波士頓咨詢 | 先進封裝重塑半導體行業(yè)

逍遙設計自動化

引言
半導體行業(yè)長期以來一直受摩爾定律驅動，律預測集成線路上的晶體管數(shù)量大約每兩年翻一番。雖然這一原則幾十年來一直指導著芯片開發(fā)，但我們正在進入一個新時代，其中替代方法正在獲得突顯。最顯著的發(fā)展之一是先進封裝，正在徹底重塑芯片生態(tài)系統(tǒng)[1]。
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理解先進封裝
7 W: a$ e1 G  h7 X* P, z2 O先進封裝是半導體設計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)行一項特定操作或過程的傳統(tǒng)半導體芯片不同，先進多芯片封裝將多個芯片和過程整合到單個組件中。
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這種創(chuàng)新技術將多種半導體組件集成到單個封裝中，直接解決了關鍵的半導體技術和商業(yè)限制。結果是性能提高、上市時間縮短、芯片制造成本降低以及功耗降低。

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& C4 E  u$ V# ~& z' @9 G7 n圖1：先進封裝的概念及其相比傳統(tǒng)封裝方法的優(yōu)勢。
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: E0 C6 f; k8 _- y$ o& Z先進封裝特別適合移動設備、汽車計算和生成式人工智能（GenAI）等關鍵應用。隨著我們進入"超越摩爾"時代，簡單地將更多晶體管塞進單個芯片變得越來越具有挑戰(zhàn)性和昂貴，先進封裝提供了引人注目的替代方案。
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先進封裝的優(yōu)勢
0 Y8 C' O) i3 c- ]1.性能提升：先進封裝允許結合更小、成本和性能優(yōu)化的裸片。這些組件可以在先進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。
2.成本降低：通過選擇多個較小的芯片而不是單個大型片上系統(tǒng)（SoC），制造商可以為每個異構集成的裸片選擇不同的節(jié)點尺寸。這種方法可以將制造成本降低多達50%。
3.尺寸縮小：先進封裝可以顯著減少復雜系統(tǒng)的占用空間。例如，英飛凌通過先進封裝將其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表明，從單個大型SoC轉向多個裸片可以將上市時間縮短多達75%。
5.功率效率：先進封裝中的近距離互連大大降低了功耗，使驅動大型語言模型（LLM）的數(shù)據(jù)中心在經濟上更加可行。

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圖2：先進封裝應用的例子及其具體優(yōu)勢。
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& _; G2 T# X2 i" i. W對半導體價值鏈的影響
先進封裝的崛起將極大地改變半導體行業(yè)格局。目前，先進封裝占半導體市場總額的約8%，預計到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。
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這一增長趨勢正在以幾個關鍵方式重塑傳統(tǒng)半導體價值鏈：
, r. a: x. i9 v" R  ?) Y( f1.系統(tǒng)設計角色提升：先進封裝設計貢獻的價值份額顯著上升，突顯其戰(zhàn)略重要性。芯片設計師正在將焦點從單個芯片擴展到整個系統(tǒng)，包括將多個裸片集成到先進封裝中。
2.從前端向后端轉移：雖然前端制造將繼續(xù)占據(jù)高價值份額，但后端設計和封裝正在獲得更多重要性和利潤價值。封裝本身正成為創(chuàng)新點和系統(tǒng)性能的關鍵驅動因素。
3.復雜性增加：制造先進半導體封裝是一個復雜的過程，需要整個行業(yè)進行調整。電子設計自動化（EDA）軟件必須更新以設計和模擬封裝中的多個芯片。材料供應商需要開發(fā)新的創(chuàng)新材料來解決熱膨脹和熱傳遞問題。封裝設備必須進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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: \/ f5 Q( k& X7 v, A: Y4 l圖3：先進封裝如何改變半導體生態(tài)系統(tǒng)和價值鏈。
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7 ]8 P9 D# E' L) f行業(yè)參與者的戰(zhàn)略影響
先進封裝的出現(xiàn)需要半導體行業(yè)各參與者進行戰(zhàn)略調整。以下是不同細分領域如何為成功定位：

無晶圓廠芯片制造商：
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擴展業(yè)務模型以應對先進封裝挑戰(zhàn)

專注于集成整個系統(tǒng)開發(fā)和生產

管理跨芯片設計師、晶圓廠和材料供應商的復雜供應鏈

對復雜產品性能負責

晶圓廠：

領先節(jié)點晶圓廠應將業(yè)務擴展到先進封裝，將自身定位為系統(tǒng)晶圓廠

成熟節(jié)點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）：
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為專業(yè)應用捕獲系統(tǒng)設計師角色

考慮向無晶圓廠客戶提供前端和后端設施作為系統(tǒng)晶圓廠服務

在內部產品和為競爭對手制造的產品之間實施強大的防火墻

  ?8 E/ S: D3 p外包半導體組裝和測試（OSAT）供應商：

確定在簡單焊線和先進2.5D/3D封裝之間的最佳定位

建立在高產量、成本效益高的制造等傳統(tǒng)優(yōu)勢上

發(fā)展面板級封裝能力


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, J- s. f' l9 l圖4：總結半導體行業(yè)不同參與者的戰(zhàn)略影響。
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人工智能在先進封裝中的作用
隨著半導體行業(yè)擁抱先進封裝，人工智能（AI）將在設計和制造過程中發(fā)關鍵作用。集成到EDA軟件中的AI功能可以：

自動化IC布局和平面規(guī)劃

優(yōu)化功耗、性能和面積（PPA）

簡化和加速芯片生產
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1 Q. m2 U4 X: m" y; ^6 q4 i- f在這種情況下，AI平臺的成功很大程度上取決于學習數(shù)據(jù)集的規(guī)模和準確性。這為EDA軟件供應商和芯片設計師創(chuàng)造了一個微妙的平衡，必須找到方法來匯集內部藍圖和框架以增強AI知識庫，而不向競爭對手透露設計機密。
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地緣政治和監(jiān)管考慮
' K+ G1 l" n8 z半導體行業(yè)先進封裝的崛起并非發(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域：
1.政府補貼：許多政府正在為先進多芯片封裝提供補貼，以吸引、保留和支持芯片制造的技術創(chuàng)新。
2.貿易壁壘：由于半導體被認為對國家和經濟安全重要，一些地區(qū)正在豎起貿易壁壘以保護國內制造業(yè)。
6 q* m" x! i% O( @, l- E0 w3.供應鏈影響：這些措施可能會影響半導體公司的供應、合作伙伴和客戶的可用性，需要仔細的戰(zhàn)略規(guī)劃。

  o2 t0 M  R- S* n+ d先進封裝的未來
+ J) l9 F" P* R; v+ |2 }+ `( B展望未來，很明顯先進封裝將在塑造半導體行業(yè)方面發(fā)揮關鍵作用。認識到并投資于先進封裝戰(zhàn)略價值的公司正在為成功做好準備。不僅擴大了自身的競爭優(yōu)勢，還影響著行業(yè)的未來發(fā)展方向。

. x9 n9 h  S4 A7 Q在這個新格局中的贏家將是成功實現(xiàn)以下目標的公司：
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在先進封裝技術方面創(chuàng)新

有效應對全球政府政策

與客戶及其應用生態(tài)系統(tǒng)建立深厚聯(lián)系

利用最新的AI和設計流程
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這些行業(yè)領導者將能夠充分利用價值創(chuàng)造從前端向更加細致、復雜和高價值的后端流程轉移。還將為利用新興的GenAI應用市場做好準備，該市場嚴重依賴先進封裝組件。


. `) R3 _+ E1 s. @+ n圖5：先進封裝在半導體行業(yè)中不斷增加的價值份額。
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結論
先進封裝時代的到來為半導體行業(yè)帶來了機遇和挑戰(zhàn)。認識到并投資于先進封裝戰(zhàn)略價值的公司正在為這個不斷發(fā)展的格局中的成功做好準備。
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對于投資者、戰(zhàn)略合作伙伴和半導體公司來說，信息很明確：現(xiàn)在是優(yōu)先考慮和投資先進封裝的時候了。那些這樣做的公司將處于引領半導體行業(yè)邁向下一個性能前沿的前列，進入一個以創(chuàng)新、速度和持續(xù)增長為特征的未來。

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* c& f9 C* I7 G, T' Y% V9 p參考文獻
[1]J. Fitzgerald et al., "Advanced Packaging Is Radically Reshaping the Chip Ecosystem," Boston Consulting Group, May 20, 2024.
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