今天的科技社会,我们随处可见智能二字。智能汽车、智能手机、智能门锁……所有智能化产品都有一个共同点,那就是里面的电子元器件数量越来愈多。如何在有限的空间里塞进去更多的元器件且还能够保持低功耗是半导体产业共同面临的难题。这道难题的其中一个解便是近来大家热议的先进封装,其将成为封装产业的新动力。根据市场调研机构麦姆斯咨询的数据显示,2017-2023 年,全球封装产业的复合年增长率为 5.2%。在此期间,先进封装将以 7%的复合年增长率增长,并在 2023 年达到 390 亿美元的市场规模。

 

9 月 4 日,英特尔在中国上海召开英特尔先进技术封装技术解析会(以下简称:解析会),和到场记者详细介绍了英特尔六大技术支柱,并着重讲解英特尔的先进封装以及在这方面英特尔独有的优势。从解析会上我们了解到,先进的封装技术能够集成多种制程工艺的计算引擎,实现类似于单晶片的性能,但其平台范围远远超过单晶片集成的晶片尺寸限制。这些技术将大大提高产品级性能和功效,缩小面积,同时对系统架构进行全面改造。封装不仅仅是制造过程的最后一步,它正在成为产品创新的催化剂。

 


英特尔六大技术支柱

 

英特尔公司集团副总裁兼封装测试技术开发部门总经理 Babak Sabi 表示:“英特尔是一家垂直集成的 IDM 厂商,具备六大技术优势当中的全部领域的专门技术细节。这也给英特尔提供了无与伦比的优势,从晶体管再到整体系统层面的集成,英特尔可以说能够提供全面的解决方案。”

 

英特尔公司集团副总裁兼封装测试技术开发部门总经理 Babak Sabi

 

英特尔先进封装的技术解读
对于先进封装,大家可以说既熟悉又陌生。熟悉的点在于,包括英特尔在内的顶级的 IDM 厂商,还有全球顶级的外包半导体封装和测试服务(OSAT)供应商,当然还有纯晶圆代工厂商台积电近期都多次对外公布自己的先进封装技术,并且已经有产品面世。陌生的点在于,现在的先进封装依然处于早期的探索阶段,多项技术在同时推进,包括倒装芯片 BGA,扇出式(FO)封装,3D 硅通孔(TSV)等等,每一项技术都深奥且有独特优势,这对大家理解先进封装造成了一定的困难。

 

那么,作为先进封装的推动者之一,英特尔有何独到之处。

 

回顾文章开头我们所讲的话题,当今电子设备内部对于半导体器件而言着实空间有限。因此,就算是采用先进封装,小型化依然是不变的旋律。解析会上,Babak Sabi 向大家展示了一颗很小的先进封装裸片。他表示:“英特尔可以开发非常小的封装,在非常小的裸片上封装三层器件,包括底层的裸片,中间层的 CPU 以及更上层的存储器。”

 


英特尔小型化的先进封装裸片

 

当然,先进封装绝不仅仅是为了将芯片做小。正如英特尔院士兼技术开发部联合总监 Ravindranath (Ravi) V. Mahajan 所言,封装其实非常简单,就是可以把多个功能内部在封装内实现芯片和小芯片的连接,同时也可以帮助我们的整体芯片实现单晶片系统和片上系统的功能。但是,必须要确保的是在整个裸片上的小芯片连接必须是低时延、高带宽、高性能。

 

英特尔院士兼技术开发部联合总监 Ravindranath (Ravi) V. Mahajan

 

首先是低时延。Ravindranath (Ravi) V. Mahajan 指出:“采用先进封装会让系统面积大幅减少。因为物理距离缩减了,我们对电压调节会做得更加高效,还可以带来更加高速的信号传递。得益于高速的信号传导,延迟也可以得到下降。”

 

其次是高性能,同样得益于高速信号传导。Ravindranath (Ravi) V. Mahajan 谈到:“英特尔采用全新的布线方法,让器件之间的串扰变得更少。除此之外,我们也采用空隙布线这样一套全新的生产工艺和流程,可以更好地通过电介质堆栈的设计进一步减少两者之间信号传导的损耗。通过先进封装技术,信号传输已经可以达到 112Gbps,未来希望达到 224 Gbps 的数量级。当然,除了信号的传输速度会得到大幅优化,信号的保真度也会越来越强。”

 

 

第三是高密度以及高带宽的互连。Ravindranath (Ravi) V. Mahajan 在介绍过程中讲到:“英特尔可以在整个封装内实现裸片间的互连,这就是我们的 MDIO 技术。在未来,我们将会继续优化并且迭代这项技术,也希望进一步提高它的互连速度。”

 

能够让先进封装芯片完成如此高的技术指标,Ravindranath (Ravi) V. Mahajan 也给出了原因。他表示:“英特尔拥有多项关键的基础技术,包括像 EMIB、Foveros 还有 Co-EMIB 等等,这些都是 MCP 高密度实现的关键。我们并不仅仅有物理层,除此以外还有先进的 IO 技术和高密度的封装技术这些都可以进行协同设计。”

 

对于先进封装的具体方式,英特尔封装研究事业部组件研究部首席工程师 Adel Elsherbini 做了解释。他指出:“封装互连技术有两种主要的方式,一种是把主要的相关功能在封装上进行集成。其中一个就是把电压的调节单元从母板上移到封装上,通过这种方式实现全面集成的电压调节封装。另外一个是我们称之为 SOC 片上系统分解的方式,我们会把具备不同功能属性的小芯片来进行连接,并放在同一封装里,通过这种方法我们可以实现接近于单晶片的特点性能和功能。”

 

英特尔封装研究事业部组件研究部首席工程师 Adel Elsherbini

 

他介绍称,英特尔主要有三种做法。分别是:一是用于堆叠裸片的高密度垂直互连,它可以帮助我们大幅度的提高带宽,同时也可以实现高密度的裸片叠加;二是全局的横向互连。在未来随着使用小芯片越来越普及,我们也希望在小芯片集成当中保证更高的带宽;三是全方位互连,通过全方位互连可以实现我们之前所无法达到的 3D 堆叠带来的性能。

 

先进封装的共识性难题
先进封装虽然已经出现很多年,但是现在离成为成熟技术还有很长的路要走。目前,先进封装依然伴随着诸多大家形成共识的难题。

 

首先是器件散热问题。Ravindranath (Ravi) V. Mahajan 对此回应称:“冷却确实是需要我们考虑的一个重要问题,也是使用 3D 封装技术重要的考虑方向。英特尔目前有这样的技术存在,可以更好地减少在底部裸片上的热区和热点,也可以通过自己的单片分割技术更好地解决这点。对于第二种方法,英特尔有一套解决方案,可以进一步减少从底部裸片到上部裸片的热传导,更好地改善热属性,可以帮助解决冷却问题。”

 

其次是小芯片互联标准。Babak Sabi 对此讲到:“在业界,我们的确要有一个整体的小芯片互连的标准,这也是为什么英特尔在 2016 年推出了 AIB 高级互连总线技术的一个重要原因。只有在一个统一的标准和小芯片互连的环境之下才能保持更高的带宽,同时帮助我们进一步满足功耗上面的相关诉求。”

 

第三是内存容量和带宽问题。Ravindranath (Ravi) V. Mahajan 表示:“存储器现在是一个限制瓶颈,同时带宽也是重要的限制条件。未来,随着我们对性能需求的进一步提升,提高带宽和扩展存储器容量是必然的。所以,尽管存储器现在是个瓶颈,但是在未来,我们觉得存储器的面积包括带宽还是继续会有一段上升的空间。”

 

 

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