美国人眼里的先进封装现状

摘要

传统半导体行业缩小器件和降低成本方法正在发生重大转变，芯片设计人员积极寻求新的技术解决方案，以提高成本效益，同时将更多功能集成到硅片上。异构集成（HI）是一种可行的解决方案，利用先进的封装技术，实现各个组件的独立设计和制造，并分别使用最合适的工艺。然而，采用 HI 会带来设计和安全性的挑战；为了实现HI，先进封装的研发至关重要。现有的研究提出了先进封装供应链中可能存在的安全威胁，因为大多数外包半导体组装和测试（OSAT）设施/供应商都不在美国。为了应对不断增长的半导体需求并确保安全的半导体供应链，美国政府做出了巨大努力将半导体制造设施迁至境内；然而，美国的先进封装能力也必须提升，以实现建立安全、高效、有弹性的半导体供应链的愿景。

我们的研究目的是：找出美国先进封装供应链中可能存在的瓶颈和薄弱环节。本文作者是包括了来自佛罗里达大学、迈阿密大学和 Skywater Technology Foundry 的研究人员。

Introduction（介绍）

电子设备的普遍存在正在深刻地改变我们的生活方式和工作方式，并深深地融入我们的日常生活中。在当今的数字驱动经济中，高速设备和无缝连接的广泛使用产生了大量数据。各种关键系统，包括自动驾驶、数据中心和人工智能 (AI) 系统，都依赖于捕获、存储和分析这些大数据来实现数据驱动的交互。集成电路 (IC) 在支持数据处理、高性能计算和无线通信的发展方面发挥着关键作用。当今的尖端 IC 提供高带宽存储器、多个处理内核和高速输入/输出 (I/O) 端口，这些尖端 IC 的出现主要归功于摩尔定律的持续演进，该定律推动半导体行业不断生产更快、更小且更具成本效益的IC。然而，由于制造成本上升、功耗挑战以及与先进技术节点相关的良率问题，这一长期有效的定律逐渐达到瓶颈。

为了应对传统CMOS（互补金属氧化物半导体）技术微缩化所面临的挑战，2015年，国际半导体技术路线图（ITRS）提出了一种前瞻性战略，以延续CMOS技术的发展。这一愿景的核心是采用异构集成 (HI) 作为可行的解决方案。HI 将单独设计和制造的组件集成到基板上，使它们能够像片上系统 (SoC) 一样运行。

HI 将具有不同技术节点和功能的组件合并在一起，形成更先进的组件，称为多芯片模块 (MCM) 或系统级封装 (SiP)（图 1）。SiP 提供了扩展的功能和改进的操作特性，这是单芯片 SoC 方法难以实现的。芯粒、有源/无源部件和MEMS器件等组件可以统一封装到SiP中。例如，芯粒是单独制造的硅片，专门为内存、模拟混合信号处理、射频 (RF) 或处理器等目标功能而设计。SiP技术可以通过中介层上芯粒的相邻放置 (2.5D) 或垂直堆叠 (3D) 进行集成。

虽然HI具有许多优势，但仍需要进一步的研究和开发来提高其有效性。为了实现HI的愿景并延续摩尔定律，需要标准化互连接口和通信协议，确保安全设计。例如，封装方法应该更有效地利用空间来适应更小的外形尺寸。这就是为什么传统的封装技术不足以继续发展HI，从而延续摩尔定律。此外，芯粒互连接口的设计必须满足速度、功耗和减轻串扰的特定标准。高性能计算、5G 和人工智能的影响导致半导体速度提高、互连密度提高、焊盘间距减小、芯片尺寸扩大以及功耗增加，需要垂直堆叠芯片，以实现进一步的规模化和更快的互连，例如开发2D、2.5D和3D堆叠。这些因素对传统封装技术提出了挑战，大量关于先进封装的研究正在进行，以满足HI的要求。

许多半导体领域的巨头，包括英特尔、美光和三星等集成设备制造商(IDM)，IBM和AMD等无晶圆厂的设计公司，台积电和三星等代工厂，以及Amkor和台积电等OSAT厂商，都深度参与其中。例如，AMD EPYC和Intel Lakefield处理器是3D SiP的商用示例。美国国防高级研究计划局(DARPA)的通用异构集成和IP重用策略 (CHIPS) 计划拥有类似的愿景，该计划旨在推进可靠微电子技术，以满足美国国防部 (DoD) 的应用和技术要求。该计划促进微电子领域内不同设计和技术的集成，确保可靠性和安全性。尽管大力推动芯片制造的发展，但也必须同样重视美国先进封装的能力，以充分确保半导体供应链的安全。然而，美国目前仅占先进封装市场总份额3%，其余封装均在海外完成，这可能会削弱美国半导体供应链。在美国发展先进封装能力是确保半导体供应链安全的主要且必要的步骤之一，为此，需要对先进封装供应链的每个阶段以及每个阶段的主要参与者进行严格审查，以充分了解美国先进封装生态系统的当前结构，并找出可能存在的对该生态系统的稳定和安全构成威胁的瓶颈。

总之，我们分析了美国先进封装生态系统的现状以及缓解当前先进封装供应链带来的硬件安全问题的可能对策，贡献如下：

1.我们分析了美国本土先进封装制造能力。

2. 我们调查了美国先进封装能力在各个重要应用领域对海外资源的依赖程度。

3. 我们概述了美国半导体晶圆制造当前的业务发展计划，并强调了专门针对先进封装业务的类似计划的必要性。

4. 我们确定了发展安全的美国先进封装供应链的主要要求。

本文主要分析美国先进封装供应链生态系统及其能力（图2）。本文的结构如下：第Ⅱ部分提供了有关HI和先进封装的背景和驱动因素的信息。第Ⅲ部分介绍美国先进封装供应链。第Ⅳ部分探讨了将先进封装业务转移到美国的一些经济和商业发展方面的问题。第Ⅴ部分提供了确保美国先进封装供应链安全的路线图。最后，第Ⅵ部分总结了本文。

Backgroud（背景）

A.Motivation of HI（异构集成的驱动因素）

为了跟上超越摩尔 (MtM) 的步伐，HI对于提高较小节点的性能和良率、降低半导体的功耗和成本以及减少芯粒之间的延迟至关重要。半导体行业积极推进HI有几个重要的驱动因素：

1）HI 的特征：DARPA 确定了HI创新的三个主要驱动力。首先，HI 通过将来自不同技术节点和代工厂的芯粒集成到通用中介层上来实现技术多样性。这允许将具有不同技术水平的芯粒组合起来，实现将较新和较旧的芯粒集成到同一封装中；其次，HI 通过将具有不同功能的芯粒集成到单个封装中来支持功能多样性，这使得 SiP 解决方案的设计能够整合内存、逻辑、模拟 I/O 和 MEMS 传感器芯粒，从而实现模块化和定制设计；最后，HI 允许材料多样性，这意味着各个芯粒可以由不同的材料制成，只要它们不会对系统的功能产生不利影响，这种灵活性可以针对特定功能优化芯粒，并增加新材料的应用。总体而言，HI 促进不同技术、功能和材料的芯粒集成，从而提高半导体系统的性能、成本效益和设计灵活性。

2）摩尔定律的延续：几十年来，摩尔定律一直是半导体行业创新的基石，通过每两年将 IC 晶体管密度翻一番来推动产业进步。然而，由于在缩小晶体管尺寸（例如量子现象）和不断增加的制造费用方面遇到障碍，人们对该定律的持续适用性越来越持怀疑态度。因此，诸如 HI 之类的新颖策略应运而生，从根本上改变了封装和设计方法，并提供了看待摩尔定律的新视角。这些创新技术并没有专门强调晶体管密度，而是优先考虑功能密度作为性能指标，从而在行业内带来新的视角、有价值的见解和更准确的预测。

3）提高良率以降低成本：通过将已知良好的芯片或芯粒集成在一起，HI 有望提高 SiP 解决方案的良率。技术进步促进了集成和堆叠良率的提高、同时降低了制造和研究成本。为了提高芯片良率和键合质量，有人建议采用Collective die-to-wafer bonding（一种键合方式）。此外，在 SiP 开发中利用成熟工艺节点的芯粒可以减少硅后验证的必要性，从而降低开发成本。现有研究表明，在高性能 3D-IC 制造方面也有望实现高可靠性和高良率 。

4）尺寸最小化：采用 2.5D 和 3D 封装技术实现了更小的外形尺寸和更低的尺寸要求。这种尺寸减小是通过将多个芯片集成到单个封装中来实现的，从而无需使用印刷电路板 (PCB) 上的迹线进行单独连接，因此，这些集成技术中的互连更小，从而提高了速度并降低了功耗。2.5D封装比传统封装实现了更高的功能密度，传统封装中多个芯片并排放置在顶部中介层上。尽管如此，其在功能密度方面仍低于 3D 封装所达到的密度，因为后者涉及垂直堆叠芯片，然而，这也给管理由堆叠芯片引发的的热问题带来了挑战。因此，在 HI 中使用 2.5D 和 3D 封装技术可以实现紧凑的外形尺寸、增强的性能、高制造良率并降低芯片的总体面积要求。

5）利用 SiP 技术增强性能：随着单芯片方法中晶体管密度的增加所带来的性能提升趋缓，HI 可以通过在 SiP 中集成多个芯片来延续摩尔定律。其通过提高内存访问速度来提高性能，例如，3D 封装技术支持 CPU 和内存芯片的堆叠，由于芯片之间的互连较短，从而增强了内存带宽并减少了传输延迟。提高中介层的通信质量和互连是目前的一个研究重点，甚至有人建议引入有源中介层，将基于晶体管的逻辑电路嵌入中介层本身，进一步提高 SiP 的功能密度。

B.Advanced packging to enable HI（先进封装）

在单个封装中集成多个芯片或芯粒的必要性引起了人们对先进封装技术开发的极大关注，半导体工程师和物理学家投入了大量精力进行研发。在更小的占地面积内容纳更多数量的硅芯片需要垂直和水平堆叠，包括额外的引线键合、密集封装的小型凸块、更高的布线复杂度以及来自相邻信号路径的潜在干扰。各种封装技术的出现可以解决这些设计挑战，从而推进 HI的发展。下面讨论一些常见的封装技术：

1）传统封装：传统封装装是指已广泛使用的传统封装方法。这些技术包括双列直插式封装 (DIP)、四角扁平封装 (QFP) 和小外形集成电路 (SOIC)。虽然传统封装很好地服务于该行业，但它在尺寸、功耗和信号完整性方面存在一定的局限性。然而，传统封装仍然在特定领域得到应用，例如低成本设备或性能要求较低的应用。

2）倒装封装：为了增强芯片的性能和效率并减少互连，需要将芯片放置得更近。在倒装芯片球栅阵列 (FCBGA) 的封装中，芯片或者天线放置在封装的表面上，数字、模拟或射频IC以单片方式集成到球栅阵列基板的底部。这种方法可以提高电源效率并提高数据传输速率，然而采用这种方法后，热管理成为新的挑战。为了改善连接性并减少寄生，引入了微凸块。

3）晶圆级封装 (WLP)：晶圆级封装 (WLP) 是标准芯片封装方法之一，其中薄金属层用于创建再分布层 (RDL)。此外，扇出晶圆级封装 (FOWLP) 已成为毫米波微电子封装的流行方法，FOWLP 通过减小封装的尺寸和厚度，实现了无基板设计，从而增强了射频性能并提供了更大的设计灵活性。然而，由于使用具有不同热膨胀系数 (CTE) 的材料，翘曲对 FOWLP 提出了重大挑战。为了解决这个问题，嵌入式晶圆级球栅阵列（eWLB）已成为一种流行的的 FOWLP 技术，实现以合理的成本进行大批量生产。

4）2.5D 封装：在 2.5D 封装中，单独的中介层位于芯粒和封装基板之间。封装应用的流行趋势主要集中在将尖端逻辑和存储元件集成到单个封装中。在这种情况下，内插器的主要功能是促进这些设备之间的高速数据通信。

2.5D 封装的一个很好的例子是台积电开发的晶圆上芯片 (CoWoS)。在 CoWoS 中，多个小芯片或芯片堆叠在硅中介层顶部，硅中介层使用微凸块或硅通孔 (TSV) 连接到基板 [19]。最开始使用倒装芯片或引线接合技术将芯片接合到中介层，此后将中介层附着到基板上。中介层面向芯片的一侧通常包括多个金属层或 RDL，它们将来自芯粒上的 I/O 焊盘的电信号分配到硅中介层上的相应焊盘。在集成不同的芯粒（例如存储器、处理器和基于 MEMS 的传感器）时，基于中介层的 2.5D 封装特别有价值。多家公司开发了自己的 2.5D 封装解决方案，包括内存、处理器和基于 MEMS 的传感器。中介层也采用了多种材料，包括IBM的直接键合异构集成（DBHi）、台积电的本地硅互连（LSI）和日月光的堆叠硅桥扇出基板上芯片（sFO CoS）等。

2.5D 封装的另一种方法涉及使用“桥”在相邻芯片之间建立连接。EMIB（嵌入式多芯片互连桥）是基于桥的 2.5D 封装的一个示例。在此方法中，桥单独制造并嵌入封装基板的空腔内，一些文献将这种基于桥的先进封装解决方案归类为2.3D封装结构，采用具有高 I/O 密度的硅块来创建这些“桥梁”，促进彼此靠近的芯粒之间的互连。由于与基于中介层的 2.5D 封装相比，这种方法具有成本效益，各公司正在积极探索开发自己的桥接解决方案。

5）3D 封装：3D 封装技术通过将一个芯片放置在另一个芯片的顶部来促进半导体芯片的堆叠和互连，通常采用称为 TSV 的垂直连接（图 3），这种方法通常用于在处理器上堆叠存储器或模拟和数字集成电路。英特尔的 Foveros [21] 是 3D 封装技术的一个典型例子，它是一种芯片上芯片 (DoD) 封装，其中使用 TSV 和微凸块堆叠不同的功能芯片，以在各层之间建立电气连接。3D 封装的另一种形式是层叠封装 (PoP)，它通常涉及垂直连接两个封装芯片并通过封装通孔 (TPV) 连接它们。PoP 技术在便携式设备中使用的成像传感器和芯片中得到了广泛的应用。

美国先进封装供应链

通过引入 CHIPS（为生产半导体创造有益的激励）法案，美国政府表达了将半导体晶圆制造设施引入国内的愿望和承诺。然而，要充分保障整个半导体供应链的安全，后端运营也不容忽视，同时重视发展国内先进封装产能也至关重要。对美国现有封装能力的严格审查表明，传统封装有足够的能力，因此开发具有先进封装能力的 OSAT（外包半导体组装和测试）更有意义。然而，美国在全球市场的份额仅为3%，先进封装产能落后，因此提高美国先进封装制造能力非常重要。为了实现健康、蓬勃发展的美国先进封装供应链的愿景，首先必须审视美国先进封装生态系统的当前结构、能力、离岸依赖和潜在弱点。图 2 列出了美国先进封装生态系统中的代理，并概述了这些代理之间的关系。接下来将描述这些实体的角色，并提供著名的陆上和离岸（灰色徽标）参与者的说明性示例。

1）SiP OEM/Designer：原始设备制造商 (OEM) 是指设计和制造用于另一家公司最终产品的产品或组件的公司。SiP 设计人员或 OEM 根据自己的需求为其 SiP 制定规格，或者直接从 Chiplet 设计人员处采购 SiP，例如，微软从 AMD、NVIDIA 或英特尔等芯粒设计商处购买芯片用于其数据中心。另一方面，特斯拉可能会设计一个 SiP，并将其外包给小芯片 OEM 进行制造，或者直接从英特尔、AMD 和德州仪器 (TI) 采购芯片用于其自动驾驶汽车。

2）Chiplet OEM/Designer和 Chiplet 铸造厂：chiplet 设计师为 SiP OEM/设计师设计 Chiplet。设计方可能拥有晶圆厂或无晶圆厂，在后一种情况下，无晶圆厂小芯片设计人员将芯片制造外包给美国本土或海外芯粒代工厂进行制造。

AMD、NVIDIA、苹果、高通和博通是不具备制造能力的无晶圆厂小芯片设计者的典型例子，例如，AMD、苹果和 NVIDIA 将芯片制造外包给离岸 Chiplet Foundry 台积电。AMD 与台积电、日月光和通富微电子密切合作，以实现先进的封装能力，例如 2.5D 封装 [25][26]， 苹果完全依赖台积电的芯片制造和先进封装能力；AMD 和 NVIDIA 数据中心的 GPU 依赖台积电的 CoWoS 封装技术。其他著名的 Chiplet Foundries 包括 GlobalFoundries、Samsung、SMIC、UMC 等，它们为无晶圆厂芯片设计商提供芯片制造服务。由于当前全球的地缘政治紧张局势，世界半导体供应链极易受到潜在地缘政治动荡的影响。这种冲突将影响领先的半导体公司，例如 AMD、NVIDIA 和高通等，因为台积电占全球半导体市场份额的 56％。因此，美国需要更多投资来确保美国无晶圆厂芯片设计人员的芯片生产和/或先进封装能力。

3）Chiplet 集成商：chiplet 集成商可以是提供全面集成服务（包括中介层设计、封装、组装和测试）的单一实体，也可以根据其专业知识或业务模式分为多个单独的实体。芯片集成商主要有两类：IDM 和 OSAT 供应商。IDM 具有端到端芯片设计、制造和封装能力，而 OSAT 供应商仅提供封装设计和制造能力。

在美国，Intel、Qorvo、Texas Instruments 和 Onsemi 等少数公司拥有 IDM 资格。例如，英特尔利用 Foveros 技术开发了 3D 堆叠；Qorvo 提供先进的封装功能，例如 AiP，这对于无线通信至关重要；美光致力于内存技术和相关的先进封装能力；诺斯罗普·格鲁曼公司和霍尼韦尔公司都是致力于国防和航空航天领域的 IDM 公司。

目前美国有25家OSAT供应商，但并非所有供应商都能提供先进的封装能力。美国最著名的 OSAT 供应商是 Amkor，但 Amkor 在美国没有任何制造能力（图 4）[29]。Promex 正在建设岸上先进的封装能力。Sitronics 拥有先进的封装能力，提供带有增层基板的 MCM 平台，并且不使用硅中介层技术。Skywater 正在建设晶圆厂和封装设施，以提供先进的封装能力。美国一直是开发尖端半导体技术（包括封装）的领导者，然而，还需要更多投资来提高本土先进封装业务的设计和制造能力。

4）材料供应商：半导体先进封装需要复杂的制造和工艺流程，例如切割晶圆、将其放入模具和引线键合、堆叠或封装芯粒。在工艺流程的不同阶段，需要不同的原材料，介电材料、引线框架、金线、密封剂和模塑料是封装芯片最关键的材料。在晶圆切割步骤期间需要粘合剂和胶带来固定晶圆，这些材料对于将制造的芯片连接到其保护封装至关重要，并根据预期应用选择特定的工艺和材料，例如，一种方法涉及使用键合线将芯片连接到引线框架，从而实现芯片和外部设备之间的数据传输。保护性陶瓷封装、塑料基板或密封树脂也可以粘合到芯片上。为了将芯片附着到封装或基板上，需要使用聚合物和共晶合金等芯片附着材料。RDL 制造需要蚀刻剂和光刻胶化学品 。制造焊球和微凸块需要底部填充材料。图5解释了典型的晶圆级封装工艺流程，每个步骤所需的材料不同。HDMicrosystems（母公司杜邦）提供芯片的蚀刻剂、清洗液以及用于成型和封装的密封剂。Zymet、半导体设备公司和杜邦公司提供在切割步骤中固定小芯片所需的粘合剂和胶带。用于制造焊球和微凸块的焊接和底部填充材料由陶氏化学、杜邦和铟泰公司提供。尽管美国有封装所需原材料的供应商，但大部分材料由日本、中国大陆和中国台湾供应。美国目前拥有10%的半导体材料市场份额，这可能会给包括先进封装在内的半导体供应链带来漏洞。为了支持美国的先进封装制造，需要进一步投资来确保原材料供应链的安全。

5）设备供应商：封装制造的不同阶段使用各种类型的设备，例如切割、引线键合、微凸块和混合键合。在WLP中，需要对晶圆进行切割，然后在晶圆顶部形成RDL，此步骤需要用于芯片制造的传统光刻设备。倒装芯片键合设备通过将芯片上的焊料凸块精确定位并键合到基板上相应的焊盘上，将IC芯片直接连接到基板或PCB上，从而实现高密度互连。引线键合设备使用金、铝或铜制成的细线将 IC 芯片连接到基板或 PCB。它将芯片键合焊盘的导线连接到基板上适当的键合焊盘，从而实现电气连接。芯片贴装机将 IC 芯片放置并粘合到基板或 PCB 上，他们使用环氧树脂或焊料等粘合材料将芯片固定在所需位置。封装使用成型设备，在 IC 芯片周围形成保护性封装，该设备将芯片封装在塑料或陶瓷材料中，提供机械保护和环境隔离。各种测试和检验设备用于验证封装 IC 的功能和质量，这包括自动光学检测 (AOI) 系统、X 射线检测机、电气测试仪和其他专用测试工具。晶圆切割机将加工后的硅晶圆切割成单独的 IC 芯片，他们利用机械或激光切割技术将晶圆切割成所需的芯片尺寸。

应用材料公司和泛林集团是美国半导体行业和先进封装设备供应商的典型例子。除此之外，KLA、Onto Innovation、Nordson、Thermo Fisher Scientific 和 Bruker 还提供各种满足测量需求的设备。美国公司为制造过程的各个阶段提供必要的检验和测量工具。

6）基板和PCB供应商：基板也称为封装基板，是安装IC的基础材料，它为 IC 提供机械支撑、电气连接和散热。基板充当电信号在 IC 和 PCB 之间传递的介质，它通常由陶瓷或有机层压板等高性能材料制成，具有导电迹线和过孔，用于在 IC 和外部电路之间建立连接。

印刷电路板 (PCB) 由非导电材料制成，例如玻璃纤维增强环氧树脂，其上蚀刻有导电迹线图案，它提供了一个用于安装和互连各种电子元件（包括 IC）的平台。PCB 通常包括夹在一起的多层导电迹线和绝缘材料。当 IC 封装安装到 PCB 上时，封装基板被焊接或附着到 PCB 上，从而在 IC 和 PCB 之间建立电气连接。PCB 提供了一种将电源和信号分配给板上其他组件的方法，使 IC 能够与电路的其他部分进行通信。

先进封装供应链中的 IC 基板材料明显短缺。这些基板在英特尔、AMD 和 Nvidia 等大公司制造的高端 CPU、GPU 和 5G 网络芯片的封装中发挥着至关重要的作用。目前，美国没有本土基板供应商。

7）EDA工具供应商：芯片设计是一个高度复杂的、长期的过程，如果没有电子设计自动化（EDA）工具的帮助，几乎不可能创建芯片设计。EDA 工具对于先进封装操作也很重要，各种类型的 EDA 工具用于对封装的可靠性、封装天线的设计以及封装设计的许多其他方面进行建模和分析。

Cadence、Synopsys、Mentor Graphics 和 Ansys 等公司提供扩展的 EDA 工具选项来进行芯片设计和封装。例如，Cadence 最近开始提供其 3DIC SiP 仿真工具库存， Mentor Graphics 也是如此。借助 Ansys，我们可以在 AiP 中建模和设计天线。因此，美国主要的 EDA 工具公司提供了设计先进封装所需的所有工具。

8）中介层代工厂：如上一节所述，硅中介层是半导体封装技术中的关键组件，负责提高芯片性能和功能。GlobalFoundries 和台积电是主要的中介层代工厂，其中，GlobalFoundries是美国最知名的中介层代工厂。例如，AMD 将 Ryzen 处理器的小芯片制造外包给台积电，这需要 7 纳米等先进节点用于计算芯片，而 I/O 芯片则需要 GlobalFoundries 的旧工艺节点。GlobalFoundries 为 AMD Ryzen 处理器制造中介层，以将所有小芯片集成到不同的工艺节点中。尽管 GlobalFoundries 可以制造中介层，但由于台积电是中介层芯片的主要供应商，因此存在严重的海外依赖性。因此，虽然 GlobalFoundries 最近宣布的纽约投资计划是一项不错的进展，但中介层芯片对海外资源的依赖仍然构成威胁。

A.US-based advanced packaging supply chain needs and capabilities in different fields.（美国先进封装供应链在不同领域的需求和能力）

以下部分将评估美国公司当前和未来利用 HI（异构集成）和先进封装制造和集成技术的能力。这些评估将用于确定美国先进封装技术市场中仅靠国内制造设施无法支持的关键领域。

为了完成这些评估，我们将确定每个技术领域的具体要求，确定每个技术领域的美国 OSAT（外包组装和测试）是否有能力利用先进封装方法制造组件，确定美国技术市场对国外OSAT的依赖程度，并为每个技术市场提供安全评估（表 I、表 II）。在下面的分析中，我们将分析美国先进封装能力及其与国防和航空航天、5G和通信、高性能技术、汽车、物联网、移动、医疗和健康等各个应用领域的依赖关系。

1）国防和航空航天：航空航天和国防 (A-D) 行业面临着独特的挑战，这些挑战归因于实现 HI（异构集成）的几个具体特征，例如确保封装的高可靠性、耐用性和安全的国内供应链（表 I）。有 83 家值得信赖的供应商拥有国内制造设施，以确保美国国防工业的半导体供应链。这些供应商被认为是国防部 1 级可信供应商，包括制造设施、OSAT、IDM、SiP 设计器等。例如，Qorvo 是一家致力于满足消费市场的半导体公司，还设计雷达应用所需的各种专用 IC (ASIC)、RFIC 和通信芯片 用于国防和航空航天领域。他们在美国的一个安全地点设计、制造、制造和封装所有产品，以确保满足国防工业需求的最大安全性和可靠性。雷神公司、霍尼韦尔公司、诺斯罗普格鲁曼公司等国防公司也可以获得美国IDM资格，拥有先进的封装设施，以满足国防工业的需求。因此，美国拥有强大的 A-D 能力来满足需求。

2）5G 通信：5G 技术通过智能手机和物联网 (IoT) 连接系统的普及增加了数据流量和对更快数据传输的需求。5G 网络的高带宽、低延迟应用负责提供医疗保健、交通和电力行业关键系统的实时反馈（表 I）。AiP 将天线结构和 RFIC 芯片集成到单个封装中，以实现波束成形，这对于 5G 无线通信至关重要。AiP 允许将波束成形天线阵列嵌入到封装本身中，它允许更小的设备占用空间以及更短的 RFIC 和天线之间的布线距离。由于天线很小，AiP 对于实现高频应用尤其重要，它与毫米波 5G 最相关，因为它使用更高的频段。因此，较短的互连和紧密的天线集成至关重要。

美国很少有公司能够制造AiP及相关RFIC芯片来满足美国5G市场的需求。Qorvo、德州仪器 (Texas Instruments)、ADI、Skyworks Solutions 和 Onsemi 是为 5G 应用开发基本芯片和封装的典型例子。只有 Qorvo、Skyworks Solution、Analog Devices、Broadcom 和 Qualcomm 提供实现 5G 通信波束成形所必需的 AiP。其中，只有Qorvo和Skyworks Solution拥有陆上AiP制造设施。英飞凌和瑞萨拥有陆上代工厂，但它们是欧洲公司。其余的 IDM 公司，如雷神公司、诺斯罗普格鲁曼公司和霍尼韦尔公司，为国防工业的航空航天和军事雷达应用开发和制造 AiP 和类似的解决方案，但这些解决方案无法满足消费者市场的需求。因此，对于 5G 应用，仍然存在相当大的离岸依赖来满足美国的需求（图 6）。

3）高性能计算：高性能应用中对先进封装的要求集中于实现最佳性能、可靠性和高效率（表一）。在美国，英特尔、AMD 和 NVIDIA 是高性能芯片的主要供应商，只有具有IDM资格的英特尔才能制造2.5D/3D堆叠芯片。然而，与台积电和三星等海外代工厂和 IDM 相比，它们目前在半导体工艺节点技术方面落后。AMD 和 NVIDIA 都是无晶圆厂公司，完全依赖台积电和三星等离岸晶圆厂来生产高达 5 纳米的先进工艺节点。对用于加速 ML 工作的 ASIC 的需求不断增加，例如 Google 的张量处理单元 (TPU) 或 Altera（被 Intel 收购）和 Xilinx（被 AMD 收购）的 FPGA，这些公司很大程度上依赖台积电等离岸 IDM 来制造芯片。除此之外，超级计算机和数据中心是高性能计算的主要领域之一，需要大量台积电通过切割工艺节点制造的处理器。网络接口卡 (NIC) 对于超级计算和数据中心应用至关重要，主要由以色列公司 Mellanox Technology 提供。同样，这些 NIC 是在台积电 (TSMC) 中制造的。这在未来可能会受地缘政治局势的影响，从而严重削弱半导体行业，尤其是高性能计算应用领域，台积电和三星正在美国建设晶圆厂以满足需求。美国仍需要对境内IDM和OSAT进行更多投资，以充分保障半导体供应链的安全。除此之外， ABF基板对于高性能计算应用至关重要，陆上 ABF 基材生产的缺乏可能会给高性能应用带来重大的供应链风险。

4）汽车：汽车应用对先进封装的要求主要集中在高可靠性、更长的产品生命周期和传感器集成等关键因素上（表1）。2020 年末，随着汽车市场开始复苏，汽车供应商在恢复生产能力方面遇到了困难。事实证明，重建产能是一项具有挑战性的任务。大多数汽车集成电路采用键合封装，包括 SOIC、TSSOP、QFN、QFP、BGA 和 Power Discrete。据 Yole 统计，90% 的汽车应用的封装是由引线或层压基板组成。基板供应短缺是汽车芯片短缺的原因之一[52]。除了这种 2.5D封装之外，自动驾驶汽车中用于人工智能工作负载的高性能处理器也需要 3D 封装。高性能处理器的离岸依赖是台积电和三星。自动驾驶汽车最主要的传感系统之一的毫米波雷达，依赖 AiP技术。法雷奥（Valeo）、Robosense 和 Livox 等离岸公司主导着大部分激光雷达供应。美国激光雷达供应商 Velodyne 仅占激光雷达市场份额的 3%。除此之外，对于激光雷达和雷达封装来说，离岸依赖性也很大。Amkor 是美国唯一一家为汽车行业提供封装解决方案的OSAT，但他们没有任何在岸制造能力。因此，需要解决封装严重依赖海外的问题，以确保美国汽车芯片生态系统的安全。

5) 物联网（IoT）：预计到 2030 年将有超过 5000 亿台设备连接到互联网，物联网需要更多的异构系统来进一步推动这些应用。在设计物联网的封装解决方案时，一些至关重要的要求是确保封装有低单位成本、高功效、小外形尺寸和传感器集成（表 I）。这将使许多常用设备进一步连接世界，提高日常生活的便利性。物联网设备应用广泛，如医疗和健康、可穿戴设备、边缘人工智能、自动驾驶汽车等。物联网应用中的 5G 连接需要 AiP。扇出封装广泛应用于物联网设备中的边缘人工智能应用，以实现封装内的高密度连接。物联网设备通常使用 FOWLP 进行小尺寸封装。物联网在医疗应用中有着重要的用途，例如检测代谢物以快速诊断健康问题。此外，用于不同物联网应用的各种芯片在很大程度上依赖于传统封装。因此，物联网应用的多种封装技术具有相当大的离岸依赖性，需要加以解决。

6) 移动设备： 移动领域是电子产品创新的主要催化剂之一。它占当今电子市场的很大一部分，而且最重要的是，全球 75%-80% 的人口都在使用它。在为移动应用设计封装解决方案时，传感器集成、低功耗、小外形尺寸和高效热管理是首要考虑因素（表 I）。为了继续满足移动设备越来越小、越来越快的需求，这些设备内的封装也必须不断改进。移动设备中使用的 SoC 可以是 PoP 架构或 WLP，存储芯片可以是堆叠架构。PoP 解决方案已广泛应用于移动电话中的基带和应用处理器。特别是高端智能手机，迅速采用了PoP封装，因为其能够满足其对I/O和性能的苛刻要求。堆叠式 PoP 的主要优势之一是，单个设备在组装前可进行全面测试，确保实现最佳功能。移动设备中使用的许多传感器和射频芯片也采用了 SiP 技术。高通公司和苹果公司是美国最著名的移动 SoC 供应商。然而，它们完全依赖台积电的先进节点来制造 SoC 并封装解决方案。Skyworks Solution 或 Broadcom 可以提供传感器和通信芯片。Skyworks 是一家 IDM 公司，总部设在美国。由于移动 SoC 完全依赖台积电或三星，这对供应链构成了重大安全威胁。

7) 医疗与健康： 医疗和健康领域是半导体芯片的重要应用领域。心脏起搏器、假肢、传感器、医疗器械和机械等各种植入物都用于医疗应用。微型化、生物可降解和出色的电气性能是医疗卫生应用对封装解决方案的关键要求（表 I）。医疗电子产品采用了多种基底材料，包括 LTCC 等陶瓷基底、柔性电路以及 BT 树脂和 FR-4 等层压基底。刚性基板通常采用玻璃纤维增强材料，并与柔性基板同时使用。液晶聚合物薄膜也被用于特定设备中。今后，生物兼容基底的使用将愈发受到重视。在覆盖材料方面，阻焊层通常用于短期应用，这些应用不含铅，由金制成。此外，聚对二甲苯（Parylene）涂层在各种情况下也很有用。由于美国半导体封装生态系统对基底的离岸依赖性很强，这可能会削弱医疗卫生领域的芯片供应。

B.新兴的封装和制造技术

1) 先进封装的增材制造：快速成型制造，又称三维打印，是一种通过逐层添加材料来制造三维物体的制造工艺。与涉及切割或加工等减法工艺的传统制造方法不同，增材制造以数字三维模型为起点，使用专用机器制造实物。然而，最近在半导体先进封装中，使用增材制造的趋势越来越明显，它具有一些明显的优势，如灵活性、微型化、成本效益、快速原型材料的多样性等。在微米尺度上打印复杂特征和结构的能力可实现高度集成封装的开发，适应半导体行业小型化的趋势。制造商可以利用快速原型技术快速测试新开发的封装设计和技术。Averatek 和 Optomec 是为先进封装提供快速成型制造技术的美国公司的典型代表。

Averatek 的 A-SAP 技术可在各种柔性基材（包括塑料、聚合物和柔性玻璃）上直接打印电路，从而无需传统的蚀刻工艺，并可生产具有精细线宽和紧密几何形状的复杂电路。Optomec 公司是增材制造解决方案的领先供应商，可提供 WLP、封装中的高频射频互连以及采用增材制造技术的屏蔽技术。考虑到增材制造在半导体封装中的优势，美国必须加大这一领域的发展力度，以满足未来的需求。

2) 硅光子学：硅光子学是一项尖端技术，因其具有彻底改变数据通信系统的潜力，近来备受关注。它是利用硅基材料来操纵光，从而在单个芯片上集成光子元件和电子元件。这种光子学与电子学的整合具有众多优势，尤其是在异构集成方面。

硅光子技术在异构集成领域的一个主要优势是能够提供高数据传输速率和宽带宽能力。传统的集成电路封装在将许多设备与互联网相互连接时面临着挑战。然而，硅光子技术可以提供极快的数据传输速率和宽带宽，实现设备之间的高效高速通信。这是通过三维堆叠封装实现的，与传统封装相比，三维堆叠封装的互连线明显更短，从而减少了时延。此外，在单个芯片上集成光学元件与其他元件，可有效利用空间。AIM Photonics 和 Atomica 是美国公司的典范，它们在硅光子学领域表现出色，并致力于相关的封装技术，为光通信、三维传感、激光雷达、增强/虚拟现实 (AR/VR)、热成像、照明和其他类型的光学传感提供支持。

先进封装的经济性：美国与全球

《2022 年 CHIPS 和科学法案》旨在加强美国半导体产业，确保美国在国防和航空航天、5G 和通信、汽车、移动、医疗和健康应用以及高性能计算和物联网系统等领域的技术解决方案的设计和开发方面处于领先地位，详见第 III-A 节。《CHIPS 和科学法案》为商务部、国防部、国务院和国家科学基金会拨款共计 527 亿美元，用于支持研究、开发、制造和劳动力发展活动，从而推动美国半导体产业的发展。其中 390 亿美元用于鼓励制造业，132 亿美元用于研发和劳动力发展。此外，该法案还设立了国际技术与安全创新（ITSI）基金，提供 5 亿美元用于促进安全可信的信息和通信技术，并在全球范围内建立安全、有弹性的全球半导体制造供应链。

为实现《CHIPS 与科学法案》提出的愿景，CHIPS 计划办公室宣布计划投资于：(i) 尖端逻辑器件；(ii) 先进封装；(iii) 尖端存储器件；(iv) 当前一代和成熟节点半导体。CHIPS 计划办公室认识到业界对传统封装和先进封装的区分，并确定了传统封装和先进封装执行的不同战略。以具有经济竞争力的方式对传统封装业务进行重组的困难已得到公认。因此，为确保美国在全球范围内拥有充足和安全的常规封装能力，重点将放在将常规封装活动从相关国家转移到美国的盟国和合作伙伴上。另一方面，为了在美国发展健康稳健的先进封装能力，将在国内建立多个大规模先进封装设施，以确保美国成为逻辑和存储器件的商业规模的先进封装的全球技术领导者。

全球传统封装业务的重新配置和国内先进封装业务的发展，以及这两项重大变革对支持这些业务的基础供应链中的买方和供应商关系的潜在影响，都可以用价值链的概念来加以说明。价值链由设计、制造和向客户交付成品所需的一系列业务组成。价值链中的各项业务由一系列公司执行，可以确定一个主导公司，该公司在增值和分销方面推动价值链的发展，以及一系列供应商公司，这些公司提供主导公司向客户交付产品所需的专门技术和能力。商业和经济学文献对价值链中买方和供应商的互动关系进行了研究。价值链可分为三类，即本地价值链、区域价值链和全球价值链。本地价值链（LVC）将一个国家内的主导企业和供应商联系在一起。同样，区域价值链（RVCs）将单一世界区域内的主导企业和供应商连接起来，该区域可能由共同的监管制度（如欧盟）界定，或为区域成员提供优惠贸易规则（如北美自由贸易协定和东盟），或具有国家区域特征（如拉丁美洲）。最后，全球价值链（GVC）将主导企业和分散在全球各地的供应商企业联系在一起。

如今，大多数复杂产品都是通过全球价值链制造的，半导体产品也是如此。将价值链划分为不同阶段并为每个不同阶段寻找最佳地点和供应模式的做法，已将许多产品价值链的很大一部分从发达经济体（如美国和欧洲）转移到新兴经济体（如东南亚国家）。因此，如今半导体行业的大部分制造和封装业务都在美国以外的国家进行（见表 III）。此外，一些生产流程被分割得非常细，以至于某些产品可能会多次跨越国界。例如，一块芯片可能需要 1,000 多个加工步骤，在到达最终客户手中之前，可能要经过 70 次或更多次的国际边境。

全球价值链经过数十年的持续和普遍增长与扩张，人们在过去二十年里已认识到与全球价值链相关的挑战。这些挑战涉及低估与全球业务相关的总成本、运输过程中库存的资本成本、知识产权盗窃、环境影响以及确保关键产品供应链安全的必要性等等。这些挑战使得人们有必要对全球价值链进行重新配置。重新定位，即把业务带回母国，是领先企业在重新设计价值链时可能采用的做法之一。

从2008-2009年全球金融危机开始，企业层面的重新定位举措如雨后春笋般涌现。服装和鞋类、电子、汽车、机械和设备以及家具和家居用品等行业都出现了这种企业层面的举措。最近，还出现了政府层面的政策干预，以鼓励产业转移。美国、英国、日本、法国和意大利等国政府颁布了鼓励产业转移的政策工具。然而，人们也认识到，国家政府的愿景、领导力和承诺需要地方政府的积极参与来支持，以制定适合当地情况的政策工具，帮助发展更短的供应链，这种供应链更依赖于当地供应商，这些供应商具备主导企业所需的专业知识、能力、技术准备和产能。

产业转移并不是一个新概念，目前已有一些研究对产业转移的经济学和商业战略进行了探讨。众所周知，当产业转移与加强运营和升级的驱动力相关联时，企业往往会寻求除了拥有熟练劳动力之外，还具备先进能力的当地商业和研究合作伙伴。一个强大的、蓬勃发展的供应商和支持业务网络可以促进加速创新和持续增长。此外，与当地大学的互动不仅可以推动材料、产品、工艺和设备创新的发展，还能确保获得技术熟练的劳动力。

企业进行离岸外包的原因引起了从业人员和学术界的广泛关注。一些研究调查了具体国家的数据，以研究企业进行离岸外包的原因（如在美国和德国），而其他研究则侧重于对这些动机进行有理论依据的解释。根据对同行评审的英文学术期刊论文进行的内容分析，与产业转移相关的动因和障碍大致分为五大类，分别关于全球竞争态势、东道国、母国、供应链和主导企业。我们还从价值链分析的角度研究了重新定位的驱动因素和障碍。需要注意的是，构成企业价值链的所有活动可分为两类，它们对企业的利润率做出了贡献：主要活动和次要活动。这些活动包括进货物流、制造（或运营）、出货物流、营销和销售以及售后服务。企业的次要活动有助于主要活动为企业创造竞争优势，这些活动大致可分为基础设施、人力资源管理、技术开发和采购。图 7 从价值链的角度概述了转移驱动因素和障碍，重点是企业的主要活动和次要活动。可以说，任何企业层面的先进封装业务转移举措都必须考虑到这些驱动因素和障碍。

在接下来的内容中，将简要介绍当前的举措，并强调各种类型的伙伴关系。此外，还讨论了与国家先进封装产业发展相关的需求。

A.目前的举措

在 COVID-19 大流行期间经历的供应链失败的后果使一些行业停滞不前或发展受阻，而《CHIPS 法案》则刺激了大量半导体制造业务的重组活动。因此，半导体设计和制造设施的建设在美国蓬勃发展。根据 Industrial Info Resources ，目前美国有价值 3000 亿美元的半导体项目处于不同的开发阶段，其中纽约州（1100 亿美元）、亚利桑那州（860 亿美元）和德克萨斯州（660 亿美元）是领先的三个州。镁光科技公司和 GlobalFoundries 是在纽约投资的公司。英特尔和 TMSC 在亚利桑那州投资。同样，三星集团和德州仪器也在德克萨斯州投资。这些投资有望促进美国的芯片生产。

从目前的情况来看，大多数正在进行和计划进行的投资都是围绕美国特定的地理集群进行的。亚利桑那州和德克萨斯州是美国半导体晶片制造的两大历史强州，它们吸引了大量的扩建和/或开发项目，主要原因有两个。首先，这两个州已经拥有完善的半导体晶圆厂生态系统。其次，这些州的地方政府通过激励措施和促进工艺流程，表明了对半导体制造的支持。最近，俄亥俄州成为一个极具吸引力的州，其宣布投资 200 多亿美元在哥伦布地区建造晶圆厂。同样，纽约州也提供了大量激励措施，鼓励建设晶圆厂。其他吸引投资的州包括印第安纳州、爱达荷州、新墨西哥州、俄勒冈州、犹他州和弗吉尼亚州。

仔细研究这些新闻稿可以发现三类投资和商业发展项目。第一类是由单个公司发起和指导的项目（如美光科技公司在纽约克莱的 DRAM 工厂）。另一类项目是独立的科技园开发和/或扩建项目，由一组公司创建共生的企业集群（例如，印第安纳州奥登市 WestGate@Crane 科技园的 NHanced Semiconductor、Everspin Technologies、Trusted Semiconductor Solutions 和 Reliable MicroSystems）。最后，还有一类项目是新建或扩建与研究型大学共建的科技园区（如印第安纳州西拉法叶普渡大学发现公园区的天水科技铸造厂）。

吸引投资的各州正在创建实体，以促进半导体生态系统的发展进程。例如，印第安纳州就有两个这样的实体：印第安纳州经济发展公司 (IEDC) 和印第安纳州区域经济加速与发展公司 (READI)。为支持 WestGate@Crane 科技园，IEDC 以激励性税收减免和培训补助的形式提供支持，而印第安纳州 READI 则为基础设施开发提供支持。同样，为支持 SkyWater-Purdue 合作项目，IEDC 正在提供有条件的税收减免、培训补助、再发展税收减免、有条件的结构性绩效付款、创新券和制造业准备补助。值得注意的是，这些激励措施中的大多数（如果不是全部的话）都是以绩效为基础的，也就是说，企业在对促进创新的活动进行了符合条件的投资，并雇用和培训了员工之后，才有资格申请州政府的补助。

B.先进封装的激励需求

在这种情况下，主要面向先进封装业务的积极投资项目计划似乎尚未获得足够的动力。如果美国不能建立一个稳固而强大的先进封装生态系统，那么全国各地的新生产设施所生产的芯片将不得不像以前一样被送往海外设施进行封装。那么，《CHIPS 法案》将无法实现其目标，即确保从设计到制造再到封装的整个供应链中的半导体业务（可在国内完成），以确保美国在下一代先进技术解决方案中的领先地位。例如，台积电最近宣布计划投资 29 亿美元在中国台湾建立先进的芯片封装厂，以跟上人工智能市场日益增长的需求。在美国，有必要确保类似的、甚至更有野心的投资，重点关注先进封装业务。

首先，必须区分两类先进封装业务：快速原型和商业制造。用于快速原型设计的先进封装能力将确保美国在新型和下一代先进封装产品和技术的创新方面处于领先地位，而用于商业制造的先进封装能力将确保美国在满足消费者对需要先进封装技术的产品的需求方面发挥主要作用。因此，需要有供应链来支持快速原型和商业先进封装业务。

如前所述，在更广泛的半导体生态系统中，三个代理中的一个可能会执行先进封装操作：IDM、代工厂或 OSAT 公司。从供应链的角度来看，将先进封装业务整合到 IDM 和代工厂是一种内包形式，而将 OSAT 公司作为第三方供应商则是一种外包形式。支持这两种采购业务所需的供应链需要不同的供应链配置。对于前者，IDM 或代工厂必须扩大其供应商网络，以提供支持先进封装业务所需的所有材料、工具和设备。对于后者，OSAT 供应商则需要建立或拥有此类网络。

另一个需要注意的因素是需要建立基础设施，使材料、产品、工艺和设备技术相关的初创企业能够在先进封装领域进行创新。还需要建立基础设施，使现有的微型和小型企业能够参与发展先进封装业务所需的供应商网络。小微企业在转产中的作用大多被忽视，但有令人信服的证据表明，小微企业在支持全球价值链转移方面具有潜在作用[76].在这方面，发展提供无尘室制造和封装能力的科技园区以及担保承包等机制，对于在美国发展强大的先进封装供应链尤为重要。

关于在建的晶圆厂或代工厂是否也计划整合先进封装业务，目前还没有足够的公开信息。因此，不仅需要确保 IDM 和代工厂计划发展先进封装业务，还需要鼓励第三方 OSAT 企业在美国发展能力、产能并做好准备，以满足未来对先进封装业务的需求。

确保美国在岸先进封装供应链安全的未来路线图

A. 供应链问题

有许多与供应链相关的驱动因素促使企业进行产业转移（见第四节），这是确保供应链安全的保障。然而，要全面确保供应链安全，就必须严格审查供应链的每个阶段，从原材料一直到成品阶段。为此，有必要对供应链进行全面摸底，不仅包括一级供应商，还包括二级供应商和原材料供应商，并确定供应商基础有限的所有阶段。可以说，如果供应链的某一阶段只有唯一或单一供应商，那么该阶段的供应商基础就是有限的。如果没有其他供应商具备相同的专业知识、能力、技术准备和产能，那么该供应商就是唯一的供应商。同样，如果其他供应商具有相同的专业知识、能力、技术准备和产能，但供应链的配置是向单一供应商采购，那么该供应商也是单一供应商。在这两种情况下，整个供应链都容易受到唯一或单一供应商短缺的影响。因此，对于各个阶段的供应商基地以及供应商的供应链来说，充分描述特定供应链的潜在脆弱性至关重要。这是开发安全的美国先进封装供应链至关重要的第一步。接下来将介绍美国先进封装供应链可能遇到的一些最关键瓶颈。

在这种情况下，先进封装业务的一个主要瓶颈是集成电路衬底材料的完全离岸依赖，特别是有关 ABF 衬底。所有主要的 ABF 基板生产商，如 Ibiden、Unimicron、AT&S 等，都是离岸公司（图 8）[100]。这些基板对英特尔、AMD 和 Nvidia 等大公司生产的高端 CPU、GPU、汽车和 5G 网络芯片的封装至关重要。2020 年 10 月和 2021 年 2 月，中国台湾基板生产商发生火灾，进一步加剧了供应短缺。因此，特定基板出现了长达 40 周的严重延误，这也是造成汽车芯片短缺的主要原因之一。由于基板供应不足，芯片供应受阻，汽车行业也因此受到影响，汽车价格飙升。引线框架和模塑化合物也是整个封装供应链的主要瓶颈之一，外部企业占据了主导地位。包括英特尔、AMD 和 Nvidia 在内的几家主要芯片制造公司为四家著名的高端 ABF 基板制造商（即 Ibiden、Shinko、Unimicron 和 AT&S）提供了约 50% 的资金支持，以提高基板良率，解决潜在的基板稀缺问题。

另一个主要瓶颈是原材料的供应，如封装工艺流程各阶段所需的基本化学品，如湿电子化学品、溶剂、光刻胶、气体和晶片/基板。例如，光刻胶化学蚀刻剂的供应主要依赖于离岸公司。根据亚利桑那州商务局（ACA）的报告，美国仅占半导体材料市场份额的 10%。美国半导体市场 31% 的超高纯度化学品（如 IPA 和 H2SO4）依赖于亚洲，这使得该行业严重依赖于漫长、有时甚至脆弱的供应链。过去二十年来，美国半导体设备良率大幅下降，但由于 CHIPS 法案的实施，未来 3-5 年内芯片良率可能增加 30%，因此湿电子化学品、溶剂、光刻胶、气体和晶圆/基板等材料，尤其是湿化学品的供应将趋紧，除非建立更多的产能，否则在不久的将来可能会成为供应链的关键和紧张因素。如果不能扩大美国的供应链，增加关键材料的国内生产，可能会阻碍芯片扩产计划和先进封装能力。

最后同样重要的是，还必须关注未来如何构建美国先进封装 OSAT 供应商市场，并制定潜在的解决方案，以缓解影响先进封装各应用领域的主要不足（表四）。例如，在目前的格局下，TMSC 是苹果公司唯一的先进封装供应商。虽然从产品开发的角度来看，买家与供应商之间建立深厚而丰富的合作关系好处多多，但供应链风险也不容忽视。以半导体行业为例，2000 年位于阿尔伯克基的皇家飞利浦电子公司晶圆制造厂发生火灾，给当时飞利浦的主要买家诺基亚和爱立信造成了重大影响。诺基亚通过应对危机和为其移动电话部门寻找替代部件供应商，得以从损失中恢复过来，但爱立信的行动却没有那么迅速。2000 年第二季度，爱立信的移动电话部门出现了 2 亿美元的经营亏损，爱立信无法完全从火灾中恢复过来。如果爱立信当时有不止一个供应商，或者能更快地找到替代部件供应商，移动电话市场的发展可能会大不相同。因此，促进基板、原材料和制造供应供应商以及 OSAT 供应商建立深厚而广泛的供应商基础，以确保先进封装业务在美国的供应链安全，是至关重要的。

B. 硬件安全问题

硬件安全是网络安全的一个重要方面，它包括与系统物理组件相关的一系列潜在漏洞和威胁。即使供应链完全在美国境内并受到良好保护，设计和制造过程仍可能带来安全漏洞。流氓员工等恶意行为者可能会在制造阶段或供应链的任何环节试图植入硬件木马 (HT)、后门或其他恶意组件。此外，半导体制造通常涉及众多分包商和供应商。供应链中每增加一个参与者，都会增加漏洞和安全缺陷的可能性，无论其位于何处。此外，尽管人们针对不同类型的硬件木马开发了各种应对措施，但复杂攻击的不断演进和对第三方 IP 的依赖引发了严重的硬件安全问题。

另一个主要问题是逆向工程 (RE)，即使美国的半导体供应链已完全安全并已转为本地供应链，但这一问题始终存在。芯粒技术涉及通过对已制造集成电路的各器件层进行再处理和成像，提取 RTL 层的设计细节。相互竞争的半导体设计公司或敌对代工厂可能会利用逆向工程获得竞争优势和财务优势。RE 活动可能导致芯粒原始设备制造商的收入损失，并引发对逆向工程芯粒可靠性和可信度的潜在担忧。此外，与芯片类似，芯粒逆向工程也是一个耗时耗力的过程，这可能会导致对手因认为 SiP 逆向工程比芯粒逆向工程更有优势而青睐 SiP 逆向工程。随着半导体封装越来越复杂，SiP RE 将日益成为新的威胁，对手将提取出芯粒之间的所有互连。因此，必须确保开展大量研究来挫败 SiP RE，以应对知识产权盗版和克隆问题。

要有效解决上述硬件安全问题，必须采取多层次的方法。这种方法包括安全设计实践、全面测试和验证流程、供应链完整性检查、持续监控以及在整个产品生命周期实施安全最佳实践。加强漏洞管理，包括在整个产品生命周期内跟踪材料和组件，对于解决这些硬件安全问题也至关重要。此外，在整个半导体价值链中开发和使用可信的新兴技术（人工智能和机器学习方法），对于加强整个供应链中微电子元件和产品的安全性和出处以及提高信任度和保证度至关重要。

C. 计量需求

确保美国在岸先进封装供应链的安全需要一个稳健的计量系统。计量学是一门测量科学，对于确保先进封装技术的质量、可靠性和性能至关重要。半导体封装日益复杂，良品率是提升先进封装制造水平的现实问题。半导体封装的过程控制和良品率管理在很大程度上依赖于计量和检测工具。采用计量工具和技术来监测和控制先进封装工艺的各个阶段至关重要。这包括基板制造、芯片放置、键合、封装和其他封装步骤中的测量。工艺控制可确保一致性和符合规范，降低缺陷风险，确保封装器件的可靠性。这些工具对于确保互连的完整性以及监控凸块和键合过程的各个方面至关重要。

计量学侧重于凸点工艺的直径、高度和共面性等参数。在先进封装中，精确的尺寸测量对于确保微电子元件的精确放置和对齐至关重要。这包括测量互连、微凸块、凸块下金属化（UBM）和其他关键特征的尺寸。更小的间距要求对凸点直径和高度进行更严格的控制，而随着凸点高度的降低，可接受的共平面度窗口也越来越窄。在多样化的供应链中，满足对先进封装所用半导体材料纯度、物理性能和来源的日益严格的要求也是必要的。要满足这些严格的要求，新的测量方法和标准至关重要。计量学的这些进步将有助于确保供应链的质量、可靠性和安全性。此外，开发以缺陷和污染物识别为重点的测量技术、特性数据和标准，以支持整个供应链的统一材料质量和可追溯性，也应成为一个重要的战略重点。

此外，由于对精度、准确性、数据集成、数字孪生等方面的需求，物理和计算计量学的突破对于推动未来设备制造技术的发展至关重要。物理和计算计量学的进步是成功制造未来一代设备所不可或缺的。这些突破可以提高精度，加强实时监控，并有能力应对与尖端技术相关的复杂性和挑战。为确保关键计量技术的进步能够跟上尖端和未来微电子和半导体制造的发展，必须改进物理和计算计量工具，以适应下一代先进复杂集成技术和系统的制造。

事实上，随着微电子封装的不断发展，新的计量技术对于集成精密元件和新型材料至关重要。在这种语境下，计量学指的是对构成先进微电子封装的微小元件和结构进行测量和表征的科学。由于以下几个因素，传统的计量方法可能无法满足微电子封装中使用的新兴技术和材料的需求：i) 不断缩小的特征尺寸；ii) 多层和多材料堆叠；iii) 薄膜、表面、潜在特征和界面的物理性质；iv) 将芯粒、电介质、片上系统 (SoC) 和存储器集成到封装中的方法。提供跨越多个长度尺度和物理特性的使能计量学，支持加速未来一代微电子的先进封装概念。为复杂元件和新材料的复杂集成开发计量学是支持国内先进微电子封装产业稳固发展的必要条件。总之，对工艺和计量工具的投资对于达到所需的质量和可靠性至关重要，特别是随着半导体封装复杂性的增长。

D. 劳动力发展需求

尽管美国在芯片 IP 设计和设备制造方面领先于全球市场，但由于从技术人员到设计工程师的人才严重短缺，美国在加强国内制造业方面面临重大挫折。这种短缺影响重大，因为它阻碍了美国维持半导体芯片安全制造能力的能力，而半导体芯片对国防系统、自动化和量子计算至关重要。该行业的劳动力发展遇到了一些关键挑战，如学生对硬件电子技术缺乏兴趣、课程过时而忽视现代半导体技术、人才留存问题以及师资和基础设施老化等。解决这些障碍对于促进该行业未来的发展和创新至关重要。为确保美国的在岸先进封装能力，解决劳动力发展问题对于全面保障半导体供应链至关重要。与大型科技公司的软件工作相比，数十年的外包导致半导体行业缺乏知名度和声望。人们对半导体行业的认识不足，对其动态性质的了解有限，这加剧了人才短缺。尽管美国可以通过国际 STEM 学生获得大量人才，但大多数工程硕士和博士生都不是美国公民。苛刻的签证限制也导致留学生留美率低，造成了宝贵人才的流失。

为了在人才争夺战中保持竞争力，企业正在探索再培训、自动化和扩大人才梯队等战略。然而，这些努力需要大量的时间和资金，可能不足以弥补该行业预计出现的工程师和技术人员短缺问题。此外，快节奏工厂中复杂的制造工艺导致新员工或经过再培训的员工具有较长的学习曲线。设计工程师和质量工程师/制造技术员之间也存在收入差距，设计工程师享有更好的工作条件和更高的薪酬。这就使得重新培训员工从事高薪文职工作具有挑战性。另一个问题是 OSAT 利润微薄。应提供有吸引力的薪酬来吸引封装行业的优秀工程师。为了确保半导体和封装技术行业未来的蓬勃发展，我们必须在国家层面投资和鼓励年轻一代。在整个生产过程中展示自动化的优势对于吸引年轻人的兴趣至关重要。通过展示现代设备的灵活性和远程控制能力，我们可以使这些领域对新兴人才更具吸引力。总之，美国半导体行业必须解决这些与人才相关的问题，以满足先进封装需求并维持未来增长。

Conclusion（总结）

先进封装与异质集成一起，是推动摩尔定律发展的关键因素之一。由于 CHIPS 法案的出台，政府非常重视提升本土芯片制造能力，但同样重要的是，人们也要对先进封装制造能力给予同样的重视。了解当前美国的先进封装供应链，对于找出全面保障半导体供应链安全和发展在岸先进封装制造能力的瓶颈及未来方向至关重要。虽然美国拥有所有先进封装制造能力，但为了提升本地生产能力，还需要大量投资。除了提升制造能力，确保先进封装制造工艺所必需的原材料供应对于避免未来出现瓶颈也至关重要，如基板、模塑化合物、引线框架、蚀刻剂、光刻胶和半导体级超纯原料化学品等。美国封装基材生产的缺失，可能会影响到先进封装的所有应用领域，亟待解决。解决了供应链中的所有这些薄弱环节，美国的先进封装供应链才能得到保障。

本文由电子科技大学长三角研究院（湖州）集成电路与系统中心黄乐天老师指导电子科技大学“强芯铸魂”计划成员冯梦奇同学完成翻译。“强芯铸魂”计划是电子科技大学依托学校在集成电路领域的优势学科资源和产教融合资源，充分发挥电子薄膜与集成器件全国重点实验室、国家集成电路产教融合创新平台的能量，聚焦集成电路设计、制造工艺、先进封装以及EDA等核心关键技术，实施的本研贯通培养特别行动计划。期望为我国探索出一条“快出人才，出高质量人才”的人才培养新路。