花旗國如何看待其半導體產(chǎn)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 32

（上接*部分：集成電路設計；第二部分：集成電路制造）

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

關(guān)于組裝、測試、封裝及先進封裝的基本結(jié)論：

（1）對于技術(shù)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(shù)進步的潛在領(lǐng)域。然而，由于美國缺乏必要的材料生態(tài)系統(tǒng)，因此對于發(fā)展強大的先進封裝行業(yè)，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(xiàn)有市場。

（一）花旗國關(guān)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(jīng)過測試、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試、封裝、組裝或裝配業(yè)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(chǎn)外包給美國以外的工廠設施。臺積電（臺灣）、聯(lián)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(yè)務，以增加他們?yōu)闊o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(shù)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(yè)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(chǎn)工廠。

傳統(tǒng)上基本ATP 是一項自動化程度高且價值較低的業(yè)務，需要相當大的占地面積，并且主要雇用低技術(shù)工人（隨著下面討論的先進封裝技術(shù)的引入，這種情況正在發(fā)生變化）。因此，這項業(yè)務是美國生產(chǎn)外包的*階段（從 1970 年代開始），當時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、臺灣和東南亞（新加坡、馬來西亞、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(chǎn)采用的是目前主流封裝技術(shù)，但中國正在開發(fā)先進的封裝技術(shù)。

在測試方面，出于*安全考慮，半導體技術(shù)必須經(jīng)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(huán)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(xiàn)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(jīng)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(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(gòu)和工業(yè)（包括衛(wèi)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(shù)含量較低的組成部分，但這是關(guān)鍵的一步。美國對東南亞、臺灣和中國大陸基本ATP 生產(chǎn)的依賴使美國供應鏈面臨中斷。

（二）花旗國關(guān)于先進封裝技術(shù)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(shù)正變得越來越先進。幾十年來，半導體行業(yè)一直遵循摩爾定律速度發(fā)展，該定律預測半導體上的晶體管數(shù)量大約每兩年翻一番。今天，芯片尺寸縮小在每個新工藝節(jié)點上帶來的的功耗和性能優(yōu)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(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(shù)，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(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(shù)（尤其是存儲芯片）和嵌入式芯片、扇出、晶圓級封裝和系統(tǒng)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(yōu)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(yè)參與者（AMD、Marvell、和英特爾）已經(jīng)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(huán)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(tǒng)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(yè)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(fā)先進封裝能力，以彌補其*半導體生產(chǎn)的不足

隨著對先進封裝的能力和需求的增長，為回應聯(lián)邦登記調(diào)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(shù)）和相關(guān)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(jīng)轉(zhuǎn)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(guān)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(shù)方面落后亞洲 20 年，在制造先進微電子技術(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(yè)的技術(shù)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(yè)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(jiān) Stephen Hiebert 在 2018 年報道“……隨著先進封裝產(chǎn)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(shù)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(zhàn)。

僅靠國防需求不足以保持先進封裝技術(shù)在美國發(fā)展：

少數(shù)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(qū)不斷增長，它們很快就會超過國防需求的數(shù)量，市場力量將把前沿能力吸引到海外。最終，數(shù)量推動創(chuàng)新和運營學習；在沒有商業(yè)量的情況下，美國將無法在質(zhì)量、成本或勞動力方面跟上技術(shù)。

（三）小結(jié)

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(yè)正在尋求新的方法來補償最先進或最小節(jié)點上越來越小的特征尺寸的復雜性、較低的產(chǎn)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(fā)先進封裝技術(shù)的生態(tài)系統(tǒng)。

（待續(xù)）

2021年6月16日于北京

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