探访英特尔CPU封装工厂内部

英特尔最近邀请全球媒体参观其位于马来西亚的设施，作为英特尔科技之旅的一部分，这是该公司首次向媒体开放该地区的封装设施。与以前侧重于公司半导体制造厂中微处理器的实际制造的之前的参观不同，英特尔的马来西亚之行侧重于生产的下一步：封装，这已成为芯片制造竞争中最重要的领域之一，因为该行业迅速转向芯片芯片化架构，以抵消摩尔定律减速。

英特尔和台积电正在竞争提供最先进封装技术，而英特尔的马来西亚设施在其努力扩大Meteor Lake生产方面发挥着关键作用，这是一系列采用突破性生产技术的消费者CPU。到目前为止，这些设施一直被保密，而这个面纱在我们的参观中笼罩得很浓。这些设施的生产能力以及驱动它们的技术和机器是英特尔最密切保守的机密之一。我们无法将任何东西带入生产线区域，甚至不能带入Fitbit或唇膏，这是安全人员在我们进入和离开受限区域之前和之后通过金属探测器验证的要求。

为了保护英特尔的专有技术，需要保密到这个程度，但这使得记笔记有点困难，尤其是考虑到一旦我们进入建筑物内部，公司分享的技术信息数量之巨。我们不允许向工厂人员提问有关产量、产量或生产能力的问题，也不允许重复或重新提问他们拒绝回答的任何问题；违反这些规定会导致我们被迅速从场地驱逐。这些受限区域的照片也是不允许的，但英特尔为我们提供了数百张经过严格筛选的照片，以便我们可以让您窥见幕后。

在最基本的层面上，芯片封装是处理成品晶圆，将其切割成独立芯片，测试和分拣（分类）芯片，将它们连接到通常涉及与其他芯片复杂连接的基底，然后在顶部放置集成散热器（IHS）以创建一个完全功能的处理器，准备进入分销渠道，最终进入您的个人电脑或其他设备。我们访问的设施包装了许多世界上最优秀的CPU。 虽然这个过程确实不像通过弯曲光来蚀刻纳米级特征来实际制造处理器的神奇过程那么奇特，但芯片封装中涉及的技术魔法也令人费解，特别是考虑到芯片封装的庞大规模。英特尔的运营。该公司每天总共销售近 100 万台处理器，并利用全球包装设施网络（包括位于美国、马来西亚、中国（成都）和越南的设施）来实现这一壮举。

上面的相册中的地图显示了英特尔不同半导体制造工厂（fab）的位置，包括晶圆fab（蓝色）、先进封装设施（绿色）和组装测试设施（橙色），马来西亚既进行先进封装又进行组装测试。马来西亚槟城和居林园区的工厂是该公司包装能力皇冠上的明珠。尽管这些晶圆厂因其 EMIB 封装能力而被列为具有先进封装能力，但他们目前不为 Meteor Lake 进行 Foveros 封装——这一步首先在新墨西哥州的 Rio Rancho 完成。最终芯片采用EMIB 封装的最后一道工序是在马来西亚完成的。英特尔在槟城的持续扩张很快将增加在马来西亚进行 Foveros 封装的能力。

近来，英特尔已经多次举行了其工厂的参观活动，而一系列高耸入云的建筑起重机总是让人很容易从远处看到公司的校区。英特尔的马来西亚校区也不例外。 这些起重机不是为了日常工厂运营而需要的。相反，它们是英特尔的快速扩张的一部分，因为公司正在竞相建设晶圆制造和封装能力，以满足对半导体的需求，有时需求强烈，同时努力实现在四年内推出五个新的工艺节点的目标。公司明确致力于这一大胆的目标；“四年五个节点”是从高管、营销主管到工厂车间人员的每个人都在重复的口头禅。

英特尔已经通过英特尔 7 和英特尔 4 节点实现了这一目标的两个阶段，并表示仍按计划通过英特尔 3、20A 和 18A 实现其他三个里程碑。如果成功，这些先进节点将使英特尔多年来首次领先于台积电，不仅推动英特尔自己的产品，还帮助该公司实现其 IDM 2.0 目标，即为外部客户制造和封装芯片。首次通过其英特尔代工服务（IFS）部门。

英特尔精心策划的 IDM 2.0 赌博需要快速扩大生产，其中一部分由美国政府通过 520 亿美元的 CHIPS 法案提供部分资金，因为该国寻求支撑其本土生产。然而，英特尔 IFS 的部分成功将依赖于其封装能力，亚马逊网络服务是其芯片封装服务的首批客户之一。

英特尔还需要提高自己的先进封装产能，因为它提高了 Meteor Lake 芯片的产量，这是首款采用该公司 Foveros 和 EMIB 封装技术的大批量芯片，而马来西亚发挥着关键作用。 英特尔在马来西亚开始生产，这是其第一个离岸工厂，已有50年历史，最初在其A1工厂有100名员工。马来西亚的设施在英特尔的历史中占有显著地位；在上面著名的照片中，我们可以看到1972年季风来袭后，槟城的员工正在将英特尔联合创始人安迪·格罗夫的车从泥泞中推出。英特尔在马来西亚的业务从最初的卑微起步，迅速扩张；英特尔目前在槟城和居林拥有 15,000 名员工，并拥有 900,000 平方英尺的制造空间。英特尔表示，这些工厂在过去的十年里加工了12亿块芯片，并对超过5亿块芯片进行了“分拣”。

英特尔目前的扩张将提高其在马来西亚的生产面积至200万平方英尺，并总共有700万平方英尺用于运营，分布在16座建筑物中。Meteor Lake的一部分生产将在公司的新Pelican设施中进行，该设施正在其马来西亚槟城校区建设，预计将在2025-2026年时间段内投入使用。英特尔还在其古林工厂建设了一个新的Falcon设施，我们也参观了这个设施。这两个设施紧随最近的其他扩展，显著增加了这两个地点的产能。

01芯片生产工艺流程

英特尔马来西亚工厂的生产流程由多个步骤组成，晶圆首先到达 Kulim 芯片分类和芯片准备 (KMDSDP) 设施，将单个芯片从晶圆上分离出来，其中包括研磨、激光划片和晶圆切片。然后对芯片进行分类，这是在将芯片放置在卷轴上之前测试它们是否有缺陷的过程，然后将它们发送到生产阶段。

然后，带有分离芯片的卷轴被转移到槟城组装和测试 (PGAT) 设施，芯片在那里经历更多生产步骤，包括将芯片连接到 PCB、添加环氧树脂以及连接集成散热器 (IHS)，除其他任务外。

英特尔的参观还包括故障分析实验室、创建下一代设计的设计和开发 (R&D) 实验室，以及创建英特尔在其全球工厂中使用的测试工具的部门。 每个设施都需要一定级别的“兔子服”，这是一种防止机器和芯片损坏的防护服。全套兔子套装由连身裤、脚套、乳胶手套、发网、头罩、面罩和防护眼镜组成。其他区域只需要实验室外套、发网/胡须网和安全眼镜。

就这样，我们就进入了工厂。

023D IC提升效Kulim模具分类和模具准备 (KMDSDP) 这是这次巡演中唯一一个英特尔没有提供 B-Roll 镜头的区域，这是可以理解的，因为这里使用的几乎所有设备都是专有的。

在 Kulim 芯片排序和芯片准备 (KMDSDP) 设施中，新到达的 300 毫米晶圆被放置在承载框架上，中间有一张粘性且灵活的聚酯薄膜将晶圆固定到位。某些芯片（例如移动处理器芯片）需要首先减薄以降低晶圆的 Z 高度。首先将晶圆的背面磨碎，然后将其翻转到另一个聚酯薄膜载体框架上进行额外的处理。该区域沐浴在琥珀色的灯光下，因为常规的紫外线会降解聚酯薄膜背衬，导致其失去粘附性能。 然后，晶圆载体被放入类似前开式通用载体（FOUP）的设备中，这是一个塑料载体，可以垂直堆叠多个晶圆载体，并移动到一个激光划线机器，用于在各个芯片周围刻蚀晶圆，以提供锯切过程的引导。 划线后，FOUP 被放入带有金刚石刀片圆锯的晶圆切片机中，圆锯通过强大的水射流进行水冷，在切割过程中将液体引导到锯片上。英特尔没有提供切片机内部结构的图片，但两个锯片可以同时在单个晶圆上工作，将晶圆切割成单独的芯片。强大的水射流既可以冷却刀片，又可以去除颗粒，水会喷回并遮盖观察口，使技术人员能够监控整个过程。

考虑到微米级的精度，被称为分割的锯切过程的速度令人难以置信地快——锯子切割晶圆时仅部分穿透承载框架上晶圆下方的超薄聚酯薄膜，在切割晶圆时仅有效地刮擦它芯片上功能逻辑单元（晶体管）的微米范围内。 然后将承载框架放回到 FOUP 中并移至贴片机。在这里，聚酯薄膜暴露在紫外线下以减少其粘附力，同时销钉从下方推动以将芯片从聚酯薄膜中释放出来。同时，机械臂利用真空吸力抓取单个芯片，并将其摆动到粘性芯片承载框架。

同样，这个过程以极快的速度进行，每个芯片在不到一秒的时间内被提升并摆动到载体上，迅速将晶圆拆成单独的芯片。已知有缺陷的芯片和晶圆周边未使用的芯片被留在载体框架上以被丢弃。 然后，模具承载器由自动引导车（AGV - 下文详细介绍）移动到分类/测试机。这些机器测试芯片电路的电气特性，以进行可靠性和缺陷分析。

每排机器都有 20 个单独的测试单元，重量超过 1,000 磅，看起来大约三英尺高、六英尺长。这些测试单元每台机器排列成五列，每列有四个堆叠的测试单元，从而允许每组中同时测试 20 个芯片。

每个单元都分配有一个芯片载体的芯片进行测试，测试是连续进行的，每个载体的芯片数量根据类型和尺寸而变化。芯片载体被插入机器的一端，并自动从内部移动到其中一个测试单元。当然，这些机器的生产率是一个严格保守的秘密。

工厂里似乎有无数台 20 台大型机器，一排排在巨大的占地面积中辛勤地工作，但我们当然不被允许计算机器的数量。 在这里，我们可以看到其较大外壳外的一个单独的测试单元。这些热插拔单元可以使用特殊的升降机进行拆卸，以便进行维修或检查，而无需中断该组中的其他 19 个单元。如果英特尔使用传统的轮式升降机，每台机器 1000 磅的重量将超过地板的重量限制，因此这些升降机漂浮在气垫上，就像气垫船一样，将重量均匀地分布在地板上。这些运输机器可由一个人轻松推动和操纵。

上图显示了每个测试单元内的测试板。每块板都有一个带有大约 2,000 个发丝状引脚的“插座”，这些引脚与芯片配合以进行一系列测试。英特尔在其系统集成和制造服务 (SIMS) 工厂生产这些定制测试板和机器，我们将在下面介绍。这些板可以测试多种类型的芯片，而无需更换内部测试板。

测试后，功能芯片被发送到卷轴上，以便运输到下一个生产设施。这些卷轴很像盒式磁带，模具以设定的间隔连接到缠绕在轴上的色带上。 尽管在上面的图片中没有展示得很多，但一支由自动引导车（AGV）组成的军队不断穿梭在通道中，它们在空气垫的支撑下运行，将晶圆/芯片的FOUP（前开式通用载体）在各台机器之间移动，就像测试单元举升器一样。

AGV的中间部分有一个机器臂，用于从生产车间墙壁上的机械化储存单元中取出FOUP。然后，AGV将FOUP运送到目的地并将其加载到测试机器中。正如您在这个视频中所看到的，英特尔在一些设施中使用自动化的轨道引导天花板输送FOUP，而在其他设施中则使用AGV，这取决于成本和周期时间要求。

AGV的每个角落都有各种传感器，用于防止与其他AGV或人类的碰撞，但似乎传感器的详细信息已被编辑出了图片。每个电动AGV可以连续运行约一个小时，然后必须返回充电站，这也许可以部分解释生产车间中有如此多的AGV单位。

这些机器不像从校车听到的脉冲蜂鸣声那样，它们在地面上巡行时会播放一系列的音乐般的蜂鸣声，以提醒人类它们的存在。AGV车队通过自动化软件控制，根据中央人类控制器的谨慎监督路由这些机器。所有FOUP都有RFID标签，以确保它们在运输过程中得到精确跟踪。

03槟城组装与测试 (PGAT）成品模具卷到达槟城组装和测试 (PGAT) 设施进行处理，该流程包括多个步骤：芯片附着：芯片从卷轴上取出并附着到 PCB 基板上。环氧树脂：环氧树脂放置在芯片和 PCB 之间，以确保应力均匀分布。盖连接：将热界面材料 (TIM) 放置在芯片顶部，然后将集成散热器 (IHS) 连接到芯片上方的封装上。老化：成品 CPU 在高温和电压下进行压力测试，以检测缺陷。测试：执行另一系列电气测试以确保功能。平台性能验证 (PPV)：芯片在模拟最终用户平台和条件的环境中进行测试。 在上面，我们可以看到 PGAT 设施通过将芯片安装到 PCB/基板上而创建的复杂的多芯片芯片封装。第一张图显示了 Ponte Vecchio 芯片在环氧树脂应用过程之前（右）和之后的情况，环氧树脂应用过程是在芯片粘合到 PCB 之后进行的。正如您所看到的，环氧树脂排列在封装上芯片的边缘。

芯片连接过程首先将带有不同类型小芯片的不同卷轴安装到另一台取放机器中，该机器剥离所需的芯片并将它们放置在 PCB 上。英特尔通过在 PCB 上安装四个芯片来创建 Sapphire Rapids 封装来演示这一过程。芯片被放置在 PCB 顶部，热压机加热芯片，将 PCB 上的数以万计的焊料凸块粘合到芯片底部的焊料凸块上。该过程将芯片加热到 300°C 并持续一段未指定的时间，从而形成允许芯片与其主机通信的关键连接。

芯片连接工艺需要绝对的精度才能精确地匹配焊料凸块，因此该系统使用先进的光学对准将芯片完美地对准 PCB 上。具有一定柔性的模具还通过真空系统保持完全平坦，该真空系统对模具的整个跨度施加吸力。同时，一个类似的吸力板将 PCB 固定到位。

熔接到 PCB 上后，芯片和 PCB 之间会留有微小的气隙。当接下来使用集成散热器 (IHS) 或最终用户拧紧 CPU 冷却器时，这可能会导致应力不均匀。更不用说芯片使用寿命期间每天发生的热膨胀和收缩可能会导致焊点破裂。

为了解决这个问题，英特尔在 PCB 和芯片之间应用了一层环氧树脂，但不会将流体直接注入气隙中。相反，一个喷嘴（或两个，在某些情况下）沿着芯片的边缘施加环氧树脂，毛细管效应完成其余的工作，使环氧树脂均匀地分布在芯片下方。

英特尔将这种环氧树脂应用于芯片的一侧、两侧或三侧，具体取决于芯片的尺寸和复杂性。您可以在上述视频的 18 秒处看到毛细管效应的作用。然后，英特尔对芯片进行非破坏性超声波扫描，以检查芯片下方环氧树脂中的气隙，尽管我们被告知发现气隙的情况很少见。

一些芯片现在转向盖子连接工艺（移动芯片没有 IHS）。英特尔首先应用热界面材料（TIM），例如用于大多数主流处理器的标准 pTIM（聚合物 TIM），或用于需要更多冷却的芯片的 sTIM（铟焊料 TIM）。 将 TIM 应用到芯片后，在芯片区域周围放置粘合剂，集成散热器 (IHS) 的边缘将在该区域与 PCB 配合。然后，机器将散热器放置在封装顶部，并在加热时对其进行压缩。

我们了解到，与标准 pTIM 相比，焊料 TIM 需要更长的加热和压缩时间以及更高的温度。它还要求在施加焊料之前首先为芯片准备特殊涂层，从而增加了工艺流程的时间。尽管我们被告知这会显着降低吞吐量，但我们没有得到任何关于周期率有多长的指示。

然后，处理器会经历老化测试过程，该过程在较长时间内采用高温和电压来检查缺陷。与英特尔的其他测试机器一样，定制的高密度老化 (HDBI) 测试机器可以并行测试多个芯片，以提高测试吞吐量。英特尔没有提供完整机器的任何图片（部分机器可以在 SIMS 部分中看到），但它很大。该机器可以同时测试多种类型的芯片，从 Ponte Vecchio 到 Meteor Lake。在这里，根据芯片的特性和功能单元（CPU 和 GPU 核心）的数量，将芯片分为不同的变体，从而将芯片分配为 Core i9、i7、i5 或 i3，或者分配为 F - 图形单元有缺陷的系列型号。

测试并不止于此。老化后，芯片将进行一系列电气测试，然后进入模拟实际使用的平台性能验证 (PPV) 阶段。PPV 测试阶段使用系统级测试机，在芯片运行 Windows 等操作系统时，用各种实际工作负载对芯片进行轰炸，然后在运行 Linux 等另一个操作系统时循环进行其他测试。

有些芯片没有通过这些严格的测试，因此它们需要前往故障分析实验室进行进一步检查。这些有缺陷的芯片最终会进入故障分析实验室进行一系列测试，以确定故障的性质，然后，如果需要的话，进行一系列可能具有破坏性的更深入的测试。

有缺陷的芯片在顶部监视器上运行程序，而功能齐全的芯片在下面的监视器上运行。可以看到一系列伪影，这些伪影表现为有缺陷芯片上显示器右下角的亮光，这表明芯片中存在错误。 该芯片在整个制造过程中通过了多层测试，但在PPV阶段发现了缺陷。正如您可以想象的那样，在完全通过压力和电气错误测试的芯片中找到此类随机错误可能是一项艰巨的任务，但找到问题的根源可能更具挑战性。 英特尔采用了一系列测试技术，包括超声波、红外线和声纳，来隔离缺陷并研究故障处理器。定位缺陷后，可以使用破坏性方法（例如研磨或使用离子束）进一步研究该问题。这些信息会反馈给设计团队，以帮助开发更新的处理器步骤或改进生产流程，以消除经常出现的错误（如有必要）。

04马来西亚设计与开发实验室（MDDL）
马来西亚设计与开发实验室 (MDDL) 负责大规模测试，以帮助验证新的处理器设计和 IP。该领域的团队致力于预发布芯片的开发，并通过一系列实际测试来帮助验证核心 IP，例如 E 核和 P 核芯片、SoC 设计和芯片组。 毫不奇怪，这是我们在旅行中看到的守卫最严密的区域之一。我们在一个区域进行了有关英特尔未来 E 核的演示，奇怪的是，这个区域的过道上都是空的货架。我们被告知该地区的系统在我们到达之前已全部被拆除，因为他们正在测试未发布的产品。值得注意的是，该区域用于我们的“下一代 E-Core”演示，因此可以安全地假设正在测试的芯片属于 Sierra Forest 品种。 这些团队还负责新处理器的功率和热特性分析，帮助最终调整电压和频率的正确组合，以确保稳定运行。其他团队与英特尔的客户合作，帮助他们开发高度调整的系统设计以适应最新的芯片，通常是直接自己进行调整，有时则通过提供参考板和设计。

05系统集成和制造服务 (SIMS)
许多人不知道的是，英特尔拥有自己的装配线，为其全球工厂生产高科技测试设备，其总部位于居林。

系统集成和制造服务 (SIMS) 工厂生产英特尔高密度老化 (HDBI) 测试仪等测试设备，用于对英特尔处理器进行老化压力测试，正如我们在组装和测试部分中概述的那样。 该组还包括高密度模块化测试仪，英特尔用于在将其芯片发送到 PCB 之前对其进行测试和分类，以及系统级测试仪机器，用于在实际条件下测试并连接实际操作系统和外围设备到主机系统。

该小组还创建了英特尔的参考验证平台 (RVP)，这是在任何新芯片的开发阶段使用的定制主板。事实上，他们制造了我们几年前在英特尔超频实验室看到的平台，更不用说英特尔在其全球设施中用于测试其产品的许多其他设备了。

这些产品主要是通过体力劳动制造的，这方面没有太多自动化，但英特尔自己制造这些产品，以保护其专有内部技术的发展。 06最后的想法

英特尔拥有大量尖端芯片封装技术，这不仅有助于它通过 Meteor Lake 转向基于小芯片的设计（英特尔的说法称为“tiles”），而且还可以将其封装服务出售给其他公司，作为其一部分英特尔代工服务计划。事实上，英特尔的第一批 IFS 客户就被其封装服务所吸引。由于目前封装产能短缺导致英伟达的 AI GPU 短缺（台积电称这一问题在一年半内无法解决），可以肯定的是，英特尔将在这些服务上看到更多的兴趣。

在封装方面，英特尔近期最大的目标是扩大其先进封装业务的规模。Meteor Lake 代表英特尔首次在其大批量客户端处理器系列中使用先进封装，这可能是一项棘手的工作。消费市场需要大量出货，英特尔计划到 2025 年将其先进封装产能翻两番，其中除了在美国槟城和 Rio Ranco 的投资外，还包括在居林投资 70 亿美元建设新工厂。该公司甚至还承诺在波兰建造一座先进的封装工厂，尽管这一努力的时间表仍然在变化。

然而，英特尔也面临着挑战：成本。先进封装的成本总是高于当今大多数芯片所使用的标准单芯片封装工艺，在消费市场中，这可能会限制其对追求性能优势的高端型号的适用性。我们可以预计这些成本最终会随着时间的推移而降低，但它们仍然是英特尔 Meteor Lake 系列芯片的一个因素，也许后续的 Arrow 和 Lunar Lake 处理器将采用类似的 3D Foveros 设计。

是的，将芯片与多个其他较旧且较便宜的工艺节点封装在一起的能力可以降低总体成本，英特尔正在利用这一优势，为其 GPU、SoC 和 I/O 模块采用从台积电外部采购的模块。然而，它仍然比使用其他更简单的封装形式更昂贵，例如 AMD 与其 Ryzen 和 EPYC 系列一起使用的基于 SERDES 的互连，这些互连也利用了不同工艺节点的组合。为了使先进封装从经济角度获得回报，最终产品必须提供足够的性能或功耗优势，以证明额外成本是合理的。

英特尔尚未透露最初的 Meteor Lake 芯片的细节，但它们显然不会用于高端台式机型号——据称英特尔将继续依赖单芯片处理器来满足该细分市场的需求，而 Meteor Lake可能主要针对移动应用程序。目前还不清楚 Meteor Lake 是否将包含英特尔的所有移动产品或仅包含高端型号的子集。

当然，英特尔还推出了大量大批量多芯片服务器芯片，例如 Sapphire Rapids。但在这里我们看到英特尔在中端和低端型号中仍然依赖单芯片处理器，大概是出于成本原因。规模经济应该对此有所帮助，但我们也预计 Emerald Rapids 和 Granite Rapids 可以采取类似的方法，多芯片芯片仅用于产品堆栈的上层。

降低成本的关键往往只是获得大规模生产的效率，而英特尔在这方面有一个坚实而快速的扩张计划，可以使其在未来几年内处于先进封装产能的前沿。更不用说在大批量包装操作方面拥有丰富的经验了。然而，台积电等其他公司也拥有有前途的技术，这些技术将使英特尔保持警惕，因为其主要竞争对手正在为其他竞争对手提供动力。

没有其他 IDM 能够像英特尔那样以领先的规模运营，但该公司过去在工艺节点技术和芯片设计方面的失误给该公司留下了阴影，而这种阴影现在才刚刚开始显现出来。然而，与我们经常读到的有关英特尔状况的负面新闻不同，其马来西亚工厂的员工充满乐观，他们的共同目标是让公司恢复昔日的辉煌。

英特尔在四年内开发出前所未有的五个节点（技术上是六个），其在工艺技术方面的进步对于重新获得领导地位至关重要，但在全面恢复计划有时间实施之前，其封装技术可能成为无名英雄有助于抵消落后于竞争对手一两个节点的影响。