本文由半导体产业纵横编译自福布斯
2021年，半导体短缺导致许多人关注半导体供应链的弹性，美国也呼吁发展国内的芯片制造产业。2021年6月参议院通过的美国创新与竞争法案(USICA)提议提供520亿美元以援助美国国内半导体生产，此法案正在等待众议院通过。
虽然许多人的主要关注点是增加国内生产的芯片的数量，但我们不应忽视芯片封装这些芯片生产的基本过程，封装可以保护芯片免受损坏，将芯片的电路连接到外面的世界。这是一个对于供应链弹性以及维持未来电子技术进步都很重要的领域。
封装对于芯片来说至关重要
芯片在硅晶圆上生产，一个300毫米晶圆（直径约12英寸）是最现代晶圆厂通常使用的尺寸，可能承载数百个大型微处理器芯片或数千个微型控制器芯片。生产过程分为“生产线前端”（FEOL）阶段，和“线路后端”（BEOL）。在“生产线前端”（FEOL）阶段期间，通过图案化和蚀刻工艺创建了数十亿个微型晶体管，在“线路后端”（BEOL），铺设了金属迹线网以连接所有东西。走线由称为“通孔”的垂直段组成，它们依次连接水平布线层。如果一个芯片上有数十亿个晶体管（iPhone13的A15处理器有150亿个），则需要数十亿根电线来连接它们。每个单独的裸片在展开时可能总共有几公里的布线，因此我们可以想象BEOL工艺非常复杂。
封装既可以为芯片提供物理保护，也可以将电信号连接到芯片中的不同电路。封装芯片后，它可以放置在手机、计算机、汽车或其他设备的电子电路板上。其中一些封装必须针对极端环境进行设计，例如汽车的发动机舱。在所有情况下，封装设计人员必须考虑使用材料和热膨胀等因素，以最大程度地减少芯片的开裂，减少可能会影响芯片可靠性的热膨胀。
用于将芯片连接到封装内引线的最早技术是引线键合，这是一种低温焊接工艺。该工艺在1950年代由贝尔实验室开创，在高温下将细线压入芯片焊盘。1950年代后期，第一台可以做到这一点的机器问世，到1960年代中期，超声波键合作为一种引线键合的替代技术被开发出来。
来源：彭博社
之前，这项工作是在东南亚完成的，它属于劳动密集型的工作。从那时起，业内就已经开发出自动化机器，可以以非常高的速度进行引线键合。还开发了许多其他更新的封装技术，包括一种称为“倒装芯片”的技术。在这个过程中，微观金属柱被沉积到芯片上的焊盘上，而它仍然在晶圆上，测试后将性能良好的芯片翻转并与封装中匹配的焊盘对齐。然后焊料在回流过程中熔化以熔合连接。这是在芯片内一次性建立数千个连接的好方法，虽然必须仔细控制这个过程的可靠性以确保所有连接都良好。
最近，新技术及推动芯片使用的新应用的出现使封装备受关注。系统级封装(SiP)也是最重要的新技术之一，它也受到将不同类型芯片组合到一起的需求的驱动。例如与无线电芯片在同一封装中的5G天线，或将传感器与计算芯片集成的人工智能应用程序。像台积电这样的大型半导体代工厂也在使用扇出型封装，而英特尔 2019年，其Lakefield移动处理器中引入了嵌入式多芯片互连(EMIB)和Foveros芯片堆叠技术。
大多数封装由被称为“外包组装和测试”（OSAT）公司的第三方制造商完成，这种公司多集中在亚洲。最大的OSAT供应商是台湾的ASE、AmkorTechnology 。
最近封装被广泛关注的一个原因是越南和马来西亚爆发的Covid-19疫情极大地加剧了半导体芯片供应危机的恶化，当地政府强制关闭工厂或减少人员配备，封装厂在数周内停产或减产。
虽然美国政府投资补贴以促进国内半导体制造业的发展，但是大部分芯片仍将被送往亚洲进行封装，因为那里是封装行业发展较好、基础设备相对完备、人力资源及相关人才密集的地方。因此，英特尔在俄勒冈州或亚利桑那州生产微处理器芯片，但它会将成品晶圆送到马来西亚、越南的工厂进行测试和封装。
芯片封装能在美国建立吗？
芯片封装在美国的发展面临着重大挑战，因为封装行业的大多数的从业人员在近半个世纪前就离开了美国海岸。北美在全球封装生产中的份额仅为3%左右。最重要的是，美国没有为大批量封装业务提供有足够经验的人才。
英特尔刚刚宣布投资70亿美元在马来西亚新建一家封装和测试工厂，不过它还宣布计划投资35亿美元用于其在新墨西哥州Rio Rancho的业务，以用于其Foveros技术。
对于美国来说，发展先进的封装很大的一个问题是该工作需要很多生产经验，当第一次开始生产时，封装芯片的良率可能会很低，随着生产的经验变多，才会不断改进工艺，良率也会随之提高。美国国内的大客户通常不愿意冒险，使用可能需要很长时间才能经验重组并且完备的新的国内供应商。如果您的封装良率较低，您将丢弃本来很好的芯片。
但是，美国国内也有很多公司做出了自己的努力。
总部位于爱达荷州博伊西的美国半导体公司正在采取不同的方法。首席执行官Doug Hackler赞成“基于可行制造的可行回流”。他的策略不是只追逐用于高级微处理器或5G芯片的高端芯片封装，而是使用新技术并将其应用于有大量需求的传统芯片，这将使公司能够实践其工艺和学习。传统芯片也便宜得多，因此产量损失并不是生死攸关的问题。
Hackler指出，iPhone11中85%的芯片使用较旧的技术，例如在40nm或更早的半导体节点上制造（这是十年前的热门技术）。事实上，目前困扰汽车行业和其他行业的许多芯片短缺都与这些传统芯片有关。同时，该公司正尝试将新技术和自动化应用于组装步骤，使用所谓的聚合物半导体(SoP)工艺提供超薄芯片级封装，在该工艺中，将充满芯片的晶片粘合到背面聚合物上，然后放置在热转印胶带上。在使用通常的自动测试仪进行测试后，芯片在载带上被切割，然后转移到卷轴或其他格式以进行高速自动化组装。Hackler认为这种封装应该对物联网(IoT)设备和可穿戴设备制造商具有吸引力，这两个部分可能会消耗大量芯片，但对硅制造方面的要求不高。使用所谓的聚合物上半导体(SoP)工艺提供超薄芯片级封装，在该工艺中，将充满芯片的晶片粘合到背面聚合物上，然后放置在热转印胶带上。在使用通常的自动测试仪进行测试后，芯片在载带上被切割，然后转移到卷轴或其他格式以进行高速自动化组装。
Hackler的方法吸引人的地方有两点。首先，他们可以在提高产量方面得到大量实践。其次，他们正在使用一项新技术，而进行技术转型通常是推翻现有企业的机会。作为新进入者，他们没有束缚于现有流程或设施的包袱。
美国半导体还有很长的路要走，发展封装将建立国内自主可控的封装技术，这个技术的进展可能会比较慢，但是也是一个较好的开始。
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