การประกอบ BGA

BGA หรือที่รู้จักกันในชื่อเทคโนโลยีบรรจุภัณฑ์ Ball Grid Array เป็นเทคโนโลยีบรรจุภัณฑ์แบบยึดติดบนพื้นผิวที่มีความหนาแน่นสูง ที่ด้านล่างของบรรจุภัณฑ์ หมุดจะเป็นทรงกลมและจัดเรียงในรูปแบบคล้ายตาราง จึงเป็นที่มาของชื่อ BGA

ข้อดีของบรรจุภัณฑ์ BGA คืออะไร? แตกต่างจากวิธีการบรรจุแบบอื่นอย่างไร?

1. เค้าโครงพินและความหนาแน่น

บรรจุภัณฑ์พินแบบดั้งเดิม (เช่น กรม, SOP เป็นต้น) มักจะจัดเรียงพินชิปไว้ที่ด้านสองหรือสี่ด้านของบรรจุภัณฑ์ ในทางตรงกันข้าม บรรจุภัณฑ์ BGA จะกระจายพินชิปไปทั่วพื้นผิวด้านล่างทั้งหมดและเชื่อมต่อกันโดยใช้ลูกบอลบัดกรีทรงกลม การจัดวางแบบนี้ทำให้บรรจุภัณฑ์ BGA สามารถเพิ่มความหนาแน่นของพินได้มากขึ้น ช่วยลดปริมาตรลงเหลือหนึ่งในสามในขณะที่ยังคงความจุหน่วยความจำเท่าเดิม ทำให้เหมาะสำหรับชิปประสิทธิภาพสูงที่มีพินจำนวนมาก เช่น โปรเซสเซอร์และชิปกราฟิก

2. กระบวนการผลิต

กระบวนการผลิตบรรจุภัณฑ์พินแบบดั้งเดิมมักต้องมีการจัดตำแหน่งพินและการบัดกรีด้วยตนเอง ซึ่งใช้เวลานานและมีแนวโน้มที่จะเกิดข้อผิดพลาด ในทางตรงกันข้าม บรรจุภัณฑ์ BGA มักใช้อุปกรณ์อัตโนมัติสำหรับการผลิต ซึ่งช่วยลดความจำเป็นในการจัดตำแหน่งพินและการบัดกรีด้วยตนเอง สิ่งนี้ทำให้กระบวนการบรรจุภัณฑ์ BGA มีประสิทธิภาพ เชื่อถือได้ และคุ้มค่ามากขึ้น

3. ประสิทธิภาพการระบายความร้อน

บรรจุภัณฑ์พินแบบดั้งเดิมมักจะขาดการออกแบบการระบายความร้อนแบบพิเศษ อย่างไรก็ตาม บรรจุภัณฑ์ BGA มักมีก้นเป็นโลหะ โดยมีพื้นที่สัมผัสที่ใหญ่กว่าซึ่งช่วยในการกระจายความร้อนได้ดีขึ้น นอกจากนี้ การเชื่อมต่อชิปและซับสเตรตผ่านลูกบอลบัดกรีจะสร้างเส้นทางการนำความร้อนที่แข็งแกร่ง ช่วยให้ความร้อนที่เกิดขึ้นภายในชิปกระจายออกสู่สภาพแวดล้อมภายนอกได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น ดังนั้น เมื่อเปรียบเทียบกับวิธีการบรรจุแบบอื่นๆ บรรจุภัณฑ์ BGA จึงมีประสิทธิภาพในการระบายความร้อนได้ดีเยี่ยม

4. การส่งสัญญาณและการรบกวน

ในบรรจุภัณฑ์พินแบบดั้งเดิม พินจะเชื่อมต่อชิปและซับสเตรตผ่านสายไฟที่ยาวและแคบ ซึ่งไวต่อสัญญาณรบกวนและสัญญาณรบกวน ในทางตรงกันข้าม บรรจุภัณฑ์ BGA เชื่อมต่อชิปและซับสเตรตผ่านลูกบอลบัดกรี ส่งผลให้เส้นทางการส่งสัญญาณสั้นลงและเสถียรยิ่งขึ้น ซึ่งช่วยลดความเสี่ยงของการรบกวนสัญญาณได้อย่างมีประสิทธิภาพและให้การส่งสัญญาณที่เชื่อถือได้มากขึ้น

5. เสถียรภาพทางกล

เนื่องจากประสิทธิภาพที่เหนือกว่า บรรจุภัณฑ์ BGA จึงเหมาะอย่างยิ่งสำหรับชิปที่มีความหนาแน่นสูงและพลังงานสูง เช่น ไมโครโปรเซสเซอร์และชิปกราฟิก มีการใช้กันอย่างแพร่หลายในอุปกรณ์สื่อสาร คอมพิวเตอร์ อิเล็กทรอนิกส์ยานยนต์ อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภค การควบคุมทางอุตสาหกรรม และเครื่องมือวัด

ผังกระบวนการบรรจุภัณฑ์ BGA

1. การทำให้ผอมบางเวเฟอร์

การทำให้แผ่นเวเฟอร์บางลงทำได้โดยการเจียรด้านหลังของแผ่นเวเฟอร์ด้วยล้อเจียรด้วยความเร็วสูง กระบวนการนี้ยังต้องใช้น้ำหล่อเย็นและการทำความสะอาดเพื่อป้องกันการสะสมความร้อนและการสะสมของเศษซาก หากจำเป็นต้องทำให้ชิปบางลงจนถึงความหนาที่กำหนด ชิปนั้นจะถูกขัดเงาตามประเภทผลิตภัณฑ์เพื่อลดแรงเค้นภายใน หลังจากการทำให้ผอมบาง ฟิล์มพื้นผิวเวเฟอร์จะถูกลอกออกโดยใช้เทป ตามด้วยการวัดความหนาและการตรวจสอบคุณภาพ

2. การตัดเศษ

หลังจากทำให้แผ่นเวเฟอร์บางลง แผ่นเวเฟอร์จะถูกยึดไว้บนวงแหวนโลหะโดยใช้เทปสีน้ำเงินสำหรับตัดเป็นชิ้นๆ วิธีการตัดเศษหลักคือการตัดใบมีดและการตัดด้วยเลเซอร์ การตัดใบมีดใช้ใบมีดทรงกลมในการตัดตามเส้นทางหั่นเวเฟอร์โดยสมบูรณ์ โดยแบ่งเวเฟอร์ออกเป็นชิปแต่ละชิ้นที่จัดเรียงอย่างเป็นระเบียบบนเทปสีน้ำเงิน การตัดด้วยเลเซอร์ใช้พลังงานของลำแสงเลเซอร์ในการระเหยวัสดุไปตามเส้นทางหั่น โดยแยกแผ่นเวเฟอร์ออกเป็นชิปแต่ละชิ้น เนื่องจากกระบวนการเวเฟอร์ IC ก้าวหน้าไปต่ำกว่า 10 นาโนเมตร จึงมีการใช้วัสดุที่มี k ต่ำมากขึ้น และการตัดด้วยเลเซอร์สามารถตอบสนองความต้องการของการตัดแบบไม่สัมผัส ความกว้างของการตัดที่แคบ และคุณภาพการตัดที่สูง

3. การติดตั้งชิป

การติดตั้งชิปเกี่ยวข้องกับการยึดชิปบนพื้นผิวโดยใช้วัสดุ เช่น ซิลเวอร์เพสต์หรือฟิล์ม DAF ตามแบบการออกแบบ วัตถุประสงค์หลักคือเพื่อรักษาความปลอดภัยของชิปและนำความร้อนจากชิป

4. การทำความสะอาดพลาสม่า

การทำความสะอาดพลาสมาก่อนการติดลวดจะใช้ไอออนอาร์กอนที่แตกตัวเป็นไอออน อิเล็กตรอน และหมู่แอคทีฟเพื่อระเหยสารปนเปื้อนบนซับสเตรตและพื้นผิวชิป ซึ่งจากนั้นจะถูกกำจัดออกโดยระบบสุญญากาศ ช่วยให้ทำความสะอาดพื้นผิวได้ เพิ่มความแข็งแรงในการยึดเกาะระหว่างการติดลวด การทำความสะอาดพลาสมาก่อนการห่อหุ้มจะทำงานในลักษณะเดียวกัน โดยใช้อาร์กอนพลังงานสูงและไอออนออกซิเจนในการทำความสะอาดสิ่งปนเปื้อนบนพื้นผิวและสารตกค้างของคาร์บอน เปิดใช้งานพื้นผิวของพื้นผิวเพื่อเพิ่มความแข็งแรงในการยึดเกาะระหว่าง PCB และวัสดุห่อหุ้ม ช่วยเพิ่มความน่าเชื่อถือของผลิตภัณฑ์

5. การเชื่อมลวด

การติดลวดเป็นขั้นตอนสำคัญในการบรรจุหีบห่อ โดยที่สายไฟ (ทอง ทองแดง หรือโลหะผสมเงิน) จะถูกเชื่อมเข้ากับแผ่นอะลูมิเนียมบนชิปและแผ่นโลหะบนพื้นผิว เพื่อให้ได้การเชื่อมต่อทางไฟฟ้า รูปภาพต่อไปนี้แสดงรูปภาพ SEM หลังจากการเชื่อมลวด BGA

6. การห่อหุ้ม

การห่อหุ้มเกี่ยวข้องกับการหลอมวัสดุการห่อหุ้มที่อุณหภูมิสูงให้เป็นของเหลวที่มีความหนืดต่ำ จากนั้นจึงฉีดเข้าไปในโพรงแม่พิมพ์ อีพอกซีเรซินภายในของวัสดุห่อหุ้มจะแข็งตัวด้วยความช่วยเหลือของสารทำให้แข็งและสารเชื่อมต่อ ซึ่งจะทำให้การห่อหุ้มสมบูรณ์

7. หลังการบ่ม

การบ่มหลังการบ่มเกี่ยวข้องกับการอบวัสดุห่อหุ้มที่อุณหภูมิสูงเพื่อทำปฏิกิริยาของวัสดุห่อหุ้มอย่างสมบูรณ์ ทำให้โครงสร้างโมเลกุลของอีพอกซีเรซินมีความเสถียร เพิ่มความแข็งของการห่อหุ้ม และบรรเทาความเครียดภายใน

8 เครื่องหมาย

การทำเครื่องหมายเกี่ยวข้องกับการพิมพ์ด้วยหมึกหรือการแกะสลักด้วยเลเซอร์ที่ด้านหน้าของชิปเพื่อติดฉลากชื่อผลิตภัณฑ์ วันที่ผลิต และข้อมูลอื่น ๆ เพื่อระบุผลิตภัณฑ์และสามารถตรวจสอบย้อนกลับได้ ดังที่แสดงด้านล่าง

9. การวางตำแหน่งลูกบอล

นี่เป็นกระบวนการพิเศษในบรรจุภัณฑ์ BGA โดยวางลูกบัดกรีบนแผ่นบัดกรี (NiAu หรือ OSP ทองแดง) ที่ด้านหลังของวัสดุพิมพ์ วางบัดกรีถูกนำมาใช้ และลูกบอลจะถูกจัดเรียงใหม่ในเตาอบเพื่อสร้างยูเทคติกด้วยแผ่นบัดกรี เพื่อยึดลูกบอลไว้กับสารตั้งต้นหลังจากเย็นลง ลูกบอลบัดกรีที่ไหลกลับกลายเป็นพิน I/O ของแพ็คเกจ BGA เพื่อเชื่อมต่อชิปกับวงจรภายนอก รูปภาพต่อไปนี้แสดงกระบวนการวางลูกบอล

10. การร้องเพลง

ก่อนที่จะร้องเพลง กระบวนการทั้งหมดจะดำเนินการแบบแถบ ขั้นตอนนี้เกี่ยวข้องกับการแยกแถบซับสเตรต BGA ออกเป็นชิป BGA แต่ละตัวผ่านการตัดหรือการปั๊มขึ้นรูป เพื่อสร้างผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้าย

ข้อควรพิจารณาเกี่ยวกับการกระจาย BGA

1. บีจีเอ 1.0 มม

• การติดตามเดี่ยวระหว่างจุดแวะ: ใช้ 10-22 mil via, ความกว้างของการติดตาม 6 mil, การกวาดล้างการติดตามผ่าน 5.5 mil
• การติดตามเดี่ยวระหว่างจุดแวะ: ใช้ 8-18 mil via, ความกว้างของการติดตาม 6 mil, การกวาดล้างการติดตามผ่าน 7.5 mil
• สองร่องรอยระหว่างจุดแวะ: ใช้ 8-18 mil via, ความกว้างของการติดตาม 4 mil, การติดตามต่อการติดตาม 4 mil, การกวาดล้างการติดตามผ่าน 4.6 mil สำหรับคู่ดิฟเฟอเรนเชียล ให้ใช้ระยะห่าง 4/4 mil ภายใน BGA โดยเปลี่ยนเป็นระยะห่างภายนอก BGA

2. บีจีเอ 0.8 มม

• ร่องรอยเดียวเท่านั้นระหว่างจุดแวะที่อยู่ติดกัน: โดยทั่วไปใช้ 8-18 mil via, ความกว้างของการติดตาม 5 mil, การติดตามต่อการติดตาม 4 mil, การกวาดล้างการติดตามผ่าน 4.24 mil

3. บีจีเอ 0.65 มม

• ใช้ 8-16 mil via ไม่มีร่องรอยระหว่าง vias ที่อยู่ติดกัน ปรับ fanout
• ใช้ 8-16 mil via, ติดตามระหว่าง vias ที่อยู่ติดกัน, การลดแผ่นชั้นใน, ความกว้างของการติดตาม 4 mil, ระยะห่างจากการติดตามถึง 5.3 mil (หมายเหตุ: ไม่มีร่องรอยบนเลเยอร์เดียวกันกับ via lead)
• ใช้ 8-14 mil via, ความกว้างของการติดตาม 3.5 mil, ระยะห่าง 4 mil, ระยะห่างจากการติดตามถึง 4 mil วิธีนี้สามารถเป็นไปตามการกำหนดเส้นทาง BGA มาตรฐานได้ แต่มีความท้าทายในการผลิต