Η American Semiconductor κάνει ένα βήμα προς την εγχώρια συσκευασία τσιπ των ΗΠΑ

Οι εκτεταμένες ελλείψεις ημιαγωγών τον περασμένο χρόνο έχουν κάνει πολλούς ανθρώπους να επικεντρωθούν στην ανθεκτικότητα της εφοδιαστικής αλυσίδας, με εκκλήσεις για αύξηση της κατασκευής τσιπ στις ΗΠΑ. εγχώρια παραγωγή ημιαγωγών, και περιμένει τη δράση του House. Ενώ η κύρια εστίαση για πολλούς ανθρώπους είναι η αύξηση του εγχώριου μεριδίου παραγωγής τσιπ πυριτίου, δεν πρέπει να παραβλέψουμε τη συσκευασία των τσιπ – την ουσιαστική διαδικασία ενθυλάκωσης αυτών των τσιπ προκειμένου να τα προστατεύσουμε από ζημιές και να τα κάνουμε χρησιμοποιήσιμα συνδέοντας τα κυκλώματά τους στο έξω κόσμος. Αυτός είναι ένας τομέας που θα είναι σημαντικός τόσο για την ανθεκτικότητα της εφοδιαστικής αλυσίδας όσο και για τη διατήρηση των μελλοντικών τεχνολογικών προόδων στα ηλεκτρονικά. 

Η συσκευασία είναι απαραίτητη για τη χρήση των τσιπ ημιαγωγών

Τα τσιπ ολοκληρωμένου κυκλώματος (IC) παράγονται σε γκοφρέτες πυριτίου σε εργοστάσια πολλών δισεκατομμυρίων δολαρίων γνωστά ως «fabs». Τα επιμέρους τσιπ ή «πιάτο» παράγονται σε επαναλαμβανόμενα μοτίβα, που κατασκευάζονται σε παρτίδες σε κάθε γκοφρέτα (και σε παρτίδες γκοφρέτες). Μια γκοφρέτα 300 mm (διάμετρος περίπου 12 ίντσες), το μέγεθος που χρησιμοποιείται συνήθως στα πιο σύγχρονα fabs, μπορεί να φέρει εκατοντάδες μεγάλα τσιπ μικροεπεξεργαστή ή χιλιάδες μικροσκοπικά τσιπ ελεγκτών. Η διαδικασία παραγωγής κατατμείται σε μια φάση «μπροστινού άκρου γραμμής» (FEOL) κατά την οποία δημιουργούνται δισεκατομμύρια μικροσκοπικά τρανζίστορ και άλλες συσκευές με διαδικασίες διαμόρφωσης και χάραξης στο σώμα του πυριτίου, ακολουθούμενο από ένα «πίσω άκρο της γραμμής». ” (BEOL) στο οποίο έχει τοποθετηθεί ένα πλέγμα από μεταλλικά ίχνη για να συνδέσει τα πάντα. Τα ίχνη αποτελούνται από κάθετα τμήματα που ονομάζονται "vias", τα οποία με τη σειρά τους συνδέουν οριζόντια στρώματα καλωδίωσης. Εάν έχετε δισεκατομμύρια τρανζίστορ σε ένα τσιπ (ο επεξεργαστής A13 του iPhone 15 έχει 15 δισεκατομμύρια), χρειάζεστε πολλά δισεκατομμύρια καλώδια για να τα συνδέσετε. Κάθε μεμονωμένη μήτρα μπορεί να έχει αρκετά χιλιόμετρα καλωδίωσης συνολικά όταν τεντωθεί, οπότε μπορούμε να φανταστούμε ότι οι διαδικασίες BEOL είναι αρκετά περίπλοκες. Στο ίδιο το εξωτερικό στρώμα της μήτρας (μερικές φορές χρησιμοποιούν το πίσω μέρος της μήτρας καθώς και το μπροστινό μέρος), οι σχεδιαστές τοποθετούν μικροσκοπικά μαξιλαράκια που χρησιμοποιούνται για τη σύνδεση του τσιπ με τον έξω κόσμο. 

Μετά την επεξεργασία της γκοφρέτας, καθεμία από τις μάρκες "εξετάζεται" ξεχωριστά με μια δοκιμαστική μηχανή για να μάθουμε ποια είναι καλά. Αυτά κόβονται και μπαίνουν σε συσκευασίες. Ένα πακέτο παρέχει τόσο φυσική προστασία για το τσιπ, όσο και μέσο σύνδεσης ηλεκτρικών σημάτων στα διαφορετικά κυκλώματα του τσιπ. Αφού συσκευαστεί ένα τσιπ, μπορεί να τοποθετηθεί σε ηλεκτρονικές πλακέτες κυκλωμάτων στο τηλέφωνο, τον υπολογιστή, το αυτοκίνητο ή άλλες συσκευές σας. Ορισμένα από αυτά τα πακέτα πρέπει να σχεδιαστούν για ακραία περιβάλλοντα, όπως στο χώρο του κινητήρα ενός αυτοκινήτου ή σε έναν πύργο κινητής τηλεφωνίας. Άλλα πρέπει να είναι εξαιρετικά μικρά για χρήση για εσωτερικές συμπαγείς συσκευές. Σε όλες τις περιπτώσεις, ο σχεδιαστής συσκευασίας πρέπει να εξετάσει πράγματα όπως υλικά που θα χρησιμοποιήσει για να ελαχιστοποιήσει την καταπόνηση ή το ράγισμα της μήτρας ή για να λογοδοτήσει τη θερμική διαστολή και πώς αυτό μπορεί να επηρεάσει την αξιοπιστία του τσιπ.

Η παλαιότερη τεχνολογία που χρησιμοποιήθηκε για τη σύνδεση του τσιπ πυριτίου με τα καλώδια μέσα στη συσκευασία ήταν συγκόλληση σύρματος, μια διαδικασία συγκόλλησης σε χαμηλή θερμοκρασία. Σε αυτή τη διαδικασία, πολύ λεπτά σύρματα (συνήθως χρυσό ή αλουμίνιο, αν και χρησιμοποιούνται επίσης ασήμι και χαλκός) συνδέονται στο ένα άκρο σε μεταλλικά μαξιλάρια στο τσιπ και στο άλλο άκρο σε ακροδέκτες σε μεταλλικό πλαίσιο που έχει αγωγούς προς τα έξω. . Η διαδικασία πρωτοστάτησε στα Bell Labs τη δεκαετία του 1950, με μικροσκοπικά καλώδια που πιέζονταν υπό πίεση στα μαξιλαράκια τσιπ σε υψηλές θερμοκρασίες σημείου. Τα πρώτα μηχανήματα που το έκαναν αυτό έγιναν διαθέσιμα στα τέλη της δεκαετίας του 1950 και στα μέσα της δεκαετίας του 1960, η συγκόλληση υπερήχων αναπτύχθηκε ως εναλλακτική τεχνική.

Ιστορικά αυτή η εργασία γινόταν στη Νοτιοανατολική Ασία επειδή ήταν αρκετά εντάσεως εργασίας. Από τότε, έχουν αναπτυχθεί αυτοματοποιημένα μηχανήματα για να κάνουν τη συγκόλληση σύρματος σε πολύ υψηλές ταχύτητες. Πολλές άλλες νεότερες τεχνολογίες συσκευασίας έχουν επίσης αναπτυχθεί, συμπεριλαμβανομένης μιας που ονομάζεται "flip chip". Σε αυτή τη διαδικασία, μικροσκοπικές μεταλλικές κολόνες εναποτίθενται ("κουμπώνουν") στα μαξιλαράκια του τσιπ ενώ είναι ακόμα στη γκοφρέτα και, μετά τη δοκιμή, η καλή μήτρα αναποδογυρίζεται και ευθυγραμμίζεται με τα ταιριαστά μαξιλαράκια σε μια συσκευασία. Στη συνέχεια, η συγκόλληση τήκεται σε μια διαδικασία επαναροής για τη σύντηξη των συνδέσεων. Αυτός είναι ένας καλός τρόπος για να κάνετε χιλιάδες συνδέσεις ταυτόχρονα, αν και πρέπει να ελέγχετε τα πράγματα προσεκτικά για να βεβαιωθείτε ότι όλες οι συνδέσεις είναι καλές. 

Πρόσφατα η συσκευασία έχει προσελκύσει πολύ περισσότερη προσοχή. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι γίνονται διαθέσιμες νέες τεχνολογίες, αλλά και νέες εφαρμογές που οδηγούν στη χρήση chip. Το κύριο πράγμα είναι η επιθυμία να ενωθούν πολλά τσιπ κατασκευασμένα με διαφορετικές τεχνολογίες σε μια ενιαία συσκευασία, τα λεγόμενα τσιπ συστήματος σε συσκευασία (SiP). Ωστόσο, καθοδηγείται επίσης από την επιθυμία να συνδυαστούν διαφορετικά είδη συσκευών, για παράδειγμα μια κεραία 5G στο ίδιο πακέτο με το ραδιοτσιπ ή εφαρμογές τεχνητής νοημοσύνης στις οποίες ενσωματώνετε αισθητήρες με τα τσιπ υπολογιστών. Τα μεγάλα χυτήρια ημιαγωγών όπως η TSMC εργάζονται επίσης με «τσιπέτες» και «ανεμιστήρες συσκευασίας», ενώ η Intel
INTC
Η ενσωματωμένη διασύνδεση πολλαπλών καλουπιών (EMIB) και η τεχνολογία Foveros die-stacking εισήχθη στον φορητό επεξεργαστή Lakefield το 2019.

Οι περισσότερες συσκευασίες γίνονται από τρίτους κατασκευαστές με συμβάσεις, γνωστές ως εταιρείες «εξωτερικής ανάθεσης συναρμολόγησης και δοκιμής» (OSAT) και το κέντρο του κόσμου τους βρίσκεται στην Ασία. Οι μεγαλύτεροι προμηθευτές OSAT είναι η ASE της Ταϊβάν, η Amkor Technology
AMKR
με έδρα στο Tempe της Αριζόνα, η Jiangsu Changjiang Electronics Tech Company (JCET) της Κίνας (η οποία απέκτησε τη STATS ChipPac με έδρα τη Σιγκαπούρη πριν από αρκετά χρόνια) και τη Siliconware Precision Industries Co., Ltd. (SPIL) της Ταϊβάν, που εξαγοράστηκε από την ASE στο 2015. Υπάρχουν πολλοί άλλοι μικρότεροι παίκτες, ειδικά στην Κίνα, που αναγνώρισε την OSAT ως στρατηγική βιομηχανία πριν από μερικά χρόνια.

Ένας σημαντικός λόγος που οι συσκευασίες έχουν προσελκύσει την προσοχή τον τελευταίο καιρό είναι ότι τα πρόσφατα κρούσματα Covid-19 στο Βιετνάμ και τη Μαλαισία συνέβαλαν σημαντικά στην επιδείνωση της κρίσης εφοδιασμού με τσιπ ημιαγωγών, με το κλείσιμο εργοστασίων ή τη μείωση του προσωπικού που επιβάλλεται από τις τοπικές κυβερνήσεις να διακόπτουν ή να μειώνουν την παραγωγή για εβδομάδες στο μια στιγμή. Ακόμα κι αν η κυβέρνηση των ΗΠΑ επενδύσει σε επιδοτήσεις για την ενίσχυση της εγχώριας κατασκευής ημιαγωγών, τα περισσότερα από αυτά τα τελικά τσιπ θα εξακολουθήσουν να ταξιδεύουν στην Ασία για συσκευασία, καθώς εκεί είναι η βιομηχανία και τα δίκτυα προμηθευτών και όπου βρίσκεται η βάση δεξιοτήτων. Έτσι, η Intel κατασκευάζει τσιπ μικροεπεξεργαστών στο Hillsboro του Όρεγκον ή στο Chandler της Αριζόνα, αλλά στέλνει ολοκληρωμένες γκοφρέτες σε εργοστάσια στη Μαλαισία, στο Βιετνάμ ή στο Chengdu της Κίνας για δοκιμή και συσκευασία.

Μπορεί να εγκατασταθεί η συσκευασία τσιπ στις ΗΠΑ;

Υπάρχουν σημαντικές προκλήσεις για τη μεταφορά της συσκευασίας τσιπ στις ΗΠΑ, καθώς το μεγαλύτερο μέρος της βιομηχανίας εγκατέλειψε τις αμερικανικές ακτές σχεδόν πριν από μισό αιώνα. Το μερίδιο της Βόρειας Αμερικής στην παγκόσμια παραγωγή συσκευασιών είναι μόνο περίπου 3%. Αυτό σημαίνει ότι τα δίκτυα προμηθευτών για την κατασκευή εξοπλισμού, χημικών ουσιών (όπως τα υποστρώματα και άλλα υλικά που χρησιμοποιούνται σε συσκευασίες), τα κουφώματα μολύβδου και το πιο σημαντικό μια βάση δεξιοτήτων έμπειρου ταλέντου για το μεγάλο μέρος της επιχείρησης δεν έχουν υπάρξει στις ΗΠΑ. πολύς καιρός. Η Intel μόλις ανακοίνωσε μια επένδυση 7 δισεκατομμυρίων δολαρίων σε ένα νέο εργοστάσιο συσκευασίας και δοκιμών στη Μαλαισία, αν και ανακοίνωσε επίσης σχέδια για επένδυση 3.5 δισεκατομμυρίων δολαρίων στις επιχειρήσεις Rio Rancho του Νέου Μεξικού για την τεχνολογία Foveros. Η Amkor Technology ανακοίνωσε επίσης πρόσφατα σχέδια για επέκταση της χωρητικότητας στο Bac Ninh, στο Βιετνάμ βορειοανατολικά του Ανόι.

Ένα μεγάλο μέρος αυτού του προβλήματος για τις ΗΠΑ είναι ότι η προηγμένη συσκευασία τσιπ απαιτεί τόση εμπειρία παραγωγής. Όταν ξεκινάτε για πρώτη φορά την παραγωγή, οι αποδόσεις των καλών τελικών συσκευασμένων τσιπς θα είναι πιθανότατα χαμηλές και καθώς φτιάχνετε περισσότερα, βελτιώνετε συνεχώς τη διαδικασία και η απόδοση γίνεται καλύτερη. Οι πελάτες μεγάλων τσιπ γενικά δεν θα είναι διατεθειμένοι να διακινδυνεύσουν να χρησιμοποιήσουν νέους εγχώριους προμηθευτές που μπορεί να χρειαστούν πολύ χρόνο για να καταλήξουν σε αυτήν την καμπύλη απόδοσης. Εάν έχετε χαμηλή απόδοση συσκευασίας, θα πετάξετε τσιπς που διαφορετικά θα ήταν καλό. Γιατί να πάρω την ευκαιρία; Έτσι, ακόμα κι αν κατασκευάσουμε πιο προηγμένες μάρκες στις ΗΠΑ, πιθανότατα θα συνεχίσουν να πηγαίνουν στην Άπω Ανατολή για συσκευασία.

Η American Semiconductor, Inc. που εδρεύει στο Boise, στο Idaho, ακολουθεί μια διαφορετική προσέγγιση. Ο Διευθύνων Σύμβουλος Doug Hackler τάσσεται υπέρ της «βιώσιμης ανανέωσης με βάση τη βιώσιμη παραγωγή». Αντί να κυνηγάει μόνο συσκευασίες τσιπ υψηλών προδιαγραφών όπως αυτή που χρησιμοποιείται για προηγμένους μικροεπεξεργαστές ή τσιπ 5G, η στρατηγική του είναι να χρησιμοποιεί νέα τεχνολογία και να την εφαρμόζει σε παλαιού τύπου τσιπ όπου υπάρχει μεγάλη ζήτηση, κάτι που θα επιτρέψει στην εταιρεία να εξασκήσει τις διαδικασίες της και μαθαίνω. Οι μάρκες παλαιού τύπου είναι επίσης πολύ φθηνότερες, επομένως η απώλεια απόδοσης δεν είναι τόσο ζήτημα ζωής και θανάτου. Ο Hackler επισημαίνει ότι το 85% των τσιπ σε ένα iPhone 11 χρησιμοποιούν παλαιότερες τεχνολογίες, για παράδειγμα που κατασκευάζονται σε κόμβους ημιαγωγών 40 nm ή παλαιότερους (που ήταν η καυτή τεχνολογία πριν από μια δεκαετία). Πράγματι, πολλές από τις ελλείψεις τσιπ που μαστίζουν αυτήν τη στιγμή την αυτοκινητοβιομηχανία και άλλες είναι για αυτά τα παλαιού τύπου τσιπ. Ταυτόχρονα, η εταιρεία προσπαθεί να εφαρμόσει νέα τεχνολογία και αυτοματισμό στα βήματα συναρμολόγησης, προσφέροντας συσκευασία εξαιρετικά λεπτής κλίμακας τσιπ χρησιμοποιώντας αυτό που αποκαλεί διαδικασία ημιαγωγού σε πολυμερές (SoP) κατά την οποία μια γκοφρέτα γεμάτη μήτρα συγκολλάται σε πίσω πολυμερές και στη συνέχεια τοποθετείται σε ταινία θερμικής μεταφοράς. Μετά τη δοκιμή με τους συνήθεις αυτοματοποιημένους ελεγκτές, τα τσιπ κόβονται σε κύβους στους φορείς ταινίας και μεταφέρονται σε τροχούς ή άλλες μορφές για αυτοματοποιημένη συναρμολόγηση υψηλής ταχύτητας. Ο Hackler πιστεύει ότι αυτή η συσκευασία θα πρέπει να είναι ελκυστική για τους κατασκευαστές συσκευών και φορητών συσκευών Internet-of-Things (IoT), δύο τμήματα που θα μπορούσαν να καταναλώσουν μεγάλους όγκους τσιπ, αλλά δεν είναι τόσο απαιτητικοί από την πλευρά της κατασκευής πυριτίου.

Αυτό που είναι ελκυστικό για την προσέγγιση του Hackler είναι δύο πράγματα. Πρώτον, η αναγνώριση της σημασίας της ζήτησης για να τραβήξει τον όγκο μέσω της γραμμής παραγωγής του θα εξασφαλίσει ότι θα εξασκηθούν πολύ στη βελτίωση της απόδοσης. Δεύτερον, χρησιμοποιούν μια νέα τεχνολογία και η οδήγηση μιας τεχνολογικής μετάβασης είναι συχνά μια ευκαιρία για την εκκένωση των κατεστημένων φορέων. Οι νεοεισερχόμενοι δεν έχουν τις αποσκευές να συνδέονται με υπάρχουσες διαδικασίες ή εγκαταστάσεις. 

Η American Semiconductor έχει ακόμη πολύ δρόμο να διανύσει, αλλά προσεγγίσεις όπως αυτή θα ενισχύσουν τις εγχώριες δεξιότητες και είναι ένα πρακτικό βήμα για τη μεταφορά της συσκευασίας τσιπ στις ΗΠΑ. αρχή.