波士頓咨詢 | 先進(jìn)封裝重塑半導(dǎo)體行業(yè)

逍遙設(shè)計(jì)自動(dòng)化

引言
半導(dǎo)體行業(yè)長(zhǎng)期以來一直受摩爾定律驅(qū)動(dòng)，律預(yù)測(cè)集成線路上的晶體管數(shù)量大約每?jī)赡攴�一番。雖然這一原則幾十年來一直指導(dǎo)著芯片開發(fā)，但我們正在進(jìn)入一個(gè)新時(shí)代，其中替代方法正在獲得突顯。最顯著的發(fā)展之一是先進(jìn)封裝，正在徹底重塑芯片生態(tài)系統(tǒng)[1]。

( G/ {+ l7 G$ `3 q6 Q理解先進(jìn)封裝
先進(jìn)封裝是半導(dǎo)體設(shè)計(jì)和制造的革命性方法，通過減小電氣接觸的尺寸來容納不斷增加的晶體管數(shù)量。與專注于執(zhí)行一項(xiàng)特定操作或過程的傳統(tǒng)半導(dǎo)體芯片不同，先進(jìn)多芯片封裝將多個(gè)芯片和過程整合到單個(gè)組件中。

* j# I5 O  ~& t: I1 o3 b- `; q( d這種創(chuàng)新技術(shù)將多種半導(dǎo)體組件集成到單個(gè)封裝中，直接解決了關(guān)鍵的半導(dǎo)體技術(shù)和商業(yè)限制。結(jié)果是性能提高、上市時(shí)間縮短、芯片制造成本降低以及功耗降低。

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圖1：先進(jìn)封裝的概念及其相比傳統(tǒng)封裝方法的優(yōu)勢(shì)。

先進(jìn)封裝特別適合移動(dòng)設(shè)備、汽車計(jì)算和生成式人工智能（GenAI）等關(guān)鍵應(yīng)用。隨著我們進(jìn)入"超越摩爾"時(shí)代，簡(jiǎn)單地將更多晶體管塞進(jìn)單個(gè)芯片變得越來越具有挑戰(zhàn)性和昂貴，先進(jìn)封裝提供了引人注目的替代方案。


# b: \7 s8 c0 L- i先進(jìn)封裝的優(yōu)勢(shì)
' Z$ H; _( _' [, p1.性能提升：先進(jìn)封裝允許結(jié)合更小、成本和性能優(yōu)化的裸片。這些組件可以在先進(jìn)基板上更緊密地放置，數(shù)據(jù)傳輸速率比最新主板快35倍。
1 {; o% ?3 ?% e4 R# c4 U2.成本降低：通過選擇多個(gè)較小的芯片而不是單個(gè)大型片上系統(tǒng)（SoC），制造商可以為每個(gè)異構(gòu)集成的裸片選擇不同的節(jié)點(diǎn)尺寸。這種方法可以將制造成本降低多達(dá)50%。
( e$ N- A* E+ v; T/ ]7 Z5 ~' a5 M3.尺寸縮小：先進(jìn)封裝可以顯著減少?gòu)?fù)雜系統(tǒng)的占用空間。例如，英飛凌通過先進(jìn)封裝將其Optireg線性電壓控制器的部件占用空間減少了60%。
4.更快上市：像英特爾這樣的公司已經(jīng)表明，從單個(gè)大型SoC轉(zhuǎn)向多個(gè)裸片可以將上市時(shí)間縮短多達(dá)75%。
5.功率效率：先進(jìn)封裝中的近距離互連大大降低了功耗，使驅(qū)動(dòng)大型語(yǔ)言模型（LLM）的數(shù)據(jù)中心在經(jīng)濟(jì)上更加可行。

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5 j9 Q$ S5 J3 R# H5 Z7 Q圖2：先進(jìn)封裝應(yīng)用的例子及其具體優(yōu)勢(shì)。
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對(duì)半導(dǎo)體價(jià)值鏈的影響
. n5 d* Y+ g; U6 {  J先進(jìn)封裝的崛起將極大地改變半導(dǎo)體行業(yè)格局。目前，先進(jìn)封裝占半導(dǎo)體市場(chǎng)總額的約8%，預(yù)計(jì)到2030年將翻一番，超過960億美元，增速快于芯片行業(yè)其他部分。

這一增長(zhǎng)趨勢(shì)正在以幾個(gè)關(guān)鍵方式重塑傳統(tǒng)半導(dǎo)體價(jià)值鏈：
1 n# d# T/ \0 d5 z, x4 ~9 H* Y4 Q& F1.系統(tǒng)設(shè)計(jì)角色提升：先進(jìn)封裝設(shè)計(jì)貢獻(xiàn)的價(jià)值份額顯著上升，突顯其戰(zhàn)略重要性。芯片設(shè)計(jì)師正在將焦點(diǎn)從單個(gè)芯片擴(kuò)展到整個(gè)系統(tǒng)，包括將多個(gè)裸片集成到先進(jìn)封裝中。
2.從前端向后端轉(zhuǎn)移：雖然前端制造將繼續(xù)占據(jù)高價(jià)值份額，但后端設(shè)計(jì)和封裝正在獲得更多重要性和利潤(rùn)價(jià)值。封裝本身正成為創(chuàng)新點(diǎn)和系統(tǒng)性能的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因素。
3.復(fù)雜性增加：制造先進(jìn)半導(dǎo)體封裝是一個(gè)復(fù)雜的過程，需要整個(gè)行業(yè)進(jìn)行調(diào)整。電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（EDA）軟件必須更新以設(shè)計(jì)和模擬封裝中的多個(gè)芯片。材料供應(yīng)商需要開發(fā)新的創(chuàng)新材料來解決熱膨脹和熱傳遞問題。封裝設(shè)備必須進(jìn)行修改以滿足不斷減小的特征尺寸和不斷提高的精度要求。

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圖3：先進(jìn)封裝如何改變半導(dǎo)體生態(tài)系統(tǒng)和價(jià)值鏈。

0 w5 |! D: y; A+ L行業(yè)參與者的戰(zhàn)略影響
- s9 V& x( V0 [) x1 M# n. e先進(jìn)封裝的出現(xiàn)需要半導(dǎo)體行業(yè)各參與者進(jìn)行戰(zhàn)略調(diào)整。以下是不同細(xì)分領(lǐng)域如何為成功定位：

4 [: w. |) P# @' p無晶圓廠芯片制造商：

擴(kuò)展業(yè)務(wù)模型以應(yīng)對(duì)先進(jìn)封裝挑戰(zhàn)

專注于集成整個(gè)系統(tǒng)開發(fā)和生產(chǎn)

管理跨芯片設(shè)計(jì)師、晶圓廠和材料供應(yīng)商的復(fù)雜供應(yīng)鏈

對(duì)復(fù)雜產(chǎn)品性能負(fù)責(zé)
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晶圓廠：
, ~! @, Q0 V8 f6 d# K; c, E

領(lǐng)先節(jié)點(diǎn)晶圓廠應(yīng)將業(yè)務(wù)擴(kuò)展到先進(jìn)封裝，將自身定位為系統(tǒng)晶圓廠

成熟節(jié)點(diǎn)晶圓廠可以專注于開發(fā)用于硅中介層的硅通孔（TSV）

集成器件制造商（IDM）：
) ]7 o, D( R* Q: L. G& q' |5 j

為專業(yè)應(yīng)用捕獲系統(tǒng)設(shè)計(jì)師角色

考慮向無晶圓廠客戶提供前端和后端設(shè)施作為系統(tǒng)晶圓廠服務(wù)

在內(nèi)部產(chǎn)品和為競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手制造的產(chǎn)品之間實(shí)施強(qiáng)大的防火墻
/ H# ~6 D5 a6 Z( y! J, ~& Y( i( v
& q8 `) w! w  q8 m; p外包半導(dǎo)體組裝和測(cè)試（OSAT）供應(yīng)商：
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確定在簡(jiǎn)單焊線和先進(jìn)2.5D/3D封裝之間的最佳定位

建立在高產(chǎn)量、成本效益高的制造等傳統(tǒng)優(yōu)勢(shì)上

發(fā)展面板級(jí)封裝能力
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) w$ ?+ z: B% ]# a' p( m, z圖4：總結(jié)半導(dǎo)體行業(yè)不同參與者的戰(zhàn)略影響。

人工智能在先進(jìn)封裝中的作用
6 {0 S0 [0 b2 v# `8 B; w隨著半導(dǎo)體行業(yè)擁抱先進(jìn)封裝，人工智能（AI）將在設(shè)計(jì)和制造過程中發(fā)關(guān)鍵作用。集成到EDA軟件中的AI功能可以：

自動(dòng)化IC布局和平面規(guī)劃

優(yōu)化功耗、性能和面積（PPA）

簡(jiǎn)化和加速芯片生產(chǎn)

7 L' M$ P! ]& G: P8 |# d5 i在這種情況下，AI平臺(tái)的成功很大程度上取決于學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)集的規(guī)模和準(zhǔn)確性。這為EDA軟件供應(yīng)商和芯片設(shè)計(jì)師創(chuàng)造了一個(gè)微妙的平衡，必須找到方法來匯集內(nèi)部藍(lán)圖和框架以增強(qiáng)AI知識(shí)庫(kù)，而不向競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手透露設(shè)計(jì)機(jī)密。

地緣政治和監(jiān)管考慮
) n- T; P2 H. Y+ k* k半導(dǎo)體行業(yè)先進(jìn)封裝的崛起并非發(fā)生在真空中。地緣政治和監(jiān)管因素越來越多地影響著這一領(lǐng)域：
. m, X: y: ~6 r8 @4 e) F8 T/ P1.政府補(bǔ)貼：許多政府正在為先進(jìn)多芯片封裝提供補(bǔ)貼，以吸引、保留和支持芯片制造的技術(shù)創(chuàng)新。
2.貿(mào)易壁壘：由于半導(dǎo)體被認(rèn)為對(duì)國(guó)家和經(jīng)濟(jì)安全重要，一些地區(qū)正在豎起貿(mào)易壁壘以保護(hù)國(guó)內(nèi)制造業(yè)。
) H2 [' p6 I& c3 O: n' m3.供應(yīng)鏈影響：這些措施可能會(huì)影響半導(dǎo)體公司的供應(yīng)、合作伙伴和客戶的可用性，需要仔細(xì)的戰(zhàn)略規(guī)劃。

先進(jìn)封裝的未來
7 _' Z% c9 O; S. ?展望未來，很明顯先進(jìn)封裝將在塑造半導(dǎo)體行業(yè)方面發(fā)揮關(guān)鍵作用。認(rèn)識(shí)到并投資于先進(jìn)封裝戰(zhàn)略價(jià)值的公司正在為成功做好準(zhǔn)備。不僅擴(kuò)大了自身的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，還影響著行業(yè)的未來發(fā)展方向。
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在這個(gè)新格局中的贏家將是成功實(shí)現(xiàn)以下目標(biāo)的公司：

在先進(jìn)封裝技術(shù)方面創(chuàng)新

有效應(yīng)對(duì)全球政府政策

與客戶及其應(yīng)用生態(tài)系統(tǒng)建立深厚聯(lián)系

利用最新的AI和設(shè)計(jì)流程

這些行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者將能夠充分利用價(jià)值創(chuàng)造從前端向更加細(xì)致、復(fù)雜和高價(jià)值的后端流程轉(zhuǎn)移。還將為利用新興的GenAI應(yīng)用市場(chǎng)做好準(zhǔn)備，該市場(chǎng)嚴(yán)重依賴先進(jìn)封裝組件。

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: t: S( X: r+ j& z5 d1 H圖5：先進(jìn)封裝在半導(dǎo)體行業(yè)中不斷增加的價(jià)值份額。

結(jié)論
+ l7 D% W! W2 J0 B+ `; g" Z2 n先進(jìn)封裝時(shí)代的到來為半導(dǎo)體行業(yè)帶來了機(jī)遇和挑戰(zhàn)。認(rèn)識(shí)到并投資于先進(jìn)封裝戰(zhàn)略價(jià)值的公司正在為這個(gè)不斷發(fā)展的格局中的成功做好準(zhǔn)備。
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對(duì)于投資者、戰(zhàn)略合作伙伴和半導(dǎo)體公司來說，信息很明確：現(xiàn)在是優(yōu)先考慮和投資先進(jìn)封裝的時(shí)候了。那些這樣做的公司將處于引領(lǐng)半導(dǎo)體行業(yè)邁向下一個(gè)性能前沿的前列，進(jìn)入一個(gè)以創(chuàng)新、速度和持續(xù)增長(zhǎng)為特征的未來。
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2 H( I' |# `. H5 G, F參考文獻(xiàn)
! Q4 I2 Z$ K( Q( J, y! x[1]J. Fitzgerald et al., "Advanced Packaging Is Radically Reshaping the Chip Ecosystem," Boston Consulting Group, May 20, 2024.
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