที่มีขนาดฐานคงที่สามารถรองรับแผ่นบอนด์ได้มากขึ้น — และด้วยเหตุนี้จึงรองรับการเชื่อมต่อทางไฟฟ้าได้มากขึ้น — หากสามารถจัดวางแผ่นบอนด์เหล่านั้นให้มีระยะห่างที่แน่นขึ้นได้ สำหรับชิปที่จำเป็นต้องส่งสัญญาณ รางจ่ายไฟ หรือกราวด์ออกจากไดให้มากขึ้นโดยไม่เพิ่มขนาดไดเอง การลดระยะพิทช์มักเป็นตัวเลือกเดียวที่สามารถใช้ได้

การออกแบบของคุณจำเป็นต้องมีความหนาแน่นของ I/O ที่สูงขึ้นจริงหรือไม่?

แนวโน้มหลายประการกำลังผลักดันให้การออกแบบจำนวนมากหันไปใช้จำนวนขา I/O ที่สูงขึ้น ภายในพื้นที่หน้าตัดเดิมหรือที่เล็กลง

การบูรณาการเชิงหน้าที่: เซ็นเซอร์ โปรเซสเซอร์ และส่วนประกอบ RF หรือกำลังไฟฟ้ามีความจำเป็นต้องใช้งานร่วมกันในแพ็กเกจเดียวมากขึ้น แทนที่จะถูกแยกออกเป็นแพ็กเกจที่ต่างหาก

ปัจจัยรูปแบบที่จำกัดพื้นที่อุปกรณ์สวมใส่ อุปกรณ์การแพทย์ฝังร่างกาย และโมดูลอุตสาหกรรมแบบกะทัดรัดมีพื้นที่จำกัดสำหรับแพ็กเกจขนาดใหญ่ แม้ในขณะที่ฟังก์ชันการทำงานเพิ่มขึ้น

การแยกสัญญาณและกำลังไฟฟ้าการออกแบบดิจิทัลความเร็วสูงมักต้องการกลุ่มขาเฉพาะสำหรับความสมบูรณ์ของสัญญาณ การกระจายพลังงาน และการต่อลงกราวด์ ซึ่งทำให้จำนวนขาเพิ่มขึ้นโดยไม่ต้องเพิ่มขนาดไดซ์

การกระจายสัญญาณของเซ็นเซอร์และ ATEระบบทดสอบและการวัด รวมถึงอาร์เรย์เซนเซอร์แบบหลายช่องสัญญาณ มักต้องการอินพุต/เอาต์พุตต่อหน่วยพื้นที่มากกว่าชุดลอจิกอเนกประสงค์อย่างมาก

เมื่อความต้องการ I/O ของการออกแบบเติบโตเกินกว่าที่การบอนด์สายลวดแบบระยะพิทช์มาตรฐานหรือแพ็กเกจแบบไดเดียวจะรองรับได้ การตัดสินใจออกแบบขั้นต่อไปมักจะไม่ใช่การ “บอนด์สายลวดให้ชิดกันมากขึ้น” โดยพิจารณาแยกส่วน แต่คือการพิจารณาว่าจำเป็นต้องเปลี่ยนแนวทางการแพ็กเกจทั้งหมดหรือไม่

MCM และการประกอบแบบซ้อนชิป (Stacked-Die) แท้จริงแล้วช่วยให้สามารถทำอะไรได้บ้าง?

การประกอบโมดูลหลายชิป (Multi-chip module: MCM) คือการนำไดสองตัวขึ้นไป — ซึ่งบางครั้งมาจากโหนดกระบวนการที่ต่างกันหรือแม้กระทั่งจากโรงหล่อคนละแห่ง — มาบรรจุรวมอยู่ในแพ็กเกจเดียว โดยเชื่อมต่อกันภายในแพ็กเกจ แทนการเชื่อมต่อผ่านแพ็กเกจแยกบนแผงวงจรพิมพ์ (PCB)การบรรจุชิปแบบซ้อนหลายชั้นยกระดับสิ่งนี้ขึ้นไปอีกขั้นโดยการวางไดแบบตั้งฉาก เชื่อมต่อกันด้วยลวดบอนด์หรืออินเตอร์คอนเน็กต์ประเภทอื่น แทนที่จะวางเรียงกันในแนวนอน

แนวทางเหล่านี้สามารถแก้ปัญหาที่การเชื่อมต่อด้วยลวดระยะพิทช์ละเอียดเพียงอย่างเดียวไม่สามารถทำได้:

ประหยัดพื้นที่การซ้อนหรือจัดวางไดให้กระชับอยู่ในรอยเท้าของแพ็กเกจเดียว ช่วยลดพื้นที่บนบอร์ดเมื่อเทียบกับการติดตั้งแพ็กเกจแยกหลายตัว

การบูรณาการไดแบบไม่เป็นเนื้อเดียวกันการประกอบแบบ MCM ช่วยให้การออกแบบสามารถรวมไดซ์ลอจิก ไดซ์หน่วยความจำ และไดซ์แอนะล็อกหรือ RF ไว้ในแพ็กเกจเดียวกันได้ โดยแต่ละไดซ์ถูกผลิตบนกระบวนการที่เหมาะสมที่สุดกับหน้าที่ของตนเอง แทนที่จะต้องประนีประนอมใช้โหนดกระบวนการเดียวกันสำหรับทั้งการออกแบบ

เส้นทางการเชื่อมต่อที่สั้นกว่าการเชื่อมต่อได-ต่อ-ไดภายในแพ็กเกจมักจะสั้นกว่าลายวงจรระดับบอร์ดที่มีความยาวเทียบเท่ากันระหว่างแพ็กเกจแยกกัน ซึ่งช่วยให้การส่งสัญญาณมีความสมบูรณ์ยิ่งขึ้นและลดพาราซิติกในงานออกแบบความเร็วสูงได้

ลดจำนวนชิ้นส่วนในระดับระบบการรวมฟังก์ชันหลายอย่างไว้ในแพ็กเกจเดียวสามารถทำให้การออกแบบบอร์ดและการประกอบง่ายขึ้นได้ แม้ว่าตัวโมดูลเองจะซับซ้อนขึ้นในการสร้างก็ตาม

สำหรับวิศวกรที่กำลัง评估ว่าการออกแบบจำเป็นต้องใช้ระดับการบรรจุหีบห่อเช่นนี้หรือไม่ คำถามพื้นฐานมักจะอยู่ที่ว่า ความหนาแน่นของ I/O ข้อจำกัดด้านพื้นที่วางชิ้นส่วน หรือความหลากหลายของไดในงานออกแบบ ได้เกินขีดความสามารถที่บรรจุภัณฑ์แบบไดเดี่ยว ระยะพิทช์มาตรฐาน สามารถรองรับได้แล้วหรือไม่

คุณควรพิจารณาข้อแลกเปลี่ยนอะไรบ้างก่อนเลือกเส้นทางนี้?

การประกอบแบบ MCM และการประกอบไดแบบซ้อนด้วยการเชื่อมลวดระยะพิชช์ละเอียดไม่ใช่ตัวเลือกเริ่มต้นโดยอัตโนมัติ — ตัวเลือกเหล่านี้มาพร้อมกับข้อแลกเปลี่ยนที่แท้จริงซึ่งควรถูกนำมาพิจารณาในการตัดสินใจออกแบบ:

ต้นทุนการเชื่อมต่อระยะพิชช์ละเอียดและการประกอบหลายไดต้องการการควบคุมกระบวนการที่เข้มงวดขึ้น อุปกรณ์เฉพาะทาง และมักต้องมีขั้นตอนการตรวจสอบมากขึ้น ซึ่งโดยทั่วไปทำให้ต้นทุนต่อหน่วยสูงกว่าการบรรจุแบบไดเดี่ยวมาตรฐาน

ความซับซ้อนของกระบวนการการจัดการไดหลายตัวในแพ็กเกจเดียวกัน — ซึ่งอาจมีความสูง วัสดุ หรือคุณลักษณะด้านความร้อนที่แตกต่างกัน — ทำให้ต้องเพิ่มขั้นตอนและข้อจำกัดที่กระบวนการแบบไดเดี่ยวไม่มี

ความอ่อนไหวของผลตอบแทนเนื่องจากมีการรวมไดหลายตัวเข้าไว้ในแพ็กเกจเดียวกัน ข้อบกพร่องบนไดเพียงตัวใดตัวหนึ่ง หรือความล้มเหลวของการบอนด์ที่ระยะพิทช์ละเอียด อาจส่งผลกระทบต่อผลผลิตของทั้งโมดูล แทนที่จะกระทบเฉพาะผลผลิตของคอมโพเนนต์ตัวเดียว ผลกระทบเชิงทบต้นนี้เป็นหนึ่งในปัจจัยที่สำคัญที่สุดซึ่งควรถูกนำมาสร้างแบบจำลองตั้งแต่ระยะแรกของการวางแผนต้นทุนและความน่าเชื่อถือของการออกแบบ

การแลกเปลี่ยนเหล่านี้ไม่ได้เป็นข้อโต้แย้งคัดค้านการบรรจุภัณฑ์ระดับไดขั้นสูง แต่เป็นข้อโต้แย้งให้ประเมินมันอย่างรอบคอบ โดยมีความเข้าใจอย่างชัดเจนว่าการออกแบบต้องการอะไรจริง ๆ เมื่อเทียบกับสิ่งที่สามารถได้รับจากการบรรจุภัณฑ์ที่เรียบง่ายกว่า

หากโครงการของคุณเกี่ยวข้องกับการตัดสินใจบรรจุภัณฑ์ในระดับไดขั้นสูง ทีมวิศวกรรมของ PCBCart สามารถช่วยคุณพิจารณาและวิเคราะห์ข้อแลกเปลี่ยนที่เกี่ยวข้องกับการออกแบบของคุณ ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของความสามารถที่เรากำลังพัฒนาในด้าน COB และการประกอบในระดับได[เรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับบริการประกอบ PCB ของเรา →]

แหล่งข้อมูลที่เป็นประโยชน์
•แนวปฏิบัติที่ดีที่สุดสำหรับการประกอบ SMT ระยะพิชช์ละเอียดและ BGA
•ภาพรวมการประกอบแผงวงจรพิมพ์ (PCB)
•อุปกรณ์การประกอบ
•อภิธานศัพท์