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AI晶片技術專利系列二-英特爾之逆襲利器EMIB

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科技產業資訊室(iKnow) - 陳家駿、許正乾 發表於 2024年5月2日
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圖、AI晶片技術專利系列二-英特爾之逆襲利器EMIB
 
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。

圖1、EMIB先進封裝概念之示意圖

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2、英特爾對於本專利EMIB之示意圖

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。

圖3、EMIB(200、506)進行先進封裝至封裝基板(514)後的橫截面圖

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4、英特爾的EMIB相較於其他多晶粒整合封裝技術的優點

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。

圖5、英特爾的EMIB在高速訊號傳輸具有優異的效能

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。(1757字;圖6)

作者資訊:
陳家駿律師  台灣資訊智慧財產權協會理事長 

許正乾執行長  因子數據股份有限公司共同創辦人 


註解: 

[1] 因子數據自行開發的AI系統。


參考資料:
英特爾製作的YouTube影片:Intel EMIB Technology Explained
英特爾官網:為 AI 時代締造系統級晶圓代工
Alternative surfaces for conductive pad layers of silicon bridges for semiconductor packages. Google Patents, 2015.
針對用於半導體封裝的矽橋的傳導墊層之交替表面。Google Patents,2015


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