摘要

先進(jìn)的封裝技術(shù)可以將多個半導(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面臨極限，先進(jìn)封裝為持續(xù)改善計算性能、節(jié)能和功能提供了一條途徑。但是，與亞洲相比，美國目前在先進(jìn)封裝技術(shù)方面落后。本文總結(jié)了美國在11月最新發(fā)表的國家先進(jìn)封裝制造計劃（NAPMP）的產(chǎn)業(yè)咨詢委員會（IAC）提出的建議，以增強美國在先進(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、升級電子設(shè)計自動化工具、創(chuàng)建數(shù)字孿生、制定大膽目標(biāo)、擴大大學(xué)項目，以及進(jìn)行差距分析。通過戰(zhàn)略投資和公私合作，美國能夠在這個關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域重新取得領(lǐng)先。

簡介

半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展動力源于摩爾定律，即芯片晶體管數(shù)量約每兩年翻一番的趨勢。這種持續(xù)縮小帶來了計算性能和功能的指數(shù)增長。然而，隨著傳統(tǒng)縮小趨勢面臨巨大挑戰(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)使多個半導(dǎo)體芯片和組件能夠集成為高度集成的系統(tǒng)級封裝（SiP）（圖1）。封裝互連實現(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，顯示多個半導(dǎo)體芯片和組件集成成系統(tǒng)級封裝（SiP）。

美國半導(dǎo)體行業(yè)開啟了早期電子系統(tǒng)領(lǐng)域的諸多發(fā)展。但是，近幾十年來，半導(dǎo)體制造和封裝轉(zhuǎn)移到了亞洲。美國在全球半導(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，目前亞洲占據(jù)著主導(dǎo)地位。

2022年的芯片法案旨在通過對研發(fā)和制造的投資來重振美國在半導(dǎo)體領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。國家先進(jìn)封裝制造計劃（NAPMP）的任務(wù)是強化美國先進(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（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

美國先進(jìn)封裝技術(shù)創(chuàng)新的基本障礙是國內(nèi)最先進(jìn)的試制生產(chǎn)線不足。幾乎所有晶圓級和面板級封裝制造商都在亞洲。IAC通過公私合作和制造激勵措施，建議在美國建立晶圓級和面板級封裝的試制線（建議2和3）。試制線應(yīng)與研發(fā)中心共同設(shè)置，以加速從創(chuàng)新到產(chǎn)品的轉(zhuǎn)化。此外，美國目前在先進(jìn)封裝基板方面的能力非常有限。IAC建議至少激勵一家領(lǐng)先的基板制造商在美國建立試制線和研發(fā)中心（建議3），先進(jìn)基板如玻璃互連器對尖端封裝至關(guān)重要。這些試制生產(chǎn)能力將為美國的先進(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)項目

IAC報告建議實施研發(fā)項目，來確定了關(guān)鍵的技術(shù)差距并解決這一問題。一個領(lǐng)域是開發(fā)關(guān)鍵工藝，如晶圓凸點間距低于5μm和混合晶圓對晶圓鍵合（建議4）。這種細(xì)間距互連對異構(gòu)集成至關(guān)重要。另一個提議是大大改進(jìn)電子設(shè)計自動化（EDA）工具，用于復(fù)雜2.5D和3D封裝的協(xié)同設(shè)計和多物理建模（建議5）。此外，報告還鼓勵開發(fā)數(shù)字孿生，深度集成建模、仿真與實際工藝和制造（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制定一個大膽的目標(biāo)（建議7），提出的兩個定量的重大目標(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)將推動研發(fā)和基礎(chǔ)設(shè)施投資，顯著提高自動化，降低成本并減少環(huán)境影響。實現(xiàn)這些目標(biāo)將使美國的先進(jìn)封裝設(shè)備比亞洲的設(shè)備更具競爭力。

大學(xué)項目

引領(lǐng)先進(jìn)技術(shù)的關(guān)鍵驅(qū)動力是健全的大學(xué)研究和教育體系。不幸的是，目前僅有約5所美國大學(xué)有重要的先進(jìn)封裝項目。IAC建議將具有重要封裝項目的大學(xué)數(shù)量增加一倍，并擴大現(xiàn)有項目的師資力量和能力（建議8）。這種大學(xué)研究和教學(xué)的擴充將為美國先進(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)是作為一項新興技術(shù)，大量投資可以助力美國的領(lǐng)先地位（建議9）。硅光子技術(shù)有望徹底改變計算、通信、傳感和制造。但是，仍需創(chuàng)新解決方案以實現(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硅光子技術(shù)的領(lǐng)先。

生態(tài)系統(tǒng)分析

最后，IAC建議對美國先進(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）。該研究需要對設(shè)備、材料、基板、組裝、測試等世界最高水平的國內(nèi)能力和標(biāo)桿管理進(jìn)行評價。這一分析有助于對需求最多的領(lǐng)域進(jìn)行戰(zhàn)略性投資。

結(jié)論

隨著傳統(tǒng)縮小趨勢放緩，先進(jìn)的半導(dǎo)體封裝技術(shù)將發(fā)揮越來越重要的作用。IAC的提案為通過對試制生產(chǎn)、研發(fā)、基礎(chǔ)設(shè)施和人力資源開發(fā)的戰(zhàn)略投資，來重建美國在先進(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)，美國可以重新建立先進(jìn)封裝技術(shù)創(chuàng)新強國的地位。美國半導(dǎo)體制造業(yè)的未來競爭力很大程度上取決于封裝技術(shù)的合理發(fā)展。

來源：逍遙設(shè)計自動化

審核編輯：湯梓紅