AI晶片技術專利系列二－英特爾之逆襲利器EMIB 原文網址: https://bit.ly/3Wl9GZT 原文: 本刊之前已剖析過台積電的2.5D版CoWoS，其技術特徵在於兩金屬墊之間插入中介層 (interposer)，並以矽穿孔(Through-Silicon Via, TSV)連結於其間，而台積電正藉由這 樣的CoWoS技術在3奈米獨霸全球。至於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奈米的位置，眼睜睜看著先進製程的市占率，就這樣被台積電的「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，嵌入式多晶片互 連橋接）之2.5D封裝技術。 什麼是EMIB？如圖1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 特徵在於，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，於其邏輯晶片(die)的下方， 設置一個矽橋(Silicon Bridge)並將晶片之間予以電性連結，由於晶片之間傳導電子的路 徑縮短，因而得以加快晶片之間的運算效能。此外，EMIB的另一個優點在於，它不需要中 介層，所以製程上不僅變簡單，而且還可降低製造成本。 根據以上所提到EMIB的技術特徵，將其輸入到自行開發的AI系統Lupix [1]，並針對近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「針對用於半導體封裝矽橋的傳導墊層之交替表面」（以 下稱本專利），其台灣專利號為TWI689072B，而對應的美國專利號為US10177083B2 (Alternative surfaces for conductive pad layers of silicon bridges for semiconductor packages)，分別於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。 圖2所示為英特爾對於本專利EMIB之示意圖。根據其專利保護範圍來看，本專利特別針對 EMIB、矽橋上的晶粒形成方法以及封裝有所著墨，而所要保護的技術特徵，聚焦在EMIB這 樣的半導體結構。具體而言，EMIB(200)包含基板(202)、金屬化結構(212)以及傳導墊 (218)，其中金屬化結構(212)又包含用來傳導電子訊號的金屬線層(210、214、217)，而 金屬線層之間又透過通孔(216)，將不同的金屬線層(210、214、217)給串聯起來，以實現 密集度更高、更複雜的電路結構。傳導墊(218)約為2微米的厚度，其包含銅用以電性連接 至金屬化結構(212)。EMIB(200)最上層設置一絕緣層(200)，用以保護含有銅的傳導層 (218)，以免其他氧化物污染其表面。 圖3所示，為將EMIB(200、506)進行先進封裝至封裝基板(514)後的橫截面圖。本專利記載 ，EMIB(506)本身不屬於封裝基板(514)，而是被嵌入至封裝基板(514)所定義出的空腔內 。當EMIB(506)完成嵌入後，透過凸塊(508A、508B、510A、510B)承載不同的晶粒(502、 504)，並將不同的晶粒之間電性連結。舉例來說，晶粒(502)可為高頻寬記憶體(HBM)，而 晶粒(504)可為CPU或GPU等處理器；HBM和CPU或GPU之間的訊號傳遞，可藉由矽橋內金屬化 結構(206)內的金屬線層(210、214、217)，與通孔(216)的電路佈線進行溝通。 根據英特爾官網的EMIB白皮書，與筆者搜尋到與矽橋有關的發明專利來看，矽橋最初的發 明概念應該不是英特爾，早期台積電也有相關的發明概念，但英特爾卻是將矽橋改良並應 用到2.5D封裝後，不僅有良好的運算效能與低功耗，而且還能節省成本。英特爾算是利用 EMIB在先進封裝技術走出自己的道路，以避開台積電的CoWoS技術。 圖4所示，相較於其他多晶粒整合封裝技術，英特爾強調自家的EMIB的優點有：第一、 EMIB小，使得跨晶粒的電子訊號的傳輸路徑短；第二、不需要矽穿孔(TSV)與中介層，所 以製程簡單；第三、運算效能提高。 圖5所示是英特爾的EMIB在高速訊號傳輸時的優點，相較於其他多晶粒整合封裝技術電路 結構內部的複雜連結，與高達將近1萬個矽穿孔來說，由於其增加的串聯電阻與電容所帶 來的衝擊，使得高速訊號傳輸時，訊號完整性(signal integrity)遭受嚴重的挑戰，然而 因為英特爾的EMIB毋需矽穿孔與中介層之緣故，使得高速訊號傳輸時具有優異的訊號完整 性，並確保傳輸訊號是可靠的。 整體來說，英特爾的EMIB主打在不需要中介層與矽穿孔的半導體結構下，透過嵌入在封裝 基板內的矽橋，而能夠將晶粒與晶粒之間電性連結，不僅可達成低成本、低功耗、低延遲 以及高頻寬等優點，而且可以節省多晶片在基板上所佔據的面積。然而，台積電的CoWoS 則是利用中介層填入導電材料以形成導電通道，並在中介層上形成微凸塊(micro bump)， 進而將不同的SoC與HBM之間電性連結。 心得: 英特爾的EMIB技術在半導體封裝領域展現出強大的競爭力。它利用嵌入式多晶片互連橋接 的特性，不需中介層与矽穿孔，大幅簡化製程並降低成本。相較於台積電的CoWoS，EMIB 的設計更為精簡，提供了高效能的晶片間連接方案，並在高速訊號傳輸中表現出優異的訊 號完整性。 --

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