American Semiconductor は米国国内のチップパッケージングに向けて一歩を踏み出しています

昨年の半導体の広範な不足により、多くの人々がサプライチェーンの回復力に注目し、米国でのチップ製造の拡大が求められている 昨年52月に上院を通過した米国イノベーション競争法（USICA）は、XNUMX億ドルの支援を提案している国内の半導体生産を再開し、下院の法案を待っている。 多くの人にとって主な焦点はシリコンチップの国内生産シェアを拡大​​することにありますが、チップのパッケージング、つまりチップを損傷から保護し、回路を回路に接続して使用できるようにするためにチップをカプセル化する重要なプロセスを見落としてはなりません。外の世界。 これは、サプライチェーンの回復力にとっても、エレクトロニクスにおける将来の技術進歩を維持するためにも重要となる分野です。 

パッケージングは​​半導体チップを使用可能にするために不可欠です

集積回路 (IC) チップは、「ファブ」として知られる数十億ドル規模の工場でシリコン ウェーハ上に製造されます。 個々のチップまたは「ダイ」は、繰り返しパターンで製造され、各ウェーハ上で (およびウェーハのバッチ全体で) バッチで製造されます。 最新の工場で通常使用されるサイズである 300 mm のウェハ (直径約 12 インチ) には、数百の大型マイクロプロセッサ チップや数千の小型コントローラ チップが搭載されている可能性があります。 製造プロセスは「フロントエンド・オブ・ザ・ライン」（FEOL）フェーズに分割されており、このフェーズではシリコン本体のパターニングおよびエッチング・プロセスによって数十億個の微細なトランジスタやその他のデバイスが作成され、その後に「バックエンド・オブ・ライン」が続きます。 」（BEOL）では、金属パターンのメッシュがすべてを接続するために敷かれています。 トレースは「ビア」と呼ばれる垂直セグメントで構成され、ビアは水平配線層に接続されます。 チップ上に数十億個のトランジスタがある場合 (iPhone 13 の A15 プロセッサには 15 億個)、それらを接続するために何十億本のワイヤが必要になります。 個々のダイは伸ばすと合計数キロメートルの配線になる可能性があるため、BEOL プロセスがかなり複雑であることが想像できます。 設計者は、ダイの最外層 (ダイの前面だけでなく背面も使用する場合もあります) に、チップを外界に接続するために使用される微細なパッドを配置します。 

ウェーハが処理された後、各チップは試験機で個別に「検査」され、どのチップが良好であるかを特定します。 これらを切り取ってパッケージに詰めていきます。 パッケージは、チップの物理的な保護と、電気信号をチップ内のさまざまな回路に接続する手段の両方を提供します。 チップがパッケージ化された後、電話、コンピュータ、自動車、その他のデバイスの電子回路基板に配置できます。 これらのパッケージの中には、車のエンジンルームや携帯電話の塔の上などの極限環境向けに設計する必要があるものもあります。 他のものは、コンパクトなデバイス内で使用するために非常に小さくなければなりません。 どのような場合でも、パッケージ設計者は、ダイの応力や亀裂を最小限に抑えるために使用する材料や、熱膨張とそれがチップの信頼性にどのような影響を与えるかを考慮する必要があります。

シリコンチップをパッケージ内のリードに接続するために使用された最も初期の技術は、 ワイヤーボンディング、低温溶接プロセス。 このプロセスでは、非常に細いワイヤー (銀や銅も使用されますが、通常は金またはアルミニウム) の一方の端がチップ上の金属パッドにボンディングされ、もう一方の端は外部にリードがある金属フレームの端子にボンディングされます。 。 このプロセスは 1950 年代にベル研究所で先駆的に行われ、小さなワイヤを高いスポット温度でチップ パッドに圧力をかけて押し込みました。 これを行う最初の機械は 1950 年代後半に利用可能になり、1960 年代半ばまでに代替技術として超音波接合が開発されました。

歴史的に、この作業は非常に労働集約的であるため、東南アジアで行われていました。 それ以来、非常に高速でワイヤボンディングを行う自動機械が開発されました。 「フリップチップ」と呼ばれるものなど、他の多くの新しいパッケージング技術も開発されています。 このプロセスでは、ウェハ上にあるチップ上のパッド上に微細な金属ピラーを堆積（「バンプ」）し、テスト後に良品のダイを裏返し、パッケージ内の対応するパッドと位置合わせします。 その後、リフロープロセスではんだが溶けて接続が融合されます。 これは、一度に何千もの接続を確立するには良い方法ですが、すべての接続が良好であることを確認するには慎重に制御する必要があります。 

最近ではパッケージへの注目が高まっています。 これは、新しいテクノロジーが利用可能になったことだけでなく、チップの使用を促進する新しいアプリケーションも原因です。 最も重要なのは、異なるテクノロジーで作られた複数のチップを 5 つのパッケージにまとめたい、いわゆるシステムインパッケージ (SiP) チップという要望です。 しかし、たとえば無線チップと同じパッケージ内の XNUMXG アンテナや、センサーとコンピューティング チップを統合する人工知能アプリケーションなど、さまざまな種類のデバイスを組み合わせたいという要望によっても推進されています。 TSMC のような大手半導体ファウンドリは「チップレット」と「ファンアウト パッケージング」にも取り組んでいますが、インテルは
INTC
は、2019 年に Lakefield モバイル プロセッサに導入された組み込みマルチダイ インターコネクト (EMIB) および Foveros ダイスタッキング テクノロジを備えています。

ほとんどのパッケージングは​​、「アウトソーシング組立およびテスト」(OSAT) 企業として知られるサードパーティの委託製造業者によって行われ、その世界の中心はアジアにあります。 最大の OSAT サプライヤーは台湾の ASE、Amkor Technology です。
AMKR
アリゾナ州テンピに本社を置く中国の江蘇長江電子技術会社（JCET）（シンガポールに本拠を置くSTATS ChipPacを数年前に買収）、台湾のシリコンウェア精密工業株式会社（SPIL）（2015年にASEが買収） XNUMX. 特に中国には、数年前に OSAT を戦略的産業として位置づけた小規模な企業が他にも多数あります。

最近、パッケージングが注目を集めている主な理由は、ベトナムとマレーシアで最近発生した新型コロナウイルス感染症（Covid-19）の発生が、地方政府による工場の閉鎖や人員削減により、数週間にわたり工場の生産が停止または削減されるなど、半導体チップの供給危機の悪化に大きく寄与したためである。時間。 たとえ米国政府が国内の半導体製造を促進するために補助金に投資したとしても、完成したチップのほとんどは依然としてパッケージングのためにアジアに送られることになる。アジアには業界とサプライヤーのネットワークがあり、スキルベースがあるからである。 したがって、インテルはマイクロプロセッサー・チップをオレゴン州ヒルズボロまたはアリゾナ州チャンドラーで製造しているが、完成したウェーハはテストとパッケージングのためにマレーシア、ベトナム、または中国成都の工場に送られている。

米国でチップパッケージングを確立できるでしょうか?

チップパッケージング産業のほとんどが半世紀近く前にアメリカから撤退したため、チップパッケージングを米国に持ち込むには大きな課題があります。 世界のパッケージ生産に占める北米のシェアはわずか約 3% です。 これは、製造装置、化学薬品（パッケージに使用される基板やその他の材料など）、リードフレーム、そして最も重要なことに、ビジネスの大量生産部分に対応する経験豊富な人材のスキルベースのサプライヤーネットワークが米国に存在していないことを意味します。長い間。 Intelはマレーシアの新しいパッケージングおよびテスト工場への7億ドルの投資を発表したばかりだが、Foverosテクノロジーのためにニューメキシコ州リオランチョの事業所に3.5億ドルを投資する計画も発表した。 Amkor Technologyは最近、ハノイ北東のベトナムのバクニンでの生産能力を拡大する計画も発表した。

米国にとってこの問題の大きな部分は、高度なチップパッケージングには非常に多くの生産経験が必要であるということです。 最初に生産を開始したときは、完成したパッケージ化された良好なチップの歩留まりが低い可能性が高く、より多くのチップを製造するにつれて、常にプロセスを改善し、歩留まりが向上します。 一般に、大手半導体顧客は、このイールドカーブを達成するまでに長い時間がかかる可能性がある新しい国内サプライヤーを利用する危険を冒すつもりはありません。 パッケージングの歩留まりが低い場合、本来は問題ないチップを廃棄することになります。 なぜチャンスを掴むのでしょうか？ したがって、たとえ米国でより高度なチップを製造したとしても、おそらくパッケージングのために極東に行くことになるでしょう。

アイダホ州ボイジーに拠点を置くアメリカン セミコンダクター社は、異なるアプローチを採用しています。 CEOのダグ・ハッラー氏は「実行可能な製造に基づく実行可能なリショアリング」を支持している。 彼の戦略は、高度なマイクロプロセッサや 5G チップに使用されるようなハイエンドのチップ パッケージングのみを追求するのではなく、新しいテクノロジーを使用し、需要の多いレガシー チップに適用することです。これにより、会社は自社のプロセスを実践し、学ぶ。 レガシーチップもはるかに安価なので、歩留まりの低下は死活問題ほどではありません。 ハッラー氏は、iPhone 85 のチップの 11% が古いテクノロジー、たとえば 40 nm 以上の半導体ノード (XNUMX 年前に流行したテクノロジー) で製造されているものを使用していると指摘しています。 実際、現在自動車業界などを悩ませているチップ不足の多くは、こうしたレガシーチップ向けのものだ。 同時に、同社は新しい技術と自動化を組立ステップに適用しようと試みており、ダイが詰まったウェハをチップに接着する半導体オンポリマー（SoP）プロセスと呼ぶ超薄型チップスケールパッケージングを提供している。裏面ポリマーを塗布し、熱転写テープの上に置きます。 通常の自動テスターでテストした後、チップはテープ キャリア上でダイシングされ、高速自動アセンブリのためにリールまたはその他のフォーマットに移されます。 ハッラー氏は、このパッケージングは​​、大量のチップを消費する可能性があるものの、シリコン製造側にとってはそれほど要求の厳しいものではない、モノのインターネット（IoT）デバイスとウェアラブルのメーカーにとって魅力的であるはずだと考えている。

Hackler のアプローチの魅力は XNUMX つあります。 まず、製造ラインで大量生産を行う需要の重要性を認識することで、歩留まり向上について多くの練習ができるようになります。 第 XNUMX に、企業は新しいテクノロジーを使用しており、テクノロジーの移行に乗ることは、多くの場合、既存企業の座を奪う機会となります。 新規参入者は、既存のプロセスや施設に縛られるという重荷を負いません。 

American Semiconductor の道のりはまだ長いですが、このようなアプローチは国内のスキルを構築し、米国にチップパッケージングを導入するための現実的なステップです。国内の能力をすぐに確立できるとは期待しないでください。しかし、それは悪い場所ではありません始める。