美国先进封装制造蓝图（MRHIEP）：用于高性能计算的先进封装供应链分析

上一篇翻译了美国先进封装制造蓝图的技术分析部分(美国先进封装制造蓝图（MRHIEP）：高性能计算相关的先进封装及异质集成技术)，这一篇来翻译一下美国对于全球先进封装供应链的分析，没有什么技术内容，只是看下老美是打算怎么卷这个行业的。

快速变化的地缘政治、新冠的发生以及气候变化极端天气状况的增加，使得行业对更具弹性（不仅仅是高效）的供应链的需求成为焦点。半导体行业可能拥有所有行业中最复杂和全球化的供应链网络之一。幸运的是，美国在电路设计（EDA软件）、前沿前端设备制造、制造设备以及材料和化学品等大部分价值层中都占据着重要地位或主导地位。然而，芯片封装（组装和测试）传统上一直外包给低成本地区，因此与这个价值步骤相关的供应链面临着在美国以外本地化的压力。

(这张图是2020年半导体设计和制造的份额，中国在设备、化工材料、集成设备制造商IDM占比都只有1％，EDA软件、晶圆、知识产权占比2％，Fabless(芯片设计)是14％，组装占到了21％，纯晶圆代工为11％。而台湾在组装上是52％，先进封装就更高了，晶圆代工达到了76％)

将芯片传统封装技术外包的主要推动力一直是：

（1）较低的劳动力成本；

（2）相对成熟、技术含量较低、手动、标准化的制造工艺，这些工艺受益于规模/整合；（3）靠近消费电子产品组装地，提供物流优势；

（4）国家产业政策提供各种财政激励和税收优惠。

这些推动力与半导体制造业在二十一世纪前二十年为满足移动计算和通信的巨大市场需求而进行的转型相吻合，这种转型是由笔记本电脑/平板电脑和移动电话等设备推动的，而更高带宽的无线连接技术浪潮加速了这一转型。正如在子组件路线图中的图9.3所强调的，封装技术现在正经历着多个转折点。这些转折点的出现是由于摩尔定律的放缓，以及在人工智能、自动驾驶和AR/VR等高性能计算应用中，CPU、GPU、内存和专用ASIC等各种计算功能之间需要高带宽和高能效的互连，这些功能需要紧密耦合。因此，封装技术正处于一个关键的发展阶段，需要应对多个挑战和机遇，以满足不断变化的市场需求。

封装子组件技术的这些转折点为美国确保与封装价值层相关的供应链提供了一个意外的机会，特别是对于高性能计算（HPC）、人工智能和其他技术密集型医疗设备。如果不利用这些转折点机会将美国的封装供应链本土化并确保其安全，不仅会危及美国在技术和国防能力方面的领先地位，还可能导致新兴技术（如先进封装）的研发永久外包。这对美国半导体产业来说将是一个毁灭性的损失，因为此类技术的制造基地将永久建立在海外。相反，目前高性能计算所需的这些新技术最终将应用于其他设备，如汽车、电池技术等，必须尽一切努力确保一旦先进封装在美国得到保障，其供应链能够扩大规模以满足未来所有层次和应用的需求。

9.2 背景和长期趋势

由于光刻（EUV）成本高昂、器件复杂性增加（从平面到 FinFET 再到 GAA）以及为保持器件性能和良率而进行的复杂材料工程，先进晶体管节点的成本大幅上升，芯片封装正经历着巨大的创新和变革。这扭转了几十年来将更多功能集成到同一单片芯片上的历史趋势。特别是对于高性能计算，芯片制造技术现在非常专门化和专业化（DRAM、GPU、CPU、ASIC），以至于不是通过单片集成，而是通过将“chiplets or tiles”集成到一个芯片封装中来实现集成，以保持性能。这种集成到一个封装中的方式在多个架构上有很大的创新，并且在尺寸（2D、2.5D、3D）和互连间距上进行缩放，这让人想起过去半个世纪前端器件的缩放。

当前的供应链成熟且复杂：冗长、有多个环节和接口。这是为了实现专业化、标准化和规模化以降低成本，这与过去半个世纪的模式一致，即先进节点对于多种数字电子产品来说更具成本效益。

9.3 路线图目标

1. 确定供应链创新的关键转折点和时机

a. 供应链地图更新

《芯片法案》为建设新的先进封装设施和新研发中心提供资金，这将推动新的先进封装技术和设备的开发与推出。无晶圆厂公司和集成设备制造商（IDM）的市场需求和产品创新也将呈现主要转折点。这两种产品路线图的更新对供应链更新的影响都应密切关注。

2. 确定关键供应链结构变化

a. 技术的垂直整合

一些先进封装工艺正在基于代工设备的晶圆厂生产线后端完成，其他后续工艺则在后端封装设施中进行。对这些工艺进行垂直整合将使流程更高效、更经济。

b. 高度变动和供应链重新调整的新态势

地缘政治紧张局势和各国政策正在使传统半导体供应链发生巨大变化。包括美国在内的各国都在专注于构建国内自给自足的供应链，或者至少是向友好国家/地区进行近岸外包或友岸外包。这可能会在美国催生出类似丰田模式的制造业集群，即集成设备制造商或代工厂将其关键供应商布局在自身周边。

c. 快速的开发周期

高性能和医疗设备领域的新产品正在加速创新和开发周期。人工智能，以及最近的生成式人工智能（Gen AI）推动了对高带宽内存（HBM）产品的需求。同样，诸如腕带、监测仪、眼镜等不同外形的医疗设备正在推动灵活的产品开发。这两个例子都为供应链带来了巨大的范式转变，以及产品组合（设备的排列/组合）的大幅扩展。

9.4 供应链机遇与策略

9.4.1 需求/成本的波动

9.4.1.1国内/同地设施有助于更好的规划与管控

与代工厂或集成设备制造商（IDM）位于同一地点，或者处于同一地理区域的国内外包半导体组装和测试厂（OSAT），能够更好地协调规划和执行流程。原始设备制造商（OEM）现在可以拥有一个更加一体化的月度规划周期，数据可视性更佳且盲点更少。任何意外事件，如机器故障、工厂停工等，都能近乎实时地得到处理。

此外，目前原始设备制造商对外包的远程工厂的供应链可视性有限。许多集成设备制造商和代工厂曾试图构建“权宜之计”的解决方案，以追踪诸如批次开始和批次结束等详细事件，从而近乎实时地了解生产周期情况。然而，它们并未成功，在某些情况下甚至部署了庞大的运营团队，通过电话和视频通话手动收集这些信息。它们对外包制造业务缺乏管控，这有时导致在装配线上挪用零部件来满足那些严重延误的机器的需求。集成设备制造商和代工厂急于与国内的外包半导体组装和测试厂建立紧密的运营关系。利用这一商业机会是非常明智的。

9.4.1.2 供应链弹性

在疫情后的形势下，随着地缘政治紧张局势加剧，供应链弹性已成为集成设备制造商（IDM）、代工厂以及像半导体设备制造商这类关键下游客户所面临的一个重大问题。集成电路制造商几乎无法提前知晓这些全球供应链何时会因政治、物流、自然因素或金融制裁等原因而中断。各公司正在部署复杂的解决方案来绘制全球库存流动情况以及分布在多个地区的多层级供应商网络。对于许多位于信息不透明地区的二级和三级供应商而言，例如，其财务稳定性或信息安全方面的信息无从获取。这类供应商可能会因财务或其他原因（如黑客攻击）而停业，而原始设备制造商（OEM）事先几乎毫不知情也无法掌控。

制造商们正竞相绘制其整个供应网络，获取实时物流数据并开发预测性人工智能模型以预测未来可能出现的任何中断情况。商业敏感领域或国防领域的供应链中断可能会引发重大问题。位于国内的外包半导体组装和测试厂（OSAT）能够将这些风险降至最低，美国国内的金融监测机制、信息安全工具和技术能够提供更高水平的安全性和供应链弹性。一个完全或主要由国内半导体后端供应商构成的网络将降低所有客户所面临的外部地缘政治风险以及延伸供应链中的物流脆弱性。

a.长期承诺

为应对疫情期间的芯片短缺问题，并作为应对未来供应中断的一种保障措施，汽车原始设备制造商已与代工厂和芯片制造商签订了长期、多年期合同。这为双方提供了稳定性，既向代工厂和集成设备制造商保证了长期稳定的需求，使其免受牛鞭效应影响，又能确保及时向汽车原始设备制造商交付集成电路。

b.美国本土封装业务有限

除少数例外情况，大多数美国的集成设备制造商和代工厂在美国本土并无封装产能，在很大程度上依赖于亚洲（中国和中国台湾的外包半导体组装和测试厂）。鉴于当前形势，它们似乎热衷于与美国本土的外包半导体组装和测试厂签订长期合同并助力其发展。美国本土的集成设备制造商和代工厂之间的这种长期承诺可促使产能扩张、建立长期合作伙伴关系以及双方开展技术合作。这对于半导体封装业务回流美国，尤其是先进封装业务回流，可能会起到强有力的推动作用。

c. 金融投资

i.共同投资

新的先进制造初创企业以及正在向先进封装业务拓展的传统外包半导体组装和测试厂也可寻求美国集成设备制造商和代工厂的共同投资。鉴于建立高度自动化的先进封装设施成本高昂，且短期内产能极为受限，这种共同投资尤为重要。此类长期合同将使美国的外包半导体组装和测试厂能够筹集资金并投资建设昂贵的先进封装设施，同时为集成设备制造商和代工厂提供关键的先进封装产能。

这种模式可类似于阿斯麦（ASML）的共同投资模式，英特尔、台积电和三星作为共同投资者为光刻设备供应商提供了关键的长期财务承诺。另一个例子是安谋科技（Arm Technologies），苹果和三星等主要客户计划购买安谋科技首次公开募股（IPO）的股份，为其提供长期承诺。

ii.订阅/按使用付费模式

另一种投资机制是按使用付费模式，即封装设备供应商可在外包半导体组装和测试厂场地安装高成本的自动化设备，并根据设备使用情况获得相应报酬。这笔使用费将涵盖设备供应商所承担的安装、运营和维护费用。

iii. PE/VC投资：

外包半导体组装和测试厂也可邀请私募股权或风险投资公司进行投资，就如同布鲁克菲尔德资产管理公司对Intel的投资那样。这将使专业投资者能够对一个新兴的、高科技、高风险领域进行私人投资，而这些专业投资者对这类投资非常熟悉。

d.融资途径：

新的融资机会可用于建立先进封装设施，这有助于平缓需求波动。当前的经济形势提供了以下几种融资来源。

《芯片法案》为传统和先进封装行业提供了新的融资机会，以促使相关业务回流美国并建立制造设施。根据《芯片法案》，美国政府已拨款390亿美元用于建立半导体制造和封装设施。现有企业和初创企业可通过《资助机会公告》（NOFO）向芯片项目办公室申请资助。此外，《芯片法案》中的国家先进封装制造计划（NAPMP）已拨款25亿美元用于先进封装的研发。

美国国防部也一直在与行业合作伙伴密切合作，开展先进封装方面的尖端异构集成封装（SHIP）计划——由Qorvo牵头的SHIP RF和由英特尔牵头的SHIP Digital。国防部已拨款56000万美元用于定制和两用封装技术，重点关注3D异构集成。其中，38000万美元用于开发两用技术生态系统，预计到2027年该金额还会增加。此外，通过加速创新技术采购与部署（APFIT）计划，国防部也提供额外的资助。

各州政府也在为开办封装设施和发展先进封装生态系统提供额外的激励措施和投资。主要例子有堪萨斯州向Integra Technologies提供了超过3亿美元的激励措施，使其在威奇托州立大学附近设立一家封装厂。同样，得克萨斯州已提供两轮共计超过6亿美元的资金，用于资助Texas Institute of Electronics在奥斯汀市原半导体制造技术联盟（Sematech）的旧工厂设施内发展先进封装生态系统。

目前有许多现有的和新兴的投资选择以及孵化器，它们也能帮助初创企业填补美国在商业和产品方面的空白。根据《芯片法案》，联邦政府正在设立一个投资基金，可能会有其他共同投资者，如风险资本家、私募股权基金等，该基金将有助于为初创企业的创意提供资金支持。还有一些专注于半导体的孵化器，如旧金山湾区的Silicon Catalyst，其拥有经验丰富的顾问来指导初创企业，并与代工厂建立了紧密关系，可快速制造出初始设计。此外，几家学术机构也在设立孵化器，以实现快速原型制作并催生推动产品创新以填补供应链空白的初创企业。

9.4.2 创新能力的引进

e.先进封装研究

《芯片法案》和国家先进封装制造计划（NAPMP）将在未来5年投资25亿美元用于先进封装研发。这笔资金将用于资助企业研发中心以及诸如德克萨斯大学奥斯汀分校、宾夕法尼亚州立大学、佐治亚理工学院等学术研究中心开展有源/异构集成（AP/HI）研究。这些学术研发中心也得到了无晶圆厂公司、集成设备制造商和代工厂的大力支持，它们都有积极的计划在周边发展并支持一个制造生态系统。初创企业和外包半导体组装和测试厂可以利用这一选择，结合联邦和州的地方激励措施，来发展和扩大制造基地。与研发中心的持续合作以及大型企业客户的积极支持应该能为这些公司提供强有力的技术和商业支持。

f. 劳动力发展

将外包半导体组装和测试厂的制造设施设置在靠近大学校园的地方，也能成为劳动力发展的一个关键驱动力。大学、当地社区学院的学生也可被聘用并培训为工艺工程师、技术员和生产线牛马。如果企业研发中心也设置在靠近大学校园的地方，那么这个生态系统将变得非常强大，因为外包半导体组装和测试厂的制造设施、企业研发实验室和大学校园这三者将提供广泛的研究和运营工作机会。

g. 技术合作与转移

美国的代工厂和集成设备制造商已经在内部研发出了先进封装技术，但它们在国内的自有或合作伙伴设施有限。然而，出于多种原因，它们热衷于国内合作选项，这些原因包括：国家安全、可能的专属制造设施以及当前远离中国的政治和经济动向。在这些情况下，规模较小的国内外包半导体组装和测试厂可以与美国的集成设备制造商和代工厂合作，发展紧密的技术和业务关系。

h.美国本土的电子设计自动化（EDA）及半导体设备公司

大多数半导体设备制造商在美国设计和制造其最先进的设备。随着先进封装业务向晶圆厂后端转移，光刻、蚀刻和化学机械抛光（CMP）正成为如晶圆上芯片封装（CoWoS）、混合键合等先进封装操作的关键制造工序。先进封装的大部分技术研发也在美国进行，资金主要来自《芯片法案》以及美国公司的投资。因此，为了获取并保持商业优势，先进封装设施应设在美国本土。此外，两大主要电子设计自动化供应商Synopsys和Cadence均为美国本土企业，且已经在其设计工具中纳入了先进封装功能。因此，通过建设并整合先进封装环节，端到端供应链可稳固地设在美国本土。

9.5 供应链SWOT分析

2. 优势

a. 制造与研究园区

如前文所述，私营企业一直在该领域引领研究工作，并与美国各地的学术机构建立了紧密的合作关系。其中一些合作关系正逐渐发展成制造集群，外包半导体组装和测试厂（OSAT）位于制造园区附近。这些多个集群或正在发展的卓越中心将催生大量的技术、创业以及劳动力发展成果。

b. 半导体设备及电子设计自动化（EDA）公司

几乎所有制造也用于先进封装的前端设备的半导体设备公司都设在美国。其他规模较小的后端设备制造商则位于以色列、日本和新加坡等友好国家。两大主要的EDA公司也都设在美国。因此，在美国及友好近岸国家构建一个从设计到测试的端到端供应链将会较为容易。

3. 弱点

a. 封装产能限制

一些生产高性能计算（HPC）芯片的领先代工厂报告称，其先进封装产能大幅收缩，并表示目前的已安装产能已完全耗尽。部分高性能计算产能正被挪用以满足对人工智能相关芯片的巨大需求。这些代工厂现在正在订购额外的先进封装设备以满足人工智能和高性能计算客户不断增长的需求。

b. 技术发展

先进封装所需的一些技术，如自动化、液冷技术等，仍在实验室研发阶段。此外，其他有竞争关系的国家可能已经在开展相关研究并拥有先进的解决方案。美国的学术及企业研究机构要研发出这些技术还需要一些时间。

c. 先进封装设备

先进封装设备供应商在供应这些设备方面也面临着积压订单的情况。对于晶圆厂设备供应商来说，先进封装业务在其整体工具市场中所占份额较小，因此受到的关注较少。先进设备供应商相对规模较小且分布在不同地区，因此难以应对不断增长的需求。

9.6 机遇

d. 资金

美国政府通过《芯片法案》，以及州和地方政府都在提供前所未有的资金支持。例如，得克萨斯州最近为得克萨斯电子研究所拨款6亿美元，预计联邦政府还会提供更多资金。纽约、亚利桑那等其他州也在以各种形式提供资金。

e. 近岸外包与友岸外包

先进封装为将这些设施设置在近岸地区（如墨西哥、哥斯达黎加或波多黎各，这些地区都已经拥有电子或半导体制造基地）提供了绝佳机会。鉴于先进封装的自动化仍在发展之中，这将为美国半导体公司提供经过培训的人才以及较低的劳动力成本基础。同样，此类业务也可在新加坡、马来西亚等友好国家推广，从而在友好、安全的环境中构建一个端到端的半导体供应链。

9.7 威胁

f. 劳动力

如前文所述，受过培训的高级牛马短缺，尤其是在先进封装领域，是一个巨大的挑战。大学、社区学院、企业以及州就业发展部门都在共同努力应对这一挑战。然而，要培训出像工艺工程师这样技术先进的人员仍需要几年时间。这种牛马短缺情况对于美国发展和扩大先进封装业务来说可能是一个巨大的挑战。

g. 竞争

世界其他地区的企业，如中国的企业，一直在先进封装领域开展大量研究，并已建立制造设施以满足该领域的需求。许多美国和西方企业在中国仍有强大的制造业务和业务关系，并在中国市场进行销售。它们可能会发现与中国企业合作建立和扩大其先进封装设施更为容易。

9.8 结论

总之，先进封装为美国半导体产业提供了一个千载难逢的机会，使其能够重新获得因其他地区劳动力成本优势而失去的优势。在企业和政府支持的助力下，该产业能够开发出先进的、高度自动化的技术，并将其设置在美国集成设备制造商（IDM）和代工厂附近的地理位置。这也将为用于安全、技术敏感应用的封装设备提供高度的安全性。此外，这将为未来的任何产品开发形成一道巨大的技术护城河。其他益处还包括消除“牛鞭效应”并为半导体供应链带来高度的透明度。因此，我们应该着手在美国或友好国家发展一个强大的先进封装网络，并构建一个基本不受地缘政治和物流问题影响的端到端半导体供应链。