American Semiconductor กำลังก้าวไปสู่บรรจุภัณฑ์ชิปในประเทศสหรัฐอเมริกา

การขาดแคลนเซมิคอนดักเตอร์อย่างกว้างขวางในปีที่แล้วทำให้หลายคนให้ความสำคัญกับความยืดหยุ่นของห่วงโซ่อุปทาน ด้วยการเรียกร้องให้เพิ่มการผลิตชิปในสหรัฐอเมริกาพระราชบัญญัตินวัตกรรมและการแข่งขันของสหรัฐฯ (USICA) ซึ่งผ่านวุฒิสภาเมื่อเดือนมิถุนายนปีที่แล้ว เสนอเงินจำนวน 52 พันล้านดอลลาร์เพื่อช่วยเหลือ การผลิตเซมิคอนดักเตอร์ในประเทศและกำลังรอการดำเนินการของบ้าน ในขณะที่คนจำนวนมากมุ่งเน้นที่การเพิ่มส่วนแบ่งการผลิตชิปซิลิกอนในประเทศ เราไม่ควรมองข้ามบรรจุภัณฑ์ชิป ซึ่งเป็นกระบวนการสำคัญในการห่อหุ้มชิปเหล่านั้น เพื่อป้องกันความเสียหายและทำให้ใช้งานได้โดยเชื่อมต่อวงจรเข้ากับ นอกโลก. นี่เป็นพื้นที่ที่จะมีความสำคัญทั้งในด้านความยืดหยุ่นของห่วงโซ่อุปทานและการรักษาความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีในอนาคตในด้านอิเล็กทรอนิกส์ 

บรรจุภัณฑ์มีความสำคัญต่อการทำชิปเซมิคอนดักเตอร์ให้ใช้งานได้

ชิปวงจรรวม (IC) ผลิตขึ้นจากซิลิคอนเวเฟอร์ในโรงงานมูลค่าหลายพันล้านดอลลาร์ที่เรียกว่า "fabs" ชิปแต่ละชิ้นหรือ “แม่พิมพ์” ผลิตขึ้นในรูปแบบการทำซ้ำ โดยผลิตเป็นชุดบนแผ่นเวเฟอร์แต่ละแผ่น แผ่นเวเฟอร์ขนาด 300 มม. (เส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 12 นิ้ว) ซึ่งเป็นขนาดที่มักใช้ในโรงงานผลิตที่ทันสมัยที่สุด อาจบรรจุไมโครโปรเซสเซอร์ชิปขนาดใหญ่หลายร้อยตัว หรือชิปคอนโทรลเลอร์ขนาดเล็กหลายพันตัว กระบวนการผลิตแบ่งออกเป็นขั้นตอน "ส่วนหน้าของสายการผลิต" (FEOL) ซึ่งจะมีการสร้างทรานซิสเตอร์ขนาดเล็กมากจำนวนหลายพันล้านตัวและอุปกรณ์อื่นๆ ด้วยกระบวนการสร้างลวดลายและการแกะสลักในร่างกายของซิลิกอน ตามด้วย "ส่วนหลังของสายการผลิต (BEOL) วางตาข่ายโลหะเพื่อเชื่อมต่อทุกอย่าง ร่องรอยประกอบด้วยส่วนแนวตั้งที่เรียกว่า "จุดแวะ" ซึ่งจะเชื่อมต่อชั้นในแนวนอนของสายไฟ หากคุณมีทรานซิสเตอร์หลายพันล้านตัวบนชิป (โปรเซสเซอร์ A13 ของ iPhone 15 มี 15 พันล้าน) คุณต้องใช้สายไฟหลายพันล้านเส้นเพื่อเชื่อมต่อ ดายแต่ละอันอาจมีสายไฟรวมหลายกิโลเมตรเมื่อยืดออก ดังนั้นเราจึงสามารถจินตนาการได้ว่ากระบวนการของ BEOL นั้นค่อนข้างซับซ้อน ที่ชั้นนอกสุดของดาย (บางครั้งพวกเขาจะใช้ด้านหลังของดายเช่นเดียวกับด้านหน้า) นักออกแบบได้วางแผ่นไมโครสโคปที่ใช้เชื่อมต่อชิปกับโลกภายนอก 

หลังจากที่เวเฟอร์ได้รับการประมวลผลแล้ว ชิปแต่ละตัวจะถูก "โพรบ" แยกกันพร้อมกับเครื่องทดสอบเพื่อดูว่าอันใดดี เหล่านี้ถูกตัดออกและใส่ลงในหีบห่อ แพ็คเกจให้ทั้งการป้องกันทางกายภาพสำหรับชิป รวมถึงวิธีการเชื่อมต่อสัญญาณไฟฟ้ากับวงจรต่างๆ ในชิป หลังจากบรรจุชิปแล้ว ก็สามารถนำไปวางบนแผงวงจรอิเล็กทรอนิกส์ในโทรศัพท์ คอมพิวเตอร์ รถยนต์ หรืออุปกรณ์อื่นๆ ได้ แพ็คเกจเหล่านี้บางส่วนต้องได้รับการออกแบบสำหรับสภาพแวดล้อมที่รุนแรง เช่น ในห้องเครื่องของรถยนต์หรือบนเสาโทรศัพท์มือถือ ส่วนอื่นๆ จะต้องมีขนาดเล็กมากเพื่อใช้กับอุปกรณ์ขนาดกะทัดรัดภายใน ในทุกกรณี ผู้ออกแบบบรรจุภัณฑ์ต้องคำนึงถึงสิ่งต่างๆ เช่น วัสดุที่ใช้เพื่อลดความเครียดหรือการแตกร้าวของแม่พิมพ์ หรือคำนึงถึงการขยายตัวทางความร้อน และอาจส่งผลต่อความน่าเชื่อถือของชิปอย่างไร

เทคโนโลยีแรกสุดที่ใช้ในการเชื่อมต่อชิปซิลิกอนกับลีดภายในแพ็คเกจคือ ลวดเชื่อม, เป็นกระบวนการเชื่อมที่อุณหภูมิต่ำ ในขั้นตอนนี้ ลวดที่ละเอียดมาก (โดยปกติจะเป็นทองหรืออะลูมิเนียม แม้ว่าจะใช้เงินและทองแดงด้วย) จะถูกผูกมัดที่ปลายด้านหนึ่งกับแผ่นโลหะบนชิป และที่ปลายอีกด้านหนึ่งกับขั้วต่อบนโครงโลหะที่มีนำไปสู่ด้านนอก . กระบวนการนี้เป็นผู้บุกเบิกที่ Bell Labs ในปี 1950 โดยมีลวดเส้นเล็กๆ ถูกกดเข้าไปที่แผ่นชิปที่อุณหภูมิสูง เครื่องแรกที่ทำเช่นนี้ได้เริ่มวางจำหน่ายในช่วงปลายทศวรรษ 1950 และในช่วงกลางทศวรรษที่ 1960 การเชื่อมด้วยคลื่นเสียงความถี่สูงได้รับการพัฒนาเป็นเทคนิคทางเลือก

ในอดีต งานนี้ทำในเอเชียตะวันออกเฉียงใต้เพราะใช้แรงงานค่อนข้างมาก ตั้งแต่นั้นมา เครื่องจักรอัตโนมัติได้รับการพัฒนาเพื่อทำการยึดติดด้วยลวดด้วยความเร็วสูงมาก นอกจากนี้ยังมีการพัฒนาเทคโนโลยีบรรจุภัณฑ์ที่ใหม่กว่าอีกมากมาย รวมถึงเทคโนโลยีที่เรียกว่า "พลิกชิป" ในขั้นตอนนี้ เสาโลหะขนาดเล็กมากจะถูกวาง ("กระแทก") ลงบนแผ่นอิเล็กโทรดบนชิปในขณะที่ยังอยู่บนเวเฟอร์ จากนั้นหลังจากการทดสอบ แม่พิมพ์ที่ดีจะถูกพลิกกลับและจัดตำแหน่งให้ตรงกับแผ่นที่ตรงกันในบรรจุภัณฑ์ จากนั้นประสานจะละลายในกระบวนการรีโฟลว์เพื่อหลอมการเชื่อมต่อ นี่เป็นวิธีที่ดีในการสร้างการเชื่อมต่อหลายพันครั้งพร้อมกัน แม้ว่าคุณจะต้องควบคุมสิ่งต่างๆ อย่างระมัดระวังเพื่อให้แน่ใจว่าการเชื่อมต่อทั้งหมดนั้นดี 

เมื่อเร็ว ๆ นี้บรรจุภัณฑ์ได้รับความสนใจมากขึ้น ทั้งนี้เป็นเพราะเทคโนโลยีใหม่ๆ พร้อมใช้งาน แต่ยังรวมถึงแอปพลิเคชันใหม่ๆ ที่ขับเคลื่อนการใช้ชิปด้วย สิ่งสำคัญที่สุดคือความปรารถนาที่จะนำชิปหลายตัวที่ผลิตด้วยเทคโนโลยีที่แตกต่างกันมารวมกันเป็นแพ็คเกจเดียว เรียกว่าชิประบบในแพ็คเกจ (SiP) แต่ยังถูกขับเคลื่อนด้วยความปรารถนาที่จะรวมอุปกรณ์ประเภทต่างๆ เช่น เสาอากาศ 5G ในแพ็คเกจเดียวกันกับชิปวิทยุ หรือแอปพลิเคชันปัญญาประดิษฐ์ที่คุณรวมเซ็นเซอร์เข้ากับชิปประมวลผล โรงหล่อเซมิคอนดักเตอร์ขนาดใหญ่อย่าง TSMC กำลังทำงานกับ “ชิปเล็ต” และ “บรรจุภัณฑ์แบบพัดลม” เช่นกัน ในขณะที่อินเทล
INTC
มีการเชื่อมต่อ multi-die interconnect (EMIB) แบบฝังและเทคโนโลยี Foveros die-stacking ที่เปิดตัวในโปรเซสเซอร์ Lakefield โมบายล์ในปี 2019

บรรจุภัณฑ์ส่วนใหญ่ดำเนินการโดยผู้ผลิตตามสัญญาภายนอกที่รู้จักกันในชื่อบริษัท "จ้างผลิตและทดสอบ" (OSAT) และศูนย์กลางของโลกของพวกเขาอยู่ในเอเชีย ซัพพลายเออร์ OSAT ที่ใหญ่ที่สุดคือ ASE ของไต้หวัน Amkor Technology
เอเอ็มเคอาร์
สำนักงานใหญ่ตั้งอยู่ในเมืองเทมพี รัฐแอริโซนา บริษัท Jiangsu Changjiang Electronics Tech Company (JCET) ของจีน (ซึ่งเข้าซื้อกิจการ STATS ChipPac ในสิงคโปร์เมื่อหลายปีก่อน) และ Siliconware Precision Industries Co., Ltd. (SPIL) ของไต้หวัน เข้าซื้อกิจการโดย ASE ใน ปี 2015 มีผู้เล่นรายย่อยอีกหลายราย โดยเฉพาะในประเทศจีน ซึ่งระบุว่า OSAT เป็นอุตสาหกรรมเชิงกลยุทธ์เมื่อหลายปีก่อน

เหตุผลหลักที่บรรจุภัณฑ์ได้รับความสนใจเมื่อเร็วๆ นี้ก็คือ การระบาดของโควิด-19 ในเวียดนามและมาเลเซียเมื่อเร็วๆ นี้มีส่วนสำคัญต่อวิกฤตการณ์อุปทานชิปเซมิคอนดักเตอร์ที่เลวร้ายลง ด้วยการปิดโรงงานหรือลดจำนวนพนักงานที่บังคับใช้โดยรัฐบาลท้องถิ่นในการตัดหรือลดการผลิตเป็นเวลาหลายสัปดาห์ที่ เวลา. แม้ว่ารัฐบาลสหรัฐฯ จะลงทุนในเงินอุดหนุนเพื่อส่งเสริมการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ในประเทศ ชิปสำเร็จรูปเหล่านั้นส่วนใหญ่ยังคงเดินทางไปเอเชียเพื่อบรรจุภัณฑ์ เนื่องจากเป็นที่ที่เครือข่ายอุตสาหกรรมและซัพพลายเออร์อยู่และที่ที่ฐานทักษะอยู่ ดังนั้น Intel จึงผลิตชิปไมโครโปรเซสเซอร์ในฮิลส์โบโร โอเรกอน หรือแชนด์เลอร์ รัฐแอริโซนา แต่ส่งเวเฟอร์สำเร็จรูปไปยังโรงงานในมาเลเซีย เวียดนาม หรือเฉิงตู ประเทศจีน สำหรับการทดสอบและบรรจุภัณฑ์

บรรจุภัณฑ์ชิปสามารถก่อตั้งในสหรัฐอเมริกาได้หรือไม่?

มีความท้าทายที่สำคัญในการนำชิปบรรจุภัณฑ์ไปยังสหรัฐอเมริกา เนื่องจากอุตสาหกรรมส่วนใหญ่ออกจากชายฝั่งอเมริกาเมื่อเกือบครึ่งศตวรรษก่อน ส่วนแบ่งการผลิตบรรจุภัณฑ์ทั่วโลกในอเมริกาเหนืออยู่ที่ประมาณ 3% เท่านั้น นั่นหมายถึงเครือข่ายซัพพลายเออร์สำหรับอุปกรณ์การผลิต สารเคมี (เช่น พื้นผิวและวัสดุอื่นๆ ที่ใช้ในบรรจุภัณฑ์) ลีดเฟรม และที่สำคัญที่สุด ฐานทักษะของความสามารถที่มีประสบการณ์สำหรับส่วนที่มีปริมาณมากของธุรกิจนั้นไม่มีอยู่ในสหรัฐฯ สำหรับ เวลานาน. Intel เพิ่งประกาศการลงทุนมูลค่า 7 พันล้านดอลลาร์ในโรงงานบรรจุภัณฑ์และทดสอบแห่งใหม่ในมาเลเซีย แม้ว่าจะประกาศแผนการลงทุน 3.5 พันล้านดอลลาร์ในการดำเนินงานของบริษัท Rio Rancho ในรัฐนิวเม็กซิโกสำหรับเทคโนโลยี Foveros ก็ตาม นอกจากนี้ แอมกอร์ เทคโนโลยี ยังได้ประกาศแผนการขยายกำลังการผลิตที่บักนิญ เวียดนาม ทางตะวันออกเฉียงเหนือของฮานอยด้วย

ส่วนใหญ่ของปัญหานี้สำหรับสหรัฐอเมริกาคือบรรจุภัณฑ์ชิปขั้นสูงต้องการประสบการณ์การผลิตอย่างมาก เมื่อคุณเริ่มการผลิตครั้งแรก ผลผลิตของชิปบรรจุหีบห่อที่ดีจะมีแนวโน้มต่ำ และเมื่อคุณทำมากขึ้น คุณจะปรับปรุงกระบวนการอย่างต่อเนื่องและให้ผลผลิตดีขึ้น ลูกค้าชิปรายใหญ่มักไม่เต็มใจที่จะเสี่ยงโดยใช้ซัพพลายเออร์ในประเทศรายใหม่ซึ่งอาจใช้เวลานานกว่าจะได้เส้นอัตราผลตอบแทนนี้ หากคุณมีผลผลิตบรรจุภัณฑ์ต่ำ คุณจะต้องทิ้งชิปที่อาจจะดีทิ้งไป คว้าโอกาสทำไม? ดังนั้นแม้ว่าเราจะผลิตชิปที่ล้ำหน้ากว่าในสหรัฐฯ พวกมันก็อาจจะยังไปตะวันออกไกลเพื่อบรรจุหีบห่อ

Boise บริษัท American Semiconductor, Inc. ซึ่งตั้งอยู่ในไอดาโฮกำลังใช้แนวทางที่แตกต่างออกไป CEO Doug Hackler โปรดปราน แทนที่จะไล่ตามเฉพาะบรรจุภัณฑ์ชิประดับไฮเอนด์เช่นที่ใช้สำหรับไมโครโปรเซสเซอร์ขั้นสูงหรือชิป 5G กลยุทธ์ของเขาคือการใช้เทคโนโลยีใหม่และนำไปใช้กับชิปรุ่นเก่าที่มีความต้องการสูง ซึ่งจะทำให้บริษัทสามารถฝึกฝนกระบวนการและ เรียนรู้. ชิปรุ่นเก่านั้นถูกกว่ามากเช่นกัน ดังนั้นการสูญเสียผลผลิตจึงไม่ใช่ปัญหาชีวิตและความตาย Hackler ชี้ให้เห็นว่า 85% ของชิปใน iPhone 11 ใช้เทคโนโลยีที่เก่ากว่า เช่น ผลิตที่โหนดเซมิคอนดักเตอร์ 40 nm ขึ้นไป (ซึ่งเป็นเทคโนโลยีที่ร้อนแรงเมื่อทศวรรษที่แล้ว) อันที่จริง ปัญหาการขาดแคลนชิปจำนวนมากที่กำลังรบกวนอุตสาหกรรมยานยนต์และอื่น ๆ เกิดขึ้นสำหรับชิปรุ่นเก่าเหล่านี้ ในเวลาเดียวกัน บริษัทกำลังพยายามใช้เทคโนโลยีและระบบอัตโนมัติใหม่ ๆ กับขั้นตอนการประกอบ โดยนำเสนอบรรจุภัณฑ์ขนาดชิปที่บางเฉียบโดยใช้กระบวนการที่เรียกว่าเซมิคอนดักเตอร์บนกระบวนการพอลิเมอร์ (SoP) ซึ่งแผ่นเวเฟอร์ที่เต็มไปด้วยแม่พิมพ์ถูกผูกมัดกับ พอลิเมอร์ด้านหลังแล้ววางบนเทปถ่ายเทความร้อน หลังจากทดสอบกับเครื่องทดสอบอัตโนมัติทั่วไปแล้ว ชิปจะถูกหั่นเป็นลูกเต๋าบนตัวยึดเทป และโอนไปยังรอกหรือรูปแบบอื่นๆ สำหรับการประกอบอัตโนมัติด้วยความเร็วสูง Hackler คิดว่าบรรจุภัณฑ์นี้น่าจะน่าสนใจสำหรับผู้ผลิตอุปกรณ์ Internet-of-Things (IoT) และอุปกรณ์สวมใส่ ซึ่งเป็นสองส่วนที่อาจใช้ชิปในปริมาณมาก แต่ไม่ได้มีความต้องการในด้านการผลิตซิลิกอนมากนัก

สิ่งที่น่าสนใจเกี่ยวกับแนวทางของ Hackler คือสองสิ่ง ประการแรก การรับรู้ถึงความสำคัญของความต้องการดึงปริมาณผ่านสายการผลิตของเขาจะทำให้มั่นใจได้ว่าพวกเขาได้รับการฝึกฝนอย่างมากในการปรับปรุงผลผลิต ประการที่สอง พวกเขากำลังใช้เทคโนโลยีใหม่ และการขับเคลื่อนการเปลี่ยนแปลงทางเทคโนโลยีมักจะเป็นโอกาสในการกำจัดผู้ดำรงตำแหน่ง ผู้เข้ามาใหม่ไม่มีสัมภาระในการเชื่อมโยงกับกระบวนการหรือสิ่งอำนวยความสะดวกที่มีอยู่ 

American Semiconductor ยังมีหนทางอีกยาวไกล แต่วิธีการเช่นนี้จะสร้างทักษะภายในประเทศ และเป็นขั้นตอนปฏิบัติในการนำชิปบรรจุภัณฑ์ไปยังสหรัฐอเมริกา อย่าคาดหวังว่าการสร้างขีดความสามารถภายในประเทศจะรวดเร็ว แต่ก็ไม่ได้แย่ เริ่ม.