American Semiconductor tar ett steg mot amerikanska inhemska chipsförpackningar

Utbredd brist på halvledare under det senaste året har fått många människor att fokusera på försörjningskedjans motståndskraft, med uppmaningar om att öka chiptillverkningen i USA. Den amerikanska innovations- och konkurrenslagen (USICA), som antog senaten i juni förra året, föreslår 52 miljarder dollar till stöd inhemsk halvledarproduktion, och väntar på House-åtgärder. Även om huvudfokus för många människor ligger på att öka den inhemska andelen av produktionen av kiselchips, bör vi inte förbise chipförpackningar – den väsentliga processen att kapsla in dessa chips för att skydda dem från skador och göra dem användbara genom att ansluta deras kretsar till världen utanför. Detta är ett område som kommer att vara viktigt både för motståndskraften i leveranskedjan och för att upprätthålla framtida tekniska framsteg inom elektronik. 

Förpackningar är avgörande för att göra halvledarchips användbara

Chips med integrerade kretsar (IC) produceras på kiselskivor i mångmiljardfabriker som kallas "fabs". De individuella chipsen eller "matrisen" produceras i upprepade mönster, tillverkade i omgångar på varje wafer (och över batcher av wafers). En 300 mm wafer (cirka 12 tum i diameter), storleken som vanligtvis används i de modernaste fabrikerna, kan bära hundratals stora mikroprocessorchips eller tusentals små kontrollerchips. Produktionsprocessen är uppdelad i en "front end of the line"-fas (FEOL) under vilken miljarder mikroskopiska transistorer och andra enheter skapas med mönstrings- och etsningsprocesser i kiselkroppen, följt av en "back end of the line". ” (BEOL) där ett nät av metallspår läggs ner för att koppla ihop allt. Spåren består av vertikala segment som kallas "vias", som i sin tur förbinder horisontella lager av ledningar. Om du har miljarder transistorer på ett chip (iPhone 13:s A15-processor har 15 miljarder) behöver du många miljarder ledningar för att ansluta dem. Varje enskild matris kan ha flera kilometer av ledningar totalt när de sträcks ut, så vi kan föreställa oss att BEOL-processerna är ganska komplexa. På det yttersta lagret av tärningen (ibland kommer de att använda baksidan av tärningen såväl som framsidan), sätter designers mikroskopiska kuddar som används för att ansluta chipet till omvärlden. 

Efter att wafern har bearbetats, "proberas" var och en av chipsen individuellt med en testmaskin för att ta reda på vilka som är bra. Dessa skärs ut och läggs i paket. Ett paket ger både fysiskt skydd för chippet, samt ett sätt att koppla elektriska signaler till de olika kretsarna i chipet. Efter att ett chip har packats kan det placeras på elektroniska kretskort i din telefon, dator, bil eller andra enheter. Vissa av dessa paket måste utformas för extrema miljöer, som i motorrummet i en bil eller på ett mobiltelefontorn. Andra måste vara extremt små för användning för inuti kompakta enheter. I alla fall måste paketdesignern överväga saker som material som ska användas för att minimera stress eller sprickbildning i formen, eller för att ta hänsyn till termisk expansion och hur detta kan påverka chipets tillförlitlighet.

Den tidigaste tekniken som användes för att ansluta kiselchipset till ledningarna inuti förpackningen var trådbindning, en svetsprocess vid låg temperatur. I denna process binds mycket fina trådar (vanligtvis guld eller aluminium, även om silver och koppar också används) i ena änden till metallkuddar på chipet och i andra änden till terminaler på en metallram som har leder till utsidan . Processen var pionjär vid Bell Labs på 1950-talet, med små trådar som pressades under tryck in i spånkuddarna vid höga punkttemperaturer. De första maskinerna som gjorde detta blev tillgängliga i slutet av 1950-talet, och i mitten av 1960-talet utvecklades ultraljudsbindning som en alternativ teknik.

Historiskt har detta arbete utförts i Sydostasien eftersom det var ganska arbetsintensivt. Sedan dess har automatiserade maskiner utvecklats för att göra trådlimningen i mycket höga hastigheter. Många andra nyare förpackningstekniker har också utvecklats, inklusive en som kallas "flip chip". I denna process avsätts mikroskopiska metallpelare (”stöta”) på kuddarna på chipet medan det fortfarande är på wafern, och sedan efter testning vänds den bra formen över och riktas in med matchade kuddar i en förpackning. Sedan smälts lodet i en återflödesprocess för att smälta samman anslutningarna. Det här är ett bra sätt att skapa tusentals anslutningar på en gång, även om du måste kontrollera saker noggrant för att se till att alla anslutningar är bra. 

På senare tid har förpackningar väckt mycket mer uppmärksamhet. Detta beror på att ny teknik blir tillgänglig, men också nya applikationer som driver chipanvändningen. Främst är önskan att sätta ihop flera chips tillverkade med olika teknologier i ett enda paket, så kallade system-in-package (SiP) chips. Men det drivs också av viljan att kombinera olika typer av enheter, till exempel en 5G-antenn i samma paket som radiochippet, eller artificiell intelligens där du integrerar sensorer med datorchips. De stora halvledargjuterierna som TSMC arbetar också med "chiplets" och "fan out packaging", medan Intel
INTC
har sin inbyggda multi-die interconnect (EMIB) och Foveros die-stacking-teknik introducerad i sin Lakefield mobila processor 2019.

De flesta förpackningar görs av tredjepartskontraktstillverkare som kallas "outsourcad montering och test" (OSAT)-företag, och deras värld ligger i Asien. De största OSAT-leverantörerna är ASE från Taiwan, Amkor Technology
AMKR
med huvudkontor i Tempe, Arizona, Jiangsu Changjiang Electronics Tech Company (JCET) i Kina (som förvärvade Singapore-baserade STATS ChipPac för ett antal år sedan), och Siliconware Precision Industries Co., Ltd. (SPIL) i Taiwan, förvärvat av ASE i 2015. Det finns många andra mindre aktörer, särskilt i Kina, som identifierade OSAT som en strategisk industri för några år sedan.

En viktig anledning till att förpackningar har uppmärksammats på sistone är att de senaste utbrotten av Covid-19 i Vietnam och Malaysia har bidragit avsevärt till att försämra krisen för halvledarchipsförsörjning, med nedläggningar av fabriker eller minskad personalstyrka som tvingats till av lokala myndigheter som stängt av eller minskat produktionen i veckor kl. en tid. Även om den amerikanska regeringen investerar i subventioner för att främja inhemsk halvledartillverkning, kommer de flesta av dessa färdiga chips fortfarande att resa till Asien för förpackning, eftersom det är där industrin och leverantörsnätverken finns och där kompetensbasen finns. Sålunda tillverkar Intel mikroprocessorchips i Hillsboro, Oregon eller Chandler, Arizona, men de skickar färdiga wafers till fabriker i Malaysia, Vietnam eller Chengdu, Kina för test och förpackning.

Kan chipförpackningar etableras i USA?

Det finns betydande utmaningar med att ta med chipförpackningar till USA, eftersom det mesta av industrin lämnade amerikanska kuster för nästan ett halvt sekel sedan. Den nordamerikanska andelen av den globala förpackningsproduktionen är endast cirka 3 %. Det betyder att leverantörsnätverk för tillverkning av utrustning, kemikalier (som substrat och andra material som används i förpackningar), blyramar och viktigast av allt en kompetensbas av erfaren talang för den högvolymsdelen av verksamheten inte har funnits i USA för en lång tid. Intel tillkännagav just en investering på 7 miljarder dollar i en ny förpacknings- och testfabrik i Malaysia, men de tillkännagav också planer på att investera 3.5 miljarder dollar i sin verksamhet i Rio Rancho, New Mexico för sin Foveros-teknologi. Amkor Technology tillkännagav också nyligen planer på att utöka kapaciteten i Bac Ninh, Vietnam nordost om Hanoi.

En stor del av detta problem för USA är att avancerad chipförpackning kräver så mycket produktionserfarenhet. När du först startar produktionen kommer avkastningen av bra färdiga förpackade chips sannolikt att vara låg, och när du gör mer förbättrar du hela tiden processen och avkastningen blir bättre. Big chip-kunder är i allmänhet inte villiga att riskera att använda nya inhemska leverantörer som kan ta lång tid att komma upp i denna avkastningskurva. Om du har ett lågt förpackningsutbyte kommer du att slänga chips som annars skulle vara bra. Varför ta chansen? Så även om vi gör mer avancerade chips i USA, kommer de förmodligen fortfarande att åka till Fjärran Östern för förpackning.

Boise, Idaho-baserade American Semiconductor, Inc. tar ett annat tillvägagångssätt. VD Doug Hackler förespråkar "livskraftig reshoring baserat på hållbar tillverkning." Istället för att jaga enbart avancerade chippaket som det som används för avancerade mikroprocessorer eller 5G-chips, är hans strategi att använda ny teknik och tillämpa den på äldre chip där det finns stor efterfrågan, vilket gör att företaget kan träna sina processer och lära sig. Äldre marker är mycket billigare också, så avkastningsförlust är inte lika mycket en fråga på liv och död. Hackler påpekar att 85 % av chipsen i en iPhone 11 använder äldre teknologier, till exempel tillverkade vid halvledarnoder på 40 nm eller äldre (vilket var den heta tekniken för ett decennium sedan). Faktum är att många av de chipbrister som för närvarande plågar bilindustrin och andra är för dessa äldre chip. Samtidigt försöker företaget tillämpa ny teknologi och automatisering i monteringsstegen, och erbjuder förpackningar i ultratunn chipskala genom att använda vad det kallar en halvledar-på-polymer-process (SoP) där en wafer full med form är bunden till en baksidans polymer och placeras sedan på en termoöverföringstejp. Efter testning med de vanliga automatiserade testarna, tärnas chipsen på tejphållarna och överförs till rullar eller andra format för höghastighetsautomatisk montering. Hackler tycker att denna förpackning borde vara attraktiv för tillverkare av Internet-of-Things (IoT)-enheter och wearables, två segment som kan konsumera stora volymer chips, men som inte är lika krävande på kiseltillverkningssidan.

Det som är tilltalande med Hacklers tillvägagångssätt är två saker. För det första, erkännandet av vikten av efterfrågan för att dra volym genom sin tillverkningslinje kommer att säkerställa att de får mycket övning för att förbättra avkastningen. För det andra använder de en ny teknik, och att åka på en teknikövergång är ofta en möjlighet att avsätta sittande makthavare. Nya aktörer har inte bagaget att vara bundna till befintliga processer eller anläggningar. 

American Semiconductor har fortfarande en lång väg kvar att gå, men tillvägagångssätt som detta kommer att bygga upp inhemska färdigheter och är ett praktiskt steg för att föra chipförpackningar till USA. Start.