การติดชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ (Die Attach) กับการเชื่อมต่อสายไฟ (Wire Bonding): แตกต่างกันอย่างไร?
การติดชิ้นส่วนและการเชื่อมต่อสายไฟทำหน้าที่สองอย่างที่แตกต่างกันแต่เกี่ยวข้องกันอย่างใกล้ชิดในกระบวนการบรรจุภัณฑ์เซมิคอนดักเตอร์แบบดั้งเดิม การยึดชิ้นส่วนเซมิคอนดักเตอร์ (Die attach) เป็นการยึดชิ้นส่วนเซมิคอนดักเตอร์เข้ากับโครงตะกั่ว (lead frame), แผ่นรองรับ (substrate), ฐานบรรจุภัณฑ์ (package base) หรือแผ่นกระจายความร้อน (heat spreader) จากนั้นการเชื่อมต่อด้วยลวด (Wire bonding) จะสร้างการเชื่อมต่อทางไฟฟ้าขึ้นระหว่างแผ่นรองชิ้นส่วนเซมิคอนดักเตอร์ (die pads) กับตะกั่วในบรรจุภัณฑ์หรือลายวงจรบนแผ่นรองรับ กล่าวโดยง่าย การยึดชิ้นส่วนเซมิคอนดักเตอร์เป็นการสร้างฐานทางกายภาพ ในขณะที่การเชื่อมต่อด้วยลวดเป็นการสร้างเส้นทางไฟฟ้า
การเข้าใจความแตกต่างเป็นสิ่งสำคัญเมื่อประเมินกระบวนการบรรจุภัณฑ์ วินิจฉัยข้อบกพร่องในการประกอบ หรือเลือกอุปกรณ์สำหรับการเชื่อมชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์และการเชื่อมลวด บทความนี้จะเปรียบเทียบหน้าที่ วัสดุ ลำดับขั้นตอน ตัวชี้วัดคุณภาพ และข้อกำหนดของอุปกรณ์ทั้งสองประเภท
1. การยึดแม่พิมพ์คืออะไร?
การติดชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ (Die attach) หรือที่เรียกว่าการเชื่อมชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ (Die bonding) หรือการติดตั้งชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ (Die mounting) คือกระบวนการวางและเชื่อมชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ที่แยกออกจากกันอย่างแม่นยำลงบนตัวรองรับ โดยขึ้นอยู่กับการออกแบบบรรจุภัณฑ์ ตัวรองรับอาจเป็นแผ่นตะกั่ว (lead frame) วัสดุเซรามิกหรือวัสดุอินทรีย์ ฐานบรรจุภัณฑ์ หรือแผ่นระบายความร้อน
ในแพ็คเกจเชื่อมต่อสายไฟแบบหงายหน้าตามปกติ การยึดชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ (die attach) มักจะเสร็จสิ้นก่อนการเชื่อมต่อสายไฟ วัสดุและกระบวนการยึดที่เลือกใช้จะต้องยึดชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ให้อยู่ในตำแหน่งที่ถูกต้อง พร้อมทั้งต้องตรงตามข้อกำหนดด้านความร้อน ไฟฟ้า และความน่าเชื่อถือของอุปกรณ์ด้วย
หน้าที่หลักของอุปกรณ์ยึดแม่พิมพ์
- การรองรับเชิงกล ชั้นยึดเกาะนี้จะช่วยป้องกันไม่ให้แม่พิมพ์เลื่อน เอียง ยกตัว หรือแยกออกจากกันในระหว่างกระบวนการต่างๆ ในภายหลัง เช่น การอบแห้ง การเชื่อมต่อสายไฟ การขึ้นรูป และการทดสอบ
- การจัดการความร้อน ชั้นยึดติดสามารถเป็นเส้นทางถ่ายเทความร้อนจากชิปไปยังโครงสร้างของบรรจุภัณฑ์ ซึ่งมีความสำคัญอย่างยิ่งสำหรับอุปกรณ์ไฟฟ้าและชิ้นส่วนอื่นๆ ที่สร้างความร้อน
- เชื่อมต่อไฟฟ้าเมื่อจำเป็น อีพ็อกซีนำไฟฟ้า บัดกรี โลหะผสมยูเทคติก และวัสดุเผาผนึก อาจทำหน้าที่เป็นตัวนำลงดินหรือตัวนำกระแสไฟฟ้าผ่านด้านหลังของชิป ขึ้นอยู่กับการออกแบบอุปกรณ์
วิธีการยึดแม่พิมพ์ทั่วไป
- การยึดติดด้วยอีพ็อกซี่หรืออีพ็อกซี่ผสมเงิน
- การเชื่อมประสานแบบยูเทคติก รวมถึงกระบวนการ AuSn
- การยึดติดชิ้นส่วนด้วยการบัดกรีอ่อน
- การเผาผนึกโดยใช้แรงดันช่วยหรือแบบไม่ใช้แรงดัน สำหรับการใช้งานในอุปกรณ์ไฟฟ้าบางประเภท
อุปกรณ์ยึดแม่พิมพ์ทั่วไป
อุปกรณ์ยึดแม่พิมพ์ อาจรวมถึงเครื่องเชื่อมชิ้นส่วนอัตโนมัติ, เครื่องเชื่อมชิ้นส่วนแบบยูเทคติก, ระบบจ่ายกาว, ระบบเชื่อมชิ้นส่วนด้วยการบัดกรี และระบบการเผาผนึก ปัจจัยสำคัญในการเลือก ได้แก่ ความแม่นยำในการวางตำแหน่ง ขนาดและความหนาของชิ้นส่วน วัสดุที่ใช้ในการเชื่อม การควบคุมอุณหภูมิและแรง การจัดการพื้นผิว การจัดแนวด้วยระบบวิชั่น และกำลังการผลิตที่ต้องการ
2. การเชื่อมต่อสายไฟคืออะไร?
การเชื่อมต่อด้วยลวด (Wire bonding) เป็นกระบวนการเชื่อมต่อที่ใช้ลวดโลหะเส้นเล็กหรือริบบิ้นเชื่อมต่อแผ่นเชื่อมต่อ (bond pads) บนชิปเซมิคอนดักเตอร์เข้ากับขั้วไฟฟ้าหรือลายนำไฟฟ้าบนพื้นผิวของตัวบรรจุภัณฑ์ การเชื่อมต่อเหล่านี้จะส่งพลังงานและสัญญาณไฟฟ้าไปมาระหว่างชิปเซมิคอนดักเตอร์กับวงจรภายนอก
ในบรรจุภัณฑ์ทั่วไปหลายๆ แบบ การเชื่อมต่อสายไฟจะเกิดขึ้นหลังจากติดชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ (die attach) เรียบร้อยแล้ว และขั้นตอนการอบแห้ง การหลอม การทำความสะอาด หรือการเตรียมพื้นผิวที่จำเป็นต่างๆ ได้เสร็จสิ้นลงแล้ว
หน้าที่หลักของการเชื่อมต่อสายไฟ
- การเชื่อมต่อทางไฟฟ้า การเชื่อมต่อด้วยลวดจะสร้างเส้นทางนำไฟฟ้าสำหรับการส่งกำลังไฟฟ้า กราวด์ และสัญญาณ
- การสร้างลูปแบบควบคุม ลวดที่เป็นห่วงจะต้องคงความสูง ความยาว ระยะห่าง และรูปทรงตามที่กำหนด โดยไม่สัมผัสกับลวดอื่นๆ พื้นผิวของบรรจุภัณฑ์ หรือส่วนประกอบอื่นๆ ของตัวห่อหุ้ม
- การยึดติดทางโลหะวิทยาที่เชื่อถือได้ การเชื่อมต่อครั้งแรกและครั้งที่สองต้องมีความแข็งแรงและความสม่ำเสมอเพียงพอ โดยต้องหลีกเลี่ยงความเสียหายของแผ่นรอง การเกิดหลุม การเสียรูปมากเกินไป หรือการขาดของลวด
วัสดุสายไฟและประเภทการเชื่อมต่อที่ใช้กันทั่วไป
- ลวดทองคำและลวดทองแดงถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในงานเชื่อมต่อลูกบอล (ball bonding)
- ลวดและริบบิ้นอะลูมิเนียมมักใช้ในการเชื่อมแบบลิ่ม (wedge bonding)
- ลวดและแถบอะลูมิเนียมหรือทองแดงที่มีความหนา ถูกนำมาใช้ในโมดูลเซมิคอนดักเตอร์กำลังและอุปกรณ์กระแสสูง
อุปกรณ์เชื่อมต่อสายไฟทั่วไป
อุปกรณ์เชื่อมต่อสายไฟ ประกอบด้วยเครื่องเชื่อมลูกบอลอัตโนมัติ เครื่องเชื่อมลิ่ม เครื่องเชื่อมลวดแบบเข้าถึงลึก และเครื่องเชื่อมลวดหนาหรือริบบิ้น ปัจจัยสำคัญในการเลือก ได้แก่ วัสดุและเส้นผ่านศูนย์กลางของลวด ระยะห่างของแผ่นรอง พื้นที่การเชื่อม ความลึกของบรรจุภัณฑ์ ข้อกำหนดของลูป การควบคุมด้วยคลื่นอัลตราโซนิคและแรง ความสามารถในการมองเห็น อัตราการผลิต และฟังก์ชันการตรวจสอบกระบวนการ
3. การติดชิ้นส่วนและการเชื่อมต่อสายไฟมีบทบาทอย่างไรในกระบวนการบรรจุภัณฑ์?
กระบวนการผลิตแบบย่อสำหรับแพ็คเกจไอซีแบบต่อสายทั่วไปมีดังนี้:
การเจียรด้านหลังเวเฟอร์ → การตัดเวเฟอร์ → การติดชิ้นส่วนได → การอบ/การหลอม/การเผาผนึก → การเตรียมพื้นผิวตามต้องการ → การเชื่อมต่อสายไฟ → การขึ้นรูปหรือการห่อหุ้ม → การตัดแต่งและขึ้นรูป → การทดสอบและการคัดแยกขั้นสุดท้าย
*ลำดับที่แน่นอนจะแตกต่างกันไปตามสถาปัตยกรรมของบรรจุภัณฑ์ วัสดุ และข้อกำหนดในการผลิต โครงสร้างบรรจุภัณฑ์ขั้นสูง เช่น ฟลิปชิป คลิปแอกแท็ก ระดับเวเฟอร์ และอื่นๆ อาจใช้กระบวนการเชื่อมต่อที่แตกต่างกัน
4. ความแตกต่างที่สำคัญระหว่างการยึดชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ (Die Attach) และการเชื่อมต่อสายไฟ (Wire Bonding)
| รายการเปรียบเทียบ | ไดอะแพตตี้ | การเชื่อมต่อสายไฟ |
| ตำแหน่งกระบวนการ | โดยปกติจะทำก่อนการเชื่อมต่อสายไฟในแพ็คเกจแบบทั่วไป | โดยปกติจะเป็นขั้นตอนหลังจากการติดชิ้นส่วนและการดำเนินการขั้นกลางที่จำเป็น |
| วัตถุประสงค์หลัก | ยึดชิ้นส่วนให้แน่นและรองรับข้อกำหนดด้านความร้อนหรือไฟฟ้า | เชื่อมต่อแผ่นรองชิปเข้ากับขาแพ็คเกจหรือลายวงจรบนพื้นผิว |
| อินเทอร์เฟซหลัก | ด้านหลังหรือพื้นผิวยึดของชิ้นส่วนกับตัวยึด | แผ่นยึดด้านบนเชื่อมต่อกับจุดเชื่อมต่อภายนอก |
| วัสดุทั่วไป | อีพ็อกซี, อีพ็อกซีสีเงิน, บัดกรี, โลหะผสมยูเทคติก, วัสดุเผาผนึก | ลวดหรือริบบิ้นทองคำ ทองแดง หรืออลูมิเนียม |
| ตัวชี้วัดคุณภาพที่สำคัญ | ความแม่นยำในการวางตำแหน่ง การเอียงของแม่พิมพ์ ความหนาของแนวเชื่อม ช่องว่าง การยึดเกาะ หรือความแข็งแรงในการเฉือน | ความแข็งแรงของพันธะ การเสียรูป รูปทรงของห่วง ความต่อเนื่อง ผลลัพธ์จากการดึงหรือเฉือน |
| ข้อบกพร่องทั่วไป | การเลื่อนของแม่พิมพ์ การเอียงของแม่พิมพ์ การยึดเกาะไม่เพียงพอ การล้น การปนเปื้อน ช่องว่าง | การเชื่อมต่อที่ไม่แน่น การเชื่อมต่อที่อ่อนแอ การเชื่อมต่อที่หลุด สายไฟขาด การลัดวงจร วงจรเปิด รูปทรงวงจรที่ไม่ดี |
| อุปกรณ์ทั่วไป | เครื่องเชื่อมได, เครื่องเชื่อมยูเทคติก, เครื่องจ่ายสารบัดกรี หรือระบบเผาผนึก | เครื่องเชื่อมลูกบอล, เครื่องเชื่อมลิ่ม, เครื่องเชื่อมแบบเข้าถึงลึก, เครื่องเชื่อมลวดหนา |
5. คุณภาพการยึดติดของแม่พิมพ์ส่งผลต่อการเชื่อมต่อสายไฟอย่างไร?
แม้ว่าทั้งสองกระบวนการจะใช้วัสดุและเครื่องจักรที่แตกต่างกัน แต่การยึดติดของชิ้นส่วนที่ไม่ดีอาจลดความเสถียรของการเชื่อมต่อสายไฟได้ ปฏิกิริยาที่พบบ่อย ได้แก่:
- การเลื่อนของแม่พิมพ์ แผ่นเชื่อมต่ออาจไม่ตรงกับพิกัดการเชื่อมต่อที่ตั้งโปรแกรมไว้ ซึ่งเพิ่มความเสี่ยงต่อการเชื่อมต่อที่ไม่ตรงตำแหน่งหรือความล้มเหลวในการจัดแนว
- การเอียงของแม่พิมพ์หรือความหนาของแนวเชื่อมที่ไม่สม่ำเสมอ การเปลี่ยนแปลงความสูงและความเรียบของแม่พิมพ์อาจส่งผลต่อจุดโฟกัส ความสม่ำเสมอของแรงยึดติด ความสูงของห่วง และระยะห่างของเครื่องมือ
- ความแข็งแรงในการยึดติดไม่เพียงพอ แม่พิมพ์อาจเคลื่อนที่ภายใต้แรงยึดติดหรือพลังงานอัลตราโซนิก ส่งผลให้เกิดการยึดติดที่ไม่มั่นคงหรืออ่อนแอ
- กาวล้นหรือพื้นผิวปนเปื้อน การปนเปื้อนบริเวณใกล้เคียงกับแผ่นรองรับอาจขัดขวางการยึดติดทางโลหะวิทยาที่เหมาะสม และทำให้เกิดการยึดติดที่ไม่แน่นหรือการหลุดลอกได้
- การเกิดช่องว่างหรือการบิดเบี้ยวมากเกินไป สภาวะเหล่านี้อาจทำให้เสถียรภาพทางความร้อนหรือทางกลลดลง และส่งผลให้ช่วงการทำงานของกระบวนการเชื่อมต่อสายไฟแคบลงโดยทางอ้อม
ด้วยเหตุนี้ จึงควรตรวจสอบตำแหน่งของแม่พิมพ์ ความเรียบ การยึดเกาะ ความสะอาด และสภาวะการอบแห้งก่อนเริ่มการเชื่อมต่อสายไฟ การควบคุมต้นทางที่เสถียรจะช่วยลดปริมาณการชดเชยที่จำเป็นในขั้นตอนการเชื่อมต่อสายไฟ
6. บทสรุป
ความแตกต่างหลักระหว่างการยึดชิป (die attach) และการเชื่อมต่อด้วยลวด (wire bonding) นั้นตรงไปตรงมา: การยึดชิปเป็นการยึดชิปเซมิคอนดักเตอร์ ในขณะที่การเชื่อมต่อด้วยลวดเป็นการเชื่อมต่อชิปเข้ากับตัวบรรจุภัณฑ์ทางไฟฟ้า อย่างไรก็ตาม การบรรจุภัณฑ์ที่เชื่อถือได้นั้นขึ้นอยู่กับมากกว่าแค่การทำสองขั้นตอนให้ถูกต้องตามลำดับ ความแม่นยำในการวางตำแหน่ง ความเข้ากันได้ของวัสดุ ความสะอาดของพื้นผิว ความแข็งแรงของพันธะ การควบคุมวงจร พฤติกรรมทางความร้อน และความเสถียรของอุปกรณ์ ล้วนส่งผลต่อผลผลิตขั้นสุดท้ายและความน่าเชื่อถือของอุปกรณ์
ไฮร์นัส จัดจำหน่ายอุปกรณ์เชื่อมต่อชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ (Die Bonding Equipment) และอุปกรณ์เชื่อมต่อสายไฟ (Wire Bonding Equipment) สำหรับการบรรจุภัณฑ์เซมิคอนดักเตอร์ อุปกรณ์ออปโตอิเล็กทรอนิกส์ อุปกรณ์กำลังไฟฟ้า MEMS วงจรไฮบริด และงานประกอบอื่นๆ ที่เกี่ยวข้อง สำหรับบรรจุภัณฑ์หรือกระบวนการผลิตใหม่ ติดต่อทีมวิศวกรของเรา โดยพิจารณาจากข้อกำหนดด้านแม่พิมพ์ วัสดุตั้งต้น วัสดุ ความแม่นยำ และกำลังการผลิต เพื่อประเมินการกำหนดค่าอุปกรณ์ที่เหมาะสม
คำถามที่พบบ่อย
การติดชิ้นส่วนด้วยกาว (Die Attach) เหมือนกับการเชื่อมชิ้นส่วนด้วยโลหะ (Die Bonding) หรือไม่?
ในบริบทการประกอบเซมิคอนดักเตอร์ส่วนใหญ่ คำศัพท์ทั้งสองคำนี้ใช้แทนกันได้ “การติดชิ้นส่วน” (Die attach) เน้นที่กระบวนการ ในขณะที่ “การเชื่อมชิ้นส่วน” (Die bonder) มักหมายถึงอุปกรณ์ที่ใช้ในการวางและเชื่อมชิ้นส่วน
การเชื่อมต่อสายไฟต้องทำทันทีหลังจากติดชิ้นส่วนไดคัทเสร็จเสมอหรือไม่?
ไม่จำเป็นเสมอไป อาจต้องมีขั้นตอนการอบแห้ง การหลอม การเผาผนึก การทำความสะอาดด้วยพลาสมา หรือการตรวจสอบระหว่างขั้นตอนเหล่านั้น อย่างไรก็ตาม ต้องยึดชิ้นส่วนให้แน่นก่อนจึงจะสามารถทำการเชื่อมต่อสายไฟแบบปกติโดยหงายหน้าขึ้นได้
การเชื่อมต่อด้วยลวดสามารถใช้แทนการยึดชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ได้หรือไม่?
ไม่ พวกมันมีหน้าที่แตกต่างกันในแพ็คเกจแบบต่อสายแบบดั้งเดิม สถาปัตยกรรมทางเลือกอื่นๆ เช่น ฟลิปชิปหรือการเชื่อมต่อด้วยคลิปทองแดง อาจเข้ามาแทนที่การต่อสาย หรือรวมการยึดและการเชื่อมต่อทางไฟฟ้าเข้าด้วยกันในรูปแบบที่แตกต่างออกไป
ข้อมูลใดบ้างที่จำเป็นต้องทราบก่อนเลือกอุปกรณ์?
ระบุขนาดของแม่พิมพ์และวัสดุรองรับ โครงสร้างของบรรจุภัณฑ์ วัสดุเชื่อมต่อ ความแม่นยำที่ต้องการ ข้อกำหนดของลวดหรือริบบิ้น อุณหภูมิและแรงกดที่ต้องการในกระบวนการ กำลังการผลิตที่คาดหวัง และระดับการทำงานอัตโนมัติ
