American Semiconductor čini korak prema pakiranju čipova u SAD-u

Široka nestašica poluvodiča tijekom prošle godine navela je mnoge ljude da se usredotoče na otpornost lanca opskrbe, uz pozive na povećanje proizvodnje čipova u SAD-u Američki zakon o inovacijama i konkurenciji (USICA), koji je Senat usvojio prošlog lipnja, predlaže 52 milijarde dolara pomoći domaća proizvodnja poluvodiča, te čeka akciju Housea. Iako je glavni fokus za mnoge ljude na povećanju domaćeg udjela u proizvodnji silikonskih čipova, ne bismo smjeli zanemariti pakiranje čipova – osnovni proces kapsuliranja tih čipova kako bi se zaštitili od oštećenja i učinili upotrebljivim spajanjem njihovih sklopova na vanjski svijet. Ovo je područje koje će biti važno kako za otpornost lanca opskrbe, tako i za održavanje budućeg tehnološkog napretka u elektronici. 

Pakiranje je bitno za upotrebljivost poluvodičkih čipova

Čipovi integriranog kruga (IC) proizvode se na silikonskim pločicama u tvornicama vrijednim više milijardi dolara poznatim kao "fabovi". Pojedinačni čipovi ili "matrice" proizvode se u uzorcima koji se ponavljaju, proizvedeni u serijama na svakoj pločici (i preko serija vafla). Ploča od 300 mm (promjera oko 12 inča), veličine koja se obično koristi u najsuvremenijim fabrikama, mogla bi nositi stotine velikih mikroprocesorskih čipova ili tisuće sitnih čipova kontrolera. Proizvodni proces je segmentiran u fazu "prednjeg kraja linije" (FEOL) tijekom koje se stvaraju milijarde mikroskopskih tranzistora i drugih uređaja s procesima uzorkovanja i urezivanja u tijelu silicija, nakon čega slijedi "stražnji kraj linije". ” (BEOL) u koji je položena mreža metalnih tragova da sve poveže. Tragovi se sastoje od okomitih segmenata koji se nazivaju "vias", koji zauzvrat povezuju horizontalne slojeve ožičenja. Ako imate milijarde tranzistora na čipu (procesor A13 iPhonea 15 ima 15 milijardi), potrebne su vam milijarde žica da ih povežete. Svaka pojedinačna matrica može imati ukupno nekoliko kilometara ožičenja kada je rastegnuta, tako da možemo zamisliti da su BEOL procesi prilično složeni. Na sam vanjski sloj matrice (ponekad će koristiti stražnju stranu matrice kao i prednju stranu), dizajneri stavljaju mikroskopske jastučiće koji se koriste za povezivanje čipa s vanjskim svijetom. 

Nakon obrade vafla, svaki od čipova se pojedinačno "provjerava" testnom mašinom kako bi se utvrdilo koji su dobri. Oni se izrezuju i stavljaju u pakete. Paket pruža i fizičku zaštitu za čip, kao i sredstvo za povezivanje električnih signala na različite krugove u čipu. Nakon što je čip zapakiran, može se postaviti na elektroničke ploče u vašem telefonu, računalu, automobilu ili drugim uređajima. Neki od ovih paketa moraju biti dizajnirani za ekstremna okruženja, kao u motornom prostoru automobila ili na tornju za mobitel. Drugi moraju biti iznimno mali za korištenje za unutarnje kompaktne uređaje. U svim slučajevima dizajner pakiranja mora uzeti u obzir stvari kao što su materijali za korištenje kako bi se smanjio stres ili pucanje matrice, ili da bi se uzela u obzir toplinsko širenje i kako to može utjecati na pouzdanost čipa.

Najranija tehnologija korištena za spajanje silikonskog čipa na vodove unutar paketa bila je vezivanje žica, proces zavarivanja pri niskim temperaturama. U ovom procesu, vrlo fine žice (obično zlatne ili aluminijske, iako se također koriste srebro i bakar) su vezane na jednom kraju na metalne jastučiće na čipu, a na drugom kraju na terminale na metalnom okviru koji ima vodi prema van . Proces je bio pionir u Bell Labsu 1950-ih, sa sićušnim žicama utisnutim pod pritiskom u jastučiće za čipove na visokim temperaturama. Prvi strojevi koji su to učinili postali su dostupni kasnih 1950-ih, a sredinom 1960-ih razvijeno je ultrazvučno lijepljenje kao alternativna tehnika.

Povijesno gledano, ovaj se posao obavljao u jugoistočnoj Aziji jer je bio dosta radno intenzivan. Od tada su razvijeni automatizirani strojevi za spajanje žice pri vrlo velikim brzinama. Razvijene su i mnoge druge novije tehnologije pakiranja, uključujući i onu nazvanu "flip chip". U ovom procesu, mikroskopski metalni stupovi se talože („udare“) na jastučiće na čipu dok je još na pločici, a zatim se nakon testiranja dobra matrica preokreću i poravnavaju s odgovarajućim jastučićima u paketu. Zatim se lem topi u procesu reflow kako bi se spojevi spojili. Ovo je dobar način da uspostavite tisuće veza odjednom, iako morate pažljivo kontrolirati stvari kako biste bili sigurni da su sve veze dobre. 

U posljednje vrijeme ambalaža je privukla puno više pažnje. To je zbog novih tehnologija koje postaju dostupne, ali i novih aplikacija koje pokreću korištenje čipova. Najprije je želja da se više čipova izrađenih različitim tehnologijama spoji u jedno pakiranje, takozvani čipovi sustav u paketu (SiP). No također je vođen željom da se kombiniraju različite vrste uređaja, na primjer 5G antena u istom paketu kao i radio čip, ili aplikacije umjetne inteligencije u kojima integrirate senzore s računalnim čipovima. Velike ljevaonice poluvodiča kao što je TSMC također rade s "chipletima" i "fan out pakiranjem", dok Intel
INTC
ima ugrađenu multi-die interkonekciju (EMIB) i Foveros tehnologiju slaganja na matricu uvedenu u svoj mobilni procesor Lakefield 2019. godine.

Većinu pakiranja obavljaju ugovorni proizvođači trećih strana poznati kao “outsourced Assembly and Test” (OSAT) tvrtke, a središte njihova svijeta je u Aziji. Najveći dobavljači OSAT-a su ASE iz Tajvana, Amkor Technology
AMKR
sa sjedištem u Tempeu, Arizona, Jiangsu Changjiang Electronics Tech Company (JCET) u Kini (koja je prije nekoliko godina kupila STATS ChipPac sa sjedištem u Singapuru) i Siliconware Precision Industries Co., Ltd. (SPIL) iz Tajvana, koju je ASE kupio u 2015. Postoje brojni drugi manji igrači, posebno u Kini, koja je prije nekoliko godina identificirala OSAT kao stratešku industriju.

Glavni razlog zašto je pakiranje privuklo pozornost u posljednje vrijeme jest taj što su nedavna izbijanja Covid-19 u Vijetnamu i Maleziji značajno pridonijela pogoršanju krize opskrbe poluvodičkim čipovima, s zatvaranjem tvornica ili smanjenjem broja osoblja koje su nametnule lokalne vlasti koje su tjednima prekinule ili smanjile proizvodnju. Vrijeme. Čak i ako američka vlada ulaže u subvencije za poticanje domaće proizvodnje poluvodiča, većina tih gotovih čipova i dalje će putovati u Aziju po pakiranje, jer je to mjesto gdje su industrija i mreže dobavljača i gdje je baza vještina. Tako Intel proizvodi mikroprocesorske čipove u Hillsborou, Oregon ili Chandler, Arizona, ali gotove oblatne šalje u tvornice u Maleziji, Vijetnamu ili Chengduu u Kini na testiranje i pakiranje.

Može li se pakiranje čipova uspostaviti u SAD-u?

Postoje značajni izazovi za dovođenje pakiranja čipsa u SAD, budući da je većina industrije napustila američke obale prije skoro pola stoljeća. Sjevernoamerički udio u globalnoj proizvodnji ambalaže je samo oko 3%. To znači da mreže dobavljača za proizvodnu opremu, kemikalije (kao što su supstrati i drugi materijali koji se koriste u pakiranjima), olovne okvire i što je najvažnije baza vještina iskusnih talenata za veliki dio poslovanja nisu postojale u SAD-u od dugo vremena. Intel je upravo najavio ulaganje od 7 milijardi dolara u novu tvornicu pakiranja i testiranja u Maleziji, iako je također najavio da planira uložiti 3.5 milijardi dolara u svoje poslovanje u Rio Ranchu u Novom Meksiku za svoju tehnologiju Foveros. Amkor Technology je također nedavno najavio planove za proširenje kapaciteta u Bac Ninhu, Vijetnam sjeveroistočno od Hanoija.

Veliki dio ovog problema za SAD je to što napredno pakiranje čipova zahtijeva toliko iskustva u proizvodnji. Kada prvi put počnete s proizvodnjom, prinosi dobro gotovih pakiranih čipsa vjerojatno će biti niski, a kako budete proizvodili više, stalno poboljšavate proces i prinos postaje sve bolji. Veliki kupci čipova općenito neće biti spremni riskirati korištenjem novih domaćih dobavljača kojima bi moglo trebati puno vremena da dođu do ove krivulje prinosa. Ako imate nizak prinos u pakiranju, bacit ćete čips koji bi inače bio dobar. Zašto riskirati? Stoga, čak i ako napravimo naprednije čipove u SAD-u, oni će vjerojatno i dalje ići na Daleki istok po pakiranje.

Boise, American Semiconductor, Inc. sa sjedištem u Idahu, ima drugačiji pristup. Izvršni direktor Doug Hackler favorizira "održivo ponovno postavljanje temeljeno na održivoj proizvodnji". Umjesto da juri samo vrhunska pakiranja čipova poput onih koje se koriste za napredne mikroprocesore ili 5G čipove, njegova je strategija koristiti novu tehnologiju i primijeniti je na naslijeđene čipove gdje postoji velika potražnja, što će tvrtki omogućiti da prakticira svoje procese i naučiti. Naslijeđeni čipovi su također mnogo jeftiniji, tako da gubitak prinosa nije toliko pitanje života i smrti. Hackler ističe da 85% čipova u iPhoneu 11 koristi starije tehnologije, na primjer proizvedene na poluvodičkim čvorovima od 40 nm ili starijim (što je bila vruća tehnologija prije desetak godina). Doista, mnogi od nedostataka čipova koji trenutno muče automobilsku industriju, a drugi su za ove naslijeđene čipove. U isto vrijeme, tvrtka pokušava primijeniti novu tehnologiju i automatizaciju na korake montaže, nudeći pakiranje ultra tankog čipa koristeći ono što naziva procesom poluvodiča na polimeru (SoP) u kojem se oblata puna matrice vezuje za stražnji polimer i zatim stavljen na termotransfer traku. Nakon testiranja s uobičajenim automatiziranim testerima, čipovi se izrezuju na kockice na nosače trake i prenose na kolute ili druge formate za brzu automatiziranu montažu. Hackler smatra da bi ovo pakiranje trebalo biti privlačno proizvođačima Internet-of-Things (IoT) uređaja i nosivih uređaja, dva segmenta koji bi mogli potrošiti velike količine čipova, ali nisu toliko zahtjevni na strani proizvodnje silicija.

Ono što je privlačno u Hacklerovom pristupu su dvije stvari. Prvo, prepoznavanje važnosti potražnje za povlačenjem volumena kroz njegovu proizvodnu liniju osigurat će im puno prakse u poboljšanju prinosa. Drugo, oni koriste novu tehnologiju, a tehnološka tranzicija često je prilika za smjenjivanje nositelja. Novi sudionici nemaju prtljagu da budu vezani uz postojeće procese ili objekte. 

Pred American Semiconductor još je dug put, ali ovakvi pristupi izgradit će domaće vještine i praktičan su korak u donošenju pakiranja čipova u SAD. Nemojte očekivati ​​da će uspostava domaćeg kapaciteta biti brza, ali nije loše mjesto za početak.