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美国商务部:Chiplet封装和异构集成技术事关国家安全

来源:爱集微

#美国#

#先进封装#

09-08 16:32

【8月初,美国《2022芯片与科学法案》经总统签字之后正式落地成为法律。集微网密切关注美国有关部门围绕该法案发布的一系列公告和报告,并将编译系列文章。本文为美国商务部发布的对今年年初关于先进封装制造计划RFI(调研问卷)反馈结果的总结性报告(RFI发布于今年1月份,报告成文于8月份)。】

集微网报道,根据美国国防授权法案(NDAA)第9906(d)条,国家先进封装制造计划(NAPMP)被授权在美国的生态系统中加强先进的半导体测试、装配和封装能力。

先进封装和异构集成为创新提供了一个重要的机会,并将带来更大的产量、更低的成本、更强的功能和知识产权模块的复用,以及加速设计迭代、定制和提高能源利用率。在获得支持下,美国的设备供应商和制造商将有独特的机会在这一关键领域发挥领导作用。下图显示了对该部门相关问题的受访者分布情况。

据受访者称,NAPMP应作为发展先进封装和相关研发的重要资源,以及作为加强半导体供应链弹性更大努力的一部分。发展这一领域将增强美国在全球半导体制造领域的竞争能力。一些受访者指出,鉴于美国目前对外国资源的依赖,先进封装已经成为影响国家安全的问题。

为了推动这一行业发展,受访者认为NAPMP必须加强以下领域的能力:1)异构集成;小芯片(Chiplets);3)光子学;4)半导体和封装解决方案的协同设计。NAPMP应该拥有易于使用和灵活的设施或中心,以专注于具有低容量、成本效益的原型设计能力。在材料表征、量测、模拟和仿真以及标准方面的广泛能力被认为是NAPMP需要关注的重要领域。

先进封装制造项目

按组织类型划分的受访者

图5:受访者对NAPMP相关问题调研信息汇总(RFI)

3.1 请描述对国家在半导体封装领域的长期领导地位至关重要的应用领域,并在可能的情况下确定在分布于多个中心的计划中必须密切协调工作的组别。首先,一些可减轻供应链中断影响的替代材料,例子包括但不限于:

- 模拟器件封装

- 汽车行业

- 国防和航空航天

- 能源生产、传输、转换和存储

- 严苛环境

- 高性能计算、量子计算、数据中心

- 集成光子学

- 集成电力电子

- 物联网

- 成熟工艺封装

- 医疗、健康和可穿戴设备

- MEMS和传感器电子

- 移动通信

大多数受访者指出,上述所有应用都与国家在半导体封装方面的长期成功有关,并表示集成光子学和汽车应用将有助于在未来几年内推动先进封装的发展。其中,集成光子学将实现或驱动不同领域的能力;而汽车应用是指各种形式的大量封装将在车辆中使用。

另外,受访者建议的可能分组包括用于医疗和消费产品的可穿戴设备;汽车、国防和航空航天以及严苛环境;高性能计算和集成电力电子;MEMS封装、系统级封装(SiP)、倒装芯片(Flip chip)和2.5D/3D集成。

不过,一些受访者警告称,不应把应用领域集中在一起,并建议围绕核心竞争力、具体的性能目标和共同使用的案例或条件建立中心。投资可以是在小芯片(Chiplets)等多用途的封装方面,而不是投资于特定的应用。这些中心可以基于行业驱动、细分市场或地理因素考虑。

3.2 请描述对国家在半导体封装领域的领导地位至关重要的核心研发能力,并在可能的情况下确定在分布于多个中心的计划中必须密切协调工作的组别。例子包括但不限于:

- 可减轻供应链中断影响的替代材料

- 用于封装设计的人工智能

- 封装和测试

- 新兴材料

- 异构集成、芯片堆叠及相关技术

- 高密度基板

- 计量学

- 模拟和仿真

- 用于复杂封装的电气、热力和机械的封装级设计/协同设计工具

- 印制电路板(PCB)

- 安全和保障

- 软件、固件和编程中的新概念

- 标准

- 确保复杂封装产量的测试解决方案

- 热力解决方案

- 工具

据受访者称,上面列出的所有分类,加上人工智能、机器学习以及光子学,对国家在半导体封装领域的领导地位至关重要。另外,所有答复都强调了对标准的需求以及增加劳动力的努力。

总体而言,异构集成、协同仿真、协同设计、对多重物理知识的需求以及自动化,频繁被强调为需要关注的重要领域。针对材料进步和可靠性的回复,则强调量测、工具/设备、测试、标准化、模拟和仿真、散热管理和协同设计是投资的关键领域。

此外,少数受访者也对可能的分组发表了意见,并建议将地理位置、技术相似性、竞争力和合作/协调视分组的驱动因素。

3.3 拟议的国家先进封装制造计划(NAPMP)可以以解决多种需求为导向,包括但不限于原型设计、提供试验线、增加劳动力和供应链发展。请描述该计划应关注的关键需求。

受访者认为NAPMP需要关注的关键需求是:

- 加强半导体供应链的弹性

- 支持一系列广泛的技术和应用

- 鼓励合作和信息共享

- 灵活和便捷的小批量原型开发设施

- 各级水平劳动力的拓展

3.4 对国家先进封装制造计划(NAPMP)而言,哪些属性是最重要的?例子包括但不限于:

- 领先的工具

- 表征服务

- 多所大学和多家公司之间的合作

- 发展教育和劳动力基础设施,包括建立熟练工人的途径

- 易于使用且有不同流程和工具的设施

- 聚焦于定制开发的常驻专家人员

- 国际参与

- 对发明者的知识产权保护

- 对知识产权的公开访问

- 制造后期基础设施

据受访者称,上面列出的所有例子都是NAPMP应具备的重要属性。其中,最常提到的属性是:

- 在不同的大学和公司之间进行合作

- 发展教育和劳动力基础设施,以为熟练工人建立途径。

- 易于获得各种各样的工具、能力和技术

- 表征服务、专业知识和原型开发活动

- 灵活的知识产权考虑(应该开放知识产权的使用,但也应该有处理和保护知识产权的准则。)

- 确保不同利益相关者的标准一致

- 确保路线图与优先事项相一致

3.5 哪些因素对于国家先进封装制造计划(NAPMP)建设一个成功的封装研发中心至关重要?

据受访者称,使NAPMP提供一个成功的封装研发中心的关键因素是:

- 为劳动力发展提供支持

- 确保安全和可持续的资金(包括公共和私人)

- 开发最先进的设备和设施,并制定明确的技术路线图或组合战略。

- 鼓励学术界、产业界和政府之间的合作,并促进“实验室到工厂”的努力。

- 确保研究中心位置与该地区的主导产业保持一致

- 建立明确的知识产权规则和准则

- 允许成员安装、测试或验证新设备或技术。

- 包括PDKs、最知名的方法(BKMs)、经验教训和有利的IP等在内的信息存储库应当开放且易于搜索。

- 实现从TRL 5到TRL 8/9的扩展,并与大规模生产兼容(自产或外包)。

- 开发低成本和可持续的环保制造解决方案

3.6 确定国家先进封装制造计划(NAPMP)提供的关键工艺、设备、量测能力、环境条件和培训设施,以及各组织如何访问这些设施?

据受访者称,对NAPMP提供的关键工艺、设备、量测能力、环境条件和培训设施必须能够实现先进的键合和封装技术,如异构集成;以及高性能的材料表征,包括电气、机械和热表征设备。

具体能力包括晶圆级加工(包括切片、薄膜沉积)、晶圆级封装、光学封装、光学检测、光刻、电介质和金属沉积、工艺加热、芯片堆叠、2.5D和3D集成、热管理、硅穿孔蚀刻、电镀和涂层(包括液体和干膜层)。

受访者建议使用能够达到支持先进半导体制造所需环境条件的设施,以及能够进行全面评估的环境灵活性和严苛度测试。他们还建议,这些设施应能支持大批量的装配和封装,缺陷隔离,容纳适当等级的洁净室,并能最大限度地提高材料的纯度。

所有受访者高度一致认为,设施的便利性对于计划的成功至关重要。其推荐的准入模式包括对参与公司的开放准入,基于组织形式(如大学、供应商、OEM、小公司、初创公司)的灵活准入模式,基于现有半导体代工模式的代工服务,以及通过会员资格和/或满足参与要求的准入。

3.7 国家先进封装制造计划(NAPMP)应与国家半导体技术中心(NSTC)有多大的协调性?

一些受访者表示,NSTC和NAPMP应该紧密结合,因为封装和芯片技术已经变得高度相关。这两个机构应该相互协作和互补,以避免努力和资源的重复。一些受访者建议,原型开发应该能够通过连续的工艺步骤轻松地从NSTC传递到NAPMP,同时芯片制造将被后续封装进行优化。

此外,在NSTC和NAPMP之间成功建立无缝连接,最好是通过调整技术路线图、组合战略、TRL指定、劳动力发展战略和供应链管理优先事项来实现。受访者认为,这种协调只有通过战略性的联合指导才能实现。因此,一些受访者建议,NSTC和NAPMP可以是一个单一实体,或者共享相同的董事和/或咨询委员会。

总体上,受访者表示,共同设计、共同开发和共同优化半导体和封装解决方案应成为常态。

一些受访者表示,NSTC和NAPMP的整体协调和统筹可以通过共建设施来实现,因为芯片制造和封装需要一些相同的基础设施和工艺能力。不过,其他受访者表示,芯片制造和封装都有需要独立发展的技术领域,不同的设施可以最大限度地提高创新速度,以及增加全国参与者的整体可访性。

3.8 国家先进封装制造计划(NAPMP)应如何与国家半导体研发网络(NNSRD)(由2021年NDAA第9903条授权)相连接?应该考虑哪些因素来确保这两项工作之间的有力整合? 每个计划所服务的技术储备水平是否应该有重叠的地方?

许多受访者明确地指出,NAPMP和NNSRD之间的联系应类似于NAPMP和NSTC的联系。一个共同的建议是,通过NNSRD产生的技术可以在NSTC和NAPMP内进一步开发、测试和原型化。

据受访者称,NAPMP和NNSRD之间的关系应类似于NSTC和NAPMP之间的关系。这种合作将需要在共同定义的TRL水平上有一些重叠,并在开发的每个阶段进行协调,包括战略、设计、运营,特别是在验证和转移到制造期间。

其中,协作可以通过联合开发团队(可能需要在每个组织的预算中明确分配)、互补的路线图、一致的目标和目的、数据权利的协调、IP所有权和许可以及专有信息协议来促进。

此外,NSTC/NAPMP的大学网络和NNSRD之间应该进行合作。这将有助于支持“实验室到工厂”的努力,并使投资和基础设施保持一致。

3.9 描述在半导体封装领域教育和劳动力发展的预期需求,包括再培训和提高技能。其目前需求有多充分,对未来需求的期望是什么?应如何开发劳动力培训渠道?

一些受访者认为,劳动力是建立和维持美国先进封装行业的最重要组成部分。由于缺乏强大的封装产业,能够在该行业工作的熟练工程师和科学家或额外培训的工人相对较少。

受访者表示,需要迅速采取行动,在各个层面(高中、社区学院、贸易学校、大学和研究生课程)制定培训计划,同时应采用实习、学徒和具体的工作培训计划。政府和产业界还应该研究工人可以接受再培训并从事先进封装工作的相关领域。

另一方面,受访者建议应当与现有的工程领域开发与封装相关的课程或项目(如机械工程、电气工程、计算机科学、材料科学),以及更有针对性的专业,从而满足特定的行业需求。其中,有针对性的课程可以包括先进的电子和光子封装、材料和工艺开发、人工智能、自动化和模拟/仿真。同时,应当进行战略投资来招聘和留住教员。

还有人指出,可以增加对大学研究的投资,以支持劳动力发展。一些受访者建议,研究应该由行业赞助,或者大学应该建立内部的自研能力,以支持相关的学生项目和基于实验室的课程学习。在其它层面上,受访者建议,可能有必要激励产业界和大学参与招聘活动,并为加入封装行业的个人提供税收优惠。

此外,受访者强调,目前工人的一些关键技能是异构集成和自动化,以及设备操作。而NAPMP可以作为先进封装的培训和实践经验中心。比如NAPMP或一个相关国家机构可以用来让学生接触全流式封装生产线,并为寻求提高技能或重新获得技能的现有工人提供国家核准的认证项目。(校对/武守哲)


责编: 武守哲

陈兴华

作者

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微信:1121040800 邮箱:chenxh@lunion.com.cn 浩渺无极,芯潮澎湃。

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