(Suite de la partie I : Conception de circuits intégrés ; Partie II : Fabrication de circuits intégrés)

V. ATP (Assembly, Test, andPackaging) et packaging avancé

Conclusions de base sur l'assemblage, les tests, l'emballage et l'emballage avancé :

(1) Pour le semi-conducteur back-end ATP, relativement peu technologique, les États-Unis dépendent fortement des ressources étrangères concentrées en Asie.

(2) À mesure que les puces deviennent plus complexes, les méthodes de conditionnement avancées représentent des domaines potentiels de progrès technologique significatif. Cependant, les États-Unis ne sont pas non plus un endroit rentable pour développer une industrie d’emballage avancée et solide, car ils ne disposent pas de l’écosystème de matériaux nécessaire ;

(3) En réponse, d’importants investissements chinois pourraient perturber les marchés existants.

(I) Estimations de base de l'État du pavillon concernant l'emballage et les tests de base

(A) Informations de base

Lors de la phase ATP (Assistance Testing, Certification, Transformation) de base, la puce (cœur) est assemblée pour obtenir un produit fini, qui est ensuite testé, conditionné et intégré à un dispositif électronique. Cette phase ATP peut se dérouler selon deux modalités : (1) sous-traitance par un fabricant d'équipement d'origine (OEM) et (2) sous-traitance par un fabricant d'équipement d'origine (OEM). Les fonderies sont des entreprises OSAT (assemblage et test de semi-conducteurs) spécialisées dans les tests, le conditionnement et l'assemblage, ou proposant des services d'assemblage et de sous-traitance. Sur le marché total de l'ATP, les entreprises américaines représentent 28 % du chiffre d'affaires. Bien qu'elles représentent environ 43 % du chiffre d'affaires ATP des fabricants d'équipement d'origine verticalement intégrés, les entreprises américaines ont externalisé leur production ATP vers des sites situés hors des États-Unis. Des fonderies telles que TSMC (Taïwan), UMC (Taïwan), SMIC (Chine continentale) et XMC (Chine continentale) se sont lancées dans le conditionnement afin d'élargir leur offre de services de fabrication aux clients sans usine, notamment pour le conditionnement avancé de petites puces. TSMC a lancé sa première solution d'encapsulation avancée en 2012. En 2017, on comptait plus de 100 OSATS différents sur le marché. Huit d'entre eux étaient des acteurs majeurs ; la plupart sont des PME.

Bien qu'il existe quelques sociétés OSAT américaines (notamment Amkor), les sociétés américaines ne représentent que 15 % de l'activité d'OSAT (Taïwan est en tête avec 52 %, suivi de la Chine avec 21 %), et Amkor est basé aux États-Unis mais ne dispose pas d'usine de fabrication aux États-Unis.

L'ATP de base a traditionnellement été une activité très automatisée et à faible valeur ajoutée, nécessitant une empreinte considérable et employant principalement une main-d'œuvre peu qualifiée (cette situation évolue avec l'introduction des technologies d'emballage avancées présentées ci-dessous). Ainsi, cette activité a constitué la première phase (à partir des années 1970) de l'externalisation de la production aux États-Unis, principalement vers l'Asie du Sud-Est. Aujourd'hui, la plupart des usines d'ATP sous-traitées sont situées en Chine, à Taïwan et en Asie du Sud-Est (Singapour, Malaisie, Philippines et Vietnam). SEMI et Techsearch ont recensé plus de 120 entreprises d'externalisation OSAT et 360 usines d'emballage dans le monde en 2018. Parmi ces 360 usines, plus de 100 se trouvent en Chine, une centaine à Taïwan et 43 en Asie du Sud-Est (les autres étant situées en Europe ou sur le continent américain). La production OSAT en Chine utilise la technologie d'emballage courante, mais la Chine développe actuellement des technologies d'emballage avancées.

Côté tests, les technologies des semi-conducteurs doivent être certifiées et testées avant de pouvoir être utilisées dans des plages de température (plage étendue), en résistance aux radiations et dans des environnements difficiles, pour des raisons de sécurité nationale. Cela inclut les tests d'effets de particules uniques (SEE) utilisant l'infrastructure de test de rayonnement d'ions lourds. L'infrastructure de test de rayonnement d'ions lourds existante aux États-Unis est fragile et ne peut répondre aux besoins actuels ou futurs en matière de tests SEE. Les clients sont souvent confrontés à de longs délais d'attente et à des prix de test en hausse, et sont vulnérables à un stress important, même en cas de fermeture soudaine d'une installation majeure. « Il existe moins d'une demi-douzaine de laboratoires d'accélérateurs capables de produire des faisceaux d'ions d'une variété et d'une énergie suffisantes pour répondre aux exigences des tests SEE. » Cela affecte la disponibilité des tests nécessaires aux futures missions spatiales entre les agences spatiales et l'industrie (y compris les satellites).

(B) Risques majeurs

Aujourd'hui, les États-Unis ne détiennent que 3 % de la capacité mondiale d'encapsulation de semi-conducteurs (hors capacités de test), principalement assurée par les fabricants intégrés (IDM), dont les installations de test et d'assemblage (ATP) sont souvent situées hors des États-Unis. Bien que cette étape ait historiquement constitué un maillon peu technologique de la chaîne d'approvisionnement, elle n'en demeure pas moins cruciale. La dépendance des États-Unis à l'égard de la production essentielle d'ATP en Asie du Sud-Est, à Taïwan et en Chine expose leur chaîne d'approvisionnement à des risques de perturbation.

(II) Discussion de Citibank sur la technologie avancée d'emballage

(A) Informations de base

Si l'ATP de base a traditionnellement été un composant à faible valeur ajoutée de la chaîne d'approvisionnement, les technologies de packaging sont de plus en plus avancées. Depuis des décennies, l'industrie des semi-conducteurs suit le rythme de la loi de Moore, qui prédit que le nombre de transistors sur un semi-conducteur double environ tous les deux ans. Aujourd'hui, les avantages en termes de puissance et de performances liés à la réduction de la taille des puces à chaque nouveau nœud de processus diminuent, tandis que le coût par transistor augmente. Si la réduction de la taille reste une option, face à la complexité et au coût croissants de la mise à l'échelle, l'industrie des semi-conducteurs recherche des alternatives impliquant l'assemblage de petites puces et/ou de plusieurs circuits intégrés dans un seul boîtier. C'est ce qu'on appelle l'encapsulation avancée. Le packaging avancé représente une technologie alternative et complémentaire à la réduction de la largeur de ligne, car il offre une densité de puce plus élevée au stade du packaging plutôt qu'au niveau de la puce et permet l'intégration de différentes fonctions de puce au sein d'un même boîtier. Le packaging avancé permet également une utilisation accrue de puces commerciales standard (approuvées pour la défense) pour personnaliser les solutions.

Les techniques d'encapsulation avancées comprennent l'empilement de puces (notamment pour les puces mémoire), l'intégration de puces, le fan-out, l'encapsulation au niveau de la plaquette et l'encapsulation au niveau du système (assemblage de petites puces ou de plusieurs puces dans un seul boîtier). Une approche pour les puces logiques consiste à séparer les fonctions IP standardisées en différentes puces plus petites, appelées « microprocesseurs », connectées par des interfaces standardisées sur un seul boîtier. Les petites puces fonctionnant entre elles, leur conception doit être optimisée conjointement et ne peut être réalisée isolément. La DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency), la Marine américaine et des acteurs industriels (AMD, Marvell et Intel) mènent plusieurs projets explorant cette approche. L'encapsulation avancée présente un intérêt majeur pour la sécurité nationale, car elle permet de décomposer les fonctionnalités, la sécurité, le volume et les performances environnementales afin de fournir des équipements personnalisables pour des applications spécifiques de sécurité nationale.

Les emballages avancés représentaient 42.6 % de la valeur totale des emballages de semi-conducteurs en 2019 et devraient atteindre 2025. Ils représenteront près de la moitié de l’ensemble du marché des emballages de semi-conducteurs. Cela représenterait un taux de croissance annuel composé (TCAC) de 6.1 % entre 2014 et 2025, avec des revenus liés aux emballages plus avancés doublant, passant de 20 milliards de dollars en 2014 à environ 42 milliards de dollars en 2025. Cela représente près de trois fois la croissance attendue du marché de l'emballage traditionnel. , avec un TCAC projeté de 2.2 pour cent entre 2014 et 2025.

Parmi les dix premières entreprises mondiales d'encapsulation avancée figurent deux fabricants intégrés (Intel, États-Unis, et Samsung, Corée du Sud) ; TSMC fait également partie de ce classement. Les cinq premières entreprises mondiales d'assemblage et de test de puces (OSAT) sont ASE et SPIL (Taïwan), Amkor (États-Unis), Powertech Technology (Taïwan) et JCET (Chine). On compte également deux entreprises OSAT de plus petite taille : Nepes Display (Corée du Sud) et Chipbond (Taïwan). Ces dix entreprises traitent environ les trois quarts des puces encapsulées.

Aux États-Unis, les services d'encapsulation avancée sont principalement fournis par des fabricants intégrés (IDM), tels qu'Intel, Texas Instruments et Micron. GlobalFoundries, fonderie américaine, propose également ces services. Par ailleurs, des entreprises plus petites, comme Micross, Skywater et Qorvo, offrent des services d'encapsulation avancée pour répondre à des besoins spécifiques des secteurs de la défense et de l'industrie.

Comme mentionné ci-dessus, même si la Chine ne dispose pas actuellement de solides capacités de conditionnement avancées, elle développe des capacités de conditionnement avancées pour compenser son manque de production de semi-conducteurs de pointe.

Alors que la capacité et la demande en matière d'emballages avancés augmentent, les commentaires soumis en réponse à un avis d'enquête d'enregistrement fédéral (NOI) ont souligné le manque de substrats d'emballage avancés (basés sur la technologie des circuits imprimés) et les vulnérabilités de la chaîne d'approvisionnement associée aux États-Unis. Le fournisseur de matériaux de base est situé en Asie. Les principales entreprises de substrats sont : Ibiden (Japon), Nanya (Taïwan), Shinko (Japon), Samsung (Corée), Unimicron (Taïwan), Shennan Circuits (Chine), Zhuhai Yueya (Chine) et AKM Electronics Industrial (Chine).

En outre, la fabrication de PCB s'est déplacée vers la Chine, ce qui en fait un marché plus attractif pour les fournisseurs de substrats. IPC/US Reliable Electronics Partnership (USPAE) estime que les États-Unis ont 20 ans de retard sur l'Asie en matière de technologie de fabrication de cartes de circuits imprimés pour les applications électroniques de nouvelle génération. Les États-Unis représentaient autrefois plus de 30 % de la fabrication mondiale de cartes de circuits imprimés ; maintenant, cela représente moins de 5 %

(B) Risques majeurs

Les investissements chinois dans les emballages avancés menacent les marchés futurs :

Bien que la Chine ne dispose pas d’une solide capacité d’emballage avancée, le gouvernement chinois a investi massivement dans l’emballage avancé. L'emballage avancé a été au centre de la technologie de l'industrie chinoise des semi-conducteurs ces dernières années, le Conseil d'État visant à ce que l'emballage avancé représente environ 30 pour cent de tous les revenus d'emballage des fournisseurs chinois d'ici 2015. En janvier 2021, le vice-président nouvellement embauché du SMIC Le président a déclaré que les entreprises chinoises devraient se concentrer sur l'emballage avancé pour surmonter leur faiblesse dans la réduction de la largeur des lignes de semi-conducteurs, ce qui pourrait indiquer que SMIC se lancera de manière agressive dans l'emballage avancé. Stephen Hiebert, directeur principal du marketing chez SEMICONDUCTOR Packaging KLA, a rapporté en 2018 que « ... Nous constatons de forts investissements OSAT en Chine à mesure que la capacité d'emballage avancée augmente pour correspondre aux projets de fabrication d'avant-plan de la Chine. »

Capacité insuffisante des matériaux d’emballage avancés :

Les substrats d'emballage avancés sont basés sur la technologie des circuits imprimés, qui est principalement fabriquée en Asie et principalement en Chine. Cela constitue un défi pour les entreprises qui cherchent à investir dans des emballages avancés aux États-Unis.

Les besoins de la défense ne suffisent pas à eux seuls à maintenir les technologies d'emballage avancées aux États-Unis :

Un petit nombre d'entreprises américaines fournissent des solutions d'emballage avancées pour le secteur de la défense, et leur part de marché reste faible. À mesure que les capacités d'emballage avancées se développent hors des États-Unis, elles dépasseront bientôt les besoins de la défense, et les forces du marché attireront les technologies de pointe à l'étranger. En définitive, c'est la quantité qui stimule l'innovation et l'apprentissage opérationnel ; sans volume de production commercial, les États-Unis ne pourront pas suivre le rythme des avancées technologiques en termes de qualité, de coût ou de main-d'œuvre.

(3) Résumé

En résumé, les États-Unis dépendent de ressources étrangères concentrées en Asie pour la capacité ATP back-end, ce qui crée un risque de perturbation de la chaîne d’approvisionnement dans cette partie de la chaîne d’approvisionnement. L'encapsulation devient de plus en plus avancée à mesure que l'industrie recherche de nouvelles façons de compenser la complexité des tailles de fonctionnalités de plus en plus petites au niveau des nœuds les plus avancés ou les plus petits, les rendements plus faibles et les rendements marginaux décroissants. Même si les États-Unis et leurs partenaires disposent de capacités avancées en matière d'emballage, les investissements massifs de la Chine dans ce secteur pourraient perturber le marché à l'avenir. De plus, les États-Unis ne disposent pas d’un écosystème permettant de développer des technologies d’emballage avancées.

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