กระบวนการและวัสดุบรรจุภัณฑ์ชิปเซมิคอนดักเตอร์: ทุกสิ่งที่คุณจำเป็นต้องรู้

การบรรจุชิปเซมิคอนดักเตอร์ เป็นขั้นตอนสุดท้ายและสำคัญที่สุดในห่วงโซ่การผลิตเซมิคอนดักเตอร์ โดยแม่พิมพ์ซิลิคอนที่ผลิตขึ้นจะถูกแปลงเป็นส่วนประกอบที่ใช้งานได้สำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์.

แม้ว่าวงจรรวมเองอาจประกอบด้วยทรานซิสเตอร์หลายพันล้านตัว แต่มันไม่สามารถทำงานในระบบได้หากไม่มีบรรจุภัณฑ์ที่เหมาะสม บรรจุภัณฑ์ให้การป้องกันทางกล การเชื่อมต่อทางไฟฟ้า การระบายความร้อน และการป้องกันสิ่งแวดล้อม ประสิทธิภาพ ความน่าเชื่อถือ และแม้แต่ต้นทุนของผลิตภัณฑ์เซมิคอนดักเตอร์นั้นขึ้นอยู่กับวิธีการบรรจุภัณฑ์เป็นอย่างมาก.

จากมุมมองด้านมาตรวิทยา การบรรจุชิปจำเป็นต้องมีการตรวจสอบขนาดที่แม่นยำในทุกขั้นตอน การเปลี่ยนแปลงเพียงเล็กน้อยในการจัดวางแผ่นยึด ความหนาของวัสดุพิมพ์ หรือความสูงของการบัดกรี อาจนำไปสู่ความล้มเหลวในการเชื่อมต่อหรืออายุการใช้งานของอุปกรณ์สั้นลง.

กระบวนการบรรจุภัณฑ์

กระบวนการบรรจุชิปเกี่ยวข้องกับขั้นตอนที่เชื่อมโยงกันหลายขั้นตอน โดยแต่ละขั้นตอนต้องอาศัยความแม่นยำและการติดตามกระบวนการอย่างเคร่งครัด.

1. การเตรียมเวเฟอร์และการหั่นเต๋า

เมื่อผลิตเวเฟอร์แล้ว เวเฟอร์จะถูกหั่นเป็นชิ้นเล็กๆ แต่ละชิ้น การตัดแบบสมัยใหม่ใช้การตัดแบบเลเซอร์แบบซ่อนตัวและการตัดแบบพลาสมา นอกเหนือจากการตัดแบบใบมีดแบบดั้งเดิม ระบบมาตรวิทยาจะตรวจสอบความกว้างของรอยตัด การบิ่น และความสม่ำเสมอของขนาดแม่พิมพ์ เพื่อให้แน่ใจว่าแม่พิมพ์ทุกชิ้นเป็นไปตามมาตรฐานด้านมิติ ตัวอย่างเช่น ในอุปกรณ์ MEMS การตัดเกินขนาดเพียง 2-3 ไมโครเมตรก็อาจทำให้อุปกรณ์ไม่สามารถใช้งานได้.

2. ไดอะแอ็ค

แม่พิมพ์แต่ละชิ้นต้องยึดติดกับโครงนำหรือวัสดุรองรับ วิธีนี้ทำได้โดยใช้กาวอีพอกซี การยึดติดแบบยูเทคติก หรือวิธีการยึดติดแม่พิมพ์แบบบัดกรี ต้องตรวจสอบความเรียบและความสม่ำเสมอของความหนาของชั้นยึดติด ระบบการวัดแบบไม่สัมผัสจะประเมินความเอียงของแม่พิมพ์และความหนาของเส้นยึดติด เนื่องจากปัจจัยเหล่านี้ส่งผลโดยตรงต่อการกระจายความร้อนและความน่าเชื่อถือ.

3. การเชื่อมต่อ – การเชื่อมด้วยลวดและฟลิปชิป

การเชื่อมต่อเชื่อมโยงแผ่นไดกับวงจรภายนอก.

• การยึดลวด ใช้ลวดทอง ทองแดง หรืออลูมิเนียมที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางเล็กถึง 15 ไมโครเมตร ความสูงของห่วงลวดและการวางพันธะต้องอาศัยการตรวจสอบทางมาตรวิทยาที่แม่นยำ.

• การเชื่อมแบบฟลิปชิปเกี่ยวข้องกับการบัดกรีแบบบัมพ์ที่สะสมบนไดย์ ซึ่งจะถูกกลับด้านและเชื่อมต่อโดยตรงกับซับสเตรต ในกรณีนี้ จำเป็นต้องควบคุมความสม่ำเสมอของบัมพ์ เส้นผ่านศูนย์กลาง และความสูงให้อยู่ในระดับเดียวกันอย่างเคร่งครัด การเบี่ยงเบนเพียงไม่กี่ไมครอนก็สามารถสร้างวงจรเปิดได้.

4. การหุ้มและการขึ้นรูป

แม่พิมพ์และลวดถูกหุ้มด้วยสารประกอบอีพอกซีเพื่อป้องกันจากความเครียดจากสภาพแวดล้อม พารามิเตอร์ต่างๆ เช่น ความหนาของการหุ้ม การตรวจจับช่องว่าง และการกระจายตัวของสารตัวเติม มีความสำคัญอย่างยิ่ง ยกตัวอย่างเช่น ในงานอิเล็กทรอนิกส์ยานยนต์ ความชื้นที่ซึมเข้ามาอาจทำให้เกิดการหลุดลอก ซึ่งนำไปสู่ความล้มเหลวของระบบ ระบบมาตรวิทยาพิกัดแสงช่วยตรวจสอบโปรไฟล์ที่ถูกหุ้มโดยไม่ทำให้บรรจุภัณฑ์เสียหาย.

5. การชุบและการตกแต่งพื้นผิว

ตะกั่วและหน้าสัมผัสถูกชุบด้วย NiPdAu, NiAu หรือ Ag เพื่อป้องกันการเกิดออกซิเดชันและเพื่อให้มั่นใจว่าสามารถบัดกรีได้ จำเป็นต้องมีการตรวจสอบความหยาบของพื้นผิว ความหนาของการชุบ และการยึดเกาะของสารเคลือบ เครื่องมือวัดความแม่นยำจะวัดความสม่ำเสมอของการชุบได้ละเอียดถึงระดับต่ำกว่าไมครอน เนื่องจากการชุบที่ไม่สม่ำเสมออาจทำให้เกิดการเชื่อมประสานระหว่างการรีโฟลว์.

6. การทดสอบและการเบิร์นอิน

ก่อนการจัดส่ง ชิปจะต้องผ่านการทดสอบการทำงานและการทดสอบความเค้นที่อุณหภูมิสูง ขั้นตอนนี้ไม่เพียงแต่ตรวจสอบความสมบูรณ์ทางไฟฟ้าเท่านั้น แต่ยังรวมถึงความทนทานของบรรจุภัณฑ์ด้วย ระบบวัดด้วยแสงและภาพสามมิติถูกนำมาใช้เพื่อตรวจจับการบิดงอ ระนาบของบรรจุภัณฑ์ และการโค้งงอของวัสดุพิมพ์ ซึ่งอาจส่งผลกระทบต่อการประกอบบนแผงวงจรพิมพ์.

วัสดุบรรจุภัณฑ์

วัสดุบรรจุภัณฑ์จะถูกเลือกตามประสิทธิภาพทางไฟฟ้า ความร้อน และเชิงกล.

1. วัสดุพื้นผิว

วัสดุรองรับทำหน้าที่เดินสายไฟฟ้าและรองรับเชิงกล วัสดุทั่วไปประกอบด้วย:

• เรซิน BT และลามิเนต FR-4 – วัสดุอินทรีย์ต้นทุนต่ำที่ใช้ในไอซีหลัก.
• เซรามิกส์ (อะลูมินา, อะลูมิเนียมไนไตรด์) – ใช้ในอุปกรณ์ความถี่สูงหรือกำลังไฟฟ้าสูงเนื่องจากมีคุณสมบัตินำความร้อนได้ดีเยี่ยม.
• อินเตอร์โพเซอร์ซิลิกอน – เปิดใช้งานการบรรจุภัณฑ์ 2.5D และ 3D ขั้นสูง.

2. วัสดุยึดติด

• ลวดเชื่อมลวด: ลวดทองคำมีความน่าเชื่อถือแต่มีราคาแพง ในขณะที่ลวดทองแดงได้รับความนิยมมากขึ้นเนื่องจากมีต้นทุนต่ำกว่าและมีประสิทธิภาพทางไฟฟ้าที่ดีกว่า.
• การบัดกรีแบบกระแทก: โลหะผสม Sn-Ag-Cu ปลอดสารตะกั่วได้รับความนิยมสูงสุดเนื่องจากเป็นไปตามข้อกำหนด RoHS ความสม่ำเสมอของความสูงและเส้นผ่านศูนย์กลางของโลหะผสมเหล่านี้มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อผลผลิตฟลิปชิป.
• กาว: อีพ็อกซี่และแป้งผสมเงินช่วยให้ยึดแม่พิมพ์ได้อย่างน่าเชื่อถือและมีคุณสมบัตินำความร้อนได้ดี.

3. สารประกอบแบบห่อหุ้ม

สารประกอบอีพอกซีสำหรับขึ้นรูปที่เติมอนุภาคซิลิกาจะช่วยเพิ่มความแข็งแรงและลดแรงเค้น สารประกอบเหล่านี้ต้องสมดุลระหว่างความต้านทานความชื้นและสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อน (CTE) เพื่อป้องกันการแยกชั้น.

4. วัสดุกรอบตะกั่ว

ทองแดงและโลหะผสม 42 ถูกใช้กันอย่างแพร่หลาย พื้นผิวได้รับการชุบด้วย NiPdAu หรือ Ag เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพในการบัดกรี การวัดความหนาของการชุบช่วยให้มั่นใจได้ถึงความน่าเชื่อถือในการสัมผัสในระยะยาว.

5. วัสดุการจัดการความร้อน

วัสดุเชื่อมต่อทางความร้อน (TIM) เช่น จาระบี เจล และสารเปลี่ยนสถานะ ถูกนำมาใช้เพื่อระบายความร้อน ในอุปกรณ์ไฟฟ้า จะใช้แผ่นกระจายความร้อนที่ทำจากทองแดงหรือฝาอะลูมิเนียม.

6. วัสดุชุบและเคลือบผิว

การเคลือบทอง นิกเกิล แพลเลเดียม และเงิน ช่วยให้ทนทานต่อการเกิดออกซิเดชัน ENIG (Electroless Nickel Immersion Gold) เป็นการเคลือบพื้นผิวทั่วไป การตรวจสอบความหนาที่แม่นยำช่วยป้องกันการสึกหรอก่อนเวลาอันควร.

ประเภทบรรจุภัณฑ์ (การใช้งานและปัจจัยรูปแบบ)

แพ็คเกจชิปจะแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับความต้องการด้านประสิทธิภาพและต้นทุน:

• DIP (แพ็คเกจคู่อินไลน์): แพ็คเกจแบบเจาะรูเก่า ล้าสมัยไปแล้ว.

• QFP (แพ็คเกจ Quad Flat): ใช้ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เพื่อการบริโภค ต้องมีการตรวจสอบความเหมือนกัน.

• BGA (บอลกริดอาร์เรย์): การเชื่อมต่อความหนาแน่นสูงด้วยลูกบัดกรีด้านล่าง มักพบในไมโครโปรเซสเซอร์.

• CSP (แพ็คเกจชิปสเกล): กะทัดรัดมาก ขนาดใกล้เคียงกับขนาดจริง.

• WLP (แพ็คเกจระดับเวเฟอร์): การบรรจุภัณฑ์ที่ทำในระดับเวเฟอร์ ลดต้นทุนและเพิ่มประสิทธิภาพ.

• แพ็กเกจ Fan-Out: อนุญาตให้มีความหนาแน่น I/O ที่สูงขึ้นสำหรับอุปกรณ์เคลื่อนที่และโปรเซสเซอร์ขั้นสูง.

บรรจุภัณฑ์แต่ละประเภทต้องการวิธีการตรวจสอบมาตรวิทยาที่แตกต่างกัน ตัวอย่างเช่น BGA ต้องใช้การตรวจสอบลูกบัดกรีแบบ 3 มิติ ในขณะที่ WLP ต้องใช้การแมปความเรียบและความหนาในระดับเวเฟอร์.

ความท้าทายและแนวโน้มของอุตสาหกรรม

อุตสาหกรรมบรรจุภัณฑ์เซมิคอนดักเตอร์ต้องเผชิญกับความท้าทายหลายประการ:

• การทำให้เล็กลง: อุปกรณ์ที่มีขนาดเล็กลงเรื่อยๆ จำเป็นต้องมีความแม่นยำในระดับต่ำกว่าไมครอนในการเชื่อมต่อและการทำงานร่วมกัน.

• การจัดการความร้อน: ชิปประสิทธิภาพสูงก่อให้เกิดความร้อนมากขึ้น จึงต้องใช้วัสดุใหม่ๆ เช่น เซรามิก AlN และ TIM ที่ใช้กราฟีน.

• มาตรฐานความน่าเชื่อถือ: การปฏิบัติตามมาตรฐาน JEDEC และ MIL-STD ต้องมีการทดสอบความเครียดและการวิเคราะห์ความล้มเหลวที่แม่นยำ.

• ข้อบังคับด้านสิ่งแวดล้อม: บรรจุภัณฑ์ปลอดสารตะกั่วผลักดันให้ผู้ผลิตนำโลหะผสมและกาวชนิดใหม่มาใช้.

• การบูรณาการมาตรวิทยา: การวัดด้วยภาพแบบอินไลน์ช่วยให้ควบคุมกระบวนการได้ ลดการทำงานซ้ำและการสูญเสียผลผลิต.

แนวโน้มในอนาคตของบรรจุภัณฑ์เซมิคอนดักเตอร์

อนาคตอยู่ที่การบูรณาการขั้นสูง:

• บรรจุภัณฑ์ IC 2.5D และ 3D: การซ้อนแม่พิมพ์ในแนวตั้งหรือใช้ตัวแทรกเพื่อความหนาแน่นที่สูงขึ้น.

• การบูรณาการที่ไม่เป็นเนื้อเดียวกัน: การรวมลอจิก หน่วยความจำ RF และอนาล็อกไว้ในแพ็คเกจเดียว.

• บรรจุภัณฑ์ระดับเวเฟอร์แบบพัดออก: มีความสำคัญสำหรับโปรเซสเซอร์มือถือและอุปกรณ์ 5G.

• วัสดุขั้นสูง: นาโนซิลเวอร์เพสต์สำหรับการติดได, TIM กราฟีน และโพลิเมอร์ CTE ต่ำ.

• AI ในการวัดบรรจุภัณฑ์: การตรวจจับข้อบกพร่องอัตโนมัติโดยใช้การเรียนรู้ของเครื่องจักรช่วยเพิ่มความเร็วและความแม่นยำในการผลิตปริมาณมาก.

มุมมอง: พันธมิตรระบบไมโครมาตรวิทยาของคุณ

ไม่ว่างานของคุณจะรวมถึงการผลิตเวเฟอร์และ MEMS การทดสอบชิป การประกอบและบรรจุภัณฑ์ (IDM, OSAT และบรรจุภัณฑ์ระดับเวเฟอร์แบบพัดลม) หน้ากากภาพ การเชื่อมลวด PCB ไดรฟ์ฮาร์ดดิสก์ อุปกรณ์เคลื่อนที่ ระบบส่งยา (แบบฝัง ฝังผ่านผิวหนัง ฝังในผิวหนัง) หรือแอปพลิเคชัน 2 มิติแบบไม่ต้องสัมผัสประเภทอื่นๆ VIEW นำเสนอระบบไมโครเมโทรโลยี ที่ออกแบบมาเพื่อวัดส่วนประกอบที่มีค่าความคลาดเคลื่อนต่ำเป็นพิเศษได้อย่างรวดเร็ว แม่นยำ และสอดคล้องกับกระบวนการผลิต ระบบของเรามีการวัดแบบไร้สัมผัสและมีความละเอียดสูง ช่วยให้มั่นใจได้ถึงความแม่นยำในการบรรจุในทุกขั้นตอน.

บทสรุป

การบรรจุชิปเซมิคอนดักเตอร์เป็นมากกว่าแค่ปลอกหุ้มป้องกัน มันคือกระบวนการทางวิศวกรรมขั้นสูงที่กำหนดความน่าเชื่อถือ ประสิทธิภาพ และอายุการใช้งานของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ ตั้งแต่การตัดแผ่นเวเฟอร์ไปจนถึงการห่อหุ้มขั้นสุดท้าย แต่ละขั้นตอนขึ้นอยู่กับวัสดุที่แม่นยำ กระบวนการควบคุม และการตรวจสอบขั้นสูง.

เลือก VIEW ไมโครมาตรวิทยา เป็นพันธมิตรที่เชื่อถือได้ของคุณสำหรับการวัดค่าความคลาดเคลื่อนที่เข้มงวดเป็นพิเศษในการบรรจุภัณฑ์เซมิคอนดักเตอร์.