詳細(xì)解讀英特爾的先進(jìn)封裝技術(shù)

導(dǎo) 讀

集成電路產(chǎn)業(yè)通常被分為芯片設(shè)計、芯片制造、封裝測試三大領(lǐng)域。其中，芯片制造是集成電路產(chǎn)業(yè)門檻最高的行業(yè)，目前在高端芯片的制造上只剩下臺積電（TSMC）、英特爾（Intel）和三星（SAMSUNG）了。

隨著先進(jìn)封裝技術(shù)的發(fā)展，芯片制造和封裝測試逐漸融合，我們驚奇地發(fā)現(xiàn)，在先進(jìn)封裝領(lǐng)域的高端玩家，竟然也是臺積電、英特爾和三星，而傳統(tǒng)的封測廠商，已經(jīng)被他們遠(yuǎn)遠(yuǎn)地拋在身后。

那么，這三家的先進(jìn)封裝到底有什么獨到之處呢？他們?yōu)楹文艹絺鹘y(tǒng)封測廠商，引領(lǐng)先進(jìn)封裝，我們通過三期文章來解讀三家的先進(jìn)封裝技術(shù)。

今天，我們詳細(xì)解讀英特爾的先進(jìn)封裝技術(shù)。

在芯片發(fā)展史上，英特爾無疑是一家了不起的公司，英特爾的創(chuàng)立和發(fā)展記錄著芯片發(fā)展的歷史，英特爾的每一步都堪稱芯片技術(shù)史上的重要節(jié)點。

1947年，晶體管發(fā)明，這無疑是人類歷史上最偉大的發(fā)明。

信息承載量是文明先進(jìn)程度的重要標(biāo)志，一個文明其信息的承載量越大，文明程度就越高。

記錄和傳遞信息的基本單位稱為功能單元，晶體管是目前唯一可以不斷縮小而功能保持不變的功能單元，是信息的載體，也是文明先進(jìn)程度的重要標(biāo)志。

1958年，集成電路發(fā)明，晶體管的微縮之路正式踏上征程。

1965年，摩爾定律提出，指明了晶體管的尺寸微縮和數(shù)量增長是以指數(shù)方式進(jìn)行。

1968年， 英特爾由諾伊斯和摩爾聯(lián)合創(chuàng)立，迄今已有56年。

今天，人們常說摩爾定律已經(jīng)終結(jié)，難道摩爾親手創(chuàng)立的公司也要因此而終結(jié)了嗎？或者，英特爾輝煌時代的結(jié)束也預(yù)示著摩爾定律的最終結(jié)束？

在前面的文章中，我曾寫到：摩爾定律所預(yù)示的單位空間內(nèi)的晶體管數(shù)量的增加并未結(jié)束，只是不再以指數(shù)方式增長。在系統(tǒng)空間內(nèi)，功能單元的數(shù)量會持續(xù)增加，并且會一直持續(xù)下去，即系統(tǒng)空間內(nèi)的功能密度會持續(xù)增加，謂之功能密度定律。

后摩爾定律時代，功能密度持續(xù)增加的原動力正是來源于先進(jìn)封裝技術(shù)。

在先進(jìn)封裝領(lǐng)域，Intel依然是技術(shù)的領(lǐng)導(dǎo)者，創(chuàng)造性地推出了EMIB，F(xiàn)overos，Co-EMIB，ODI等先進(jìn)封裝和互聯(lián)技術(shù)，繼續(xù)驅(qū)動著技術(shù)不斷向前。

英特爾的先進(jìn)封裝技術(shù)主要分為兩大類：EMIB和Foveros，此基礎(chǔ)上又?jǐn)U展出Co-EMIB，F(xiàn)overos Direct， ODI等。可參考下圖。

1 EMIB

EMIB， Embedded Multi-Die Interconnect Bridge，嵌入式多芯片互聯(lián)橋，是一種聰明且靈活的先進(jìn)封裝技術(shù)，在需要高密度互連的芯片部位通過將硅片嵌入基板，形成高密度互連橋。其他區(qū)域則通過基板進(jìn)行互連。

如下所示為EMIB的示意圖和剖面圖，可以看出，在密度高的互連區(qū)域，芯片上采用了小而密的凸點，采用EMIB互連，其它區(qū)域使用常規(guī)凸點，采用基板互連。

例如，常規(guī)凸點的間距100um，在EMIB區(qū)域則變?yōu)?5-36um，支持更高密度的互連。

我之所以稱EMIB為一種聰明且靈活的先進(jìn)封裝技術(shù)，就是在需要高密度互連的地方，才會嵌入EMIB。在同一個封裝內(nèi)，甚至在同一個芯片的不同區(qū)域，EMIB互連和常規(guī)互連共存，做到了資源共享，中國有句古話，把鋼用在刀刃上，就是對EMIB技術(shù)的很好闡述。

EMIB剛推出的時候，被業(yè)界嘲笑為“膠水”，認(rèn)為其將小芯片粘結(jié)在了一起?，F(xiàn)在卻的得到了越來越多的認(rèn)可，業(yè)界也認(rèn)識到了EMIB的獨特價值，臺積電的CoWoS-L就是取經(jīng)EMIB技術(shù)。

嚴(yán)格來說，EMIB不屬于2.5D封裝技術(shù)，因為它既無中介層，也無硅通孔，但是EMIB確實比2D封裝要復(fù)雜，在某種程度上達(dá)到了2.5D中介層的效果，所以英特爾將其稱為2.5D封裝。在我對封裝類型的定義中，EMIB此類封裝我稱之為2D+，和InFO PoP是劃歸一類的。

下面我們解讀一下Foveros。

從EMIB到 Foveros，芯片開始堆疊在一起，進(jìn)行橫向和縱向之間的互連，凸點間距進(jìn)一步降低到25um。

2 Foveros

Foveros的名字有些繞口，不像EMIB一樣，代表著首字母縮略詞，英特爾官方也沒有給出正式的解釋。

我對Foveros名稱做以下解讀，F(xiàn)overos分為三部分F-over-os，其中F代表著Face-Face連接，over代表Die over Die，表明Foveros具有芯片堆疊，os代表on Substrate，表明Foveros是安裝在substsrate的。合起來就是具有面對面芯片堆疊的有基板先進(jìn)封裝。

下圖所示為Foveros的典型結(jié)構(gòu)圖。上方芯片和下方面對面堆疊，通過Micro-Bumps連接，然后通過TSV連接到下方的Solder Bump并安裝在基板上。

3 Foveros Direct

Foveros Direct是在Foveros的基礎(chǔ)上使用銅與銅的混合鍵合取代Bump，把凸點間距縮小到10微米以下，從而大幅提高芯片互連密度和帶寬。其核心技術(shù)就是混合鍵合Hybrid Bonding技術(shù)。

混合鍵合是一種在相互堆疊的芯片之間獲得更密集互連的方法，并可實現(xiàn)更小的外形尺寸。下圖左邊的技術(shù)，被稱為Bumping，凸點間距是 50 微米，每平方毫米有大約 400 個凸點。右側(cè)為混合鍵合技術(shù)，可支持到小于10微米的凸點間距，并達(dá)到每平方毫米 10，000 個凸點。

Hybrid Bonding 技術(shù)可以在芯片之間實現(xiàn)更多的互連，并帶來更低的電容，降低每個通道的功率，使得產(chǎn)品性能朝著更好的方向發(fā)展。

下圖是傳統(tǒng)凸點Bumping技術(shù)和Hybrid Bonding 混合鍵合技術(shù)加工流程的比較，混合鍵合技術(shù)需要新的制造、操作、清潔和測試方法?；旌湘I合技術(shù)的優(yōu)勢包括：有更高的電流負(fù)載能力，可擴(kuò)展的間距小于1微米，并且具有更好的熱性能。

從圖中我們可以看出，傳統(tǒng)凸點Bumping技術(shù)兩個芯片中間是帶焊料的銅柱，將它們附著在一起進(jìn)行回流焊，然后進(jìn)行底部填充膠。

Hybrid Bonding 混合鍵合技術(shù)與傳統(tǒng)的凸點焊接技術(shù)不同， 混合鍵合技術(shù)沒有突出的凸點，特別制造的電介質(zhì)表面非常光滑，實際上還會有一個略微的凹陷。在室溫將兩個芯片附著在一起，再升高溫度并對它們進(jìn)行退火，銅這時會膨脹，并牢固地鍵合在一起，從而形成電氣連接。

混合鍵合技術(shù)可以將互聯(lián)間距縮小到10 微米以下，可獲得更高的載流能力，更緊密的銅互聯(lián)密度，并獲得比底部填充膠更好的熱性能。當(dāng)然，混合鍵合技術(shù)需要新的制造、清潔和測試方法。

未來先進(jìn)封裝中，互聯(lián)的密度會更大，界面間連接的凸點間距會縮小到10um 以下，每平方毫米的凸點數(shù)量會超過10，000個。

混合鍵合Hybrid Bonding技術(shù)在高密度先進(jìn)封裝中的普遍應(yīng)用，在混合鍵合中，凸點已經(jīng)不存在，除了金屬鍵合在一起，硅體也會鍵合在一起，硅片間沒有了空隙，無需填充導(dǎo)熱膠，并具有更好的散熱性能，因為硅本身就是良好的導(dǎo)熱材料。

Hybrid Bonding已經(jīng)是高端先進(jìn)封裝的必備技術(shù)，TSMC-SoIC就采用了Hybrid Bonding技術(shù)，混合鍵合對目前熱度很高的3.5D先進(jìn)封裝也同樣必不可少。

4 Co-EMIB

Co-EMIB技術(shù)通過使用 EMIB 和 Foveros 的組合來融合 2D 和 3D 的技術(shù)， EMIB負(fù)責(zé)提高水平互連的密度，F(xiàn)overos負(fù)責(zé)打通垂直互連通道，通過 Co-EMIB技術(shù)可將多達(dá)幾十個芯片放入一個封裝中。

Co-EMIB 架構(gòu)基于與配套晶片和堆疊芯片復(fù)合體的高密度連接，實現(xiàn)了更大范圍的互聯(lián)，下圖展示了Co-EMIB的示意圖，結(jié)合了 EMIB與 Foveros技術(shù)。

英特爾已經(jīng)試圖通過很多策略來延續(xù)摩爾定律的，目前除了量子計算等革命等級的全新計算架構(gòu)外，CO-EMIB可以說是在維持并延續(xù)現(xiàn)有計算架構(gòu)與生態(tài)的最佳做法。

英特爾認(rèn)為，歸根結(jié)底，我們擁有的發(fā)展機會是在每毫米立方體上提供最多的單元并獲得每毫米立方體最多的功能。先進(jìn)封裝將繼續(xù)小型化和縮小尺寸，以便我們可以獲得每毫米立方體的最大功能。

5 ODI

ODI （Omni-Directional Interconnect） 全方位互連技術(shù)，這是先進(jìn)封裝的一個新維度。

下圖左邊是 Intel 的 Foveros技術(shù)，垂直堆疊芯片，使用TSV在芯片和基板之間、芯片和芯片之間通信，一直到頂部芯片。在下圖的最右側(cè)，添加了金屬支柱，允許最右側(cè)的頂部芯片直接連接到封裝。

這對封裝非常有幫助，因為它可以減少下部芯片TSV的數(shù)量，這些支柱為先進(jìn)封裝提供了直接向頂部芯片供電的能力。這是另一種優(yōu)化，通過添加 ODI 技術(shù)為客戶進(jìn)行全方位定制。

從 Intel的技術(shù)路線圖中，我們可以看出，先進(jìn)封裝除了向更高密度方向發(fā)展，在擴(kuò)展軸上，同樣關(guān)注集成的靈活性，Co-EMIB和ODI就體現(xiàn)了這樣的特點。從SoC到SiP再到Chiplet，電子集成更關(guān)注高時效、低缺陷率、高可重用性。

而達(dá)成這個技術(shù)的關(guān)鍵角色，就是Omni-Directional Interconnect （ODI） 全向互連技術(shù)，作為連接大樓不同樓層的管道，我們可以把這個部件看成是樓梯間，可以通過樓梯間，直達(dá)不同樓層。

ODI可以有兩種不同型態(tài)，除了打通不同層的電梯型態(tài)外，也有連通不同立體結(jié)構(gòu)的天橋，以及每層之間的夾層，通過這個設(shè)計，讓不同芯片的組合可以有極高的彈性。

通過這些全新的3D封裝方式，芯片設(shè)計思維也從過去的平面拼圖，變成堆積木。在芯片內(nèi)就能完成的異構(gòu)計算，要遠(yuǎn)比通過外部總線連接的不同計算單元更為高效，且更有利于推升算力。

EMIB、CO-EMIB、Foveros、Hybrid bonding和ODI等技術(shù)都有助于構(gòu)成系統(tǒng)級封裝的一部分，系統(tǒng)級封裝更強調(diào)系統(tǒng)在封裝內(nèi)的實現(xiàn)，是先進(jìn)封裝的重要代表。

在《基于SiP技術(shù)的微系統(tǒng)》一書中，我提出了功能密度定律（Function Density Law）的概念，以單位體積內(nèi)的功能單位（Function UNITs）的數(shù)量來評價電子系統(tǒng)的發(fā)展，將評判標(biāo)準(zhǔn)從摩爾定律的晶圓平面變成了電子系統(tǒng)空間，即從三維空間的角度來評判電子系統(tǒng)的集成度。

英特爾認(rèn)為，先進(jìn)封裝技術(shù)的發(fā)展是在每毫米立方體上提供最多的單元并獲得每毫米立方體最大的功能，和功能密度定律的定義是完全一致的。

Intel提出的每毫米立方體里的功能，和我在功能密度定律里描述的單位體積內(nèi)的功能單位 （Function UNITs）是同樣的概念，也從側(cè)面印證了功能密度定律。

Intel致力于實現(xiàn)每毫米立方體里最大的功能，和功能密度定律的描述一致，所謂英雄所見略同，大致如此。