American Semiconductor dela korak proti ameriški domači embalaži čipov

Zaradi razširjenega pomanjkanja polprevodnikov v zadnjem letu se je veliko ljudi osredotočilo na odpornost dobavne verige, s pozivi k povečanju proizvodnje čipov v ZDA. Zakon o inovacijah in konkurenci ZDA (USICA), ki ga je senat sprejel junija lani, predlaga 52 milijard dolarjev pomoči. domača proizvodnja polprevodnikov in čaka na akcijo House. Medtem ko je za mnoge ljudi glavni poudarek na povečanju domačega deleža proizvodnje silicijevih čipov, ne smemo spregledati embalaže čipov – bistvenega postopka kapsuliranja teh čipov, da bi jih zaščitili pred poškodbami in jih naredili uporabne s povezovanjem njihovih vezij na zunanji svet. To je področje, ki bo pomembno tako za odpornost dobavne verige kot tudi za ohranjanje prihodnjega tehnološkega napredka v elektroniki. 

Embalaža je bistvenega pomena za uporabnost polprevodniških čipov

Čipi z integriranim vezjem (IC) se proizvajajo na silikonskih rezinah v tovarnah, vrednih več milijard dolarjev, znanih kot "fabs". Posamezni čipi ali "matrice" se proizvajajo v ponavljajočih se vzorcih, proizvedenih v serijah na vsaki rezini (in po serijah rezin). 300 mm rezina (približno 12 palcev v premeru), velikosti, ki se običajno uporablja v najsodobnejših tovarnah, lahko nosi na stotine velikih mikroprocesorskih čipov ali na tisoče drobnih krmilnih čipov. Proizvodni proces je razdeljen na fazo "prednjega konca linije" (FEOL), med katero se ustvarijo milijarde mikroskopskih tranzistorjev in drugih naprav s postopki vzorčenja in jedkanja v telesu silicija, čemur sledi "zadnji konec linije". ” (BEOL), v katerem je položena mreža kovinskih sledi, ki povezuje vse. Sledi so sestavljeni iz navpičnih segmentov, imenovanih "vias", ki povezujejo vodoravne plasti ožičenja. Če imate na čipu milijarde tranzistorjev (procesor A13 iPhone 15 ima 15 milijard), potrebujete veliko milijard žic, da jih povežete. Vsaka posamezna matrica ima lahko skupno več kilometrov ožičenja, ko je raztegnjena, zato si lahko predstavljamo, da so procesi BEOL precej zapleteni. Na zunanjo plast matrice (včasih bodo uporabili zadnjo stran matrice in sprednjo stran) oblikovalci namestili mikroskopske blazinice, ki se uporabljajo za povezavo čipa z zunanjim svetom. 

Ko je rezina obdelana, se vsak od čipov posamezno "pregleda" s testnim strojem, da ugotovimo, kateri so dobri. Te so izrezane in zložene v pakete. Paket zagotavlja tako fizično zaščito za čip kot tudi sredstvo za povezovanje električnih signalov z različnimi vezji v čipu. Ko je čip zapakiran, ga lahko namestite na elektronska vezja v telefonu, računalniku, avtomobilu ali drugih napravah. Nekateri od teh paketov morajo biti zasnovani za ekstremna okolja, na primer v motornem prostoru avtomobila ali na stolpu mobilnega telefona. Drugi morajo biti izredno majhni za uporabo v notranjosti kompaktnih naprav. V vseh primerih mora oblikovalec embalaže upoštevati stvari, kot so materiali, ki jih je treba uporabiti za zmanjšanje napetosti ali razpok matrice ali upoštevati toplotno raztezanje in kako to lahko vpliva na zanesljivost čipa.

Najstarejša tehnologija, ki je bila uporabljena za povezavo silicijevega čipa s kabli znotraj paketa, je bila žično lepljenje, postopek varjenja pri nizkih temperaturah. V tem procesu so zelo fine žice (običajno zlata ali aluminija, čeprav se uporabljata tudi srebro in baker) na enem koncu pritrjene na kovinske blazinice na čipu, na drugem koncu pa na terminale na kovinskem okvirju, ki ima vodi na zunanjo stran. . Postopek je bil pionir v Bell Labsu v petdesetih letih prejšnjega stoletja z drobnimi žicami, stisnjenimi pod pritiskom v blazinice čipov pri visokih temperaturah. Prvi stroji za to so postali na voljo v poznih petdesetih letih prejšnjega stoletja, do sredine šestdesetih let prejšnjega stoletja pa je bilo ultrazvočno lepljenje razvito kot alternativna tehnika.

V preteklosti je bilo to delo opravljeno v jugovzhodni Aziji, ker je bilo precej delovno intenzivno. Od takrat so bili razviti avtomatizirani stroji za lepljenje žice pri zelo visokih hitrostih. Razvite so bile tudi številne druge novejše tehnologije pakiranja, vključno s tisto, ki se imenuje "flip chip". V tem procesu se mikroskopski kovinski stebri nanesejo (»udarijo«) na blazinice na čipu, medtem ko je ta še na rezini, nato pa se po testiranju dobra matrica obrnejo in poravnajo z ujemajočimi se blazinicami v paketu. Nato se spajka stopi v postopku ponovnega pretakanja, da se spoji spojijo. To je dober način za vzpostavitev na tisoče povezav naenkrat, čeprav morate stvari skrbno nadzorovati, da se prepričate, da so vse povezave dobre. 

V zadnjem času je embalaža pritegnila veliko več pozornosti. Razlog za to so nove tehnologije, ki so na voljo, pa tudi nove aplikacije, ki spodbujajo uporabo čipov. Predvsem je želja združiti več čipov, izdelanih z različnimi tehnologijami, v en sam paket, tako imenovane sistemske v paketu (SiP) čipe. Poganja pa ga tudi želja po združevanju različnih vrst naprav, na primer antene 5G v istem paketu kot radijski čip, ali aplikacij umetne inteligence, v katerih senzorje integrirate z računalniškimi čipi. Velike livarne polprevodnikov, kot je TSMC, delajo tudi s "chipleti" in "fan out embalažo", medtem ko Intel
INTC
ima vgrajeno multi-die interconnect (EMIB) in Foveros tehnologijo zlaganja na matrico, ki je bila leta 2019 predstavljena v svojem mobilnem procesorju Lakefield.

Večino embalaže opravijo pogodbeni proizvajalci tretjih oseb, znani kot podjetja za montažo in testiranje (OSAT), središče njihovega sveta pa je v Aziji. Največji dobavitelji OSAT so ASE iz Tajvana, Amkor Technology
AMKR
s sedežem v Tempeju v Arizoni, Jiangsu Changjiang Electronics Tech Company (JCET) na Kitajskem (ki je pred nekaj leti kupila singapurski STATS ChipPac) in Siliconware Precision Industries Co., Ltd. (SPIL) na Tajvanu, ki ga je kupila ASE v 2015. Obstajajo številni drugi manjši akterji, zlasti na Kitajskem, ki je pred nekaj leti opredelila OSAT kot strateško industrijo.

Glavni razlog, zakaj je embalaža v zadnjem času pritegnila pozornost, je ta, da so nedavni izbruhi Covid-19 v Vietnamu in Maleziji znatno prispevali k poslabšanju krize oskrbe s polprevodniškimi čipi, pri čemer so zaprtje tovarn ali zmanjšano število zaposlenih, ki jih izvajajo lokalne vlade, več tednov prekinile ali zmanjšale proizvodnjo. Čas. Tudi če ameriška vlada vlaga v subvencije za spodbujanje domače proizvodnje polprevodnikov, bo večina teh končnih čipov še vedno potovala v Azijo po embalažo, saj so tam industrija in mreže dobaviteljev in kjer je baza znanja. Tako Intel izdeluje mikroprocesorske čipe v Hillsboru, Oregon ali Chandler, Arizona, vendar pa končne rezine pošilja v tovarne v Malezijo, Vietnam ali Chengdu na Kitajskem na testiranje in pakiranje.

Ali je mogoče pakiranje čipov vzpostaviti v ZDA?

Prenašanje embalaže čipov v ZDA je precej izziv, saj je večina industrije zapustila ameriške obale pred skoraj pol stoletja. Severnoameriški delež svetovne proizvodnje embalaže je le okoli 3 %. To pomeni, da mreže dobaviteljev za proizvodno opremo, kemikalije (kot so substrati in drugi materiali, ki se uporabljajo v embalažah), svinčene okvirje in kar je najpomembneje, baza spretnosti izkušenih talentov za velik del poslovanja v ZDA še niso obstajale. dolgo časa. Intel je pravkar napovedal naložbo v višini 7 milijard dolarjev v novo tovarno embalaže in testov v Maleziji, čeprav je napovedal tudi načrte za vlaganje 3.5 milijarde dolarjev v svoje operacije Rio Rancho v Novi Mehiki za svojo tehnologijo Foveros. Amkor Technology je pred kratkim objavil tudi načrte za razširitev zmogljivosti v Bac Ninh v Vietnamu severovzhodno od Hanoja.

Velik del tega problema za ZDA je, da napredno pakiranje čipov zahteva toliko proizvodnih izkušenj. Ko prvič začnete s proizvodnjo, bo donos dobro pripravljenih pakiranih čipov verjetno nizek, in ko jih naredite več, nenehno izboljšujete proces in pridelek se izboljšuje. Veliki kupci čipov na splošno ne bodo pripravljeni tvegati z uporabo novih domačih dobaviteljev, ki bi lahko potrebovali veliko časa, da bi dosegli to krivuljo donosa. Če imate nizek izkoristek embalaže, boste čipe, ki bi sicer bili dobri, zavrgli. Zakaj izkoristiti priložnost? Tako tudi če izdelujemo naprednejše čipe v ZDA, bodo verjetno še vedno šli po embalažo na Daljni vzhod.

Družba American Semiconductor, Inc. v Boiseu iz Idaha uporablja drugačen pristop. Izvršni direktor Doug Hackler se zavzema za »izvedljivo preoblikovanje na podlagi uspešne proizvodnje«. Namesto da bi lovil samo embalažo čipov višjega cenovnega razreda, kakršna se uporablja za napredne mikroprocesorje ali čipe 5G, je njegova strategija uporaba nove tehnologije in njena uporaba na starih čipih, kjer je veliko povpraševanja, kar bo podjetju omogočilo, da izvaja svoje procese in učiti se. Podedovani žetoni so tudi veliko cenejši, zato izguba donosa ni tako velik problem življenja in smrti. Hackler poudarja, da 85 % čipov v iPhonu 11 uporablja starejše tehnologije, na primer izdelane v polprevodniških vozliščih 40 nm ali več (kar je bila vroča tehnologija pred desetletjem). Dejansko je veliko pomanjkanja čipov, ki trenutno pesti avtomobilsko industrijo, drugo pa je za te stare čipe. Hkrati podjetje poskuša uporabiti novo tehnologijo in avtomatizacijo v korakih montaže, saj ponuja embalažo ultra tankih čipov z uporabo procesa, ki ga imenuje polprevodnik na polimeru (SoP), v katerem je rezina, polna matrice, vezana na zadnji polimer in nato nameščen na termotransferni trak. Po testiranju z običajnimi avtomatiziranimi testerji se čipi narežejo na nosilce traku in prenesejo na kolute ali druge formate za hitro avtomatsko sestavljanje. Hackler meni, da bi morala biti ta embalaža privlačna za proizvajalce naprav interneta stvari (IoT) in nosljivih naprav, dva segmenta, ki bi lahko porabila velike količine čipov, vendar nista tako zahtevna na strani izdelave silicija.

Kar je pri Hacklerjevem pristopu privlačno, sta dve stvari. Prvič, priznanje pomena povpraševanja za potegnitev obsega skozi njegovo proizvodno linijo bo zagotovilo, da bodo dobili veliko prakse pri izboljšanju donosa. Drugič, uporabljajo novo tehnologijo in prehod na tehnologijo je pogosto priložnost, da odstavijo uslužbence. Novi udeleženci nimajo prtljage, da bi bili vezani na obstoječe procese ali objekte. 

Podjetje American Semiconductor čaka še dolga pot, vendar bodo takšni pristopi razvili domače spretnosti in so praktičen korak k prenosu embalaže čipov v ZDA. Ne pričakujte, da bo vzpostavitev domačih zmogljivosti hitra, vendar ni slab kraj za začnite.