先进封装推动供应链新合作

半导体行业正在经历封装技术的深刻转变，这种转变依赖于多个利益相关者之间的紧密合作，以解决复杂、多面和极其复杂的问题。

这种变化的核心是异构集成、芯片粒和小芯片堆叠的融合。异构集成（Heterogeneous Integration）是一种电子封装技术，它允许将不同类型、不同功能的电子组件（如逻辑芯片、存储器、模拟电路、射频（RF）组件等）集成到一个单一的封装或系统中。这些组件可能采用不同的制造工艺、材料或技术节点制成，但可以通过异构集成技术组合在一起，以实现更高的性能、更低的成本和更优化的功能。它还允许他们针对特定领域或工作负载，利用可以组装成一个统一系统的芯片粒和预集成模块。

芯片粒使公司能够在不同的裸晶上混合和匹配不同的硅工艺。但实现这种模块化需要整个生态系统的紧密协调——从基板设计和插板开发到组装和测试。简而言之，没有任何一家公司能够管理开发周期的每个方面，无论它们有多大或多先进。

“先进封装的变体非常巨大，”Promex的CEO Dick Otte说。“我们有各种各样的基板技术可供选择，它们正在迅速发展。同样，裸晶的制作方法也有很多种，组装过程本身也变得更加多样化。所有这些变体增加了先进封装的复杂性，很明显没有一种放之四海而皆准的解决方案。行业的挑战是如何将这些不同的技术整合成一个推动创新前进的连贯过程。”

公司之间需要合作的生态系统是今年NIST先进封装峰会上的一个重要议题。峰会强调了半导体封装的复杂性日益增加，特别是在芯片粒和异构集成方面，正在创造没有任何单一实体能够独立应对的挑战。

“我们都不会单独做这件事，”半导体行业协会（SIA）的技术政策总监Erik Hadland说。“这是一个多样化和复杂的行业，我们需要每个人扩大他们对如何更好地、更智能地、更快地做这件事的思考。”

行业领袖、政府代表和学术专家都一致认为，推进封装技术将需要代工厂、集成设备制造商（IDM）、外包半导体组装和测试提供商（OSAT）、设备供应商和材料供应商之间更深层次的合作。缺乏合作不仅会减缓开发周期，还可能威胁到创新，特别是在依赖高性能封装解决方案的AI硬件、5G/6G和汽车系统等领域。

“先进封装的机会从未如此之大，但它也带来了重大挑战，”Lam Research的企业战略高级副总裁兼Lam Capital的总裁Audrey Charles说。“已经明确的是，共同努力是克服这些障碍的必要条件。”

复杂性推动合作

当今的先进封装格局以各种材料、互连方法和设计选择为特征，每个都引入了独特的挑战。行业正在超越传统的有机基板，如FR4，转向基于硅的插板，这允许更高的密度和更复杂的布线方案。特别是向硅插板和玻璃基板的转变为更紧凑的设计创造了机会，但它们也引入了与热管理、翘曲控制和平整性相关的新挑战。

“封装格局非常复杂，今天，一切都与管理众多变量有关，”Otte说。“这个难题的关键部分是基板尺寸，它为先进封装的创新奠定了基础。传统上，我们一直在电路板上使用75毫米的线条和空间，但现在我们正在显著推动这些限制。在有机基板上，我们已经进入了25毫米的领域，对于基于硅的插板，我们看到的尺寸小至5到7毫米。这种进入芯片粒插板领域——我认为这是先进封装的真正前沿——需要彻底重新思考流程和能力。”

芯片粒通过允许公司将在同一封装中开发的高性能逻辑裸晶与存储、RF和电源管理单元结合起来，承诺灵活性。这在AI、5G和数据中心等应用中尤其重要，这些应用的性能要求不断提高，但传统的单片SoC变得过于昂贵，无法制造。

“芯片粒生态系统对于任何先进封装的实施至关重要，”国家先进封装制造计划（NAPMP）的项目经理Bapiraju Vinnakota说。“通过利用芯片粒，公司可以降低成本、提高性能并加快上市时间，但只有在有一个强大的合作生态系统支持技术的情况下。”

基板材料、互连技术和封装架构的多样性使得合作变得至关重要。每个利益相关者，无论是基板制造商、代工厂、组装厂还是设备供应商，都为桌面带来了一套独特的技能和知识。这些实体之间的缺乏对齐可能导致瓶颈、延误，最终导致产品失败。

“芯片设计师、制造商和系统集成商之间的合作对于构建成功的设计生态系统至关重要，”ASE集团的高级总监Lihong Cao在最近的一次演讲中说。“先进封装为芯片粒和异构集成提供了解决方案，但需要建立生态系统。”

在数据中心等高性能应用中，对电力传输、信号完整性和热管理的需求非常高。例如，数据中心中的一个典型的AI芯片可能有数千个输入/输出（I/O）连接，每个都需要精确对齐和热控制。未能提供足够的热散可能会导致过热，这会降低性能或对设备造成永久性损坏。

“通常，先进节点的芯片更加脆弱，界面要求与旧节点不同，”ASE集团的工程副总裁Calvin Cheung说。“你需要在同一个封装中的不同技术之间平衡压力，这需要设计和封装团队之间的紧密合作。”

这对于高性能、多芯片粒封装的热问题尤其如此。“特别是AI芯片，它们散发出大量热量，对于大型模块来说，管理热量分布和控制翘曲是关键挑战，”Amkor的产品营销和业务发展高级总监Vik Chaudhry说。“我们正在定义最佳实践以帮助行业应对这些挑战，但没有一种放之四海而皆准的解决方案。”

合作障碍

合作的最大障碍之一是组织之间的有效沟通。随着设计和制造流程越来越多地跨越不同的地区、时区和语言，确保所有利益相关者保持一致是非常困难的。这个问题因为所涉及技术的复杂性而加剧，这些技术通常需要高度专业化的知识。

跨境沟通障碍，无论是语言还是文化，都可能导致误解，从而减缓开发周期并增加成本。

“我们每个人对自己的专业领域都有很深的了解，但真正的挑战来自于你试图弥合团队之间的沟通障碍时，”Promex的Otte说。“当你能让一个团队相互理解时，使用图形表示而不是文字是最有效的，特别是在国际工作中。许多人把英语作为第二语言，这使事情变得复杂。通过图像和数字进行清晰沟通有助于消除很多混乱。”

另一个阻碍先进封装规模化的重要障碍是领先技术公司的垂直整合问题。像英特尔、台积电和三星这样的主要参与者已经开发了垂直整合模型，他们控制着从芯片设计和制造到组装和最终测试的每个生产阶段。这种控制使这些公司在优化流程和定义第三方芯片粒的插座方面具有优势，但这并不是长期内最具成本效益的方法。大公司可以紧密控制其芯片之间的互连、热管理和基板设计，但使用经过良好表征的、日益标准化的现成芯片粒可以显著降低成本，就像它对标准化IP所做的那样。

与此同时，较小的公司目前获得芯片粒功能所需的兼容技术生态系统的渠道有限。财团正在尝试通过标准如UCIe来最小化特定应用的这种劣势，但在所有部分——如插板和基板的标准——就绪之前，还需要时间才能为广泛市场做好准备。

“UCIe试图标准化的是A、B和C供应商之间的互连，”Amkor的Chaudhry说。“它允许多个芯片粒连接并相互通信，即使它们来自不同的来源，这在我们从2个裸晶系统转向一个封装中有多达12个裸晶的多裸晶系统时至关重要。挑战是巨大的，全球只有少数公司有能力和资源来处理它。Amkor、台积电、英特尔和ASE是少数能够承诺必要资源和费用来组建这些生产线的公司之一。”

标准化将有助于降低成本和提高效率，同时在促进跨境合作方面发挥关键作用。采用共同标准将使世界各地的公司更容易合作开发先进封装解决方案，创造一个更开放的生态系统。随着异构集成成为封装的主要范式，这一点尤其重要，多个供应商的组件需要无缝配合。

“如果每个人都能多信任彼此一点，整个半导体行业将会更加强大，”Brewer Science的制造和物流执行董事Mike Mathews说。“当我与行业领先公司的高级领导讨论这个问题时，他们总是同意，但这就是它的极限。这就是这个行业的本质。”

试点线

垂直整合造成的障碍的一个潜在解决方案是建立试点线设施，这允许较小的公司和初创企业访问先进封装技术，而不需要在他们自己的设备上进行大量投资。这些设施允许公司在受控环境中测试新设计和流程，然后再承诺进行大规模生产。在这些设施中测试新想法的能力可以帮助民主化访问先进封装技术，使较小的公司能够与较大的垂直整合公司竞争。

“这个想法是拥有一个稳定的流程，新想法可以在这里测试，向更大规模生产的移交变得更加顺畅，”DARPA主任特别顾问Carl McCants说。“通过提供一个实验和改进的空间，试点线为纯研发和商业规模生产提供了一个中间地带。这不仅降低了开发新技术的财务风险，还加快了新解决方案的上市时间，使较小的公司更容易参与先进封装生态系统。”

试点线设施也成为开发下一代插板设计、3D堆叠技术和混合键合过程的关键资源。这些技术对于扩展基于芯片粒的架构和实现高性能计算、AI和数据中心应用所需的性能改进至关重要。

然而，试点线并不是行业面临的挑战的完整解决方案。虽然它们有助于减轻较小公司的财务负担，但标准化和生态系统对齐的更广泛问题仍然存在。要使这些设施真正释放先进封装的潜力，它们需要在全行业标准框架内运作，确保在试点线开发的技术可以无缝集成到更大的生产生态系统中。

“先进封装正在推动所有设备细分市场的扩展——不仅仅是高性能计算和逻辑，还有DRAM和HBM，”Lam的Charles说。“应对这一挑战的关键是合作——更快、更高效地一起工作。”

技术之外的合作

除了技术挑战外，半导体行业还在努力解决封装技术发展所带来的日益增长的技能差距问题。不同领域——电气、热、机械和光学——在单个封装中的融合需要拥有比以往任何时候都更广泛和更细致的技能集的工程师。这对公司来说是一个重大挑战，因为许多工程师在一个领域高度专业化，但通常缺乏先进封装的其他关键方面的专业知识。

为了满足这一日益增长的需求，公司越来越多地转向大学和学术合作来培训下一代工程师。通过创建专注于先进封装独特挑战的专业课程，这些合作伙伴关系旨在为学生提供他们在行业中取得成功所需的技能。涵盖芯片粒集成、异构封装、热管理和信号完整性等主题的课程现在已成为工程教育的基本组成部分。

“我们需要更多地关注建立能力，以解决先进封装日益增长的技能差距问题，”运营国家半导体技术中心的Natcast的CEO Deirdre Hanford说。“随着全国各地新工厂的建立，我们需要培养不仅仅是工程师，还有能够支持这些新技术的技术员，”她说。“迫切需要专业课程来培训下一代工程师在热管理、信号完整性和插板设计等领域。我们已经看到来自大学的兴趣，但我们需要迅速扩大这些努力。”

除了正规的教育项目外，在职培训和学徒制也越来越重要。随着封装技术变得更加复杂，工程师需要亲手实践使用这些解决方案所需的工具和技术。

结论

展望未来，先进封装的未来将由公司跨学科合作、共享知识和围绕共同标准对齐的能力来定义。如果没有统一的方法，行业就有分裂的风险，不同公司追求彼此不兼容的不同解决方案。这增加了成本，减缓了整体创新的步伐。

先进封装最紧迫的需求之一是开发全行业标准，确保不同供应商和系统之间的互操作性。虽然像UCIe这样的倡议在建立芯片粒互连的共同框架方面取得了显著进展，但在创建插板、裸晶间通信和热管理的通用标准方面仍有很长的路要走。

合作生态系统不仅仅是未来的一种策略。它们是先进封装持续增长和成功的关键因素。通过促进沟通、投资于劳动力发展和拥抱全行业标准，半导体生态系统可以释放先进封装技术的全部潜力。没有任何一家公司能够孤立地管理这些复杂性，这就是为什么供应链的合作现在比以往任何时候都更加关键。