Az American Semiconductor lépést tesz az amerikai belföldi chipek csomagolása felé

A félvezetőkből az elmúlt évben tapasztalt széles körű hiány miatt sokan az ellátási lánc ellenálló képességére összpontosítottak, és a chipgyártás növelésére szólítottak fel az Egyesült Államokban. hazai félvezetőgyártás, és a House akcióra vár. Míg sok ember számára a fő hangsúly a szilícium chipek hazai részarányának növelésén van, nem szabad figyelmen kívül hagynunk a chipek csomagolását – a chipek kapszulázásának alapvető folyamatát, hogy megóvjuk őket a sérülésektől, és használhatóvá tegyük őket az áramkörükhöz való csatlakoztatással. külvilág. Ez egy olyan terület, amely mind az ellátási lánc rugalmassága, mind az elektronika jövőbeli technológiai fejlődése szempontjából fontos lesz. 

A csomagolás elengedhetetlen a félvezető chipek használhatóvá tételéhez

Az integrált áramköri (IC) chipeket szilíciumlapkákon állítják elő több milliárd dolláros gyárakban, amelyek „fabs” néven ismertek. Az egyes chipeket vagy „kockákat” ismétlődő minták szerint állítják elő, tételenként minden ostyán (és ostyakötegeken keresztül). Egy 300 mm-es (körülbelül 12 hüvelyk átmérőjű) ostya, amelyet általában a legmodernebb gyáraknál használnak, több száz nagy mikroprocesszor chipet vagy több ezer apró vezérlő chipet hordozhat. A gyártási folyamat egy „front end of the line” (FEOL) fázisra tagolódik, amelynek során mikroszkopikus tranzisztorok és egyéb eszközök milliárdjai jönnek létre a szilícium testében mintázó és maratási folyamatokkal, majd ezt követi a „sor hátsó vége” ” (BEOL), amelyben egy fémnyomok hálója van lerakva, hogy mindent összekapcsoljon. A nyomvonalak függőleges szegmensekből állnak, amelyeket „viáknak” neveznek, amelyek viszont a vezetékek vízszintes rétegeit kötik össze. Ha több milliárd tranzisztor van egy chipen (az iPhone 13 A15 processzorában 15 milliárd van), sok milliárd vezetékre van szükség a csatlakoztatáshoz. Minden egyes szerszámnak több kilométeres vezetéke lehet, ha ki vannak húzva, így elképzelhetjük, hogy a BEOL folyamatok meglehetősen összetettek. A matrica legkülső rétegére (néha a matrica hátulját és elejét is használják) a tervezők mikroszkopikus párnákat helyeznek el, amelyek a chipet a külvilággal összekötik. 

Az ostya feldolgozása után a chipek mindegyikét egyenként „szondázzák” egy tesztgéppel, hogy kiderüljön, melyik a jó. Ezeket kivágjuk és csomagokba rakjuk. Egy csomag biztosítja a chip fizikai védelmét, valamint az elektromos jelek csatlakoztatását a chip különböző áramköreihez. A chip becsomagolása után elhelyezhető telefonja, számítógépe, autója vagy más eszközök elektronikus áramköri lapjaira. Néhány ilyen csomagot extrém környezetre kell tervezni, például egy autó motorterében vagy egy mobiltelefon-toronyban. Másoknak rendkívül kicsiknek kell lenniük ahhoz, hogy kompakt készülékekben használhatók. A csomagolás tervezőjének minden esetben figyelembe kell vennie az olyan dolgokat, mint például a szerszám feszültségének vagy repedésének minimalizálására használandó anyagok, vagy figyelembe kell vennie a hőtágulást, és azt, hogy ez hogyan befolyásolhatja a chip megbízhatóságát.

A szilícium chipnek a csomagoláson belüli vezetékekhez való csatlakoztatására használt legkorábbi technológia az volt huzalkötés, alacsony hőmérsékletű hegesztési eljárás. Ebben a folyamatban nagyon finom huzalokat (általában aranyat vagy alumíniumot, bár ezüstöt és rezet is használnak) az egyik végén a chip fémpárnáihoz, a másik végén pedig a kifelé vezető fémkeret kapcsaihoz kötik. . Az eljárást az 1950-es években a Bell Labs vezette be, és apró huzalokat nyomtak be nyomás alatt a chippárnákba magas ponthőmérsékleten. Az első ilyen gépek az 1950-es évek végén váltak elérhetővé, és az 1960-as évek közepére alternatív technikaként fejlesztették ki az ultrahangos kötést.

Történelmileg ezt a munkát Délkelet-Ázsiában végezték, mert meglehetősen munkaigényes volt. Azóta automatizált gépeket fejlesztettek ki, amelyek nagyon nagy sebességgel végzik a huzalkötést. Sok más újabb csomagolási technológiát is kifejlesztettek, köztük a „flip chipet”. Ebben a folyamatban mikroszkopikus fémoszlopokat helyeznek el ("ütögetnek") a chip párnáira, amíg az még az ostyán van, majd a tesztelés után a jó matricát megfordítják, és egy csomagban hozzáigazítják a párnákhoz. Ezután a forraszanyagot újrafolyatásos eljárással megolvasztják a csatlakozások biztosításához. Ez egy jó módja több ezer kapcsolat létrehozásának egyszerre, bár gondosan kell ellenőriznie a dolgokat, hogy megbizonyosodjon arról, hogy minden kapcsolat jó. 

Az utóbbi időben a csomagolás sokkal nagyobb figyelmet kapott. Ennek oka az új technológiák elérhetővé válása, de az új alkalmazások is, amelyek a chiphasználatot ösztönzik. Mindenekelőtt az a vágy, hogy több különböző technológiával készült chipet egyetlen csomagban, úgynevezett rendszercsomagban (SiP) helyezzenek el. De hátterében az is, hogy különféle eszközöket szeretnének kombinálni, például egy 5G antennát a rádióchippel egy csomagban, vagy olyan mesterséges intelligencia alkalmazásokat, amelyekben szenzorokat integrálnak a számítási chipekkel. A nagy félvezető öntödék, mint a TSMC, „chipletekkel” és „fan out csomagolásokkal” is dolgoznak, míg az Intel
INTC
beágyazott multi-die interconnect (EMIB) és Foveros die-stacking technológiát vezet be a Lakefield mobil processzorába 2019-ben.

A legtöbb csomagolást harmadik fél szerződéses gyártók végzik, az úgynevezett „outsourced assembly and test” (OSAT) cégek, és világuk közepe Ázsiában van. A legnagyobb OSAT beszállítók a tajvani ASE, az Amkor Technology
AMKR
székhelye az arizonai Tempe városában található, a kínai Jiangsu Changjiang Electronics Tech Company (JCET) (amely néhány évvel ezelőtt megvásárolta a szingapúri székhelyű STATS ChipPac-et), valamint a tajvani Siliconware Precision Industries Co., Ltd. (SPIL), amelyet az ASE vásárolt fel 2015. Számos más kisebb szereplő van, különösen Kínában, amely néhány évvel ezelőtt stratégiai iparágként azonosította az OSAT-ot.

Az utóbbi időben a csomagolás egyik fő oka az, hogy a vietnami és malajziai Covid-19 járványok jelentősen hozzájárultak a félvezető chipek ellátási válságának súlyosbodásához: az üzemek bezárása vagy létszámleépítése miatt a helyi önkormányzatok hetekre leállították vagy csökkentették a termelést. Egy idő. Még ha az Egyesült Államok kormánya támogatásokba fektet is be a hazai félvezetőgyártás előmozdítása érdekében, a kész chipek nagy része még mindig Ázsiába kerül csomagolásra, mivel ott található az ipar és a beszállítói hálózatok, valamint a szaktudás. Így az Intel az oregoni Hillsboróban vagy az arizonai Chandlerben gyárt mikroprocesszoros chipeket, de kész ostyákat küld Malajziába, Vietnamba vagy Chengduba, Kínába tesztelésre és csomagolásra.

Létrehozható-e chipcsomagolás az Egyesült Államokban?

Jelentős kihívások elé állítja a chipcsomagolást az Egyesült Államokban, mivel az ipar nagy része közel fél évszázaddal ezelőtt elhagyta az amerikai partokat. Észak-Amerika részesedése a globális csomagolóanyag-gyártásból mindössze 3% körüli. Ez azt jelenti, hogy a gyártóberendezések, vegyszerek (például a hordozók és más, a csomagokban használt anyagok), az ólomkeretek, és ami a legfontosabb a tapasztalt tehetségekből álló készségbázis az Egyesült Államokban nem létezett a nagy volumenű üzletág számára. hosszú idő. Az Intel most bejelentette, hogy 7 milliárd dollárt fektet be egy új csomagoló- és tesztgyárba Malajziában, bár azt is bejelentette, hogy 3.5 milliárd dollárt fektet be Rio Rancho-ban, Új-Mexikó területén a Foveros technológiája érdekében. Az Amkor Technology a közelmúltban bejelentette a kapacitásbővítési terveket a vietnami Bac Ninhben, Hanoitól északkeletre.

Az Egyesült Államok problémáinak nagy része az, hogy a fejlett chipcsomagolás sok gyártási tapasztalatot igényel. Amikor először elindítja a gyártást, a jó, kész, csomagolt chips hozama valószínűleg alacsony lesz, és ahogy többet gyárt, folyamatosan javítja a folyamatot, és a hozam jobb lesz. A nagy chipet vevő ügyfelek általában nem hajlandók kockáztatni új hazai beszállítók igénybevételével, akiknek hosszú időbe telhet, mire feljönnek erre a hozamgörbére. Ha alacsony a csomagolási hozama, akkor kidobja azokat a forgácsokat, amelyek egyébként jók lennének. Miért élne a lehetőséggel? Így még ha fejlettebb chipseket is gyártunk az Egyesült Államokban, akkor is valószínűleg a Távol-Keletre kerülnek csomagolásra.

Boise, az idahói székhelyű American Semiconductor, Inc. más megközelítést alkalmaz. Doug Hackler vezérigazgató az „életképes gyártáson alapuló életképes újratelepítést” részesíti előnyben. Ahelyett, hogy kizárólag a fejlett mikroprocesszorokhoz vagy 5G chipekhez használt csúcskategóriás chip-csomagolást üldözné, stratégiája az, hogy új technológiát használ, és alkalmazza azt a régi chipekre, ahol nagy a kereslet, ami lehetővé teszi a vállalat számára, hogy gyakorolja folyamatait és tanul. Az örökölt chipek is sokkal olcsóbbak, így a hozamcsökkenés nem annyira élet-halál probléma. Hackler rámutat, hogy az iPhone 85 chipeinek 11%-a régebbi technológiát használ, például 40 nm-es vagy annál régebbi félvezető csomópontokon (ez egy évtizeddel ezelőtt még a legforróbb technológia volt). Valójában az autóipart jelenleg sújtó chiphiányok közül sok, mások pedig ezekre a régi chipekre vonatkoznak. Ugyanakkor a cég új technológiát és automatizálást próbál alkalmazni az összeszerelési lépésekben, és ultravékony chip-méretű csomagolást kínál az úgynevezett Semiconductor on polymer (SoP) eljárással, amelyben egy szerszámmal teli ostyát ragasztanak egy hátoldali polimert, majd hőátadó szalagra helyezzük. A szokásos automatizált tesztelőkkel végzett tesztelés után a chipeket felkockázzák a szalagtartókra, és tekercsekre vagy más formátumokra továbbítják a nagy sebességű automatizált összeszerelés érdekében. Hackler úgy véli, hogy ennek a csomagolásnak vonzónak kell lennie az Internet-of-Things (IoT) eszközök és hordható eszközök gyártói számára, amelyek két szegmens nagy mennyiségű chipet fogyaszthatnak, de nem olyan igényesek a szilíciumgyártási oldalon.

Hackler megközelítésében két dolog vonzó. Először is, a kereslet fontosságának felismerése a gyártósoron keresztüli mennyiség áthúzása érdekében biztosítja, hogy sok gyakorlatot szerezzenek a hozamjavítás terén. Másodszor, új technológiát használnak, és a technológiai átállás gyakran lehetőséget kínál az inkumbensek leállítására. Az új belépőknek nincs annyi poggyásza, hogy meglévő folyamatokhoz vagy létesítményekhez kötődjenek. 

Az American Semiconductornak még hosszú utat kell megtennie, de az ehhez hasonló megközelítések fejlesztik a hazai készségeket, és gyakorlati lépést jelentenek a chipcsomagolás USA-ba való eljuttatása felé. Ne várja el, hogy a hazai képességek létrehozása gyors legyen, de ez nem rossz hely Rajt.