American Semiconductor fait un pas vers l'emballage de puces domestiques aux États-Unis

Les pénuries généralisées de semi-conducteurs au cours de l'année dernière ont poussé de nombreuses personnes à se concentrer sur la résilience de la chaîne d'approvisionnement, avec des appels à augmenter la fabrication de puces aux États-Unis. production nationale de semi-conducteurs et attend l'action de la Chambre. Alors que l'objectif principal pour de nombreuses personnes est d'augmenter la part nationale de la production de puces en silicium, nous ne devons pas négliger l'emballage des puces - le processus essentiel d'encapsulation de ces puces afin de les protéger des dommages et de les rendre utilisables en connectant leurs circuits au monde extérieur. C'est un domaine qui va être important à la fois pour la résilience de la chaîne d'approvisionnement et pour soutenir les futures avancées technologiques dans le domaine de l'électronique. 

L'emballage est essentiel pour rendre les puces semi-conductrices utilisables

Les puces de circuits intégrés (CI) sont produites sur des plaquettes de silicium dans des usines de plusieurs milliards de dollars connues sous le nom de « fabs ». Les puces individuelles ou « matrice » sont produites selon des motifs répétitifs, fabriqués par lots sur chaque plaquette (et sur plusieurs lots de plaquettes). Une plaquette de 300 mm (environ 12 pouces de diamètre), la taille généralement utilisée dans les usines les plus modernes, peut contenir des centaines de grosses puces de microprocesseur ou des milliers de minuscules puces de contrôleur. Le processus de production est segmenté en une phase « front end of the line » (FEOL) au cours de laquelle des milliards de transistors microscopiques et d'autres dispositifs sont créés avec des processus de modelage et de gravure dans le corps du silicium, suivis d'un « back end of the line » (BEOL) dans lequel un maillage de traces métalliques est posé pour tout relier. Les traces sont constituées de segments verticaux appelés « vias », qui relient à leur tour des couches horizontales de câblage. Si vous avez des milliards de transistors sur une puce (le processeur A13 de l'iPhone 15 en a 15 milliards), vous avez besoin de plusieurs milliards de fils pour les connecter. Chaque dé individuel peut avoir plusieurs kilomètres de câblage au total lorsqu'il est étiré, nous pouvons donc imaginer que les processus BEOL sont assez complexes. Sur la couche très extérieure de la puce (parfois ils utiliseront l'arrière de la puce ainsi que l'avant), les concepteurs placent des plots microscopiques qui sont utilisés pour connecter la puce au monde extérieur. 

Une fois la plaquette traitée, chacune des puces est « sondée » individuellement avec une machine de test pour déterminer celles qui sont bonnes. Ceux-ci sont découpés et mis en paquets. Un boîtier offre à la fois une protection physique à la puce et un moyen de connecter des signaux électriques aux différents circuits de la puce. Une fois qu'une puce est emballée, elle peut être placée sur des cartes de circuits électroniques dans votre téléphone, ordinateur, voiture ou autres appareils. Certains de ces packages doivent être conçus pour des environnements extrêmes, comme dans le compartiment moteur d'une voiture ou sur une tour de téléphonie cellulaire. D'autres doivent être extrêmement petits pour être utilisés à l'intérieur d'appareils compacts. Dans tous les cas, le concepteur du boîtier doit prendre en compte des éléments tels que les matériaux à utiliser pour minimiser les contraintes ou la fissuration de la puce, ou pour tenir compte de la dilatation thermique et de la manière dont cela peut affecter la fiabilité de la puce.

La première technologie utilisée pour connecter la puce de silicium aux fils à l'intérieur du boîtier a été liaison filaire, un procédé de soudage à basse température. Dans ce processus, des fils très fins (généralement en or ou en aluminium, bien que l'argent et le cuivre soient également utilisés) sont liés à une extrémité à des plots métalliques sur la puce et à l'autre extrémité à des bornes sur un cadre métallique qui a des fils vers l'extérieur . Le processus a été mis au point aux Bell Labs dans les années 1950, avec de minuscules fils pressés sous pression dans les pastilles de puce à des températures ponctuelles élevées. Les premières machines à le faire sont devenues disponibles à la fin des années 1950 et, au milieu des années 1960, le collage par ultrasons a été développé comme technique alternative.

Historiquement, ce travail était effectué en Asie du Sud-Est parce qu'il demandait beaucoup de main-d'œuvre. Depuis lors, des machines automatisées ont été développées pour réaliser le câblage filaire à des vitesses très élevées. De nombreuses autres technologies d'emballage plus récentes ont également été développées, dont une appelée « puce à bascule ». Dans ce processus, des piliers métalliques microscopiques sont déposés (« cognés ») sur les plots de la puce alors qu'elle est encore sur la plaquette, puis après avoir testé la bonne puce sont retournés et alignés avec des plots assortis dans un emballage. Ensuite, la soudure est fondue dans un processus de refusion pour fusionner les connexions. C'est un bon moyen d'établir des milliers de connexions à la fois, même si vous devez contrôler les choses avec soin pour vous assurer que toutes les connexions sont bonnes. 

Récemment, l'emballage a attiré beaucoup plus d'attention. Cela est dû à la disponibilité de nouvelles technologies, mais également à de nouvelles applications qui stimulent l'utilisation des puces. Le plus important est le désir de regrouper plusieurs puces fabriquées avec différentes technologies dans un seul boîtier, appelées puces système en boîtier (SiP). Mais il est également motivé par la volonté de combiner différents types d'appareils, par exemple une antenne 5G dans le même boîtier que la puce radio, ou des applications d'intelligence artificielle dans lesquelles vous intégrez des capteurs aux puces informatiques. Les grandes fonderies de semi-conducteurs comme TSMC travaillent également avec des « chiplets » et des « emballages en éventail », tandis qu'Intel
INTC
a son interconnexion multi-dies intégrée (EMIB) et sa technologie d'empilage de matrices Foveros introduites dans son processeur mobile Lakefield en 2019.

La plupart des emballages sont réalisés par des sous-traitants tiers connus sous le nom de sociétés « d'assemblage et de test externalisés » (OSAT), et le centre de leur monde se trouve en Asie. Les plus grands fournisseurs d'OSAT sont ASE de Taiwan, Amkor Technology
AMKR
basée à Tempe, Arizona, Jiangsu Changjiang Electronics Tech Company (JCET) de Chine (qui a acquis STATS ChipPac basé à Singapour il y a plusieurs années), et Siliconware Precision Industries Co., Ltd. (SPIL) de Taiwan, acquis par ASE en 2015. Il existe de nombreux autres acteurs plus petits, notamment en Chine, qui ont identifié l'OSAT comme une industrie stratégique il y a quelques années.

L'une des principales raisons pour lesquelles l'emballage a récemment attiré l'attention est que les récentes épidémies de Covid-19 au Vietnam et en Malaisie ont contribué de manière significative à l'aggravation de la crise de l'approvisionnement en puces semi-conductrices, avec des fermetures d'usines ou une réduction du personnel imposée par les gouvernements locaux coupant ou réduisant la production pendant des semaines à un temps. Même si le gouvernement américain investit dans des subventions pour favoriser la fabrication nationale de semi-conducteurs, la plupart de ces puces finies continueront de voyager en Asie pour y être emballées, car c'est là que se trouvent l'industrie et les réseaux de fournisseurs et où se trouve la base de compétences. Ainsi Intel fabrique des puces de microprocesseur à Hillsboro, Oregon ou à Chandler, Arizona, mais il envoie des plaquettes finies à des usines en Malaisie, au Vietnam, ou à Chengdu, en Chine pour test et conditionnement.

L'emballage de puces peut-il être établi aux États-Unis ?

L'introduction de l'emballage de puces aux États-Unis présente des défis importants, car la plupart de l'industrie a quitté les côtes américaines il y a près d'un demi-siècle. La part nord-américaine de la production mondiale d'emballages n'est que d'environ 3 %. Cela signifie que les réseaux de fournisseurs pour les équipements de fabrication, les produits chimiques (comme les substrats et autres matériaux utilisés dans les emballages), les grilles de connexion et, surtout, une base de compétences de talents expérimentés pour la partie à volume élevé de l'activité n'existent pas aux États-Unis depuis un long moment. Intel vient d'annoncer un investissement de 7 milliards de dollars dans une nouvelle usine d'emballage et de test en Malaisie, bien qu'il ait également annoncé son intention d'investir 3.5 milliards de dollars dans ses opérations de Rio Rancho, au Nouveau-Mexique, pour sa technologie Foveros. Amkor Technology a également récemment annoncé son intention d'étendre sa capacité à Bac Ninh, au Vietnam, au nord-est de Hanoï.

Une grande partie de ce problème pour les États-Unis est que le conditionnement avancé des puces nécessite une grande expérience de la production. Lorsque vous démarrez la production pour la première fois, les rendements de bonnes chips emballées finies seront probablement faibles, et à mesure que vous en faites plus, vous améliorez constamment le processus et le rendement s'améliore. Les gros consommateurs de puces ne seront généralement pas prêts à prendre le risque d'avoir recours à de nouveaux fournisseurs nationaux qui pourraient mettre beaucoup de temps à remonter cette courbe de rendement. Si vous avez un faible rendement d'emballage, vous jetterez des chips qui seraient autrement bonnes. Pourquoi tenter sa chance ? Ainsi, même si nous fabriquons des puces plus avancées aux États-Unis, elles iront probablement toujours en Extrême-Orient pour être emballées.

American Semiconductor, Inc., basée à Boise, dans l'Idaho, adopte une approche différente. Le PDG Doug Hackler est en faveur d'une « relocalisation viable basée sur une fabrication viable ». Plutôt que de chasser uniquement les emballages de puces haut de gamme comme celui utilisé pour les microprocesseurs avancés ou les puces 5G, sa stratégie consiste à utiliser une nouvelle technologie et à l'appliquer aux puces existantes où la demande est forte, ce qui permettra à l'entreprise de mettre en pratique ses processus et apprendre. Les puces héritées sont également beaucoup moins chères, donc la perte de rendement n'est pas autant un problème de vie ou de mort. Hackler souligne que 85 % des puces d'un iPhone 11 utilisent des technologies plus anciennes, par exemple fabriquées sur des nœuds semi-conducteurs de 40 nm ou plus (ce qui était la technologie à la mode il y a une décennie). En effet, bon nombre des pénuries de puces qui affligent actuellement l'industrie automobile et d'autres concernent ces puces héritées. Dans le même temps, la société essaie d'appliquer une nouvelle technologie et une automatisation aux étapes d'assemblage, en proposant un emballage à puce ultra-mince utilisant ce qu'elle appelle un processus semi-conducteur sur polymère (SoP) dans lequel une plaquette pleine de puces est liée à un polymère arrière, puis placé sur un ruban de transfert thermique. Après avoir été testés avec les testeurs automatisés habituels, les puces sont découpées en dés sur les supports de bande et transférées sur des bobines ou d'autres formats pour un assemblage automatisé à grande vitesse. Hackler pense que cet emballage devrait être attrayant pour les fabricants d'appareils et de dispositifs portables pour l'Internet des objets (IoT), deux segments qui pourraient consommer de gros volumes de puces, mais qui ne sont pas aussi exigeants du côté de la fabrication du silicium.

Ce qui est intéressant dans l'approche de Hackler, ce sont deux choses. Premièrement, la reconnaissance de l'importance de la demande pour tirer le volume à travers sa chaîne de fabrication garantira qu'ils s'entraînent beaucoup à l'amélioration du rendement. Deuxièmement, ils utilisent une nouvelle technologie, et effectuer une transition technologique est souvent l'occasion de renverser les titulaires. Les nouveaux entrants n'ont pas le bagage d'être liés aux processus ou aux installations existants. 

American Semiconductor a encore un long chemin à parcourir, mais des approches comme celle-ci permettront de développer des compétences nationales et constituent une étape pratique pour amener le conditionnement de puces aux États-Unis. Ne vous attendez pas à ce que l'établissement d'une capacité nationale soit rapide, mais ce n'est pas un mauvais endroit pour début.