Back-End-Automatisierung und die Zukunft der Halbleiterfertigung

Jüngste Ereignisse wie die Pandemie, die Schifffahrtsprobleme im Suezkanal und die Halbleiter-Verknappung in Branchen wie der Automobilindustrie haben die Aufmerksamkeit der Unternehmen auf die Stärkung der Sicherheit ihrer Lieferketten gelenkt. Darüber hinaus gibt es immer wieder Bedenken hinsichtlich der Umweltauswirkungen des internationalen Seeverkehrs und auch die Vorteile einer lokalen Produktion rücken immer mehr in den Fokus.

FPB-1w NeoForce. Package-Bonder für mehrere Prozesse.

Die Bereitstellung und Unterstützung von Backend-Automatisierungslösungen ist unerlässlich für eine stabile Halbleiter-Lieferkette.

Führende Volkswirtschaften sind auf die Versorgung mit Halbleitern angewiesen, um die Hightech-Innovationen voranzutreiben, von denen sie hoffen, dass sie durch sie weiterhin an der Spitze des Wohlstands bleiben werden. Es überrascht nicht, dass sie eine gesunde einheimische Halbleiterindustrie fördern wollen, um ihre Position zu sichern und die Bedenken hinsichtlich Transport, Lieferkette und Umwelt zu berücksichtigen.

Derzeit hat die Halbleiterindustrie weltweit einen Wert von mehr als 500 Milliarden Dollar. Die Europäische Union hat ihre Absicht bekundet, in fortschrittliche Halbleitertechnologien zu investieren, um den Anteil der in der EU produzierten Halbleiter an der Weltproduktion zu erhöhen, der derzeit bei etwa 10 % liegt. Nachdem sie bereits 145 Milliarden Euro für digitale Projekte zugesagt hat, will sie nun industrielle Allianzen fördern und weitere Mittel bewilligen.

Standortverlagerungen in der Halbleiterfertigung werden typischerweise durch eine Kombination aus Erweiterungen bestehender Anlagen und neuen Installationen realisiert. Derzeit sind die größten Waferhersteller unabhängige Spezialisten mit Sitz im Fernen Osten, die mit Halbleiterunternehmen weltweit zusammenarbeiten. Zu deren Kunden gehören sowohl Fabless-Chip-Design-Häuser als auch Halbleiter-OEMs. Diese OEMs betreiben nicht nur ihre eigenen Fertigungsanlagen für verschiedene Prozesse oder Geometrien, sondern arbeiten auch häufig mit unabhängigen Partnern zusammen, um bestimmte Produktlinien herzustellen oder spezielle Fähigkeiten wie fortgeschrittene Prozessknoten oder Gehäusetechnologien zu nutzen.

Geografische Diversifizierung
Die geografische Diversifizierung der Halbleiterfertigung wird durch die Zusammenarbeit zwischen OEMs, unabhängigen Herstellern und Regierungen erreicht, um langfristige Strategien zu entwickeln, die Lasten der Investitionen zu teilen und die Vorteile zu nutzen, die sich in Form von technologischem Fortschritt, wirtschaftlicher Weiterentwicklung und Entlastung der Umwelt durch geringere Transportaufwendungen ergeben werden. Ein Beispiel ist die Ankündigung von TSMC aus dem Jahr 2020, in Zusammenarbeit mit der US-Regierung eine 5 nm-Waferfabrik in den USA zu bauen. Die Fabrik wird eine Kapazität von 20.000 Wafern pro Monat haben und bis zur Anlaufphase mehr als 5 Milliarden Dollar kosten, wobei die Gesamtinvestitionen in den kommenden zehn Jahren 12 Milliarden Dollar erreichen sollen.

In der Halbleiterfertigung kommen verschiedene Kompetenzbereiche zusammen, die vom Bauteildesign zu Beginn des Lebenszyklus eines IC-Produkts über die Waferherstellung bis hin zur anschließenden Verarbeitung einschließlich Wafertest und Back-End-Packaging reichen. Diese können alle in derselben Fabrik zusammengefasst sein. Alternativ können Wafer oder nackte Chips auch an andere Standorte geliefert werden, die auf das Packaging einzelner Halbleiter oder den Zusammenbau von Modulen wie Leistungs- oder Speichermodulen spezialisiert sind.

Wenn die Produktion weltweit gleichmäßiger verteilt werden soll, um die Kunden besser bedienen zu können und die Umweltbelastung zu verringern, werden Ausrüstungslieferanten benötigt, die die von den Herstellern benötigten Fähigkeiten bereitstellen und die Anlagen und Prozesse an verschiedenen Standorten unterstützen können.

Anforderungen an das Halbleiter-Packaging
Was das Packaging betrifft, so benötigen Unternehmen wie Halbleiter-OEMs, unabhängige Fabs, Packaging- und Modulspezialisten sowie SMT-Bestücker Zugang zu fortschrittlichen Back-End-Fähigkeiten wie Präzisions-Drahtbonden, Wafer- und Die-Bonden, Vereinzelung und Trimmen von Chips sowie Molding.

Yamaha Motor Robotics hat seine Fähigkeiten im Wafer- und Die-Handling für Back-End-Prozesse bereits unter Beweis gestellt. Mit einer Auswahl an hochpräzisen Flip-Chip-Bondern und Hybrid-Bestückern wird durch die Kombination von Multi-Die-Handling und High-Speed-SMT-Bestückung die Produktivität erhöht und die Packagingkosten werden gesenkt.

In den letzten zwei Jahren hat das Unternehmen seine Investitionen in Back-End-Fähigkeiten ausgeweitet, indem es seine eigenen Technologien für die Oberflächenmontage und die Robotik mit dem Fachwissen von Shinkawa im Bondingbereich und dem Know-how von Apic Yamada im Bereich Gehäuseformung und Verkapselung kombiniert hat. Für die Integration wurde die Yamaha Robotics Holding Co. (YRH) gegründet, ein neues Unternehmen, das über Kompetenzen im gesamten Spektrum der Halbleiter-Packaging-Prozesse verfügt, um Yamahas One-Stop-Shop-Philosophie auf dem Back-End-Markt anbieten zu können. Das neue Unternehmen wird das europäische Netzwerk von Yamaha nutzen, um hochmoderne Automatisierungstechnik vor Ort zu vertreiben und zu unterstützen, denn es wird erwartet, dass die Nachfrage nach lokalen Packaging-Lösungen in Europa steigen wird.



Hochleistungs-Formsystem.

Back-End-Prozesse und Lösungen
Das Portfolio deckt das Die- und Flip-Chip-Bonden ab. Die Geräte bieten eine Genauigkeit von bis zu ± 5 µm in X-Y und ± 0,5° in θ (3-Sigma) und verfügen über fortschrittliche Funktionen wie ein Doppelkopf-Design mit einzigartiger Servoantriebstechnologie, die Platz spart und die Produktivität steigert.

Die-Bonder bieten hohe Flexibilität mit Unterstützung für Face-Down- und Face-Up-Bonden, Thin-Wafer-Handling und Unterstützung für 2,5D- und 3D-Stapel. Zu den unterstützten Prozessen gehören das Thermokompressionsbonden mit nichtleitender Paste (TCB-NCP), nichtleitender Folie (TCB-NCF), Thermokompressions-Kapillar-Underfill (TC-CUF) sowie Standard- und Fan-out-Wafer-Level-Packaging (FO-WLP). Der Shinkawa FPB-1w NeoForce Package Bonder (Bild 1) verarbeitet NCP/NCF/TC-CUF, C2 und C4, sowie FO-WLP, mit automatischen Produktartwechseln.

Es gibt auch Drahtbonder, die eine Positionsgenauigkeit von bis zu 2 µm und eine hohe Geschwindigkeit von bis zu 45 ms/2 mm bieten, sowie hochpräzises Bump-Bonding mit Technologien, die eine stabile Qualität und Handhabung für verschiedene Standard-Wafergrößen gewährleisten. Der UTC5000NeoCu-Drahtbonder kann Drähte mit einem Durchmesser von 18 – 70 µm verarbeiten und bietet dem Anwender Komfort durch Funktionen wie die Inertgassteuerung durch Rezeptauswahl und Vorlagen, die die Optimierung der Schleifen-Bildung (Looping) vereinfachen.

Darüber hinaus umfasst das Portfolio modulare Molding-Systeme ( Bild 2) für Verfahren wie Formpressen, Transfer-Molding, Spritzgießen und Verkapselung für IC- und Bauteilpackaging sowie für Module wie Kfz-Steuergeräte. Außerdem gibt es eine Präzisions-Technologie für Stanzwerkzeuge für Finepitch-Leadframes in hohen Stückzahlen. Die gleichen Fachkompetenzen ermöglichen es dem Unternehmen auch, Beschneide- und Formwerkzeuge für das Schneiden und Biegen von Bauteilanschlüssen anzubieten.

Durch die Entwicklung von Verfahren wie dem Ultraschallbonden bei niedrigen Temperaturen, das sowohl schnell ist als auch die thermische Belastung von Bauteilen und Materialien eliminiert, umfasst das Portfolio auch Anlagen für das Packaging spezifischer Produkttypen wie z. B. temperaturkompensierte Quarzoszillatoren (TCXOs) und Oberflächenwellenfilter (SAW) sowie LEDs und CMOS-ICs.

Die Präzisionsdosiergeräte des Portfolios können verschiedene Prozesse abdecken, darunter das Dosieren von LED-Leuchtstoffen, Underfill-Materialien und Klebstoffen für die Montage von Quarzbauteilen für Frequenzregelungsanwendungen. Lösungen für die hochpräzise und schnelle Montage von Quarzblanks, die Aushärtung von Klebstoffen mit geringem Partikelanteil, die Inspektion und Prüfung von Gehäusen, die gleichzeitige Frequenzabstimmung mehrerer Quarze und die TCXO-Temperaturprüfung bieten ein komplettes Paket an Möglichkeiten für das Packaging und die Prüfung von Quarzbauteilen.



Einführung des hybriden Flip-Chip-Bonders und SMT-Bestückers YRH10 im Jahr 2021.

Multi-Die-Bauteile und -Module
Yamaha hat bereits eine Reihe von Flip-Chip-Bestückern im Angebot, darunter den Flip-Chip-Bonder YSB55w, der eine Genauigkeit von ± 5 μm aufweist und Funktionen wie gleichzeitige Aufnahme und Transfer von acht Chips bietet, die eine Bestückungsgeschwindigkeit von 13.000 UPH ermöglichen.

Im Juli 2021 stellte Yamaha ein umfangreiches Update seiner Hybridbaureihe vor, das Multi-Chip-Backend-Die-Bonding und SMT-Bauteilmontage kombiniert. Die neue Maschine, YRH10 ( Bild 3), steigert die Produktionskapazität im Vergleich zur Vorgängergeneration um 50 % und erhöht die Bestückungsgenauigkeit dank neuer Funktionen wie einem Mehrfach-Düsenkopf, beschleunigten Waferwechseln und verbesserter thermischer Kompensation auf ± 15 μm.

In Kombination mit dem Drahtbonder UTC5000NeoCu aus dem Shinkawa-Portfolio hat der YRH10 einen vollständigen Montageprozess für die MEMS-Mikrofonproduktion demonstriert. Der Prozess umfasst die Platzierung und das Bonden von MEMS-Chips und ASICs auf dem Substrat, die Verbindung der beiden Chips durch Drahtbonden und das Aufkleben der Metalldeckel des Gehäuses.

Der YRH10 wurde außerdem für die Oberflächenmontage von Leistungsmodulen mit Yamahas modularem Einstiegsklasse-Hochgeschwindigkeits-Bestückungsautomaten YSM10 kombiniert. Die beiden Maschinen übernehmen die Platzierung von IGBT-Dies auf einem direkt gebondeten Kupfersubstrat (DBC), die Montage des Substrats auf der thermischen Basisplatte des Moduls, die Platzierung von Lotformteilen für die Montage von Die und Substrat sowie die Platzierung der zugehörigen Sensoren und Treiber.

Fazit
Die Erhöhung des Anteils der in Europa hergestellten Halbleiter kann wirtschaftliche, logistische und ökologische Vorteile mit sich bringen, indem die Lieferketten verkürzt und der Zugang zu hochmodernen ICs stärker lokalisiert wird. Auf Regierungsebene wurden entsprechende Maßnahmen angekündigt, um die Beteiligung von Industriepartnern zu fördern. Neben Investitionen in Design- und Fertigungseinrichtungen werden auch Kapazitäten für das Packaging von Chips und Modulen benötigt. Yamahas Investitionen in Technologien für die Backend-Automatisierung, die zur Gründung von Yamaha Robotic Holdings führten, machen fortschrittliche Lösungen für die europäischen Hersteller verfügbar.

www.fa.yamaha-motor-im.de

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