ウェハーファブの容量が増加する中、新しいパッケージング容量はどこにあるのか？

半導体産業は大きな変化を経験しています。より高速で効率的な電子機器への需要が高まる中、企業は生産を増やして需要に応えようとしています。しかし、この成長を支える新しいパッケージング能力はどこから来るのか、という大きな疑問が浮上しています。先進的なパッケージング技術は、ウェハー生産を最終的な半導体製品に接続するために不可欠です。この開発が産業の未来を左右します。この記事では、インテル、TSMC、サムスンなどの主要プレイヤーに焦点を当て、先進的なパッケージングの現状と、今後の課題と機会について考察します。

ウェハー製造と先進パッケージングの拡大するフロンティア

半導体産業は、より小さく、より速く、より強力なチップを求める絶え間ない追求によって、急速な成長軌道にあります。ウェハー製造は、これらの要求に対応するために拡大しています。企業は新しいファブに数十億ドルを投資し、製造プロセスを進化させ、技術の限界を押し広げています。

近年、TSMC（台湾セミコンダクターマニュファクチャリングカンパニー）やSamsungなどの大手企業が、製造能力の向上に大きな進歩を遂げています。TSMCは、最先端の5nmおよび3nmプロセスノードで先陣を切り、Samsungは3nm GAA（Gate-All-Around）技術で先頭に立っています。これらの革新は、次世代の高性能コンピューティング、AI、モバイルデバイスを可能にする上で重要です。

しかし、ウェハー製造が急速に拡大している一方で、半導体製造の重要な側面である先進パッケージングはしばしば注目されます。

半導体業界の大手であるIntelは、拡大するウェハー生産に対応するために、先進パッケージング技術への投資を強化しています。その主要プロジェクトの一つが、マレーシアのペナンに最先端のパッケージング施設を建設することです。

Intelの副社長であるRobin Martin氏は最近、この新しい施設がIntelの先進的な3Dパッケージングの主要センターになると共有しました。ペナン工場は、3D Foveros技術に焦点を当てた、Intelの2.5D/3Dパッケージング能力を強化する大規模な計画の一部です。

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Intelは、3D Foverosの生産能力を大幅に増加させる計画で、2025年までに4倍にすることを目指しています。この能力の向上は、高性能コンピューティングやAIアプリケーションの需要が高まる中、Intelの進化する半導体製品の範囲をサポートします。

2年前、Intelはニューメキシコ州での先進パッケージング能力の拡張に35億ドルを投資すると発表し、そのプロジェクトは現在も進行中です。ペナンの施設は、この拡張を補完するもので、アメリカのオレゴン州やニューメキシコ州の他の主要サイトとともに機能します。

ウェハー製造と先進パッケージングについて理解する

ウェハー製造とは何か？

ウェハー製造、またはウェハー・ファブは、半導体を作る上での重要な段階です。純粋なシリコン結晶を薄いウェハーにスライスして始まります。このプロセスには、絶縁のためのシリコン二酸化層の成長、回路パターンを定義するためのフォトレジストの適用と露光、シリコンのエッチング、電気特性を変更するためのドーピング、コンポーネント用の薄膜の堆積、接続用の金属層の追加が含まれます。製造後、ウェハーはテストされ、パッケージングの準備が整います。

先進パッケージングとは何か？

アドバンスドパッケージングは、半導体チップが製造された後にそれらを封入し接続するプロセスです。これにより、チップが最終製品で適切に機能することを保証します。2.5Dパッケージングは、高密度リンクを備えたベースレイヤー上に複数のチップを並べて配置し、通信を強化します。3Dパッケージングは、チップを垂直に積み重ね、よりコンパクトで効率的な設計を可能にします。ファンアウトパッケージングは、チップの接続ポイントをその端から延長し、信号管理を簡素化します。チップ・オン・ウェハー・オン・サブストレート（CoWoS）は、チップをウェハー上に取り付け、その後ベースレイヤーに取り付けることで、高速接続を実現します。埋め込みマルチダイインターコネクトブリッジ（EMIB）は、小さなブリッジを使用して単一のパッケージ内のチップを接続し、パフォーマンスを向上させ、遅延を減少させます。システム・イン・パッケージ（SiP）は、複数の機能とチップを1つのパッケージに組み合わせ、複雑なシステムをよりコンパクトで効率的にします。

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アドバンスドパッケージングの役割

先進的なパッケージング技術は、半導体サプライチェーンにおいて重要な役割を果たしています。これらの技術は、製造中に生産される生のシリコンウェハーと、最終的に消費者向け電子機器に搭載される機能的な半導体デバイスとの間の橋渡しをします。これらの技術は、チップの性能と機能を向上させるだけでなく、その小型化とコスト効率の向上にも寄与します。 

その重要性にもかかわらず、先進的なパッケージングはウェハー製造ほどの注目を集めることが少ないです。より高度なチップへの需要が高まるにつれて、この成長を支えることができる最先端のパッケージングソリューションへの需要も増加しています。

先進的なパッケージングの競争環境

ウェハー製造能力が増加するにつれて、先進的なパッケージングにおける競争は激化しています。半導体業界の主要プレイヤーは、競争上の優位性を得るために、自らのパッケージング技術を開発し、洗練させる必要があります。

TSMCは、半導体製造のリーダーとして、InFo（Integrated Fan-Out）、CoWoS（Chip-on-Wafer-on-Substrate）、SoC（System-on-Chips）技術を含む一連の先進的なパッケージングソリューションを提供しています。これらのソリューションは、高密度インターコネクトから改善された熱管理や信号整合性まで、さまざまなニーズに対応するように設計されています。

Samsung、もう一つの主要プレイヤーは、I-cubeやX-Cubeなどの革新を通じて自社のパッケージング技術を進化させています。SamsungのI-cube技術は、メモリとロジックチップを積み重ねることに焦点を当て、性能と効率を向上させることに注力しています。一方、X-Cubeは、接続密度を改善し、フォームファクターを削減することを目指しています。

Global Foundries、著名な半導体ファウンドリーは、Embedded Die Packaging技術を進化させています。このアプローチは、より小さいチップをより大きな基板に統合し、性能を向上させ、フォームファクターを削減することで、消費者向け電子機器から高性能コンピューティングまで、さまざまなアプリケーションをサポートします。

India Semiconductor Missionは、インドにおける半導体製造エコシステムを開発するための政府主導のイニシアチブです。このミッションには、先進的なパッケージング技術への投資が含まれ、グローバルプレイヤーを引き寄せるとともに国内生産能力を強化することを目指しています。目標は、インドを世界の半導体供給チェーンにおける主要プレイヤーとして位置づけることです。

先進パッケージングにおける調達の課題

先進パッケージング技術の進歩にもかかわらず、いくつかの課題が残っています。主要な問題の一つは、半導体産業の成長する需要に合わせて生産をスケールアップすることです。ウェハー製造能力が増加するにつれて、供給チェーンのボトルネックを防ぐためにパッケージング技術の進歩が急務となっています。

コンポーネント不足とリードタイム：半導体業界は、過去数年間、チップの需要が急増し、重要なコンポーネントの供給が限られていることにより、大幅なコンポーネント不足に直面しています。バイヤーは、TSVやマイクロバンプなど、需要が高く供給が不足しているFoverosパッケージングに必要な材料を確保するという課題に直面しています。これらのコンポーネントの長いリードタイムは、生産の遅延を引き起こし、顧客の要求に影響を与える可能性があります。

例えば、IntelのFoverosパッケージングで積層ダイ間の垂直電気接続を作成するために使用されるTSVの調達は、複雑なプロセスです。TSVを生産するためのグローバルな製造能力の供給は限られており、要求される品質基準を満たすことができるサプライヤーはほんのわずかです。その結果、調達チームは、サプライヤーとの長期的な関係を築き、有利な契約を交渉し、これらの重要なコンポーネントの十分な量にアクセスできるようにする必要があります。

品質管理とコンプライアンス：先進的なパッケージング技術には、厳格な品質基準を満たす必要がある高度に特殊化された材料とコンポーネントの使用が求められます。調達チームは、サプライヤーがこれらの基準を遵守し、持続可能性、環境規制、倫理的調達の要件に準拠していることを確認する必要があります。品質基準を満たさない場合、コストのかかる生産遅延や再作業が発生する可能性があります。

サプライヤーとの協力とリスク軽減：高度なパッケージングの複雑さを考えると、調達担当者はリスクを管理し、材料の安定供給を確保するために、サプライヤーと密接に協力する必要があります。例えば、バイヤーはサプライヤーと協力して、二重調達、在庫バッファリング、サプライヤーの多様化など、共同のリスク軽減戦略を開発することができます。これらの戦略は、サプライチェーンの中断の影響を軽減し、企業が生産目標を達成できるようにするのに役立ちます。

サプライチェーンの継続性を確保するバイヤーの役割

Intelの調達チーム内で働くバイヤーが、新しいペナン施設のための材料を調達する責任を持っていると考えてみましょう。このバイヤーは、TSVやマイクロバンプを世界中のサプライヤーから確保するという複雑さを乗り越えなければなりません。それぞれのサプライヤーは、異なる地域の制約や市場のダイナミクスの中で運営しています。バイヤーは、例えば、TSVを生産しているが貿易緊張による輸出制限や遅延に直面している日本のサプライヤーに遭遇するかもしれません。これを軽減するために、バイヤーは韓国やヨーロッパの代替サプライヤーと交渉し、一貫した価格と供給を確保するために長期契約を結ぶ必要があります。

さらに、バイヤーは、台風などの自然災害が輸送ルートを妨げる可能性のある東南アジアのような地域で、特に物流を管理する必要があります。彼らはまた、在庫レベルを維持しつつ、保有コストを押し上げることなく過剰在庫を避ける繊細なバランスを保つ必要があります。

結論

半導体産業は、急速な変革期を迎えており、ますます高度な電子デバイスの需要に応えるためにウェハー製造能力が拡大しています。しかし、ウェハー製造能力が拡大するにつれて、先進的なパッケージング技術の重要性がより顕著になります。先進的なパッケージングは、ウェハー製造と最終的な半導体製品との間の重要な架け橋として機能し、その業界での役割は過小評価できません。

Intel、TSMC、Samsungなどの主要企業は、この成長を支えるために先進的なパッケージングに大規模な投資を行っています。

課題は残るものの、先進的なパッケージングにおける機会は大きいです。研究開発への継続的な投資と、材料や製造プロセスの革新は、半導体技術の未来を形作る上で重要な役割を果たすでしょう。

前を見据えると、半導体産業の成功は、ウェハー製造の進歩だけでなく、先進的なパッケージングでのスケールと革新の能力にも依存することが明らかです。これらの技術の統合は、より強力で効率的で多用途な半導体デバイスの開発を推進し、最終的には電子技術とテクノロジーの未来を形作るでしょう。