American Semiconductor face un pas spre ambalarea cipurilor interne din SUA

Lipsa larg răspândită de semiconductori în ultimul an i-a determinat pe mulți să se concentreze asupra rezilienței lanțului de aprovizionare, cu apeluri pentru creșterea producției de cipuri în SUA. producția internă de semiconductori și așteaptă acțiunea Casei. În timp ce accentul principal pentru mulți oameni este pe creșterea ponderii interne a producției de cipuri de siliciu, nu ar trebui să trecem cu vederea ambalarea cipurilor - procesul esențial de încapsulare a acestor cipuri pentru a le proteja de deteriorare și a le face utilizabile prin conectarea circuitelor lor la lumea de afara. Acesta este un domeniu care va fi important atât pentru reziliența lanțului de aprovizionare, cât și pentru susținerea viitoarelor progrese tehnologice în electronică. 

Ambalarea este esențială pentru a face cipurile semiconductoare utilizabile

Cipurile cu circuite integrate (IC) sunt produse pe plăci de siliciu în fabrici de miliarde de dolari cunoscute sub numele de „fabs”. Chipsurile individuale sau „moare” sunt produse în modele repetate, fabricate în loturi pe fiecare napolitană (și în loturi de napolitane). O napolitană de 300 mm (aproximativ 12 inchi în diametru), dimensiunea utilizată în mod obișnuit în cele mai moderne fabrici, poate transporta sute de cipuri mari de microprocesor sau mii de cipuri de controlor minuscule. Procesul de producție este segmentat într-o fază „front end of the line” (FEOL) în timpul căreia miliarde de tranzistori microscopici și alte dispozitive sunt create cu procese de modelare și gravare în corpul siliciului, urmate de un „back end al liniei”. ” (BEOL) în care este așezată o plasă de urme metalice pentru a lega totul. Urmele constau din segmente verticale numite „vias”, care la rândul lor conectează straturi orizontale de cablare. Dacă aveți miliarde de tranzistori pe un cip (procesorul A13 al iPhone 15 are 15 miliarde), aveți nevoie de multe miliarde de fire pentru a le conecta. Fiecare matriță individuală poate avea câțiva kilometri de cablaj în total atunci când este întinsă, așa că ne putem imagina că procesele BEOL sunt destul de complexe. Pe stratul foarte exterior al matriței (uneori vor folosi partea din spate a matriței, precum și partea din față), designerii pun plăcuțe microscopice care sunt folosite pentru a conecta cipul la lumea exterioară. 

După ce napolitana este procesată, fiecare dintre cipuri este „sondat” individual cu o mașină de testare pentru a afla care sunt bune. Acestea sunt decupate și puse în pachete. Un pachet oferă atât protecție fizică pentru cip, cât și un mijloc de conectare a semnalelor electrice la diferitele circuite din cip. După ce un cip este împachetat, acesta poate fi plasat pe plăcile de circuite electronice din telefon, computer, mașină sau alte dispozitive. Unele dintre aceste pachete trebuie să fie proiectate pentru medii extreme, cum ar fi în compartimentul motor al unei mașini sau pe un turn de telefon mobil. Altele trebuie să fie extrem de mici pentru a fi utilizate în interiorul dispozitivelor compacte. În toate cazurile, proiectantul ambalajului trebuie să ia în considerare lucruri precum materialele de utilizat pentru a minimiza stresul sau fisurarea matriței sau pentru a lua în considerare dilatarea termică și modul în care aceasta poate afecta fiabilitatea cipului.

Cea mai veche tehnologie folosită pentru a conecta cipul de siliciu la cablurile din interiorul pachetului a fost lipirea firelor, un proces de sudare la temperatură scăzută. În acest proces, firele foarte fine (de obicei din aur sau aluminiu, deși se folosesc și argint și cupru) sunt lipite la un capăt de plăcuțe metalice de pe cip, iar la celălalt capăt de bornele de pe un cadru metalic care are cabluri către exterior. . Procesul a fost inițiat la Bell Labs în anii 1950, cu fire minuscule presate sub presiune în plăcuțele de cip la temperaturi punctuale ridicate. Primele mașini care au făcut acest lucru au devenit disponibile la sfârșitul anilor 1950, iar la mijlocul anilor 1960, lipirea cu ultrasunete a fost dezvoltată ca tehnică alternativă.

Din punct de vedere istoric, această muncă a fost făcută în Asia de Sud-Est, deoarece era destul de intensivă în muncă. De atunci, au fost dezvoltate mașini automate pentru a realiza lipirea firelor la viteze foarte mari. Au fost dezvoltate, de asemenea, multe alte tehnologii de ambalare mai noi, inclusiv una numită „flip chip”. În acest proces, stâlpii de metal microscopici sunt depuși (“loviți”) pe plăcuțele de pe cip în timp ce acesta este încă pe napolitană, iar apoi, după testare, matrița bună este răsturnată și aliniată cu plăcuțele potrivite într-un pachet. Apoi lipirea este topită într-un proces de reflux pentru a fuziona conexiunile. Aceasta este o modalitate bună de a face mii de conexiuni simultan, deși trebuie să controlați lucrurile cu atenție pentru a vă asigura că toate conexiunile sunt bune. 

Recent, ambalajul a atras mult mai multă atenție. Acest lucru se datorează noilor tehnologii care devin disponibile, dar și noilor aplicații care conduc la utilizarea cipurilor. În primul rând, este dorința de a pune împreună mai multe cipuri realizate cu tehnologii diferite într-un singur pachet, așa-numitele cipuri system-in-package (SiP). Dar este determinată și de dorința de a combina diferite tipuri de dispozitive, de exemplu o antenă 5G în același pachet cu cipul radio sau aplicații de inteligență artificială în care integrezi senzori cu cipurile de calcul. Marile turnătorii de semiconductori, cum ar fi TSMC, lucrează și cu „chipleți” și „împachetare prin ventilare”, în timp ce Intel
INTC
și-a introdus tehnologia de interconectare multi-die încorporată (EMIB) și Foveros de stivuire a matrițelor în procesorul său mobil Lakefield în 2019.

Cele mai multe ambalaje sunt realizate de producători terți cu contract, cunoscuți sub numele de companii de „asamblare și testare externalizate” (OSAT), iar centrul lumii lor se află în Asia. Cei mai mari furnizori OSAT sunt ASE din Taiwan, Amkor Technology
AMKR
cu sediul în Tempe, Arizona, Jiangsu Changjiang Electronics Tech Company (JCET) din China (care a achiziționat STATS ChipPac cu sediul în Singapore cu câțiva ani în urmă) și Siliconware Precision Industries Co., Ltd. (SPIL) din Taiwan, achiziționată de ASE în 2015. Există mulți alți jucători mai mici, în special în China, care au identificat OSAT ca o industrie strategică în urmă cu câțiva ani.

Unul dintre motivele majore pentru care ambalajul a atras atenția în ultima vreme este faptul că recentele focare de Covid-19 din Vietnam și Malaezia au contribuit în mod semnificativ la agravarea crizei aprovizionării cu cipuri de semiconductori, cu închiderea fabricilor sau reducerea personalului impus de guvernele locale, întrerupând sau reducând producția timp de săptămâni la o vreme. Chiar dacă guvernul SUA investește în subvenții pentru a stimula producția internă de semiconductori, majoritatea acestor cipuri finite vor călători în Asia pentru ambalare, deoarece acolo se află industria și rețelele de furnizori și unde se află baza de competențe. Astfel, Intel produce cipuri de microprocesor în Hillsboro, Oregon sau Chandler, Arizona, dar trimite napolitane finite la fabrici din Malaezia, Vietnam sau Chengdu, China pentru testare și ambalare.

Ambalarea chipurilor poate fi stabilită în SUA?

Există provocări semnificative în ceea ce privește aducerea ambalajelor de cip în SUA, deoarece cea mai mare parte a industriei a părăsit țărmurile americane cu aproape o jumătate de secol în urmă. Ponderea Americii de Nord din producția globală de ambalaje este de numai aproximativ 3%. Aceasta înseamnă că rețelele de furnizori pentru echipamente de fabricație, produse chimice (cum ar fi substraturile și alte materiale utilizate în pachete), cadre de plumb și, cel mai important, o bază de abilități de talent cu experiență pentru partea de volum mare a afacerii nu au existat în SUA pentru o perioadă lungă de timp. Intel tocmai a anunțat o investiție de 7 miliarde de dolari într-o nouă fabrică de ambalare și testare din Malaezia, deși a anunțat, de asemenea, că va investi 3.5 miliarde de dolari în operațiunile sale din Rio Rancho, New Mexico, pentru tehnologia Foveros. Amkor Technology a anunțat recent planuri de extindere a capacității la Bac Ninh, Vietnam, la nord-est de Hanoi.

O mare parte a acestei probleme pentru SUA este că ambalarea avansată a cipurilor necesită atât de multă experiență de producție. Când începeți producția, randamentul de chipsuri bine finisate ambalate va fi probabil scăzut și, pe măsură ce faceți mai multe, îmbunătățiți constant procesul și randamentul devine mai bun. Clienții mari de cipuri, în general, nu vor fi dispuși să riște să folosească noi furnizori autohtoni, cărora le-ar putea dura mult timp să urce această curbă a randamentului. Dacă aveți un randament scăzut de ambalare, veți arunca chipsuri care altfel ar fi bune. De ce să riscați? Astfel, chiar dacă facem cipuri mai avansate în SUA, probabil că vor merge totuși în Orientul Îndepărtat pentru ambalare.

American Semiconductor, Inc., cu sediul în Boise, Idaho, adoptă o abordare diferită. CEO-ul Doug Hackler favorizează „relocarea viabilă bazată pe producție viabilă”. În loc să urmărească numai ambalaje de cipuri de ultimă generație, cum ar fi cele utilizate pentru microprocesoarele avansate sau cipurile 5G, strategia lui este să folosească noi tehnologii și să o aplice la cipurile moștenite unde există o cerere mare, ceea ce va permite companiei să-și exerseze procesele și învăța. Chipurile vechi sunt și ele mult mai ieftine, așa că pierderea de randament nu este atât de mult o problemă de viață sau de moarte. Hackler subliniază că 85% dintre cipurile dintr-un iPhone 11 folosesc tehnologii mai vechi, de exemplu fabricate la noduri semiconductoare de 40 nm sau mai vechi (care era tehnologia fierbinte în urmă cu un deceniu). Într-adevăr, multe dintre lipsurile de cipuri care afectează în prezent industria auto și altele sunt pentru aceste cipuri moștenite. În același timp, compania încearcă să aplice o nouă tehnologie și automatizare la etapele de asamblare, oferind ambalaje ultra-subțiri de cip, folosind ceea ce numește un proces semiconductor pe polimer (SoP) în care o placă plină cu matriță este lipită de un polimerul din spate și apoi plasat pe o bandă de transfer termic. După testarea cu testere automate obișnuite, cipurile sunt tăiate cubulețe pe suporturile de bandă și transferate pe role sau alte formate pentru asamblarea automată de mare viteză. Hackler consideră că acest ambalaj ar trebui să fie atractiv pentru producătorii de dispozitive și dispozitive purtabile cu Internet-of-Things (IoT), două segmente care ar putea consuma volume mari de cipuri, dar nu sunt la fel de solicitante în ceea ce privește fabricarea siliciului.

Ceea ce este atrăgător la abordarea lui Hackler sunt două lucruri. În primul rând, recunoașterea importanței cererii de a trage volumul prin linia sa de producție va asigura că aceștia primesc multă practică privind îmbunătățirea randamentului. În al doilea rând, ei folosesc o nouă tehnologie, iar trecerea la o tranziție tehnologică este adesea o oportunitate de a demonta titularii. Noii intrați nu au bagajele de a fi legați de procesele sau facilitățile existente. 

American Semiconductor are încă un drum lung de parcurs, dar abordări ca aceasta vor dezvolta competențe interne și reprezintă un pas practic pentru a aduce ambalarea cipurilor în SUA. Nu vă așteptați ca stabilirea capacității interne să fie rapidă, dar nu este un loc rău pentru start.