摘要

先進(jìn)的封裝技術(shù)可以將多個(gè)半導(dǎo)體芯片和組件集成到高性能的系統(tǒng)中。隨著摩爾定律的縮小趨勢(shì)面臨極限，先進(jìn)封裝為持續(xù)改善計(jì)算性能、節(jié)能和功能提供了一條途徑。但是，與亞洲相比，美國(guó)目前在先進(jìn)封裝技術(shù)方面落后。本文總結(jié)了美國(guó)在11月最新發(fā)表的國(guó)家先進(jìn)封裝制造計(jì)劃（NAPMP）的產(chǎn)業(yè)咨詢委員會(huì)（IAC）提出的建議，以增強(qiáng)美國(guó)在先進(jìn)封裝技術(shù)領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。這些建議旨在建立試產(chǎn)線、升級(jí)電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化工具、創(chuàng)建數(shù)字孿生、制定大膽目標(biāo)、擴(kuò)大大學(xué)項(xiàng)目，以及進(jìn)行差距分析。通過(guò)戰(zhàn)略投資和公私合作，美國(guó)能夠在這個(gè)關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域重新取得領(lǐng)先。

簡(jiǎn)介

半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展動(dòng)力源于摩爾定律，即芯片晶體管數(shù)量約每?jī)赡攴环内厔?shì)。這種持續(xù)縮小帶來(lái)了計(jì)算性能和功能的指數(shù)增長(zhǎng)。然而，隨著傳統(tǒng)縮小趨勢(shì)面臨巨大挑戰(zhàn)和高昂成本，基本物理極限正在顯現(xiàn)。由于傳統(tǒng)縮小速度正在放緩，先進(jìn)的半導(dǎo)體封裝提供了能持續(xù)摩爾定律縮小潛在利好的途徑。封裝技術(shù)使多個(gè)半導(dǎo)體芯片和組件能夠集成為高度集成的系統(tǒng)級(jí)封裝（SiP）（圖1）。封裝互連實(shí)現(xiàn)了組件之間的高速、高密度通信。先進(jìn)封裝可以集成不同工藝和技術(shù)的芯片，形成異質(zhì)集成解決方案。

圖1. 先進(jìn)封裝的截面圖，顯示多個(gè)半導(dǎo)體芯片和組件集成成系統(tǒng)級(jí)封裝（SiP）。

美國(guó)半導(dǎo)體行業(yè)開(kāi)啟了早期電子系統(tǒng)領(lǐng)域的諸多發(fā)展。但是，近幾十年來(lái)，半導(dǎo)體制造和封裝轉(zhuǎn)移到了亞洲。美國(guó)在全球半導(dǎo)體制造能力中的份額從1990年的37%下降到2021年的12%。在先進(jìn)封裝領(lǐng)域也出現(xiàn)類似趨勢(shì)，目前亞洲占據(jù)著主導(dǎo)地位。

2022年的芯片法案旨在通過(guò)對(duì)研發(fā)和制造的投資來(lái)重振美國(guó)在半導(dǎo)體領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。國(guó)家先進(jìn)封裝制造計(jì)劃（NAPMP）的任務(wù)是強(qiáng)化美國(guó)先進(jìn)的封裝技術(shù)能力。本文總結(jié)了NAPMP的產(chǎn)業(yè)咨詢委員會(huì)（IAC）根據(jù)他們的深入研究提出的建議。這些建議為提升美國(guó)的先進(jìn)封裝技術(shù)，重建全球領(lǐng)先地位提供了策略。

試制生產(chǎn)能力

美國(guó)先進(jìn)封裝技術(shù)創(chuàng)新的基本障礙是國(guó)內(nèi)最先進(jìn)的試制生產(chǎn)線不足。幾乎所有晶圓級(jí)和面板級(jí)封裝制造商都在亞洲。IAC通過(guò)公私合作和制造激勵(lì)措施，建議在美國(guó)建立晶圓級(jí)和面板級(jí)封裝的試制線（建議2和3）。試制線應(yīng)與研發(fā)中心共同設(shè)置，以加速?gòu)膭?chuàng)新到產(chǎn)品的轉(zhuǎn)化。此外，美國(guó)目前在先進(jìn)封裝基板方面的能力非常有限。IAC建議至少激勵(lì)一家領(lǐng)先的基板制造商在美國(guó)建立試制線和研發(fā)中心（建議3），先進(jìn)基板如玻璃互連器對(duì)尖端封裝至關(guān)重要。這些試制生產(chǎn)能力將為美國(guó)的先進(jìn)封裝研發(fā)、原型制作和人才培養(yǎng)奠定必要的基礎(chǔ)。此外，根據(jù)功能驗(yàn)證，試制線可以成為構(gòu)建商業(yè)規(guī)模制造的核心。

研發(fā)項(xiàng)目

IAC報(bào)告建議實(shí)施研發(fā)項(xiàng)目，來(lái)確定了關(guān)鍵的技術(shù)差距并解決這一問(wèn)題。一個(gè)領(lǐng)域是開(kāi)發(fā)關(guān)鍵工藝，如晶圓凸點(diǎn)間距低于5μm和混合晶圓對(duì)晶圓鍵合（建議4）。這種細(xì)間距互連對(duì)異構(gòu)集成至關(guān)重要。另一個(gè)提議是大大改進(jìn)電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（EDA）工具，用于復(fù)雜2.5D和3D封裝的協(xié)同設(shè)計(jì)和多物理建模（建議5）。此外，報(bào)告還鼓勵(lì)開(kāi)發(fā)數(shù)字孿生，深度集成建模、仿真與實(shí)際工藝和制造（建議6）。數(shù)字孿生將加速學(xué)習(xí)和優(yōu)化。

大膽目標(biāo)

IAC建議為NAPMP制定一個(gè)大膽的目標(biāo)（建議7），提出的兩個(gè)定量的重大目標(biāo)是：

先進(jìn)封裝能力的生產(chǎn)力提高10倍

環(huán)境足跡和能耗減少10倍

這些大膽目標(biāo)將推動(dòng)研發(fā)和基礎(chǔ)設(shè)施投資，顯著提高自動(dòng)化，降低成本并減少環(huán)境影響。實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)將使美國(guó)的先進(jìn)封裝設(shè)備比亞洲的設(shè)備更具競(jìng)爭(zhēng)力。

大學(xué)項(xiàng)目

引領(lǐng)先進(jìn)技術(shù)的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)力是健全的大學(xué)研究和教育體系。不幸的是，目前僅有約5所美國(guó)大學(xué)有重要的先進(jìn)封裝項(xiàng)目。IAC建議將具有重要封裝項(xiàng)目的大學(xué)數(shù)量增加一倍，并擴(kuò)大現(xiàn)有項(xiàng)目的師資力量和能力（建議8）。這種大學(xué)研究和教學(xué)的擴(kuò)充將為美國(guó)先進(jìn)封裝人才培養(yǎng)注入關(guān)鍵力量。

新興技術(shù)

先進(jìn)封裝實(shí)現(xiàn)了不同技術(shù)和組件的異構(gòu)集成。IAC認(rèn)為，硅光子技術(shù)是作為一項(xiàng)新興技術(shù)，大量投資可以助力美國(guó)的領(lǐng)先地位（建議9）。硅光子技術(shù)有望徹底改變計(jì)算、通信、傳感和制造。但是，仍需創(chuàng)新解決方案以實(shí)現(xiàn)低成本的光子集成和封裝。NAPMP在這些領(lǐng)域的戰(zhàn)略投資可以催生美國(guó)硅光子技術(shù)的領(lǐng)先。

生態(tài)系統(tǒng)分析

最后，IAC建議對(duì)美國(guó)先進(jìn)封裝生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)的調(diào)查和差距分析（建議10）。該研究需要對(duì)設(shè)備、材料、基板、組裝、測(cè)試等世界最高水平的國(guó)內(nèi)能力和標(biāo)桿管理進(jìn)行評(píng)價(jià)。這一分析有助于對(duì)需求最多的領(lǐng)域進(jìn)行戰(zhàn)略性投資。

結(jié)論

隨著傳統(tǒng)縮小趨勢(shì)放緩，先進(jìn)的半導(dǎo)體封裝技術(shù)將發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。IAC的提案為通過(guò)對(duì)試制生產(chǎn)、研發(fā)、基礎(chǔ)設(shè)施和人力資源開(kāi)發(fā)的戰(zhàn)略投資，來(lái)重建美國(guó)在先進(jìn)封裝領(lǐng)域的領(lǐng)先地位提供了策略。如果執(zhí)行得當(dāng)，美國(guó)可以重新建立先進(jìn)封裝技術(shù)創(chuàng)新強(qiáng)國(guó)的地位。美國(guó)半導(dǎo)體制造業(yè)的未來(lái)競(jìng)爭(zhēng)力很大程度上取決于封裝技術(shù)的合理發(fā)展。

來(lái)源：逍遙設(shè)計(jì)自動(dòng)化

審核編輯：湯梓紅