AI晶片技术专利系列二－英特尔之逆袭利器EMIB 原文网址: https://bit.ly/3Wl9GZT 原文: 本刊之前已剖析过台积电的2.5D版CoWoS，其技术特徵在於两金属垫之间插入中介层 (interposer)，并以矽穿孔(Through-Silicon Via, TSV)连结於其间，而台积电正藉由这 样的CoWoS技术在3奈米独霸全球。至於昔日在半导体界呼风唤雨的老大哥英特尔(Intel) ，只能站在5或7奈米的位置，眼睁睁看着先进制程的市占率，就这样被台积电的「叠叠乐 」(Jenga)蚕食鲸吞，沦落到只能当老二且差距越来越大。但英特尔当然也不是省油的灯 ，也奋力一搏发展出EMIB（Embedded Multi-die Interconnect Bridge，嵌入式多晶片互 连桥接）之2.5D封装技术。 什麽是EMIB？如图1所示，是英特尔官网所提供EMIB先进封装概念之示意图。EMIB的技术 特徵在於，不论是高频宽记忆体(High Bandwidth Memory, HBM)、CPU/GPU或现场可程式 化逻辑闸阵列(Field Programmable Gate Array, FPGA)等，於其逻辑晶片(die)的下方， 设置一个矽桥(Silicon Bridge)并将晶片之间予以电性连结，由於晶片之间传导电子的路 径缩短，因而得以加快晶片之间的运算效能。此外，EMIB的另一个优点在於，它不需要中 介层，所以制程上不仅变简单，而且还可降低制造成本。 根据以上所提到EMIB的技术特徵，将其输入到自行开发的AI系统Lupix [1]，并针对近10 年的专利数据，扫描出与英特尔的EMIB相关且符合当今具市场价值的已获证专利，我们发 现其中很重要之一件专利标题为「针对用於半导体封装矽桥的传导垫层之交替表面」（以 下称本专利），其台湾专利号为TWI689072B，而对应的美国专利号为US10177083B2 (Alternative surfaces for conductive pad layers of silicon bridges for semiconductor packages)，分别於2020/03/21和2019/01/08获证。AI系统Lupix根据当下 的技术演化趋势去做计算，推断出本专利在机电技术领域中，专利价值之PR值 (Percentile Rank)为95，也就是说，本专利的价值在机电领域中赢过95%的相关专利。 图2所示为英特尔对於本专利EMIB之示意图。根据其专利保护范围来看，本专利特别针对 EMIB、矽桥上的晶粒形成方法以及封装有所着墨，而所要保护的技术特徵，聚焦在EMIB这 样的半导体结构。具体而言，EMIB(200)包含基板(202)、金属化结构(212)以及传导垫 (218)，其中金属化结构(212)又包含用来传导电子讯号的金属线层(210、214、217)，而 金属线层之间又透过通孔(216)，将不同的金属线层(210、214、217)给串联起来，以实现 密集度更高、更复杂的电路结构。传导垫(218)约为2微米的厚度，其包含铜用以电性连接 至金属化结构(212)。EMIB(200)最上层设置一绝缘层(200)，用以保护含有铜的传导层 (218)，以免其他氧化物污染其表面。 图3所示，为将EMIB(200、506)进行先进封装至封装基板(514)後的横截面图。本专利记载 ，EMIB(506)本身不属於封装基板(514)，而是被嵌入至封装基板(514)所定义出的空腔内 。当EMIB(506)完成嵌入後，透过凸块(508A、508B、510A、510B)承载不同的晶粒(502、 504)，并将不同的晶粒之间电性连结。举例来说，晶粒(502)可为高频宽记忆体(HBM)，而 晶粒(504)可为CPU或GPU等处理器；HBM和CPU或GPU之间的讯号传递，可藉由矽桥内金属化 结构(206)内的金属线层(210、214、217)，与通孔(216)的电路布线进行沟通。 根据英特尔官网的EMIB白皮书，与笔者搜寻到与矽桥有关的发明专利来看，矽桥最初的发 明概念应该不是英特尔，早期台积电也有相关的发明概念，但英特尔却是将矽桥改良并应 用到2.5D封装後，不仅有良好的运算效能与低功耗，而且还能节省成本。英特尔算是利用 EMIB在先进封装技术走出自己的道路，以避开台积电的CoWoS技术。 图4所示，相较於其他多晶粒整合封装技术，英特尔强调自家的EMIB的优点有：第一、 EMIB小，使得跨晶粒的电子讯号的传输路径短；第二、不需要矽穿孔(TSV)与中介层，所 以制程简单；第三、运算效能提高。 图5所示是英特尔的EMIB在高速讯号传输时的优点，相较於其他多晶粒整合封装技术电路 结构内部的复杂连结，与高达将近1万个矽穿孔来说，由於其增加的串联电阻与电容所带 来的冲击，使得高速讯号传输时，讯号完整性(signal integrity)遭受严重的挑战，然而 因为英特尔的EMIB毋需矽穿孔与中介层之缘故，使得高速讯号传输时具有优异的讯号完整 性，并确保传输讯号是可靠的。 整体来说，英特尔的EMIB主打在不需要中介层与矽穿孔的半导体结构下，透过嵌入在封装 基板内的矽桥，而能够将晶粒与晶粒之间电性连结，不仅可达成低成本、低功耗、低延迟 以及高频宽等优点，而且可以节省多晶片在基板上所占据的面积。然而，台积电的CoWoS 则是利用中介层填入导电材料以形成导电通道，并在中介层上形成微凸块(micro bump)， 进而将不同的SoC与HBM之间电性连结。 心得: 英特尔的EMIB技术在半导体封装领域展现出强大的竞争力。它利用嵌入式多晶片互连桥接 的特性，不需中介层与矽穿孔，大幅简化制程并降低成本。相较於台积电的CoWoS，EMIB 的设计更为精简，提供了高效能的晶片间连接方案，并在高速讯号传输中表现出优异的讯 号完整性。 --

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