(Segue Parte I: Progettazione di circuiti integrati; Parte II: Produzione di circuiti integrati)

V. ATP (Assembly, Test e Packaging) e packaging avanzato

Conclusioni di base su assemblaggio, test, imballaggio e imballaggio avanzato:

(1) Per l’ATP di semiconduttori back-end, a tecnologia relativamente bassa, gli Stati Uniti fanno molto affidamento su risorse estere concentrate in Asia.

(2) Man mano che i chip diventano più complessi, i metodi di imballaggio avanzati rappresentano potenziali aree di progresso tecnologico significativo. Tuttavia, gli Stati Uniti non sono nemmeno un luogo economicamente vantaggioso per sviluppare un’industria dell’imballaggio forte e avanzata perché manca l’ecosistema dei materiali necessari;

(3) In risposta, i massicci investimenti cinesi potrebbero perturbare i mercati esistenti.

(I) Stime di base dello Stato di bandiera relative all'imballaggio e ai test di base

(A) Informazioni di base

Nella fase ATP di base del back-end, il chip (core) viene assemblato in un prodotto finito, che viene testato, confezionato e assemblato in componenti elettronici. Esistono due modalità per la fase ATP: (1) OEM da IDM e (2) OEM. Le fonderie sono aziende OSAT (pure semiconductor Assembly and Testing) specializzate in test, confezionamento, assemblaggio o assemblaggio e forniscono servizi a contratto. In termini di mercato ATP totale, le aziende statunitensi hanno rappresentato il 28% del fatturato totale; sebbene le aziende statunitensi rappresentino circa il 43% dei ricavi ATP di IDM verticalmente integrato, le aziende statunitensi hanno esternalizzato la produzione ATP a stabilimenti al di fuori degli Stati Uniti. Fonderie come TSMC (Taiwan), UMC (Taiwan), SMIC (Cina continentale) e XMC (Cina continentale) sono entrate nel settore del confezionamento per aumentare i servizi di produzione che offrono ai clienti fabless, in particolare per il confezionamento avanzato di chip di piccole dimensioni. TSMC ha lanciato la sua prima soluzione di packaging avanzata nel 2012. Nel 2017, sul mercato erano presenti oltre 100 diversi OSATS. Otto di questi sono i principali fornitori di OSATS; la maggior parte sono aziende di piccole e medie dimensioni.

Sebbene vi siano alcune aziende statunitensi OSAT (in particolare Amkor), le aziende statunitensi rappresentano solo il 15% del business di OSAT (Taiwan è in testa con il 52%, seguita dalla Cina con il 21%) e Amkor ha sede negli Stati Uniti ma non ha uno stabilimento di produzione lì.

La produzione di ATP di base è stata tradizionalmente un'attività altamente automatizzata e a basso valore aggiunto, che richiedeva un notevole ingombro e impiegava principalmente lavoratori poco qualificati (questa situazione sta cambiando con l'introduzione delle tecnologie di confezionamento avanzate di cui si parlerà più avanti). Pertanto, questa operazione ha rappresentato la prima fase (iniziata negli anni '1970) dell'esternalizzazione della produzione negli Stati Uniti, principalmente verso il sud-est asiatico. Oggi, la maggior parte degli impianti di outsourcing ATP si trova in Cina, Taiwan e nel sud-est asiatico (Singapore, Malesia, Filippine e Vietnam). Nel 2018, SEMI e Techsearch hanno identificato oltre 120 aziende di outsourcing OSAT e 360 ​​impianti di confezionamento in tutto il mondo. Dei 360 stabilimenti, più di 100 si trovano in Cina, circa 100 a Taiwan e 43 nel sud-est asiatico (gli altri sono in Europa o nelle Americhe). La produzione OSAT in Cina utilizza le attuali tecnologie di confezionamento più diffuse, ma la Cina sta sviluppando tecnologie di confezionamento avanzate.

Per quanto riguarda i test, le tecnologie dei semiconduttori devono essere certificate e testate prima di poter essere utilizzate in intervalli di temperatura (intervallo esteso), resistenza alle radiazioni e ambienti difficili per motivi di sicurezza nazionale. Ciò include i test degli effetti di singole particelle (SEE) utilizzando l'infrastruttura di test delle radiazioni di ioni pesanti. L'infrastruttura di test delle radiazioni di ioni pesanti esistente negli Stati Uniti è fragile e non può soddisfare le attuali o future esigenze di test SEE. I clienti spesso sperimentano lunghi tempi di attesa e prezzi dei test in aumento e sono vulnerabili a stress significativo anche se una struttura importante chiude improvvisamente. "Ci sono meno di una mezza dozzina di LABS acceleratori in grado di produrre fasci di ioni di sufficiente varietà di ioni ed energia per soddisfare i requisiti dei test SEE". Ciò influisce sulla disponibilità di test per supportare future missioni spaziali tra agenzie spaziali e industria (inclusi i satelliti).

(B) Grandi rischi

Oggi, gli Stati Uniti detengono solo il 3% della capacità globale di confezionamento dei semiconduttori (esclusa la capacità di collaudo), fornita principalmente da aziende IDM, che spesso dispongono di impianti ATP al di fuori degli Stati Uniti. Sebbene storicamente si tratti di una componente a bassa tecnologia della catena di approvvigionamento, rappresenta un passaggio cruciale. La dipendenza degli Stati Uniti dalla produzione essenziale di ATP nel Sud-est asiatico, a Taiwan e in Cina espone la catena di approvvigionamento statunitense al rischio di interruzioni.

(II) Discussione di Citibank sulla tecnologia di imballaggio avanzata

(A) Informazioni di base

Sebbene l'ATP di base sia tradizionalmente un componente a basso valore della catena di fornitura, le tecnologie di packaging stanno diventando sempre più avanzate. Per decenni, l'industria dei semiconduttori ha tenuto il passo con la Legge di Moore, che prevede che il numero di transistor su un semiconduttore raddoppi all'incirca ogni due anni. Oggi, i vantaggi in termini di potenza e prestazioni derivanti dalla riduzione delle dimensioni dei chip in ogni nuovo nodo di processo stanno diminuendo, mentre il costo per transistor sta aumentando. Sebbene il downsizing sia ancora un'opzione, poiché la scalabilità diventa più costosa e difficile, l'industria dei semiconduttori è alla ricerca di alternative che comportino l'assemblaggio di piccoli chip e/o più circuiti integrati in un unico package. Questa soluzione è chiamata incapsulamento avanzato. Il packaging avanzato rappresenta una tecnologia alternativa e complementare alla riduzione della larghezza di linea perché fornisce una maggiore densità di chip a livello di package piuttosto che a livello di chip e consente l'integrazione di diverse funzioni del chip all'interno di un unico package. Il packaging avanzato consente inoltre un maggiore utilizzo di chip commerciali (approvati per la difesa) per personalizzare le soluzioni.

Le tipologie di packaging avanzato includono tecniche di impilamento dei chip (in particolare per i chip di memoria) e chip integrati, fan-out, packaging a livello di wafer e packaging a livello di sistema (assemblaggio di piccoli chip o di più chip in un unico package). Un approccio ai chip logici consiste nel separare le funzioni IP standardizzate in chip diversi e più piccoli, chiamati "microchip", collegati tramite interfacce standard su un unico package. I piccoli chip interagiscono tra loro, pertanto i progetti devono essere ottimizzati congiuntamente e non possono essere progettati in modo isolato. La Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) e la Marina Militare, così come aziende del settore (AMD, Marvell e Intel), hanno avviato diversi progetti che esplorano questo approccio. Il packaging avanzato riveste un'importanza fondamentale per la sicurezza nazionale, in quanto permette di scomporre funzionalità, sicurezza, volume e prestazioni ambientali per fornire apparecchiature personalizzabili per applicazioni specifiche di sicurezza nazionale.

Gli imballaggi avanzati hanno rappresentato il 42.6% del valore totale degli imballaggi per semiconduttori nel 2019 e si prevede che raggiungeranno il 2025. Rappresenteranno quasi la metà dell'intero mercato degli imballaggi per semiconduttori. Ciò rappresenterebbe un tasso di crescita annuale composto (CAGR) del 6.1% tra il 2014 e il 2025, con ricavi legati agli imballaggi più avanzati che raddoppierebbero da 20 miliardi di dollari nel 2014 a circa 42 miliardi di dollari nel 2025. Si tratta di quasi tre volte la crescita prevista del mercato dell’imballaggio tradizionale. , con un CAGR previsto del 2.2% tra il 2014 e il 2025.

Tra le prime 10 aziende al mondo nel settore del packaging avanzato figurano: due aziende IDM (Intel degli Stati Uniti e Samsung Corea); anche TSMC è tra le prime 10 aziende al mondo nel settore del packaging avanzato. Le prime cinque aziende al mondo nel settore OSAT (Out-of-Security Technology) includono ASE (Taiwan), SPIL (Taiwan), Amkor (USA), Powertech Technology (Taiwan) e JCET (Cina). A queste si aggiungono due aziende OSAT di dimensioni minori, Nepes Display (Corea) e Chipbond (Taiwan). Le prime 10 aziende gestiscono circa tre quarti dei chip con packaging avanzato.

Negli Stati Uniti, il packaging avanzato è fornito principalmente da aziende IDM (Integrated Design Manufacturing), tra cui Intel, Texas Instruments e Micron. GlobalFoundries è una fonderia con sede negli Stati Uniti che offre anch'essa servizi di packaging avanzato. Inoltre, aziende più piccole, come Micross, Skywater e Qorvo, offrono servizi di packaging avanzato per soddisfare esigenze di nicchia nei settori della difesa e dell'industria.

Come accennato in precedenza, anche se la Cina attualmente non dispone di forti capacità di confezionamento avanzate, sta sviluppando capacità di confezionamento avanzate per compensare la mancanza di una produzione di semiconduttori all’avanguardia.

Con la crescita della capacità e della domanda di imballaggi avanzati, i commenti inviati in risposta a un avviso di indagine della Federal Registration Notice of Investigation (NOI) hanno evidenziato la mancanza di substrati per imballaggi avanzati (basati sulla tecnologia dei circuiti stampati) e le vulnerabilità nella relativa catena di fornitura negli Stati Uniti. Il fornitore del materiale di base ha sede in Asia. Tra le principali aziende produttrici di substrati figurano: Ibiden (Giappone), Nanya (Taiwan), Shinko (Giappone), Samsung (Corea), Unimicron (Taiwan), Shennan Circuits (Cina), Zhuhai Yueya (Cina) e AKM Electronics Industrial (Cina).

Inoltre, la produzione di PCB si è spostata in Cina, rendendolo un mercato più attraente per i fornitori di substrati. IPC/US Reliable Electronics Partnership (USPAE) stima che gli Stati Uniti siano 20 anni indietro rispetto all'Asia nella tecnologia di produzione di circuiti stampati per applicazioni elettroniche di prossima generazione. Gli Stati Uniti una volta rappresentavano oltre il 30% della produzione mondiale di circuiti stampati; ora rappresenta meno del 5%

(B) Grandi rischi

Gli investimenti della Cina negli imballaggi avanzati minacciano i mercati futuri:

Sebbene la Cina non disponga di una forte capacità di imballaggio avanzata, il governo cinese ha investito molto negli imballaggi avanzati. Gli imballaggi avanzati sono stati il ​​focus tecnologico dell'industria cinese dei semiconduttori negli ultimi anni, con l'obiettivo del Consiglio di Stato di far sì che gli imballaggi avanzati rappresentino circa il 30% di tutti i ricavi derivanti dagli imballaggi per i fornitori cinesi entro il 2015. Nel gennaio 2021, il vice vice di SMIC recentemente assunto Il presidente ha affermato che le aziende cinesi dovrebbero concentrarsi sugli imballaggi avanzati per superare la loro debolezza nel ridurre la larghezza delle linee di semiconduttori, il che potrebbe segnalare che SMIC si muoverà in modo aggressivo verso gli imballaggi avanzati. Stephen Hiebert, direttore senior del marketing presso SEMICONDUCTOR Packaging KLA, ha riferito nel 2018 che "... Stiamo assistendo a forti investimenti OSAT in Cina man mano che la capacità di imballaggio avanzata aumenta per adattarsi ai progetti di fab front-end della Cina".

Capacità insufficiente dei materiali di imballaggio avanzati:

I substrati di imballaggio avanzati si basano sulla tecnologia dei circuiti stampati, che viene prodotta principalmente in Asia e soprattutto in Cina. Ciò rappresenta una sfida per le aziende che cercano di investire in imballaggi avanzati negli Stati Uniti.

Le sole esigenze della difesa non bastano a mantenere negli Stati Uniti le tecnologie di imballaggio più avanzate:

Un numero limitato di aziende statunitensi fornisce soluzioni di imballaggio avanzate per le esigenze della difesa, e queste aziende detengono solo una piccola quota di mercato. Con la crescita delle capacità di imballaggio avanzato al di fuori degli Stati Uniti, queste supereranno presto il numero di quelle destinate alla difesa e le forze di mercato attireranno competenze all'avanguardia dall'estero. In definitiva, la quantità è il motore dell'innovazione e dell'apprendimento operativo; senza volumi commerciali, gli Stati Uniti non saranno in grado di tenere il passo con la tecnologia in termini di qualità, costi e manodopera.

(3) Riepilogo

In sintesi, gli Stati Uniti fanno affidamento su risorse estere concentrate in Asia per la capacità ATP back-end, il che crea un rischio di interruzione della catena di approvvigionamento in questa parte della catena di approvvigionamento. L’incapsulamento sta diventando sempre più avanzato poiché il settore cerca nuovi modi per compensare la complessità delle dimensioni sempre più piccole delle funzionalità nei nodi più avanzati o più piccoli, i rendimenti inferiori e i rendimenti marginali decrescenti. Sebbene gli Stati Uniti e i suoi partner dispongano di capacità di imballaggio avanzate, i massicci investimenti della Cina nell’imballaggio avanzato hanno il potenziale per sconvolgere il mercato in futuro. Inoltre, gli Stati Uniti non dispongono di un ecosistema per sviluppare tecnologie di imballaggio avanzate.

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