(Folgender Teil I: Entwurf integrierter Schaltkreise; Teil II: Herstellung integrierter Schaltkreise)

V. ATP (Assembly, Test, andPackaging) und Advanced Packaging

Grundlegende Schlussfolgerungen zu Montage, Prüfung, Verpackung und fortschrittlicher Verpackung:

(1) Für das relativ technologiearme Back-End-Halbleiter-ATP sind die Vereinigten Staaten stark auf ausländische Ressourcen angewiesen, die in Asien konzentriert sind.

(2) Da Chips immer komplexer werden, stellen fortschrittliche Verpackungsmethoden potenzielle Bereiche für erheblichen technologischen Fortschritt dar. Allerdings sind die USA auch kein kosteneffizienter Ort für die Entwicklung einer starken, fortschrittlichen Verpackungsindustrie, da es ihnen an dem notwendigen Material-Ökosystem mangelt;

(3) Als Reaktion darauf könnten umfangreiche chinesische Investitionen bestehende Märkte stören.

(I) Grundlegende Schätzungen des Flaggenstaats zur grundlegenden Verpackung und Prüfung

(A) Grundlegende Informationen

In der Back-End-Basis-ATP-Phase wird der Chip (Kern) zu einem fertigen Produkt zusammengebaut, das getestet, verpackt und in die Elektronik eingebaut wird. Es gibt zwei Modi für die ATP-Phase: (1) OEM durch IDM und (2) OEM. Gießereien sind OSAT-Unternehmen (Pure Semiconductor Assembly and Testing), die sich auf Tests, Verpackung, Montage oder Montage spezialisiert haben und Vertragsdienstleistungen anbieten. Bezogen auf den gesamten ATP-Markt machten US-Unternehmen 28 % des Gesamtumsatzes aus; Obwohl US-Unternehmen etwa 43 % der vertikal integrierten IDM-ATP-Umsätze ausmachen, haben US-Unternehmen die ATP-Produktion an Einrichtungen außerhalb der USA ausgelagert. Gießereien wie TSMC (Taiwan), UMC (Taiwan), SMIC (Festlandchina) und XMC (Festlandchina) sind in das Verpackungsgeschäft eingestiegen, um die Fertigungsdienstleistungen, die sie Fabless-Kunden anbieten, insbesondere für die fortschrittliche Verpackung kleiner Chips, zu erweitern. TSMC brachte 2012 seine erste fortschrittliche Verpackungslösung auf den Markt. Im Jahr 2017 waren mehr als 100 verschiedene OSATS auf dem Markt. Es gibt acht große OSATS; Bei den meisten handelt es sich um kleine bis mittelgroße Spieler.

Obwohl es einige US-amerikanische OSAT-Unternehmen gibt (insbesondere Amkor), machen US-Unternehmen nur 15 % des OSAT-Geschäfts aus (Taiwan liegt mit 52 % an der Spitze, gefolgt von China mit 21 %), und Amkor hat seinen Sitz in den USA, verfügt aber über keine Fertigung Einrichtung in den USA.

Basic ATP war traditionell ein hochautomatisiertes und geringwertiges Geschäft, das eine beträchtliche Stellfläche erforderte und überwiegend gering qualifizierte Arbeitskräfte beschäftigte (dies ändert sich mit der Einführung der unten beschriebenen fortschrittlichen Verpackungstechnologien). Somit war dieser Vorgang die erste Phase (ab den 1970er Jahren) der Auslagerung der Produktion in die Vereinigten Staaten, die hauptsächlich nach Südostasien erfolgte. Heutzutage befinden sich die meisten ATP-Outsourcing-Werke in China, Taiwan und Südostasien (Singapur, Malaysia, den Philippinen und Vietnam). SEMI und Techsearch identifizierten im Jahr 120 mehr als 360 OSAT-Outsourcing-Unternehmen und 2018 Verpackungsfabriken weltweit. Von den 360 Fabriken befinden sich mehr als 100 in China, etwa 100 in Taiwan und 43 in Südostasien (die anderen befinden sich in Europa oder Amerika). . Die OSAT-Produktion in China nutzt die aktuelle Mainstream-Verpackungstechnologie, aber China entwickelt fortschrittliche Verpackungstechnologie.

Auf der Testseite müssen Halbleitertechnologien zertifiziert und getestet werden, bevor sie aus Gründen der nationalen Sicherheit in Temperaturbereichen (erweiterter Bereich), Strahlungsbeständigkeit und rauen Umgebungen eingesetzt werden können. Dazu gehören Einzelteilcheneffekt-Tests (SEE) mithilfe der Schwerionenstrahlungs-Testinfrastruktur. Die bestehende Schwerionenstrahlungs-Testinfrastruktur in den Vereinigten Staaten ist fragil und kann den aktuellen und zukünftigen SEE-Testbedarf nicht decken. Kunden müssen oft lange Wartezeiten und steigende Testpreise in Kauf nehmen und sind selbst bei einer plötzlichen Abschaltung einer Großanlage erheblichen Belastungen ausgesetzt. „Es gibt weniger als ein halbes Dutzend Beschleuniger-LABS, die Ionenstrahlen mit ausreichender Ionenvielfalt und Energie erzeugen können, um die SEE-Testanforderungen zu erfüllen.“ Dies beeinträchtigt die Verfügbarkeit von Tests zur Unterstützung zukünftiger Weltraummissionen zwischen Raumfahrtagenturen und der Industrie (einschließlich Satelliten).

(B) Große Risiken

Heute verfügen die Vereinigten Staaten nur über 3 Prozent der weltweiten Halbleiterverpackungskapazität (ohne Testkapazität), die hauptsächlich von IDM-Unternehmen bereitgestellt wird, die häufig über ATP-Einrichtungen außerhalb der Vereinigten Staaten verfügen. Obwohl dies in der Vergangenheit ein Low-Tech-Bestandteil der Lieferkette war, handelt es sich dennoch um einen entscheidenden Schritt. Die Abhängigkeit Amerikas von der lebenswichtigen ATP-Produktion in Südostasien, Taiwan und China setzt die US-Lieferkette dem Risiko von Störungen aus.

(II) Diskussion der Citibank über fortschrittliche Verpackungstechnologie

(A) Grundlegende Informationen

Während Basis-ATP traditionell ein geringwertiger Bestandteil der Lieferkette war, werden Verpackungstechnologien immer fortschrittlicher. Seit Jahrzehnten folgt die Halbleiterindustrie dem Mooreschen Gesetz, das besagt, dass sich die Anzahl der Transistoren auf einem Halbleiter etwa alle zwei Jahre verdoppelt. Heutzutage nehmen die Leistungs- und Leistungsvorteile kleinerer Chipgrößen an jedem neuen Prozessknoten ab, während die Kosten pro Transistor steigen. Obwohl Downsizing immer noch eine Option ist, da die Skalierung immer teurer und schwieriger wird, sucht die Halbleiterindustrie nach Alternativen, bei denen kleine Chips und/oder mehrere integrierte Schaltkreise in einem einzigen Gehäuse zusammengebaut werden. Dies wird als erweiterte Kapselung bezeichnet. Advanced Packaging stellt eine alternative und ergänzende Technologie zur Reduzierung der Linienbreite dar, da es eine höhere Chipdichte auf der Gehäuseebene statt auf Chipebene bietet und die Integration verschiedener Chipfunktionen in einem einzigen Gehäuse ermöglicht. Fortschrittliche Verpackungen ermöglichen auch die stärkere Nutzung handelsüblicher (von der Verteidigung zugelassener) Chips zur individuellen Anpassung von Lösungen.

Zu den fortschrittlichen Verpackungsarten gehören Chip-Stacking-Techniken (insbesondere Speicherchips) und eingebettete Chips, Fan-Out, Wafer-Level-Packaging und System-Level-Packaging (Zusammenbau kleiner Chips oder mehrerer Chips in einem einzigen Gehäuse). Ein Ansatz für Logikchips besteht darin, standardisierte IP-Funktionen in verschiedene, kleinere Chips, sogenannte „Mikrochips“, aufzuteilen, die über Standardschnittstellen auf einem einzigen Gehäuse verbunden sind. Kleine Chips arbeiten mit anderen kleinen Chips zusammen, daher müssen Designs gemeinsam optimiert werden und können nicht isoliert entworfen werden. Die Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) und die Marine sowie Branchenakteure (AMD, Marvell und Intel) haben eine Reihe von Projekten, die diesen Ansatz untersuchen. Fortschrittliche Verpackungen haben einen Wert für die nationale Sicherheit, indem sie Funktion, Sicherheit, Volumen und Umweltleistung aufschlüsseln, um anpassbare Ausrüstung für einzigartige nationale Sicherheitsanwendungen bereitzustellen.

Fortschrittliche Verpackungen machten im Jahr 42.6 2019 % des Gesamtwerts der Halbleiterverpackungen aus und werden voraussichtlich bis 2025 ankommen. Sie werden fast die Hälfte des gesamten Halbleiterverpackungsmarktes ausmachen. Dies entspräche einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate (CAGR) von 6.1 % zwischen 2014 und 2025, wobei sich der Umsatz mit fortschrittlicheren Verpackungen von 20 Milliarden US-Dollar im Jahr 2014 auf etwa 42 Milliarden US-Dollar im Jahr 2025 verdoppeln würde. Dies entspricht fast dem Dreifachen des erwarteten Wachstums des traditionellen Verpackungsmarkts , mit einer prognostizierten CAGR von 2.2 Prozent zwischen 2014 und 2025.

Zu den zehn weltweit führenden Unternehmen für fortschrittliche Verpackung gehören: zwei IDM-Unternehmen (Intel aus den Vereinigten Staaten und Samsung Korea); TSMC ist außerdem eines der zehn weltweit führenden Unternehmen für fortschrittliche Verpackungen. Zu den fünf führenden OSAT-Unternehmen für fortschrittliche Verpackungen weltweit gehören ASE (Taiwan), SPIL (Taiwan), Amkor (USA), Powertech Technology (Taiwan) und JCET (China). Darüber hinaus gibt es zwei kleinere OSAT-Unternehmen, Nepes Display (Korea) und Chipbond (Taiwan). Die zehn Unternehmen verarbeiten etwa drei Viertel der hochentwickelten Chips.

Advanced Packaging wird in den Vereinigten Staaten hauptsächlich von IDM-Anbietern bereitgestellt, darunter Intel, Texas Instruments und Micron. GlobalFoundries ist eine in den USA ansässige Gießerei, die auch fortschrittliche Verpackungsdienstleistungen anbietet. Darüber hinaus bieten kleinere Unternehmen wie Micross, Skywater und Qorvo fortschrittliche Verpackungsdienste an, um Nischenbedürfnisse im Verteidigungs- und Industriebereich zu erfüllen.

Wie oben erwähnt, verfügt China zwar derzeit nicht über starke Kapazitäten im Bereich fortschrittlicher Verpackungen, entwickelt jedoch fortschrittliche Kapazitäten im Bereich Verpackungen, um den Mangel an hochmoderner Halbleiterproduktion auszugleichen

Da die Kapazität und Nachfrage nach fortschrittlichen Verpackungen wächst, wiesen Kommentare, die als Reaktion auf eine Federal Registration Notice of Investigation (NOI) eingereicht wurden, auf den Mangel an fortschrittlichen Verpackungssubstraten (basierend auf Leiterplattentechnologie) und Schwachstellen in der damit verbundenen Lieferkette in den Vereinigten Staaten hin Zustände. Der Grundmateriallieferant befindet sich in Asien. Zu den wichtigsten Substratunternehmen gehören: Ibiden (Japan), Nanya (Taiwan), Shinko (Japan), Samsung (Korea), Unimicron (Taiwan), Shennan Circuits (China), Zhuhai Yueya (China) und AKM Electronics Industrial (China).

Darüber hinaus ist die Leiterplattenfertigung nach China verlagert worden, was den Markt für Substratlieferanten attraktiver macht. IPC/US Reliable Electronics Partnership (USPAE) schätzt, dass die USA bei der Technologie zur Herstellung von Leiterplatten für Elektronikanwendungen der nächsten Generation 20 Jahre hinter Asien zurückliegen. Auf die USA entfielen einst mehr als 30 % der weltweiten Herstellung von Leiterplatten; jetzt macht es weniger als 5 % aus

(B) Große Risiken

Chinas Investitionen in fortschrittliche Verpackungen bedrohen zukünftige Märkte:

Obwohl es in China an starken Kapazitäten für fortschrittliche Verpackungen mangelt, hat die chinesische Regierung stark in fortschrittliche Verpackungen investiert. Fortschrittliche Verpackungen waren in den letzten Jahren der Technologieschwerpunkt der chinesischen Halbleiterindustrie. Der Staatsrat strebt an, dass fortschrittliche Verpackungen bis 30 etwa 2015 Prozent aller Verpackungsumsätze chinesischer Zulieferer ausmachen. Im Januar 2021 wurde der neu eingestellte Vize von SMIC eingestellt Der Vorsitzende sagte, dass chinesische Unternehmen sich auf fortschrittliche Verpackungen konzentrieren sollten, um ihre Schwäche bei der Reduzierung der Halbleiterlinienbreite zu überwinden, was ein Signal dafür sein könnte, dass SMIC aggressiv in die fortschrittliche Verpackung vordringen wird. Stephen Hiebert, Senior Director of Marketing bei SEMICONDUCTOR Packaging KLA, berichtete 2018: „... Wir sehen starke OSAT-Investitionen in China, da die Kapazität für fortschrittliche Verpackungen erhöht wird, um mit Chinas Front-End-Fabs-Projekten mitzuhalten.“

Unzureichende Kapazität an fortschrittlichen Verpackungsmaterialien:

Fortschrittliche Verpackungssubstrate basieren auf der Leiterplattentechnologie, die größtenteils in Asien und größtenteils in China hergestellt wird. Dies stellt eine Herausforderung für Unternehmen dar, die in den Vereinigten Staaten in fortschrittliche Verpackungen investieren möchten.

Der Verteidigungsbedarf allein reicht nicht aus, um fortschrittliche Verpackungstechnologie in den USA zu halten:

Eine kleine Anzahl US-amerikanischer Unternehmen bietet fortschrittliche Verpackungslösungen für Verteidigungszwecke an, und diese Unternehmen haben nur einen geringen Marktanteil. Da die Kapazitäten für fortschrittliche Verpackungen außerhalb der USA zunehmen, werden sie bald den Verteidigungsbedarf übertreffen und die Marktkräfte werden hochmoderne Kapazitäten aus Übersee anziehen. Letztlich treibt Quantität Innovation und betriebliches Lernen voran; Ohne kommerzielles Volumen werden die USA hinsichtlich Qualität, Kosten und Arbeitsaufwand nicht in der Lage sein, mit der Technologie mitzuhalten.

(3) Zusammenfassung

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die USA bei der Back-End-ATP-Kapazität auf in Asien konzentrierte ausländische Ressourcen angewiesen sind, was das Risiko einer Unterbrechung der Lieferkette in diesem Teil der Lieferkette birgt. Die Kapselung wird immer fortschrittlicher, da die Branche nach neuen Wegen sucht, um die Komplexität immer kleinerer Strukturgrößen an den fortschrittlichsten oder kleinsten Knoten, geringere Erträge und sinkende Grenzerträge auszugleichen. Während die Vereinigten Staaten und ihre Partner über fortschrittliche Verpackungsfähigkeiten verfügen, haben Chinas umfangreiche Investitionen in fortschrittliche Verpackungen das Potenzial, den Markt in Zukunft zu stören. Darüber hinaus fehlt den USA ein Ökosystem zur Entwicklung fortschrittlicher Verpackungstechnologien.

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