American Semiconductor tager et skridt mod amerikansk indenlandsk chipemballage

Udbredt mangel på halvledere i løbet af det sidste år har fået mange mennesker til at fokusere på forsyningskædens modstandsdygtighed, med opfordringer til at øge chipproduktionen i USA. Den amerikanske innovations- og konkurrencelov (USICA), som vedtog Senatet i juni sidste år, foreslår 52 milliarder dollars til støtte. indenlandsk halvlederproduktion, og afventer hushandling. Mens hovedfokus for mange mennesker er på at øge den indenlandske andel af produktionen af ​​siliciumchips, bør vi ikke overse chipemballage – den væsentlige proces med at indkapsle disse chips for at beskytte dem mod skader og gøre dem brugbare ved at forbinde deres kredsløb til verden udenfor. Dette er et område, der vil være vigtigt både for forsyningskædens modstandsdygtighed såvel som for at opretholde fremtidige teknologiske fremskridt inden for elektronik. 

Emballage er afgørende for at gøre halvlederchips anvendelige

Integrerede kredsløbschips (IC) produceres på siliciumwafers i multimilliardfabrikker kendt som "fabs". De individuelle chips eller "die" er produceret i gentagne mønstre, fremstillet i batches på hver wafer (og på tværs af batches af wafers). En 300 mm wafer (ca. 12 tommer i diameter), den størrelse, der typisk bruges i de mest moderne fabrikater, kan bære hundredvis af store mikroprocessorchips eller tusindvis af små controllerchips. Produktionsprocessen er opdelt i en "front end of the line" (FEOL) fase, hvor milliarder af mikroskopiske transistorer og andre enheder skabes med mønster- og ætsningsprocesser i siliciumets krop, efterfulgt af en "bagende ende af linjen". ” (BEOL), hvor et net af metalspor er lagt ned for at forbinde alt. Sporene består af lodrette segmenter kaldet "vias", som igen forbinder vandrette lag af ledninger. Hvis du har milliarder af transistorer på en chip (iPhone 13's A15-processor har 15 milliarder), skal du bruge mange milliarder ledninger til at forbinde dem. Hver enkelt matrice kan have flere kilometers ledninger i alt, når de strækkes ud, så vi kan forestille os, at BEOL-processerne er ret komplekse. På det meget ydre lag af matricen (nogle gange vil de bruge bagsiden af ​​matricen såvel som forsiden) sætter designere mikroskopiske puder, der bruges til at forbinde chippen med omverdenen. 

Efter at waferen er behandlet, "probes" hver af chipsene individuelt med en testmaskine for at finde ud af, hvilke der er gode. Disse skæres ud og puttes i pakker. En pakke giver både fysisk beskyttelse af chippen, samt et middel til at forbinde elektriske signaler til de forskellige kredsløb i chippen. Når en chip er pakket, kan den placeres på elektroniske printkort i din telefon, computer, bil eller andre enheder. Nogle af disse pakker skal være designet til ekstreme miljøer, som i motorrummet i en bil eller på et mobiltelefontårn. Andre skal være ekstremt små til brug i kompakte enheder. I alle tilfælde skal pakkedesigneren overveje ting som materialer, der skal bruges for at minimere stress eller revner i formen, eller tage højde for termisk udvidelse, og hvordan dette kan påvirke chippens pålidelighed.

Den tidligste teknologi, der blev brugt til at forbinde siliciumchippen til ledningerne inde i pakken, var trådbinding, en lavtemperatursvejseproces. I denne proces bindes meget fine ledninger (normalt guld eller aluminium, selvom sølv og kobber også bruges) i den ene ende til metalpuder på chippen og i den anden ende til terminaler på en metalramme, der har ledninger til ydersiden. . Processen blev banebrydende på Bell Labs i 1950'erne, med små ledninger presset under tryk ind i chippuderne ved høje punkttemperaturer. De første maskiner til at gøre dette blev tilgængelige i slutningen af ​​1950'erne, og i midten af ​​1960'erne blev ultralydsbinding udviklet som en alternativ teknik.

Historisk set blev dette arbejde udført i Sydøstasien, fordi det var ret arbejdskrævende. Siden da er automatiserede maskiner blevet udviklet til at udføre wire bonding ved meget høje hastigheder. Mange andre nyere emballageteknologier er også blevet udviklet, inklusive en kaldet "flip chip". I denne proces afsættes mikroskopiske metalsøjler ("stød") på puderne på chippen, mens den stadig er på waferen, og efter test vendes den gode matrice om og justeres med matchede puder i en pakke. Derefter smeltes loddet i en reflow-proces for at smelte forbindelserne sammen. Dette er en god måde at oprette tusindvis af forbindelser på på én gang, selvom du skal kontrollere tingene omhyggeligt for at sikre, at alle forbindelser er gode. 

På det seneste har emballage tiltrukket sig meget mere opmærksomhed. Dette skyldes, at nye teknologier bliver tilgængelige, men også nye applikationer, der driver chipforbruget. Først og fremmest er ønsket om at sætte flere chips lavet med forskellige teknologier sammen i en enkelt pakke, såkaldte system-in-package (SiP) chips. Men det er også drevet af ønsket om at kombinere forskellige slags enheder, for eksempel en 5G-antenne i samme pakke som radiochippen, eller kunstig intelligens-applikationer, hvor du integrerer sensorer med computerchips. De store halvlederstøberier som TSMC arbejder også med "chiplets" og "fan out-emballage", mens Intel
INTC
har sin indlejrede multi-die interconnect (EMIB) og Foveros die-stacking teknologi introduceret i sin Lakefield mobile processor i 2019.

Det meste af emballagen udføres af tredjepartskontraktproducenter kendt som "outsourcet montering og test" (OSAT) virksomheder, og centrum af deres verden er i Asien. De største OSAT-leverandører er ASE fra Taiwan, Amkor Technology
AMKR
med hovedkontor i Tempe, Arizona, Jiangsu Changjiang Electronics Tech Company (JCET) i Kina (som købte Singapore-baserede STATS ChipPac for et antal år siden) og Siliconware Precision Industries Co., Ltd. (SPIL) i Taiwan, erhvervet af ASE i 2015. Der er talrige andre mindre aktører, især i Kina, som identificerede OSAT som en strategisk industri for nogle år siden.

En væsentlig årsag til, at emballage har tiltrukket sig opmærksomhed på det seneste, er, at de seneste Covid-19-udbrud i Vietnam og Malaysia har bidraget væsentligt til forværringen af ​​forsyningskrisen med halvlederchips, hvor fabrikslukninger eller reduceret personale håndhæves af lokale regeringer, der har afbrudt eller reduceret produktionen i uger kl. en tid. Selvom den amerikanske regering investerer i subsidier for at fremme indenlandsk halvlederfremstilling, vil de fleste af disse færdige chips stadig rejse til Asien for at pakke, da det er her, industrien og leverandørnetværk er, og hvor kompetencebasen er. Således fremstiller Intel mikroprocessorchips i Hillsboro, Oregon eller Chandler, Arizona, men det sender færdige wafere til fabrikker i Malaysia, Vietnam eller Chengdu, Kina til test og emballering.

Kan chipemballage etableres i USA?

Der er betydelige udfordringer ved at bringe chipemballage til USA, da det meste af industrien forlod amerikanske kyster for tæt på et halvt århundrede siden. Den nordamerikanske andel af den globale emballageproduktion er kun omkring 3%. Det betyder, at leverandørnetværket til fremstilling af udstyr, kemikalier (som substrater og andre materialer, der bruges i pakker), blyrammer og vigtigst af alt en kompetencebase af erfarne talenter for den højvolumen del af forretningen ikke har eksisteret i USA for lang tid. Intel har netop annonceret en investering på 7 milliarder dollars i en ny emballage- og testfabrik i Malaysia, selvom de også annoncerede planer om at investere 3.5 milliarder dollars i virksomhedens Rio Rancho, New Mexico-drift for sin Foveros-teknologi. Amkor Technology annoncerede også for nylig planer om at udvide kapaciteten i Bac Ninh, Vietnam nordøst for Hanoi.

En stor del af dette problem for USA er, at avanceret chippakning kræver så meget produktionserfaring. Når du først starter produktionen, vil udbyttet af godt færdigpakkede chips sandsynligvis være lavt, og efterhånden som du laver mere, forbedrer du hele tiden processen, og udbyttet bliver bedre. Big chip-kunder vil generelt ikke være villige til at risikere at bruge nye indenlandske leverandører, som kan tage lang tid at komme op på denne rentekurve. Hvis du har et lavt emballageudbytte, smider du chips ud, som ellers ville være godt. Hvorfor tage chancen? Så selvom vi laver mere avancerede chips i USA, vil de sandsynligvis stadig tage til Fjernøsten for at pakke.

Boise, Idaho-baserede American Semiconductor, Inc. tager en anden tilgang. CEO Doug Hackler går ind for "levedygtig reshoring baseret på levedygtig produktion." I stedet for kun at jagte high-end chip-emballage som den, der bruges til avancerede mikroprocessorer eller 5G-chips, er hans strategi at bruge ny teknologi og anvende den på ældre chips, hvor der er stor efterspørgsel, hvilket vil give virksomheden mulighed for at praktisere sine processer og lære. Ældre chips er også meget billigere, så tab af udbytte er ikke så meget et problem på liv og død. Hackler påpeger, at 85 % af chipsene i en iPhone 11 bruger ældre teknologier, for eksempel fremstillet ved halvlederknudepunkter på 40 nm eller ældre (som var den hotte teknologi for ti år siden). Faktisk er mange af de chipmangler, der i øjeblikket plager bilindustrien og andre, til disse ældre chips. Samtidig forsøger virksomheden at anvende ny teknologi og automatisering til monteringstrinnene og tilbyder emballage i ultratynd chipskala ved hjælp af, hvad det kalder en halvleder-på-polymer-proces (SoP), hvor en wafer fuld af matrice bindes til en bagsidepolymer og derefter anbragt på et termooverføringstape. Efter afprøvning med de sædvanlige automatiserede testere skæres chipsene i tern på tapeholderne og overføres til ruller eller andre formater til højhastigheds automatiseret samling. Hackler mener, at denne emballage burde være attraktiv for producenter af Internet-of-Things (IoT) enheder og wearables, to segmenter, der kunne forbruge store mængder chips, men som ikke er så krævende på siliciumfremstillingssiden.

Det tiltalende ved Hacklers tilgang er to ting. For det første vil erkendelsen af ​​vigtigheden af ​​efterspørgsel for at trække volumen gennem hans produktionslinje sikre, at de får en masse øvelse i udbytteforbedringer. For det andet bruger de en ny teknologi, og en teknologiovergang er ofte en mulighed for at afsætte de etablerede operatører. Nye deltagere har ikke bagagen ved at være bundet til eksisterende processer eller faciliteter. 

American Semiconductor har stadig en lang vej at gå, men tilgange som denne vil opbygge indenlandske færdigheder og er et praktisk skridt til at bringe chipemballage til USA. Forvent ikke, at etableringen af ​​indenlandsk kapacitet er hurtig, men det er ikke et dårligt sted at Start.