Intel代工的法宝：AI时代的先进封装 想要啥就给你造啥！

说起芯片制造，大家都知道制程工艺的重要性，这是芯片行业的根基，不过随着半导体工艺越来越复杂，提升空间越来越小，而人们对于芯片性能的追求是永无止境的，尤其是进入新的AI时代之后。

这个时候，封装技术的重要性就愈发凸显了，不但可以持续提高性能，更给芯片制造带来了极大的灵活性，可以让人们进化随心所欲地打造理想的芯片，满足各种不同需求。

Intel作为半导体行业龙头，半个多世纪以来一直非常重视封装技术，不断推动演化。

最近，Intel先进系统封装与测试事业部副总裁兼总经理Mark Gardner就特意分享了Intel在封装技术方面的最新成果与思考。

在以往的SoC单芯片时代，封装技术往往不被在意。

随着近些年chiplets芯粒的兴起和流行，封装技术变得至关重要，芯片的复杂度和优化也呈现指数级增长。

比如在一个AI加速器中，一个封装内会集成多个芯片，包括但不限于CPU计算模块、GPU加速模块、HBM高带宽内存和其他各种IP，需要将它们以最合理的方式整合在一起，各自发挥最大性能，还得做到高带宽、低延迟的互联。

这就让封装技术真正走向前台，成为行业焦点。

说到封装技术，Intel应该是最不陌生的，悠久的历史上经历了诸多演变。

早在20世纪70年代，微处理器发展初期，使用的还是Wire-Bond引线键合封装技术，包括QFP方形扁平、QFN方形扁平无引脚，因为那时候的芯片非常简单，甚至可以手工丝焊，直到现在一些简单芯片也在使用。

90年代的奔腾处理器，用上了倒装键合、陶瓷基板的组合，后来又发展出了有机基板，以及初步的多芯片整合封装。

最近几年，Intel处理器的封装技术开始多点开花，EMIB 2.5D、Foveros 3D、EMIB 3.5D、Foveros Direct 3D等各种方式层出不穷，经常还会混合搭配使用，从而制造更加复杂、强大的芯片。

这些技术并非一朝一夕之功，而是长期发展的结果，比如基于EMIB 2.5D的首个产品Kaby Lake-G已经投产将近十年了，它也是唯一一款集成了AMD核显的Intel处理器。

另外，Intel近期还提出了玻璃基板(Glass Substrate)、玻璃核心(Glass Core)，目前仍在推进中，计划在本世纪20年代后半期推出(也就是2025-2030年间)，作为整体平台的一部分。

Intel认为，玻璃核心的关键在于持续扩展，包括微凸点技术、更大的基板尺寸、增强的高速传输等。

在新的形势要求下，Intel Foundry代工增加了系统级架构和设计服务，与产品部门深度合作，不断提出更先进、更高效的封装技术，再反哺给产品设计与制造。

比如几年前的数据中心GPU Max(代号Ponte Vecchio)，就使用了多达5种不同制造工艺，封装了多达47个不同模块，耗费了1000亿规模的晶体管。

这就是Intel代工完整的先进封装产品组合。

最左边是传统的FCBGA(倒装芯片球栅阵列封装)，有两种不同的版本：FCBGA 2D、FCBGA 2D 。

其中，FCBGA 2D就是传统的有机FCBGA封装，仍在量产中，非常适合低成本的简单产品，不需要高速I/O或芯片间高带宽连接。

FCBGA 2D 增加了基板层叠技术(Substrate Stacking)，适合芯片本身不复杂，但是主板连接部分尺寸较大的产品，成本更优，尤其是在网络和交换设备领域。

中间的是EMIB(嵌入式多芯片互连桥接)，也有两种版本：EMIB 2.5D、EMIB 3.5D。

EMIB 2.5D面向单层芯片，也可以进行HBM堆叠，芯片通过基板上的微型硅桥实现连接，适合高密度的芯片间连接，在AI和HPC领域优势显著。

EMIB 3.5D引入了3D堆叠技术，芯片堆叠在一个有源或无源基板上(比如中介层)，更加灵活，比如某些IP模块因为对互联距离、延迟的高要求，不适合水平连接，就得垂直堆叠。

最右边是Foveros，可以细分为两个版本：Foveros 2.5D、Foveros 3D、Foveros Direct 3D。

其中，Foveros 2.5D/3D和EMIB 2.5D/3.5D类似，可以与其他中介层技术结合使用(3D更强调垂直堆叠)，不同之处在于采用基于焊料的方式连接芯片与晶圆，而不是基底连接，适合高速I/O与较小芯片组分离的设计。

值得一提的是，EMIB 2.5D可以非常顺畅地转换到EMIB 3.5D。可以把已经定义、设计和制造的GPU或者HBM芯片采用EMIB 2.5D技术集成，然后无需改变任何设计，就可以再将其集成到EMIB 3.5D封装的单元上。

Foveros Direct技术则进一步采用铜-铜直接键合，而不是焊料与焊料的连接，因此可以实现最高的带宽、最低的功耗。

事实上，这些封装技术都不是独立的，往往并非单一存在、彼此排斥，尤其是AI和HPC产品经常结合使用多种技术，比如可能会采用Foveros Direct 3D，同时与HBM连接，最终形成EMIB 3.5D封装。

这些封装技术并非停留在路线图上，而是现实，已经落地商用，有些更是用了多年，涉及多代产品。

但是不同的芯片如何选择最适合的封装技术，仍然是一个难题，比如为什么说EMIB是AI芯片的理想选择？有哪些优势？上边这张图就可以给出答案。

EMIB 2.5D与硅中介层(Si Int)、重布线层(RDL)中介层等其他2.5D封装技术相比，第一个优势就是最低本。

从图中可以看到，EMIB桥接是一种非常小的硅片，可以高效利用晶圆面积，利用率往往超过90％，而其他中介层技术因为是大型封装结构，会造成很大的晶圆面积浪费，利用率可能只有60％左右。

尤其是扩展到更大面积的芯片复合体时，EMIB的成本优势会呈指数级增长。

第二个优势是最的良率，第三个优势是最快产周期，二者紧密相连。

它不需要晶圆级封装，或者叫芯片对晶圆(Chip-on-Wafer)，这包括将顶层芯片附着到晶圆上，涉及模具、凸点等多个工艺步骤，不但增加了良率损失的风险，所需要的步骤和时间也更长，往往得多花几个星期的时间。

在如今变化多端的市场形势下，如果能提前几周获得样片，并进行测试和验证，对于客户来说是极具吸引力的。

第四个优势源于硅桥嵌入基板的特性，可以匹配更大的遮罩(Reticle)。

制造基板时，实际上是在一个大的方形面板上进行，能够极大地提高面板利用率，而基板尺寸与面板相匹配，可扩展性更好，可以适应大型复杂封装的需求。

对于AI芯片来说，肯定都希望在一个封装中集成更多的HBM，容纳更多的工作负载。EMIB 2.5D就能很好地满足。

第五个优势是多样化的供应链支持。

EMIB为客户提供了更多的灵活性和选择权，而且它已经应用了近十年，拥有成熟的技术和供应链。

Intel一直是2.5D封装的领导者，拥有庞大无比的产能。

第三方数据显示，Intel EMIB 2.5D、Foveros 2.5D封装的总产能，对比行业晶圆级先进封装的总产能，规模领先2倍以上。

因此，无论客户有多么急迫、多么大规模的产能需求，Intel都可以轻松满足。

迄今为止，Intel已经完成了超过250个2.5D封装设计项目，既包括Intel自己的产品，也包括第三方客户的产品，涵盖几乎所有领域。

对于复杂封装而言，测试和验证也是至关重要的一环。

毕竟，当一颗芯片内封装了四五十个不同模块的时候，哪怕只有一个不合格，也会导致整体报废。

所以，不能等待整颗芯片封装完成之后再进行测试，那样风险就太高了。

Intel开发了一种名为“裸片测试”(Die Sort)的技术，将一整块晶圆切割成一个个单独的裸片，在组装到基板上之前就进行分类和测试。

由于裸片面积很小，加热和冷却都可以非常快速、精确，一两秒就能变化约100摄氏度。

这种精确的热控制，使得过去只能在最终测试阶段做的工作，提前到了裸片测试阶段，从而更早地发现缺陷、及时纠正，进而显著提高生产效率与良品率。

裸片在基板上堆叠完成之后、整体封装完成之前，Intel还可以进行一次“堆叠芯片测试”(Stacked Die Sort)，进一步测试与验证功能、性能的完整性。

以一颗包含多个不同模块、采用3D堆叠技术的复杂AI加速器为例，看一下Intel的多种封装、测试技术是如何协同工作的。

首先，EMIB可以替代传统的大型、昂贵的中介层或桥接器，从而降低成本，提高生产效率、良品率。

EMIB有一个很关键的点叫做热压键合(Thermal Compression Bonding)，可以让裸片更高效地组装到基板上。

EIMB可以结合Foveros Direct技术，包括3D混合键合(3D Hybrid Bonding)，获得最佳优化封装组合。

接下来是超大封装(Large Packages)，Intel目前正在开发120×120毫米的封装尺寸，预计未来一两年就能量产，而且不会止步于此。

不过，随着封装尺寸越来越大，很容易出现明显的翘曲(Warpage)问题——NVIDIA Blackwell就不幸遇到了。

为此，Intel引入了一系列创新技术，结合热优化，从而能够在翘曲情况下依然进行板级封装(Board Assembl)。

然后是硅片与封装协同设计(Silicon Package Co-Design)，以及模拟裸片测试(Simulated Die Sort)，它们共同打造了差异化的AI产品。

最后，Intel代工自独立以来，已经调整了策略，从而提供更灵活的代工服务。

比如，客户可以只选择Intel代工的EMIB技术或封装服务，芯片部分则交给其他代工厂。

比如，客户可以只需要Intel代工的裸片测试方案，同样能单独提供。

Intel代工在晶圆制造层面也采取了相同的策略，可以灵活地根据客户需求，提供最有价值的服务。

事实上，Intel与台积电、三星等其他代工厂虽然有竞争关系，但其实一直存在密切合作，制定了互相兼容的设计规则，以确保其他代工厂生产的晶圆，可以兼容Intel代工的封装技术，从而为客户提供更多选择，使其能够自由地综合使用不同代工的技术。

Intel还透露，AWS亚马逊云、思科都已经成为Intel代工的封装服务客户，合作主要集中在数据中心服务器、AI加速器产品领域。

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