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Una oleada en la demanda para los microprocesadores está afectando la cadena de suministro de empaquetado de IC, causando escaseces de capacidad de fabricación selecta, diversos tipos del paquete, los componentes claves, y el equipo.

Las escaseces del punto en el empaquetado emergieron a finales de 2020 y se han separado desde entonces a otros sectores. Ahora hay una variedad de puntos de obstrucción en la cadena de suministro. Wirebond y la capacidad del tirón-microprocesador permanecerán firmemente en 2021, junto con varios diversos tipos del paquete. Además, los componentes críticos usados en los paquetes de IC, es decir leadframes y substratos, están en la escasez. Los fuegos recientes en una fábrica de empaquetado del substrato en Taiwán han hecho los problemas peores. Encima de eso, los wirebonders y el otro equipo están viendo plazos de ejecución extendidos de la entrega.

Generalmente, la dinámica en el empaquetado para reflejar la imagen total de la demanda en el negocio del semiconductor. Comenzando a mediados de 2020, el servidor y los mercados del cuaderno ganaron el vapor, creando la demanda enorme para diversos microprocesadores y los paquetes para esos mercados. Además, un rebote súbito en el sector automotriz ha dado vuelta al mercado al revés, causando las escaseces extensas para los microprocesadores y la capacidad de la fundición.

Las escaseces en el semiconductor y los mercados de empaquetado no son nuevos y no ocurren durante ciclos basados en la necesidad en la industria de IC. Cuál es diferente es la industria finalmente está comenzando a reconocer la importancia del empaquetado. Pero la fragilidad en algunas partes de la cadena de suministro de empaquetado, particularmente substratos, ha cogido mucho desprevenido.

Los apremios de la cadena de suministro están causando ya algunos retrasos del envío, pero es confuso si persisten los problemas. Innecesario decir, hay una necesidad acuciante de sostener la cadena de suministro de empaquetado. Para una cosa, el empaquetado está desempeñando un papel más grande a través de la industria entera. Los OEM quieren microprocesadores más pequeños y más rápidos, que requieren los nuevos y mejores paquetes de IC con buen funcionamiento eléctrico.

Al mismo tiempo, el empaquetado avanzado se está convirtiendo en una opción más viable para desarrollar nuevos diseños de chips a nivel sistema. Las ventajas del poder y del funcionamiento del escalamiento del microprocesador están disminuyendo en cada nuevo nodo, y el coste por el transistor ha estado en la subida desde la introducción de finFETs. Tan mientras que el escalamiento sigue siendo una opción para los nuevos diseños, la industria está buscando para las alternativas, y poner microprocesadores heterogéneos múltiples en un paquete avanzado es una solución.

La “gente ha realizado la importancia del empaquetado,” dijo a Jan Vardaman, presidente de TechSearch internacional. “Ha elevado a las discusiones en los niveles corporativos en las compañías y las compañías del semiconductor. Pero somos en una juntura en nuestra industria donde no podemos cubrir simplemente la demanda sin nuestra cadena de suministro que está en una buena posición.”

Para ayudar a la industria para ganar algunas penetraciones en el mercado, la ingeniería del semiconductor ha hechado una ojeada la dinámica actual en el empaquetado así como la cadena de suministro, incluyendo capacidad, paquetes, y componentes.

Microprocesador/auge de empaquetado
Ha sido un paseo de la montaña rusa en la industria del semiconductor. A principios de 2020, el negocio miraba brillante, pero el mercado de IC caído en medio del brote pandémico Covid-19.

En 2020 países diferentes ejecutó varias medidas para atenuar el brote, tal como órdenes hogareñas y cierres del negocio. Las pérdidas económicas de la agitación y de trabajo pronto siguieron.

Pero a mediados de 2020, el mercado de IC despidió detrás, pues la economía hogareña condujo la demanda para los ordenadores, las tabletas, y las TV. En 2020, la industria de IC terminó en una alta nota, mientras que las ventas del microprocesador crecieron el 8% más de 2019, según la investigación del VLSI.

Ese ímpetu ha transportado en la primera parte de 2021. En total, el mercado del semiconductor es proyectado para crecer por el 11% en 2021, según la investigación del VLSI.

“Estamos viendo la demanda enorme, debido a IoT, dispositivos del borde, y los dispositivos elegantes permitidos por 5G,” dijo a Tien Wu, Director de Operaciones en ASE, en una audioconferencia reciente. “Con ordenador de alto rendimiento, la nube, el comercio electrónico, así como el estado latente bajo 5G y las altas tarifas de datos, estamos viendo más usos para los dispositivos elegantes, los vehículos eléctricos, y todos los usos de IoT.”

El año pasado, el mercado automotriz estaba inactivo. Recientemente, las compañías automotrices han considerado demanda renovada, pero ahora hacen frente a una ola de escaseces del microprocesador. En algunos casos, los fabricantes de automóviles se han forzado temporalmente a las plantas selectas del obturador.

Los vendedores de IC con los fabs, así como las fundiciones, no pueden cubrir demanda en los mercados automotrices y otros. “Para la mayor parte del calendario 2020, fabs corrían a las tarifas muy altas de utilización — fabs de 200m m y de 300m m — a través apenas de alrededor de todas las tecnologías,” dijo a Walter Ng, vicepresidente del desarrollo de negocios en UMC. “El segmento automotriz se está destacando de ninguna manera de cualquier manera, como todos los segmentos y los usos parecen correr con la fuente apretada. Muchas fábricas automotrices tenían cierres de planta durante la segunda mitad del año pasado debido a COVID. Observamos que muchos proveedores automotrices del semiconductor redujo o que paró el pedir durante estos períodos. Si usted considera esto, juntado con las prácticas magras del inventario de la industria automotriz, éstas pueden contribuir factores a las escaseces específicas autos que estamos viendo hoy.”

Había algunas señales de peligro. “Vimos que las demandas de los proveedores automotrices del semiconductor comienzan a fluctuar alrededor de Q2 temprano ‘20. No estaba hasta Q4 alrededor temprano’ 20 que vimos que la demanda auto del proveedor del semiconductor comienza a volver a niveles más típicos de la demanda,” Ng dijo. “Como tendencia general, vemos una buena cantidad de crecimiento en electrónica de automóvil, que cubre la gama de tecnologías de proceso a partir de los dispositivos discretos del MOSFET de 0,35 micrones a los productos y todo de 28nm/22nm ADAS mientras tanto, por ejemplo control del cuerpo y del chasis, el infotainment y WiFi. Esperamos que el contenido del semiconductor para que automotriz continúe creciendo para el futuro próximo.”

Todos estos mercados han aprovisionado de combustible la demanda para los tipos de empaquetado de la capacidad y de empaquetado. Una manera de cuantificar capacidad está mirando tarifas de utilización de la fábrica.

ASE, el OSAT más grande del mundo, vio sus tarifas de utilización totales de la fábrica aumentar de 75% a 80% del primer trimestre de 2020, al cerca de 85% en el segundo trimestre del año pasado. Por los terceros y cuartos trimestres, las tarifas de la utilización de empaquetado de ASE estaban bastante por encima del 80%.

En la primera parte de 2021, la demanda total para la capacidad de empaquetado sigue siendo fuerte con la fuente apretada considerada en algunos segmentos. “Estamos viendo capacidad firmemente más o menos en todos los ámbitos,” dijo a Prasad Dhond, vicepresidente de los productos del wirebond BGA en Amkor. “La mayoría de los fin-mercados, excepto automotriz, seguían siendo fuertes en 2020. En 2021, estamos continuando viendo fuerza en esos mercados, y automotriz se ha recuperado, también. El rebote auto está añadiendo tan ciertamente a los apremios de capacidad.”

Otros, incluyendo vendedores de empaquetado terrestres, también están viendo demanda creciente. De “capacidad empaquetado Stateside parece sostenerse constantemente,” dijo a Rosie Medina, vicepresidente de ventas y del márketing en Quik-Pak. “Todo el mundo está haciendo lo que él puede manejar la demanda creciente.”

Wirebond, escaseces del leadframe
Una multitud de diversos tipos del paquete de IC existe en el mercado, cada uno apuntado para un diverso uso.

Una manera de dividir el mercado en segmentos de empaquetado está por el tipo de la interconexión, que incluye el wirebond, tirón-microprocesador, oblea-nivel que empaqueta (WLP), y los vias del por-silicio (TSVs). Interconnects se utiliza para conectar un dado con otro en paquetes. TSVs tiene las cuentas más altas de la entrada-salida, seguidas por WLP, el tirón-microprocesador, y el wirebond.

Algunos 75% a los 80% de paquetes de hoy se basan en la vinculación del alambre, según TechSearch. Convertido detrás en los años 50, un bonder del alambre cose un microprocesador a otro microprocesador o el substrato usando los alambres minúsculos. La vinculación del alambre se ha utilizado principalmente para los paquetes baratos de la herencia, paquetes del alcance medio, y la memoria muere el apilar.

La demanda para la capacidad del wirebond estaba inactiva en la primera mitad de 2020, pero clavó en el tercer cuarto de 2020, causando capacidad del wirebond de apretar. Cuando, ASE dijo que seguiría habiendo la capacidad del wirebond firmemente por lo menos hasta la segunda mitad de 2021.

Otras tendencias también emergieron en el mercado del wirebond. “El número de dados apilados que estamos haciendo somos más que antes,” ASE con usted dijeron en una audioconferencia en el tercer cuarto de 2020. “Tan en este ciclo particular, no es apenas el volumen. Es también el número de dados, el número de alambres, así como la complejidad.”

Hasta ahora en 2021, la capacidad del wirebond es obligado debido a un auge en mercados automotrices y otros. También está llegando a ser más difícil procurar bastantes wirebonders para cubrir demanda.

La “capacidad sigue siendo apretada,” ASE con usted dijeron en una audioconferencia reciente. “Última vez, hice un comentario que la escasez del wirebond estará por lo menos a Q2 de este año. Ahora, estamos ajustando levemente nuestra opinión. Creemos que la escasez del wirebond será en el año entero de 2021.”

A principios de 2020, era relativamente fácil procurar wirebonders. Mientras que la demanda cogió a finales de 2020, los plazos de ejecución de la herramienta del wirebonder extendieron a seis a ocho meses. “Ahora, los plazos de ejecución de la entrega de la máquina son más bién seis a nueve meses,” con usted dijo.

Wirebonders se utiliza para hacer varios tipos del paquete, tales como ninguno-ventajas patio-planas (QFN), plano-paquete del patio (QFP), y muchos otros.

QFN y QFP pertenecen en el grupo del leadframe de tipos del paquete. Un leadframe, un componente crítico para estos paquetes, es básicamente un marco metálico. En el proceso de producción, un dado se ata al marco. Las ventajas están conectadas con el dado usando los alambres finos.

Fig. 1: Paquete de QFN.

Fig. 2: Vista lateral de QFN.

“Típicamente, QFNs es Medina, aunque usted pueda también diseñarlos para el microprocesador de tirón,” de Quik-Pak wirebonded dijo. “Mientras que el microprocesador de tirón QFNs puede venir en tamaños/huellas más pequeños que QFNs wirebonded, son un poco más costosos construir porque el dado necesita ser topado. Muchos clientes elegirán QFNs para su tamaño pequeño y su rentabilidad. Los formatos overmolded tradicionales de QFN son una opción económica para muchos usos. Los tamaños de encargo se pueden también considerar económicos cuando un tamaño estándar de JEDEC no es aplicable, por ejemplo nuestros paquetes plásticos Abierto-moldeados (OmPPs). Éstos vienen en una variedad de formatos de JEDEC y de configuraciones de encargo.”

Los paquetes de Leadframe se utilizan para los microprocesadores en análogo, el RF, y otros mercados. “Vemos fuerte-que-nunca la demanda para los paquetes de QFN,” Medina dijo. “Se utilizan en muchos mercados del extremo, tales como médico, comercial, y la milipulgada/aero-. Los PDA, los wearables, y los tableros con muchos componentes son usos primeros.”

Durante los ciclos del auge, aunque, el desafío es obtener una fuente adecuada de leadframes de proveedores de tercera persona. El negocio del leadframe es un segmento con pequeño margen que ha experimentado una ola de consolidación. Algunos proveedores han salido el negocio.

Hoy, la demanda es robusta para los paquetes de QFN, que crea la necesidad de más leadframes. Mientras que algunas casas de empaquetado pueden asegurar bastantes leadframes, otras ven un déficit.

La “fuente de Leadframe es apretada,” Dhond de Amkor dijo. La “capacidad del proveedor no puede continuar con demanda. Los aumentos de precios del metal precioso también están afectando precios del leadframe.”

Empaquetado avanzado, aflicciones del substrato
La demanda es también robusta para muchos tipos avanzados del paquete, especialmente el arsenal de la rejilla de la bola del tirón-microprocesador (BGA) y los paquetes de la microprocesador-escala del tirón-microprocesador (CSPs). Los volúmenes también están aumentando para 2.5D/3D, la fan-hacia fuera, y el sistema-en-paquete (sorbo).

el Tirón-microprocesador es un proceso usado para desarrollar BGAs y otros paquetes. En el proceso del tirón-microprocesador, los topetones o los pilares de cobre se forman encima de un microprocesador. Se mueve de un tirón el dispositivo y montado en un separado muera o suba. Los topetones aterrizan en los cojines de cobre, formando conexiones eléctricas.

Fig. 3: Lado-vista un montaje del tirón-microprocesador

Conducido por automotriz, computación, cuadernos, y otros productos, se espera que el mercado de empaquetado del tirón-microprocesador BGA crezca a partir de $10 mil millones en 2020 a $12 mil millones en 2025, según Yole Développement.

La “capacidad total para los productos del tirón-microprocesador continuará corriendo en la alta utilización en 2021, con los plazos de ejecución del equipo eliminando a mayor que 2X qué experimentamos típicamente,” dijo a Roger St. Amand, vicepresidente en Amkor. “Basado en pronósticos disponibles, contamos con esta tendencia de continuar hasta el 2021, y en 2022, conducido por más de mucha demanda en las comunicaciones, la computación, y los segmentos de mercado automotrices. En general, estamos viendo esta tendencia a través de todas las tecnologías del paquete del tirón-microprocesador.”

Mientras tanto, la fan-hacia fuera y fan-en los paquetes se basa en una tecnología llamada WLP. En un ejemplo de la fan-hacia fuera, una memoria muere se apila en un microprocesador de lógica en un paquete. Fan-en, a veces llamado CSPs, se utilizan para la gestión ICs del poder y los microprocesadores del RF. En total, el mercado de WLP se proyecta para crecer a partir de $3,3 mil millones en 2019 a $5,5 mil millones en 2025, según Yole.

Los paquetes 2.5D/3D se utilizan en servidores de gama alta y otros productos. En 2.5D, los dados se apilan o se colocan de lado a lado encima de una interposición, que incorpora TSVs.

Mientras tanto, un sorbo es un paquete de encargo, que consiste en un subsistema electrónico funcional. “Estamos viendo una amplia variedad de nuevos proyectos del sorbo que cubre óptico, audio, y photonics del silicio, así como muchos dispositivos del borde del smartphone,” ASE con usted dijeron.

Muchos de estos tipos avanzados del paquete utilizan un substrato laminado, que están en la escasez. Otros paquetes no requieren un substrato. Esto depende del uso.

Un substrato sirve como la base en un paquete, y conecta el microprocesador con el tablero en un sistema. Un substrato consiste en capas múltiples, que incorpora rastros y vias del metal. Estas capas de encaminamiento proporcionan las conexiones eléctricas del microprocesador al tablero.

Los substratos laminados son productos de doble cara o de múltiples capas. Algunos paquetes tienen dos capas de doble cara, mientras que los productos más complejos tienen 18 a 20 capas. Los substratos laminados se basan en diversos sistemas materiales, tales como materiales y BT-resina de la acumulación de Ajinomoto (ABF).

Generalmente, en la cadena de suministro, las casas de empaquetado compran substratos de diversos proveedores de tercera persona, tales como Ibiden, Kinsus, Shinko, Unimicron, y otros.

Los problemas comenzaron a emerger el año pasado cuando la demanda se aflojó para los substratos laminados, causando la fuente apretada para estos productos. Los problemas se extendieron tarde el año pasado, cuando un fuego explotó en una fábrica poseída por Unimicron de Taiwán. Unimicron transfirió la producción a otras instalaciones, pero algunos clientes no podían todavía obtener bastantes substratos para cubrir demanda.

Otro fuego explotó en la misma planta de Unimicron en las últimas semanas, cuando los trabajadores limpiaban la fábrica. Cuando, aunque, la planta no estaba en la producción.

La demanda en curso, juntada con los diversos ganchos en la cadena de suministro, está haciendo la situación del substrato mucho peor en 2021. En algunos casos, los precios para los substratos están aumentando con plazos de ejecución extendidos.

“Similar a lo que estamos experimentando para el equipo, estamos viendo considerables aumentos en plazos de ejecución del substrato del tirón-microprocesador,” el St. Amand de Amkor dijo. “En algunos casos, los plazos de ejecución del substrato están aumentando a mayor que 4X qué se ve típicamente en la industria. Esta tendencia está siendo conducida principalmente por el más de mucha demanda continuo para el cuerpo grande y la cuenta de la alto-capa singulated los substratos de ABF para el sector computacional. Además, estamos viendo una recuperación fuerte de la industria del automóvil, que está compitiendo en algunos casos directamente con la demanda ya mencionada para substratos computacionales más de gama alta. También estamos viendo la demanda creciente para los substratos tira-basados de PPG usados para los productos del pequeño-cuerpo en las comunicaciones, el consumidor, y los segmentos automotrices.”

Mientras tanto, la industria está trabajando en soluciones para solucionar el problema, pero estos acercamientos pueden faltar. “Discutiría que el modelo comercial para los substratos del paquete de IC esté básicamente quebrado,” a Vardaman de TechSearch dije. “Necesitamos tener cierta clase de nuevo acercamiento a estas relaciones de negocio para garantizar la fuente. Hemos batido a estos proveedores pobres del substrato prácticamente a la muerte en la tasación. No han podido mantener sus márgenes. No es una situación sana.”

No hay solución rápida aquí. Los proveedores del substrato podrían subir simplemente sus precios del producto para impulsar sus márgenes, pero esto no soluciona los problemas de la capacidad.

Otra solución posible está para que los vendedores del substrato construyan capacidad de fabricación de cubrir demanda. Pero una cadena de producción avanzada en grande del substrato cuesta cerca de $300 millones.

“El nivel de inversión necesario no es algo que estas compañías del substrato son cómodas haciendo si no piensan que la capacidad será utilizada en el plazo de dos o tres años,” a Vardaman dijeron. “Necesitan conseguir un rendimiento de su capital invertido, y va a ser muy difícil hacer si piensan que va a ser una disminución de la demanda. ¿Y qué sucede cuando él invierte en demasiada capacidad, después los precios bajan? No pueden hacer su vuelta y sus márgenes sufren. Es tan una situación realmente dura. Diría que somos en una situación realmente mala en nuestra industria debido a esto.”

Una opción menos costosa es impulsar simplemente las producciones en una línea existente del substrato, permitiendo más los productos usables. Pero los vendedores necesitarían invertir más en el equipo nuevo y costoso de la metrología.

Las casas de empaquetado también están mirando diversas soluciones. El más obvio es procurar los substratos de diversos vendedores. Pero toma 25 semanas o $250.000 para calificar a un nuevo vendedor del substrato, según Vardaman.

Alternativamente, las casas de empaquetado pueden desarrollar y vender más paquetes de IC del substrato-menos. Pero muchos sistemas requieren los paquetes con los substratos, que son en algunos casos más robustos y confiables.

La situación no está desesperada. Las casas de empaquetado necesitan trabajar más de cerca con sus proveedores. “Estamos trabajando con nuestros clientes para conseguir pronósticos más a largo plazo para pedir los materiales,” Dhond de Amkor dijo. “Estamos calificando las segundas fuentes para asegurar la fuente en su caso.”

Esto crea algunas nuevas oportunidades, también. Quik-Pak reveló el año pasado un diseño del substrato, una fabricación, y un servicio de la asamblea. Con este servicio, la compañía apoya diversos tipos de los substratos del paquete. “Estamos viendo definitivamente la demanda creciente para nuestros servicios del desarrollo del substrato, con los cuales creamos las soluciones de llavero para que las asambleas substrato-basadas acomoden los requisitos de empaquetado de nuestros clientes,” Medina de Quik-Pak dijimos. “Nuestra capacidad de reunir peticiones del cliente juntas y plazo del precio y de ejecución de la palancada de seleccionar a los socios fabulosos adecuados es crucial a guardar la fuente de substratos dentro de horario de entrega razonables. Los vendedores Stateside pueden acortar el plazo de ejecución por más el de 50%.”

Conclusión
Claramente, la demanda para empaquetar se ha elevado súbitamente, pero la industria debe fortalecer la cadena de suministro. Si no, los vendedores de empaquetado harán frente a más retrasos, si no oportunidades perdidas.

La desventaja es que todo el esto tomará más inversión, y la consolidación de la base del vendedor en ciertos segmentos pudo ser necesaria alcanzar cierta escala. Pero también abre la puerta en los nuevos y más innovadores acercamientos, que serán esenciales hacer este trabajo. (Mark LaPedus)