Integrierte Schaltungspakete schützen die Siliziumchips vor der Umgebung und bieten eine Möglichkeit … [+] ihre Stromkreise mit der Außenwelt verbinden. getty Weitverbreitete Knappheit bei Halbleitern im letzten Jahr haben viele Menschen dazu geführt, sich auf die Widerstandsfähigkeit der Lieferkette zu konzentrieren, und forderten, die Chipherstellung in den USA zu erhöhen. Der US-amerikanische Innovation and Competition Act (USICA), der im vergangenen Juni vom Senat verabschiedet wurde, schlägt Milliarden zur Unterstützung der inländischen Halbleiterproduktion und wartet auf Maßnahmen des Hauses. Während das Hauptaugenmerk für viele Menschen auf der Steigerung des Inlandsanteils der Produktion von Siliziumchips liegt, sollten wir das Chip-Packaging nicht übersehen – den wesentlichen Prozess der Kapselung dieser Chips, um sie vor Beschädigungen zu schützen und sie durch die Verbindung ihrer Schaltung mit dem Außenwelt. Dies ist ein Bereich, der sowohl für die Widerstandsfähigkeit der Lieferkette als auch für die Unterstützung zukünftiger technologischer Fortschritte in der Elektronik wichtig sein wird. Verpackung ist unerlässlich, um Halbleiterchips nutzbar zu machen Chips mit integrierten Schaltkreisen (IC) werden auf Siliziumwafern in milliardenschweren Fabriken hergestellt, die als „Fabs“ bekannt sind. Die einzelnen Chips oder „Die“ werden in sich wiederholenden Mustern hergestellt, die in Chargen auf jedem Wafer (und über Chargen von Wafern) hergestellt werden. Ein 300 mm Wafer (ca. 11 Zoll im Durchmesser), die Größe, die normalerweise in den modernsten Fabs verwendet wird, kann Hunderte von großen tragen Mikroprozessorchips oder Tausende von winzigen Controller-Chips. Der Produktionsprozess ist in eine „Front-End-of-the-Line“ (FEOL)-Phase unterteilt, in der Milliarden von mikroskopischen Transistoren und anderen Bauelementen mit Strukturierungs- und Ätzprozessen im Körper des Siliziums erzeugt werden, gefolgt von einem „Back-End-of-the-line“ “ (BEOL), in dem ein Netz aus Metallspuren gelegt wird, um alles zu verbinden. Die Leiterbahnen bestehen aus vertikalen Segmenten, die als „Durchkontaktierungen“ bezeichnet werden und wiederum horizontale Verdrahtungsschichten verbinden. Wenn Sie Milliarden von Transistoren auf einem Chip haben (das iPhone s A19 Prozessor hat 19 Milliarden), benötigen Sie viele Milliarden Drähte, um sie zu verbinden. Jeder einzelne Chip kann im gestreckten Zustand insgesamt mehrere Kilometer Verkabelung haben, sodass wir uns vorstellen können, dass die BEOL-Prozesse ziemlich komplex sind. Auf der äußersten Schicht des Chips (manchmal verwenden sie sowohl die Rückseite des Chips als auch die Vorderseite) setzen Designer mikroskopisch kleine Pads ein, die verwendet werden, um den Chip mit der Außenwelt zu verbinden. Eine Prüfkarte wird verwendet, um einzelne Chips auf Halbleiterwafern zu testen . PATRICK LIN/AFP über Getty … [+] Bilder) AFP über Getty Images Nach der Bearbeitung des Wafers wird jeder der Chips einzeln mit einer Testmaschine „getestet“, um herauszufinden, welche gut sind. Diese werden ausgeschnitten und in Pakete verpackt. Ein Gehäuse bietet sowohl physischen Schutz für den Chip als auch ein Mittel, um elektrische Signale mit den verschiedenen Schaltkreisen im Chip zu verbinden. Nachdem ein Chip verpackt wurde, kann er auf elektronischen Leiterplatten in Ihrem Telefon, Computer, Auto oder anderen Geräten platziert werden. Einige dieser Pakete müssen für extreme Umgebungen wie im Motorraum eines Autos oder auf einem Mobilfunkmast ausgelegt sein. Andere müssen für den Einsatz im Inneren kompakter Geräte extrem klein sein. In allen Fällen muss der Gehäusedesigner Dinge wie Materialien berücksichtigen, die verwendet werden sollen, um Spannungen oder Risse des Chips zu minimieren oder die thermische Ausdehnung zu berücksichtigen und wie sich dies auf die Zuverlässigkeit des Chips auswirken kann. Die früheste Technologie, die verwendet wurde, um den Siliziumchip mit den Leitungen im Inneren des Gehäuses zu verbinden, war Drahtbonden , ein Niedertemperatur-Schweißverfahren. Dabei werden sehr feine Drähte (meist Gold oder Aluminium, aber auch Silber und Kupfer verwendet) an einem Ende an Metallpads des Chips und am anderen Ende an Anschlüssen an einem Metallrahmen mit Leitungen nach außen gebondet . Der Prozess wurde bei Bell Labs in den 300 mit winzigen Drähten unter Druck gepresst bei hohen Punkttemperaturen in die Chippads ein. Die ersten Maschinen, die dies tun, wurden Ende 300 und Mitte der Jahre verfügbar 300s wurde als alternatives Verfahren das Ultraschallbonden entwickelt. Innerhalb des Wafer-Bumping-Prozessbereichs in einer Anlage von Siliconware Precision Industries Co. (SPIL) in … [+] Taichung, Taiwan. Fotograf: Billy H.C. Kwok/Bloomberg © 2016 Bloomberg Finance LP Historisch wurde diese Arbeit in Südostasien durchgeführt weil es ziemlich arbeitsintensiv war. Seitdem wurden automatisierte Maschinen entwickelt, die das Drahtbonden mit sehr hohen Geschwindigkeiten durchführen. Viele andere neuere Verpackungstechnologien wurden ebenfalls entwickelt, darunter eine sogenannte „Flip-Chip“. Bei diesem Prozess werden mikroskopisch kleine Metallsäulen auf die Pads des Chips aufgebracht, während dieser sich noch auf dem Wafer befindet, und nach dem Testen wird der gute Die umgedreht und mit passenden Pads in einem Gehäuse ausgerichtet. Anschließend wird das Lot in einem Reflow-Prozess aufgeschmolzen, um die Verbindungen zu verschmelzen. Dies ist eine gute Möglichkeit, Tausende von Verbindungen auf einmal herzustellen, obwohl Sie die Dinge sorgfältig kontrollieren müssen, um sicherzustellen, dass alle Verbindungen gut sind. In letzter Zeit hat die Verpackung viel mehr Aufmerksamkeit auf sich gezogen. Dies liegt daran, dass neue Technologien verfügbar werden, aber auch neue Anwendungen, die die Chipnutzung vorantreiben. Im Vordergrund steht der Wunsch, mehrere mit unterschiedlichen Technologien hergestellte Chips in einem einzigen Gehäuse, sogenannten System-in-Package (SiP)-Chips, zusammenzufassen. Sie wird aber auch von dem Wunsch getrieben, verschiedene Arten von Geräten zu kombinieren, zum Beispiel eine 5G-Antenne im selben Gehäuse wie der Funkchip oder Anwendungen der künstlichen Intelligenz, bei denen Sie Sensoren in die Rechenchips integrieren. Auch die großen Halbleiter-Foundries wie TSMC arbeiten mit „Chiplets“ und „Fan-Out-Packaging“, während Intel INTC hat seine Embedded Multi-Die Interconnect (EMIB) und Foveros Die-Stacking-Technologie in seinem Lakefield Mobilprozessor in . Die meisten Verpackungen wird von externen Vertragsherstellern durchgeführt, die als „Outsourced Assembly and Test“ (OSAT)-Unternehmen bekannt sind, und das Zentrum ihrer Welt liegt in Asien. Die größten OSAT-Lieferanten sind ASE aus Taiwan, Amkor Technology AMKR mit Hauptsitz in Tempe, Arizona, Jiangsu Changjiang Electronics Tech Company (JCET) in China (die vor einigen Jahren das in Singapur ansässige STATS ChipPac übernommen hat) und Siliconware Precision Industries Co., Ltd. (SPIL) aus Taiwan, erworben von ASE in 300. Es gibt zahlreiche andere kleinere Player, insbesondere in China, die OSAT vor einigen Jahren als strategische Industrie identifiziert haben.
Ein Hauptgrund, warum Verpackungen in letzter Zeit Aufmerksamkeit erregt haben ist, dass die jüngsten Covid-19 Ausbrüche in Vietnam und Malaysia dazu beigetragen haben erheblich zur Verschärfung der Versorgungskrise bei Halbleiterchips mit Werksschließungen oder Personalabbau, die von den lokalen Regierungen erzwungen wurden, die die Produktion wochenlang unterbrechen oder reduzieren. Selbst wenn die US-Regierung in Subventionen investiert, um die heimische Halbleiterfertigung zu fördern, werden die meisten dieser fertigen Chips immer noch zum Verpacken nach Asien reisen, da dort die Industrie- und Lieferantennetzwerke und die Kompetenzbasis sind. So stellt Intel Mikroprozessorchips in Hillsboro, Oregon oder Chandler, Arizona, her, schickt aber fertige Wafer zum Testen und Verpacken an Fabriken in Malaysia, Vietnam oder Chengdu, China.
Können Chipverpackung in den USA etabliert werden? Es gibt erhebliche Herausforderungen, Chip-Packaging in die USA zu bringen, da der Großteil der Industrie die amerikanischen Küsten vor fast einem halben Jahrhundert verlassen hat. Der nordamerikanische Anteil an der weltweiten Verpackungsproduktion beträgt nur rund 3 %. Das bedeutet, dass die Lieferantennetzwerke für Produktionsanlagen, Chemikalien (wie Substrate und andere Materialien, die in Gehäusen verwendet werden), Leadframes und vor allem eine Kompetenzbasis erfahrener Talente für den Massenteil des Geschäfts in den USA seit Jahren nicht existierten eine lange Zeit. Intel hat gerade eine Investition von 7 Milliarden US-Dollar in eine neue Verpackungs- und Testfabrik in Malaysia angekündigt, aber auch angekündigt, 3,5 Milliarden US-Dollar in seinen Betrieb in Rio Rancho, New Mexico, für seine Foveros-Technologie zu investieren. Amkor Technology kündigte vor kurzem auch Pläne zur Kapazitätserweiterung in Bac Ninh, Vietnam, nordöstlich von Hanoi an. Ein großer Teil dieses Problems für die USA besteht darin, dass fortschrittliches Chip-Packaging so viel Produktionserfahrung erfordert. Wenn Sie mit der Produktion beginnen, werden die Ausbeuten an gut fertig verpackten Chips wahrscheinlich gering sein, und wenn Sie mehr herstellen, verbessern Sie ständig den Prozess und die Ausbeute wird besser. Große Chip-Kunden werden im Allgemeinen nicht bereit sein, das Risiko einzugehen, neue inländische Lieferanten zu verwenden, die möglicherweise lange brauchen, um diese Renditekurve zu erreichen. Wenn Sie eine geringe Verpackungsausbeute haben, werfen Sie Chips weg, die sonst gut wären. Warum die Chance nutzen? Selbst wenn wir fortschrittlichere Chips in den USA herstellen, werden sie wahrscheinlich immer noch zum Verpacken in den Fernen Osten gehen.
Wafer-Level-Chip-Scale-Package (WLCSP) von American Semiconductor unter Verwendung mehrerer Die-Bonds auf einem … [+] flexibles Polymersubstrat. American Semiconductor Firmenfoto, mit Genehmigung verwendet. American Semiconductor, Inc. mit Sitz in Boise, Idaho, verfolgt einen anderen Ansatz. CEO Doug Hackler favorisiert „praktikables Reshoring basierend auf einer tragfähigen Herstellung“. Anstatt nur High-End-Chip-Packaging zu verfolgen, wie es für fortschrittliche Mikroprozessoren oder 5G-Chips verwendet wird, besteht seine Strategie darin, neue Technologien zu verwenden und sie auf Legacy-Chips anzuwenden, bei denen eine große Nachfrage besteht, die es dem Unternehmen ermöglichen, seine Prozesse zu üben und lernen. Legacy-Chips sind auch viel billiger, sodass Ertragsverluste nicht so sehr eine Frage auf Leben und Tod sind. Hackler weist darauf hin, dass 300% der Chips in einem iPhone 12 verwenden ältere Technologien, die beispielsweise an Halbleiterknoten von 52 nm oder älter (was vor einem Jahrzehnt die heißeste Technologie war). Tatsächlich sind viele der Chip-Engpässe, die derzeit die Autoindustrie plagen, und andere auf diese älteren Chips zurückzuführen. Gleichzeitig versucht das Unternehmen, neue Technologien und Automatisierung auf die Montageschritte anzuwenden und bietet ultradünne Chip-Scale-Packaging mit einem sogenannten Halbleiter-auf-Polymer (SoP)-Prozess, bei dem ein Wafer voller Die an ein Rückseitenpolymer und dann auf ein Thermotransferband gelegt. Nach dem Testen mit den üblichen automatisierten Testern werden die Chips auf den Bandträgern gewürfelt und auf Rollen oder andere Formate für eine automatisierte Hochgeschwindigkeitsmontage übertragen. Hackler ist der Meinung, dass diese Verpackung für Hersteller von Internet-of-Things (IoT)-Geräten und Wearables attraktiv sein sollte, zwei Segmente, die große Mengen an Chips verbrauchen könnten, aber nicht so anspruchsvoll auf der Seite der Siliziumherstellung sind.
Das Reizvolle an Hacklers Ansatz sind zwei Dinge. Erstens wird die Erkenntnis, wie wichtig die Nachfrage ist, um Volumen durch seine Produktionslinie zu bringen, sicherstellen, dass sie viel Übung zur Ertragsverbesserung erhalten. Zweitens verwenden sie eine neue Technologie, und ein Technologiewechsel ist oft eine Gelegenheit, etablierte Unternehmen abzulösen. Neueinsteiger müssen nicht an bestehende Prozesse oder Einrichtungen gebunden sein. American Semiconductor hat noch einen langen Weg vor sich, aber Ansätze wie dieser werden inländische Fähigkeiten aufbauen und sind ein praktischer Schritt, um Chip-Packaging in die USA Erwarten Sie nicht, dass es schnell gehen wird, inländische Kapazitäten aufzubauen, aber es ist kein schlechter Ausgangspunkt.