美智库报告《半导体先进封装“回流”与供应链安全》

报告介绍了半导体封装和先进封装产业的基本情况与背景，美国在先进封装“回流”方面的相关法案与激励措施，以及中国等东南亚和美国公司的情况分析。

领先的先进封装是未来半导体产业竞争力的关键。然而，美国半导体封装产能有限，且缺乏相关生态系统；加快先进封装回流美国对于提高半导体供应链安全性至关重要，因此在提高先进半导体制造能力的同时应特别强调：与美国本土先进封装能力相结合、创新美国国内先进封装技术，以及定向投资激励等。

半导体封装/先进封装的产业现状与背景

1.1 封装的概念与类型

半导体生产过程一般包括三个步骤：设计；制造；以及组装、测试和封装（ATP）。

在硅晶圆上设计并制造单个部件之后，ATP涉及使用专用设备和材料将晶圆切成单个芯片(组件)，测试芯片的可操作性(测试)，最后将其封装到更大的器件(封装)上以保护和实现其功能。虽然ATP表示半导体制造过程中的分散步骤，但通常是在世界同一区域中的同一公司使用相同设施按先后次序执行的。

本文在重点讨论先进封装的同时，也从与封装相关的角度讨论了组装和测试。

图：电子系统集成和封装，资料来源：Santosh Kumar、Stefan Chitoraga和Favier Shoo，“2021年先进封装行业的现状”（Yole Decelpement，2021年9月）

半导体封装具有两个好处：一是保护成品芯片免受机械冲击、化学污染、辐射、热和/或光辐射等威胁，所有这些都可能破坏集成电路的功能；二是提供将集成电路连接到外部环境，例如PCB，通过焊球、焊线或引脚。这些连接启用器件的功能。半导体封装是在硅晶圆上制造芯片并将其并入诸如智能手机的成品电子设备之间的中间阶段。

先进封装：是传统半导体封装的组成部分，使用新颖的技术和材料来提高集成电路性能、功率、模块化和耐用性。这些先进封装具有多种优势：时延、更高的带宽、更高的效率和功率输送以及更高的输入/输出密度。

图2：电子封装从20世纪70年代到现在的发展，资料来源：Choi Seunghyuk、Christopher Thomas和Florianweig，“先进的封装技术：对首批移动机器人和快速跟随者的影响”（麦肯锡，2014年）

封装技术的类型。随着时间的推移，制造商采用了不同类型的封装技术，具体取决于集成电路所包含的系统（图2）。为移动电话设计使用的集成电路(例如，速度、尺寸和重量) 与设计卫星适用的集成电路具有不同的封装要求(例如，抗辐射容限、极端温度下的复原力)。而鉴于其电子系统的独特性能要求，移动/消费电子类市场中的客户特别重视先进的电子封装。

封装中的“互连”。半导体制造商约有1000种不同类型的封装产品中，其类型按互连方式区分。互连是将一个半导体芯片成品连接到另一个封装中的互连，其目的是保证半导体和PCB之间发射电子信号的速度与准确性。更先进的封装技术是随着互连密度(通称为输入/输出数)的增加，封装尺寸和功耗逐步减小。

图3.前端与后端技术节点开发和封装收入的组合时间线，资料来源：Kumar、Chitoraga和Shoo，先进封装行业现状，2021年

目前封装中最常见的互连类型是“引线键合”（其中微细引线将芯片连接到PCB以传输电子信号）。引线键合的挑战是，其尺寸没有与晶体管密度同样的速度缩小（图3），表明晶体管内的工艺能力比能够通信的导线更强大。先进封装试图通过使用诸如“凸点”、“焊球”或“晶圆级封装”的新颖的互连方法来解决该问题，而不是使用导线来连接芯片，这使得封装尺寸最小化，并在稳定到成本下降的情况下使性能最大化。

1.2 先进封装日益重要，市场价值上升空间巨大

先进封装市场的发展证明了其对半导体消费者和生产者日益重要。

2014年，封装市场总价值532亿美元，先进封装占202亿美元（38%）

预计到2024年，封装市场价值约961亿美元，先进封装占482亿美元（50%）

一些更加乐观的行业估计，鉴于先进封装市场价值在2019年达到249亿美元，预测2027年将增长至733亿美元（复合年增长率为12.1%）

先进封装晶圆份额翻倍。全球范围内，2014年先进封装用的晶圆数量与传统封装（“晶圆分割”）之比为19%：81%。由于先进封装的重要性日益增加，这种差异预计在未来几年将发生显著变化。有分析师预计，到2026年，先进封装和传统封装之间的晶圆分割将分别为35%和65%。这种先进封装的晶圆份额翻倍的部分原因是，先进封装晶圆的价值是传统封装晶圆的价值一倍多，导致制造商获取高利润率。此外，价值高的原因是与使用先进技术封装的芯片相关性能提高了，高利润率加上性能提升，促使有意进入该市场的公司进行大量投资。

先进封装的行业需求。随着对半导体含量的需求增加，对先进封装服的务有相应的需求。移动消费类电子市场历来是先进封装产品的主要消费市场。最近，支持通信和基础设施以及汽车和运输使用案例的电子器件已开始在其技术路线图中纳入先进封装。到2020年，先进封装市场主要来自以下行业的需求：

• 移动和消费类电子 71%

• 通信和基础设施 20%

• 汽车和运输 7%

• 航空航天/国防和医疗/工业类电子，在先进封装中市场中占比小，但其市场正在不断增长

全球主要企业加速应用先进封装技术。从消费类电子、汽车制造到高性能计算，先进封装的重要性越来越受到各类公司的认可。

苹果、AMD等公司与台积电合作提供代工服务，并扩大合作范围，将先进封装的服务包括在内

苹果公司的“S4 Watch”利用一种被称为系统级封装（SiP）的先进封装技术来缩减37%的封装面积，而不降低任何性能。

全球领先的外包半导体组装和测试（OSAT）公司Amkor报告称，仅苹果公司就在2020年占其的总收入的14.5%

特斯拉等汽车公司使用TSMC制造其自动驾驶芯片并进行封装

有报道称，TSMC和英特尔很快将在一些高性能计算和人工智能加速器的应用程序中使用先进封装工艺

1.3 先进封装的商业模式：OSAT、IDM和代工厂

与传统封装一样，先进封装目前包含两种商业模式：（1）由IDM和代工厂在制造后执行的内部ATP服务；(2) 第三方客户的OSAT公司，OSAT客户可以包括IDM、无晶圆厂公司和代工厂。

图4：半导体生态系统，资料来源：Saif M. Khan、Alexander Mann和Dahlia Peterson，“半导体供应链：评估国家竞争力”，CSET，2021年1月

早在20世纪60年代，半导体制造商利用劳动力成本的优势，在亚洲建立了工厂。如今，在美国和欧洲以外，从事半导体制造的领先公司总部都设在新加坡、韩国、日本和中国。欧洲、美国、韩国和中国领先IDM和代工厂也在先进封装方面进行了大量投资，如下所述。然而，总部位于中国的公司主导了OSAT部分。

1.4 封装组成部分：材料、设备和服务

半导体封装供应链。支持半导体封装的供应链的结构反映了更广泛的半导体供应链的结构。生产原材料、元器件和设备的供应商为封装公司（OSAT、IDM或代工厂）提供中间产品，这些公司运营大型、无菌、自动化的工厂，加工成品芯片，为将其集成电子产品做准备。重要的是，提供先进封装材料、设备和服务的公司也在传统封装市场竞争，只有极少数公司专门针对先进封装市场提供产品或服务。

半导体组装和封装之间界限逐渐模糊，特别是在先进封装领域。半导体组装是指检查制造的晶圆是否存在缺陷，将晶圆切割成可操作的单个芯片，将这些芯片键合到基板或PCB，并包封芯片以保护并连接到较大的电子系统的过程。传统的半导体封装是这一市场的一个组成部分，指的是用于在其保护性外壳中封装和标记芯片、保护芯片免受环境影响，以及处理组装好芯片的最终封装的材料、设备和服务。“先进封装”结合了这两种工艺，并且越来越多地利用前端工艺和装备，例如光刻和计量设备。

组装和封装设备和工具用于获取完整的晶圆并将其转换为封装的单个芯片。传统上，这种工艺是使用检查成品晶圆的设备来完成的，将它们“切割”成单独的集成电路，将这些单独的IC粘接到基板，并封装键合好的IC。一些先进封装的技术跳过切割晶圆的过程，而是在切割之前检查晶圆并将其粘接到基板上，这种工艺称为晶圆级封装。此工艺中使用的装备包括用于组装检查、切割、键合和集成组装的工具。封装装备是组装工具的一个组成部分，包括用于将芯片封装在其保护盖板中的器件，保护芯片具免受环境影响，以及处理组装好芯片的最终封装。

组装和封装设备高度专业化。一家领先的OSAT公司Amkor报告称，它主要依靠丝焊机和粘片机来提供其封装服务，尽管也使用了“芯片、切割、贴片、球焊和晶圆背面研磨”设备。该公司指出，虽然许多类型的传统封装设备可以快速地重新利用或“改装”，但先进的封装设备更难重新部署。此外，先进的封装设备，如“溅射和旋涂机，电镀设备，回流焊炉”的交付和安装时间更长。

1.5 OSAT、IDM和代工封装供应商数量分布

OSAT、IDM和代工厂使用上述材料和设备组装和封装成品晶圆。如果按销售额衡量，总部位于美国、中国、韩国和日本的公司占封装市场份额的绝大部分。然而，从物理设施的位置来看，亚洲明显是领导者。最近的统计表明，中国在封装设备总数方面领先（220，含台湾地区106），其次分别是亚太其他地区（65）、北美（35）、日本（27）和欧洲（19）。公司总部位于美国和欧洲的半导体工业协会估计，全球至少81%的ATP产能位于亚洲。

表：组装和封装设备类型、市场规模和领先公司

美国的政策和先进封装

虽然美国在半导体设计方面继续领先，但其制造能力却持续下降，美国本土的ATP产能也出现同样下降。尽管有几十家总部在美国的封装供应商能够提供顶级的小产量服务，但北美在全球封装产能中的份额仅为3%。总的来说，美国公司（英特尔除外）缺乏大容量封装差能，相关生态系统（基板、晶圆凸点、设备）也十分缺乏。

2.1 《CHIPS》法案

《CHIPS》法案旨在扭转上述趋势，其中包含了与先进封装有关的若干条款。这是美国政府为在美国建立和扩展先进封装生态系统所做的实质性努力。具体而言，这些条款为建立各种先进封装研究和开发项目提供资金，理论上也可用于扩大美国的先进封装产能，具体取决于资金如何分配和项目优先顺序。重要的是，这些条款中的许多都是作为《美国创新与竞争》法案（USICA）的一部分由美国参议院于2021年6月资助的，该法案目前正由一个委员会与美国众议院于2022年2月通过的《美国竞争》法案（COMPETES）进行协调。

2.2 《美国创新与竞争法》法案

《美国创新与竞争法》（USICA）法案拨款20亿美元，提供联邦援助，鼓励对设施和设备的投资，以支持“成熟技术节点的半导体制造、组装、测试或先进封装”，其中包括：

每年提供4亿美元（2022-2026财年），用于支持国防部微电子研发网络的建立和运营；考虑到国防部对电子产品封装的各种要求，其中一些资金可以用于先进封装的研究

为了支持先进封装以及其他微电子研究重点项目，该法案：

• 为国家半导体技术中心（NSTC）提供20亿美元的研发投资

• 为国家先进封装制造项目(NAPMP)提供25亿美元的研发投资

• 为2022财年的制造美国研究所提供5亿美元的研发投资

这些项目的补充资金共计50亿美元也将在2023-2026财年提供

美国半导体立法两大立法优势互补

共促研发与制造回流

表：与先进封装有关的最新美国立法

美国有关先进封装重新回流的政策

虽然上述政策都值得期待，但事实是，领先的代工厂和OSAT（几乎所有代工厂总部都设在亚洲）对在美国建立先进封装工厂在投资回报率方面上几乎没有什么信心。因此，先进封装重新回流的成本要求制定有效利用资金的明确战略，来针对先进封装生态系统中的特定技术。同时，这一战略背后的思路应接受更广泛的ATP生态系统回流的经济性阻止有意义的产能返回到美国。政策制定者应该承认，成熟的封装技术重新回流几乎没有任何经济上的回报，相反更应专注制定先进封装的战略。政策应包括三大支柱：

• 提高美国的先进封装设施能力
• 增加美国先进封装设备和材料的生产
• 支持先进封装创新的针对性研发

3.1 提高美国的先进封装设施产能

行业分析师预计，到2022年底将有29个新晶圆厂建设项目启动。据估计，这29家晶圆厂每年可生产多达1450万块晶圆。增加这种晶圆的制造能力尤其需要更先进的封装能力，并且更普遍需要ATP产能，以维持加工容量。然而，当前ATP资本支出投资水平需要持续或扩大，才能支持OSAT、IDM和代工厂有组装、测试和封装在线增加的晶圆制造能力。OSAT、IDM和代工厂都在考虑新建ATP设施以满足更大的需求，美国应提供激励措施，鼓励公司在国内建立或扩大ATP能力。

国会正在考虑直接和间接分配数十亿美元来支持先进封装的生态系统。除了25亿美元的全国先进封装制造计划外，还可通过CHIPS法案确定的几条资助路线来激励先进封装设施建设。

例如，如果专用于“成熟技术节点处半导体的制造、组装、测试或先进封装”的20亿美元专门用于对成熟节点的先进封装给予支持，这些激励措施将有意义地鼓励在美国建立新的先进封装设施。

除英特尔公司外，没有任何公司在美国运营大量先进封装设施。因此，模拟美国本土ATP设施的建设和运营成本很难。

英特尔公司先前估计，将其ATP设施从中国迁移至其他国家将花费6.5亿~8.75亿美元。公开财务报表还表明，其估计中国ATP设施的当前价值约为8.51亿美元。与此同时，Amkor最近估计其在越南的新设施的第一阶段需要2~2.5亿美元的先期资本支出。除了建设成本外，封装设施成本还必须考虑再发生的运营费用，如劳动力和公用事业费等，这在亚洲和美国之间有很大的差异。

3.2 增加美国先进封装材料的供应，减少供应链漏洞

IC基板的军用价值。对于先进封装特别重要，美国公司在这一市场的存在以及美国的生产极其有限。IC基板用于航空航天的各种电子装备，特别是军事应用。美国唯一一家适合先进封装的IC基板供应商报告称，其净销售额36%（包括IC基板和PCB等电子元件）来自航空航天和国防市场。

在先进封装的供应链中，IC基板的短缺尤为严重。特别要关注的是Ajinomoto积层膜基板。主要芯片制造商（包括英特尔、AMD和英伟达）将其用于高端CPU、GPU和5G网络芯片的封装工艺。2020年10月和2021年2月发生在中国台湾地区基板生产商的火灾加剧了这种供应紧张局面，导致某些基板延迟交付长达40周。

供应商正在投资高达50亿美元，以扩大FC-BGA基板产能，但最早要到2022年底才能提供更多产能，且都位于美国境外。先进基板的工艺设施造价为3亿美元（英特尔公司估计为10亿美元），目前运营这样设施的设备将有两年的交付周期。尽管这里描述了预期的产能扩展，但有个行业协会估计，到2025年，增加的产能将仅能满足这些基板需求的78%。

3.3 支持先进封装的目标研发

先进封装的材料、设备和服务创新对于未来美国半导体行业的领导地位至关重要。应优先考虑在降低功耗、成本和形状因子的同时提高半导体性能的改进。此外，应优先考虑易于商业化、灵活且可扩展的创新。报告认为，美国应资助与小芯片（Chiplet）和异构集成、设备自动化以及基于这些因素的晶圆级封装相关的先进封装创新。

随着FOWLP等封装工艺的普及，其支持设备必须加以创新以满足工艺需求。设备创新也将加速封装的自动化，很可能会改变人工费率及其与成本建模中的作用。特别是，晶圆级封装对设备提出了独特的要求，因为它需要验证制造的晶圆里面有最大数量的可工作芯片。这一质量管理步骤传统上被认为是半导体制造前端工艺，但它越来越多地用于支持后端先进封装的要求。这些要求为大型半导体制造设备供应商(主要是美国供应商)开辟了新的业务领域，其产品服务更多地流向先进封装的市场。例如，总部设在加利福尼亚州的KLA（一个半导体制造中使用前端计量设备在全球市场领先的质量和工艺管理设备的供应商）最近开始为先进的晶圆级封装提供高灵敏度缺陷检测工具。

在自动化需求方面，后端先进封装与前端半导体制造逐渐趋同。越先进的封装可以自动化，越多的美国设备公司将从中受益，当公司选择ATP设施地点时，劳动力成本比率下降将作为决定因素。美国准备从这些发展趋势中受益，并应投资支持这些趋势。

图6：从后端到前端的先进封装，资料来源：Kumar、Chitoraga和Shoo，“先进封装行业现状2021年”，214页

根据上述行业发展趋势与分析，提高半导体供应链韧性都必须考虑先进封装，就此提出以下几项建议：

4.1 利用CHIPS法案基金激励提高国内先进封装的产能

CHIPS法案中的多项条款授权但不要求其资金用于先进封装的项目，政策制定者应尽可能利用这一自由度将资金集中用于提高国内先进封装的产能和研发工作上。

4.2 将CHIPS法案资金优先用于半导体制造项目提案上，包括在先进封装能力方面的并行投资和共址投资

大型代工厂和IDM（如台积电、三星和英特尔）已经更愿意将其先进封装工艺与制造工艺合用，并为其提供激励措施，以便最大限度提高投资回报率。例如，台积电和三星分别在亚利桑那州和德克萨斯州进行晶圆厂投资建设项目，两家公司虽未宣布在各自项目中增加先进封装设施的计划，但应鼓励他们这样做。

4.3 鼓励与先进封装用IC基板领先供应商组建美国本土合资企业

美国目前缺乏足够的IC基板种类和容量来满足先进封装的需求，增加国内IC基板产能将提高先进封装以及半导体的供应链韧性。

4.4 提供国内生产的激励措施

鼓励至少一家领先的OSAT企业在美国建立先进封装的设施，生产商业上可行的FC-BGA。

4.5 利用国家先进封装制造计划的资金推动先进封装的创新

现在有各种各样的工艺和技术构成先进封装，但还没有一种方法成为主导技术。政策制定者应瞄准提供各种封装服务的公司和财团的研发基金，从晶圆级到倒装芯片-BGA。这些激励措施也可以基于设施产能进行调整，使用1000级或100级净化间和晶圆加工的尺寸作为参考点。例如，资金可用于：

美国OSAT、IDM与美国大学建立公私合作关系，建立1000或100级洁净室，从事集成电路基板和先进封装技术的研究和开发

推动小芯片、晶圆级封装和封装设备自动化的创新

【附录】先进的封装生态系统：供应、需求和企业领导

OSAT、IDM和代工封装供应商

截至2020年，从事先进封装的十大领先企业占所有先进封装容量的93%。这10家公司分别位于中国（62%，其中中国台湾地区占全部产能48%）、美国（22%）和韩国（9%）。在先进封装方面保持领先地位的OSAT和IDM公司包括：ASE集团、台积电、奇邦、Chip MOS、Amkor、英特尔、JCET、华天、三星和海王星。

封装以往在业界被视为劳动密集型和低附加值“后端”活动（与高附加值“前端”半导体制造相反），因此，很多公司将这些业务转移到海外，主要是亚洲。

然而，目前出现两个趋势正在推动封装工业方式的变化：首先，企业越来越认识到封装对加工能力的重要性，特别是当摩尔定律放缓逼近物理极限时。因此，各家公司投入大量资金开发支持先进封装生态系统所需要的设备、材料和系统。其次，先进封装的创新将是其他新兴技术创新深度和广度的关键决定因素。

在相关政策建议方面，报告特别强调了先进封装回流对提高美国半导体供应链安全、加强美国半导体供应链韧性的重要性，以及创建和实施相关计划以增强美国本土先进封装的创新，值得我们密切关注。