Große Volkswirtschaften sind auf Halbleiterlieferungen angewiesen, um die technologischen Innovationen voranzutreiben, die sie an der Spitze des Wohlstands halten wollen. Daher ist es nicht verwunderlich, dass sie eine gesunde heimische Halbleiterindustrie fördern möchten, um ihre Position zu sichern und Bedenken hinsichtlich Transport, Lieferketten und Umwelt zu begegnen.

Die Halbleiterindustrie hat derzeit weltweit einen Wert von über 500 Milliarden US-Dollar. Die EU hat angekündigt, in fortschrittliche Halbleitertechnologien zu investieren, um den Anteil der inländischen Halbleiterproduktion, der aktuell bei 10 % liegt, zu erhöhen. Nachdem sie bereits 145 Milliarden Euro für digitale Projekte zugesagt hat, will sie Industriepartnerschaften fördern und weitere Finanzmittel bewilligen.

Jegliche Verlagerung des Halbleiterfertigungsstandorts wird voraussichtlich durch eine Kombination aus dem Ausbau bestehender und dem Bau neuer Anlagen erfolgen. Derzeit sind die größten Waferhersteller unabhängige Spezialisten in Fernost, die mit Halbleiterunternehmen weltweit zusammenarbeiten. Zu ihren Kunden zählen Chipdesign-Unternehmen ohne eigene Produktionsstätte sowie Halbleiter-Originalgerätehersteller (OEMs). Neben ihren eigenen Fertigungsanlagen für diverse Prozesse und Geometrien kooperieren diese OEMs häufig mit unabhängigen Partnern, um spezifische Produktlinien herzustellen oder spezialisierte Kompetenzen wie fortschrittliche Prozessknoten oder Gehäusetechnologien zu nutzen.

Geografische Diversifizierung:
Die geografische Diversifizierung der Halbleiterfertigung erfolgt durch die Zusammenarbeit von OEMs, unabhängigen Herstellern und Regierungen. Ziel ist die Entwicklung langfristiger Strategien, die Aufteilung der Investitionslast und die Nutzung der Vorteile in Form von technologischem Fortschritt, wirtschaftlicher Entwicklung und Umweltschutz durch reduzierte Transportwege. Ein Beispiel hierfür ist die Ankündigung von TSMC, 2020 in Zusammenarbeit mit der US-Regierung eine Produktionsanlage für 5-nm-Wafer in den USA zu errichten. Die Anlage soll monatlich 20.000 Wafer produzieren und über 5 Milliarden US-Dollar kosten. Die Gesamtinvestitionen werden sich im Laufe des nächsten Jahrzehnts auf 12 Milliarden US-Dollar belaufen.

Die Halbleiterfertigung umfasst selbstverständlich ein breites Spektrum an Kompetenzen, vom Gerätedesign zu Beginn des IC-Produktlebenszyklus bis hin zur Waferherstellung und den nachfolgenden Verarbeitungsschritten, einschließlich Waferprüfung und -verpackung. All dies kann in ein und demselben Werk erfolgen. Alternativ können unbestückte Wafer oder Chips an andere Einrichtungen gesendet werden, die auf die Verpackung einzelner Bauelemente oder die Montage von Modulen, wie beispielsweise Leistungs- oder Speichermodulen, spezialisiert sind.

Damit die Produktion gerechter und global verteilt werden kann, um die Kunden besser zu bedienen und die Umweltbelastung zu reduzieren, ist es notwendig, dass die Ausrüstungslieferanten in der Lage sind, die von den Herstellern benötigten Fähigkeiten bereitzustellen und Ausrüstung und Prozesse an verschiedenen Standorten zu unterstützen.

Anforderungen an die Halbleiterverpackung
Im Hinblick auf die Verpackung benötigen Unternehmen, darunter Halbleiter-OEMs, unabhängige Fabriken, Verpackungs- und Modulspezialisten sowie Oberflächenmontagebetriebe, Zugang zu fortschrittlichen Back-End-Fähigkeiten wie Präzisionsdrahtbonden, Wafer- und Chipbonden, Chip-Unikatisierung und -Trimmung sowie Spritzgießen.

Yamaha Motor Robotics hat seine Kompetenzen im Bereich Wafer- und Chiphandling für Back-End-Prozesse bereits unter Beweis gestellt. Das Unternehmen bietet eine Auswahl an hochpräzisen Flip-Chip-Fixierern und Hybrid-Montagegeräten, die die Produktivität steigern und die Verpackungskosten senken, indem sie Multi-Chip-Handling mit Hochgeschwindigkeits-Oberflächenmontage kombinieren.

In den vergangenen zwei Jahren hat das Unternehmen seine Investitionen in Back-End-Fertigungskapazitäten durch die Kombination eigener Oberflächenmontage- und Robotertechnologien mit Shinkawas Expertise im Bereich der Klemmtechnik und Apic Yamadas Know-how in der Gehäuseformung und Verkapselung ausgebaut. Aus dieser Integration ist die Yamaha Robotics Holding Co., Ltd. (YRH) hervorgegangen, ein neues Unternehmen mit Expertise im gesamten Spektrum der Halbleiter-Verpackungsprozesse. Damit wird Yamahas Philosophie des Komplettanbieters auf den Back-End-Markt übertragen. Das neue Unternehmen kann Yamahas europäisches Netzwerk nutzen, um lokalen Vertrieb und Support für modernste Automatisierungslösungen anzubieten, da die Nachfrage nach lokalen Verpackungskapazitäten in Europa voraussichtlich steigen wird.

Back-End-Prozesse und -Lösungen:
Das Produktportfolio umfasst Wafer- und Flip-Chip-Fixierung. Die Anlagen bieten eine Genauigkeit von bis zu ±5 µm in XY und ±0,5° in θ (3-Sigma) und verfügen über fortschrittliche Funktionen wie ein Zweikopf-Design mit einzigartiger Servoantriebstechnologie, die Platz spart und die Produktivität steigert.
Wafer-Fixierer bieten Flexibilität durch Unterstützung für die Fixierung mit der Waferseite nach unten und oben, die Handhabung dünner Wafer sowie 2,5D- und 3D-Stapelung. Zu den unterstützten Prozessen gehören thermisches Kompressionsbonden mit nichtleitender Paste (TCB-NCP), Bonden mit nichtleitender Folie (TCB-NCF), Wärmekompression und Kapillarfüllung (TC-CUF) sowie Standard- und fächerförmiges Wafer-Packaging (FO-WLP). Der Shinkawa FPB-1w NeoForce Package Bonder (Abbildung 1) verarbeitet NCP/NCF/TC-CUF, C2 und C4 sowie FO-WLP mit automatischer Produktumschaltung.

Es gibt auch Drahtfixiermaschinen, die eine Positioniergenauigkeit von 2 µm und hohe Geschwindigkeiten von bis zu 45 ms/2 mm bieten. Hinzu kommt die hochpräzise Bump-Fixierung mithilfe von Technologien, die eine gleichbleibende Qualität und Kontrolle für verschiedene Standard-Wafergrößen gewährleisten. Die Drahtfixiermaschine UTC5000NeoCu verarbeitet Drähte mit Durchmessern von 18 bis 70 µm und bietet hohen Bedienkomfort durch Funktionen wie die Steuerung des Inertgases über die Formauswahl und Vorlagen, die die Prozessoptimierung vereinfachen.

Abbildung1. FPB-1w NeoForce. Mehrprozess-Verkapselungsversiegler

Das Sortiment umfasst außerdem modulare Formsysteme (Abbildung 2) für Verfahren wie Pressformen, Transferformen, Spritzgießen und Verkapseln zur Herstellung von integrierten Schaltungen und Komponenten sowie von Modulen wie z. B. Steuergeräten für die Automobilindustrie. Präzisionswerkzeugstanztechnik ist auch für Führungsrahmen mit hoher Nummerierung und feiner Teilung verfügbar. Dank dieser Kompetenzen kann das Unternehmen Schneid- und Formauflagen für Schneid- und Biegeführungen anbieten.

Abbildung 2. Hochleistungs-Spritzgießsystem

Durch die Entwicklung von Verfahren wie dem Niedertemperatur-Ultraschallbonden, das schnell ist und thermische Spannungen an Bauteilen und Materialien vermeidet, umfasst das Portfolio auch Anlagen zum Verkapseln bestimmter Produkttypen, zum Beispiel Kristallbauteile wie temperaturgesteuerte Oszillatoren (TCXOs) und Oberflächenwellenfilter (SAW) sowie LEDs und integrierte CMOS-Schaltungen.

Die Präzisionsdosiersysteme dieser Baureihe eignen sich für diverse Prozesse, darunter das Dosieren von LED-Fluoreszenzmaterialien, Füllstoffen und Klebstoffen für die Montage von Quarzbauelementen zur Frequenzsteuerung. Lösungen für die hochpräzise und schnelle Montage von Rohkristallen, die Aushärtung partikelarmer Klebstoffe, die Inspektion und Prüfung von Verkapselungen, die simultane Frequenzabstimmung mehrerer Kristalle sowie die Temperaturprüfung von TCXOs bieten ein umfassendes Leistungsspektrum für die Verkapselung und Prüfung von Quarzbauelementen.

Yamaha hat bereits eine Reihe von Flip-Chip-Bestückungsautomaten auf den Markt gebracht, darunter den Flip-Chip-Bestückungsautomaten YSB55w, der eine Genauigkeit von ±5μm aufweist und über Funktionen wie die gleichzeitige Aufnahme von 8 Chips und den gleichzeitigen Transfer verfügt, was eine Platzierungsgeschwindigkeit von 13.000 UPH ermöglicht
.

Im Juli 2021 stellte Yamaha ein bedeutendes Upgrade seiner Hybrid-Baureihe vor, die die Chip-Bestückung im Backend und die Oberflächenkomponentenmontage kombiniert. Die neue Maschine, die YRH10 (Abbildung 3), steigert die Produktionskapazität im Vergleich zur Vorgängergeneration um 50 % und verbessert die Platzierungsgenauigkeit auf ±15 µm. Dies wird durch neue Funktionen wie einen Mehrdüsenkopf, beschleunigte Waferwechsel und eine optimierte Temperaturkompensation erreicht.

Abbildung 3. Der Hybrid-Flip-Chip-Fixier- und Oberflächenmontageautomat YRH10 wurde 2021 auf den Markt gebracht.

In Kombination mit Shinkawas leitfähigem Drahtbefestigungssystem UTC5000NeoCu demonstrierte das YRH10 einen kompletten Montageprozess für die MEMS-Mikrofonproduktion. Dieser Prozess umfasst das Positionieren und Fixieren des MEMS-Chips und des ASIC auf dem Substrat, das Verbinden der beiden Chips mittels leitfähiger Drähte und das Anbringen der Metallkappe des Gehäuses.

Die YRH10 wurde außerdem mit Yamahas Hochgeschwindigkeits-Modulbestückungsmaschine YSM10 für die Leistungsmodulmontage kombiniert. Die beiden Maschinen übernehmen das Platzieren der IGBT-Chips auf dem Direct-Bond-Kupfersubstrat (DBC), das Montieren des Substrats auf der thermischen Grundplatte des Moduls, das Aufbringen der Lötvorformlinge für die Chip-Substrat-Verbindung sowie das Anbringen der zugehörigen Sensoren und Controller.

Fazit:
Eine Steigerung des Anteils der Halbleiterfertigung in Europa kann durch kürzere Lieferketten und einen lokalisierten Zugang zu integrierten Schaltungen der nächsten Generation wirtschaftliche, logistische und ökologische Vorteile bringen. Regierungsinitiativen wurden angekündigt, die die Beteiligung von Industriepartnern anstreben. Neben Investitionen in Design- und Fertigungsanlagen sind auch Kapazitäten für die Chip- und Modulverpackung erforderlich. Yamahas Investition in Backend-Automatisierungstechnologien durch die Gründung der Yamaha Robotic Holdings bietet europäischen Herstellern fortschrittliche Lösungen.

Artikel bereitgestellt von der SMT-Abteilung von Yamaha Robotics