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Intel分享封裝技術(shù)方面的最新成果與思考

2025-03-28
來源:快科技
關(guān)鍵詞: Intel 芯片制造 先進(jìn)封裝

說起芯片制造,大家都知道制程工藝的重要性,這是芯片行業(yè)的根基,不過隨著半導(dǎo)體工藝越來越復(fù)雜,提升空間越來越小,而人們對于芯片性能的追求是永無止境的,尤其是進(jìn)入新的AI時代之后。

這個時候,封裝技術(shù)的重要性就愈發(fā)凸顯了,不但可以持續(xù)提高性能,更給芯片制造帶來了極大的靈活性,可以讓人們進(jìn)化隨心所欲地打造理想的芯片,滿足各種不同需求。

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Intel作為半導(dǎo)體行業(yè)龍頭,半個多世紀(jì)以來一直非常重視封裝技術(shù),不斷推動演化。

最近,Intel先進(jìn)系統(tǒng)封裝與測試事業(yè)部副總裁兼總經(jīng)理Mark Gardner就特意分享了Intel在封裝技術(shù)方面的最新成果與思考。

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在以往的SoC單芯片時代,封裝技術(shù)往往不被在意。

隨著近些年chiplets芯粒的興起和流行,封裝技術(shù)變得至關(guān)重要,芯片的復(fù)雜度和優(yōu)化也呈現(xiàn)指數(shù)級增長。

比如在一個AI加速器中,一個封裝內(nèi)會集成多個芯片,包括但不限于CPU計(jì)算模塊、GPU加速模塊、HBM高帶寬內(nèi)存和其他各種IP,需要將它們以最合理的方式整合在一起,各自發(fā)揮最大性能,還得做到高帶寬、低延遲的互聯(lián)。

這就讓封裝技術(shù)真正走向前臺,成為行業(yè)焦點(diǎn)。

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說到封裝技術(shù),Intel應(yīng)該是最不陌生的,悠久的歷史上經(jīng)歷了諸多演變。

早在20世紀(jì)70年代,微處理器發(fā)展初期,使用的還是Wire-Bond引線鍵合封裝技術(shù),包括QFP方形扁平、QFN方形扁平無引腳,因?yàn)槟菚r候的芯片非常簡單,甚至可以手工絲焊,直到現(xiàn)在一些簡單芯片也在使用。

90年代的奔騰處理器,用上了倒裝鍵合、陶瓷基板的組合,后來又發(fā)展出了有機(jī)基板,以及初步的多芯片整合封裝。

最近幾年,Intel處理器的封裝技術(shù)開始多點(diǎn)開花,EMIB 2.5D、Foveros 3D、EMIB 3.5D、Foveros Direct 3D等各種方式層出不窮,經(jīng)常還會混合搭配使用,從而制造更加復(fù)雜、強(qiáng)大的芯片。

這些技術(shù)并非一朝一夕之功,而是長期發(fā)展的結(jié)果,比如基于EMIB 2.5D的首個產(chǎn)品Kaby Lake-G已經(jīng)投產(chǎn)將近十年了,它也是唯一一款集成了AMD核顯的Intel處理器。

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另外,Intel近期還提出了玻璃基板(Glass Substrate)、玻璃核心(Glass Core),目前仍在推進(jìn)中,計(jì)劃在本世紀(jì)20年代后半期推出(也就是2025-2030年間),作為整體平臺的一部分。

Intel認(rèn)為,玻璃核心的關(guān)鍵在于持續(xù)擴(kuò)展,包括微凸點(diǎn)技術(shù)、更大的基板尺寸、增強(qiáng)的高速傳輸?shù)取?/p>

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在新的形勢要求下,Intel Foundry代工增加了系統(tǒng)級架構(gòu)和設(shè)計(jì)服務(wù),與產(chǎn)品部門深度合作,不斷提出更先進(jìn)、更高效的封裝技術(shù),再反哺給產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造。

比如幾年前的數(shù)據(jù)中心GPU Max(代號Ponte Vecchio),就使用了多達(dá)5種不同制造工藝,封裝了多達(dá)47個不同模塊,耗費(fèi)了1000億規(guī)模的晶體管。

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這就是Intel代工完整的先進(jìn)封裝產(chǎn)品組合。

最左邊是傳統(tǒng)的FCBGA(倒裝芯片球柵陣列封裝),有兩種不同的版本:FCBGA 2D、FCBGA 2D+。

其中,F(xiàn)CBGA 2D就是傳統(tǒng)的有機(jī)FCBGA封裝,仍在量產(chǎn)中,非常適合低成本的簡單產(chǎn)品,不需要高速I/O或芯片間高帶寬連接。

FCBGA 2D+增加了基板層疊技術(shù)(Substrate Stacking),適合芯片本身不復(fù)雜,但是主板連接部分尺寸較大的產(chǎn)品,成本更優(yōu),尤其是在網(wǎng)絡(luò)和交換設(shè)備領(lǐng)域。

中間的是EMIB(嵌入式多芯片互連橋接),也有兩種版本:EMIB 2.5D、EMIB 3.5D。

EMIB 2.5D面向單層芯片,也可以進(jìn)行HBM堆疊,芯片通過基板上的微型硅橋?qū)崿F(xiàn)連接,適合高密度的芯片間連接,在AI和HPC領(lǐng)域優(yōu)勢顯著。

EMIB 3.5D引入了3D堆疊技術(shù),芯片堆疊在一個有源或無源基板上(比如中介層),更加靈活,比如某些IP模塊因?yàn)閷ヂ?lián)距離、延遲的高要求,不適合水平連接,就得垂直堆疊。

最右邊是Foveros,可以細(xì)分為兩個版本:Foveros 2.5D、Foveros 3D、Foveros Direct 3D。

其中,F(xiàn)overos 2.5D/3D和EMIB 2.5D/3.5D類似,可以與其他中介層技術(shù)結(jié)合使用(3D更強(qiáng)調(diào)垂直堆疊),不同之處在于采用基于焊料的方式連接芯片與晶圓,而不是基底連接,適合高速I/O與較小芯片組分離的設(shè)計(jì)。

值得一提的是,EMIB 2.5D可以非常順暢地轉(zhuǎn)換到EMIB 3.5D??梢园岩呀?jīng)定義、設(shè)計(jì)和制造的GPU或者HBM芯片采用EMIB 2.5D技術(shù)集成,然后無需改變?nèi)魏卧O(shè)計(jì),就可以再將其集成到EMIB 3.5D封裝的單元上。

Foveros Direct技術(shù)則進(jìn)一步采用銅-銅直接鍵合,而不是焊料與焊料的連接,因此可以實(shí)現(xiàn)最高的帶寬、最低的功耗。

事實(shí)上,這些封裝技術(shù)都不是獨(dú)立的,往往并非單一存在、彼此排斥,尤其是AI和HPC產(chǎn)品經(jīng)常結(jié)合使用多種技術(shù),比如可能會采用Foveros Direct 3D,同時與HBM連接,最終形成EMIB 3.5D封裝。

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這些封裝技術(shù)并非停留在路線圖上,而是現(xiàn)實(shí),已經(jīng)落地商用,有些更是用了多年,涉及多代產(chǎn)品。

但是不同的芯片如何選擇最適合的封裝技術(shù),仍然是一個難題,比如為什么說EMIB是AI芯片的理想選擇?有哪些優(yōu)勢?上邊這張圖就可以給出答案。

EMIB 2.5D與硅中介層(Si Int)、重布線層(RDL)中介層等其他2.5D封裝技術(shù)相比,第一個優(yōu)勢就是最低本。

從圖中可以看到,EMIB橋接是一種非常小的硅片,可以高效利用晶圓面積,利用率往往超過90%,而其他中介層技術(shù)因?yàn)槭谴笮头庋b結(jié)構(gòu),會造成很大的晶圓面積浪費(fèi),利用率可能只有60%左右。

尤其是擴(kuò)展到更大面積的芯片復(fù)合體時,EMIB的成本優(yōu)勢會呈指數(shù)級增長。

第二個優(yōu)勢是最的良率,第三個優(yōu)勢是最快產(chǎn)周期,二者緊密相連。

它不需要晶圓級封裝,或者叫芯片對晶圓(Chip-on-Wafer),這包括將頂層芯片附著到晶圓上,涉及模具、凸點(diǎn)等多個工藝步驟,不但增加了良率損失的風(fēng)險,所需要的步驟和時間也更長,往往得多花幾個星期的時間。

在如今變化多端的市場形勢下,如果能提前幾周獲得樣片,并進(jìn)行測試和驗(yàn)證,對于客戶來說是極具吸引力的。

第四個優(yōu)勢源于硅橋嵌入基板的特性,可以匹配更大的遮罩(Reticle)。

制造基板時,實(shí)際上是在一個大的方形面板上進(jìn)行,能夠極大地提高面板利用率,而基板尺寸與面板相匹配,可擴(kuò)展性更好,可以適應(yīng)大型復(fù)雜封裝的需求。

對于AI芯片來說,肯定都希望在一個封裝中集成更多的HBM,容納更多的工作負(fù)載。EMIB 2.5D就能很好地滿足。

第五個優(yōu)勢是多樣化的供應(yīng)鏈支持。

EMIB為客戶提供了更多的靈活性和選擇權(quán),而且它已經(jīng)應(yīng)用了近十年,擁有成熟的技術(shù)和供應(yīng)鏈。

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Intel一直是2.5D封裝的領(lǐng)導(dǎo)者,擁有龐大無比的產(chǎn)能。

第三方數(shù)據(jù)顯示,Intel EMIB 2.5D、Foveros 2.5D封裝的總產(chǎn)能,對比行業(yè)晶圓級先進(jìn)封裝的總產(chǎn)能,規(guī)模領(lǐng)先2倍以上。

因此,無論客戶有多么急迫、多么大規(guī)模的產(chǎn)能需求,Intel都可以輕松滿足。

迄今為止,Intel已經(jīng)完成了超過250個2.5D封裝設(shè)計(jì)項(xiàng)目,既包括Intel自己的產(chǎn)品,也包括第三方客戶的產(chǎn)品,涵蓋幾乎所有領(lǐng)域。

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對于復(fù)雜封裝而言,測試和驗(yàn)證也是至關(guān)重要的一環(huán)。

畢竟,當(dāng)一顆芯片內(nèi)封裝了四五十個不同模塊的時候,哪怕只有一個不合格,也會導(dǎo)致整體報(bào)廢。

所以,不能等待整顆芯片封裝完成之后再進(jìn)行測試,那樣風(fēng)險就太高了。

Intel開發(fā)了一種名為“裸片測試”(Die Sort)的技術(shù),將一整塊晶圓切割成一個個單獨(dú)的裸片,在組裝到基板上之前就進(jìn)行分類和測試。

由于裸片面積很小,加熱和冷卻都可以非??焖佟⒕_,一兩秒就能變化約100攝氏度。

這種精確的熱控制,使得過去只能在最終測試階段做的工作,提前到了裸片測試階段,從而更早地發(fā)現(xiàn)缺陷、及時糾正,進(jìn)而顯著提高生產(chǎn)效率與良品率。

裸片在基板上堆疊完成之后、整體封裝完成之前,Intel還可以進(jìn)行一次“堆疊芯片測試”(Stacked Die Sort),進(jìn)一步測試與驗(yàn)證功能、性能的完整性。

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以一顆包含多個不同模塊、采用3D堆疊技術(shù)的復(fù)雜AI加速器為例,看一下Intel的多種封裝、測試技術(shù)是如何協(xié)同工作的。

首先,EMIB可以替代傳統(tǒng)的大型、昂貴的中介層或橋接器,從而降低成本,提高生產(chǎn)效率、良品率。

EMIB有一個很關(guān)鍵的點(diǎn)叫做熱壓鍵合(Thermal Compression Bonding),可以讓裸片更高效地組裝到基板上。

EIMB可以結(jié)合Foveros Direct技術(shù),包括3D混合鍵合(3D Hybrid Bonding),獲得最佳優(yōu)化封裝組合。

接下來是超大封裝(Large Packages),Intel目前正在開發(fā)120×120毫米的封裝尺寸,預(yù)計(jì)未來一兩年就能量產(chǎn),而且不會止步于此。

不過,隨著封裝尺寸越來越大,很容易出現(xiàn)明顯的翹曲(Warpage)問題——NVIDIA Blackwell就不幸遇到了。

為此,Intel引入了一系列創(chuàng)新技術(shù),結(jié)合熱優(yōu)化,從而能夠在翹曲情況下依然進(jìn)行板級封裝(Board Assembl)。

然后是硅片與封裝協(xié)同設(shè)計(jì)(Silicon Package Co-Design),以及模擬裸片測試(Simulated Die Sort),它們共同打造了差異化的AI產(chǎn)品。

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最后,Intel代工自獨(dú)立以來,已經(jīng)調(diào)整了策略,從而提供更靈活的代工服務(wù)。

比如,客戶可以只選擇Intel代工的EMIB技術(shù)或封裝服務(wù),芯片部分則交給其他代工廠。

比如,客戶可以只需要Intel代工的裸片測試方案,同樣能單獨(dú)提供。

Intel代工在晶圓制造層面也采取了相同的策略,可以靈活地根據(jù)客戶需求,提供最有價值的服務(wù)。

事實(shí)上,Intel與臺積電、三星等其他代工廠雖然有競爭關(guān)系,但其實(shí)一直存在密切合作,制定了互相兼容的設(shè)計(jì)規(guī)則,以確保其他代工廠生產(chǎn)的晶圓,可以兼容Intel代工的封裝技術(shù),從而為客戶提供更多選擇,使其能夠自由地綜合使用不同代工的技術(shù)。

Intel還透露,AWS亞馬遜云、思科都已經(jīng)成為Intel代工的封裝服務(wù)客戶,合作主要集中在數(shù)據(jù)中心服務(wù)器、AI加速器產(chǎn)品領(lǐng)域。


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