American Semiconductor робить крок до упаковки внутрішніх мікросхем США

Поширений дефіцит напівпровідників за останній рік змусив багатьох людей зосередитися на стійкості ланцюга поставок, а також закликали збільшити виробництво мікросхем у США. Закон США про інновації та конкуренцію (USICA), який ухвалив Сенат у червні минулого року, пропонує 52 мільярди доларів на допомогу. вітчизняного виробництва напівпровідників, і очікує дії Хауса. Хоча основна увага для багатьох людей зосереджена на зростанні внутрішньої частки виробництва кремнієвих чіпів, ми не повинні упускати з уваги упаковку чіпів – важливий процес інкапсуляції цих чіпів, щоб захистити їх від пошкодження та зробити їх придатними для використання шляхом підключення їх схем до зовнішній світ. Це сфера, яка буде важливою як для стійкості ланцюга поставок, так і для підтримки майбутніх технологічних досягнень в електроніці. 

Упаковка необхідна для того, щоб напівпровідникові мікросхеми можна було використовувати

Мікросхеми інтегральної схеми (ІС) виробляються на кремнієвих пластинах на багатомільярдних заводах, відомих як «фабрики». Окремі чіпси або «штампи» виготовляються за повторюваними моделями, які виготовляються партіями на кожній пластині (і в різних партіях пластин). 300 мм пластина (близько 12 дюймів в діаметрі), розмір, який зазвичай використовується в найсучасніших заводах, може містити сотні великих мікропроцесорних мікросхем або тисячі крихітних мікросхем контролера. Виробничий процес розділений на фазу «переднього кінця лінії» (FEOL), під час якої створюються мільярди мікроскопічних транзисторів та інших пристроїв із процесами моделювання та травлення в тілі кремнію, за яким слідує «задня частина лінії». ” (BEOL), в якому закладена сітка металевих слідів, щоб з’єднати все. Сліди складаються з вертикальних сегментів, які називаються «відвідними отворами», які, у свою чергу, з’єднують горизонтальні шари проводки. Якщо у вас є мільярди транзисторів на чіпі (процесор A13 iPhone 15 має 15 мільярдів), вам потрібно багато мільярдів проводів, щоб їх з’єднати. Кожен окремий кристал може мати кілька кілометрів проводки в розтягнутому вигляді, тому ми можемо уявити, що процеси BEOL є досить складними. На самий зовнішній шар кристала (іноді вони використовують задню частину кристала, а також передню частину) дизайнери накладають мікроскопічні прокладки, які використовуються для з’єднання чіпа із зовнішнім світом. 

Після обробки пластини кожну з чіпів окремо «пробують» тестовою машиною, щоб визначити, які з них хороші. Їх вирізають і складають в пакети. Пакет забезпечує як фізичний захист мікросхеми, так і засіб для підключення електричних сигналів до різних схем у чіпі. Після упаковки чіп його можна розмістити на електронних платах телефону, комп’ютера, автомобіля чи інших пристроїв. Деякі з цих пакетів мають бути розроблені для екстремальних умов, наприклад, у моторному відсіку автомобіля або на вежі мобільного телефону. Інші мають бути надзвичайно малими для використання всередині компактних пристроїв. У всіх випадках розробник упаковки повинен враховувати такі речі, як матеріали, які можна використовувати, щоб мінімізувати напругу або розтріскування матриці, або враховувати теплове розширення та те, як це може вплинути на надійність чіпа.

Найпершою технологією, яка використовувалася для підключення кремнієвого чіпа до проводів всередині корпусу, була з'єднання дротом, низькотемпературний процес зварювання. У цьому процесі дуже тонкі дроти (зазвичай золоті або алюмінієві, хоча також використовуються срібло та мідь) прикріплюються з одного кінця до металевих прокладок на мікросхемі, а з іншого — до клем на металевій рамі, яка має вихід назовні. . Цей процес був вперше запроваджений у Bell Labs у 1950-х роках, коли крихітні дроти вдавлювали під тиском у чіп-прокладки при високих точкових температурах. Перші машини для цього стали доступні в кінці 1950-х років, а до середини 1960-х років ультразвукове склеювання було розроблено як альтернативний метод.

Історично ця робота виконувалася в Південно-Східній Азії, оскільки була досить трудомісткою. З тих пір були розроблені автоматизовані машини для склеювання дроту на дуже високих швидкостях. Також було розроблено багато інших новітніх технологій пакування, включно з такою, яка називається «фліп-чіп». Під час цього процесу мікроскопічні металеві стовпи наносяться (“ударяються”) на колодки на чіпі, поки він все ще знаходиться на пластині, а потім після тестування хорошу матрицю перевертають і вирівнюють із відповідними пластинами в упаковці. Потім припій розплавляється в процесі оплавлення для сплавлення з’єднань. Це хороший спосіб встановити тисячі з’єднань одночасно, хоча ви повинні ретельно контролювати все, щоб переконатися, що всі з’єднання є хорошими. 

Останнім часом все більше уваги привертає упаковка. Це пов’язано з новими технологіями, які стають доступними, а також з новими додатками, які стимулюють використання мікросхем. Перш за все це бажання об’єднати кілька мікросхем, виготовлених за різними технологіями, в один пакет, так звані мікросхеми «система в упаковці» (SiP). Але це також керується бажанням об’єднати різні види пристроїв, наприклад, антену 5G в тому ж корпусі, що й радіочіп, або програми штучного інтелекту, в яких ви інтегруєте датчики з обчислювальними чіпами. Великі ливарні напівпровідникові заводи, такі як TSMC, також працюють із «чіплетами» та «пакуванням вентиляторів», тоді як Intel
INTC
має вбудоване багатокристальне з’єднання (EMIB) і технологію стекування Foveros, представлену в мобільному процесорі Lakefield у 2019 році.

Більшість упаковок виробляють сторонні контрактні виробники, відомі як компанії «аутсорсинг для збирання та випробування» (OSAT), і центр їхнього світу знаходиться в Азії. Найбільшими постачальниками OSAT є ASE з Тайваню, Amkor Technology
АМКР
зі штаб-квартирою в Темпе, штат Арізона, Jiangsu Changjiang Electronics Tech Company (JCET) у Китаї (яка кілька років тому придбала сінгапурську STATS ChipPac) і Siliconware Precision Industries Co., Ltd. (SPIL) у Тайвані, придбану ASE в 2015. Є багато інших менших гравців, особливо в Китаї, який кілька років тому визначив OSAT як стратегічну галузь.

Основна причина, по якій упаковка привернула увагу останнім часом, полягає в тому, що нещодавні спалахи Covid-19 у В’єтнамі та Малайзії значною мірою сприяли загостренню кризи постачання напівпровідникових чіпів, оскільки закриття заводів або скорочення персоналу домагаються місцевими органами влади, що припиняють або скорочують виробництво протягом тижнів у Час. Навіть якщо уряд США інвестує в субсидії для розвитку вітчизняного виробництва напівпровідників, більшість цих готових мікросхем все одно збирається їхати в Азію для упаковки, оскільки саме там знаходиться промисловість і мережі постачальників і де база навичок. Таким чином, Intel виробляє мікропроцесорні мікросхеми в Хіллсборо, штат Орегон або Чандлер, штат Арізона, але вона відправляє готові пластини на заводи в Малайзії, В'єтнамі або Ченду, Китай для тестування та пакування.

Чи можна створити упаковку чіпів у США?

Існують значні проблеми з доставкою упаковки чіпсів до США, оскільки більша частина промисловості залишила американські береги майже півстоліття тому. Частка Північної Америки у світовому виробництві упаковки становить лише близько 3%. Це означає, що мережі постачальників виробничого обладнання, хімічних речовин (наприклад, субстратів та інших матеріалів, що використовуються в упаковках), свинцевих каркасів і, що найважливіше, навичок досвідчених талантів для великої частини бізнесу не існували в США протягом довгий час. Intel щойно оголосила про інвестиції в 7 мільярдів доларів у нову фабрику пакування та тестування в Малайзії, хоча також оголосила про плани інвестувати 3.5 мільярда доларів у свою технологію Foveros в Ріо-Ранчо, штат Нью-Мексико. Amkor Technology також нещодавно оголосила про плани розширення потужностей у Бак Нінь, В'єтнам на північний схід від Ханоя.

Велика частина цієї проблеми для США полягає в тому, що передове пакування чіпів вимагає великого досвіду виробництва. Коли ви вперше розпочинаєте виробництво, вихід хороших готових упакованих чіпсів, ймовірно, буде низьким, і якщо ви будете робити більше, ви постійно вдосконалюєте процес, і вихід стає кращим. Великі клієнти чіпів, як правило, не готові ризикувати, використовуючи нових вітчизняних постачальників, яким може знадобитися багато часу, щоб підняти цю криву прибутковості. Якщо у вас низький вихід упаковки, ви викинете чіпси, які в іншому випадку були б корисними. Навіщо ризикувати? Таким чином, навіть якщо ми виробляємо більш досконалі чіпи в США, вони, ймовірно, все одно відправляться на Далекий Схід для упаковки.

Компанія American Semiconductor, Inc. у Бойсі, штат Айдахо, використовує інший підхід. Генеральний директор Даг Хаклер виступає за «життєздатний решорінг на основі життєздатного виробництва». Замість того, щоб гнатися лише за упаковкою чіпів високого класу, наприклад, що використовуються для передових мікропроцесорів або чіпів 5G, його стратегія полягає в тому, щоб використовувати нову технологію та застосувати її до застарілих мікросхем, де є великий попит, що дозволить компанії практикувати свої процеси та вчитися. Застарілі чіпи також набагато дешевші, тому втрата врожаю не є проблемою життя і смерті. Хаклер зазначає, що 85% чіпів в iPhone 11 використовують старіші технології, наприклад, виготовлені на напівпровідникових вузлах 40 нм і старше (що було гарячою технологією десять років тому). Справді, багато з дефіциту мікросхем, які зараз хвилюють автомобільну промисловість, а інші – для цих застарілих мікросхем. У той же час компанія намагається застосувати нову технологію та автоматизацію на етапах складання, пропонуючи упаковку надтонких чіпів за допомогою того, що вона називає процесом напівпровідник на полімері (SoP), в якому пластина, наповнена матрицею, прикріплюється до зворотну сторону полімеру, а потім поміщають на термотрансферну стрічку. Після тестування за допомогою звичайних автоматичних тестерів чіпи нарізаються кубиками на носії стрічки та переміщуються на котушки або інші формати для високошвидкісного автоматизованого складання. Хаклер вважає, що ця упаковка має бути привабливою для виробників пристроїв Інтернету речей (IoT) і носіїв, двох сегментів, які можуть споживати великі обсяги мікросхем, але не такі вимогливі до виробництва кремнію.

У підході Хеклера приваблює дві речі. По-перше, визнання важливості попиту для просування обсягу через його виробничу лінію забезпечить їм багато практики щодо підвищення врожайності. По-друге, вони використовують нову технологію, і технологічний перехід часто є можливістю звільнити чинних керівників. Нові учасники не мають можливості бути прив’язаними до існуючих процесів або засобів. 

American Semiconductor ще попереду, але подібні підходи розвинуть внутрішні навички та є практичним кроком до доставки упаковки чіпів до США Не очікуйте, що створення внутрішньої потужності буде швидким, але це непогане місце для почати.