Ամերիկյան կիսահաղորդչային ընկերությունը քայլ է անում դեպի ԱՄՆ ներքին չիպերի փաթեթավորում

Անցած տարվա ընթացքում կիսահաղորդիչների լայնածավալ պակասը ստիպել է շատ մարդկանց կենտրոնանալ մատակարարման շղթայի ճկունության վրա՝ ԱՄՆ-ում չիպերի արտադրությունն ավելացնելու կոչերով: ԱՄՆ-ի նորարարության և մրցակցության ակտը (USICA), որն ընդունվել է Սենատում անցյալ տարվա հունիսին, առաջարկում է 52 միլիարդ դոլար օգնություն: ներքին կիսահաղորդչային արտադրություն, և սպասում է տան գործողություններին: Թեև շատերի հիմնական ուշադրությունը սիլիցիումային չիպերի արտադրության ներքին մասնաբաժնի աճն է, մենք չպետք է անտեսենք չիպերի փաթեթավորումը՝ այդ չիպերը պարփակելու կարևոր գործընթացը՝ դրանք վնասից պաշտպանելու և դրանք օգտագործելի դարձնելու համար՝ միացնելով դրանց սխեմաները ցանցին։ արտաքին աշխարհ. Սա մի ոլորտ է, որը կարևոր է լինելու ինչպես մատակարարման շղթայի ճկունության, այնպես էլ էլեկտրոնիկայի ապագա տեխնոլոգիական առաջընթացի համար: 

Փաթեթավորումը կարևոր է կիսահաղորդչային չիպերն օգտագործելի դարձնելու համար

Ինտեգրված միացումների (IC) չիպերն արտադրվում են սիլիկոնային վաֆլիների վրա բազմամիլիարդանոց գործարաններում, որոնք հայտնի են որպես «fabs»: Առանձին չիպսեր կամ «մահուկներ» արտադրվում են կրկնվող օրինաչափություններով, որոնք արտադրվում են խմբաքանակներով յուրաքանչյուր վաֆլի վրա (և վաֆլի խմբաքանակներում): 300 մմ վաֆլի (մոտ 12 դյույմ տրամագծով), այն չափը, որը սովորաբար օգտագործվում է ամենաժամանակակից ֆաբրիկաներում, կարող է կրել հարյուրավոր խոշոր միկրոպրոցեսորային չիպեր կամ հազարավոր փոքր կարգավորիչ չիպեր: Արտադրության գործընթացը բաժանված է «գծի առջևի վերջի» (FEOL) փուլի, որի ընթացքում ստեղծվում են միլիարդավոր միկրոսկոպիկ տրանզիստորներ և այլ սարքեր սիլիցիումի մարմնում ձևավորման և փորագրման գործընթացներով, որին հաջորդում է «գծի հետևի վերջը»: » (BEOL), որի մեջ մետաղյա հետքերի ցանց է դրված՝ ամեն ինչ միացնելու համար: Հետքերը բաղկացած են ուղղահայաց հատվածներից, որոնք կոչվում են «վիաս», որոնք իրենց հերթին միացնում են լարերի հորիզոնական շերտերը: Եթե ​​դուք ունեք միլիարդավոր տրանզիստորներ չիպի վրա (iPhone 13-ի A15 պրոցեսորն ունի 15 միլիարդ), ապա դրանք միացնելու համար ձեզ հարկավոր են միլիարդավոր լարեր: Յուրաքանչյուր անհատական ​​մահակ կարող է ընդհանուր առմամբ ունենալ մի քանի կիլոմետր լարեր, երբ այն ձգվում է, այնպես որ մենք կարող ենք պատկերացնել, որ BEOL գործընթացները բավականին բարդ են: Մատրակի շատ արտաքին շերտի վրա (երբեմն նրանք կօգտագործեն թևի հետևի մասը, ինչպես նաև առջևը), դիզայներները տեղադրում են միկրոսկոպիկ բարձիկներ, որոնք օգտագործվում են չիպը արտաքին աշխարհին միացնելու համար: 

Վաֆլի մշակումից հետո չիպսերից յուրաքանչյուրն առանձին-առանձին «զոնդավորվում» է թեստային մեքենայի միջոցով՝ պարզելու, թե որոնք են լավը: Դրանք կտրվում են և փաթեթավորվում: Փաթեթը ապահովում է ինչպես ֆիզիկական պաշտպանություն չիպի համար, այնպես էլ էլեկտրական ազդանշանները չիպի տարբեր սխեմաներին միացնելու միջոց: Չիպը փաթեթավորվելուց հետո այն կարող է տեղադրվել ձեր հեռախոսի, համակարգչի, մեքենայի կամ այլ սարքերի էլեկտրոնային տպատախտակների վրա: Այս փաթեթներից որոշները պետք է նախագծված լինեն էքստրեմալ միջավայրերի համար, օրինակ՝ մեքենայի շարժիչի խցիկում կամ բջջային հեռախոսի աշտարակի վրա: Մյուսները պետք է չափազանց փոքր լինեն՝ կոմպակտ սարքերի ներսում օգտագործելու համար: Բոլոր դեպքերում փաթեթի նախագծողը պետք է հաշվի առնի այնպիսի նյութեր, ինչպիսիք են նյութերը, որոնք պետք է օգտագործվեն՝ նվազագույնի հասցնելու սթրեսը կամ թաղանթի ճեղքը, կամ հաշվի առնել ջերմային ընդլայնումը և ինչպես դա կարող է ազդել չիպի հուսալիության վրա:

Ամենավաղ տեխնոլոգիան, որն օգտագործվում էր սիլիկոնային չիպը փաթեթի ներսում գտնվող կապարներին միացնելու համար մետաղալարերի միացում, ցածր ջերմաստիճանի եռակցման գործընթաց։ Այս գործընթացում շատ նուրբ մետաղալարեր (սովորաբար ոսկի կամ ալյումին, թեև օգտագործվում են նաև արծաթ և պղինձ) մի ծայրով կապվում են չիպի մետաղյա բարձիկներին, իսկ մյուս ծայրում՝ մետաղական շրջանակի տերմինալներին, որը տանում է դեպի արտաքին: . Գործընթացը սկիզբ է դրվել Bell Labs-ում 1950-ականներին, երբ մանր լարերը սեղմվում էին չիպային բարձիկների մեջ ճնշման տակ, տեղումների բարձր ջերմաստիճանում: Առաջին մեքենաները, որոնք դա անում էին, հասանելի դարձան 1950-ականների վերջին, իսկ 1960-ականների կեսերին ուլտրաձայնային կապը մշակվեց որպես այլընտրանքային տեխնիկա:

Պատմականորեն այս աշխատանքը կատարվել է Հարավարևելյան Ասիայում, քանի որ այն բավականին աշխատատար էր: Այդ ժամանակից ի վեր մշակվել են ավտոմատացված մեքենաներ՝ մետաղալարերի միացումը շատ բարձր արագությամբ կատարելու համար: Մշակվել են նաև փաթեթավորման շատ այլ նոր տեխնոլոգիաներ, այդ թվում՝ «flip chip» անվանումը։ Այս գործընթացում մանրադիտակային մետաղական սյուները տեղադրվում են («բախվում») չիպի վրա գտնվող բարձիկների վրա, քանի դեռ այն գտնվում է վաֆլի վրա, և այնուհետև փորձարկվելուց հետո լավ ձողը շուռ են տալիս և հավասարեցնում համապատասխան բարձիկներին փաթեթում: Այնուհետև միացումները միացնելու համար զոդը հալեցնում են վերամշակման գործընթացում: Սա միանգամից հազարավոր կապեր հաստատելու լավ միջոց է, թեև դուք պետք է ուշադիր վերահսկեք ամեն ինչ, որպեսզի համոզվեք, որ բոլոր կապերը լավ են: 

Վերջերս փաթեթավորումը շատ ավելի մեծ ուշադրություն է գրավել: Դա պայմանավորված է նրանով, որ հասանելի են դառնում նոր տեխնոլոգիաները, բայց նաև նոր հավելվածները, որոնք խթանում են չիպերի օգտագործումը: Ամենակարևորը տարբեր տեխնոլոգիաներով պատրաստված բազմաթիվ չիպսեր մեկ փաթեթի մեջ դնելու ցանկությունն է, այսպես կոչված, «System-in-Package» (SiP) չիպեր: Բայց դա նաև պայմանավորված է տարբեր տեսակի սարքերը համատեղելու ցանկությամբ, օրինակ՝ 5G ալեհավաքը նույն փաթեթում, ինչ ռադիոչիպը, կամ արհեստական ​​ինտելեկտի հավելվածները, որոնցում դուք ինտեգրում եք սենսորները հաշվողական չիպերի հետ: TSMC-ի նման մեծ կիսահաղորդչային ձուլարաններն աշխատում են նաև «չիպլետների» և «օդափոխիչի փաթեթավորման» հետ, մինչդեռ Intel-ը
INTC
ունի իր ներկառուցված բազմաշերտ փոխկապակցման (EMIB) և Foveros die-stacking տեխնոլոգիան, որը ներդրվել է իր Lakefield շարժական պրոցեսորում 2019 թվականին:

Փաթեթավորումների մեծ մասը կատարվում է երրորդ կողմի պայմանագրային արտադրողների կողմից, որոնք հայտնի են որպես «Աութսորսինգի հավաքման և փորձարկման» (OSAT) ընկերություններ, և նրանց աշխարհի կենտրոնը Ասիայում է: OSAT-ի խոշորագույն մատակարարներն են Թայվանի ASE-ն, Amkor Technology-ն
AMKR
Գլխամասային գրասենյակը գտնվում է Արիզոնայի Տեմպե քաղաքում, Չինաստանի Jiangsu Changjiang Electronics Tech Company (JCET) (որը մի քանի տարի առաջ ձեռք է բերել Սինգապուրում գործող STATS ChipPac-ը) և Siliconware Precision Industries Co., Ltd. (SPIL) Թայվանից, որը ձեռք է բերվել ASE-ում: 2015. Կան բազմաթիվ այլ ավելի փոքր խաղացողներ, հատկապես Չինաստանում, որը մի քանի տարի առաջ OSAT-ը ճանաչեց որպես ռազմավարական արդյունաբերություն:

Վերջերս փաթեթավորման ուշադրությունը գրավելու հիմնական պատճառն այն է, որ Վիետնամում և Մալայզիայում Covid-19-ի վերջին բռնկումները զգալիորեն նպաստել են կիսահաղորդչային չիպերի մատակարարման ճգնաժամի վատթարացմանը՝ գործարանների փակման կամ աշխատակազմերի կրճատման պատճառով, որոնք տեղական ինքնակառավարման մարմինների կողմից դադարեցնում կամ կրճատում են արտադրությունը շաբաթներով։ մի ժամանակ. Նույնիսկ եթե ԱՄՆ կառավարությունը սուբսիդիաներ ներդնի ներքին կիսահաղորդիչների արտադրությունը խթանելու համար, այդ պատրաստի չիպերի մեծ մասը դեռ պատրաստվում է մեկնել Ասիա փաթեթավորման համար, քանի որ այնտեղ են արդյունաբերության և մատակարարների ցանցերը և որտեղ են հմտության բազան: Այսպիսով, Intel-ը միկրոպրոցեսորային չիպեր է արտադրում Հիլսբորո, Օրեգոն կամ Չանդլեր, Արիզոնա նահանգում, բայց պատրաստի վաֆլիներ է ուղարկում Մալայզիայի, Վիետնամի կամ Չենդուի, Չինաստանի գործարաններ՝ փորձարկման և փաթեթավորման համար:

Հնարավո՞ր է չիպերի փաթեթավորում ստեղծել ԱՄՆ-ում:

Չիպերի փաթեթավորումն ԱՄՆ բերելու համար զգալի մարտահրավերներ կան, քանի որ արդյունաբերության մեծ մասը լքել է ամերիկյան ափերը մոտ կես դար առաջ: Փաթեթավորման համաշխարհային արտադրության հյուսիսամերիկյան մասնաբաժինը կազմում է ընդամենը 3%: Սա նշանակում է, որ սարքավորումների, քիմիական նյութերի (օրինակ՝ ենթաշերտերը և փաթեթներում օգտագործվող այլ նյութերը), կապարի շրջանակները և, ամենակարևորը, բիզնեսի մեծ մասի համար փորձառու տաղանդի հմտությունների բազան արտադրելու մատակարարների ցանցերը գոյություն չունեն ԱՄՆ-ում։ երկար ժամանակ. Intel-ը վերջերս հայտարարեց 7 միլիարդ դոլարի ներդրման մասին Մալայզիայում փաթեթավորման և փորձարկման նոր գործարանում, թեև նա նաև հայտարարեց, որ մտադիր է 3.5 միլիարդ դոլար ներդնել իր Rio Rancho, Նյու Մեքսիկոյի գործառնություններում իր Foveros տեխնոլոգիայի համար: Amkor Technology-ը նաև վերջերս հայտարարեց Հանոյից հյուսիս-արևելք Վիետնամի Bac Ninh-ում հզորությունների ընդլայնման ծրագրերի մասին:

ԱՄՆ-ի համար այս խնդրի մեծ մասն այն է, որ առաջադեմ չիպերի փաթեթավորումը պահանջում է արտադրական մեծ փորձ: Երբ առաջին անգամ սկսեք արտադրությունը, լավ պատրաստի փաթեթավորված չիպսերի բերքատվությունը, հավանաբար, ցածր կլինի, և քանի որ դուք ավելի շատ եք արտադրում, դուք անընդհատ բարելավում եք գործընթացը, և բերքատվությունն ավելի լավ է դառնում: Չիպերի խոշոր հաճախորդները, ընդհանուր առմամբ, պատրաստ չեն ռիսկի դիմել նոր ներքին մատակարարների օգտագործմանը, որոնք կարող են երկար ժամանակ պահանջել այս եկամտաբերության կորը կազմելու համար: Եթե ​​դուք ունեք ցածր փաթեթավորման եկամտաբերություն, դուք դեն եք նետում չիպսերը, որոնք հակառակ դեպքում լավ կլիներ: Ինչու՞ օգտվել հնարավորությունից: Այսպիսով, նույնիսկ եթե մենք ավելի առաջադեմ չիպեր պատրաստենք ԱՄՆ-ում, դրանք, հավանաբար, դեռ կմեկնեն Հեռավոր Արևելք փաթեթավորման համար:

Boise, Այդահոյի ամերիկյան Semiconductor, Inc.-ն այլ մոտեցում է ցուցաբերում: Գործադիր տնօրեն Դագ Հեքլերը կողմ է «կենսունակ վերակառուցմանը, որը հիմնված է կենսունակ արտադրության վրա»: Փոխանակ հետապնդելու միայն բարձրակարգ չիպերի փաթեթավորումը, որն օգտագործվում է առաջադեմ միկրոպրոցեսորների կամ 5G չիպերի համար, նրա ռազմավարությունն է օգտագործել նոր տեխնոլոգիա և կիրառել այն հին չիպերի վրա, որտեղ մեծ պահանջարկ կա, ինչը թույլ կտա ընկերությանը կիրառել իր գործընթացները և սովորել. Ժառանգական չիպսերը նույնպես շատ ավելի էժան են, ուստի բերքատվության կորուստը այնքան էլ կյանքի և մահվան խնդիր չէ: Hackler-ը նշում է, որ iPhone 85-ի չիպերի 11%-ն օգտագործում է ավելի հին տեխնոլոգիաներ, օրինակ՝ արտադրված 40 նմ կամ ավելի բարձր կիսահաղորդչային հանգույցներում (ինչը մեկ տասնամյակ առաջ տաք տեխնոլոգիա էր): Իրոք, չիպերի պակասից շատերը, որոնք ներկայումս պատուհասում են ավտոարդյունաբերությունը և մյուսները, այս ժառանգական չիպերի համար են: Միևնույն ժամանակ, ընկերությունը փորձում է կիրառել նոր տեխնոլոգիա և ավտոմատացում հավաքման փուլերում՝ առաջարկելով գերբարակ չիպերի մասշտաբով փաթեթավորում՝ օգտագործելով այն, ինչ կոչվում է կիսահաղորդչային պոլիմերային (SoP) պրոցեսը, որի ընթացքում թաղանթով լի վաֆլան միացվում է հետևի պոլիմեր, այնուհետև տեղադրվում է ջերմային փոխանցման ժապավենի վրա: Սովորական ավտոմատացված թեստերի հետ փորձարկումից հետո չիպերը կտրատվում են ժապավենի կրիչների վրա և տեղափոխվում գլանափաթեթներ կամ այլ ձևաչափեր՝ բարձր արագությամբ ավտոմատ հավաքման համար: Hackler-ը կարծում է, որ այս փաթեթավորումը պետք է գրավիչ լինի Internet-of-Things (IoT) սարքերի և կրելի սարքերի արտադրողների համար, երկու սեգմենտներ, որոնք կարող են մեծ քանակությամբ չիպեր սպառել, բայց այդքան էլ պահանջկոտ չեն սիլիցիումի արտադրության ոլորտում:

Այն, ինչ գրավիչ է Հաքլերի մոտեցման մեջ, երկու բան է. Նախ, իր արտադրական գծով ծավալը քաշելու պահանջարկի կարևորության ճանաչումը կապահովի, որ նրանք մեծ պրակտիկա ստանան եկամտաբերության բարելավման վերաբերյալ: Երկրորդ, նրանք օգտագործում են նոր տեխնոլոգիա, և տեխնոլոգիական անցում կատարելը հաճախ հնարավորություն է տալիս պաշտոնանկ անելու գործող նախագահներին: Նոր ընդունվողները չունեն գոյություն ունեցող գործընթացների կամ հարմարությունների հետ կապված լինելու ուղեբեռը: 

Ամերիկյան կիսահաղորդչային ընկերությունը դեռ երկար ճանապարհ ունի անցնելու, բայց նման մոտեցումները կզարգացնեն ներքին հմտությունները և գործնական քայլ են չիպերի փաթեթավորումն ԱՄՆ բերելու համար: Մի սպասեք, որ ներքին հնարավորությունների հաստատումը արագ կլինի, բայց դա վատ տեղ չէ սկսել.