Semikonduktor Amerika Mengambil Langkah Menuju Pengemasan Chip Domestik AS

Kekurangan semikonduktor yang meluas selama setahun terakhir telah menyebabkan banyak orang fokus pada ketahanan rantai pasokan, dengan seruan untuk meningkatkan manufaktur chip di AS. Undang-Undang Inovasi dan Persaingan AS (USICA), yang disahkan Senat Juni lalu, mengusulkan $52 miliar untuk membantu produksi semikonduktor dalam negeri, dan sedang menunggu tindakan DPR. Sementara fokus utama bagi banyak orang adalah menumbuhkan pangsa produksi chip silikon dalam negeri, kita tidak boleh mengabaikan pengemasan chip – proses penting untuk merangkum chip tersebut untuk melindunginya dari kerusakan dan membuatnya dapat digunakan dengan menghubungkan sirkuitnya ke dunia luar. Ini adalah area yang akan menjadi penting baik untuk ketahanan rantai pasokan maupun untuk mempertahankan kemajuan teknologi masa depan dalam elektronik. 

Pengemasan sangat penting untuk membuat chip semikonduktor dapat digunakan

Chip sirkuit terpadu (IC) diproduksi pada wafer silikon di pabrik bernilai miliaran dolar yang dikenal sebagai "fabs." Chip individu atau "die" diproduksi dalam pola berulang, diproduksi dalam batch pada setiap wafer (dan di seluruh batch wafer). Wafer 300 mm (berdiameter sekitar 12 inci), ukuran yang biasanya digunakan di pabrik paling modern, dapat membawa ratusan chip mikroprosesor besar, atau ribuan chip pengontrol kecil. Proses produksi tersegmentasi menjadi fase "front end of the line" (FEOL) di mana miliaran transistor mikroskopis dan perangkat lain dibuat dengan proses pola dan etsa di badan silikon, diikuti oleh "ujung belakang lini. ” (BEOL) di mana jaring jejak logam diletakkan untuk menghubungkan semuanya. Jejak terdiri dari segmen vertikal yang disebut "vias", yang pada gilirannya menghubungkan lapisan kabel horizontal. Jika Anda memiliki miliaran transistor pada sebuah chip (prosesor A13 iPhone 15 memiliki 15 miliar), Anda memerlukan miliaran kabel untuk menghubungkannya. Setiap individu mati mungkin memiliki total beberapa kilometer kabel saat direntangkan, jadi kita dapat membayangkan bahwa proses BEOL cukup rumit. Pada lapisan paling luar dari cetakan (kadang-kadang mereka akan menggunakan bagian belakang cetakan serta bagian depan), desainer menempatkan bantalan mikroskopis yang digunakan untuk menghubungkan chip ke dunia luar. 

Setelah wafer diproses, masing-masing chip secara individual "diselidiki" dengan mesin uji untuk mengetahui mana yang bagus. Ini dipotong dan dimasukkan ke dalam paket. Paket menyediakan perlindungan fisik untuk chip, serta sarana untuk menghubungkan sinyal listrik ke sirkuit yang berbeda dalam chip. Setelah sebuah chip dikemas, chip tersebut dapat ditempatkan pada papan sirkuit elektronik di ponsel, komputer, mobil, atau perangkat Anda lainnya. Beberapa paket ini harus dirancang untuk lingkungan ekstrem, seperti di kompartemen mesin mobil atau di menara ponsel. Lainnya harus sangat kecil untuk digunakan di dalam perangkat kompak. Dalam semua kasus, perancang paket harus mempertimbangkan hal-hal seperti bahan yang digunakan untuk meminimalkan tegangan atau keretakan cetakan, atau untuk memperhitungkan ekspansi termal dan bagaimana hal ini dapat mempengaruhi keandalan chip.

Teknologi paling awal yang digunakan untuk menghubungkan chip silikon ke kabel di dalam paket adalah ikatan kawat, proses pengelasan suhu rendah. Dalam proses ini, kabel yang sangat halus (biasanya emas atau aluminium, meskipun perak dan tembaga juga digunakan) direkatkan di salah satu ujungnya ke bantalan logam pada chip, dan di ujung lainnya ke terminal pada bingkai logam yang mengarah ke luar. . Proses ini dirintis di Bell Labs pada 1950-an, dengan kabel kecil ditekan di bawah tekanan ke bantalan chip pada suhu titik tinggi. Mesin pertama yang melakukan ini tersedia pada akhir 1950-an, dan pada pertengahan 1960-an, ikatan ultrasonik dikembangkan sebagai teknik alternatif.

Secara historis pekerjaan ini dilakukan di Asia Tenggara karena cukup padat karya. Sejak itu, mesin otomatis telah dikembangkan untuk melakukan ikatan kawat dengan kecepatan sangat tinggi. Banyak teknologi pengemasan baru lainnya juga telah dikembangkan, termasuk yang disebut “flip chip.” Dalam proses ini, pilar logam mikroskopis diendapkan (“terbentur”) ke bantalan pada chip saat masih berada di wafer, dan kemudian setelah pengujian die yang baik dibalik dan disejajarkan dengan bantalan yang cocok dalam satu paket. Kemudian solder dilebur dalam proses reflow untuk menggabungkan koneksi. Ini adalah cara yang baik untuk membuat ribuan koneksi sekaligus, meskipun Anda harus mengontrol semuanya dengan hati-hati untuk memastikan semua koneksi baik. 

Baru-baru ini kemasan telah menarik lebih banyak perhatian. Ini karena teknologi baru yang tersedia, tetapi juga aplikasi baru yang mendorong penggunaan chip. Yang terpenting adalah keinginan untuk menggabungkan beberapa chip yang dibuat dengan teknologi berbeda dalam satu paket, yang disebut chip system-in-package (SiP). Tapi itu juga didorong oleh keinginan untuk menggabungkan berbagai jenis perangkat, misalnya antena 5G dalam paket yang sama dengan chip radio, atau aplikasi kecerdasan buatan di mana Anda mengintegrasikan sensor dengan chip komputasi. Pengecoran semikonduktor besar seperti TSMC juga bekerja dengan "chiplet" dan "kemasan menyebar", sementara Intel
INTC
memiliki interkoneksi multi-die tertanam (EMIB) dan teknologi die-stacking Foveros yang diperkenalkan pada prosesor seluler Lakefield pada tahun 2019.

Sebagian besar pengemasan dilakukan oleh produsen kontrak pihak ketiga yang dikenal sebagai perusahaan “outsourced assembly and test” (OSAT), dan pusat dunia mereka ada di Asia. Pemasok OSAT terbesar adalah ASE dari Taiwan, Amkor Technology
AMKR
berkantor pusat di Tempe, Arizona, Jiangsu Changjiang Electronics Tech Company (JCET) dari China (yang mengakuisisi STATS ChipPac yang berbasis di Singapura beberapa tahun yang lalu), dan Siliconware Precision Industries Co., Ltd. (SPIL) dari Taiwan, diakuisisi oleh ASE pada tahun 2015. Ada banyak pemain kecil lainnya, terutama di China, yang beberapa tahun lalu mengidentifikasi OSAT sebagai industri strategis.

Alasan utama pengemasan menarik perhatian akhir-akhir ini adalah bahwa wabah Covid-19 baru-baru ini di Vietnam dan Malaysia telah berkontribusi secara signifikan terhadap memburuknya krisis pasokan chip semikonduktor, dengan penutupan pabrik atau pengurangan staf yang diberlakukan oleh pemerintah daerah dengan memotong atau mengurangi produksi selama berminggu-minggu di sebuah waktu. Bahkan jika pemerintah AS berinvestasi dalam subsidi untuk mendorong manufaktur semikonduktor dalam negeri, sebagian besar chip jadi itu masih akan melakukan perjalanan ke Asia untuk pengemasan, karena di situlah industri dan jaringan pemasok berada dan di mana basis keterampilan berada. Jadi Intel memproduksi chip mikroprosesor di Hillsboro, Oregon atau Chandler, Arizona, tetapi mengirimkan wafer jadi ke pabrik di Malaysia, Vietnam, atau Chengdu, Cina untuk pengujian dan pengemasan.

Bisakah pengemasan chip dibuat di AS?

Ada tantangan yang signifikan untuk membawa kemasan chip ke AS, karena sebagian besar industri meninggalkan pantai Amerika hampir setengah abad yang lalu. Pangsa Amerika Utara dari produksi kemasan global hanya sekitar 3%. Itu berarti jaringan pemasok untuk peralatan manufaktur, bahan kimia (seperti substrat dan bahan lain yang digunakan dalam kemasan), rangka timah, dan yang paling penting, basis keterampilan dari talenta berpengalaman untuk bagian volume tinggi dari bisnis belum ada di AS selama waktu yang lama. Intel baru saja mengumumkan investasi $7 miliar di pabrik pengemasan dan pengujian baru di Malaysia, meskipun Intel juga mengumumkan rencana untuk menginvestasikan $3.5 miliar di operasi Rio Rancho, New Mexico untuk teknologi Foveros-nya. Amkor Technology juga baru-baru ini mengumumkan rencana untuk memperluas kapasitas di Bac Ninh, Vietnam di timur laut Hanoi.

Sebagian besar masalah ini bagi AS adalah bahwa pengemasan chip canggih membutuhkan begitu banyak pengalaman produksi. Saat Anda pertama kali memulai produksi, hasil dari keripik kemasan jadi yang bagus kemungkinan akan rendah, dan saat Anda membuat lebih banyak, Anda terus-menerus meningkatkan proses dan hasilnya menjadi lebih baik. Pelanggan chip besar umumnya tidak akan mau mengambil risiko menggunakan pemasok domestik baru yang mungkin membutuhkan waktu lama untuk menghasilkan kurva imbal hasil ini. Jika Anda memiliki hasil kemasan yang rendah, Anda akan membuang keripik yang seharusnya bagus. Mengapa mengambil kesempatan? Jadi, bahkan jika kita membuat chip yang lebih canggih di AS, mereka mungkin masih akan pergi ke Timur Jauh untuk pengemasan.

Boise, American Semiconductor, Inc. yang berbasis di Idaho mengambil pendekatan yang berbeda. CEO Doug Hackler menyukai "reshoring yang layak berdasarkan manufaktur yang layak." Daripada hanya mengejar kemasan chip kelas atas seperti yang digunakan untuk mikroprosesor canggih atau chip 5G, strateginya adalah menggunakan teknologi baru dan menerapkannya pada chip lama di mana ada banyak permintaan, yang memungkinkan perusahaan mempraktikkan proses dan mempelajari. Chip lama juga jauh lebih murah, jadi kehilangan hasil bukanlah masalah hidup dan mati. Hackler menunjukkan bahwa 85% chip di iPhone 11 menggunakan teknologi lama, misalnya diproduksi di node semikonduktor 40 nm atau lebih (yang merupakan teknologi panas satu dekade lalu). Memang, banyak kekurangan chip yang saat ini mengganggu industri otomotif dan lainnya adalah untuk chip lama ini. Pada saat yang sama, perusahaan mencoba menerapkan teknologi dan otomatisasi baru ke langkah-langkah perakitan, menawarkan kemasan skala chip ultra-tipis menggunakan apa yang disebut proses semikonduktor pada polimer (SoP) di mana wafer penuh die diikat ke polimer bagian belakang dan kemudian ditempatkan pada pita transfer termal. Setelah pengujian dengan penguji otomatis biasa, chip dipotong dadu pada pembawa pita, dan dipindahkan ke gulungan atau format lain untuk perakitan otomatis kecepatan tinggi. Menurut Hackler, kemasan ini harus menarik bagi produsen perangkat Internet-of-Things (IoT) dan perangkat yang dapat dikenakan, dua segmen yang dapat mengonsumsi chip dalam jumlah besar, tetapi tidak terlalu menuntut di sisi fabrikasi silikon.

Yang menarik dari pendekatan Hackler adalah dua hal. Pertama, pengakuan akan pentingnya permintaan untuk menarik volume melalui jalur produksinya akan memastikan bahwa mereka mendapatkan banyak latihan dalam peningkatan hasil. Kedua, mereka menggunakan teknologi baru, dan mengendarai transisi teknologi sering kali merupakan peluang untuk menggeser petahana. Pendatang baru tidak memiliki beban terikat pada proses atau fasilitas yang ada. 

American Semiconductor masih memiliki jalan panjang, tetapi pendekatan seperti ini akan membangun keterampilan domestik, dan merupakan langkah praktis untuk membawa kemasan chip ke AS. Mulailah.