American Semiconductor zet een stap richting Amerikaanse binnenlandse chipverpakkingen

Door de wijdverbreide tekorten aan halfgeleiders in het afgelopen jaar zijn veel mensen zich gaan concentreren op de veerkracht van de toeleveringsketen, met oproepen om de chipproductie in de VS op te voeren. binnenlandse productie van halfgeleiders, en wacht op actie van het Huis. Hoewel de belangrijkste focus voor veel mensen ligt op het vergroten van het binnenlandse aandeel in de productie van siliciumchips, mogen we de chipverpakking niet over het hoofd zien - het essentiële proces van het inkapselen van die chips om ze te beschermen tegen schade en ze bruikbaar te maken door hun circuits aan te sluiten op de buitenwereld. Dit is een gebied dat zowel belangrijk zal zijn voor de veerkracht van de toeleveringsketen als voor het ondersteunen van toekomstige technologische vooruitgang in de elektronica. 

Verpakking is essentieel om halfgeleiderchips bruikbaar te maken

Geïntegreerde circuit (IC)-chips worden geproduceerd op siliciumwafels in fabrieken van miljarden dollars die bekend staan ​​​​als 'fabs'. De individuele chips of "die" worden geproduceerd in herhalende patronen, vervaardigd in batches op elke wafer (en over batches van wafers). Een wafer van 300 mm (ongeveer 12 inch in diameter), het formaat dat doorgaans wordt gebruikt in de modernste fabrieken, kan honderden grote microprocessorchips of duizenden kleine controllerchips bevatten. Het productieproces is gesegmenteerd in een "front end of the line" (FEOL) fase waarin miljarden microscopisch kleine transistors en andere apparaten worden gecreëerd met patroon- en etsprocessen in het lichaam van het silicium, gevolgd door een "back end of the line" ” (BEOL) waarin een gaas van metalen sporen is neergelegd om alles met elkaar te verbinden. De sporen bestaan ​​uit verticale segmenten die "via's" worden genoemd, die op hun beurt horizontale bedradingslagen met elkaar verbinden. Als je miljarden transistors op een chip hebt (de A13-processor van de iPhone 15 heeft er 15 miljard), dan heb je vele miljarden draden nodig om ze aan te sluiten. Elke individuele dobbelsteen kan in totaal meerdere kilometers bedrading hebben wanneer deze wordt uitgerekt, dus we kunnen ons voorstellen dat de BEOL-processen behoorlijk complex zijn. Op de buitenste laag van de matrijs (soms gebruiken ze zowel de achterkant als de voorkant van de matrijs), plaatsen ontwerpers microscopisch kleine kussentjes die worden gebruikt om de chip met de buitenwereld te verbinden. 

Nadat de wafel is verwerkt, wordt elk van de chips afzonderlijk "gesond" met een testmachine om erachter te komen welke goed zijn. Deze worden uitgesneden en in pakjes gedaan. Een pakket biedt zowel fysieke bescherming voor de chip als een middel om elektrische signalen aan te sluiten op de verschillende circuits in de chip. Nadat een chip is verpakt, kan deze op elektronische printplaten in uw telefoon, computer, auto of andere apparaten worden geplaatst. Sommige van deze pakketten moeten ontworpen zijn voor extreme omgevingen, zoals in de motorruimte van een auto of op een gsm-mast. Anderen moeten extreem klein zijn voor gebruik in compacte apparaten. In alle gevallen moet de ontwerper van de verpakking rekening houden met zaken als materialen die moeten worden gebruikt om spanning of barsten van de matrijs te minimaliseren, of om rekening te houden met thermische uitzetting en hoe dit de betrouwbaarheid van de chip kan beïnvloeden.

De vroegste technologie die werd gebruikt om de siliciumchip aan te sluiten op de kabels in de verpakking was: draadverbinding, een lasproces bij lage temperatuur. In dit proces worden zeer fijne draden (meestal goud of aluminium, hoewel zilver en koper ook worden gebruikt) aan het ene uiteinde gebonden aan metalen pads op de chip en aan het andere uiteinde aan terminals op een metalen frame dat leidt naar buiten . Het proces werd in de jaren vijftig in Bell Labs gepionierd, met kleine draadjes die bij hoge punttemperaturen onder druk in de chippads werden gedrukt. De eerste machines die dit deden, kwamen eind jaren vijftig beschikbaar en tegen het midden van de jaren zestig werd ultrasoon verlijmen ontwikkeld als een alternatieve techniek.

Historisch gezien werd dit werk in Zuidoost-Azië gedaan omdat het behoorlijk arbeidsintensief was. Sindsdien zijn er geautomatiseerde machines ontwikkeld om het draadverlijmen met zeer hoge snelheden te doen. Er zijn ook veel andere nieuwere verpakkingstechnologieën ontwikkeld, waaronder een die 'flip-chip' wordt genoemd. In dit proces worden microscopisch kleine metalen pilaren gedeponeerd ("gestoten") op de pads op de chip terwijl deze nog op de wafer zit, en na het testen wordt de goede matrijs omgedraaid en uitgelijnd met bijpassende pads in een pakket. Vervolgens wordt het soldeer gesmolten in een reflow-proces om de verbindingen te smelten. Dit is een goede manier om duizenden verbindingen tegelijk te maken, hoewel u de zaken zorgvuldig moet controleren om er zeker van te zijn dat alle verbindingen goed zijn. 

Verpakkingen trekken de laatste tijd veel meer aandacht. Dit komt door het beschikbaar komen van nieuwe technologieën, maar ook door nieuwe toepassingen die het chipgebruik stimuleren. In de eerste plaats is de wens om meerdere chips gemaakt met verschillende technologieën samen te brengen in één pakket, de zogenaamde system-in-package (SiP) chips. Maar het wordt ook gedreven door de wens om verschillende soorten apparaten te combineren, bijvoorbeeld een 5G-antenne in hetzelfde pakket als de radiochip, of kunstmatige-intelligentietoepassingen waarin je sensoren integreert met de computerchips. De grote halfgeleidergieterijen zoals TSMC werken ook met "chiplets" en "uitwaaierende verpakkingen", terwijl Intel
INTC
heeft zijn embedded multi-die interconnect (EMIB) en Foveros die-stacking-technologie geïntroduceerd in zijn Lakefield mobiele processor in 2019.

De meeste verpakkingen worden gedaan door externe contractfabrikanten die bekend staan ​​als "outsourced assembly and test" (OSAT) -bedrijven, en het centrum van hun wereld bevindt zich in Azië. De grootste OSAT-leveranciers zijn ASE uit Taiwan, Amkor Technology
AMKR
hoofdkantoor in Tempe, Arizona, Jiangsu Changjiang Electronics Tech Company (JCET) uit China (dat een aantal jaren geleden het in Singapore gevestigde STATS ChipPac heeft overgenomen), en Siliconware Precision Industries Co., Ltd. (SPIL) uit Taiwan, overgenomen door ASE in 2015. Er zijn tal van andere kleinere spelers, vooral in China, die OSAT enkele jaren geleden als een strategische industrie hebben aangemerkt.

Een belangrijke reden waarom verpakkingen de laatste tijd de aandacht hebben getrokken, is dat recente Covid-19-uitbraken in Vietnam en Maleisië aanzienlijk hebben bijgedragen aan de verergering van de bevoorradingscrisis van halfgeleiderchips, waarbij fabriekssluitingen of verminderde personeelsbezetting werden afgedwongen door lokale overheden die de productie wekenlang hebben stopgezet of verminderd. een tijd. Zelfs als de Amerikaanse overheid investeert in subsidies om de binnenlandse productie van halfgeleiders te stimuleren, gaan de meeste van die afgewerkte chips nog steeds naar Azië om te worden verpakt, want daar zijn de industrie- en leveranciersnetwerken en waar de vaardigheden zijn. Zo vervaardigt Intel microprocessorchips in Hillsboro, Oregon of Chandler, Arizona, maar stuurt het afgewerkte wafels naar fabrieken in Maleisië, Vietnam of Chengdu, China voor tests en verpakking.

Kunnen chipverpakkingen in de VS worden ingevoerd?

Er zijn aanzienlijke uitdagingen om chipverpakkingen naar de VS te brengen, aangezien het grootste deel van de industrie de Amerikaanse kusten bijna een halve eeuw geleden verliet. Het Noord-Amerikaanse aandeel in de wereldwijde verpakkingsproductie bedraagt ​​slechts ongeveer 3%. Dat betekent dat de leveranciersnetwerken voor productieapparatuur, chemicaliën (zoals de substraten en andere materialen die in verpakkingen worden gebruikt), leadframes en vooral een vaardigheidsbasis van ervaren talent voor het omvangrijke deel van het bedrijf al jaren niet bestaan ​​in de VS. een lange tijd. Intel heeft zojuist een investering van $ 7 miljard aangekondigd in een nieuwe verpakkings- en testfabriek in Maleisië, hoewel het ook plannen heeft aangekondigd om $ 3.5 miljard te investeren in zijn Rio Rancho, New Mexico-activiteiten voor zijn Foveros-technologie. Amkor Technology heeft onlangs ook plannen aangekondigd om de capaciteit in Bac Ninh, Vietnam ten noordoosten van Hanoi, uit te breiden.

Een groot deel van dit probleem voor de VS is dat geavanceerde chipverpakkingen zoveel productie-ervaring vereisen. Wanneer u voor het eerst met de productie begint, zal de opbrengst van goed afgewerkte verpakte frites waarschijnlijk laag zijn, en naarmate u meer maakt, verbetert u het proces voortdurend en wordt de opbrengst beter. Big chip-klanten zullen over het algemeen niet bereid zijn het risico te nemen om nieuwe binnenlandse leveranciers te gebruiken die er lang over kunnen doen om deze rentecurve te bereiken. Als je een lage verpakkingsopbrengst hebt, gooi je chips weg die anders goed zouden zijn. Waarom de kans grijpen? Dus zelfs als we geavanceerdere chips maken in de VS, zullen ze waarschijnlijk nog steeds naar het Verre Oosten gaan om te worden verpakt.

Het in Boise, Idaho gevestigde American Semiconductor, Inc. kiest voor een andere benadering. CEO Doug Hackler is voorstander van "levensvatbare reshoring op basis van levensvatbare productie." In plaats van alleen high-end chipverpakkingen na te jagen, zoals die worden gebruikt voor geavanceerde microprocessors of 5G-chips, is zijn strategie om nieuwe technologie te gebruiken en deze toe te passen op legacy-chips waar veel vraag is, waardoor het bedrijf zijn processen en leren. Legacy-chips zijn ook veel goedkoper, dus opbrengstverlies is niet zozeer een kwestie van leven en dood. Hackler wijst erop dat 85% van de chips in een iPhone 11 oudere technologieën gebruiken, bijvoorbeeld vervaardigd op halfgeleiderknooppunten van 40 nm of ouder (wat tien jaar geleden de hot-technologie was). Inderdaad, veel van de chiptekorten die momenteel de auto-industrie teisteren en andere zijn voor deze legacy-chips. Tegelijkertijd probeert het bedrijf nieuwe technologie en automatisering toe te passen op de assemblagestappen, door ultradunne chipschaalverpakkingen aan te bieden met behulp van wat het een halfgeleider-op-polymeer (SoP) -proces noemt, waarbij een wafel vol matrijs wordt gebonden aan een achterkant polymeer en vervolgens op een thermische overdrachtstape geplaatst. Na testen met de gebruikelijke geautomatiseerde testers, worden de chips in blokjes gesneden op de banddragers en overgebracht naar spoelen of andere formaten voor geautomatiseerde assemblage met hoge snelheid. Hackler denkt dat deze verpakking aantrekkelijk moet zijn voor fabrikanten van Internet-of-Things (IoT)-apparaten en wearables, twee segmenten die grote hoeveelheden chips kunnen verbruiken, maar niet zo veeleisend zijn aan de kant van de fabricage van silicium.

Wat aantrekkelijk is aan de aanpak van Hackler zijn twee dingen. Ten eerste zal de erkenning van het belang van de vraag om volume door zijn productielijn te trekken, ervoor zorgen dat ze veel oefening krijgen in opbrengstverbetering. Ten tweede gebruiken ze een nieuwe technologie, en het maken van een technologische transitie is vaak een kans om gevestigde exploitanten te ontslaan. Nieuwe toetreders hebben niet de bagage om gebonden te zijn aan bestaande processen of faciliteiten. 

American Semiconductor heeft nog een lange weg te gaan, maar benaderingen als deze zullen binnenlandse vaardigheden opbouwen en zijn een praktische stap om chipverpakkingen naar de VS te brengen. begin.