Front-end versus back-end in de halfgeleiderproductie: processtappen, apparatuur en bedrijven vergeleken

De productie van halfgeleiders bestaat grofweg uit een front-end- en een back-end-proces. In de front-end worden op een siliciumwafer telkens weer stappen als depositie, belichting, etsen en ionenimplantatie herhaald om transistors en bedrading aan te brengen. In de back-end wordt de voltooide wafer in losse chips verdeeld, die in een behuizing worden geassembleerd, met de buitenwereld worden verbonden en na tests worden verzonden. Met geavanceerde packaging zoals chiplets worden de stappen tussen beide in steeds belangrijker.

KenmerkFront-endBack-end
DoelTransistors en bedrading op de wafer aanbrengen en de schakeling voltooienChips uitzagen, in een behuizing assembleren en met de buitenwereld verbinden tot een product dat kan worden geleverd
Belangrijkste stappenReinigen, oxideren, depositie (CVD, PVD), lithografie, etsen, ionenimplantatie, warmtebehandeling, CMP, aanleggen van bedradingBackgrinding, dicing, die bonding, verbinden via wire bonding of flip-chip, inkapselen in kunststof (molding), markeren, eindtest
EenheidWafers (diameter 300 mm, 200 mm enz.)Chips (dies) en behuizingen
Afmetingen van de bewerkingIn het nanometerbereik (nm)Vooral van micrometers (µm) tot millimeters (mm)
Aantal stappen en doorlooptijdHetzelfde soort stappen wordt herhaald voor elke laag. Bij geavanceerde logica zijn er meer dan duizend stappen en duurt alleen de front-end al meer dan 3 maandenMinder stappen dan in de front-end, en een kortere doorlooptijd
Belangrijkste apparatuurBelichtingsmachines, etsapparatuur, depositieapparatuur, ionenimplanters, CMP-apparatuur, reinigingsapparatuurDicers, die bonders, wire bonders, moldingapparatuur, testers (ATE), handlers
WerkomgevingCleanrooms met een zeer hoge reinheidOok cleanrooms, maar vaak is een minder hoge reinheid nodig dan in de front-end
InspectieTussentijds optische inspectie en meting van laagdikte en afmetingenWafertest (soms ook tot het einde van de front-end gerekend), eindtest na het verpakken en zo nodig burn-in
BedrijvenIDM's en foundriesIDM's en OSAT's (uitbesteders van back-endwerk). Ook steeds meer foundries bieden geavanceerde packaging aan

De getalswaarden zijn typische ordegroottes en variëren per procesgeneratie en product.

Wanneer welke variant?

Front-end
Bepaalt prestaties, vermogensverbruik en integratiedichtheid van de chip. Hier draait de race om verdere verkleining, en de investeringen in onder meer belichtingsmachines zijn groot.
Back-end
Beschermt de chip, voert warmte af en verbindt de chip met de printplaat. Het type behuizing en de verbindingsmethode beïnvloeden de grootte van het product, de warmteafvoer en de signaalsnelheid.
Middle-end
Stappen waarin technieken die dicht bij de front-end liggen op waferniveau voor packaging worden gebruikt, zoals TSV's, fijne herbedrading en het aanbrengen van bumps, worden soms middle-end genoemd. Ze zijn belangrijk geworden voor chiplets en gestapeld geheugen.

Veelgestelde vragen

Waar ligt de grens tussen front-end en back-end?

Over het algemeen hoort alles tot en met het voltooien van de schakeling op de wafer bij de front-end, en alles vanaf het verdelen van de wafer in chips en het assembleren in behuizingen bij de back-end. Of de elektrische test per chip (wafertest) bij de ene of de andere wordt gerekend, verschilt per bedrijf en per bron.

Waarom duurt de front-end langer?

Omdat stappen als depositie, belichting en etsen tientallen keren worden herhaald, voor elke laag van transistors en bedrading. Bij geavanceerde logische halfgeleiders zijn er meer dan duizend stappen, en het duurt meer dan 3 maanden van het invoeren van de wafer tot het einde van de front-end.

Waarom staat de back-end in de belangstelling?

Omdat het moeilijk is geworden de prestaties alleen door verkleining te blijven verbeteren, en methoden om prestaties te verhogen met chiplets en 3D-packaging, waarbij meerdere chips dicht naast of op elkaar in één behuizing worden geplaatst, zich uitbreiden. Er komen steeds meer voorbeelden waarin back-endtechniek de prestaties van een product bepaalt, zoals HBM, waarbij gestapeld geheugen naast de processor wordt geplaatst.

Wat is een OSAT?

Een afkorting van Outsourced Semiconductor Assembly and Test: een bedrijf dat de assemblage en tests van de back-end in opdracht uitvoert. Het ontvangt voltooide wafers van fabless bedrijven en foundries en verzorgt de packaging en het testen.

Test uw begrip

Welke indeling van de „front-end” en de „back-end” van halfgeleiderproductie is juist?

  1. AFront-end is ontwerp, back-end is productie
  2. BFront-end is het proces waarin circuits op de wafer worden gemaakt; back-end is het proces waarin chips worden uitgesneden, geassembleerd en getest
  3. CFront-end is inspectie, back-end is waferproductie
Antwoord en toelichting tonen

Antwoord: B. Front-end is het proces waarin circuits op de wafer worden gemaakt; back-end is het proces waarin chips worden uitgesneden, geassembleerd en getest

Het front-end is het proces waarin door herhaalde depositie, lithografie, etsen, ionenimplantatie enzovoort circuits op de wafer worden gemaakt. Het back-end is het proces waarin de uit de wafer gesneden chips in een package worden geassembleerd, getest en verzonden. Ontwerp is een aparte fase vóór de productie. De laatste jaren wint advanced packaging, waarbij herbedrading en chipstapeling op waferniveau plaatsvinden, aan belang, waardoor de grens tussen beide vervaagt.

Welke periode benadert het best de doorlooptijd, van het inbrengen van een wafer in de productielijn tot de voltooiing van het front-end, bij geavanceerde logische halfgeleiders?

  1. AOngeveer 1 dag
  2. BEnkele maanden (ruwweg 3 maanden of meer)
  3. COngeveer 10 jaar
Antwoord en toelichting tonen

Antwoord: B. Enkele maanden (ruwweg 3 maanden of meer)

Bij geavanceerde logische halfgeleiders omvatten processen zoals belichting, depositie en etsen in totaal meer dan duizend stappen, en alleen het front-end duurt al 3 maanden of meer. Daar komen back-end en test bij, en de bouw van een nieuwe fabriek duurt meer dan 2 jaar; daardoor kan het aanbod bij een plotselinge vraagstijging niet snel worden opgevoerd, wat een van de factoren is die mismatch tussen vraag en aanbod en tekorten gemakkelijk maakt. In 1 dag kunnen zoveel processtappen niet worden afgerond, en 10 jaar is te lang.

Welke reden voor het toenemende belang van het back-end (packaging) de laatste jaren is passend?

  1. AOmdat het back-end niet meer nodig is
  2. BOmdat de kosten van de package vrijwel nul zijn geworden
  3. COmdat chiplets en advanced packaging een belangrijk middel zijn geworden om de systeemprestaties te verhogen
Antwoord en toelichting tonen

Antwoord: C. Omdat chiplets en advanced packaging een belangrijk middel zijn geworden om de systeemprestaties te verhogen

Nu het moeilijk is om de prestaties alleen via schaalverkleining te verhogen, is advanced packaging, waarbij meerdere chips met hoge dichtheid worden verbonden, een middel geworden om prestaties en energie-efficiëntie te verbeteren. Bij AI-halfgeleiders bepaalt de productiecapaciteit voor 2,5D-integratie, waarbij HBM naast de processor wordt geplaatst en via een silicium-interposer wordt verbonden, zelfs de leverbare hoeveelheid van producten. Het back-end is niet overbodig geworden en de kosten zijn niet nul.

  1. Welke uitleg over dicing (zagen) is juist?
  2. Hoe heet de inspectie waarbij aan een wafer na de front-end-processen onder meer de drempelspanning en de vierkantsweerstand van TEG's worden gemeten om te controleren of het proces volgens specificatie is verlopen?
  3. Hoe heet het procesgebied waarin geavanceerde packagingprocessen, die fijne bewerkingstechnieken in de buurt van front-end gebruiken zoals het vormen van TSV's en fijne herbedradingslagen, op de wafer worden uitgevoerd en dat tussen front-end en back-end ligt?

Oefenvragen over Halfgeleiderindustrie en markt

Belangrijke termen uitgelegd

Dicing
Proces waarbij de wafer in afzonderlijke chips (dies) wordt gesneden. Naast snijden met een draaiend blad bestaat er onder meer stealth dicing, waarbij met een laser een gemodificeerde laag in het inwendige wordt gemaakt.
Backgrinding
Processtap waarbij de achterzijde van de wafer vóór het dicen wordt geslepen om hem dunner te maken, zodat het pakket dunner wordt. Voor chips die worden gestapeld wordt hij tot enkele tientallen µm uitgedund.
Wirebonden (wire bonding)
Verbindingsmethode waarbij de elektrodepads van de chip met dunne metaaldraden van goud of koper worden verbonden met het leadframe of het substraat.
Wafertest (probe test)
Stap voor het zagen waarbij probes op de elektroden van elke chip op de wafer worden gezet om de elektrische eigenschappen te testen. Defecte chips worden voor de assemblage gevonden, zodat onnodige assemblage wordt vermeden.
OSAT
Bedrijf dat in opdracht back-end-processen zoals assemblage en testen van halfgeleiders uitvoert.

Verwante vergelijkingen