Lled-ddargludydd Americanaidd Yn Cymryd Cam Tuag at Becynnu Sglodion Domestig yr Unol Daleithiau

Mae prinder eang o led-ddargludyddion dros y flwyddyn ddiwethaf wedi achosi i lawer o bobl ganolbwyntio ar wytnwch y gadwyn gyflenwi, gyda galwadau i gynyddu gweithgynhyrchu sglodion yn yr Unol Daleithiau Mae Deddf Arloesedd a Chystadleuaeth yr Unol Daleithiau (USICA), a basiodd y Senedd fis Mehefin diwethaf, yn cynnig $52 biliwn i gynorthwyo cynhyrchu lled-ddargludyddion domestig, ac yn aros am gamau House. Er mai'r prif ffocws i lawer o bobl yw cynyddu'r gyfran ddomestig o gynhyrchu sglodion silicon, ni ddylem anwybyddu pecynnu sglodion - y broses hanfodol o amgáu'r sglodion hynny er mwyn eu hamddiffyn rhag difrod a'u gwneud yn ddefnyddiadwy trwy gysylltu eu cylchedwaith â'r byd y tu allan. Mae hwn yn faes a fydd yn bwysig ar gyfer gwydnwch y gadwyn gyflenwi yn ogystal â chynnal datblygiadau technolegol ym maes electroneg yn y dyfodol. 

Mae pecynnu yn hanfodol i wneud sglodion lled-ddargludyddion yn ddefnyddiadwy

Mae sglodion cylched integredig (IC) yn cael eu cynhyrchu ar wafferi silicon mewn ffatrïoedd gwerth biliynau o ddoleri a elwir yn “fabs.” Mae'r sglodion unigol neu'r “marw” yn cael eu cynhyrchu mewn patrymau ailadroddus, wedi'u cynhyrchu mewn sypiau ar bob wafferi (ac ar draws sypiau o wafferi). Gallai waffer 300 mm (tua 12 modfedd mewn diamedr), y maint a ddefnyddir yn nodweddiadol yn y ffabrigau mwyaf modern, gario cannoedd o sglodion microbrosesydd mawr, neu filoedd o sglodion rheolydd bach. Mae'r broses gynhyrchu wedi'i rhannu'n gam “pen blaen y llinell” (FEOL) pan fydd biliynau o dransistorau microsgopig a dyfeisiau eraill yn cael eu creu gyda phrosesau patrwm ac ysgythru yng nghorff y silicon, ac yna "pen ôl y llinell ” (BEOL) lle gosodir rhwyll o olion metel i gysylltu popeth. Mae'r olion yn cynnwys segmentau fertigol o'r enw “vias,” sydd yn eu tro yn cysylltu haenau llorweddol o wifrau. Os oes gennych chi biliynau o transistorau ar sglodyn (mae gan brosesydd A13 yr iPhone 15 15 biliwn), mae angen biliynau lawer o wifrau arnoch i'w cysylltu. Efallai y bydd gan bob marw unigol nifer o gilometrau o wifrau i gyd wrth eu hymestyn, felly gallwn ddychmygu bod y prosesau BEOL yn eithaf cymhleth. Ar haen allanol iawn y marw (weithiau byddant yn defnyddio cefn y marw yn ogystal â'r blaen), mae dylunwyr yn gosod padiau microsgopig a ddefnyddir i gysylltu'r sglodion â'r byd y tu allan. 

Ar ôl i'r wafer gael ei phrosesu, mae pob un o'r sglodion yn cael ei “brocio” yn unigol gyda pheiriant prawf i ddarganfod pa rai sy'n dda. Mae'r rhain yn cael eu torri allan a'u rhoi mewn pecynnau. Mae pecyn yn darparu amddiffyniad corfforol ar gyfer y sglodyn, yn ogystal â modd i gysylltu signalau trydanol i'r gwahanol gylchedau yn y sglodyn. Ar ôl i sglodyn gael ei becynnu, gellir ei roi ar fyrddau cylched electronig yn eich ffôn, cyfrifiadur, car, neu ddyfeisiau eraill. Rhaid dylunio rhai o'r pecynnau hyn ar gyfer amgylcheddau eithafol, fel yn adran injan car neu ar dwr ffôn symudol. Mae'n rhaid i eraill fod yn fach iawn i'w defnyddio ar gyfer dyfeisiau cryno y tu mewn. Ym mhob achos mae'n rhaid i'r dylunydd pecyn ystyried pethau fel deunyddiau i'w defnyddio i leihau straen neu hollt y marw, neu i gyfrif am ehangiad thermol a sut y gallai hyn effeithio ar ddibynadwyedd y sglodyn.

Y dechnoleg gynharaf a ddefnyddiwyd i gysylltu'r sglodion silicon â'r gwifrau y tu mewn i'r pecyn oedd bondio gwifren, proses weldio tymheredd isel. Yn y broses hon, mae gwifrau mân iawn (fel arfer aur neu alwminiwm, er bod arian a chopr hefyd yn cael eu defnyddio) yn cael eu bondio ar un pen i badiau metel ar y sglodion, ac ar y pen arall i derfynellau ar ffrâm fetel sydd wedi arwain at y tu allan. . Arloeswyd y broses yn Bell Labs yn y 1950au, gyda gwifrau bach yn cael eu pwyso dan bwysau i mewn i'r padiau sglodion ar dymheredd uchel iawn. Daeth y peiriannau cyntaf i wneud hyn ar gael ddiwedd y 1950au, ac erbyn canol y 1960au, datblygwyd bondio ultrasonic fel techneg amgen.

Yn hanesyddol gwnaed y gwaith hwn yn Ne-ddwyrain Asia oherwydd ei fod yn eithaf llafurddwys. Ers hynny, mae peiriannau awtomataidd wedi'u datblygu i wneud y bondio gwifren ar gyflymder uchel iawn. Mae llawer o dechnolegau pecynnu mwy newydd eraill hefyd wedi'u datblygu, gan gynnwys un o'r enw “sglodyn fflip.” Yn y broses hon, mae pileri metel microsgopig yn cael eu hadneuo (“bumped”) ar y padiau ar y sglodion tra ei fod yn dal ar y wafer, ac yna ar ôl profi'r marw da yn cael eu troi drosodd a'u halinio â phadiau cyfatebol mewn pecyn. Yna caiff y sodrwr ei doddi mewn proses reflow i asio'r cysylltiadau. Mae hon yn ffordd dda o wneud miloedd o gysylltiadau ar unwaith, er bod yn rhaid i chi reoli pethau'n ofalus i sicrhau bod pob un o'r cysylltiadau'n dda. 

Yn ddiweddar mae pecynnu wedi denu llawer mwy o sylw. Mae hyn oherwydd bod technolegau newydd ar gael, ond hefyd cymwysiadau newydd sy'n gyrru'r defnydd o sglodion. Yn bennaf oll yw'r awydd i roi sglodion lluosog a wneir gyda gwahanol dechnolegau at ei gilydd mewn un pecyn, a elwir yn sglodion system-mewn-pecyn (SiP). Ond mae hefyd yn cael ei yrru gan yr awydd i gyfuno gwahanol fathau o ddyfeisiau, er enghraifft antena 5G yn yr un pecyn â'r sglodyn radio, neu gymwysiadau deallusrwydd artiffisial lle rydych chi'n integreiddio synwyryddion â'r sglodion cyfrifiadurol. Mae'r ffowndrïau lled-ddargludyddion mawr fel TSMC yn gweithio gyda “chiplets” a “phacynnu ffan” hefyd, tra bod Intel
INTC
wedi sefydlu ei ryng-gysylltiad aml-farw (EMIB) a thechnoleg pentyrru marw Foveros yn ei brosesydd symudol Lakefield yn 2019.

Mae'r rhan fwyaf o becynnu yn cael ei wneud gan weithgynhyrchwyr contract trydydd parti a elwir yn gwmnïau “cynulliad a phrawf allanol” (OSAT), ac mae canol eu byd yn Asia. Y cyflenwyr OSAT mwyaf yw ASE o Taiwan, Amkor Technology
AMKR
sydd â'i bencadlys yn Tempe, Arizona, Jiangsu Changjiang Electronics Tech Company (JCET) o Tsieina (a gaffaelodd STATS ChipPac o Singapore nifer o flynyddoedd yn ôl), a Siliconware Precision Industries Co, Ltd (SPIL) o Taiwan, a gaffaelwyd gan ASE yn 2015. Mae yna nifer o chwaraewyr llai eraill, yn enwedig yn Tsieina, a nododd OSAT fel diwydiant strategol rai blynyddoedd yn ôl.

Un o'r prif resymau y mae pecynnu wedi denu sylw yn ddiweddar yw bod achosion diweddar o Covid-19 yn Fietnam a Malaysia wedi cyfrannu'n sylweddol at waethygu'r argyfwng cyflenwad sglodion lled-ddargludyddion, gyda chau planhigion neu lai o staff yn cael eu gorfodi gan lywodraethau lleol yn torri i ffwrdd neu'n lleihau cynhyrchiant am wythnosau yn amser. Hyd yn oed os yw llywodraeth yr UD yn buddsoddi mewn cymorthdaliadau i feithrin gweithgynhyrchu lled-ddargludyddion domestig, mae'r rhan fwyaf o'r sglodion gorffenedig hynny yn dal i fynd i deithio i Asia ar gyfer pecynnu, gan mai dyna lle mae'r diwydiant a rhwydweithiau cyflenwyr a lle mae'r sylfaen sgiliau. Felly mae Intel yn cynhyrchu sglodion microbrosesydd yn Hillsboro, Oregon neu Chandler, Arizona, ond mae'n anfon wafferi gorffenedig i ffatrïoedd ym Malaysia, Fietnam, neu Chengdu, Tsieina i'w profi a'u pecynnu.

A ellir sefydlu pecynnu sglodion yn yr Unol Daleithiau?

Mae heriau sylweddol i ddod â phecynnu sglodion i'r Unol Daleithiau, wrth i'r rhan fwyaf o'r diwydiant adael glannau America yn agos at hanner canrif yn ôl. Dim ond tua 3% yw cyfran Gogledd America o gynhyrchu pecynnu byd-eang. Mae hynny'n golygu nad yw'r rhwydweithiau cyflenwyr ar gyfer offer gweithgynhyrchu, cemegau (fel y swbstradau a deunyddiau eraill a ddefnyddir mewn pecynnau), fframiau plwm, ac yn bwysicaf oll, sylfaen sgiliau talent profiadol ar gyfer y rhan cyfaint uchel o'r busnes wedi bodoli yn yr Unol Daleithiau ar gyfer amser maith. Mae Intel newydd gyhoeddi buddsoddiad o $7 biliwn mewn ffatri becynnu a phrofi newydd ym Malaysia, er iddo hefyd gyhoeddi cynlluniau i fuddsoddi $3.5 biliwn yn ei weithrediadau Rio Rancho, New Mexico ar gyfer ei dechnoleg Foveros. Yn ddiweddar, cyhoeddodd Amkor Technology hefyd gynlluniau i ehangu capasiti yn Bac Ninh, Fietnam i'r gogledd-ddwyrain o Hanoi.

Rhan fawr o'r broblem hon i'r Unol Daleithiau yw bod angen cymaint o brofiad cynhyrchu ar becynnu sglodion uwch. Pan fyddwch chi'n dechrau cynhyrchu am y tro cyntaf, mae'n debygol y bydd cynnyrch sglodion wedi'u pecynnu wedi'u gorffen yn dda yn isel, ac wrth i chi wneud mwy, rydych chi'n gwella'r broses yn gyson ac mae'r cynnyrch yn gwella. Yn gyffredinol ni fydd cwsmeriaid o'r radd flaenaf yn barod i fentro defnyddio cyflenwyr domestig newydd a allai gymryd amser hir i ddod i fyny'r gromlin cynnyrch hon. Os oes gennych gynnyrch pecynnu isel, byddwch yn taflu sglodion a fyddai fel arall yn dda. Pam cymryd y cyfle? Felly hyd yn oed os byddwn yn gwneud sglodion mwy datblygedig yn yr Unol Daleithiau, mae'n debyg y byddant yn dal i fynd i'r Dwyrain Pell i gael eu pecynnu.

Mae Boise, American Semiconductor, Inc. o Idaho yn cymryd agwedd wahanol. Mae’r Prif Swyddog Gweithredol Doug Hackler yn ffafrio “adferiad hyfyw yn seiliedig ar weithgynhyrchu hyfyw.” Yn hytrach na mynd ar ôl pecynnau sglodion pen uchel yn unig fel yr hyn a ddefnyddir ar gyfer microbroseswyr uwch neu sglodion 5G, ei strategaeth yw defnyddio technoleg newydd a'i gymhwyso i sglodion etifeddol lle mae llawer o alw, a fydd yn caniatáu i'r cwmni ymarfer ei brosesau a'i brosesau. dysgu. Mae sglodion etifeddol yn llawer rhatach hefyd, felly nid yw colli cynnyrch yn gymaint o broblem bywyd a marwolaeth. Mae Hackler yn nodi bod 85% o'r sglodion mewn iPhone 11 yn defnyddio technolegau hŷn, er enghraifft wedi'u cynhyrchu ar nodau lled-ddargludyddion o 40 nm neu hŷn (sef y dechnoleg boeth ddegawd yn ôl). Yn wir, mae llawer o'r prinder sglodion sy'n plagio'r diwydiant ceir ar hyn o bryd ac eraill ar gyfer y sglodion etifeddiaeth hyn. Ar yr un pryd, mae'r cwmni'n ceisio cymhwyso technoleg newydd ac awtomeiddio i gamau'r cynulliad, gan gynnig pecynnu ar raddfa sglodion tra-denau gan ddefnyddio'r hyn y mae'n ei alw'n broses lled-ddargludyddion ar bolymer (SoP) lle mae afrlladen yn llawn marw wedi'i bondio i a. polymer backside ac yna ei roi ar dâp trosglwyddo thermol. Ar ôl profi gyda'r profwyr awtomataidd arferol, mae'r sglodion yn cael eu deisio ar y cludwyr tâp, a'u trosglwyddo i riliau neu fformatau eraill ar gyfer cydosod awtomataidd cyflym. Mae Hackler o'r farn y dylai'r deunydd pacio hwn fod yn ddeniadol i weithgynhyrchwyr dyfeisiau Rhyngrwyd-o-Pethau (IoT) a nwyddau gwisgadwy, dwy segment a allai fwyta llawer iawn o sglodion, ond nad ydynt mor beichus ar yr ochr gwneuthuriad silicon.

Mae'r hyn sy'n apelio am ddull Hackler yn ddau beth. Yn gyntaf, bydd cydnabod pwysigrwydd y galw i dynnu cyfaint trwy ei linell weithgynhyrchu yn sicrhau eu bod yn cael llawer o ymarfer ar wella cynnyrch. Yn ail, maent yn defnyddio technoleg newydd, ac mae marchogaeth trawsnewid technoleg yn aml yn gyfle i ddadseilio deiliaid. Nid oes gan newydd-ddyfodiaid y bagiau o gael eu clymu i brosesau neu gyfleusterau presennol. 

Mae gan America Semiconductor ffordd bell i fynd o hyd, ond bydd dulliau fel hyn yn adeiladu sgiliau domestig, ac yn gam ymarferol i ddod â phecynnu sglodion i'r Unol Daleithiau Peidiwch â disgwyl i sefydlu gallu domestig fod yn gyflym, ond nid yw'n lle drwg i dechrau.