美國在爭奪全球芯片製造主導地位的競爭中正加速推進。2025年1月16日，美國商務部宣布，CHIPS 國家先進封裝製造計劃 (NAPMP) 已確定 14 億美元的獎勵資金，以加強美國在先進封裝領域的領導地位，並使新技術得到驗證並大規模轉移到美國製造業。美國在先進封裝技術上的投資反映了其對未來半導體產業發展的高度重視。
僅憑摩爾定律所表達的微型化速度已經無法進一步提升微電子技術的性能。如今，先進封裝不僅僅是芯片製造的“最後一公里”，它對於提高芯片性能、降低成本、以及支持更複雜的系統集成（如AI、5G和高性能計算）至關重要。尤其是晶片的散熱問題，已成為製造商亟待解決的重大挑戰之一。從20世紀50年代起，封裝技術就被用來緩解熱量、提供保護，並確保電流流通，然而，隨著晶片性能的不斷提升，封裝技術面臨的挑戰越來越複雜。
美國在先進封裝願景提到，如果不投資先進封裝，半導體投資就不會成功。那麼，對於先進封裝，美國看好哪些主要技術？通過初期的受益者我們可以窺得一二。
14億美元，撥向哪裡？
首先，根據 CHIPS NAPMP 的首份資助機會通知 (NOFO)，向 SK子公司Absolics Inc.、Applied Materials Inc. 和亞利桑那州立大學提供總計 3 億美元的直接現金資助，每家分得1億美元，用於先進基板和材料研究。這一領域的資金注入反映了美國對當前半導體封裝技術瓶頸的關注。基板和材料是封裝技術的核心，決定了晶片的性能、穩定性和製造的可行性。
基板
在玻璃基板領域，英特爾、AMD、三星、LG Innotek和SKC美國子公司Absolics等公司都在積極關注這項技術。玻璃基板是一種物理平台，允許多個半導體晶片無縫組裝在一起，實現晶片之間的高頻寬通信，高效傳輸電力並散發不必要的熱量。
英特爾曾表示，玻璃基板將在未來十年為單封裝中整合一兆個電晶體的規模提供基礎。鑑於其巨大的潛力，近期有傳言稱英特爾計劃最早在2026年實現玻璃基板的量產。英特爾在這一領域已投入近十年時間，並在美國亞利桑那州建立了一條完整的玻璃研究生產線，投資超過10億美元。為了完成這一生態系統，英特爾還需要與設備和材料合作夥伴緊密合作。目前，只有少數幾家公司能夠承擔這樣的投資，而英特爾似乎是唯一成功開發玻璃基板的企業。
利用先進基板實現的先進封裝可實現AI的高性能計算、下一代無線通信和更高效的電力電子。此類基板目前尚未在美國生產，但對於建立和擴展國內先進封裝能力至關重要。
美國商務部已向Absolics提供1億美元的資助，旨在加速玻璃芯基板的國內研發（R&D）。Absolics正在佐治亞州科文頓建設一座12萬平方英尺的先進小批量製造工廠，這項資助將幫助圍繞該工廠建立關鍵的國內供應鏈。此外，上個月Absolics還獲得了7500萬美元的製造補貼，以進一步支持其研發與生產能力。
同時，商務部還向應用材料公司提供1億美元資助，支持其開發和推廣顛覆性的矽芯基板技術，推動下一代封裝技術和3D異質集成的進步。該項目將通過關鍵的封裝技術演示，驗證其可行性，並推動其在實際應用中的落地。
扇出晶圓級處理（FOWLP）封裝技術
第三個獎勵對象——亞利桑那州立大學（ASU）——是美國為數不多的向學生教習先進封裝的大學之一，ASU與本地的先進封裝廠商Deca Technologies、NXP 等公司都在封裝技術領域建立了合作。該大學培養了半導體行業急需的熟練勞動力。
此次，亞利桑那州立大學的1億美元資助將專注於開發和驗證新型的封裝技術，特別是扇出晶圓級處理（FOWLP）封裝。該項目以亞利桑那州立大學先進電子和光子核心設施為中心，支援 ASU 探索 300 毫米晶圓級和 600 毫米麵板級製造的商業可行性的研究，這項技術目前在美國尚不具備商業能力。
根據亞利桑那州立大學的合作公司Deca Technologies創辦人Tim Olson的說法，扇出型晶圓級封裝非常獨特，從最高層次上講，扇出型封裝的部分相當於‘膠水’。你可以將想要組裝的東西粘合在一起，無論是處理器晶片、內存芯片、內存芯片组合、RF（射頻）通信芯片還是電池，沒任何其他封裝技術可以像它一樣，讓你能夠將這些東西以你想要的任何方向和方位橫向、縱向粘合在一起。
不同類型的封裝技術適用於不同的用途。
（來源：ASU）
ASU 的團隊由 10 多個合作夥伴組成，由行業先驅 Deca Technologies 領導，以微電子製造的區域據點為中心，由大大小小的企業、大學和技術學院以及非營利組織組成。該團隊遍布整個美國，擁有材料、裝置、小芯片設計、电子设计自动化和制造领域的行业領導者。ASU 將建立一個互連代工廠，將先進封裝和勞動力發展計劃與半導體工廠和製造商聯繫起來。
封裝成果轉化
將新半導體技術從研究擴展到全面生產仍然是該行業面臨的重大挑戰。主要障礙包括缺乏 300 毫米半導體晶圓原型製造能力設施，以及缺乏對專業設施、共享基礎設施、技術資源和資本的共享使用權。
因此除了基礎研究，撥款的另一大重點是先進封裝能力的建設。美國商務部給Natcast位於亞利桑那州坦佩的先進封裝工廠11 億美元的直接資助，用於運營 CHIPS for America NSTC 原型和 NAPMP 先進封裝試點設施 (PPF) 的先進封裝能力。Natcast 是一家專門為運營美國政府《CHIPS 與科學法案》設立的國家半導體技術中心 (NSTC) 而設立的非營利實體。
此前，CHIPS 研發設施模型已於 2024 年 7 月 12 日公佈，這些設施包括 NSTC 原型設計和國家先進封裝製造計劃先進封裝試點設施（PPF）（預計2028年營運）、NSTC 行政和設計設施（預計2025年投入營運）以及 NSTC 極紫外線 (EUV) 中心（2026 年投入營運）。這些設施將解決當前生態系統中的關鍵差距，為半導體價值鏈上的各種利害關係人提供無與倫比的價值，包括大學、小型企業、大型製造商和政府機構。
其中，PPF的選址計劃也已於2025 年 1 月 6 日確定，它就是位於亞利桑那州坦佩的亞利桑那州立大學 (ASU) 研究園區。PPF 的原型製作能力將包括至少一種 300 毫米全流程互補金屬氧化物半導體 (CMOS) 科技，作為實驗的穩定基線。
據亞利桑那州立大學官網報導，亞利桑那州立大學此前正與 Deca Technologies的新合作項目——先進晶圓級封裝應用與開發中心——將設在亞利桑那州立大學坦佩研究園區的MacroTechnology Works工廠。MacroTechnology Works 是亞利桑那州立大學於 2004 年收購的摩托羅拉半導體製造廠。该工廠占地超过 250,000 平方英尺，其中“潔淨室”面積超過 40,000 平方英尺。
這是美國第一家擁有開放式創新平台的封裝工廠，該設施將成為業界、學術界、初創企業和更廣泛的半導體生態系統的研究人員聚集在一起探索、試驗和合作開發下一代半導體和封裝技術的首選目的地。
此舉表明美國政府不僅是在推動封裝技術的研發，同時也著重將研發成果盡快應用於生產，促進創新成果的快速商業化和規模化。這些直接晶片補貼將有助於建立一個自給自足、大批量、國內的先進封裝行業，先進節點晶片在美國製造和封裝。
30億美元，美國投資六大先進封裝領域
14億美元是美國發力先進封裝實施的第一步。早在2023年11月，美國CHIPS國家先進封裝製造計劃 (NAPMP) 將投資約 30 億美元，用於開發先進封裝技術的關鍵和相關創新。
CHIPS NAPMP錨定了六個優先研究投資領域，六個優先研究領域涵蓋了先進封裝的各個關鍵環節，從材料、基板到設備、工具，再到晶片整合和多晶片協同設計，具體如下圖所示：
封裝技術複雜且具有跨學科特性，要求各領域之間進行互動（來源：NIST）
材料與基板：材料和基板是先進封裝技術的基礎平台。新型基板的關鍵要求包括多層精細佈線、窄通孔間距、低翹曲性、大面積以及能夠集成主動和被動元件。這些基板可以基於矽、玻璃或有機材料，並且可以包括扇出晶圓級工藝。
裝置、工具和工藝的進步：需要在裝置和工艺上取得进展，以便在這些基板上可靠地組裝晶片。CMOS裝置和工艺将适应处理与不同类型基板兼容的芯片和晶圆。
電力傳輸和熱管理：先進封裝在功率密度和熱散發方面具有較高要求。為實現先進封裝的成功，必須解決電力傳輸和高效熱管理的問題。這需要創新的材料和解決方案，這些方案必須與基板和組裝製程相容。這些活動將涉及新的熱材料以及採用先進基板和異質整合的新型電路拓撲。
光子學與外部連接器：低誤差率的光子學和高密度、高速、低損耗的活躍連接器將是管理長距離通訊所必需的，這需要新型且緊湊的解決方案。重點將放在可靠且可製造的整合連接器上，這些連接器將包括計算能力、資料預處理、安全性以及便於安裝到封裝體上的功能。
開發小晶片（Chiplet）生態系統：小芯片是指小型的、部分功能的半導體晶片，當它們以緊密間距組裝並靠得很近時，就能形成一個高功能的子系統。將開發芯片片段發現方法，確保這些芯片片段具有高重複使用性、設計能力和倉儲能力。
多晶片子系統的協同設計與自動化工具：這些工具將適應先進封裝的需求，考慮到內建測試與修復、安全性、互操作性和可靠性，並且詳細了解用於組裝的基板和工藝，包括熱和電力管理解決方案。
對於美國而言，先進封裝的一個核心問題是產業鏈的本土化，而目前全球封裝產能的大部分集中在亞洲。為進一步鞏固美國在先進封裝領域的技術優勢，CHIPS NAPMP將透過以下方式促進國內先進封裝生態系的建設：
建立先進包裝試點設施（或多個設施），加速將包裝、設備和製程開發方面的創新轉化為製造業；
推動數字化工具的發展，以減少先進封裝工程的時間和成本；
建立和支持行業、學術界和培訓實體以及政府之間的合作夥伴關係，為先進的封裝勞動力做出貢獻。
結語
美國的CHIPS國家先進封裝製造計劃及其資金支持代表了其在半導體產業鏈自主可控方面的戰略意圖。美國在封裝上的目標是，到2028年，將在美國建立一個充滿活力、自給自足、獲利的高產量封裝產業，生產的先進節點芯片將在美國完成封裝。
然而，這個過程也面臨眾多挑戰，包括技術複雜性、全球競爭以及產業鏈的整合問題。那麼，美國能否實現呢？讓我們拭目以待吧。
本文轉載自“導體行業觀察”微信公眾號，作者：杜欽DQ；FOREXBNB編輯：黃曉冬。
