American Semiconductor está dando un paso hacia el empaque de chips domésticos de EE. UU.

La escasez generalizada de semiconductores durante el último año ha provocado que muchas personas se centren en la resiliencia de la cadena de suministro, con llamados a aumentar la fabricación de chips en los EE. UU. La Ley de Innovación y Competencia de los EE. producción nacional de semiconductores, y está a la espera de la acción de la Cámara. Si bien el enfoque principal para muchas personas es aumentar la participación nacional en la producción de chips de silicio, no debemos pasar por alto el empaquetado de chips: el proceso esencial de encapsular esos chips para protegerlos de daños y hacerlos utilizables conectando sus circuitos a la mundo exterior. Esta es un área que será importante tanto para la resiliencia de la cadena de suministro como para sustentar los futuros avances tecnológicos en electrónica. 

El empaque es esencial para hacer que los chips semiconductores sean utilizables.

Los chips de circuitos integrados (IC) se producen en obleas de silicio en fábricas multimillonarias conocidas como "fabs". Los chips individuales o "die" se producen en patrones repetitivos, fabricados en lotes en cada oblea (y entre lotes de obleas). Una oblea de 300 mm (alrededor de 12 pulgadas de diámetro), el tamaño que se usa típicamente en las fábricas más modernas, puede contener cientos de chips de microprocesador grandes o miles de chips de controlador diminutos. El proceso de producción se segmenta en una fase de "front end of the line" (FEOL) durante la cual se crean miles de millones de transistores microscópicos y otros dispositivos con procesos de estampado y grabado en el cuerpo del silicio, seguido de un "back end of the line". ” (BEOL) en el que se establece una malla de trazas metálicas para conectar todo. Las pistas consisten en segmentos verticales llamados "vías", que a su vez conectan capas horizontales de cableado. Si tiene miles de millones de transistores en un chip (el procesador A13 del iPhone 15 tiene 15 mil millones), necesita muchos miles de millones de cables para conectarlos. Cada matriz individual puede tener varios kilómetros de cableado en total cuando se estira, por lo que podemos imaginar que los procesos BEOL son bastante complejos. En la capa más externa de la matriz (a veces usarán la parte posterior de la matriz así como la parte delantera), los diseñadores colocan almohadillas microscópicas que se usan para conectar el chip con el mundo exterior. 

Después de que se procesa la oblea, cada uno de los chips se "prueba" individualmente con una máquina de prueba para averiguar cuáles son buenos. Estos se cortan y se ponen en paquetes. Un paquete proporciona protección física para el chip, así como un medio para conectar señales eléctricas a los diferentes circuitos del chip. Una vez que se empaqueta un chip, se puede colocar en las placas de circuitos electrónicos de su teléfono, computadora, automóvil u otros dispositivos. Algunos de estos paquetes deben diseñarse para entornos extremos, como en el compartimiento del motor de un automóvil o en una torre de telefonía celular. Otros tienen que ser extremadamente pequeños para usar en dispositivos compactos internos. En todos los casos, el diseñador del paquete tiene que considerar cosas como los materiales a utilizar para minimizar el estrés o el agrietamiento del troquel, o tener en cuenta la expansión térmica y cómo esto puede afectar la confiabilidad del chip.

La primera tecnología utilizada para conectar el chip de silicio a los cables dentro del paquete fue Unión de cables, un proceso de soldadura a baja temperatura. En este proceso, se unen cables muy finos (generalmente de oro o aluminio, aunque también se usan plata y cobre) en un extremo a las almohadillas de metal del chip y en el otro extremo a los terminales en un marco de metal que tiene conductores hacia el exterior. . El proceso fue pionero en Bell Labs en la década de 1950, con pequeños cables presionados bajo presión en las almohadillas de chips a altas temperaturas puntuales. Las primeras máquinas para hacer esto estuvieron disponibles a fines de la década de 1950 y, a mediados de la década de 1960, se desarrolló la unión ultrasónica como una técnica alternativa.

Históricamente, este trabajo se realizó en el sudeste asiático porque requería bastante mano de obra. Desde entonces, se han desarrollado máquinas automatizadas para realizar la unión de alambres a velocidades muy altas. También se han desarrollado muchas otras tecnologías de empaque más nuevas, incluida una llamada "flip chip". En este proceso, los pilares de metal microscópicos se depositan ("golpean") en las almohadillas del chip mientras aún está en la oblea y luego, después de probar el troquel bueno, se voltea y se alinea con las almohadillas correspondientes en un paquete. Luego, la soldadura se derrite en un proceso de reflujo para fusionar las conexiones. Esta es una buena manera de hacer miles de conexiones a la vez, aunque debe controlar las cosas con cuidado para asegurarse de que todas las conexiones sean buenas. 

Recientemente, el empaque ha atraído mucha más atención. Esto se debe a la disponibilidad de nuevas tecnologías, pero también a las nuevas aplicaciones que impulsan el uso de chips. Lo más importante es el deseo de juntar múltiples chips hechos con diferentes tecnologías en un solo paquete, los llamados chips system-in-package (SiP). Pero también lo impulsa el deseo de combinar diferentes tipos de dispositivos, por ejemplo, una antena 5G en el mismo paquete que el chip de radio, o aplicaciones de inteligencia artificial en las que se integran sensores con los chips informáticos. Las grandes fundiciones de semiconductores como TSMC también están trabajando con "chiplets" y "empaquetados en abanico", mientras que Intel
INTC
tiene su interconexión de matriz múltiple integrada (EMIB) y la tecnología de apilamiento de matrices Foveros introducidas en su procesador móvil Lakefield en 2019.

La mayoría de los empaques son realizados por fabricantes contratados por terceros conocidos como empresas de "ensamblaje y prueba subcontratados" (OSAT), y el centro de su mundo está en Asia. Los mayores proveedores de OSAT son ASE de Taiwán, Amkor Technology
AMKR
con sede en Tempe, Arizona, Jiangsu Changjiang Electronics Tech Company (JCET) de China (que adquirió STATS ChipPac con sede en Singapur hace varios años) y Siliconware Precision Industries Co., Ltd. (SPIL) de Taiwán, adquirida por ASE en 2015. Hay muchos otros jugadores más pequeños, especialmente en China, que identificaron OSAT como una industria estratégica hace algunos años.

Una de las principales razones por las que el empaque ha llamado la atención últimamente es que los recientes brotes de Covid-19 en Vietnam y Malasia han contribuido significativamente al empeoramiento de la crisis de suministro de chips semiconductores, con cierres de plantas o reducción de personal impuesta por los gobiernos locales cortando o reduciendo la producción durante semanas en un momento. Incluso si el gobierno de EE. UU. invierte en subsidios para fomentar la fabricación nacional de semiconductores, la mayoría de esos chips terminados seguirán viajando a Asia para envasarlos, ya que allí es donde están la industria y las redes de proveedores y donde está la base de habilidades. Por lo tanto, Intel fabrica chips de microprocesador en Hillsboro, Oregón o Chandler, Arizona, pero envía obleas terminadas a fábricas en Malasia, Vietnam o Chengdu, China para su prueba y empaque.

¿Se puede establecer el empaque de chips en los EE. UU.?

Hay desafíos significativos para llevar el empaque de chips a los EE. UU., ya que la mayor parte de la industria abandonó las costas estadounidenses hace casi medio siglo. La participación de América del Norte en la producción mundial de envases es solo de alrededor del 3%. Eso significa que las redes de proveedores para equipos de fabricación, productos químicos (como los sustratos y otros materiales utilizados en los paquetes), marcos de plomo y, lo que es más importante, una base de habilidades de talento experimentado para la parte de alto volumen del negocio no ha existido en los EE. UU. mucho tiempo. Intel acaba de anunciar una inversión de 7 millones de dólares en una nueva fábrica de pruebas y embalaje en Malasia, aunque también anunció planes para invertir 3.5 millones de dólares en sus operaciones de Rio Rancho, Nuevo México, para su tecnología Foveros. Amkor Technology también anunció recientemente planes para expandir la capacidad en Bac Ninh, Vietnam al noreste de Hanoi.

Una gran parte de este problema para los EE. UU. es que el empaquetado de chips avanzado requiere mucha experiencia en producción. Cuando comience la producción por primera vez, es probable que el rendimiento de chips empaquetados y bien terminados sea bajo y, a medida que produzca más, mejorará constantemente el proceso y el rendimiento mejorará. Por lo general, los clientes de las grandes empresas no estarán dispuestos a arriesgarse a usar nuevos proveedores nacionales que podrían tardar mucho en subir esta curva de rendimiento. Si tiene un bajo rendimiento de empaque, estará tirando chips que de otro modo serían buenos. ¿Por qué correr el riesgo? Por lo tanto, incluso si fabricamos chips más avanzados en los EE. UU., probablemente seguirán yendo al Lejano Oriente para empaquetarlos.

American Semiconductor, Inc., con sede en Boise, Idaho, está adoptando un enfoque diferente. El CEO Doug Hackler está a favor de una “reubicación viable basada en una fabricación viable”. En lugar de perseguir solo paquetes de chips de gama alta como los que se usan para microprocesadores avanzados o chips 5G, su estrategia es usar nueva tecnología y aplicarla a chips heredados donde hay mucha demanda, lo que permitirá a la empresa practicar sus procesos y aprender. Los chips heredados también son mucho más baratos, por lo que la pérdida de rendimiento no es un problema de vida o muerte. Hackler señala que el 85 % de los chips de un iPhone 11 utilizan tecnologías más antiguas, por ejemplo, fabricados en nodos de semiconductores de 40 nm o más (que era la tecnología de moda hace una década). De hecho, muchas de las escaseces de chips que actualmente afectan a la industria automotriz y otras son por estos chips heredados. Al mismo tiempo, la compañía está tratando de aplicar nueva tecnología y automatización a los pasos de ensamblaje, ofreciendo empaques a escala de chips ultradelgados utilizando lo que llama un proceso de semiconductor sobre polímero (SoP) en el que una oblea llena de matriz se une a un polímero de la parte trasera y luego se coloca en una cinta de transferencia térmica. Después de probar con los probadores automatizados habituales, los chips se cortan en dados en los soportes de cinta y se transfieren a carretes u otros formatos para un ensamblaje automatizado de alta velocidad. Hackler cree que este empaque debería ser atractivo para los fabricantes de dispositivos y dispositivos portátiles de Internet de las cosas (IoT), dos segmentos que podrían consumir grandes volúmenes de chips, pero que no son tan exigentes en el lado de la fabricación de silicio.

Lo atractivo del enfoque de Hackler son dos cosas. En primer lugar, el reconocimiento de la importancia de la demanda para atraer volumen a través de su línea de fabricación garantizará que adquieran mucha práctica en la mejora del rendimiento. En segundo lugar, están utilizando una nueva tecnología, y realizar una transición tecnológica suele ser una oportunidad para desbancar a los titulares. Los nuevos entrantes no tienen el bagaje de estar atados a procesos o instalaciones existentes. 

American Semiconductor todavía tiene un largo camino por recorrer, pero enfoques como este desarrollarán habilidades nacionales y son un paso práctico para llevar el empaque de chips a los EE. UU. No espere que establecer la capacidad nacional sea rápido, pero no es un mal lugar para comienzo.