美智库报告《半导体先进封装“回流”与供应链安全》

1.1封装的概念与类型

本文在重点讨论先进封装的同时，也从与封装相关的角度讨论了组装和测试。

图：电子系统集成和封装，资料来源：Santosh Kumar、Stefan Chitoraga和Favier Shoo，“2021年先进封装行业的现状”（Yole Decelpement，2021年9月）

半导体封装具有两个好处：一是保护成品芯片免受机械冲击、化学污染、辐射、热和/或光辐射等威胁，所有这些都可能破坏集成电路的功能；二是提供将集成电路连接到外部环境，例如PCB，通过焊球、焊线或引脚。这些连接启用器件的功能。半导体封装是在硅晶圆上制造芯片并将其并入诸如智能手机的成品电子设备之间的中间阶段。

图2：电子封装从20世纪70年代到现在的发展，资料来源：Choi Seunghyuk、Christopher Thomas和Florianweig，“先进的封装技术：对首批移动机器人和快速跟随者的影响”（麦肯锡，2014年）

图3.前端与后端技术节点开发和封装收入的组合时间线，资料来源：Kumar、Chitoraga和Shoo，先进封装行业现状，2021年

目前封装中最常见的互连类型是“引线键合”（其中微细引线将芯片连接到PCB以传输电子信号）。引线键合的挑战是，其尺寸没有与晶体管密度同样的速度缩小（图3），表明晶体管内的工艺能力比能够通信的导线更强大。先进封装试图通过使用诸如“凸点”、“焊球”或“晶圆级封装”的新颖的互连方法来解决该问题，而不是使用导线来连接芯片，这使得封装尺寸最小化，并在稳定到成本下降的情况下使性能最大化。

先进封装市场的发展证明了其对半导体消费者和生产者日益重要。

先进封装的行业需求。随着对半导体含量的需求增加，对先进封装服的务有相应的需求。移动消费类电子市场历来是先进封装产品的主要消费市场。最近，支持通信和基础设施以及汽车和运输使用案例的电子器件已开始在其技术路线图中纳入先进封装。到2020年，先进封装市场主要来自以下行业的需求：

与传统封装一样，先进封装目前包含两种商业模式：（1）由IDM和代工厂在制造后执行的内部ATP服务；(2) 第三方客户的OSAT公司，OSAT客户可以包括IDM、无晶圆厂公司和代工厂。

1.4封装组成部分：材料、设备和服务

半导体封装供应链。支持半导体封装的供应链的结构反映了更广泛的半导体供应链的结构。生产原材料、元器件和设备的供应商为封装公司（OSAT、IDM或代工厂）提供中间产品，这些公司运营大型、无菌、自动化的工厂，加工成品芯片，为将其集成电子产品做准备。重要的是，提供先进封装材料、设备和服务的公司也在传统封装市场竞争，只有极少数公司专门针对先进封装市场提供产品或服务。

半导体组装和封装之间界限逐渐模糊，特别是在先进封装领域。半导体组装是指检查制造的晶圆是否存在缺陷，将晶圆切割成可操作的单个芯片，将这些芯片键合到基板或PCB，并包封芯片以保护并连接到较大的电子系统的过程。传统的半导体封装是这一市场的一个组成部分，指的是用于在其保护性外壳中封装和标记芯片、保护芯片免受环境影响，以及处理组装好芯片的最终封装的材料、设备和服务。“先进封装”结合了这两种工艺，并且越来越多地利用前端工艺和装备，例如光刻和计量设备。

1.5OSAT、IDM和代工封装供应商数量分布

表：组装和封装设备类型、市场规模和领先公司

虽然美国在半导体设计方面继续领先，但其制造能力却持续下降，美国本土的ATP产能也出现同样下降。尽管有几十家总部在美国的封装供应商能够提供顶级的小产量服务，但北美在全球封装产能中的份额仅为3%。总的来说，美国公司（英特尔除外）缺乏大容量封装差能，相关生态系统（基板、晶圆凸点、设备）也十分缺乏。

美国半导体立法两大立法优势互补

共促研发与制造回流

虽然上述政策都值得期待，但事实是，领先的代工厂和OSAT（几乎所有代工厂总部都设在亚洲）对在美国建立先进封装工厂在投资回报率方面上几乎没有什么信心。因此，先进封装重新回流的成本要求制定有效利用资金的明确战略，来针对先进封装生态系统中的特定技术。同时，这一战略背后的思路应接受更广泛的ATP生态系统回流的经济性阻止有意义的产能返回到美国。政策制定者应该承认，成熟的封装技术重新回流几乎没有任何经济上的回报，相反更应专注制定先进封装的战略。政策应包括三大支柱：

行业分析师预计，到2022年底将有29个新晶圆厂建设项目启动。据估计，这29家晶圆厂每年可生产多达1450万块晶圆。增加这种晶圆的制造能力尤其需要更先进的封装能力，并且更普遍需要ATP产能，以维持加工容量。然而，当前ATP资本支出投资水平需要持续或扩大，才能支持OSAT、IDM和代工厂有组装、测试和封装在线增加的晶圆制造能力。OSAT、IDM和代工厂都在考虑新建ATP设施以满足更大的需求，美国应提供激励措施，鼓励公司在国内建立或扩大ATP能力。

国会正在考虑直接和间接分配数十亿美元来支持先进封装的生态系统。除了25亿美元的全国先进封装制造计划外，还可通过CHIPS法案确定的几条资助路线来激励先进封装设施建设。

在先进封装的供应链中，IC基板的短缺尤为严重。特别要关注的是Ajinomoto积层膜基板。主要芯片制造商（包括英特尔、AMD和英伟达）将其用于高端CPU、GPU和5G网络芯片的封装工艺。2020年10月和2021年2月发生在中国台湾地区基板生产商的火灾加剧了这种供应紧张局面，导致某些基板延迟交付长达40周。

供应商正在投资高达50亿美元，以扩大FC-BGA基板产能，但最早要到2022年底才能提供更多产能，且都位于美国境外。先进基板的工艺设施造价为3亿美元（英特尔公司估计为10亿美元），目前运营这样设施的设备将有两年的交付周期。尽管这里描述了预期的产能扩展，但有个行业协会估计，到2025年，增加的产能将仅能满足这些基板需求的78%。

图6：从后端到前端的先进封装，资料来源：Kumar、Chitoraga和Shoo，“先进封装行业现状2021年”，214页

CHIPS法案中的多项条款授权但不要求其资金用于先进封装的项目，政策制定者应尽可能利用这一自由度将资金集中用于提高国内先进封装的产能和研发工作上。

大型代工厂和IDM（如台积电、三星和英特尔）已经更愿意将其先进封装工艺与制造工艺合用，并为其提供激励措施，以便最大限度提高投资回报率。例如，台积电和三星分别在亚利桑那州和德克萨斯州进行晶圆厂投资建设项目，两家公司虽未宣布在各自项目中增加先进封装设施的计划，但应鼓励他们这样做。

美国目前缺乏足够的IC基板种类和容量来满足先进封装的需求，增加国内IC基板产能将提高先进封装以及半导体的供应链韧性。

鼓励至少一家领先的OSAT企业在美国建立先进封装的设施，生产商业上可行的FC-BGA。

现在有各种各样的工艺和技术构成先进封装，但还没有一种方法成为主导技术。政策制定者应瞄准提供各种封装服务的公司和财团的研发基金，从晶圆级到倒装芯片-BGA。这些激励措施也可以基于设施产能进行调整，使用1000级或100级净化间和晶圆加工的尺寸作为参考点。例如，资金可用于：

封装以往在业界被视为劳动密集型和低附加值“后端”活动（与高附加值“前端”半导体制造相反），因此，很多公司将这些业务转移到海外，主要是亚洲。

然而，目前出现两个趋势正在推动封装工业方式的变化：首先，企业越来越认识到封装对加工能力的重要性，特别是当摩尔定律放缓逼近物理极限时。因此，各家公司投入大量资金开发支持先进封装生态系统所需要的设备、材料和系统。其次，先进封装的创新将是其他新兴技术创新深度和广度的关键决定因素。

在相关政策建议方面，报告特别强调了先进封装回流对提高美国半导体供应链安全、加强美国半导体供应链韧性的重要性，以及创建和实施相关计划以增强美国本土先进封装的创新，值得我们密切关注。

美智库报告《半导体先进封装“回流”与供应链安全》