تتخذ أشباه الموصلات الأمريكية خطوة نحو تغليف الرقائق المحلية الأمريكية

أدى النقص الواسع النطاق في أشباه الموصلات خلال العام الماضي إلى تركيز العديد من الأشخاص على مرونة سلسلة التوريد ، مع دعوات لزيادة تصنيع الرقائق في الولايات المتحدة. إنتاج أشباه الموصلات المحلية ، وينتظر إجراء من مجلس النواب. في حين أن التركيز الرئيسي للعديد من الأشخاص ينصب على زيادة الحصة المحلية من إنتاج رقائق السيليكون ، يجب ألا نتغاضى عن تغليف الرقائق - وهي العملية الأساسية لتغليف تلك الرقائق من أجل حمايتها من التلف وجعلها قابلة للاستخدام من خلال توصيل دوائرها بـ العالم الخارجي. هذا مجال سيكون مهمًا لكل من مرونة سلسلة التوريد وكذلك للحفاظ على التقدم التكنولوجي في المستقبل في مجال الإلكترونيات. 

التعبئة والتغليف ضرورية لجعل رقائق أشباه الموصلات قابلة للاستخدام

يتم إنتاج رقائق الدوائر المتكاملة (IC) على رقائق السيليكون في مصانع بمليارات الدولارات تُعرف باسم "fabs". يتم إنتاج الرقائق الفردية أو "القالب" في أنماط متكررة ، ويتم تصنيعها على دفعات على كل رقاقة (وعبر دفعات من الرقائق). قد تحمل رقاقة بحجم 300 مم (قطرها حوالي 12 بوصة) ، الحجم المستخدم عادةً في أحدث فاب ، مئات من رقائق المعالجات الدقيقة الكبيرة ، أو آلاف رقائق التحكم الصغيرة. يتم تقسيم عملية الإنتاج إلى مرحلة "الواجهة الأمامية للخط" (FEOL) والتي يتم خلالها إنشاء بلايين من الترانزستورات المجهرية والأجهزة الأخرى باستخدام عمليات الزخرفة والحفر في جسم السيليكون ، متبوعة بـ "النهاية الخلفية للخط" "(BEOL) حيث يتم وضع شبكة من الآثار المعدنية لربط كل شيء. تتكون الآثار من مقاطع رأسية تسمى "فيا" ، والتي بدورها تربط طبقات أفقية من الأسلاك. إذا كان لديك مليارات الترانزستورات على شريحة (معالج iPhone 13's A15 يحتوي على 15 مليارًا) ، فأنت بحاجة إلى عدة مليارات من الأسلاك لتوصيلها. قد يكون لكل فرد عدة كيلومترات من الأسلاك إجمالاً عند التمدد ، لذلك يمكننا أن نتخيل أن عمليات BEOL معقدة للغاية. على الطبقة الخارجية جدًا من القالب (في بعض الأحيان يستخدمون الجزء الخلفي من القالب بالإضافة إلى الجزء الأمامي) ، يضع المصممون وسادات مجهرية تُستخدم لتوصيل الشريحة بالعالم الخارجي. 

بعد معالجة الرقاقة ، يتم "فحص" كل شريحة على حدة باستخدام آلة اختبار لمعرفة أيها جيد. يتم قصها ووضعها في عبوات. توفر الحزمة الحماية المادية للرقاقة ، بالإضافة إلى وسيلة لتوصيل الإشارات الكهربائية بالدوائر المختلفة في الشريحة. بعد تعبئة شريحة ، يمكن وضعها على لوحات الدوائر الإلكترونية في الهاتف أو الكمبيوتر أو السيارة أو أي أجهزة أخرى. يجب تصميم بعض هذه الحزم للبيئات القاسية ، كما هو الحال في حجرة المحرك في السيارة أو في برج الهاتف الخلوي. يجب أن يكون البعض الآخر صغيرًا للغاية لاستخدامه داخل الأجهزة المدمجة. في جميع الحالات ، يتعين على مصمم الحزمة أن يأخذ في الاعتبار أشياء مثل المواد لاستخدامها لتقليل الضغط أو تشقق القالب ، أو لحساب التمدد الحراري وكيف يمكن أن يؤثر ذلك على موثوقية الشريحة.

كانت أول تقنية مستخدمة لتوصيل شريحة السيليكون بالخيوط داخل الحزمة هي ربط الأسلاك، عملية لحام بدرجة حرارة منخفضة. في هذه العملية ، يتم ربط الأسلاك الدقيقة جدًا (عادةً ما تكون من الذهب أو الألمنيوم ، على الرغم من استخدام الفضة والنحاس أيضًا) في أحد طرفيها بوسادات معدنية على الرقاقة ، وفي الطرف الآخر بأطراف على إطار معدني يؤدي إلى الخارج . كانت العملية رائدة في Bell Labs في الخمسينيات من القرن الماضي ، مع ضغط الأسلاك الصغيرة تحت الضغط في وسادات الرقائق في درجات حرارة عالية. أصبحت الآلات الأولى التي تقوم بذلك متاحة في أواخر الخمسينيات من القرن الماضي ، وبحلول منتصف الستينيات ، تم تطوير الربط بالموجات فوق الصوتية كأسلوب بديل.

تاريخياً ، تم تنفيذ هذا العمل في جنوب شرق آسيا لأنه كان يتطلب عمالة مكثفة للغاية. منذ ذلك الحين ، تم تطوير آلات آلية للقيام بربط الأسلاك بسرعات عالية جدًا. كما تم تطوير العديد من تقنيات التعبئة والتغليف الجديدة ، بما في ذلك واحدة تسمى "رقاقة الوجه". في هذه العملية ، يتم ترسيب الأعمدة المعدنية المجهرية ("ارتطام") على الوسادات الموجودة على الرقاقة بينما لا تزال على الرقاقة ، ثم بعد اختبار القالب الجيد يتم قلبه ومحاذاته مع وسادات متطابقة في عبوة. ثم يتم صهر اللحام في عملية إعادة التدفق لدمج التوصيلات. هذه طريقة جيدة لإجراء آلاف الاتصالات دفعة واحدة ، على الرغم من أنه يتعين عليك التحكم في الأشياء بعناية للتأكد من أن جميع الاتصالات جيدة. 

اجتذبت التعبئة والتغليف في الآونة الأخيرة الكثير من الاهتمام. هذا بسبب توفر التقنيات الجديدة ، ولكن أيضًا بسبب التطبيقات الجديدة التي تدفع استخدام الرقائق. قبل كل شيء هو الرغبة في وضع شرائح متعددة مصنوعة باستخدام تقنيات مختلفة معًا في حزمة واحدة ، وهذا ما يسمى رقائق النظام في الحزمة (SiP). لكنها مدفوعة أيضًا بالرغبة في الجمع بين أنواع مختلفة من الأجهزة ، على سبيل المثال هوائي 5G في نفس الحزمة مثل شريحة الراديو ، أو تطبيقات الذكاء الاصطناعي التي تدمج فيها أجهزة الاستشعار مع رقائق الحوسبة. تعمل مسابك أشباه الموصلات الكبيرة مثل TSMC مع "chiplets" و "fan out Packaging" أيضًا ، بينما تعمل Intel
INTC
لديها الاتصال البيني متعدد القوالب (EMIB) وتقنية Foveros المتراكمة التي تم تقديمها في معالج Lakefield المحمول في عام 2019.

يتم تنفيذ معظم عمليات التعبئة والتغليف بواسطة جهات تصنيع متعاقدة تابعة لجهات خارجية تُعرف باسم شركات "التجميع والاختبار الخارجية" (OSAT) ، ويقع مركز عالمهم في آسيا. أكبر موردي OSAT هم ASE في تايوان ، Amkor Technology
AMKR
يقع مقرها الرئيسي في تيمبي ، أريزونا ، وشركة Jiangsu Changjiang Electronics Tech (JCET) الصينية (التي استحوذت على STATS ChipPac ومقرها سنغافورة قبل عدة سنوات) ، وشركة Siliconware Precision Industries Co.، Ltd. (SPIL) في تايوان ، التي استحوذت عليها ASE في 2015. هناك العديد من الجهات الفاعلة الصغيرة الأخرى ، لا سيما في الصين ، التي حددت OSAT كصناعة استراتيجية منذ بضع سنوات.

أحد الأسباب الرئيسية وراء جذب الانتباه إلى التعبئة والتغليف مؤخرًا هو أن تفشي Covid-19 الأخير في فيتنام وماليزيا قد ساهم بشكل كبير في تفاقم أزمة توريد رقائق أشباه الموصلات ، مع إغلاق المصانع أو تقليل عدد الموظفين الذي فرضته الحكومات المحلية بقطع أو تقليل الإنتاج لأسابيع في وقت. حتى لو استثمرت حكومة الولايات المتحدة في الإعانات لتعزيز تصنيع أشباه الموصلات المحلي ، فإن معظم تلك الرقائق النهائية ستسافر إلى آسيا للتغليف ، حيث توجد الصناعة وشبكات الموردين وأين توجد قاعدة المهارة. وهكذا تصنع إنتل رقاقات المعالجات الدقيقة في هيلسبورو ، أوريغون ، أو تشاندلر ، أريزونا ، لكنها ترسل الرقائق الجاهزة إلى مصانع في ماليزيا ، وفيتنام ، أو تشنغدو ، الصين للاختبار والتعبئة والتغليف.

هل يمكن إنشاء تغليف الرقائق في الولايات المتحدة؟

هناك تحديات كبيرة أمام جلب عبوات الرقائق إلى الولايات المتحدة ، حيث غادرت معظم الصناعة الشواطئ الأمريكية منذ ما يقرب من نصف قرن. تبلغ حصة أمريكا الشمالية من إنتاج التغليف العالمي حوالي 3٪ فقط. وهذا يعني أن شبكات الموردين الخاصة بتصنيع المعدات والمواد الكيميائية (مثل الركائز والمواد الأخرى المستخدمة في العبوات) وإطارات الرصاص ، والأهم من ذلك ، أن قاعدة المهارة من المواهب ذات الخبرة للجزء الكبير من الأعمال لم تكن موجودة في الولايات المتحدة من أجل وقت طويل. أعلنت إنتل للتو عن استثمار بقيمة 7 مليارات دولار في مصنع جديد للتغليف والاختبار في ماليزيا ، على الرغم من أنها أعلنت أيضًا عن خطط لاستثمار 3.5 مليار دولار في عملياتها في ريو رانشو ، نيو مكسيكو لتكنولوجيا فوفيروس. كما أعلنت Amkor Technology مؤخرًا عن خطط لتوسيع السعة في Bac Ninh ، فيتنام شمال شرق هانوي.

جزء كبير من هذه المشكلة بالنسبة للولايات المتحدة هو أن تغليف الرقائق المتقدم يتطلب الكثير من الخبرة في الإنتاج. عندما تبدأ في الإنتاج لأول مرة ، من المحتمل أن تكون عوائد الرقائق المعبأة الجيدة منخفضة ، ومع زيادة إنتاجك ، فإنك تعمل باستمرار على تحسين العملية وتحسين العائد. لن يرغب عملاء الرقائق الكبيرة عمومًا في المخاطرة باستخدام موردين محليين جدد قد يستغرقون وقتًا طويلاً للوصول إلى منحنى العائد هذا. إذا كان لديك إنتاجية عبوة منخفضة ، فسوف تتخلص من الرقائق التي قد تكون جيدة لولا ذلك. لماذا تغامر؟ وبالتالي ، حتى لو صنعنا رقائق أكثر تقدمًا في الولايات المتحدة ، فمن المحتمل أن يستمروا في الذهاب إلى الشرق الأقصى للتغليف.

تتخذ شركة American Semiconductor، Inc. ومقرها بويز ، أيداهو نهجًا مختلفًا. يفضل الرئيس التنفيذي دوج هاكلر "إعادة التوطين القابلة للتطبيق على أساس التصنيع القابل للتطبيق." بدلاً من مطاردة عبوات الرقائق المتطورة فقط مثل تلك المستخدمة في المعالجات الدقيقة المتقدمة أو رقائق 5G ، تتمثل استراتيجيته في استخدام التكنولوجيا الجديدة وتطبيقها على الرقائق القديمة حيث يوجد الكثير من الطلب ، مما سيسمح للشركة بممارسة عملياتها و يتعلم. تعتبر الرقائق القديمة أرخص بكثير أيضًا ، لذا فإن خسارة المحصول ليست مشكلة حياة أو موت. يشير Hackler إلى أن 85٪ من الرقائق في iPhone 11 تستخدم تقنيات قديمة ، على سبيل المثال المصنعة في عقد أشباه الموصلات التي يبلغ قطرها 40 نانومتر أو أقدم (والتي كانت التكنولوجيا الساخنة قبل عقد من الزمن). في الواقع ، فإن العديد من النقص في الرقائق التي تعاني منها صناعة السيارات حاليًا ، والبعض الآخر يتعلق بهذه الرقائق القديمة. في الوقت نفسه ، تحاول الشركة تطبيق تقنية وأتمتة جديدة لخطوات التجميع ، حيث تقدم تغليفًا رقيقًا للغاية باستخدام ما تسميه عملية أشباه الموصلات على البوليمر (SoP) حيث يتم ربط رقاقة ممتلئة بالقالب إلى ظهر البوليمر ثم يوضع على شريط نقل حراري. بعد الاختبار باستخدام أجهزة الاختبار الآلية المعتادة ، يتم تقطيع الرقائق إلى مكعبات على حاملات الشريط ، وتحويلها إلى بكرات أو تنسيقات أخرى للتجميع الآلي عالي السرعة. يعتقد Hackler أن هذه العبوة يجب أن تكون جذابة لمصنعي أجهزة إنترنت الأشياء (IoT) والأجهزة القابلة للارتداء ، وهما جزءان يمكن أن يستهلكا كميات كبيرة من الرقائق ، لكنهما ليسا متطلبين من جانب تصنيع السيليكون.

الشيء الجذاب في نهج Hackler هما شيئان. أولاً ، سيضمن إدراك أهمية الطلب لسحب الحجم عبر خط التصنيع الخاص به حصولهم على الكثير من الممارسة بشأن تحسين العائد. ثانيًا ، يستخدمون تقنية جديدة ، وغالبًا ما يكون ركوب التحول التكنولوجي فرصة لإزاحة شاغلي الوظائف. الوافدون الجدد ليس لديهم عبء الارتباط بالعمليات أو المرافق الحالية. 

لا يزال أمام شركة أشباه الموصلات الأمريكية طريق طويل لنقطعه ، ولكن مثل هذه الأساليب ستبني المهارات المحلية ، وهي خطوة عملية لجلب تغليف الرقائق إلى الولايات المتحدة. لا تتوقع أن يكون إنشاء القدرة المحلية سريعًا ، لكنه ليس مكانًا سيئًا بداية.