American Semiconductor robí krok smerom k americkému domácemu baleniu čipov

Rozsiahly nedostatok polovodičov za posledný rok spôsobil, že sa veľa ľudí zameralo na odolnosť dodávateľského reťazca, pričom vyzývali na zvýšenie výroby čipov v USA Americký zákon o inováciách a hospodárskej súťaži (USICA), ktorý Senát schválil vlani v júni, navrhuje pomoc vo výške 52 miliárd dolárov. domácu výrobu polovodičov a čaká na akciu House. Zatiaľ čo sa mnohí ľudia sústreďujú predovšetkým na zvyšovanie domáceho podielu výroby kremíkových čipov, nemali by sme prehliadať obaly čipov – základný proces zapuzdrenia týchto čipov, aby boli chránené pred poškodením a aby boli použiteľné pripojením ich obvodov k vonkajší svet. Toto je oblasť, ktorá bude dôležitá pre odolnosť dodávateľského reťazca, ako aj pre udržanie budúceho technologického pokroku v elektronike. 

Balenie je nevyhnutné na to, aby boli polovodičové čipy použiteľné

Čipy s integrovaným obvodom (IC) sa vyrábajú na kremíkových doštičkách v továrňach s mnohými miliardami dolárov známych ako „fabriky“. Jednotlivé čipy alebo „formy“ sú vyrábané v opakujúcich sa vzoroch, vyrábané v dávkach na každom plátku (a naprieč dávkami plátkov). 300 mm plátok (približne 12 palcov v priemere), čo je veľkosť, ktorá sa bežne používa v najmodernejších továrňach, môže niesť stovky veľkých mikroprocesorových čipov alebo tisíce malých čipov ovládača. Výrobný proces je rozdelený do fázy „predného konca linky“ (FEOL), počas ktorej sa vytvárajú miliardy mikroskopických tranzistorov a iných zariadení s procesmi vzorovania a leptania v tele kremíka, po ktorých nasleduje „zadný koniec linky. “ (BEOL), v ktorom je položená sieťka kovových stôp, aby všetko spojila. Stopy pozostávajú z vertikálnych segmentov nazývaných „priechody“, ktoré zase spájajú horizontálne vrstvy vedenia. Ak máte na čipe miliardy tranzistorov (procesor A13 v iPhone 15 ich má 15 miliárd), na ich prepojenie potrebujete veľa miliárd vodičov. Každá jednotlivá matrica môže mať po natiahnutí celkovo niekoľko kilometrov káblov, takže si vieme predstaviť, že procesy BEOL sú dosť zložité. Na samotnú vonkajšiu vrstvu matrice (niekedy využijú aj zadnú stranu matrice, ako aj prednú stranu) dizajnéri umiestnili mikroskopické podložky, ktoré slúžia na prepojenie čipu s vonkajším svetom. 

Po spracovaní oblátky je každý z čipov samostatne „sondovaný“ testovacím strojom, aby sa zistilo, ktoré sú dobré. Tie sa vystrihnú a vložia do balíčkov. Balík poskytuje tak fyzickú ochranu čipu, ako aj prostriedok na pripojenie elektrických signálov k rôznym obvodom v čipe. Po zabalení čipu ho možno umiestniť na dosky s elektronickými obvodmi vo vašom telefóne, počítači, aute alebo iných zariadeniach. Niektoré z týchto balíkov musia byť navrhnuté pre extrémne prostredie, napríklad v motorovom priestore auta alebo na veži mobilného telefónu. Iné musia byť extrémne malé na použitie vo vnútri kompaktných zariadení. Vo všetkých prípadoch musí dizajnér obalu zvážiť veci, ako sú materiály, ktoré sa majú použiť na minimalizáciu napätia alebo praskania matrice, alebo brať do úvahy tepelnú rozťažnosť a to, ako to môže ovplyvniť spoľahlivosť čipu.

Najstaršia technológia použitá na pripojenie kremíkového čipu k vodičom vo vnútri obalu bola spájanie drôtov, proces zvárania pri nízkej teplote. V tomto procese sú veľmi jemné drôty (zvyčajne zlaté alebo hliníkové, hoci sa používa aj striebro a meď) pripojené na jednom konci ku kovovým podložkám na čipe a na druhom konci ku svorkám na kovovom ráme, ktorý vedie von. . Tento proces bol priekopníkom v Bellových laboratóriách v 1950-tych rokoch minulého storočia s malými drôtikmi vtlačenými pod tlakom do čipových podložiek pri vysokých bodových teplotách. Prvé stroje, ktoré to dokázali, boli dostupné koncom 1950. rokov a v polovici 1960. rokov bolo vyvinuté ultrazvukové spájanie ako alternatívna technika.

Historicky sa táto práca vykonávala v juhovýchodnej Ázii, pretože bola dosť náročná na prácu. Odvtedy boli vyvinuté automatizované stroje na spájanie drôtov pri veľmi vysokých rýchlostiach. Bolo vyvinutých aj mnoho ďalších novších baliacich technológií, vrátane jednej nazývanej „flip chip“. V tomto procese sa mikroskopické kovové stĺpiky uložia („narazí“) na podložky na čipe, kým je ešte na doštičke, a potom sa po otestovaní dobrá matrica prevráti a zarovná so zodpovedajúcimi podložkami v balení. Potom sa spájka roztaví v procese pretavenia, aby sa spoje spojili. Je to dobrý spôsob, ako vytvoriť tisíce spojení naraz, aj keď musíte veci starostlivo kontrolovať, aby ste sa uistili, že všetky spojenia sú dobré. 

V poslednej dobe obaly priťahujú oveľa väčšiu pozornosť. Dôvodom sú stále dostupné nové technológie, ale aj nové aplikácie, ktoré podporujú používanie čipov. Prvoradá je túžba spojiť viacero čipov vyrobených rôznymi technológiami do jedného obalu, takzvané čipy system-in-package (SiP). Poháňa ho však aj túžba kombinovať rôzne druhy zariadení, napríklad 5G anténu v rovnakom balení ako rádiový čip, alebo aplikácie umelej inteligencie, v ktorých integrujete senzory s výpočtovými čipmi. Veľké polovodičové zlievarne ako TSMC pracujú aj s „čipmi“ a „rozvetveným balením“, zatiaľ čo Intel
INTC
má vstavanú technológiu prepojovania viacerých matíc (EMIB) a stohovania matíc Foveros, ktorá bola uvedená v mobilnom procesore Lakefield v roku 2019.

Väčšinu balenia vyrábajú zmluvní výrobcovia tretích strán, ktorí sú známi ako „outsourcované montážne a testovacie“ spoločnosti (OSAT), pričom stred ich sveta je v Ázii. Najväčšími dodávateľmi OSAT sú ASE z Taiwanu, Amkor Technology
AMKR
so sídlom v Tempe v Arizone, čínska Jiangsu Changjiang Electronics Tech Company (JCET) (ktorá pred niekoľkými rokmi získala singapurský STATS ChipPac) a Siliconware Precision Industries Co., Ltd. (SPIL) z Taiwanu, ktorú ASE získala v r. 2015. Existuje mnoho ďalších menších hráčov, najmä v Číne, ktorí pred niekoľkými rokmi označili OSAT za strategické odvetvie.

Hlavným dôvodom, prečo obaly v poslednej dobe priťahujú pozornosť, je to, že nedávne prepuknutia Covid-19 vo Vietname a Malajzii výrazne prispeli k zhoršeniu krízy dodávok polovodičových čipov, pričom zatváranie závodov alebo znižovanie počtu zamestnancov vynútili miestne vlády prerušenia alebo zníženie výroby na niekoľko týždňov. Doba. Aj keď vláda USA investuje do dotácií na podporu domácej výroby polovodičov, väčšina z týchto hotových čipov bude stále cestovať do Ázie na balenie, pretože tam sú priemyselné a dodávateľské siete a kde je základňa zručností. Intel teda vyrába mikroprocesorové čipy v Hillsboro, Oregon alebo Chandler, Arizona, ale hotové doštičky posiela na test a balenie do tovární v Malajzii, Vietname alebo Chengdu v Číne.

Je možné zaviesť balenie čipov v USA?

Pri uvádzaní obalov čipov do USA sú významné výzvy, keďže väčšina priemyslu opustila americké pobrežie takmer pred polstoročím. Podiel Severnej Ameriky na celosvetovej výrobe obalov je len okolo 3 %. To znamená, že dodávateľské siete pre výrobné zariadenia, chemikálie (ako sú substráty a iné materiály používané v obaloch), olovené rámy, a čo je najdôležitejšie, základňa zručností skúsených talentov pre veľkoobjemovú časť podnikania v USA neexistovala. dlhý čas. Intel práve oznámil investíciu 7 miliárd dolárov do novej továrne na balenie a testovanie v Malajzii, no zároveň oznámil plány investovať 3.5 miliardy dolárov do svojich operácií v Rio Rancho v Novom Mexiku pre svoju technológiu Foveros. Amkor Technology tiež nedávno oznámila plány na rozšírenie kapacity v Bac Ninh vo Vietname severovýchodne od Hanoja.

Veľká časť tohto problému pre USA spočíva v tom, že pokročilé balenie čipov vyžaduje toľko výrobných skúseností. Keď prvýkrát spustíte výrobu, výťažnosť dobre hotových zabalených čipov bude pravdepodobne nízka, a keď zarobíte viac, proces neustále zlepšujete a výťažnosť sa zlepšuje. Veľkí zákazníci čipov vo všeobecnosti nebudú ochotní riskovať používanie nových domácich dodávateľov, ktorým môže trvať dlho, kým dosiahnu túto výnosovú krivku. Ak máte nízku výťažnosť balenia, vyhodíte čipsy, ktoré by inak boli dobré. Prečo riskovať? Takže aj keby sme v USA vyrábali pokročilejšie čipy, pravdepodobne sa budú stále baliť na Ďaleký východ.

Spoločnosť American Semiconductor, Inc. so sídlom v Boise v štáte Idaho zvolila iný prístup. Generálny riaditeľ Doug Hackler uprednostňuje „životaschopné preskupenie založené na životaschopnej výrobe“. Jeho stratégiou je namiesto toho, aby naháňal iba špičkové obaly čipov, aké sa používajú pri pokročilých mikroprocesoroch alebo čipoch 5G, použiť novú technológiu a aplikovať ju na staršie čipy, kde je veľký dopyt, čo spoločnosti umožní precvičiť si svoje procesy a učiť sa. Staršie čipy sú tiež oveľa lacnejšie, takže strata výnosu nie je až taký problém na život a na smrť. Hackler poukazuje na to, že 85 % čipov v iPhone 11 využíva staršie technológie, napríklad vyrábané v polovodičových uzloch 40 nm alebo starších (čo bola horúca technológia pred desiatimi rokmi). Skutočne, mnohé z nedostatku čipov, ktoré v súčasnosti sužujú automobilový priemysel, a ďalšie sú pre tieto staršie čipy. Zároveň sa spoločnosť snaží aplikovať novú technológiu a automatizáciu na montážne kroky a ponúka ultratenké balenie čipov pomocou procesu, ktorý nazýva polovodič na polyméri (SoP), v ktorom sa plátok plný matrice spája s polymér zadnej strany a potom umiestnený na termotransferovú pásku. Po testovaní s obvyklými automatickými testermi sú čipy narezané na páskové nosiče a prenesené na kotúče alebo iné formáty pre vysokorýchlostnú automatizovanú montáž. Hackler si myslí, že toto balenie by malo byť atraktívne pre výrobcov zariadení a nositeľných zariadení pre internet vecí (IoT), dva segmenty, ktoré by mohli spotrebovať veľké objemy čipov, no nie sú také náročné na výrobu kremíka.

Na Hacklerovom prístupe sú príťažlivé dve veci. Po prvé, uznanie dôležitosti dopytu po objeme jeho výrobnej linky zabezpečí, že získajú veľa praxe v oblasti zlepšovania výnosov. Po druhé, používajú novú technológiu a prechod na technologický prechod je často príležitosťou na zbavenie sa funkcie etablovaných spoločností. Noví účastníci nemusia byť viazaní na existujúce procesy alebo zariadenia. 

American Semiconductor má pred sebou ešte dlhú cestu, ale prístupy ako tento vybudujú domáce zručnosti a sú praktickým krokom k uvedeniu balenia čipov do USA Neočakávajte, že vytvorenie domácej kapacity bude rýchle, ale nie je to zlé miesto na to, aby začať.