Американдық жартылай өткізгіш АҚШ-тың отандық чипті қаптамасына қадам жасауда

Өткен жылы жартылай өткізгіштердің кең тараған тапшылығы АҚШ-та чип өндірісін ұлғайтуға шақырумен көптеген адамдардың жеткізілім тізбегінің тұрақтылығына назар аударуына себеп болды, өткен маусымда Сенатта қабылданған АҚШ-тың Инновациялар және бәсекелестік туралы заңы (USICA) көмекке 52 миллиард доллар ұсынады. отандық жартылай өткізгіш өндірісі және үй әрекетін күтуде. Көптеген адамдар үшін басты назар кремний чиптері өндірісінің отандық үлесін арттыруға бағытталғанымен, біз чиптерді қаптамаға назар аудармауымыз керек - бұл чиптерді зақымданудан қорғау және олардың схемаларын қосу арқылы пайдалануға жарамды ету үшін оларды инкапсуляциялаудың маңызды процесі. сыртқы әлем. Бұл жеткізу тізбегінің тұрақтылығы үшін де, электроникадағы болашақ технологиялық жетістіктерді қолдау үшін де маңызды болатын сала. 

Жартылай өткізгіш микросхемаларды қолдануға жарамды ету үшін орау өте маңызды

Интегралды схема (IC) чиптері «фаб» деп аталатын миллиардтаған долларлық зауыттарда кремний пластинасында шығарылады. Жеке чиптер немесе «өлім» қайталанатын үлгілерде шығарылады, әрбір вафлиде (және пластиналар партиялары бойынша) партиялармен өндіріледі. 300 мм вафли (диаметрі шамамен 12 дюйм), әдетте ең заманауи фабрикаларда қолданылатын өлшем жүздеген үлкен микропроцессорлық чиптерді немесе мыңдаған кішкентай контроллер чиптерін тасымалдауы мүмкін. Өндіріс процесі «желінің алдыңғы шеті» (FEOL) фазасына бөлінген, оның барысында кремний корпусындағы үлгілеу және сызу процестерімен миллиардтаған микроскопиялық транзисторлар мен басқа құрылғылар жасалады, содан кейін «желдің артқы ұшы». ” (BEOL) барлығын қосу үшін металл іздерінің торы төселген. Іздер «арналар» деп аталатын тік сегменттерден тұрады, олар өз кезегінде сымдардың көлденең қабаттарын байланыстырады. Егер чипте миллиардтаған транзисторлар болса (iPhone 13-тің A15 процессорында 15 миллиард бар), оларды қосу үшін сізге миллиардтаған сым қажет. Әрбір жеке штампта созылған кезде барлығы бірнеше километр сым болуы мүмкін, сондықтан біз BEOL процестері өте күрделі деп елестете аламыз. Қалыптың өте сыртқы қабатында (кейде олар матрицаның артқы жағын да, алдыңғы жағын да пайдаланады) дизайнерлер микроскопиялық төсемдерді қояды, олар чипті сыртқы әлемге қосу үшін қолданылады. 

Вафельді өңдегеннен кейін, фишкалардың әрқайсысының қайсысы жақсы екенін анықтау үшін сынақ машинасымен жеке «зондталады». Олар кесіліп, пакеттерге салынады. Пакет чиптің физикалық қорғанысын, сондай-ақ микросхемадағы әртүрлі тізбектерге электр сигналдарын қосу құралын қамтамасыз етеді. Чип оралғаннан кейін оны телефондағы, компьютердегі, көліктегі немесе басқа құрылғылардағы электронды платаларға салуға болады. Бұл пакеттердің кейбірі көліктің қозғалтқыш бөлігінде немесе ұялы телефон мұнарасында сияқты төтенше жағдайларға арналған. Басқалары ықшам құрылғылардың ішінде пайдалану үшін өте кішкентай болуы керек. Барлық жағдайларда қаптама дизайнері матрицаның кернеуін немесе крекингін азайту немесе термиялық кеңеюді және бұл чиптің сенімділігіне қалай әсер ететінін есепке алу үшін қолданылатын материалдар сияқты нәрселерді қарастыруы керек.

Кремний чипін қаптаманың ішіндегі сымдарға қосу үшін қолданылған ең ерте технология болды сымды байланыстыру, төмен температурадағы дәнекерлеу процесі. Бұл процесте өте жұқа сымдар (әдетте алтын немесе алюминий, бірақ күміс пен мыс да қолданылады) бір жағынан чиптегі металл төсемдерге, ал екінші жағынан сыртына апаратын металл жақтаудағы терминалдарға бекітіледі. . Процесс 1950 жылдары Bell Labs-те пайда болды, шағын сымдар жоғары нүктелік температурада чип алаңдарына қысыммен басылды. Мұны жасайтын алғашқы машиналар 1950 жылдардың соңында қол жетімді болды, ал 1960 жылдардың ортасында ультрадыбыстық байланыс балама әдіс ретінде жасалды.

Тарихи тұрғыдан бұл жұмыс Оңтүстік-Шығыс Азияда жасалды, өйткені ол өте көп еңбекті қажет етті. Содан бері сымды байланыстыруды өте жоғары жылдамдықпен орындау үшін автоматтандырылған машиналар жасалды. Көптеген жаңа орауыш технологиялары да әзірленді, соның ішінде «флип чип» деп аталатын. Бұл процесте микроскопиялық металл тіректер микроскопиялық пластиналар әлі вафлиде тұрғанда чиптегі төсемдерге салынады («соғылады»), содан кейін сынаудан кейін жақсы матриц аударылып, пакеттегі сәйкес төсемдермен тураланады. Содан кейін қосылымдарды балқыту үшін дәнекерлеу қайта ағу процесінде балқытылады. Бұл бірден мыңдаған қосылымдарды жасаудың жақсы жолы, дегенмен барлық қосылымдардың жақсы екеніне көз жеткізу үшін заттарды мұқият бақылау керек. 

Жақында қаптамаға көбірек назар аударылды. Бұл жаңа технологиялардың қолжетімді болуына байланысты, сонымен қатар чиптерді пайдалануды ынталандыратын жаңа қолданбалар. Ең бастысы, әртүрлі технологиялармен жасалған бірнеше чиптерді бір пакетте біріктіруге деген ұмтылыс, жүйедегі жүйе (SiP) чиптері деп аталады. Бірақ бұл сонымен қатар әртүрлі құрылғыларды, мысалы, радиочиппен бір пакеттегі 5G антеннасын немесе сенсорларды есептеу чиптерімен біріктіретін жасанды интеллект қолданбаларын біріктіруге деген ұмтылыспен байланысты. TSMC сияқты ірі жартылай өткізгіш құю зауыттары «чиплеттермен» және «желдеткіш қаптамамен» жұмыс істейді, ал Intel
INTC
2019 жылы Lakefield мобильді процессорында енгізілген ендірілген мульти-дие интерконнекті (EMIB) және Foveros штепсельдік технологиясы бар.

Қаптаманың көпшілігін «аутсорсингтік құрастыру және сынақ» (OSAT) компаниялары деп аталатын үшінші тарап келісім-шарт өндірушілері жасайды және олардың әлемінің орталығы Азияда. Ең ірі OSAT жеткізушілері - ASE of Taiwan, Amkor Technology
АМҚР
штаб-пәтері Аризона штатының Темпе қаласында орналасқан, Қытайдың Jiangsu Changjiang Electronics Tech Company (JCET) (бірнеше жыл бұрын Сингапурда орналасқан STATS ChipPac сатып алған) және Тайваньдағы Siliconware Precision Industries Co., Ltd. (SPIL), ASE жылы сатып алған. 2015. Көптеген кішігірім ойыншылар бар, әсіресе Қытайда, олар бірнеше жыл бұрын OSAT-ты стратегиялық сала ретінде анықтады.

Жақында қаптаманың назарын аударған басты себебі - Вьетнам мен Малайзиядағы соңғы Ковид-19 індеттері жартылай өткізгіш чиптерді жеткізу дағдарысының нашарлауына айтарлықтай ықпал етті, зауыттың жабылуы немесе жергілікті үкіметтер бірнеше апта бойы өндірісті тоқтатты немесе қысқартты. уақыт. Тіпті АҚШ үкіметі отандық жартылай өткізгіш өндірісін дамыту үшін субсидияларға инвестиция салса да, бұл дайын чиптердің көпшілігі әлі де орау үшін Азияға барады, өйткені бұл сала мен жеткізушілер желілері және біліктілік базасы қай жерде орналасқан. Осылайша, Intel микропроцессорлық чиптерді Хилсборода, Орегонда немесе Чандлерде, Аризонада шығарады, бірақ ол дайын пластиналарды сынақ және орау үшін Малайзия, Вьетнам немесе Чэнду, Қытайдағы зауыттарға жібереді.

АҚШ-та чипті қаптаманы орнатуға болады ма?

Чипті қаптамаларды АҚШ-қа жеткізуде айтарлықтай қиындықтар бар, өйткені өнеркәсіптің көпшілігі жарты ғасыр бұрын Америка жағалауларын тастап кеткен. Дүниежүзілік орауыш өндірісіндегі Солтүстік Америка үлесі бар болғаны 3% құрайды. Бұл жабдықты, химиялық заттарды (мысалы, қаптамаларда қолданылатын субстраттар мен басқа материалдар), қорғасын жақтауларын және ең бастысы бизнестің жоғары көлемі үшін тәжірибелі таланттардың біліктілік базасы үшін жеткізушілер желілері АҚШ-та бұрыннан болмағанын білдіреді. ұзақ уақыт. Intel жаңа ғана Малайзиядағы жаңа орау және сынақ зауытына 7 миллиард доллар инвестиция салғанын жариялады, бірақ ол сонымен бірге өзінің Foveros технологиясы үшін Рио-Ранчо, Нью-Мексикодағы операцияларына 3.5 миллиард доллар инвестициялауды жоспарлап отырғанын хабарлады. Амкор Технологиясы жақында Ханойдан солтүстік-шығысқа қарай Вьетнамдағы Бак Нинь қаласында қуатты кеңейту жоспарын жариялады.

АҚШ үшін бұл мәселенің үлкен бөлігі - жетілдірілген чипті қаптаманың өндіріс тәжірибесі соншалықты көп болуы керек. Өндірісті алғаш рет бастағанда, жақсы дайын буып-түйілген чиптердің шығымы төмен болуы мүмкін және сіз көбірек жасаған сайын процесті үнемі жақсартасыз және кірістілік жақсарады. Үлкен чипті тұтынушылар, әдетте, кірістілік қисығына жету үшін көп уақытты алуы мүмкін жаңа отандық жеткізушілерді пайдалану тәуекелін қабылдамайды. Егер сізде орауыш өнімділігі төмен болса, сіз әйтпесе жақсы болатын чиптерді лақтырып жібересіз. Неліктен мүмкіндікті пайдалану керек? Осылайша, біз АҚШ-та жетілдірілген чиптерді жасасақ та, олар орау үшін Қиыр Шығысқа баруы мүмкін.

Бойсе, Айдахо штатында орналасқан American Semiconductor, Inc. басқа көзқарасты ұстанады. Бас директор Даг Хаклер «өмірге қабілетті өндіріске негізделген өміршең қайта құруды» қолдайды. Жетілдірілген микропроцессорлар немесе 5G чиптері үшін қолданылатын жоғары деңгейлі чиптерді ғана емес, оның стратегиясы жаңа технологияны пайдалану және оны сұраныс көп болатын ескі чиптерге қолдану болып табылады, бұл компанияға өз процестерін тәжірибеде қолдануға мүмкіндік береді және үйрену. Бұрынғы чиптер де әлдеқайда арзанырақ, сондықтан кірісті жоғалту өмір мен өлім мәселесі емес. Хаклер iPhone 85 чиптерінің 11%-ы ескі технологияларды, мысалы, 40 нм немесе одан жоғары жартылай өткізгіш түйіндерде жасалғанын (бұл он жыл бұрын ыстық технология болған) қолданатынын атап көрсетеді. Шынында да, қазіргі уақытта автомобиль өнеркәсібін мазалап жүрген чип тапшылығының көпшілігі, ал басқалары осы ескі чиптерге арналған. Сонымен қатар, компания жаңа технология мен автоматтандыруды құрастыру қадамдарына қолдануға тырысады, ол полимердегі жартылай өткізгіш (SoP) деп аталатын процесті қолдана отырып, ультра жұқа чипті масштабты қаптаманы ұсынады, онда матрица толтырылған вафли жабыстырылады. артқы жағындағы полимер, содан кейін жылу тасымалдағыш таспаға салынады. Кәдімгі автоматтандырылған тестерлермен тестілеуден кейін чиптер таспа тасымалдаушыларда текшелерге кесіледі және жоғары жылдамдықты автоматтандырылған құрастыру үшін катушкаларға немесе басқа форматтарға ауыстырылады. Хаклердің пікірінше, бұл қаптама Интернет-заттар (IoT) құрылғылары мен киетін құрылғылар өндірушілері үшін тартымды болуы керек, үлкен көлемдегі чиптерді тұтынуы мүмкін екі сегмент, бірақ кремний өндірісі жағынан талап етілмейді.

Хаклердің көзқарасының тартымдылығы екі нәрсе. Біріншіден, оның өндірістік желісі арқылы көлемді тартуға сұраныстың маңыздылығын мойындау олардың кірістілігін арттыру бойынша көп тәжірибе алуын қамтамасыз етеді. Екіншіден, олар жаңа технологияны пайдаланады және технологияға көшу көбінесе лауазымды тұлғаларды босату мүмкіндігі болып табылады. Жаңадан қатысушылардың бар процестермен немесе қондырғылармен байланыстырылатын багажы жоқ. 

Американдық жартылай өткізгіштің әлі көп жолы бар, бірақ мұндай тәсілдер отандық дағдыларды қалыптастырады және чипті қаптаманы АҚШ-қа жеткізудің практикалық қадамы болып табылады. Отандық мүмкіндікті тез орнатуды күтпеңіз, бірақ бұл жаман жер емес. бастау.