Gjysmëpërçuesi Amerikan po bën një hap drejt paketimit të çipeve të brendshme amerikane

Mungesa e përhapur e gjysmëpërçuesve gjatë vitit të kaluar ka bërë që shumë njerëz të fokusohen në qëndrueshmërinë e zinxhirit të furnizimit, me thirrjet për të rritur prodhimin e çipave në SHBA. Akti i Inovacionit dhe Konkurrencës në SHBA (USICA), i cili miratoi Senatin qershorin e kaluar, propozon 52 miliardë dollarë për ndihmë. prodhim vendas gjysmëpërçues, dhe është në pritje të veprimit të Shtëpisë. Ndërsa fokusi kryesor për shumë njerëz është rritja e pjesës së brendshme të prodhimit të çipave të silikonit, ne nuk duhet të anashkalojmë paketimin e çipave - procesi thelbësor i kapsulimit të atyre çipave në mënyrë që t'i mbrojmë nga dëmtimet dhe t'i bëjmë ato të përdorshme duke i lidhur qarkun e tyre me Bota e jashtme. Kjo është një fushë që do të jetë e rëndësishme si për elasticitetin e zinxhirit të furnizimit, ashtu edhe për të mbështetur përparimet e ardhshme teknologjike në elektronikë. 

Paketimi është thelbësor për t'i bërë të përdorshëm çipat gjysmëpërçues

Çipat e qarkut të integruar (IC) prodhohen në vafera silikoni në fabrikat me shumë miliardë dollarë të njohura si "fabs". Patate të skuqura individuale ose "die" prodhohen në modele të përsëritura, të prodhuara në tufa në secilën vaferë (dhe nëpër tufa vaferash). Një vafer 300 mm (rreth 12 inç në diametër), madhësia e përdorur zakonisht në fabrikat më moderne, mund të mbajë qindra çipa të mëdhenj mikroprocesorësh ose mijëra çipa të vegjël kontrollues. Procesi i prodhimit është i segmentuar në një fazë të "fundit të përparmë të linjës" (FEOL) gjatë së cilës krijohen miliarda transistorë mikroskopikë dhe pajisje të tjera me procese modelimi dhe gravimi në trupin e silikonit, të ndjekur nga "fundi i pasmë i linjës". ” (BEOL) në të cilën është hedhur një rrjetë gjurmësh metalike për të lidhur gjithçka. Gjurmët përbëhen nga segmente vertikale të quajtura "vias", të cilat nga ana e tyre lidhin shtresat horizontale të instalimeve elektrike. Nëse keni miliarda transistorë në një çip (procesori A13 i iPhone 15 ka 15 miliardë), ju nevojiten shumë miliarda tela për t'i lidhur ato. Çdo vegël individuale mund të ketë disa kilometra instalime elektrike në total kur shtrihet, kështu që ne mund të imagjinojmë se proceset BEOL janë mjaft komplekse. Në shtresën shumë të jashtme të mbulesës (ndonjëherë ata do të përdorin pjesën e pasme të mbulesës si dhe pjesën e përparme), projektuesit vendosin jastëkë mikroskopikë që përdoren për të lidhur çipin me botën e jashtme. 

Pas përpunimit të meshës, secila prej çipave "hetohet" individualisht me një makinë testimi për të gjetur se cilat janë të mira. Këto priten dhe futen në pako. Një paketë siguron mbrojtje fizike për çipin, si dhe një mjet për të lidhur sinjalet elektrike me qarqet e ndryshme në çip. Pasi një çip paketohet, ai mund të vendoset në bordet e qarkut elektronik në telefonin, kompjuterin, makinën ose pajisje të tjera. Disa nga këto paketa duhet të projektohen për mjedise ekstreme, si në ndarjen e motorit të një makine ose në një kullë telefoni celular. Të tjerat duhet të jenë jashtëzakonisht të vogla për t'u përdorur për pajisjet e brendshme kompakte. Në të gjitha rastet, projektuesi i paketimit duhet të marrë në konsideratë gjëra të tilla si materialet për t'u përdorur për të minimizuar stresin ose plasaritjen e materialit, ose për të llogaritur zgjerimin termik dhe se si kjo mund të ndikojë në besueshmërinë e çipit.

Teknologjia më e hershme e përdorur për të lidhur çipin e silikonit me kapakët brenda paketës ishte lidhjen e telit, një proces saldimi në temperaturë të ulët. Në këtë proces, telat shumë të imët (zakonisht ari ose alumini, megjithëse përdoren gjithashtu argjendi dhe bakri) lidhen në njërin skaj me jastëkët metalikë në çip dhe në anën tjetër me terminalet në një kornizë metalike që ka plumba nga jashtë. . Procesi u nis në Bell Labs në vitet 1950, me tela të vegjël të shtypur nën presion në pllakat e çipave në temperatura të larta pikash. Makineritë e para për ta bërë këtë u bënë të disponueshme në fund të viteve 1950, dhe nga mesi i viteve 1960, lidhja tejzanor u zhvillua si një teknikë alternative.

Historikisht kjo punë është bërë në Azinë Juglindore sepse ishte mjaft intensive. Që atëherë, makinat e automatizuara janë zhvilluar për të bërë lidhjen e telit me shpejtësi shumë të larta. Janë zhvilluar gjithashtu shumë teknologji të tjera më të reja të paketimit, duke përfshirë një të quajtur "çip rrotullues". Në këtë proces, shtyllat metalike mikroskopike depozitohen ("përplasen") mbi jastëkët në çip ndërsa ai është ende në vafer, dhe më pas, pas testimit, mbulesa e mirë rrokulliset dhe rreshtohet me jastëkët e përputhur në një paketë. Pastaj saldimi shkrihet në një proces ripërtëritjeje për të bashkuar lidhjet. Kjo është një mënyrë e mirë për të krijuar mijëra lidhje të gjitha menjëherë, megjithëse duhet t'i kontrolloni gjërat me kujdes për t'u siguruar që të gjitha lidhjet janë të mira. 

Kohët e fundit paketimi ka tërhequr më shumë vëmendje. Kjo për shkak se teknologjitë e reja po bëhen të disponueshme, por edhe aplikacionet e reja që po nxisin përdorimin e çipit. Kryesorja është dëshira për të vendosur çipa të shumtë të prodhuar me teknologji të ndryshme së bashku në një paketë të vetme, të ashtuquajturat çipa sistem-në-paketë (SiP). Por është gjithashtu duke u nxitur nga dëshira për të kombinuar lloje të ndryshme pajisjesh, për shembull një antenë 5G në të njëjtën paketë me çipin e radios, ose aplikacione të inteligjencës artificiale në të cilat integroni sensorë me çipat informatikë. Fonderitë e mëdha gjysmëpërçuese si TSMC po punojnë gjithashtu me "chiplets" dhe "paketime të ndezura", ndërsa Intel
INTC
ka ndërlidhjen e saj të integruar të shumëfishtë (EMIB) dhe teknologjinë e grumbullimit të kapakut Foveros të prezantuar në procesorin e tij celular Lakefield në 2019.

Shumica e paketimeve bëhen nga prodhues të kontratave të palëve të treta të njohura si kompanitë e "montimit dhe testimit me burime të jashtme" (OSAT), dhe qendra e botës së tyre është në Azi. Furnizuesit më të mëdhenj të OSAT janë ASE të Tajvanit, Amkor Technology
AMKR
me seli në Tempe, Arizona, Jiangsu Changjiang Electronics Tech Company (JCET) e Kinës (e cila bleu STATS ChipPac me bazë në Singapor disa vite më parë) dhe Siliconware Precision Industries Co., Ltd. (SPIL) e Tajvanit, e blerë nga ASE në 2015. Ka shumë lojtarë të tjerë më të vegjël, veçanërisht në Kinë, që e identifikoi OSAT-in si një industri strategjike disa vite më parë.

Një arsye kryesore pse paketimi ka tërhequr vëmendjen kohët e fundit është se shpërthimet e fundit të Covid-19 në Vietnam dhe Malajzi kanë kontribuar ndjeshëm në përkeqësimin e krizës së furnizimit me çipa gjysmëpërçues, me mbylljen e impianteve ose reduktimin e personelit të detyruar nga qeveritë lokale që ndërpresin ose reduktojnë prodhimin për javë të tëra. një kohë. Edhe nëse qeveria e SHBA investon në subvencione për të nxitur prodhimin vendas të gjysmëpërçuesve, shumica e atyre çipave të përfunduar do të udhëtojnë ende në Azi për paketim, pasi aty janë rrjetet e industrisë dhe furnizuesve dhe ku është baza e aftësive. Kështu, Intel prodhon çipa mikroprocesorësh në Hillsboro, Oregon ose Chandler, Arizona, por dërgon vafera të gatshme në fabrikat në Malajzi, Vietnam ose Chengdu, Kinë për testim dhe paketim.

A mund të vendoset paketimi i çipave në SHBA?

Ka sfida të rëndësishme për të sjellë paketimin e çipave në SHBA, pasi shumica e industrisë u larguan nga brigjet amerikane afër gjysmë shekulli më parë. Pjesa e Amerikës së Veriut në prodhimin global të paketimit është vetëm rreth 3%. Kjo do të thotë se rrjetet e furnitorëve për prodhimin e pajisjeve, kimikateve (si substratet dhe materialet e tjera të përdorura në paketa), kornizat e plumbit dhe më e rëndësishmja, një bazë aftësish me talent me përvojë për pjesën e vëllimit të lartë të biznesit nuk kanë ekzistuar në SHBA për nje kohe e gjate. Intel sapo njoftoi një investim prej 7 miliardë dollarësh në një fabrikë të re paketimi dhe testimi në Malajzi, megjithëse njoftoi gjithashtu planet për të investuar 3.5 miliardë dollarë në operacionet e saj në Rio Rancho, New Mexico për teknologjinë e saj Foveros. Amkor Technology gjithashtu njoftoi së fundmi planet për të zgjeruar kapacitetin në Bac Ninh, Vietnami në verilindje të Hanoi.

Një pjesë e madhe e këtij problemi për SHBA-në është se paketimi i avancuar i çipave kërkon kaq shumë përvojë prodhimi. Kur të filloni prodhimin për herë të parë, rendimenti i patate të skuqura të paketuara të gatshme ka të ngjarë të jetë i ulët, dhe ndërsa bëni më shumë, ju vazhdimisht e përmirësoni procesin dhe rendimenti bëhet më i mirë. Klientët e mëdhenj të çipave në përgjithësi nuk do të jenë të gatshëm të rrezikojnë të përdorin furnitorë të rinj vendas, të cilëve mund t'u duhet shumë kohë për të arritur këtë kurbë yield-i. Nëse keni një rendiment të ulët të ambalazhit, do të hidhni patate të skuqura që përndryshe do të ishin të mira. Pse të shfrytëzohet shansi? Kështu, edhe nëse bëjmë çipa më të avancuar në SHBA, ata me siguri do të vazhdojnë të shkojnë në Lindjen e Largët për paketim.

American Semiconductor, Inc. me bazë në Boise, Idaho, po merr një qasje të ndryshme. CEO Doug Hackler favorizon "rishortimin e qëndrueshëm bazuar në prodhimtarinë e qëndrueshme". Në vend që të ndjekë vetëm paketimin e çipave të nivelit të lartë si ai i përdorur për mikroprocesorët e avancuar ose çipat 5G, strategjia e tij është të përdorë teknologjinë e re dhe ta zbatojë atë në çipat e vjetër ku ka shumë kërkesa, gjë që do t'i lejojë kompanisë të praktikojë proceset e saj dhe mësojnë. Çipat e vjetër janë gjithashtu shumë më të lirë, kështu që humbja e rendimentit nuk është edhe aq një çështje për jetë a vdekje. Hackler thekson se 85% e çipave në një iPhone 11 përdorin teknologji më të vjetra, për shembull të prodhuara në nyje gjysmëpërçuese prej 40 nm ose më të vjetër (që ishte teknologjia e nxehtë një dekadë më parë). Në të vërtetë, shumë nga mungesat e çipave që rrënojnë aktualisht industrinë e automjeteve dhe të tjera janë për këto çipa të trashëguara. Në të njëjtën kohë, kompania po përpiqet të aplikojë teknologji të re dhe automatizim në hapat e montimit, duke ofruar paketim me shkallë ultra të hollë të çipit duke përdorur atë që e quan një proces gjysmëpërçues në polimer (SoP) në të cilin një vaferë e mbushur me mace është e lidhur me një polimer në anën e pasme dhe më pas vendoset në një shirit transferues termik. Pas testimit me testuesit e zakonshëm të automatizuar, çipat priten në kubikë në mbajtëset e shiritit dhe transferohen në bobina ose formate të tjera për montim të automatizuar me shpejtësi të lartë. Hackler mendon se ky paketim duhet të jetë tërheqës për prodhuesit e pajisjeve dhe pajisjeve të veshjes "Internet-of-Things" (IoT), dy segmente që mund të konsumojnë vëllime të mëdha çipash, por nuk janë aq kërkues në anën e fabrikimit të silikonit.

Ajo që është tërheqëse në lidhje me qasjen e Hackler janë dy gjëra. Së pari, njohja e rëndësisë së kërkesës për të tërhequr volumin përmes linjës së tij prodhuese do të sigurojë që ata të kenë shumë praktikë për përmirësimin e rendimentit. Së dyti, ata po përdorin një teknologji të re dhe kalimi në një tranzicion teknologjik është shpesh një mundësi për të rrëzuar drejtuesit aktualë. Hyrësit e rinj nuk e kanë bagazhin për t'u lidhur me proceset ose objektet ekzistuese. 

American Semiconductor ka ende një rrugë të gjatë për të bërë, por qasje si kjo do të ndërtojnë aftësitë e brendshme dhe janë një hap praktik për të sjellë paketimin e çipave në SHBA. Mos prisni që krijimi i kapaciteteve vendase të jetë i shpejtë, por nuk është një vend i keq për filloni.