AI晶片技术专利系列三－星电子的I-Cube蓄势待发 原文网址: https://bit.ly/3WAmATE 原文: 三星电子於2024年3月初，发布新闻稿称「将第二代3奈米制程的晶片改名为2奈米制造」 ，遭国内外许多媒体酸是为了想超越台积电而企图鱼目混珠，令人困惑且误导大众。姑不 论三星电子是否真正具有2奈米的制造与量产能力，此举反而凸显来自台积电的竞争压力 ，让三星电子念兹在兹拟奋力一搏。继半导体系列AI晶片技术专利系列2、3从技术与专利 的视角，分析台积电CoWoS与英特尔EMIB的技术後，本篇再来看看三星电子在2.5D封装技 术面貌为何。 三星电子与台积电、英特尔一样，都想极力发展出属於自己的2.5D与3D封装技术，根据三 星电子的官网，目前最新的2.5D封装技术为I-Cube (Interposer Cube)，而3D封装技术则 为X-Cube (eXtended Cube)。由於本系列的前两篇都是针对2.5D封装技术做介绍，加上 2.5D封装又是目前市场的主流，所以本篇也以2.5D封装技术来探讨三星电子。 2.5D I-Cube分为I-CubeS与I-CubeE。如图1-(a)所示，是三星电子的I-CubeS的半导体结 构，而图1-(b)所示则为I-CubeE的半导体结构。I-CubeS主要强调，即便在大型的中介层 (interposer)上，搭载许多逻辑晶粒(die)与高频宽记忆体(HBM)，不仅有着令人惊叹的频 宽，而且还有出色的翘曲控制(warpage control)，以及超低讯号损失与高密度记忆体相 结合，同时又有良好的热效率控制(thermal efficiency control)。 至於I-CubeE，主要采用矽嵌入结构，透过精细图案化实现矽桥(silicon bridge)，和 FOPLP（Fan-Out Panel Level Package，扇出型面板级封装），实现了无矽穿孔(TSV)和 大尺寸的RDL（Redistribution Layer，重布线层）中介层结构，不仅具成本效益，而且 有优异的翘曲控制与功率完整性(power integrity)。 乍看之下，三星电子似乎是结合了台积电的CoWoS、与英特尔的EMIB的2.5D封装技术。然 而，通常矽中介层需要增加面积，以容纳更多逻辑晶粒及HBM，而I-Cube的矽中介层比纸 张更薄，仅大约100微米，这样的中介层，是为了承载更多的逻辑晶粒与HBM，才必须使用 大面积的中介层，但这样的风险，就是在微观尺度下容易产生弯曲或翘曲，造成负面影响 。为此，三星透过改变材料与其厚度，研发出可避免中介层翘曲和热膨胀的技术，以实现 I-Cube的商业化。此外，这样的半导体结构，还可防止运算时所产生的高热积聚。 根据上述关於I-Cube的技术特徵，根据AI系统Lupix [1] 针对近10年的专利数据，扫描出 与三星电子的I-Cube相关且符合当今具市场价值的已获证专利。在众多相关专利中，其中 一项重要专利标题为「半导体封装以及中介层」（以下称本专利），其台湾专利号为 TWI661522B，而对应的美国专利号为US10510647B2（Semiconductor Package，半导体封 装），分别於2019/06/01和2019/12/17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的专利价值之PR值(Percentile Rank)为94，也就 是说，其专利价值高过94%的机电技术相关领域中的专利文献。 如图2所示，本专利中揭露一种半导体封装结构之示意图。根据其专利保护范围来看，主 要是透过中介层(110)内以金属材料制成的复数配线层(wiring layer, 112)进行重布线 (redistribution)，进而电性连接至GPU(131)与HBM(132、133)等晶片的连接垫(131P、 132P、133P)，藉此缩短讯号传输的距离，而这样的功能就类似矽桥。 至於包封体(140)可保护GPU(131)与HBM(132、133)等晶片，保护层(150)可保护中介层 (110)不受外部物理冲击或化学冲击，凸块下金属(underbump metallurgy，UBM)接垫 (160P)不是简单的圆形形状，而是在平面中具有突出部分的齿轮形状，以增大凸块下金属 接垫(160P)与电性连接结构(170)之间的接触面积，从而具有锚定效果且可分散应力 (stress)，进而提高电性连接结构(170)的可靠性。 根据本专利的半导体封装结构，可以解决封装过程中可能会出现的翘曲，以及底部填充树 脂的可填充性劣化，更可以避免由於中介层的热膨胀系数，与GPU、HBM等晶片在安装过程 中的材料不匹配所可能出现的裂缝问题。此外，透过本专利的中介层，还可有效地增大面 积且降低成本。 针对台积电、英特尔与三星电子的2.5D版的先进封装技术之发展，可归纳出几个小结如下 ： 台积电的CoWoS，使中介层内的金属线可电性连接多个晶粒的微凸块(micro bump)，以达 到传输各晶片间的电子讯号，然後经由矽穿孔来连结下方PCB，让多颗晶片可封装一起。 英特尔的EMIB，不需要矽穿孔与中介层，仅透过矽桥即可电性连结不同的晶片并封装在一 起。 三星电子的I-Cube，将多个晶片插入中介层，然後透过中介层内的重布线让多个晶片进行 讯号传递；此外，由於中介层的面积变大，使得可承载的晶片更多，也避免掉中介层可能 发生的翘曲。 整体而言，三星电子的I-Cube与台积电的CoWoS、英特尔的EMIB一样，都具备低成本、低 功耗、低延迟、高频宽、最佳化空间使用等优点，三者都有其应用场景，客户可依照产品 的不同需求可做选择。然而，从过去市场上的声量来看，台积电的CoWoS在AI和高效能计 算(HPC)等领域上，可能更受市场欢迎。 心得: 三星电子在2奈米晶片制程更名一事引起舆论不一，但此举实则反映了对台积电竞争的压 力。其I-Cube封装技术展现了对2.5D技术的追求，结合了薄型中介层与金属配线，兼顾性 能与成本。相较於CoWoS和EMIB，I-Cube在可承载晶片数、翘曲控制等方面有其独特之处 ，但市场上的声量仍以CoWoS为主。 --

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