American Semiconductor sper soli ASV iekšzemes mikroshēmu iepakojuma virzienā

Plašais pusvadītāju trūkums pēdējā gada laikā ir licis daudziem cilvēkiem pievērsties piegādes ķēdes noturībai, un aicinājumi palielināt mikroshēmu ražošanu ASV. ASV Inovāciju un konkurences likums (USICA), ko Senāts pieņēma pagājušā gada jūnijā, ierosina atbalstam piešķirt 52 miljardus dolāru. vietējā pusvadītāju ražošana, un gaida House darbību. Lai gan daudziem cilvēkiem galvenais uzsvars tiek likts uz silīcija mikroshēmu ražošanas vietējās daļas palielināšanu, mums nevajadzētu aizmirst mikroshēmu iepakošanu — būtisku šo mikroshēmu iekapsulēšanas procesu, lai pasargātu tās no bojājumiem un padarītu tās lietojamas, savienojot to shēmas ar ārpasauli. Šī ir joma, kas būs svarīga gan piegādes ķēdes noturībai, gan arī turpmākā elektronikas tehnoloģiskā progresa uzturēšanai. 

Iepakojums ir būtisks, lai pusvadītāju mikroshēmas būtu izmantojamas

Integrēto shēmu (IC) mikroshēmas tiek ražotas uz silīcija plāksnēm vairāku miljardu dolāru rūpnīcās, kas pazīstamas kā "fabs". Atsevišķas mikroshēmas jeb “matricas” tiek ražotas pēc atkārtotām shēmām, kas tiek ražotas partijās uz katras vafeles (un visās vafeļu partijās). 300 mm vafele (apmēram 12 collas diametrā), kura izmērs parasti tiek izmantots vismodernākajās ražotnēs, var saturēt simtiem lielu mikroprocesoru mikroshēmu vai tūkstošiem mazu kontrollera mikroshēmu. Ražošanas process ir segmentēts “līnijas priekšējā gala” (FEOL) fāzē, kuras laikā tiek izveidoti miljardiem mikroskopisku tranzistoru un citu ierīču ar rakstīšanas un kodināšanas procesiem silīcija korpusā, kam seko “līnijas aizmugure” ” (BEOL), kurā ir ielikts metāla pēdu siets, lai savienotu visu. Trases sastāv no vertikāliem segmentiem, ko sauc par "vias", kas savukārt savieno horizontālos vadu slāņus. Ja jums ir miljardiem tranzistoru mikroshēmā (iPhone 13 A15 procesoram ir 15 miljardi), jums ir nepieciešami daudzi miljardi vadu, lai tos savienotu. Katram atsevišķam kauliņam kopā var būt vairāki kilometri vadu, kad tie ir izstiepti, tāpēc varam iedomāties, ka BEOL procesi ir diezgan sarežģīti. Pašā veidnes ārējā slānī (dažreiz viņi izmantos veidnes aizmuguri, kā arī priekšpusi) dizaineri ievieto mikroskopiskus paliktņus, ko izmanto, lai savienotu mikroshēmu ar ārpasauli. 

Pēc vafeles apstrādes katra no mikroshēmām tiek atsevišķi “zondēta” ar testa iekārtu, lai noskaidrotu, kuras no tām ir labas. Tos izgriež un saliek iepakojumos. Pakete nodrošina gan fizisku mikroshēmas aizsardzību, gan līdzekli elektrisko signālu savienošanai ar dažādām mikroshēmas shēmām. Kad mikroshēma ir iepakota, to var novietot uz elektroniskajām shēmām tālrunī, datorā, automašīnā vai citās ierīcēs. Dažām no šīm pakotnēm ir jābūt izstrādātām ekstrēmām vidēm, piemēram, automašīnas dzinēja nodalījumā vai mobilā tālruņa tornī. Citiem ir jābūt ļoti maziem, lai tos izmantotu iekštelpās kompaktās ierīcēs. Visos gadījumos iepakojuma izstrādātājam ir jāņem vērā tādas lietas kā materiāli, kas jāizmanto, lai samazinātu veidnes spriegumu vai plaisāšanu, vai jāņem vērā termiskā izplešanās un kā tas var ietekmēt mikroshēmas uzticamību.

Agrākā tehnoloģija, ko izmantoja, lai savienotu silīcija mikroshēmu ar vadiem iepakojuma iekšpusē, bija stiepļu savienošana, zemas temperatūras metināšanas process. Šajā procesā ļoti smalki vadi (parasti zelts vai alumīnijs, lai gan tiek izmantots arī sudrabs un varš) vienā galā tiek savienoti ar mikroshēmas metāla spilventiņiem, bet otrā galā ar spailēm uz metāla rāmja, kuram ir izvadi uz ārpusi. . Šis process tika aizsākts uzņēmumā Bell Labs 1950. gados, zem spiediena iespiežot sīkus stieples mikroshēmu paliktņos augstās vietas temperatūrā. Pirmās iekārtas, kas to izdarīja, kļuva pieejamas 1950. gadu beigās, un līdz 1960. gadu vidum kā alternatīva metode tika izstrādāta ultraskaņas savienošana.

Vēsturiski šis darbs tika veikts Dienvidaustrumāzijā, jo tas bija diezgan darbietilpīgs. Kopš tā laika ir izstrādātas automatizētas iekārtas, lai veiktu stiepļu savienošanu ļoti lielā ātrumā. Ir izstrādātas arī daudzas citas jaunākas iepakošanas tehnoloģijas, tostarp viena, ko sauc par "flip chip". Šajā procesā mikroskopiski metāla stabi tiek uzklāti (“satriekti”) uz mikroshēmas spilventiņiem, kamēr tā joprojām atrodas uz vafeles, un pēc tam pēc pārbaudes labā matrica tiek apgriezta un izlīdzināta ar atbilstošiem spilventiņiem iepakojumā. Pēc tam lodmetālu izkausē pārplūdes procesā, lai savienotu savienojumus. Tas ir labs veids, kā vienlaikus izveidot tūkstošiem savienojumu, lai gan jums ir rūpīgi jākontrolē lietas, lai pārliecinātos, ka visi savienojumi ir labi. 

Pēdējā laikā iepakojums ir piesaistījis daudz lielāku uzmanību. Tas ir tāpēc, ka kļūst pieejamas jaunas tehnoloģijas, kā arī jaunas lietojumprogrammas, kas veicina mikroshēmu izmantošanu. Galvenā ir vēlme apvienot vairākas mikroshēmas, kas izgatavotas ar dažādām tehnoloģijām, vienā iepakojumā, tā sauktās sistēmas paketē (SiP) mikroshēmās. Taču to veicina arī vēlme apvienot dažāda veida ierīces, piemēram, 5G antenu vienā iepakojumā ar radio mikroshēmu vai mākslīgā intelekta lietojumprogrammas, kurās jūs integrējat sensorus ar skaitļošanas mikroshēmām. Lielās pusvadītāju lietuves, piemēram, TSMC, strādā arī ar "čipletēm" un "fan out iepakojumiem", savukārt Intel
INTC
2019. gadā tā Lakefield mobilajā procesorā ieviesa iegulto daudzfunkciju starpsavienojumu (EMIB) un Foveros die-stacking tehnoloģiju.

Lielāko daļu iepakošanas veic trešo pušu līgumražotāji, kas pazīstami kā “ārpakalpojuma montāžas un pārbaudes” (OSAT) uzņēmumi, un to pasaules centrs atrodas Āzijā. Lielākie OSAT piegādātāji ir Taivānas ASE, Amkor Technology
AMKR
galvenā mītne atrodas Tempē, Arizonā, Jiangsu Changjiang Electronics Tech Company (JCET) Ķīnā (kas pirms vairākiem gadiem iegādājās Singapūrā bāzēto STATS ChipPac) un Taivānas Siliconware Precision Industries Co., Ltd. (SPIL), ko ASE iegādājās 2015. gads. Ir daudzi citi mazāki dalībnieki, īpaši Ķīnā, kas pirms dažiem gadiem identificēja OSAT kā stratēģisku nozari.

Galvenais iemesls, kāpēc pēdējā laikā ir pievērsta uzmanība iepakojumam, ir tas, ka nesenie Covid-19 uzliesmojumi Vjetnamā un Malaizijā ir būtiski veicinājuši pusvadītāju mikroshēmu piegādes krīzes saasināšanos, jo vietējās pašvaldības uz dažām nedēļām pārtrauc vai samazina ražošanu, slēdzot rūpnīcas vai samazinot darbinieku skaitu. laiks. Pat ja ASV valdība iegulda subsīdijās, lai veicinātu pašmāju pusvadītāju ražošanu, lielākā daļa no šīm gatavo mikroshēmām joprojām tiks iepakota uz Āziju, jo tur atrodas rūpniecība un piegādātāju tīkli un prasmju bāze. Tādējādi Intel ražo mikroprocesoru mikroshēmas Hillsboro, Oregon vai Chandler, Arizona, bet tas nosūta gatavās vafeles uz rūpnīcām Malaizijā, Vjetnamā vai Čendu, Ķīnā, lai veiktu testēšanu un iepakošanu.

Vai ASV var izveidot skaidu iepakošanu?

Šķeldu iepakojuma ievešana ASV ir saistīta ar ievērojamām problēmām, jo ​​​​lielākā daļa nozares pameta Amerikas krastus gandrīz pirms pusgadsimta. Ziemeļamerikas daļa pasaules iepakojuma ražošanā ir tikai aptuveni 3%. Tas nozīmē, ka piegādātāju tīkli ražošanas aprīkojumam, ķimikālijām (piemēram, substrātiem un citiem iepakojumos izmantotajiem materiāliem), svina rāmjiem un, pats galvenais, pieredzējušu talantu prasmju bāzei lielai biznesa daļai, ASV nav pastāvējuši. ilgs laiks. Intel tikko paziņoja par 7 miljardu ASV dolāru ieguldījumu jaunā iepakojuma un testēšanas rūpnīcā Malaizijā, lai gan tā arī paziņoja par plāniem investēt 3.5 miljardus ASV dolāru Rio Rančo, Ņūmeksikā, tās Foveros tehnoloģijai. Amkor Technology nesen arī paziņoja par plāniem paplašināt jaudu Bac Ninh, Vjetnamā uz ziemeļaustrumiem no Hanojas.

Liela daļa no šīs ASV problēmas ir tā, ka uzlabotai mikroshēmu iesaiņošanai ir nepieciešama tik liela ražošanas pieredze. Pirmoreiz uzsākot ražošanu, labu gatavu iepakotu čipsu iznākums, visticamāk, būs zems, un, ražojot vairāk, jūs pastāvīgi uzlabojat procesu, un raža kļūst labāka. Lielo mikroshēmu klienti parasti nevēlēsies riskēt, izmantojot jaunus vietējos piegādātājus, kuriem var paiet ilgs laiks, lai sasniegtu šo ienesīguma līkni. Ja jums ir zema iepakojuma raža, jūs izmetīsit čipsus, kas citādi būtu labi. Kāpēc izmantot iespēju? Tādējādi, pat ja mēs izgatavosim uzlabotas čipsus ASV, tās, iespējams, joprojām tiks iepakots Tālajos Austrumos.

Boise, Aidaho bāzētais American Semiconductor, Inc. izmanto atšķirīgu pieeju. Izpilddirektors Dags Haklers atbalsta "dzīvotspējīgu atjaunošanu, pamatojoties uz dzīvotspējīgu ražošanu". Tā vietā, lai meklētu tikai augstākās klases mikroshēmu iepakojumus, piemēram, tos, ko izmanto progresīviem mikroprocesoriem vai 5G mikroshēmām, viņa stratēģija ir izmantot jaunu tehnoloģiju un piemērot to mantotajām mikroshēmām, kur ir liels pieprasījums, kas ļaus uzņēmumam praktizēt savus procesus un mācīties. Arī mantotās mikroshēmas ir daudz lētākas, tāpēc ražas zudums nav tik liela problēma, kas saistīta ar dzīvību un nāvi. Haklers norāda, ka 85% iPhone 11 mikroshēmu izmanto vecākas tehnoloģijas, piemēram, ražotas pusvadītāju mezglos, kuru garums ir 40 nm vai vecāks (kas bija karstā tehnoloģija pirms desmit gadiem). Patiešām, daudzi mikroshēmu deficīti, kas pašlaik nomoka automobiļu rūpniecību, un citi ir saistīti ar šīm mantotajām mikroshēmām. Tajā pašā laikā uzņēmums cenšas pielietot jaunas tehnoloģijas un automatizāciju montāžas posmos, piedāvājot īpaši plānu mikroshēmu iepakojumu, izmantojot tā saukto pusvadītāju uz polimēra (SoP) procesu, kurā vafele, pilna ar presformu, tiek savienota ar polimēra aizmugurē un pēc tam novietots uz termopārneses lentes. Pēc testēšanas ar parastajiem automatizētajiem testeriem mikroshēmas tiek sagrieztas kubiņos uz lentes turētājiem un pārnestas uz ruļļiem vai citiem formātiem ātrai automatizētai montāžai. Haklers uzskata, ka šim iepakojumam vajadzētu būt pievilcīgam lietiskā interneta (IoT) ierīču un valkājamo ierīču ražotājiem — diviem segmentiem, kas varētu patērēt lielu daudzumu mikroshēmu, bet nav tik prasīgi attiecībā uz silīcija ražošanu.

Haklera pieejā pievilcīgas ir divas lietas. Pirmkārt, pieprasījuma nozīmes atzīšana, lai palielinātu apjomu, izmantojot viņa ražošanas līniju, nodrošinās viņiem daudz prakses ražas uzlabošanā. Otrkārt, viņi izmanto jaunu tehnoloģiju, un tehnoloģiju pāreja bieži vien ir iespēja atbrīvot vēsturiskos operatorus. Jaunajiem dalībniekiem nav tādas bagāžas, kas būtu saistīta ar esošajiem procesiem vai iekārtām. 

Uzņēmumam American Semiconductor vēl ir tāls ceļš ejams, taču šādas pieejas attīstīs vietējās prasmes un ir praktisks solis mikroshēmu iepakojuma nogādāšanai ASV. Negaidiet, ka vietējās spējas izveidošana būs ātra, taču tā nav slikta vieta sākt.