บทนำ
เนื่องจากอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์มีแนวโน้มที่จะมีขนาดเล็กลง ประสิทธิภาพสูงขึ้น และใช้พลังงานต่ำลง เทคโนโลยีการบรรจุภัณฑ์ระดับเวเฟอร์ (Wafer Level Package - WLP) จึงได้รับการยอมรับอย่างกว้างขวางในอุปกรณ์พกพา อุปกรณ์สวมใส่ แอปพลิเคชัน IoT และสาขาอื่นๆ ที่มีความต้องการสูง เนื่องจากข้อได้เปรียบด้านขนาดที่เหนือกว่า ประสิทธิภาพทางไฟฟ้า และคุณสมบัติทางความร้อน อย่างไรก็ตาม การออกแบบแผงวงจรพิมพ์ (Printed Circuit Board - PCB) สำหรับการบรรจุภัณฑ์ WLP นั้นมีความท้าทายที่ไม่เคยมีมาก่อน โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อต้องจัดการกับระยะห่างระหว่างลูกบอลที่ละเอียดมากถึง 0.4 มม. และ 0.5 มม. รายงานฉบับนี้จะนำเสนอการตรวจสอบอย่างครอบคลุมเกี่ยวกับข้อควรพิจารณาที่สำคัญ เทคนิคการออกแบบที่ใช้งานได้จริง ปัญหาที่อาจเกิดขึ้น และแนวทางแก้ไขสำหรับการออกแบบ PCB WLP ระยะห่าง 0.4 มม./0.5 มม.
บทที่ 1: ภาพรวมเทคโนโลยีการบรรจุภัณฑ์ WLP
1.1 คำจำกัดความและข้อดีของ WLP
การบรรจุภัณฑ์ระดับเวเฟอร์ (Wafer Level Packaging) เป็นเทคโนโลยีที่กระบวนการบรรจุภัณฑ์เสร็จสมบูรณ์โดยตรงบนเวเฟอร์ก่อนที่จะทำการตัดชิป วิธีการนี้มีข้อได้เปรียบที่สำคัญ:
-
การลดขนาด:
ขนาดของ WLP จะใกล้เคียงกับขนาดของชิป ทำให้ไม่ต้องใช้วัสดุรองรับเพิ่มเติม
-
ประสิทธิภาพทางไฟฟ้าที่ดีขึ้น:
ความยาวของการเชื่อมต่อที่สั้นลงช่วยลดค่าความเหนี่ยวนำและความจุไฟฟ้าแฝง
-
การจัดการความร้อนที่ดีขึ้น:
การเปิดรับชิปโดยตรงช่วยให้การระบายความร้อนดีขึ้น
-
การลดต้นทุน:
กระบวนการที่ง่ายขึ้นและการใช้วัสดุน้อยลงช่วยลดต้นทุนการบรรจุภัณฑ์
1.2 รูปแบบต่างๆ ของ WLP
การบรรจุภัณฑ์ WLP มีหลายรูปแบบ:
-
Fan-In WLP:
ลูกบอลจะอยู่ภายในพื้นที่ใช้งานของชิป ทำให้ขนาดของแพ็กเกจมีขนาดเล็กที่สุด
-
Fan-Out WLP:
ใช้ชั้นการกระจายใหม่ (Redistribution Layers - RDL) เพื่อขยายการเชื่อมต่อออกไปนอกพื้นที่ของชิป
-
eWLB (embedded Wafer Level BGA):
รวมชิปไว้ในเรซินอีพ็อกซี ก่อนที่จะดำเนินการ RDL
บทที่ 2: ข้อควรพิจารณาที่สำคัญสำหรับการออกแบบ PCB WLP ระยะห่าง 0.4 มม./0.5 มม.
2.1 หลักการพื้นฐานของการออกแบบแพด
รากฐานของการออกแบบ PCB WLP อยู่ที่การกำหนดค่าแพดที่แม่นยำ โดยมีสองแนวทางหลัก:
แพดแบบกำหนดโดยหน้าบัดกรี (Solder Mask Defined - SMD) Pads:
-
ข้อดี:
การยึดเกาะและความน่าเชื่อถือของแพดที่ดีขึ้น
-
ข้อเสีย:
พื้นที่สัมผัสทองแดงและพื้นที่การเดินสายลดลง
แพดแบบไม่กำหนดโดยหน้าบัดกรี (Non-Solder Mask Defined - NSMD) Pads:
-
ข้อดี:
พื้นที่เชื่อมต่อใหญ่ขึ้นและความยืดหยุ่นในการเดินสาย
-
ข้อเสีย:
ความแข็งแรงทางกลต่ำกว่า
2.2 การวิเคราะห์ระยะห่างและพื้นที่การเดินสาย
ระยะห่าง (ระยะห่างจากศูนย์กลางถึงศูนย์กลางของลูกบอล) เป็นตัวกำหนดข้อจำกัดในการออกแบบ:
ระยะห่าง 0.5 มม.:
ให้ระยะห่างประมาณ 19.7 มิล (mil) ซึ่งอนุญาตให้ใช้เส้นลวดขนาด 4 มิล (mil) ด้วยทองแดง 1 ออนซ์ (ความจุ 220mA)
ระยะห่าง 0.4 มม.:
ให้ระยะห่างเพียง 15.7 มิล (mil) จำกัดให้ใช้เส้นลวดกว้าง 2.7 มิล (mil) (ความจุ 160mA)
2.3 ความจุของกระแสและน้ำหนักทองแดง
ความจุของกระแสของเส้นลวดขึ้นอยู่กับความกว้างและความหนาของทองแดง:
-
ทองแดง 1 ออนซ์: เหมาะสำหรับการใช้งานกระแสต่ำ
-
ทองแดง 2 ออนซ์: รองรับความต้องการกระแสปานกลาง
-
ทองแดง 3 ออนซ์: จำเป็นสำหรับการใช้งานกระแสสูง
บทที่ 3: เทคนิคการออกแบบขั้นสูง
3.1 กลยุทธ์การใช้งาน Via
การออกแบบที่มีความหนาแน่นสูงต้องการวิธีการ Via ที่ซับซ้อน:
-
Through-hole vias:
พื้นฐานแต่กินพื้นที่มาก
-
Blind/buried vias:
ประหยัดพื้นที่แต่มีราคาสูงกว่า
-
Microvias:
โซลูชันที่ใช้เลเซอร์เจาะเพื่อความหนาแน่นสูงสุด
3.2 การจัดการความสมบูรณ์ของสัญญาณ
ข้อควรพิจารณาที่สำคัญ ได้แก่:
-
การควบคุมอิมพีแดนซ์ (50 โอห์ม แบบ single-ended, 100 โอห์ม แบบ differential)
-
การลดการสะท้อนผ่านการต่อปลายที่เหมาะสม
-
การลดสัญญาณรบกวนข้าม (crosstalk) ผ่านการเว้นระยะห่างที่เพียงพอ
บทที่ 4: แนวทางแก้ไขทางเลือกสำหรับความหนาแน่นสูงพิเศษ
เมื่อการเดินสายแบบทั่วไปไม่เพียงพอ:
-
Microvias ที่เจาะด้วยเลเซอร์:
โซลูชันที่มีความแม่นยำสูงแต่มีราคาสูง
-
การจัดเรียงลูกบอลแบบสลับฟันปลา:
สร้างพื้นที่การเดินสายเพิ่มเติม
-
การใช้ประโยชน์จากอาร์เรย์ลูกบอลบางส่วน:
การละเว้นขาบางส่วนอย่างมีกลยุทธ์เพื่อช่วยในการเดินสาย
บทที่ 5: การตรวจสอบและการทดสอบ
กระบวนการตรวจสอบที่จำเป็น ได้แก่:
-
การตรวจสอบกฎการออกแบบ (Design Rule Checks - DRC)
-
การจำลองความสมบูรณ์ของสัญญาณ
-
การวิเคราะห์ความร้อน
-
การทดสอบต้นแบบ
บทสรุป
การออกแบบ PCB WLP ระยะห่าง 0.4 มม./0.5 มม. ที่ประสบความสำเร็จนั้นต้องการการพิจารณาอย่างรอบคอบเกี่ยวกับประเภทของแพด การคำนวณความกว้างของเส้นลวดที่แม่นยำ และแนวทางแก้ไขที่สร้างสรรค์สำหรับความท้าทายในการเดินสาย ด้วยการนำแนวทางเหล่านี้ไปปฏิบัติ วิศวกรจะสามารถออกแบบที่ให้ประสิทธิภาพสูงและเชื่อถือได้ ซึ่งตรงตามความต้องการของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ขนาดเล็กสมัยใหม่ได้
