American Semiconductor pravi korak ka američkom domaćem pakovanju čipova

Široko rasprostranjena nestašica poluprovodnika tokom prošle godine dovela je do toga da se mnogi ljudi fokusiraju na otpornost lanca snabdevanja, uz pozive za povećanje proizvodnje čipova u SAD Američki zakon o inovacijama i konkurenciji (USICA), koji je usvojio Senat prošlog juna, predlaže 52 milijarde dolara za pomoć domaću proizvodnju poluprovodnika, te čeka akciju kuće. Iako je glavni fokus za mnoge ljude na povećanju domaćeg udjela u proizvodnji silicijumskih čipova, ne bismo trebali zanemariti pakiranje čipova – suštinski proces kapsuliranja tih čipova kako bi se zaštitili od oštećenja i učinili upotrebljivim povezivanjem njihovih kola na vanjski svijet. Ovo je oblast koja će biti važna kako za otpornost lanca snabdevanja, tako i za održavanje budućeg tehnološkog napretka u elektronici. 

Ambalaža je neophodna za upotrebljivost poluvodičkih čipova

Čipovi integrisanog kola (IC) proizvode se na silikonskim pločicama u fabrikama vrednim više milijardi dolara poznatim kao „fabrike“. Pojedinačni čipovi ili "matrice" se proizvode u obrascima koji se ponavljaju, proizvedeni u serijama na svakoj pločici (i preko serija vafla). Vafer od 300 mm (oko 12 inča u prečniku), veličine koja se obično koristi u najsavremenijim fabrikama, može nositi stotine velikih mikroprocesorskih čipova ili hiljade sitnih čipova kontrolera. Proizvodni proces je segmentiran u fazu "prednjeg kraja linije" (FEOL) tokom koje se kreiraju milijarde mikroskopskih tranzistora i drugih uređaja sa procesima šaranja i urezivanja u tijelu silicijuma, nakon čega slijedi "zadnji kraj linije". ” (BEOL) u koji je položena mreža metalnih tragova da sve poveže. Tragovi se sastoje od vertikalnih segmenata koji se nazivaju "vias", koji zauzvrat povezuju horizontalne slojeve ožičenja. Ako imate milijarde tranzistora na čipu (procesor iPhonea 13 A15 ima 15 milijardi), potrebne su vam milijarde žica da ih povežete. Svaka pojedinačna matrica može imati nekoliko kilometara ožičenja ukupno 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), dizajneri postavljaju mikroskopske jastučiće koji se koriste za povezivanje čipa sa vanjskim svijetom. 

Nakon obrade vafla, svaki od čipova se pojedinačno „proverava“ test mašinom kako bi se utvrdilo koji su dobri. Ovo se izrezuje i stavlja u pakete. Paket pruža i fizičku zaštitu za čip, kao i sredstvo za povezivanje električnih signala na različita kola u čipu. Nakon što je čip upakovan, može se postaviti na elektronske ploče u vašem telefonu, računaru, automobilu ili drugim uređajima. Neki od ovih paketa moraju biti dizajnirani za ekstremna okruženja, na primjer u motornom prostoru automobila ili na tornju mobilnog telefona. Drugi moraju biti izuzetno mali za upotrebu za unutarnje kompaktne uređaje. U svim slučajevima dizajner pakovanja mora uzeti u obzir stvari kao što su materijali koje treba koristiti da bi se smanjio stres ili pucanje matrice, ili da se uzme u obzir toplinsko širenje i kako to može utjecati na pouzdanost čipa.

Najranija tehnologija korišćena za povezivanje silikonskog čipa sa provodnicima unutar pakovanja bila je vezivanje žice, proces zavarivanja na niskim temperaturama. U ovom procesu, vrlo fine žice (obično zlatne ili aluminijumske, iako se koriste i srebro i bakar) su vezane na jednom kraju za metalne jastučiće na čipu, a na drugom kraju za terminale na metalnom okviru koji ima izvode prema van. . Proces je bio pionir u Bell Labs-u 1950-ih, sa sićušnim žicama utisnutim pod pritiskom u jastučiće za čipove na visokim temperaturama. Prve mašine koje su to radile postale su dostupne kasnih 1950-ih, a sredinom 1960-ih razvijeno je ultrazvučno vezivanje kao alternativna tehnika.

Istorijski gledano, ovaj posao se obavljao u jugoistočnoj Aziji jer je bio dosta radno intenzivan. Od tada su razvijene automatizirane mašine za spajanje žice pri vrlo velikim brzinama. Razvijene su i mnoge druge novije tehnologije pakovanja, uključujući i onu koja se zove "flip chip". U ovom procesu, mikroskopski metalni stubovi se talože („udare“) na jastučiće na čipu dok je još na pločici, a zatim se nakon testiranja dobra matrica preokreću i poravnavaju sa odgovarajućim jastučićima u pakovanju. Zatim se lem topi u procesu povratnog toka kako bi se spojile spojeve. Ovo je dobar način da uspostavite hiljade veza odjednom, iako morate pažljivo kontrolirati stvari kako biste bili sigurni da su sve veze dobre. 

U posljednje vrijeme ambalaža je privukla mnogo više pažnje. To je zbog novih tehnologija koje postaju dostupne, ali i novih aplikacija koje pokreću upotrebu čipova. Najvažnija je želja da se više čipova napravljenih različitim tehnologijama spoji u jedno pakovanje, takozvani sistem-u-pakovanju (SiP) čipovi. Ali to je takođe vođeno željom da se kombinuju različite vrste uređaja, na primer 5G antena u istom paketu kao i radio čip, ili aplikacije veštačke inteligencije u kojima integrišete senzore sa računarskim čipovima. Velike livnice poluprovodnika kao što je TSMC takođe rade sa „čipletima“ i „pakovanjem sa ventilatorom“, dok Intel
INTC
ima ugrađenu multi-die interkonekciju (EMIB) i Foveros tehnologiju slaganja utičnica uvedenu u svoj Lakefield mobilni procesor 2019.

Većinu pakovanja rade ugovorni proizvođači trećih strana poznati kao kompanije za “outsourced Assembly and Test” (OSAT), a centar njihovog 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 kupila ASE u 2015. Postoje brojni drugi manji igrači, posebno u Kini, koja je prije nekoliko godina identificirala OSAT kao stratešku industriju.

Glavni razlog zbog kojeg je pakovanje privuklo pažnju u posljednje vrijeme je to što su nedavne epidemije Covid-19 u Vijetnamu i Maleziji značajno doprinijele pogoršanju krize nabavke poluvodičkih čipova, sa zatvaranjem pogona ili smanjenjem broja osoblja koje su nametnule lokalne vlasti koje su tjednima prekidale ili smanjivale proizvodnju. vrijeme. Čak i ako američka vlada ulaže u subvencije za podsticanje domaće proizvodnje poluprovodnika, većina tih gotovih čipova će i dalje putovati u Aziju radi pakovanja, jer je to mesto gde su industrija i mreže dobavljača i gde je baza veština. Tako Intel proizvodi mikroprocesorske čipove u Hillsborou, Oregon ili Chandler, Arizona, ali šalje gotove vafle u fabrike u Maleziji, Vijetnamu ili Chengduu, Kina na testiranje i pakovanje.

Može li se pakovanje čipova uspostaviti u SAD-u?

Postoje značajni izazovi u donošenju ambalaže za čips u SAD, jer 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, hemikalije (kao što su supstrati i drugi materijali koji se koriste u pakovanjima), olovne okvire i što je najvažnije baza vještina iskusnih talenata za veliki dio poslovanja nisu postojale u SAD-u za dugo vremena. Intel je upravo najavio ulaganje od 7 milijardi dolara u novu fabriku za pakovanje i testiranje u Maleziji, iako je najavio i planove da uloži 3.5 milijardi dolara u svoje operacije u Rio Ranchou u Novom Meksiku za svoju tehnologiju Foveros. Amkor Technology je također nedavno najavio planove za proširenje kapaciteta u Bac Ninhu, Vijetnam, sjeveroistočno od Hanoja.

Veliki dio ovog problema za SAD je to što napredno pakovanje čipova zahtijeva toliko iskustva u proizvodnji. Kada prvi put započnete proizvodnju, prinosi dobro gotovih upakovanih čipsa će vjerovatno biti niski, a kako budete pravili više, stalno poboljšavate proces i prinos postaje sve bolji. Veliki kupci čipova generalno neće biti voljni da rizikuju korišćenje novih domaćih dobavljača kojima bi moglo biti potrebno mnogo vremena da dođu do ove krivulje prinosa. Ako imate mali prinos u pakovanju, bacit ćete čips koji bi inače bio dobar. Zašto riskirati? Dakle, čak i ako napravimo naprednije čipove u SAD-u, oni će vjerovatno i dalje ići na Daleki istok po pakovanje.

Kompanija American Semiconductor, Inc. iz Boisea iz Idaha ima drugačiji pristup. Izvršni direktor Doug Hackler favorizuje „održivo ponovno postavljanje temeljeno na održivoj proizvodnji“. Umjesto da juri samo za vrhunske čipove kao što je ono koje se koristi za napredne mikroprocesore ili 5G čipove, njegova strategija je da koristi novu tehnologiju i primjenjuje je na naslijeđene čipove gdje postoji velika potražnja, što će kompaniji omogućiti da praktikuje 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 iPhone 11 koristi starije tehnologije, na primjer proizvedene na poluvodičkim čvorovima od 40 nm ili starijim (što je bila vruća tehnologija prije jedne decenije). Zaista, mnogi od nedostataka čipova koji trenutno muče automobilsku industriju, a drugi su za ove naslijeđene čipove. U isto vrijeme, kompanija pokušava primijeniti novu tehnologiju i automatizaciju na korake montaže, nudeći pakovanje ultra tankih čipova koristeći ono što naziva procesom poluprovodnika na polimeru (SoP) u kojem se pločica puna matrice vezuje za stražnji polimer, a zatim stavljen na termotransfer traku. Nakon testiranja sa uobičajenim automatizovanim testerima, čipovi se iseku na kockice na nosačima trake i prenose u kolutove ili druge formate za brzo automatsko sastavljanje. Hackler smatra da bi ovo pakovanje 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 u pogledu proizvodnje silikona.

Ono što je privlačno u Hacklerovom pristupu su dvije stvari. Prvo, prepoznavanje važnosti potražnje za povlačenjem obima kroz njegovu proizvodnu liniju će osigurati da oni dobiju mnogo prakse u poboljšanju prinosa. Drugo, oni koriste novu tehnologiju, a tehnološka tranzicija je često prilika za smjenu postojećih radnika. Novi učesnici nemaju prtljagu da budu vezani za postojeće procese ili objekte. 

American Semiconductor još uvijek ima dug put pred sobom, ali ovakvi pristupi će izgraditi domaće vještine i praktičan su korak ka donošenju pakovanja čipova u SAD. Nemojte očekivati ​​da će uspostavljanje domaćeg kapaciteta biti brzo, ali nije loše mjesto za start.