美國半導體向美國本土芯片封裝邁出一步

去年半導體普遍短缺，導致許多人關注供應鏈彈性，呼籲增加美國晶片製造去年 52 月參議院通過的美國創新與競爭法案 (USICA) 提議提供 XNUMX 億美元援助國內半導體生產，正在等待眾議院採取行動。 雖然許多人的主要關注點是提高矽晶片的國內生產份額，但我們不應該忽視晶片封裝——封裝這些晶片的基本過程，以保護它們免受損壞，並通過將其電路連接到晶片上來使其可用。外面的世界。 這一領域對於供應鏈彈性以及維持未來電子技術的進步都非常重要。 

封裝對於半導體晶片的可用至關重要

積體電路 (IC) 晶片是在價值數十億美元的工廠（稱為「晶圓廠」）的矽晶圓上生產的。 單一晶片或“晶片”以重複模式生產，在每個晶圓上（以及跨批次晶圓）批量製造。 300 毫米晶圓（直徑約 12 吋）是最現代化晶圓廠通常使用的尺寸，可能承載數百個大型微處理器晶片或數千個微型控制器晶片。 生產過程分為「生產線前端」(FEOL) 階段，在此期間透過矽體上的圖案化和蝕刻製程創建數十億個微型​​電晶體和其他裝置，然後是「生產線後端」」（BEOL），其中放置金屬跡線網來連接所有東西。 這些走線由稱為「過孔」的垂直段組成，這些段又連接水平佈線層。 如果晶片上有數十億個電晶體（iPhone 13 的 A15 處理器有 15 億個），則需要數十億條電線來連接它們。 每個晶片在拉伸時總共可能有幾公里長的佈線，因此我們可以想像 BEOL 製程相當複雜。 在晶片的最外層（有時他們會使用晶片的背面和正面），設計人員放置了用於將晶片連接到外界的微型焊盤。 

晶圓加工完成後，每個晶片都會用測試機單獨“探測”，以找出哪些晶片是好的。 這些被切下來並放入包裝中。 封裝既為晶片提供物理保護，也提供將電訊號連接到晶片中不同電路的方法。 晶片封裝後，可以將其放置在手機、電腦、汽車或其他設備的電子電路板上。 其中一些封裝必須針對極端環境進行設計，例如汽車引擎室或手機訊號塔。 其他的必須非常小才能用於內部緊湊型設備。 在所有情況下，封裝設計人員都必須考慮諸如使用材料等因素來最大程度地減少晶片的應力或破裂，或者考慮熱膨脹以及這如何影響晶片的可靠性。

最早用於將矽晶片連接到封裝內引線的技術是 引線鍵合，一種低溫焊接工藝。 在此過程中，非常細的電線（通常是金或鋁，但也使用銀和銅）的一端粘合到晶片上的金屬焊盤，另一端粘合到金屬框架上的端子，該金屬框架具有通往外部的引線。 該製程是貝爾實驗室在 1950 世紀 1950 年代首創的，在高溫下將細線壓入晶片焊盤。 第一批執行此操作的機器於 1960 年代末問世，到 XNUMX 世紀 XNUMX 年代中期，超音波焊接作為一種替代技術被開發出來。

歷史上，這項工作是在東南亞完成的，因為它是勞力密集的。 從那時起，自動化機器被開發出來以非常高的速度進行引線鍵合。 許多其他更新的封裝技術也已被開發出來，其中包括一種稱為「倒裝晶片」的技術。 在此過程中，當晶片仍在晶圓上時，微觀金屬柱被沉積（“凸塊”）到晶片上的焊盤上，然後在測試後，將好的晶片翻轉並與封裝中的匹配焊盤對齊。 然後焊料在回流製程中熔化以熔合連接。 這是一次建立數千個連接的好方法，儘管您必須仔細控制事情以確保所有連接都良好。 

最近，包裝引起了更多關注。 這是因為新技術的出現，以及推動晶片使用的新應用。 最重要的是希望將採用不同技術製造的多個晶片放在一個封裝中，即所謂的系統級封裝（SiP）晶片。 但它也是由組合不同類型設備的願望驅動的，例如與無線電晶片位於同一封裝中的 5G 天線，或者將感測器與計算晶片集成的人工智慧應用。 像台積電這樣的大型半導體代工廠也在使用“小晶片”和“扇出封裝”，而英特爾
INTC
2019 年，Lakefield 行動處理器中引進了嵌入式多晶片互連 (EMIB) 和 Foveros 晶片堆疊技術。

大多數封裝是由被稱為「外包組裝和測試」（OSAT）公司的第三方合約製造商完成的，他們的世界中心位於亞洲。 最大的 OSAT 供應商是台灣日月、Amkor Technology
AMKR
總部位於亞利桑那州坦佩市的中國江蘇長江電子科技公司 (JCET)（幾年前收購了新加坡星科金朋公司）和台灣矽品精密工業股份有限公司 (SPIL)（被日月光收購） 2015 年。還有許多其他較小的參與者，特別是在中國，幾年前中國將OSAT 確定為戰略產業。

包裝最近引起關注的一個主要原因是，越南和馬來西亞最近爆發的 Covid-19 疫情極大地加劇了半導體晶片供應危機，地方政府強制關閉工廠或減少人員配置，並在幾週內切斷或減少生產。一次。 即使美國政府投資補貼以促進國內半導體製造，大部分成品晶片仍將運往亞洲進行封裝，因為亞洲是產業和供應商網路所在以及技能基礎所在。 因此，英特爾在俄勒岡州希爾斯伯勒或亞利桑那州錢德勒生產微處理器晶片，但將成品晶圓發送到馬來西亞、越南或中國成都的工廠進行測試和封裝。

晶片封裝可以在美國建立嗎？

將晶片封裝引入美國面臨重大挑戰，因為大多數產業在近半個世紀前就離開了美國。 北美在全球包裝產量中所佔份額僅為 3% 左右。 這意味著製造設備、化學品（如封裝中使用的基板和其他材料）、引線框架的供應商網絡，以及最重要的是大批量業務的經驗豐富的人才的技能庫在美國一直不存在。很長時間。 英特爾剛宣布投資 7 億美元在馬來西亞建造新的封裝和測試工廠，同時也宣布計劃投資 3.5 億美元在新墨西哥州 Rio Rancho 工廠投資 Foveros 技術。 Amkor Technology 最近也宣布了擴大河內東北部越南北寧產能的計畫。

對於美國來說，這個問題的一個重要原因是先進的晶片封裝需要大量的生產經驗。 當你第一次開始生產時，好的成品封裝晶片的良率可能會很低，隨著你生產的越來越多，你不斷改進工藝，良率就會變得更好。 大型晶片客戶通常不願意冒險使用新的國內供應商，因為他們可能需要很長時間才能達到這個殖利率曲線。 如果你的封裝產量低，你就會丟掉本來很好的晶片。 為什麼要把握機會？ 因此，即使我們在美國生產更先進的晶片，它們可能仍然會去遠東進行封裝。

總部位於愛達荷州博伊西的美國半導體公司正在採取不同的方法。 執行長 Doug Hackler）贊成「基於可行製造的可行回流」。 他的策略不是只追求用於先進微處理器或 5G 晶片的高端晶片封裝，而是使用新技術並將其應用於需求量很大的傳統晶片，這將使公司能夠實踐其流程和學習。 傳統晶片也便宜得多，因此良率損失並不是生死攸關的問題。 Hackler 指出，iPhone 85 中 11% 的晶片使用較舊的技術，例如採用 40 奈米或更早的半導體節點製造（這是十年前的熱門技術）。 事實上，目前困擾汽車產業和其他產業的許多晶片短缺都是針對這些傳統晶片的。 同時，該公司正嘗試將新技術和自動化應用到組裝步驟中，使用所謂的聚合物半導體 (SoP) 製程提供超薄晶片級封裝，在該製程中，將充滿晶片的晶圓黏合到背部聚合物，然後放置在熱轉印膠帶上。 使用通常的自動測試儀進行測試後，晶片在載帶上被切割，並轉移到捲軸或其他格式以進行高速自動化組裝。 Hackler 認為這種封裝應該對物聯網 (IoT) 裝置和穿戴式裝置製造商有吸引力，這兩個領域可能消耗大量晶片，但對矽製造方面的要求則不那麼高。

哈克勒的方法有兩個吸引人的地方。 首先，認識到需求對於提高生產線產量的重要性將確保他們在產量提高方面獲得大量實踐。 其次，他們正在使用新技術，而技術轉型往往是取代現有企業的機會。 新進入者沒有與現有流程或設施綁定的包袱。 

美國半導體還有很長的路要走，但這樣的方法將培養國內技能，是將晶片封裝引入美國的實際步驟不要指望很快就能建立國內能力，但這並不是一個壞地方開始。