美国半导体离本土芯片封装又近了一步

文/Willy Shih

2021年，半导体短缺导致许多人开始关注供应链的弹性，并且美国也在呼吁发展国内的芯片产能。2021年6月参议院通过的《美国创新与竞争法案 》(USICA) 建议提供520亿美元用于援助美国国内半导体生产，目前此法案正在等待众议院通过。

虽然许多人的主要关注点是增加国内生产的芯片数量，但我们不应忽视芯片封装的基本过程，封装可以保护芯片免受损坏，并将芯片的电路连接到外部世界。芯片封装是一个对于供应链弹性以及维持未来电子技术进步都很重要的领域。

封装对于芯片来说至关重要

集成电路 (IC) 芯片在硅晶圆上生产，单个芯片（“裸片”）会以重复的模式生产，在每个晶圆上分批次制造。一个 300 毫米晶圆（直径约 12 英寸）是最现代晶圆厂通常使用的尺寸，可能承载数百个大型微处理器芯片或数千个微型控制器芯片。生产过程分为“生产线前端”（FEOL）阶段和“生产线后端”（BEOL）。在“生产线前端“（FEOL），通过图案化和蚀刻工艺在硅体中创建了数十亿个微型晶体管；在“生产线后端”（BEOL），铺设了金属迹线网以连接所有东西。走线由称为“通孔”的垂直段组成，它们依次连接水平布线层。如果一个芯片上有数十亿个晶体管（iPhone 13的A15处理器有 150 亿个），则需要数十亿根电线来连接它们。每个单独的裸片在展开时可能总共有几公里的布线，因此我们可以想象BEOL工艺非常复杂。在芯片的最外层（有时会使用芯片的背面和正面），设计人员会放置一个微型焊盘，用于将芯片连接到外部世界。

晶圆加工完成后，每个芯片都会用测试机单独“探测”，以确定哪些芯片的性能是好的。封装既可以为芯片提供物理保护，也可以将电信号连接到芯片中的不同电路。芯片封装完成后，可以被放置在手机、电脑、汽车或其他设备的电子电路板上。其中一些封装必须针对极端环境进行设计，例如汽车的发动机舱或手机信号塔。另外一些封装必须非常小，以便用于内部紧凑型设备。在所有情况下，封装设计人员都必须考虑使用材料和热膨胀等因素，以最大程度地减少芯片的开裂，减少可能会影响芯片可靠性的热膨胀。

最早用于将硅芯片连接到封装内部引线的技术是引线键合，这是一种低温焊接工艺。在此过程中，非常细的导线（通常是金或铝，也使用银和铜）一端连接到芯片上的金属焊盘，另一端连接到金属框架上的端子，金属框架上有通向外部的导线。该工艺于20世纪50年代在贝尔实验室首创，在高温下，微小的电线在压力下压入芯片垫。在20世纪50年代末，第一台使用该工艺的机器问世，到了20世纪60年代中期，超声波键合作为引线键合的替代技术被开发出来。

从历史上看，这项工作是在东南亚进行的，因为它是属于劳动密集型的工作。从那时起，自动化机器就已经被开发出来，并以非常高的速度进行引线键合。许多其他更新的封装技术也被开发出来，包括一种叫做“倒装芯片”的技术。在这个过程中，当芯片仍在晶圆上时，微观金属柱被沉积到芯片上的焊盘上，在测试后，性能良好的芯片翻转过来，并与封装中匹配的焊盘对齐。然后，焊料在回流过程中熔化，以熔合连接。这是在芯片内一次建立数千个连接的好方法，虽然必须仔细控制整个过程，以确保所有连接都良好。

最近，新技术以及推动芯片使用的新应用的出现，使封装备受关注。系统级封装（SiP）技术也是最重要的新技术之一，它也受到将不同类型的芯片组合在一起的需求所驱动，例如与无线电芯片放在同一封装中的5G天线，或者将传感器与计算芯片集成的人工智能应用程序。像台积电（TSMC）这样大型的半导体铸造厂也在使用“扇出型封装”，而英特尔INTC于2019年在其Lakefield移动处理器中引入了嵌入式多芯片互连（EMIB）和Foveros芯片堆叠技术。

大多数封装是由被称为“外包组装和测试”（OSAT）公司的第三方合同制造商完成的，这种公司多集中在亚洲。最大的OSAT供应商包括台湾的ASE、总部位于亚利桑那州坦佩的Amkor Technology（AMKR）、中国江苏长江电子科技有限公司（JCET）（几年前收购了新加坡的STATS ChipPac）和2015年被ASE收购的台湾的Siliconware Precision Industries Co.，Ltd.（SPIL）。还有许多其他规模较小的参与者，特别是在中国，几年前中国将OSAT确定为战略性产业。

最近封装被广泛关注的主要原因是，最近在越南和马来西亚爆发的新冠疫情极大地加剧了半导体芯片供应危机的恶化，当地政府强制关闭工厂，并减少人员配备数量，从而在数周内停产或减产。虽然美国政府加大投资补贴国内的半导体产业，大部分成品芯片仍将运往亚洲进行封装，因为那里是行业发展较好、基础设施较为完备、人才资源储备丰富的地方。因此，英特尔在俄勒冈州的希尔斯伯勒（Hillsboro）或亚利桑那州的钱德勒（Chandler）生产微处理器芯片，但它会将成品晶圆送到马来西亚、越南或中国成都的工厂进行测试和封装。

美国能建立起芯片封装产业吗？

芯片封装产业在美国发展面临着巨大的挑战，因为封装行业的大多数从业人员在近半个世纪前就离开了美国海岸。北美在全球包装生产中的份额仅为3%左右。这意味着，美国没有提供制造设备、化学品（如包装中使用的基板和其他材料）、引线框架的供应商网络，以及最重要的经验丰富的人才。英特尔刚刚宣布投资70亿美元在马来西亚建立一家新的封装和测试工厂，还宣布计划投资35亿美元用于发展Foveros技术，并对新墨西哥州的Rio Rancho工厂升级。Amkor Technology最近还宣布计划在越南河内东北部的巴宁扩大产能。

对美国来说，发展先进的芯片封装很大的一个问题是该工作需要很多的生产经验。当第一次开始生产时，封装芯片的良率可能会很低，随着生产经验的增加，生产工艺也会不断改进和完善，良率也会随之提高。美国国内的大芯片客户通常不愿意冒险使用新的国内供应商，因为新的供应厂商为了达到这一良率，可能需要很长时间才能经验重组。假设封装芯片的良率较低，供应厂商可能会丢弃好的芯片。

总部位于爱达荷州博伊西的美国半导体公司（American Semiconductor，Inc.）正在采取一种不同的方法。首席执行官道格·哈克勒（Doug Hackler）主张“基于可行制造的可行回流”。他的战略是使用新技术，并将其应用于需求巨大的传统芯片，这将使公司能够实践其工艺并学习。传统芯片也便宜得多，所以产量损失并不是生死攸关的问题。

Hackler指出，iPhone11中85%的芯片使用的是较旧的技术，例如在40纳米或更早的半导体节点上制造的技术（这是十年前的热门技术）。事实上，目前困扰汽车行业和其他行业的许多芯片短缺都是针对这些传统芯片的。与此同时，该公司正试图将新技术和自动化应用于组装步骤，采用所谓的聚合物半导体（SoP）工艺，提供超薄芯片级封装。在该工艺中，将装满芯片的晶片粘合到背面聚合物上，然后放在热转移带上。在使用通常的自动测试仪进行测试后，芯片在载带上被切成小片，然后转移到卷轴或其他格式以进行高速自动组装。Hackler认为，这种封装对物联网（IoT）设备和可穿戴设备制造商具有吸引力，这两个领域可能会消耗大量芯片，但在硅制造方面要求不高。

Hackler的方法吸引人的地方有两点。首先，他们在提高产量方面得到大量实践。第二，他们正在使用一项新技术，而进行技术转型通常是推翻现有企业的机会。作为新进入者，他们没有束缚于现有流程或设施的包袱。

美国半导体公司还有很长的路要走，发展封装将建立自主可控的封装技术。这个技术的进展可能会比较慢，但是也是一个较好的开始。

Willy Shih是福布斯资深撰稿人，观点仅代表个人。