अमेरिकी सेमीकंडक्टर यूएस डोमेस्टिक चिप पैकेजिंग की ओर एक कदम बढ़ा रहा है

पिछले वर्ष के दौरान अर्धचालकों की व्यापक कमी ने कई लोगों को आपूर्ति श्रृंखला लचीलेपन पर ध्यान केंद्रित करने के लिए प्रेरित किया है, साथ ही अमेरिका में चिप निर्माण को बढ़ाने के लिए कॉल किया गया है। यूएस इनोवेशन एंड कॉम्पिटिशन एक्ट (यूएसआईसीए), जो पिछले जून में सीनेट से पारित हुआ था, ने सहायता के लिए $52 बिलियन का प्रस्ताव रखा है। घरेलू अर्धचालक उत्पादन, और सदन की कार्रवाई की प्रतीक्षा कर रहा है। जबकि कई लोगों का मुख्य ध्यान सिलिकॉन चिप्स के उत्पादन में घरेलू हिस्सेदारी बढ़ाने पर है, हमें चिप पैकेजिंग को नजरअंदाज नहीं करना चाहिए - उन चिप्स को नुकसान से बचाने के लिए उन्हें एनकैप्सुलेट करने की आवश्यक प्रक्रिया और उनके सर्किटरी को कनेक्ट करके उन्हें उपयोग करने योग्य बनाना। बाहर की दुनिया। यह एक ऐसा क्षेत्र है जो आपूर्ति श्रृंखला के लचीलेपन के साथ-साथ इलेक्ट्रॉनिक्स में भविष्य की तकनीकी प्रगति को बनाए रखने के लिए भी महत्वपूर्ण होगा। 

सेमीकंडक्टर चिप्स को उपयोग योग्य बनाने के लिए पैकेजिंग आवश्यक है

इंटीग्रेटेड सर्किट (आईसी) चिप्स का उत्पादन अरबों डॉलर की फ़ैक्टरियों में सिलिकॉन वेफर्स पर किया जाता है जिन्हें "फ़ैब्स" के नाम से जाना जाता है। अलग-अलग चिप्स या "डाई" दोहराए जाने वाले पैटर्न में निर्मित होते हैं, प्रत्येक वेफर पर बैचों में निर्मित होते हैं (और वेफर्स के बैचों में)। एक 300 मिमी वेफर (लगभग 12 इंच व्यास), जिसका आकार आमतौर पर सबसे आधुनिक फैब में उपयोग किया जाता है, सैकड़ों बड़े माइक्रोप्रोसेसर चिप्स, या हजारों छोटे नियंत्रक चिप्स ले जा सकता है। उत्पादन प्रक्रिया को "फ्रंट एंड ऑफ़ द लाइन" (FEOL) चरण में विभाजित किया गया है, जिसके दौरान अरबों सूक्ष्म ट्रांजिस्टर और अन्य उपकरण सिलिकॉन के शरीर में पैटर्निंग और नक़्क़ाशी प्रक्रियाओं के साथ बनाए जाते हैं, इसके बाद "लाइन का पिछला अंत" होता है। (बीईओएल) जिसमें हर चीज़ को जोड़ने के लिए धातु के निशानों का एक जाल बिछाया जाता है। निशानों में ऊर्ध्वाधर खंड होते हैं जिन्हें "वियास" कहा जाता है, जो बदले में तारों की क्षैतिज परतों को जोड़ते हैं। यदि आपके पास एक चिप पर अरबों ट्रांजिस्टर हैं (iPhone 13 के A15 प्रोसेसर में 15 अरब हैं), तो आपको उन्हें कनेक्ट करने के लिए कई अरब तारों की आवश्यकता होगी। प्रत्येक व्यक्तिगत डाई को फैलाने पर कुल मिलाकर कई किलोमीटर की वायरिंग हो सकती है, इसलिए हम कल्पना कर सकते हैं कि बीईओएल प्रक्रियाएं काफी जटिल हैं। डाई की सबसे बाहरी परत पर (कभी-कभी वे डाई के पीछे के साथ-साथ सामने का भी उपयोग करेंगे), डिजाइनर सूक्ष्म पैड लगाते हैं जिनका उपयोग चिप को बाहरी दुनिया से जोड़ने के लिए किया जाता है। 

वेफर संसाधित होने के बाद, प्रत्येक चिप्स की व्यक्तिगत रूप से एक परीक्षण मशीन से "जांच" की जाती है ताकि यह पता लगाया जा सके कि कौन सा अच्छा है। इन्हें काटकर पैकेजों में डाल दिया जाता है। एक पैकेज चिप के लिए भौतिक सुरक्षा प्रदान करता है, साथ ही चिप में विभिन्न सर्किटों में विद्युत संकेतों को जोड़ने का साधन भी प्रदान करता है। चिप पैक होने के बाद इसे आपके फोन, कंप्यूटर, कार या अन्य उपकरणों में इलेक्ट्रॉनिक सर्किट बोर्ड पर रखा जा सकता है। इनमें से कुछ पैकेजों को चरम वातावरण के लिए डिज़ाइन किया जाना चाहिए, जैसे कार के इंजन डिब्बे में या सेल फोन टावर पर। आंतरिक कॉम्पैक्ट उपकरणों के उपयोग के लिए अन्य को बेहद छोटा होना चाहिए। सभी मामलों में पैकेज डिजाइनर को तनाव या डाई के टूटने को कम करने के लिए उपयोग की जाने वाली सामग्री, या थर्मल विस्तार का ध्यान रखना होता है और यह चिप की विश्वसनीयता को कैसे प्रभावित कर सकता है जैसी चीजों पर विचार करना होता है।

पैकेज के अंदर सिलिकॉन चिप को लीड से जोड़ने के लिए उपयोग की जाने वाली सबसे प्रारंभिक तकनीक थी तार का जोड़, एक कम तापमान वाली वेल्डिंग प्रक्रिया। इस प्रक्रिया में, बहुत महीन तारों (आमतौर पर सोने या एल्यूमीनियम, हालांकि चांदी और तांबे का भी उपयोग किया जाता है) को एक छोर पर चिप पर धातु पैड से जोड़ा जाता है, और दूसरे छोर पर एक धातु फ्रेम पर टर्मिनलों से जोड़ा जाता है जो बाहर की ओर जाता है . इस प्रक्रिया की शुरुआत 1950 के दशक में बेल लैब्स में की गई थी, जिसमें उच्च स्थान के तापमान पर चिप पैड में दबाव के तहत छोटे तारों को दबाया गया था। ऐसा करने वाली पहली मशीनें 1950 के दशक के अंत में उपलब्ध हुईं और 1960 के दशक के मध्य तक वैकल्पिक तकनीक के रूप में अल्ट्रासोनिक बॉन्डिंग विकसित की गई।

ऐतिहासिक रूप से यह कार्य दक्षिण-पूर्व एशिया में किया जाता था क्योंकि इसमें काफी श्रम लगता था। तब से, बहुत तेज़ गति से तार जोड़ने के लिए स्वचालित मशीनें विकसित की गई हैं। कई अन्य नई पैकेजिंग तकनीकें भी विकसित की गई हैं, जिनमें "फ्लिप चिप" नामक तकनीक भी शामिल है। इस प्रक्रिया में, सूक्ष्म धातु के खंभों को चिप पर पैड पर जमा ("टक्कर") किया जाता है, जबकि यह अभी भी वेफर पर है, और फिर परीक्षण के बाद अच्छे डाई को पलट दिया जाता है और एक पैकेज में मिलान किए गए पैड के साथ संरेखित किया जाता है। फिर कनेक्शन को फ़्यूज़ करने के लिए रिफ्लो प्रक्रिया में सोल्डर को पिघलाया जाता है। यह एक साथ हजारों कनेक्शन बनाने का एक अच्छा तरीका है, हालांकि आपको यह सुनिश्चित करने के लिए चीजों को सावधानीपूर्वक नियंत्रित करना होगा कि सभी कनेक्शन अच्छे हैं। 

हाल ही में पैकेजिंग ने बहुत अधिक ध्यान आकर्षित किया है। इसका कारण नई प्रौद्योगिकियां उपलब्ध होना है, बल्कि नए अनुप्रयोग भी हैं जो चिप के उपयोग को बढ़ा रहे हैं। सबसे महत्वपूर्ण है विभिन्न तकनीकों से बने कई चिप्स को एक ही पैकेज में एक साथ रखने की इच्छा, तथाकथित सिस्टम-इन-पैकेज (SiP) चिप्स। लेकिन यह विभिन्न प्रकार के उपकरणों को संयोजित करने की इच्छा से भी प्रेरित हो रहा है, उदाहरण के लिए रेडियो चिप के समान पैकेज में 5G एंटीना, या कृत्रिम बुद्धिमत्ता अनुप्रयोग जिसमें आप कंप्यूटिंग चिप्स के साथ सेंसर को एकीकृत करते हैं। टीएसएमसी जैसी बड़ी सेमीकंडक्टर फाउंड्रीज़ "चिपलेट्स" और "फैन आउट पैकेजिंग" के साथ भी काम कर रही हैं, जबकि इंटेल
INTC
2019 में इसके लेकफील्ड मोबाइल प्रोसेसर में एम्बेडेड मल्टी-डाई इंटरकनेक्ट (ईएमआईबी) और फोवेरोस डाई-स्टैकिंग तकनीक पेश की गई है।

अधिकांश पैकेजिंग तीसरे पक्ष के अनुबंध निर्माताओं द्वारा की जाती है जिन्हें "आउटसोर्स्ड असेंबली और टेस्ट" (ओएसएटी) कंपनियों के रूप में जाना जाता है, और उनकी दुनिया का केंद्र एशिया में है। सबसे बड़े OSAT आपूर्तिकर्ता ताइवान के ASE, Amkor Technology हैं
एएमकेआर
टेम्पे, एरिज़ोना में मुख्यालय, चीन की जियांग्सू चांगजियांग इलेक्ट्रॉनिक्स टेक कंपनी (जेसीईटी) (जिसने कई साल पहले सिंगापुर स्थित स्टैट्स चिपपैक का अधिग्रहण किया था), और ताइवान की सिलिकॉनवेयर प्रिसिजन इंडस्ट्रीज कंपनी लिमिटेड (एसपीआईएल), जिसे एएसई द्वारा अधिग्रहित किया गया था। 2015. कई अन्य छोटे खिलाड़ी हैं, खासकर चीन में, जिन्होंने कुछ साल पहले OSAT को एक रणनीतिक उद्योग के रूप में पहचाना था।

पैकेजिंग ने हाल ही में ध्यान आकर्षित किया है इसका एक प्रमुख कारण यह है कि वियतनाम और मलेशिया में हाल ही में कोविड -19 के प्रकोप ने सेमीकंडक्टर चिप आपूर्ति संकट को बदतर बनाने में महत्वपूर्ण योगदान दिया है, स्थानीय सरकारों द्वारा प्लांट बंद करने या कर्मचारियों की संख्या कम करने के कारण कई हफ्तों तक उत्पादन में कटौती या कमी आई है। एक वक़्त। भले ही अमेरिकी सरकार घरेलू सेमीकंडक्टर विनिर्माण को बढ़ावा देने के लिए सब्सिडी में निवेश करती है, फिर भी उनमें से अधिकांश तैयार चिप्स पैकेजिंग के लिए एशिया की यात्रा करने जा रहे हैं, क्योंकि यही वह जगह है जहां उद्योग और आपूर्तिकर्ता नेटवर्क हैं और जहां कौशल आधार है। इस प्रकार इंटेल हिल्सबोरो, ओरेगॉन या चैंडलर, एरिज़ोना में माइक्रोप्रोसेसर चिप्स का निर्माण करता है, लेकिन यह परीक्षण और पैकेजिंग के लिए तैयार वेफर्स को मलेशिया, वियतनाम या चेंगदू, चीन के कारखानों में भेजता है।

क्या चिप पैकेजिंग अमेरिका में स्थापित की जा सकती है?

अमेरिका में चिप पैकेजिंग लाने में महत्वपूर्ण चुनौतियाँ हैं, क्योंकि अधिकांश उद्योग लगभग आधी सदी पहले अमेरिकी तट छोड़ चुके हैं। वैश्विक पैकेजिंग उत्पादन में उत्तरी अमेरिकी हिस्सेदारी केवल 3% के आसपास है। इसका मतलब है कि विनिर्माण उपकरण, रसायन (जैसे सब्सट्रेट और पैकेज में प्रयुक्त अन्य सामग्री), सीसा फ्रेम, और सबसे महत्वपूर्ण बात यह है कि व्यवसाय के उच्च मात्रा वाले हिस्से के लिए अनुभवी प्रतिभा का कौशल आधार अमेरिका में मौजूद नहीं है। एक लंबे समय। इंटेल ने हाल ही में मलेशिया में एक नई पैकेजिंग और परीक्षण फैक्ट्री में 7 अरब डॉलर के निवेश की घोषणा की है, हालांकि उसने अपनी फोवरोस प्रौद्योगिकी के लिए रियो रैंचो, न्यू मैक्सिको परिचालन में 3.5 अरब डॉलर का निवेश करने की योजना की भी घोषणा की है। एमकोर टेक्नोलॉजी ने हाल ही में हनोई के उत्तर-पूर्व में वियतनाम के बाक निन्ह में क्षमता विस्तार की योजना की भी घोषणा की है।

अमेरिका के लिए इस समस्या का एक बड़ा हिस्सा यह है कि उन्नत चिप पैकेजिंग के लिए बहुत अधिक उत्पादन अनुभव की आवश्यकता होती है। जब आप पहली बार उत्पादन शुरू करते हैं, तो अच्छे तैयार पैकेज्ड चिप्स की पैदावार कम होने की संभावना होगी, और जैसे-जैसे आप अधिक बनाते हैं, आप प्रक्रिया में लगातार सुधार करते हैं और पैदावार बेहतर होती जाती है। बड़े चिप ग्राहक आम तौर पर नए घरेलू आपूर्तिकर्ताओं का उपयोग करने का जोखिम उठाने को तैयार नहीं होंगे, जिन्हें इस उपज वक्र तक आने में लंबा समय लग सकता है। यदि आपके पास कम पैकेजिंग उपज है, तो आप चिप्स को फेंक देंगे जो अन्यथा अच्छे होंगे। मौका क्यों लें? इस प्रकार भले ही हम अमेरिका में अधिक उन्नत चिप्स बनाते हैं, फिर भी वे संभवतः पैकेजिंग के लिए सुदूर पूर्व में जाएंगे।

बोइज़, इडाहो स्थित अमेरिकन सेमीकंडक्टर, इंक. एक अलग दृष्टिकोण अपना रहा है। सीईओ डौग हैकलर "व्यवहार्य विनिर्माण के आधार पर व्यवहार्य पुनर्भरण" के पक्षधर हैं। उन्नत माइक्रोप्रोसेसरों या 5G चिप्स के लिए उपयोग की जाने वाली केवल हाई-एंड चिप पैकेजिंग का पीछा करने के बजाय, उनकी रणनीति नई तकनीक का उपयोग करने और इसे पुराने चिप्स पर लागू करने की है जहां बहुत अधिक मांग है, जो कंपनी को अपनी प्रक्रियाओं का अभ्यास करने की अनुमति देगा और सीखना। लीगेसी चिप्स बहुत सस्ते भी हैं, इसलिए उपज का नुकसान जीवन-मृत्यु का उतना बड़ा मुद्दा नहीं है। हैकलर बताते हैं कि iPhone 85 में 11% चिप्स पुरानी तकनीकों का उपयोग करते हैं, उदाहरण के लिए 40 एनएम या उससे अधिक पुराने सेमीकंडक्टर नोड्स पर निर्मित (जो एक दशक पहले की हॉट तकनीक थी)। दरअसल, चिप की कई कमी वर्तमान में ऑटो उद्योग को परेशान कर रही है और अन्य इन विरासत चिप्स के लिए हैं। साथ ही, कंपनी असेंबली चरणों में नई तकनीक और स्वचालन को लागू करने की कोशिश कर रही है, जिसे पॉलिमर (एसओपी) प्रक्रिया पर सेमीकंडक्टर का उपयोग करके अल्ट्रा-पतली चिप स्केल पैकेजिंग की पेशकश की जाती है जिसमें डाई से भरा एक वेफर एक से जुड़ा होता है बैकसाइड पॉलिमर और फिर थर्मल ट्रांसफर टेप पर रखा गया। सामान्य स्वचालित परीक्षकों के साथ परीक्षण के बाद, चिप्स को टेप वाहक पर काट दिया जाता है, और उच्च गति स्वचालित असेंबली के लिए रीलों या अन्य प्रारूपों में स्थानांतरित कर दिया जाता है। हैकलर का मानना ​​है कि यह पैकेजिंग इंटरनेट-ऑफ-थिंग्स (IoT) उपकरणों और पहनने योग्य वस्तुओं के निर्माताओं के लिए आकर्षक होनी चाहिए, ये दो खंड हैं जो बड़ी मात्रा में चिप्स का उपभोग कर सकते हैं, लेकिन सिलिकॉन निर्माण के मामले में उतनी मांग नहीं है।

हैकलर के दृष्टिकोण में दो बातें आकर्षक हैं। सबसे पहले, उनकी विनिर्माण लाइन के माध्यम से वॉल्यूम खींचने की मांग के महत्व की मान्यता यह सुनिश्चित करेगी कि उन्हें उपज में सुधार पर बहुत अभ्यास मिलेगा। दूसरा, वे एक नई तकनीक का उपयोग कर रहे हैं, और प्रौद्योगिकी परिवर्तन की सवारी अक्सर सत्ताधारियों को पद से हटाने का एक अवसर होता है। नए प्रवेशकों के पास मौजूदा प्रक्रियाओं या सुविधाओं से बंधे रहने का बोझ नहीं है। 

अमेरिकी सेमीकंडक्टर को अभी भी एक लंबा रास्ता तय करना है, लेकिन इस तरह के दृष्टिकोण घरेलू कौशल का निर्माण करेंगे, और अमेरिका में चिप पैकेजिंग लाने के लिए एक व्यावहारिक कदम है। घरेलू क्षमता स्थापित करने की उम्मीद न करें, लेकिन यह एक बुरी जगह नहीं है शुरू करना।