Unpacking Advanced Packaging: Chip Packaging

Share with

Advanced Packaging Market was valued at over USD 34.5 billion in 2023 and is anticipated to grow at a CAGR of over 10% between 2024 & 2032. The increasing trend toward IoT and AI technologies globally drives growth in the advanced packaging industry. As IoT and AI applications expand, the demand for advanced packaging solutions rises. These technologies often require compact, efficient, and high-performance packaging to ensure optimal functionality. Advanced packaging meets these demands, offering improved thermal management, miniaturization, and enhanced reliability. The surge in demand for device miniaturization is a key driver propelling the advanced packaging market. As consumers and industries alike seek smaller, lighter, and more portable electronic devices, there is an increasing need for advanced packaging solutions that enable the integration of complex components in compact spaces.

So, what exactly is advanced packaging? Advanced packaging refers to a set of sophisticated techniques and technologies used in the semiconductor industry to enhance the performance, functionality, and efficiency of integrated circuits (ICs) and microelectronic devices. Essentially, it’s the process of enclosing semiconductor chips within protective casings and creating the necessary electrical connections, thermal management, and environmental protection to ensure the optimal operation of these chips. The cornerstones of modern electronics were laid with the development of traditional packaging techniques in the latter half of the 20th century. Wire bonding, introduced in the 1950s, remains relevant today. This method uses thin metal wires and solder balls to connect a silicon chip (die) to a printed circuit board (PCB). While space-saving and offering flexibility in connecting distant points on the chip, wire bonding has limitations. It struggles with high temperatures, humidity, and temperature fluctuations, and the sequential bonding process slows down manufacturing. However, with a projected market value of $16 billion by 2031, wire bonding maintains a steady presence.

A significant leap forward came in the mid-1990s with flip-chip technology. Here, the die is flipped over, utilizing its entire surface area for connections to the PCB via tiny solder bumps. This innovative approach offers a smaller form factor and faster signal transmission, making devices more compact and efficient. Flip-chip packaging dominates the market due to its cost-effectiveness and widespread use in CPUs, smartphones, and radio-frequency systems. While enabling smaller assemblies and handling higher temperatures, flip chips require very flat mounting surfaces and are difficult to replace. Despite this, the flip-chip market is projected to reach $45 billion by 2030, reflecting a healthy growth rate of 6.3% CAGR. 

Wafer-level packaging flips the traditional method on its head. Instead of packaging individual chips, it creates electrical connections and molding on the entire silicon wafer before dicing it with a laser. This results in a smaller package and better heat dissipation due to the use of redistribution layers (RDLs) instead of a substrate between the chip and the PCB. Wafer-level packaging comes in two main flavors: fan-in and fan-out. Fan-in, used for basic applications, routes connections inwards. Fan-out, introduced in 2007, allows for more inputs and outputs while staying thin by extending the RDLs and solder balls beyond the chip size. Within fan-out, core types serve non-demanding applications like automotive and network chips, while high and ultrahigh density cater to mobile and high-performance computing needs. Wafer-level packaging has evolved to stack multiple circuits. This allows for combining logic and memory chips or stacking memory chips.  2.5D stacking takes things a step further, placing chips side-by-side connected by an “interposer.” In 3D stacking, multiple chips are placed face down on top of one another, with or without an interposer. 

The rise of 5G technology and increasing functionalities in smartphones propel the need for advanced packaging solutions to accommodate complex chip designs. By Region, Asia Pacific held the highest market share in 2022 and is expected to keep its dominance during the forecast period. The surge in demand for consumer electronics, especially in countries like China and South Korea. Asia Pacific dominated the advanced packaging market with a share of over 65% in 2023. The region is expected to witness growth in the market owing to the presence of a strong electronics manufacturing ecosystem, rising demand for feature-rich & compact electronic gadgets, and a spike in the use of 5G technology. Asia Pacific is positioned as a major hub for advanced packaging. The region’s developing market and continuous technological progress create a favorable atmosphere for the development of sophisticated packaging solutions for a range of electronic uses.

Article by: Asst. Prof. Suwan Juntiwasarakij, Ph.D., Senior Editor & MEGA Tech

Unpacking Advanced Packaging: Chip Packaging

Share with

先端パッケージング市場は2023 年には345 億ドル以上の市場規模と考えられ
2024 年から 2032 年にかけて 10% 以上の CAGR で成長すると予想されている。IoTおよび AI テクノロジーへの世界的な傾向の高まりにより先端パッケージング業界の成長が進んでいる。 IoT および AI アプリケーションの拡大に伴い高度なパッケージング ソリューションの需要が高まっている。これらのテクノロジーは多くの場合その最適な機能を確保するためにコンパクトで効率的な高性能のパッケージングを必要とする。高度なパッケージングはこれらの要求を満たし温度管理の改善、小型化、およびに信頼性の向上を実現する。デバイスの小型化に対する需要の急増が先進的なパッケージング市場を推進する主な原動力となっている。消費者と業界は共により小さくより軽くよりポータブルな電子機器を求めており、複雑なコンポーネントをコンパクトなスペースに統合できる高度なパッケージング ソリューションの必要性が高まっている。

高度なパッケージングとは一体何なのか? 高度なパッケージングとは集積回路 (IC)やマイクロ電子デバイスの性能、機能性、効率を向上させるために半導体業界で使用される一連の高度な技術とテクノロジーを指す。基本的にこれは半導体チップを保護ケース内に封入しこれらのチップの最適な動作を保証するために必要な電気接続、温度管理、およびに環境保護を作り出すプロセスである。現代のエレクトロニクスの基礎は20世紀後半の伝統的なパッケージング技術の開発によって築かれた。1950 年代に導入されたワイヤ ボンディングは今日でも重要な役割を果たしている。この方法は細い金属ワイヤとはんだボールを使用してシリコン チップ (ダイ) をプリント基板(PCB) に接続する。ワイヤボンディングはスペースを節約しチップ上の離れた点を接続する柔軟性を持っているがこれには限界がある。高温、多湿、温度変動に弱く連続的な接着プロセスにより製造速度は低下する。しかし2031 年までに市場価値が 160億ドルに達すると予測されておりワイヤ ボンディングは安定した存在感を維持している。

1990年代半ばにフリップチップ技術によって大きな進歩がもたらされた。ここで
は金型を裏返ししその表面積全体を小さなはんだバンプを介した PCB への接続に利用する。この革新的なアプローチの開発のお陰でより小型のフォームファクターとより高速な信号伝送が実現しデバイスがよりコンパクトで効率的になる。フリップチップパッケージングは、費用対効果が高くCPU、スマートフォン、無線周波数システムで広く使用されているため市場を支配している。フリップチップはアセンブリの小型化と高温への対応を可能にするが非常に平坦な取り付け面を必要とするため交換が困難なのだが、それにもかかわらず6.3%のCAGRという健全な成長率を反映してフリップチップ市場は2030年までに450億ドルに達すると予測されている。

ウェーハレベルのパッケージングは従来の方法と真逆になる。個々のチップをパッケージングする代わりにレーザーでダイシングする前にシリコンウェーハ全体に電気接続とモールディングを作る。これによりチップと PCB の間の基板の代わりに再配線層 (RDL) が使用されるためパッケージが小さくなり放熱性が向上する。ウェーハレベルのパッケージングにはファンインとファンアウトという 2 つの主な種類がある。基本的なアプリケーションに使用されるファンインは接続を内側にルーティングする。2007年に導入されたファンアウトはRDL とはんだボールをチップ サイズを超えて拡張する事で薄型を維持しながらより多くの入出
力を可能にする。ファンアウトではコア タイプは車載チップやネットワーク チップなどの要求の厳しいアプリケーションに対応し高密度およびに超高密度はモバイルおよびハイパフォーマンス コンピューティングのニーズに応える。ウェーハレベルのパッケージングは複数の回路を積層するように進化した。これによりロジック チップとメモリ チップを組み合わせたりメモリチップを積層したりすることが可能になる。2.5D スタッキングではさらに一歩進んで「インターポーザー」によって接続されたチップを並べて配置し、3D スタッキングではインターポーザーの有無にかかわらず複数のチップが裏向きに互いに重ねられる。

5G テクノロジーの台頭とスマートフォンの機能性の向上により複雑なチップ設計に対応する高度なパッケージング ソリューションの必要性が高まっている。
地域別ではアジア太平洋地域が2022年に最高の市場シェアをキープしており予測期間中その優位性を維持すると予想されている。特に中国や韓国などの国での家
電製品の需要の急増が見込まれている。アジア太平洋地域は2023年に65% 以上のシェアで先端パッケージング市場を独占している。この地域は強力なエレクト
ロニクス製造エコシステムの存在、機能が豊富でコンパクトな電子ガジェットに対する需要の高まりおよびに5Gテクノロジーの使用が急増している。アジア太平
洋地域は先進的なパッケージングの主要拠点として位置付けられている。この地域の市場の発展と継続的な技術進歩により様々な電子用途向けの洗練されたパッケージング ソリューションの開発に有利な状況が造られ始めている。

「INTERMACH 2024」は現代生産の要求に応えるインテリジェントなソリューションを展示する最高の産業機械展示会として40周年を迎え、最先端の機械
と生産ソリューションを展示し「5R」のコンセプトを体現するイベントです。産業起業家の皆様向けに設計された特別な機能を提供します

Article by: Asst. Prof. Suwan Juntiwasarakij, Ph.D., Senior Editor & MEGA Tech

นวัตกรรมบรรจุภัณฑ์ขั้นสูง: Chip Packaging

Share with

ตลาดบรรจุภัณฑ์ขั้นสูงมีมูลค่ากว่า 37.1 พันล้านดอลลาร์สหรัฐในปี 2023 และคาดการณ์ว่าจะเติบโตที่อัตราการเติบโตต่อปี (CAGR) มากกว่า 10% ระหว่างปี 2024 ถึง 2032 แนวโน้มที่เพิ่มขึ้นของเทคโนโลยี IoT และ AI ทั่วโลกเป็นแรงขับเคลื่อนอันสำคัญต่อการเติบโตของอุตสาหกรรมบรรจุภัณฑ์ขั้นสูง

เมื่อการประยุกต์ใช้งานเทคโนโลยี IoT และ AI ได้รับนิยมและเป็นที่ต้องการมากขึ้น ความต้องการโซลูชันด้านบรรจุภัณฑ์ขั้นสูงก็จะเพิ่มขึ้นเช่นกัน เทคโนโลยีขั้นสูง ต้องการบรรจุภัณฑ์ที่กะทัดรัดและมีประสิทธิภาพสูง เพื่อให้แน่ใจว่าการทำงานเป็นไปอย่างราบลื่น บรรจุภัณฑ์ขั้นสูงตอบสนองความต้องการดังกล่าวนี้ด้วยการจัดการความร้อนที่ดีขึ้น การทำให้มีขนาดเล็กลงมากขึ้น และมีการทำงานที่น่าเชื่อที่มากขึ้น

ความต้องการอุปกรณ์ขนาดเล็กที่มากขึ้นเป็นปัจจัยขับเคลื่อนพลักดันการเติบโตของตลาดบรรจุภัณฑ์ขั้นสูง ทั้งผู้บริโภคและอุตสาหกรรมล้วนต้องการอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่เล็กขึ้นเรื่อยๆ เบาขึ้นเรื่อยๆ และพกพาได้ บรรจุภัณฑ์ขั้นสูงจึงมีความต้องการเพิ่มขึ้นเรื่อยๆ  เพื่อที่จะบรรจุส่วนประกอบที่ซับซ้อนเข้าไว้ในพื้นที่ขนาดเล็ก

บรรจุภัณฑ์ขั้นสูง (Advanced Packaging) คือ ชุดเทคนิควิธีและเทคโนโลยีอันล้ำสมัยที่ใช้ในอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ เพื่อยกระดับประสิทธิภาพการทำงานของวงจรรวม (IC) และอุปกรณ์ไมโครอิเล็กทรอนิกส์ พูดให้ง่ายก็คือกระบวนการบรรจุชิปเซมิคอนดักเตอร์ไว้ในเคสป้องกัน พร้อมการเชื่อมต่อทางไฟฟ้าที่จำเป็น, มีการจัดการความร้อน และป้องกันความเสียหายจากสิ่งแวดล้อม เพื่อให้ชิปเหล่านี้ทำงานได้อย่างดีที่สุด รากฐานสำคัญของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ยุคใหม่ได้เริ่มต้นขึ้นจากการพัฒนาเทคนิคการบรรจุแบบดั้งเดิมในช่วงครึ่งหลังของศตวรรษที่ 20

เทคนิคการเชื่อมต่อด้วยสาย (Wire Bonding) ถูกคิดค้นขึ้นในปี 1950 และยังคงมีการใช้อย่างแพร่หลายจนถึงปัจจุบัน วิธีการนี้ใช้สายโลหะบาง ๆ และตะกั่วเชื่อมตัวชิปซิลิคอน (Die) เข้ากับแผ่นวงจรพิมพ์ (PCB) แม้ว่าจะมีข้อดีในเรื่องของการประหยัดพื้นที่และความยืดหยุ่นในการเชื่อมจุดต่าง ๆ บนชิป แต่การเชื่อมต่อด้วยสายก็มีข้อจำกัด เช่น ไม่สามารถทำงานได้ดีไม่ดีในสภาวะที่มีอุณหภูมิสูง ความชื้นสูง หรือมีความแปรปรวนของอุณหภูมิ อีกทั้งบวกกับกระบวนการเชื่อมต่อแบบต่อเนื่องยังทำให้การผลิตช้าลง

อย่างไรก็ตาม ด้วยมูลค่าตลาดที่คาดการณ์ไว้ว่าจะอยู่ที่ 16 พันล้านดอลลาร์สหรัฐ ภายในปี 2031 เนื่องจากการเชื่อมต่อด้วยสายยังคงมีบทบาทสำคัญในอุตสาหกรรม

ความก้าวหน้าแบบก้าวกระโดดเกิดขึ้นในช่วงกลางทศวรรษ 1990s ด้วยเทคนิคชิปกลับด้าน (Flip-Chip) ในเทคนิคนี้ ตัว Die จะถูกหงายกลับด้าน โดยใช้พื้นที่ทั้งหมดเพื่อเชื่อมต่อกับ PCB ด้วยจุดตะกั่วขนาดเล็ก (Solder Bumps)

วิธีการใหม่นี้ช่วยให้ขนาดของอุปกรณ์เล็กลงและส่งสัญญาณได้เร็วขึ้น ทำให้อุปกรณ์มีขนาดกะทัดรัดและประสิทธิภาพดีขึ้น บรรจุภัณฑ์แบบชิปกลับด้านจึงครองตลาดเนื่องจากคุ้มค่าและได้รับความนิยมอย่างล้นหลามใน CPU สมาร์ทโฟน และระบบความถี่วิทยุ

แม้ว่าการเชื่อมต่อด้วยเทคนิควิธีนี้จะช่วยให้ประกอบชิ้นส่วนมีขนาดเล็กและทนต่ออุณหภูมิสูงได้ แต่ชิปกลับด้านก็ต้องใช้พื้นผิวที่เรียบมากในการติดตั้ง และยากต่อการเปลี่ยนใหม่ ถึงกระนั้น ตลาดชิปกลับด้านคาดว่าจะเติบโตแตะ 45 พันล้านดอลลาร์สหรัฐ ภายในปี 2030 ซึ่งสะท้อนถึงอัตราการเติบโตต่อปี (CAGR) ที่สูงถึง 6.3%

บรรจุภัณฑ์ระดับเวเฟอร์ (Wafer-level packaging) พลิกโฉมวิธีการแบบเดิมอย่างสิ้นเชิง แทนที่จะบรรจุชิปแยกชิ้น บรรจุภัณฑ์ระดับเวเฟอร์จะสร้างการเชื่อมต่อทางไฟฟ้าและขึ้นรูปบนเวเฟอร์ซิลิคอนทั้งแผ่นก่อนที่จะนำมาตัดแยกเป็นชิปด้วยเลเซอร์ วิธีนี้ส่งผลให้แพ็คเกจมีขนาดเล็กลงและระบายความร้อนได้ดีขึ้น

เนื่องจากการใช้ชั้นการกระจายสัญญาณใหม่ (Redistribution Layers: RDLs) แทนที่จะใช้แผ่นรอง (Substrate) ระหว่างชิปกับแผ่นวงจรพิมพ์ (PCB) บรรจุภัณฑ์ระดับเวเฟอร์ แบ่งออกเป็น 2 ประเภทหลัก คือ Fan-in และ Fan-out โดย Fan-in ใช้สำหรับงานพื้นฐาน จะทำการเดินสายเชื่อมต่อเข้าด้านในของชิป ส่วน Fan-out ซึ่งเปิดตัวในปี 2007 ช่วยให้มีจุดเชื่อมต่อทั้งขาเข้าและขาออกได้มากกว่า คงความบาง โดยการขยายชั้น RDLs และจุดประสานตะกั่ว (Solder Balls) ให้ใหญ่กว่าขนาดของชิป และ Fan-out เองยังแยกย่อยได้อีก 2 ประเภท

ประเภทแรกซึ่งเป็นประเภทหลักเหมาะสำหรับงานที่ไม่ต้องการประสิทธิภาพสูง เช่น ชิปสำหรับยานยนต์และเครือข่าย ส่วน Fan-out แบบความหนาแน่นสูง และ ความหนาแน่นเป็นพิเศษ เหมาะสำหรับงานโทรศัพท์มือถือและงานคอมพิวเตอร์ประสิทธิภาพสูง บรรจุภัณฑ์ระดับเวเฟอร์ได้รับการพัฒนาให้ซ้อนกันหลายวงจร ซึ่งช่วยให้สามารถรวมลอจิกและชิปหน่วยความจำหรือชิปหน่วยความจำแบบซ้อนได้ การวางซ้อนแบบ 2.5D ได้ก้าวหน้าไปอีกขั้น โดยการวางชิปแบบเคียงข้างกันที่เชื่อมต่อกันด้วย “อินเทอร์โพเซอร์” ส่วนการเรียงซ้อนแบบ 3 มิติ นั้นชิปหลายตัวจะถูกวางคว่ำหน้าลงบนชิปอีกตัวหนึ่ง โดยมีหรือไม่มีอินเทอร์โพสเซอร์ก็ได้

การมาถึงของเทคโนโลยี 5G และฟังก์ชันการทำงานที่เพิ่มขึ้นในสมาร์ทโฟน ผลักดันให้เกิดความต้องการโซลูชันการบรรจุภัณฑ์ขั้นสูงเพื่อรองรับการออกแบบชิปที่ซับซ้อน เอเชียแปซิฟิกครองส่วนแบ่งการตลาดสูงสุดในปี 2022 และคาดว่าจะรักษาคตำแหน่งนี้ไว้ต่อไปในอนาคต

ความต้องการสินค้าอุปโภคบริโภคประเภทเครื่องใช้ไฟฟ้าที่พุ่งทะยานในจีนและเกาหลีใต้ได้ทำให้ภูมิภาคอเชียแปซิฟิกครองตลาดการบรรจุภัณฑ์ขั้นสูงด้วยส่วนแบ่งกว่า 65% ในปี 2023 คาดว่าจะได้เห็นการเติบโตของตลาดในภูมิภาคนี้ต่อไป

เนื่องจากมีระบบนิเวศการผลิตเครื่องอิเล็กทรอนิกส์ที่แข็งแกร่ง มีความต้องการแกดเจ็ตอิเล็กทรอนิกส์ที่มากความสามารถและมีขนาดกระทัดรัดมากขึ้น และมีการใช้เทคโนโลยี 5G เพิ่มขึ้น เอเชียแปซิฟิกถูกวางให้เป็นศูนย์กลางสำคัญสำหรับการบรรจุภัณฑ์ขั้นสูง ตลาดที่กำลังพัฒนาและความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีอย่างต่อเนื่องของภูมิภาคนี้ สร้างบรรยากาศที่เอื้ออำนวยต่อการพัฒนาโซลูชันการบรรจุภัณฑ์ที่ซับซ้อนสำหรับการใช้งานด้านอิเล็กทรอนิกส์หลากหลาย

Article by: Asst. Prof. Suwan Juntiwasarakij, Ph.D., Senior Editor & MEGA Tech

Shopping cart close