一颗处理器是怎样诞生的?我们到英特尔马来西亚工厂探寻了整个流程

  发布时间:2023-09-12 00:31:28   作者:玩站小弟   我要评论
当北半球步入又一个秋季的时候,我受邀踏上了去往赤道国家马来西亚的行程。在此之前,我对马来西亚的印象只有几个关键词:热、马六甲海峡、吉隆坡双子塔和梁静茹。而此行目的地,则是与这些关键词毫无关系的,位于马 。

当北半球步入又一个秋季的颗处时候,我受邀踏上了去往赤道国家马来西亚的理器流程行程。

在此之前,样诞英特我对马来西亚的尔马印象只有几个关键词:热、马六甲海峡、西亚吉隆坡双子塔和梁静茹。工厂而此行目的探寻地,则是颗处与这些关键词毫无关系的,位于马来西亚槟城州的理器流程英特尔封装/测试工厂。

·英特尔海外第一厂:扎根50年烙下深深印记

在航班延误4个小时之后,样诞英特拖着一身疲惫,尔马我们落地在了槟城国际机场。西亚在机场去往下榻酒店的工厂路上,从操着一口类似广西普通话的探寻接机大叔口中,我第一次感受到了英特尔工厂对于这个1049平方公里小岛的颗处意义,以及它在这里深深烙下的印记。

作为英特尔建立的第一批海外工厂,这里已经有着50年的历史,同行的英特尔工作人员在听到这个数字时甚至也有些不敢相信。要知道,成立于1968年的英特尔公司本身至今也仅有55年时间,从中可以窥见英特尔工厂对于这个仅176.68万人口地区有着多么特殊的意义。

这里的英特尔工厂虽然不生产晶圆,但是却覆盖了晶圆生产出来之后所有的切割、封装、测试、调整、出厂流程,也正是因为如此,这里的保密等级非常高,一般不对外开放。即便英特尔自家员工,都很少有人能够真正进入到产线里,隔着机器的玻璃窗去亲眼见证一枚芯片从晶圆切割、封装、测试到最终产出的整个过程。

而我有幸能够成为这次参观团队的一员,算得上是了了我一直以来的一大愿望。因为在这次旅程中,我一口气参观了包含PG8、PG15、PG16三个厂区的英特尔PGAT工厂,同时还参观了位于马来西亚本岛居林(Kulim)的DSDP/SIMS工厂,前者覆盖芯片的封装、测试流程,后者负责生产自制设备(DSDP)以及生产测试设备的系统整合和制造服务(SIMS)。

在这里,我不仅亲眼见证了一枚芯片是如何被封装起来并进行测试的,同时还第一时间看到了英特尔即将发布的Meteor Lake的Die是如何被封装起来,并通过后续严苛测试的。此外在这里,我还看到了拥有1000亿晶体管的英特尔巨无霸AI芯片Ponte Vecchio的封装过程,并且充分感受到了什么叫做“先进封装”、“严苛测试”,同时对英特尔2.5D EMIB和3D Foveros封装技术,也有了更加直观的理解。

接下来,就请大家跟随我的视线,一起走进英特尔位于槟城州和居林的两大工厂去一探究竟吧。

·从封装到测试验证 英特尔为每一颗芯片把好质量关

首先来到PGAT工厂。PGAT是英特尔的后端工艺设施,其中的A代表Assembly封装,T代表Testing测试。顾名思义这里的主要任务就是从芯片封装开始,到最终产品的处理器平台验证测试结束。这是一个年生产数百万芯片的大批量制造工厂。

进厂之前我们需要穿上兔子服(Bunny Suits),戴上橡胶手套,穿上鞋套,戴上护目镜,戴上发套,胡子比较长的话还需要戴上特殊的口罩。这些装备会将我们的全身进行包裹,但它并不是保护我们,而是为了保护晶圆、芯片不受污染。整套装备虽然透气性一般,但因为空调开得足够低,所以不会太过憋闷,唯独橡胶手套戴久了手上会不自觉地出汗,平时在里面工作数个小时的话还是比较辛苦的。

一般来说,晶圆相关的厂区每立方米颗粒物数量不得高于1,这是什么概念呢?咱们医院里的手术室算是非常干净的地方了吧,但它的每立方米颗粒物数量要求为3万左右,大家可以体会一下。

当然并不是每一个厂区都需要如此完整的防护,不过橡胶手套、鞋套、护目镜和连体外套四大件是绝大多数厂区都需要穿戴的。

此外,进厂之前所有电子设备、背包、个人物品等都要留在外面,避免静电、纤维、颗粒物脱落等不确定因素对晶圆和芯片造成污染。要知道,但凡产生污染,那就是高达上百万美元的损失。

英特尔将切割好的芯片存放在下图所示的小盒子中,芯片底部配有特制的底垫(手感像比较有粘性的橡胶,但不粘手)。这个阶段的芯片官方术语叫做“Tile”,比如Meteor Lake就采用了这种设计,其芯片分为CPU Tile(P-core+E-core)、GFX Tile(GPU)、SOC Tile(2个更低功耗的E-core)和IO Tile(各种接口)。芯片就是在这样的状态下被运送到PGAT工厂的。

此外有些芯片还会以类似电影胶卷的方式进行运送,到工厂之后也无需逐一拆封,只需要将“胶卷”挂载到特定的设备上,就可以直接进入芯片封装流程了。

进入封装厂之后,英特尔会根据不同产品线,利用不同的封装技术来进行封装。

马来西亚工厂可以说是英特尔全球范围内最为先进的封装厂了,这里不仅支持2.5D EMIB(Embedded Multi-Die Interconnect Bridge,嵌入式多芯片互连桥)封装技术,同时也支持英特尔最为先进的3D Foveros封装技术。

在这里我看到了很多不同种类的封装成品,比如应用于企业级的至强级处理器,应用于AI领域的Ponte Vecchio以及应用于笔记本电脑的处理器。

这里要聊一聊英特尔封装技术的变化。

以往,芯片封装方法是一个Die对应一个基底去封装,虽然也能够大批量并行生产,但效率并不是很高。

现在英特尔采用的方法是,先成批将蚀刻好的晶圆与带有基础电路的基底晶片进行贴合,再将成型后的整个部分通过高温与PCB基板压到一起,最后再通过环氧树脂溜缝完成整个Die的贴合,效率显著提升。

晶圆

基底晶片

下图展示了从芯片到最终成品的状态,也可以看出一颗处理器主要包含哪些“零件”。比如最下面一行的Ponte Vecchio,最左侧就是各个Die,接着是PCB基板,再右侧是将Die与PCB基板封装贴合之后的状态,最右侧展示了处理器的散热器内层,中间一行最左侧展示的就是整体完成封装之后的状态。

另外细心的朋友可能注意到了,不同芯片表面的颜色也不同,有金色有银色。在询问了英特尔工厂的技术人员之后我们得知,这层金色或银色其实就是镀金和镀银一方面可以提高Die的导热效率,因为金和银的导热系数在金属里都算是非常高的;另一方面则主要是为了应对焊接。

处理器Die的最外层会覆盖银色的金属散热器,它会通过镀镍实现更好的抗氧化性,但是镀镍层散热器与焊接材料铟之间是不方便直接焊接的,因此从上图右侧翻过来的散热器可以看到其内部是有一层镀金层,这是因为金与铟更容易焊接。同时,Die本身也不能与铟直接接触,同样需要一层镀层做保护。一般来说,使用钎焊工艺或者性能强劲的服务器、AI计算芯片都会用镀金。而普通笔记本电脑、台式机处理器的散热器因为是用热界面材料粘在PCB基板上的,所以一般会更侧重散热,因此会使用导热系数更高的镀银层进行处理。

总体来说,一颗处理器芯片的诞生过程可以概括为:生产晶圆——切割晶圆——与基底晶片进行贴合(基底晶片会决定使用镀金或镀银)——通过高温将芯片压到PCB基板上——通过环氧树脂贴合芯片与PCB基板——通过热界面材料或钎焊工艺封上散热器之后,一颗完整的处理器就诞生了。嗯……说起来好像挺容易的……

接下来通过Ponte Vecchio这款AI芯片的封装过程,感受一下英特尔处理器是如何诞生的:

正在进行“点胶”的Ponte Vecchio

在第一层Die上继续“点胶”

扣上第二层镀层之后继续“点胶”

最后封上散热器

正在进行封盖的Sapphire Rapids第四代至强可扩展处理器(2倍速处理)

上图中从下到上依次展示了芯片贴合至基板之后的状态,上完硅脂和散热器热界面材料的状态,以及封上散热器的最终状态。而一旦CPU成品从上盖工序出来,就会被装入托盘进行老化测试,成品在高温和高压下受力,以筛选出残次品。老化测试后,将进行一系列电气测试,以确保只向客户交付功能正常的设备。这包括对所有电气线路和功能的测试。最终成品还会经过PPV测试,即模拟客户终端产品的测试条件和平台。

当芯片完成所有封装、测试验证步骤之后,才会被运送到OEM厂商的工厂里完成最后的装机,没准你买到的机器所使用的处理器就在这张图片中呦。

PGAT工厂除了负责封装之外,也会对芯片做很多测试,下面咱们说几个比较有意思的。

下图是将芯片放入水中,利用超声波对芯片内部结构进行扫描,这个过程会比较慢,但是绘制出来的图片精度非常高,但凡有一点问题都能够被技术人员快速发现。

下图左侧的大机器就是进行超声波扫描的机器,右侧电脑屏幕红框部分标出的就是当前测试芯片的内部结构图。

下图所示测试是利用红外显微镜,对芯片的焊点进行检查。

如果出现问题,右侧电脑显示屏上就会清晰地呈现给技术人员。

此外,整个系统级的稳定性测试也必不可少,通过超长时间的压力测试,可以有效评估整体稳定性。

本次英特尔虽然开放了工厂的参观,但是整个流程还是会受到一定限制,毕竟这里涉及到的信息对于英特尔而言是敏感的,无法全部呈现给大家。其实封装测试部分主要包括六个关键阶段:用于组装的芯片贴装、环氧树脂和盖板安装;用于测试的老化测试、试验和平台性能验证 (PPV)。

测试部分主要是三个关键层面:

其一,根据温度变化检查正常运行状态下的芯片老化测试;

其二,通过流动的电信号区分好坏产品的电气测试;

其三,就是处理器平台验证(PPV),这是针对每个应用程序和客户的最终测试。

在工厂的验证测试实验室里,大量设备同时运行的结果就是噪音非常大,在里面工作一段时间之后必须要适当休息。在这里,英特尔会对这些组装好的芯片在经过一系列温度、应力、性能和质量测试,同时会对芯片的各项子系统,如显卡、内存、连通性、兼容性等方面做深入的验证测试,顺利通过测试之后就能发送给客户了。

这里使用的测试平台与我们平时看见的完全不同,不追求小型化、不追求高度集成性,总的原则就是咋方便咋来。所以你能够在这里看到各种“奇形怪状”的板卡。不过像内存、硬盘等一些核心部件,还是会使用第三方零售产品。

比如下图这块主板,它上面布置了相当多的PCIe插槽,可以同时测试多种PCIe设备的可靠性。

再比如下面这个连接大量线缆的设备,主要测试的是PCIe5.0的速度,整体设计就是遵循怎么方便怎么来的原则,以实现大批量的并行验证测试。

下图这个看起来像是一体式水冷的装置,其实也并不单纯是我们认知中的水冷。它被称作液压气动冷却系统 (HPCS),工厂技术人员也会直接管它叫热管 (thermal head),它的作用是可以模拟各种可能出现的温度变化情况,比如冷启变热、热启变冷、急热急冷等,从而验证最终芯片是否能够在遇到各种情况下都能够保持足够好的可靠性。

因为保密原因,我们是无法把所有测试设备展现给大家的,总之这里就是英特尔技术人员自己发挥想象的地方,很多设备都是英特尔工厂里自己做的,主打原则就是便于做大批量的并行测试,所以很多主板、接口、风扇等设备都与我们在市面上看到的有很大差异,你很难一眼看出它的具体功能。

经过这些严苛测试,英特尔可以确保在芯片封装阶段就完成整体质量把关,将有问题的芯片第一时间剔除。不得不说,目前世界范围内能够覆盖从晶圆生产到最终封装测试的芯片厂商,恐怕除了英特尔也确实没几家了。

伴随着槟城州海滩的绝美落日,我们走完了第一天英特尔PGAT工厂的参观行程。接下来,我们将在第二天一早出发,踏上去往马来西亚本岛小城居林的旅程,在那里,我们将参观英特尔DSDP/SIMS工厂,它主要负责芯片分拣、制备以及系统集成与制造服务。

·探索芯片分拣与制备工厂,是的,我们的顺序搞反了

第二天一早,我们就从槟城州下榻的酒店乘车前往位于马来西亚本岛居林的英特尔DSDP/SIMS工厂,大致路线如下:

从当地人口中可以清晰的感受到,这座连接槟城州和马来西亚本岛的跨海大桥很让他们自豪。而对于我们这些外来人而言,沿途绝美的风景着实是让人心旷神怡。

其实我们所走的这段路,每天都会有很多运输英特尔芯片的汽车往返,它是连接DSDP/SIMS工厂和PGAT工厂的必经之路,在DSDP/SIMS工厂分拣和制备好的芯片,会被运送到PGAT工厂进行封装。所以没错,我觉得我们的参观顺序搞反了,应该先来这里,再去PGAT,这才是英特尔芯片在“马来西亚之旅”的正确路线。

驱车大约1个小时多,我们来到了位于居林的DSDP/SIMS工厂,第二天的行程正式开启。

进厂之前依旧是老节目,穿上兔子服(Bunny Suits),戴上橡胶手套,穿上鞋套,戴上护目镜,戴上发套,胡子比较长的话还需要戴上特殊的口罩,不过这次的服装没有帽子,不需要把头部全部包裹进去。

首先我们参观的是DSDP厂区,这里主要做芯片的分拣和制备工作。进入厂区之后,黄色的光填满视觉,起初颇感不适,但稍微适应一下是没有太大问题的。不过我个人感觉在这里工作个半个小时到1个小时左右得回到正常光线的房间里休息一下,长时间呆着眼睛还是有些不适。

技术人员介绍,之所以这里遍布黄光,主要就是屏蔽紫外线,因为紫外线对于裸露的晶圆会有一定影响,所以这里在分拣制备芯片的过程中,需要无紫外线的环境。

当晶圆从以色列或者美国的晶圆工厂被运送过来的时候,它们就是被放在下图所示的特制的小手提箱里。

技术专家会对晶圆做一些简单的查验。

下图展示了晶圆切割的过程,不过遗憾的是这部分无法提供视频内容。大家可以看到晶圆被切割之后,边角部分会有很多报废的Die,这些边角料都会经过严格的处理,不会随意乱扔,也不会轻易从工厂中流出。

在芯片制备过程中,一个完整的300毫米晶圆会通过研磨、激光划线、机械切割等一系列工序被分割成单个芯片。然后将单个芯片放入传输介质中,就可进行后续分拣操作了。

晶圆箱的搬运基本是通过机器人来完成的,这些机器人会根据地上的引导线对晶圆实施分拣搬运。

机器人的内部白色部分是一根机械臂,搬运晶圆就是靠这个,速度嘛不是很快,但全自动的话是颇为省人力成本的。

有趣的是它在工作时会播放特定的音乐,参观时我只听到一种音乐,非常洗脑。据工作人员介绍说是英特尔某位CEO选定的音乐,40分钟的参观行程下来,我的脑袋里全是这段音乐的回响,不知道在这里工作的英特尔员工们每天脑瓜子里是不是嗡嗡的。

分拣好的芯片会被运送到下图所示的分类模块中,每组分类模块由4×5总计20个构成。在分拣操作过程中,芯片会被检查是否存在缺陷并对其进行性能测试。每个芯片都由一个分类模块进行测试。每个芯片都要在探针卡上进行测试。探针卡上有着数千根比头发丝还细的细针,会连接在测试设备内的集成电路上测量芯片电路的通电,以用于可靠性和缺陷分析。

另外别看一个分类模块重约1000磅,且组合起来非常大,但其实搬运起来非常便利。分类模块由定制设计的升降装置来帮助移动,该装置像气垫船一样漂浮在气垫上,笔者试了一下,一个人移动转移完全不成问题。

当芯片通过测试之后,它们就会被送往装配和测试工厂,没错就是前一天去的PGAT工厂,随后会在散热器和基板之间进行组装,之后再运往各个客户手中完成最终的装配.

DSDP厂区不小,粗略一圈转下来将近1小时,而在离开DSDP厂区之后,除了橡胶手套、护目镜和鞋套,其它装备就都可以脱掉了。因为接下来要去参观的SIMS工厂,对于环境颗粒物的要求就没有那么高了。

·系统集成与制造服务为英特尔自身及合作客户提供可靠支持

SIMS工厂主要负责系统集成与制造服务,它是英特尔独一无二的内部电路板制造和测试仪集成工厂,主要与各部门合作,经过程序收集和数据分析之后,研究并推荐无缝集成整个业务流程所需的系统、设备和技术,同时还会生产用于在英特尔工厂和实验室生产期间测试和验证芯片的设备。而且它不仅仅服务于马来西亚的工厂,还会为世界各地的英特尔晶圆厂、工厂和实验室生产用于CPU开发和生产的测试设备和电路板。

这里其实可以跟大家分享的信息不多,一方面是它涉及的技术太过垂直与专业。另一方面说实话,笔者我也确实是有很多没听懂、没看懂的地方。

所以这里就只给大家介绍三个关键的测试设备。

首先是高密度老化(HDBI)测试仪。它是英特尔开发的可对英特尔CPU执行在高温高压下老化测试的专用仪器。

其次是高密度模块化(HMDT)测试仪,它可对英特尔CPU进行类测试或后台测试。该测试仪用于英特尔工厂和实验室的新产品开发和CPU量产阶段。

第三个是系统级测试仪(SLT)。该测试仪用于确认英特尔产品是否能在类似客户的环境中运行。每台测试仪都能满足CPU的功能和特定要求,以确保足够的测试范围,从而保证产品质量。

·结语

这次马来西亚之行确实是让我大开眼界,除了晶圆生产环节之外,一颗处理器从晶圆切割、分拣、制备到封装、测试验证的整个过程都尽收眼底。这对于我个人而言真的是一次充满惊喜而又神奇的历程。

在这次探访参观工厂的过程中,还有一个细节让我颇有感触,就是在这里工作的英特尔员工们。他们在向我们做自我介绍的时候,都会很自豪地说出自己在这里的工作年限,一些看起来非常年轻的工程师和技术专家们,甚至在这里已经工作了十年以上,而且还有不少员工已经工作了15年以上,从中可以窥见英特尔这家雇主的魅力。

事后我了解到,英特尔马来西亚工厂的员工数量约为15000人,其中40%为女性员工。截至2023年,投资金额达到140亿美元,每年有3000多名学生通过STEM计划接受专业培训,并参与了30多所大学的课程设置。

同时,马来西亚工厂也看重可持续发展的重要性,它拥有美国境外最大的英特尔太阳能发电场,2020-2022年间节约电量8600万千瓦时;自2020年以来实现1.1亿加仑的废水回收;2022年垃圾填埋率小于1%,99%的固体废物得到回收;2023年目标实现10倍的客户端和服务器能效提升,30%的减少碳足迹的参考系统设计提升。

在这里,高端制造、先进封装成为常态。而纵观世界范围内,能够承载下一整套芯片设计、生产、制造、封装、测试验证、系统集成环节的芯片企业,非英特尔莫属。

(8306732)

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