American Semiconductor робіць крок насустрач айчыннай упакоўцы чыпаў ЗША

Шырокі дэфіцыт паўправаднікоў за апошні год прымусіў многіх людзей засяродзіцца на ўстойлівасці ланцужкоў паставак з заклікамі павялічыць вытворчасць чыпаў у ЗША. Закон ЗША аб інавацыях і канкурэнцыі (USICA), прыняты Сенатам у чэрвені мінулага года, прапануе выдзеліць 52 мільярды долараў на дапамогу айчыннай вытворчасці паўправаднікоў і чакае рашэння Палаты прадстаўнікоў. У той час як асноўная ўвага для многіх людзей надаецца павелічэнню ўнутранай долі вытворчасці крамянёвых чыпаў, мы не павінны выпускаць з-пад увагі ўпакоўку чыпаў - важны працэс інкапсуляцыі гэтых чыпаў, каб абараніць іх ад пашкоджанняў і зрабіць іх прыдатнымі для выкарыстання, падключыўшы іх схему да знешні свет. Гэта сфера, якая будзе мець важнае значэнне як для ўстойлівасці ланцужкоў паставак, так і для падтрымання будучых тэхналагічных дасягненняў у галіне электронікі. 

Упакоўка важная для таго, каб паўправадніковыя чыпы можна было выкарыстоўваць

Мікрасхемы інтэгральных схем (IC) вырабляюцца на крамянёвых пласцінах на шматмільярдных фабрыках, вядомых як «fabs». Асобныя чыпы або «пласціны» вырабляюцца ў выглядзе паўтаральных узораў, вырабляюцца партыямі на кожнай пласціне (і па партыях пласцін). Пласціна памерам 300 мм (прыблізна 12 цаляў у дыяметры), памер якой звычайна выкарыстоўваецца на самых сучасных вытворчасцях, можа несці сотні вялікіх мікрапрацэсарных мікрасхем або тысячы малюсенькіх мікрасхем кантролера. Вытворчы працэс падзелены на фазу «пярэдняга канца лініі» (FEOL), падчас якой мільярды мікраскапічных транзістараў і іншых прылад ствараюцца з дапамогай працэсаў нанясення ўзораў і тручэння ў корпусе крэмнію, пасля чаго ідзе «задняя частка лініі». ” (BEOL), у якім сетка металічных слядоў закладзена, каб злучыць усё. Сляды складаюцца з вертыкальных сегментаў, званых "пераходнымі адтулінамі", якія, у сваю чаргу, злучаюць гарызантальныя пласты правадоў. Калі ў вас ёсць мільярды транзістараў на чыпе (працэсар A13 iPhone 15 мае 15 мільярдаў), вам спатрэбіцца шмат мільярдаў правадоў, каб злучыць іх. Кожная асобная плашка можа мець у агульнай складанасці некалькі кіламетраў правадоў, калі яна расцягнута, таму мы можам уявіць, што працэсы BEOL даволі складаныя. На самым вонкавым пласце плашкі (часам яны выкарыстоўваюць і заднюю, і пярэднюю часткі) дызайнеры паклалі мікраскапічныя пляцоўкі, якія выкарыстоўваюцца для злучэння чыпа са знешнім светам. 

Пасля таго, як пласціна апрацавана, кожная з фішак асобна «правяраецца» з дапамогай тэставай машыны, каб высветліць, якія з іх добрыя. Іх выразаюць і складаюць у пакеты. Пакет забяспечвае фізічную абарону чыпа, а таксама сродак для падлучэння электрычных сігналаў да розных ланцугоў чыпа. Пасля ўпакоўкі мікрасхемы яе можна размясціць на электронных платах тэлефона, камп'ютара, аўтамабіля або іншых прылад. Некаторыя з гэтых пакетаў павінны быць распрацаваны для экстрэмальных умоў, напрыклад, у маторным адсеку аўтамабіля або на вышцы сотавай сувязі. Іншыя павінны быць надзвычай малымі для выкарыстання ўнутры кампактных прылад. Ва ўсіх выпадках распрацоўшчык упакоўкі павінен улічваць такія рэчы, як матэрыялы, якія трэба выкарыстоўваць для мінімізацыі напружання або парэпання плашкі, або ўлічваць цеплавое пашырэнне і тое, як гэта можа паўплываць на надзейнасць чыпа.

Самая ранняя тэхналогія, якая выкарыстоўвалася для злучэння крамянёвага чыпа з правадамі ўнутры ўпакоўкі, была злучэнне дроту, нізкатэмпературны працэс зваркі. У гэтым працэсе вельмі тонкія драты (звычайна залатыя або алюмініевыя, хоць таксама выкарыстоўваюцца срэбныя і медныя) злучаюцца адным канцом з металічнымі пляцоўкамі на мікрасхеме, а другім канцом - з клемамі на металічнай раме, якая мае выхады вонкі . Гэты працэс быў упершыню ўкаранёны ў Bell Labs у 1950-х гадах, калі малюсенькія правады ўціскаліся пад ціскам у падушачкі чыпа пры высокай кропкавай тэмпературы. Першыя машыны для гэтага сталі даступныя ў канцы 1950-х гадоў, а да сярэдзіны 1960-х гадоў ультрагукавое злучэнне было распрацавана як альтэрнатыўны метад.

Гістарычна гэтая праца выконвалася ў Паўднёва-Усходняй Азіі, таму што яна была даволі працаёмкай. З тых часоў былі распрацаваны аўтаматызаваныя машыны для склейвання дроту на вельмі высокіх хуткасцях. Таксама было распрацавана шмат іншых новых тэхналогій упакоўкі, у тым ліку такая, якая называецца «пераваротны чып». У гэтым працэсе мікраскапічныя металічныя слупы асаджваюцца ("натыкаюцца") на пляцоўкі чыпа, пакуль яны знаходзяцца на пласціне, а затым пасля тэставання добрая плашка перагортваецца і выраўноўваецца з адпаведнымі пляцоўкамі ва ўпакоўцы. Затым прыпой плавіцца ў працэсе аплаўлення, каб злучыць злучэнні. Гэта добры спосаб зрабіць тысячы злучэнняў адначасова, хоць вы павінны старанна кантраляваць усё, каб пераканацца, што ўсе злучэнні добрыя. 

У апошні час упакоўка прыцягвае значна больш увагі. Гэта таму, што з'яўляюцца новыя тэхналогіі, а таксама з'яўляюцца новыя прыкладанні, якія стымулююць выкарыстанне чыпаў. Галоўнае - гэта жаданне змясціць некалькі чыпаў, вырабленых з выкарыстаннем розных тэхналогій, у адзін пакет, так званыя чыпы сістэмы ў пакеце (SiP). Але гэта таксама абумоўлена жаданнем аб'яднаць розныя віды прылад, напрыклад, антэну 5G у тым жа корпусе, што і радыёчып, або прыкладанні штучнага інтэлекту, у якія вы інтэгруеце датчыкі з вылічальнымі чыпамі. Вялікія ліцейныя вытворчасці паўправаднікоў, такія як TSMC, таксама працуюць з «чыплетамі» і «вентылятарнай упакоўкай», а Intel
ИНТЕРК
у 2019 годзе ў мабільным працэсары Lakefield былі прадстаўлены ўбудаваныя міжканэктыўныя прылады з некалькімі плашкамі (EMIB) і тэхналогія стэкінгу Foveros.

Большая частка ўпакоўкі вырабляецца староннімі вытворцамі па кантракце, вядомымі як кампаніі па аутсорсінгу зборкі і выпрабаванняў (OSAT), і цэнтр іх свету знаходзіцца ў Азіі. Найбуйнейшымі пастаўшчыкамі OSAT з'яўляюцца ASE з Тайваня, Amkor Technology
АМКР
са штаб-кватэрай у Тэмпе, штат Арызона, Jiangsu Changjiang Electronics Tech Company (JCET) з Кітая (якая набыла сінгапурскую STATS ChipPac некалькі гадоў таму) і Siliconware Precision Industries Co., Ltd. (SPIL) з Тайваня, набытай ASE ў 2015. Ёсць мноства іншых меншых гульцоў, асабліва ў Кітаі, якія некалькі гадоў таму вызначылі OSAT як стратэгічную галіну.

Асноўная прычына, па якой упакоўка прыцягвае ўвагу апошнім часам, заключаецца ў тым, што нядаўнія ўспышкі Covid-19 у В'етнаме і Малайзіі ўнеслі значны ўклад у пагаршэнне крызісу паставак паўправадніковых чыпаў, з закрыццём заводаў або скарачэннем колькасці персаналу ў выніку таго, што мясцовыя ўлады спынілі або скарацілі вытворчасць на працягу некалькіх тыдняў. Час. Нават калі ўрад ЗША інвесціруе ў субсідыі для развіцця айчыннай вытворчасці паўправаднікоў, большасць гатовых чыпаў усё роўна будзе адпраўляцца ў Азію для ўпакоўкі, бо менавіта там знаходзяцца прамысловасць і сеткі пастаўшчыкоў, а таксама база навыкаў. Такім чынам, Intel вырабляе мікрапрацэсарныя чыпы ў Хілсбара, штат Арэгон, або Чандлер, штат Арызона, але яна адпраўляе гатовыя пласціны на заводы ў Малайзіі, В'етнаме або Чэнду, Кітай, для тэставання і ўпакоўкі.

Ці можна ўсталяваць упакоўку чыпаў у ЗША?

Існуюць сур'ёзныя праблемы з прыцягненнем упакоўкі чыпаў у ЗША, паколькі большая частка прамысловасці пакінула амерыканскія бераг амаль паўстагоддзя таму. Доля Паўночнай Амерыкі ў сусветнай вытворчасці ўпакоўкі складае ўсяго каля 3%. Гэта азначае, што сетак пастаўшчыкоў вытворчага абсталявання, хімікатаў (напрыклад, падкладак і іншых матэрыялаў, якія выкарыстоўваюцца ва ўпакоўках), свінцовых каркасаў і, самае галоўнае, базы вопытных талентаў для буйной часткі бізнесу не існавала ў ЗША на працягу доўгага часу. доўгі час. Intel толькі што абвясціла аб інвестыцыях у памеры 7 мільярдаў долараў у новую фабрыку ўпакоўкі і выпрабаванняў у Малайзіі, але таксама абвясціла аб планах інвеставаць 3.5 мільярда долараў у сваю тэхналогію Foveros у Рыа-Ранча, Нью-Мексіка. Amkor Technology таксама нядаўна абвясціла аб планах пашырэння магутнасцей у Бакнінь, В'етнам на паўночны ўсход ад Ханоя.

Вялікая частка гэтай праблемы для ЗША заключаецца ў тым, што ўдасканаленая ўпакоўка чыпаў патрабуе вялікага вытворчага вопыту. Калі вы ўпершыню пачынаеце вытворчасць, ураджайнасць добрай гатовай упакаванай чыпсы, верагодна, будзе нізкай, і, калі вы вырабляеце больш, вы пастаянна паляпшаеце працэс, і ўраджайнасць становіцца лепш. Кліенты буйных чыпаў, як правіла, не жадаюць рызыкаваць з выкарыстаннем новых айчынных пастаўшчыкоў, якім можа спатрэбіцца шмат часу, каб дасягнуць такой крывой прыбытковасці. Калі ў вас нізкі выхад упакоўкі, вы будзеце выкідваць чыпсы, якія ў іншым выпадку былі б карыснымі. Навошта рызыкаваць? Такім чынам, нават калі мы будзем вырабляць больш дасканалыя чыпы ў ЗША, яны, верагодна, усё роўна будуць ісці на Далёкі Усход для ўпакоўкі.

Кампанія American Semiconductor, Inc., якая базуецца ў Бойсе, штат Айдаха, выкарыстоўвае іншы падыход. Генеральны дырэктар Дуг Хаклер выступае за «жыццяздольнае перамацаванне на аснове жыццяздольнай вытворчасці». Замест таго, каб гнацца толькі за ўпакоўкамі чыпаў высокага класа, такімі як тыя, што выкарыстоўваюцца для перадавых мікрапрацэсараў або чыпаў 5G, яго стратэгія заключаецца ў выкарыстанні новых тэхналогій і прымяненні іх да састарэлых чыпаў, дзе ёсць вялікі попыт, што дазволіць кампаніі адпрацаваць свае працэсы і вучыцца. Састарэлыя чыпы таксама нашмат таннейшыя, таму страта ўраджаю не з'яўляецца праблемай жыцця і смерці. Хаклер адзначае, што 85% чыпаў у iPhone 11 выкарыстоўваюць старыя тэхналогіі, напрыклад, вырабленыя на паўправадніковых вузлах даўжынёй 40 нм і больш (якая была папулярнай тэхналогіяй дзесяць гадоў таму). Сапраўды, многія дэфіцыты чыпаў, якія ў цяперашні час пакутуюць ад аўтамабільнай прамысловасці, а таксама іншыя, звязаны з гэтымі старымі чыпамі. У той жа час кампанія спрабуе прымяніць новыя тэхналогіі і аўтаматызацыю да этапаў зборкі, прапаноўваючы звыштонкія ўпакоўкі чыпаў з выкарыстаннем так званага працэсу паўправадніка на палімеры (SoP), у якім пласціна, поўная пласціны, злучаецца з тыльны палімер, а затым змяшчаюць на термотрансферную стужку. Пасля тэставання з дапамогай звычайных аўтаматычных тэстараў чыпсы наразаюцца кубікамі на носьбітах стужкі і пераносяцца на барабаны або іншыя фарматы для хуткаснай аўтаматызаванай зборкі. Хаклер лічыць, што гэтая ўпакоўка павінна быць прывабнай для вытворцаў прылад Інтэрнэту рэчаў (IoT) і носных прылад, двух сегментаў, якія могуць спажываць вялікія аб'ёмы чыпаў, але не так патрабавальныя да вытворчасці крэмнію.

У падыходзе Хаклера прывабныя дзве рэчы. Па-першае, прызнанне важнасці попыту для павелічэння аб'ёму праз яго вытворчую лінію гарантуе, што яны атрымаюць шмат практыкі ў павышэнні ўраджайнасці. Па-другое, яны выкарыстоўваюць новую тэхналогію, і пераход на тэхналогію часта з'яўляецца магчымасцю пазбавіць пасады дзеючых кіраўнікоў. Новыя ўдзельнікі не маюць багажу прывязкі да існуючых працэсаў або аб'ектаў. 

Кампанія American Semiconductor яшчэ мае прайсці доўгі шлях, але такія падыходы будуць спрыяць развіццю ўнутраных навыкаў і з'яўляюцца практычным крокам да ўкаранення ўпакоўкі чыпаў у ЗША. Не чакайце хуткага стварэння ўнутранага патэнцыялу, але гэта нядрэннае месца для пачаць.