專利名稱：電子器件及其承載襯底的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電子器件，其包括至少一個(gè)半導(dǎo)體器件，在一側(cè)面上設(shè)有多個(gè)鍵合焊盤(pán)；以及由電介質(zhì)材料制成的承載襯底，其具有第一側(cè)面和相對(duì)的第二側(cè)面，它們各自設(shè)有導(dǎo)電層，在所述第一側(cè)面上存在有適合于耦合到所述至少一個(gè)半導(dǎo)體器件的鍵合焊盤(pán)的鍵合焊盤(pán)，并且在所述第二側(cè)面上設(shè)置用于外部耦合的接觸焊盤(pán)，根據(jù)期望的圖案電互連接觸焊盤(pán)和鍵合焊盤(pán)，限定接觸焊盤(pán)的第一部分用于接地連接，限定接觸焊盤(pán)的第二部分用于電源連接，并且限定接觸焊盤(pán)的第三部分用于信號(hào)傳輸。
本發(fā)明還涉及用于這種電子器件的承載襯底。
從US-A 6,448,639中獲知這種電子器件和這種承載襯底。該公知的器件被稱為球柵陣列封裝。對(duì)于各種集成電路來(lái)說(shuō)這種封裝是眾所周知的，并且具有重要的優(yōu)點(diǎn)容易布置在具有焊料球的外部承載體上，且具有提供大量接觸焊盤(pán)的能力，并由此有非常多的信號(hào)連接，通常被稱為I/O路徑。所述公知的承載襯底設(shè)有兩個(gè)導(dǎo)電層，其具有減小這種封裝的成本價(jià)格的優(yōu)點(diǎn)。接觸焊盤(pán)用于接地和電源連接的第一和第二部分設(shè)置在承載襯底的第一側(cè)面上的相應(yīng)鍵合焊盤(pán)的正下方。將這些鍵合焊盤(pán)實(shí)施為同心的接地和電源環(huán)。由于這種結(jié)構(gòu)在鍵合焊盤(pán)與相應(yīng)的接觸焊盤(pán)之間的連接是很短的，這導(dǎo)致寄生電感減小并由此帶來(lái)更好的電性能。
該公知器件的缺點(diǎn)是其利用單一的電源電壓來(lái)進(jìn)行供電。特別是對(duì)于允許以模擬和數(shù)字兩種方式對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理的集成電路、所謂的混合信號(hào)IC來(lái)說(shuō)，優(yōu)選具有更多的電源電壓。這對(duì)于其他集成電路來(lái)說(shuō)也是有利的，因?yàn)榧呻娐分械牟煌δ茉梢跃哂羞m合于各自功能元件的電源電壓。否則在電源電壓與功能元件之間存在失配，這會(huì)導(dǎo)致散熱增強(qiáng)并由于柵極氧化物的低絕緣厚度h而引起過(guò)電壓應(yīng)力。然而，熱管理是當(dāng)前集成電路設(shè)計(jì)中的主要問(wèn)題之一，并且散熱增強(qiáng)是不合需要的。
因此，本發(fā)明的第一目的是提供一種在開(kāi)篇段落中所述類型的電子器件，包括用于提供不同電源電壓的裝置，然而作為承載襯底中互連的結(jié)果，其展現(xiàn)出有限的寄生電感。
第二目的是提供適合于這種電子器件的承載襯底。
實(shí)現(xiàn)第一目的在于至少一個(gè)半導(dǎo)體器件設(shè)有核心功能塊和外圍功能塊，核心功能塊和外圍功能塊各自設(shè)有電源連接和接地連接，將承載襯底在橫向上細(xì)分核心區(qū)域和外圍區(qū)域，在所述核心區(qū)域中設(shè)置用于核心功能塊的接觸焊盤(pán)，而在所述外圍區(qū)域中設(shè)置用于外圍功能塊的接觸焊盤(pán)，承載襯底設(shè)有至少一個(gè)互連，其用于互連外圍功能塊和核心功能塊的接地連接，并且存在用于使核心和外圍功能塊的電源與公共接地去耦的裝置。
通過(guò)由此限定的承載襯底實(shí)現(xiàn)第二目的。
本發(fā)明的器件使得能夠?qū)⒑诵呐c外圍功能塊之間區(qū)分開(kāi)，并且該區(qū)分不僅存在于半導(dǎo)體器件中，而且還物理地實(shí)施在承載襯底中。以這種方式，通過(guò)利用星-點(diǎn)原則來(lái)防止外圍與核心功能塊之間的任何串?dāng)_。另外，在承載襯底內(nèi)在不同功能塊的接地端之間設(shè)置連接。與在外部載體中的實(shí)施相比，承載襯底中的這種連接實(shí)施減小了寄生電感。此外，承載襯底中的連接對(duì)于實(shí)現(xiàn)核心與外圍功能塊之間的信號(hào)傳輸是重要的。對(duì)于該目的，需要耦合兩個(gè)功能塊的時(shí)鐘和其他數(shù)據(jù)信號(hào)，因?yàn)榉駝t不能夠同時(shí)操作。對(duì)于該目的，還提供用于去耦的裝置。結(jié)果是，對(duì)于特別是利用先進(jìn)的IC技術(shù)、尤其是采用具有0.18μm或更小的溝道長(zhǎng)度的技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的集成電路的高速度和工作頻率來(lái)說(shuō)，通過(guò)外部載體對(duì)兩個(gè)功能塊進(jìn)行的這種耦合太慢。另一方面，如果在半導(dǎo)體器件內(nèi)兩個(gè)功能塊沒(méi)有耦合，則會(huì)發(fā)生對(duì)靜電放電(ESD)非常敏感的情況，特別是在結(jié)合使用鍵合引線時(shí)。本發(fā)明的解決方案沒(méi)有這種缺點(diǎn)。
由此實(shí)現(xiàn)，器件展現(xiàn)出具有有限寄生電感的良好性能，并能夠利用不同的電源電壓。同時(shí)不會(huì)妨礙器件的不同部件之間在該器件內(nèi)的任何通信。此外，可以將承載襯底實(shí)施成包括僅為兩個(gè)的有限數(shù)量的導(dǎo)電層。
在優(yōu)選實(shí)施例中，外圍區(qū)域位于核心區(qū)域的周圍，并且將接地平面限定在承載襯底的第二側(cè)面上的外圍區(qū)域中。該接地平面由此作為用于互連外圍功能塊與核心功能塊的接地連接的互連。此外，將外圍功能塊的接觸焊盤(pán)與鍵合焊盤(pán)之間的互連限定在承載襯底的第一側(cè)面上，該互連具有通過(guò)接地參考平面上的單個(gè)跡線適當(dāng)限定的傳輸線特征。
該實(shí)施例的器件具有許多其他的優(yōu)點(diǎn)?；ミB的傳輸線特征使寄生電感減小了至少90％，并且通常情況下更多。以這種方式，外圍區(qū)域內(nèi)的有效寄生電感基本上等于核心區(qū)域的有效寄生電感。這允許使用任何期望尺寸的承載襯底，并且對(duì)于接觸焊盤(pán)的數(shù)量沒(méi)有限制。
此外，特別是對(duì)于倒裝片實(shí)施例來(lái)說(shuō)，減小了用于核心區(qū)域中的ESD保護(hù)的結(jié)構(gòu)數(shù)量是一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。承載襯底與集成電路之間的金屬或焊料球通常具有大約30μm的高度，并且由此提供電壓電勢(shì)的良好限定。結(jié)果，并非所有的用于電源連接的接觸焊盤(pán)需要設(shè)有ESD保護(hù)結(jié)構(gòu)，而僅僅是那些在核心區(qū)域的外部邊緣處的接觸焊盤(pán)需要。另外，在承載襯底的第一側(cè)面上不需要交錯(cuò)排列的焊盤(pán)。隨著對(duì)核心電源焊盤(pán)的需要的減小，可以使用單行鍵合焊盤(pán)來(lái)連接外圍功能塊。
為了獲得互連的傳輸線特征，不僅需要接地平面。此外，互連與接地平面之間的電介質(zhì)厚度應(yīng)該小于承載襯底的第一側(cè)面上的相鄰互連之間的電介質(zhì)厚度。這可以通過(guò)增加承載襯底的材料的介電常數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)以控制串?dāng)_。
因此，襯底的材料可以是諸如聚酰亞胺、聚合物增強(qiáng)玻璃纖維、FR-4(環(huán)氧樹(shù)脂)、FR-5和BT-樹(shù)脂的適當(dāng)材料?？蛇x材料包括填充有具有相對(duì)較高的介電常數(shù)的顆粒的這種材料(例如鈣鈦礦(perowskite)型材料)、包括SiO2、Al-C-O-N的陶瓷材料、通過(guò)燒結(jié)具有嵌入的半導(dǎo)體顆粒的導(dǎo)熱材料的基體(matrix)而可獲得的材料。特別地，優(yōu)選基體材料和嵌入顆粒的組合，因?yàn)檫@允許對(duì)參數(shù)的范圍進(jìn)行優(yōu)化，所述參數(shù)包括介電常數(shù)、熱膨脹系數(shù)、機(jī)械強(qiáng)度和導(dǎo)熱率。在WO01/15182、EP-A 743929、EP03075079.8(PHNL030040，未預(yù)先公開(kāi))中給出了例子。材料的選擇相當(dāng)寬，因?yàn)椴恍枰獌?nèi)部導(dǎo)體。
獲得傳輸線特征的另一手段是減小承載襯底的厚度。此外，使相鄰跡線之間的距離盡可能地一致。除此之外，將承載襯底的第一側(cè)面上的鍵合焊盤(pán)限定在核心區(qū)域的外圍。具體位置當(dāng)然取決于引線鍵合或倒裝片是否用于襯底與集成電路之間的連接。然而，現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)顯示出在承載襯底的第一側(cè)面上存在鍵合焊盤(pán)，其離集成電路的邊緣有相當(dāng)長(zhǎng)的距離并且需要相當(dāng)大的鍵合長(zhǎng)度。這在本發(fā)明的器件中是不期望的，因?yàn)椴煌逆I合長(zhǎng)度對(duì)傳輸線特征具有消極影響并且對(duì)于所有互連是不一致的。
在另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，用于去耦的裝置包括大量耦合在外圍功能塊的電壓與接地連接之間的去耦電容器。除了片上電容器之外，還需要這種去耦電容器，以便在負(fù)載電容器的充電期間保持互連的傳輸線特征行為。優(yōu)選地，如此設(shè)置電容器使得在襯底的相同位置中任何外部載體沒(méi)有去耦電容器。
不將去耦電容器設(shè)置在外部載體上。這種位置允許核心功能塊內(nèi)的電流從集成電路穿過(guò)承載襯底流到外部載體。第一可選位置在半導(dǎo)體器件中，并且通常在集成電路中。具體地，在集成電路的邊緣附近，其中通常設(shè)置多個(gè)鍵合焊盤(pán)，作為設(shè)計(jì)規(guī)則的結(jié)果，留有充足的空間。該空間可以用于這種電容器，而不需要增加集成電路的表面面積。第二可選位置是在承載襯底的第一側(cè)面上、在用于核心功能塊的電源和接地端的鍵合焊盤(pán)之間。適當(dāng)?shù)兀梢詫⑿〕叽珉娙萜骼绫环Q為格式的那些電容器組裝到電路板上。除了集成電路中的去耦電容器之外，還優(yōu)選使用這種分立的電容器，因?yàn)榇?lián)的總電感將基本上高于片上去耦電容的情況。該第二種選擇特別與其中采用引線鍵合的實(shí)施例有關(guān)。
在另一實(shí)施例中，將核心區(qū)域中的接觸焊盤(pán)限定在陣列中，將用于接地連接和用于電源連接的焊盤(pán)如此分布在該陣列中使得對(duì)于用于接地連接的焊盤(pán)中的每一個(gè)來(lái)說(shuō)用于電源連接的焊盤(pán)是其最近的相鄰焊盤(pán)。在該實(shí)施例中，以“棋盤(pán)”圖案限定用于接地連接和電源連接的焊盤(pán)。結(jié)果，核心功能塊的電源連接用作同軸中心導(dǎo)體。由此通過(guò)核心中的電源與接地連接之間的互感來(lái)減小電源路徑中的每一個(gè)的有效電感。這導(dǎo)致較低的接地反彈電壓(ground bounce voltage)，其為在外部載體中的接地平面與到核心的接地連接之間的動(dòng)態(tài)電壓差。接地連接路徑的有效電感將降低50％以上。此外，該圖案允許處理相當(dāng)大的DC電流。核心區(qū)域中的10乘10陣列可以處理高達(dá)4安培以上的DC電流，這對(duì)于利用溝道長(zhǎng)度僅為120nm及以下的工藝進(jìn)行制造的集成電路來(lái)說(shuō)是足夠的。
在另一實(shí)施例中，通過(guò)小組(subgroup)來(lái)限定外圍區(qū)域中的接觸焊盤(pán)，每一個(gè)小組包括一個(gè)用于電壓連接的接觸焊盤(pán)或一個(gè)用于接地連接的接觸焊盤(pán)、以及幾個(gè)用于信號(hào)傳輸?shù)慕佑|焊盤(pán)，所有用于信號(hào)傳輸?shù)暮副P(pán)的相鄰焊盤(pán)是用于電壓或接地連接的接觸焊盤(pán)。特別地，用于電壓或接地連接的接觸焊盤(pán)為該組中的中心接地焊盤(pán)。這種細(xì)分為小組允許在一個(gè)方向上的信號(hào)路徑與相反方向上的信號(hào)路徑(用于接地端或電源的接觸焊盤(pán))之間存在最小距離。這種細(xì)分對(duì)于實(shí)施從承載襯底到外部載體的適當(dāng)傳輸路徑是特別重要的。因此其實(shí)施需要在用于將器件設(shè)置在外部載體上的焊料球級(jí)(level)上進(jìn)行，且因此在承載襯底的第二側(cè)面上的接觸焊盤(pán)中進(jìn)行其實(shí)施。
在另一實(shí)施例中，接地平面被限定在承載襯底的第一側(cè)面上的核心區(qū)域中，并且通過(guò)垂直互連耦合到外圍區(qū)域中的接地平面。事實(shí)上，這為實(shí)際的實(shí)施。因此，在承載襯底的第二側(cè)面上存在用于焊料球的充足空間。
優(yōu)選地，為了機(jī)械穩(wěn)定性的改進(jìn)，在承載襯底的第一側(cè)面上存在硬化層，由此覆蓋部分導(dǎo)電層?；ミB的傳輸線特征導(dǎo)致承載襯底的厚度減小到100或50μm，或潛在地甚至更小，以獲得期望的傳輸線特性。不過(guò)為了使器件具有期望的機(jī)械穩(wěn)定性，可以采用密封。然而，由于熱管理的原因，這不是優(yōu)選的。此外，如果使用鍵合引線，則需要將它們連接到不十分穩(wěn)定的載體上。使用電介質(zhì)硬化劑是可行的解決方案，所述電介質(zhì)硬化劑使第一側(cè)面上的鍵合焊盤(pán)暴露出來(lái)。優(yōu)選但不是必須地，用與承載襯底的電介質(zhì)材料相同的材料制造電介質(zhì)硬化劑。取決于所使用的硬化劑材料，可能需要額外的隔離物來(lái)保持傳輸線特性。
當(dāng)今通常利用引線鍵合或倒裝片技術(shù)來(lái)設(shè)置承載襯底上的鍵合焊盤(pán)與集成電路之間的電連接。在使用引線鍵合的實(shí)施例中，將用于核心功能塊的電源和接地連接的接觸焊盤(pán)適當(dāng)?shù)貙?shí)施為同心環(huán)。這些環(huán)允許如上所述地設(shè)置分立的去耦電容器。
在使用倒裝片的實(shí)施例中，在倒裝片取向上將集成電路設(shè)置在承載襯底上。以相應(yīng)的結(jié)構(gòu)來(lái)設(shè)置集成電路上的鍵合焊盤(pán)和承載襯底的第一側(cè)面上的鍵合焊盤(pán)。優(yōu)選地，在承載襯底的第一側(cè)面上和集成電路背對(duì)鍵合焊盤(pán)側(cè)面的側(cè)面上設(shè)置熱擴(kuò)散層。對(duì)這種熱擴(kuò)散層進(jìn)行適當(dāng)?shù)馗街?，不是將其直接地附著到襯底上，而是將其附著到電介質(zhì)硬化劑或任何其他間隔物層的頂部。
如上所述，采用倒裝片并且核心區(qū)域橫向地實(shí)施在外圍區(qū)域內(nèi)的實(shí)施例，具有實(shí)質(zhì)性的優(yōu)點(diǎn)。首先，不需要交錯(cuò)排列的焊盤(pán)，因?yàn)椴辉傩枰芙缣幍暮诵碾娫春副P(pán)。其次，集成電路和承載襯底的鍵合焊盤(pán)之間的任何焊料球?qū)⑾薅ㄓ糜诤诵膮^(qū)域的良好電勢(shì)。結(jié)果，大大減小核心區(qū)域中所需要的ESD保護(hù)結(jié)構(gòu)的數(shù)量。此外，不需要再分配層，因?yàn)榭梢允钩休d襯底的第一側(cè)面上的接觸焊盤(pán)(特別是用于核心的電源的那些接觸焊盤(pán))形成在該側(cè)面上的導(dǎo)電層中。倒裝片形式的另一優(yōu)點(diǎn)是低IR降或電壓降。對(duì)于老的CMOS工藝允許10％的IR降，但是對(duì)于采用0.18μm或更低的溝道長(zhǎng)度的先進(jìn)IC工藝，其僅為5％。然而，在降低用于那些先進(jìn)IC工藝的電源電壓時(shí)，平均電源電流增加。通過(guò)并行切換封裝互連，至少對(duì)于核心，IC上的IR降減小了。
在另一實(shí)施例中，器件還設(shè)有電源串聯(lián)電感。這種串聯(lián)電感的大小優(yōu)選在0.5-1.0μH的范圍內(nèi)。好的實(shí)施是在時(shí)鐘周期期間維持操作。優(yōu)選地，將電感設(shè)置為外部載體處的分立元件，且更為優(yōu)選的是在與核心區(qū)域相應(yīng)的區(qū)域內(nèi)。或者，電感可以集成在外部載體中或承載襯底中。優(yōu)選地，電介質(zhì)材料然后適當(dāng)?shù)卦O(shè)有磁性顆粒，例如鐵氧體材料的磁性顆粒，以便增強(qiáng)該電感。
可以觀察到本發(fā)明的電子器件包括至少一個(gè)半導(dǎo)體器件。通常，該半導(dǎo)體器件為集成電路?；蛘?，可以提供不止一個(gè)半導(dǎo)體器件，例如集成電路和二極管、放大器和收發(fā)器、放大器和諸如濾波器和天線開(kāi)關(guān)的其他RF部件、或第一和第二集成電路。在兩個(gè)集成電路的情況下，核心功能塊可以存在于第一集成電路中，而外圍功能塊可以存在于第二集成電路中。
如本領(lǐng)域技術(shù)人員所理解的那樣，核心功能塊例如包括數(shù)字信號(hào)處理、嵌入式存儲(chǔ)器、編碼器/解碼器模塊和其他標(biāo)準(zhǔn)單元實(shí)施的功能塊。外圍功能塊例如包括數(shù)字和模擬輸入和輸出、振蕩器耦合(oscillator coupling)、PLL和能帶隙去耦(bandgap decoupling)、RF輸入和輸出。
將參考附圖對(duì)本發(fā)明的器件和承載襯底的這些和其他方案進(jìn)行進(jìn)一步的說(shuō)明，其中

圖1示出本發(fā)明的器件的視圖；圖2示出本發(fā)明的器件的另一視圖，其用于說(shuō)明電性能；圖3示意性示出器件的第一實(shí)施例的截面圖；圖4示意性示出第一實(shí)施例的底視圖；圖5示意性示出第一實(shí)施例的頂視圖；圖6示意性示出器件的第二實(shí)施例的截面圖；圖7示意性示出第二實(shí)施例的底視圖；以及圖8示意性示出第二實(shí)施例的頂視圖。
這些附圖并未按比例繪制，并且相同的參考標(biāo)記表示相似或相同的部件。附圖示出優(yōu)選的實(shí)施例，但其許多修改對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)是顯而易見(jiàn)的。
圖1是其中示出本發(fā)明的器件100的視圖。器件100包括半導(dǎo)體器件10，在該情況下其為集成電路。半導(dǎo)體10包括核心功能塊110和外圍功能塊210。器件100還包括承載襯底20，其設(shè)有核心區(qū)域31和外圍區(qū)域32。核心功能塊110包括有源元件112以及去耦電容器111，并且設(shè)有電源連接42和接地連接41。通過(guò)利用核心去耦的電源去耦布局(supply decoupling topology)，可以有效地減小對(duì)接地反彈的影響，即來(lái)自核心的RF發(fā)射。
外圍功能塊210包括I/O裝置212和去耦裝置211，在這種情況下，該去耦裝置是與I/O裝置212串聯(lián)放置的去耦電容器。外圍功能塊210還設(shè)有用于電源、接地端和信號(hào)傳輸?shù)倪B接43。通過(guò)承載襯底20中的互連22來(lái)互連外圍和核心功能塊110、210的接地連接41、43。這里需要用于調(diào)諧的裝置211以穩(wěn)定該行為，如參考圖2進(jìn)行說(shuō)明的那樣。承載襯底20還包括用于到印制電路板的連接的接觸焊盤(pán)61、62、63、64、65。
圖2示出其中示出本發(fā)明的器件100和附加部件的另一視圖，所述附加部件通常嵌入在印制電路板中或設(shè)置在其上。在該附圖中示出公共接地22連接核心功能塊110和外圍功能塊210。此外，示出對(duì)于調(diào)諧裝置211的需要。借此，能夠獲得互連53的傳輸線特征。在這種情況下，將調(diào)諧裝置設(shè)置為外圍功能塊的電源與接地連接之間的片上去耦裝置。例如，該去耦電容器的電容在1nF的數(shù)量級(jí)上。在這種情況下，外部部件為電壓源301和電感302，它們?yōu)楹诵墓δ軌K110提供足夠的電壓。此外，存在負(fù)載電容器303，其耦合在外圍功能塊的接地端與電源之間。
如圖2所示，電流可以在兩個(gè)方向A和B上流動(dòng)，并且在這些方向中的每一個(gè)方向上，為適當(dāng)?shù)牟僮鲬?yīng)該保持互連的傳輸線特征。在一種情況下，使負(fù)載電容303放電。在該情況下，電流逆時(shí)針流動(dòng)，如A所示。由于在互連53和接地端22中都有電流，所以存在傳輸線特征。在另一種情況下，對(duì)負(fù)載電容器303進(jìn)行充電。在該情況下，去耦電容器211允許電流按照B流動(dòng)。此外，在互連53和接地端22中都存在電流，并且確立傳輸線特征。
因此，應(yīng)該經(jīng)過(guò)電源連接流到負(fù)載212的信號(hào)63的RF分量(content)可以旁路到接地連接，并且然后利用接地端與用于信號(hào)傳輸?shù)幕ミB之間的傳輸線來(lái)將其信號(hào)提供到負(fù)載。然后，利用負(fù)載212，附近或片上去耦應(yīng)該位于外圍的電源與接地連接之間，以允許在接收器端，即在負(fù)載端，具有相同的信號(hào)流動(dòng)條件。以這種方式，通過(guò)利用外圍去耦的電源去耦布局，可以有效地減小對(duì)接地反彈的影響，即來(lái)自外圍區(qū)域的RF發(fā)射。此外，通過(guò)在用于信號(hào)傳輸63的接觸焊盤(pán)與集成電路10上的相應(yīng)鍵合焊盤(pán)之間實(shí)施正確的傳輸線路經(jīng)，可以保持承載襯底20中的有效電感為低，這減小了核心電流與外圍電流之間的串?dāng)_。結(jié)果，獲得良好的信號(hào)完整性和足夠的EMC性能。
圖3示出本發(fā)明的器件100的第一實(shí)施例的截面圖。圖4從承載襯底20的第二側(cè)面示出該實(shí)施例的器件100，在該側(cè)面上，存在用于外部連接的接觸焊盤(pán)61-65。圖5從承載襯底20的第一側(cè)面示出該實(shí)施例的器件100，在該側(cè)面上設(shè)置集成電路10?？梢杂^察到在圖4和圖5中僅示出部分襯底；該襯底通常橫向延伸，并且接觸焊盤(pán)63-65通常形成環(huán)繞集成電路的閉合環(huán)。由此該實(shí)施例是典型的球柵陣列封裝的一個(gè)例子，如本領(lǐng)域技術(shù)人員所理解的那樣。這種封裝是優(yōu)選的，但本發(fā)明不限于此。還可以觀察到在圖5中為了清晰，省略機(jī)械硬化劑29。還可以觀察到圖3不是真正的橫截面，從與圖4的比較中顯而易見(jiàn)。
如圖3所示的器件包括集成電路10和承載襯底20。承載襯底20具有第一側(cè)面21和第二側(cè)面22。其包括由電介質(zhì)材料制成的主體20A和分別在第一和第二側(cè)面21、22上的導(dǎo)電層20B、20C。在這種情況下，電介質(zhì)材料是厚度為大約80μm的環(huán)氧樹(shù)脂(FR-4)，而導(dǎo)電材料由銅制成。以銅限定的互連和其他跡線的分辨率在50μm的數(shù)量級(jí)上，并且在該實(shí)施例中，在相鄰跡線之間存在100μm的最小距離。在第一側(cè)面21上，存在機(jī)械硬化層29，其提供額外的機(jī)械穩(wěn)定性。在這種情況下，硬化層29具有大約300μm的厚度并且由與主體20A相同的材料制成。
集成電路10具有第一側(cè)面18，在其上設(shè)置鍵合焊盤(pán)11(參見(jiàn)圖5)。在該實(shí)施例中，鍵合焊盤(pán)11經(jīng)由引線鍵合49連接到承載襯底20的第一側(cè)面21上的鍵合焊盤(pán)41、42、43。與導(dǎo)電層20B相比，這些鍵合焊盤(pán)41-43具有額外的厚度，該額外的厚度在引線鍵合期間帶來(lái)機(jī)械穩(wěn)定性，并且通過(guò)以公知的方式進(jìn)行電鍍來(lái)提供。
本發(fā)明中的集成電路設(shè)有核心功能塊和外圍功能塊。在本發(fā)明中，在承載襯底20中限定用于各功能塊的分離區(qū)域用于核心空能塊的核心區(qū)域31和用于外圍功能塊的外圍區(qū)域32。在該實(shí)施例中，將外圍區(qū)域32設(shè)置成橫向環(huán)繞核心區(qū)域31。這是優(yōu)選的，但不是必需的。在承載襯底20的第一側(cè)面21上存在用于核心功能塊的特定鍵合焊盤(pán)42和用于外圍功能塊的特定鍵合焊盤(pán)43。用于外圍功能塊的鍵合焊盤(pán)43包括用于信號(hào)傳輸和電源的鍵合焊盤(pán)。用于核心功能塊的鍵合焊盤(pán)42包括用于電源的鍵合焊盤(pán)。此外，存在用于接地連接的鍵合焊盤(pán)41，其對(duì)于核心和外圍功能塊是共用的。在該實(shí)施例中，將用于接地連接的鍵合焊盤(pán)41和用于核心功能塊的電源的鍵合焊盤(pán)42實(shí)施為同心環(huán)，接地環(huán)在電源環(huán)的內(nèi)側(cè)。
對(duì)承載襯底20的核心區(qū)域31和外圍區(qū)域32進(jìn)行不同的設(shè)計(jì)。在核心區(qū)域31中，第一側(cè)面21上的鍵合焊盤(pán)41、42直接連接到第二側(cè)面22，從而使電感損失最小化。將用于接地連接的接觸焊盤(pán)61設(shè)置在相應(yīng)的鍵合焊盤(pán)41的正下方。為了具有盡可能標(biāo)準(zhǔn)化的接地端，用于接地端的鍵合焊盤(pán)41通過(guò)承載襯底20的第一側(cè)面21上的接地平面進(jìn)行互連。用于電源連接的接觸焊盤(pán)62通過(guò)到垂直互連66的承載襯底20的第二側(cè)面22上的互連67耦合到相應(yīng)的鍵合焊盤(pán)42。在該實(shí)施例中，用于電源連接的每一個(gè)接觸焊盤(pán)62設(shè)有ESD保護(hù)結(jié)構(gòu)(未示出)。中心四個(gè)接觸焊盤(pán)62主要用于改善封裝的熱性能。
承載襯底20的外圍區(qū)域32在其第二側(cè)面22上設(shè)有接地平面51。在第一側(cè)面21上，如此限定互連53，使得鍵合焊盤(pán)43與相應(yīng)的接觸焊盤(pán)63、65連接。由于第二側(cè)面22上的接地平面51的存在，以及相鄰互連53之間的優(yōu)選大于主體20A厚度的相互距離，使得互連53表現(xiàn)為傳輸線。結(jié)果，它們的電感損失減小至少90％，并且在通常情況下甚至為大約95％。
互連53結(jié)束于垂直互連73、75，如圖5所示?；ミB75對(duì)應(yīng)于旨在用于外圍功能塊的電源連接的接觸焊盤(pán)65?；ミB73對(duì)應(yīng)于用于信號(hào)傳輸?shù)慕佑|焊盤(pán)63。此外，還存在用于外圍區(qū)域32的接地連接的接觸焊盤(pán)64。這些接觸焊盤(pán)64通過(guò)承載襯底20的第二側(cè)面22上的接地平面51連接到它們的鍵合焊盤(pán)41。將用于接地端的接觸焊盤(pán)64設(shè)置在接觸焊盤(pán)陣列的外圍，該接觸焊盤(pán)陣列通常為球柵陣列。這提供了一些防止電磁干擾的保護(hù)。
旨在用于電源連接的一些接觸焊盤(pán)65可以用于接地連接。這是設(shè)計(jì)的問(wèn)題并且取決于所需的到外部載體的電源連接和接地連接的數(shù)量。然而，優(yōu)選地，將接觸焊盤(pán)63-65細(xì)分成小組164、165。在小組164、165中，在中心接觸焊盤(pán)64、65的周圍存在高達(dá)8個(gè)用于信號(hào)傳輸?shù)慕佑|焊盤(pán)63，所述中心接觸焊盤(pán)64、65是用于接地端的焊盤(pán)或用于電源的焊盤(pán)。以這種方式，信號(hào)路徑及其信號(hào)返回可以相鄰，并且因此兩者之間的距離是最小的。這實(shí)現(xiàn)了用于承載襯底20到外部載體的恰當(dāng)?shù)膫鬏斅窂健?br> 圖6示出本發(fā)明的器件100的第二實(shí)施例的截面圖。圖7從承載襯底20的第二側(cè)面示出第二實(shí)施例的器件100，其中存在用于外部連接的接觸焊盤(pán)61-65。圖8示出該第二實(shí)施例的集成電路10，其側(cè)面18具有鍵合焊盤(pán)11-13?？梢杂^察到在圖7中僅示出部分襯底；襯底通常橫向延伸；并且接觸焊盤(pán)63-65通常形成環(huán)繞集成電路的閉合環(huán)。結(jié)果，該實(shí)施例是典型的球柵陣列封裝的一個(gè)例子，如本領(lǐng)域技術(shù)人員所理解的那樣。這種封裝是優(yōu)選的，但本發(fā)明不限于此。此外還可以觀察到圖6不是真正的橫截面，如本領(lǐng)域技術(shù)人員通過(guò)與圖7進(jìn)行比較就會(huì)發(fā)現(xiàn)的那樣。
該第二實(shí)施例的器件100的許多特征與第一實(shí)施例相同。在這兩種情況下，將承載襯底20細(xì)分成核心區(qū)域31和外圍區(qū)域32。在這兩種情況下，承載襯底20在該襯底的第二側(cè)面22上設(shè)有在外圍區(qū)域32中延伸的接地平面51，以及具有傳輸線特征的互連53?？梢杂^察到在這兩種情況下，將用于外圍功能塊的鍵合焊盤(pán)43設(shè)置在核心區(qū)域31的邊緣附近，從而很好地限定傳輸線并且它們的性能不受鍵合引線等的消極影響。
第一和第二實(shí)施例之間的主要區(qū)別在于第二實(shí)施例為倒裝片實(shí)施例。這具有實(shí)質(zhì)性的優(yōu)點(diǎn)。首先，在承載襯底20的第一側(cè)面21上不需要額外的鍵合焊盤(pán)層，該額外的鍵合焊盤(pán)層是引線鍵合所需要的。不需要再分配層(即貫穿互連66、67)或交錯(cuò)排列的焊盤(pán)陣列?？梢詫⒓呻娐返逆I合焊盤(pán)11、12、13與承載襯底20上的鍵合焊盤(pán)41、42、43之間的焊料球直接設(shè)置在導(dǎo)電層20B上。
第二，以“棋盤(pán)”圖案設(shè)置接觸焊盤(pán)61、62以及相應(yīng)的鍵合焊盤(pán)41、42和11、12。按照這種圖案，用于電源的焊盤(pán)12、42、62的每一個(gè)最近的相鄰焊盤(pán)是用于接地端的焊盤(pán)11、41、61，反之亦然。因此，球柵陣列具有同軸結(jié)構(gòu)，有效電感減小大約50％，并且該球柵陣列具有較低的接地反彈電壓。在這種情況下，將集成電路10上的鍵合焊盤(pán)11、12設(shè)置在內(nèi)部區(qū)域中。這些焊盤(pán)11、12顯示出-在集成電路的襯底上的垂直投影中看出-與有源區(qū)重疊。鍵合焊盤(pán)的這種設(shè)計(jì)還被稱為有源區(qū)上的鍵合焊盤(pán)(可以將它們?cè)O(shè)置在鈍化層上，以便提供足夠的強(qiáng)度)。
第三，由于承載襯底中的核心電源的互連的良好導(dǎo)電性(低阻抗、低損耗)，使得可以減小ESD保護(hù)結(jié)構(gòu)的數(shù)量。實(shí)際上，僅在核心區(qū)域31的外部邊緣處需要它們。這是基于這樣的理解作為良好導(dǎo)電性的結(jié)果，核心區(qū)域31中的電壓梯度在ESD應(yīng)力期間應(yīng)該是最小的。對(duì)于接地連接，在核心區(qū)域31和外圍區(qū)域32中需要ESD保護(hù)結(jié)構(gòu)。
第四，可以改善器件100的熱管理，因?yàn)樵诔休d襯底的第一側(cè)面21上和在集成電路10的背面上，例如在背對(duì)鍵合焊盤(pán)11-13的側(cè)面上，設(shè)置熱擴(kuò)散層15。特別優(yōu)選地，使集成電路10的半導(dǎo)體襯底變薄，由此減小熱阻到熱擴(kuò)散層15的路徑。
簡(jiǎn)而言之，電子器件100包括半導(dǎo)體器件、特別是集成電路10和具有底部和頂部導(dǎo)電層的承載襯底20，并且設(shè)有電源、接地端和信號(hào)傳輸連接。為了能夠使用一個(gè)以上的電源電壓，將集成電路10細(xì)分成核心功能塊110和外圍功能塊210，而將承載襯底20細(xì)分為相應(yīng)的核心區(qū)域31和外圍區(qū)域32。核心和外圍的接地連接通過(guò)承載襯底20中的互連22相互耦合。特別地，該互連是接地平面，并且允許為用于外圍的信號(hào)傳輸?shù)幕ミB提供傳輸線特征。
參考標(biāo)記列表10集成電路11集成電路Vdd，perifI/O路徑的鍵合焊盤(pán)12集成電路的用于核心功能塊的電源Vdd，core的鍵合焊盤(pán)13集成電路的用于(核心功能塊的)接地端Vss的鍵合焊盤(pán)15熱擴(kuò)散層18集成電路的(第一)側(cè)面19粘合劑層20承載襯底20A承載襯底的電介質(zhì)層20B承載襯底的第一側(cè)面上的導(dǎo)電層20C承載襯底的第二側(cè)面上的導(dǎo)電層21承載襯底的第一側(cè)面22承載襯底的第二側(cè)面29硬化劑/硬化層
31核心區(qū)域32外圍區(qū)域41在承載襯底上的用于(核心功能塊的)接地端Vss的鍵合焊盤(pán)42在承載襯底上的用于核心功能塊的電源Vdd，core的鍵合焊盤(pán)43在承載襯底上的用于外圍功能塊的電源Vdd，perif和用于I/O路徑的鍵合焊盤(pán)49鍵合引線51在承載襯底的第二側(cè)面上的外圍區(qū)域中的接地平面52在承載襯底的第一側(cè)面上的核心區(qū)域中的接地平面53傳輸線(具有傳輸線特征的互連)61用于核心功能塊的接地端Vss，core的接觸焊盤(pán)(和焊料球)62用于核心功能塊的電源Vdd，core的接觸焊盤(pán)(和焊料球)63用于信號(hào)傳輸I/O的接觸焊盤(pán)(和焊料球)64用于外圍功能塊的接地端Vss，perif的接觸焊盤(pán)(和焊料球)65用于外圍功能塊的接地端或電源Vss，perif、Vdd，perif的接觸焊盤(pán)(和焊料球)66垂直互連67橫向互連73引到用于信號(hào)傳輸?shù)慕佑|焊盤(pán)的垂直互連74引到用于外圍區(qū)域中的接地端Vss，perif的接觸焊盤(pán)的垂直互連75引到用于外圍區(qū)域中的接地端或電源Vss，perif、Vdd，perif的接觸焊盤(pán)的垂直互連100電子器件164具有用于接地端的一個(gè)中心焊盤(pán)的接觸焊盤(pán)小組165具有用于接地端或電源的一個(gè)中心焊盤(pán)的接觸焊盤(pán)小組110半導(dǎo)體器件10的核心功能塊
111去耦電容器112核心中的有源元件210半導(dǎo)體器件10的外圍功能塊211用于去耦的裝置，特別是去耦電容器212外圍中的有源元件301電壓源302電感303負(fù)載電容器
權(quán)利要求
1.一種電子器件，包括至少一個(gè)半導(dǎo)體器件，其在側(cè)面上設(shè)有多個(gè)鍵合焊盤(pán)；以及承載襯底，其包括電絕緣材料層，并且具有第一側(cè)面和相對(duì)的第二側(cè)面，它們各自設(shè)有導(dǎo)電層，在所述第一側(cè)面上，存在適合于耦合到所述集成電路的所述鍵合焊盤(pán)的鍵合焊盤(pán)，而在所述第二側(cè)面上設(shè)置用于外部耦合的接觸焊盤(pán)，根據(jù)期望的圖案電互連所述接觸焊盤(pán)和所述鍵合焊盤(pán)，限定所述接觸焊盤(pán)的第一部分用于接地連接，限定所述接觸焊盤(pán)的第二部分用于電源連接，并且限定所述接觸焊盤(pán)的第三部分用于信號(hào)傳輸，在該電子器件中所述至少一個(gè)半導(dǎo)體器件設(shè)有核心功能塊和外圍功能塊，所述核心功能塊和所述外圍功能塊各自設(shè)有電源連接和接地連接，將所述承載襯底在橫向上細(xì)分成核心區(qū)域和外圍區(qū)域，在所述核心區(qū)域中設(shè)置用于所述核心功能塊的接觸焊盤(pán)，而在所述外圍區(qū)域中設(shè)置用于所述外圍功能塊的接觸焊盤(pán)，其中所述承載襯底包括至少一個(gè)用于互連所述外圍功能塊和所述核心功能塊的所述接地連接的互連，以及存在用于使核心功能塊和外圍功能塊的所述電源與公共接地去耦的去耦裝置。
2.如權(quán)利要求1所述的電子器件，其中所述外圍區(qū)域位于所述核心區(qū)域的周圍；將接地平面限定在所述承載襯底的所述第二側(cè)面上的所述外圍區(qū)域中，所述接地平面是用于使所述外圍功能塊和所述核心功能塊的所述接地連接相互互連的互連，以及將所述外圍功能塊的所述接觸焊盤(pán)與所述鍵合焊盤(pán)之間的互連限定在所述承載襯底的所述第一側(cè)面上，所述互連具有傳輸線特征。
3.如權(quán)利要求1或2所述的電子器件，其中，所述去耦裝置包括所述外圍功能塊中的去耦電容器，該去耦電容器位于所述至少一個(gè)半導(dǎo)體器件中或所述承載襯底上。
4.如權(quán)利要求2所述的電子器件，其中，將所述核心區(qū)域中的所述接觸焊盤(pán)限定在陣列中，在所述陣列中將用于接地連接和用于電源連接的所述焊盤(pán)設(shè)置成用于接地連接的所述焊盤(pán)中的每一個(gè)焊盤(pán)的最近的相鄰焊盤(pán)是用于電源連接的焊盤(pán)。
5.如權(quán)利要求2所述的電子器件，其中，以小組限定所述外圍區(qū)域中的所述接觸焊盤(pán)，每一個(gè)小組包括用于電壓連接的一個(gè)接觸焊盤(pán)或用于接地連接的一個(gè)接觸焊盤(pán)、以及用于信號(hào)傳輸?shù)膸讉€(gè)接觸焊盤(pán)，所有用于信號(hào)傳輸?shù)乃龊副P(pán)的相鄰焊盤(pán)是用于電壓或接地連接的所述接觸焊盤(pán)。
6.如權(quán)利要求2或4所述的電子器件，其中，所述接地平面被限定在所述承載襯底的所述第一側(cè)面上的所述核心區(qū)域中，并且通過(guò)垂直互連耦合到所述外圍區(qū)域中的所述接地平面。
7.如權(quán)利要求1或2所述的電子器件，其中，硬化層存在于所述承載襯底的所述第一側(cè)面上，由此覆蓋所述導(dǎo)電層的一部分。
8.如權(quán)利要求1或7所述的電子器件，其中在倒裝片的取向上將所述半導(dǎo)體器件設(shè)置在所述承載襯底上，以相應(yīng)的結(jié)構(gòu)設(shè)置半導(dǎo)體器件上的所述鍵合焊盤(pán)和所述承載襯底的所述第一側(cè)面上的所述鍵合焊盤(pán)，并且其中在所述承載襯底的所述第一側(cè)面上以及在所述半導(dǎo)體器件的與所述鍵合焊盤(pán)的所述側(cè)面背對(duì)的側(cè)面上設(shè)置熱擴(kuò)散層。
9.如權(quán)利要求1所述的電子器件，還設(shè)有電源串聯(lián)電感。
10.一種用于半導(dǎo)體器件的由電介質(zhì)材料制成的承載襯底，具有第一側(cè)面和相對(duì)的第二側(cè)面，在每個(gè)側(cè)面上具有導(dǎo)電層，在所述第一側(cè)面上，存在適合于耦合到所述半導(dǎo)體器件的鍵合焊盤(pán)的鍵合焊盤(pán)，而在所述第二側(cè)面上設(shè)置用于外部耦合的接觸焊盤(pán)，根據(jù)期望的圖案電互連所述接觸焊盤(pán)和所述鍵合焊盤(pán)，限定所述接觸焊盤(pán)的第一部分用于接地連接，限定所述接觸焊盤(pán)的第二部分用于電源連接，并且限定所述接觸焊盤(pán)的第三部分用于信號(hào)傳輸，其中將所述承載襯底在橫向上細(xì)分成核心區(qū)域和外圍區(qū)域，在所述核心區(qū)域中設(shè)置用于所述集成電路的核心功能塊的所述接觸焊盤(pán)，而在所述外圍區(qū)域中設(shè)置用于所述集成電路的外圍功能塊的所述接觸焊盤(pán)，所述核心功能塊和所述外圍功能塊各自設(shè)有電源連接和接地連接，并且所述承載襯底設(shè)有至少一個(gè)用于互連所述外圍功能塊和所述核心功能塊的所述接地連接的互連。
全文摘要
一種電子器件(100)，包括集成電路(10)和具有底部和頂部導(dǎo)電層的承載襯底(20)，并且設(shè)有電源、接地端和信號(hào)傳輸連接。為了能夠使用一個(gè)以上的電源電壓，將集成電路(10)細(xì)分成核心功能塊(110)和外圍功能塊(210)，并且將承載襯底(20)細(xì)分成相應(yīng)的核心區(qū)域(31)和外圍區(qū)域(32)。核心和外圍的接地連接通過(guò)承載襯底(20)中的互連(22)相互耦合。特別地，該互連是接地平面，并且允許為用于外圍的信號(hào)傳輸?shù)幕ミB提供傳輸線特征。
文檔編號(hào)H01L23/50GK1864259SQ200480029456
公開(kāi)日2006年11月15日 申請(qǐng)日期2004年10月1日 優(yōu)先權(quán)日2003年10月10日
發(fā)明者馬蒂納斯·J·克嫩 申請(qǐng)人:皇家飛利浦電子股份有限公司