圖片來自網絡/侵刪

　　雖然許多人的主要關注點是增加國內生產的芯片數量，但我們不應忽視芯片封裝的基本過程，封裝可以保護芯片免受損壞，并將芯片的電路連接到外部世界。芯片封裝是一個對于供應鏈彈性以及維持未來電子技術進步都很重要的領域。

　　封裝對于芯片來說至關重要

　　集成電路 (IC) 芯片在硅晶圓上生產，單個芯片(“裸片”)會以重復的模式生產，在每個晶圓上分批次制造。一個 300 毫米晶圓(直徑約 12 英寸)是最現代晶圓廠通常使用的尺寸，可能承載數百個大型微處理器芯片或數千個微型控制器芯片。生產過程分為“生產線前端”(FEOL)階段和“生產線后端”(BEOL)。在“生產線前端“(FEOL)，通過圖案化和蝕刻工藝在硅體中創建了數十億個微型晶體管;在“生產線后端”(BEOL)，鋪設了金屬跡線網以連接所有東西。走線由稱為“通孔”的垂直段組成，它們依次連接水平布線層。如果一個芯片上有數十億個晶體管(iPhone 13的A15處理器有 150 億個)，則需要數十億根電線來連接它們。每個單獨的裸片在展開時可能總共有幾公里的布線，因此我們可以想象BEOL工藝非常復雜。在芯片的最外層(有時會使用芯片的背面和正面)，設計人員會放置一個微型焊盤，用于將芯片連接到外部世界。

　　晶圓加工完成后，每個芯片都會用測試機單獨“探測”，以確定哪些芯片的性能是好的。封裝既可以為芯片提供物理保護，也可以將電信號連接到芯片中的不同電路。芯片封裝完成后，可以被放置在手機、電腦、汽車或其他設備的電子電路板上。其中一些封裝必須針對極端環境進行設計，例如汽車的發動機艙或手機信號塔。另外一些封裝必須非常小，以便用于內部緊湊型設備。在所有情況下，封裝設計人員都必須考慮使用材料和熱膨脹等因素，以最大程度地減少芯片的開裂，減少可能會影響芯片可靠性的熱膨脹。

　　最早用于將硅芯片連接到封裝內部引線的技術是引線鍵合，這是一種低溫焊接工藝。在此過程中，非常細的導線(通常是金或鋁，也使用銀和銅)一端連接到芯片上的金屬焊盤，另一端連接到金屬框架上的端子，金屬框架上有通向外部的導線。該工藝于20世紀50年代在貝爾實驗室首創，在高溫下，微小的電線在壓力下壓入芯片墊。在20世紀50年代末，第一臺使用該工藝的機器問世，到了20世紀60年代中期，超聲波鍵合作為引線鍵合的替代技術被開發出來。

　　從歷史上看，這項工作是在東南亞進行的，因為它是屬于勞動密集型的工作。從那時起，自動化機器就已經被開發出來，并以非常高的速度進行引線鍵合。許多其他更新的封裝技術也被開發出來，包括一種叫做“倒裝芯片”的技術。在這個過程中，當芯片仍在晶圓上時，微觀金屬柱被沉積到芯片上的焊盤上，在測試后，性能良好的芯片翻轉過來，并與封裝中匹配的焊盤對齊。然后，焊料在回流過程中熔化，以熔合連接。這是在芯片內一次建立數千個連接的好方法，雖然必須仔細控制整個過程，以確保所有連接都良好。

　　最近，新技術以及推動芯片使用的新應用的出現，使封裝備受關注。系統級封裝(SiP)技術也是最重要的新技術之一，它也受到將不同類型的芯片組合在一起的需求所驅動，例如與無線電芯片放在同一封裝中的5G天線，或者將傳感器與計算芯片集成的人工智能應用程序。像臺積電(TSMC)這樣大型的半導體鑄造廠也在使用“扇出型封裝”，而英特爾INTC于2019年在其Lakefield移動處理器中引入了嵌入式多芯片互連(EMIB)和Foveros芯片堆疊技術。

　　大多數封裝是由被稱為“外包組裝和測試”(OSAT)公司的第三方合同制造商完成的，這種公司多集中在亞洲。最大的OSAT供應商包括臺灣的ASE、總部位于亞利桑那州坦佩的Amkor Technology(AMKR)、中國江蘇長江電子科技有限公司(JCET)(幾年前收購了新加坡的STATS ChipPac)和2015年被ASE收購的臺灣的Siliconware Precision Industries Co.，Ltd.(SPIL)。還有許多其他規模較小的參與者，特別是在中國，幾年前中國將OSAT確定為戰略性產業。

　　最近封裝被廣泛關注的主要原因是，最近在越南和馬來西亞爆發的新冠疫情極大地加劇了半導體芯片供應危機的惡化，當地政府強制關閉工廠，并減少人員配備數量，從而在數周內停產或減產。雖然美國政府加大投資補貼國內的半導體產業，大部分成品芯片仍將運往亞洲進行封裝，因為那里是行業發展較好、基礎設施較為完備、人才資源儲備豐富的地方。因此，英特爾在俄勒岡州的希爾斯伯勒(Hillsboro)或亞利桑那州的錢德勒(Chandler)生產微處理器芯片，但它會將成品晶圓送到馬來西亞、越南或中國成都的工廠進行測試和封裝。

　　美國能建立起芯片封裝產業嗎?

　　芯片封裝產業在美國發展面臨著巨大的挑戰，因為封裝行業的大多數從業人員在近半個世紀前就離開了美國海岸。北美在全球包裝生產中的份額僅為3%左右。這意味著，美國沒有提供制造設備、化學品(如包裝中使用的基板和其他材料)、引線框架的供應商網絡，以及最重要的經驗豐富的人才。英特爾剛剛宣布投資70億美元在馬來西亞建立一家新的封裝和測試工廠，還宣布計劃投資35億美元用于發展Foveros技術，并對新墨西哥州的Rio Rancho工廠升級。Amkor Technology最近還宣布計劃在越南河內東北部的巴寧擴大產能。

　　對美國來說，發展先進的芯片封裝很大的一個問題是該工作需要很多的生產經驗。當第一次開始生產時，封裝芯片的良率可能會很低，隨著生產經驗的增加，生產工藝也會不斷改進和完善，良率也會隨之提高。美國國內的大芯片客戶通常不愿意冒險使用新的國內供應商，因為新的供應廠商為了達到這一良率，可能需要很長時間才能經驗重組。假設封裝芯片的良率較低，供應廠商可能會丟棄好的芯片。

　　總部位于愛達荷州博伊西的美國半導體公司(American Semiconductor，Inc.)正在采取一種不同的方法。首席執行官道格·哈克勒(Doug Hackler)主張“基于可行制造的可行回流”。他的戰略是使用新技術，并將其應用于需求巨大的傳統芯片，這將使公司能夠實踐其工藝并學習。傳統芯片也便宜得多，所以產量損失并不是生死攸關的問題。

　　Hackler指出，iPhone11中85%的芯片使用的是較舊的技術，例如在40納米或更早的半導體節點上制造的技術(這是十年前的熱門技術)。事實上，目前困擾汽車行業和其他行業的許多芯片短缺都是針對這些傳統芯片的。與此同時，該公司正試圖將新技術和自動化應用于組裝步驟，采用所謂的聚合物半導體(SoP)工藝，提供超薄芯片級封裝。在該工藝中，將裝滿芯片的晶片粘合到背面聚合物上，然后放在熱轉移帶上。在使用通常的自動測試儀進行測試后，芯片在載帶上被切成小片，然后轉移到卷軸或其他格式以進行高速自動組裝。Hackler認為，這種封裝對物聯網(IoT)設備和可穿戴設備制造商具有吸引力，這兩個領域可能會消耗大量芯片，但在硅制造方面要求不高。

　　Hackler的方法吸引人的地方有兩點。首先，他們在提高產量方面得到大量實踐。第二，他們正在使用一項新技術，而進行技術轉型通常是推翻現有企業的機會。作為新進入者，他們沒有束縛于現有流程或設施的包袱。

　　美國半導體公司還有很長的路要走，發展封裝將建立自主可控的封裝技術。這個技術的進展可能會比較慢，但是也是一個較好的開始。