American Semiconductor עושה צעד לקראת אריזת שבבים מקומיים בארה"ב

מחסור נרחב במוליכים למחצה במהלך השנה האחרונה גרם לאנשים רבים להתמקד בחוסן שרשרת האספקה, עם קריאות להגדלת ייצור השבבים בארה"ב. חוק החדשנות והתחרות בארה"ב (USICA), שעבר בסנאט ביוני האחרון, מציע 52 מיליארד דולר לסיוע ייצור מוליכים למחצה מקומי, והוא ממתין לפעולת הבית. בעוד שההתמקדות העיקרית עבור אנשים רבים היא על הגדלת נתח הייצור המקומי של שבבי סיליקון, אל לנו להתעלם מאריזת השבבים - התהליך החיוני של מעטפת אותם שבבים על מנת להגן עליהם מפני נזק ולהפוך אותם לשימושים על ידי חיבור המעגלים שלהם ל-. עולם חיצוני. זהו תחום שהולך להיות חשוב הן לגמישות שרשרת האספקה ​​והן לשמירה על התקדמות טכנולוגית עתידית בתחום האלקטרוניקה. 

אריזה חיונית להפיכת שבבי מוליכים למחצה לשימושים

שבבי מעגלים משולבים (IC) מיוצרים על פרוסות סיליקון במפעלים של מיליארדי דולרים הידועים בשם "fabs". השבבים הבודדים או ה"מת" מיוצרים בדפוסים חוזרים, מיוצרים בקבוצות על כל רקיק (ולרוחב קבוצות של פרוסות). רקיק בגודל 300 מ"מ (בערך 12 אינץ' בקוטר), בגודל המשמש בדרך כלל בייצורים המודרניים ביותר, עשוי לשאת מאות שבבי מיקרו-מעבד גדולים, או אלפי שבבי בקר זעירים. תהליך הייצור מפולח לשלב "קצה הקצה של הקו" (FEOL) שבמהלכו נוצרים מיליארדי טרנזיסטורים מיקרוסקופיים והתקנים אחרים עם תהליכי דפוס וחריטה בגוף הסיליקון, ואחריו "קצה אחורי של הקו". ” (BEOL) שבה מונח רשת של עקבות מתכת כדי לחבר הכל. העקבות מורכבות מקטעים אנכיים הנקראים "vias", אשר בתורם מחברים שכבות אופקיות של חיווט. אם יש לך מיליארדי טרנזיסטורים על שבב (למעבד A13 של האייפון 15 יש 15 מיליארד), אתה צריך מיליארדים רבים של חוטים כדי לחבר אותם. לכל קובייה בודדת עשוי להיות מספר קילומטרים של חיווט בסך הכל כאשר הוא מתוח, כך שאנו יכולים לדמיין שתהליכי BEOL הם די מורכבים. על השכבה החיצונית מאוד של הקוביה (לפעמים הם ישתמשו בחלק האחורי של הקובייה כמו גם בחלק הקדמי), המעצבים שמים רפידות מיקרוסקופיות המשמשות לחיבור השבב לעולם החיצון. 

לאחר עיבוד הפרוסה, כל אחד מהשבבים "נבדק" בנפרד במכונת בדיקה כדי לגלות אילו מהם טובים. אלה נחתכים ומכניסים לאריזות. חבילה מספקת הן הגנה פיזית לשבב, כמו גם אמצעי לחיבור אותות חשמליים למעגלים השונים בשבב. לאחר אריזת שבב ניתן למקם אותו על לוחות מעגלים אלקטרוניים בטלפון, במחשב, במכונית או במכשירים אחרים. חלק מהחבילות הללו צריכות להיות מיועדות לסביבות קיצוניות, כמו בתא המנוע של מכונית או במגדל טלפון סלולרי. אחרים צריכים להיות קטנים במיוחד לשימוש עבור התקנים קומפקטיים. בכל המקרים על מעצב החבילה לשקול דברים כמו חומרים לשימוש כדי למזער את הלחץ או הסדק של התבנית, או לקחת בחשבון את ההתפשטות התרמית וכיצד זה עשוי להשפיע על מהימנות השבב.

הטכנולוגיה המוקדמת ביותר ששימשה לחיבור שבב הסיליקון ללידים שבתוך האריזה הייתה חיבור חוט, תהליך ריתוך בטמפרטורה נמוכה. בתהליך זה, חוטים עדינים מאוד (בדרך כלל זהב או אלומיניום, אם כי נעשה שימוש גם בכסף ונחושת) מחוברים בקצה אחד לרפידות מתכת על השבב, ובקצה השני למסופים על מסגרת מתכת שמובילה אל החוץ. . התהליך היה חלוץ במעבדות בל בשנות ה-1950, עם חוטים זעירים שנלחצו בלחץ לתוך רפידות השבבים בטמפרטורות נקודתיות גבוהות. המכונות הראשונות שעשו זאת הפכו לזמינות בסוף שנות ה-1950, ועד אמצע שנות ה-1960 פותחה חיבור אולטרסאונד כטכניקה חלופית.

מבחינה היסטורית העבודה הזו נעשתה בדרום מזרח אסיה מכיוון שהיא הייתה די אינטנסיבית בעבודה. מאז פותחו מכונות אוטומטיות לביצוע הדבקת החוטים במהירויות גבוהות מאוד. כמו כן פותחו טכנולוגיות אריזה חדשות רבות אחרות, כולל אחת הנקראת "שבב הפוך". בתהליך זה, עמודי מתכת מיקרוסקופיים מופקדים ("חובטים") על הרפידות על השבב כשהוא עדיין על הפרוסה, ולאחר מכן לאחר בדיקה הופכים את התבנית הטובה ומתיישרים עם רפידות תואמות בחבילה. ואז ההלחמה נמסה בתהליך זרימה חוזרת כדי להתיך את החיבורים. זוהי דרך טובה ליצור אלפי חיבורים בבת אחת, אם כי אתה צריך לשלוט בדברים בזהירות כדי לוודא שכל החיבורים טובים. 

לאחרונה האריזה משכה הרבה יותר תשומת לב. הסיבה לכך היא טכנולוגיות חדשות שהופכות לזמינות, אבל גם יישומים חדשים שמניעים את השימוש בשבבים. בראש ובראשונה הוא הרצון לחבר מספר שבבים שנעשו בטכנולוגיות שונות יחד בחבילה אחת, מה שנקרא שבבי system-in-package (SiP). אבל היא מונעת גם מהרצון לשלב סוגים שונים של מכשירים, למשל אנטנת 5G באותה חבילה של שבב הרדיו, או יישומי בינה מלאכותית שבהן משלבים חיישנים עם שבבי המחשוב. מפעלי היציקה הגדולים של מוליכים למחצה כמו TSMC עובדים גם עם "שבבים" ו"אריזה מאווררת", בעוד אינטל
INTC
יש לה את החיבור המשובץ של multi-die interconnect (EMIB) וטכנולוגיית ערימת המות של Foveros שהוצגה במעבד הנייד שלה Lakefield ב-2019.

רוב האריזה נעשית על ידי יצרני חוזים של צד שלישי המכונים חברות "הרכבה ובדיקה במיקור חוץ" (OSAT), ומרכז עולמן נמצא באסיה. הספקים הגדולים ביותר של OSAT הם ASE מטאיוואן, Amkor Technology
AMKR
מטה בטמפה, אריזונה, Jiangsu Changjiang Electronics Tech Company (JCET) מסין (שרכשה את STATS ChipPac הסינגפורי לפני מספר שנים), ו-Siliconware Precision Industries Co., Ltd (SPIL) מטאיוואן, שנרכשה על ידי ASE ב- 2015. ישנם עוד מספר שחקנים קטנים יותר, במיוחד בסין, אשר זיהו את OSAT כתעשייה אסטרטגית לפני מספר שנים.

סיבה מרכזית לכך שהאריזה משכה תשומת לב לאחרונה היא שהתפרצויות קוביד-19 האחרונות בווייטנאם ובמלזיה תרמו באופן משמעותי להחמרה של משבר אספקת השבבים למחצה, עם סגירת מפעלים או צמצום כוח האדם שנאכפו על ידי ממשלות מקומיות שמפסיקות או מפחיתות את הייצור במשך שבועות ב- זמן. גם אם ממשלת ארה"ב תשקיע בסובסידיות לטיפוח ייצור מוליכים למחצה מקומיים, רוב השבבים המוגמרים האלה עדיין הולכים לנסוע לאסיה לאריזה, שכן שם נמצאות התעשייה ורשתות הספקים ושם נמצא בסיס המיומנות. כך אינטל מייצרת שבבי מיקרו-מעבד בהילסבורו, אורגון או צ'נדלר, אריזונה, אבל היא שולחת פרוסות מוגמרות למפעלים במלזיה, וייטנאם או צ'נגדו, סין לבדיקה ואריזה.

האם ניתן להקים אריזת שבבים בארה"ב?

יש אתגרים משמעותיים בהבאת אריזות שבבים לארה"ב, שכן רוב התעשייה עזבה את חופי אמריקה לפני קרוב לחצי מאה. נתח צפון אמריקה בייצור האריזות העולמי הוא רק כ-3%. זה אומר שרשתות הספקים לייצור ציוד, כימיקלים (כמו המצעים וחומרים אחרים המשמשים באריזות), מסגרות עופרת, והכי חשוב בסיס מיומנויות של כישרונות מנוסים לחלק הנפח הגבוה של העסק לא היו קיימים בארה"ב במשך זמן רב. אינטל הודיעה זה עתה על השקעה של 7 מיליארד דולר במפעל חדש לאריזה וניסויים במלזיה, אם כי היא גם הודיעה על תוכניות להשקיע 3.5 מיליארד דולר בפעילות שלה בריו רנצ'ו, ניו מקסיקו עבור טכנולוגיית Foveros שלה. Amkor Technology גם הכריזה לאחרונה על תוכניות להרחיב את הקיבולת ב-Bac Ninh, וייטנאם צפונית מזרחית להאנוי.

חלק גדול מהבעיה הזו עבור ארה"ב הוא שאריזת שבבים מתקדמת דורשת כל כך הרבה ניסיון בייצור. כאשר אתה מתחיל בייצור לראשונה, סביר להניח שהתשואות של צ'יפס ארוז מוגמר טוב יהיו נמוכות, וככל שאתה מייצר יותר, אתה כל הזמן משפר את התהליך והתשואה משתפרת. לקוחות שבבים גדולים בדרך כלל לא יהיו מוכנים להסתכן בשימוש בספקים מקומיים חדשים שעשוי לקחת זמן רב עד שהם מגיעים לעקומת התשואה הזו. אם יש לך תפוקת אריזה נמוכה, אתה תזרוק צ'יפס שאחרת היה טוב. למה לקחת את הסיכון? כך שגם אם ניצור שבבים מתקדמים יותר בארה"ב, הם כנראה עדיין יגיעו למזרח הרחוק לאריזה.

Boise, איידהו אמריקן סמיקונדקטור, Inc. נוקטת בגישה אחרת. המנכ"ל דאג האקלר מעדיף "רישור בר-קיימא המבוסס על ייצור בר-קיימא". במקום לרדוף רק אחר אריזות שבבים מתקדמים כמו זו המשמשת למיקרו-מעבדים מתקדמים או שבבי 5G, האסטרטגיה שלו היא להשתמש בטכנולוגיה חדשה וליישם אותה על שבבים מדור קודם שבהם יש ביקוש רב, מה שיאפשר לחברה לתרגל את התהליכים שלה. לִלמוֹד. גם שבבים מדור קודם זולים הרבה יותר, כך שהפסד התשואה אינו עניין של חיים ומוות. האקלר מציין כי 85% מהשבבים באייפון 11 משתמשים בטכנולוגיות ישנות יותר, למשל מיוצרות בצמתי מוליכים למחצה של 40 ננומטר ומעלה (שהייתה הטכנולוגיה החמה לפני עשור). ואכן, רבים ממחסור השבבים הפוקדים כיום את תעשיית הרכב ואחרים הם עבור השבבים הוותיקים הללו. במקביל, החברה מנסה ליישם טכנולוגיה חדשה ואוטומציה בשלבי ההרכבה, ומציעה אריזות בקנה מידה דק במיוחד של שבבים תוך שימוש במה שהיא מכנה תהליך מוליכים למחצה על פולימר (SoP) שבו רקיק מלא במות מחובר ל- פולימר אחורי ולאחר מכן מונח על סרט העברה תרמית. לאחר בדיקה עם הבודקים האוטומטיים הרגילים, השבבים נחתכים לקוביות על מנשאי הסרט, ומועברים לסלילים או פורמטים אחרים להרכבה אוטומטית במהירות גבוהה. האקלר חושב שהאריזה הזו צריכה להיות אטרקטיבית עבור יצרני מכשירי האינטרנט של הדברים (IoT) ופריטים לבישים, שני פלחים שיכולים לצרוך כמויות גדולות של שבבים, אך אינם תובעניים כל כך בצד ייצור הסיליקון.

מה שמושך בגישה של האקלר הם שני דברים. ראשית, ההכרה בחשיבות הביקוש למשוך נפח דרך קו הייצור שלו תבטיח שהם יקבלו תרגול רב על שיפור התשואה. שנית, הם משתמשים בטכנולוגיה חדשה, ולרכוב על מעבר טכנולוגי הוא לעתים קרובות הזדמנות לבטל את המושבים. למצטרפים חדשים אין את המטען להיות קשור לתהליכים או מתקנים קיימים. 

ל-American Semiconductor יש עוד דרך ארוכה לעבור, אבל גישות כאלה יבנו כישורים ביתיים, ומהוות צעד מעשי להבאת אריזות שבבים לארה"ב. אל תצפו שהקמת יכולת מקומית תהיה מהירה, אבל זה לא מקום רע. הַתחָלָה.