Taking the glucose chip to mass productionĐưa chip đo đường huyết vào sản xuất hàng loạt

An engineer who works on one stage of a chip may never see the last one. The glucose-sensing chip that Nanochap Electronics designed in chapter 7 is now a finished, checked layout. This chapter follows it out of the designers’ hands, through the last three steps of chapter 2’s design flow (mask data preparation, fabrication, and packaging and test) and then past its end: to debugging real chips, testing them in volume, and a customer’s finished product.

Người làm một khâu trong quá trình thiết kế chip có khi không bao giờ nhìn thấy khâu cuối cùng. Con chip đo đường huyết mà Nanochap Electronics thiết kế ở chương 7 giờ đã có bản layout hoàn chỉnh, kiểm tra xong. Chương này theo con chip rời tay người thiết kế, qua ba bước cuối trong quy trình thiết kế (design flow) ở chương 2 là mask data preparation (chuẩn bị dữ liệu mask), chế tạo, rồi đóng gói và kiểm thử. Sau đó nó còn đi tiếp, qua cả điểm cuối của quy trình ấy: gỡ lỗi trên chip thật, kiểm thử với số lượng lớn, rồi tới sản phẩm hoàn chỉnh của khách hàng.

In this chapter

Trong chương này

• What happens between tape-out and the first chips
• How the first chips are tested, then packaged
• How engineers find a fault inside a finished chip
• Why the share of good chips weighs so much on what each one costs
• What a medical customer does before it buys in volume

• Chuyện gì diễn ra từ lúc tape-out đến khi có những con chip đầu tiên
• Những con chip đầu tiên được thử rồi đóng gói ra sao
• Kỹ sư tìm lỗi bên trong một con chip đã làm xong bằng cách nào
• Vì sao tỷ lệ chip đạt chuẩn ảnh hưởng lớn tới giá thành mỗi con chip
• Khách hàng làm thiết bị y tế phải làm gì trước khi mua chip số lượng lớn

Checking every layer before the masks are made

Kiểm tra từng lớp trước khi làm mask

Chapter 5’s university chip was taped out on a shared wafer, one design among many. A chip headed for mass production goes to the foundry, which has a set of masks made for it alone. A mask is a plate that carries the pattern of one layer of the chip: in lithography, light shone through it prints that pattern onto the wafer, and the chip is built up one layer at a time. The glucose chip takes about 30 masks, one for each layer. That is in line with older mixed-signal processes: one foundry’s 0.18 µm process, for comparison, uses 24 to 29, depending on how many metal wiring layers a design needs.^8.1

Con chip của phòng thí nghiệm đại học ở chương 5 đã tape-out trên một MPW (wafer dùng chung) cùng nhiều thiết kế khác. Còn con chip hướng tới sản xuất hàng loạt thì được foundry cho làm một bộ mask riêng. Mask là tấm khuôn mang hình mẫu của một lớp trên con chip: trong bước quang khắc, ánh sáng chiếu qua mask in hình mẫu ấy lên wafer, và con chip hình thành qua từng lớp một. Con chip đo đường huyết cần khoảng 30 mask, mỗi lớp một mask. Con số ấy ngang với các quy trình mixed-signal đời cũ: để so sánh, quy trình 0,18 µm của một foundry dùng từ 24 đến 29 mask, tùy thiết kế cần bao nhiêu metal layer (lớp dây kim loại).^8.1

Before any mask is made, the foundry commonly sends back each layer as it will be written onto the mask, for the designers to check against their own layout, from the first layer to the last.^8.2 A mistake on a mask would be printed onto every chip made with it, so this last look is worth the time.

Trước khi làm mask, foundry thường gửi lại từng lớp đúng như sẽ được ghi lên mask, để người thiết kế đối chiếu với layout của mình, từ lớp đầu tiên cho tới lớp cuối cùng.^8.2 Một lỗi trên mask sẽ bị in lên mọi con chip làm từ nó, nên lần soát cuối này rất đáng công.

Then comes the wait. The first chips come back a few months after tape-out: two to three months, in one chip company’s experience. A shared shuttle run can take three to six months from tape-out to the delivery of the dies.^8.3

Rồi đến lúc chờ. Những con chip đầu tiên thường về tới tay nhóm thiết kế vài tháng sau tape-out: hai đến ba tháng, theo kinh nghiệm của một công ty chip. Một lượt chế tạo trên wafer dùng chung có thể mất ba đến sáu tháng tính từ tape-out đến khi giao die.^8.3

Those months go into planning the tests and getting the packages ready. The package itself is planned from the specification and settled while the layout is drawn: which pin sits next to which, and how each one is brought out, the chip’s pinout, has to be fixed in the layout.

Những tháng ấy dành cho việc lên kế hoạch kiểm thử và chuẩn bị đóng gói. Còn kiểu đóng gói thì người ta đã dự tính ngay từ bản yêu cầu kỹ thuật và chốt trong lúc vẽ layout. Chân nào nằm cạnh chân nào, mỗi chân đưa ra ngoài theo đường nào, tức sơ đồ chân (pinout) của con chip, đều phải định sẵn trong layout.

The first chips are tested on a board, then packaged

Những con chip đầu tiên được thử trên bo mạch rồi mới đóng gói

The quickest way to test the first chips leaves the package for later. With chip-on-board, the method chapter 1 described, the bare die is glued onto a test board and its pads are wire-bonded straight to the board. It is the cheapest and fastest route, and it leaves almost every pad within reach of the test equipment. If the chips measure as they should, they go on to be packaged.

Cách nhanh nhất để thử những con chip đầu tiên là để việc đóng gói lại sau. Với chip-on-board, cách gắn đã nói ở chương 1, người ta dán die trần lên bo mạch thử rồi nối dây (wirebond) thẳng từ các pad của die xuống bo. Cách này rẻ nhất, nhanh nhất, và gần như pad nào của die cũng nằm trong tầm với của thiết bị đo. Nếu đo đạc thấy chip chạy đúng, người ta mới đem chip đi đóng gói.

For a small medical device, size comes first, so this chip ships most often as a wafer-level chip-scale package (WLCSP): no larger than the die itself, it carries 25 solder balls in a 5 × 5 grid on its underside and measures 2.4 × 2.48 mm.^8.4 The chip also comes in a quad flat no-lead (QFN) package, a small plastic one with flat contacts along its four edges and no legs sticking out.

Với một thiết bị y tế nhỏ, kích thước là yêu cầu hàng đầu, nên con chip này chủ yếu được đóng gói theo kiểu WLCSP (wafer-level chip-scale package). Với kiểu này, package (phần đóng gói của chip) không lớn hơn chính die: mặt dưới có 25 viên bi hàn xếp thành lưới 5 × 5, và cả con chip chỉ có kích thước 2,4 × 2,48 mm.^8.4 Con chip còn có bản đóng gói QFN (quad flat no-lead): một khối nhựa nhỏ có tiếp điểm phẳng dọc bốn cạnh, không có chân nhô ra ngoài.

The packaged chip then goes on a green test board that doubles as a prototype (plate 8.1). Connectors along one edge take a sensor’s electrodes; the chip sits on a round part in the middle, ringed by slots. Once the board has been tested, or once a customer has bought one and found that it does what it needs, the round part can be cut out and built into the customer’s own prototype device.

Chip đóng gói xong sẽ nằm trên một bo thử nghiệm màu xanh lá, vừa để kiểm thử vừa làm luôn nguyên mẫu (hình 8.1). Các đầu nối dọc một mép bo dành cho điện cực của cảm biến; con chip nằm trên một phần tròn ở giữa, bao quanh là những khe cắt. Khi bo đã thử xong, hoặc khi khách hàng mua bo về, thử và thấy nó đúng như mình cần, phần tròn ấy có thể được cắt rời để lắp vào nguyên mẫu thiết bị của chính khách hàng.

When a chip has a bug

Khi con chip có lỗi

Getting that far is rarely smooth: in one large industry survey of 2024, only 14% of chip projects got it right the first time.^8.5 Some faults show up only in real silicon, because the simulations did not cover them. Others come from haste: a customer’s product launch sets a deadline, the chip supplier has to deliver before it, and the time from design to tape-out gets squeezed. Rushing is bad practice, but it happens. A fault in the design, or one the process repeats on every wafer, can leave a chip slow, unreliable or not working at all; then the fault has to be found and fixed, and the chip made again. A chip spoiled by a one-off defect is simply caught by testing and set aside.

Đi được đến đó hiếm khi suôn sẻ: trong một khảo sát lớn của ngành năm 2024, chỉ 14% dự án chip làm đúng ngay từ lần đầu.^8.5 Có những lỗi chỉ lộ ra trên chip thật, vì các lần mô phỏng chưa bao quát tới những trường hợp ấy. Có những lỗi sinh ra vì vội: khách hàng định sẵn ngày tung sản phẩm mới, bên cung cấp chip phải giao trước hạn ấy, và thời gian từ thiết kế đến tape-out bị ép lại. Làm vội là điều không nên, nhưng vẫn xảy ra. Một lỗi thiết kế, hay một lỗi sản xuất lặp lại trên mọi wafer, có thể khiến chip chạy kém, thiếu tin cậy hoặc không chạy được; khi ấy phải tìm ra lỗi, sửa, rồi làm lại chip. Còn một con chip hỏng vì khuyết tật ngẫu nhiên thì khâu kiểm thử sẽ phát hiện và loại ra.

Bench tests show that something is wrong; failure analysis finds where, with tools that look inside a finished chip (plate 8.2). X-ray inspection sees through the package and can show some hidden faults, such as a bond wire out of place, without opening it. Opening the package, called decapsulation, lays the die and its bond wires bare under a microscope, where a burn beside the pads can be seen. And a focused ion beam (FIB), a fine stream of gallium ions, can rewire the chip itself: it cuts a metal line or lays down a new one, to isolate a suspect circuit and test it, with no new masks.^{8.6, 8.7}

Thử trên bàn đo cho biết có chỗ sai; còn tìm xem chỗ sai nằm ở đâu là việc của phân tích lỗi (failure analysis), với những công cụ nhìn được vào bên trong một con chip đã hoàn chỉnh (hình 8.2). Chụp X-quang nhìn xuyên qua package và có thể cho thấy một số lỗi bị che khuất, chẳng hạn một sợi dây nối lệch chỗ, mà không cần mở nó ra. Việc mở package, tức decapsulation, để lộ die cùng các dây nối dưới kính hiển vi, nơi thấy được cả vết cháy cạnh các pad. Còn chùm ion hội tụ (focused ion beam, FIB), một dòng ion gali rất mảnh, có thể sửa dây nối ngay trên con chip. Nó cắt một đường kim loại hoặc lắng đọng một đường mới để tách riêng một mạch bị nghi ngờ ra kiểm thử, không cần làm mask mới.^{8.6, 8.7}

Failure analysis needs machines that a small chip company often does not have, so its chips go to an outside lab, and the distance to that lab matters. When an X-ray or FIB lab is a short trip away, a suspect chip can go over in the morning and, in one chip company’s experience, the first images come back the same afternoon, so each round of debugging is short. When every chip has to be sent far away, or no one nearby can image it or cut it, each round waits on the journey, and the product waits with it.

Phân tích lỗi cần những máy móc mà một công ty chip nhỏ thường không có, nên chip phải mang đến một phòng thí nghiệm bên ngoài, và phòng thí nghiệm ấy gần hay xa có ý nghĩa lớn. Theo kinh nghiệm của một công ty chip, nếu một nơi chụp X-quang hay có máy FIB chỉ cách một quãng đường ngắn, chip nghi có lỗi có thể mang đi buổi sáng và chiều đã có những ảnh đầu tiên. Nhờ vậy, mỗi vòng gỡ lỗi đều ngắn. Nếu lần nào cũng phải gửi chip đi xa, hay không tìm ra nơi chụp ảnh, nơi cắt mạch, mỗi vòng lại mất thời gian chờ chip đi và về, và sản phẩm cũng chờ theo.

Mass production brings the problem of yield

Sản xuất hàng loạt đặt ra bài toán tỷ lệ chip đạt chuẩn

Only when the faults are fixed and everything works does mass production begin, and it brings problems of its own. The central one is yield, the share of chips that work as required. A company that makes and sells chips earns its profit by cutting every cost it can, in manufacturing, in testing and in packaging, and by raising the number of chips that work. Every chip that fails is a cost the good ones have to carry.

Chỉ khi đã sửa hết lỗi và mọi thứ chạy ổn, việc sản xuất hàng loạt mới bắt đầu, và nó có những bài toán riêng. Bài toán lớn nhất là yield (tỷ lệ chip đạt chuẩn), tức phần trăm số chip chạy đúng yêu cầu. Một công ty làm chip và bán chip kiếm lời bằng cách cắt giảm mọi khoản chi phí có thể, từ sản xuất, kiểm thử đến đóng gói, đồng thời nâng số chip chạy tốt lên. Mỗi con chip hỏng là một khoản chi phí mà những con chip tốt phải gánh.

So in volume, testing and packaging take a large share of the work (plate 8.3). Each die is probed while it is still on the wafer, in a wafer test; packages built many to a sheet, called a panel, can be checked before the sheet is cut apart; and every packaged chip passes a final test before it ships. Test engineers run this in a test factory: automatic probe stations step from die to die and test handlers move packaged chips into test sockets, while the test instruments wired to them measure each chip.

Vì vậy, khi làm số lượng lớn, kiểm thử và đóng gói chiếm một phần lớn công việc (hình 8.3). Người ta dùng kim dò kiểm thử từng die khi nó còn nằm trên wafer, gọi là wafer test. Nhiều package được làm chung trên một tấm, gọi là panel, và cả tấm có thể được kiểm tra trước khi cắt rời. Mỗi con chip đã đóng gói đều qua bước kiểm thử cuối cùng (final test) trước khi giao đi. Các kỹ sư kiểm thử làm việc này trong nhà máy kiểm thử: probe station tự động dò lần lượt từng die, test handler đưa chip đã đóng gói vào đế thử, còn các thiết bị đo nối với chúng thì đo từng con chip.

Much of this work involves no chip design at all. Testing, packaging and the boards around them are part of the same semiconductor chain, and they draw on what an ordinary electronics degree teaches, so an electronics graduate who never designs a chip can still find work here.

Phần lớn công việc này không đòi hỏi phải thiết kế chip. Kiểm thử, đóng gói và các bo mạch đi kèm cũng thuộc cùng một chuỗi bán dẫn, và dựa trên những kiến thức nền mà một chương trình đào tạo ngành điện tử thông thường vẫn dạy. Người học điện tử dù không thiết kế chip vẫn có thể tìm được việc ở đây.

The road from chip to product is long

Con chip còn một chặng đường dài mới thành sản phẩm

Samples go to customers early, often on a test board like the one in plate 8.1, and here the customers are medical-device companies. Their road is long. A customer first builds a prototype around the chip, tests it and gets regulatory approval for its device; only then does it order chips in volume, make its product and sell it.

Chip mẫu đến tay khách hàng từ sớm, thường nằm sẵn trên một bo thử như ở hình 8.1, và ở đây khách hàng là các công ty làm thiết bị y tế. Con đường của họ khá dài. Trước hết, khách hàng dựng nguyên mẫu quanh con chip, thử nghiệm rồi xin chứng nhận lưu hành cho thiết bị của mình. Chỉ khi đó họ mới đặt mua chip với số lượng lớn, sản xuất và bán sản phẩm ra thị trường.

Plate 8.4 shows the end of this chip’s road: a customer’s continuous glucose sensor with the chip inside, the thin filament that carries its sensing electrode under the skin, and the applicator whose needle sets it in place.

Hình 8.4 là điểm cuối trên hành trình của con chip này: cảm biến đường huyết liên tục của một khách hàng, bên trong có con chip. Một sợi cảm biến mảnh mang điện cực nằm dưới da; bên cạnh là dụng cụ gắn, có cây kim đưa sợi ấy vào đúng chỗ.

Nanochap, founded in 2014, is based in Hangzhou, China, and has offices in Shanghai, Shenzhen, Melbourne and Ho Chi Minh City.^8.8 Its glucose-sensing chip was in mass production by 2024.^8.9 Besides glucose-sensing chips, Nanochap makes chips for nerve stimulation and for a retinal implant.^{8.10, 8.11} Nanochap designs a chip and sells it itself, which few Vietnamese companies do, and the next chapter asks why.

Nanochap thành lập năm 2014, đặt trụ sở ở Hàng Châu (Trung Quốc), có văn phòng ở Thượng Hải, Thâm Quyến, Melbourne và TP. Hồ Chí Minh.^8.8 Tính đến năm 2024, chip đo đường huyết của công ty đã vào sản xuất hàng loạt.^8.9 Ngoài chip đo đường huyết, Nanochap còn làm chip kích thích thần kinh và chip cho võng mạc nhân tạo.^{8.10, 8.11} Nanochap tự thiết kế rồi tự bán con chip của mình, điều ít công ty Việt Nam làm được; chương sau sẽ tìm hiểu vì sao.