花旗國如何看待其半導體產品供應鏈的安全性（之三：組裝、測試和封裝以及先進封裝）

清華大學王志華教授|王志華|Wang Zhihua|

2022-06-02 14:10:03 5

（上接*部分：集成電路設計；第二部分：集成電路制造）

五、關于ATP（assembly, test, andpackaging )及先進封裝

關于組裝、測試、封裝及先進封裝的基本結論：

（1）對于技術含量相對較低的后端半導體 ATP，美國嚴重依賴集中在亞洲的外國資源。

（2）隨著芯片變得越來越復雜，先進的封裝方法代表了重大技術進步的潛在領域。然而，由于美國缺乏必要的材料生態系統，因此對于發展強大的先進封裝行業，美國也不是具有成本效益的地點；

（3）于此對應，中國的大量投資可能會顛覆現有市場。

（一）花旗國關于基本封裝和測試的基本估計

（A）基本情況

在后端基本 ATP 階段，芯片（管芯）被組裝成成品，經過測試、封裝并組裝到電子產品。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試、封裝、組裝或裝配業務并提供合同服務的 OSAT（單純半導體組裝和測試) 公司。從全部ATP市場看，美國公司占總收入的 28% 市場份額；從垂直整合IDM ATP 收入看，美國公司占大約 43% 市場份額，盡管如此，但美國公司已將 ATP 生產外包給美國以外的工廠設施。臺積電（臺灣）、聯電（臺灣）、中芯國際（中國大陸）和 XMC（中國大陸）等代工廠已進入封裝業務，以增加他們為無晶圓廠客戶提供的制造服務，尤其是小芯片的先進封裝。臺積電于 2012 年推出其*先進封裝解決方案。2017 年，市場上有 100 多種不同的 OSAT。有 8 個大型 OSAT；大多數是中小型玩家。

雖然有一些美國 OSAT 公司（尤其是Amkor），但美國公司僅占 OSAT 業務的 15%（臺灣以 52% *，中國以 21% 緊隨其后），而 Amkor 雖然總部位于美國，但不在美國并沒有生產工廠。

傳統上基本ATP 是一項自動化程度高且價值較低的業務，需要相當大的占地面積，并且主要雇用低技術工人（隨著下面討論的先進封裝技術的引入，這種情況正在發生變化）。因此，這項業務是美國生產外包的*階段（從 1970 年代開始），當時主要是外包到東南亞生產。今天，大部分 ATP 外包工廠在中國、臺灣和東南亞（新加坡、馬來西亞、菲律賓和越南）。SEMI 和 Techsearch 調研發現了 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，中國有 100 多家，臺灣約有 100 家，東南亞有 43 家（其他工廠在歐洲或美洲）。中國的 OSAT 生產采用的是目前主流封裝技術，但中國正在開發先進的封裝技術。

在測試方面，出于*安全考慮，半導體技術必須經過認證和測試，才能在軍用溫度范圍（擴展范圍）、抗輻射性和惡劣環境中使用。這包括使用重離子輻射測試基礎設施的單粒子效應 (SEE) 測試。美國現有的重離子輻射測試基礎設施脆弱，無法滿足當前或未來的 SEE測試需求。客戶通常需要經歷漫長的等待時間和不斷上漲的測試價格，即使一個主要設施突然關閉，也很容易遭受重大壓力。“能夠產生具有足夠離子種類和能量以滿足 SEE 測試需求的離子束的加速器實驗室不到六個。”這影響了測試的可用性，以支持太空機構和工業（包括衛星）之間的未來太空任務。

（B）主要風險

今天，美國僅擁有全球半導體封裝能力的 3%（這不包括測試能力），主要由 IDM 公司提供，這些 IDM 通常在美國境外設有 ATP 工廠。雖然這在歷史上一直是供應鏈中技術含量較低的組成部分，但這是關鍵的一步。美國對東南亞、臺灣和中國大陸基本ATP 生產的依賴使美國供應鏈面臨中斷。

（二）花旗國關于先進封裝技術的討論

（A）基本情況

雖然基本ATP 歷來是供應鏈中的低價值組成部分，但如今封裝技術正變得越來越先進。幾十年來，半導體行業一直遵循摩爾定律速度發展，該定律預測半導體上的晶體管數量大約每兩年翻一番。今天，芯片尺寸縮小在每個新工藝節點上帶來的的功耗和性能優勢都在減少，而每個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，半導體行業正在尋找替代方案，這種替代方案包括將小芯片和/或多個集成電路組裝后放入單個封裝中。這被稱為*封裝。*封裝代表了線寬縮小的替代及補充技術，因為它在封裝階段而不是芯片級提供更高的芯片密度，并允許在單個封裝內集成不同的芯片功能。*封裝還允許更多地使用商用現貨（國防批準）芯片來定制解決方案。

先進的封裝類型包括芯片堆疊技術（尤其是存儲芯片）和嵌入式芯片、扇出、晶圓級封裝和系統級封裝（將小芯片或多個芯片組裝到單個封裝中）。邏輯芯片的一種方法是將標準化的 IP 功能分離成不同的、更小的芯片，稱為“小芯片”，通過單個封裝上的標準接口連接。小芯片與其他小芯片一起工作，因此設計必須共同優化，并且不能孤立地設計芯片。美國國防*研究計劃局 (DARPA) 和海軍部以及行業參與者（AMD、Marvell、和英特爾）已經有許多項目探索這種方法。先進封裝對*安全具有重要價值，可以分解功能、安全、體積、環境性能，從而為獨特的*安全應用提供可定制的設備。

2019 年，先進封裝占半導體封裝總價值的 42.6%，預計到 2025.將占整個半導體封裝市場的近一半。這將是 2014 年至 2025 年 6.1%的復合年增長率 (CAGR)，更多先進封裝收入從 2014 年的 200 億美元翻一番，到 2025 年約為 420 億美元。這幾乎是傳統封裝市場預期增長的三倍，預計 2014 年至 2025 年的復合年增長率為 2.2%。

全球前 10 名先進封裝公司包括：兩家IDM公司（美國英特爾和韓國三星韓國）；集成電路制造代工廠臺積電也是全球前10的先進封裝公司；全球排名前五的 OSAT先進封裝公司包括日月光集團（臺灣）、SPIL（臺灣）、Amkor（美國）、Powertech Technology（臺灣）和 JCET（中國）。此外，還有兩個較小的 OSAT公司，它們是Nepes Display（韓國）和 Chipbond（臺灣）。這 10 家公司加工了大約四分之三的先進封裝芯片。

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

如上所述，雖然中國目前不具備強大的先進封裝能力，但它正在開發先進封裝能力，以彌補其*半導體生產的不足

隨著對先進封裝的能力和需求的增長，為回應聯邦登記調查通知 (NOI) 提交的評論指出，美國缺乏先進封裝基板（基于印刷電路板技術）和相關供應鏈存在漏洞。基材供應商位于亞洲。主要基板公司包括：Ibiden（日本）、Nanya（臺灣）、Shinko（日本）、Samsung（韓國）、Unimicron（臺灣）、Shennan Circuits（中國）、珠海悅亞（中國）和AKM Electronics Industrial（中國）。

此外，印刷電路板制造已經轉移到中國，使中國成為對基板供應商更具吸引力的市場。IPC/美國可靠電子伙伴關系 (USPAE)估計，美國在下一代電子應用所需的印刷電路板制造技術方面落后亞洲 20 年，在制造先進微電子技術所需的類似印刷電路板制造的基板的能力方面落后 30 年美國印刷電路板制造業曾經占全球總產量的 30% 以上，如今僅占不到 5%

（B）主要風險

中國對先進封裝的投資威脅未來市場：

雖然中國缺乏強大的先進封裝能力，但中國政府在先進封裝上進行了大量投資。過去幾年，先進封裝一直是中國半導體行業的技術重點，中國*的目標是到 2015 年，先進封裝占中國供應商所有封裝收入的 30% 左右。 2021 年 1 月，中芯國際的新聘任副董事長表示，中國企業應專注于先進封裝，以克服其在減少半導體線寬方面的弱點，這可能表明中芯國際將積極進軍先進封裝。美國半導體封裝設備公司 KLA 營銷*總監 Stephen Hiebert 在 2018 年報道“……隨著先進封裝產能的增加以匹配中國前端晶圓廠項目，我們看到了 OSAT 在中國的強勁投資。”

先進封裝材料能力不足：

先進封裝基板以印刷電路板技術為基礎，印刷電路板制造主要在亞洲，后者主要在中國。這給尋求在美國投資先進封裝的公司帶來了挑戰。

僅靠國防需求不足以保持先進封裝技術在美國發展：

少數美國公司為國防需求提供先進封裝解決方案，這些公司僅占一小部分市場份額。隨著先進封裝能力在美國以外的地區不斷增長，它們很快就會超過國防需求的數量，市場力量將把前沿能力吸引到海外。最終，數量推動創新和運營學習；在沒有商業量的情況下，美國將無法在質量、成本或勞動力方面跟上技術。

（三）小結

綜上所述，美國的后端ATP能力依賴集中在亞洲的外國資源，這在供應鏈的這一部分造成了供應鏈中斷風險。封裝變得越來越先進，因為該行業正在尋求新的方法來補償最先進或最小節點上越來越小的特征尺寸的復雜性、較低的產量和不斷遞減的邊際回報。雖然美國及其合作伙伴擁有先進的封裝能力，但中國在先進封裝方面的巨額投資有可能在未來顛覆市場。此外，美國缺乏開發先進封裝技術的生態系統。

（待續）

2021年6月16日于北京

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