L'automatisation de la fabrication finale et le futur de la production de semi-conducteurs

Les événements récents, notamment la pandémie, le blocage du canal de Suez et les pénuries de puces rencontrées dans des secteurs comme l'automobile, ont souligné l'importance, pour les entreprises, de renforcer la sécurité de leurs chaînes d'approvisionnement. D’ailleurs, les effets du transport maritime international sur l'environnement et les avantages de la fabrication locale n'en restent pas moins des préoccupations constantes.

La machine de bonding FPB-1w NeoForce réalise de nombreux processus.

L’approvisionnement et la mise en place d'une automatisation de la fabrication finale sont indispensables pour assurer la résilience de la chaîne logistique des semi- conducteurs.

Les grandes économies dépendent des stocks de semi-conducteurs pour exploiter les innovations de haute technologie qui devraient assurer leur prospérité. Il n'est donc pas surprenant qu'elles soient enclines à favoriser le développement d'une industrie locale des semi-conducteurs afin de consolider leur position et de répondre aux problématiques de transport, d'approvisionnement et d'environnement.

Aujourd'hui, l'industrie mondiale des semi-conducteurs pèse plus de 500 milliards de dollars. L'UE a fait part de son intention d'investir dans les technologies avancées de semi-conducteurs afin d'augmenter la quantité de semi-conducteurs produite dans l'UE, qui avoisine actuellement les 10 %. Outre une promesse de financement de 145 milliards d'euros pour des projets numériques, elle ne demande qu’à voir émerger de nouvelles alliances industrielles et à débloquer des fonds supplémentaires.

Cette relocalisation de la fabrication des semi-conducteurs passera probablement à la fois par une expansion des usines existantes et par de nouvelles installations. Actuellement, les plus grands fabricants de wafers sont des entreprises spécialisées indépendantes situées en Extrême-Orient, qui collaborent avec des sociétés de semi-conducteurs du monde entier. Parmi leurs clients, des sociétés de design sans unités de production et des fabricants de semi-conducteurs. En plus du recours à leurs propres installations de fabrication pour traiter divers processus ou géométries, ces équipementiers travaillent souvent avec des partenaires indépendants pour fabriquer des lignes de produits spécifiques ou bénéficier de certaines capacités : étapes avancées du processus ou technologies d'encapsulation, par exemple.

Une diversification géographique
La diversification géographique de la fabrication des semi-conducteurs se traduira par une coopération entre les équipementiers, les fabricants indépendants et les gouvernements, afin de créer des stratégies à long terme et de répartir les investissements et les bénéfices qui en découleront sous la forme de progrès technologique, de développement économique et de préservation de l'environnement grâce à la réduction du transport. Prenons l'exemple de l'annonce de TSMC, en 2020, qui prévoit de construire une usine de fabrication de wafers de 5 nm aux États-Unis en coopération avec le gouvernement américain. Cette usine devrait pouvoir produire 20 000 wafers par mois. Son coût est estimé à 5 milliards de dollars au moment du lancement et à 12 milliards de dollars au total au cours des 10 prochaines années.

Bien entendu, la fabrication de semi-conducteurs mobilise des compétences diverses, allant de la conception des dispositifs au début du cycle de vie du circuit intégré à la mise en boîtier finale, en passant par la fabrication, les traitements et les tests des wafers. L'ensemble de ces opérations peut être regroupé dans la même usine, ou bien les wafers ou les puces nues peuvent être expédiés vers d'autres sites spécialisés dans la mise en boîtier ou l'assemblage d'appareils tels que les modules d'alimentation ou de mémoire.

Si la production doit être répartie de manière plus homogène, à l'échelle mondiale, afin de mieux servir les clients et de réduire son impact écologique, il faudra compter sur des fournisseurs d'équipements dotés des capacités dont les fabricants ont besoin et capables de gérer les équipements et les processus sur différents sites.

Les demandes d'encapsulation de semi-conducteurs
En matière d’encapsulation, les entreprises, qu'il s'agisse des fabricants de semi-conducteurs, des usines de production indépendantes, des spécialistes des boîtiers et des modules, ou encore des assembleurs de CMS, ont besoin d'accéder à des capacités avancées de fabrication finale, comme le câblage par fil, le bonding de wafers et de puces, la découpe, le détourage et le moulage.

Yamaha Motor Robotics a d'ores et déjà démontré ses capacités dans le traitement des wafers et des puces dans le cadre de la fabrication finale, avec différents systèmes de bonding de puces retournées de précision et des machines de placement hybride qui améliorent la productivité et réduisent les coûts de mise en boîtier en combinant le traitement de plusieurs puces à la fois et le placement rapide des composants CMS.

Depuis deux ans, l'entreprise a accéléré ses investissements dans ses capacités de fabrication finale en associant ses propres technologies d'assemblage CMS et de robotique à l'expertise de Shinkawa en matière de bonding, et d'Apic Yamada en matière de moulage et d'encapsulation. Cette intégration a donné naissance à Yamaha Robotics Holding Co. (YRH), une nouvelle entité qui réunit toutes les compétences en matière de mise en boîtier de semi-conducteurs afin d'offrir à Yamaha une position unique sur le marché de la fabrication finale. Cette nouvelle entreprise s'appuiera sur le réseau commercial et technique de Yamaha en Europe pour faire avancer l'automatisation de pointe, face à une demande locale de capacités d'encapsulation croissante en Europe.



Système de moulage hautes performances.

Les processus et solutions de fabrication finale
Le portefeuille comprend le bonding de puces et de puces retournées, avec des équipements dont la précision peut atteindre ±5 μm en X-Y et ±0,5° en θ (3-sigma) et qui intègrent des fonctionnalités avancées, notamment une conception à deux têtes avec une technologie unique de servocommande qui permet de gagner de la place tout en améliorant la productivité.

Les machines de report de puces offrent une grande flexibilité car elles sont capables de traiter des puces face active vers le haut ou vers le bas, des wafers fins et des blocs 2,5D et 3D. Parmi les processus disponibles : le collage par thermocompression avec une pâte non conductrice (TCB-NCP), un film non conducteur (TCB-NCF), la thermocompression avec remplissage capillaire (TC-CUF), et l'encapsulation au niveau du wafer standard et de type fan-out (FO-WLP). La machine de bonding FPB-1w NeoForce de Shinkawa (Image 1) réalise les processus NCP/NCF/TC-CUF, C2 et C4, ainsi que FO-WLP, avec basculement de programme automatique en fonction du type de produit.

Viennent s’y ajouter des machines de câblage par fil dont les technologies permettent d’afficher une précision de positionnement de 2 μm et une vitesse élevée allant jusqu'à 45 ms/2 mm, de réaliser des liaisons à bosses extrêmement précises, d’assurer une qualité régulière et d’être compatibles avec différentes tailles de wafers standards. La machine de câblage par fil UTC5000NeoCu fonctionne avec des fils de 18 à 70 μm de diamètre et est appréciée des utilisateurs pour son contrôle de gaz inerte selon la recette sélectionnée et ses modèles qui simplifient l'optimisation du bouclage.

La gamme comprend également des systèmes de moulage modulaires (Image 2) pour des processus tels que le moulage par compression, par transfert ou par injection et l'encapsulation pour les circuits intégrés et la mise en boîtier des composants, ainsi que pour des modules comme les calculateurs automobiles. Citons également la technologie d'estampage de précision pour les grilles de connexion multiples et à pas fin. Ces mêmes compétences permettent en outre à l'entreprise de proposer un outil de détourage et de mise en forme des puces pour couper et plier les fils.

Grâce à des procédés comme le collage par ultrasons à basse température, qui est rapide et supprime toute contrainte thermique sur les composants et les matériaux, la gamme s'est élargie à des équipements capables d'encapsuler des types de produits très spécifiques, par ex. les composants en cristal comme les oscillateurs à quartz compensé en température (TCXO) et les filtres à ondes acoustiques de surface (SAW), les LED et les circuits intégrés CMOS.

Les équipements de dépose de précision réalisent quant à eux diverses opérations, notamment la dépose de matériaux fluorescents pour les LED, de matériaux de remplissage et d'adhésifs pour l'assemblage de dispositifs en cristal destinés à des applications de contrôle de fréquence. Des solutions pour le montage à haute précision et à grande vitesse des lames cristallines, le durcissement des colles à faible teneur en particules, l'inspection et le test des boîtiers, le réglage simultané de la fréquence dans plusieurs cristaux et le test de température des TCXO viennent compléter les capacités d'encapsulation et de test des dispositifs en cristal.



La machine hybride de bonding de puces retournées et de placement CMS YRH10 lancée en 2021.

Les appareils et modules multi-puces
Yamaha possède déjà son portefeuille de machines de report de puces retournées, notamment le système de bonding de puces retournées YSB55w, qui offre une précision de ±5 μm et la possibilité de saisir et de transférer simultanément 8 puces, d'où une vitesse de placement de 13 000 unités/heure.

En juillet 2021, Yamaha a présenté une nouveauté majeure dans sa gamme hybride, en associant le bonding multi-puces de fin de fabrication et l'assemblage de composants CMS. La nouvelle machine YRH10 (Image 3), augmente de 50 % la capacité de production par rapport à la génération précédente et affiche une précision de placement de ±15 μm, grâce à de nouvelles caractéristiques, notamment une tête à plusieurs buses, le remplacement accéléré des wafers et une meilleure compensation thermique.

Associée à la machine de câblage par fil UTC5000NeoCu de Shinkawa, l'YRH10 réalise un processus d'assemblage complet pour la production de microphones MEMS. Ce processus comprend le placement et le bonding de la puce MEMS et de l'ASIC sur le substrat, l'interconnexion des deux puces par câblage par fil et le collage du couvercle en métal du boîtier.

L'YRH10 complète également l'YSM10, la machine modulaire de placement rapide des composants CMS d'entrée de gamme de Yamaha, pour effectuer l'assemblage de modules d'alimentation. Les deux machines se chargent du placement des puces IGBT sur un substrat en cuivre à liaison directe (DBC), du montage du substrat sur la plaque chauffante du module, du placement des préformes de soudure pour la fixation de la puce au substrat, et du placement des capteurs et des pilotes associés.

Conclusion
En augmentant sa production de semi-conducteurs, l'Europe a l’opportunité de bénéficier d'avantages économiques, logistiques et environnementaux, grâce au raccourcissement des chaînes d'approvisionnement et à un meilleur accès à des circuits intégrés de pointe. Des mesures ont été annoncées au niveau des gouvernements. L’avenir appartient désormais aux partenaires industriels. Outre des investissements dans des installations de design et de fabrication, des capacités d'encapsulation des puces et des modules sont nécessaires. L'investissement de Yamaha dans les technologies d'automatisation de la fabrication finale, à travers la création de Yamaha Robotics Holdings, met ses solutions avancées à la disposition des fabricants européens.

www.fa.yamaha-motor-im.de

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