Đóng gói và kiểm thử là công đoạn cuối trong chuỗi sản xuất chip: nhà máy nhận tấm bán dẫn đã chế tạo xong mạch, cắt thành từng con chip, gắn lên đế, nối điện ra chân, bọc bảo vệ, rồi kiểm thử từng con trước khi giao cho nhà máy lắp ráp bo mạch. Trong ngành, khâu này thường được gọi là "khâu sau", phân biệt với "khâu trước" là chế tạo mạch trên tấm bán dẫn.
Việt Nam hiện có mặt ở khâu sau rõ hơn khâu trước. Thông tin phổ biến nhất là nhà máy lắp ráp và kiểm thử của Intel ở Khu Công nghệ cao TP.HCM, hoạt động từ khoảng năm 2010; những năm gần đây có thêm nhà máy đóng gói của các tập đoàn khác ở phía Bắc. Bài này giải thích khâu sau gồm những gì, đòi hỏi gì ở nhà xưởng và con người, và nó khác chế tạo chip ra sao.
Khâu trước và khâu sau: hai thế giới khác nhau
Nhiều người đọc tin "nhà máy chip" mà không phân biệt hai khâu. Bảng dưới đặt chúng cạnh nhau ở mức nguyên lý.
| Tiêu chí | Khâu trước (chế tạo trên tấm bán dẫn) | Khâu sau (đóng gói, kiểm thử) |
|---|---|---|
| Đầu vào | Tấm silic trơn, hoá chất, khí siêu sạch | Tấm bán dẫn đã có mạch |
| Công nghệ chính | Quang khắc, khắc, cấy ion, lắng đọng màng | Cắt, gắn chip, nối dây hoặc lật chip, bọc nhựa, kiểm thử |
| Phòng sạch | Cấp rất cao, kiểm soát rung, nhiệt, ẩm cực chặt | Cấp thấp hơn nhưng vẫn nghiêm ngặt ở khu cắt và gắn |
| Vốn đầu tư | Cực lớn, thuộc loại lớn nhất trong công nghiệp | Lớn, nhưng thấp hơn khâu trước nhiều lần |
| Lao động | Kỹ sư quy trình trình độ rất cao | Kỹ sư, kỹ thuật viên và công nhân vận hành đông hơn |
| Ở Việt Nam | Chưa phải thế mạnh, mới ở giai đoạn đầu | Đã có nhà máy của tập đoàn nước ngoài |
Vì vậy, khi nghe "Việt Nam có nhà máy chip", nên hiểu đa phần là khâu sau. Đây vẫn là công nghiệp kỹ thuật cao, cần kỹ sư giỏi và tạo ra nhu cầu cho nhiều nhà cung cấp, nhưng không phải là nơi chip được "sinh ra".
Từ tấm bán dẫn đến con chip có chân: trình tự khâu sau
Có nhiều kiểu đóng gói khác nhau; trình tự dưới đây là kiểu nối dây truyền thống, dễ hình dung nhất.
- Kiểm trên tấm: trước khi cắt, máy dò kim tiếp xúc từng con chip trên tấm để đánh dấu con hỏng, tránh tốn công đóng gói chip lỗi. Bước này có thể làm ở nhà máy chế tạo hoặc nhà máy khâu sau.
- Mài mỏng và cắt: tấm được mài mặt sau cho mỏng theo yêu cầu, dán lên băng, rồi cắt bằng lưỡi kim cương hoặc laser thành từng con chip.
- Gắn chip: máy nhặt từng chip tốt đặt lên khung dẫn hoặc đế, gắn bằng keo hoặc hàn.
- Nối dây: máy hàn dây kéo những sợi dây vàng hoặc đồng mảnh hơn sợi tóc nối từ điểm tiếp xúc trên chip ra chân khung.
- Bọc nhựa: chip đã nối dây được ép trong khuôn nhựa epoxy để bảo vệ khỏi va đập, ẩm, ánh sáng.
- Hoàn thiện chân: cắt tách từng con, uốn chân hoặc gắn bi hàn ở mặt dưới tuỳ kiểu vỏ; khắc ký hiệu bằng laser.
- Kiểm thử cuối: máy kiểm chạy chương trình kiểm chức năng và thông số điện ở nhiều nhiệt độ; một số loại còn qua giai đoạn chạy nóng kéo dài để loại chip yếu.
- Đóng gói giao hàng: chip đạt được xếp vào khay hoặc cuộn băng, hút chân không cùng túi hút ẩm để giao cho nhà máy lắp ráp bo.
Các kiểu đóng gói tiên tiến như lật chip, đóng gói cấp tấm, xếp chồng nhiều chip thay bước nối dây bằng các điểm hàn nhỏ trực tiếp, nhưng logic tổng thể vẫn là: bảo vệ chip, đưa tín hiệu ra ngoài, và chứng minh nó chạy đúng.
Các kiểu vỏ chip thường gặp và chúng nói gì về khâu sau
Nhìn vỏ chip trên một bo mạch, người trong nghề đoán được phần nào cách nó đã được đóng gói. Bảng dưới gom vài kiểu quen thuộc, ở mức nguyên lý.
| Kiểu vỏ | Hình dạng chân | Cách nối chip ra chân | Hay dùng cho |
|---|---|---|---|
| Vỏ có chân hai bên hoặc bốn cạnh | Chân kim loại nhô ra cạnh vỏ | Nối dây | Vi điều khiển, chip nguồn, chip giao tiếp |
| Vỏ không chân lộ ra cạnh | Đệm hàn phẳng dưới đáy và cạnh | Nối dây | Chip nhỏ cần tản nhiệt tốt, chip nguồn |
| Vỏ bi hàn dưới đáy | Lưới bi thiếc dưới đáy | Nối dây hoặc lật chip | Bộ xử lý, bộ nhớ, chip nhiều chân |
| Đóng gói cấp tấm | Bi hàn trực tiếp trên mặt chip | Không qua khung, xử lý ngay trên tấm | Chip rất nhỏ trong điện thoại, thiết bị đeo |
| Đóng gói nhiều chip trong một vỏ | Thường là bi hàn | Kết hợp nhiều kỹ thuật | Mô-đun nhớ, mô-đun sóng, chip hiệu năng cao |
Càng đi xuống bảng, công nghệ càng gần với khâu trước và đòi phòng sạch, thiết bị đắt hơn. Nhà máy khâu sau ở mỗi nước thường bắt đầu từ các kiểu vỏ phía trên rồi mới mở rộng xuống dưới khi có đơn hàng và đội ngũ đủ kinh nghiệm.
Vì sao kiểm thử nặng ngang đóng gói
Người ngoài ngành hay nghĩ kiểm thử là bước phụ. Thực tế, ở nhiều nhà máy khâu sau, khu kiểm thử chiếm diện tích và giá trị thiết bị rất lớn. Lý do là chip được bán kèm cam kết thông số: chạy ở tốc độ nào, tiêu thụ bao nhiêu điện, chịu nhiệt độ nào. Chip cùng một tấm có thể khác nhau chút ít, và kiểm thử là bước phân loại chúng vào đúng hạng.
Máy kiểm thử là thiết bị đắt, chạy chương trình do kỹ sư thiết kế chip và kỹ sư kiểm thử viết, kết nối với máy xử lý tự động nhặt chip từ khay, đặt vào đế kiểm, gia nhiệt hoặc làm lạnh, rồi trả về khay theo kết quả. Một phút máy kiểm đứng yên là chi phí lớn, nên tối ưu thời gian kiểm và độ ổn định của đế tiếp xúc là nghề riêng.
Kiểm thử cũng là nơi tạo ra nhiều dữ liệu nhất. Kết quả của từng con chip được lưu và phân tích để phát hiện xu hướng lỗi, phản hồi về nhà máy chế tạo. Đây là mảng cần kỹ sư hiểu cả điện tử lẫn phân tích dữ liệu, và là chỗ kỹ sư Việt Nam đã tham gia khá sâu ở các nhà máy hiện có.
Nhà xưởng và con người: điều kiện để có một nhà máy khâu sau
Nhà máy đóng gói, kiểm thử cần phòng sạch ở khu cắt, gắn, nối dây; kiểm soát tĩnh điện toàn nhà máy; nguồn điện ổn định, gần như không được phép mất; nước siêu sạch cho khâu rửa; khí nitơ và khí nén sạch. Những điều kiện này giải thích vì sao nhà máy loại này chọn khu công nghệ cao hoặc khu công nghiệp có hạ tầng tốt, và vì sao nhà đầu tư hỏi rất kỹ về độ tin cậy lưới điện.
Về con người, nhà máy cần kỹ sư quy trình, kỹ sư thiết bị, kỹ sư kiểm thử, kỹ sư chất lượng, cùng đội kỹ thuật viên vận hành máy theo ca. Phần lớn công việc không phải thao tác tay như lắp ráp điện thoại mà là giám sát máy, xử lý cảnh báo, thay vật tư, kiểm mẫu. Người làm phải quen mặc đồ phòng sạch suốt ca, tuân thủ quy trình nghiêm và ghi chép đầy đủ.
Các trường đại học kỹ thuật ở Việt Nam đã mở hoặc mở rộng chương trình về vi mạch, bán dẫn trong những năm gần đây. Với sinh viên, khâu sau là cánh cửa vào ngành bán dẫn thực tế nhất ở trong nước, bên cạnh các công ty thiết kế vi mạch.
Nhà cung cấp trong nước có chỗ nào quanh nhà máy chip
Vật tư tiêu hao không lõi. Găng tay, đồ phòng sạch, khăn lau, bao bì, khay, túi chống ẩm. Yêu cầu sạch và ổn định rất cao, nhưng là mảng khả thi với xí nghiệp có phòng sạch và hệ thống chất lượng tốt.
Gia công chi tiết máy và đồ gá. Chi tiết thay thế cho máy xử lý, đế kiểm, đồ gá vận chuyển; cần gia công chính xác và hiểu vật liệu chống tĩnh điện.
Dịch vụ kỹ thuật. Bảo trì phòng sạch, hệ thống khí, nước siêu sạch, hiệu chuẩn thiết bị đo, vệ sinh công nghiệp chuyên biệt.
Bao bì vận chuyển chip. Khay chịu nhiệt, cuộn băng có hốc đựng chip, ống nhựa, túi chắn ẩm; mảng này đòi kích thước chính xác và vật liệu chống tĩnh điện đúng loại, có thể làm trong nước nếu đầu tư khuôn và kiểm soát chất lượng.
Xử lý chất thải và hoá chất đã dùng. Nhà máy khâu sau phát sinh chất thải nguy hại như dung môi, nhựa thừa, chip hỏng, cần đơn vị thu gom xử lý có giấy phép; đây là dịch vụ địa phương bắt buộc phải có quanh nhà máy.
Vật liệu lõi như khung dẫn, dây vàng, nhựa bọc. Phần lớn nhập khẩu từ nhà cung cấp chuyên ngành toàn cầu; khó cho xí nghiệp trong nước trong ngắn hạn.
Những điều nên dè dặt khi đọc tin về bán dẫn
Bán dẫn là lĩnh vực có nhiều tin tức hào hứng. Người đọc nên giữ vài nguyên tắc. Một là phân biệt thiết kế, chế tạo, đóng gói và kiểm thử; mỗi khâu có điều kiện, rủi ro, thời gian khác nhau. Hai là phân biệt cam kết đầu tư, khởi công và vận hành; nhiều dự án công bố nhưng tiến độ còn phụ thuộc thị trường. Ba là cẩn thận với các khoá học, cơ hội đầu tư hứa hẹn "làm chip" nhanh; ngành này cần nền tảng dài hạn.
Với xí nghiệp trong nước, cách tiếp cận thực tế là nhìn vào nhu cầu vật tư, dịch vụ quanh nhà máy khâu sau đang chạy, thay vì chờ đợi những dự án lớn chưa định hình. Với người đi làm, kỹ năng điện tử, đo lường, tự động hoá, phân tích dữ liệu và kỷ luật quy trình là nền chung dùng được ở cả khâu sau lẫn các ngành điện tử khác.
Câu hỏi thường gặp
OSAT là gì?
Là cách gọi trong ngành cho các công ty cung cấp dịch vụ đóng gói và kiểm thử chip theo đơn, không thiết kế hay chế tạo chip. Họ nhận tấm bán dẫn của khách, làm khâu sau và giao chip hoàn chỉnh.
Nhà máy đóng gói chip có phải nhà máy chế tạo chip không?
Không. Nhà máy đóng gói nhận tấm bán dẫn đã có mạch từ nơi khác. Chế tạo mạch trên tấm bán dẫn là khâu trước, cần công nghệ và vốn ở cấp độ khác hẳn.
Học ngành gì để làm ở nhà máy kiểm thử chip?
Thường là điện tử, viễn thông, vi điện tử, cơ điện tử, vật lý kỹ thuật, vật liệu; vị trí phân tích dữ liệu kiểm thử có thể tuyển cả người học khoa học dữ liệu. Tiếng Anh kỹ thuật gần như bắt buộc.
Vì sao chip đóng gói xong lại phải hút chân không với túi hút ẩm?
Vỏ nhựa của chip hút hơi ẩm từ không khí. Khi qua lò hàn, hơi ẩm bên trong giãn nở nhanh có thể làm nứt vỏ hoặc bong lớp bên trong. Túi kín và túi hút ẩm giữ chip khô cho tới lúc lắp ráp.
Chip kiểm thử không đạt sẽ đi đâu?
Tuỳ loại lỗi, chip có thể bị loại hẳn, hoặc với một số loại sản phẩm, được xếp vào hạng thông số thấp hơn nếu vẫn chạy ổn định ở mức đó. Chip loại bỏ được xử lý như chất thải điện tử theo quy định.