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

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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