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花旗国如何看待其半导体产品供应链的安全性(之三:组装、测试和封装以及先进封装)

发布时间:2022-06-02作者来源:王志华浏览:391


(上接第一部分:集成电路设计;第二部分:集成电路制造)


五、关于ATP(assembly, test, andpackaging )及先进封装

关于组装、测试、封装及先进封装的基本结论:

 

(1)    对于技术含量相对较低的后端半导体 ATP,美国严重依赖集中在亚洲的外国资源。

(2)    随着芯片变得越来越复杂,先进的封装方法代表了重大技术进步的潜在领域。然而,由于美国缺乏必要的材料生态系统,因此对于发展强大的先进封装行业,美国也不是具有成本效益的地点;

(3)    于此对应,中国的大量投资可能会颠覆现有市场。


(一)花旗国关于基本封装和测试的基本估计


(A)基本情况

在后端基本 ATP 阶段,芯片(管芯)被组装成成品,经过测试、封装并组装到电子产品。ATP 阶段有两种模式:(1) 由IDM 和(2)代工厂。代工厂是专门从事测试、封装、组装或装配业务并提供合同服务的 OSAT(单纯半导体组装和测试) 公司。从全部ATP市场看,美国公司占总收入的 28% 市场份额;从垂直整合IDM ATP 收入看,美国公司占大约 43% 市场份额,尽管如此,但美国公司已将 ATP 生产外包给美国以外的工厂设施。台积电(台湾)、联电(台湾)、中芯国际(中国大陆)和 XMC(中国大陆)等代工厂已进入封装业务,以增加他们为无晶圆厂客户提供的制造服务,尤其是小芯片的先进封装。台积电于 2012 年推出其首个先进封装解决方案。2017 年,市场上有 100 多种不同的 OSAT。有 8 个大型 OSAT;大多数是中小型玩家。

 

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虽然有一些美国 OSAT 公司(尤其是Amkor),但美国公司仅占 OSAT 业务的 15%(台湾以 52% 领先,中国以 21% 紧随其后),而 Amkor 虽然总部位于美国,但不在美国并没有生产工厂。

 

传统上基本ATP 是一项自动化程度高且价值较低的业务,需要相当大的占地面积,并且主要雇用低技术工人(随着下面讨论的先进封装技术的引入,这种情况正在发生变化)。因此,这项业务是美国生产外包的第一阶段(从 1970 年代开始),当时主要是外包到东南亚生产。今天,大部分 ATP 外包工厂在中国、台湾和东南亚(新加坡、马来西亚、菲律宾和越南)。SEMI 和 Techsearch 调研发现了 2018 年全球 120 多家 OSAT 外包公司和360 家封装工厂。在 360 家工厂中,中国有 100 多家,台湾约有 100 家,东南亚有 43 家(其他工厂在欧洲或美洲)。中国的 OSAT 生产采用的是目前主流封装技术,但中国正在开发先进的封装技术。

 

在测试方面,出于国家安全考虑,半导体技术必须经过认证和测试,才能在军用温度范围(扩展范围)、抗辐射性和恶劣环境中使用。这包括使用重离子辐射测试基础设施的单粒子效应 (SEE) 测试。美国现有的重离子辐射测试基础设施脆弱,无法满足当前或未来的 SEE测试需求。客户通常需要经历漫长的等待时间和不断上涨的测试价格,即使一个主要设施突然关闭,也很容易遭受重大压力。“能够产生具有足够离子种类和能量以满足 SEE 测试需求的离子束的加速器实验室不到六个。”这影响了测试的可用性,以支持太空机构和工业(包括卫星)之间的未来太空任务。

 

(B)主要风险


今天,美国仅拥有全球半导体封装能力的 3%(这不包括测试能力),主要由 IDM 公司提供,这些 IDM 通常在美国境外设有 ATP 工厂。虽然这在历史上一直是供应链中技术含量较低的组成部分,但这是关键的一步。美国对东南亚、台湾和中国大陆 基本ATP 生产的依赖使美国供应链面临中断。

 

(二)花旗国关于先进封装技术的讨论


(A)基本情况


虽然基本ATP 历来是供应链中的低价值组成部分,但如今封装技术正变得越来越先进。几十年来,半导体行业一直遵循摩尔定律速度发展,该定律预测半导体上的晶体管数量大约每两年翻一番。今天,芯片尺寸缩小在每个新工艺节点上带来的的功耗和性能优势都在减少,而每个晶体管的成本却在增加。虽然尺寸缩小仍然是一种选择,但随着尺寸缩放变得更加昂贵和困难,半导体行业正在寻找替代方案,这种替代方案包括将小芯片和/或多个集成电路组装后放入单个封装中。这被称为高级封装。高级封装代表了线宽缩小的替代及补充技术,因为它在封装阶段而不是芯片级提供更高的芯片密度,并允许在单个封装内集成不同的芯片功能。高级封装还允许更多地使用商用现货(国防批准)芯片来定制解决方案。

 

先进的封装类型包括芯片堆叠技术(尤其是存储芯片)和嵌入式芯片、扇出、晶圆级封装和系统级封装(将小芯片或多个芯片组装到单个封装中)。逻辑芯片的一种方法是将标准化的 IP 功能分离成不同的、更小的芯片,称为“小芯片”,通过单个封装上的标准接口连接。小芯片与其他小芯片一起工作,因此设计必须共同优化,并且不能孤立地设计芯片。美国国防高级研究计划局 (DARPA) 和海军部以及行业参与者(AMD、Marvell、和英特尔)已经有许多项目探索这种方法。先进封装对国家安全具有重要价值,可以分解功能、安全、体积、环境性能,从而为独特的国家安全应用提供可定制的设备。

 

2019 年,先进封装占半导体封装总价值的 42.6%,预计到 2025.将占整个半导体封装市场的近一半。这将是 2014 年至 2025 年 6.1%的复合年增长率 (CAGR),更多先进封装收入从 2014 年的 200 亿美元翻一番,到 2025 年约为 420 亿美元。这几乎是传统封装市场预期增长的三倍,预计 2014 年至 2025 年的复合年增长率为 2.2%。

 

全球前 10 名先进封装公司包括:两家IDM公司(美国英特尔和韩国三星韩国);集成电路制造代工厂台积电也是全球前10的先进封装公司;全球排名前五的 OSAT先进封装公司包括日月光集团(台湾)、SPIL(台湾)、Amkor(美国)、Powertech Technology(台湾)和 JCET(中国)。此外,还有两个较小的 OSAT公司,它们是Nepes Display(韩国)和 Chipbond(台湾) 。这 10 家公司加工了大约四分之三的先进封装芯片。

 

美国的先进封装主要由 IDM厂商 提供,包括英特尔、德州仪器和美光。GlobalFoundries 是一家总部在美国的代工厂,也提供先进封装服务。此外,Micross、Skywater 和 Qorvo 等较小的公司,提供先进的封装服务,以满足小众国防和工业需求。

 

如上所述,虽然中国目前不具备强大的先进封装能力,但它正在开发先进封装能力,以弥补其尖端半导体生产的不足

 

随着对先进封装的能力和需求的增长,为回应联邦登记调查通知 (NOI) 提交的评论指出,美国缺乏先进封装基板(基于印刷电路板技术)和相关供应链存在漏洞。基材供应商位于亚洲。主要基板公司包括:Ibiden(日本)、Nanya(台湾)、Shinko(日本)、Samsung(韩国)、Unimicron(台湾)、Shennan Circuits(中国)、珠海悦亚(中国)和AKM Electronics Industrial(中国)。

此外,印刷电路板制造已经转移到中国,使中国成为对基板供应商更具吸引力的市场。IPC/美国可靠电子伙伴关系 (USPAE)估计,美国在下一代电子应用所需的印刷电路板制造技术方面落后亚洲 20 年,在制造先进微电子技术所需的类似印刷电路板制造的基板的能力方面落后 30 年  美国印刷电路板制造业曾经占全球总产量的 30% 以上,如今仅占不到 5%

 

(B)主要风险


中国对先进封装的投资威胁未来市场:

虽然中国缺乏强大的先进封装能力,但中国政府在先进封装上进行了大量投资。过去几年,先进封装一直是中国半导体行业的技术重点,中国国务院的目标是到 2015 年,先进封装占中国供应商所有封装收入的 30% 左右。  2021 年 1 月,中芯国际的新聘任副董事长表示,中国企业应专注于先进封装,以克服其在减少半导体线宽方面的弱点,这可能表明中芯国际将积极进军先进封装。美国半导体封装设备公司 KLA 营销高级总监 Stephen Hiebert 在 2018 年报道“……随着先进封装产能的增加以匹配中国前端晶圆厂项目,我们看到了 OSAT 在中国的强劲投资。”

 

先进封装材料能力不足:

先进封装基板以印刷电路板技术为基础,印刷电路板制造主要在亚洲,后者主要在中国。这给寻求在美国投资先进封装的公司带来了挑战。

 

仅靠国防需求不足以保持先进封装技术在美国发展:

 

少数美国公司为国防需求提供先进封装解决方案,这些公司仅占一小部分市场份额。随着先进封装能力在美国以外的地区不断增长,它们很快就会超过国防需求的数量,市场力量将把前沿能力吸引到海外。最终,数量推动创新和运营学习;在没有商业量的情况下,美国将无法在质量、成本或劳动力方面跟上技术。


(三)小结


综上所述,美国的后端ATP能力依赖集中在亚洲的外国资源,这在供应链的这一部分造成了供应链中断风险。封装变得越来越先进,因为该行业正在寻求新的方法来补偿最先进或最小节点上越来越小的特征尺寸的复杂性、较低的产量和不断递减的边际回报。虽然美国及其合作伙伴拥有先进的封装能力,但中国在先进封装方面的巨额投资有可能在未来颠覆市场。此外,美国缺乏开发先进封装技术的生态系统。

 

 

(待续)

 

2021年6月16日于北京


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