We mochten bij fabrikant Lexar kijken hoe zij NAND-flashgeheugenchips uit een siliciumwafer snijden, ze testen en er SSD’s en geheugenkaarten mee vervaardigen.
Hoe Lexar SSD’s produceert zonder eigen NAND-fabrieken
Er is maar een handvol producenten van NAND-flashgeheugenchips in de wereld die ook zelf SSD’s maken. Daarnaast zijn er bedrijven die complete wafers van die chipfabrikanten kopen en verwerken tot flashopslagmedia. Een van die bedrijven is Lexar. In hun fabriek in Suzhou in China konden we zien wat daar allemaal bij komt kijken.
Grofweg snijdt Lexar de afzonderlijke flashchipschijven, dies genoemd, uit de gekochte wafer, test ze, verpakt ze in behuizingen en soldeert ze op printplaten. Dat klinkt op het eerste gezicht misschien eenvoudig, maar het zit hem in de details. Veel chips en vooral geheugenkaarten bestaan bijvoorbeeld uit meerdere op elkaar gestapelde dies. En veel bewerkingen vinden plaats in stofvrije cleanrooms.
Lexar voert veel stappen zelf uit die andere SSD-fabrikanten aan anderen overlaten. In het eenvoudigste geval kopen dergelijke bedrijven afgewerkte chips en SSD-controllers en bijpassende printplaten en gebruiken ze die om hun eigen SSD’s te maken of door derden te laten bouwen – dergelijke SSD-fabrikanten worden fabless genoemd.
De enige fabrikanten van NAND-flash zijn de Koreaanse bedrijven Samsung en SK Hynix (samen met hun dochteronderneming Solidigm), het Amerikaanse Micron, het Japans-Amerikaanse consortium van Kioxia en Western Digital en het Chinese YMTC. Omdat ze zelf SSD’s, geheugenkaarten en USB-sticks produceren, worden ze ook wel verticaal geïntegreerd genoemd. Ze verkopen echter ook ruwe wafers – onder andere aan Lexar.
Lexar werd 30 jaar geleden opgericht door het Amerikaanse halfgeleiderbedrijf Cirrus Logic en direct afgesplitst. Flashfabrikant Micron nam het bedrijf in 2006 over en in 2017 verkocht Micron het merk Lexar weer aan het Chinese Longsys. Sindsdien heeft Longsys DRAM, USB- en M.2-SSD’s en geheugenkaarten op de markt gebracht onder het Lexar-label. Longsys verkoopt sinds 2011 opslag voor industriële toepassingen onder de naam Longsee.
Naast twee productielocaties in Brazilië heeft het bedrijf twee locaties in China: Zhongshan bij Shenzhen en Suzhou bij Shanghai. Locatie Suzhou is een joint-venture onder de naam Longforce met het Taiwanese bedrijf PTI, dat op dezelfde locatie al actief was in packaging voordat Longforce in 2023 opgericht werd. Longsys heeft 70 procent van de aandelen in Longforce.
Verwerking van grondstoffen
Volgens Longsys koopt het zijn flashwafers van Micron, Samsung en SK Hynix. In de toekomst zal de Chinese fabrikant YMTC ook een grotere rol gaan spelen.
Voordat een type wafer in serieproductie terechtkomt, ondergaan eerst veel monsters een uitgebreide kwalificatie in het eigen laboratorium, dat we ook konden bezoeken. Ingenieurs testen daar zowel AC- als DC-gedrag en evalueren de stabiliteit van de geheugencellen onder een groot aantal omstandigheden. Die tests worden voornamelijk gebruikt om geschikte combinaties van NAND en controller te definiëren. Daarnaast bepaalt de capaciteit van de dies hoeveel er in een chip gestapeld moeten worden om de gewenste totale capaciteit te bereiken.
Dat is nodig omdat moderne geheugenmodules hun hoge capaciteit niet bereiken via een enkele zo groot mogelijke chip, maar via het verticaal stapelen van meerdere dies. Een microSD-kaart met een capaciteit van 1 terabyte bestaat meestal uit acht NAND-chips van 128 gigabyte elk. Bij chips wordt echter meestal niet geteld in bytes, maar in bits. Een microSD-kaart met een capaciteit van 1 terabyte bestaat dus meestal uit acht chips met een opslagcapaciteit van 1 terabit elk.
De specificatie voor microSD-kaarten bepaalt een dikte van 0,7 millimeter. Om acht dies in een behuizing te kunnen stoppen, moeten ze erg dun zijn. De dikte is minder kritisch voor SSD-chips, maar men probeert om de capaciteit van een enkele chip te vergroten door nog meer dies toe te voegen.
Voor een optische controle op breuken en scheuren worden dies in kunsthars gegoten en vlak geslepen. (Foto Lexar)
Nu zijn 16 dies gebruikelijk en Kioxia kondigde vorig jaar aan 8TB-chips met 32 dies te gaan maken. Dat overschrijdt echter al snel de grenzen van gestandaardiseerde ontwerpen: de packages zijn daarbij 2 millimeter dik.
De productie van wafers
Net als bij andere halfgeleiders is het uitgangsmateriaal voor NAND-flash zeer zuiver silicium, dat wordt gewonnen uit kwartszand. Polykristallijn silicium met een zuiverheid van 99,9999999 procent wordt geproduceerd in een complex zuiveringsproces. Dat materiaal smelt in een oven bij meer dan 1400 graden Celsius. Met behulp van het Czochralski-proces haalt een apparaat dan langzaam een cilindrisch enkel kristal (ingot) uit de smelt. Die staaf heeft meestal een diameter van 300 millimeter (12 inch) en een lengte van 1,5 tot 2 meter en weegt meer dan 100 kilogram.
Diamantzagen snijden de ingot in flinterdunne plakjes, de zogeheten wafers. Typische wafers zijn 0,775 millimeter dik. Het zagen wordt gevolgd door slijpen en polijsten tot het oppervlak bijna atomair glad is.
De fabriek bouwt dan laag voor laag de NAND-structuren op de gepolijste wafer op. Bij 3D-NAND betekent dit dat tientallen of honderden afwisselende lagen siliciumnitride en siliciumdioxide worden opgebracht door middel van dampdepositie of chemische dampdepositie (CVD).
Machines etsen vervolgens kleine kanaaltjes verticaal door de hele laagstapel. Die kanaaltjes worden later gevuld met geleidend materiaal en vormen de eigenlijke opslagcellen.
Fotolithografie wordt gebruikt voor de horizontale structuren. Een lichtgevoelige laag (fotolak) wordt aangebracht, door een masker blootgesteld aan UV-licht en vervolgens gedeeltelijk weg geëtst. Zo ontstaan de fijne geleidingsbanen en contacten. Dat proces wordt honderden keren herhaald, afhankelijk van het chipontwerp. De dies worden getest voordat ze verder worden verwerkt. De industrie noemt dat proces wafer sort of wafer probe. Fijne naalden (probes) worden op de contactvlakken van elke chip geplaatst om de elektrische functionaliteit te testen.
Het systeem markeert defecte dies met een dosis inkt of elektronisch. Doorgaans functioneert 70 tot meer dan 95 procent van de dies perfect. De opbrengst hangt sterk af van de volwassenheid van het productieproces. Nieuwe technologieën met meer lagen hebben aanvankelijk een lagere opbrengst, die in de loop van de massaproductie toeneemt.
Slijpen en polijsten
De eerste bewerkingsstap in de productie is dus het dun slijpen van de wafer (thinning). Alle volgende stappen vinden plaats in de cleanroom – en telkens als daar een groep bezoekers doorheen gaat, neemt de foutmarge toe, vertelt een ingenieur van Lexar.
Eerst bevestigt Longforce de wafer, die net geen 0,8 millimeter dik is, op een draagfolie en slijpt hem dan mechanisch vanaf de achterkant. Na het slijpen van de achterkant blijft er in de industriële praktijk meestal 30 tot 40 micrometer over. Dunnere dies maken hogere stapels mogelijk, maar maken de verwerking steeds complexer. Verschillende effecten beperken verdere verkleining:
- Warpage: naarmate de dikte afneemt, trekt de wafer meer krom en wordt hij moeilijker te hanteren.
- Mechanische gevoeligheid: dunne dies breken makkelijker en ontwikkelen microscheurtjes.
- Materiaaleffecten: de migratie van metalen zoals koper begint eerder en vermindert de werking.
- Betrouwbaarheid: bad blocks komen eerder en in grotere aantallen voor.
- Lagere Yield: het uitvalpercentage neemt merkbaar toe tijdens de productie.
De pogingen van Longforce om de dikte onder de 30 micrometer te krijgen, leidden tot onaanvaardbare resultaten. Te veel componenten vertoonden vroegtijdige defecten. Bij massaproductie is 30 micrometer daarom een praktisch minimum geworden. Voor bijzonder robuuste toepassingen, zoals in de automobielsector met temperatuurvereisten van -20 tot +85 °C, worden zelfs bewust dikkere dies gebruikt om de betrouwbaarheid te vergroten.
Na het slijpen en polijsten scheidt Longforce de dies uit de wafer (dicing). Daar zijn twee methoden voor beschikbaar: het klassieke mechanische snijden met een diamantzaag of het modernere laser-dicing. Het laserproces vermindert de mechanische spanning aanzienlijk, maar is wel duurder. Een bijbehorend systeem kost ongeveer twee tot drie miljoen dollar. Toch is dat algemeen gangbaar in de productie omdat het de kwetsbare dies beter beschermt.
Chips bouwen
Bij de volgende stap pakt een robot de individuele dies op met een vacuümmondstuk en plaatst ze op een substraat dat al geleide banen en contactvlakken bevat voor latere integratie. De dies worden enigszins verschoven op elkaar gestapeld zodat hun contactoppervlakken aan de rand blootliggen. Flinterdunne afstandhouders (spacers) of kleeffolie (Die Attach Film, DAF) worden tussen het substraat en de afzonderlijke dies geplaatst.
Na het stapelen verbindt een machine de contactpads aan de bovenkant van elke die met de verbindingspads op het substraat. Daarvoor worden flinterdunne gouddraadjes gebruikt of – tegenwoordig vaker – koperdraadjes met een diameter van ongeveer 20 micrometer. Bij Longforce is de dikte 17 micrometer.
De machine last elke draad aan beide uiteinden stevig vast met ultrasoon geluid en druk. Dat beproefde proces van wire-bonding is robuust en kostenefficiënt. Volgens een productie-ingenieur haalt de machine een snelheid van vijf verbindingsdraden per seconde: met het blote oog kun je daar alleen naar gissen.
Voor hogere eisen, zoals hogere klokfrequenties, gebruikt Longforce het zogenaamde flipchipproces. Bij dat proces wordt de chip omgedraaid en direct op het substraat aangesloten via kleine soldeerbolletjes (bumps). De signaalpaden zijn dan aanzienlijk korter en de mogelijke datasnelheid neemt toe, maar de kosten zijn hoger dan bij wire bonding.
Longforce gebruikt flipchip-packaging alleen als het noodzakelijk is. Dat is bijvoorbeeld het geval bij microSD-kaarten volgens de Express-standaard, waarbij de packaging de controller al bevat.
Afwerking
Na het maken van de elektrische verbindingen sluit Longforce de hele package in met een gietmassa (molding-compound) op basis van epoxy. Dat materiaal omsluit de die, de verbindingsdraden en het substraat volledig en vormt de eigenlijke behuizing.
Die inkapseling heeft verschillende functies. Het beschermt de interne structuren tegen vocht, stof en mechanische spanning, stabiliseert het hele onderdeel mechanisch en voorkomt directe toegang tot het NAND-geheugen.
Longforce voorziet vervolgens elk onderdeel met een laser van een individuele ID. Die bevat aanzienlijk meer informatie dan een serienummer, zoals de positie van de die op de oorspronkelijke wafer, de batchnummers van alle materialen (NAND, substraat, controller, lijm), de gebruikte machines en de respectievelijke procesparameters.
Al die gegevens bewaart Longforce in een gecentraliseerd productiesysteem. Elke afzonderlijke geheugenkaart en elke NAND-chip kan daarom worden getraceerd naar de specifieke machine en de productietijd. Als er later problemen optreden, kan Longsys de oorzaak achterhalen – bijvoorbeeld een specifieke waferbatch of een machine in een bepaald tijdsvenster.
Die traceerbaarheid is vooral een vereiste van klanten uit de embedded sector, die meer dan 90 procent van de productie op de locatie in Suzhou voor zijn rekening neemt. NAND-flash voor consumenten-SSD’s en -geheugenkaarten maakt slechts een klein deel uit. Volgens Longforce eisen vooral klanten uit de auto-industrie volledige traceerbaarheid.
Er wordt niet voor elk onderdeel apart gegoten, maar in groepen. Precisiezagen scheiden de componenten vervolgens van elkaar. In het geval van componenten met soldeerballetjes als verbindingen, zogeheten Ball Grid Arrays (BGA), bevestigt Longforce de balletjes voordat ze worden gescheiden.
Een daaropvolgend reflowproces smelt die balletjes op een gecontroleerde manier zodat ze permanent vastzitten. Het onderdeel is dan klaar voor assemblage met behulp van Surface Mount Technologie (SMT) – bijvoorbeeld op het moederbord van een smartphone, in een embedded-system of als onderdeel van een SSD.
MicroSD- en UFS-kaarten zijn klaar na het zagen, terwijl het opslaggeheugen voor SD- en CF-kaarten dan in de uiteindelijke behuizing geplaatst wordt. Een laatste visuele inspectie controleert elk onderdeel op zichtbare defecten voordat het verder gaat naar de testfase.
Testen
Voor het testen vertrouwt Longforce op een combinatie van eigen testsystemen en standaard industriële oplossingen. Longforce ontwikkelt veel hanteringsmachines (testhandlers) zelf. Een eigen technische afdeling ontwerpt de concepten, laat ze door externe partners bouwen en programmeert de testreeksen intern.
Vanuit het oogpunt van het bedrijf zijn die testprogramma’s een centrale kerncompetentie: ze bepalen hoe betrouwbaar vroegtijdige storingen worden herkend voordat een onderdeel de fabriek verlaat.
De reeks tests gaat veel verder dan een zuiver functionele test. Het bedrijf voert veel van de volgende tests echter alleen steekproefsgewijs uit:
- Elektrische tests: volledige functionele tests van elk onderdeel, vaak parallel op honderden of meer dan duizend chips tegelijk.
- Burn-in: werking bij hoge temperaturen, meestal tot 85 °C voor consumententoepassingen en 110 °C voor industriële toepassingen, om vroegtijdige storingen uit te lokken en die chips af te keuren.
- Temperatuurcycli: afwisseling tussen lage en hoge temperaturen om de thermische belastbaarheid realistisch te testen.
- Highly Accelerated Stress Test (HAST): componenten worden getest bij 85 °C, 85 procent luchtvochtigheid en meer dan drie atmosfeer druk. De standaardlooptijden liggen tussen 24 en 168 uur, afhankelijk van de eisen van de klant.
- ESD-tests: testen van de weerstand tegen elektrostatische ontlading.
- Mechanische testen: valtests op drie assen, stress- en waterbestendigheidstests en tests voor vrije val vanaf een bepaalde hoogte.
- Powercycling: diverse uitschakelproeven om het gedrag te controleren bij een plotseling spanningsverlies.
De elektrische test wordt gevolgd door de laatste visuele inspectie, vaak met behulp van laserscans om de geometrie en volledigheid te controleren. De componenten worden vervolgens zes tot acht uur gedroogd bij meer dan 100 °C om het vocht dat in het behuizingsmateriaal zit te verwijderen. Geheugenkaarten worden daarna verpakt en verkocht, geheugenchips worden naar de volgende fabriek gestuurd voor de assemblage van SSD’s.
SSD’s bouwen
Het assembleren van de printplaten voor M.2- en USB-SSD’s is minder complex dan het produceren van de chips. Een gespecialiseerde fabrikant produceert de printplaten (PCB’s) volgens de ontwerpspecificaties van de fabrikant. Zo’n printplaat bestaat uit meerdere koperlagen met fijne geleidingssporen, verticale verbindingen (via’s) en soldeerpads voor de componenten aan de boven- en onderkant.
Het eigenlijke assemblageproces is grotendeels geautomatiseerd. Na het aanbrengen van soldeerpasta plaatst een automatische plaatsingsmachine de componenten van banden of trays op de printplaat. De kleinere passieve componenten (weerstanden, condensatoren) worden eerst bevestigd, gevolgd door de grote IC’s. NAND-flash-packages, controllerchip en, indien nodig, DRAM-module. Moderne automatische plaatsingsmachines plaatsen tot 80.000 componenten per uur met micrometerprecisie.
Daarna gaat de printplaat door een reflow-oven. Die verhit de printplaat op een gecontroleerde manier tot ongeveer 250 °C zodat de soldeerpasta smelt en er stabiele soldeerverbindingen ontstaan tussen de aansluitingen van de componenten en de pads.
De temperatuurcurve (soldeerprofiel) moet precies goed zijn – te weinig warmte resulteert in koude soldeerverbindingen, te veel warmte beschadigt de componenten en te snel afkoelen veroorzaakt mechanische spanningen.
Na een visuele controle en een röntgeninspectie zijn de printplaten klaar voor de eindtest, het eventueel installeren in USB-behuizingen en de verpakking en verzending.
Lutz Labs en Marco den Teuling
Praat mee