对安全和供应链可用性的担忧引发了新的推动。
随着供应链担忧和贸易紧张局势的加剧，美国正在采取第一步，将更大规模的IC封装生产能力带回美国。
美国是发展中国家的领导者之一包尤其是那些有望撼动半导体行业格局的新型先进技术。根据IPC贸易组织和TechSearch International的一份新报告，虽然美国有几家包装供应商，但北美在全球包装生产中的份额仅为3%。报告称，很大一部分封装生产集中在亚洲，随着先进封装在半导体行业的重要性日益提高，美国处于不稳定的地位。
总而言之，美国缺乏大规模的包装生产能力、基板和晶圆碰撞服务。安可、英特尔和其他美国公司正在解决这些问题，但也存在一些挑战。
事实上，这仍然是一项有很多活动的重要工作。在半导体生产流程中，芯片在一个地方制造，然后在亚洲、欧洲或美国的不同工厂封装。芯片制造商决定芯片的制造和封装地点。
虽然美国在芯片设计方面处于领先地位，但它的新晶圆厂和产能一直在下降。很大一部分晶圆厂产能集中在亚洲。虽然从数量角度来看，这种趋势仍在继续，但英特尔、三星、台积电和其他公司正在美国建造新的晶圆厂。显然，无论是从供应链和经济角度，还是从安全角度来看，芯片制造对于保持技术领先地位都至关重要。
包装也是如此。新形式的先进封装正在成为开发复杂芯片设计的可行替代方案，使该技术成为许多公司的战略资产。多年来，出于安全考虑，美国国防界一直是希望拥有各种陆上晶圆厂和封装能力的主要支持者。现在，更广泛的客户似乎对更多的包装功能有需求。
“半导体封装是半导体供应链中不可分割的一部分，”英特尔芯片/晶圆服务业务部副总裁Kevin Engel表示公司．“我们的美国客户不仅有兴趣增加美国的前端半导体制造，而且还想增加基于晶圆的加工，如铜柱碰撞、包装和测试。”
为此，美国供应商正在将他们的资源用于所有包装类型，特别是先进的包装．但无论哪种情况，都有一个问题。多年前，美国将很大一部分包装生产转移到亚洲。“美国有超过25家外包半导体组装和测试(OSAT)公司，其中许多公司具有令人印象深刻的能力。然而，美国osat缺乏满足不断增长的需求的能力，”TechSearch总裁Jan Vardaman和IPC首席技术专家Matt Kelly在最近的一份报告中表示。
对于大批量生产，IC供应商依赖于在亚洲拥有大量工厂的osat。一些芯片制造商在亚洲和其他地区拥有自己的内部封装工厂。这种情况短期内不会改变，亚洲和其他地区的客户将在很长一段时间内继续与osat合作。
但全球半导体行业正在发生变化，导致许多人更加认真地审视供应链。例如，在2019冠状病毒病期间，多个行业的芯片短缺现象非常严重。亚洲晶圆代工厂和osat的产能也很紧张，这促使许多人意识到美国过于依赖海外制造。更糟糕的是，美中贸易战加剧了该地区的紧张局势，大多数领先的工艺技术都位于该地区。任何中断都将对美国获得前沿工艺和包装技术产生重大影响。
因此，美国需要加强其在晶圆厂产能和包装方面的地位。瓦尔达曼和凯利表示:“如果不能在提高芯片产量的同时加强美国先进的封装能力，就会延长现有的半导体供应链，因为制造商将被迫将芯片送到国外进行包装和组装。”
有几项努力将大规模包装带回美国，但这需要时间和金钱。另外,OSATs在刀刃薄的地方工作。因此，开发一种具有竞争力的劳动力价格的成功商业模式是这里的挑战之一。
尽管如此，以下是美国正在进行的一些活动:
包装景观
在半导体行业的早期，封装很简单，许多北美芯片制造商都有自己的国内组装/封装业务。
当时，包装是使用人工设备的劳动密集型过程。因此，从20世纪70年代开始，许多北美芯片制造商将其包装/组装业务转移到亚洲各地劳动力成本较低的地点。
当时，亚洲出现了几家osat，为外部客户提供低成本的组装/包装服务。随后，许多跨国芯片制造商开始剥离其封装业务，将其出售给osat。
英特尔(Intel)、德州仪器(TI)和其他公司将内部包装工厂保留在亚洲和其他地方。一些人意识到包装是产品设计中的一个区别。
今天尤其如此。有一段时间，包裹很笨重，占据空间。随着时间的推移，供应商开发了创新和光滑的封装，使模具具有更小的尺寸和更好的性能。
多年来，供应商开发了各种先进的包类型，它们正在侵入系统。“先进的封装已经成为将更多的功能嵌入到各种电子产品中不可或缺的一部分，比如手机和自动驾驶汽车，通过支持小占地面积的高设备密度，”公司的工艺集成工程师Sandy Wen说Coventor林研究公司(Lam Research Company)。
包装在其他方面也变得越来越重要。传统上，为了改进芯片设计，每一代ASIC都要集成更多的功能。这在每一个转折点都变得越来越具有挑战性，特别是在28纳米以下。
“由于巨额投资，晶圆代工厂和集成设备制造商(idm)在不显著增加拥有成本的情况下扩展到下一个技术节点已经变得越来越困难，”晶圆代工厂和集成设备制造商(idm)表示布鲁尔科学，在一篇论文中。
虽然ASIC方法仍然是新设计的一种选择，但许多人正在寻找替代方案，例如先进的封装。小纸片是这里的下一个大发明。为此，芯片制造商可能在库中有一个模块化芯片菜单，允许客户混合和匹配芯片，并将它们集成到新的芯片架构中。类似芯片的架构可以模仿ASIC，但它们可以以更低的成本开发，而且可能更快。
但所有形式的封装对芯片设计都很重要，包括从商品级到高级封装。问题是，所有包装的很大一部分是在亚洲制造的，相关的生态系统也在那里。ATREG首席执行官斯蒂芬·罗斯罗克(Stephen Rothrock)在最近的一次演讲中表示，2019年，中国拥有最多的包装设施(114家)，其次是台湾(106家)，亚太其他地区(65家)，北美(35家)，日本(27家)，欧洲(19家)等。
这就是为什么美国正在寻求加强其能力。今天，总部位于美国的OSATs能够提供各种技术，如线键合、倒装芯片和先进的封装。他们只是需要更大规模的生产能力，但不是在所有领域。
Promex公司首席执行官Richard Otte表示:“在美国，最有可能增加销量的将是采用先进、更新技术的设备。QP技术．“这包括光子学、晶圆级和芯片组装，而不是重新建立现有封装(如dip、BGAs和QFN)的制造能力。”
差距在哪里
如今，市场上大约有1000种包装类型。划分封装市场的一种方法是通过互连类型，包括线键合、倒装芯片、晶圆级封装(WLP)和过硅通道(tsv)。互联用于将一个模具连接到另一个封装中。tsv具有最高的I/O计数，其次是WLP、倒装芯片和线键合。
根据TechSearch的数据，目前大约75%到80%的封装是基于线粘接的。线键合主要用于低成本的遗留封装、中端封装和内存芯片堆叠。
在美国建立大规模的线粘接产能是没有意义的。如今，总部位于美国的OSATs提供线粘接服务，在亚洲进行大规模的线粘接。
倒装芯片这是另一个故事。该技术用于开发智能手机和其他产品中使用的球栅阵列(BGA)和其他封装。倒装芯片制造过程由IDM、晶圆代工厂或OSAT完成。在这个过程中，铜凸起或支柱形成在芯片的顶部。然后将该设备翻转并安装在单独的模具或板上，这样凸起就会落在铜垫上，形成电气连接。
美国有一些倒装芯片晶圆碰撞技术，但它需要更多的能力。根据IPC和TechSearch的数据，总体而言，台湾地区占全球的40%，其次是韩国(27%)、中国大陆(16%)、北美(6.5%)和其他地区。
倒装芯片和其他封装由几个组件组成，例如基材或基板。据两家公司称，总的来说，美国只制造了1.3%的包装基材，其余的都来自亚洲。
这是一个复杂的画面在先进的包装。例如，考虑扇出WLP。在一个例子中扇出，一个DRAM芯片堆叠在逻辑芯片上。根据Yole Développement的数据，2020年，台积电以66.9%的份额成为风扇输出的领导者，其次是台湾的日ASE(20%)，中国的JCET(5.1%)，美国的Amkor(3%)和其他公司。
与此同时,tsv用于先进的2.5D/3D封装，目标是高端系统。在2.5D/3D中，模具被堆叠或并排放置在包含tsv的中间体顶部。
“tsv是3d - ic的使能技术，因为它们提供了堆叠芯片之间的电气连接。具有tsv的3D-IC技术的主要优势是，它提供了不同组件之间更短的互连。联华电子他在最近的一篇论文中写道。
据IPC和TechSearch称，三星、台积电和联华电子是中间体的主要供应商。在北美，GlobalFoundries、Micross、nadvanced和SkyWater都是中间商。
图1:高性能计算封装的不同选项，基于中间层的2.5D vs基板上扇出芯片(FOCoS)。来源:日月光半导体
包装领域的下一个大战场——小纸片的情况要好一些。AMD、英特尔和Marvell正在采用这种方法。AMD依赖台积电，而英特尔有自己的内部能力。
谁在做什么
有几种类型的公司生产包装。例如，idm是拥有自己晶圆厂的芯片制造商。一些idm(但不是所有idm)有自己的封装操作，主要为自己的芯片生产封装。
晶圆代工厂为其他公司生产芯片，有些还提供封装服务。osat提供第三方包装/测试服务。一些系统公司有各种铸造和包装业务。
三星和台积电都计划在2024年在美国建造新的先进晶圆厂，但他们没有计划在此基础上增加一家包装工厂。英特尔是最近重新进入代工业务的IDM。英特尔在亚洲、中美洲和美国也有自己的内部封装业务
英特尔在2020年向商用包装市场迈出了一步，当时美国国防部(DoD)授予了该公司最先进的异构集成原型(SHIP)项目的合同。在SHIP计划中，美国政府机构可以使用英特尔在美国的封装/芯片能力
然后，在2021年初，英特尔宣布计划将其现有的新墨西哥州工厂改造成先进的包装制造中心。英特尔将在该工厂投资35亿美元，该工厂将为其内部产品和代工客户开发封装。
英特尔已经开发出类似芯片的产品，其他公司也在研发中。英特尔高级副总裁兼总经理Keyvan Esfarjani表示:“(英特尔的封装技术)使我们能够混合搭配计算瓷砖，以提供最好的产品。”
美国国防部门是英特尔等公司的主要客户。这部分一直是陆上芯片和封装制造的支持者。这是防止对手篡改或伪造芯片产品的一种方法。防务界如果找不到国内资源，就会转向海外。
然而，最近陆上包装已经引起了国防界以外的兴趣。“它开始出现在国防部内部的叙述中，他们希望在陆上进行包装。这是为了确保国防部购买的芯片不会被篡改，并且在供应链中断的情况下随时可用，”SkyWater佛罗里达高级副总裁兼总经理Brad Ferguson说。“不过，这不只是国防部。我们的商业客户有很强的吸引力，希望将这一项目带到岸上。当我这么说的时候，我把标准包装和高级包装混合在一起。也就是说，这一切都必须具有竞争力。”
SkyWater佛罗里达是SkyWater的新包装单位，一家总部位于美国的铸造供应商。在其佛罗里达工厂，SkyWater正在开发几个领域的包装能力，包括:
SkyWater正在分阶段推出这些技术，并认为在美国有更多的包装能力。该公司希望从一种商业模式中吸取经验。“无晶圆厂模式取决于随时获得产能来满足您的需求，无论是在亚洲、欧洲还是美国。无晶圆厂模式依赖于供应链中不间断的物料流动。这是一个非常成功的模式，得到了代工厂和osat的支持，”Ferguson说。“问题的核心是——美国是否有机会重新启用OSAT模式并取得成功?”我认为，先进的包装是我们在美国重新实现这一功能的切入点。”
与此同时，一些美国国防承包商提供铸造和/或包装服务。许多是国防部可信铸造计划的一部分，该计划为国防界提供安全的陆上制造服务。
国防承包商诺斯罗普·格鲁曼(Northrop Grumman)最近宣布，计划在佛罗里达州开设一家新的包装工厂。该设施被称为Micro-Line (μ-Line)，将包括各种后端晶圆后处理能力，包括钝化、焊料碰撞、切丁、高级检查和测试，最高可达300mm晶圆。
μ-Line计划于2022年初开放，有能力为诺斯罗普·格鲁曼公司和外部客户服务。诺斯罗普·格鲁曼公司导航定位和生存运营副总裁Scott Crudele表示:“诺斯罗普·格鲁曼公司拥有现有的微电子封装能力，但μ-Line是首个同类后端晶圆后处理设备，实现了从晶圆代工到封装的垂直整合。”μ-Line为诺斯罗普·格鲁曼公司提供了一个内部包装源，可以满足国防客户的性能、可靠性、可承受性和质量要求。”
美国的osat也在扩大。总共有几十个各种大小的osat。根据IPC和TechSearch的数据，日月光是最大的，其次是Amkor、中国的JCET、台湾的Powertech和中国的通富。
图2:OSAT排名的另一种观点。来源:TrendForce。
多年来，osat的很大一部分制造能力都位于亚洲。这一点短期内不会改变。事实上，许多osat继续扩大其在亚洲的制造业务，以满足日益增长的市场需求。
“(2021年)，我们的线粘接资本支出翻了一番，”该公司首席财务官Joseph Tung表示日月光半导体在最近的一次电话会议上。“(在2022年)，这种模式将更多地转向先进的包装和测试。”
与此同时，JCET最近在中国江苏省启动了其包装和测试设施的第二期。“近年来，JCET取得了创纪录的成绩，并进入了稳定的增长轨道。JCET．“这些业务将在推动集团长期发展方面发挥重要作用。”
Amkor也在亚洲扩张。该公司是美国最大的OSAT公司，尽管它在美国没有制造基地
这种情况可能会改变。Amkor已表示有意在美国建造一家包装工厂。Amkor的决定在一定程度上取决于美国政府是否批准所谓的《美国芯片法案》(CHIPS For America Act)，这是一项旨在提振美国芯片制造业的520亿美元计划。
不过，这只是谜题的一部分。美国还需要发展一个生态系统，以支持大规模包装，如材料和衬底，以及熟练的劳动力。
Amkor的Engel表示:"我们乐观地认为，政府在CHIPS法案上的行动，以及其他激励措施，可以为美国带来包装量产。"“材料，包括基材，是在美国建立一个更完整的生态系统的另一个重要方面，随着我们沿着供应链向下走，劳动力成本和熟练工人的可用性变得更具挑战性。包装和一些材料线需要较高的劳动力含量，这加大了与亚洲的成本差距。在这些领域，我们正在与当地组织和大学合作，寻找解决方案。”
Promex的Otte指出，美国可以利用现有的一些组织来解决其中一些问题。例如，2015年，美国成立了AIM光子学公司，提供硅光子学的制造、封装和测试。与此同时，总部位于美国的柔性电子产品开发公司NextFlex也是一个例子。
奥特说:“我们需要发挥创造性，利用这些设施来制造下一代原型机，并开发美国的材料和零部件来源。”“此外，持续积累工程人才来支持这些努力也具有重要价值。”
Promex是众多正在扩大陆上业务的美国osat公司之一。QP科技公司搬到了加州一个新的更大的工厂。QP也正在增加基板设计和制造服务。
与此同时，工程服务公司德雷珀(Draper)已被美国国防部选中，获得两份总价值1400万美元的合同。美国OSAT公司i3微系统公司是该项目的分包商。其目标是为国防系统带来先进包装的批量生产。
“现在有许多演示的例子包含了使用包装可以获得的明显的技术、成本和性能优势。i3的业务开发和项目总监贾斯汀·博尔斯基(Justin Borski)说:“包装系统设计可以被视为这种思想的第一代。“如今，这些样品的批量生产由海外生产主导。但随着半导体不断向个位数纳米节点发展，在未来10到20年的时间里，在系统中加入先进的封装解决方案将成为实现异构设计效率的标准。因此，对于总部位于美国的半导体公司来说，一些生产转移回美国具有至关重要的战略意义，特别是为了支持国防部。”
另一家总部位于美国的OSAT公司nancedsemiconductors也在扩张。公司提供各种先进的封装服务，如芯片、2.5D/3D等技术。“将这些技术放在国内，与在国内建立晶圆厂一样重要。这本身就是一个国家安全问题。”
结论
显然，包装很重要。新的和先进的技术形式正变得更加重要。
美国已经万事俱备。它只是需要更多的电池来提高包装能力。Patti说:“美国既需要标准包装，也需要高级包装。”“诚然，在岸标准包装的成本结构将使回流工作复杂化。例如，对于如何从经济上长期支持倒装芯片的大批量生产，我不确定我有一个很好的答案。先进的封装更接近于硅代工业务，更容易看到在这个领域工作的长期财务模式。无论如何，美国需要大量的先进包装和大量的标准包装上岸。”
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