Америцан Семицондуцтор прави корак ка америчком домаћем паковању чипова

Широко распрострањена несташица полупроводника током прошле године довела је до тога да се многи људи фокусирају на отпорност ланца снабдевања, уз позиве за повећање производње чипова у САД Амерички закон о иновацијама и конкуренцији (УСИЦА), који је усвојио Сенат прошлог јуна, предлаже 52 милијарде долара за помоћ домаћу производњу полупроводника, и чека акцију куће. Иако је главни фокус за многе људе на повећању домаћег удела у производњи силицијумских чипова, не треба занемарити паковање чипова – суштински процес капсулирања тих чипова како би се заштитили од оштећења и учинили употребљивим повезивањем њихових кола са спољашњи свет. Ово је област која ће бити важна како за отпорност ланца снабдевања, тако и за одржавање будућег технолошког напретка у електроници. 

Паковање је неопходно да би полупроводнички чипови били употребљиви

Чипови са интегрисаним колом (ИЦ) се производе на силицијумским плочицама у фабрикама вредним више милијарди долара познатим као „фабрике“. Појединачни чипови или „матрице“ се производе у обрасцима који се понављају, произведени у серијама на свакој плочици (и преко серија вафла). Плоча од 300 мм (пречника око 12 инча), величине која се обично користи у најсавременијим фабрикама, може да носи стотине великих микропроцесорских чипова или хиљаде ситних чипова контролера. Производни процес је сегментиран у фазу „предњег краја линије“ (ФЕОЛ) током које се креирају милијарде микроскопских транзистора и других уређаја са процесима обликовања и урезивања у телу силицијума, након чега следи „задњи крај линије“. ” (БЕОЛ) у који је положена мрежа металних трагова да све повеже. Трагови се састоје од вертикалних сегмената који се називају „прекости“, који заузврат повезују хоризонталне слојеве ожичења. Ако имате милијарде транзистора на чипу (процесор А13 иПхоне 15 има 15 милијарди), потребно вам је много милијарди жица да бисте их повезали. Свака појединачна матрица може имати укупно неколико километара ожичења када је растегнута, тако да можемо замислити да су БЕОЛ процеси прилично сложени. На сам спољни слој матрице (понекад ће користити задњу страну матрице као и предњу), дизајнери постављају микроскопске јастучиће који се користе за повезивање чипа са спољним светом. 

Након обраде вафла, сваки од чипова се појединачно „проверава“ тест машином да би се открило који су добри. Ово се исече и стави у пакете. Пакет обезбеђује и физичку заштиту за чип, као и средство за повезивање електричних сигнала на различита кола у чипу. Након што је чип упакован, може се поставити на електронске плоче у вашем телефону, рачунару, аутомобилу или другим уређајима. Неки од ових пакета морају бити дизајнирани за екстремна окружења, на пример у моторном простору аутомобила или на торњу за мобилни телефон. Други морају бити изузетно мали за употребу за унутрашње компактне уређаје. У свим случајевима дизајнер паковања мора да узме у обзир ствари као што су материјали које ће користити да би се смањио стрес или пуцање матрице, или да узме у обзир термичко ширење и како то може утицати на поузданост чипа.

Најранија технологија коришћена за повезивање силицијумског чипа са проводницима унутар паковања била је везивање жица, процес заваривања на ниским температурама. У овом процесу, веома фине жице (обично златне или алуминијумске, иако се користе и сребро и бакар) су везане на једном крају за металне јастучиће на чипу, а на другом крају за терминале на металном оквиру који има води ка споља . Овај процес је био пионир у Белл Лабс-у 1950-их, са сићушним жицама утиснутим под притиском у јастучиће за чипове на високим температурама. Прве машине које су то радиле постале су доступне касних 1950-их, а до средине 1960-их, ултразвучно везивање је развијено као алтернативна техника.

Историјски гледано, овај посао се обављао у југоисточној Азији јер је био прилично радно интензиван. Од тада су развијене аутоматизоване машине за спајање жице при веома великим брзинама. Развијене су и многе друге новије технологије паковања, укључујући и ону која се зове „флип цхип“. У овом процесу, микроскопски метални стубови се таложе („ударе“) на јастучиће на чипу док је још на плочици, а затим се након тестирања добра матрица преокрећу и поравнавају са одговарајућим јастучићима у паковању. Затим се лем топи у процесу рефлов да би се спојиле спојеви. Ово је добар начин да успоставите хиљаде веза одједном, иако морате пажљиво да контролишете ствари да бисте били сигурни да су све везе добре. 

У последње време паковање је привукло много више пажње. То је због нових технологија које постају доступне, али и нових апликација које подстичу употребу чипова. Најважнија је жеља да се више чипова направљених различитим технологијама споји у једно паковање, такозвани систем у пакету (СиП) чипови. Али то је такође вођено жељом да се комбинују различите врсте уређаја, на пример 5Г антена у истом пакету као и радио чип, или апликације вештачке интелигенције у којима интегришете сензоре са рачунарским чиповима. Велике ливнице полупроводника као што је ТСМЦ такође раде са „чиплетима“ и „паковањем са вентилатором“, док Интел
ИНТЦ
има уграђену мулти-дие интерконекцију (ЕМИБ) и Фоверос технологију слагања утичница уведену у свој Лакефиелд мобилни процесор 2019. године.

Већину паковања раде уговорни произвођачи трећих страна познати као компаније за монтажу и тестирање (ОСАТ), а центар њиховог света је у Азији. Највећи добављачи ОСАТ-а су АСЕ из Тајвана, Амкор Тецхнологи
АМКР
са седиштем у Темпеу, Аризона, Јиангсу Цхангјианг Елецтроницс Тецх Цомпани (ЈЦЕТ) у Кини (која је пре неколико година купила СТАТС ЦхипПац са седиштем у Сингапуру), и Силицонваре Прецисион Индустриес Цо., Лтд. (СПИЛ) на Тајвану, коју је купила АСЕ у 2015. Постоје бројни други мањи играчи, посебно у Кини, која је пре неколико година идентификовала ОСАТ као стратешку индустрију.

Главни разлог због којег је паковање привукло пажњу у последње време је тај што су недавне епидемије Цовид-19 у Вијетнаму и Малезији значајно допринеле погоршању кризе снабдевања полупроводничким чиповима, са затварањем фабрика или смањењем броја запослених које намећу локалне власти које су недељама прекидале или смањивале производњу. време. Чак и ако америчка влада улаже у субвенције за подстицање домаће производње полупроводника, већина тих готових чипова ће и даље путовати у Азију ради паковања, јер је то место где су индустрија и мреже добављача и где је база вештина. Тако Интел производи микропроцесорске чипове у Хиллсбороу, Орегон или Цхандлер, Аризона, али шаље готове плочице у фабрике у Малезији, Вијетнаму или Цхенгдуу, Кина на тестирање и паковање.

Може ли се паковање чипова успоставити у САД?

Постоје значајни изазови у доношењу паковања чипова у САД, пошто је већина индустрије напустила америчке обале пре скоро пола века. Северноамерички удео у глобалној производњи амбалаже је само око 3%. То значи да мреже добављача за производну опрему, хемикалије (као што су супстрати и други материјали који се користе у паковањима), оловне оквире и што је најважније база вештина искусних талената за велики део посла нису постојале у САД од Дуго времена. Интел је управо најавио улагање од 7 милијарди долара у нову фабрику за паковање и тестирање у Малезији, иако је такође најавио планове да уложи 3.5 милијарди долара у своје операције у Рио Ранчо у Новом Мексику за своју технологију Фоверос. Амкор Тецхнологи је такође недавно најавио планове за проширење капацитета у Бак Нину, Вијетнам, североисточно од Ханоја.

Велики део овог проблема за САД је то што напредно паковање чипова захтева толико искуства у производњи. Када први пут започнете производњу, приноси добро готових упакованих чипса ће вероватно бити мали, а како будете правили више, стално побољшавате процес и принос постаје све бољи. Велики купци чипова углавном неће бити вољни да ризикују коришћење нових домаћих добављача којима би могло бити потребно много времена да дођу до ове криве приноса. Ако имате мали принос паковања, бацићете чипс који би иначе био добар. Зашто ризиковати? Дакле, чак и ако направимо напредније чипове у САД, они ће вероватно и даље ићи на Далеки исток за паковање.

Компанија Америцан Семицондуцтор, Инц. из Боисеа из Ајдаха има другачији приступ. Извршни директор Доуг Хацклер фаворизује „одрживо поновно постављање на основу одрживе производње“. Уместо да јури само врхунско паковање чипова као што је оно које се користи за напредне микропроцесоре или 5Г чипове, његова стратегија је да користи нову технологију и примени је на старе чипове где постоји велика потражња, што ће компанији омогућити да вежба своје процесе и научити. Наслеђени чипови су такође много јефтинији, тако да губитак приноса није толико питање живота и смрти. Хаклер истиче да 85% чипова у иПхоне 11 користи старије технологије, на пример произведене на полупроводничким чворовима од 40 нм или старијим (што је била популарна технологија пре једне деценије). Заиста, многи од недостатака чипова који тренутно муче аутомобилску индустрију, а други су за ове старе чипове. Истовремено, компанија покушава да примени нову технологију и аутоматизацију на кораке монтаже, нудећи паковање ултра танког чипа користећи оно што назива процесом полупроводника на полимеру (СоП) у коме је плочица пуна матрице везана за полеђини полимера, а затим постављен на термотрансфер траку. Након тестирања са уобичајеним аутоматизованим тестерима, чипови се исеку на коцкице на носаче траке и преносе у колутове или друге формате за брзо аутоматско склапање. Хаклер сматра да би ово паковање требало да буде привлачно произвођачима Интернет-оф-ствари (ИоТ) уређаја и носивих уређаја, два сегмента који би могли да потроше велике количине чипова, али нису толико захтевни на страни производње силикона.

Оно што је привлачно у Хаклеровом приступу су две ствари. Прво, препознавање важности потражње за повлачењем обима кроз његову производну линију ће обезбедити да они добију много праксе у побољшању приноса. Друго, они користе нову технологију, а транзиција технологије је често прилика да се уклоне носиоци дужности. Нови учесници немају пртљагу везаности за постојеће процесе или објекте. 

Америцан Семицондуцтор још има дуг пут, али овакви приступи ће изградити домаће вештине и практичан корак ка доношењу паковања чипова у САД. Не очекујте да ће успостављање домаћих капацитета бити брзо, али није лоше место за почетак.