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La Automatización del Back-End y el Futuro de la Fabricación de Semiconductores

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Acontecimientos recientes como la pandemia, los problemas de transporte en el Canal de Suez y la escasez de chips experimentada en sectores como el de la automoción han centrado la atención de las empresas en el fortalecimiento de la seguridad de las cadenas de suministro. Además, existe una preocupación constante por los efectos medioambientales del transporte marítimo internacional y los beneficios de la fabricación local.

Las principales economías dependen del suministro de semiconductores para alimentar la innovación de alta tecnología que esperan seguir manteniendo en la vanguardia de la prosperidad. No es de extrañar que quieran fomentar una industria autóctona de semiconductores saludable para asegurar su posición y hacer frente a las preocupaciones sobre el transporte, la cadena de suministro y el medio ambiente.

Actualmente, la industria de los semiconductores tiene un valor de más de 500.000 millones de dólares en todo el mundo. La UE ha señalado su intención de invertir en tecnologías avanzadas de semiconductores para aumentar la proporción de semiconductores del mundo que se produce en la UE, que actualmente es de un 10%. Tras haber prometido ya 145.000 millones de euros para proyectos digitales, pretende fomentar las alianzas industriales y aprobar más financiación.

Cualquier cambio en la ubicación de la fabricación de semiconductores se producirá probablemente a través de una combinación de expansión en las instalaciones existentes, así como de nuevas instalaciones. Actualmente, las mayores empresas de fabricación de obleas son especialistas independientes situados en el lejano oriente que trabajan con empresas de semiconductores de todo el mundo. Entre sus clientes se encuentran empresas de diseño de chips sin fábrica y fabricantes de equipos originales de semiconductores. Además de contar con sus propias instalaciones de fabricación para gestionar diversos procesos o geometrías, estos OEM suelen trabajar con socios independientes para fabricar líneas de productos específicas o aprovechar capacidades especiales como nodos de proceso avanzados o tecnologías de encapsulado.

Diversificación Geográfica
La diversificación geográfica de la fabricación de semiconductores se producirá mediante la cooperación entre los OEM, los fabricantes independientes y los gobiernos, para crear estrategias a largo plazo, compartir las cargas de la inversión y los beneficios que se obtendrán en forma de avances tecnológicos, desarrollo económico y cuidado del medio ambiente gracias a la reducción del transporte. Un ejemplo es el anuncio de TSMC de construir en 2020 una planta de fabricación de obleas de 5nm en EE.UU. con la colaboración del gobierno estadounidense. Se espera que la planta produzca 20.000 obleas al mes y que su puesta en marcha cueste más de 5.000 millones de dólares, con una inversión total que alcanzará los 12.000 millones en la próxima década.

Por supuesto, la fabricación de semiconductores reúne diversas competencias, que abarcan desde el diseño de los dispositivos al principio del ciclo de vida del producto del CI, hasta la fabricación de las obleas, y el posterior procesamiento, incluyendo las pruebas de las obleas y el embalaje posterior. Todo esto puede ocurrir en la misma fábrica. Por otra parte, las obleas o las matrices desnudas pueden enviarse a otros lugares especializados en el embalaje de dispositivos individuales o en el montaje de módulos, como los de potencia o los de memoria.

Para que la producción se distribuya de forma más equitativa, a nivel mundial, con el fin de servir mejor a los clientes y reducir el impacto medioambiental, es necesario que los proveedores de equipos puedan proporcionar las capacidades que los fabricantes necesitan y dar soporte a los equipos y procesos en varios lugares.


Demandas de embalaje de semiconductores
En lo que respecta al embalaje, las empresas, incluidos los OEM de semiconductores, las fábricas independientes, los especialistas en embalaje y módulos, y también los ensambladores de montaje en superficie, necesitan acceder a capacidades avanzadas de back-end, como la unión de cables de precisión, la unión de obleas y troqueles, la singularización y el recorte de troqueles, y el moldeo.

Yamaha Motor Robotics ya ha establecido sus capacidades en la manipulación de obleas y troqueles para los procesos de back-end, con una selección de fijadoras de flip-chip de alta precisión y montadoras híbridas que aumentan la productividad y reducen los costes de embalaje combinando la manipulación de múltiples troqueles con la colocación de montaje superficial de alta velocidad.

En los últimos dos años, la empresa ha ampliado su inversión en capacidades de back-end combinando sus propias tecnologías de montaje superficial y robótica con la experiencia en fijación de Shinkawa y el know-how de moldeo y encapsulado de paquetes de Apic Yamada. La integración ha creado Yamaha Robotics Holding Co. Ltd. (YRH), una nueva entidad que cuenta con competencias en todo el espectro de procesos de embalaje de semiconductores para ofrecer la filosofía de ventanilla única de Yamaha al mercado del back-end. La nueva empresa podría aprovechar la red europea de Yamaha para proporcionar ventas locales y soporte a la automatización de vanguardia, ya que se espera que crezca la demanda de capacidades locales de embalaje en Europa.

Procesos y Soluciones de Back-End
La cartera de productos abarca la fijación de pastillas y flip chis, con equipos que ofrecen una precisión de hasta ±5µm en X-Y y ±0,5° en θ (3-sigma) e incorporan características avanzadas, como un diseño de doble cabezal con una exclusiva tecnología de servoaccionamiento que ahorra espacio y aumenta la productividad.
Las fijadoras de pastillas ofrecen flexibilidad con soporte para fijación cara abajo y cara arriba, gestión de obleas delgadas y soporte para apilado en 2,5D y 3D. Entre los procesos admitidos se encuentran la unión por termocompresión con pasta no conductora (TCB-NCP), la película no conductora (TCB-NCF), el relleno por termocompresión y capilaridad (TC-CUF), y el empaquetado estándar y en abanico de obleas (FO-WLP). La FPB-1w NeoForce Package Bonder de Shinkawa (figura 1) procesa NCP/NCF/TC-CUF, C2 y C4, y FO-WLP, con intercambio automático de tipo de producto.

También hay máquinas de fijación de hilos conductores que ofrecen una precisión de posición de 2µm y una alta velocidad de hasta 45ms/2mm, y una fijación "bump" de alta precisión con tecnologías que garantizan una calidad y un control estable para varios tamaños de oblea estándar. La fijadora de hilos conductores UTC5000NeoCu puede manejar hilos conductores de 18-70µm de diámetro y ofrece la comodidad del usuario a través de características tales como el control de gas inerte por la selección del formulario y las plantillas que simplifican la optimización del proceso.

Figura 1. FPB-1w NeoForce. Sellador de encapsulados para múltiples procesos

Además, la gama incluye sistemas de moldeo modulares (figura 2) para procesos como el moldeo por compresión, el moldeo por transferencia, el moldeo por inyección y la encapsulación para el embalaje de circuitos integrados y componentes, así como para módulos como las ECU de automoción. También hay tecnología de estampación de herramientas de precisión para marcos de guías de gran número y paso fino. Estas mismas competencias permiten a la empresa ofrecer pastillas de corte y conformación para cortar y doblar guías.


Figura 2. Sistema de moldeo de alto rendimiento

 

Mediante el desarrollo de procesos como la unión por ultrasonidos a baja temperatura, que es rápida y elimina el estrés térmico en los componentes y materiales, la cartera también incluye equipos para el encapsulado de tipos de productos específicos, por ejemplo, los componentes de cristal como los osciladores de temperatura controlada (TCXO) y los filtros de ondas acústicas superficiales (SAW), así como los LED y los circuitos integrados CMOS.

Los equipos de dispensación de precisión de la gama pueden gestionar varios procesos, incluyendo la dispensación de materiales fluorescentes LED, materiales de relleno y adhesivos para el montaje de dispositivos de cristal para aplicaciones de control de frecuencia. Las soluciones para el montaje de cristales en bruto de alta precisión y velocidad, el curado de adhesivos con pocas partículas, la inspección y comprobación de encapsulados, el ajuste simultáneo de frecuencias de varios cristales y la prueba de temperatura TCXO proporcionan un conjunto completo de capacidades para el encapsulado y la comprobación de dispositivos de cristal.


Dispositivos y módulos multipastilla
Yamaha ya ha lanzado una gama de montadoras de flip-chips, incluida la fijadora de flip-chips YSB55w, que tiene una precisión de ±5μm y capacidades que incluyen la recogida simultánea de 8 chips y la transferencia simultánea que permiten una velocidad de colocación de 13.000 UPH.

En julio de 2021, Yamaha introdujo una importante actualización de su gama híbrida que combina la fijación de chips back-end y el montaje de componentes en superficie. La nueva máquina, YRH10 (figura 3), eleva la capacidad de producción en un 50% respecto a la generación anterior y aumenta la precisión de colocación a ±15μm, gracias a nuevas características que incluyen un cabezal de boquillas múltiples, intercambios acelerados de obleas y una compensación térmica mejorada.


Figura 3. La fijadora híbrida de flip-chips y montadora de superficie YRH10 lanzada en 2021.


Cuando se combina con la fijadora de hilo conductor UTC5000NeoCu de la gama de Shinkawa, la YRH10 ha demostrado un proceso de montaje completo para la producción de micrófonos MEMS. El proceso comprende la colocación y la fijación del chip MEMS y el ASIC al sustrato, la interconexión de los dos chips mediante la fijación de hilo conductor y la adhesión de la tapa metálica del encapsulado.


La YRH10 también se ha combinado con la máquina de colocación modular de alta velocidad YSM10 de Yamaha para el montaje de módulos de potencia. Las dos máquinas se encargan de colocar las pastillas de los IGBT en el sustrato de cobre de unión directa (DBC), de montar el sustrato en la placa base térmica del módulo, de colocar las preformas de soldadura para la fijación de la pastilla y el sustrato, y de colocar los sensores y controladores asociados.

Conclusión
Aumentar la cuota de fabricación de semiconductores que se realiza en Europa puede suponer beneficios económicos, logísticos y medioambientales, al acortar las cadenas de suministro y localizar el acceso a los circuitos integrados de última generación. Se han anunciado movimientos a nivel gubernamental, buscando la participación de socios industriales. Además de la inversión en instalaciones de diseño y fabricación, también se necesitan capacidades de embalaje de chips y módulos. La inversión de Yamaha en tecnologías para la automatización del back-end, creando Yamaha Robotic Holdings, pone a disposición de los fabricantes europeos soluciones avanzadas.

Artículo cedido por Yamaha Robotics SMT Section

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