American Semiconductor macht einen Schritt in Richtung inländischer Chipverpackung in den USA

Die im letzten Jahr weit verbreitete Knappheit an Halbleitern hat dazu geführt, dass sich viele Menschen auf die Widerstandsfähigkeit der Lieferkette konzentrieren und eine Steigerung der Chipproduktion in den USA fordern. Der US-Innovations- und Wettbewerbsgesetz (USICA), der im vergangenen Juni vom Senat verabschiedet wurde, sieht Hilfsleistungen in Höhe von 52 Milliarden US-Dollar vor inländische Halbleiterproduktion und wartet auf Maßnahmen des Repräsentantenhauses. Während für viele Menschen das Hauptaugenmerk darauf liegt, den inländischen Anteil an der Produktion von Siliziumchips zu steigern, sollten wir das Chip-Packaging nicht außer Acht lassen – den wesentlichen Prozess der Einkapselung dieser Chips, um sie vor Beschädigungen zu schützen und sie durch den Anschluss ihrer Schaltkreise nutzbar zu machen Außenwelt. Dies ist ein Bereich, der sowohl für die Ausfallsicherheit der Lieferkette als auch für die Aufrechterhaltung zukünftiger technologischer Fortschritte in der Elektronik wichtig sein wird. 

Um Halbleiterchips nutzbar zu machen, ist die Verpackung von entscheidender Bedeutung

Chips für integrierte Schaltkreise (IC) werden auf Siliziumwafern in milliardenschweren Fabriken hergestellt, die als „Fabs“ bekannt sind. Die einzelnen Chips oder „Chips“ werden in sich wiederholenden Mustern in Chargen auf jedem Wafer (und über mehrere Wafer-Chargen hinweg) hergestellt. Ein 300-mm-Wafer (ca. 12 Zoll Durchmesser), die Größe, die normalerweise in den modernsten Fabriken verwendet wird, könnte Hunderte von großen Mikroprozessorchips oder Tausende von winzigen Controllerchips enthalten. Der Produktionsprozess ist in eine „Front-End-of-the-Line“-Phase (FEOL) unterteilt, in der Milliarden von mikroskopisch kleinen Transistoren und anderen Bauelementen durch Strukturierungs- und Ätzprozesse im Siliziumkörper erstellt werden, gefolgt von einer „Back-End-of-the-Line“-Phase “ (BEOL), bei dem ein Netz aus Metallbahnen verlegt wird, um alles zu verbinden. Die Leiterbahnen bestehen aus vertikalen Segmenten, die „Durchkontaktierungen“ genannt werden und wiederum horizontale Verdrahtungsschichten verbinden. Wenn Sie Milliarden von Transistoren auf einem Chip haben (der A13-Prozessor des iPhone 15 hat 15 Milliarden), benötigen Sie viele Milliarden Drähte, um sie zu verbinden. Jeder einzelne Chip kann im ausgestreckten Zustand insgesamt mehrere Kilometer Verkabelung aufweisen, daher können wir uns vorstellen, dass die BEOL-Prozesse ziemlich komplex sind. Auf der äußersten Außenschicht des Chips (manchmal werden sowohl die Rückseite als auch die Vorderseite des Chips verwendet) platzieren Designer mikroskopisch kleine Pads, die den Chip mit der Außenwelt verbinden. 

Nachdem der Wafer bearbeitet wurde, wird jeder Chip einzeln mit einer Testmaschine „geprüft“, um herauszufinden, welche Chips gut sind. Diese werden ausgeschnitten und in Pakete verpackt. Ein Gehäuse bietet sowohl physischen Schutz für den Chip als auch die Möglichkeit, elektrische Signale an die verschiedenen Schaltkreise im Chip anzuschließen. 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 ausgelegt sein, beispielsweise im Motorraum eines Autos oder auf einem Mobilfunkmast. Andere müssen für den Einsatz in kompakten Geräten extrem klein sein. In allen Fällen muss der Gehäusedesigner Dinge wie Materialien berücksichtigen, die verwendet werden sollen, um Spannungen oder Risse im Chip zu minimieren oder die Wärmeausdehnung zu berücksichtigen und zu berücksichtigen, wie sich diese auf die Zuverlässigkeit des Chips auswirken kann.

Die früheste Technologie zur Verbindung des Siliziumchips mit den Anschlüssen im Inneren des Gehäuses war Drahtbonden, ein Niedertemperatur-Schweißverfahren. Bei diesem Verfahren werden sehr feine Drähte (normalerweise Gold oder Aluminium, es werden jedoch auch Silber und Kupfer verwendet) an einem Ende mit Metallpads auf dem Chip und am anderen Ende mit Anschlüssen an einem Metallrahmen verbunden, der nach außen geführte Leitungen aufweist . Der Prozess wurde in den 1950er Jahren in den Bell Labs entwickelt, wobei winzige Drähte bei hohen Punkttemperaturen unter Druck in die Chip-Pads gepresst wurden. Die ersten Maschinen, die dies ermöglichten, kamen Ende der 1950er Jahre auf den Markt, und Mitte der 1960er Jahre wurde das Ultraschallschweißen als alternative Technik entwickelt.

Historisch gesehen wurde diese Arbeit in Südostasien durchgeführt, da sie recht arbeitsintensiv war. Seitdem wurden automatisierte Maschinen entwickelt, die das Drahtbonden mit sehr hohen Geschwindigkeiten durchführen. Es wurden auch viele andere neuere Verpackungstechnologien entwickelt, darunter eine sogenannte „Flip-Chip“. Bei diesem Verfahren werden mikroskopisch kleine Metallsäulen auf die Pads des Chips aufgebracht („angestoßen“), während dieser sich noch auf dem Wafer befindet. Nach dem Testen wird der gute Chip dann umgedreht und mit den passenden Pads in einem Gehäuse ausgerichtet. Anschließend wird das Lot in einem Reflow-Verfahren geschmolzen, um die Verbindungen zu verschmelzen. Dies ist eine gute Möglichkeit, Tausende von Verbindungen auf einmal herzustellen. Allerdings müssen Sie die Dinge sorgfältig kontrollieren, um sicherzustellen, dass alle Verbindungen gut sind. 

Verpackungen haben in letzter Zeit deutlich mehr Aufmerksamkeit erregt. Dies liegt an der Verfügbarkeit neuer Technologien, aber auch an neuen Anwendungen, die den Chipverbrauch vorantreiben. Im Vordergrund steht der Wunsch, mehrere mit unterschiedlichen Technologien hergestellte Chips in einem einzigen Gehäuse, sogenannten System-in-Package (SiP)-Chips, zusammenzufassen. Aber es geht auch um den Wunsch, verschiedene Arten von Geräten zu kombinieren, zum Beispiel eine 5G-Antenne im selben Gehäuse wie der Funkchip oder Anwendungen der künstlichen Intelligenz, bei denen man Sensoren in die Computerchips integriert. Die großen Halbleiterhersteller wie TSMC arbeiten ebenfalls mit „Chiplets“ und „Fan-out-Packaging“, während Intel
INTC
hat seine eingebettete Multi-Die-Verbindung (EMIB) und die Foveros-Die-Stacking-Technologie 2019 in seinem Lakefield-Mobilprozessor eingeführt.

Der größte Teil der Verpackung wird von externen Vertragsherstellern durchgeführt, die als „Outsourced Assembly and Test“ (OSAT)-Unternehmen bekannt sind und deren Weltzentrum in Asien liegt. Die größten OSAT-Lieferanten sind ASE aus Taiwan und Amkor Technology
AMKR
mit Hauptsitz in Tempe, Arizona, Jiangsu Changjiang Electronics Tech Company (JCET) aus China (die vor einigen Jahren das in Singapur ansässige Unternehmen STATS ChipPac übernommen hat) und Siliconware Precision Industries Co., Ltd. (SPIL) aus Taiwan, das 2015 von ASE übernommen wurde XNUMX. Es gibt zahlreiche weitere kleinere Player, insbesondere in China, die OSAT bereits vor einigen Jahren als strategische Industrie identifiziert haben.

Ein Hauptgrund dafür, dass Verpackungen in letzter Zeit Aufmerksamkeit erregt haben, ist, dass die jüngsten Covid-19-Ausbrüche in Vietnam und Malaysia erheblich zur Verschärfung der Versorgungskrise bei Halbleiterchips beigetragen haben, da Werksschließungen oder Personalabbau, die von lokalen Regierungen erzwungen wurden, die Produktion wochenlang unterbrachen oder reduzierten eine Zeit. Selbst wenn die US-Regierung in Subventionen investiert, um die inländische Halbleiterfertigung zu fördern, werden die meisten dieser fertigen Chips immer noch zur Verpackung nach Asien reisen, da dort die Industrie- und Zulieferernetzwerke sowie die Kompetenzbasis vorhanden sind. So stellt Intel Mikroprozessorchips in Hillsboro, Oregon oder Chandler, Arizona her, schickt fertige Wafer jedoch zur Prüfung und Verpackung an Fabriken in Malaysia, Vietnam oder Chengdu, China.

Können Chipverpackungen in den USA etabliert werden?

Die Einführung von Chipverpackungen in die USA ist mit erheblichen Herausforderungen verbunden, da der Großteil der Industrie die amerikanischen Küsten vor fast einem halben Jahrhundert verlassen hat. Der nordamerikanische Anteil an der weltweiten Verpackungsproduktion beträgt nur etwa 3 %. Das bedeutet, dass es in den USA seit langem keine Lieferantennetzwerke für Fertigungsausrüstung, Chemikalien (wie Substrate und andere in Verpackungen verwendete Materialien), Leiterrahmen und vor allem eine Kompetenzbasis erfahrener Talente für den volumenstarken Teil des Geschäfts gibt eine lange Zeit. Intel hat gerade eine Investition von 7 Milliarden US-Dollar in eine neue Verpackungs- und Testfabrik in Malaysia angekündigt, kündigte aber auch Pläne an, 3.5 Milliarden US-Dollar in seinen Betrieb in Rio Rancho, New Mexico, für seine Foveros-Technologie zu investieren. Amkor Technology kündigte außerdem kürzlich Pläne zur Kapazitätserweiterung in Bac Ninh, Vietnam, nordöstlich von Hanoi an.

Ein großer Teil dieses Problems für die USA besteht darin, dass fortschrittliche Chipverpackungen so viel Produktionserfahrung erfordern. Wenn Sie zum ersten Mal mit der Produktion beginnen, ist die Ausbeute an gut verpackten Chips wahrscheinlich niedrig, und wenn Sie mehr herstellen, verbessern Sie den Prozess ständig und die Ausbeute wird besser. Große Chipkunden werden im Allgemeinen nicht bereit sein, das Risiko einzugehen, auf neue inländische Lieferanten zurückzugreifen, bei denen es lange dauern könnte, bis sie diese Renditekurve erreichen. Wenn Sie eine geringe Verpackungsausbeute haben, werfen Sie Chips weg, die sonst gut wären. Warum das Risiko eingehen? Selbst wenn wir fortschrittlichere Chips in den USA herstellen, werden sie wahrscheinlich immer noch zur Verpackung in den Fernen Osten gehen.

American Semiconductor, Inc. mit Sitz in Boise, Idaho, verfolgt einen anderen Ansatz. CEO Doug Hackler befürwortet eine „rentable Reshoring auf der Grundlage einer rentablen Fertigung“. Anstatt nur High-End-Chipverpackungen zu verfolgen, wie sie für fortschrittliche Mikroprozessoren oder 5G-Chips verwendet werden, besteht seine Strategie darin, neue Technologien zu nutzen und sie auf ältere Chips anzuwenden, bei denen eine große Nachfrage besteht, was es dem Unternehmen ermöglichen wird, seine Prozesse und Prozesse zu praktizieren lernen. Ältere Chips sind auch viel billiger, sodass Ertragsverluste nicht so sehr über Leben und Tod entscheiden. Hackler weist darauf hin, dass 85 % der Chips in einem iPhone 11 ältere Technologien verwenden, die beispielsweise auf Halbleiterknoten von 40 nm oder älter hergestellt werden (was vor einem Jahrzehnt die heiße Technologie war). Tatsächlich sind viele der Chip-Engpässe, mit denen derzeit die Automobilindustrie und andere zu kämpfen haben, auf diese veralteten Chips zurückzuführen. Gleichzeitig versucht das Unternehmen, neue Technologien und Automatisierung auf die Montageschritte anzuwenden und bietet ultradünne Verpackungen im Chip-Maßstab mithilfe eines sogenannten SoP-Prozesses (Halbleiter auf Polymer) an, bei dem ein Wafer voller Chips mit einem Chip verbunden wird Rückseite aus Polymer und dann auf ein Thermotransferband gelegt. Nach dem Test mit den üblichen automatischen Testern werden die Chips auf den Bandträgern in Würfel geschnitten und zur automatisierten Hochgeschwindigkeitsmontage auf Rollen oder andere Formate übertragen. Hackler glaubt, dass diese Verpackung für Hersteller von Internet-of-Things (IoT)-Geräten und Wearables attraktiv sein dürfte, zwei Segmente, die große Mengen an Chips verbrauchen könnten, aber auf der Seite der Siliziumherstellung nicht so hohe Anforderungen stellen.

Das Reizvolle an Hacklers Ansatz sind zwei Dinge. Erstens wird die Erkenntnis, wie wichtig die Nachfrage ist, um Volumen durch seine Produktionslinie zu bringen, dafür sorgen, dass sie viel Übung in der Ertragsverbesserung erhalten. Zweitens nutzen sie eine neue Technologie, und der Technologiewechsel ist oft eine Gelegenheit, etablierte Unternehmen zu verdrängen. Neueinsteiger müssen sich nicht mit der Bindung an bestehende Prozesse oder Einrichtungen herumschlagen. 

American Semiconductor hat noch einen langen Weg vor sich, aber Ansätze wie dieser werden inländische Kompetenzen aufbauen und sind ein praktischer Schritt, um Chip-Packaging in die USA zu bringen. Erwarten Sie nicht, dass der Aufbau inländischer Kapazitäten schnell vonstatten geht, aber es ist kein schlechter Ort dafür Start.