แพ็คเกจฟลิปชิป: โครงสร้าง กระบวนการ และข้อพิจารณาทางวิศวกรรม

1. แพ็คเกจฟลิปชิปคืออะไร?

แพ็คเกจฟลิปชิปเป็นเทคโนโลยีการเชื่อมต่อระดับได (die-level interconnection) โดยติดตั้งไดเซมิคอนดักเตอร์คว่ำหน้าลง โดยให้พื้นผิวที่ใช้งานได้หันเข้าหาซับสเตรต แตกต่างจากการเชื่อมต่อด้วยลวด (wire bonding) ซึ่งส่งสัญญาณจากขอบของได การเชื่อมต่อฟลิปชิปใช้บัมพ์บัดกรีหรือไมโครบัมพ์ที่ฝากไว้โดยตรงบนแผ่น I/O

ปุ่มนูนเหล่านี้ทำหน้าที่เชื่อมต่อทางไฟฟ้าและทางกลระหว่างชิปกับแผ่นรองรับหรือแผงวงจรพิมพ์ (PCB) สถาปัตยกรรมแบบเชื่อมต่อโดยตรงระหว่างปุ่มนูนกับแผ่นรองรับนี้ ช่วยลดระยะทางของสัญญาณและขจัดค่าความเหนี่ยวนำแฝงที่เกิดขึ้นในวงจรสายไฟได้อย่างมาก

2. โครงสร้างพื้นฐานของแพ็คเกจฟลิปชิป

แผ่นซิลิคอนและแผ่น I/O

แผ่นซิลิคอนประกอบด้วยวงจรแอคทีฟทั้งหมด โดยมีแผ่น I/O ที่ทำจากอะลูมิเนียมหรือทองแดงกระจายอยู่ทั่วพื้นผิวแอคทีฟ ในการออกแบบแบบฟลิปชิป แผ่นเหล่านี้จะไม่จำกัดอยู่เฉพาะบริเวณขอบของแผ่นซิลิคอนเท่านั้น การจัดวางแผ่นแบบอาร์เรย์ช่วยให้สามารถเพิ่มจำนวน I/O ได้อย่างมากภายในพื้นที่แผ่นซิลิคอนเท่าเดิม ซึ่งรองรับความต้องการด้านความหนาแน่นของโปรเซสเซอร์และ ASIC สมัยใหม่ได้โดยตรง

บัดกรีกระแทก

ปุ่มบัดกรี หรือที่รู้จักกันทั่วไปว่า C4 (Controlled Collapse Chip Connection) หรือไมโครบั๊มพ์ ทำหน้าที่ทั้งเป็นตัวนำไฟฟ้าและจุดยึดทางกล ระยะห่างระหว่างปุ่มบัดกรีจะเป็นตัวกำหนดความหนาแน่นของพอร์ตอินพุต/เอาต์พุตที่ทำได้ โดยแพ็คเกจขั้นสูงในปัจจุบันทำงานที่ระยะห่างต่ำกว่า 100 ไมโครเมตร โลหะที่ใช้ทำปุ่มบัดกรีโดยทั่วไปจะเป็นโลหะผสมไร้สารตะกั่ว เช่น SnAgCu ซึ่งได้รับการคัดเลือกเนื่องจากความน่าเชื่อถือและสอดคล้องกับข้อกำหนดด้านสิ่งแวดล้อม

วัสดุรองพื้น

วัสดุ Underfill เป็นวัสดุอีพ็อกซี่ที่ใช้เติมลงในช่องว่างระหว่างชิปและซับสเตรตหลังจากกระบวนการรีโฟลว์ มันช่วยกระจายความเค้นทางความร้อนและเชิงกลไปทั่วทั้งพื้นที่ของชิป แทนที่จะกระจุกตัวอยู่ที่จุดบัดกรีแต่ละจุด หากไม่มี Underfill ความไม่ตรงกันของค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อน (CTE) ระหว่างซิลิคอนและซับสเตรตอินทรีย์จะทำให้เกิดความล้มเหลวจากความล้าของบัดกรีอย่างรวดเร็วภายใต้การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ

ซับสเตรตและการเชื่อมต่อภายนอก

แผ่นรองรับแพ็คเกจทำหน้าที่ในการส่งสัญญาณ กระจายพลังงาน และให้การรองรับทางกล ในการกำหนดค่า FCBGA ลูกบัดกรีที่ด้านล่างของแผ่นรองรับจะเชื่อมต่อกับแผงวงจรพิมพ์ (PCB) ของระบบ วัสดุแผ่นรองรับ เช่น เรซิน BT หรือ ABF (Ajinomoto Build-up Film) จะถูกเลือกโดยพิจารณาจากคุณสมบัติทางไดอิเล็กทริก จำนวนชั้นที่ต้องการ และประสิทธิภาพทางความร้อน

3. แพ็คเกจฟลิปชิปเทียบกับการเชื่อมต่อด้วยสายไฟแบบดั้งเดิม

ความยาวของการเชื่อมต่อและค่าปรสิตทางไฟฟ้า

การเชื่อมต่อด้วยลวดทำให้เกิดวงจรที่มีความยาวระดับมิลลิเมตร ซึ่งส่งผลให้เกิดความเหนี่ยวนำและความต้านทาน ในขณะที่การเชื่อมต่อแบบฟลิปชิปมีความสูงเพียงไม่กี่สิบไมโครเมตร ซึ่งช่วยลดความเหนี่ยวนำลงได้หลายเท่า ความแตกต่างนี้ส่งผลโดยตรงต่อความสมบูรณ์ของสัญญาณที่ความถี่ระดับกิกะเจิง และประสิทธิภาพการจ่ายพลังงานภายใต้โหลดกระแสสูง

ความหนาแน่นของอินพุต/เอาต์พุตและเส้นทางการระบายความร้อน

การเชื่อมต่อด้วยลวดจำกัดการเข้าถึง (I/O) ไว้ที่ขอบของชิป ทำให้การเพิ่มความหนาแน่นทำได้จำกัด ฟลิปชิปช่วยให้ใช้พื้นที่อาร์เรย์ได้อย่างเต็มที่ รองรับการเชื่อมต่อ I/O ได้หลายพันจุด ในด้านความร้อน ด้านหลังของชิปในแพ็คเกจฟลิปชิปสามารถเชื่อมต่อกับแผ่นกระจายความร้อนได้โดยตรง ทำให้เกิดเส้นทางการระบายความร้อนที่มีความต้านทานต่ำ ซึ่งแพ็คเกจแบบเชื่อมต่อด้วยลวดไม่สามารถทำได้โดยไม่เพิ่มความซับซ้อน

ตำแหน่งในฝ่ายคัดเลือกบรรจุภัณฑ์

เทคโนโลยีฟลิปชิปไม่ใช่สิ่งที่จะมาทดแทนการเชื่อมต่อด้วยลวดได้ทั้งหมด มันตอบสนองความต้องการเฉพาะด้าน เช่น จำนวนอินพุต/เอาต์พุตสูง ความสมบูรณ์ของสัญญาณที่เข้มงวด และการระบายความร้อนที่ดี การเชื่อมต่อด้วยลวดยังคงคุ้มค่าสำหรับอุปกรณ์ที่มีความซับซ้อนต่ำกว่า ซึ่งพารามิเตอร์เหล่านี้ไม่สำคัญมากนัก

4. กระบวนการบรรจุภัณฑ์ฟลิปชิป

การก่อตัวของเนิน

การสร้างปุ่มเชื่อมต่อ (bump) เกิดขึ้นที่ระดับเวเฟอร์โดยกระบวนการชุบด้วยไฟฟ้าหรือการระเหย ปุ่มเชื่อมต่อแบบบัดกรี C4 ยังคงเป็นมาตรฐานสำหรับการใช้งานหลายประเภท ในขณะที่ปุ่มเชื่อมต่อแบบเสา Cu ที่มีฝาปิดบัดกรีเหมาะสำหรับความต้องการระยะห่างที่ละเอียดกว่า กระบวนการสร้างปุ่มเชื่อมต่อจะกำหนดขนาดที่สำคัญซึ่งเป็นตัวกำหนดผลผลิตในการประกอบและความน่าเชื่อถือในระยะยาว

การหั่นเวเฟอร์

หลังจากทำการบัมพ์แล้ว แผ่นเวเฟอร์จะถูกแยกออกเป็นชิ้นส่วนแต่ละชิ้น การตัดชิ้นส่วนต้องรักษาความสมบูรณ์ของบัมพ์และหลีกเลี่ยงการบิ่นที่ขอบซึ่งอาจส่งผลต่อความแข็งแรงของชิ้นส่วน การตัดชิ้นส่วนด้วยใบมีดและการตัดชิ้นส่วนด้วยเลเซอร์จะถูกเลือกใช้ตามความหนาของแผ่นเวเฟอร์ รูปแบบของบัมพ์ และข้อกำหนดด้านปริมาณงาน

การวางแม่พิมพ์และการหลอม

พลิกชิปแล้ววางลงบนแผ่นรองรับ โดยให้ปุ่มนูนตรงกับแผ่นรองที่เกี่ยวข้อง ในระหว่างการหลอมละลาย แรงตึงผิวของตะกั่วบัดกรีจะช่วยจัดตำแหน่งเองโดยอัตโนมัติ ชดเชยข้อผิดพลาดเล็กน้อยในการวางตำแหน่ง โปรไฟล์การหลอมละลายต้องรักษาสมดุลระหว่างการเปียกของตะกั่วบัดกรีอย่างสมบูรณ์กับการเติบโตของสารประกอบโลหะระหว่างกันที่มากเกินไป

การจ่ายและการบ่มวัสดุอุดช่องว่าง

วัสดุอุดช่องว่างแบบใช้แรงดึงดูดของเหลวจะถูกจ่ายไปตามขอบแม่พิมพ์และถูกดูดเข้าไปในช่องว่างด้วยแรงดึงดูดของเหลว การเติมให้เต็มโดยไม่มีช่องว่างเป็นสิ่งสำคัญ เพราะฟองอากาศที่ติดอยู่จะกลายเป็นจุดรวมความเค้นและจุดเริ่มต้นของการกัดกร่อน การอบด้วยความร้อนจะเชื่อมโยงโมเลกุลของอีพ็อกซี่ ทำให้ได้คุณสมบัติทางกลขั้นสุดท้าย

การประกอบบรรจุภัณฑ์ขั้นสุดท้าย

สำหรับแพ็คเกจฟลิปชิปแบบ BGA นั้น จะใช้ตะกั่วบัดกรีเชื่อมติดกับด้านล่างของแผ่นรองรับและทำการหลอมใหม่ แพ็คเกจที่ประกอบเสร็จแล้วจะผ่านการทดสอบทางไฟฟ้าและการตรวจสอบด้วยสายตาก่อนจัดส่ง การควบคุมกระบวนการในแต่ละขั้นตอนจะเป็นตัวกำหนดผลผลิตโดยรวมของการประกอบ

5. วัสดุสำคัญในการบรรจุภัณฑ์ฟลิปชิป

โลหะผสมบัดกรี

โลหะบัดกรีไร้สารตะกั่ว โดยเฉพาะอย่างยิ่ง SnAgCu (SAC) ได้กลายเป็นมาตรฐานในอุตสาหกรรม องค์ประกอบของโลหะผสมมีผลต่อจุดหลอมเหลว พฤติกรรมการเปียก และคุณสมบัติทางกล ปริมาณเงินที่สูงขึ้นช่วยเพิ่มความต้านทานต่อความล้า แต่ก็ทำให้ต้นทุนสูงขึ้น การเลือกโลหะผสมจึงต้องสร้างสมดุลระหว่างข้อกำหนดด้านความน่าเชื่อถือกับข้อจำกัดทางเศรษฐกิจ

วัสดุเติมด้านล่าง

สูตรของสารเติมเต็มใต้รอยเชื่อมได้รับการออกแบบมาให้มีค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อน (CTE) ที่ตรงกับระบบบัดกรีและวัสดุรองรับ ขนาดอนุภาคและปริมาณของสารเติมเต็มส่งผลต่อลักษณะการไหลและค่าโมดูลัสสุดท้าย สารเติมเต็มใต้รอยเชื่อมที่สามารถนำกลับมาใช้ใหม่ได้มีอยู่ แต่จะมีประสิทธิภาพด้านความน่าเชื่อถือลดลงเมื่อเทียบกับสูตรมาตรฐาน

วัสดุพื้นผิวและวัสดุ RDL

วัสดุตั้งต้นอินทรีย์ใช้เรซิน BT หรือ ABF เป็นชั้นสร้างชั้น ขึ้นอยู่กับจำนวนชั้นและขนาดของส่วนประกอบที่ต้องการ ชั้นกระจายสัญญาณ (RDL) บนชิปหรือวัสดุตั้งต้นจะกระจายการเชื่อมต่อแบบบัมพ์ที่มีระยะห่างละเอียดไปยังส่วนประกอบของวัสดุตั้งต้นที่มีขนาดใหญ่กว่า การเลือกวัสดุมีผลโดยตรงต่อประสิทธิภาพทางไฟฟ้า พฤติกรรมการบิดเบี้ยว และผลผลิตในการผลิต

6. ประสิทธิภาพทางไฟฟ้าและความร้อนของแพ็คเกจฟลิปชิป

ข้อดีของการรักษาความสมบูรณ์ของสัญญาณ

การลดความยาวของสายเชื่อมต่อส่งผลให้ค่าความเหนี่ยวนำลดลงและควบคุมอิมพีแดนซ์ได้ดีขึ้น สัญญาณความถี่สูงจะมีการลดทอนและการสะท้อนน้อยลง คุณลักษณะเหล่านี้ทำให้การบรรจุภัณฑ์แบบฟลิปชิปมีความสำคัญอย่างยิ่งสำหรับโปรเซสเซอร์ที่ทำงานที่ความถี่สัญญาณนาฬิกาหลายกิกะเฮิร์ตซ์และอินเทอร์เฟซอนุกรมความเร็วสูง

การจ่ายพลังงานและการระบายความร้อน

การกระจายจุดจ่ายไฟและจุดต่อลงกราวด์หลายจุดทั่วพื้นที่ของชิปช่วยลดการสูญเสียแรงดันไฟฟ้าเนื่องจากความต้านทาน ด้านหลังของชิปที่เปิดโล่งช่วยให้สามารถติดแผ่นกระจายความร้อนได้โดยตรง ทำให้ได้ค่าความต้านทานความร้อนที่ไม่สามารถทำได้ด้วยการเชื่อมต่อแบบใช้สายไฟ โปรเซสเซอร์และ GPU กำลังสูงต่างพึ่งพาโครงสร้างระบายความร้อนนี้

7. แพ็คเกจฟลิปชิป: ความท้าทายทางด้านกลไกและการผลิต

ความไม่ตรงกันของสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนและการล้าของตะกั่วบัดกรี

ซิลิคอน (ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อน ~3 ppm/°C) และสารตั้งต้นอินทรีย์ (ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อน ~15-17 ppm/°C) ขยายตัวในอัตราที่แตกต่างกันระหว่างการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ ความไม่สอดคล้องกันนี้ทำให้เกิดแรงเฉือนในรอยเชื่อมบัดกรี นำไปสู่การเริ่มต้นและการลุกลามของรอยแตกเนื่องจากความล้า การเติมใต้รอยเชื่อมช่วยลดปัญหาความน่าเชื่อถือพื้นฐานนี้ได้ แต่ไม่ได้ขจัดปัญหาดังกล่าวอย่างสิ้นสุด

การควบคุมกระบวนการเติมช่องว่าง

การเติมวัสดุใต้ผิวพิมพ์ไม่สมบูรณ์หรือการเกิดช่องว่างทำให้เกิดจุดอ่อนด้านความน่าเชื่อถือ พารามิเตอร์การจ่ายวัสดุ อุณหภูมิของพื้นผิว และความหนืดของวัสดุใต้ผิวพิมพ์ต้องได้รับการควบคุมอย่างเข้มงวด อัตราการเกิดช่องว่างจะเพิ่มขึ้นเมื่อระยะห่างระหว่างปุ่มลดลง ซึ่งเป็นความท้าทายด้านวิศวกรรมกระบวนการผลิตอย่างต่อเนื่องในเทคโนโลยีการผลิตขั้นสูง

ความไวต่อการบิดเบี้ยวและผลผลิต

การบิดเบี้ยวของแพ็คเกจส่งผลกระทบต่อทั้งผลผลิตในการประกอบและความน่าเชื่อถือในระดับแผงวงจร ชิ้นส่วนขนาดใหญ่บนแผ่นรองพื้นบางมีความเสี่ยงเป็นพิเศษ ปุ่มนูนที่มีระยะห่างแคบต้องการความแม่นยำในการวางตำแหน่งและความคลาดเคลื่อนของระนาบที่เข้มงวดมากขึ้น ซึ่งจะยิ่งเพิ่มผลกระทบต่อผลผลิตจากการเปลี่ยนแปลงใดๆ ในกระบวนการผลิต

8. ประเภททั่วไปของแพ็คเกจฟลิปชิป

FCOB และ FCCSP

เทคโนโลยี Flip-Chip on Board (FCOB) ติดตั้งชิปโดยตรงบนแผงวงจรพิมพ์ (PCB) โดยไม่ต้องใช้แผ่นรองรับตัวกลาง ช่วยลดขนาดและต้นทุนสำหรับแอปพลิเคชันที่เหมาะสม ในขณะที่เทคโนโลยี Flip-Chip Chip Scale Package (FCCSP) ใช้แผ่นรองรับขนาดเล็กที่สุด รักษาขนาดพื้นที่ใช้งานใกล้เคียงกับขนาดของชิป แต่ยังคงความยืดหยุ่นในการจัดวางเส้นทางได้บ้าง

เอฟซีบีจีเอ

เทคโนโลยี Flip-Chip Ball Grid Array (FCBGA) ผสานการเชื่อมต่อชิปแบบ Flip-Chip เข้ากับอินเทอร์เฟซซับสเตรต BGA โครงสร้างนี้รองรับการเดินสายหลายชั้นที่ซับซ้อน ส่วนประกอบแบบพาสซีฟในตัว และจำนวน I/O สูง FCBGA เป็นที่นิยมใช้ในแอปพลิเคชันการประมวลผลประสิทธิภาพสูง รวมถึงโปรเซสเซอร์เซิร์ฟเวอร์และ ASIC สำหรับเครือข่าย

9. การใช้งานทั่วไปของบรรจุภัณฑ์ฟลิปชิป

คอมพิวเตอร์สมรรถนะสูง

ซีพียู, จีพียู และ FPGAระดับไฮเอนด์ต่างใช้เทคโนโลยีการบรรจุภัณฑ์แบบฟลิปชิป (flip-chip) อย่างแพร่หลาย การผสมผสานระหว่างความหนาแน่นของอินพุต/เอาต์พุตสูง ประสิทธิภาพทางไฟฟ้าที่เหนือกว่า และการระบายความร้อนที่มีประสิทธิภาพ ช่วยตอบโจทย์ความต้องการพร้อมกันของอุปกรณ์เหล่านี้ได้อย่างลงตัว การใช้งานในศูนย์ข้อมูลและตัวเร่งความเร็ว AI เป็นแรงผลักดันให้เกิดการพัฒนาเทคโนโลยีฟลิปชิปอย่างต่อเนื่อง

ระบบเครือข่าย, RF และยานยนต์

วงจร ASIC สำหรับสวิตช์เครือข่ายและเครื่องขยายกำลัง RF ได้รับประโยชน์จากการเชื่อมต่อแบบเหนี่ยวนำต่ำของฟลิปชิป อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ในรถยนต์นำฟลิปชิปมาใช้มากขึ้นสำหรับระบบช่วยเหลือผู้ขับขี่ขั้นสูง ซึ่งความสมบูรณ์ของสัญญาณและการจัดการความร้อนมีความสำคัญอย่างยิ่ง อุปกรณ์สำหรับผู้บริโภค เช่น สมาร์ทโฟน ใช้ FCCSP สำหรับโปรเซสเซอร์แอปพลิเคชัน

10. ความน่าเชื่อถือและการตรวจสอบแพ็คเกจฟลิปชิป

โหมดความล้มเหลวทั่วไป

การแตกร้าวของจุดบัดกรีเนื่องจากความล้าทางความร้อนและเชิงกลเป็นกลไกการสึกหรอหลัก การหลุดลอกของวัสดุอุดใต้จุดบัดกรีจากพื้นผิวของชิปหรือซับสเตรตทำให้จุดบัดกรีสัมผัสกับความเครียดที่เร่งขึ้น การเคลื่อนย้ายอิเล็กตรอนในจุดบัดกรีที่มีกระแสสูงอาจทำให้เกิดความล้มเหลวแบบเปิดในเส้นทางการส่งกำลังไฟฟ้า

วิธีการตรวจสอบ

การตรวจสอบด้วยรังสีเอกซ์เผยให้เห็นช่องว่าง รอยแตก และความบกพร่องจากการเชื่อมต่อ การใช้กล้องจุลทรรศน์อะคูสติกแบบสแกน (SAM) ตรวจจับช่องว่างจากการเติมวัสดุไม่เต็ม และการแยกชั้น การทดสอบทางไฟฟ้าตรวจสอบความถูกต้องของการเชื่อมต่อและประสิทธิภาพเชิงพารามิเตอร์ วิธีการเหล่านี้รวมกันเพื่อคัดกรองหน่วยที่ชำรุดและตรวจสอบความสามารถของกระบวนการ

11. วิศวกรควรเลือกใช้แพ็คเกจฟลิปชิปเมื่อใด?

เกณฑ์การตัดสินใจ

การใช้บรรจุภัณฑ์แบบฟลิปชิปมีความเหมาะสมเมื่อจำนวนอินพุต/เอาต์พุตเกินขีดจำกัดที่ใช้งานได้จริงของการเชื่อมต่อด้วยสายไฟ โดยทั่วไปคือมากกว่า 500-700 จุดเชื่อมต่อ ความถี่สัญญาณในช่วงระดับกิกะเฮิร์ตซ์จะได้รับประโยชน์จากการลดพาราสิติกของการเชื่อมต่อ ข้อกำหนดด้านการระบายความร้อนที่สูงกว่า 10-15 วัตต์จะทำให้ฟลิปชิปมีเส้นทางการระบายความร้อนโดยตรงที่เหมาะสม

การพิจารณาโครงสร้างพื้นฐานและต้นทุน

การประกอบฟลิปชิปต้องใช้อุปกรณ์เฉพาะทางสำหรับการวางตำแหน่ง การหลอม และการเติมใต้ชิป ต้นทุนของวัสดุรองรับสูงกว่าทางเลือกอื่น ๆ เช่น แผงวงจรนำไฟฟ้า วิศวกรต้องประเมินว่าข้อกำหนดด้านประสิทธิภาพนั้นคุ้มค่ากับต้นทุนที่สูงขึ้นหรือไม่ และต้องตรวจสอบว่าพันธมิตรในการประกอบมีขีดความสามารถด้านกระบวนการและระบบคุณภาพที่จำเป็นหรือไม่