Американскиот полупроводник прави чекор кон пакување на домашни чипови во САД

Распространетиот недостиг на полупроводници во текот на минатата година предизвика многу луѓе да се фокусираат на издржливоста на синџирот на снабдување, со повици за зголемување на производството на чипови во САД. домашно производство на полупроводници, и се чека акција на House. Додека главниот фокус за многу луѓе е на зголемувањето на домашниот удел во производството на силиконски чипови, не треба да го занемариме пакувањето на чипови - суштинскиот процес на капсулирање на тие чипови со цел да се заштитат од оштетување и да се направат употребливи со поврзување на нивните кола со надворешниот свет. Ова е област која ќе биде важна и за еластичноста на синџирот на снабдување, како и за одржување на идните технолошки достигнувања во електрониката. 

Пакувањето е од суштинско значење за да се направат употребливи полупроводнички чипови

Чиповите за интегрирано коло (IC) се произведуваат на силиконски наполитанки во фабрики од повеќе милијарди долари познати како „fabs“. Индивидуалните чипови или „умре“ се произведуваат во повторувачки шеми, произведени во серии на секоја обланда (и низ серии на наполитанки). Нафора од 300 mm (околу 12 инчи во дијаметар), со големина што обично се користи во најмодерните фабрики, може да носи стотици големи микропроцесорски чипови или илјадници мали контролни чипови. Процесот на производство е сегментиран во фаза на „предниот крај на линијата“ (FEOL) за време на која се создаваат милијарди микроскопски транзистори и други уреди со процеси на обликување и офорт во телото на силиконот, проследено со „заден крај на линијата ” (BEOL) во која е поставена мрежа од метални траги за да се поврзе сè. Трагите се состојат од вертикални сегменти наречени „vias“, кои пак ги поврзуваат хоризонталните слоеви на жици. Ако имате милијарди транзистори на чип (процесорот A13 на iPhone 15 има 15 милијарди), потребни ви се многу милијарди жици за да ги поврзете. Секоја индивидуална матрица може да има вкупно неколку километри жици кога е испружена, така што можеме да замислиме дека процесите на BEOL се прилично сложени. На самиот надворешен слој на матрицата (понекогаш ќе го користат и задниот дел од матрицата, како и предниот дел), дизајнерите ставаат микроскопски влошки кои се користат за поврзување на чипот со надворешниот свет. 

Откако ќе се обработи нафората, секој од чиповите поединечно се „испитува“ со машина за тестирање за да се открие кои се добри. Тие се сечат и се ставаат во пакувања. Пакетот обезбедува и физичка заштита на чипот, како и средство за поврзување на електрични сигнали со различните кола во чипот. Откако ќе се спакува чипот, може да се постави на електронските кола во вашиот телефон, компјутер, автомобил или други уреди. Некои од овие пакети треба да бидат дизајнирани за екстремни средини, како во моторниот простор на автомобил или на кула за мобилни телефони. Другите треба да бидат екстремно мали за употреба за внатрешни компактни уреди. Во сите случаи, дизајнерот на пакувањето треба да земе предвид работи како што се материјалите што треба да се користат за да се минимизира стресот или пукањето на матрицата или да се земе предвид термичката експанзија и како тоа може да влијае на сигурноста на чипот.

Најраната технологија користена за поврзување на силиконскиот чип со каблите во пакувањето беше поврзување на жица, процес на нискотемпературно заварување. Во овој процес, многу фини жици (обично златни или алуминиумски, иако се користат и сребро и бакар) се врзуваат на едниот крај за металните перничиња на чипот, а на другиот крај за приклучоците на металната рамка што има води кон надвор. . Процесот беше пионер во Bell Labs во 1950-тите, со ситни жици притиснати под притисок во перничињата за чипови при високи температури. Првите машини што го направија ова станаа достапни во доцните 1950-ти, а до средината на 1960-тите, ултразвучното поврзување беше развиено како алтернативна техника.

Историски гледано, оваа работа била направена во Југоисточна Азија бидејќи била доста трудоинтензивна. Оттогаш, развиени се автоматизирани машини за поврзување на жиците со многу големи брзини. Развиени се и многу други понови технологии за пакување, вклучително и онаа наречена „флип чип“. Во овој процес, микроскопските метални столбови се депонираат („удираат“) на перничињата на чипот додека е сè уште на нафората, а потоа по тестирањето добрата матрица се превртуваат и се порамнуваат со соодветните влошки во пакување. Потоа лемењето се топи во процес на преточување за да се спојат врските. Ова е добар начин да се направат илјадници врски одеднаш, иако треба внимателно да ги контролирате работите за да бидете сигурни дека сите врски се добри. 

Неодамна пакувањето привлече многу поголемо внимание. Ова е поради тоа што новите технологии стануваат достапни, но и новите апликации кои ја поттикнуваат употребата на чипови. Пред се е желбата да се спојат повеќе чипови направени со различни технологии заедно во едно пакување, таканаречени чипови систем во пакет (SiP). Но, тоа е исто така поттикнато од желбата да се комбинираат различни видови уреди, на пример антена 5G во истиот пакет како радио чипот или апликации за вештачка интелигенција во кои интегрирате сензори со компјутерските чипови. Големите полупроводнички леарници како TSMC работат со „чиплети“ и „пакување со вентилација“, додека Интел
INTC
ја има својата вградена интерконекција со повеќе матрици (EMIB) и технологијата за натрупување матрици Foveros воведени во неговиот мобилен процесор Lakefield во 2019 година.

Повеќето пакувања се направени од производители со договор на трета страна, познати како компании за „аутсорсинг за склопување и тестирање“ (OSAT), а центарот на нивниот свет е во Азија. Најголемите добавувачи на OSAT се ASE од Тајван, Amkor Technology
АМКР
со седиште во Темпе, Аризона, Jiangsu Changjiang Electronics Tech Company (JCET) од Кина (која го купи STATS ChipPac со седиште во Сингапур пред неколку години) и Siliconware Precision Industries Co., Ltd. (SPIL) од Тајван, купена од ASE во 2015. Има многу други помали играчи, особено во Кина, кои пред неколку години го идентификуваа OSAT како стратешка индустрија.

Главна причина зошто пакувањето привлекува внимание во последно време е тоа што неодамнешните избувнувања на Ковид-19 во Виетнам и Малезија значително придонесоа за влошување на кризата со снабдување со полупроводнички чипови, со затворање на погоните или намален персонал, наметнати од локалните власти кои го прекинаа или го намалуваа производството со недели. време. Дури и ако американската влада инвестира во субвенции за поттикнување на домашното производство на полупроводници, повеќето од тие готови чипови сè уште ќе патуваат во Азија за пакување, бидејќи таму се индустријата и мрежите на добавувачи и каде е базата на вештини. Така, Интел произведува микропроцесорски чипови во Хилсборо, Орегон или Чендлер, Аризона, но испраќа готови обланди во фабриките во Малезија, Виетнам или Ченгду, Кина за тестирање и пакување.

Дали може да се воспостави пакување со чипови во САД?

Има значителни предизвици за носење на пакување чипови во САД, бидејќи поголемиот дел од индустријата ги напушти американските брегови пред речиси половина век. Северноамериканскиот удел во глобалното производство на пакување е само околу 3%. Тоа значи дека мрежите на добавувачи за производство на опрема, хемикалии (како подлоги и други материјали што се користат во пакувањата), оловни рамки и што е најважно база на вештини на искусен талент за големиот обем на дел од бизнисот не постоеле во САД. долго време. Интел штотуку објави инвестиција од 7 милијарди долари во нова фабрика за пакување и тестирање во Малезија, иако исто така најави дека планира да инвестира 3.5 милијарди долари во своите операции во Рио Ранчо, Ново Мексико за својата технологија Foveros. Amkor Technology, исто така, неодамна објави планови за проширување на капацитетот во Bac Ninh, Виетнам североисточно од Ханој.

Голем дел од овој проблем за САД е тоа што напредното пакување на чипови бара толку многу искуство во производството. Кога за прв пат ќе започнете со производство, приносите на добро готови пакувани чипови веројатно ќе бидат ниски, а како што ќе заработите повеќе, постојано го подобрувате процесот и приносот станува подобар. Клиентите на големите чипови генерално нема да бидат спремни да ризикуваат да користат нови домашни добавувачи на кои може да им треба долго време за да ја достигнат оваа крива на принос. Ако имате низок принос на пакување, ќе фрлите чипс кој инаку би бил добар. Зошто да ја искористиме шансата? Така, дури и ако направиме понапредни чипови во САД, тие веројатно сепак ќе одат на Далечниот Исток за пакување.

Американската полупроводничка, Inc. со седиште во Боис, Ајдахо, зазема поинаков пристап. Извршниот директор Даг Хаклер се залага за „одржливо обновување врз основа на одржливо производство“. Наместо да брка само висококвалитетно пакување на чипови како она што се користи за напредни микропроцесори или чипови 5G, неговата стратегија е да користи нова технологија и да ја примени на наследените чипови каде што има многу побарувачка, што ќе и овозможи на компанијата да ги практикува своите процеси и учат. Наследените чипови се исто така многу поевтини, така што загубата на принос не е толку проблем со живот и смрт. Хаклер истакнува дека 85% од чиповите во iPhone 11 користат постари технологии, на пример произведени на полупроводнички јазли од 40 nm или постари (што беше жешка технологија пред една деценија). Навистина, многу од недостигот на чипови што моментално ја измачуваат автомобилската индустрија и други се за овие наследни чипови. Во исто време, компанијата се обидува да примени нова технологија и автоматизација на чекорите на склопување, нудејќи пакување со ултра-тенок чип со користење на, како што го нарекува, процес на полупроводник на полимер (SoP) во кој нафора полна со матрица се врзува за полимер од задната страна, а потоа се става на лента за термички пренос. По тестирањето со вообичаените автоматизирани тестери, чиповите се сечат на носачите на лентата и се пренесуваат на макари или други формати за автоматско склопување со голема брзина. Хаклер смета дека ова пакување треба да биде привлечно за производителите на уреди и уреди за носење Интернет на нештата (IoT), два сегменти кои би можеле да трошат големи количини на чипови, но не се толку барани од страната на производството на силикон.

Она што е привлечно за пристапот на Хаклер се две работи. Прво, признавањето на важноста на побарувачката за да се повлече обемот низ неговата производна линија ќе обезбеди тие да добијат многу пракса за подобрување на приносот. Второ, тие користат нова технологија, а возењето на технолошка транзиција често е можност да се соборат актуелните претседатели. Новите учесници го немаат багажот да бидат врзани за постоечките процеси или капацитети. 

Американскиот полупроводник има уште долг пат да помине, но ваквите пристапи ќе ги изградат домашните вештини и се практичен чекор за да се донесе пакувањето со чипови во САД. Не очекувајте воспоставувањето домашна способност да биде брзо, но тоа не е лошо место за почеток.