ม่ใช่แค่เปลือกนอก: บรรจุภัณฑ์ชิปกำหนดว่าสมาร์ทโฟนของคุณจะทำงานได้เร็วแค่ไหน

ตั้งแต่สมาร์ทโฟนในมือไปจนถึงเครื่องใช้ไฟฟ้าอัจฉริยะที่บ้าน หรือแม้แต่เซิร์ฟเวอร์ที่ทำงานด้วยความเร็วสูง หัวใจของอุปกรณ์เหล่านี้คือชิปขนาดเล็กนับไม่ถ้วน อย่างไรก็ตาม ก่อนที่ชิปเหล่านี้จะถูกติดตั้งลงบนเมนบอร์ดได้ จะต้องผ่านกระบวนการแปลงร่างที่สำคัญอย่างยิ่ง นั่นก็คือ การบรรจุหีบห่อ (Packaging)

ขั้นตอนที่ดูไม่สำคัญนี้เป็นกุญแจสำคัญที่ทำให้ชิปทำงานได้อย่างมีเสถียรภาพ ปลอดภัย และมีประสิทธิภาพ ไม่เพียงแต่ให้การป้องกันที่แข็งแกร่งแก่ชิปเท่านั้น แต่ยังสร้างสะพานเชื่อมสำหรับการสื่อสารกับโลกภายนอกอีกด้วย หากไม่มีการบรรจุภัณฑ์ ชิปเปลือยที่เปราะบางก็ไม่สามารถอยู่รอดในโลกอิเล็กทรอนิกส์ที่ซับซ้อนได้เลย

“เกราะป้องกัน” ของชิป: ทำไมการบรรจุภัณฑ์จึงสำคัญนัก?

สมาร์ทโฟน คอมพิวเตอร์ หรือแม้แต่รถยนต์ไฟฟ้าในมือของเรา ล้วนพึ่งพาชิปขนาดเล็กและแม่นยำจำนวนมากเป็นหัวใจหลัก ชิปเหล่านี้ถูกสร้างขึ้นครั้งแรกบนแผ่นเวเฟอร์ทรงกลม หลังจากผ่านการตัดแล้ว ก็จะกลายเป็น “ชิปเปลือย” (Die) ที่ทำงานได้อย่างสมบูรณ์ อย่างไรก็ตาม ชิปเปลือยเหล่านี้เปราะบางอย่างยิ่ง ไม่เพียงแต่เต็มไปด้วยสายโลหะและจุดเชื่อมต่อขนาดเล็กบนพื้นผิว แต่ยังไม่มีความสามารถในการต้านทานความชื้น ฝุ่น และไฟฟ้าสถิตอีกด้วย และไม่สามารถบัดกรีลงบนแผงวงจรได้โดยตรง

ดังนั้น ขั้นตอนสำคัญจึงได้เริ่มต้นขึ้น นั่นก็คือ การบรรจุหีบห่อ (Packaging) การบรรจุภัณฑ์เป็นเหมือน “เกราะป้องกัน” ที่ออกแบบมาสำหรับชิปโดยเฉพาะ

ภารกิจหลักของมันมีสามประการ:

ให้การป้องกันทางกายภาพ เพื่อป้องกันไม่ให้ชิปเสียหาย

สร้างเส้นทางที่เชื่อถือได้สำหรับการส่งผ่านพลังงานและสัญญาณ เพื่อให้ชิปสามารถสื่อสารกับโลกภายนอกได้

กระจายความร้อนออกไปอย่างมีประสิทธิภาพ เพื่อให้มั่นใจว่าชิปจะทำงานได้อย่างมีเสถียรภาพ

กล่าวโดยสรุป การบรรจุภัณฑ์ไม่เพียงแต่ปกป้องชิปเท่านั้น แต่ยังเปลี่ยนชิปให้กลายเป็นชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ที่เป็นมาตรฐาน สามารถผลิตได้ในปริมาณมาก และทำงานได้อย่างเสถียรอีกด้วย

จากชิปเปลือยสู่ผลิตภัณฑ์สำเร็จรูป: สี่ขั้นตอนสำคัญของการบรรจุภัณฑ์

กระบวนการบรรจุภัณฑ์ดูเหมือนจะซับซ้อน แต่โดยพื้นฐานแล้วสามารถแบ่งออกเป็นขั้นตอนหลัก ๆ ได้ดังนี้:

1. การยึดติดและเชื่อมต่อทางไฟฟ้าอย่างมั่นคง

ในตอนแรก วิศวกรจะติดชิปเปลือยที่เปราะบางเข้ากับแผ่นรองรับ (Substrate) หรือกรอบตะกั่ว (Lead Frame) อย่างมั่นคง ขั้นตอนนี้เรียกว่า “การยึดติดชิป (Die Attach)” ซึ่งไม่เพียงแต่ทำให้ชิปเปลือยไม่สั่นคลอนเท่านั้น แต่ยังวางรากฐานสำหรับเส้นทางการกระจายความร้อนในขั้นตอนต่อไปด้วย จากนั้นเป็น “การเชื่อมต่อทางไฟฟ้า (Electrical Interconnect)” ซึ่งเป็นการนำสัญญาณและพลังงานภายในของชิปออกมา

วิธีการเชื่อมต่อที่พบบ่อยมีสองวิธี:

• การเชื่อมต่อด้วยลวดทอง/ทองแดง (Wire Bond): เป็นเทคโนโลยีที่เติบโตเต็มที่และเชื่อถือได้ โดยใช้ลวดทองหรือทองแดงที่บางมากในการเชื่อมต่อจุดบนชิปกับแผ่นรองภายนอกของบรรจุภัณฑ์ ข้อดีของมันคือต้นทุนต่ำและเหมาะสำหรับการใช้งานหลายประเภท
• ฟลิปชิป (Flip-Chip): วิธีนี้คือการ “พลิก” ชิปกลับหัว เพื่อให้ปุ่มนูนขนาดเล็ก (Micro Bumps) ที่ด้านล่างของชิปบัดกรีติดกับแผ่นรองรับโดยตรง ข้อดีของมันคือเส้นทางการส่งสัญญาณสั้นที่สุด สามารถให้แบนด์วิธที่สูงขึ้น และเหมาะอย่างยิ่งสำหรับโปรเซสเซอร์ที่มีประสิทธิภาพสูง เพื่อเพิ่มความทนทาน วิศวกรจะฉีดสารเติมเต็ม (Underfill) เข้าไปในช่องว่างระหว่างชิปกับแผ่นรองรับ เพื่อบรรเทาความเครียดที่เกิดจากการขยายตัวและหดตัวจากความร้อน

2. การป้องกันแบบครอบคลุม

เมื่อการเชื่อมต่อทางไฟฟ้าเสร็จสิ้น ชิปจะต้องสวม “ชุดป้องกัน” สายการผลิตจะใช้เรซินอีพอกซีหรือพลาสติกห่อหุ้มชิปและลวดทั้งหมดไว้ เพื่อป้องกันความชื้น ฝุ่น และแรงภายนอก ขั้นตอนนี้มักเรียกว่า “การหล่อหรือการปิดผนึก” ซึ่งเป็นการรับประกันที่สำคัญสำหรับการทำงานที่ปลอดภัยของชิป

3. การสร้างส่วนต่อประสานที่เป็นมาตรฐาน

เพื่อให้ชิปสามารถติดตั้งลงบนแผงวงจรได้อย่างรวดเร็วด้วยอุปกรณ์อัตโนมัติ ด้านล่างของบรรจุภัณฑ์จะถูกออกแบบให้เป็นส่วนต่อประสานภายนอกที่เป็นมาตรฐานตามความต้องการของผลิตภัณฑ์ที่แตกต่างกัน เช่น:

• BGA (Ball Grid Array): มีลูกบอลดีบุกเรียงกันที่ด้านล่างของบรรจุภัณฑ์ เพื่อให้การเชื่อมต่อที่มีความหนาแน่นสูง
• QFN (Quad Flat No-Lead): ไม่มีขาที่ยื่นออกมาด้านนอก แต่ใช้แผ่นโลหะด้านล่างในการบัดกรีกับแผงวงจร ทำให้มีขนาดบางเบาและมีประสิทธิภาพในการกระจายความร้อนสูง
• CSP (Chip-Scale Package): ขนาดของบรรจุภัณฑ์ใกล้เคียงกับชิปเปลือยมาก และจุดบัดกรีจะอยู่ด้านล่างโดยตรง ทำให้มีขนาดเล็กกะทัดรัดและเส้นทางการส่งสัญญาณสั้น

รูปทรงที่เป็นมาตรฐานเหล่านี้ไม่เพียงแต่ช่วยให้การผลิตอัตโนมัติของโรงงานประสบความสำเร็จเท่านั้น แต่ยังวางรากฐานสำหรับเทคโนโลยีการติดตั้งบนพื้นผิว (SMT – Surface-Mount Technology) ในขั้นตอนต่อไปด้วย

4. การทดสอบและตรวจสอบที่เข้มงวด

สุดท้าย ผลิตภัณฑ์ที่บรรจุภัณฑ์เสร็จสมบูรณ์จะต้องผ่านการทดสอบที่เข้มงวดหลายชุดก่อนที่จะได้รับอนุญาตให้ออกสู่ตลาด การทดสอบเหล่านี้รวมถึงการตรวจสอบฟังก์ชัน การทดสอบการเบิร์นอิน (Burn-in) การหมุนเวียนอุณหภูมิ อุณหภูมิสูงความชื้นสูง และการตรวจสอบระดับความไวต่อความชื้น (MSL – Moisture Sensitivity Level) ชิปที่ผ่านการทดสอบทั้งหมดเท่านั้นจึงจะถือว่าเป็นผลิตภัณฑ์ที่มีคุณภาพและเชื่อถือได้

แก่นแท้ของการบรรจุภัณฑ์: “การออกแบบร่วม” และ “ความน่าเชื่อถือ”

การบรรจุภัณฑ์ที่มีคุณภาพสูงไม่ใช่แค่การห่อหุ้มชิปเท่านั้น แต่ยังเกี่ยวข้องกับการทำงานร่วมกันอย่างละเอียดจากหลายแง่มุม ซึ่งเรียกว่า “การออกแบบร่วม (Co-design)” ในช่วงเริ่มต้นของการพัฒนาผลิตภัณฑ์ จะต้องพิจารณาทั้งชิป บรรจุภัณฑ์ และแผงวงจรไปพร้อมกัน เพื่อให้มั่นใจในเสถียรภาพของผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้าย

• การออกแบบทางความร้อน (Thermal Design): ชิปที่ใช้พลังงานสูงจะสร้างความร้อนจำนวนมาก ดังนั้นภายในบรรจุภัณฑ์จะต้องมีการวางแผนเส้นทางการระบายความร้อนที่มีประสิทธิภาพ วิศวกรจะเพิ่มวัสดุเชื่อมต่อทางความร้อน (TIM – Thermal Interface Material) และฝาครอบระบายความร้อน เพื่อลดความต้านทานความร้อนและป้องกันไม่ให้ชิปร้อนเกินไป
• การออกแบบทางไฟฟ้า (Electrical Design): เส้นทางของสัญญาณที่สำคัญจะต้องสั้นที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ และเส้นทางย้อนกลับ (Return Path) ก็ต้องสมบูรณ์ด้วย เพื่อหลีกเลี่ยงปัจจัยต่าง ๆ เช่น ความต้านทานปรสิต (Parasitic Resistance) ความเหนี่ยวนำ (Inductance) หรือความจุ (Capacitance) ที่ส่งผลกระทบต่อคุณภาพของสัญญาณ
• การออกแบบทางกลไก (Mechanical Design): ความหนาและการบิดเบี้ยวของบรรจุภัณฑ์จะต้องถูกควบคุมอย่างเข้มงวด หากแรงกดที่จุดบัดกรีไม่เท่ากันในระหว่างกระบวนการบัดกรีด้วยความร้อนสูง อาจทำให้เกิดรอยแตกได้หลังจากใช้งานเป็นเวลานาน ซึ่งเรียกกันทั่วไปว่า “ปรากฏการณ์ป๊อปคอร์น (Popcorn Effect)” หรือการแยกชั้น ซึ่งส่งผลกระทบอย่างรุนแรงต่ออายุการใช้งานของผลิตภัณฑ์

นี่คือเหตุผลว่าทำไมจึงต้องมีการทดสอบความน่าเชื่อถือมากมายเช่นนี้ ผลิตภัณฑ์จะต้องสามารถทำงานได้อย่างเสถียรเป็นเวลาหลายปีในสภาพแวดล้อมที่เปลี่ยนแปลงได้ เช่น “ร้อน เย็น ชื้น แห้ง และสั่นสะเทือน” กระบวนการทดสอบที่เป็นมาตรฐานนี้เองที่ช่วยควบคุมความเสี่ยงที่อาจเกิดขึ้นเหล่านี้ให้ต่ำที่สุด

ก้าวสุดท้ายของการบรรจุภัณฑ์: การรวมเข้ากับแผงวงจรอย่างสมบูรณ์แบบ

เมื่อกระบวนการบรรจุภัณฑ์เสร็จสิ้น ชิปที่ผ่านการรับรองจะถูกคัดแยกและบรรจุลงในเทปและม้วน (Tape & Reel) เพื่อส่งไปยังสายการผลิต SMT (Surface-Mount Technology) ของโรงงาน ด้วยการทำงานที่แม่นยำของเครื่องติดตั้งอัตโนมัติ ชิปจะถูกวางลงในตำแหน่งที่กำหนดบนแผงวงจร จากนั้นผ่านเตาอบความร้อนสูง (Reflow Oven) เพื่อหลอมรวมลูกบอลบัดกรีให้ติดกับแผงวงจรอย่างแน่นหนา สุดท้ายจะมีการตรวจสอบด้วยรังสีเอกซ์เพื่อให้แน่ใจว่าทุกจุดบัดกรีสมบูรณ์และไม่มีการบัดกรีที่ผิดพลาด

เมื่อถึงขั้นตอนนี้ IC หนึ่งตัวจึงจะถือว่า “ติดตั้งบนแผงวงจร” อย่างแท้จริง และกลายเป็นส่วนประกอบที่เชื่อถือได้และขาดไม่ได้ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ต่าง ๆ รอบตัวเรา

การบรรจุภัณฑ์ ซึ่งเป็นขั้นตอนที่ดูไม่สำคัญ แต่เป็นกุญแจสำคัญในการเปลี่ยนชิปเปลือยที่เปราะบางให้เป็นชิ้นส่วนมาตรฐานที่สามารถผลิตได้ในปริมาณมาก ประกอบอัตโนมัติ และทำงานได้อย่างเสถียรในระยะยาว ดังนั้นจากมุมมองของผู้ใช้ ผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์ที่เราใช้นั้นแก่นแท้ของมันไม่เคยเป็นเพียงแค่ “ชิป” เพียงอย่างเดียว แต่เป็น “ชิป + บรรจุภัณฑ์” ทั้งหมดต่างหาก

ข้อมูลอ้างอิง: What is Packaging? An overview from wafer to on-board process

สำหรับการบด เรามีการปรับแต่งตามความต้องการในการประมวลผล เพื่อให้มีประสิทธิภาพสูงสุด

ยินดีต้อนรับที่จะติดต่อเรา เราจะมีคนที่จะตอบคำถามของคุณ

หากคุณต้องการใบเสนอราคาแบบกำหนดเองโปรดติดต่อเรา

เวลาทำการฝ่ายบริการลูกค้า : จันทร์ – ศุกร์ 09:00~18:00 น.

โทร : 07 223 1058

หากมีข้อสงสัยหรือคำถามที่ไม่ชัดเจนทางโทรศัพท์ โปรดอย่าลังเลที่จะส่งข้อความส่วนตัวถึงฉันทาง Facebook ~~

เฟซบุ๊ก HonWay: https://www.facebook.com/honwaygroup

คุณอาจสนใจ…