美国半导体向美国本土芯片封装迈出一步

去年半导体的普遍短缺导致许多人关注供应链弹性，呼吁增加美国的芯片制造去年 52 月参议院通过的美国创新与竞争法案 (USICA) 提议提供 XNUMX 亿美元的援助国内半导体生产，正在等待众议院行动。 虽然许多人的主要关注点是提高硅芯片生产的国内份额，但我们不应忽视芯片封装——封装这些芯片的基本过程，以保护它们免受损坏并通过将它们的电路连接到外面的世界。 这是一个对于供应链弹性以及维持未来电子技术进步都很重要的领域。 

封装对于使半导体芯片可用至关重要

集成电路 (IC) 芯片在被称为“晶圆厂”的数十亿美元工厂中的硅晶圆上生产。 单个芯片或“裸片”以重复的模式生产，在每个晶圆上分批制造（以及跨批次的晶圆）。 一个 300 毫米晶圆（直径约 12 英寸）是最现代晶圆厂通常使用的尺寸，可能承载数百个大型微处理器芯片或数千个微型控制器芯片。 生产过程被划分为“生产线前端”（FEOL）阶段，在此期间，数十亿个微型晶体管和其他设备在硅体中通过图案化和蚀刻工艺被创建，然后是“生产线后端” ”（BEOL），其中铺设了金属迹线网以连接一切。 走线由称为“通孔”的垂直段组成，它们依次连接水平布线层。 如果一个芯片上有数十亿个晶体管（iPhone 13 的 A15 处理器有 15 亿个），则需要数十亿根电线来连接它们。 每个单独的裸片在展开时可能总共有几公里的布线，因此我们可以想象 BEOL 工艺非常复杂。 在芯片的最外层（有时他们会使用芯片的背面和正面），设计人员放置用于将芯片连接到外部世界的微型焊盘。 

晶圆加工完成后，每个芯片都会用测试机单独“探测”，以找出哪些是好的。 这些被剪下并放入包装中。 封装既可以为芯片提供物理保护，也可以将电信号连接到芯片中的不同电路。 封装芯片后，它可以放置在手机、计算机、汽车或其他设备的电子电路板上。 其中一些封装必须针对极端环境进行设计，例如汽车的发动机舱或手机信号塔。 其他的必须非常小才能用于内部紧凑型设备。 在所有情况下，封装设计人员都必须考虑诸如使用材料之类的因素，以最大限度地减少芯片的应力或开裂，或者考虑热膨胀以及这可能如何影响芯片的可靠性。

最早用于将硅芯片连接到封装内引线的技术是 引线键合，一种低温焊接工艺。 在这个过程中，非常细的导线（通常是金或铝，但也使用银和铜）的一端连接到芯片上的金属焊盘，另一端连接到金属框架上的端子，该金属框架有引线向外. 该工艺于 1950 年代在贝尔实验室率先推出，在高点温度下将细线在压力下压入芯片焊盘。 第一台执行此操作的机器在 1950 年代后期问世，到 1960 年代中期，超声波粘合被开发为一种替代技术。

从历史上看，这项工作是在东南亚完成的，因为它是劳动密集型的。 从那时起，已经开发出自动化机器以非常高的速度进行引线键合。 还开发了许多其他更新的封装技术，包括一种称为“倒装芯片”的技术。 在这个过程中，微观金属柱被沉积（“凸点”）到芯片上的焊盘上，而它仍然在晶圆上，然后在测试后将好的芯片翻转并与封装中匹配的焊盘对齐。 然后焊料在回流过程中熔化以熔合连接。 这是一次建立数千个连接的好方法，尽管您必须仔细控制以确保所有连接都良好。 

最近，包装引起了更多关注。 这是因为新技术的出现，以及推动芯片使用的新应用。 最重要的是希望将采用不同技术制造的多个芯片放在一个封装中，即所谓的系统级封装 (SiP) 芯片。 但它也受到结合不同类型设备的愿望的驱动，例如与无线电芯片在同一封装中的 5G 天线，或将传感器与计算芯片集成的人工智能应用程序。 像台积电这样的大型半导体代工厂也在使用“小芯片”和“扇出封装”，而英特尔
INTC
2019 年，其 Lakefield 移动处理器中引入了嵌入式多芯片互连 (EMIB) 和 Foveros 芯片堆叠技术。

大多数包装由被称为“外包组装和测试”（OSAT）公司的第三方合同制造商完成，他们的世界中心在亚洲。 最大的 OSAT 供应商是台湾的 ASE、Amkor Technology
AMKR
总部位于亚利桑那州坦佩市的中国江苏长江电子科技公司（JCET）（多年前收购了新加坡的 STATS ChipPac）和台湾的矽品精密工业股份有限公司（SPIL），被日月光收购2015. 还有许多其他较小的参与者，尤其是在中国，几年前它们将 OSAT 确定为战略性产业。

包装最近引起关注的一个主要原因是，最近在越南和马来西亚爆发的 Covid-19 疫情极大地加剧了半导体芯片供应危机的恶化，当地政府强制关闭工厂或减少人员配备，从而在数周内停产或减产。一次。 即使美国政府投资补贴以促进国内半导体制造业，大部分成品芯片仍将前往亚洲进行封装，因为那里是行业和供应商网络以及技能基础所在的地方。 因此，英特尔在俄勒冈州的希尔斯伯勒或亚利桑那州的钱德勒生产微处理器芯片，但它会将成品晶圆送到马来西亚、越南或中国成都的工厂进行测试和封装。

芯片封装能在美国建立吗？

将芯片封装带到美国面临着重大挑战，因为该行业的大多数人在近半个世纪前离开了美国海岸。 北美在全球包装生产中的份额仅为 3% 左右。 这意味着制造设备、化学品（如封装中使用的基板和其他材料）、引线框架的供应商网络，最重要的是，在美国不存在为大批量业务提供经验丰富的人才的技能基础。很长时间。 英特尔刚刚宣布投资 7 亿美元在马来西亚的一家新封装和测试工厂，但它还宣布计划投资 3.5 亿美元在其位于新墨西哥州的 Rio Rancho 业务，用于其 Foveros 技术。 Amkor Technology 最近还宣布了在河内东北部的越南北宁扩大产能的计划。

对于美国来说，这个问题的很大一部分是先进的芯片封装需要如此多的生产经验。 当您第一次开始生产时，好的成品封装芯片的良率可能会很低，随着您生产更多，您会不断改进工艺并且良率会变得更好。 大芯片客户通常不愿意冒险使用可能需要很长时间才能达到这条收益率曲线的新的国内供应商。 如果您的封装良率较低，您将丢弃本来很好的芯片。 为什么要抓住机会？ 因此即使我们在美国制造更先进的芯片，它们可能仍然会去远东进行封装。

总部位于爱达荷州博伊西的美国半导体公司正在采取不同的方法。 首席执行官 Doug Hackler 赞成“基于可行制造的可行回流”。 他的策略不是只追逐用于高级微处理器或 5G 芯片的高端芯片封装，而是使用新技术并将其应用于有大量需求的传统芯片，这将使公司能够实践其工艺和学习。 传统芯片也便宜得多，因此产量损失并不是生死攸关的问题。 Hackler 指出，iPhone 85 中 11% 的芯片使用较旧的技术，例如在 40 nm 或更早的半导体节点上制造（这是十年前的热门技术）。 事实上，目前困扰汽车行业和其他行业的许多芯片短缺都与这些传统芯片有关。 与此同时，该公司正尝试将新技术和自动化应用于组装步骤，使用所谓的聚合物半导体 (SoP) 工艺提供超薄芯片级封装，在该工艺中，将充满芯片的晶圆键合到背面聚合物，然后放置在热转印胶带上。 在使用通常的自动测试仪进行测试后，芯片在载带上被切割，然后转移到卷轴或其他格式以进行高速自动化组装。 Hackler 认为这种封装应该对物联网 (IoT) 设备和可穿戴设备制造商具有吸引力，这两个部分可能会消耗大量芯片，但对硅制造方面的要求不高。

哈克勒的方法吸引人的地方有两点。 首先，认识到需求对通过他的生产线拉动产量的重要性将确保他们在提高产量方面得到大量实践。 其次，他们正在使用一项新技术，而进行技术转型通常是推翻现有企业的机会。 新进入者没有束缚于现有流程或设施的包袱。 

美国半导体还有很长的路要走，但这样的做法将建立国内技能，是将芯片封装带到美国的实际步骤不要指望建立国内能力很快，但它不是一个坏地方开始。