美国在争夺全球芯片制造主导地位的竞争中正加速推进。2025年1月16日，美国商务部宣布，CHIPS 国家先进封装制造计划 (NAPMP) 已确定 14 亿美元的奖励资金，以加强美国在先进封装领域的领导地位，并使新技术得到验证并大规模转移到美国制造业。美国在先进封装技术上的投资反映了其对未来半导体产业发展的高度重视。
仅凭摩尔定律所表达的微型化速度已经无法进一步提升微电子技术的性能。如今，先进封装不仅仅是芯片制造的“最后一公里”，它对于提高芯片性能、降低成本、以及支持更复杂的系统集成（如AI、5G和高性能计算）至关重要。尤其是芯片的散热问题，已成为制造商亟待解决的重大挑战之一。从20世纪50年代起，封装技术就被用来缓解热量、提供保护，并确保电流流通，然而，随着芯片性能的不断提升，封装技术面临的挑战也愈加复杂。
美国在先进封装愿景提到，如果不投资先进封装，半导体投资就不会成功。那么，对于先进封装，美国看好哪些主要技术？通过初期的受益者我们可以窥得一二。
14亿美元，拨向哪里？
首先，根据 CHIPS NAPMP 的首份资助机会通知 (NOFO)，向 SK子公司Absolics Inc.、Applied Materials Inc. 和亚利桑那州立大学提供总计 3 亿美元的直接现金资助，每家分得1亿美元，用于先进基板和材料研究。这一领域的资金注入反映了美国对当前半导体封装技术瓶颈的关注。基板和材料是封装技术的核心，决定了芯片的性能、稳定性和制造的可行性。
基板
在玻璃基板领域，英特尔、AMD、三星、LG Innotek和SKC美国子公司Absolics等公司都在积极关注这一技术。玻璃基板是一种物理平台，允许多个半导体芯片无缝组装在一起，实现芯片之间的高带宽通信，高效传输电力并散发不必要的热量。
英特尔曾表示，玻璃基板将在未来十年为单封装中集成一万亿个晶体管的规模提供基础。鉴于其巨大的潜力，近期有传言称英特尔计划最早在2026年实现玻璃基板的量产。英特尔在这一领域已投入近十年时间，并在美国亚利桑那州建立了一条完整的玻璃研究生产线，投资超过10亿美元。为了完成这一生态系统，英特尔还需要与设备和材料合作伙伴紧密合作。目前，只有少数几家公司能够承担这样的投资，而英特尔似乎是唯一一家成功开发玻璃基板的企业。
利用先进基板实现的先进封装可实现AI的高性能计算、下一代无线通信和更高效的电力电子。此类基板目前尚未在美国生产，但对于建立和扩展国内先进封装能力至关重要。
美国商务部已向Absolics提供1亿美元的资助，旨在加速玻璃芯基板的国内研发（R&D）。Absolics正在佐治亚州科文顿建设一座12万平方英尺的先进小批量制造工厂，这项资助将帮助围绕该工厂建立关键的国内供应链。此外，上个月Absolics还获得了7500万美元的制造补贴，以进一步支持其研发和生产能力。
与此同时，商务部还向应用材料公司提供1亿美元资助，支持其开发和推广颠覆性的硅芯基板技术，推动下一代封装技术和3D异质集成的进步。该项目将通过关键的封装技术演示，验证其可行性，并推动其在实际应用中的落地。
扇出晶圆级处理（FOWLP）封装技术
第三个奖励对象——亚利桑那州立大学（ASU）——是美国为数不多的向学生教习先进封装的大学之一，ASU与本地的先进封装厂商Deca Technologies、NXP 等公司都在封装技术领域建立了合作。该大学培养了半导体行业急需的熟练劳动力。
此次，亚利桑那州立大学的1亿美元资助将专注于开发和验证新型的封装技术，特别是扇出晶圆级处理（FOWLP）封装。该项目以亚利桑那州立大学先进电子和光子核心设施为中心，支持 ASU 探索 300 毫米晶圆级和 600 毫米面板级制造的商业可行性的研究，这项技术目前在美国尚不具备商业能力。
根据亚利桑那州立大学的合作公司Deca Technologies创始人Tim Olson的说法，扇出型晶圆级封装非常独特，从最高层次上讲，扇出型封装的部分相当于‘胶水’。你可以将想要组装的东西粘合在一起，无论是处理器芯片、内存芯片、内存芯片组合、RF（射频）通信芯片还是电池，没任何其他封装技术可以像它一样，让你能够将这些东西以你想要的任何方向和方位横向、纵向粘合在一起。
不同类型的封装技术适用于不同的用途。
（来源：ASU）
ASU 的团队由 10 多个合作伙伴组成，由行业先驱 Deca Technologies 领导，以微电子制造的区域据点为中心，由大大小小的企业、大学和技术学院以及非营利组织组成。该团队遍布整个美国，拥有材料、设备、小芯片设计、电子设计自动化和制造领域的行业领导者。ASU 将建立一个互连代工厂，将先进封装和劳动力发展计划与半导体工厂和制造商联系起来。
封装成果转化
将新半导体技术从研究扩展到全面生产仍然是该行业面临的重大挑战。主要障碍包括缺乏 300 毫米半导体晶圆原型制造能力设施，以及缺乏对专业设施、共享基础设施、技术资源和资本的共享使用权。
因此除了基础研究，拨款的另一大重点是先进封装能力的建设。美国商务部给Natcast位于亚利桑那州坦佩的先进封装工厂11 亿美元的直接资助，用于运营 CHIPS for America NSTC 原型和 NAPMP 先进封装试点设施 (PPF) 的先进封装能力。Natcast 是一家专门为运营美国政府《CHIPS 与科学法案》设立的国家半导体技术中心 (NSTC) 而设立的非营利性实体。
此前，CHIPS 研发设施模型已于 2024 年 7 月 12 日公布，这些设施包括 NSTC 原型设计和国家先进封装制造计划先进封装试点设施（PPF）（预计2028年运营）、NSTC 行政和设计设施（预计2025年投入运营）以及 NSTC 极紫外 (EUV) 中心（2026 年投入运营）。这些设施将解决当前生态系统中的关键差距，为半导体价值链上的各种利益相关者提供无与伦比的价值，包括大学、小型企业、大型制造商和政府机构。
其中，PPF的选址计划也已于2025 年 1 月 6 日确定，它就是位于亚利桑那州坦佩的亚利桑那州立大学 (ASU) 研究园区。PPF 的原型制作能力将包括至少一种 300 毫米全流程互补金属氧化物半导体 (CMOS) 技术，作为实验的稳定基线。
据亚利桑那州立大学官网报道，亚利桑那州立大学此前正与 Deca Technologies的新合作项目——先进晶圆级封装应用与开发中心——将设在亚利桑那州立大学坦佩研究园区的MacroTechnology Works工厂。MacroTechnology Works 是亚利桑那州立大学于 2004 年收购的摩托罗拉半导体制造厂。该工厂占地超过 250,000 平方英尺，其中“洁净室”面积超过 40,000 平方英尺。
这是美国第一家拥有开放式创新平台的封装工厂，该设施将成为业界、学术界、初创企业和更广泛的半导体生态系统的研究人员聚集在一起探索、试验和合作开发下一代半导体和封装技术的首选目的地。
此举表明美国政府不仅是在推动封装技术的研发，同时也注重将研发成果尽快应用于生产，促进创新成果的快速商业化和规模化。这些直接芯片补贴将有助于建立一个自给自足、大批量、国内的先进封装行业，先进节点芯片在美国制造和封装。
30亿美元，美国投资六大先进封装领域
14亿美元是美国发力先进封装实施的第一步。早在2023年11月，美国CHIPS国家先进封装制造计划 (NAPMP) 将投资约 30 亿美元，用于开发先进封装技术的关键和相关创新。
CHIPS NAPMP锚定了六个优先研究投资领域，六个优先研究领域涵盖了先进封装的各个关键环节，从材料、基板到设备、工具，再到芯片集成和多芯片协同设计，具体如下图所示：
封装技术复杂且具有跨学科特性，要求各领域之间进行互动（来源：NIST）
材料与基板：材料和基板是先进封装技术的基础平台。新型基板的关键要求包括多层精细布线、窄通孔间距、低翘曲性、大面积以及能够集成主动和被动元件。这些基板可以基于硅、玻璃或有机材料，并且可以包括扇出晶圆级工艺。
设备、工具和工艺的进步：需要在设备和工艺上取得进展，以便在这些基板上可靠地组装芯片。CMOS设备和工艺将适应处理与不同类型基板兼容的芯片和晶圆。
电力传输和热管理：先进封装在功率密度和热散发方面具有较高要求。为实现先进封装的成功，必须解决电力传输和高效热管理的问题。这需要创新的材料和解决方案，这些方案必须与基板和组装工艺兼容。这些活动将涉及新的热材料以及采用先进基板和异质集成的新型电路拓扑。
光子学与外部连接器：低误差率的光子学和高密度、高速、低损耗的活跃连接器将是管理长距离通信所必需的，这需要新型且紧凑的解决方案。重点将放在可靠且可制造的集成连接器上，这些连接器将包括计算能力、数据预处理、安全性以及便于安装到封装体上的功能。
开发小芯片（Chiplet）生态系统：小芯片是指小型的、部分功能的半导体芯片，当它们以紧密间距组装并靠得很近时，就能形成一个高功能的子系统。将开发芯片片段发现方法，确保这些芯片片段具有高重复使用性、设计能力和仓储能力。
多芯片子系统的协同设计与自动化工具：这些工具将适应先进封装的需求，考虑到内建测试与修复、安全性、互操作性和可靠性，并且详细了解用于组装的基板和工艺，包括热和电力管理解决方案。
对于美国而言，先进封装的一个核心问题是产业链的本土化，而目前全球封装产能的大部分集中在亚洲。为进一步巩固美国在先进封装领域的技术优势，CHIPS NAPMP将通过以下方式促进国内先进封装生态系统的建设：
建立先进包装试点设施（或多个设施），加速将包装、设备和工艺开发方面的创新转化为制造业；
推动数字化工具的发展，以减少先进封装工程的时间和成本；
建立和支持行业、学术界和培训实体以及政府之间的合作伙伴关系，为先进的封装劳动力做出贡献。
结语
美国的CHIPS国家先进封装制造计划及其资金支持代表了其在半导体产业链自主可控方面的战略意图。美国在封装上的目标是，到2028年，将在美国建立一个充满活力、自给自足、盈利的高产量封装产业，生产的先进节点芯片将在美国完成封装。
然而，这一过程也面临众多挑战，包括技术复杂性、全球竞争以及产业链的整合问题。那么，美国能否实现呢？让我们拭目以待吧。
本文转载自“导体行业观察”微信公众号，作者：杜芹DQ；FOREXBNB编辑：黄晓冬。
