A American Semiconductor está dando um passo em direção à embalagem de chips domésticos nos EUA

A escassez generalizada de semicondutores no ano passado fez com que muitas pessoas se concentrassem na resiliência da cadeia de suprimentos, com pedidos para aumentar a fabricação de chips nos EUA. produção doméstica de semicondutores, e aguarda ação da Câmara. Embora o foco principal para muitas pessoas seja aumentar a participação doméstica na produção de chips de silício, não devemos negligenciar o empacotamento de chips - o processo essencial de encapsular esses chips para protegê-los de danos e torná-los utilizáveis ​​conectando seus circuitos ao mundo exterior. Essa é uma área que será importante tanto para a resiliência da cadeia de suprimentos quanto para sustentar futuros avanços tecnológicos em eletrônica. 

A embalagem é essencial para tornar os chips semicondutores utilizáveis

Os chips de circuito integrado (IC) são produzidos em pastilhas de silício em fábricas multibilionárias conhecidas como “fabs”. Os chips individuais ou “die” são produzidos em padrões repetidos, fabricados em lotes em cada wafer (e entre lotes de wafers). Um wafer de 300 mm (cerca de 12 polegadas de diâmetro), o tamanho normalmente usado nas fábricas mais modernas, pode carregar centenas de grandes chips microprocessadores ou milhares de minúsculos chips controladores. O processo de produção é segmentado em uma fase de “front-end of the line” (FEOL) durante a qual bilhões de transistores microscópicos e outros dispositivos são criados com processos de padronização e gravação no corpo do silício, seguidos por um “back-end da linha”. ” (BEOL) em que uma malha de traços de metal é colocada para conectar tudo. Os traços consistem em segmentos verticais chamados “vias”, que por sua vez conectam camadas horizontais de fiação. Se você tem bilhões de transistores em um chip (o processador A13 do iPhone 15 tem 15 bilhões), você precisa de muitos bilhões de fios para conectá-los. Cada matriz individual pode ter vários quilômetros de fiação no total quando esticada, então podemos imaginar que os processos BEOL são bastante complexos. Na camada mais externa do molde (às vezes eles usam a parte de trás do molde, assim como a frente), os designers colocam almofadas microscópicas que são usadas para conectar o chip ao mundo exterior. 

Depois que o wafer é processado, cada um dos chips é “sondado” individualmente com uma máquina de teste para descobrir quais são bons. Estes são cortados e colocados em pacotes. Um pacote fornece proteção física para o chip, bem como um meio de conectar sinais elétricos aos diferentes circuitos do chip. Depois que um chip é empacotado, ele pode ser colocado em placas de circuito eletrônico em seu telefone, computador, carro ou outros dispositivos. Alguns desses pacotes precisam ser projetados para ambientes extremos, como no compartimento do motor de um carro ou em uma torre de telefonia celular. Outros precisam ser extremamente pequenos para uso em dispositivos compactos internos. Em todos os casos, o projetista da embalagem deve considerar coisas como materiais a serem usados ​​para minimizar o estresse ou rachaduras da matriz, ou levar em conta a expansão térmica e como isso pode afetar a confiabilidade do chip.

A tecnologia mais antiga usada para conectar o chip de silício aos fios dentro da embalagem foi ligação de fio, um processo de soldagem de baixa temperatura. Neste processo, fios muito finos (geralmente ouro ou alumínio, embora prata e cobre também sejam usados) são ligados em uma extremidade a almofadas de metal no chip e na outra extremidade a terminais em uma armação de metal que leva para o exterior . O processo foi pioneiro no Bell Labs na década de 1950, com pequenos fios pressionados sob pressão nas almofadas de chip em altas temperaturas. As primeiras máquinas para fazer isso ficaram disponíveis no final da década de 1950 e, em meados da década de 1960, a colagem ultrassônica foi desenvolvida como uma técnica alternativa.

Historicamente, esse trabalho era feito no Sudeste Asiático porque era bastante trabalhoso. Desde então, máquinas automatizadas foram desenvolvidas para fazer a colagem de fios em velocidades muito altas. Muitas outras tecnologias de embalagem mais recentes também foram desenvolvidas, incluindo uma chamada “flip chip”. Nesse processo, pilares de metal microscópicos são depositados (“batidos”) nas almofadas do chip enquanto ele ainda está no wafer e, após o teste, a matriz boa é virada e alinhada com as almofadas correspondentes em um pacote. Em seguida, a solda é derretida em um processo de refluxo para fundir as conexões. Essa é uma boa maneira de fazer milhares de conexões de uma só vez, embora você precise controlar as coisas com cuidado para garantir que todas as conexões sejam boas. 

Recentemente, a embalagem atraiu muito mais atenção. Isso se deve à disponibilização de novas tecnologias, mas também de novos aplicativos que estão impulsionando o uso de chips. Acima de tudo está o desejo de colocar vários chips feitos com diferentes tecnologias juntos em um único pacote, os chamados chips de sistema em pacote (SiP). Mas também está sendo impulsionado pelo desejo de combinar diferentes tipos de dispositivos, por exemplo, uma antena 5G no mesmo pacote do chip de rádio ou aplicativos de inteligência artificial nos quais você integra sensores aos chips de computação. As grandes fundições de semicondutores como a TSMC também estão trabalhando com “chiplets” e “embalagens em leque”, enquanto a Intel
INTC
tem sua interconexão multi-die incorporada (EMIB) e tecnologia de empilhamento de matriz Foveros introduzida em seu processador móvel Lakefield em 2019.

A maioria das embalagens é feita por fabricantes terceirizados, conhecidos como empresas de “montagem e teste terceirizados” (OSAT), e o centro de seu mundo está na Ásia. Os maiores fornecedores de OSAT são ASE de Taiwan, Amkor Technology
AMKR
com sede em Tempe, Arizona, Jiangsu Changjiang Electronics Tech Company (JCET) da China (que adquiriu a STATS ChipPac com sede em Cingapura há alguns anos) e Siliconware Precision Industries Co., Ltd. (SPIL) de Taiwan, adquirida pela ASE em 2015. Existem vários outros players menores, especialmente na China, que identificaram a OSAT como uma indústria estratégica há alguns anos.

Uma das principais razões pelas quais as embalagens atraíram a atenção ultimamente é que os recentes surtos de Covid-19 no Vietnã e na Malásia contribuíram significativamente para o agravamento da crise de fornecimento de chips semicondutores, com fechamento de fábricas ou redução de pessoal imposta por governos locais cortando ou reduzindo a produção por semanas em um tempo. Mesmo que o governo dos EUA invista em subsídios para promover a fabricação doméstica de semicondutores, a maioria desses chips acabados ainda vai viajar para a Ásia para embalagem, pois é onde estão a indústria e as redes de fornecedores e onde está a base de habilidades. Assim, a Intel fabrica chips de microprocessador em Hillsboro, Oregon ou Chandler, Arizona, mas envia wafers acabados para fábricas na Malásia, Vietnã ou Chengdu, China, para teste e embalagem.

A embalagem de chips pode ser estabelecida nos EUA?

Existem desafios significativos para trazer embalagens de chips para os EUA, já que a maior parte da indústria deixou as costas americanas há quase meio século. A participação norte-americana na produção global de embalagens é de apenas 3%. Isso significa que as redes de fornecedores de equipamentos de fabricação, produtos químicos (como substratos e outros materiais usados ​​em embalagens), estruturas de chumbo e, mais importante, uma base de habilidades de talentos experientes para a parte de alto volume do negócio não existem nos EUA há muito tempo. A Intel acaba de anunciar um investimento de US$ 7 bilhões em uma nova fábrica de embalagens e testes na Malásia, embora também tenha anunciado planos de investir US$ 3.5 bilhões em suas operações em Rio Rancho, Novo México, para sua tecnologia Foveros. A Amkor Technology também anunciou recentemente planos para expandir a capacidade em Bac Ninh, Vietnã, a nordeste de Hanói.

Uma grande parte desse problema para os EUA é que a embalagem avançada de chips exige muita experiência de produção. Quando você inicia a produção, os rendimentos de chips embalados com bom acabamento provavelmente serão baixos e, à medida que você produz mais, melhora constantemente o processo e o rendimento melhora. Os clientes de big chip geralmente não estarão dispostos a arriscar usar novos fornecedores domésticos que podem levar muito tempo para chegar a essa curva de rendimento. Se você tiver um baixo rendimento de embalagem, estará jogando fora batatas fritas que, de outra forma, seriam boas. Por que arriscar? Assim, mesmo que façamos chips mais avançados nos EUA, eles provavelmente ainda irão para o Extremo Oriente para serem embalados.

A American Semiconductor, Inc., com sede em Boise, Idaho, está adotando uma abordagem diferente. O CEO Doug Hackler é a favor de “relocalização viável com base na fabricação viável”. Em vez de perseguir apenas embalagens de chips de ponta como a usada para microprocessadores avançados ou chips 5G, sua estratégia é usar a nova tecnologia e aplicá-la a chips legados onde há muita demanda, o que permitirá à empresa praticar seus processos e aprender. Os chips legados também são muito mais baratos, então a perda de rendimento não é tanto uma questão de vida ou morte. Hackler aponta que 85% dos chips em um iPhone 11 usam tecnologias mais antigas, por exemplo, fabricados em nós semicondutores de 40 nm ou mais (que era a tecnologia em alta há uma década). De fato, muitas das faltas de chips que atualmente assolam a indústria automobilística e outras são para esses chips legados. Ao mesmo tempo, a empresa está tentando aplicar nova tecnologia e automação nas etapas de montagem, oferecendo embalagens ultrafinas em escala de chip usando o que chama de processo de semicondutor em polímero (SoP), no qual uma pastilha cheia de matriz é ligada a um polímero traseiro e, em seguida, colocado em uma fita de transferência térmica. Após o teste com os testadores automatizados usuais, os chips são cortados em cubos nos transportadores de fita e transferidos para bobinas ou outros formatos para montagem automatizada de alta velocidade. Hackler acha que essa embalagem deve ser atraente para fabricantes de dispositivos e wearables da Internet das Coisas (IoT), dois segmentos que podem consumir grandes volumes de chips, mas não são tão exigentes no lado da fabricação de silício.

O que é atraente na abordagem de Hackler são duas coisas. Primeiro, o reconhecimento da importância da demanda para puxar o volume através de sua linha de fabricação garantirá que eles tenham muita prática na melhoria do rendimento. Em segundo lugar, eles estão usando uma nova tecnologia, e passar por uma transição de tecnologia geralmente é uma oportunidade para destituir os titulares. Os novos entrantes não têm a bagagem de estar vinculados a processos ou instalações existentes. 

A American Semiconductor ainda tem um longo caminho a percorrer, mas abordagens como essa desenvolverão habilidades domésticas e são um passo prático para trazer embalagens de chips para os EUA. começar.