题记：美国对芯片安全性和供应链可用性的担忧引发了新的在美国本土建设封装生产测试能力的冲动。
随着供应链问题和贸易紧张局势的加剧，美国正在迈出第一步，将更大规模的 IC 封装生产能力带回美国。
美国是开发封装的领导者之一，特别是有望改变半导体格局的新技术和先进形式。根据 IPC 贸易集团和 TechSearch InternaTIonal 的一份新报告，虽然美国有几家封装供应商，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，随着先进封装在整个半导体行业的重要性日益增加，美国处于不稳定的地位。
报告称，总而言之，美国缺乏更大规模的封装生产能力、基板和晶圆凸块服务。 Amkor、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，这仍然是一项具有许多活动部件的重要工作。在半导体生产流程中，芯片在一个地点制造，然后在亚洲、欧洲或美国的不同封装工厂设施中进行封装测试。芯片制造商决定芯片在哪里制造和封装。
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却有所下降。很大一部分晶圆厂产能集中在亚洲。虽然从纯产量的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，从供应链和经济角度以及出于安全原因，芯片制造对于保持技术领先地位至关重要.
封装也是如此。新型先进封装正成为开发复杂芯片设计的可行替代方案，使这项技术成为许多人的战略资产。多年来，出于安全原因，美国国防集团一直是需要各种本土晶圆厂和封装能力的主要支持者。现在，更广泛的客户似乎需要更多的封装和测试能力。
“半导体封装是半导体供应链不可或缺的一部分，”Amkor 倒装芯片/晶圆服务业务部副总裁 Kevin Engel 说。 “我们的美国客户群不仅有兴趣增加美国的前端半导体制造，而且有兴趣增加基于晶圆的工艺，如铜柱凸点、封装和测试。”
为此，美国供应商正将其资源用于所有封装类型，尤其是先进封装。但无论哪种情况，都有一个问题。多年前，美国将大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，其中许多公司都拥有令人印象深刻的能力。然而，美国的 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说。
对于大批量制造，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方拥有自己的内部封装工厂。这不会很快改变，客户将在很长一段时间内继续与亚洲和其他地方的 OSAT 互动。
但全球半导体行业正在发生变化，导致许多人更加关注供应链。例如，在 Covid-19 期间，多个行业的芯片短缺现象十分猖獗。亚洲代工厂和 OSAT 的产能也很紧张，促使许多人意识到美国过于依赖离岸制造。更糟糕的是，美中贸易战加剧了该地区的紧张局势，该地区拥有大部分领先的工艺技术。任何中断都会对美国获得领先的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封装方面的地位。 Vardaman 和 Kelly 表示：“在提高芯片产量的同时，未能加强美国先进的封装能力将延长现有的半导体供应链，因为制造商将被迫将芯片运往国外进行封装和组装。”
有几项努力在美国带回或重新支持大型封装，但这需要时间和金钱。此外，OSAT 的利润微薄。因此，开发具有竞争力劳动力价格的成功商业模式是这里的挑战之一。
尽管如此，以下是在美国发生的一些活动：
- 英特尔正在新墨西哥州开发先进的封装业务。
- SkyWater 正在佛罗里达州开发先进的封装能力。
- Amkor 正在考虑建设其第一家美国工厂。其他美国 OSAT 正在扩大。
- Northrop Grumman 将开设一条芯片封装加工线。
美国政府提出了一项 520 亿美元的计划，以促进美国半导体制造业，其中可能还涉及封装。
美国芯片封装产业的现状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本土组装/封装业务。
当时，封装是使用手动设备的劳动密集型过程。因此，从 1970 年代开始，许多北美芯片制造商将其封装/组装业务转移到整个亚洲的低成本劳动力基地。
当时，亚洲出现了几家 OSAT，为外部客户提供低成本的组装/封装服务。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、TI 和其他公司在亚洲和其他地方保留了内部封装工厂。有些人意识到封装是产品设计的一个差异化因素。
今天尤其如此。曾经，封装体积庞大并占用空间。随着时间的推移，供应商开发了创新和时尚的封装，使芯片具有更小的外形和更好的性能。
多年来，供应商开发了各种先进的封装类型，这些类型正在系统中取得进展。 Coventor 的工艺集成工程师 Sandy Wen 表示：“通过支持小尺寸的高设备密度，先进封装已成为将更多功能嵌入各种电子产品（如手机和自动驾驶汽车）中不可或缺的一部分。”林研究公司。
封装在其他方面也变得越来越重要。传统上，为了推进芯片设计，您会在每一代 ASIC 上集成更多功能。这在每一轮都变得更具挑战性，尤其是在 28nm 以下。
“由于巨额投资，代工厂和集成设备制造商 (IDM) 在不显着增加拥有成本的情况下扩展到下一个技术节点变得越来越困难，”Brewer Science 高级项目经理小刘说，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，例如高级封装。小芯片是这里的下一件大事。为此，芯片制造商可能在库中提供模块化芯片菜单，允许客户混合搭配小芯片并将它们集成到新的芯片架构中。类似小芯片的架构可以模仿 ASIC，但它们的开发成本更低，而且速度可能更快。
但所有形式的封装对于芯片设计都很重要，包括从商品级到先进封装的所有内容。问题是所有封装中有很大一部分是在亚洲制造的，相关的生态系统也在那里。 2019 年，中国大陆拥有最多的包装设施 (114)，其次是中国台湾地区 (106)、亚太其他地区 (65)、北美 (35)、日本 (27)、欧洲 (19) 等。 ATREG 首席执行官 Stephen Rothrock 在最近的一次演讲中。
这就是美国希望加强其能力的原因。如今，美国的 OSAT 能够提供各种技术，例如引线键合、倒装芯片和先进封装。他们只需要更大规模的生产能力，而不是所有领域。
QP Technologies 的母公司 Promex 的首席执行官理查德·奥特 (Richard Otte) 表示：“美国最有可能增加批量支持的将是采用领先的更新技术制造的设备。” “这包括光子学、晶圆级和小芯片组装，而不是重建现有封装的制造能力，例如 DIP、BGA 和 QFN。”
差距在哪里今天，市场上有大约 1,000 种封装类型。细分封装市场的一种方法是通过互连类型，包括引线键合、倒装芯片、晶圆级封装 (WLP) 和硅通孔 (TSV)。互连用于在封装中将一个管芯连接到另一个管芯。 TSV 的 I/O数量最高，其次是 WLP、倒装芯片和引线键合。
据 TechSearch 称，当今约有 75% 至 80% 的封装基于引线键合。引线键合主要用于低成本的传统封装、中端封装和内存芯片堆叠。
在美国建立更大规模的引线键合能力是没有意义的今天，美国的OSATs提供引线键合服务，大规模引线键合在亚洲进行。
倒装芯片是另一回事。该技术用于开发智能手机和其他产品中的球栅阵列 (BGA) 和其他封装。倒装芯片制造过程由 IDM、代工厂或 OSAT 进行。在这个过程中，铜凸块或柱子形成在芯片的顶部。然后将器件翻转并安装在单独的芯片或板上，因此凸块落在铜焊盘上以形成电连接。
美国有一些倒装芯片晶圆凸块技术，但它需要更多的能力。台湾合计占全球撞车产能的40%，根据 IPC 和 TechSearch 的数据，其次是韩国 (27%)、中国 (16%)、北美 (6.5%) 和其他国家。
倒装芯片和其他封装由几个组件组成，例如基础材料或基板。据这些公司称，总的来说，美国仅制造了 1.3% 的包装基材，其余来自亚洲。
先进封装的情况喜忧参半。例如，考虑扇出 WLP。在扇出的一个示例中，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% 的份额在扇出方面处于领先地位，其次是台湾的日月光 (20%)、中国的 JCET (5.1%)、美国的 Amkor (3%) 等。
同时，TSV用于高级2.5D/3D封装，针对高端系统。在 2.5D/3D 中，管芯堆叠或并排放置在中介层的顶部，中介层包含 TSV。
“TSV 是 3D-IC 的使能技术，因为它们提供堆叠芯片之间的电气连接。带有 TSV 的 3D-IC 技术的主要优势在于，它可以在不同组件之间提供更短的互连，”联电研究人员 Luke Hu 在最近的一篇论文中说。
据 IPC 和 TechSearch 称，三星、台积电和联电是中介层的主要供应商。在北美，GlobalFoundries、Micross、NHanced 和 SkyWater 提供中介层。
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图 1：高性能计算封装的不同选项、基于中介层的 2.5D 与扇出基板上芯片 (FOCoS)。资料来源：日月光
小芯片的情况更好，它是封装的下一个大战场。 AMD、Intel 和 Marvell 正在采用这种方法。 AMD 依赖台积电，而英特尔拥有自己的内部能力。
谁在做什么有几种类型的公司生产封装。例如，IDM 是拥有自己晶圆厂的芯片制造商。一些但不是所有的IDM都有自己的封装业务，主要是为自己的芯片生产封装。
代工厂为他人制造芯片，有些则提供封装测试服务。 OSAT 提供第三方封装/测试服务。一些系统制造商有各种代工和封装业务。
三星和台积电都计划在 2024 年在美国建立新的先进晶圆厂，但他们没有计划增加封装厂。英特尔是最近重新进入代工业务的IDM。英特尔还在亚洲、中美洲和美国拥有自己的内部封装业务。
英特尔于 2020 年进军商用封装市场，当时美国国防部 (DoD) 授予该公司一份最先进的异构集成原型 (SHIP) 计划合同。在 SHIP 计划中，美国政府机构可以使用英特尔在美国的封装/小芯片功能。
然后，在 2021 年初，英特尔宣布计划将其现有的新墨西哥工厂转变为先进的封装制造中心。英特尔将在该设施上投资 35 亿美元，为其内部产品以及代工厂客户开发封装。
英特尔已经开发了类似小芯片的产品，其他产品也在研发中。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块以提供最佳产品。
美国国防社区是英特尔和其他公司的主要客户。该部门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。如果找不到国内资源，国防界就会离岸。
不过，最近美国本土封装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，那里希望在本土进行包装。这是为了确保国防部购买的芯片不被篡改，并且在供应链中断的情况下随时可用，”SkyWater Florida 高级副总裁兼总经理布拉德弗格森说。 “不过，不仅仅是国防部。我们的商业客户强烈要求将其带到岸上。当我这么说时，我将标准封装和先进封装混合到同一个叙述中。也就是说，这一切都必须具有竞争力。”
SkyWater Florida 是美国代工厂供应商 SkyWater 的新包装部门。在其佛罗里达州的工厂，SkyWater 正在多个领域开发包装能力，包括：
中介层、MEMS 和光子学。
铜混合键合。 SkyWater 从 Xperi 获得了这项技术的许可，并将向客户提供这些服务。
扇出。该公司获得了 Deca 的自适应图案化技术的许可，并计划开发一条扇出生产线。
SkyWater 正在分阶段推出这些技术，并在美国看到了更多包装能力的位置。它希望从一种商业模式中汲取经验。 “无晶圆厂模式取决于随时可用的容量来满足您的需求，无论是在亚洲、欧洲还是美国。无晶圆厂模式依赖于马的流动通过供应链不间断地提供服务。这是代工厂和 OSAT 支持的非常成功的模式，”弗格森说。 “这是问题的核心——美国是否有办法重新支持 OSAT 模式并使其成功？我认为先进封装是我们在美国重新支持该功能的切入点。”
同时，一些美国国防承包商提供代工和/或包装服务。许多是国防部 Trusted Foundry 计划的一部分，该计划为国防社区提供安全的陆上制造服务。
一家国防承包商 Northrop Grumman 最近宣布计划在佛罗里达州开设一家新的封装设施。该设施称为 Micro-Line (μ-Line)，将包括各种后端晶圆后处理功能，包括钝化、焊料凸点、切割、高级检查和测试，最多可对 300 毫米晶圆进行测试。
μ-Line 计划于 2022 年初开放，有能力为 Northrop Grumman 和外部客户提供服务。 “Northrop Grumman 拥有现有的微电子封装能力，但 μ-Line 是同类产品中首创的后端晶圆后处理设施，可实现从代工厂到封装的垂直整合，”导航目标和生存能力运营副总裁 Scott Crudele 说在诺斯罗普格鲁曼公司。 “μ-Line 为诺斯罗普格鲁曼公司提供了一个内部包装来源，专为满足国防客户的性能、可靠性、可负担性和质量要求而量身定制。”
美国的 OSAT 也在扩大。总共有几十个各种规模的 OSAT。根据 IPC 和 TechSearch 的数据，ASE 是最大的，其次是 Amkor、中国的 JCET、中国台湾地区的 Powertech 和中国的同富。
图2
图 2：OSAT 排名的另一个视图。
多年来，OSAT 制造能力的很大一部分位于亚洲。这不会很快改变。事实上，许多 OSAT 继续扩大其在亚洲的制造业务，以满足市场蓬勃发展的需求。
“[在 2021 年]，我们将丝焊的资本支出翻了一番，”日月光首席财务官 Joseph Tung 在最近的电话会议上表示。 “并且 [在 2022 年]，这种模式将更多地转向先进封装和测试。”
与此同时，JCET 最近在中国江苏省开设了第二期封装和测试设施。 “JCET近年来取得了创纪录的成绩，并进入了稳步增长的轨道，”JCET首席执行官李政表示。 “这些业务将在推动集团的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，尽管它在美国没有制造基地。
那可能会改变。 Amkor 已表示有意在美国建立封装厂 Amkor 的决定部分取决于美国政府是否批准所谓的 CHIPS For America 法案，这是一项耗资 520 亿美元的计划，旨在促进美国芯片制造。
不过，这只是拼图的一部分。美国还需要发展一个生态系统来支持大规模包装，例如材料和基材，以及熟练的劳动力。
Amkor 的 Engel 说：“我们乐观地认为，政府对 CHIPS 法案的行动以及其他激励措施可以为美国带来包装批量生产。” “包括基材在内的材料是在美国建立更完整生态系统的另一个重要方面。随着我们在供应链的进一步下游，劳动力成本和技术工人的可用性变得更具挑战性。包装和部分材料线需要较高的劳动力，增加了与亚洲的成本差距。这些是我们与当地组织和大学合作以确定解决方案的领域。”
Promex 的 Otte 指出，美国可以利用其现有的一些组织来解决其中的一些问题。例如，2015年，美国成立了AIM Photonics，提供硅光子的制造、封装和测试。与此同时，总部位于美国的开发柔性电子产品的集团NextFlex 是另一个例子。
奥特说：“我们需要发挥创造力，利用这些设施来建造下一代原型，并开发美国的材料和零件来源。” “此外，具有重要价值的是持续积累工程人才以支持这些努力。”
Promex 是众多正在扩大其陆上业务的美国 OSAT 之一。 QP Technologies 搬迁到位于加利福尼亚的新的更大的工厂。 QP 还增加了基板设计和制造服务。
与此同时，工程服务公司 Draper 已被选中参与美国国防部的两份总额为 1400 万美元的合同。位于美国的 OSAT 公司 i3 Microsystems 是该项目的分包商。目标是为国防系统实现先进封装的批量生产。
《3D 微电子封装：从架构到应用》
“现在有许多经过验证的例子，其中包含可以从使用封装中获得的明确技术、成本和性能优势。系统级封装设计可以看作是i3 的业务发展和项目总监贾斯汀·博尔斯基 (Justin Borski) 说。 “今天，这些例子的批量生产以海外生产为主。但随着半导体继续进入个位数纳米节点，在未来 10 到 20 年的过程中，在系统中包含先进的封装解决方案将成为实现异构设计效率的常态。因此，将一些生产转回美国对于总部设在美国的半导体公司来说具有重要的战略意义，尤其是在支持国防部方面。”
另一家总部位于美国的 OSAT NHanced Semiconductors 也在扩张。公司提供各种先进封装服务，如chiplets、2.5D/3D等技术。 “在陆上建设这些技术与在陆上拥有晶圆厂同样重要。这本身就是国家安全的问题，”NHanced 总裁鲍勃·帕蒂说。
结论显然，封装至关重要。新技术的新形式和先进形式变得更加重要。
美国已经准备好了所有的部分。它只需要更多的它们来提高其包装能力。 “美国需要标准封装和先进封装，”Patti 说。 “确实，陆上标准封装的成本结构将使重新支持的工作复杂化。例如，对于如何长期经济地支持倒装芯片的大批量生产，我不确定我有一个好的答案。先进封装更接近于硅代工业务，更容易看到适用于该领域的长期财务模型。无论如何，美国需要将大量先进封装和大部分更标准的封装留在国内。”
