採用可靠的封裝技術，製造尺寸最大可達240毫米x240毫米的超大型封裝產品。
前言
如今最先進的人工智慧系統依賴於來自多個工藝節點和代工廠的更大、更複雜的晶片和晶片元件，這對先進封裝提出了前所未有的要求。在2026年IEEE電子元件與技術大會（ECTC）上，英特爾晶圓代工的兩個研究團隊提出了互補的方案來應對這一轉變：一個團隊概述了下一代人工智慧晶片封裝的架構藍圖，而另一個團隊則著手解決隨著封裝尺寸增大而出現的關鍵製造瓶頸。對於建構人工智慧平台的客戶而言，這些進展意味著更高的系統計算密度、更佳的能效，以及無需全新系統架構即可擴展下一代工作負載的能力。
本文的先進設計團隊闡述了如何設計和製造尺寸最大可達240 mm x 240 mm 的超大尺寸封裝 (HLFF)，將計算晶片陣列、高頻寬記憶體 (HBM) 和 I/O 元件整合到單個平台上。與此同時，組裝技術開發團隊開發了材料和工藝創新，以實現更大尺寸封裝的可靠性。這些努力共同推動了 HLFF 封裝從概念走向可製造的現實，為人工智慧資料中心、科學超級計算和大規模模型訓練系統提供支援。
01. 願景：打造人工智慧領域最大的晶片封裝
幾十年來，計算性能的提升主要得益於電晶體尺寸的縮小。隨著計算需求的加速增長，單個封裝中需要整合更多元件，因此，通過將多個晶片組裝成一個統一的系統，在封裝層面整合更多矽片，可以不斷提升工藝節點的微縮性能。
我們的先進設計團隊利用 HLFF 封裝將這種方法擴展到了前所未有的規模。這些設計將計算晶片陣列與 HBM 和 I/O 元件整合在一起，並通過嵌入式多晶片互連橋-T (EMIB-T) 技術連接。這些嵌入式矽橋提供高密度互連，使每個通道的資料傳輸速率超過 64 吉位元每秒 (Gb/s)¹。對於系統設計人員而言，這意味著與多封裝方案相比，更高的計算密度和更低的延遲。
該研究探討了兩種配置方案。配置方案 A 使用 EMIB-T 橋接器進行所有晶片間通訊，從而最大限度地提高頻寬和良率。配置方案 B 通過襯底進行處理器通訊，降低了硬體複雜性，但犧牲了一些性能。兩種方案在性能、成本和設計靈活性之間提供了不同的平衡。
這兩種方法都可擴展到 240 毫米 x 240 毫米的封裝，其路線圖不僅涵蓋 12 倍光罩整合，還涵蓋更遠的接近 50 倍的面板級系統。¹ 它們共同定義了建構迄今為止最大、最複雜的 AI 計算平台的路徑。
02. 工程挑戰：規模化需要什麼
從當今的封裝規模過渡到 HLFF 規模意味著要同時解決幾個相互關聯的工程問題。
資料傳輸速度必須足夠快。在封裝內部，採用金屬層厚度小於 2 微米 (µm) 的 EMIB-T 橋接技術，可實現 AI 工作負載所需的晶片間和晶片與記憶體間連接速度，達到每通道 64 Gb/s。對於封裝外的通訊，該研究評估了共封裝銅纜連接器和共封裝光器件，認為它們是實現業界預計的下一個封裝外速度目標 448 Gb/s 的主要方案。¹
高效供電。在HLFF尺寸下，從封裝邊緣供電的效率越來越低。該研究提出將矽電容器嵌入襯底內部，並直接位於晶片下方，從而在每個完整光罩晶片面積上提供高達1毫法(mF)的局部儲能。¹ 將穩壓器移至封裝上或封裝內部，還可以使其更快地響應晶片不斷變化的功率需求。
為了提高良率，團隊提出建構冗餘機制，在現有通訊通道之外增加備用通道。每組 64 個通道中只需增加三到四條備用通道，即可將捆綁良率從約 97% 提升至 99% 以上¹。在 HLFF 規模下，這一差異對於實現經濟高效的生產至關重要。
保持封裝平整。研究團隊模擬了室溫下封裝自由翹曲高達 7 毫米的情況，這種翹曲足以破壞電氣連接和熱接觸。提出的解決方案結合了厚加強環、低膨脹玻璃芯基板和多球焊錫工藝。運行過程中，施加約 4500 牛頓 (N) 以上的力向下壓冷卻硬體，有助於保持封裝近乎平整。
千瓦級散熱管理。HLFF封裝預計總功率為15至25千瓦（kW），局部熱點需要強力冷卻。該研究提出了一種模組化、基於單元的冷卻架構，取代了傳統的大型冷板，該架構具有獨立控制的熱區和嵌入式感測器，旨在實現每個模組超過5千瓦的冷卻能力。
該設計方案指出但並未完全解決的一個挑戰是封裝：即用保護材料將晶片密封到封裝體上。隨著封裝尺寸的增大，這一過程變得越來越困難。這正是組裝技術開發團隊的工作重點。
03. 封裝難題：規模化生產中密封難度加大
晶片封裝依賴於底部填充材料，該材料通過毛細作用流入晶片下方，保護晶片與基板之間的連接處。這種方法在小尺寸封裝中效果良好。但隨著封裝尺寸和晶片尺寸的增大，填充材料需要流動的距離也更長，這使得實現完全填充變得更加困難。
尺寸縮放的影響顯而易見：早期的封裝所需的底部填充液最大流動距離約為 22 毫米。如今的大型 EMIB 封裝的流動距離超過 43 毫米。在 HLFF 架構所追求的 5 倍至 10 倍光罩尺寸下，流動距離進一步增大，流動挑戰也變得更加複雜。晶片表面材料的差異和焊點間距的變化會增加阻力，使均勻流動更難實現。消除氣穴或空隙可以減少故障點，並提高產品在其使用壽命內的可靠性。
04. 大規模無空隙工藝
我們的組裝技術開發團隊通過三個協調的槓桿來解決封裝問題：材料、點膠策略和固化。
首先，研究人員最佳化了底部填充材料，以平衡流動性和可靠性。較低的粘度可以延長流動距離，但減少填充物含量會增加熱應力。研究團隊針對典型的封裝車輛開發了一種直接流動測試方法，以確定既能延長流動距離又不犧牲機械完整性的配方。
其次，他們重新設計了點膠策略。該團隊不再僅僅依賴邊緣點膠，而是引入了多點點膠技術，包括在晶片之間點膠，以減少有效流動距離並提高覆蓋率。
最後，通過最佳化固化工藝，消除了點膠後的缺陷。最佳化的固化條件消除了空隙，使缺陷尺寸達 3.4 毫米的封裝最終完全無空隙。² 這些進步共同降低了缺陷風險，並提高了大規模生產中的工藝一致性。
05. 從概唸到可製造現實
這些創新已在符合 HLFF 架構的各種封裝類型中得到驗證。基於 EMIB 的封裝，其光罩尺寸超過 5 倍，包含 18 個晶片（其中包括 12 個 HBM 堆疊），在超過 40 毫米的流動距離下實現了無空隙封裝。尺寸超過 7 倍光罩的更大尺寸拼接式 EMIB 封裝也展現了無空隙封裝的效果。在 Foveros 3D 封裝中，光罩尺寸為 2 倍和 4 倍時均實現了無空隙封裝，其中 2 倍光罩設計通過了全面的可靠性測試，包括 700 次溫度循環和超過 1000 小時的高溫應力測試。
雖然擴展到完整的 HLFF 尺寸仍然是未來的步驟，但這項工作通過將建築願景與可製造的建構模組聯絡起來，建立了關鍵的工藝能力。
06. 接下來：攜手解決下一個規模的問題
在 ECTC 2026 上展示的研究成果將封裝技術推進到 7 倍光罩尺寸，並定義了最大尺寸為 240 mm x 240 mm 的架構，但兩個團隊都在積極推進更進一步。他們的路線圖目標是在近期內實現 12 倍光罩尺寸以上的封裝，並通過持續縮小間距、整合主動橋接電路和共封裝光學元件，最終實現接近 50 倍光罩尺寸的面板級系統。封裝技術的研究也在朝著同樣的尺度發展，使製造能力與架構目標保持一致。
這些發展為客戶提供了一條清晰的路徑，使其能夠利用更高的計算密度、新的互連技術和下一代部署模型來擴展未來的 AI 系統。 (EDA365電子論壇)