American Semiconductor dělá krok směrem k americkému domácímu balení čipů

Rozsáhlý nedostatek polovodičů za poslední rok způsobil, že se mnoho lidí soustředilo na odolnost dodavatelského řetězce, s výzvami ke zvýšení výroby čipů v USA Americký zákon o inovacích a hospodářské soutěži (USICA), který prošel Senátem loni v červnu, navrhuje pomoc ve výši 52 miliard dolarů. domácí výrobu polovodičů a čeká na akci House. Zatímco hlavní pozornost mnoha lidí spočívá v růstu domácího podílu výroby křemíkových čipů, neměli bychom přehlížet obaly čipů – základní proces zapouzdření těchto čipů, aby byly chráněny před poškozením a aby byly použitelné připojením jejich obvodů k venkovní svět. Toto je oblast, která bude důležitá jak pro odolnost dodavatelského řetězce, tak pro udržení budoucího technologického pokroku v elektronice. 

Balení je nezbytné, aby byly polovodičové čipy použitelné

Čipy s integrovanými obvody (IC) jsou vyráběny na křemíkových plátech v továrnách za miliardy dolarů známých jako „fabs“. Jednotlivé žetony nebo „formy“ jsou vyráběny v opakujících se vzorech, vyráběných v dávkách na každém plátku (a napříč šaržemi plátků). 300mm plátek (asi 12 palců v průměru), což je velikost typicky používaná v nejmodernějších továrnách, může nést stovky velkých mikroprocesorových čipů nebo tisíce malých čipů řadiče. Výrobní proces je rozdělen do fáze „předního konce linky“ (FEOL), během níž jsou vytvářeny miliardy mikroskopických tranzistorů a dalších zařízení s procesy vzorování a leptání v těle křemíku, po nichž následuje „zadní konec linky“. ” (BEOL), ve kterém je položena síť kovových stop, která vše spojuje. Trasy se skládají z vertikálních segmentů nazývaných „prokovy“, které zase spojují vodorovné vrstvy kabeláže. Pokud máte na čipu miliardy tranzistorů (procesor A13 iPhonu 15 jich má 15 miliard), potřebujete k jejich propojení mnoho miliard drátů. Každá jednotlivá matrice může mít po roztažení celkem několik kilometrů kabeláže, takže si můžeme představit, že procesy BEOL jsou docela složité. Na samotnou vnější vrstvu matrice (někdy použijí zadní stranu matrice i přední stranu) konstruktéři umístili mikroskopické podložky, které slouží k propojení čipu s okolním světem. 

Po zpracování waferu je každý z čipů individuálně „sondován“ testovacím strojem, aby se zjistilo, které z nich jsou dobré. Ty se vystřihnou a vloží do balíčků. Balíček poskytuje jak fyzickou ochranu čipu, tak i prostředek pro připojení elektrických signálů k různým obvodům v čipu. Poté, co je čip zabalen, může být umístěn na elektronické obvody ve vašem telefonu, počítači, autě nebo jiných zařízeních. Některé z těchto balíčků musí být navrženy pro extrémní prostředí, například v motorovém prostoru automobilu nebo na věži mobilního telefonu. Jiné musí být extrémně malé pro použití uvnitř kompaktních zařízení. Ve všech případech musí návrhář pouzdra zvážit věci, jako jsou materiály, které má použít k minimalizaci napětí nebo praskání matrice, nebo vzít v úvahu tepelnou roztažnost a to, jak to může ovlivnit spolehlivost čipu.

Nejstarší technologie používaná pro připojení křemíkového čipu k vývodům uvnitř obalu byla drátové spojení, proces nízkoteplotního svařování. V tomto procesu jsou velmi jemné dráty (obvykle zlaté nebo hliníkové, i když se také používají stříbro a měď) připojeny na jednom konci ke kovovým podložkám na čipu a na druhém konci ke svorkám na kovovém rámu, který vede ven. . Tento proces byl průkopníkem v Bellových laboratořích v 1950. letech 1950. století s drobnými drátky vtlačenými pod tlakem do čipových podložek při vysokých bodových teplotách. První stroje, které to dokázaly, byly k dispozici koncem 1960. let a v polovině XNUMX. let bylo vyvinuto ultrazvukové spojování jako alternativní technika.

Historicky byla tato práce prováděna v jihovýchodní Asii, protože byla poměrně náročná na práci. Od té doby byly vyvinuty automatizované stroje pro spojování drátů při velmi vysokých rychlostech. Bylo také vyvinuto mnoho dalších novějších balicích technologií, včetně jedné zvané „flip chip“. V tomto procesu jsou mikroskopické kovové sloupky naneseny („naraženy“) na podložky na čipu, dokud je ještě na destičce, a poté se po otestování dobrá matrice převrátí a vyrovná se odpovídajícími podložkami v balíčku. Potom se pájka roztaví v procesu přetavení, aby se spoje spojily. To je dobrý způsob, jak vytvořit tisíce připojení najednou, i když musíte věci pečlivě kontrolovat, abyste se ujistili, že všechna připojení jsou dobrá. 

Obaly v poslední době přitahují mnohem více pozornosti. Důvodem jsou stále dostupné nové technologie, ale také nové aplikace, které zvyšují využití čipů. Předně je touha spojit více čipů vyrobených různými technologiemi do jednoho balíčku, takzvané čipy system-in-package (SiP). Je to ale také poháněno touhou kombinovat různé druhy zařízení, například 5G anténu ve stejném balení jako rádiový čip, nebo aplikace umělé inteligence, ve kterých integrujete senzory s výpočetními čipy. Velké polovodičové slévárny jako TSMC pracují také s „čiplety“ a „rozvětveným balením“, zatímco Intel
INTC
má ve svém mobilním procesoru Lakefield v roce 2019 vestavěnou technologii multi-die interconnect (EMIB) a Foveros die-stacking.

Většinu balení provádějí smluvní výrobci třetích stran, známí jako „outsourcované montážní a testovací“ společnosti (OSAT), a střed jejich světa je v Asii. Největšími dodavateli OSAT jsou ASE z Taiwanu, Amkor Technology
AMKR
se sídlem v Tempe v Arizoně, čínská Jiangsu Changjiang Electronics Tech Company (JCET) (která před několika lety získala singapurský STATS ChipPac) a Siliconware Precision Industries Co., Ltd. (SPIL) na Tchaj-wanu, kterou ASE získala v 2015. Existuje řada dalších menších hráčů, zejména v Číně, která před několika lety označila OSAT za strategické odvětví.

Hlavním důvodem, proč obaly v poslední době přitahují pozornost, je to, že nedávné propuknutí Covid-19 ve Vietnamu a Malajsii významně přispělo ke zhoršení krize dodávek polovodičových čipů, kdy místní vlády na týdny zastavily nebo omezily výrobu na několik týdnů zavíráním závodů nebo snižováním počtu zaměstnanců. Doba. I když vláda USA investuje do dotací na podporu domácí výroby polovodičů, většina těchto hotových čipů bude stále putovat do Asie kvůli balení, protože tam jsou průmyslové a dodavatelské sítě a kde je základna dovedností. Intel tak vyrábí mikroprocesorové čipy v Hillsboro, Oregon nebo Chandler, Arizona, ale hotové wafery posílá do továren v Malajsii, Vietnamu nebo Chengdu v Číně k testování a balení.

Může být v USA zavedeno balení čipů?

Při uvádění obalů čipů do USA jsou značné problémy, protože většina průmyslu opustila americké břehy téměř před půl stoletím. Severoamerický podíl na celosvětové produkci obalů je pouze kolem 3 %. To znamená, že dodavatelské sítě pro výrobní zařízení, chemikálie (jako jsou substráty a další materiály používané v obalech), olověné rámy, a hlavně dovednostní základna zkušených talentů pro velkoobjemovou část podnikání, v USA neexistovaly. dlouhá doba. Intel právě oznámil investici ve výši 7 miliard dolarů do nové továrny na balení a testování v Malajsii, ačkoli také oznámil plány investovat 3.5 miliardy dolarů do svých operací v Rio Rancho v Novém Mexiku pro technologii Foveros. Amkor Technology také nedávno oznámila plány na rozšíření kapacity v Bac Ninh ve Vietnamu severovýchodně od Hanoje.

Velká část tohoto problému pro USA spočívá v tom, že pokročilé balení čipů vyžaduje tolik výrobních zkušeností. Když poprvé zahájíte výrobu, výtěžnost dobře dokončených balených čipů bude pravděpodobně nízká, a jak vyrobíte více, neustále zlepšujete proces a výtěžnost se zlepšuje. Velcí odběratelé čipů obecně nebudou ochotni riskovat používání nových domácích dodavatelů, kterým může trvat dlouho, než dosáhnou této výnosové křivky. Pokud máte nízkou výtěžnost balení, budete vyhazovat chipsy, které by jinak byly dobré. Proč riskovat? Takže i když vyrobíme pokročilejší čipy v USA, pravděpodobně budou stále chodit na Dálný východ pro balení.

Společnost American Semiconductor, Inc. se sídlem v Boise v Idahu zvolila jiný přístup. Generální ředitel Doug Hackler upřednostňuje „životaschopné reshoring založené na životaschopné výrobě“. Spíše než pronásledovat pouze špičkové obaly čipů, jako jsou ty, které se používají pro pokročilé mikroprocesory nebo čipy 5G, jeho strategií je použít novou technologii a aplikovat ji na starší čipy, kde je velká poptávka, což společnosti umožní procvičovat její procesy a Učit se. Starší čipy jsou také mnohem levnější, takže ztráta výnosu není tak velkým problémem života a smrti. Hackler poukazuje na to, že 85 % čipů v iPhonu 11 využívá starší technologie, například vyrobené na polovodičových uzlech 40 nm nebo starších (což byla žhavá technologie před deseti lety). Ve skutečnosti mnoho nedostatků čipů, které v současnosti sužuje automobilový průmysl, a další jsou pro tyto starší čipy. Současně se společnost snaží aplikovat novou technologii a automatizaci na montážní kroky a nabízí ultratenké balení v měřítku čipů pomocí procesu, který nazývá polovodičový na polymeru (SoP), ve kterém je plátek plný matrice připojen k polymer na zadní straně a poté umístěn na termotransferovou pásku. Po testování s obvyklými automatickými testery jsou čipy nakrájeny na páskové nosiče a přeneseny na kotouče nebo jiné formáty pro vysokorychlostní automatizovanou montáž. Hackler si myslí, že toto balení by mělo být atraktivní pro výrobce zařízení a nositelných zařízení pro internet věcí (IoT), tedy dva segmenty, které by mohly spotřebovat velké objemy čipů, ale nejsou tak náročné na výrobu křemíku.

Na Hacklerově přístupu jsou přitažlivé dvě věci. Za prvé, uznání důležitosti poptávky pro tažení objemu přes jeho výrobní linku zajistí, že získají spoustu praxe ve zlepšování výnosů. Za druhé, používají novou technologii a přechod na technologický přechod je často příležitostí, jak sesadit stávající společnosti. Nově vstupující nemají zátěž spojenou se stávajícími procesy nebo zařízeními. 

American Semiconductor má před sebou ještě dlouhou cestu, ale přístupy jako tento vybudují domácí dovednosti a jsou praktickým krokem k uvedení obalů čipů do USA Neočekávejte, že zavedení domácích kapacit bude rychlé, ale není to špatné místo pro Start.