ประวัติศาสตร์ของเทคโนโลยีบรรจุภัณฑ์ความหนาแน่นสูง

ตั้งแต่ช่วงต้นทศวรรษ 1990 ผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์ได้พัฒนาไปสู่ความสามารถในการพกพา การมีขนาดเล็กลง การเชื่อมต่อเครือข่าย และมัลติมีเดีย ซึ่งทั้งหมดนี้ยังได้นำเสนอข้อกำหนดที่เกี่ยวข้องต่อการประกอบอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เทคโนโลยี
• การปรับปรุงปริมาณสารสนเทศต่อหน่วยปริมาตร กล่าวคือ มีความหนาแน่นสูง;
• การปรับปรุงความเร็วในการประมวลผลต่อหน่วยเวลา กล่าวคือ ความเร็วที่สูงขึ้น

เพื่อให้เป็นไปตามข้อกำหนดข้างต้น จำเป็นต้องปรับปรุงความหนาแน่นของฟังก์ชันในการประกอบวงจร ซึ่งกลายเป็นปัจจัยสำคัญที่ผลักดันให้เทคโนโลยีการบรรจุหีบห่อของชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ก้าวหน้าไปอีกขั้น

เมื่อขนาดแพ็กเกจหดเล็กลง ประสิทธิภาพการเชื่อมต่อร่วมกันก็จะเพิ่มสูงขึ้น ประสิทธิภาพการเชื่อมต่อหมายถึงอัตราส่วนระหว่างขนาดสูงสุดของชิปกับขนาดของแพ็กเกจ ในช่วงต้นทศวรรษ 1990 ประสิทธิภาพการเชื่อมต่อของ PQFP (plastic quad flat package) สูงสุดได้เพียง 0.3 จากนั้นอัตราการเชื่อมต่อของ CSP (chip scale package) สูงได้ถึง 0.8 ถึง 0.9 จนถึงปัจจุบัน อัตราการเชื่อมต่อของแพ็กเกจรุ่นล่าสุดสูงกว่าของ COB (chip on board) ซึ่งเทียบเท่ากับของแพ็กเกจ FC (flip chip)

ในอนาคต เทคโนโลยีบรรจุภัณฑ์จะพัฒนาไปในทิศทางต่อไปนี้:
• CSP บางส่วนจะถูกทำให้เป็นมาตรฐานและผลิตในระดับอุตสาหกรรม;
• อุตสาหกรรม CSP จะถูกจัดตั้งขึ้นพร้อมกับการก่อตั้งอุตสาหกรรมพื้นฐานบางส่วนที่เกี่ยวข้องกับวัสดุ การประกอบ การทดสอบ และการประกอบบนบอร์ด เป็นต้น;
• เทคโนโลยีแพ็กเกจ FC และอุตสาหกรรมพื้นฐานที่เกี่ยวข้องจะได้รับการพัฒนาต่อไป
• WLCSP (wafer level chip scale package) จะได้รับการพัฒนาควบคู่ไปกับการเติบโตของอุตสาหกรรมที่เกี่ยวข้อง

ขาเชื่อมที่ยืดจากรอบนอกเข้าสู่แถว

ตลอดหลายทศวรรษที่ผ่านมา เทคโนโลยีบรรจุภัณฑ์ของชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ได้พัฒนาอย่างต่อเนื่องให้สอดคล้องกับความก้าวหน้าของวงจรรวม (ICs – integrated circuits) วงจรรวมแต่ละยุคสมัยล้วนต้องการเทคโนโลยีบรรจุภัณฑ์ที่เหมาะสมกับยุคนั้น ๆ และความก้าวหน้าของเทคโนโลยีการติดตั้งแบบผิวหน้า (SMT – surface mount technology) ก็ได้ผลักดันให้เทคโนโลยีบรรจุภัณฑ์ของชิ้นส่วนก้าวไปสู่อีกระดับหนึ่ง วงจรรวมขนาดกลางและขนาดเล็กที่ใช้งานกันในช่วงทศวรรษ 1960 และ 1970 พึ่งพาแพ็กเกจแบบ TO (transistor outline) เป็นอย่างมาก จากนั้นจึงมีการพัฒนาแพ็กเกจแบบ DIP (dual in-line package) และ PDIP (plastic dual in-line package) ขึ้นมา ซึ่งต่อมาได้กลายเป็นรูปแบบหลักในช่วงเวลาดังกล่าว

ด้วยการมาถึงของ SMT ในทศวรรษ 1980 แพ็กเกจ IC นิยมใช้ LCC (leadless ceramic carrier), PLCC (plastic leadless ceramic carrier) และ SOP (small outline package) เนื่องจากเข้ากันได้ดีกว่ากับ SMT ที่ต้องการขาแบบสั้นหรือไม่มีขาเลย จากนั้น QFP (quad flat package) หลังจากผ่านการวิจัยและพัฒนามาหลายทศวรรษ ไม่เพียงแต่แก้ปัญหาด้านแพ็กเกจที่มีอยู่ในแพ็กเกจ LSI เท่านั้น แต่ยังสามารถประกอบร่วมกับ SMT บน PCB (printed circuit board) ได้อย่างราบรื่น คุณสมบัติทั้งหมดที่กล่าวมาข้างต้นเกี่ยวกับ QFP ทำให้มันโดดเด่นในผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ใช้ SMT ซึ่งยังคงเป็นความจริงมาจนถึงทุกวันนี้ ขาของ QFP มีลักษณะคล้ายปีกนก (gull wing) ทั้งสี่ด้าน มีจำนวนขา I/O มากกว่า SOP ที่มีขาแบบ gull-wing เพียงสองด้าน เพื่อให้สอดคล้องกับความก้าวหน้าต่อไปของความหนาแน่นในการประกอบอิเล็กทรอนิกส์ ระยะห่างขาของ QFP ได้พัฒนาจาก 1.27 มม. เหลือ 0.3 มม. ซึ่งยิ่งช่วยเพิ่มจำนวนขา I/O และลดปริมาตรแพ็กเกจอย่างต่อเนื่อง ผลที่ตามมาคือเกิดความยากลำบากมากขึ้นในการประกอบอิเล็กทรอนิกส์ ทำให้อัตราการผ่านลดลงและต้นทุนการประกอบเพิ่มขึ้น นอกจากนี้ เนื่องจากข้อจำกัดของเทคโนโลยีการผลิตในด้านความแม่นยำของการผลิตโครงขา (lead frame) ระยะห่างขา 0.3 มม. จึงกลายเป็นขีดจำกัดสำหรับ QFP ซึ่งทำให้ความหนาแน่นในการประกอบไม่สามารถเพิ่มขึ้นได้อย่างมาก ดังนั้นจึงคาดการณ์ได้ว่าความก้าวหน้าของ QFP ได้มาถึงจุดสิ้นสุดแล้ว ด้วยเหตุนี้ ผู้คนจึงเริ่มมองหาแพ็กเกจประเภทอื่น เช่น BGA (ball grid array) ขา I/O ของแพ็กเกจ BGA จะถูกจัดเรียงเป็นตารางอยู่ใต้แพ็กเกจในรูปของบอลหรือคอลัมน์ นอกจากนี้ แพ็กเกจ BGA ยังมีจุดเด่นที่ระยะห่างขามากและขาสั้น ซึ่งเป็นประโยชน์ต่อการแก้ปัญหาความไม่ระนาบและการโก่งตัวที่เกิดจากขาในชิ้นส่วนแบบระยะพิทช์ละเอียด ข้อดีของเทคโนโลยี BGA อยู่ที่ความสามารถในการเพิ่มจำนวนขา I/O และระยะห่าง ซึ่งช่วยแก้ปัญหาต้นทุนสูงและความน่าเชื่อถือต่ำที่เกิดจากจำนวนขา I/O สูงในเทคโนโลยี QFP ได้อย่างมีประสิทธิภาพ

การถือกำเนิดของ BGA สามารถถือได้ว่าเป็นความก้าวหน้าครั้งสำคัญของเทคโนโลยีการบรรจุหีบห่อ เนื่องจากไม่เพียงแต่สามารถรองรับขา I/O ได้มากขึ้นเท่านั้น แต่ยังสามารถออกแบบให้เป็นแบบสองชั้นหรือหลายชั้นเพื่อให้สอดคล้องกับฟังก์ชันของ IC ได้อีกด้วย ผลลัพธ์คือสามารถทำให้ค่าความต้านทานได้รับการปรับให้เหมาะสม วางชิปสองตัวหรือมากกว่าบนแผ่นฐานเดียวกันเพื่อเชื่อมต่อถึงกัน แล้วบรรจุในเปลือกเดียวกัน ซึ่งเรียกว่า MCM (multiple chip module) หากใช้เทคโนโลยี FC การใช้ลวดโลหะในการเชื่อมต่อจะไม่จำเป็น ดังนั้นจึงเป็นประโยชน์ต่อการเร่งความเร็วการทำงานของ IC และลดระดับความซับซ้อนรวมถึงการใช้พลังงาน

การพัฒนา BGA

BGA เป็นแพ็กเกจแบบ array บนพื้นผิวชนิดหนึ่งที่ทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพสำหรับ SMT การวิจัยเกี่ยวกับ BGA เริ่มขึ้นในทศวรรษ 1960 ในขณะที่การประยุกต์ใช้ในทางปฏิบัติเกิดขึ้นหลังปี 1989 นับตั้งแต่แพ็กเกจพลาสติกถูกพัฒนาโดย Motorola และ Citizen ในปี 1989 การพัฒนาและการประยุกต์ใช้ BGA ก็ได้รับการส่งเสริมอย่างมาก ในปี 1991 PBGA (plastic ball grid array) ได้รับการพัฒนาด้วยการใช้แผ่นรองเรซิน ซึ่งทำงานได้ดีในเครื่องส่งรับวิทยุและคอมพิวเตอร์ ในปี 1993 PBGA เริ่มถูกนำออกสู่ตลาด พร้อมสำหรับการใช้งานจริง ตั้งแต่ปี 1995 เป็นต้นมา แพ็กเกจ BGA ก็เริ่มถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลาย จนถึงปัจจุบัน คอมโพเนนต์ PBGA ถูกนำมาใช้เป็นหลักในผลิตภัณฑ์โทรคมนาคม อุปกรณ์สื่อสารทางไกล ระบบคอมพิวเตอร์ และเวิร์กสเตชัน

ท่ามกลางข้อดีทั้งหมดของแพ็กเกจ BGA ข้อสำคัญอยู่ที่การประยุกต์ใช้การจัดเรียงบัมพ์บัดกรีแบบเมทริกซ์ ทำให้มีระยะห่างระหว่างขาพินค่อนข้างมาก ซึ่งช่วยเพิ่มประสิทธิภาพในการประกอบได้อย่างมาก ดังนั้น แพ็กเกจ BGA จึงสามารถพัฒนาและนำมาใช้งานได้ อย่างไรก็ตาม PBGA ก็มีปัญหาบางประการเช่นกัน ตัวอย่างเช่น แพ็กเกจพลาสติกมีแนวโน้มที่จะดูดซับความชื้น แผ่นฐานมีแนวโน้มที่จะโก่งงอ และชิ้นส่วน BGA ทุกประเภทตรวจสอบและซ่อมแซมหลังการบัดกรีได้ยาก ปัญหาทั้งหมดที่กล่าวมานี้ทำให้แพ็กเกจ BGA ต้องเผชิญกับความท้าทายด้านความน่าเชื่อถือเมื่อถูกนำไปใช้ในสภาพแวดล้อมที่รุนแรง อย่างไรก็ตาม ปัญหาเหล่านี้ได้รับการแก้ไขไปในระดับหนึ่งแล้ว ตัวอย่างเช่น CBGA (ceramic ball grid array) ช่วยแก้ปัญหาการดูดซับความชื้น TBGA (tape ball grid array) ก็สามารถแก้ปัญหาการดูดซับความชื้นได้เช่นกัน และยังถือเป็นแพ็กเกจต้นทุนต่ำที่รองรับจำนวนขา I/O ได้มากและมีประสิทธิภาพสูง เมื่อมีการพัฒนาชิ้นส่วน BGA หลายประเภทพร้อมทั้งเอาชนะปัญหาทางเทคนิคต่าง ๆ แล้ว BGA จึงเริ่มถูกนำมาใช้อย่างแพร่หลายตั้งแต่ปี ค.ศ. 1998 เป็นต้นมา QFP จะถูกเลือกใช้เป็นอันดับแรกสำหรับงานที่มีจำนวนขา I/O น้อยกว่า 200 ขา ในขณะที่ BGA จะถูกเลือกใช้เป็นอันดับแรกสำหรับงานที่มีจำนวนขา I/O มากกว่า 200 ขา

การเชื่อมต่อ BGA และ FC

การเชื่อมต่อแพ็กเกจ BGA และเทคโนโลยี FC นำมาซึ่งข้อดีดังต่อไปนี้:
• หมายเลขขา I/O อาจมีจำนวนสูงมาก (1,000 ถึง 2,000) และ MCM ขั้นสูงต้องการใช้ขา I/O จำนวนมาก;
• สามารถลดพารามิเตอร์ไฟฟ้าพาราซิติก และลดอิมพีแดนซ์และครอสทอล์กได้ 5 ถึง 10 เท่า;
• สามารถย่นระยะเวลาในการบัดกรีลวดโลหะได้
• ประสิทธิภาพการกระจายความร้อนที่สูงขึ้น;
• ขนาดเล็กลง

CSP

แม้ว่าความรุ่งเรืองและการพัฒนาของ BGA จะสามารถแก้ไขปัญหาต่าง ๆ ที่ QFP ต้องเผชิญได้สำเร็จ แต่แพ็กเกจ BGA ก็ยังไม่สามารถตอบสนองความต้องการของผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์ในด้านการมีขนาดเล็กลง การมีฟังก์ชันหลากหลายมากขึ้น หรือความเชื่อถือได้ที่สูงขึ้นได้อย่างครบถ้วน และยังไม่สามารถตอบสนองความต้องการในการเพิ่มประสิทธิภาพของการบรรจุภัณฑ์หรือการบรรลุอัตราการส่งสัญญาณโดยเนื้อแท้ได้ ดังนั้น CSP จึงได้ก้าวขึ้นมามีบทบาท

ด้วยโครงสร้างที่เทียบเท่ากับ BGA ความแตกต่างระหว่าง CSP และ BGA อยู่ที่เส้นผ่านศูนย์กลางของลูกบอลประสานที่เล็กกว่า ระยะพิชช์ที่ถี่กว่า และความบางกว่า ทำให้สามารถมีขา I/O ได้มากขึ้นภายในพื้นที่บรรจุภัณฑ์ขนาดเท่ากัน กล่าวคือ ความหนาแน่นของการประกอบเพิ่มขึ้น กล่าวอีกนัยหนึ่ง CSP คือเวอร์ชันขนาดเล็กของ BGA

จนถึงปัจจุบัน CSP ที่แพร่หลายที่สุดคือ WLCSP ซึ่งมีข้อดีดังต่อไปนี้: • ทั้งเวเฟอร์และชิ้นส่วน WLCSP สามารถผลิตได้ในสายการผลิตเดียวกันและแผนการผลิตเดียวกัน และสามารถเพิ่มประสิทธิภาพการดำเนินการผลิตได้; • เทคโนโลยีการผลิตซิลิคอนและการทดสอบแพ็กเกจในขั้นตอนหลังสามารถดำเนินการในสถานที่เดียวกัน พร้อมทั้งยกระดับความเป็นอัตโนมัติของการผลิตเวเฟอร์ให้สูงขึ้น; • สามารถลดต้นทุนการทดสอบและต้นทุนการลงทุนได้; • สามารถเพิ่มประสิทธิภาพงานด้านโลจิสติกส์ได้.

PCBCart สามารถรองรับความต้องการประกอบแผงวงจรเกือบทุกประเภทได้!

PCBCart มีประสบการณ์ยาวนานกว่าสองทศวรรษในการผลิตและประกอบแผงวงจรที่ออกแบบตามสั่งสำหรับบริษัททุกขนาด เรามีประสบการณ์อย่างมากในการทำงานร่วมกับ Makers และ OEM ไม่ว่าโครงการประกอบแผงวงจรของคุณจะต้องใช้เทคโนโลยีใด เราสามารถประกอบแผงวงจรของคุณได้อย่างแม่นยำตามที่คุณคาดหวัง คลิกปุ่มด้านล่างเพื่อรับใบเสนอราคาการประกอบวงจรฟรี!

คำขอใบเสนอราคาสำหรับการประกอบแผงวงจรพิมพ์ (PCB)

แหล่งข้อมูลที่เป็นประโยชน์
•แนะนำเทคโนโลยีการบรรจุภัณฑ์ SMT
•บทนำเกี่ยวกับเทคโนโลยีการบรรจุภัณฑ์แบบ BGA
•บทนำโดยย่อเกี่ยวกับประเภทแพ็กเกจ BGA
•ปัจจัยที่มีผลต่อคุณภาพของการประกอบ BGA
•การเปรียบเทียบระหว่าง QFP ระยะพิชช์ละเอียดพิเศษกับ BGA และแนวโน้มการพัฒนา