ดำน้ำลึกเข้าไปในบรรจุภัณฑ์ชิป: วิธีการย่อขนาดจาก QFP ถึง WLCSP ขับเคลื่อนการปฏิวัติการออกแบบ PCB

ความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีบรรจุภัณฑ์ทุกประการจะกำหนดขอบเขตทางกายภาพของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ใหม่.

ในสัปดาห์ที่ผ่านมา วิวัฒนาการของบรรจุภัณฑ์แบบชิป: จาก DIP สู่ X2SON – การย่อส่วนเปลี่ยนโฉมอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์อย่างไร, เราสำรวจยุคของบรรจุภัณฑ์แบบรูทะลุ (จุ่ม) และวิธีการติดตั้งอุปกรณ์บนพื้นผิว (จู่โจม, การสังเกตการณ์, ลูกชาย) เริ่มต้นการย่อขนาดอุปกรณ์. ในขณะที่เทคโนโลยีเหล่านี้วางรากฐานบรรจุภัณฑ์ที่ทันสมัย, ที่ การปฏิวัติการย่อขนาด ดำเนินต่อไป. วันนี้, เราตรวจสอบบรรจุภัณฑ์ที่มีความหนาแน่นสูงกว่า—ตั้งแต่แบบสี่แบนไปจนถึง CSP ระดับเวเฟอร์—และผลกระทบต่อแพ็คเกจเหล่านั้น การออกแบบ PCB ขีดจำกัด.

แพ็คเกจ Quad-Flat: สมดุลความหนาแน่นของอวกาศ

แพ็คเกจสี่แบน (MF, บมจ./คิวเอฟเจ, qfn) แสดงถึงวิวัฒนาการที่สำคัญไปสู่ความหนาแน่นของ I/O ที่สูงขึ้นโดยการใช้ขอบของแพ็คเกจทั้งสี่.

MF: ผู้บุกเบิกความหนาแน่นปีกนางนวล

MF (แพ็คเกจสี่แบน) คุณสมบัติที่โดดเด่น “ปีกนางนวล” (รูปตัว L) นำไปสู่การขยายจากทุกด้าน. ของมัน พินพิน (0.4มม./0.5มม./0.65มม) สั่งการ การกำหนดเส้นทาง PCB ความหนาแน่นและความแม่นยำในการบัดกรี.

ตัวแปร QFP:

• ขนาด/ความหนา: LQFP (โปรไฟล์ต่ำ), ทีคิวเอฟพี (บาง), วีคิวเอฟพี (บางมาก)

• วัสดุ: PQFP (พลาสติก), MQFP (โลหะ)

• ปรับปรุงความร้อน: กองบัญชาการกองบัญชาการ, HLQFP, HTQFP, HVQFP

• การป้องกัน: Bqfp (กันชน—แผ่นปิดมุมป้องกันไม่ให้สายงอ)

การจัดการระบายความร้อนเป็นสิ่งสำคัญ. สูตรต้านทานความร้อนแบบแยกต่อสิ่งแวดล้อม θja = (ทีจ-ตา)/P (ที่ไหน ทีจ= อุณหภูมิทางแยก, เผชิญหน้า= อุณหภูมิโดยรอบ, P=พลัง) ควบคุมการออกแบบการกระจายความร้อน.

บมจ./คิวเอฟเจ: ความมั่นคงผ่าน J-Leads

บมจ (ผู้ให้บริการชิปพลาสติกตะกั่ว) หรือคิวเอฟเจ (Quad Flat J-ลีด) ใช้สายวัดรูปตัว J ที่โค้งงอลงเพื่อความเสถียรทางกลต่อแรงสั่นสะเทือน/ความเครียดจากความร้อน.

 

ข้อได้เปรียบด้านมาตรฐาน: ความเข้ากันได้สูงของ PLCC/QFJ กับซ็อกเก็ตทดสอบสากลทำให้การทดสอบการผลิตมีความคล่องตัว. แม้ว่า QFJ จะมีความแม่นยำทางเทคนิคก็ตาม, “บมจ” ยังคงเป็นที่ต้องการของอุตสาหกรรม.

qfn: ความก้าวหน้าของการย่อส่วนแบบไร้สารตะกั่ว

qfn (Quad Flat ไม่มีสารตะกั่ว) กำจัดโอกาสในการขายภายนอก, เชื่อมต่อผ่าน:

• สัมผัสแผ่น (อีพี): เส้นทางระบายความร้อนโดยตรงไปยัง พีซีบี ทองแดง

• สีข้างที่เปียกได้: แผ่นบัดกรีติดผนังด้านข้าง

ข้อดีที่สำคัญ:

• กะทัดรัดเป็นพิเศษ: 40% เล็กกว่า QFP

• ความเหนือกว่าทางไฟฟ้า: เส้นทางที่สั้นกว่าจะลดการเหนี่ยวนำของปรสิต (ลิตร หยาบคาย ไมโครลิตร/วัตต์)

• ประสิทธิภาพเชิงความร้อน: θja ต่ำกว่าเทียบกับ. QFP ขนาดเดียวกัน

วิวัฒนาการความหนา: LQFN → UQFN → VQFN → WQFN → X1QFN → X2QFN. แอลซีซี (แอล.ซี.ซี./แอล.ซี.ซี) คือเซรามิก/พลาสติกไร้สารตะกั่ว.

แพ็คเกจอาร์เรย์: ปฏิวัติขีดจำกัดความหนาแน่น

เมื่อ quad-flat ถึงขีดจำกัด I/O, แพ็คเกจอาร์เรย์ (แอลจีเอ, BGA) เปิดใช้งานความหนาแน่นของการเชื่อมต่อระหว่างกัน 2D.

แอลจีเอ: การเชื่อมต่อแบบยืดหยุ่นที่แม่นยำ

แอลจีเอ (อาร์เรย์กริดที่ดิน) ใช้หน้าสัมผัสโลหะที่จัดตำแหน่งอย่างแม่นยำ (เช่น, แอลจีเอ775: 775 ผู้ติดต่อ) ผสมพันธุ์กับหมุดซ็อกเก็ต.

ค่าหลัก:

• ความสามารถในการเสียบปลั๊ก: การอัพเกรด/บำรุงรักษา CPU

• ความเหนี่ยวนำต่ำ: เส้นทางสัญญาณสั้น

• ความน่าเชื่อถือสูง: เหมาะสำหรับซีพียู (อินเทล/เอเอ็มดี)

ข้อจำกัด: ต้นทุน/ขนาดซ็อกเก็ตที่สูงเอื้อต่อ BGA ในอุปกรณ์ขนาดกะทัดรัด. บันทึก: LGA สามารถบัดกรี direct-SMT ได้.

BGA: การครอบงำบอลประสาน

BGA (อาร์เรย์กริดบอล) เชื่อมต่อผ่านเมทริกซ์บอลประสาน. สนามบอล (0.3–1.0mm; <0.2มม. สำหรับ FBGA) เป็นสิ่งสำคัญ.

ข้อดีการเปลี่ยนแปลง:

• ความหนาแน่นสูง: >1,000 ฉัน/พวกเรา (VS. QFP ~300)

• ประหยัดพื้นที่: 30%+ การลดพื้นที่เทียบกับ. MF

• ไฟฟ้า/ความร้อน: ความล่าช้าของสัญญาณต่ำ; ลูกบอลนำความร้อน

• การจัดตำแหน่งตนเอง: การประกอบตัวช่วยแรงตึงผิว

ครอบครัวบีจีเอ:

• วัสดุ: พีบีก้า (พลาสติก), CBGA/CABGA (เซรามิค)

• ขนาด/ระยะพิทช์: nFBGA/FBGA (ปรับระดับเสียง), ไทนี่บกา, DSBGA/WCSP (ขนาดแม่พิมพ์), แอลเอฟบีจีเอ/วีเอฟบีจีเอ (บาง)

• การรวมเข้าด้วยกัน:

  • เอฟซีบีจีเอ (พลิกชิป): การเชื่อมต่อแบบดายกับพื้นผิวโดยตรงผ่านไมโครบัมเปอร์

  • โผล่ (แพ็คเกจบนแพ็คเกจ): การวางซ้อนในแนวตั้ง (เช่น, ตรรกะ + หน่วยความจำ)

  • PG-WF2BGA: บรรจุภัณฑ์ระดับเวเฟอร์แบบพัดออก

ความท้าทาย: การตรวจเอ็กซ์เรย์ (แอ็กซี่), การทำงานซ้ำที่ซับซ้อน, การจับคู่ CTE วัสดุ PCB.

การเปรียบเทียบแพ็คเกจอาร์เรย์

ชิปขนาด & แพ็คเกจระดับเวเฟอร์: เข้าใกล้ขีดจำกัดทางกายภาพ

CSP: กำหนดขอบเขตขนาดใหม่

CSP (แพ็คเกจเครื่องชั่งชิป) ตัวชี้วัดที่สำคัญ: ขนาดบรรจุภัณฑ์ ≤ 1.2× ขนาดแม่พิมพ์ (VS. 2–5× สำหรับแบบดั้งเดิม). BGA ย่อส่วนโดยพื้นฐานแล้ว (FBGA/VFBGA) ด้วยระดับเสียงที่ละเอียดยิ่งขึ้น (0.2–0.5มม).

ค่า: การย่อขนาดขั้นสูงสุดสำหรับอุปกรณ์สวมใส่/เซ็นเซอร์.

WlcSp: การปฏิวัติระดับเวเฟอร์

การบรรจุ WLCSP/Wafer-Level เสร็จสิ้นทุกขั้นตอน (อาร์ดีแอล, การตีลูก) บนเวเฟอร์ก่อนหั่นเป็นลูกเต๋า.

ข้อดีที่ก่อกวน:

• ขนาดที่เล็กที่สุด: ➤ ขนาดแม่พิมพ์

• การลดต้นทุน: 30-50% ถูกกว่า (ไม่มีสารตั้งต้น/การขึ้นรูป)

• ประสิทธิภาพสูงสุด: การเชื่อมต่อที่สั้นที่สุด, ปรสิตต่ำสุด

ประเภท WLCSP:

1. แฟนอิน WLCSP:

   • ลูกบอลภายในพื้นที่ตาย

   • ขนาดบรรจุภัณฑ์ = ขนาดแม่พิมพ์

   • ต้นทุนต่ำสำหรับเซ็นเซอร์/PMIC

2. WLCSP แบบกระจายออก (เช่น, ข้อมูลทีเอสเอ็มซี, ซัมซุง FO-PLP):

   • ลูกบอลขยายออกไปเกินกว่าจะตาย

   • ขนาดบรรจุภัณฑ์ > ขนาดตาย

   • ความหนาแน่นของ I/O ที่สูงขึ้น, การรวมหลายชิป

   • สำหรับโมดูล SoCs/RF ระดับพรีเมียม

รหัสภาพ: ซิลิกอนที่ไม่มีการห่อหุ้ม (VS. DFN ที่ขึ้นรูปด้วยเรซิน).

สัณฐานวิทยาของบรรจุภัณฑ์ & เทคนิคการติด

แบบฟอร์มแพ็คเกจภายนอก (QFP/BGA/WLCSP) และพันธะภายในนั้นเชื่อมโยงกันภายใน:

• การติดลวด:

  • เป็นผู้ใหญ่, ต้นทุนต่ำ

  • ครอง QFP/QFN/BGA ระดับกลาง

  • มี/มีสายไฟ; I/O ปานกลาง

• พลิกชิป:

  • ดายแนบคว่ำหน้าด้วยไมโครบัม

  • การเชื่อมต่อที่สั้นที่สุด, ความเหนี่ยวนำต่ำสุด

  • จำเป็นสำหรับ FCBGA/WLCSP/CSP ประสิทธิภาพสูง

บทสรุป & พรมแดนในอนาคต

จาก QFP ไปจนถึง LGA/BGA และสุดท้ายคือ CSP/WLCSP, วิวัฒนาการของบรรจุภัณฑ์ชิปคือก พงศาวดารของการบีบอัดพื้นที่, ประสิทธิภาพเพิ่มขึ้น, และการเพิ่มประสิทธิภาพต้นทุน. การย่อส่วนแบบก้าวกระโดดแต่ละครั้งจะปรับโฉมการออกแบบ PCB ใหม่—ขับร่องรอยที่ละเอียดยิ่งขึ้น, หลายชั้น HDI, และวัสดุขั้นสูง.

ชายแดนถัดไป: เทคโนโลยีเช่น TSV (ผ่านซิลิคอนผ่าน), จิบ (ระบบในแพ็คเกจ), และ 2.5D/3D IC ช่วยให้สามารถบูรณาการ 3D Heterogeneous ได้แล้ว, ผลักดันการออกแบบ PCB ไปสู่มิติใหม่ รับชมได้ในบทความถัดไปของเรา.

เมื่อทรานซิสเตอร์หนึ่งพันล้านตัวบรรจุอยู่ในบรรจุภัณฑ์ขนาดเท่าเม็ดทราย, การต่อสู้ทางวิศวกรรมอิเล็กทรอนิกส์ในระดับโมเลกุล.