American Semiconductor прави крачка към опаковането на чипове в САЩ

Широко разпространеният недостиг на полупроводници през последната година накара много хора да се съсредоточат върху устойчивостта на веригата за доставки, с призиви за увеличаване на производството на чипове в САЩ Законът за иновациите и конкуренцията на САЩ (USICA), който прие Сената миналия юни, предлага 52 милиарда долара за помощ местно производство на полупроводници и очаква действието на House. Докато основният фокус за много хора е върху увеличаването на вътрешния дял от производството на силициеви чипове, не бива да пренебрегваме опаковката на чиповете – основният процес на капсулиране на тези чипове, за да ги предпазим от повреда и да ги направим използваеми чрез свързване на тяхната верига към външен свят. Това е област, която ще бъде важна както за устойчивостта на веригата за доставки, така и за поддържане на бъдещия технологичен напредък в електрониката. 

Опаковката е от съществено значение за използването на полупроводниковите чипове

Чиповете с интегрална схема (IC) се произвеждат върху силициеви пластини в фабрики за милиарди долари, известни като „fabs“. Отделните чипове или „матрици“ се произвеждат в повтарящи се модели, произведени на партиди върху всяка подложка (и в партиди вафли). 300 мм пластина (около 12 инча в диаметър), размерът, който обикновено се използва в най-модерните фабрики, може да носи стотици големи микропроцесорни чипове или хиляди малки контролерни чипове. Производственият процес е сегментиран във фаза „предния край на линията“ (FEOL), по време на която се създават милиарди микроскопични транзистори и други устройства с процеси на моделиране и ецване в тялото на силиция, последвано от „заден край на линията“ ” (BEOL), в който е положена мрежа от метални следи, за да свърже всичко. Следите се състоят от вертикални сегменти, наречени „виа“, които от своя страна свързват хоризонтални слоеве от окабеляване. Ако имате милиарди транзистори на чип (процесорът A13 на iPhone 15 има 15 милиарда), имате нужда от много милиарди проводници, за да ги свържете. Всяка отделна матрица може да има общо няколко километра окабеляване, когато е разпъната, така че можем да си представим, че процесите на BEOL са доста сложни. Върху самия външен слой на матрицата (понякога ще използват задната част на матрицата, както и предната част), дизайнерите поставят микроскопични подложки, които се използват за свързване на чипа с външния свят. 

След обработката на вафлата всеки от чиповете се „пробва” поотделно с тестова машина, за да се установи кои от тях са добри. Те се изрязват и се поставят в опаковки. Пакетът осигурява както физическа защита на чипа, така и средство за свързване на електрически сигнали към различните вериги в чипа. След като чипът е пакетиран, той може да бъде поставен върху електронни платки във вашия телефон, компютър, кола или други устройства. Някои от тези пакети трябва да бъдат проектирани за екстремни среди, като в двигателния отсек на автомобил или на кула за мобилен телефон. Други трябва да са изключително малки за използване за вътрешни компактни устройства. Във всички случаи дизайнерът на опаковката трябва да вземе предвид неща като материали, които да използва, за да минимизира напрежението или напукването на матрицата или да отчете термичното разширение и как това може да повлияе на надеждността на чипа.

Най-ранната технология, използвана за свързване на силиконовия чип към проводниците вътре в опаковката, беше свързване на тел, процес на заваряване при ниска температура. В този процес много фини проводници (обикновено злато или алуминий, въпреки че се използват също сребро и мед) са свързани от единия край към метални подложки на чипа, а от другия край към клеми на метална рамка, която има проводници навън . Процесът е пионер в Bell Labs през 1950-те години на миналия век, като малките жици са притиснати под налягане в подложките за чип при високи температури на място. Първите машини, които правят това, стават достъпни в края на 1950-те години на миналия век, а до средата на 1960-те години на миналия век ултразвуковото свързване е разработено като алтернативна техника.

Исторически тази работа е била извършена в Югоизточна Азия, тъй като е била доста трудоемка. Оттогава са разработени автоматизирани машини за свързване на тел при много високи скорости. Разработени са и много други по-нови технологии за опаковане, включително една, наречена „flip chip“. В този процес микроскопични метални стълбове се нанасят („ударяват“) върху подложките на чипа, докато той все още е върху пластината, и след това след тестване добрата матрица се обръща и се подравнява със съвпадащи тампони в опаковка. След това спойката се разтопява в процес на преливане, за да се слеят връзките. Това е добър начин да направите хиляди връзки наведнъж, въпреки че трябва внимателно да контролирате нещата, за да сте сигурни, че всички връзки са добри. 

Напоследък опаковката привлече много повече внимание. Това се дължи на новите технологии, които стават достъпни, но и на нови приложения, които стимулират използването на чипове. На първо място е желанието да се съберат множество чипове, направени с различни технологии, заедно в един пакет, така наречените чипове система в пакет (SiP). Но също така се ръководи от желанието да се комбинират различни видове устройства, например 5G антена в същия пакет като радиочипа или приложения за изкуствен интелект, в които интегрирате сензори с изчислителните чипове. Големите леярни за полупроводници като TSMC също работят с „чиплети“ и „опаковки с вентилатор“, докато Intel
INTC
има своята вградена многодиеща връзка (EMIB) и технологията за подреждане на матрици Foveros, въведена в мобилния си процесор Lakefield през 2019 г.

Повечето опаковки се извършват от договорни производители на трети страни, известни като компании за „изнесено сглобяване и тестване“ (OSAT), а центърът на техния свят е в Азия. Най-големите доставчици на OSAT са ASE от Тайван, Amkor Technology
AMKR
със седалище в Темпе, Аризона, Jiangsu Changjiang Electronics Tech Company (JCET) в Китай (която придоби базираната в Сингапур STATS ChipPac преди няколко години) и Siliconware Precision Industries Co., Ltd. (SPIL) от Тайван, придобита от ASE в 2015 г. Има много други по-малки играчи, особено в Китай, който определи OSAT като стратегическа индустрия преди няколко години.

Основна причина, поради която опаковането привлече внимание напоследък е, че неотдавнашните огнища на Covid-19 във Виетнам и Малайзия допринесоха значително за влошаването на кризата с доставките на полупроводникови чипове, със затваряне на заводи или намален персонал, наложени от местните власти, прекъсващи или намаляващи производството в продължение на седмици в време. Дори ако правителството на САЩ инвестира в субсидии за насърчаване на местното производство на полупроводници, повечето от тези готови чипове все още ще пътуват до Азия за опаковане, тъй като там са индустрията и мрежите от доставчици и където е базата от умения. Така Intel произвежда микропроцесорни чипове в Хилсбъро, Орегон или Чандлър, Аризона, но изпраща готови вафли до фабрики в Малайзия, Виетнам или Ченгду, Китай за тестване и опаковане.

Може ли опаковането на чипове да бъде установено в САЩ?

Има значителни предизвикателства за внасянето на опаковки за чипове в САЩ, тъй като по-голямата част от индустрията напусна американските брегове преди близо половин век. Северноамериканският дял от глобалното производство на опаковки е само около 3%. Това означава, че мрежите от доставчици за производствено оборудване, химикали (като субстрати и други материали, използвани в опаковките), оловни рамки и най-важното - база от умения от опитни таланти за частта с голям обем от бизнеса, не са съществували в САЩ за дълго време. Intel току-що обяви инвестиция от 7 милиарда долара в нова фабрика за опаковки и тестове в Малайзия, но също така обяви планове да инвестира 3.5 милиарда долара в операциите си в Рио Ранчо, Ню Мексико за своята технология Foveros. Amkor Technology също така наскоро обяви планове за разширяване на капацитета в Bac Ninh, Виетнам, североизточно от Ханой.

Голяма част от този проблем за САЩ е, че модерното опаковане на чипове изисква толкова много производствен опит. Когато за първи път започнете производството, добивите от добре готови опаковани чипове вероятно ще бъдат ниски и докато правите повече, вие непрекъснато подобрявате процеса и добивът става по-добър. Големите клиенти на чипове обикновено няма да желаят да рискуват да използват нови местни доставчици, на които може да отнеме много време, за да достигнат до тази крива на доходност. Ако имате нисък добив на опаковка, ще изхвърлите чипове, които иначе биха били добри. Защо да рискувате? По този начин, дори ако направим по-модерни чипове в САЩ, те вероятно пак ще отидат в Далечния изток за опаковане.

Базираната в Бойс, Айдахо, American Semiconductor, Inc. използва различен подход. Главният изпълнителен директор Дъг Хаклър предпочита „жизнеспособното преподаване на базата на жизнеспособно производство“. Вместо да преследва само опаковки за чипове от висок клас като тези, използвани за модерни микропроцесори или 5G чипове, неговата стратегия е да използва нова технология и да я прилага към наследени чипове, където има голямо търсене, което ще позволи на компанията да практикува своите процеси и уча. Наследените чипове също са много по-евтини, така че загубата на добив не е толкова проблем на живот и смърт. Hackler посочва, че 85% от чиповете в iPhone 11 използват по-стари технологии, например произведени в полупроводникови възли от 40 nm или по-стари (което беше горещата технология преди десетилетие). Всъщност много от недостига на чипове, който в момента измъчва автомобилната индустрия, а други са за тези наследени чипове. В същото време компанията се опитва да приложи нова технология и автоматизация към стъпките на сглобяване, предлагайки опаковки с ултратънък чип, използвайки това, което тя нарича процес на полупроводник върху полимер (SoP), при който вафла, пълна с матрица, е свързана към задния полимер и след това се поставя върху термотрансферна лента. След тестване с обичайните автоматизирани тестери, чиповете се нарязват на кубчета върху носителите на лентата и се прехвърлят на макари или други формати за високоскоростно автоматизирано сглобяване. Hackler смята, че тази опаковка трябва да бъде привлекателна за производителите на устройства за Интернет на нещата (IoT) и носими устройства, два сегмента, които биха могли да консумират големи количества чипове, но не са толкова взискателни от страна на производството на силиций.

Това, което е привлекателно в подхода на Hackler, са две неща. Първо, признаването на важността на търсенето за изтегляне на обема през неговата производствена линия ще гарантира, че те ще получат много практика за подобряване на добива. Второ, те използват нова технология и преминаването към технологичен преход често е възможност за сваляне на титулярите. Новите участници нямат багажа да бъдат обвързани със съществуващи процеси или съоръжения. 

American Semiconductor все още има да извърви дълъг път, но подходи като този ще изградят домашни умения и са практична стъпка към доставянето на опаковки за чипове в САЩ Не очаквайте установяването на вътрешни възможности да бъде бързо, но не е лошо място за започнете.