Wirebond, Flip-chip และ Hybrid Assembly เทคโนโลยีไหนเหมาะกับใคร?

คนในอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์หลายคนคิดว่าเทคโนโลยี Wirebond จะหมดยุคไปแล้ว โดยถูกแทนที่ด้วย Flip-chip และ Hybrid Assembly แต่ความจริงเป็นอย่างไรเราจะมาเล่าให้ฟังกันครับ ว่าเทคโนโลยีแต่ละตัวเหมาะสมกับใครที่ไหน และทำไมการตัดสินใจผิดๆ อาจกลายเป็นความเสี่ยงที่จะเสียเงินหลักล้าน

Wirebond เทคโนโลยีเก่าแก่ที่ยังคงราชันย์

ทำไมเทคโนโลยีที่คิดค้นมาตั้งแต่ปี 1950 ยังคงถูกใช้อยู่ถึง 75-80% ของการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ทั่วโลก เหตุผลที่ Wirebond ยังคงเป็นเทคโนโลยีหลักในอุตสาหกรรมนี้ไม่ใช่เพราะความเก่าแก่ แต่เป็นเพราะข้อได้เปรียบที่ไม่มีใครเทียบได้ในแง่ของความยืดหยุ่น ด้านต้นทุน และความสามารถในการขยายการผลิต

การทำงานของ Wirebond เรียบง่าย แต่มีประสิทธิภาพสูง ชิปจะถูกติดตั้งบนซับสเตรตหรือเฟรมแบบหันหน้าขึ้น จากนั้นใช้เครื่องจักร Wire Bonder ซึ่งคล้ายกับจักรเย็บผ้าขนาดจิ๋ว เพื่อเชื่อมต่อลวดโลหะขนาดเล็กจากแผ่นชิปไปยังขาต่อของตัวบรรจุ ลวดที่ใช้มีความหนาเพียง 10-500 ไมโครเมตร โดยส่วนใหญ่ทำจากทองคำ อลูมิเนียม หรือทองแดง

สำหรับนักออกแบบที่ทำงานในอุตสาหกรรมที่ต้องการการผลิตจำนวนมากแต่ต้นทุนต่ำ Wirebond คือคำตอบที่ดีที่สุด ด้วยอัตราการประสบความสำเร็จที่สูงและกระบวนการผลิตที่ได้รับการพิสูจน์แล้ว  การใช้งานหลักจะพบในผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ใช้ในชีวิตประจำวัน เช่น โทรศัพท์มือถือ แท็บเล็ต และแม้แต่ระบบควบคุมในยานยนต์

แต่ Wirebond ก็มีข้อจำกัดที่ชัดเจน การที่ต้องเชื่อมต่อแบบเรียงลำดับทำให้ความเร็วในการผลิตถูกจำกัด และที่สำคัญคือในแอปพลิเคชันที่ต้องใช้ความถี่สูงกว่า 100 GHz ประสิทธิภาพของสัญญาณจะลดลงอย่างมีนัยสำคัญ สำหรับอุปกรณ์ที่ต้องการความหนาแน่นในการเชื่อมต่อสูง Wirebond อาจไม่ใช่ทางเลือกที่เหมาะสม

Flip-chip เทคโนโลยีล้ำสมัยสำหรับความเร็วสูง

หากคุณกำลังมองหาเทคโนโลยีที่ให้ประสิทธิภาพสูงสุดในแง่ของความเร็วและความหนาแน่น Flip-chip คือสิ่งที่คุณต้องการ เทคโนโลยีนี้ถูกพัฒนาขึ้นครั้งแรกโดย IBM ในทศวรรษ 1960 โดยใช้วิธีการกลับชิปให้หันหน้าลง และเชื่อมต่อโดยตรงผ่านจุดแซลเดอร์เล็กๆ ที่เรียกว่า bumps

ข้อได้เปรียบที่สำคัญที่สุดของ Flip-chip คือประสิทธิภาพทางไฟฟ้าที่เหนือกว่า เนื่องจากความยาวของการเชื่อมต่อสั้นกว่า ทำให้ลดความเหนี่ยวนำและความต้านทานได้อย่างมีนัยสำคัญ การออกแบบแบบ area array ช่วยให้สามารถใช้พื้นที่ของชิปได้อย่างเต็มที่ ไม่เหมือน Wirebond ที่จำกัดอยู่แค่ขอบของชิปเท่านั้น

สำหรับอุตสาหกรรมที่ต้องการความเร็วสูง เช่น ระบบสื่อสารไร้สาย เรดาร์ และอุปกรณ์ MMIC (Monolithic Microwave Integrated Circuit) ที่ทำงานที่ความถี่ 60 GHz หรือสูงกว่า Flip-chip กลายเป็นตัวเลือกหลักเพราะสามารถจัดการกับสัญญาณความถี่สูงได้ดีกว่า

แต่ราคาสูงกว่าคือข้อเสียที่ชัดเจน ต้นทุนการผลิตของ Flip-chip โดยเฉพาะในการทำ wafer bumping และการใช้ซับสเตรตคุณภาพสูง ทำให้ราคาแพงกว่า Wirebond อย่างมาก นอกจากนี้ยังต้องใช้เครื่องจักรที่มีความแม่นยำสูงกว่า และกระบวนการผลิตที่ซับซ้อนกว่า

Hybrid Assembly สมดุลระหว่างประสิทธิภาพและต้นทุน

เมื่อต้องเผชิญกับโลกแห่งความซับซ้อนของอิเล็กทรอนิกส์สมัยใหม่ที่ต้องการทั้งประสิทธิภาพสูงและต้นทุนที่สมเหตุสมผล Hybrid Assembly จึงเข้ามามีบทบาทสำคัญ เทคโนโลยีนี้ผสมผสานเอาข้อดีของทั้ง Wirebond และ Flip-chip มาใช้ในชิ้นงานเดียวกัน

ในระบบ Hybrid Assembly ส่วนประกอบที่ต้องการประสิทธิภาพสูง เช่น ชิปโปรเซสเซอร์หลัก จะใช้เทคโนโลยี Flip-chip ในขณะที่ส่วนประกอบที่ต้องการความเสียหายต่ำหรือต้นทุนประหยัด เช่น ชิปหน่วยความจำ หรือเซนเซอร์ จะใช้ Wirebond2 การออกแบบแบบนี้ช่วยให้สามารถสร้างผลิตภัณฑ์ที่มีความสมดุลระหว่างประสิทธิภาพและต้นทุน

อุตสาหกรรมยานยนต์เป็นตัวอย่างที่ชัดเจนของการใช้ Hybrid Assembly โดยเฉพาะในระบบ ADAS (Advanced Driver Assistance System) ที่ต้องการทั้งความเร็วในการประมวลผลและความทนทานต่อสภาพแวดล้อมที่รุนแรง เซนเซอร์ Radar และ LiDAR ที่ใช้ในยานยนต์จะมีการผสมผสานเทคโนโลยีการเชื่อมต่อหลายแบบเพื่อให้เหมาะสมกับการใช้งานแต่ละส่วน

เลือกเทคโนโลยีอย่างไรให้เหมาะกับงาน

การตัดสินใจเลือกเทคโนโลยีที่ถูกต้องขึ้นอยู่กับปัจจัยหลายประการ และการตัดสินใจผิดอาจทำให้เสียเงินไปเป็นล้าน

สำหรับงานที่ต้องการปริมาณการผลิตมาก ต้นทุนต่ำ และใช้ในอุปกรณ์ทั่วไป Wirebond ยังคงเป็นตัวเลือกที่ดีที่สุด โดยเฉพาะในอุตสาหกรรมเช่น Consumer Electronics ที่ความเร็วไม่ใช่ปัจจัยสำคัญที่สุด แต่ราคาต่อหน่วยคือสิ่งที่ตัดสินใจ

หากคุณทำงานในอุตสาหกรรมที่ต้องการความเร็วสูง เช่น ระบบสื่อสาร 5G, เรดาร์, หรือคอมพิวเตอร์ประสิทธิภาพสูง การลงทุนใน Flip-chip จะคุ้มค่า แม้ว่าต้นทุนจะสูงกว่า แต่ประสิทธิภาพที่ได้จะชดเชยความแพงได้

สำหรับอุตสาหกรรมที่ต้องการความยืดหยุ่น เช่น ยานยนต์ที่ต้องการทั้งความเร็วในการประมวลผลและความทนทานต่อสภาพแวดล้อม หรืออุปกรณ์การแพทย์ที่ต้องการความเสียหาย Hybrid Assembly จะเป็นทางเลือกที่เหมาะสมที่สุดเพราะสามารถปรับใช้เทคโนโลยีที่เหมาะสมกับแต่ละส่วนได้

ภาพรวมตลาดและอนาคตของเทคโนโลยี

ตลาดเซมิคอนดักเตอร์แพคเกจจิ้งมีมูลค่าประมาณ 45.25 พันล้านดอลลาร์ในปี 2024 และคาดว่าจะเติบโตไปถึง 108,820 ล้านดอลลาร์ในปี 2033 ซึ่งการเติบโตนี้ได้รับแรงหนุนจากการใช้งานที่เพิ่มขึ้นของ AI, IoT, และยานยนต์ไฟฟ้า

ที่น่าสนใจคือ Wirebond ยังคงครองส่วนแบ่งตลาดถึง 75-80% ของการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ทั่วโลก โดยเฉพาะในตลาดเอเชียแปซิฟิกที่ครองส่วนแบ่งตลาดมากกว่า 53% เนื่องจากมีศูนย์กลางการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ที่สำคัญ เช่น ไต้หวัน เกาหลีใต้ และจีน

แล้วอะไรกันละที่ดีที่สุด

คำตอบที่ดีที่สุดกลับไม่ใช่การเลือกเทคโนโลยีที่ใหม่ที่สุด แต่เป็นการเลือกเทคโนโลยีที่เหมาะสมที่สุดกับความต้องการและงบประมาณที่มี Wirebond ที่ดูเหมือนเก่าแก่ยังคงมีบทบาทสำคัญในอุตสาหกรรม Flip-chip ที่ทันสมัยก็มีที่ยืนของตัวเองในแอปพลิเคชันเฉพาะ และ Hybrid Assembly ที่ฉลาดก็กลายเป็นทางเลือกใหม่ที่น่าสนใจ

สุดท้ายแล้ว การตัดสินใจเลือกเทคโนโลยีที่ผิดไม่ใช่เพราะขาดเทคโนโลยีที่ดี แต่เป็นเพราะขาดความเข้าใจในความเหมาะสมของแต่ละเทคโนโลยี และนั่นคือบทเรียนที่แพงที่สุดที่อุตสาหกรรมนี้ให้กับเราทุกคนครับ

แหล่งข้อมูลอ้างอิง

• https://semiengineering.com/wirebonding-is-here-to-stay/
• https://semiengineering.com/wirebond-technology-rolls-on/
• https://www.henkel-adhesives.com/es/en/industries/electronics/semiconductor-packaging/wirebond-semiconductor-packaging.html
• https://chargedevs.com/newswire/the-advantages-and-limitations-of-wire-bonding-in-electric-vehicle-applications/
• https://xiaoweicn.com/pros-and-cons-of-wire-bonding-technology-analyzing-its-benefits-and-drawbacks/
• https://anysilicon.com/flip-chip/
• https://www.pcb-technologies.com/article/flip-chip-vs-wire-bonding-technology/
• https://semiconductor.altertechnology.com/flip-chip-for-high-speed-mmic-and-rf-devices/
• https://www.agc-multimaterial.cn/vs-uploads/add-technical-articles/1453224385_GHz%20Flip%20Chip%20-%20An%20Overview%20Technical%20Article.pdf
• https://www.3dincites.com/2017/03/cost-comparison-of-fan-out-wafer-level-packaging-and-flip-chip-packaging/
• https://sst.semiconductor-digest.com/2005/07/wire-bond-vs-flip-chip-packaging/
• https://micropt.com/hybrid-assembly.htm
• https://www.bench.com/mixed-and-hybrid-assembly