Xu hướng phát triển trong đóng gói Chip

Xu hướng phát triển trong đóng gói Chip Đóng gói chiếm phần lớn chi phí trong sản xuất linh kiện, cảm biến. Vì thế, bên cạnh việc cải thiện độ cứng, đóng gói cảm biến cần được phát triển theo hướng giảm giá thành. Trong bài này chúng ta sẽ bàn tới xu hướng đóng gói trong những năm tới đây, tập trung vào công nghệ bao gói, bao gói kín, bao gói toàn chip và đóng gói lai. Nói chung, trong lĩnh vực đóng gói chip luôn có một xu hướng hướng tới sự chuyên biệt hóa tương đương với yêu cầu kỹ thuật. Các nhà sản xuất đang cố gắng làm giảm các hiệu ứng ứng xuất cơ khí khi đo, nhân tố đóng một vai trò quan trọng trong việc làm giảm độ bất định trong đo lường bởi tính không lặp lại. Hiện có sẵn các vật liệu dùng cho đóng gói chip, cảm biến, và hàng ngày vẫn có những loại vật liệu mới đang được phát triển. Trong công nghệ y sinh sự nỗ lực không ngừng về R&D dành cho các hệ thống cảm biến- chấp hành trong các ứng dụng trong cơ thể con người và động vật. Những cố gắng để phát triển “quần áo” thông minh cũng đang được chú ý phát triển tương xứng. Đóng gói trong công nghiệp cảm biến được chia làm nhiều cấp độ khác nhau, như các cấp độ tích hợp trong công nghệ cảm biến ở công nghiệp ôtô, hình 1. Hình 1. Các mức tích hợp trong công nghệ cảm biến Mặc dầu giới hạn giữa các mức tích hợp đang ngày càng mờ do các ứng dụng trực tiếp của cảm biến trong cấu trúc cơ khí, sự minh họa cho đóng gói truyền thống vẫn cần thiết và thuận tiện để theo dõi. Vì thế, chúng ta sẽ bàn luận về phương pháp, loại đế (silicon hoặc tương đương), lắp ráp và một vài khái niệm đóng gói mới. Mỗi nền công nghiệp và lĩnh vực sẽ đòi hỏi những yêu cầu mang tính đặc thù, do yêu cầu về thiết kế và kiểm tra độ tin cậy cũng mang tính đặc thù. Do đó, xu hướng đóng gói IC hoặc cảm biến sẽ định hướng theo tính đặc thù dựa trên các chỉ tiêu kỹ thuật tiêu biểu. Công nghệ bao gói, đóng gói quy mô tấm bán dẫn Bao gói kín là công nghệ đóng gói cảm biến được thiết lập với tỷ lệ dò thấp và tối giảm độ ẩm theo tiêu chuẩn MIL STD 883, Method 1014. Hai phương pháp này áp dụng cho cả việc thiết kế bao gói kim loại và gốm. Với bao gói kim loại, người Hình 2. Cửa sổ quang trong đi-ốt laze ta hay sử dụng các thiết kế theo chuẩn chi phí thấp, cũng như linh kiện cao cấp được tối ưu. Bao gói kín phù hợp có thể được dùng trong khoảng nhiệt độ tới 200°C, trong một vài trường hợp có thể lên tới 250°C. Bao gói dùng gốm thường được sản xuất trong những khuôn mẫu cố định, dĩ nhiên là theo đặc tính kỹ thuật của khách hàng. Với những thiết kế chuẩn nhiều chân (I/O) cho cả hai loại vật liệu, chi phí bao gói khoảng 10 xu USD/chân. Đặc biệt bao gói kim loại thường rất phù hợp cho các linh kiện quang, vì công nghệ này cho phép hàn kín các mối nối dùng khí và cho phép tạo cửa sổ trong suốt trong linh kiện quang, hình 2. Do đó, có thể trông đợi ở công nghệ bao gói kín sẽ chiếm thị phần đáng kể. Linh kiện nào liên quan tới những lỗ hổng, khoang trống, hoặc bao gói ở nhiệt độ cao và chi phí không phải là tiêu chuẩn hàng đầu, bao gói kín là công nghệ thích hợp. Nếu lấy chi phí làm tiêu chí, đóng gói dùng chất dẻo chiếm ưu thế. Công nghệ này dựa trên các khuôn có sẵn với các loại chất dẻo khác nhau. Chi phí cho công nghệ này cỡ 1xu USD/chân. Hình 3. Đóng gói toàn chip cho cảm biến Những năm gần đây, các hợp chất làm khuôn cho linh kiện cũng đã được cải tiến một cách đáng kể. Nhờ sự phát triển của các hợp chất có độ ứng suất siêu nhỏ với hệ số giãn nở nhiệt thấp, các trở ngại về cơ nhiệt được giảm đi rất nhiều. Điều này cho phép bao gói ngay cả những linh kiện rất nhạy với ứng suất ở giải nhiệt cao tới 170°C. Các vật liệu trên cơ sở Epoxy dùng cho đóng gói cảm biến thường bền ở nhiệt độ thấp hơn 200°C. Do công nghệ đổ khuôn bao gói trực tiếp, điểm hạn chế là ở chỗ các cảm biến tiếp xúc với vật liệu làm khuôn do đó epoxy có thể làm ảnh hưởng tới cấu trúc nằm bên trong của silicon. Điều này có thể được giải quyết nhờ lớp bảo vệ trên toàn phiến. Ngày nay vật liệu làm khuôn phải tuân thủ các quy chuẩn của sản xuất xanh, chống cháy và quy trình sản xuất đơn giản, tính năng ổn định không cần có thêm hợp chất Brôminat. Do kích thước nhỏ, các thiết kế cho SMD truyền thống đang được bổ sung bởi kỹ thuật đóng gói toàn chip (CSPs), và kỹ thuật này cũng có thể ứng dụng cho đóng gói cảm biến. Hai công nghệ cơ bản thường được sử dụng: bao gói toàn chip và bao gói toàn phiến. Quy trình cũ thường được ứng dụng cho kỹ thuật này dựa trên khuôn thiếc, hình 3. Do có sự kết hợp giữa chất bán dẫn và vật liệu bao gói nên việc thiết kế đòi hỏi hệ thống phù hợp tốt với với các tính chất cơ nhiệt, nhất là trong các ứng dụng ở nhiệt độ cao. Khoảng cách của mối nối trong CPS khoảng 0.5mm, trong một vài trường hợp là 0.3mm. Ứng dụng chính của mô hình đóng gói bề mặt này là các cảm biến nguyên khối, chế tạo hàng loạt với quy trình công nghệ chuẩn CMOS, dùng cho công nghiệp ôtô Có cả xu hướng tạo ra vi hệ thống bằng Hình 4. Chồng chập trong đóng gói làm tăng mật độ tổ hợp cách chồng chập các mạch tích hợp, ví như việc tích hợp các cảm biến tương tự và mạch số (tạo ra một bộ xử lý). Các tiếp cận này được biết đến như là đóng gói hệ thống hoặc hệ thống trong gói (SiP, SoP), hình 4. Với các nhà sản xuất với số lượng hạn chế, cũng nên chú ý rằng những công nghệ này có sẵn và có thể đặt hàng từ các nhà cung cấp dịch vụ bao gói. Nói một cách khác, việc đi thuê làm ngoài sẽ hiệu quả hơn. Nhiều ứng dụng cảm biến đòi hỏi một khoang trống nơi gắn cảm biến trong đó, ví dụ như cảm biến áp suất, cảm biến khối lượng hoặc cảm biến quang. Yêu cầu này có thể được thỏa mãn với kỹ thuật bao gói dùng kim loại hoặc gốm (dĩ nhiên chi phí cao là một trở ngại). Các thiết kế với khuôn đúc trước thường bao gồm khung dẫn kim loại gắp trên nhựa chịu nhiệt, hình 5. Hình 5. Chip gắn trên khung chất dẻo phủ kim loại Hình 6. Bao gói dựng khuôn sẵn cho cảm biến nhiều chức năng Hai xu hướng phát triển cần nêu ở đây là: thiết kế cho cảm biến phù hợp với các chuẩn SMD và bao gói hệ thống đa chức năng. Các thiết kế chuẩn được làm bằng nhựa chịu nhiệt hiện đang được chấp nhận tại thị trường Đức. Các vật liệu thường có tính ổn nhiệt và tương thích môi trường tốt hơn là các vật liệu cho khuôn đúc sẵn. Những kỹ thuật đóng gói này thường không vượt quá đặc tuyến kỹ thuật của bao gói kín trong điều kiện nhiệt độ môi trường hoặc và thường rẻ hơn nhờ sản xuất hàng loạt sử dụng kỹ thuật đổ khuôn phun vật liệu. Công nghệ đóng gói tiền định dạng (đổ khuôn sẵn) làm bá chủ trong các ứng dụng điện tử cho xe hơi với bao gói tuỳ biến cho cảm biến và cơ điện tử. Lý do là chi phí cho bộ in khung kim loại và khuôn cho sản xuất hàng loạt không còn đóng vai trò quan trọng nữa (giá đã giảm). Quan trọng hơn là bậc tự do trong bao gói có khuôn đổ trước. Với công nghệ cảm biến và vi hệ thống, những thiết kế này được phát triển trong các gói linh kiện có nhiều chức năng. Giờ đây việc bao gói kết hợp các thành phần chức năng là khả thi. Điều này bao gồm cả bộ phận kết nối, chân cắm, thành phần cơ khí tích hợp, bộ chấp hành, tản nhiệt cũng như ghép nối chuyển dòng cho khí và chất lỏng, hình 6. Các mô hình mới có lối vào cho linh kiện quang như thấu kính, laze và sợi thủy tinh hoặc cuộn dây dùng làm ăng-ten cho cảm biến không dây. Công nghệ này đòi hỏi không chỉ bảo vệ phần điện tử mà còn rất khắt khe về sức chịu đựng của cả module. Vật liệu chính dùng cho việc bao gói đa hệ thống đa chức năng có khuôn đúc sẵn là PBT, một loại poly este chứa 30% chất vô cơ, phù hợp cho các ứng dụng trong khoảng 125°C. Thậm chí với nhiệt độ cao hơn, các polymer cao cấp như PA6 (polyamit), PPS(polyphenylene-sulfide) hoặc các loại bao gói tiêu chuẩn như LCP (polymer tinh thể lỏng) cũng có sẵn. Do polymer được phủ kim loại ở cả phần chân nên bao gói bằng kỹ thuật này thường không kín khí do đó cần có bộ phận bảo vệ phụ trợ bằng silicon trên chip. Đôi khi người ta dùng keo để gắn trong cấu trúc vi cơ khí. Điểm thú vị của công nghệ chế tạo phần nhựa phủ kim loại được tự động hóa là ở chỗ nó dẫn tới xu hướng làm tăng giá trị gia tăng của sản phẩm, vì bên cạnh khuôn đúc sẵn là sản phẩm phụ trợ tương thích như nắp đạy, hoặc nắp kim loại. Các quy trình được thiết lập liên quan tới kỹ thuật hàn dây, đóng nắp cơ khí trong quá trình hàn kín. Sử dụng kỹ thuật hàn siêu âm, ép nhiệt, và ma sát (cọ sát lúc đặt siêu âm) có thể đảm bảo mối nối chắc chắn nhưng không thể đóng gói kín cho cụm linh kiện. Những năm gần đây, hàn mũ nhựa với laze trở nên phổ biến. Do yêu cầu trong suốt của cảm biến hồng ngoại IR, vật liệu dùng làm mũ chụp cho cảm biến này vẫn khá hạn chế. Một công nghệ có liên quan tới sản xuất bộ linh kiện đa chức năng sẽ được giới thiệu trong tương lai gọi là MID (tạm gọi là linh kiện liên kết nối trong khuôn). Hiểu nôm na là người ta sẽ tạo ra các khuôn mẫu ba chiều giống như Hình 7. Khi MIDs kết hợp với bao gói truyền thống cấu trúc của các chip thành phần đảm nhiệm từng chức năng khác nhau. Khuôn mẫu MIDs được chế tạo bằng laze tạo hình hoặc bằng các lớp mạch in trên mặt phẳng. Tuy nhiên, với công nghệ này vẫn còn nhiều thứ để làm cho đến khi được giới thiệu cho các nhà sản xuất. Hy vọng rằng bao gói đa chức năng và MIDs sẽ đạt được vị trí quan trọng trong tương lai nhờ các công cụ hỗ trợ và làm tăng khả năng sản xuất hàng loạt. Tạo hình dùng laze giúp giải bài toán hạn chế về vật liệu làm khuôn đổ. Bên cạnh các vật liệu như PBT, PPS, và LCP, các nhà sản xuất cũng hay sử dụng các vật liệu có độ bền nhiệt và bền hóa học cao như PEEK (polyether- ether-ketone). Vào thời điểm hiện tại, các vật liệu dẫn đã được đưa lên MIDs dùng để gắn IC hoặc chip cảm biến lên các mối nối - ngay cả với công nghệ chip lật (flip-chip). Công nghệ MID kết hợp một cách xuất sắc kỹ thuật bao gói truyền thống với các chức năng trên đế đóng gói. Tạo hình ba chiều làm tăng bậc tự do trong thiết kế và khả năng tích hợp các phần tử cơ khí hay các chức năng có liên quan tới dòng lưu. Như vậy, với các cảm biến vị trí nhiều bậc tự do cho phép xác định vị trí của từng thành phần độc lập, hình 7. Dựa trên tính phổ biến của các bước công nghệ chính, có thể hy vọng rằng kỹ thuật trong đóng gói dựa trên khuôn đổ trước và công nghệ MIDs sẽ hội tụ và tạo ra sự đột phá. Những công nghệ mới này được minh họa dưới đây, bảng 1. Bảng 1. So sánh công nghệ đóng gói cho cảm biến và vi hệ thống Một trong số các khả năng của việc chế tạo trực tiếp các linh kiện trên polymer ba chiều là sử dụng phương pháp quang khắc nổi. Chất dẻo được polyme hóa bằng cách chiếu laze tập trung lên đế. Laze sẽ tạo hình từng chi tiết riêng biệt một trực tiếp, hoặc song song khi chiếu qua mặt nạ quang, tạo ra cấu trúc trên bề mặt. Quy trình phù hợp cho các mẻ công nghệ với kích thước khác nhau, từ việc làm hình mẫu tới sản xuất hàng loạt. Một quy trình bổ sung hiện đang được nghiên cứu trên toàn cầu đó là kỹ thuật in phun. Trong vài năm nữa, kỹ thuật này rất tiềm năng trong chế tạo bao gói cảm biến với các đặc điểm hình học topo, như MID, bao gồm cả cấu trúc dẫn và thậm chí là linh kiện thụ động. Trong tương lai, cảm biến IC sẽ được nhúng trong polyme bằng kỹ thuật in. Hiện tại, mới chỉ có rất ít dữ liệu có sẵn trên thực tế trong công nghệ đáp ứng được quang khắc lập thể hoặc in phun cho việc chế tạo IC. Những kỹ thuật này chắc chắn sẽ được phát triển. Trong quá khứ những ứng dụng này được tiến hành nhờ đóng gói kín, nhằm thỏa mãn tính lặp lại cao và các yêu cầu khác về điều kiện môi trường. Hình 8. Đóng gói quy mô toàn phiến Trong tương lai, độ kín cảm biến chắc sẽ đạt được ở quy mô phiến silic nhờ kỹ thuật hàn phiến (silic-thủy tinh, silic-silic). Bên cạnh các quy trình hàn kỵ nước và dương cực truyền thống, hàn các tấm thủy tinh mỏng hoặc lớp kim loại cũng đã xuất hiện. Nhờ cách này, các đường dẫn điện đi qua các khoang trống có thể đạt được khi hàn kín. Mặt khác, quy trình hàn phiến không đảm bảo được sự kín khí dài lâu. Đóng gói ở quy mô phiến cũng sẽ cho phép tích hợp các vật liệu thu khí cho cảm biến chân không và quang cũng như dòng lưu qua kênh cho linh kiện đa chức năng. Các thành phần cảm biến được đóng gói trong khi chế tạo phiến sẽ chiếm ưu thế trong tương lai vì chúng cho phép tích hợp trong mọi chất polyme trong công nghệ đóng gói cũng như gắn trực tiếp trên đế và MIDs. Như thế, sản xuất quy mô nhỏ cũng như lớn sẽ được hiện thực hóa một cách tiết kiệm và ổn định mà vẫn đảm bảo được các yêu cầu kỹ thuật của cảm biến, hình 8.