Phương pháp hàn dây (wire bonding) kết nối các điểm tiếp xúc trên chip úp mặt lên với khung dẫn hoặc chất nền thông qua các dây dẫn mảnh. Phương pháp ghép chip lật (flip chip) kết nối chip úp mặt xuống thông qua các gờ hoặc trụ. Việc lựa chọn phương pháp nào ảnh hưởng đến định tuyến điện, cấu trúc bao bì, quy trình lắp ráp và chi phí, nhưng không có phương pháp nào là lựa chọn tốt nhất cho mọi thiết bị.
Câu hỏi thực tế là liệu một loại kết nối cụ thể có thể đáp ứng các yêu cầu về điện, cơ khí và độ tin cậy của sản phẩm với chi phí sản xuất chấp nhận được hay không. Quyết định đó bắt đầu từ thiết kế chip và bao bì.
Hình 1. Cấu trúc nối dây và lật chip điển hình. Mặt cắt ngang được đơn giản hóa; lớp vỏ bọc được lược bỏ.
Tổng quan về kỹ thuật ghép chip và nối dây.
| Xem xét | Nối dây | Lật chip |
|---|---|---|
| Định hướng khuôn | Bề mặt hoạt động thường hướng lên trên. | Bề mặt hoạt động hướng về phía chất nền tiếp nhận. |
| Kết nối | Các dây dẫn mảnh giữa các điểm tiếp xúc của chip và các đầu nối của gói linh kiện. | Các gờ hoặc trụ giữa chip và các điểm tiếp xúc trên đế. |
| Bố trí đệm | Thường nằm gần rìa khuôn đúc. | Kết nối ngoại vi hoặc mảng khu vực |
| Đường dẫn điện | Điều này phụ thuộc vào chiều dài dây, hình dạng vòng lặp và cách định tuyến. | Các kết nối dọc ngắn có thể giảm thiểu điện trở ký sinh trong các đường kết nối. |
| Chuẩn bị khuôn | Các điểm tiếp xúc và vật liệu kim loại tương thích | Cấu trúc gờ hoặc trụ tương thích |
| Mối quan tâm của hội đồng | Chất lượng mối hàn, khe hở vòng lặp, quét dây và hư hỏng miếng đệm | Sự thẳng hàng, tính đồng phẳng, sự hình thành khớp và sự biến dạng |
| Hiệu suất nhiệt | Điều này phụ thuộc vào toàn bộ gói sản phẩm và đường dẫn làm mát. | Điều này phụ thuộc vào toàn bộ gói sản phẩm và đường dẫn làm mát. |
| Cơ sở chi phí | Gắn chip, hàn dây, vật liệu, kiểm tra và năng suất | Đắp vật liệu nền, dán keo, trám khe hở (nếu cần), kiểm tra và năng suất. |
Những khác biệt này mô tả các cấu trúc phổ biến. Chi tiết của từng gói hàng cụ thể vẫn cần được kiểm tra thêm.
Những thay đổi nào diễn ra trong quy trình lắp ráp?
Hàn dây giúp tách biệt việc gắn chip khỏi kết nối điện.
Trong quy trình lắp ráp dây dẫn điển hình, chip được gắn vào giá đỡ trước tiên. máy hàn dây Sau đó kết nối các điểm tiếp xúc của chip với các cực của gói linh kiện.
Dây vàng, đồng, nhôm và hợp kim bạc là một trong những lựa chọn vật liệu có sẵn. Việc lựa chọn phụ thuộc vào thành phần kim loại của miếng đệm, yêu cầu đóng gói, khả năng của thiết bị và quy trình đạt tiêu chuẩn.
Một quy trình hữu ích cần kiểm soát nhiều hơn là chỉ vị trí mối nối. Hình dạng vòng dây, khoảng cách giữa các dây dẫn, độ bền mối nối và sự tương tác với các bước đóng gói tiếp theo đều rất quan trọng.
Việc thay đổi sản phẩm có thể đòi hỏi các công cụ, cài đặt dây dẫn, chương trình vòng lặp hoặc kiểm định vật liệu khác nhau. Chỉ riêng việc thay đổi chương trình không đảm bảo rằng cụm lắp ráp mới đã sẵn sàng cho sản xuất.
Công nghệ lật chip di chuyển giao diện điện xuống phía dưới chip.
Trong phương pháp lắp ráp lật chip, các đường kết nối nằm giữa bề mặt hoạt động của chip và chất nền tiếp nhận.
Tùy thuộc vào công nghệ, quá trình lắp ráp có thể bao gồm việc đặt linh kiện rồi hàn chảy, ép nhiệt hoặc một quy trình ghép nối đạt tiêu chuẩn khác. Vật liệu lót hoặc các vật liệu liên quan cũng có thể là một phần của cấu trúc bao bì.
MỘT máy hàn chip lật Phải được đánh giá dựa trên lộ trình lắp ráp yêu cầu. Việc đặt đúng vị trí không tự nó chứng minh rằng toàn bộ quy trình có thể tạo ra các mối nối đáng tin cậy.
Trước khi lựa chọn thiết bị, cần xác định ai là nhà cung cấp khuôn dập, các mối nối sẽ được tạo hình như thế nào và những công đoạn tiếp theo nào sẽ diễn ra ở những vị trí khác trong dây chuyền.
Hiệu năng điện: Lợi ích của kết nối ngắn hơn
Dây nối tạo ra các hiệu ứng điện phụ thuộc vào chiều dài, hình dạng, khoảng cách và mối quan hệ của chúng với gói linh kiện xung quanh.
Kết nối lật chip có thể rút ngắn đường dẫn giữa chip và chất nền. Điều này có thể hữu ích trong trường hợp độ tự cảm của đường dẫn, khả năng cung cấp điện hoặc mật độ định tuyến hạn chế thiết kế.
Tuy nhiên, các kết nối ngắn hơn không tự động đảm bảo hiệu suất hệ thống tốt hơn. Định tuyến đường dẫn trên chất nền, đường dẫn trở lại, phân phối điện và chuyển đổi gói vẫn rất quan trọng.
So sánh hai phương án xây dựng dựa trên cùng các yêu cầu:
Tần số tín hiệu và thời gian tăng.
Mức tổn thất và ghép nối cho phép.
Phân phối điện và nối đất.
Các yêu cầu hiện tại.
Các ràng buộc về định tuyến gói hàng.
Hàn dây vẫn là một lựa chọn khả thi cho nhiều sản phẩm đòi hỏi cao khi thiết kế bao bì và kết nối được thực hiện phù hợp. Việc so sánh cần một mô hình điện tử, chứ không phải là một giả định chung chung về công nghệ nào tiên tiến hơn.
Mật độ I/O: Tránh ngưỡng chuyển mạch chung
Việc hàn dây thường kết nối các điểm tiếp xúc xung quanh chu vi của chip. Tăng số lượng kết nối có thể tạo ra những hạn chế liên quan đến khoảng cách giữa các điểm tiếp xúc, khoảng cách giữa các dây và đường dẫn dây trên gói chip.
Công nghệ chip lật (flip chip) cho phép phân bổ các kết nối trên một phần lớn hơn bề mặt chip. Điều này cung cấp thêm nhiều cơ hội định tuyến cho các kết nối tín hiệu và nguồn điện dày đặc.
Không có một số lượng I/O cụ thể nào mà mọi sản phẩm bắt buộc phải chuyển đổi công nghệ. Tính khả thi phụ thuộc vào kích thước chip, cách bố trí chân tiếp xúc, khả năng lắp ráp và các quy tắc định tuyến.
Trước khi xem xét công nghệ flip chip như một giải pháp cho vấn đề I/O, cần xác nhận rằng bố cục chip và chất nền hỗ trợ cách bố trí kết nối được đề xuất. Một phương pháp kết nối khác cũng có thể yêu cầu thay đổi đối với bao bì và kế hoạch kiểm định của nó.
Hiệu suất tản nhiệt: Theo dõi toàn bộ đường dẫn nhiệt
Việc gán một lợi thế nhiệt cố định cho phương pháp nào đó là không chính xác.
Trong một kiểu đóng gói bằng dây dẫn thông thường, nhiệt có thể truyền từ mặt sau của chip qua vật liệu gắn chip vào khung dẫn, miếng đệm hở hoặc chất nền. Hiệu quả của đường dẫn này phụ thuộc vào kiểu đóng gói và kết nối của nó với bo mạch hoặc hệ thống làm mát.
Cấu trúc lật chip có thể cho phép làm mát thông qua mặt sau lộ ra của chip. Nhiệt cũng có thể truyền qua cấu trúc kết nối và chất nền.
Một sự so sánh có ý nghĩa sẽ xác định được:
Nơi phát sinh nhiệt.
Những bề mặt nào kết nối với hệ thống làm mát?
Điện trở nhiệt của toàn bộ cụm lắp ráp.
Các điều kiện nhiệt độ và chu kỳ bật/tắt nguồn có liên quan.
Ứng suất cơ học liên quan đến vật liệu.
Mặt cắt ngang của bao bì và các điều kiện làm mát được xác định rõ ràng cung cấp thông tin hữu ích hơn là một tuyên bố chung chung rằng một phương pháp liên kết nào đó hoạt động mát hơn.
Phương pháp nào tốn ít chi phí hơn?
Phương pháp hàn dây có thể là một giải pháp kinh tế khi chip đã có các điểm tiếp xúc tương thích, thiết kế bao bì đã được hoàn thiện và có đủ năng lực lắp ráp.
Việc sử dụng chip lật có thể dẫn đến việc phải tạo các gờ nổi, sử dụng các chất nền khác nhau, yêu cầu căn chỉnh chặt chẽ hơn và các bước vật liệu hoặc kiểm tra bổ sung. Những chi phí này cần được cân nhắc so với những khoản tiết kiệm có thể có ở những khía cạnh khác, bao gồm kích thước gói và đường dẫn dây.
So sánh chi phí cho mỗi gói hàng được chấp nhận thay vì giá mua của máy đóng gói.
| Khu vực chi phí | Các câu hỏi cần giải quyết |
|---|---|
| Chuẩn bị khuôn | Có cần thực hiện thêm quy trình xử lý ở cấp độ wafer không? |
| Vật liệu đóng gói | Cần những vật liệu nào cho chất nền, khung dẫn và đường kết nối? |
| Cuộc họp | Cần những máy móc và các bước quy trình nào? |
| Điều tra | Các khớp liên quan sẽ được đánh giá như thế nào? |
| Năng suất | Những tổn thất trong quá trình lắp ráp có thể xảy ra ở đâu? |
| Trình độ chuyên môn | Cần thực hiện những công việc kiểm tra và kỹ thuật nào? |
| Thay đổi sản phẩm | Những thay đổi nào xảy ra khi khuôn đúc hoặc bao bì được sửa đổi? |
Đối với một sản phẩm hiện có, chi phí chuyển đổi có thể rất đáng kể ngay cả khi quy trình thay thế có vẻ hấp dẫn khi xét riêng lẻ.
Độ tin cậy phụ thuộc vào cấu trúc.
Việc kiểm định chất lượng mối hàn dây có thể bao gồm kiểm tra hiện tượng bong tróc mối hàn, nứt gót mối hàn, hư hỏng miếng đệm, ăn mòn và sự dịch chuyển của dây dẫn trong quá trình đóng gói.
Kiểm định bằng phương pháp lật chip có thể kiểm tra độ mỏi của mối nối, các lỗi ở giao diện, hiện tượng thiếu vật liệu trám, sự hình thành lỗ rỗng và biến dạng.
Cả hai danh sách đều không xác định được công nghệ nào đáng tin cậy hơn về bản chất. Vật liệu, cấu trúc, kiểm soát quy trình và môi trường hoạt động mới là những yếu tố quyết định các rủi ro liên quan.
Các yếu tố như chu kỳ nhiệt độ, tiếp xúc với độ ẩm, tải trọng cơ học và sự tiêu tán năng lượng cần được xem xét trong kế hoạch thẩm định sản phẩm.
Hình 2. So sánh các tùy chọn đóng gói với cùng yêu cầu sản phẩm trước khi lựa chọn quy trình lắp ráp.
Trình tự lựa chọn thực tế
Hãy bắt đầu với những ràng buộc không dễ thay đổi.
Nếu chip chỉ có sẵn các chân kết nối dây dẫn, việc chuyển đổi sang cấu trúc chip lật có thể cần thêm quá trình phát triển. Nếu việc định tuyến kết nối dày đặc là cần thiết, giải pháp kết nối dây dẫn có thể yêu cầu một gói lớn hơn hoặc khác biệt đáng kể.
Sau đó, so sánh các phương án còn lại thông qua phân tích điện, thiết kế nhiệt, thử nghiệm lắp ráp và lập kế hoạch kiểm định chất lượng.
Khi xem xét các yêu cầu về thiết bị liên kết, thông tin hữu ích ban đầu bao gồm bố cục chip, cấu trúc kết nối, chất nền, quy trình liên kết và mục tiêu sản xuất. Những chi tiết này giúp xác định thiết bị và các quy trình hỗ trợ cần thiết.
Câu hỏi thường gặp
Công nghệ chip lật (flip chip) có giống với công nghệ BGA không?
Không. Flip chip mô tả kết nối giữa chip và chất nền tiếp nhận. BGA mô tả định dạng kết nối gói bên ngoài. Gói BGA có thể chứa chip được nối bằng dây dẫn hoặc chip lật.
Liệu một chip hàn dây có thể được chuyển đổi trực tiếp thành chip lật không?
Không tự động. Cần phải đánh giá thành phần kim loại của tấm đệm, hiện tượng tạo gờ, bố trí mạch, thiết kế chất nền và kiểm định chất lượng bao bì.
Liệu chip lật luôn cần lớp keo lót?
Các yêu cầu về vật liệu chèn lót phụ thuộc vào cấu trúc bao bì, vật liệu và mục tiêu độ tin cậy. Xác nhận quy trình lắp ráp đạt tiêu chuẩn.
Liệu một gói sản phẩm có thể chứa cả hai công nghệ này không?
Đúng vậy. Các cấu trúc lai và xếp chồng có thể kết hợp các kết nối lật chip và kết nối dây dẫn.
Cần quyết định những gì trước khi mua thiết bị hàn nối?
Xác định quy trình lắp ráp, định dạng chip và đế, vật liệu, yêu cầu căn chỉnh, yêu cầu về nhiệt độ và lực, phương pháp xử lý và tiêu chí chấp nhận.
