American Semiconductor sta facendo un passo verso il confezionamento di chip domestici negli Stati Uniti

La diffusa carenza di semiconduttori nell'ultimo anno ha indotto molte persone a concentrarsi sulla resilienza della catena di approvvigionamento, con richieste di aumentare la produzione di chip negli Stati Uniti L'Innovation and Competition Act (USICA), approvato dal Senato lo scorso giugno, propone 52 miliardi di dollari per aiutare produzione domestica di semiconduttori, ed è in attesa dell'azione della Camera. Sebbene l'obiettivo principale di molte persone sia aumentare la quota nazionale di produzione di chip di silicio, non dovremmo trascurare l'imballaggio dei chip, il processo essenziale di incapsulamento di quei chip per proteggerli dai danni e renderli utilizzabili collegando i loro circuiti al mondo esterno. Questa è un'area che sarà importante sia per la resilienza della catena di approvvigionamento, sia per sostenere i futuri progressi tecnologici nell'elettronica. 

L'imballaggio è essenziale per rendere utilizzabili i chip a semiconduttore

I chip a circuito integrato (IC) sono prodotti su wafer di silicio in fabbriche multimiliardarie note come "fabs". I singoli chip o "die" sono prodotti in modelli ripetuti, fabbricati in lotti su ciascun wafer (e su lotti di wafer). Un wafer da 300 mm (circa 12 pollici di diametro), la dimensione tipicamente utilizzata nei più moderni fab, potrebbe trasportare centinaia di grandi chip di microprocessori o migliaia di piccoli chip di controllo. Il processo di produzione è segmentato in una fase di "front end of the line" (FEOL) durante la quale vengono creati miliardi di transistor microscopici e altri dispositivi con processi di modellazione e incisione nel corpo del silicio, seguita da un "back end of the line". ” (BEOL) in cui è adagiata una maglia di tracce metalliche per collegare il tutto. Le tracce sono costituite da segmenti verticali chiamati "via", che a loro volta collegano strati orizzontali di cablaggio. Se hai miliardi di transistor su un chip (il processore A13 dell'iPhone 15 ne ha 15 miliardi), hai bisogno di molti miliardi di fili per collegarli. Ogni singolo die potrebbe avere diversi chilometri di cablaggio in totale quando allungato, quindi possiamo immaginare che i processi BEOL siano piuttosto complessi. Sullo strato più esterno del die (a volte utilizzeranno il retro del die così come la parte anteriore), i progettisti mettono dei microscopici pad che vengono utilizzati per collegare il chip al mondo esterno. 

Dopo che il wafer è stato elaborato, ciascuno dei chip viene "tastato" individualmente con una macchina di prova per scoprire quali sono buoni. Questi vengono tagliati e messi in pacchetti. Un pacchetto fornisce sia protezione fisica per il chip, sia un mezzo per collegare segnali elettrici ai diversi circuiti nel chip. Dopo che un chip è stato confezionato, può essere posizionato sui circuiti elettronici del telefono, del computer, dell'auto o di altri dispositivi. Alcuni di questi pacchetti devono essere progettati per ambienti estremi, come nel vano motore di un'auto o su un ripetitore di telefoni cellulari. Altri devono essere estremamente piccoli per essere utilizzati all'interno di dispositivi compatti. In tutti i casi il progettista del pacchetto deve considerare cose come i materiali da utilizzare per ridurre al minimo lo stress o la rottura dello stampo, o per tenere conto dell'espansione termica e di come ciò possa influire sull'affidabilità del chip.

La prima tecnologia utilizzata per collegare il chip di silicio ai cavi all'interno della confezione era collegamento a filo, un processo di saldatura a bassa temperatura. In questo processo, fili molto sottili (di solito oro o alluminio, anche se vengono utilizzati anche argento e rame) sono legati da un'estremità a piazzole metalliche sul chip, e dall'altra estremità ai terminali su un telaio metallico che ha porta verso l'esterno . Il processo è stato sperimentato presso i Bell Labs negli anni '1950, con minuscoli fili premuti sotto pressione nei pad dei chip a temperature spot elevate. Le prime macchine per fare questo sono diventate disponibili alla fine degli anni '1950 e, a metà degli anni '1960, l'incollaggio a ultrasuoni è stato sviluppato come tecnica alternativa.

Storicamente questo lavoro è stato svolto nel sud-est asiatico perché era piuttosto laborioso. Da allora, sono state sviluppate macchine automatizzate per eseguire l'incollaggio del filo a velocità molto elevate. Sono state sviluppate anche molte altre nuove tecnologie di confezionamento, inclusa una chiamata "flip chip". In questo processo, microscopici pilastri metallici vengono depositati ("sbattuti") sui pad del chip mentre è ancora sul wafer, quindi dopo aver testato il die buono vengono capovolti e allineati con i pad abbinati in un pacchetto. Quindi la saldatura viene fusa in un processo di rifusione per fondere le connessioni. Questo è un buon modo per creare migliaia di connessioni tutte in una volta, anche se devi controllare attentamente le cose per assicurarti che tutte le connessioni siano buone. 

Recentemente il packaging ha attirato molta più attenzione. Ciò è dovuto alla disponibilità di nuove tecnologie, ma anche a nuove applicazioni che stanno guidando l'utilizzo dei chip. Il primo è il desiderio di mettere insieme più chip realizzati con tecnologie diverse in un unico pacchetto, i cosiddetti chip system-in-package (SiP). Ma è anche guidato dal desiderio di combinare diversi tipi di dispositivi, ad esempio un'antenna 5G nello stesso pacchetto del chip radio, o applicazioni di intelligenza artificiale in cui si integrano sensori con i chip di elaborazione. Le grandi fonderie di semiconduttori come TSMC stanno lavorando anche con "chiplet" e "packaging fan out", mentre Intel
INTC
ha la sua interconnessione multi-die incorporata (EMIB) e la tecnologia die-stacking Foveros introdotta nel suo processore mobile Lakefield nel 2019.

La maggior parte degli imballaggi viene eseguita da produttori a contratto di terze parti noti come società di "assemblaggio e test in outsourcing" (OSAT) e il centro del loro mondo è in Asia. I maggiori fornitori OSAT sono ASE di Taiwan, Amkor Technology
AMKR
con sede a Tempe, Arizona, Jiangsu Changjiang Electronics Tech Company (JCET) della Cina (che ha acquisito STATS ChipPac con sede a Singapore alcuni anni fa) e Siliconware Precision Industries Co., Ltd. (SPIL) di Taiwan, acquisita da ASE in 2015. Ci sono numerosi altri player più piccoli, soprattutto in Cina, che alcuni anni fa hanno identificato OSAT come un'industria strategica.

Uno dei motivi principali per cui l'imballaggio ha attirato l'attenzione ultimamente è che i recenti focolai di Covid-19 in Vietnam e Malesia hanno contribuito in modo significativo al peggioramento della crisi della fornitura di chip semiconduttori, con chiusure di impianti o personale ridotto imposto dai governi locali che tagliano o riducono la produzione per settimane a un tempo. Anche se il governo degli Stati Uniti investe in sussidi per promuovere la produzione interna di semiconduttori, la maggior parte di quei chip finiti viaggerà comunque in Asia per il confezionamento, poiché è lì che si trovano l'industria e le reti di fornitori e dove si trova la base di competenze. Così Intel produce chip per microprocessori a Hillsboro, in Oregon oa Chandler, in Arizona, ma invia i wafer finiti alle fabbriche in Malesia, Vietnam o Chengdu, in Cina, per il test e l'imballaggio.

Il confezionamento dei chip può essere stabilito negli Stati Uniti?

Ci sono sfide significative per portare il confezionamento di chip negli Stati Uniti, poiché la maggior parte dell'industria ha lasciato le coste americane quasi mezzo secolo fa. La quota nordamericana della produzione globale di imballaggi è solo del 3% circa. Ciò significa che le reti di fornitori per apparecchiature di produzione, prodotti chimici (come i substrati e altri materiali utilizzati nelle confezioni), telai di piombo e, soprattutto, una base di competenze di talenti esperti per la parte ad alto volume del business non esistono negli Stati Uniti da tanto tempo. Intel ha appena annunciato un investimento di $ 7 miliardi in una nuova fabbrica di imballaggi e test in Malesia, sebbene abbia anche annunciato l'intenzione di investire $ 3.5 miliardi nelle sue operazioni di Rio Rancho, nel New Mexico, per la sua tecnologia Foveros. Amkor Technology ha anche recentemente annunciato piani per espandere la capacità a Bac Ninh, in Vietnam, a nord-est di Hanoi.

Una grande parte di questo problema per gli Stati Uniti è che l'imballaggio avanzato dei chip richiede così tanta esperienza di produzione. Quando avvii la produzione per la prima volta, i rendimenti di trucioli confezionati ben finiti saranno probabilmente bassi e, man mano che ne produci di più, migliori costantemente il processo e la resa migliora. I grandi clienti di chip generalmente non saranno disposti a rischiare utilizzando nuovi fornitori nazionali che potrebbero impiegare molto tempo per risalire questa curva dei rendimenti. Se hai una bassa resa della confezione, getterai via le patatine che altrimenti sarebbero buone. Perché correre il rischio? Quindi, anche se produciamo chip più avanzati negli Stati Uniti, probabilmente andranno comunque in Estremo Oriente per il confezionamento.

American Semiconductor, Inc., con sede a Boise, Idaho, sta adottando un approccio diverso. Il CEO Doug Hackler preferisce "un reshoring praticabile basato su una produzione praticabile". Piuttosto che inseguire solo pacchetti di chip di fascia alta come quelli utilizzati per microprocessori avanzati o chip 5G, la sua strategia è quella di utilizzare la nuova tecnologia e applicarla ai chip legacy dove c'è molta domanda, il che consentirà all'azienda di mettere in pratica i suoi processi e imparare. Anche i chip legacy sono molto più economici, quindi la perdita di rendimento non è tanto un problema di vita o di morte. Hackler sottolinea che l'85% dei chip di un iPhone 11 utilizza tecnologie meno recenti, ad esempio prodotte su nodi semiconduttori di 40 nm o più (che era la tecnologia calda dieci anni fa). In effetti, molte delle carenze di chip che attualmente affliggono l'industria automobilistica e altre riguardano questi chip legacy. Allo stesso tempo, l'azienda sta cercando di applicare nuove tecnologie e automazione alle fasi di assemblaggio, offrendo imballaggi ultrasottili su scala di chip utilizzando quello che chiama un processo a semiconduttore su polimero (SoP) in cui un wafer pieno di die è legato a un polimero sul retro e poi posizionato su un nastro a trasferimento termico. Dopo i test con i consueti tester automatizzati, i chip vengono tagliati a cubetti sui supporti del nastro e trasferiti su bobine o altri formati per l'assemblaggio automatizzato ad alta velocità. Hackler pensa che questa confezione dovrebbe essere attraente per i produttori di dispositivi e dispositivi indossabili Internet-of-Things (IoT), due segmenti che potrebbero consumare grandi volumi di chip, ma non sono così esigenti dal punto di vista della fabbricazione del silicio.

L'aspetto interessante dell'approccio di Hackler sono due cose. In primo luogo, il riconoscimento dell'importanza della domanda per aumentare il volume attraverso la sua linea di produzione assicurerà che facciano molta pratica sul miglioramento della resa. In secondo luogo, stanno utilizzando una nuova tecnologia e guidare una transizione tecnologica è spesso un'opportunità per spodestare gli operatori storici. I nuovi arrivati ​​non hanno il bagaglio di essere vincolati a processi o strutture esistenti. 

American Semiconductor ha ancora molta strada da fare, ma approcci come questo svilupperanno competenze domestiche e sono un passo pratico per portare l'imballaggio dei chip negli Stati Uniti Non aspettarti che la creazione di capacità domestiche sia rapida, ma non è un brutto posto per inizio.