Semikonduktor Amerika Mengambil Langkah Ke Arah Pembungkusan Cip Domestik AS

Kekurangan separa konduktor yang meluas sepanjang tahun lalu menyebabkan ramai orang menumpukan perhatian pada daya tahan rantaian bekalan, dengan seruan untuk meningkatkan pembuatan cip di AS Akta Inovasi dan Persaingan AS (USICA), yang meluluskan Senat Jun lalu, mencadangkan $52 bilion untuk membantu pengeluaran semikonduktor domestik, dan sedang menunggu tindakan House. Walaupun tumpuan utama bagi ramai orang adalah untuk mengembangkan bahagian domestik pengeluaran cip silikon, kita tidak seharusnya mengabaikan pembungkusan cip – proses penting untuk membungkus cip tersebut untuk melindunginya daripada kerosakan dan menjadikannya boleh digunakan dengan menyambungkan litar mereka ke dunia luar. Ini adalah bidang yang akan menjadi penting untuk daya tahan rantaian bekalan serta untuk mengekalkan kemajuan teknologi masa depan dalam elektronik. 

Pembungkusan adalah penting untuk menjadikan cip semikonduktor boleh digunakan

Cip litar bersepadu (IC) dihasilkan pada wafer silikon di kilang berbilion dolar yang dikenali sebagai "fab." Cip individu atau "mati" dihasilkan dalam corak berulang, dihasilkan dalam kelompok pada setiap wafer (dan merentas kelompok wafer). Wafer 300 mm (kira-kira 12 inci diameter), saiz yang biasanya digunakan dalam fabrik paling moden, mungkin membawa ratusan cip mikropemproses besar atau beribu-ribu cip pengawal kecil. Proses pengeluaran dibahagikan kepada fasa "hujung hadapan garisan" (FEOL) di mana berbilion-bilion transistor mikroskopik dan peranti lain dicipta dengan proses corak dan goresan dalam badan silikon, diikuti dengan "hujung belakang garisan. ” (BEOL) di mana jejaring kesan logam diletakkan untuk menyambung segala-galanya. Jejak itu terdiri daripada segmen menegak yang dipanggil "vias," yang seterusnya menyambungkan lapisan pendawaian mendatar. Jika anda mempunyai berbilion transistor pada cip (pemproses A13 iPhone 15 mempunyai 15 bilion), anda memerlukan berbilion wayar untuk menyambungkannya. Setiap individu mati mungkin mempunyai beberapa kilometer pendawaian secara keseluruhan apabila diregangkan, jadi kita boleh bayangkan bahawa proses BEOL agak rumit. Pada lapisan paling luar dadu (kadangkala mereka akan menggunakan bahagian belakang dadu serta bahagian depan), pereka meletakkan pad mikroskopik yang digunakan untuk menyambungkan cip ke dunia luar. 

Selepas wafer diproses, setiap cip secara individu "disiasat" dengan mesin ujian untuk mengetahui yang mana yang baik. Ini dipotong dan dimasukkan ke dalam bungkusan. Pakej menyediakan kedua-dua perlindungan fizikal untuk cip, serta cara untuk menyambung isyarat elektrik ke litar berbeza dalam cip. Selepas cip dibungkus, ia boleh diletakkan pada papan litar elektronik dalam telefon, komputer, kereta atau peranti lain anda. Sesetengah pakej ini perlu direka bentuk untuk persekitaran yang melampau, seperti di dalam petak enjin kereta atau di menara telefon bimbit. Yang lain mestilah sangat kecil untuk digunakan untuk peranti kompak dalam. Dalam semua kes pereka bentuk pakej perlu mempertimbangkan perkara seperti bahan untuk digunakan untuk meminimumkan tekanan atau keretakan acuan, atau untuk mengambil kira pengembangan haba dan bagaimana ini boleh menjejaskan kebolehpercayaan cip.

Teknologi terawal yang digunakan untuk menyambungkan cip silikon kepada petunjuk di dalam bungkusan ialah ikatan wayar, proses kimpalan suhu rendah. Dalam proses ini, wayar yang sangat halus (biasanya emas atau aluminium, walaupun perak dan tembaga juga digunakan) diikat pada satu hujung pada pad logam pada cip, dan pada hujung yang satu lagi pada terminal pada bingkai logam yang mengarah ke luar. . Proses ini telah dipelopori di Bell Labs pada tahun 1950-an, dengan wayar kecil ditekan di bawah tekanan ke dalam pad cip pada suhu tempat yang tinggi. Mesin pertama yang melakukan ini tersedia pada akhir 1950-an, dan pada pertengahan 1960-an, ikatan ultrasonik telah dibangunkan sebagai teknik alternatif.

Dari segi sejarah kerja ini dilakukan di Asia Tenggara kerana ia agak intensif buruh. Sejak itu, mesin automatik telah dibangunkan untuk melakukan ikatan wayar pada kelajuan yang sangat tinggi. Banyak teknologi pembungkusan baharu yang lain juga telah dibangunkan, termasuk satu yang dipanggil "cip flip." Dalam proses ini, tiang logam mikroskopik didepositkan (“terlanggar”) pada pad pada cip semasa ia masih berada pada wafer, dan kemudian selepas ujian die yang baik dibalikkan dan diselaraskan dengan pad yang dipadankan dalam bungkusan. Kemudian pateri dicairkan dalam proses pengaliran semula untuk menggabungkan sambungan. Ini adalah cara yang baik untuk membuat beribu-ribu sambungan sekaligus, walaupun anda perlu mengawal perkara dengan teliti untuk memastikan semua sambungan adalah baik. 

Baru-baru ini pembungkusan telah menarik lebih banyak perhatian. Ini kerana teknologi baharu tersedia, tetapi juga aplikasi baharu yang mendorong penggunaan cip. Yang paling utama ialah keinginan untuk meletakkan berbilang cip yang dibuat dengan teknologi berbeza bersama-sama dalam satu pakej, yang dipanggil cip sistem-dalam-pakej (SiP). Tetapi ia juga didorong oleh keinginan untuk menggabungkan pelbagai jenis peranti, contohnya antena 5G dalam pakej yang sama dengan cip radio, atau aplikasi kecerdasan buatan yang mana anda menyepadukan penderia dengan cip pengkomputeran. Faundri semikonduktor besar seperti TSMC bekerja dengan "cip" dan "pembungkusan kipas" juga, manakala Intel
INTC
mempunyai interkoneksi berbilang mati terbenam (EMIB) dan teknologi susun mati Foveros yang diperkenalkan dalam pemproses mudah alih Lakefield pada 2019.

Kebanyakan pembungkusan dilakukan oleh pengeluar kontrak pihak ketiga yang dikenali sebagai syarikat "pemasangan dan ujian penyumberan luar" (OSAT), dan pusat dunia mereka adalah di Asia. Pembekal OSAT terbesar ialah ASE of Taiwan, Amkor Technology
AMKR
beribu pejabat di Tempe, Arizona, Jiangsu Changjiang Electronics Tech Company (JCET) China (yang memperoleh STATS ChipPac yang berpangkalan di Singapura beberapa tahun yang lalu), dan Siliconware Precision Industries Co., Ltd. (SPIL) dari Taiwan, yang diperoleh oleh ASE dalam 2015. Terdapat banyak pemain lain yang lebih kecil, terutamanya di China, yang mengenal pasti OSAT sebagai industri strategik beberapa tahun lalu.

Sebab utama pembungkusan telah menarik perhatian sejak kebelakangan ini ialah wabak Covid-19 baru-baru ini di Vietnam dan Malaysia telah menyumbang dengan ketara kepada kemerosotan krisis bekalan cip semikonduktor, dengan penutupan kilang atau pengurangan kakitangan yang dikuatkuasakan oleh kerajaan tempatan memotong atau mengurangkan pengeluaran selama berminggu-minggu. masa. Walaupun kerajaan AS melabur dalam subsidi untuk menggalakkan pembuatan semikonduktor domestik, kebanyakan cip siap itu masih akan pergi ke Asia untuk pembungkusan, kerana di situlah industri dan rangkaian pembekal berada dan di mana asas kemahiran berada. Oleh itu Intel mengeluarkan cip mikropemproses di Hillsboro, Oregon atau Chandler, Arizona, tetapi ia menghantar wafer siap ke kilang di Malaysia, Vietnam atau Chengdu, China untuk ujian dan pembungkusan.

Bolehkah pembungkusan cip ditubuhkan di AS?

Terdapat cabaran besar untuk membawa pembungkusan cip ke AS, kerana kebanyakan industri meninggalkan pantai Amerika hampir setengah abad yang lalu. Bahagian Amerika Utara dalam pengeluaran pembungkusan global hanya sekitar 3%. Ini bermakna rangkaian pembekal untuk peralatan pembuatan, bahan kimia (seperti substrat dan bahan lain yang digunakan dalam pakej), bingkai utama dan yang paling penting asas kemahiran bakat berpengalaman untuk bahagian volum tinggi perniagaan belum wujud di AS untuk masa yang lama. Intel baru sahaja mengumumkan pelaburan $7 bilion dalam kilang pembungkusan dan ujian baharu di Malaysia, walaupun ia juga mengumumkan rancangan untuk melabur $3.5 bilion dalam operasi Rio Rancho, New Mexico untuk teknologi Foverosnya. Amkor Technology juga baru-baru ini mengumumkan rancangan untuk mengembangkan kapasiti di Bac Ninh, Vietnam timur laut Hanoi.

Sebahagian besar masalah ini untuk AS ialah pembungkusan cip lanjutan memerlukan banyak pengalaman pengeluaran. Apabila anda mula-mula memulakan pengeluaran, hasil cip siap dibungkus yang baik mungkin akan rendah, dan apabila anda membuat lebih banyak, anda sentiasa memperbaiki proses dan hasil menjadi lebih baik. Pelanggan cip besar secara amnya tidak akan sanggup mengambil risiko menggunakan pembekal domestik baharu yang mungkin mengambil masa yang lama untuk menghasilkan keluk hasil ini. Jika anda mempunyai hasil pembungkusan yang rendah, anda akan membuang kerepek yang sebaliknya bagus. Mengapa mengambil peluang? Oleh itu, walaupun kita membuat cip yang lebih maju di AS, mereka mungkin masih akan pergi ke Timur Jauh untuk pembungkusan.

Boise, American Semiconductor, Inc. yang berpangkalan di Idaho mengambil pendekatan berbeza. Ketua Pegawai Eksekutif Doug Hackler memihak kepada "penyusunan semula yang berdaya maju berdasarkan pembuatan yang berdaya maju." Daripada mengejar hanya pembungkusan cip mewah seperti yang digunakan untuk mikropemproses termaju atau cip 5G, strateginya ialah menggunakan teknologi baharu dan menerapkannya pada cip warisan yang terdapat banyak permintaan, yang akan membolehkan syarikat mempraktikkan prosesnya dan belajar. Cip warisan juga jauh lebih murah, jadi kehilangan hasil bukanlah isu hidup dan mati. Hackler menegaskan bahawa 85% daripada cip dalam iPhone 11 menggunakan teknologi lama, contohnya dihasilkan pada nod semikonduktor 40 nm atau lebih lama (yang merupakan teknologi hangat sedekad lalu). Malah, banyak kekurangan cip yang sedang melanda industri automotif dan lain-lain adalah untuk cip warisan ini. Pada masa yang sama, syarikat itu cuba menggunakan teknologi dan automasi baharu pada langkah pemasangan, menawarkan pembungkusan skala cip ultra-nipis menggunakan apa yang dipanggil proses semikonduktor pada polimer (SoP) di mana wafer yang penuh dengan die diikat pada polimer bahagian belakang dan kemudian diletakkan pada pita pemindahan haba. Selepas ujian dengan penguji automatik yang biasa, cip dipotong dadu pada pembawa pita, dan dipindahkan ke gulungan atau format lain untuk pemasangan automatik berkelajuan tinggi. Hackler berpendapat pembungkusan ini sepatutnya menarik kepada pengeluar peranti Internet-of-Things (IoT) dan boleh pakai, dua segmen yang boleh menggunakan volum cip yang besar, tetapi tidak begitu menuntut di bahagian fabrikasi silikon.

Apa yang menarik tentang pendekatan Hackler ialah dua perkara. Pertama, pengiktirafan kepentingan permintaan untuk menarik volum melalui barisan pembuatannya akan memastikan bahawa mereka mendapat banyak amalan mengenai peningkatan hasil. Kedua, mereka menggunakan teknologi baharu, dan menunggang peralihan teknologi selalunya merupakan peluang untuk menyingkirkan penyandangnya. Peserta baharu tidak mempunyai beban untuk terikat dengan proses atau kemudahan sedia ada. 

American Semiconductor masih jauh lagi, tetapi pendekatan seperti ini akan membina kemahiran domestik, dan merupakan langkah praktikal untuk membawa pembungkusan cip ke AS Jangan harap mewujudkan keupayaan domestik menjadi cepat, tetapi ia bukanlah tempat yang buruk untuk mulakan.