American Semiconductor делает шаг навстречу отечественной упаковке микросхем в США

Повсеместная нехватка полупроводников за последний год заставила многих людей сосредоточиться на устойчивости цепочки поставок, призывая увеличить производство микросхем в США. Закон США об инновациях и конкуренции (USICA), принятый Сенатом в июне прошлого года, предлагает 52 миллиарда долларов для отечественного производства полупроводников и ожидает решения Палаты представителей. В то время как основное внимание многих людей сосредоточено на увеличении отечественной доли производства кремниевых микросхем, мы не должны упускать из виду упаковку микросхем — важный процесс инкапсуляции этих микросхем, чтобы защитить их от повреждений и сделать их пригодными для использования путем подключения их схем к внешний мир. Это область, которая будет иметь важное значение как для устойчивости цепочки поставок, так и для поддержания будущих технологических достижений в области электроники. 

Упаковка необходима для того, чтобы полупроводниковые микросхемы можно было использовать

Микросхемы интегральных схем (ИС) производятся на кремниевых пластинах на многомиллиардных фабриках, известных как «фабрики». Отдельные чипы или «матрицы» производятся по повторяющимся схемам, изготавливаются партиями на каждой пластине (и между партиями пластин). 300-миллиметровая пластина (около 12 дюймов в диаметре) — размер, который обычно используется на самых современных фабриках, — может содержать сотни больших микропроцессорных микросхем или тысячи крошечных микросхем контроллеров. Производственный процесс разделен на этап «переднего конца линии» (FEOL), во время которого создаются миллиарды микроскопических транзисторов и других устройств с помощью процессов формирования рисунка и травления в теле кремния, за которым следует «задний конец линии». (БЕОЛ), в котором проложена сетка из металлических следов, чтобы все соединить. Трассы состоят из вертикальных сегментов, называемых «переходными отверстиями», которые, в свою очередь, соединяют горизонтальные слои проводки. Если у вас есть миллиарды транзисторов на чипе (у процессора iPhone 13 A15 их 15 миллиардов), вам нужно много миллиардов проводов для их соединения. Каждый отдельный кристалл может иметь в общей сложности несколько километров проводки в растянутом состоянии, поэтому мы можем представить, что процессы BEOL довольно сложны. На самом внешнем слое кристалла (иногда они используют заднюю часть кристалла, а также переднюю часть) дизайнеры помещают микроскопические прокладки, которые используются для связи чипа с внешним миром. 

После того, как пластина обработана, каждый из чипов индивидуально «прощупывается» с помощью тестовой машины, чтобы выяснить, какие из них хороши. Их вырезают и упаковывают в пакеты. Пакет обеспечивает как физическую защиту микросхемы, так и средство для подключения электрических сигналов к различным цепям микросхемы. После того, как чип упакован, его можно разместить на электронных платах вашего телефона, компьютера, автомобиля или других устройств. Некоторые из этих пакетов должны быть разработаны для экстремальных условий, например, в моторном отсеке автомобиля или на вышке сотовой связи. Другие должны быть очень маленькими для использования внутри компактных устройств. Во всех случаях разработчик корпуса должен учитывать такие вещи, как используемые материалы, чтобы свести к минимуму напряжение или растрескивание кристалла, или учитывать тепловое расширение и то, как это может повлиять на надежность чипа.

Самая ранняя технология, используемая для соединения кремниевого чипа с выводами внутри корпуса, была проволочное соединение, процесс низкотемпературной сварки. В этом процессе очень тонкие провода (обычно золотые или алюминиевые, хотя также используются серебряные и медные) прикрепляются одним концом к металлическим площадкам на микросхеме, а другим концом к клеммам на металлическом каркасе, который имеет выводы наружу. . Этот процесс был впервые применен в Bell Labs в 1950-х годах, когда крошечные провода вдавливались под давлением в контактные площадки чипа при высоких точечных температурах. Первые машины для этого стали доступны в конце 1950-х годов, а к середине 1960-х годов в качестве альтернативного метода была разработана ультразвуковая сварка.

Исторически эта работа выполнялась в Юго-Восточной Азии, потому что она была довольно трудоемкой. С тех пор были разработаны автоматические машины для соединения проводов на очень высоких скоростях. Также были разработаны многие другие новые технологии упаковки, в том числе технология под названием «флип-чип». В этом процессе микроскопические металлические столбики осаждаются («ударяются») на контактные площадки чипа, пока он еще находится на пластине, а затем после тестирования исправный кристалл переворачивается и выравнивается с соответствующими контактными площадками в корпусе. Затем припой плавится в процессе оплавления, чтобы сплавить соединения. Это хороший способ установить тысячи подключений одновременно, хотя вы должны тщательно контролировать все, чтобы убедиться, что все соединения в порядке. 

В последнее время упаковка привлекает гораздо больше внимания. Это связано с тем, что становятся доступными новые технологии, а также новые приложения, которые стимулируют использование чипов. Прежде всего, это желание объединить несколько чипов, изготовленных с использованием разных технологий, в одном корпусе, так называемые чипы system-in-package (SiP). Но это также обусловлено желанием объединить различные типы устройств, например, антенну 5G в том же корпусе, что и радиочип, или приложения искусственного интеллекта, в которых вы интегрируете датчики с вычислительными чипами. Крупные производители полупроводников, такие как TSMC, также работают с «чиплетами» и «разветвленными корпусами», в то время как Intel
ИНТЕРК
в 2019 году в своем мобильном процессоре Lakefield была внедрена встроенная технология межсоединений с несколькими кристаллами (EMIB) и технология стекирования кристаллов Foveros.

Большая часть упаковки производится сторонними контрактными производителями, известными как компании «аутсорсинговой сборки и тестирования» (OSAT), и центр их мира находится в Азии. Крупнейшие поставщики OSAT — Тайваньская компания ASE, Amkor Technology.
АМКР
со штаб-квартирой в Темпе, штат Аризона, Jiangsu Changjiang Electronics Tech Company (JCET) из Китая (которая несколько лет назад приобрела сингапурскую компанию STATS ChipPac) и Siliconware Precision Industries Co., Ltd. (SPIL) из Тайваня, приобретенная ASE в 2015. Есть множество других более мелких игроков, особенно в Китае, которые несколько лет назад определили OSAT как стратегическую отрасль.

Основная причина, по которой упаковка привлекла внимание в последнее время, заключается в том, что недавние вспышки Covid-19 во Вьетнаме и Малайзии в значительной степени способствовали обострению кризиса с поставками полупроводниковых микросхем, когда местные органы власти закрывают заводы или сокращают штат сотрудников, приостанавливая или сокращая производство на несколько недель в время. Даже если правительство США инвестирует в субсидии для развития отечественного производства полупроводников, большая часть этих готовых чипов по-прежнему будет отправляться в Азию для упаковки, поскольку именно там находятся сеть промышленности и поставщиков, а также база навыков. Таким образом, Intel производит микросхемы микропроцессоров в Хиллсборо, штат Орегон, или в Чендлере, штат Аризона, но отправляет готовые пластины на заводы в Малайзию, Вьетнам или Чэнду, Китай, для тестирования и упаковки.

Можно ли установить упаковку чипсов в США?

Существуют серьезные проблемы с доставкой упаковки для чипов в США, поскольку почти полвека назад большая часть отрасли покинула американские берега. Доля Северной Америки в мировом производстве упаковки составляет всего около 3%. Это означает, что сети поставщиков производственного оборудования, химикатов (таких как субстраты и другие материалы, используемые в упаковках), выводных рамок и, что наиболее важно, базы навыков опытных специалистов для крупномасштабной части бизнеса не существовало в США на протяжении долгого времени. долгое время. Intel только что объявила об инвестициях в размере 7 миллиардов долларов в новый завод по производству упаковки и испытаний в Малайзии, хотя она также объявила о планах инвестировать 3.5 миллиарда долларов в свои операции в Рио-Ранчо, штат Нью-Мексико, для своей технологии Foveros. Amkor Technology также недавно объявила о планах по расширению мощностей в Бакнинь, Вьетнам, к северо-востоку от Ханоя.

Большая часть этой проблемы для США заключается в том, что передовая упаковка чипов требует большого производственного опыта. Когда вы только начинаете производство, выход хороших готовых упакованных чипсов, скорее всего, будет низким, и по мере того, как вы будете производить больше, вы постоянно совершенствуете процесс, и выход становится лучше. Крупные покупатели чипов, как правило, не захотят рисковать, привлекая новых отечественных поставщиков, которым может потребоваться много времени, чтобы выйти на эту кривую доходности. Если у вас низкий выход упаковки, вы будете выбрасывать чипсы, которые в противном случае были бы хорошими. Зачем рисковать? Таким образом, даже если мы будем делать более продвинутые чипы в США, они, вероятно, все равно будут отправляться на Дальний Восток для упаковки.

Компания American Semiconductor, Inc. из Бойсе, штат Айдахо, использует другой подход. Генеральный директор Дуг Хаклер выступает за «жизнеспособный решоринг, основанный на жизнеспособном производстве». Вместо того, чтобы гнаться только за высококачественной упаковкой чипов, которая используется для передовых микропроцессоров или чипов 5G, его стратегия состоит в том, чтобы использовать новые технологии и применять их к устаревшим чипам, где есть большой спрос, что позволит компании практиковать свои процессы и учиться. Устаревшие чипы также намного дешевле, поэтому потеря производительности не является проблемой жизни и смерти. Хаклер отмечает, что 85% чипов в iPhone 11 используют более старые технологии, например, изготовленные на полупроводниковых узлах 40 нм или старше (что было популярной технологией десять лет назад). Действительно, многие из нехваток чипов, от которых в настоящее время страдает автомобильная промышленность, связаны с этими устаревшими чипами. В то же время компания пытается применить новые технологии и автоматизацию на этапах сборки, предлагая ультратонкую упаковку в масштабе чипа, используя так называемый процесс полупроводника на полимере (SoP), в котором пластина, заполненная кристаллом, приклеивается к кристаллу. изнаночной стороны полимера, а затем помещается на термотрансферную ленту. После тестирования с помощью обычных автоматических тестеров чипы нарезаются на ленточные носители и переносятся на катушки или другие форматы для высокоскоростной автоматизированной сборки. Хаклер считает, что эта упаковка должна быть привлекательной для производителей устройств и носимых устройств Интернета вещей (IoT) — двух сегментов, которые могут потреблять большие объемы микросхем, но не так требовательны к производству кремния.

Что привлекает в подходе Хаклера, так это две вещи. Во-первых, признание важности спроса для увеличения объемов производства на его производственной линии гарантирует, что они получат много практики по увеличению выхода продукции. Во-вторых, они используют новую технологию, а технологическая трансформация часто дает возможность сместить действующих лиц. У новых участников нет багажа привязанности к существующим процессам или объектам. 

Компании American Semiconductor еще предстоит пройти долгий путь, но подобные подходы будут способствовать развитию внутренних навыков и станут практическим шагом к внедрению упаковки микросхем в США. Не ожидайте, что создание внутреннего потенциала будет быстрым, но это неплохое место для Начало.