(Parte I: Projeto de circuitos integrados; Parte II: Fabricação de circuitos integrados)

V. ATP (Montagem, Teste e Embalagem) e embalagens avançadas

Conclusões básicas sobre montagem, testes, embalagem e embalagem avançada:

(1) Para o ATP de semicondutores de back-end relativamente pouco tecnológico, os Estados Unidos dependem fortemente de recursos estrangeiros concentrados na Ásia.

(2) À medida que os chips se tornam mais complexos, os métodos avançados de embalagem representam áreas potenciais para progresso tecnológico significativo. No entanto, os EUA também não são um local economicamente viável para desenvolver uma indústria de embalagens avançadas forte porque carecem do ecossistema de materiais necessário;

(3) Em resposta, o elevado investimento chinês poderá perturbar os mercados existentes.

(I) Estimativas básicas da Flag State sobre embalagens e testes básicos

(A) Informações básicas

Na etapa básica de ATP (Produto Avançado de Tecnologia), o chip (núcleo) é montado em um produto acabado, que é testado, embalado e integrado a componentes eletrônicos. Existem dois modelos para a etapa de ATP: (1) OEM por IDM (Fabricante Integrado de Dispositivos) e (2) OEM. As fundições são empresas OSAT (Montagem e Teste de Semicondutores Puros) especializadas em testes, embalagem, montagem ou integração e fornecem serviços sob contrato. Em termos do mercado total de ATP, as empresas americanas representaram 28% da receita total; embora as empresas americanas representem aproximadamente 43% das receitas de ATP de IDMs verticalmente integradas, elas terceirizaram a produção de ATP para instalações fora dos EUA. Fundições como TSMC (Taiwan), UMC (Taiwan), SMIC (China Continental) e XMC (China Continental) entraram no negócio de embalagem para aumentar os serviços de manufatura que oferecem a clientes fabless, especialmente para embalagens avançadas de chips pequenos. A TSMC lançou sua primeira solução avançada de embalagens em 2012. Em 2017, havia mais de 100 OSATS diferentes no mercado. Oito delas são grandes empresas; a maioria são de pequeno a médio porte.

Embora existam algumas empresas OSAT americanas (notavelmente a Amkor), as empresas dos EUA representam apenas 15% do mercado de OSAT (Taiwan lidera com 52%, seguido pela China com 21%), e a Amkor está sediada nos EUA, mas não possui uma unidade fabril no país.

Tradicionalmente, a produção automatizada de embalagens (ATP) tem sido um negócio altamente automatizado e de baixo valor agregado, exigindo uma área considerável e empregando principalmente mão de obra pouco qualificada (isso está mudando com a introdução das tecnologias avançadas de embalagem discutidas abaixo). Assim, essa operação representou a primeira fase (iniciada na década de 1970) da terceirização da produção nos Estados Unidos, principalmente para o Sudeste Asiático. Hoje, a maioria das fábricas de terceirização de ATP está localizada na China, Taiwan e Sudeste Asiático (Singapura, Malásia, Filipinas e Vietnã). A SEMI e a Techsearch identificaram mais de 120 empresas de terceirização de OSAT e 360 ​​fábricas de embalagens em todo o mundo em 2018. Dessas 360 fábricas, mais de 100 estão na China, cerca de 100 em Taiwan e 43 no Sudeste Asiático (as demais estão na Europa ou nas Américas). A produção de OSAT na China utiliza a tecnologia de embalagem convencional atual, mas o país está desenvolvendo tecnologias avançadas de embalagem.

No âmbito dos testes, as tecnologias de semicondutores devem ser certificadas e testadas antes de serem utilizadas em faixas de temperatura (faixa estendida), resistência à radiação e ambientes hostis, por razões de segurança nacional. Isso inclui testes de efeitos de partícula única (SEE, na sigla em inglês) utilizando a infraestrutura de testes de radiação de íons pesados. A infraestrutura existente para testes de radiação de íons pesados ​​nos Estados Unidos é frágil e não consegue atender às necessidades atuais ou futuras de testes de SEE. Os clientes frequentemente enfrentam longos tempos de espera e preços crescentes para os testes, além de ficarem vulneráveis ​​a impactos significativos mesmo que uma instalação importante seja fechada repentinamente. "Existem menos de meia dúzia de laboratórios de aceleradores capazes de produzir feixes de íons com variedade e energia suficientes para atender aos requisitos de testes de SEE." Isso afeta a disponibilidade de testes para apoiar futuras missões espaciais entre agências espaciais e a indústria (incluindo satélites).

(B) Riscos importantes

Atualmente, os Estados Unidos detêm apenas 3% da capacidade global de embalagem de semicondutores (excluindo a capacidade de teste), fornecida principalmente por empresas IDM (Integrated Design Manufacturers), que frequentemente possuem instalações de ATP (Aircraft, Testing and Processing) fora dos Estados Unidos. Embora historicamente esse tenha sido um componente de baixa tecnologia na cadeia de suprimentos, trata-se de uma etapa crucial. A dependência dos Estados Unidos da produção essencial de ATP no Sudeste Asiático, em Taiwan e na China expõe a cadeia de suprimentos americana a interrupções.

(II) Discussão do Citibank sobre tecnologia avançada de embalagens

(A) Informações básicas

Embora a tecnologia básica de encapsulamento de semicondutores (ATP, na sigla em inglês) tenha sido tradicionalmente um componente de baixo valor na cadeia de suprimentos, as tecnologias de encapsulamento estão se tornando cada vez mais avançadas. Por décadas, a indústria de semicondutores acompanhou a Lei de Moore, que prevê que o número de transistores em um semicondutor dobra aproximadamente a cada dois anos. Hoje, os benefícios de potência e desempenho da redução do tamanho dos chips em cada novo nó de processo estão diminuindo, enquanto o custo por transistor está aumentando. Embora a redução de tamanho ainda seja uma opção, à medida que o escalonamento se torna mais caro e difícil, a indústria de semicondutores busca alternativas que envolvam a montagem de chips pequenos e/ou múltiplos circuitos integrados em um único encapsulamento. Isso é chamado de encapsulamento avançado. O encapsulamento avançado representa uma tecnologia alternativa e complementar à redução da largura da linha, pois proporciona maior densidade de chips na fase de encapsulamento, em vez do nível do chip, e permite a integração de diferentes funções do chip em um único encapsulamento. O encapsulamento avançado também permite maior utilização de chips comerciais prontos para uso (aprovados para fins de defesa) para personalizar soluções.

Os tipos de encapsulamento avançado incluem técnicas de empilhamento de chips (especialmente chips de memória) e chips embutidos, fan-out, encapsulamento em nível de wafer e encapsulamento em nível de sistema (montagem de pequenos chips ou múltiplos chips em um único encapsulamento). Uma abordagem para chips lógicos é separar funções de propriedade intelectual (IP) padronizadas em diferentes chips menores, chamados de "microchips", conectados por meio de interfaces padrão em um único encapsulamento. Chips pequenos funcionam com outros chips pequenos, portanto, os projetos devem ser otimizados em conjunto e não podem ser projetados isoladamente. A Agência de Projetos de Pesquisa Avançada de Defesa (DARPA) e a Marinha dos EUA, bem como empresas do setor (AMD, Marvell e Intel), têm diversos projetos explorando essa abordagem. O encapsulamento avançado tem valor para a segurança nacional, pois permite decompor função, segurança, volume e desempenho ambiental para fornecer equipamentos personalizáveis ​​para aplicações exclusivas de segurança nacional.

A embalagem avançada representou 42.6% do valor total da embalagem de semicondutores em 2019 e a expectativa é que, em 2025, represente quase metade de todo o mercado de embalagem de semicondutores. Isso representaria uma taxa de crescimento anual composta (CAGR) de 6.1% entre 2014 e 2025, com as receitas da embalagem avançada dobrando de US$ 20 bilhões em 2014 para aproximadamente US$ 42 bilhões em 2025. Isso é quase três vezes o crescimento esperado para o mercado de embalagem tradicional, com uma CAGR projetada de 2.2% entre 2014 e 2025.

As 10 maiores empresas de embalagens avançadas do mundo incluem: duas empresas IDM (Intel, dos Estados Unidos, e Samsung, da Coreia do Sul); a TSMC também está entre as 10 maiores empresas de embalagens avançadas do mundo. As cinco maiores empresas OSAT de embalagens avançadas do mundo são: ASE (Taiwan), SPIL (Taiwan), Amkor (EUA), Powertech Technology (Taiwan) e JCET (China). Além disso, existem duas empresas OSAT menores: Nepes Display (Coreia do Sul) e Chipbond (Taiwan). Essas 10 empresas processam cerca de três quartos dos chips com embalagens avançadas.

Nos Estados Unidos, a embalagem avançada é fornecida principalmente por fabricantes integrados de dispositivos (IDMs), como Intel, Texas Instruments e Micron. A GlobalFoundries é uma fundição americana que também oferece serviços de embalagem avançada. Além disso, empresas menores, como Micross, Skywater e Qorvo, oferecem serviços de embalagem avançada para atender a necessidades específicas dos setores de defesa e industrial.

Como mencionado anteriormente, embora a China atualmente não possua fortes capacidades de embalagem avançada, está desenvolvendo essas capacidades para compensar a falta de produção de semicondutores de ponta.

Com o crescimento da capacidade e da demanda por embalagens avançadas, os comentários enviados em resposta a uma Notificação de Investigação (NOI) do Registro Federal apontaram para a falta de substratos para embalagens avançadas (baseados em tecnologia de placas de circuito impresso) e para vulnerabilidades na cadeia de suprimentos associada nos Estados Unidos. O fornecedor de matéria-prima está localizado na Ásia. As principais empresas de substratos incluem: Ibiden (Japão), Nanya (Taiwan), Shinko (Japão), Samsung (Coreia do Sul), Unimicron (Taiwan), Shennan Circuits (China), Zhuhai Yueya (China) e AKM Electronics Industrial (China).

Além disso, a fabricação de PCBs migrou para a China, tornando-a um mercado mais atraente para fornecedores de substratos. A IPC/US Reliable Electronics Partnership (USPAE) estima que os EUA estejam 20 anos atrasados ​​em relação à Ásia na tecnologia de fabricação de placas de circuito impresso para aplicações eletrônicas de última geração. Os EUA já foram responsáveis ​​por mais de 30% da fabricação mundial de placas de circuito impresso; agora, essa participação é inferior a 5%.

(B) Riscos importantes

O investimento da China em embalagens avançadas ameaça os mercados futuros:

Embora a China não possua uma capacidade robusta de embalagens avançadas, o governo chinês tem investido fortemente nessa área. As embalagens avançadas têm sido o foco tecnológico da indústria de semicondutores chinesa nos últimos anos, com o Conselho de Estado almejando que elas representem cerca de 30% de toda a receita de embalagens dos fornecedores chineses até 2015. Em janeiro de 2021, o vice-presidente recém-contratado da SMIC afirmou que as empresas chinesas deveriam se concentrar em embalagens avançadas para superar sua dificuldade em reduzir a largura das linhas de produção de semicondutores, o que pode indicar que a SMIC investirá agressivamente em embalagens avançadas. Stephen Hiebert, diretor sênior de marketing da SEMICONDUCTOR Packaging KLA, relatou em 2018 que "...Estamos vendo fortes investimentos em OSAT (Outset Service Assembly and Testing) na China, à medida que a capacidade de embalagens avançadas aumenta para acompanhar os projetos de fábricas de semicondutores front-end na China."

Capacidade insuficiente dos materiais de embalagem avançados:

Os substratos de embalagens avançadas são baseados na tecnologia de placas de circuito impresso, que é fabricada principalmente na Ásia, sobretudo na China. Isso representa um desafio para as empresas que buscam investir em embalagens avançadas nos Estados Unidos.

As necessidades de defesa, por si só, não são suficientes para manter a tecnologia avançada de embalagens nos EUA:

Um pequeno número de empresas americanas fornece soluções avançadas de embalagem para necessidades de defesa, e essas empresas detêm apenas uma pequena fatia de mercado. À medida que as capacidades de embalagem avançada se expandem fora dos EUA, em breve superarão as necessidades de defesa, e as forças de mercado atrairão tecnologias de ponta do exterior. Em última análise, a quantidade impulsiona a inovação e o aprendizado operacional; sem volume comercial, os EUA não conseguirão acompanhar o ritmo da tecnologia em termos de qualidade, custo ou mão de obra.

(3) Resumo

Em resumo, os EUA dependem de recursos estrangeiros concentrados na Ásia para a capacidade de produção avançada (ATP) na etapa final da cadeia de suprimentos, o que cria riscos de interrupção nessa parte da cadeia. O encapsulamento está se tornando mais avançado à medida que a indústria busca novas maneiras de compensar a complexidade de dimensões cada vez menores nos nós mais avançados ou menores, os rendimentos mais baixos e os retornos marginais decrescentes. Embora os Estados Unidos e seus parceiros possuam capacidades avançadas de embalagem, o grande investimento da China em embalagens avançadas tem o potencial de impactar o mercado no futuro. Além disso, os EUA carecem de um ecossistema para desenvolver tecnologias avançadas de embalagem.

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