花旗國(guó)如何看待其半導(dǎo)體產(chǎn)品供應(yīng)鏈的安全性（之三：組裝、測(cè)試和封裝以及先進(jìn)封裝）

清華大學(xué)王志華教授|王志華|Wang Zhihua|

2022-06-02 11:00:03 1

（上接*部分：集成電路設(shè)計(jì)；第二部分：集成電路制造）

五、關(guān)于ATP（assembly, test, andpackaging )及先進(jìn)封裝

關(guān)于組裝、測(cè)試、封裝及先進(jìn)封裝的基本結(jié)論：

（1）對(duì)于技術(shù)含量相對(duì)較低的后端半導(dǎo)體 ATP，美國(guó)嚴(yán)重依賴集中在亞洲的外國(guó)資源。

（2）隨著芯片變得越來(lái)越復(fù)雜，先進(jìn)的封裝方法代表了重大技術(shù)進(jìn)步的潛在領(lǐng)域。然而，由于美國(guó)缺乏必要的材料生態(tài)系統(tǒng)，因此對(duì)于發(fā)展強(qiáng)大的先進(jìn)封裝行業(yè)，美國(guó)也不是具有成本效益的地點(diǎn)；

（3）于此對(duì)應(yīng)，中國(guó)的大量投資可能會(huì)顛覆現(xiàn)有市場(chǎng)。

（一）花旗國(guó)關(guān)于基本封裝和測(cè)試的基本估計(jì)

（A）基本情況

在后端基本 ATP 階段，芯片（管芯）被組裝成成品，經(jīng)過(guò)測(cè)試、封裝并組裝到電子產(chǎn)品。ATP 階段有兩種模式：(1) 由IDM 和（2）代工廠。代工廠是專門從事測(cè)試、封裝、組裝或裝配業(yè)務(wù)并提供合同服務(wù)的 OSAT（單純半導(dǎo)體組裝和測(cè)試) 公司。從全部ATP市場(chǎng)看，美國(guó)公司占總收入的 28% 市場(chǎng)份額；從垂直整合IDM ATP 收入看，美國(guó)公司占大約 43% 市場(chǎng)份額，盡管如此，但美國(guó)公司已將 ATP 生產(chǎn)外包給美國(guó)以外的工廠設(shè)施。臺(tái)積電（臺(tái)灣）、聯(lián)電（臺(tái)灣）、中芯國(guó)際（中國(guó)大陸）和 XMC（中國(guó)大陸）等代工廠已進(jìn)入封裝業(yè)務(wù)，以增加他們?yōu)闊o(wú)晶圓廠客戶提供的制造服務(wù)，尤其是小芯片的先進(jìn)封裝。臺(tái)積電于 2012 年推出其*先進(jìn)封裝解決方案。2017 年，市場(chǎng)上有 100 多種不同的 OSAT。有 8 個(gè)大型 OSAT；大多數(shù)是中小型玩家。

雖然有一些美國(guó) OSAT 公司（尤其是Amkor），但美國(guó)公司僅占 OSAT 業(yè)務(wù)的 15%（臺(tái)灣以 52% *，中國(guó)以 21% 緊隨其后），而 Amkor 雖然總部位于美國(guó)，但不在美國(guó)并沒(méi)有生產(chǎn)工廠。

傳統(tǒng)上基本ATP 是一項(xiàng)自動(dòng)化程度高且價(jià)值較低的業(yè)務(wù)，需要相當(dāng)大的占地面積，并且主要雇用低技術(shù)工人（隨著下面討論的先進(jìn)封裝技術(shù)的引入，這種情況正在發(fā)生變化）。因此，這項(xiàng)業(yè)務(wù)是美國(guó)生產(chǎn)外包的*階段（從 1970 年代開(kāi)始），當(dāng)時(shí)主要是外包到東南亞生產(chǎn)。今天，大部分 ATP 外包工廠在中國(guó)、臺(tái)灣和東南亞（新加坡、馬來(lái)西亞、菲律賓和越南）。SEMI 和 Techsearch 調(diào)研發(fā)現(xiàn)了 2018 年全球 120 多家 OSAT 外包公司和360 家封裝工廠。在 360 家工廠中，中國(guó)有 100 多家，臺(tái)灣約有 100 家，東南亞有 43 家（其他工廠在歐洲或美洲）。中國(guó)的 OSAT 生產(chǎn)采用的是目前主流封裝技術(shù)，但中國(guó)正在開(kāi)發(fā)先進(jìn)的封裝技術(shù)。

在測(cè)試方面，出于*安全考慮，半導(dǎo)體技術(shù)必須經(jīng)過(guò)認(rèn)證和測(cè)試，才能在軍用溫度范圍（擴(kuò)展范圍）、抗輻射性和惡劣環(huán)境中使用。這包括使用重離子輻射測(cè)試基礎(chǔ)設(shè)施的單粒子效應(yīng) (SEE) 測(cè)試。美國(guó)現(xiàn)有的重離子輻射測(cè)試基礎(chǔ)設(shè)施脆弱，無(wú)法滿足當(dāng)前或未來(lái)的 SEE測(cè)試需求。客戶通常需要經(jīng)歷漫長(zhǎng)的等待時(shí)間和不斷上漲的測(cè)試價(jià)格，即使一個(gè)主要設(shè)施突然關(guān)閉，也很容易遭受重大壓力。“能夠產(chǎn)生具有足夠離子種類和能量以滿足 SEE 測(cè)試需求的離子束的加速器實(shí)驗(yàn)室不到六個(gè)。”這影響了測(cè)試的可用性，以支持太空機(jī)構(gòu)和工業(yè)（包括衛(wèi)星）之間的未來(lái)太空任務(wù)。

（B）主要風(fēng)險(xiǎn)

今天，美國(guó)僅擁有全球半導(dǎo)體封裝能力的 3%（這不包括測(cè)試能力），主要由 IDM 公司提供，這些 IDM 通常在美國(guó)境外設(shè)有 ATP 工廠。雖然這在歷史上一直是供應(yīng)鏈中技術(shù)含量較低的組成部分，但這是關(guān)鍵的一步。美國(guó)對(duì)東南亞、臺(tái)灣和中國(guó)大陸基本ATP 生產(chǎn)的依賴使美國(guó)供應(yīng)鏈面臨中斷。

（二）花旗國(guó)關(guān)于先進(jìn)封裝技術(shù)的討論

（A）基本情況

雖然基本ATP 歷來(lái)是供應(yīng)鏈中的低價(jià)值組成部分，但如今封裝技術(shù)正變得越來(lái)越先進(jìn)。幾十年來(lái)，半導(dǎo)體行業(yè)一直遵循摩爾定律速度發(fā)展，該定律預(yù)測(cè)半導(dǎo)體上的晶體管數(shù)量大約每?jī)赡攴环＝裉欤酒叽缈s小在每個(gè)新工藝節(jié)點(diǎn)上帶來(lái)的的功耗和性能優(yōu)勢(shì)都在減少，而每個(gè)晶體管的成本卻在增加。雖然尺寸縮小仍然是一種選擇，但隨著尺寸縮放變得更加昂貴和困難，半導(dǎo)體行業(yè)正在尋找替代方案，這種替代方案包括將小芯片和/或多個(gè)集成電路組裝后放入單個(gè)封裝中。這被稱為*封裝。*封裝代表了線寬縮小的替代及補(bǔ)充技術(shù)，因?yàn)樗诜庋b階段而不是芯片級(jí)提供更高的芯片密度，并允許在單個(gè)封裝內(nèi)集成不同的芯片功能。*封裝還允許更多地使用商用現(xiàn)貨（國(guó)防批準(zhǔn)）芯片來(lái)定制解決方案。

先進(jìn)的封裝類型包括芯片堆疊技術(shù)（尤其是存儲(chǔ)芯片）和嵌入式芯片、扇出、晶圓級(jí)封裝和系統(tǒng)級(jí)封裝（將小芯片或多個(gè)芯片組裝到單個(gè)封裝中）。邏輯芯片的一種方法是將標(biāo)準(zhǔn)化的 IP 功能分離成不同的、更小的芯片，稱為“小芯片”，通過(guò)單個(gè)封裝上的標(biāo)準(zhǔn)接口連接。小芯片與其他小芯片一起工作，因此設(shè)計(jì)必須共同優(yōu)化，并且不能孤立地設(shè)計(jì)芯片。美國(guó)國(guó)防*研究計(jì)劃局 (DARPA) 和海軍部以及行業(yè)參與者（AMD、Marvell、和英特爾）已經(jīng)有許多項(xiàng)目探索這種方法。先進(jìn)封裝對(duì)*安全具有重要價(jià)值，可以分解功能、安全、體積、環(huán)境性能，從而為獨(dú)特的*安全應(yīng)用提供可定制的設(shè)備。

2019 年，先進(jìn)封裝占半導(dǎo)體封裝總價(jià)值的 42.6%，預(yù)計(jì)到 2025.將占整個(gè)半導(dǎo)體封裝市場(chǎng)的近一半。這將是 2014 年至 2025 年 6.1%的復(fù)合年增長(zhǎng)率 (CAGR)，更多先進(jìn)封裝收入從 2014 年的 200 億美元翻一番，到 2025 年約為 420 億美元。這幾乎是傳統(tǒng)封裝市場(chǎng)預(yù)期增長(zhǎng)的三倍，預(yù)計(jì) 2014 年至 2025 年的復(fù)合年增長(zhǎng)率為 2.2%。

全球前 10 名先進(jìn)封裝公司包括：兩家IDM公司（美國(guó)英特爾和韓國(guó)三星韓國(guó)）；集成電路制造代工廠臺(tái)積電也是全球前10的先進(jìn)封裝公司；全球排名前五的 OSAT先進(jìn)封裝公司包括日月光集團(tuán)（臺(tái)灣）、SPIL（臺(tái)灣）、Amkor（美國(guó)）、Powertech Technology（臺(tái)灣）和 JCET（中國(guó)）。此外，還有兩個(gè)較小的 OSAT公司，它們是Nepes Display（韓國(guó)）和 Chipbond（臺(tái)灣）。這 10 家公司加工了大約四分之三的先進(jìn)封裝芯片。

美國(guó)的先進(jìn)封裝主要由 IDM廠商提供，包括英特爾、德州儀器和美光。GlobalFoundries 是一家總部在美國(guó)的代工廠，也提供先進(jìn)封裝服務(wù)。此外，Micross、Skywater 和 Qorvo 等較小的公司，提供先進(jìn)的封裝服務(wù)，以滿足小眾國(guó)防和工業(yè)需求。

如上所述，雖然中國(guó)目前不具備強(qiáng)大的先進(jìn)封裝能力，但它正在開(kāi)發(fā)先進(jìn)封裝能力，以彌補(bǔ)其*半導(dǎo)體生產(chǎn)的不足

隨著對(duì)先進(jìn)封裝的能力和需求的增長(zhǎng)，為回應(yīng)聯(lián)邦登記調(diào)查通知 (NOI) 提交的評(píng)論指出，美國(guó)缺乏先進(jìn)封裝基板（基于印刷電路板技術(shù)）和相關(guān)供應(yīng)鏈存在漏洞。基材供應(yīng)商位于亞洲。主要基板公司包括：Ibiden（日本）、Nanya（臺(tái)灣）、Shinko（日本）、Samsung（韓國(guó)）、Unimicron（臺(tái)灣）、Shennan Circuits（中國(guó)）、珠海悅亞（中國(guó)）和AKM Electronics Industrial（中國(guó)）。

此外，印刷電路板制造已經(jīng)轉(zhuǎn)移到中國(guó)，使中國(guó)成為對(duì)基板供應(yīng)商更具吸引力的市場(chǎng)。IPC/美國(guó)可靠電子伙伴關(guān)系 (USPAE)估計(jì)，美國(guó)在下一代電子應(yīng)用所需的印刷電路板制造技術(shù)方面落后亞洲 20 年，在制造先進(jìn)微電子技術(shù)所需的類似印刷電路板制造的基板的能力方面落后 30 年美國(guó)印刷電路板制造業(yè)曾經(jīng)占全球總產(chǎn)量的 30% 以上，如今僅占不到 5%

（B）主要風(fēng)險(xiǎn)

中國(guó)對(duì)先進(jìn)封裝的投資威脅未來(lái)市場(chǎng)：

雖然中國(guó)缺乏強(qiáng)大的先進(jìn)封裝能力，但中國(guó)政府在先進(jìn)封裝上進(jìn)行了大量投資。過(guò)去幾年，先進(jìn)封裝一直是中國(guó)半導(dǎo)體行業(yè)的技術(shù)重點(diǎn)，中國(guó)國(guó)務(wù)院的目標(biāo)是到 2015 年，先進(jìn)封裝占中國(guó)供應(yīng)商所有封裝收入的 30% 左右。 2021 年 1 月，中芯國(guó)際的新聘任副董事長(zhǎng)表示，中國(guó)企業(yè)應(yīng)專注于先進(jìn)封裝，以克服其在減少半導(dǎo)體線寬方面的弱點(diǎn)，這可能表明中芯國(guó)際將積極進(jìn)軍先進(jìn)封裝。美國(guó)半導(dǎo)體封裝設(shè)備公司 KLA 營(yíng)銷*總監(jiān) Stephen Hiebert 在 2018 年報(bào)道“……隨著先進(jìn)封裝產(chǎn)能的增加以匹配中國(guó)前端晶圓廠項(xiàng)目，我們看到了 OSAT 在中國(guó)的強(qiáng)勁投資。”

先進(jìn)封裝材料能力不足：

先進(jìn)封裝基板以印刷電路板技術(shù)為基礎(chǔ)，印刷電路板制造主要在亞洲，后者主要在中國(guó)。這給尋求在美國(guó)投資先進(jìn)封裝的公司帶來(lái)了挑戰(zhàn)。

僅靠國(guó)防需求不足以保持先進(jìn)封裝技術(shù)在美國(guó)發(fā)展：

少數(shù)美國(guó)公司為國(guó)防需求提供先進(jìn)封裝解決方案，這些公司僅占一小部分市場(chǎng)份額。隨著先進(jìn)封裝能力在美國(guó)以外的地區(qū)不斷增長(zhǎng)，它們很快就會(huì)超過(guò)國(guó)防需求的數(shù)量，市場(chǎng)力量將把前沿能力吸引到海外。*終，數(shù)量推動(dòng)創(chuàng)新和運(yùn)營(yíng)學(xué)習(xí)；在沒(méi)有商業(yè)量的情況下，美國(guó)將無(wú)法在質(zhì)量、成本或勞動(dòng)力方面跟上技術(shù)。

（三）小結(jié)

綜上所述，美國(guó)的后端ATP能力依賴集中在亞洲的外國(guó)資源，這在供應(yīng)鏈的這一部分造成了供應(yīng)鏈中斷風(fēng)險(xiǎn)。封裝變得越來(lái)越先進(jìn)，因?yàn)樵撔袠I(yè)正在尋求新的方法來(lái)補(bǔ)償*先進(jìn)或*小節(jié)點(diǎn)上越來(lái)越小的特征尺寸的復(fù)雜性、較低的產(chǎn)量和不斷遞減的邊際回報(bào)。雖然美國(guó)及其合作伙伴擁有先進(jìn)的封裝能力，但中國(guó)在先進(jìn)封裝方面的巨額投資有可能在未來(lái)顛覆市場(chǎng)。此外，美國(guó)缺乏開(kāi)發(fā)先進(jìn)封裝技術(shù)的生態(tài)系統(tǒng)。

（待續(xù)）

2021年6月16日于北京

免責(zé)聲明：本文原創(chuàng)作者清華大學(xué)王志華教授，本文僅代表作者個(gè)人觀點(diǎn)，不代表薩科微及行業(yè)觀點(diǎn)，只為轉(zhuǎn)載與分享，支持保護(hù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)，轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明原出處及作者，如有侵權(quán)請(qǐng)聯(lián)系我們刪除。

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王志華

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