摘要

先進的封裝技術可以將多個半導體芯片和組件集成到高性能的系統中。隨著摩爾定律的縮小趨勢面臨極限，先進封裝為持續改善計算性能、節能和功能提供了一條途徑。但是，與亞洲相比，美國目前在先進封裝技術方面落后。本文總結了美國在11月最新發表的國家先進封裝制造計劃（NAPMP）的產業咨詢委員會（IAC）提出的建議，以增強美國在先進封裝技術領域的領先地位。這些建議旨在建立試產線、升級電子設計自動化工具、創建數字孿生、制定大膽目標、擴大大學項目，以及進行差距分析。通過戰略投資和公私合作，美國能夠在這個關鍵技術領域重新取得領先。

簡介

半導體技術的發展動力源于摩爾定律，即芯片晶體管數量約每兩年翻一番的趨勢。這種持續縮小帶來了計算性能和功能的指數增長。然而，隨著傳統縮小趨勢面臨巨大挑戰和高昂成本，基本物理極限正在顯現。由于傳統縮小速度正在放緩，先進的半導體封裝提供了能持續摩爾定律縮小潛在利好的途徑。封裝技術使多個半導體芯片和組件能夠集成為高度集成的系統級封裝（SiP）（圖1）。封裝互連實現了組件之間的高速、高密度通信。先進封裝可以集成不同工藝和技術的芯片，形成異質集成解決方案。

圖1. 先進封裝的截面圖，顯示多個半導體芯片和組件集成成系統級封裝（SiP）。

美國半導體行業開啟了早期電子系統領域的諸多發展。但是，近幾十年來，半導體制造和封裝轉移到了亞洲。美國在全球半導體制造能力中的份額從1990年的37%下降到2021年的12%。在先進封裝領域也出現類似趨勢，目前亞洲占據著主導地位。

2022年的芯片法案旨在通過對研發和制造的投資來重振美國在半導體領域的領先地位。國家先進封裝制造計劃（NAPMP）的任務是強化美國先進的封裝技術能力。本文總結了NAPMP的產業咨詢委員會（IAC）根據他們的深入研究提出的建議。這些建議為提升美國的先進封裝技術，重建全球領先地位提供了策略。

試制生產能力

美國先進封裝技術創新的基本障礙是國內最先進的試制生產線不足。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）。試制線應與研發中心共同設置，以加速從創新到產品的轉化。此外，美國目前在先進封裝基板方面的能力非常有限。IAC建議至少激勵一家領先的基板制造商在美國建立試制線和研發中心（建議3），先進基板如玻璃互連器對尖端封裝至關重要。這些試制生產能力將為美國的先進封裝研發、原型制作和人才培養奠定必要的基礎。此外，根據功能驗證，試制線可以成為構建商業規模制造的核心。

研發項目

IAC報告建議實施研發項目，來確定了關鍵的技術差距并解決這一問題。一個領域是開發關鍵工藝，如晶圓凸點間距低于5μm和混合晶圓對晶圓鍵合（建議4）。這種細間距互連對異構集成至關重要。另一個提議是大大改進電子設計自動化（EDA）工具，用于復雜2.5D和3D封裝的協同設計和多物理建模（建議5）。此外，報告還鼓勵開發數字孿生，深度集成建模、仿真與實際工藝和制造（建議6）。數字孿生將加速學習和優化。

大膽目標

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

先進封裝能力的生產力提高10倍

環境足跡和能耗減少10倍

這些大膽目標將推動研發和基礎設施投資，顯著提高自動化，降低成本并減少環境影響。實現這些目標將使美國的先進封裝設備比亞洲的設備更具競爭力。

大學項目

引領先進技術的關鍵驅動力是健全的大學研究和教育體系。不幸的是，目前僅有約5所美國大學有重要的先進封裝項目。IAC建議將具有重要封裝項目的大學數量增加一倍，并擴大現有項目的師資力量和能力（建議8）。這種大學研究和教學的擴充將為美國先進封裝人才培養注入關鍵力量。

新興技術

先進封裝實現了不同技術和組件的異構集成。IAC認為，硅光子技術是作為一項新興技術，大量投資可以助力美國的領先地位（建議9）。硅光子技術有望徹底改變計算、通信、傳感和制造。但是，仍需創新解決方案以實現低成本的光子集成和封裝。NAPMP在這些領域的戰略投資可以催生美國硅光子技術的領先。

生態系統分析

最后，IAC建議對美國先進封裝生態系統進行詳細的調查和差距分析（建議10）。該研究需要對設備、材料、基板、組裝、測試等世界最高水平的國內能力和標桿管理進行評價。這一分析有助于對需求最多的領域進行戰略性投資。

結論

隨著傳統縮小趨勢放緩，先進的半導體封裝技術將發揮越來越重要的作用。IAC的提案為通過對試制生產、研發、基礎設施和人力資源開發的戰略投資，來重建美國在先進封裝領域的領先地位提供了策略。如果執行得當，美國可以重新建立先進封裝技術創新強國的地位。美國半導體制造業的未來競爭力很大程度上取決于封裝技術的合理發展。

來源：逍遙設計自動化

審核編輯：湯梓紅