การเชื่อมชิ้นส่วนด้วยความร้อน (Die Bonding) กับการเชื่อมชิ้นส่วนด้วยลวด (Wire Bonding): แต่ละกระบวนการทำงานอย่างไร

ชิปเซมิคอนดักเตอร์เปล่าๆ ที่เพิ่งแกะออกจากแผ่นเวเฟอร์นั้น ไม่มีขา ไม่มีบรรจุภัณฑ์ และไม่มีวิธีเชื่อมต่อกับอะไรเลย การทำให้มันกลายเป็นอุปกรณ์ที่ใช้งานได้นั้นต้องอาศัยสองขั้นตอนที่แยกจากกัน ซึ่งมักถูกพูดถึงรวมกันในการสนทนาทั่วไป แต่จริงๆ แล้วมีวัตถุประสงค์ที่แตกต่างกันอย่างสิ้นเชิง การเชื่อมชิป (Die bonding) คือการติดชิปเข้ากับแผ่นรองรับ ส่วนการเชื่อมสายไฟ (Wire bonding) คือการเชื่อมต่อทางไฟฟ้าจากพื้นผิวของชิปไปยังโลกภายนอก ขั้นตอนหนึ่งจะเสร็จสิ้นก่อนที่อีกขั้นตอนหนึ่งจะเริ่มต้น และทั้งสองขั้นตอนไม่สามารถทดแทนข้อบกพร่องของอีกขั้นตอนหนึ่งได้

ที่มาของความสับสน

ทั้งสองกระบวนการเกิดขึ้นภายในสายการผลิตบรรจุภัณฑ์เดียวกัน บ่อยครั้งที่อยู่ห่างกันเพียงไม่กี่เมตร ทั้งสองเกี่ยวข้องกับการวางตำแหน่งที่แม่นยำและพลังงานความร้อน ทั้งสองมองไม่เห็นในผลิตภัณฑ์สำเร็จรูป ความคล้ายคลึงกันบนพื้นผิวนี้ทำให้หลายคนเข้าใจผิดคิดว่าเป็นเพียงขั้นตอนเดียวกัน แต่ความจริงแล้วไม่ใช่

วิธีที่ง่ายที่สุดที่จะแยกแยะความแตกต่างระหว่างสองสิ่งนี้คือ: การเชื่อมชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ (Die bonding) เกี่ยวข้องกับตำแหน่งและความร้อน ส่วนการเชื่อมสายไฟ (Wire bonding) เกี่ยวข้องกับกระแสไฟฟ้าและสัญญาณ

การยึดติดของชิป: ทำให้ชิปอยู่กับที่

กระบวนการยึดติดชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ (Die bonding) หรือบางครั้งเรียกว่า การติดชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ (Die attach) เริ่มต้นด้วยการเคลื่อนที่แบบหยิบและวาง หัวฉีดสุญญากาศจะยกชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์แต่ละชิ้นออกจากแผ่นเวเฟอร์ ระบบการมองเห็นจะจัดตำแหน่งชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ให้ตรงกับตำแหน่งเป้าหมายบนโครงนำหรือพื้นผิว หัวฉีดจะลดระดับลงและกดชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ลงในกาวในปริมาณที่กำหนด หรือลงบนพื้นผิวโลหะที่ร้อน

สิ่งที่ใช้ยึดแม่พิมพ์ให้อยู่กับที่หลังจากนั้น ขึ้นอยู่กับวัสดุที่เลือกใช้

อีพ็อกซี่ที่มีส่วนผสมของเงินยังคงเป็นวัสดุหลักที่ใช้ในการผลิตชิปสำหรับผู้บริโภคและอุตสาหกรรมส่วนใหญ่ มันแข็งตัวได้ที่อุณหภูมิปานกลาง ทนต่อการจ่ายวัสดุด้วยความเร็วสูง และนำความร้อนและไฟฟ้าได้ดีพอสำหรับการใช้งานทั่วไป

การเชื่อมแบบยูเทคติกใช้วิธีการที่แตกต่างออกไป ระบบทองคำ-ซิลิคอนหรือทองคำ-ดีบุกจะสร้างพันธะโลหะผสมที่อุณหภูมิสูงกว่า 280 องศาเซลเซียส พันธะที่ได้จะมีคุณสมบัติทนความร้อนต่ำกว่าอีพ็อกซีหลายเท่า ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมทรานซิสเตอร์กำลังสูง ไดโอดเลเซอร์ และ LED กำลังสูงจึงใช้การเชื่อมแบบนี้ แม้ว่าจะมีต้นทุนสูงกว่าและต้องใช้กระบวนการผลิตที่จำกัดกว่าก็ตาม

ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา เงินเผาผนึกได้รับความนิยมมากขึ้นสำหรับอุปกรณ์ที่ทำจากซิลิคอนคาร์ไบด์และแกลเลียมไนไตรด์ อนุภาคเงินจะหลอมรวมกันเป็นชั้นที่มีรูพรุนแต่มีคุณสมบัติการนำไฟฟ้าสูงที่อุณหภูมิต่ำกว่าจุดหลอมเหลวของเงินมาก รอยต่อที่ได้สามารถทนต่ออุณหภูมิที่สูงกว่าตะกั่วบัดกรี ทำให้เป็นวัสดุที่น่าสนใจสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ใต้ฝากระโปรงและมอเตอร์ขับเคลื่อนในอุตสาหกรรม

โดยทั่วไปแล้วชั้นยึดชิปจะมีความหนาเพียงไม่กี่ไมโครเมตรถึงไม่กี่สิบไมโครเมตรเท่านั้น ด้วยความบางเช่นนี้ ชั้นนี้จึงอยู่ตรงเส้นทางความร้อนหลักพอดี ช่องว่างทุกจุด รอยแยกทุกจุด และรอยแตกทุกรอย ล้วนเพิ่มความต้านทานความร้อน ชั้นยึดชิปที่มีช่องว่าง 50% สามารถทำให้อุณหภูมิของจุดเชื่อมต่อสูงขึ้นหลายสิบองศาเมื่อเทียบกับจุดเชื่อมต่อที่ไม่มีช่องว่าง ภายใต้ภาระทางไฟฟ้าที่เท่ากัน การเชื่อมต่อสายไฟอย่างชาญฉลาดในขั้นตอนถัดไปก็ไม่สามารถแก้ไขปัญหานี้ได้

การเชื่อมต่อสายไฟ: การสร้างสะพานไฟฟ้า

เมื่อยึดชิปเรียบร้อยแล้ว ขั้นตอนต่อไปคือการเชื่อมต่อสายไฟ เป้าหมายคือการเชื่อมต่อแผ่นอะลูมิเนียมบนพื้นผิวด้านบนของชิปเข้ากับขั้วต่อที่ตรงกันบนตัวแพ็คเกจหรือแผ่นรองรับ

ลวดทองคำยังคงเป็นวัสดุมาตรฐานสำหรับงานที่ต้องการระยะห่างระหว่างขาเล็ก ๆ ส่วนใหญ่ ประกายไฟจะหลอมปลายลวดให้เป็นก้อนเล็ก ๆ จากนั้นจึงกดก้อนนั้นลงบนแผ่นรองชิปในขณะที่แผ่นรองชิปถูกทำให้ร้อนและมีการใช้พลังงานอัลตราโซนิก อะตอมของทองคำและอะลูมิเนียมจะแพร่กระจายเข้าหากันที่บริเวณรอยต่อ ก่อให้เกิดพันธะโลหะระหว่างกัน จากนั้นแรงดึงดูดของของเหลวจะพัดพาลวดไปยังขั้วต่อของแพ็คเกจ สร้างพันธะที่สอง และดึงลวดให้หลุดออกมา

สายทองแดงได้เข้ามาแทนที่สายทองคำในผลิตภัณฑ์ที่มีต้นทุนต่ำและผลิตในปริมาณมากหลายชนิด ทองแดงนำความร้อนและไฟฟ้าได้ดีกว่าทองคำและมีราคาถูกกว่ามาก ข้อเสียคือความแข็ง ทองแดงต้องการแรงยึดเกาะมากกว่า ซึ่งอาจทำให้โครงสร้างแผ่นรองที่บอบบางแตกได้ และทองแดงยังเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันได้ง่าย ดังนั้นสภาพแวดล้อมในการยึดเกาะจึงต้องปราศจากออกซิเจน

สายอะลูมิเนียมใช้ในอุปกรณ์ไฟฟ้าและวงจรความถี่สูง เนื่องจากไม่สามารถขึ้นรูปเป็นลูกบอลได้อย่างน่าเชื่อถือ จึงใช้วิธีการเชื่อมแบบลิ่มแทน: โดยการกดสายให้แบนราบลงบนแผ่นรองด้วยแรงและแรงสั่นสะเทือนอัลตราโซนิก ทำให้เกิดรอยต่อที่กว้างและเรียบเนียน การเชื่อมแบบลิ่มทนต่อกระแสไฟฟ้าได้สูงกว่าและอยู่ใกล้กับพื้นผิวของชิปมากกว่าการเชื่อมแบบลูกบอล

ตัวสายไฟเองนั้นถูกออกแบบมาให้บอบบาง เส้นผ่านศูนย์กลางมีตั้งแต่ 15 ไมโครเมตรสำหรับสายสัญญาณที่มีระยะห่างแคบ ไปจนถึง 76 ไมโครเมตรหรือมากกว่านั้นสำหรับสายเชื่อมต่อพลังงาน เส้นผมของมนุษย์มีความกว้างประมาณ 70 ไมโครเมตร เส้นใยเหล่านี้รับภาระทางไฟฟ้าทั้งหมดของอุปกรณ์ ในขณะเดียวกันก็ต้องทนต่อการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิซ้ำๆ ซึ่งทำให้เส้นใยขยายและหดตัวซ้ำๆ กับแผ่นรองที่มันวางอยู่

ความแตกต่างที่สำคัญ

ตารางนี้แสดงข้อมูลสำคัญครบถ้วน แต่มีบางประเด็นที่ควรขยายความเพิ่มเติม

ความล้มเหลวในการเชื่อมต่อชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์มักเกิดขึ้นอย่างค่อยเป็นค่อยไป ช่องว่างที่เกิดขึ้นระหว่างการอบแห้งอาจไม่ก่อให้เกิดปัญหาในทันที แต่เมื่อผ่านวงจรความร้อนหลายร้อยหรือหลายพันรอบ ช่องว่างนั้นจะขยายใหญ่ขึ้น รวมเข้ากับชิ้นส่วนข้างเคียง และค่อยๆ ปิดกั้นเส้นทางการระบายความร้อน อุปกรณ์จะไม่พังทันที แต่จะทำงานร้อนขึ้น เสื่อมสภาพเร็วขึ้น และในที่สุดก็จะถึงจุดที่รับไม่ไหว

ความล้มเหลวของการเชื่อมต่อสายไฟมักเกิดขึ้นอย่างฉับพลัน รอยแตกที่คอซึ่งลุกลามผ่านส่วนที่แคบที่สุดของการเชื่อมต่อแบบลูกบอลจะทำให้การเชื่อมต่อขาดในทันที รอยแตกที่ส้นของการเชื่อมต่อแบบลิ่มก็เช่นเดียวกัน อุปกรณ์ใช้งานได้ในชั่วขณะหนึ่งแล้วก็ล้มเหลวในอีกชั่วขณะหนึ่ง

ความแตกต่างนี้ส่งผลต่อการออกแบบการทดสอบความน่าเชื่อถือ คุณภาพการยึดติดของชิปจะถูกประเมินผ่านการทดสอบวัฏจักรความร้อน การทดสอบวัฏจักรไฟฟ้า และการทดสอบแรงเฉือนของชิป ซึ่งวัดว่าพันธะสามารถทนแรงได้มากแค่ไหนก่อนที่ชิปจะหลุดออก คุณภาพการเชื่อมต่อของลวดจะถูกประเมินผ่านการทดสอบแรงดึงและการทดสอบแรงเฉือนของลูกบอล ซึ่งวัดความแข็งแรงของพันธะแต่ละอัน รวมถึงการเก็บรักษาที่อุณหภูมิสูงเพื่อเร่งการเติบโตของโลหะผสม

เหตุใดลำดับจึงไม่สามารถย้อนกลับได้

เดอะ บอนเดอร์ เครื่องวางชิป เครื่องต่อสายจะหาชิป ลำดับนี้ไม่ใช่ความชอบ แต่เป็นข้อกำหนดทางกายภาพ

เครื่องเชื่อมลวดใช้ระบบจดจำรูปแบบเพื่อระบุตำแหน่งแผ่นรองชิป หากชิปไม่ได้รับการยึดตรึง ชิปจะขยับภายใต้แรงเชื่อม และระบบวิชั่นจะสูญเสียจุดอ้างอิง แม้แต่การเคลื่อนไหวเพียงไม่กี่ไมโครเมตรในระหว่างการเชื่อมก็เพียงพอที่จะทำให้เกิดความผิดพลาดได้

ความแม่นยำในการวางตำแหน่งไดก็เป็นตัวกำหนดคุณภาพสูงสุดของการเชื่อมต่อสายไฟเช่นกัน หากวางไดไม่ตรงกลาง เครื่องเชื่อมสายไฟจะต้องลากสายเป็นระยะทางไกลขึ้นเพื่อไปถึงขั้วต่อของแพ็คเกจ สายไฟที่ยาวกว่าจะหย่อนตัวมากขึ้น เกิดการสั่นสะเทือนที่ความถี่ต่ำกว่า และมีแนวโน้มที่จะบิดเบี้ยวระหว่างการขึ้นรูป ในกรณีที่รุนแรง การเบี่ยงเบนเกินขอบเขตการตรวจจับของเครื่องเชื่อม และเครื่องจะไม่สามารถหาแผ่นเชื่อมต่อได้

ความเป็นจริงทางความร้อน: การยึดชิ้นส่วนกำหนดขีดจำกัด

วิศวกรอิเล็กทรอนิกส์กำลังทุ่มเทความพยายามอย่างมากในการเลือกวัสดุยึดติดชิปและลดปริมาณช่องว่างให้น้อยที่สุด พวกเขาใช้เวลาน้อยลงมากในการกังวลเกี่ยวกับประสิทธิภาพทางความร้อนของการเชื่อมต่อสายไฟ และก็มีเหตุผลที่ดีอยู่เบื้องหลังเรื่องนี้

ชั้นยึดติดของชิป (die attach layer) ครอบคลุมด้านหลังทั้งหมดของชิป ความร้อนจะแพร่กระจายจากจุดเชื่อมต่อไปทั่วพื้นที่ของชิปและส่งผ่านไปยังพื้นผิวของวัสดุรองรับ ในทางตรงกันข้าม การเชื่อมต่อด้วยลวด (wire bonds) จะสัมผัสกับชิปเฉพาะที่แผ่นเล็กๆ เท่านั้น พื้นที่หน้าตัดทั้งหมดของการเชื่อมต่อด้วยลวดมีขนาดเล็กมากเมื่อเทียบกับพื้นที่ยึดติดของชิป ดังนั้นความร้อนที่ส่งผ่านจึงน้อยมากเช่นกัน

นั่นหมายความว่าอุปกรณ์ที่มีการเชื่อมต่อสายไฟที่ดีเยี่ยมแต่การยึดชิปไม่ดีก็ยังคงร้อนอยู่ ในขณะที่อุปกรณ์ที่มีการเชื่อมต่อสายไฟปานกลางแต่การยึดชิปดีเยี่ยมจะทำงานได้เย็นลง จนกว่าการเชื่อมต่อสายไฟจะแตกและวงจรขาด การเชื่อมต่อชิปควบคุมระยะเวลาการทำงานที่แตกต่างกัน: การยึดชิปควบคุมระยะเวลาที่อุปกรณ์จะอยู่ในขีดจำกัดความร้อน ในขณะที่การเชื่อมต่อสายไฟควบคุมระยะเวลาที่เส้นทางไฟฟ้ายังคงใช้งานได้

ผลกระทบเชิงปฏิบัติสำหรับการวิเคราะห์ความล้มเหลว

เมื่ออุปกรณ์ที่บรรจุหีบห่อแล้วถูกส่งกลับมาจากภาคสนาม ลักษณะเฉพาะของความล้มเหลวจะชี้ไปยังกระบวนการที่รับผิดชอบ

การเกิดความร้อนสูงเกินไป ประสิทธิภาพการทำงานลดลงเมื่อเวลาผ่านไป หรือชิปที่แยกตัวออกจากฐานรอง บ่งชี้ถึงปัญหาการเชื่อมต่อชิป (die bonding) ชั้นเชื่อมต่ออาจหลุดลอกหรือเป็นโพรง และเส้นทางการระบายความร้อนก็เสื่อมลง

อุปกรณ์ที่หยุดทำงานโดยไม่ทราบสาเหตุ—ไม่มีสัญญาณ ไม่มีกระแสไฟฟ้า วงจรเปิด—บ่งชี้ว่ามีปัญหาเรื่องการเชื่อมต่อสายไฟ การเชื่อมต่ออย่างน้อยหนึ่งจุดล้มเหลว และเส้นทางไฟฟ้าถูกตัดขาด

การสับสนระหว่างสองสิ่งนี้จะนำไปสู่การเสียเวลาเปล่า การเปลี่ยนพารามิเตอร์การเชื่อมต่อสายไฟจะไม่สามารถแก้ไขปัญหาการหลุดลอกของจุดเชื่อมต่อชิปได้ การรีโฟลว์จุดเชื่อมต่อชิปจะไม่สามารถซ่อมแซมรอยแตกที่คอของสายเชื่อมต่อได้ ลักษณะของความล้มเหลวจะบอกคุณว่าควรตรวจสอบกระบวนการใด

สิ่งนี้หมายความอย่างไรต่อการออกแบบบรรจุภัณฑ์

นักออกแบบที่เข้าใจการแบ่งงานระหว่างสองขั้นตอนดังกล่าว จะสามารถเลือกสิ่งที่ดีที่สุดได้

หากการจัดการความร้อนเป็นอุปสรรคสำคัญ วัสดุยึดติดชิปและการควบคุมช่องว่างควรได้รับความสนใจมากที่สุด การเปลี่ยนจากอีพ็อกซี่เป็นเงินเผาผนึกหรือบัดกรีแบบยูเทคติกสามารถลดความต้านทานความร้อนได้อย่างมาก

หากประสิทธิภาพทางไฟฟ้าหรือพฤติกรรมความถี่สูงเป็นข้อจำกัด ความยาวของสายเชื่อมต่อ ความสูงของลูป และการเลือกใช้วัสดุจะมีความสำคัญมากขึ้น ลูปที่สั้นกว่าและต่ำกว่าจะช่วยลดค่าความเหนี่ยวนำและการรบกวนข้ามช่องสัญญาณ

หากความน่าเชื่อถือภายใต้การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิเป็นสิ่งที่น่ากังวล ทั้งสองกระบวนการมีความสำคัญ แต่ความล้มเหลวจะเกิดขึ้นในระยะเวลาที่แตกต่างกัน การเสื่อมสภาพของการยึดติดชิ้นส่วนมักค่อยเป็นค่อยไปและคาดการณ์ได้ ในขณะที่ความล้มเหลวของการเชื่อมต่อสายไฟอาจเกิดขึ้นอย่างฉับพลันและร้ายแรง ดังนั้นระยะขอบในการออกแบบต้องคำนึงถึงทั้งสองรูปแบบนี้ด้วย

คำถามที่พบบ่อย

ชิปสามารถทำงานได้โดยไม่ต้องใช้การเชื่อมต่อได (die bonding) หรือไม่?

ไม่ครับ ต้องทำการยึดชิปให้แน่นด้วยวิธีการทางกลก่อน จึงจะสามารถเชื่อมต่อทางไฟฟ้าได้ หากไม่มีการยึดชิป ชิปจะเคลื่อนที่ระหว่างการเชื่อมต่อสายไฟ ทำให้ไม่สามารถกำหนดตำแหน่งของแผ่นรองได้อย่างแม่นยำ นอกจากนี้ การยึดชิปยังเป็นเส้นทางหลักในการระบายความร้อนออกจากชิปอีกด้วย

การเชื่อมต่อด้วยลวดเป็นสิ่งจำเป็นเสมอหรือไม่หลังจากการเชื่อมต่อชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์?

ไม่เสมอไป การบรรจุแบบฟลิปชิปจะวางชิปคว่ำหน้าลง ทำให้ปุ่มนูนบนพื้นผิวชิปสัมผัสโดยตรงกับแผ่นรองบนพื้นผิวรองรับ ซึ่งช่วยลดขั้นตอนการเชื่อมต่อด้วยสายไฟลงได้อย่างสิ้นเชิง อย่างไรก็ตาม ขั้นตอนการเชื่อมต่อชิปในฟลิปชิปต้องให้การยึดทางกลและการเชื่อมต่อทางไฟฟ้าไปพร้อมกัน ซึ่งทำให้มีความต้องการความแม่นยำในการวางตำแหน่งที่เข้มงวดมากขึ้น

กระบวนการใดมีผลกระทบต่ออายุการใช้งานของอุปกรณ์มากกว่ากัน?

ทั้งสองอย่างส่งผลต่ออายุการใช้งาน แต่ผ่านกลไกที่แตกต่างกัน การยึดติดชิ้นส่วนที่ไม่ดีจะนำไปสู่อุณหภูมิรอยต่อที่สูงขึ้น ซึ่งจะเร่งกลไกการเสื่อมสภาพของเซมิคอนดักเตอร์เกือบทุกชนิดที่รู้จัก การยึดติดสายไฟที่ไม่ดีจะนำไปสู่วงจรเปิด ซึ่งจะทำให้เครื่องหมดอายุการใช้งานทันที ในทางปฏิบัติ ความล้มเหลวของการยึดติดสายไฟมักพบได้บ่อยในสินค้าที่ส่งคืนจากลูกค้า แต่การเสื่อมสภาพของการยึดติดชิ้นส่วนมักสร้างเงื่อนไขที่เร่งให้เกิดความล้าของการยึดติดสายไฟ

เหตุใดสายทองแดงจึงต้องมีการควบคุมกระบวนการผลิตที่เข้มงวดกว่าสายทองคำ?

ทองแดงมีความแข็งกว่าทองคำ ดังนั้นจึงต้องการแรงยึดเหนี่ยวที่สูงกว่า แรงยึดเหนี่ยวนั้นอาจทำให้โครงสร้างแผ่นรองที่บอบบางหรือชั้นฉนวนด้านล่างแตกได้ นอกจากนี้ทองแดงยังเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันได้อย่างรวดเร็ว ดังนั้นบรรยากาศในการยึดเหนี่ยวจึงต้องได้รับการควบคุมเพื่อป้องกันการเกิดออกไซด์บนพื้นผิวของสายไฟ ทองคำไม่มีปัญหาเหล่านี้ จึงยังคงเป็นที่นิยมสำหรับอุปกรณ์ที่ละเอียดอ่อนหรือต้องการความน่าเชื่อถือสูง

การเกิดช่องว่างระหว่างชิ้นส่วนในแม่พิมพ์ส่งผลต่อความต้านทานความร้อนอย่างไร?

ช่องว่างจะแทนที่วัสดุที่นำความร้อนได้ดีด้วยอากาศหรือสุญญากาศ ซึ่งทั้งสองอย่างเป็นฉนวนความร้อนที่ดีเยี่ยม ช่องว่างขนาดเล็กที่กระจัดกระจายจะเพิ่มความต้านทานความร้อนโดยประมาณตามสัดส่วนปริมาตรของช่องว่างนั้น ช่องว่างขนาดใหญ่ที่ต่อเนื่องกันใต้พื้นที่ใช้งานของชิปจะสร้างจุดร้อนที่อาจเกินอุณหภูมิที่ปลอดภัยของจุดเชื่อมต่อ แม้ว่าความต้านทานความร้อนเฉลี่ยจะดูยอมรับได้ตามทฤษฎีก็ตาม