نیمه هادی آمریکایی گامی به سوی بسته بندی تراشه های داخلی ایالات متحده برمی دارد

کمبود گسترده نیمه هادی ها در سال گذشته باعث شده است که بسیاری از مردم بر روی انعطاف پذیری زنجیره تامین تمرکز کنند، با درخواست برای افزایش تولید تراشه در ایالات متحده قانون نوآوری و رقابت ایالات متحده (USICA) که در ژوئن گذشته در سنا تصویب شد، 52 میلیارد دلار برای کمک پیشنهاد می کند. تولید نیمه هادی داخلی، و در انتظار اقدام مجلس است. در حالی که تمرکز اصلی بسیاری از مردم بر افزایش سهم داخلی از تولید تراشه‌های سیلیکونی است، ما نباید بسته‌بندی تراشه‌ها را نادیده بگیریم - فرآیند ضروری در محصور کردن این تراشه‌ها به منظور محافظت از آنها در برابر آسیب و قابل استفاده کردن آنها با اتصال مدارهای آنها به تراشه. دنیای بیرون. این حوزه ای است که هم برای انعطاف پذیری زنجیره تامین و هم برای حفظ پیشرفت های فناوری آینده در الکترونیک مهم است. 

بسته بندی برای قابل استفاده ساختن تراشه های نیمه هادی ضروری است

تراشه های مدار مجتمع (IC) بر روی ویفرهای سیلیکونی در کارخانه های چند میلیارد دلاری موسوم به "fabs" تولید می شوند. تراشه های منفرد یا "دای" در الگوهای تکراری تولید می شوند و به صورت دسته ای روی هر ویفر (و در بین دسته های ویفر) تولید می شوند. یک ویفر 300 میلی‌متری (حدود 12 اینچ قطر)، به اندازه‌ای که معمولاً در مدرن‌ترین کارخانه‌ها استفاده می‌شود، ممکن است صدها تراشه ریزپردازنده بزرگ یا هزاران تراشه کنترل‌کننده کوچک را حمل کند. فرآیند تولید به فاز "انتهای جلوی خط" (FEOL) تقسیم می شود که طی آن میلیاردها ترانزیستور میکروسکوپی و سایر دستگاه ها با فرآیندهای الگوبرداری و حکاکی در بدنه سیلیکون ایجاد می شوند و به دنبال آن "انتهای پشت خط" ایجاد می شود. ” (BEOL) که در آن شبکه ای از آثار فلزی برای اتصال همه چیز گذاشته شده است. ردیابی ها شامل بخش های عمودی به نام "ویاس" است که به نوبه خود لایه های افقی سیم کشی را به هم متصل می کند. اگر میلیاردها ترانزیستور روی یک تراشه دارید (پردازنده A13 آیفون 15 دارای 15 میلیارد است)، برای اتصال آنها به میلیاردها سیم نیاز دارید. هر قالب فردی ممکن است در مجموع چندین کیلومتر سیم کشی داشته باشد، بنابراین می توانیم تصور کنیم که فرآیندهای BEOL بسیار پیچیده هستند. روی لایه بیرونی قالب (گاهی اوقات از پشت قالب و همچنین قسمت جلویی آن استفاده می‌کنند)، طراحان پدهای میکروسکوپی را قرار می‌دهند که برای اتصال تراشه به دنیای خارج استفاده می‌شود. 

پس از پردازش ویفر، هر یک از تراشه ها به طور جداگانه با یک دستگاه آزمایش "کاوش" می شوند تا بفهمند کدام یک از آنها خوب هستند. اینها را بریده و داخل بسته بندی می کنند. یک بسته هم حفاظت فیزیکی از تراشه را فراهم می کند و هم وسیله ای برای اتصال سیگنال های الکتریکی به مدارهای مختلف در تراشه. پس از بسته‌بندی تراشه، می‌توان آن را روی بردهای مدار الکترونیکی تلفن، رایانه، ماشین یا سایر دستگاه‌های شما قرار داد. برخی از این بسته‌ها باید برای محیط‌های شدید طراحی شوند، مانند محفظه موتور خودرو یا برج تلفن همراه. برخی دیگر برای استفاده در دستگاه های فشرده باید بسیار کوچک باشند. در همه موارد، طراح بسته‌بندی باید مواردی مانند موادی را برای استفاده برای به حداقل رساندن تنش یا ترک خوردگی قالب، یا در نظر گرفتن انبساط حرارتی و اینکه چگونه ممکن است بر قابلیت اطمینان تراشه تأثیر بگذارد، در نظر بگیرد.

اولین فناوری مورد استفاده برای اتصال تراشه سیلیکونی به سرنخ های داخل بسته بود اتصال سیم، یک فرآیند جوشکاری در دمای پایین. در این فرآیند، سیم‌های بسیار ریز (معمولاً طلا یا آلومینیوم، اگرچه از نقره و مس نیز استفاده می‌شود) از یک طرف به بالشتک‌های فلزی روی تراشه، و از طرف دیگر به پایانه‌های یک قاب فلزی که دارای سرب به بیرون است متصل می‌شوند. . این فرآیند در آزمایشگاه‌های بل در دهه 1950 آغاز شد، با سیم‌های ریز که تحت فشار در تراشه‌ها در دمای نقطه‌ای بالا فشرده می‌شدند. اولین ماشین هایی که این کار را انجام دادند در اواخر دهه 1950 در دسترس قرار گرفتند و در اواسط دهه 1960، پیوند اولتراسونیک به عنوان یک روش جایگزین توسعه یافت.

از نظر تاریخی، این کار در آسیای جنوب شرقی انجام می شد، زیرا کاملاً کار فشرده بود. از آن زمان، ماشین‌های خودکار برای انجام اتصال سیم با سرعت‌های بسیار بالا توسعه یافته‌اند. بسیاری دیگر از فناوری‌های جدیدتر بسته‌بندی نیز توسعه یافته‌اند، از جمله یکی به نام «تراشه تلنگر». در این فرآیند، ستون‌های فلزی میکروسکوپی در حالی که هنوز روی تراشه است روی پدهای روی تراشه قرار می‌گیرند ("کوبیده") و سپس پس از آزمایش قالب خوب برگردانده می‌شوند و با پدهای همسان در یک بسته تراز می‌شوند. سپس لحیم کاری در فرآیند جریان مجدد ذوب می شود تا اتصالات فیوز شود. این یک راه خوب برای ایجاد هزاران اتصال به طور همزمان است، اگرچه باید همه چیز را به دقت کنترل کنید تا مطمئن شوید که همه اتصالات خوب هستند. 

اخیراً بسته بندی توجه بیشتری را به خود جلب کرده است. این به دلیل در دسترس بودن فناوری‌های جدید است، اما همچنین برنامه‌های کاربردی جدیدی که باعث استفاده از تراشه می‌شوند. مهمتر از همه، تمایل به قرار دادن چندین تراشه ساخته شده با فناوری های مختلف در یک بسته واحد است که به آن تراشه های سیستم در بسته (SiP) می گویند. اما همچنین تمایل به ترکیب انواع مختلف دستگاه‌ها، به عنوان مثال یک آنتن 5G در همان بسته تراشه رادیویی، یا برنامه‌های کاربردی هوش مصنوعی که در آنها حسگرها را با تراشه‌های محاسباتی ادغام می‌کنید، ایجاد می‌شود. ریخته گری های نیمه هادی بزرگ مانند TSMC با "تراشه ها" و "بسته بندی بادکش" نیز کار می کنند، در حالی که اینتل
INTC
دارای اتصال چند قالبی تعبیه شده (EMIB) و فناوری Foveros die-stacking در پردازنده موبایل Lakefield خود در سال 2019 است.

بیشتر بسته بندی ها توسط سازندگان قرارداد شخص ثالث معروف به شرکت های "برون سپاری مونتاژ و تست" (OSAT) انجام می شود و مرکز دنیای آنها در آسیا است. بزرگترین تامین کنندگان OSAT ASE تایوان، Amkor Technology هستند
AMKR
دفتر مرکزی آن در Tempe، آریزونا، شرکت فناوری الکترونیک Jiangsu Changjiang (JCET) چین (که چند سال پیش STATS ChipPac مستقر در سنگاپور را خریداری کرد)، و Siliconware Precision Industries Co., Ltd. (SPIL) تایوان، خریداری شده توسط ASE در 2015. تعداد زیادی از بازیگران کوچکتر دیگر، به ویژه در چین، وجود دارند که چند سال پیش OSAT را به عنوان یک صنعت استراتژیک شناسایی کردند.

یکی از دلایل مهمی که اخیراً توجه بسته بندی را به خود جلب کرده این است که شیوع اخیر کووید-19 در ویتنام و مالزی به طور قابل توجهی به تشدید بحران تامین تراشه های نیمه هادی کمک کرده است، با تعطیلی کارخانه یا کاهش پرسنل توسط دولت های محلی که تولید را برای هفته ها قطع یا کاهش داده اند. زمان. حتی اگر دولت ایالات متحده در یارانه‌ها برای تقویت تولید نیمه‌رساناهای داخلی سرمایه‌گذاری کند، بیشتر این تراشه‌های تمام‌شده همچنان برای بسته‌بندی به آسیا سفر می‌کنند، زیرا این جایی است که صنعت و شبکه‌های تامین‌کننده و پایه مهارت در آن قرار دارند. بنابراین اینتل تراشه های ریزپردازنده را در هیلزبورو، اورگان یا چندلر، آریزونا تولید می کند، اما ویفرهای تمام شده را برای آزمایش و بسته بندی به کارخانه هایی در مالزی، ویتنام، یا چنگدو، چین می فرستد.

آیا می توان بسته بندی تراشه را در ایالات متحده تأسیس کرد؟

چالش‌های مهمی برای آوردن بسته‌بندی تراشه به ایالات متحده وجود دارد، زیرا بیشتر صنعت نزدیک به نیم قرن پیش سواحل آمریکا را ترک کرد. سهم آمریکای شمالی از تولید جهانی بسته بندی تنها حدود 3 درصد است. این بدان معناست که شبکه‌های تامین‌کننده برای تولید تجهیزات، مواد شیمیایی (مانند بسترها و سایر مواد مورد استفاده در بسته‌ها)، قاب‌های سربی، و مهم‌تر از همه پایه‌های مهارتی از استعدادهای با تجربه برای بخش با حجم بالا از تجارت در ایالات متحده وجود نداشته است. زمان طولانی. اینتل به تازگی از سرمایه گذاری ۷ میلیارد دلاری در یک کارخانه بسته بندی و آزمایش جدید در مالزی خبر داده است، هرچند همچنین اعلام کرده است که قصد دارد ۳.۵ میلیارد دلار در عملیات ریو رانچو، نیومکزیکو برای فناوری Foveros خود سرمایه گذاری کند. شرکت Amkor Technology همچنین اخیراً اعلام کرده است که قصد دارد ظرفیت خود را در Bac Ninh، ویتنام در شمال شرقی هانوی گسترش دهد.

بخش بزرگی از این مشکل برای ایالات متحده این است که بسته بندی تراشه های پیشرفته به تجربه تولید زیادی نیاز دارد. هنگامی که برای اولین بار تولید را شروع می کنید، بازده چیپس های بسته بندی شده خوب به احتمال زیاد پایین خواهد بود، و با تولید بیشتر، دائماً روند را بهبود می بخشید و بازده بهتر می شود. مشتریان بزرگ تراشه عموماً مایل به ریسک استفاده از تامین کنندگان داخلی جدید نیستند که ممکن است برای رسیدن به این منحنی بازده زمان زیادی طول بکشد. اگر بازده بسته بندی پایینی دارید، چیپس هایی را دور می ریزید که در غیر این صورت خوب بود. چرا از این فرصت استفاده کنید؟ بنابراین حتی اگر تراشه‌های پیشرفته‌تری در ایالات متحده بسازیم، احتمالاً همچنان برای بسته‌بندی به خاور دور می‌روند.

شرکت نیمه هادی آمریکایی مستقر در Boise در آیداهو رویکرد متفاوتی را در پیش گرفته است. داگ هکلر، مدیر عامل شرکت، طرفدار «بازسازی پایدار مبتنی بر تولید پایدار» است. استراتژی او به جای تعقیب فقط بسته‌بندی تراشه‌های پیشرفته مانند آنچه برای ریزپردازنده‌های پیشرفته یا تراشه‌های 5G استفاده می‌شود، استفاده از فناوری جدید و استفاده از آن در تراشه‌های قدیمی است که تقاضای زیادی وجود دارد، که به شرکت اجازه می‌دهد فرآیندهای خود را تمرین کند و فرا گرفتن. تراشه‌های قدیمی نیز بسیار ارزان‌تر هستند، بنابراین از دست دادن بازده آن‌قدرها هم یک مسئله مرگ و زندگی نیست. هکلر خاطرنشان می کند که 85 درصد از تراشه های آیفون 11 از فناوری های قدیمی تر استفاده می کنند، به عنوان مثال در گره های نیمه هادی 40 نانومتر یا بالاتر (که فناوری داغ یک دهه پیش بود) ساخته شده اند. در واقع، بسیاری از کمبودهای تراشه‌ای که در حال حاضر صنعت خودرو و سایرین را درگیر کرده است، مربوط به این تراشه‌های قدیمی است. در عین حال، این شرکت در تلاش است تا فناوری و اتوماسیون جدید را در مراحل مونتاژ اعمال کند و بسته‌بندی در مقیاس تراشه فوق‌العاده نازک را با استفاده از آنچه که فرآیند نیمه‌رسانا روی پلیمر (SoP) نامیده می‌شود، ارائه می‌کند که در آن یک ویفر پر از قالب به یک دستگاه چسبانده می‌شود. پلیمر پشتی و سپس روی یک نوار انتقال حرارتی قرار می گیرد. پس از آزمایش با آزمایش‌کننده‌های خودکار معمولی، تراشه‌ها بر روی حامل‌های نوار قطعه قطعه می‌شوند و برای مونتاژ خودکار با سرعت بالا به قرقره‌ها یا فرمت‌های دیگر منتقل می‌شوند. هکلر فکر می‌کند این بسته‌بندی باید برای سازندگان دستگاه‌های اینترنت اشیاء (IoT) و پوشیدنی‌ها جذاب باشد، دو بخش که می‌توانند حجم زیادی از تراشه‌ها را مصرف کنند، اما در بخش ساخت سیلیکون آن‌قدرها خواستار نیستند.

آنچه در مورد رویکرد هکلر جذاب است دو چیز است. اولاً، درک اهمیت تقاضا برای کشاندن حجم از طریق خط تولید، تضمین می‌کند که آنها تمرین زیادی در زمینه بهبود بازده داشته باشند. دوم، آن‌ها از فناوری جدیدی استفاده می‌کنند، و سوار شدن بر یک انتقال فناوری اغلب فرصتی برای خلع ید از مدیران فعلی است. تازه واردها باری ندارند که به فرآیندها یا امکانات موجود گره بخورند. 

آمریکن نیمه هادی هنوز راه درازی در پیش دارد، اما رویکردهایی مانند این مهارت های داخلی را ایجاد می کند و گامی عملی برای آوردن بسته بندی تراشه به ایالات متحده است. شروع کنید.