ამერიკული ნახევარგამტარი დგამს ნაბიჯს აშშ-ს შიდა ჩიპების შეფუთვისკენ

გასული წლის განმავლობაში ნახევარგამტარების ფართომასშტაბიანმა დეფიციტმა გამოიწვია ბევრი ადამიანის ფოკუსირება მიწოდების ჯაჭვის მდგრადობაზე, მოწოდებით გაზარდოს ჩიპების წარმოება აშშ-ში. აშშ-ს ინოვაციებისა და კონკურენციის აქტი (USICA), რომელიც სენატმა გასული წლის ივნისში მიიღო, სთავაზობს 52 მილიარდ დოლარს დახმარებისთვის. შიდა ნახევარგამტარების წარმოება და ელოდება სახლის მოქმედებას. მიუხედავად იმისა, რომ ბევრი ადამიანის მთავარი აქცენტი კეთდება სილიკონის ჩიპების წარმოების შიდა წილის გაზრდაზე, ჩვენ არ უნდა გამოგვრჩეს ჩიპების შეფუთვა - ამ ჩიპების ინკაფსულაციის არსებითი პროცესი, რათა დავიცვათ ისინი დაზიანებისგან და გახადოთ ისინი გამოსაყენებლად მათი მიკროსქემის მიერთებით. გარე სამყარო. ეს არის სფერო, რომელიც მნიშვნელოვანი იქნება როგორც მიწოდების ჯაჭვის გამძლეობისთვის, ასევე ელექტრონიკის სამომავლო ტექნოლოგიური მიღწევების შესანარჩუნებლად. 

შეფუთვა აუცილებელია ნახევარგამტარული ჩიპების გამოსაყენებლად

ინტეგრირებული მიკროსქემის (IC) ჩიპები იწარმოება სილიკონის ვაფლებზე მრავალმილიარდ დოლარიან ქარხნებში, რომლებიც ცნობილია როგორც "ფაბები". ცალკეული ჩიპები ან „საკვები“ იწარმოება განმეორებით შაბლონებში, რომლებიც მზადდება სერიებად თითოეულ ვაფლზე (და ვაფლის პარტიებში). 300 მმ ვაფლი (დაახლოებით 12 ინჩი დიამეტრის), ზომა, რომელიც ჩვეულებრივ გამოიყენება ყველაზე თანამედროვე ფაბრიკაში, შეიძლება ჰქონდეს ასობით დიდი მიკროპროცესორული ჩიპი ან ათასობით პატარა კონტროლერის ჩიპი. წარმოების პროცესი დაყოფილია "ხაზის წინა ბოლოში" (FEOL) ფაზაში, რომლის დროსაც იქმნება მილიარდობით მიკროსკოპული ტრანზისტორი და სხვა მოწყობილობა სილიკონის სხეულში ნიმუშისა და ჭრის პროცესებით, რასაც მოჰყვება "ხაზის უკანა ბოლო". ” (BEOL), რომელშიც ლითონის კვალის ბადეა ჩადებული, რათა ყველაფერი დააკავშიროს. კვალი შედგება ვერტიკალური სეგმენტებისგან, სახელწოდებით "vias", რომელიც თავის მხრივ აკავშირებს გაყვანილობის ჰორიზონტალურ ფენებს. თუ თქვენ გაქვთ მილიარდობით ტრანზისტორი ჩიპზე (iPhone 13-ის A15 პროცესორს აქვს 15 მილიარდი), მათ დასაკავშირებლად გჭირდებათ მრავალი მილიარდი მავთული. გაჭიმვისას თითოეულ ინდივიდუალურ საძირკველს შეიძლება ჰქონდეს რამდენიმე კილომეტრიანი გაყვანილობა, ასე რომ, ჩვენ შეგვიძლია წარმოვიდგინოთ, რომ BEOL პროცესები საკმაოდ რთულია. კვარცხლბეკის ძალიან გარე ფენაზე (ზოგჯერ ისინი გამოიყენებენ კვარცხლბეკის უკანა მხარეს, ისევე როგორც წინა), დიზაინერებმა დააყენეს მიკროსკოპული ბალიშები, რომლებიც გამოიყენება ჩიპის გარე სამყაროსთან დასაკავშირებლად. 

ვაფლის დამუშავების შემდეგ, თითოეული ჩიპი ინდივიდუალურად „გამოიკვლევება“ სატესტო მანქანით, რათა გაირკვეს, რომელია კარგი. ისინი იჭრება და შეფუთულია. პაკეტი უზრუნველყოფს როგორც ფიზიკურ დაცვას ჩიპისთვის, ასევე ელექტრული სიგნალების დასაკავშირებლად ჩიპში არსებულ სხვადასხვა სქემებთან. მას შემდეგ, რაც ჩიპი შეფუთულია, ის შეიძლება განთავსდეს თქვენს ტელეფონში, კომპიუტერში, მანქანაში ან სხვა მოწყობილობებში არსებულ ელექტრონულ მიკროსქემებზე. ზოგიერთი პაკეტი უნდა იყოს შექმნილი ექსტრემალური გარემოსთვის, მაგალითად, მანქანის ძრავის განყოფილებაში ან მობილური ტელეფონის კოშკზე. სხვები უნდა იყოს ძალიან მცირე ზომის კომპაქტური მოწყობილობებისთვის გამოსაყენებლად. ყველა შემთხვევაში შეფუთვის დიზაინერმა უნდა განიხილოს ისეთი რამ, როგორიცაა მასალები, რომლებიც უნდა გამოიყენოს სტრესის ან ჭურჭლის გატეხვის შესამცირებლად, ან გაითვალისწინოს თერმული გაფართოება და როგორ იმოქმედოს ამან ჩიპის საიმედოობაზე.

ყველაზე ადრეული ტექნოლოგია, რომელიც გამოიყენებოდა სილიკონის ჩიპის შესაერთებლად შეფუთვაში არსებულ მილებს მავთულის შეკვრა, დაბალ ტემპერატურაზე შედუღების პროცესი. ამ პროცესში ძალიან წვრილი მავთულები (ჩვეულებრივ ოქრო ან ალუმინი, თუმცა ასევე გამოიყენება ვერცხლი და სპილენძი) ერთ ბოლოზე მიმაგრებულია ჩიპზე მეტალის ბალიშებზე, ხოლო მეორე ბოლოზე მეტალის ჩარჩოს ტერმინალებზე, რომელსაც აქვს გარე შესასვლელი. . პროცესის პიონერი იყო Bell Labs-ში 1950-იან წლებში, პაწაწინა მავთულებით დაჭერილი წნევით ჩიპების ბალიშებში მაღალ ადგილზე ტემპერატურაზე. პირველი მანქანები, რომლებიც ამას აკეთებდნენ, ხელმისაწვდომი გახდა 1950-იანი წლების ბოლოს, ხოლო 1960-იანი წლების შუა პერიოდისთვის, ულტრაბგერითი შემაკავშირებელი ალტერნატიული ტექნიკა განვითარდა.

ისტორიულად ეს სამუშაო შესრულდა სამხრეთ-აღმოსავლეთ აზიაში, რადგან საკმაოდ შრომატევადი იყო. მას შემდეგ შეიქმნა ავტომატური მანქანები მავთულის შეერთების შესასრულებლად ძალიან მაღალი სიჩქარით. ასევე შემუშავებულია შეფუთვის მრავალი სხვა ახალი ტექნოლოგია, მათ შორის ერთი სახელწოდებით "Flip Chip". ამ პროცესში, მიკროსკოპული ლითონის სვეტები დეპონირებულია („შემოყრილი“) ჩიპზე ბალიშებზე, სანამ ის ჯერ კიდევ ვაფლზეა, შემდეგ კი ტესტირების შემდეგ კარგი საყრდენი ატრიალდება და სწორდება შეფუთვაში შესატყვის ბალიშებთან. შემდეგ შედუღება დნება ხელახალი დამუშავების პროცესში, რათა მოხდეს კავშირები. ეს კარგი გზაა ათასობით კავშირის დასამყარებლად ერთდროულად, თუმცა თქვენ უნდა აკონტროლოთ ყველაფერი, რათა დარწმუნდეთ, რომ ყველა კავშირი კარგია. 

ბოლო დროს შეფუთვამ დიდი ყურადღება მიიპყრო. ეს არის ახალი ტექნოლოგიების ხელმისაწვდომობის გამო, მაგრამ ასევე ახალი აპლიკაციების გამო, რომლებიც ჩიპების გამოყენებას უწყობს ხელს. უპირველეს ყოვლისა არის სურვილი, რომ სხვადასხვა ტექნოლოგიებით დამზადებული მრავალი ჩიპი ერთად მოვათავსოთ ერთ პაკეტში, ე.წ. System-in-Package (SiP) ჩიპები. მაგრამ ის ასევე გამოწვეულია სხვადასხვა სახის მოწყობილობების გაერთიანების სურვილით, მაგალითად, 5G ანტენა იმავე პაკეტში, როგორც რადიო ჩიპი, ან ხელოვნური ინტელექტის აპლიკაციები, რომლებშიც თქვენ აერთიანებთ სენსორებს გამოთვლით ჩიპებთან. დიდი ნახევარგამტარული სამსხმელო ქარხნები, როგორიცაა TSMC, ასევე მუშაობენ „ჩიპლეტებით“ და „გამაფრქვეველი შეფუთვით“, ხოლო Intel.
INTC
მას აქვს ჩაშენებული მრავალსაფეხურიანი ურთიერთდაკავშირება (EMIB) და Foveros die-stacking ტექნოლოგია, რომელიც დაინერგა Lakefield-ის მობილურ პროცესორში 2019 წელს.

შეფუთვის უმეტესობა კეთდება მესამე მხარის კონტრაქტის მწარმოებლების მიერ, რომლებიც ცნობილია როგორც „აუთსორსირებული შეკრება და ტესტირება“ (OSAT) კომპანიები, და მათი სამყაროს ცენტრი აზიაშია. OSAT-ის უმსხვილესი მომწოდებლები არიან ტაივანის ASE, Amkor Technology
ამკრ
სათაო ოფისი ტემპში, არიზონა, ჩინეთის Jiangsu Changjiang Electronics Tech Company (JCET) (რომელმაც რამდენიმე წლის წინ შეიძინა სინგაპურში დაფუძნებული STATS ChipPac) და Siliconware Precision Industries Co., Ltd. (SPIL) ტაივანის მიერ, შეძენილი ASE-ში 2015. არსებობს მრავალი სხვა მცირე მოთამაშე, განსაკუთრებით ჩინეთში, რომელმაც რამდენიმე წლის წინ OSAT-ი სტრატეგიულ ინდუსტრიად გამოავლინა.

შეფუთვამ ბოლო დროს მიიპყრო ყურადღება ის არის, რომ ბოლოდროინდელმა კოვიდ-19-ის გავრცელებამ ვიეტნამსა და მალაიზიაში მნიშვნელოვანი წვლილი შეიტანა ნახევარგამტარული ჩიპების მომარაგების კრიზისის გაუარესებაში, ქარხნების დახურვით ან პერსონალის შემცირებით, რაც ადგილობრივმა მთავრობებმა შეწყვიტეს ან ამცირებდნენ წარმოებას კვირით. დრო. მაშინაც კი, თუ აშშ-ს მთავრობა ინვესტიციას განახორციელებს სუბსიდიებში ნახევარგამტარების შიდა წარმოების გასაძლიერებლად, ამ მზა ჩიპების უმეტესობა კვლავ აპირებს გამგზავრებას აზიაში შესაფუთად, რადგან აქ არის ინდუსტრიისა და მიმწოდებლის ქსელები და სადაც არის უნარების ბაზა. ამრიგად, Intel აწარმოებს მიკროპროცესორულ ჩიპებს ჰილსბოროში, ორეგონში ან ჩენდლერში, არიზონაში, მაგრამ მზა ვაფლებს აგზავნის მალაიზიაში, ვიეტნამში ან ჩენგდუში, ჩინეთის ქარხნებში ტესტირებისა და შეფუთვისთვის.

შესაძლებელია თუ არა ჩიპების შეფუთვა აშშ-ში?

ჩიპების შეფუთვის შეერთებულ შტატებში შემოტანის მნიშვნელოვანი გამოწვევებია, რადგან ინდუსტრიის უმეტესობამ დატოვა ამერიკული სანაპიროები დაახლოებით ნახევარი საუკუნის წინ. გლობალური შეფუთვის წარმოების ჩრდილოეთ ამერიკის წილი მხოლოდ 3%-ს შეადგენს. ეს ნიშნავს, რომ მიმწოდებელი ქსელები წარმოების აღჭურვილობის, ქიმიკატების (როგორიცაა სუბსტრატები და სხვა მასალები, რომლებიც გამოიყენება პაკეტებში), ტყვიის ჩარჩოები და რაც მთავარია, ბიზნესის დიდი მოცულობის ნაწილისთვის გამოცდილი ნიჭის უნარების ბაზა არ არსებობდა აშშ-ში. დიდი ხნის განმავლობაში. Intel-მა ახლახან გამოაცხადა 7 მილიარდი დოლარის ინვესტიცია მალაიზიაში შეფუთვისა და ტესტირების ახალ ქარხანაში, თუმცა მან ასევე გამოაცხადა 3.5 მილიარდი დოლარის ინვესტიცია რიო რანჩოში, ნიუ-მექსიკოში, მისი Foveros ტექნოლოგიისთვის. Amkor Technology-მა ასევე ცოტა ხნის წინ გამოაცხადა გეგმები გააფართოოს სიმძლავრე Bac Ninh-ში, ვიეტნამი ჰანოის ჩრდილო-აღმოსავლეთით.

ამ პრობლემის დიდი ნაწილი აშშ-სთვის არის ის, რომ მოწინავე ჩიპების შეფუთვა მოითხოვს წარმოების დიდ გამოცდილებას. როდესაც პირველად დაიწყებთ წარმოებას, კარგი მზა დაფასოებული ჩიპების მოსავლიანობა სავარაუდოდ დაბალი იქნება და რაც უფრო მეტს გამოიმუშავებთ, თქვენ მუდმივად აუმჯობესებთ პროცესს და მოსავლიანობა უმჯობესდება. ჩიპების მსხვილი მომხმარებლები, როგორც წესი, არ იქნებიან მზად გარისკვონ ახალი შიდა მომწოდებლების გამოყენებით, რომლებსაც შესაძლოა დიდი დრო დასჭირდეთ ამ მოსავლიანობის მრუდის ამუშავებას. თუ თქვენ გაქვთ დაბალი შესაფუთი პროდუქტიულობა, თქვენ გადაყრით ჩიფსებს, რომლებიც სხვაგვარად კარგი იქნებოდა. რატომ გამოიყენო შანსი? ამგვარად, მაშინაც კი, თუ ჩვენ ვაწარმოებთ უფრო მოწინავე ჩიპებს აშშ-ში, ისინი ალბათ მაინც წავლენ შორეულ აღმოსავლეთში შესაფუთად.

Boise, აიდაჰოში დაფუძნებული American Semiconductor, Inc. განსხვავებულ მიდგომას იყენებს. აღმასრულებელი დირექტორი დუგ ჰეკლერი მხარს უჭერს "სიცოცხლისუნარიან განახლებას სიცოცხლისუნარიან წარმოებაზე დაფუძნებული". იმის ნაცვლად, რომ დაედევნოს მხოლოდ მაღალი დონის ჩიპების შეფუთვას, როგორიც არის მოწინავე მიკროპროცესორებისთვის ან 5G ჩიპებისთვის, მისი სტრატეგიაა გამოიყენოს ახალი ტექნოლოგია და გამოიყენოს ის ძველ ჩიპებზე, სადაც დიდი მოთხოვნაა, რაც საშუალებას მისცემს კომპანიას გამოიყენოს თავისი პროცესები და ვისწავლოთ. მემკვიდრეობითი ჩიპები ასევე გაცილებით იაფია, ამიტომ მოსავლიანობის დაკარგვა არ არის სიცოცხლისა და სიკვდილის პრობლემა. ჰაკლერი აღნიშნავს, რომ iPhone 85-ის ჩიპების 11% იყენებს ძველ ტექნოლოგიებს, მაგალითად, დამზადებულია ნახევარგამტარულ კვანძებზე 40 ნმ ან უფრო ძველი (რაც ცხელი ტექნოლოგია იყო ათი წლის წინ). მართლაც, ჩიპების უმეტესი დეფიციტი, რომელიც ამჟამად აწუხებს ავტო ინდუსტრიას და სხვები, სწორედ ამ მემკვიდრეობითი ჩიპებისთვისაა. ამავდროულად, კომპანია ცდილობს გამოიყენოს ახალი ტექნოლოგიები და ავტომატიზაცია შეკრების საფეხურებზე, სთავაზობს ულტრა თხელი ჩიპის მასშტაბის შეფუთვას, რასაც მას უწოდებს ნახევარგამტარულ პოლიმერზე (SoP) პროცესის გამოყენებით, რომლის დროსაც ნაჭრით სავსე ვაფლი მიბმულია. უკანა მხარის პოლიმერი და შემდეგ მოთავსებულია თბოგამტარ ფირზე. ჩვეულ ავტომატურ ტესტერებთან ტესტირების შემდეგ, ჩიპები იჭრება კუბებად ლენტის მატარებლებზე და გადადის ბორბლებზე ან სხვა ფორმატებზე მაღალი სიჩქარით ავტომატური შეკრებისთვის. ჰაკლერის აზრით, ეს შეფუთვა მიმზიდველი უნდა იყოს Internet-of-Things (IoT) მოწყობილობებისა და ტარების მოწყობილობების მწარმოებლებისთვის, ორი სეგმენტი, რომელიც შეიძლება მოიხმაროს ჩიპების დიდი მოცულობის, მაგრამ არ არის ისეთი მოთხოვნადი სილიკონის წარმოების მხრივ.

რა არის მიმზიდველი ჰაკლერის მიდგომაში არის ორი რამ. უპირველეს ყოვლისა, მოთხოვნის მნიშვნელობის აღიარება მოცულობის გაყვანის მიზნით მისი წარმოების ხაზის მეშვეობით უზრუნველყოფს, რომ მათ მიიღონ ბევრი პრაქტიკა მოსავლიანობის გაუმჯობესებაზე. მეორეც, ისინი იყენებენ ახალ ტექნოლოგიას და ტექნოლოგიური გადასვლისას ხშირად მოქმედი ლიდერების ჩამოგდების შესაძლებლობაა. ახალ აბიტურიენტებს არ აქვთ ბარგი, რომ იყვნენ მიბმული არსებულ პროცესებთან ან ობიექტებთან. 

American Semiconductor-ს ჯერ კიდევ დიდი გზა აქვს გასავლელი, მაგრამ მსგავსი მიდგომები აამაღლებს საშინაო უნარებს და არის პრაქტიკული ნაბიჯი ჩიპების შეფუთვის შეერთებულ შტატებში მოსატანად. დაწყება.