(Después de la Parte I: Diseño de circuitos integrados; Parte II: Fabricación de circuitos integrados)

V. ATP (Ensamblaje, Prueba y Empaque) y empaque avanzado

Conclusiones básicas sobre montaje, pruebas, embalaje y embalaje avanzado:

(1) Para el semiconductor back-end ATP, de tecnología relativamente baja, Estados Unidos depende en gran medida de recursos extranjeros concentrados en Asia.

(2) A medida que los chips se vuelven más complejos, los métodos de envasado avanzados representan áreas potenciales para un progreso tecnológico significativo. Sin embargo, Estados Unidos tampoco es un lugar rentable para desarrollar una industria de embalaje avanzada y sólida porque carece del ecosistema de materiales necesario;

(3) En respuesta, una fuerte inversión china podría alterar los mercados existentes.

(I) Estimaciones básicas del Estado del pabellón sobre embalaje y pruebas básicas

(A) Información básica

En la etapa básica de ATP de back-end, el chip (núcleo) se ensambla en un producto terminado, que se prueba, empaqueta y ensambla en electrónica. Hay dos modos para la etapa de ATP: (1) OEM por IDM y (2) OEM. Las fundiciones son empresas OSAT (ensamblaje y prueba de semiconductores puros) que se especializan en pruebas, empaquetado, ensamblaje o ensamblaje y brindan servicios por contrato. En términos del mercado total de ATP, las empresas estadounidenses representaron el 28% de los ingresos totales; aunque las empresas estadounidenses representan aproximadamente el 43% de los ingresos de ATP de IDM integrados verticalmente, las empresas estadounidenses han subcontratado la producción de ATP a instalaciones fuera de los EE. UU. Fundiciones como TSMC (Taiwán), UMC (Taiwán), SMIC (China continental) y XMC (China continental) han entrado en el negocio del empaquetado para aumentar los servicios de fabricación que ofrecen a los clientes sin fábrica, especialmente para el empaquetado avanzado de chips pequeños. TSMC lanzó su primera solución de empaquetado avanzado en 2012. En 2017, había más de 100 empresas OSAT diferentes en el mercado. Hay ocho grandes empresas OSAT; la mayoría son empresas de tamaño pequeño a mediano.

Aunque hay algunas empresas OSAT estadounidenses (en particular Amkor), las empresas estadounidenses representan sólo el 15% del negocio de OSAT (Taiwán lidera con el 52%, seguida de China con el 21%), y Amkor tiene su sede en los EE.UU. pero no tiene una planta de fabricación. instalación en EE.UU.

Tradicionalmente, el ATP básico ha sido un negocio altamente automatizado y de bajo valor, que requiere una considerable infraestructura y emplea principalmente a trabajadores poco cualificados (esto está cambiando con la introducción de las tecnologías de envasado avanzadas que se describen a continuación). Por lo tanto, esta operación fue la primera fase (que comenzó en la década de 1970) de la externalización de la producción en Estados Unidos, principalmente al sudeste asiático. Hoy en día, la mayoría de las plantas de externalización de ATP se encuentran en China, Taiwán y el sudeste asiático (Singapur, Malasia, Filipinas y Vietnam). SEMI y Techsearch identificaron más de 120 empresas de externalización de OSAT y 360 plantas de envasado en todo el mundo en 2018. De las 360 fábricas, más de 100 están en China, alrededor de 100 en Taiwán y 43 en el sudeste asiático (las demás están en Europa o América). La producción de OSAT en China utiliza la tecnología de envasado convencional actual, pero China está desarrollando tecnología de envasado avanzada.

En cuanto a las pruebas, las tecnologías de semiconductores deben certificarse y probarse antes de poder utilizarse en rangos de temperatura (rango extendido), resistencia a la radiación y entornos hostiles por razones de seguridad nacional. Esto incluye las pruebas de efectos de partículas individuales (SEE) mediante la infraestructura de pruebas de radiación de iones pesados. La infraestructura existente para estas pruebas en Estados Unidos es frágil y no puede satisfacer las necesidades actuales ni futuras de pruebas SEE. Los clientes suelen experimentar largos tiempos de espera y un aumento en los precios de las pruebas, y son vulnerables a un estrés considerable incluso si una instalación importante cierra repentinamente. «Hay menos de media docena de laboratorios de aceleradores que pueden producir haces de iones con suficiente variedad y energía para cumplir con los requisitos de las pruebas SEE». Esto afecta la disponibilidad de pruebas para apoyar futuras misiones espaciales entre agencias espaciales y la industria (incluidos los satélites).

(B) Riesgos principales

Actualmente, Estados Unidos solo cuenta con el 3 % de la capacidad global de empaquetado de semiconductores (sin incluir la capacidad de pruebas), proporcionada principalmente por empresas IDM, que a menudo tienen instalaciones de ATP fuera de Estados Unidos. Si bien históricamente este ha sido un componente de baja tecnología en la cadena de suministro, es un paso fundamental. La dependencia de Estados Unidos de la producción esencial de ATP en el sudeste asiático, Taiwán y China expone la cadena de suministro estadounidense a posibles interrupciones.

(II) Debate de Citibank sobre tecnología de embalaje avanzada

(A) Información básica

Si bien el ATP básico ha sido tradicionalmente un componente de bajo valor de la cadena de suministro, las tecnologías de envasado son cada vez más avanzadas. Durante décadas, la industria de los semiconductores ha seguido el ritmo de la Ley de Moore, que predice que el número de transistores en un semiconductor se duplica aproximadamente cada dos años. Hoy en día, los beneficios de potencia y rendimiento de reducir el tamaño de los chips en cada nuevo nodo de proceso están disminuyendo, mientras que el costo por transistor está aumentando. Si bien la reducción de tamaño sigue siendo una opción, a medida que el escalado se vuelve más costoso y difícil, la industria de los semiconductores está buscando alternativas que impliquen ensamblar pequeños chips y/o múltiples circuitos integrados en un solo paquete. Esto se llama encapsulación avanzada. El empaquetado avanzado representa una tecnología alternativa y complementaria a la reducción del ancho de línea porque proporciona una mayor densidad de chip en la etapa de paquete en lugar de a nivel de chip y permite la integración de diferentes funciones de chip dentro de un solo paquete. El empaquetado avanzado también permite un mayor uso de chips comerciales disponibles en el mercado (aprobados por la defensa) para personalizar las soluciones.

Los tipos de empaquetado avanzado incluyen técnicas de apilamiento de chips (especialmente chips de memoria) y chips integrados, fan-out, empaquetado a nivel de oblea y empaquetado a nivel de sistema (ensamblaje de chips pequeños o múltiples chips en un solo paquete). Un enfoque para los chips lógicos consiste en separar las funciones IP estandarizadas en diferentes chips más pequeños, llamados "microchips", conectados mediante interfaces estándar en un solo paquete. Los chips pequeños funcionan con otros chips pequeños, por lo que los diseños deben optimizarse conjuntamente y no pueden diseñarse de forma aislada. La Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa (DARPA) y la Armada, así como empresas del sector (AMD, Marvell e Intel), tienen varios proyectos que exploran este enfoque. El empaquetado avanzado es valioso para la seguridad nacional, ya que desglosa la función, la seguridad, el volumen y el rendimiento ambiental para proporcionar equipos personalizables para aplicaciones únicas de seguridad nacional.

Los envases avanzados representaron el 42.6% del valor total de los envases de semiconductores en 2019 y se espera que lleguen a 2025. Representarán casi la mitad de todo el mercado de envases de semiconductores. Esto representaría una tasa de crecimiento anual compuesta (CAGR) del 6.1% entre 2014 y 2025, con ingresos por envases más avanzados que se duplicarían de 20 millones de dólares en 2014 a aproximadamente 42 millones de dólares en 2025. Esto es casi tres veces el crecimiento esperado del mercado de envases tradicionales. , con una tasa compuesta anual proyectada del 2.2 por ciento entre 2014 y 2025.

Las 10 principales empresas de empaquetado avanzado del mundo incluyen: dos empresas IDM (Intel de Estados Unidos y Samsung de Corea); TSMC también figura entre las 10 principales empresas de empaquetado avanzado del mundo. Las cinco principales empresas OSAT de empaquetado avanzado del mundo son ASE (Taiwán), SPIL (Taiwán), Amkor (EE. UU.), Powertech Technology (Taiwán) y JCET (China). Además, existen dos empresas OSAT más pequeñas: Nepes Display (Corea) y Chipbond (Taiwán). Estas 10 empresas procesan aproximadamente tres cuartas partes de los chips con empaquetado avanzado.

En Estados Unidos, el empaquetado avanzado lo proporcionan principalmente fabricantes de componentes integrados (IDM), como Intel, Texas Instruments y Micron. GlobalFoundries, una fundición estadounidense, también ofrece servicios de empaquetado avanzado. Además, empresas más pequeñas, como Micross, Skywater y Qorvo, ofrecen servicios de empaquetado avanzado para satisfacer necesidades específicas de los sectores de defensa e industrial.

Como se mencionó anteriormente, si bien China no tiene actualmente capacidades sólidas de embalaje avanzado, está desarrollando capacidades de embalaje avanzadas para compensar su falta de producción de semiconductores de vanguardia.

A medida que crece la capacidad y la demanda de embalajes avanzados, los comentarios presentados en respuesta a un Aviso de investigación de registro federal (NOI) señalaron la falta de sustratos de embalaje avanzados (basados ​​en tecnología de placas de circuito impreso) y vulnerabilidades en la cadena de suministro asociada en los Estados Unidos. Estados. El proveedor de material base se encuentra en Asia. Las principales empresas de sustratos incluyen: Ibiden (Japón), Nanya (Taiwán), Shinko (Japón), Samsung (Corea), Unimicron (Taiwán), Shennan Circuits (China), Zhuhai Yueya (China) y AKM Electronics Industrial (China).

Además, la fabricación de PCB se ha trasladado a China, lo que la convierte en un mercado más atractivo para los proveedores de sustratos. IPC/US Reliable Electronics Partnership (USPAE) estima que Estados Unidos está 20 años por detrás de Asia en tecnología de fabricación de placas de circuitos impresos para aplicaciones electrónicas de próxima generación. EE.UU. alguna vez representó más del 30% de la fabricación de placas de circuitos impresos del mundo; ahora representa menos del 5%

(B) Riesgos principales

La inversión de China en embalajes avanzados amenaza los mercados futuros:

Si bien China carece de una capacidad sólida de embalaje avanzado, el gobierno chino ha invertido mucho en embalaje avanzado. El embalaje avanzado ha sido el foco tecnológico de la industria de semiconductores de China durante los últimos años, y el Consejo de Estado apunta a que el embalaje avanzado represente alrededor del 30 por ciento de todos los ingresos por embalaje para los proveedores chinos para 2015. En enero de 2021, el vicepresidente recién contratado de SMIC El presidente dijo que las empresas chinas deberían centrarse en el embalaje avanzado para superar su debilidad en la reducción del ancho de la línea de semiconductores, lo que podría indicar que SMIC avanzará agresivamente hacia el embalaje avanzado. Stephen Hiebert, director senior de marketing de SEMICONDUCTOR Packaging KLA, informó en 2018 que "... Estamos viendo fuertes inversiones de OSAT en China a medida que aumenta la capacidad de embalaje avanzado para igualar los proyectos iniciales de fábricas de China".

Capacidad insuficiente de materiales de embalaje avanzados:

Los sustratos de embalaje avanzados se basan en tecnología de placas de circuito impreso, que se fabrica principalmente en Asia y principalmente en China. Esto plantea un desafío para las empresas que buscan invertir en envases avanzados en Estados Unidos.

Las necesidades de defensa por sí solas no son suficientes para mantener la tecnología avanzada de embalaje en los EE. UU.:

Un pequeño número de empresas estadounidenses ofrece soluciones de embalaje avanzadas para necesidades de defensa, y estas empresas tienen una cuota de mercado reducida. A medida que las capacidades de embalaje avanzado se expandan fuera de EE. UU., pronto superarán las necesidades de defensa y las fuerzas del mercado atraerán capacidades de vanguardia al extranjero. En última instancia, la cantidad impulsa la innovación y el aprendizaje operativo; sin un volumen comercial, EE. UU. no podrá mantenerse al día con la tecnología en términos de calidad, costo o mano de obra.

(3) Resumen

En resumen, Estados Unidos depende de recursos extranjeros concentrados en Asia para la capacidad de ATP de back-end, lo que crea un riesgo de interrupción de la cadena de suministro en esta parte de la cadena de suministro. La encapsulación se está volviendo más avanzada a medida que la industria busca nuevas formas de compensar la complejidad de tamaños de características cada vez más pequeños en los nodos más avanzados o más pequeños, rendimientos más bajos y rendimientos marginales decrecientes. Si bien Estados Unidos y sus socios tienen capacidades avanzadas de embalaje, la fuerte inversión de China en embalaje avanzado tiene el potencial de perturbar el mercado en el futuro. Además, Estados Unidos carece de un ecosistema para desarrollar tecnologías de embalaje avanzadas.

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