封裝技術成為美日對華半導體競爭的最前沿

今年7月，為進一步加速美國先進封裝產能建設，美國商務部宣布推出高達16億美元的研發(fā)激勵舉措。此前的4月，日本經濟產業(yè)省為旨在實現尖端半導體國產化的半導體企業(yè)Rapidus公司追加提供最多5900億日元補貼，其中超過500億日元用于先進封裝技術研發(fā)。近來，由于先進封裝可以大幅提高芯片良率、降低設計復雜度及減少芯片制造成本，已成為美日對華半導體競爭的最前沿。

摩爾定律放緩，封裝技術重要性凸顯

制造半導體產品首先是根據所需功能設計芯片，其后進入制程工序，前端主要是晶圓制作和光刻，后端主要是芯片的封裝。根據摩爾定律（由英特爾創(chuàng)始人之一戈登·摩爾提出的觀察性規(guī)律，揭示了信息技術進步的速度，特別是集成電路中晶體管密度的指數級增長），芯片可容納的晶體管數量大約每18至24個月翻一番，處理器性能也會提升一倍，同時價格下降為之前的一半。摩爾定律對半導體產業(yè)發(fā)展起到了重要指引與推動作用。過去，為延續(xù)摩爾定律，企業(yè)往往以提升單個芯片性能為目標，在晶體管縮放技術上不斷探索，聚焦半導體制造前端工藝。但是，隨著產業(yè)數字化、智能化快速發(fā)展，特別是新一代科技變革中人工智能爆發(fā)式發(fā)展，世界對計算的需求呈現指數級增長，對性能更強、功耗更低、更具性價比的芯片需求大幅增加。而隨著晶體管縮小逼近物理極限，同時存在短道溝效應導致的漏電、發(fā)熱和功耗嚴重等問題，摩爾定律放緩，先進封裝技術成為超越摩爾定律的重要賽道。先進封裝以提升系統(tǒng)性能為目標，通過優(yōu)化芯片間互連，將多個不同性能的芯片集成在一個系統(tǒng)內，進而在系統(tǒng)層面實現算力、功耗和集成度等方面的提升，從而突破摩爾定律限制。先進封裝技術是半導體技術發(fā)展的必然方向，隨著人工智能、高性能計算等應用對于先進封裝的需求快速提升，其產業(yè)發(fā)展前景廣闊。因此，技術領先的國家不僅在全球半導體價值鏈重塑中擁有更大優(yōu)勢，而且其優(yōu)勢可擴大至對先進封裝高需求的其他領域。

美日“強強聯合”，布局先進封裝領域

美日均為全球半導體供應鏈中的關鍵參與者，兩國聯手后將在先進封裝所需設備與材料領域形成顯著優(yōu)勢。美國是全球半導體產業(yè)的領導者，占據全球半導體供應鏈總價值的40%左右，在研發(fā)投入、芯片設計、制造技術與工藝方面保持領先地位，美日企業(yè)大約供應了全球70%左右的晶圓廠設備。先進封裝生產線設備由芯片封裝原有后道設備與新增中前道設備構成，美國企業(yè)在薄膜沉積設備、刻蝕設備、鍵合機、電鍍設備等領域的市場占比較高，而日本在光刻機、涂膠顯影設備、劃片機、減薄機、清洗設備等領域具有領先優(yōu)勢，并且在主要零部件領域占據全球50%左右的市場份額。因此，美日企業(yè)幾乎聯合主導了先進封裝所需的主要設備領域。日本在先進封裝材料領域具有顯著優(yōu)勢，彌補了美國發(fā)展先進封裝技術的不足。日本占據全球半導體材料60%以上的市場份額，并且在封裝材料領域如引線框架、鍵合線、晶圓膜、芯片粘結材料、底部填充材料及熱界面材料等占據較大的市場份額，在先進封裝所需的部分核心材料領域擁有絕對優(yōu)勢，如高端環(huán)氧塑封料產品市場、高端封裝載板等，在光敏聚酰亞胺領域，美日合計市場占比高達90%以上。因此，美日聯合可以依托制造設備、零部件與材料領域的優(yōu)勢，加快推進先進封裝技術研發(fā)、應用及標準制定，進一步夯實在半導體技術領域的國際領先地位。

近年來，美日積極布局先進封裝領域。2023年11月，美國政府啟動約30億美元的國家先進封裝制造計劃（NAPMP），旨在提升美國半導體的先進封裝能力，彌補產業(yè)鏈短板，這是2022年美國“芯片法案”發(fā)布后的首個重大研發(fā)投資計劃。今年7月，美國商務部宣布了高達16億美元的研發(fā)激勵舉措，以加速先進封裝產能建設。

日本也將重振半導體產業(yè)視為關系國運的重要戰(zhàn)略目標。2021年6月，日本經濟產業(yè)省公布《半導體和數字產業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略》，2023年6月發(fā)布了該戰(zhàn)略的修訂版本，為半導體等重要行業(yè)發(fā)展制定了更為清晰的推進路徑，其中明確指出要發(fā)展先進封裝，并且分為設立先進封裝研發(fā)基地、確立Chiplet（也稱為小芯片或微芯片，是一種將復雜芯片拆分成多個小型、獨立且可復用的模塊的設計方法）技術及實現和應用光Chiplet、模數混合SoC（也稱“系統(tǒng)性芯片）等“三步走”。今年4月，日本經濟產業(yè)省為Rapidus公司追加提供最高5900億日元補貼，其中超過500億日元就用于先進封裝技術研發(fā)。

美日在半導體領域重點圍繞下一代半導體技術研發(fā)與產業(yè)應用等進行合作，兩國企業(yè)圍繞先進封裝領域的合作愈加頻繁。2023年11月，日本Resonac公司宣布，將在美國硅谷建立先進半導體封裝和材料研發(fā)中心。12月，美國應用材料公司與日本USHIO公司宣布針對3D封裝應用的數字光刻技術締結戰(zhàn)略合作伙伴關系。今年4月，美國英特爾公司與14家日本半導體企業(yè)組成半導體后端制程標準化技術研究協會。6月，日本Rapidus公司與美國IBM公司宣布確立了2納米世代半導體芯片封裝量產技術合作伙伴關系。7月，Resonac公司宣布，十家美日半導體企業(yè)共同成立下一代半導體封裝研發(fā)聯盟“US-JOINT”，目標是開發(fā)尖端封裝的后制程技術，驗證五至十年后實現實用化的新封裝結構。其將在美國硅谷設立研發(fā)基地，預計今年將開始潔凈室的建設與設備安裝，2025年全面投入運營。

對華競爭意味凸顯，中國國產化順勢加速

美日圍繞先進封裝領域的合作密度增加，其不僅迎合半導體制造技術的發(fā)展趨向、整合兩國優(yōu)勢夯實國際領先地位，也欲引領全球半導體產業(yè)鏈供應鏈重塑，對華競爭意味凸顯。

在美日聯合對華半導體競爭加劇的背景下，先進封裝被視為中國“彎道超車”的重要渠道。當前，受美日等對華半導體遏制影響，中國在先進制程技術領域的發(fā)展面臨巨大挑戰(zhàn)，而先進封裝技術可能會在彌補晶圓制造限制方面發(fā)揮更大作用，例如根據臺積電規(guī)格簡單測算，兩顆14納米堆疊后的晶體管數量達到57.76百萬個，接近10納米的數量水平，即性能上大體接近10納米芯片性能，中國可以通過先進封裝技術向下突破美國的制程封鎖。與此同時，先進封裝市場前景廣闊，中國在封裝領域已形成一定優(yōu)勢。根據市場研究機構Yole Group數據預測，全球先進封裝市場規(guī)模將從2023年的378億美元增長至2029年的695億美元，年均復合增長率達11%。另外，與設計和晶圓制造相比，封裝行業(yè)進入壁壘較低，目前半導體封裝測試（封測）已成為中國半導體產業(yè)鏈中競爭力最強的環(huán)節(jié)。根據中商產業(yè)研究院、中泰證券發(fā)布的研究報告，2023年，長電科技、通富微電、華天科技與智路封測等國內企業(yè)分別位列全球委外封測廠商（OSAT）的第三、四、六、七名，市場占有率合計達25.8%。盡管在中國封測市場中，先進封裝滲透率仍低于國際水平，但是整體呈現上升趨勢，中國先進封裝市場規(guī)模從2016年的187.7億元增長至2020年的351.3億元，年均復合增長率高達17%左右，預計2025年中國先進封裝市場規(guī)模將超過1100億元。

在先進封裝領域，當前美日對華競爭集中在拉大技術代際差方面，但隨著中國在封測領域的優(yōu)勢擴大及先進封裝技術的逐步突破，不排除其通過加強相關設備與材料（兩國在這兩個領域仍處于主導地位）的出口管制等來直接遏制中國發(fā)展的可能。因此，中國應努力掌握主動權，加速國產化替代，提升龍頭企業(yè)發(fā)展韌性。近年來，國內封測龍頭企業(yè)快速布局各類先進封裝技術并不斷取得突破。例如，高密度多維異構集成系列工藝已進入穩(wěn)定量產階段，可為客戶提供外形更輕薄、數據傳輸速度更快、功率損耗更小的芯片成品制造解決方案；也有企業(yè)提前布局多芯片組件、集成扇出封裝、2.5D/3D等先進封裝技術，取得一定的技術優(yōu)勢。

但是，也需要認識到，盡管先進封裝相關制造、設備與材料等國產化初顯成效，但是電鍍設備、貼片機、劃片機、薄膜沉積設備等領域進口依賴仍然較高，底部填充膠、高性能熱界面材料、臨時鍵合膠、光敏性聚酰亞胺、光敏樹脂等核心材料的國產替代率較低，仍依賴于從美日歐的進口。鑒于此，中國應明晰先進封裝技術發(fā)展的難點痛點堵點，從政策、人才、資金等多端發(fā)力，引導企業(yè)夯實已有技術與市場優(yōu)勢，持續(xù)加大研發(fā)投入，努力提升生產技術水平，優(yōu)化產品性能，進而提升國際競爭力與強化發(fā)展韌性。

（作者為中國社科院日本研究所副研究員）