Da die Kapazität der Wafer-Fertigung wächst, wo ist die neue Verpackungskapazität?

Ajinkya Joshi
|  Erstellt: Oktober 25, 2024  |  Aktualisiert am: Oktober 28, 2024
Wafer-Fab-Kapazität Verpackungskapazität Octopart

Die Halbleiterindustrie durchläuft eine bedeutende Veränderung. Mit der wachsenden Nachfrage nach schnellerer und effizienterer Elektronik erhöhen Unternehmen ihre Waferproduktion, um Schritt zu halten. Es stellt sich jedoch eine große Frage: Woher wird die neue Verpackungskapazität kommen, um dieses Wachstum zu unterstützen? Fortschrittliche Verpackungstechnologien sind entscheidend für die Verbindung der Waferproduktion mit den endgültigen Halbleiterprodukten. Die Zukunft der Branche hängt von diesen Entwicklungen ab. Dieser Artikel betrachtet den aktuellen Stand der fortgeschrittenen Verpackung, konzentriert sich auf wichtige Akteure wie Intel, TSMC und Samsung und diskutiert die Herausforderungen und Chancen, die vor uns liegen.

Die sich ausweitende Grenze der Waferfertigung & Fortgeschrittene Verpackung

Die Halbleiterindustrie befindet sich auf einem Pfad des schnellen Wachstums, angetrieben von dem unermüdlichen Streben nach kleineren, schnelleren und leistungsfähigeren Chips. Die Waferfertigung dehnt sich aus, um mit diesen Anforderungen Schritt zu halten. Unternehmen investieren Milliarden in neue Fabs, fortschrittliche Herstellungsprozesse und stoßen die Grenzen der Technologie weiter vor.

In den letzten Jahren haben große Akteure wie TSMC (Taiwan Semiconductor Manufacturing Company) und Samsung bedeutende Fortschritte bei der Weiterentwicklung ihrer Fertigungskapazitäten gemacht. TSMC hat mit seinen hochmodernen 5nm- und 3nm-Prozessknoten konsequent die Führung übernommen, während Samsung mit seiner 3nm GAA (Gate-All-Around)-Technologie an der Spitze stand. Diese Innovationen sind entscheidend, um die nächste Generation von Hochleistungscomputern, KI und mobilen Geräten zu ermöglichen.

Jedoch, während die Waferfertigung schnell skaliert, bleibt ein kritischer Aspekt der Halbleiterherstellung oft im Rampenlicht: fortgeschrittene Verpackungstechnologien.

Intel, ein Hauptakteur in der Halbleiterindustrie, investiert stark in fortgeschrittene Verpackungstechnologien, um mit seiner wachsenden Waferproduktion Schritt zu halten. Eines seiner Schlüsselprojekte ist der Bau einer hochmodernen Verpackungsanlage in Penang, Malaysia.

Robin Martin, Intels Vizepräsident, teilte kürzlich mit, dass diese neue Anlage zum Hauptzentrum von Intel für fortgeschrittene 3D-Verpackung werden wird. Die Anlage in Penang ist Teil von Intels größerem Plan, seine 2.5D/3D-Verpackungsfähigkeiten zu verstärken, mit einem Fokus auf die 3D-Foveros-Technologie.

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Intel plant, seine Produktionskapazität für 3D Foveros signifikant zu erhöhen und bis 2025 zu vervierfachen. Diese Kapazitätserhöhung wird Intels wachsende Palette an fortschrittlichen Halbleiterprodukten unterstützen und der steigenden Nachfrage nach Hochleistungsrechnen und KI-Anwendungen gerecht werden.

Vor zwei Jahren kündigte Intel eine Investition von 3,5 Milliarden Dollar an, um seine Kapazitäten für fortschrittliche Verpackungstechnologien in New Mexico zu erweitern, ein Vorhaben, das noch im Gange ist. Die Anlage in Penang wird diese Expansion ergänzen, zusammen mit anderen Schlüsselstandorten in Oregon, USA, und New Mexico.

Verständnis der Waferherstellung und fortschrittlichen Verpackung

Was ist Waferherstellung?

Die Waferherstellung, oder Waferfabrikation, ist ein Schlüsselprozess in der Herstellung von Halbleitern. Sie beginnt mit einem reinen Siliziumkristall, der in dünne Scheiben geschnitten wird. Der Prozess umfasst das Wachstum einer Siliziumdioxidschicht zur Isolation, das Auftragen und Belichten des Fotolacks zur Definition von Schaltungsmustern, das Ätzen des Siliziums, das Dotieren zur Veränderung elektrischer Eigenschaften, das Abscheiden dünner Filme für Komponenten und das Hinzufügen von Metallschichten für Verbindungen. Nach der Herstellung werden die Wafer getestet und für die Verpackung vorbereitet.

Wafer Fabrication

Was ist fortschrittliche Verpackung?

Fortgeschrittene Verpackung ist der Prozess des Einschließens und Verbindens von Halbleiterchips, nachdem diese hergestellt wurden. Sie stellt sicher, dass die Chips in ihren Endprodukten ordnungsgemäß funktionieren. 2.5D-Verpackung platziert mehrere Chips nebeneinander auf einer Basisschicht mit hochdichten Verbindungen, was die Kommunikation verbessert. 3D-Verpackung stapelt Chips vertikal, was kompaktere und effizientere Designs ermöglicht. Fan-Out-Verpackung erweitert die Anschlusspunkte des Chips über seine Ränder hinaus und vereinfacht das Signalmanagement. Chip-on-Wafer-on-Substrate (CoWoS) montiert Chips auf einem Wafer und dann auf einer Basisschicht, was Hochgeschwindigkeitsverbindungen ermöglicht. Embedded Multi-Die Interconnect Bridge (EMIB) verwendet eine kleine Brücke, um Chips innerhalb eines einzigen Pakets zu verbinden, was die Leistung verbessert und Verzögerungen reduziert. System-in-Package (SiP) kombiniert mehrere Funktionen und Chips in einem Paket, was komplexe Systeme kompakter und effizienter macht.

Die Rolle der fortgeschrittenen Verpackung

Fortgeschrittene Verpackungstechnologien sind von entscheidender Bedeutung in der Halbleiter-Lieferkette. Sie dienen als Brücke zwischen den rohen Silizium-Wafern, die während der Fertigung produziert werden, und den endgültigen, funktionsfähigen Halbleitergeräten, die in der Unterhaltungselektronik zum Einsatz kommen. Diese Technologien verbessern nicht nur die Leistung und Funktionalität der Chips, sondern tragen auch zu deren Miniaturisierung und Kosteneffizienz bei. 

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Trotz ihrer Bedeutung erhält die fortgeschrittene Verpackung oft nicht dasselbe Maß an Aufmerksamkeit wie die Wafer-Fertigung. Mit der steigenden Nachfrage nach fortschrittlicheren Chips wächst auch der Bedarf an hochmodernen Verpackungslösungen, die dieses Wachstum unterstützen können.

Die Wettbewerbslandschaft der fortgeschrittenen Verpackung

Da die Kapazitäten der Wafer-Fertigung zunehmen, verschärft sich der Wettbewerb in der fortgeschrittenen Verpackung. Schlüsselakteure in der Halbleiterindustrie müssen ihre Verpackungstechnologien entwickeln und verfeinern, um einen Wettbewerbsvorteil zu erlangen.

TSMC, ein führendes Unternehmen in der Halbleiterherstellung, bietet eine Reihe von fortgeschrittenen Verpackungslösungen an, einschließlich seiner InFo (Integrated Fan-Out), CoWoS (Chip-on-Wafer-on-Substrate) und SoC (System-on-Chips) Technologien. Diese Lösungen sind darauf ausgelegt, unterschiedliche Bedürfnisse zu erfüllen, von hochdichten Verbindungen bis hin zu verbesserter Wärmeabfuhr und Signalintegrität.

Samsung, ein weiterer wichtiger Akteur, treibt seine eigenen Verpackungstechnologien mit Innovationen wie I-Cube und X-Cube voran. Samsungs I-Cube-Technologie konzentriert sich auf das Stapeln von Speicher- und Logikchips, um Leistung und Effizienz zu verbessern, während X-Cube darauf abzielt, die Verbindungsdichte zu erhöhen und den Formfaktor zu reduzieren.

Global Foundries, eine prominente Halbleitergießerei, entwickelt ihre Verpackungslösungen mit ihrer Embedded Die Packaging-Technologie weiter. Dieser Ansatz integriert kleinere Chips in größere Substrate, um die Leistung zu verbessern und Formfaktoren zu reduzieren, und unterstützt eine Vielzahl von Anwendungen von Unterhaltungselektronik bis hin zu Hochleistungsrechnen.

India Semiconductor Mission ist eine von der Regierung geleitete Initiative zur Entwicklung eines Halbleiterfertigungsökosystems in Indien. Diese Mission umfasst Investitionen in fortschrittliche Verpackungstechnologien und zielt darauf ab, globale Akteure anzuziehen und gleichzeitig die inländischen Produktionskapazitäten zu stärken. Das Ziel ist es, Indien als einen wichtigen Akteur in der globalen Halbleiterlieferkette zu positionieren.

Advanced Packaging Semiconductor

Beschaffungsherausforderungen bei fortschrittlichen Verpackungstechnologien

Auch bei Fortschritten in fortschrittlichen Verpackungstechnologien bleiben einige Herausforderungen bestehen. Ein großes Problem ist die Hochskalierung der Produktion, um der wachsenden Nachfrage der Halbleiterindustrie gerecht zu werden. Da die Kapazitäten der Waferfertigung zunehmen, besteht ein kritischer Bedarf an Fortschritten in Verpackungstechnologien, um Engpässe in der Lieferkette zu verhindern.

Komponentenknappheit und Lieferzeiten: Die Halbleiterindustrie kämpft seit einigen Jahren mit erheblichen Komponentenknappheiten, die durch den schnellen Anstieg der Nachfrage nach Chips und das begrenzte Angebot an kritischen Komponenten getrieben werden. Einkäufer stehen vor der Herausforderung, die notwendigen Materialien für das Foveros-Packaging, wie TSVs und Mikro-Bumps, die stark nachgefragt und knapp sind, zu sichern. Lange Lieferzeiten für diese Komponenten können die Produktion verzögern und die Kundenanforderungen beeinträchtigen.

Beispielsweise ist die Beschaffung von TSVs, die verwendet werden, um vertikale elektrische Verbindungen zwischen gestapelten Dies im Foveros-Packaging von Intel zu erstellen, ein komplexer Prozess. Das weltweite Angebot an Fertigungskapazitäten zur Herstellung von TSVs ist begrenzt, und nur wenige Lieferanten sind in der Lage, sie nach den erforderlichen Qualitätsstandards zu produzieren. Infolgedessen müssen Beschaffungsteams langfristige Beziehungen zu Lieferanten aufbauen, günstige Verträge aushandeln und sicherstellen, dass sie Zugang zu ausreichenden Mengen dieser kritischen Komponenten haben.

Qualitätskontrolle und Compliance: Fortgeschrittene Verpackungstechnologien erfordern den Einsatz von hochspezialisierten Materialien und Komponenten, die strenge Qualitätsstandards erfüllen müssen. Beschaffungsteams müssen sicherstellen, dass Lieferanten diese Standards einhalten und Anforderungen an Nachhaltigkeit, Umweltvorschriften und ethische Beschaffung erfüllen. Jedes Versäumnis, Qualitätsstandards zu erfüllen, kann zu kostspieligen Produktionsverzögerungen und Nacharbeiten führen.

Lieferantenkooperation und Risikominderung: Angesichts der Komplexität fortschrittlicher Verpackungstechniken müssen Beschaffungsfachleute eng mit Lieferanten zusammenarbeiten, um Risiken zu managen und eine stetige Materialversorgung zu gewährleisten. Käufer können beispielsweise mit Lieferanten zusammenarbeiten, um gemeinsame Risikominderungsstrategien zu entwickeln, wie Dual Sourcing, Bestandspufferung und Lieferantendiversifizierung. Diese Strategien helfen, die Auswirkungen von Lieferkettenunterbrechungen zu reduzieren und sicherzustellen, dass ein Unternehmen seine Produktionsziele erreichen kann.

Rolle des Käufers bei der Sicherstellung der Kontinuität der Lieferkette

Betrachten Sie einen Käufer, der im Beschaffungsteam von Intel arbeitet und für die Beschaffung von Materialien für das neue Werk in Penang verantwortlich ist. Dieser Käufer muss die Komplexitäten meistern, TSVs und Mikro-Bumps von globalen Lieferanten zu sichern, die jeweils unter verschiedenen regionalen Einschränkungen und Marktdynamiken operieren. Der Käufer könnte auf einen Lieferanten in Japan stoßen, der TSVs produziert, aber aufgrund von Handelsspannungen Exportbeschränkungen oder Verzögerungen gegenübersteht. Um dies zu mildern, müsste der Käufer alternative Lieferanten, vielleicht in Südkorea oder Europa, einbeziehen, während er langfristige Verträge aushandelt, um konsistente Preise und Verfügbarkeit zu gewährleisten.

Zusätzlich muss der Käufer die Logistik managen, insbesondere in einer Region wie Südostasien, wo Naturkatastrophen wie Taifune Transportwege unterbrechen können. Sie müssten auch ein feines Gleichgewicht halten, um Lagerbestände zu pflegen, ohne zu überlagern und die Haltekosten in die Höhe zu treiben.

Fazit

Die Halbleiterindustrie durchläuft eine Phase der schnellen Transformation, wobei die Kapazitäten der Waferfertigung erweitert werden, um den Anforderungen zunehmend fortschrittlicher elektronischer Geräte gerecht zu werden. Doch mit dem Wachstum der Waferfab-Kapazitäten wird die Bedeutung fortschrittlicher Verpackungstechnologien immer deutlicher. Fortschrittliche Verpackung dient als entscheidendes Bindeglied zwischen der Waferfertigung und dem endgültigen Halbleiterprodukt, und ihre Rolle in der Industrie kann nicht genug betont werden.

Führende Unternehmen wie Intel, TSMC und Samsung tätigen erhebliche Investitionen in fortschrittliche Verpackungstechnologien, um dieses Wachstum zu unterstützen.

Obwohl Herausforderungen bestehen bleiben, sind die Möglichkeiten in der fortschrittlichen Verpackung erheblich. Die fortgesetzten Investitionen der Industrie in Forschung und Entwicklung, zusammen mit Innovationen bei Materialien und Herstellungsprozessen, werden eine entscheidende Rolle bei der Gestaltung der Zukunft der Halbleitertechnologie spielen.

Wenn wir nach vorne blicken, ist klar, dass der Erfolg der Halbleiterindustrie nicht nur von Fortschritten in der Waferfertigung abhängen wird, sondern auch von der Fähigkeit, in der fortschrittlichen Verpackung zu skalieren und zu innovieren. Die Integration dieser Technologien wird die Entwicklung leistungsfähigerer, effizienterer und vielseitigerer Halbleitergeräte vorantreiben und letztendlich die Zukunft der Elektronik und Technologie gestalten.

Über den Autor / über die Autorin

Über den Autor / über die Autorin

ISM Certified Supply Chain Professional with over 10 years of expertise in strategically procuring electronic components for prominent global electronics manufacturing brands. Bachelor’s degree in Electronics Engineering, currently based in England and managing end to end sourcing activities & playing a pivotal role in optimizing supply chain operations for a leading global manufacturing facility, ensuring seamless procurement and fostering strategic supplier relationships globally for semiconductors and electronic components.

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