Wie werden Chips verpackt? Wir besuchten Intels Fabrik in Malaysia

Intel ist ein privates und sehr großes Unternehmen, das Chips entwickelt und herstellt. Natürlich öffnet ein solcher Siliziumriese nicht jeden Tag seine Türen für Ausländer. In geheimen Räumen und Laboren werden Zukunftstechnologien produziert und getestet.

Das Unternehmen hat kürzlich die Türen seiner Fabrik in Malaysia für bestimmte Vertreter aus der Technologiewelt geöffnet. Wir haben auch an der Intel Tech Tour teilgenommen, bei der wir die Design-, Verifizierungs-, Klassifizierungs- und Verpackungsphasen der Chips genau kennengelernt haben.

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Intel verfügt über mehrere Fabriken in Penang und Kulim, die verschiedene Montage- und Testprozesse durchführen, darunter die Chiptrennung, Vorbereitung, Verpackung und Produktion interner Testgeräte. Malaysia ist die Heimat von Intels erstem Werk außerhalb der Vereinigten Staaten, das 1972 erbaut wurde. Im ersten Montagewerk, A1, arbeiteten 100 Mitarbeiter an einem 5-Dekar-Paket. Die Investition von Intel in Malaysia umfasst derzeit 15.000 Mitarbeiter auf 84.000 Quadratmetern Produktionsfläche, aufgeteilt auf Penang und Kulim. Die Produktionsfläche wächst weiter und Intel plant, diese Zahl zu verdoppeln, sobald die laufenden Erweiterungen abgeschlossen sind.


Medienvertreter begleiten Intels Tech-Generation.

Wie Sie sich vorstellen können, waren die Details, die Intel mitteilen konnte, begrenzt. Darüber hinaus war es verboten, in den Einrichtungen mit persönlichen Geräten zu fotografieren und zu filmen. Laut Intel haben seine Ingenieure in den besichtigten Gebieten zahlreiche Tests mit für seine Prozessoren geeigneter Hardware, einschließlich Laptop-Plattformen, durchgeführt.

Haben Sie sich jemals gefragt, warum die winzigen Chips, die Ihre Computer antreiben, der wertvollste Teil des Computers sind? Das Chip-Design ist ein komplexer Prozess, dessen Fertigstellung und Entwicklung Monate oder sogar Jahre in Anspruch nimmt und eine Menge Personal und Maschinen erfordert. Die Intel-Gruppe hat uns mit ihrem Wohnungseigentum geholfen, diese Prozesse besser zu verstehen. Lassen Sie uns nun kurz über den Chip-Produktionsprozess im Allgemeinen sprechen und dann zu unseren Erfahrungen in der Intel-Fabrik übergehen.

CPUs und GPUs beginnen ihr Leben als große Silizium-Scheibenwafer (sogenannte Wafer) aus hochreinem Silizium, typischerweise mit einem Durchmesser von knapp 300 mm (12 Zoll) und einer Dicke von 1 mm (0,04 Zoll).

Dieser Siliziumwafer durchläuft eine Reihe komplexer Schritte und verwandelt sich in mehrere Schichten unterschiedlicher Materialien wie Isolatoren, Dielektrika und Metalle. Muster dieser Schichten werden durch einen Prozess namens Photolithographie erzeugt, bei dem ultraviolettes Licht durch eine vergrößerte Version des Musters (eine Maske) geleitet und dann durch Linsen auf die erforderliche Größe verkleinert wird.

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Intel Core i9-13900K „Raptor Lake“-Prozessor – Fritzchens Fritz

Intel Core i9-13900K „Raptor Lake“-Prozessor – Fritzchens Fritz

Das Muster wiederholt sich in präzisen Abständen auf der Oberfläche des Wafers, wobei jedes Muster schließlich zu einem Prozessor wird. Chips sind rechteckig und Wafer kreisförmig. Nachdem die Chipeinheiten von der Scheibenplatte abgeschnitten wurden, bleiben daher die Kanten leer, das heißt, sie werden weggeworfen.

Nachdem die Hersteller mit dem Wafer fertig sind, durchläuft jeder Chip umfangreiche Tests. Die Ergebnisse der elektrischen Inspektion geben Ingenieuren anhand einer langen Liste von Kriterien Aufschluss über die Qualität des Prozessors. Diese erste Stufe, bekannt als Chip-Binning, hilft dabei, die „Bewertung“ des Prozessors zu bestimmen.

  • Was ist Chip-Gruppierung? Warum wird Chip-Binning durchgeführt?

Wenn der ausgeschnittene Chip beispielsweise eine CPU sein soll, muss jeder Teil ordnungsgemäß funktionieren, indem er bei einer bestimmten Spannung und innerhalb eines bestimmten Taktfrequenzbereichs arbeitet. Anschließend wird jeder Waferabschnitt anhand dieser Testergebnisse kategorisiert.

Sobald der Wafer fertig ist, wird er in verschiedene für die Verwendung geeignete Segmente oder „Die“ geschnitten. Diese Chips werden dann auf einem Substrat in Form einer speziellen Hauptplatine montiert. Bevor der Prozessor zur Verteilung bereit ist, durchläuft er einige zusätzliche Prozesse, die als Verpackung bezeichnet werden. Beispielsweise der Einbau integrierter Wärmeverteiler (IHS).

Dieser gesamte Vorgang kann Wochen dauern. Führende Halbleiterunternehmen wie Intel und TSMC können für jeden Wafer hohe Preise verlangen, die je nach verwendeter Prozesstechnologie zwischen 3.000 und 20.000 US-Dollar liegen. Diese Messungen hängen von Produktionstechnologien und Vereinbarungen zwischen Unternehmen ab. Unternehmen, die große Bestellmengen aufgeben, können von einigen Rabatten profitieren. Intel produziert die meisten seiner Chips selbst. Der Technologieriese profitiert seit kurzem von den Gießereien von TSMC, insbesondere von Arc-GPUs, und es sieht so aus, als würde er auch weiterhin davon profitieren.

Als Prozesstechnik, auch „Prozessknoten“ genannt, wird das gesamte Produktionssystem bezeichnet. Wir sprechen also von Technologien wie „5 nm oder 3 nm“, die man oft hört. In der Vergangenheit wurden diese Technologien nach der Gate-Länge des Transistors benannt. Da sich die Herstellungstechnologie jedoch verbessert hat und kleinere Komponenten ermöglicht, folgt die Nomenklatur nicht mehr der physischen Ausrichtung der Form und ist lediglich ein Marketinginstrument.

Allerdings bietet jede neue Prozesstechnologie Vorteile gegenüber der vorherigen. Es könnte günstiger in der Herstellung sein, weniger Strom pro Taktfrequenz verbrauchen (oder umgekehrt) oder eine höhere Dichte aufweisen. Da beispielsweise Transistoren kleiner geworden sind, können mehr Transistoren auf demselben Platz, also auf demselben Chipchip, untergebracht werden. Ein weiteres Beispiel: Derselbe Chip, der mit kleineren Prozesstechnologien hergestellt wurde, ist energieeffizienter und bietet eine bessere Leistung als frühere Prozesse. In der folgenden Tabelle können Sie die Entwicklung der GPUs im Hinblick auf die Transistordichte im Laufe der Jahre sehen.

Fortschritte in der Chip-Herstellungstechnologie bieten Ingenieuren die Möglichkeit, die Fähigkeiten und Leistung ihrer Kreationen zu steigern, ohne große und kostspielige Chips verwenden zu müssen.

Im Intel-Werk in Malaysia werden Prozesse zur Klassifizierung, Prüfung und Verpackung von Chips durchgeführt, bevor sie zu Prozessoren werden. Dabei werden Tests unter verschiedenen Bedingungen und Anwendungsfällen durchgeführt, um sicherzustellen, dass alle Richtungen des Chips mit dem Design kompatibel sind.

Diese Art von Technologie begann im Design- und Entwicklungslabor von PG16, wo das Unternehmen Validierungstests an ersten Siliziumproben durchführte. Aber es gibt noch einen anderen Ort, wo diese Silikone herkommen. Der Prozess beginnt in der Chip Sorting-Preparation-Anlage (Die Sort, Die Prep-KMDSDP) auf der anderen Seite der Penang-Brücke in Kulim. Hier werden die Siliziumchips aufbewahrt, die im Raptor Lake und den kommenden Meteor Lake-Prozessoren verwendet werden. In der erwähnten Anlage werden runde Chipplatten entnommen und zahlreiche Prozesse wie Lasergravur und Spanschneiden durchgeführt.

Das Interessante ist, dass ein Teil dieser Anlage immer mit einem speziellen gelben Licht beleuchtet ist. Dies liegt daran, dass das Mylarband, mit dem der Wafer an Ort und Stelle gehalten wird, äußerst empfindlich gegenüber ultraviolettem Licht ist. Wenn Ingenieure die Platte der Sonne oder dem Licht von außen aussetzen würden, würde sie fast sofort ihre strukturelle Integrität und ihre Klebeeigenschaften verlieren. Dies bedeutet, dass die Chips nach dem Schneiden des auf dem Mylar platzierten Wafers herausfallen, was wir nicht wollen.

Wie Sie wissen, muss vor dem Betreten der Reinraumeinrichtungen unterschiedliche Reinraumkleidung getragen werden. Warum ist das also notwendig? Die Chipherstellung ist ein sehr heikler Prozess. Produzierte Siliziumscheiben können selbst durch kleine Staubpartikel beschädigt werden und viele Chips können zu Müll werden. Diese Kleidung, die Sie immer sehen, wird als Vorsichtsmaßnahme gegen alles getragen, was aus dem menschlichen Körper austreten könnte.

Intel ist eines der wenigen Unternehmen, das in jeder Phase der Chipproduktion involviert ist. Die Phasen beginnen mit der Umwandlung von Sand in Siliziumchips (von einem Partnerunternehmen) und dem anschließenden Ätzen des Designs mithilfe des neuesten Lithografieverfahrens (das von Chip zu Chip unterschiedlich ist). Sobald der Ätzprozess abgeschlossen ist, werden diese 300-mm-Wafer (typische kreisförmige Wafergröße) von der Produktionsanlage zu Chip-Vorbereitungs- und Sortierbetrieben, beispielsweise in Kulim, Malaysia, transportiert.


Die einzelne Form wird vom Siliziumwafer abgenommen und auf ein Tablett gelegt.

Anschließend wird die Form mithilfe verschiedener Methoden, darunter Schleifen, Lasergravieren und mechanisches Schneiden, in einzelne Chips zerlegt. Diese Späne werden auf eine Transferanlage gelegt, auf Fehler untersucht und mithilfe eines speziellen hauseigenen Moduls mit einem Gewicht von mehr als 450 Kilogramm sortiert. Darüber hinaus läuft der gesamte Prozess automatisch ab.

Gehen wir nun näher ins Detail. Die Formtrennung ist ein mehrstufiger Prozess. Zunächst werden die Chipteile mit Lasern vormarkiert. Dann kommt eine weitere Maschine ins Spiel, die die Späne buchstäblich mit einer Säge trennt, in einem Prozess namens Singulation. Zur Steigerung der Effizienz wird diese Maschine von zwei diamantbestückten Messern unterstützt. Die Klingen schneiden die Platte sauber, während ein System, das gekühltes Wasser durchströmt, aktiviert wird, um sowohl Rückstände zu entfernen als auch zu verhindern, dass die thermische Ausdehnung empfindliche Späne beschädigt. Das gesamte Spanschneidesystem überwacht sorgfältig Faktoren wie die Integrität der Klinge, um sicherzustellen, dass die Teile sauber und präzise bleiben.


Weitere Chipsformen aufgereiht auf dem Tablett.

Eine andere Maschine nimmt die getrennten einzelnen Chips auf und entfernt dann jeden Block systematisch auf ein Tablett namens Pick & Place. Der Roboterarm führt dann jede Form zu einer bestimmten Position auf dem Tablett.

Intel gibt an, dass diese Tabletts in allen seinen Produkten aktiv verwendet werden. Es gibt keine Sockel zum Platzieren der Chips. Stattdessen wurde auf dem Boden des Tabletts ein weißes Material verwendet, das mit einem sechseckigen Lochraster perforiert war. Das Material erzeugt offenbar einen sanften Saugdruck, wenn die Späne platziert werden, wodurch die Schalen mit den Spänen ohne Erschütterungen durch die Anlagen bewegt werden können.

Intel testet verschiedene Muster mit einer Maschine in Busgröße. Ein Abschnitt enthält zwanzig Testzellen mit einer Belastung von jeweils etwa 450 kg. Diese sind etwa 1,5 Meter breit, 1,5 Meter tief und 1 Meter hoch. Die Chargen werden von einem Ende geladen, dann verteilt ein Robotersystem in der Mitte die Chip-Trays an die verfügbaren Testzellen, ähnlich einem riesigen Verkaufsautomaten. Jede Testzelle nimmt ein Tablett auf und verarbeitet dann automatisch die auf dem Tablett platzierten Chips, um jeden einzelnen zu testen und zu charakterisieren.


Riesiges Testsystem und weitere Testeinheiten.

Die Testzellen arbeiten unabhängig voneinander, sodass jede Einheit verschiedene Artefakte testen kann. Tatsächlich kann jeder von ihnen separat deaktiviert werden, wenn eine Wartung erforderlich ist. Intel verfügt außerdem über einen großen Aufzug, mit dem diese Zellen bei Bedarf durch die Anlage bewegt werden. Dieser Mechanismus bewegt sich auf einem Luftkissen, das sich knapp über dem Boden befindet, sodass nichts beschädigt wird. Um eine bessere Isolierung zu gewährleisten, bedeckte das Unternehmen den größten Teil des Sockels mit einer Kunststoffschicht. Dies verhindert, dass die Prüfzelle und die Waage des Geräts die Basis beschädigen und sorgt zudem für Mobilität.

Prüfprozesse werden aktiv und autonom durchgeführt. Es wurden Stationen eingerichtet, an denen ein Mitarbeiter mehrere Reihen Testgeräte gleichzeitig überwachen kann. Mitarbeiter können praktisch mehrere Testgeräte auf mehreren Bildschirmen überwachen. Maschinen erledigen fast alles außer Überwachung und Wartung. Wir können also sagen, dass zumindest in den Klassifizierungs- und Testschritten kein großer Personalbedarf besteht.


Ein AVG kann gleichzeitig zwei Chip-Chips (Vorder- und Rückseite) tragen.

Die getrennten Chips (Chip-Chargen) werden von automatisierten Führungsfahrzeugen (FTS) zwischen den Testgeräten und den umliegenden Lagerbereichen gemischt. Das System bewertet ständig, welche Testzellen verfügbar sind und wo Chargen mit dem höchsten Ertragspotenzial ausgewählt werden sollen, anstatt nach dem First-in-First-out-Prinzip zu testen. Fahrzeuge, sogenannte AGVs, bewegen sich selbstständig auf Straßen, die keine bestimmte Route haben.


Eine Formspule, die außerhalb des Labors ausgestellt ist.

Die geprüften Trays kehren zu einer Wickelmaschine (wie einer Spule) neben der Pick & Place-Maschine zurück. An diesem Punkt werden die Chips charakterisiert und zu einem sinnvollen Modell gruppiert. Während die Tabletts sortiert werden, bewegt ein Roboterarm jeden Chip je nach Modell auf verschiedene Rollen. Darüber hinaus drücken die Rollen die Späne in die Mitte der beiden Klebebandschichten, sodass sie nicht verschwendet werden. Schimmelpilze, die den Test nicht bestehen, werden zur Seite gelegt und zum Recycling gesammelt.

Von dort aus werden die Rollen an Intel-Montage- und Testeinrichtungen auf der ganzen Welt verschickt. Eine der Einrichtungen befindet sich im PG8-Gebäude, bekannt als PGAT, in Penang.

Die Chips werden zunächst ausgerichtet und gestapelt, dann wird der integrierte Wärmeverteiler (IHS) mit thermischem Schnittstellenmaterial (TIM) und Klebstoff angebracht. Zunächst wird eine Epoxid-Unterfüllung aufgetragen und ausgehärtet. Wie bereits erwähnt, lagert Intel die Produktion auch an TSMC aus. Die Anlage in Malaysia beschränkt sich nicht nur auf die vom Unternehmen hergestellten Prozessoren, sondern verpackt auch die in anderen Gießereien wie TSMC hergestellten Chips.

Der anschließende Chip-Attach-Prozess beginnt mit der Flip-Chip-Verpackung, um Komponenten auf einem Substrat zu platzieren. Auf der Oberfläche jedes Chips werden Hunderte oder Tausende mikroskopisch kleiner Lotkügelchen platziert, die mit der nächsten Chip- oder Substratschicht zusammenpassen.

Lassen Sie uns in der Zwischenzeit über Foveros sprechen. Foveros, eine mehrdimensionale Verbindungstechnik für mittlere Chips, ermöglicht es Intel, Chips dreidimensional übereinander zu platzieren und sie in ein einziges Gehäuse zu verwandeln. Diese Technik wurde erstmals bei der Lakefield-Serie verwendet.


Nahaufnahme von Lotkugeln auf dem Chip.

Nach dem Verkleben können kleine Luftspalte zwischen den Schichten verbleiben. Intel trägt eine Epoxid-Unterfüllung auf, um die Stabilität zu erhöhen und sicherzustellen, dass die Spannungen gleichmäßig über den Chip verteilt werden. Wie beim Doppelsägeblatt bei der Singularisierung kann Intel hier zwei Epoxid-Verteilerdüsen zur Effizienzsteigerung einsetzen. Es ist keine Absaugung oder irgendetwas anderes erforderlich. Intel sagt, dass die Kapillarwirkung ausreicht, um das Gerät zum Fließen zu bringen. Anschließend werden die Chips gescannt, um zu prüfen, ob der Epoxidfüller Hohlräume aufweist.

Das Paket ist nun bereit für die Installation des integrierten Wärmeverteilers (IHS), den wir immer bei Prozessoren sehen. In jedem Chipdesign wird definitiv ein TIM (Thermal Interface Material) verwendet. Die Maschine verteilt das Thermomaterial geordnet. Zur Montage des IHS wird Klebstoff aufgetragen, dann wird das IHS an Ort und Stelle platziert und ausgehärtet, um eine lange Haltbarkeit zu gewährleisten.


Prozessoren mit (links) und ohne (rechts) Epoxid-Unterfüllung.

Während die Produktionsqualität während des gesamten Zyklus genau überwacht wird, führt Intel bei jedem produzierten Prozessor abschließende Brenn- und Testprozesse durch. Wir haben uns die verschiedenen Testphasen im Design- und Entwicklungslabor am PG16 in Penang genauer angesehen. Dieses Labor besteht aus Regalreihen, die mit Testgeräten gefüllt sind, um jeden Aspekt eines Artefakts zu untersuchen.


Intels Design- und Entwicklungslabor in Malaysia.

Zunächst wurde ein „Burn-in“ genannter Prozess durchgeführt, bei dem Intel die Chips hohen Temperaturen und Spannungen aussetzte, um Defekte zu beseitigen. Chips, die diesen Prozess überstehen, werden dann einem vollständigen elektrischen Test unterzogen, bei dem Intel überprüft, ob alle Leiterbahnen und andere Funktionen wie vorgesehen funktionieren.


Spezieller Testblock, der das CPU-Paket einem Temperaturtest unterzieht.

Es ist noch nicht vorbei. Anschließend stellen die Mitarbeiter des Unternehmens jeden Chip in eine andere Testumgebung, um ihn für den Endverbraucher vorzubereiten. In diesem Schritt finden eine Reihe von Betriebssystem- und verschiedenen Plattformtests statt. Hier wird alles wie Speicher, PCIe-Lanes und andere Off-Chip-Systeme berechnet.


Bewertung der PCIe Gen 5-Signalintegrität.

Prüfgeräte werden so hergestellt, dass sie ein möglichst breites Produktspektrum unterstützen. Beispielsweise sind die Geräte so gefertigt, dass sie eine Reihe von CPU-Sockeln aufnehmen und für viele Produkte geeignet sind. Auf diese Weise können unterschiedliche Produkte, die während der Testphasen auf das Gerät stoßen, schnell getestet werden.


Ende der SLT-Montagelinie.

Während der Tour wurden uns einige Spezialgeräte gezeigt, wie der High Intensity Combustion (HDBI) Tester, der High Density Modular Tester (HDMT) und der System Level Tester (SLT). HDBI kann die an das Gehäuse angelegte Temperatur sowie die fließende Spannung präzise steuern.


Der HDBI-Tester übt Temperaturbelastungen auf die Unterseite großer Leiterplatten aus.

HDMT wurde entwickelt, um In-Class- oder Backend-Tests für Intel-CPUs bereitzustellen. Dieses Gerät verbindet die Karte mit einem CPU-spezifischen Sockel mit einer größeren grünen Schutzeinheit über eine Schnittstelle. Der Schutz kann je nach Bedarf durch eine Reihe von Steckkarten ergänzt werden, um verschiedene Plattformfunktionen zu testen. In nur wenigen Schritten können Intel-Ingenieure HDMT für ein anderes Produkt oder eine andere Testkonfiguration neu konfigurieren. Diese Ausrüstung wird in der Produktentwicklungs- und Produktionsphase eingesetzt.


Schnittstellenkörperteil von HDMT mit roter Abdeckung abgedeckt.

Schließlich wird SLT für Intels kundenähnliche Testumgebung verwendet. Diese können dann in 4er-Stapel auf einem Regal gelagert werden, um den Ertrag zu maximieren und den Platzbedarf zu minimieren.


Vier SLTs auf einem Rack platziert.

Gegen Ende unserer Tour sahen wir, wo und wie einige der speziellen Testgeräte von Intel hergestellt werden. Die Anlage von Intel System Integration and Manufacturing Services (SIMS) in Kulim ist für die Produktion von Geräten zum Testen und Verifizieren von Silizium verantwortlich. Ihre Produktion ist im Hinblick auf den Verschluss sehr wertvoll. Hätte die Blue Group ihre Prüfgeräte von unterschiedlichen Firmen bezogen, gäbe es keine geschlossenen Richtungen in den Produktionsabläufen.


Arbeiter platzieren Bauteile zum Löten auf der Leiterplatte.

Andererseits stellt Intel auch Leiterplatten her, die dem eigenen Geschäft zugute kommen. Nach Angaben von Vertretern ist der größte Teil dieses Prozesses automatisiert, aber Intel-Mitarbeiter montieren einige Komponenten immer noch von Hand und verwenden Stationen, um sie bei Bedarf zu löten.

Einige der geschnittenen Späne können fehlerhaft oder ineffizient sein. Chips können beim Testen in verschiedenen Phasen des Produktionsprozesses sogar ausfallen. Von ersten Siliziummustern bis hin zur Massenproduktion investieren Halbleiterunternehmen Millionen von Dollar, um Designprobleme zu beheben und die Ausbeute zu maximieren. Das Failure Analysis Lab (FAL) von Intel ist mit einzigartigen Tools ausgestattet, um Fehler zu diagnostizieren und eine Ursachenanalyse (RCA) durchzuführen.


Ein Gerät zur Fehlerortung.

Der Arbeitsablauf kann hier je nach Produkt und Fehlfunktion variieren, das Ziel besteht jedoch darin, wann immer möglich mit den Grundlagen zu beginnen. Bei einem Chip, der seine Funktion vollständig verloren hat, kann eine mikroskopische Bildgebung durchgeführt werden, um falsch ausgerichtete Lotkugeln zu erkennen, oder eine Ultraschalluntersuchung des Inneren des Chips kann durchgeführt werden, um Defekte innerhalb der Schichten zu finden. Darüber hinaus können Anlagenmitarbeiter Mikrosonden an verschiedenen Kontaktpunkten der Verpackung anbringen und diese dann mit einer Wärmebildkamera überwachen, um Kurzschlussstellen zu identifizieren. Wenn eine Störung erkannt wird, können sie auf Prozesse wie Schneiden oder Mahlen umsteigen.


Ultraschallscanner zur detaillierten Untersuchung des Chips.

Das Problem kann jedoch detaillierter sein. Intel führte Grafikfehler an, die durch ein defektes Chipmuster verursacht wurden. Aufgrund des defekten Chips kam es in Teilen der Szene zu hellen Blitzen.


GPU-Fehler, der dazu führt, dass künstliches Licht erscheint.

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