American Semiconductor tar et skritt mot amerikansk innenlandsk brikkepakking

Utbredt mangel på halvledere det siste året har fått mange mennesker til å fokusere på forsyningskjedens motstandskraft, med oppfordringer om å øke brikkeproduksjonen i USA. Den amerikanske innovasjons- og konkurranseloven (USICA), som vedtok Senatet i juni i fjor, foreslår 52 milliarder dollar til å hjelpe. innenlandsk halvlederproduksjon, og venter på House-aksjon. Mens hovedfokuset for mange mennesker er å øke den innenlandske andelen av produksjonen av silisiumbrikker, bør vi ikke overse brikkeemballasje – den essensielle prosessen med å kapsle inn disse brikkene for å beskytte dem mot skade og gjøre dem brukbare ved å koble kretsene deres til verden utenfor. Dette er et område som kommer til å være viktig både for forsyningskjedens robusthet og for å opprettholde fremtidige teknologiske fremskritt innen elektronikk. 

Emballasje er avgjørende for å gjøre halvlederbrikker brukbare

Integrerte kretsbrikker (IC) produseres på silisiumskiver i fabrikker med flere milliarder dollar kjent som "fabs". De individuelle brikkene eller "matrisene" produseres i repeterende mønstre, produsert i partier på hver wafer (og på tvers av partier av wafere). En 300 mm wafer (omtrent 12 tommer i diameter), størrelsen som vanligvis brukes i de mest moderne fabrikkene, kan bære hundrevis av store mikroprosessorbrikker, eller tusenvis av små kontrollerbrikker. Produksjonsprosessen er delt inn i en "front end of the line" (FEOL) fase der milliarder av mikroskopiske transistorer og andre enheter skapes med mønster- og etseprosesser i silisiumets kropp, etterfulgt av en "bakkant av linjen" ” (BEOL) der et nett av metallspor er lagt ned for å koble alt sammen. Sporene består av vertikale segmenter kalt "vias", som igjen forbinder horisontale lag med ledninger. Hvis du har milliarder av transistorer på en brikke (iPhone 13s A15-prosessor har 15 milliarder), trenger du mange milliarder ledninger for å koble dem til. Hver enkelt dyse kan ha flere kilometer med ledninger totalt når den strekkes ut, så vi kan forestille oss at BEOL-prosessene er ganske komplekse. På det ytterste laget av diesen (noen ganger vil de bruke baksiden av diesen så vel som fronten), legger designere mikroskopiske puter som brukes til å koble brikken til omverdenen. 

Etter at waferen er behandlet, blir hver av brikkene individuelt "probed" med en testmaskin for å finne ut hvilke som er gode. Disse kuttes ut og legges i pakker. En pakke gir både fysisk beskyttelse for brikken, samt et middel for å koble elektriske signaler til de forskjellige kretsene i brikken. Etter at en brikke er pakket, kan den plasseres på elektroniske kretskort i telefonen, datamaskinen, bilen eller andre enheter. Noen av disse pakkene må være utformet for ekstreme miljøer, som i motorrommet i en bil eller på et mobiltelefontårn. Andre må være ekstremt små for bruk for innvendige kompakte enheter. I alle tilfeller må pakkedesigneren vurdere ting som materialer som skal brukes for å minimere stress eller sprekkdannelser i formen, eller ta hensyn til termisk ekspansjon og hvordan dette kan påvirke brikkens pålitelighet.

Den tidligste teknologien som ble brukt for å koble silisiumbrikken til ledningene inne i pakken var wire bonding, en lavtemperatur sveiseprosess. I denne prosessen bindes veldig fine ledninger (vanligvis gull eller aluminium, selv om sølv og kobber også brukes) i den ene enden til metallputer på brikken, og på den andre enden til terminaler på en metallramme som har ledninger til utsiden. . Prosessen ble banebrytende ved Bell Labs på 1950-tallet, med bittesmå ledninger presset under trykk inn i chipputene ved høye punkttemperaturer. De første maskinene som gjorde dette ble tilgjengelige på slutten av 1950-tallet, og på midten av 1960-tallet ble ultralydbinding utviklet som en alternativ teknikk.

Historisk sett ble dette arbeidet utført i Sørøst-Asia fordi det var ganske arbeidskrevende. Siden den gang har automatiserte maskiner blitt utviklet for å utføre wire bonding ved svært høye hastigheter. Mange andre nyere emballasjeteknologier har også blitt utviklet, inkludert en kalt "flip chip". I denne prosessen avsettes mikroskopiske metallsøyler («støt») på putene på brikken mens den fortsatt er på waferen, og etter testing snus den gode formen over og justeres med matchende puter i en pakke. Deretter smeltes loddetinn i en reflow-prosess for å smelte sammen forbindelsene. Dette er en god måte å opprette tusenvis av tilkoblinger på samtidig, selv om du må kontrollere ting nøye for å sikre at alle tilkoblingene er gode. 

Den siste tiden har emballasje tiltrukket seg mye mer oppmerksomhet. Dette er på grunn av nye teknologier som blir tilgjengelige, men også nye applikasjoner som driver brikkebruken. Fremst er ønsket om å sette flere brikker laget med forskjellige teknologier sammen i en enkelt pakke, såkalte system-in-package (SiP) brikker. Men det er også drevet av ønsket om å kombinere forskjellige typer enheter, for eksempel en 5G-antenne i samme pakke som radiobrikken, eller kunstig intelligens-applikasjoner der du integrerer sensorer med databrikkene. De store halvlederstøperiene som TSMC jobber også med "chiplets" og "fan out-emballasje", mens Intel
INTC
har sin innebygde multi-die interconnect (EMIB) og Foveros die-stacking-teknologi introdusert i sin Lakefield mobilprosessor i 2019.

Det meste av emballasjen gjøres av tredjeparts kontraktsprodusenter kjent som "outsourcet montering og test" (OSAT) selskaper, og sentrum av deres verden er i Asia. De største OSAT-leverandørene er ASE fra Taiwan, Amkor Technology
AMKR
med hovedkontor i Tempe, Arizona, Jiangsu Changjiang Electronics Tech Company (JCET) i Kina (som kjøpte Singapore-baserte STATS ChipPac for en rekke år siden), og Siliconware Precision Industries Co., Ltd. (SPIL) i Taiwan, kjøpt opp av ASE i 2015. Det er mange andre mindre aktører, spesielt i Kina, som identifiserte OSAT som en strategisk industri for noen år siden.

En hovedårsak til at emballasje har tiltrukket seg oppmerksomhet i det siste er at nylige utbrudd av Covid-19 i Vietnam og Malaysia har bidratt betydelig til forverringen av forsyningskrisen for halvlederbrikke, med stenging av anlegg eller redusert bemanning håndhevet av lokale myndigheter som har kuttet eller redusert produksjonen i flere uker kl. en gang. Selv om den amerikanske regjeringen investerer i subsidier for å fremme innenlandsk halvlederproduksjon, vil de fleste av disse ferdige brikkene fortsatt reise til Asia for emballasje, ettersom det er der industrien og leverandørnettverk er og hvor kompetansebasen er. Dermed produserer Intel mikroprosessorbrikker i Hillsboro, Oregon eller Chandler, Arizona, men den sender ferdige wafere til fabrikker i Malaysia, Vietnam eller Chengdu, Kina for testing og pakking.

Kan chip-emballasje etableres i USA?

Det er betydelige utfordringer med å bringe chipemballasje til USA, ettersom det meste av industrien forlot amerikanske kyster for nesten et halvt århundre siden. Den nordamerikanske andelen av den globale emballasjeproduksjonen er bare rundt 3 %. Det betyr at leverandørnettverk for produksjonsutstyr, kjemikalier (som substrater og andre materialer som brukes i pakkene), blyrammer, og viktigst av alt en kompetansebase av erfarne talenter for høyvolumsdelen av virksomheten ikke har eksistert i USA for lenge. Intel annonserte nettopp en investering på 7 milliarder dollar i en ny emballasje- og testfabrikk i Malaysia, selv om de også kunngjorde planer om å investere 3.5 milliarder dollar i sin Rio Rancho, New Mexico-virksomhet for sin Foveros-teknologi. Amkor Technology kunngjorde også nylig planer om å utvide kapasiteten i Bac Ninh, Vietnam nordøst for Hanoi.

En stor del av dette problemet for USA er at avansert chippakking krever så mye produksjonserfaring. Når du først starter produksjonen, vil utbyttet av godt ferdig pakket chips sannsynligvis være lavt, og etter hvert som du lager mer, forbedrer du hele tiden prosessen og utbyttet blir bedre. Big chip-kunder vil generelt ikke være villige til å risikere å bruke nye innenlandske leverandører som kan ta lang tid å komme opp denne avkastningskurven. Hvis du har lavt emballasjeutbytte, kaster du chips som ellers ville vært bra. Hvorfor ta sjansen? Så selv om vi lager mer avanserte sjetonger i USA, vil de sannsynligvis fortsatt gå til Fjernøsten for pakking.

Boise, Idaho-baserte American Semiconductor, Inc. tar en annen tilnærming. Administrerende direktør Doug Hackler favoriserer "levedyktig reshoring basert på levedyktig produksjon." I stedet for å bare jage high-end brikkeemballasje som den som brukes til avanserte mikroprosessorer eller 5G-brikker, er strategien hans å bruke ny teknologi og bruke den på eldre brikker der det er stor etterspørsel, noe som vil tillate selskapet å praktisere prosessene sine og lære. Eldre brikker er også mye billigere, så tap av avkastning er ikke så mye et problem på liv og død. Hackler påpeker at 85 % av brikkene i en iPhone 11 bruker eldre teknologier, for eksempel produsert ved halvledernoder på 40 nm eller eldre (som var den varme teknologien for et tiår siden). Faktisk er mange av brikkemangelen som for tiden plager bilindustrien og andre, for disse eldre brikkene. Samtidig prøver selskapet å bruke ny teknologi og automatisering på monteringstrinnene, og tilbyr emballasje i ultratynne brikkeskala ved å bruke det det kaller en halvleder-på-polymer-prosess (SoP) der en wafer full av dyse er bundet til en baksidepolymer og deretter plassert på en termooverføringstape. Etter testing med de vanlige automatiserte testerne, kuttes brikkene på tapebærerne og overføres til spoler eller andre formater for høyhastighets automatisert montering. Hackler mener denne emballasjen bør være attraktiv for produsenter av Internet-of-Things (IoT) enheter og wearables, to segmenter som kan konsumere store mengder chips, men som ikke er like krevende på silisiumproduksjonssiden.

Det som er tiltalende med Hacklers tilnærming er to ting. For det første vil erkjennelsen av viktigheten av etterspørselen for å trekke volum gjennom produksjonslinjen sikre at de får mye øvelse på avkastningsforbedring. For det andre bruker de en ny teknologi, og å kjøre en teknologiovergang er ofte en mulighet til å avsette sittende. Nye aktører har ikke bagasjen til å være knyttet til eksisterende prosesser eller fasiliteter. 

American Semiconductor har fortsatt en lang vei å gå, men tilnærminger som dette vil bygge ferdigheter i hjemmet, og er et praktisk skritt for å bringe brikkeemballasje til USA. Forvent ikke at det går raskt å etablere innenlands kapasitet, men det er ikke et dårlig sted å start.