อธิบายประเภทแพ็คเกจ IC: BGA, QFN และ QFP และวิธีการเลือกใช้สำหรับ PCB ของคุณ

แพ็คเกจ IC คือตัวเรือนที่ห่อหุ้มชิปซิลิคอนเพื่อป้องกันและเชื่อมต่อกับแผงวงจร และแพ็คเกจที่คุณเลือก (BGA, QFN, QFP และอื่นๆ) จะส่งผลต่อขนาดของแผงวงจร พฤติกรรมทางความร้อน กระบวนการประกอบ และต้นทุน การเลือกแพ็คเกจที่เหมาะสมนั้นเป็นเรื่องของการตัดสินใจด้านการผลิตพอๆ กับการตัดสินใจด้านไฟฟ้า คู่มือนี้จะอธิบายประเภทแพ็คเกจ IC หลักๆ วิธีการเปรียบเทียบแพ็คเกจที่นิยมใช้ ผลกระทบของแพ็คเกจต่อการประกอบ และวิธีที่ Highleap Electronics ประกอบแพ็คเกจแต่ละประเภทได้อย่างน่าเชื่อถือ

1. แพ็คเกจ IC คืออะไร และทำหน้าที่อะไร?

แพ็คเกจไอซีคือตัวเรือนป้องกันที่ห่อหุ้มชิ้นส่วนเซมิคอนดักเตอร์และทำหน้าที่เชื่อมต่อทางไฟฟ้า — ขั้วต่อ ขา หรือลูกบอล — จากชิปไปยังแผงวงจรพิมพ์ (PCB) หน้าที่ของแพ็คเกจไอซีมีสามอย่างคือ: ป้องกันซิลิคอนที่บอบบางจากความเสียหายทางกายภาพและสิ่งแวดล้อม กระจายการเชื่อมต่อขนาดเล็กของชิปไปยังระยะห่างที่สามารถติดตั้งบนแผงวงจรได้ และเป็นทางระบายความร้อนออกจากชิป หากไม่มีแพ็คเกจ ชิ้นส่วนชิปที่ไม่มีบรรจุภัณฑ์จะไม่สามารถจัดการ เชื่อมต่อ หรือระบายความร้อนได้ในกระบวนการผลิตปกติ

บรรจุภัณฑ์ยังกำหนดวิธีการประกอบชิปเข้ากับแผงวงจรด้วย ไม่ว่าจะเป็นการใช้ขาสำหรับรู การนำไฟฟ้าสำหรับการติดตั้งบนพื้นผิว หรือการจัดเรียงลูกบอลไว้ด้านล่าง การเลือกบรรจุภัณฑ์นั้นส่งผลกระทบต่อแผงวงจรทั้งหมด ไม่ว่าจะเป็นขนาด การออกแบบระบายความร้อน กระบวนการประกอบ และความต้องการในการตรวจสอบ เนื่องจากบรรจุภัณฑ์อยู่ตรงขอบเขตระหว่างชิปและแผงวงจร จึงมีความเชื่อมโยงอย่างใกล้ชิดกับเทคโนโลยีพื้นผิวของชิ้นส่วนขั้นสูง เช่นแผงวงจรพิมพ์แบบ IC-substrateและแผงวงจรพิมพ์แบบ BGAที่เดินสายเชื่อมต่อของชิปไว้ภายในบรรจุภัณฑ์เอง

2. ประเภทของแพ็คเกจไอซี: แบบรูทะลุ (Through-hole), แบบมีขา (Leaded SMT) และแบบอาร์เรย์ (Aaron)

แพ็คเกจไอซีแบ่งออกเป็นสามประเภทหลักๆ ได้แก่ แบบเสียบรู (ขาเสียบเข้าไปในรู เช่น DIP), แบบติดตั้งบนพื้นผิวที่มีขา (ขาบัดกรีติดกับพื้นผิว เช่น QFP และ SOIC) และแบบมีจุดเชื่อมต่ออยู่ด้านล่าง (จุดเชื่อมต่ออยู่ด้านล่าง เช่น BGA และ QFN) แต่ละประเภทแสดงถึงความก้าวหน้าในการลดขนาดและเพิ่มความหนาแน่นของจุดเชื่อมต่อ และประเภทของแพ็คเกจจะเป็นตัวกำหนดวิธีการประกอบเป็นส่วนใหญ่:

แพ็คเกจแบบ Through-hole มีขนาดใหญ่ที่สุดและบัดกรีด้วยมือได้ง่ายที่สุด แต่ใช้พื้นที่มากที่สุด แพ็คเกจแบบ SMT ที่มีขาเชื่อมต่อจะมีขาเชื่อมต่ออยู่ตามขอบ และแพ็คเกจแบบ Array จะวางจุดเชื่อมต่อไว้ใต้ตัวชิปเพื่อให้มีความหนาแน่นสูงสุดและใช้พื้นที่น้อยที่สุด แนวโน้มในช่วงเวลาที่ผ่านมาคือการใช้แพ็คเกจแบบ Array มากขึ้น เนื่องจากอุปกรณ์มีขนาดเล็ลง ซึ่งทำให้ความต้องการในการประกอบและการตรวจสอบเพิ่มขึ้น ซึ่งเป็นข้อแลกเปลี่ยนที่จะกล่าวถึงในส่วนถัดไป และเห็นได้จากการเปรียบเทียบแพ็คเกจต่างๆ เช่นBGA กับ LGA

3. BGA, QFN และ QFP: แตกต่างกันอย่างไร?

QFP มีขาต่อออกมาจากทั้งสี่ด้านเพื่อให้ตรวจสอบได้ง่าย QFN มีแผ่นรองที่ขอบด้านล่างโดยไม่มีขาต่อออกมาเพื่อให้มีขนาดเล็กกว่า และ BGA มีลูกบอลบัดกรีเรียงอยู่ทั่วทั้งด้านล่างเพื่อให้มีจำนวนการเชื่อมต่อสูงสุด ความแตกต่างอยู่ที่ตำแหน่งของการเชื่อมต่อและวิธีการเข้าถึง ซึ่งเป็นการแลกเปลี่ยนระหว่างความสะดวกในการตรวจสอบกับความหนาแน่น:

• QFP (แพ็คเกจ Quad Flat) มีสายไฟแบบปีกนกทั้งสี่ด้าน สายไฟเหล่านี้มองเห็นได้ชัดเจน ตรวจสอบและแก้ไขได้ค่อนข้างง่าย ทำให้ประกอบได้ไม่ยุ่งยาก — รายละเอียดเพิ่มเติมอยู่ในบทความนี้ แพ็คเกจ QFN เทียบกับแพ็คเกจ QFP.
• QFN (Quad Flat ไร้ตะกั่ว) มีแผ่นระบายความร้อนตามขอบด้านล่าง และมักจะมีแผ่นระบายความร้อนตรงกลาง โดยไม่มีสายไฟยื่นออกมา — ขนาดเล็กกว่าและระบายความร้อนได้ดีกว่า แต่ข้อต่ออยู่ใต้ตัวเครื่องและตรวจสอบได้ยากกว่า เนื่องจากมีวัสดุหุ้มอยู่ BGA เทียบกับ QFN.
• BGA (อาร์เรย์บอลกริด) ใช้เม็ดตะกั่วบัดกรีจำนวนมากเรียงตัวอยู่ทั่วทั้งด้านล่าง ทำให้มีการเชื่อมต่อมากที่สุดในพื้นที่เล็กๆ แต่ข้อต่อทุกจุดถูกซ่อนไว้ จึงต้องใช้รังสีเอ็กซ์ในการตรวจสอบ ดังที่ได้กล่าวไว้ใน การบัดกรี BGA.

รูปแบบนั้นชัดเจน: เมื่อคุณเปลี่ยนจาก QFP ไปเป็น QFN ไปเป็น BGA ความหนาแน่นของขนาดและจุดเชื่อมต่อจะดีขึ้น ในขณะที่การตรวจสอบจะยากขึ้น ความท้าทายในการตรวจสอบนี้เองที่เป็นเหตุผลว่าทำไมแพ็คเกจแบบซ่อนข้อต่อจึงต้องการความสามารถในการตรวจสอบที่อธิบายไว้ต่อไปนี้

4. ประเภทของแพ็คเกจไอซีมีผลต่อการประกอบแผงวงจรพิมพ์อย่างไร

ประเภทของแพ็คเกจไอซีเป็นตัวกำหนดกระบวนการประกอบและวิธีการตรวจสอบ: แพ็คเกจแบบมีขา สามารถวางและตรวจสอบด้วยสายตาได้โดยตรง ในขณะที่แพ็คเกจแบบอาร์เรย์ เช่น BGA และ QFN จำเป็นต้องมีการวางตำแหน่งที่แม่นยำ การหลอมละลายที่ควบคุมได้ และการตรวจสอบด้วยรังสีเอ็กซ์ เนื่องจากข้อต่อของพวกมันซ่อนอยู่ใต้ตัวไอซี ดังนั้น การบรรจุภัณฑ์จึงเป็นการตัดสินใจด้านการผลิต ไม่ใช่แค่การตัดสินใจด้านไฟฟ้าเท่านั้น — มันกำหนดว่าสายการผลิตและการตรวจสอบต้องทำอะไรบ้าง:

• SMT แบบมีตะกั่ว (QFP, SOIC) วางได้ง่ายและมองเห็นรอยต่อได้ชัดเจน การตรวจสอบด้วยแสงอัตโนมัติทำให้การสร้างโครงสร้างแบบนี้ทำได้ง่ายที่สุด
• คิวเอฟเอ็น จำเป็นต้องใช้ซิลิโคนระบายความร้อนอย่างระมัดระวัง และการเชื่อมต่อแผ่นระบายความร้อนที่ดี โดยเฉพาะบริเวณขอบและรอยต่อด้านล่างที่ซ่อนอยู่ ซึ่งมักต้องใช้เครื่องเอ็กซ์เรย์ตรวจสอบ
• BGA ต้องอาศัยการจัดวางที่แม่นยำและโปรไฟล์การหลอมที่ควบคุมได้ เพื่อให้ลูกบอลยุบตัวลงอย่างถูกต้อง และรอยต่อที่ซ่อนอยู่อย่างสมบูรณ์นั้นสามารถตรวจสอบได้โดยวิธีอื่นเท่านั้น การตรวจเอ็กซ์เรย์ — หัวใจสำคัญของความน่าเชื่อถือ การประกอบบีจีเอ.
• ผ่านรู ใช้เทคนิคการบัดกรีแบบคลื่นหรือแบบเลือกเฉพาะจุด และเป็นวิธีที่ง่ายที่สุดในการบัดกรีด้วยมือและตรวจสอบ

ข้อสรุปก็คือ การเลือกบรรจุภัณฑ์ที่มีความหนาแน่นสูงจะทำให้คุณต้องใช้กระบวนการประกอบที่มีประสิทธิภาพร่วมกับเครื่องเอ็กซ์เรย์ ดังนั้นควรตัดสินใจเลือกบรรจุภัณฑ์และแผนการผลิตไปพร้อมกัน แทนที่จะเลือกบรรจุภัณฑ์เพียงอย่างเดียว

5. วิธีการเลือกแพ็คเกจ IC ที่เหมาะสม

เลือกแพ็คเกจ IC โดยพิจารณาความสมดุลระหว่างพื้นที่บนแผงวงจร ความต้องการด้านความร้อน ความสามารถในการประกอบ และต้นทุนเทียบกับความพร้อมใช้งานของชิ้นส่วน — แพ็คเกจที่เล็กที่สุดไม่ได้ดีที่สุดเสมอไป หากมันทำให้การผลิตยากขึ้นและมีต้นทุนสูงกว่าที่ผลิตภัณฑ์ของคุณต้องการ บ่อยครั้งที่ชิปตัวเดียวกันมีให้เลือกหลายแพ็คเกจ ทำให้การเลือกแพ็คเกจเป็นการตัดสินใจที่สำคัญ ปัจจัยที่ต้องพิจารณา:

• พื้นที่คณะกรรมการ การออกแบบที่แน่นและกะทัดรัดมักทำให้ต้องใช้แพ็คเกจแบบ QFN และ BGA ในขณะที่แผงวงจรที่มีพื้นที่กว้างขวางกว่าสามารถใช้แพ็คเกจแบบมีขาซึ่งประกอบได้ง่ายกว่า
• ความต้องการด้านความร้อน แพ็คเกจที่มีแผ่นระบายความร้อนหรือตัวเครื่องขนาดใหญ่กว่าจะระบายความร้อนได้ดีกว่า ซึ่งเป็นสิ่งสำคัญสำหรับชิ้นส่วนที่ใช้พลังงานสูง
• ความสามารถในการประกอบ ชิ้นส่วน BGA และชิ้นส่วนที่มีระยะห่างระหว่างขาแคบ จำเป็นต้องใช้สายการผลิตรีโฟลว์ที่มีระบบเอ็กซ์เรย์ หากมีสายการผลิตดังกล่าว ชิ้นส่วนเหล่านั้นก็ไม่มีปัญหา แต่ถ้าไม่มี ชิ้นส่วนแบบมีตะกั่วจะปลอดภัยกว่า
• ค่าใช้จ่ายและการมีอยู่ การเลือกบรรจุภัณฑ์ส่งผลต่อทั้งต้นทุนชิ้นส่วนและต้นทุนการประกอบ และชิ้นส่วนบางชิ้นอาจมีจำหน่ายเฉพาะในบรรจุภัณฑ์บางประเภทเท่านั้น

แนวทางที่ดีที่สุดคือการตรวจสอบให้แน่ใจว่าบรรจุภัณฑ์นั้นเหมาะสมกับทั้งการออกแบบและกระบวนการผลิตที่วางแผนไว้ตั้งแต่เนิ่นๆ โดยควรทำในขั้นตอนการตรวจสอบความสามารถในการผลิต เพื่อที่คุณจะได้ไม่เลือกใช้บรรจุภัณฑ์ที่กระบวนการประกอบของคุณไม่สามารถผลิตหรือตรวจสอบได้อย่างน่าเชื่อถือ

6. วิธีที่ Highleap ประกอบแพ็คเกจ IC ทุกประเภท

Highleap ประกอบชิ้นส่วน IC ทุกประเภท ไม่ว่าจะเป็นแบบ Through-hole, Leaded surface-mount, QFN และ BGA โดยดำเนินการจัดวาง การหลอม และการตรวจสอบที่จำเป็นสำหรับแต่ละประเภท รวมถึงการตรวจสอบด้วยรังสีเอ็กซ์สำหรับข้อต่อที่ซ่อนอยู่ ชิ้นส่วนแบบ Leaded จะถูกจัดวางและตรวจสอบด้วยแสง ชิ้นส่วน Fine-pitch และ QFN จะได้รับการวางและขึ้นรูปอย่างแม่นยำ และ BGA จะถูกจัดวางอย่างแม่นยำและหลอมให้ได้รูปทรงที่สร้างข้อต่อแบบลูกบอลที่แข็งแรง จากนั้นตรวจสอบด้วยรังสีเอ็กซ์

เนื่องจากการเลือกแพ็คเกจมีผลต่อความยากในการประกอบ การตรวจสอบความสามารถในการผลิตก่อนการประกอบจึงช่วยตรวจสอบว่ารอยพิมพ์ แผ่นระบายความร้อน และระยะห่างของขาชิ้นส่วนนั้นสามารถประกอบได้ และมีการวางแผนการตรวจสอบที่เหมาะสม เพื่อตรวจจับความเสี่ยงที่เกี่ยวข้องกับแพ็คเกจก่อนเริ่มการผลิต Highleap ให้บริการนี้ในรูปแบบการประกอบแบบครบวงจรครอบคลุมการจัดหา การจัดวาง การบัดกรี และการตรวจสอบสำหรับแพ็คเกจทุกประเภท และสนับสนุนตั้งแต่แผ่นวงจรเปล่าไปจนถึงการผลิต PCBเมื่อคุณขอใบเสนอราคา โปรดระบุแพ็คเกจ IC บนแผ่นวงจร โดยเฉพาะอย่างยิ่งชิ้นส่วน BGA หรือชิ้นส่วนที่มีระยะห่างขาชิ้นส่วนเล็ก และระยะห่างขาชิ้นส่วนที่เล็กที่สุด เพื่อให้สามารถกำหนดกระบวนการและการตรวจสอบที่เหมาะสมได้

7. คำถามที่พบบ่อยเกี่ยวกับแพ็คเกจ IC

แพ็คเกจ IC กับชิปภายในแตกต่างกันอย่างไร?

ชิป (ได) คือสารกึ่งตัวนำเปล่าๆ ที่ทำหน้าที่ประมวลผล ส่วนแพ็คเกจคือตัวเรือนที่ปกป้องชิป กระจายการเชื่อมต่อให้เหมาะสมกับการติดตั้งบนแผงวงจร และช่วยระบายความร้อน แพ็คเกจเป็นสิ่งที่ทำให้ชิปสามารถจับต้องและบัดกรีได้

ไอซีแพ็คเกจใดที่บัดกรีด้วยมือได้ง่ายที่สุด?

แพ็คเกจแบบ Through-hole เช่น DIP นั้นง่ายที่สุด รองลงมาคือแพ็คเกจแบบ Surface-mount ที่มีขา เช่น SOIC และ QFP ซึ่งสามารถเข้าถึงขาได้ง่าย ส่วน QFN และ BGA ที่มีจุดเชื่อมต่ออยู่ใต้ตัวชิปนั้นยากหรือเป็นไปไม่ได้เลยที่จะทำด้วยมือ และต้องใช้วิธีการรีโฟลว์

เหตุใด BGA จึงจำเป็นต้องได้รับการตรวจสอบด้วยรังสีเอ็กซ์?

เนื่องจากลูกบัดกรีของ BGA ถูกซ่อนอยู่ใต้ตัวแพ็คเกจทั้งหมด จึงไม่มีกล้องใดมองเห็นได้ การใช้รังสีเอ็กซ์สามารถมองทะลุตัวแพ็คเกจเพื่อตรวจสอบข้อต่อลูกบัดกรีและตรวจจับช่องว่างหรือการลัดวงจร ซึ่งเป็นวิธีเดียวที่ไม่ทำลายชิ้นงานในการยืนยันการประกอบ BGA

QFN กับแผ่นระบายความร้อนต่างกันอย่างไร?

QFN คือแพ็คเกจชนิดหนึ่งที่มีแผ่นโลหะอยู่ตามขอบด้านล่าง แผ่นระบายความร้อนคือแผ่นโลหะขนาดใหญ่ตรงกลางของ QFN หลายๆ ชนิด (และแพ็คเกจอื่นๆ) ซึ่งทำหน้าที่นำความร้อนไปยังแผงวงจร แผ่นระบายความร้อนต้องบัดกรีให้แน่นหนาเพื่อทั้งการระบายความร้อนและความแข็งแรงทางกล

ชิปตัวเดียวกันสามารถบรรจุในแพ็คเกจที่แตกต่างกันได้หรือไม่?

ใช่แล้ว ไอซีหลายตัวมีให้เลือกหลายแพ็คเกจ ทำให้คุณสามารถแลกเปลี่ยนระหว่างพื้นที่บนแผงวงจร ประสิทธิภาพด้านความร้อน ความยากในการประกอบ และต้นทุนได้ ดังนั้น การเลือกแพ็คเกจจึงเป็นเรื่องของการตัดสินใจด้านการออกแบบอย่างแท้จริง ไม่ใช่คุณสมบัติตายตัวของชิป

การเลือกรูปแบบบรรจุภัณฑ์มีผลต่อต้นทุนของแผงวงจรพิมพ์หรือไม่?

ใช่แล้ว แพ็กเกจที่มีความหนาแน่นสูงกว่า เช่น BGA อาจต้องใช้แผ่นวงจรหลายชั้นในการเดินสาย มีรายละเอียดที่ซับซ้อนกว่า และต้องผ่านการตรวจสอบด้วยรังสีเอ็กซ์ ซึ่งทั้งหมดนี้จะเพิ่มต้นทุน ในขณะที่แพ็กเกจแบบมีขาจะมีต้นทุนการประกอบที่ถูกกว่า การเลือกแพ็กเกจส่งผลต่อทั้งต้นทุนของชิ้นส่วนและต้นทุนการประกอบ