英特爾為減少與臺積電差距，奮力一搏的技術有多厲害？

昔日在半導體界呼風喚雨的老大哥英特爾(Intel)，只能站在5或7納米的位置，眼睜睜看著先進制程的市占率，就這樣被臺積電的「疊疊樂」(Jenga)蠶食鯨吞，淪落到只能當老二且差距越來越大。但英特爾當然也不是省油的燈，也奮力一搏發展出EMIB（Embedded Multi-die Interconnect Bridge，嵌入式多芯片互連橋接）之2.5D封裝技術。

什么是EMIB？

如下圖所示，是英特爾官網所提供EMIB先進封裝概念之示意圖。EMIB的技術特征在于，不論是高頻寬記憶體(High Bandwidth Memory, HBM)、CPU/GPU或現場可程式化邏輯閘陣列(Field Programmable Gate Array, FPGA)等，于其邏輯芯片(die)的下方，設置一個硅橋(Silicon Bridge)并將芯片之間予以電性連結，由于芯片之間傳導電子的路徑縮短，因而得以加快芯片之間的運算效能。此外，EMIB的另一個優點在于，它不需要中介層，所以制程上不僅變簡單，而且還可降低制造成本。

根據以上所提到EMIB的技術特征，將其輸入到自行開發的AI系統Lupix，并針對近10年的專利數據，掃描出與英特爾的EMIB相關且符合當今具市場價值的已獲證專利，我們發現其中很重要之一件專利標題為「針對用于半導體封裝硅橋的傳導墊層之交替表面」（以下稱本專利），其臺灣專利號為TWI689072B，而對應的美國專利號為US10177083B2 (Alternative surfaces for conductive pad layers of silicon bridges for semiconductor packages)，分別于2020/03/21和2019/01/08獲證。AI系統Lupix根據當下的技術演化趨勢去做計算，推斷出本專利在機電技術領域中，專利價值之PR值(Percentile Rank)為95，也就是說，本專利的價值在機電領域中贏過95 %的相關專利。


EMIB的制造

上圖顯示了設計在有機封裝中的典型EMIB橋的橫截面。橋接硅位于封裝腔中，如下圖所示制作。頂部封裝金屬層提供了一個參考平面，并帶有穿過該平面的通孔，用于連接die和橋。

Ravi表示：“ EMIB工藝建立在標準封裝構造流程的基礎上，并附加了創建EMIB腔的步驟。橋位于空腔中，并用粘合劑固定在適當的位置。添加最后的介電層和金屬堆積層，然后進行通孔鉆孔和電鍍。”

請注意，在上方的橫截面圖中，粗孔和細孔分別對應于每個die上存在的兩個不同的凸點間距，如下所示。

粗大的凸塊用于die到封裝的走線層連接，而細間距則與EMIB連接相關聯-短期內更多關于目標EMIB連接密度的信息。

Ravi補充說：“進行了大量的工程設計，以定義精細和粗糙的凸點輪廓，這些輪廓將支持管芯附著和通過連接處理。具體而言，這包括重點關注凸塊高度控制和焊料量。我們已經與bumping 供應商合作，以實現這種dual pitch和profile configuration。此外，MCP封裝中的每個裸片都單獨連接-裸片上的凸點將經受多個回流周期。注意與凸塊結合的助焊劑材料。還已經開發了在整個凸塊區域中提供無空隙的環氧樹脂底部填充劑的方法。材料，凸塊和附著過程都是在大規模生產中進行的。”


EMIB電氣特性

英特爾針對EMIB互連發布了詳細的電氣分析，評估了各種信號接地屏蔽組合和導線長度的插入損耗和串擾。

上圖突出顯示了封裝中的配電路徑（power distribution paths ）。請注意，EMIB橋的占位面積小，這意味著I / O信號和電源完整性特性的平衡不會受到影響，這與全硅中介層不同，在硅中介層中，所有信號和電源過孔都必須首先穿過中介層。如前所述，EMIB上方的頂層封裝層也用作接地層。

下圖顯示了電分析結果的示例，描述了針對各種信號屏蔽模式的目標累積海灘前帶寬的最大EMIB信號長度。在此示例中，采用了激進的L / S線距設計。使用的電氣模型：

一個簡單的輸出驅動器（R = 50ohms，C = 0.5pF）

無端接的接收器（C = 0.5pF）

四層EMIB金屬疊層，介電常數= 4.0

嵌入式橋上方的頂部封裝金屬平面

1V信號擺幅，具有200mV垂直睜開的接收器靈敏度（為無端接的電容式接收器合并了近端和遠端串擾）

EMIB設計服務

由于EMIB設計權衡的復雜性，Ravi表示：“英特爾將與代工客戶在產品需求方面緊密合作，并將EMIB設計作為一項服務進行開發。我們將與客戶一起在die引出線和凸點圖案上進行合作，并提供可滿足其數據速率目標的EMIB硅實施方案。”

EMIB未來發展

EMIB技術仍然是英特爾的研發重點。Ravi強調說：“我們將繼續致力于提供更大的互連邊緣密度，包括更緊密的凸塊間距和更積極的線/空間EMIB金屬間距（小于1um）。將有源電路集成到EMIB中當然也是可行的。”


其他先進封裝技術

一、Foveros

3D封裝技術，原理上也不復雜，就是在垂直層面上，一層一層地堆疊獨立的模塊，類似建摩天大樓一樣。

就像大廈需要貫通的管道用于供電供水，Foveros通過復雜的TSV硅穿孔技術，實現垂直層面的互連。

Foveros最早用于Lakefiled處理器，目前正在和EMIB聯手用于各類產品，最典型的就是Ponte Vecchio GPU加速器，使用了5種不同工藝、47個不同芯粒。

二、Foveros Omni

下一代封裝技術，可實現垂直層面上大芯片、小芯片組合的互連，并將凸點間距繼續縮小到25微米。


三、Foveros Direct

使用銅與銅的混合鍵合，取代會影響數據傳輸速度的焊接，把凸點間距繼續縮小到10微米以下，從而大幅提高芯片互連密度和帶寬，并降低電阻。

Foveros Direct還實現了功能單元的分區，使得模塊化設計配置靈活、可定制。

2021年底，Intel還展示了最新的混合鍵合(hybrid bonding)，將互連間距繼續微縮到驚人的3微米，實現了準單片式的芯片。

也就是說，整合封裝后的互聯密度、帶寬都非常接近傳統的單片式芯片，不同芯粒之間連接更加緊密。