American Semiconductor ottaa askeleen kohti Yhdysvaltain kotimaista sirupakkausta

Laaja pula puolijohteista viime vuoden aikana on saanut monet ihmiset keskittymään toimitusketjun kestävyyteen, ja vaatimuksia on lisättävä sirujen valmistusta Yhdysvalloissa. Yhdysvaltain innovaatio- ja kilpailulaki (USICA), joka hyväksyi senaatin viime kesäkuussa, ehdottaa 52 miljardin dollarin tukea. kotimainen puolijohdetuotanto ja odottaa Housen toimintaa. Vaikka monien ihmisten pääpaino on kotimaisen piisirutuotannon osuuden kasvattamisessa, meidän ei pidä unohtaa sirupakkausta – olennaista prosessia näiden sirujen kapseloimiseksi, jotta ne voidaan suojata vaurioilta ja tehdä niistä käyttökelpoisia liittämällä niiden piirit ulkopuolinen maailma. Tämä on alue, joka tulee olemaan tärkeä sekä toimitusketjun kestävyyden että elektroniikan tulevan teknologisen kehityksen kannalta. 

Pakkaukset ovat välttämättömiä puolijohdesirujen käyttökelpoisuudelle

Integroitujen piirien (IC) sirut valmistetaan piikiekoilla monen miljardin dollarin tehtaissa, jotka tunnetaan nimellä "fabs". Yksittäiset sirut tai "suulakkeet" valmistetaan toistuvina kuvioina, jotka valmistetaan erissä jokaiselle kiekolle (ja eri kiekkoerille). 300 mm:n kiekko (halkaisijaltaan noin 12 tuumaa), jonka koko on tyypillisesti nykyaikaisimmissa tehtaissa, saattaa sisältää satoja suuria mikroprosessorisiruja tai tuhansia pieniä ohjainsiruja. Tuotantoprosessi segmentoidaan "linjan etupää" (FEOL) -vaiheeseen, jonka aikana luodaan miljardeja mikroskooppisia transistoreita ja muita laitteita kuviointi- ja syövytysprosesseilla piirungossa, mitä seuraa "linjan takapää". ” (BEOL), johon on asetettu metallijäljen verkko yhdistämään kaiken. Jäljet ​​koostuvat pystysuuntaisista segmenteistä, joita kutsutaan "läpivienniksi", jotka vuorostaan ​​yhdistävät vaakasuuntaiset johdotuskerrokset. Jos sinulla on miljardeja transistoreita sirussa (iPhone 13:n A15-prosessorissa on 15 miljardia), tarvitset monia miljardeja johtoja niiden yhdistämiseen. Jokaisella yksittäisellä muotilla voi olla yhteensä useita kilometrejä johdotuksia venytettynä, joten voimme kuvitella, että BEOL-prosessit ovat melko monimutkaisia. Muotin aivan ulommalle kerrokselle (joskus he käyttävät sekä muotin takaosaa että etuosaa) suunnittelijat asettavat mikroskooppisia tyynyjä, joita käytetään yhdistämään siru ulkomaailmaan. 

Kun kiekko on käsitelty, jokainen siru "tutkitaan" yksitellen testikoneella selvittääkseen, mitkä niistä ovat hyviä. Nämä leikataan ja laitetaan pakkauksiin. Paketti tarjoaa sekä fyysisen suojan sirulle että keinon liittää sähköisiä signaaleja sirun eri piireihin. Kun siru on pakattu, se voidaan sijoittaa puhelimen, tietokoneen, auton tai muiden laitteiden elektronisille piirilevyille. Jotkut näistä paketeista on suunniteltu äärimmäisiin ympäristöihin, kuten auton moottoritilassa tai matkapuhelintornissa. Toisten on oltava erittäin pieniä, jotta niitä voidaan käyttää pienikokoisissa laitteissa. Kaikissa tapauksissa pakkauksen suunnittelijan on otettava huomioon esimerkiksi materiaalit, joita käytetään suulakkeen jännityksen tai halkeilun minimoimiseksi, tai otettava huomioon lämpölaajeneminen ja kuinka tämä voi vaikuttaa sirun luotettavuuteen.

Varhaisin tekniikka, jota käytettiin piisirun liittämiseen pakkauksen sisällä oleviin johtimiin, oli lankaliitos, matalan lämpötilan hitsausprosessi. Tässä prosessissa erittäin hienot johdot (yleensä kultaa tai alumiinia, vaikka käytetään myös hopeaa ja kuparia) kiinnitetään toisesta päästä sirun metallityynyihin ja toisesta päästään metallirungon liittimiin, jossa on johdot ulos. . Prosessi oli edelläkävijä Bell Labsissa 1950-luvulla, jolloin pieniä lankoja puristettiin paineen alaisena sirutyynyihin korkeissa pistelämpötiloissa. Ensimmäiset koneet, jotka tekevät tämän, tulivat saataville 1950-luvun lopulla, ja 1960-luvun puoliväliin mennessä ultraääniliimaus kehitettiin vaihtoehtoiseksi tekniikaksi.

Historiallisesti tämä työ tehtiin Kaakkois-Aasiassa, koska se oli melko työvoimavaltaista. Siitä lähtien on kehitetty automatisoituja koneita langanliittämiseen erittäin suurilla nopeuksilla. Myös monia muita uudempia pakkaustekniikoita on kehitetty, mukaan lukien "flip chip" -niminen. Tässä prosessissa mikroskooppiset metallipylväät asetetaan ("törmäytetään") sirun tyynyille sen ollessa vielä kiekon päällä, ja sitten testauksen jälkeen hyvä suulake käännetään ympäri ja kohdistetaan pakkauksessa olevien vastaavien tyynyjen kanssa. Sitten juote sulatetaan sulatusprosessissa liitosten sulattamiseksi. Tämä on hyvä tapa luoda tuhansia yhteyksiä kerralla, vaikka sinun on valvottava asioita huolellisesti varmistaaksesi, että kaikki yhteydet ovat hyviä. 

Viime aikoina pakkaus on herättänyt paljon enemmän huomiota. Tämä johtuu uusien teknologioiden saatavuudesta, mutta myös uusista sovelluksista, jotka lisäävät sirujen käyttöä. Ennen kaikkea halutaan koota useita eri tekniikoilla valmistettuja siruja yhdeksi paketiksi, niin kutsutuiksi system-in-package (SiP) -siruiksi. Mutta sitä ohjaa myös halu yhdistää erilaisia ​​laitteita, esimerkiksi radiosirun kanssa samassa paketissa oleva 5G-antenni tai tekoälysovellukset, joissa integroidaan antureita laskentasirujen kanssa. Suuret puolijohdevalimot, kuten TSMC, työskentelevät myös "sirujen" ja "fan out -pakkausten" kanssa, kun taas Intel
INTC
sen sulautettu EMIB (multi-die interconnect) ja Foveros-stankotekniikka on otettu käyttöön Lakefield-mobiiliprosessorissa vuonna 2019.

Suurimman osan pakkauksista tekevät kolmannen osapuolen sopimusvalmistajat, jotka tunnetaan nimellä "ulkoistettu kokoonpano- ja testausyritys" (OSAT), ja heidän maailmansa keskipiste on Aasiassa. Suurimmat OSAT-toimittajat ovat taiwanilainen ASE, Amkor Technology
AMKR
pääkonttori sijaitsee Tempessä, Arizonassa, kiinalainen Jiangsu Changjiang Electronics Tech Company (JCET) (joka osti singaporelaisen STATS ChipPacin useita vuosia sitten) ja taiwanilainen Siliconware Precision Industries Co., Ltd. (SPIL), jonka ASE osti vuonna 2015. Erityisesti Kiinassa on lukuisia muita pienempiä toimijoita, jotka määrittelivät OSATin strategiseksi toimialaksi muutama vuosi sitten.

Suurin syy, miksi pakkaukset ovat herättäneet huomiota viime aikoina, on se, että viimeaikaiset Covid-19-epidemiat Vietnamissa ja Malesiassa ovat myötävaikuttaneet merkittävästi puolijohdesirujen toimituskriisin pahenemiseen, kun paikallishallinnot ovat joutuneet sulkemaan tehtaita tai vähentämään henkilöstöä, jotka ovat lopettaneet tai vähentäneet tuotantoa viikoiksi aika. Vaikka Yhdysvaltain hallitus investoisi tukiin kotimaisen puolijohdevalmistuksen edistämiseksi, suurin osa valmiista siruista matkustaa edelleen Aasiaan pakkaamaan, koska siellä ovat teollisuus ja toimittajaverkostot ja siellä on osaamispohja. Siten Intel valmistaa mikroprosessorisiruja Hillsborossa Oregonissa tai Chandlerissa Arizonassa, mutta se lähettää valmiita kiekkoja Malesiaan, Vietnamiin tai Kiinan Chengduun tehtaille testattavaksi ja pakattavaksi.

Voiko sirupakkauksia ottaa käyttöön Yhdysvalloissa?

Lastupakkausten tuomisessa Yhdysvaltoihin on merkittäviä haasteita, sillä suurin osa teollisuudesta lähti Amerikan rannoilta lähes puoli vuosisataa sitten. Pohjois-Amerikan osuus maailmanlaajuisesta pakkaustuotannosta on vain noin 3 %. Tämä tarkoittaa, että valmistuslaitteiden, kemikaalien (kuten pakkauksissa käytetyt substraatit ja muut materiaalit), lyijykehysten ja ennen kaikkea kokeneiden kykyjen taitopohjaa suurelle volyymialalle ei ole ollut Yhdysvalloissa. pitkä aika. Intel ilmoitti juuri sijoittavansa 7 miljardia dollaria uuteen pakkaus- ja testitehtaaseen Malesiassa, vaikka se ilmoitti myös suunnitelmistaan ​​investoida 3.5 miljardia dollaria Rio Ranchossa, New Mexicossa sijaitsevaan Foveros-teknologiaansa. Amkor Technology ilmoitti äskettäin myös suunnitelmistaan ​​laajentaa kapasiteettia Bac Ninhissä, Vietnamissa Hanoista koilliseen.

Suuri osa tästä Yhdysvaltojen ongelmasta on se, että edistynyt sirupakkaus vaatii niin paljon tuotantokokemusta. Kun aloitat tuotannon ensimmäisen kerran, hyvän valmiin pakatun hakkeen saannot ovat todennäköisesti alhaiset, ja kun teet enemmän, parannat prosessia jatkuvasti ja tuotto paranee. Big chip -asiakkaat eivät yleensä ole valmiita ottamaan riskiä käyttämällä uusia kotimaisia ​​toimittajia, joilla saattaa kestää kauan päästä tuottokäyrään. Jos pakkaustuotos on alhainen, heität pois lastut, jotka muuten olisivat hyviä. Miksi tarttua tilaisuuteen? Vaikka valmistaisimmekin USA:ssa kehittyneempiä siruja, ne todennäköisesti menevät silti Kaukoitään pakkaamaan.

Boise, Idahossa sijaitseva American Semiconductor, Inc. ottaa toisenlaisen lähestymistavan. Toimitusjohtaja Doug Hackler kannattaa "elinkelpoiseen tuotantoon perustuvaa elinkelpoista uudelleenjärjestelyä". Sen sijaan, että jahdattaisi vain huippuluokan sirupakkauksia, kuten kehittyneissä mikroprosessoreissa tai 5G-siruissa käytettyjä, hänen strategiansa on käyttää uutta teknologiaa ja soveltaa sitä vanhoihin siruihin, joissa on paljon kysyntää, mikä antaa yritykselle mahdollisuuden harjoittaa prosessejaan ja oppia. Legacy-sirut ovat myös paljon halvempia, joten tuoton menetys ei ole niinkään elämän ja kuoleman ongelma. Hackler huomauttaa, että 85 % iPhone 11:n siruista käyttää vanhempia tekniikoita, esimerkiksi valmistettuja puolijohdesolmuissa, joiden halkaisija on 40 nm (joka oli kuuma tekniikka kymmenen vuotta sitten). Todellakin, monet autoteollisuutta tällä hetkellä vaivaavista sirupulasta, ja toiset liittyvätkin näihin vanhoihin siruihin. Samaan aikaan yritys yrittää soveltaa uutta teknologiaa ja automaatiota kokoonpanovaiheisiin tarjoamalla erittäin ohuita sirupakkauksia käyttämällä niin kutsuttua Semiconductor on polymer (SoP) -prosessia, jossa kiekko täynnä muottia liitetään takapuolen polymeeri ja asetetaan sitten lämmönsiirtoteipille. Tavallisilla automaattisilla testaajilla testauksen jälkeen sirut kuutioitetaan teippitelineisiin ja siirretään rullille tai muihin muotoihin nopeaa automaattista kokoonpanoa varten. Hackler uskoo, että tämän pakkauksen pitäisi olla houkutteleva Internet-of-Things (IoT) -laitteiden ja puettavien laitteiden valmistajille, jotka voivat kuluttaa suuria määriä siruja, mutta jotka eivät ole yhtä vaativia piivalmistuksen puolella.

Hacklerin lähestymistavassa houkuttelevat kaksi asiaa. Ensinnäkin kysynnän tärkeyden tunnustaminen tuotantolinjan läpiviennissä varmistaa, että he saavat paljon harjoittelua tuoton parantamiseen. Toiseksi he käyttävät uutta tekniikkaa, ja teknologian siirtyminen on usein mahdollisuus vapauttaa vakiintuneet toimijat. Uusilla tulokkailla ei ole sitä matkatavaraa, että he ovat sidoksissa olemassa oleviin prosesseihin tai tiloihin. 

American Semiconductorilla on vielä pitkä matka kuljettavana, mutta tämänkaltaiset lähestymistavat rakentavat kotimaisia ​​taitoja ja ovat käytännöllinen askel sirupakkausten tuomisessa Yhdysvaltoihin. Älä odota kotimaisten valmiuksien luomisen olevan nopeaa, mutta se ei ole huono paikka alkaa.