American Semiconductor, 미국 국내 칩 패키징을 향한 발걸음

지난 52년 동안 광범위한 반도체 부족으로 인해 많은 사람들이 미국에서 칩 제조를 늘려야 한다는 요구와 함께 공급망 탄력성에 집중하게 되었습니다. 지난 XNUMX월 상원을 통과한 미국 혁신 및 경쟁법(USICA)은 지원을 위해 XNUMX억 달러를 제안했습니다. 국내 반도체 생산을 중단하고 하원의 조치를 기다리고 있습니다. 많은 사람들이 실리콘 칩의 국내 생산량을 늘리는 데 중점을 두고 있지만, 칩 패키징은 칩을 손상으로부터 보호하고 회로를 연결하여 사용할 수 있도록 캡슐화하는 필수 프로세스를 간과해서는 안 됩니다. 외부 세계. 이는 공급망 탄력성뿐만 아니라 전자 분야의 미래 기술 발전을 유지하는 데에도 중요한 영역입니다. 

반도체 칩을 유용하게 사용하려면 패키징이 필수

집적 회로(IC) 칩은 "팹"이라고 알려진 수십억 달러 규모의 공장에서 실리콘 웨이퍼로 생산됩니다. 개별 칩 또는 "다이"는 반복 패턴으로 생산되며 각 웨이퍼에서 일괄적으로(및 웨이퍼 일괄적으로) 제조됩니다. 가장 현대적인 제조 공장에서 일반적으로 사용되는 크기인 300mm 웨이퍼(직경 약 12인치)에는 수백 개의 대형 마이크로프로세서 칩 또는 수천 개의 작은 컨트롤러 칩이 포함될 수 있습니다. 생산 공정은 실리콘 본체의 패터닝 및 에칭 공정을 통해 수십억 개의 미세한 트랜지스터 및 기타 장치가 생성되는 "FEOL(프런트 엔드 오브 라인)" 단계와 "라인 백엔드" 단계로 구분됩니다. ”(BEOL)은 모든 것을 연결하기 위해 금속 흔적의 메쉬가 놓여 있습니다. 트레이스는 "비아"라는 수직 세그먼트로 구성되며, 이는 다시 수평 배선 레이어를 연결합니다. 칩에 수십억 개의 트랜지스터가 있는 경우(iPhone 13의 A15 프로세서에는 15억 개가 있음) 이를 연결하려면 수십억 개의 전선이 필요합니다. 각 개별 다이를 펼쳤을 때 총 배선 길이는 수 킬로미터에 달할 수 있으므로 BEOL 프로세스가 상당히 복잡하다고 상상할 수 있습니다. 다이의 가장 바깥층(때때로 다이의 앞면과 뒷면을 사용함)에 설계자는 칩을 외부 세계에 연결하는 데 사용되는 미세한 패드를 배치합니다. 

웨이퍼가 처리된 후 각 칩은 테스트 기계로 개별적으로 "탐색"되어 어느 것이 좋은지 알아냅니다. 이것들은 잘라내어 패키지에 담습니다. 패키지는 칩에 대한 물리적 보호 기능과 전기 신호를 칩의 다양한 회로에 연결하는 수단을 모두 제공합니다. 칩이 포장된 후에는 휴대폰, 컴퓨터, 자동차 또는 기타 장치의 전자 회로 기판에 배치할 수 있습니다. 이러한 패키지 중 일부는 자동차 엔진룸이나 휴대폰 기지국과 같은 극한 환경에 맞게 설계되어야 합니다. 다른 것들은 소형 장치 내부에 사용하기 위해 극도로 작아야 합니다. 모든 경우에 패키지 설계자는 다이의 응력이나 균열을 최소화하거나 열팽창을 설명하기 위해 사용할 재료와 이것이 칩의 신뢰성에 어떤 영향을 미칠 수 있는지 등을 고려해야 합니다.

실리콘 칩을 패키지 내부의 리드에 연결하는 데 사용된 최초의 기술은 와이어 본딩, 저온 용접 공정. 이 프로세스에서는 매우 가는 와이어(일반적으로 금이나 알루미늄, 은과 구리도 사용됨)가 한쪽 끝을 칩의 금속 패드에 접착하고 다른 쪽 끝을 외부로 연결되는 금속 프레임의 터미널에 접착합니다. . 이 공정은 1950년대 벨 연구소에서 개척되었으며, 높은 지점 온도에서 칩 패드에 압력을 가해 작은 와이어를 압착하는 방식이었습니다. 이를 수행하는 최초의 기계는 1950년대 후반에 출시되었으며 1960년대 중반에는 대체 기술로 초음파 접착이 개발되었습니다.

역사적으로 이 작업은 상당히 노동 집약적이었기 때문에 동남아시아에서 수행되었습니다. 그 이후로 매우 빠른 속도로 와이어 본딩을 수행할 수 있는 자동화된 기계가 개발되었습니다. "플립 칩"이라는 기술을 포함하여 다른 많은 최신 패키징 기술도 개발되었습니다. 이 프로세스에서는 미세한 금속 기둥이 웨이퍼에 있는 동안 칩의 패드 위에 증착("범프")된 다음 테스트 후 양호한 다이를 뒤집어 패키지의 일치하는 패드와 정렬합니다. 그런 다음 연결을 융합하기 위해 리플로우 공정에서 땜납이 녹습니다. 모든 연결이 제대로 이루어지도록 주의 깊게 제어해야 하지만 이는 동시에 수천 개의 연결을 만드는 좋은 방법입니다. 

최근에는 포장이 더욱 주목을 받고 있습니다. 이는 새로운 기술을 사용할 수 있게 되었지만 칩 사용을 촉진하는 새로운 애플리케이션 때문이기도 합니다. 가장 중요한 것은 서로 다른 기술로 만들어진 여러 칩을 소위 SiP(시스템 인 패키지) 칩이라고 하는 단일 패키지에 통합하려는 욕구입니다. 그러나 이는 무선 칩과 동일한 패키지에 5G 안테나를 결합하거나 센서를 컴퓨팅 칩과 통합하는 인공 지능 애플리케이션과 같이 다양한 종류의 장치를 결합하려는 욕구에 의해서도 추진되고 있습니다. TSMC와 같은 대형 반도체 파운드리들도 "칩렛"과 "팬아웃 패키징"을 연구하고 있는 반면, 인텔은
INTC
2019년 Lakefield 모바일 프로세서에 EMIB(임베디드 멀티 다이 상호 연결) ​​및 Foveros 다이 스택 기술을 도입했습니다.

대부분의 포장은 "아웃소싱 조립 및 테스트"(OSAT) 회사로 알려진 제XNUMX자 계약 제조업체에 의해 이루어지며, 그 세계의 중심은 아시아에 있습니다. 가장 큰 OSAT 공급업체는 대만의 ASE, Amkor Technology입니다.
AMKR
애리조나주 템피에 본사를 두고 있는 중국의 Jiangsu Changjiang Electronics Tech Company(JCET)(수년 전 싱가포르 소재 STATS ChipPac을 인수)와 대만의 Siliconware Precision Industries Co., Ltd.(SPIL)(ASE가 2015년에 인수) XNUMX. 특히 중국에는 몇 년 전 OSAT를 전략 산업으로 식별한 수많은 소규모 기업이 있습니다.

최근 패키징이 주목받는 주요 이유는 최근 베트남과 말레이시아에서 발생한 코비드-19 사태가 반도체 칩 공급 위기를 악화시키는 데 크게 기여했다는 점이다. 시간. 미국 정부가 국내 반도체 제조 육성을 위해 보조금을 투자하더라도 완성된 칩의 대부분은 여전히 ​​업계와 공급업체 네트워크가 있고 기술 기반이 있는 아시아로 패키징을 위해 이동하게 될 것입니다. 따라서 인텔은 오리건주 힐스보로나 애리조나주 챈들러에서 마이크로프로세서 칩을 제조하지만 완성된 웨이퍼는 테스트와 패키징을 위해 말레이시아, 베트남 또는 중국 청두의 공장으로 보냅니다.

미국에서 칩 패키징이 확립될 수 있나요?

대부분의 업계가 거의 반세기 전에 미국 해안을 떠났기 때문에 칩 패키징을 미국으로 가져오는 데는 상당한 어려움이 있습니다. 글로벌 포장재 생산에서 북미가 차지하는 비중은 약 3%에 불과합니다. 이는 제조 장비, 화학 물질(예: 패키지에 사용되는 기판 및 기타 재료), 리드 프레임, 그리고 가장 중요하게는 대량 비즈니스 부분에 대한 숙련된 인재의 기술 기반을 위한 공급업체 네트워크가 미국에 존재하지 않았음을 의미합니다. 오랫동안. 인텔은 말레이시아의 새로운 패키징 및 테스트 공장에 7억 달러를 투자한다고 발표했습니다. 또한 Foveros 기술을 위해 뉴멕시코주 리오 란초 사업장에 3.5억 달러를 투자할 계획도 발표했습니다. 앰코테크놀로지는 최근 베트남 하노이 북동쪽 박닌(Bac Ninh) 공장의 생산능력 확장 계획을 발표했습니다.

미국에서 이 문제의 가장 큰 부분은 고급 칩 패키징에 너무 많은 생산 경험이 필요하다는 것입니다. 처음 생산을 시작할 때는 잘 완성된 패키지 칩의 수율이 낮을 가능성이 높으며, 더 많이 만들수록 프로세스가 지속적으로 개선되고 수율이 좋아집니다. 대형 칩 고객은 일반적으로 이 수익률 곡선을 도출하는 데 오랜 시간이 걸릴 수 있는 새로운 국내 공급업체를 이용하는 위험을 감수할 의향이 없습니다. 패키징 수율이 낮으면 좋을 수도 있는 칩을 버리는 셈이 됩니다. 왜 기회를 잡나요? 따라서 우리가 미국에서 더 발전된 칩을 만든다고 해도 아마도 포장을 위해 극동 지역으로 갈 가능성이 높습니다.

아이다호주 보이시에 본사를 둔 American Semiconductor, Inc.는 다른 접근 방식을 취하고 있습니다. CEO인 Doug Hackler는 "실행 가능한 제조를 기반으로 한 실행 가능한 리쇼어링"을 선호합니다. 첨단 마이크로프로세서나 5G 칩 등 고급 칩 패키징만을 쫓는 것이 아니라, 신기술을 활용해 수요가 많은 레거시 칩에 적용해 프로세스를 실습하고, 배우다. 레거시 칩도 훨씬 저렴하므로 수율 손실은 생사를 좌우하는 문제가 아닙니다. Hackler는 iPhone 85에 있는 칩의 11%가 오래된 기술을 사용하고 있다고 지적합니다. 예를 들어 40nm 이상의 반도체 노드에서 제조된 것입니다(XNUMX년 전에는 인기 있었던 기술이었습니다). 실제로 현재 자동차 산업을 괴롭히는 칩 부족의 대부분은 이러한 레거시 칩에 대한 것입니다. 동시에 회사는 조립 단계에 새로운 기술과 자동화를 적용하려고 노력하고 있으며, 다이로 가득 찬 웨이퍼를 웨이퍼에 접착하는 SoP(반도체 온 폴리머) 프로세스를 사용하여 초박형 칩 규모 패키징을 제공하고 있습니다. 후면 폴리머를 열전사 테이프에 붙입니다. 일반적인 자동 테스터로 테스트한 후 칩을 테이프 캐리어에서 절단하고 고속 자동 조립을 위해 릴이나 기타 형식으로 옮깁니다. Hackler는 이 패키징이 대량의 칩을 소비할 수 있지만 실리콘 제조 측면에서는 그다지 요구되지 않는 두 부문인 사물 인터넷(IoT) 장치 및 웨어러블 기기 제조업체에게 매력적일 것이라고 생각합니다.

Hackler의 접근 방식에서 매력적인 점은 두 가지입니다. 첫째, 제조 라인을 통해 생산량을 늘리기 위한 수요의 중요성을 인식하면 수율 개선에 대한 많은 연습을 할 수 있을 것입니다. 둘째, 그들은 새로운 기술을 사용하고 있으며 기술 전환을 타는 것은 종종 기존 기업을 몰아낼 기회가 됩니다. 신규 진입자는 기존 프로세스나 시설에 얽매일 필요가 없습니다. 

미국반도체는 아직 갈 길이 멀지만 이같은 접근 방식은 국내 기술력을 쌓고 칩 패키징을 미국으로 가져오는 실질적인 단계다. 국내 역량 구축이 빠를 것이라고는 기대하지 않지만, 나쁘지 않은 곳이다. 시작.