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