Firma American Semiconductor robi krok w kierunku pakowania chipów do użytku krajowego w USA

Powszechne niedobory półprzewodników w ciągu ostatniego roku spowodowały, że wiele osób skupiło się na odporności łańcucha dostaw, wzywając do zwiększenia produkcji chipów w USA. Amerykańska ustawa o innowacjach i konkurencji (USICA), uchwalona przez Senat w czerwcu ubiegłego roku, proponuje 52 miliardy dolarów na pomoc krajowej produkcji półprzewodników i oczekuje na decyzję Izby Reprezentantów. Chociaż dla wielu osób głównym celem jest zwiększenie krajowego udziału produkcji chipów krzemowych, nie powinniśmy pomijać pakowania chipów – zasadniczego procesu hermetyzacji tych chipów w celu ochrony ich przed uszkodzeniem i zapewnienia ich użyteczności poprzez podłączenie ich obwodów do świat zewnętrzny. Jest to obszar, który będzie ważny zarówno dla odporności łańcucha dostaw, jak i dla utrzymania przyszłego postępu technologicznego w elektronice. 

Opakowanie jest niezbędne, aby chipy półprzewodnikowe były użyteczne

Chipy układów scalonych (IC) są produkowane na płytkach krzemowych w wielomiliardowych fabrykach zwanych „fabs”. Poszczególne chipy lub „matryca” są produkowane według powtarzalnych wzorów, produkowane partiami na każdym waflu (i w partiach wafli). Płytka o średnicy 300 mm (o średnicy około 12 cali), wielkości zwykle stosowanej w najnowocześniejszych fabrykach, może zawierać setki dużych chipów mikroprocesorowych lub tysiące maleńkich chipów kontrolera. Proces produkcyjny dzieli się na fazę „front end of the line” (FEOL), podczas której tworzone są miliardy mikroskopijnych tranzystorów i innych urządzeń w drodze procesów modelowania i trawienia w korpusie krzemu, po której następuje „tylny koniec linii” ” (BEOL), w którym ułożona jest siatka metalowych śladów, aby wszystko połączyć. Ścieżki składają się z pionowych odcinków zwanych „przelotkami”, które z kolei łączą poziome warstwy okablowania. Jeśli w chipie masz miliardy tranzystorów (procesor A13 w iPhonie 15 ma ich 15 miliardów), do ich połączenia potrzeba wielu miliardów przewodów. Każda pojedyncza matryca może mieć w sumie kilka kilometrów okablowania po rozciągnięciu, więc możemy sobie wyobrazić, że procesy BEOL są dość złożone. Na samej zewnętrznej warstwie matrycy (czasami będą wykorzystywać zarówno tył matrycy, jak i przód) projektanci umieszczają mikroskopijne podkładki, które służą do połączenia chipa ze światem zewnętrznym. 

Po obróbce wafla każdy z chipów jest indywidualnie „sondowany” maszyną testową, aby dowiedzieć się, które z nich są dobre. Są one wycinane i pakowane w paczki. Pakiet zapewnia zarówno fizyczną ochronę chipa, jak i sposób na podłączenie sygnałów elektrycznych do różnych obwodów w chipie. Po zapakowaniu chip można umieścić na płytkach elektronicznych w telefonie, komputerze, samochodzie lub innych urządzeniach. Niektóre z tych pakietów muszą być zaprojektowane do pracy w ekstremalnych warunkach, np. w komorze silnika samochodu lub na maszcie telefonii komórkowej. Inne muszą być wyjątkowo małe, aby można je było stosować w urządzeniach kompaktowych. We wszystkich przypadkach projektant opakowania musi wziąć pod uwagę takie kwestie, jak użyte materiały, aby zminimalizować naprężenia lub pękanie matrycy, a także uwzględnić rozszerzalność cieplną i jej wpływ na niezawodność chipa.

Najwcześniejszą technologią zastosowaną do podłączenia chipa krzemowego do przewodów wewnątrz opakowania była klejenie drutu, proces spawania w niskiej temperaturze. W tym procesie bardzo cienkie przewody (zwykle złote lub aluminiowe, chociaż stosowane są również srebro i miedź) są łączone z jednej strony z metalowymi podkładkami na chipie, a z drugiej strony z zaciskami na metalowej ramie, która ma wyprowadzenia na zewnątrz . Proces ten został zapoczątkowany w Bell Labs w latach pięćdziesiątych XX wieku, kiedy to maleńkie druty wciskano pod ciśnieniem w podkładki chipowe w wysokich temperaturach punktowych. Pierwsze maszyny do tego celu stały się dostępne pod koniec lat pięćdziesiątych XX wieku, a w połowie lat sześćdziesiątych XX wieku opracowano łączenie ultradźwiękowe jako alternatywną technikę.

Historycznie rzecz biorąc, praca ta była wykonywana w Azji Południowo-Wschodniej, ponieważ była dość pracochłonna. Od tego czasu opracowano zautomatyzowane maszyny do łączenia drutu z bardzo dużymi prędkościami. Opracowano także wiele innych, nowszych technologii pakowania, w tym technologię zwaną „flip chip”. W tym procesie mikroskopijne metalowe filary są osadzane („uderzane”) na podkładki na chipie, gdy znajduje się on jeszcze na płytce, a następnie po przetestowaniu sprawna matryca jest odwracana i dopasowywana do dopasowanych podkładek w opakowaniu. Następnie lut jest topiony w procesie rozpływu, aby stopić połączenia. Jest to dobry sposób na nawiązanie tysięcy połączeń jednocześnie, chociaż należy dokładnie kontrolować wszystko, aby mieć pewność, że wszystkie połączenia są dobre. 

Ostatnio dużo większą uwagę przyciągają opakowania. Dzieje się tak ze względu na dostępność nowych technologii, ale także nowych aplikacji, które napędzają wykorzystanie chipów. Najważniejszym z nich jest chęć umieszczenia wielu chipów wykonanych przy użyciu różnych technologii w jednym opakowaniu, tak zwanych chipów system-in-package (SiP). Ale wynika to również z chęci łączenia różnych rodzajów urządzeń, na przykład anteny 5G w tym samym opakowaniu co chip radiowy, czy aplikacji sztucznej inteligencji, w których integruje się czujniki z chipami obliczeniowymi. Duże odlewnie półprzewodników, takie jak TSMC, również pracują nad „chipletami” i „opakowaniami wachlarzowymi”, podczas gdy Intel
INTC
w 2019 r. w swoim procesorze mobilnym Lakefield wprowadzono wbudowane złącze wielo-diefowe (EMIB) i technologię układania w stosy Foveros.

Większość opakowań jest wykonywana przez zewnętrznych producentów kontraktowych, znanych jako firmy zajmujące się „zewnętrznym montażem i testowaniem” (OSAT), a centrum ich świata znajduje się w Azji. Największymi dostawcami OSAT są ASE z Tajwanu, Amkor Technology
AMKR
z siedzibą w Tempe w Arizonie, Jiangsu Changjiang Electronics Tech Company (JCET) z Chin (która kilka lat temu przejęła singapurską firmę STATS ChipPac) oraz Siliconware Precision Industries Co., Ltd. (SPIL) z Tajwanu, przejętą przez ASE w 2015. Jest wielu innych mniejszych graczy, zwłaszcza w Chinach, którzy kilka lat temu uznali OSAT za branżę strategiczną.

Głównym powodem, dla którego ostatnio zwraca się uwagę na opakowania, jest fakt, że niedawne epidemie Covid-19 w Wietnamie i Malezji znacząco przyczyniły się do pogorszenia kryzysu w dostawach chipów półprzewodnikowych, w wyniku zamykania fabryk lub redukcji personelu wymuszonego przez władze lokalne odcinającymi lub ograniczającymi produkcję na tygodnie w godz. czas. Nawet jeśli rząd USA zainwestuje w dotacje mające na celu wspieranie krajowej produkcji półprzewodników, większość gotowych chipów nadal będzie podróżować do Azji w celu pakowania, ponieważ tam znajduje się przemysł i sieci dostawców oraz baza umiejętności. I tak Intel produkuje chipy mikroprocesorowe w Hillsboro w Oregonie lub Chandler w Arizonie, ale wysyła gotowe płytki do fabryk w Malezji w Wietnamie lub Chengdu w Chinach w celu przetestowania i pakowania.

Czy w USA można prowadzić pakowanie chipów?

Sprowadzenie opakowań chipsów do Stanów Zjednoczonych wiąże się z poważnymi wyzwaniami, ponieważ większość branży opuściła amerykańskie wybrzeża blisko pół wieku temu. Udział Ameryki Północnej w światowej produkcji opakowań wynosi zaledwie około 3%. Oznacza to, że sieci dostawców sprzętu produkcyjnego, chemikaliów (takich jak substraty i inne materiały stosowane w opakowaniach), ram ołowianych i, co najważniejsze, baza umiejętności doświadczonych talentów dla części przedsiębiorstwa o dużym wolumenie, nie istniała w USA od dawna. długi czas. Intel właśnie ogłosił inwestycję o wartości 7 miliardów dolarów w nową fabrykę opakowań i testów w Malezji, choć ogłosił również plany zainwestowania 3.5 miliarda dolarów w swoją działalność w Rio Rancho w Nowym Meksyku w związku z technologią Foveros. Firma Amkor Technology ogłosiła niedawno plany zwiększenia mocy produkcyjnych w Bac Ninh w Wietnamie, na północny wschód od Hanoi.

Duża część tego problemu w USA polega na tym, że zaawansowane pakowanie chipów wymaga dużego doświadczenia produkcyjnego. Kiedy po raz pierwszy rozpoczniesz produkcję, wydajność dobrze gotowych, zapakowanych chipsów będzie prawdopodobnie niska, a gdy będziesz produkować więcej, stale ulepszasz proces, a wydajność staje się lepsza. Klienci posiadający duże chipy na ogół nie będą skłonni ryzykować korzystania z nowych krajowych dostawców, którym osiągnięcie tej krzywej dochodowości może zająć dużo czasu. Jeśli wydajność pakowania jest niska, wyrzucisz chipsy, które w przeciwnym razie byłyby dobre. Dlaczego warto skorzystać z szansy? Zatem nawet jeśli bardziej zaawansowane chipy będziemy produkować w USA, prawdopodobnie i tak pojadą one na Daleki Wschód w celu pakowania.

Firma American Semiconductor, Inc. z siedzibą w Boise w stanie Idaho przyjmuje inne podejście. Dyrektor generalny Doug Hackler opowiada się za „opłacalnym reshoringiem opartym na opłacalnej produkcji”. Zamiast skupiać się wyłącznie na opakowaniach chipów z najwyższej półki, takich jak te stosowane w zaawansowanych mikroprocesorach lub chipach 5G, jego strategia polega na wykorzystaniu nowej technologii i zastosowaniu jej do starszych chipów, na które jest duże zapotrzebowanie, co pozwoli firmie przećwiczyć swoje procesy i uczyć się. Starsze chipy są również znacznie tańsze, więc utrata wydajności nie jest tak bardzo kwestią życia i śmierci. Hackler zwraca uwagę, że 85% chipów w iPhonie 11 wykorzystuje starsze technologie, na przykład produkowane w węzłach półprzewodnikowych o długości 40 nm lub starszej (co było gorącą technologią dziesięć lat temu). Rzeczywiście, wiele niedoborów chipów, które obecnie nękają przemysł samochodowy, i inne, dotyczy tych starszych chipów. Jednocześnie firma stara się zastosować nową technologię i automatyzację na etapach montażu, oferując ultracienkie opakowania w skali chipa przy użyciu tak zwanego procesu półprzewodnika na polimerze (SoP), w którym płytka wypełniona matrycą jest łączona z polimerową spodnią stronę, a następnie naklejono na taśmę termotransferową. Po przetestowaniu za pomocą zwykłych automatycznych testerów, chipy są krojone w kostkę na nośnikach taśm i przenoszone na szpule lub inne formaty w celu szybkiego automatycznego montażu. Hackler uważa, że ​​to opakowanie powinno być atrakcyjne dla producentów urządzeń Internetu rzeczy (IoT) i urządzeń do noszenia, czyli dwóch segmentów, które mogą zużywać duże ilości chipów, ale nie są tak wymagające pod względem produkcji krzemu.

W podejściu Hacklera atrakcyjne są dwie rzeczy. Po pierwsze, uznanie znaczenia popytu dla przeciągnięcia wolumenu przez linię produkcyjną zapewni im dużą praktykę w zakresie poprawy wydajności. Po drugie, korzystają z nowej technologii, a zmiana technologii często stanowi okazję do pozbycia się operatorów zasiedziałych. Nowi uczestnicy nie noszą bagażu związanego z istniejącymi procesami lub obiektami. 

Firma American Semiconductor ma jeszcze długą drogę do przebycia, ale takie podejście pozwoli na budowanie krajowych umiejętności i stanowi praktyczny krok w kierunku wprowadzenia opakowań chipów do USA. Nie należy spodziewać się szybkiego ustanowienia potencjału krajowego, ale nie jest to złe miejsce początek.