專(zhuān)利名稱(chēng)：高集成度芯片上芯片封裝的制作方法
本申請(qǐng)涉及到二個(gè)共同未決的申請(qǐng)Bertin等人的題為“半導(dǎo)體封裝件中的微彎曲工藝”的美國(guó)申請(qǐng)No.09/105382和Ference等人的題為“改變特性的芯片上芯片互連”的美國(guó)申請(qǐng)No.09/105477。相關(guān)的申請(qǐng)被轉(zhuǎn)讓于記載的受讓人，因而同時(shí)提出申請(qǐng)，此處并列為參考。
本發(fā)明一般涉及到半導(dǎo)體器件，更具體地說(shuō)是涉及到半導(dǎo)體器件中的芯片上芯片封裝。
在電子開(kāi)發(fā)和封裝中，最近50年已發(fā)生了巨大的進(jìn)步。集成電路密度已經(jīng)并繼續(xù)高速提高。但80年代之前，制作在芯片中的電路外部的互連電路密度的相應(yīng)提高跟不上集成電路密度的提高。出現(xiàn)了許多新的封裝工藝。一個(gè)特定的工藝稱(chēng)為“芯片上芯片組件”工藝。本發(fā)明涉及到芯片上芯片組件的具體技術(shù)領(lǐng)域。
許多情況下，比之設(shè)計(jì)新的襯底集成電路，可以更快速而便宜地制造芯片上芯片組件。芯片上芯片組件工藝由于密度的提高而顯現(xiàn)出優(yōu)點(diǎn)。由于密度的提高，在信號(hào)傳播速度和與其它裝置不協(xié)調(diào)的器件總重量方面得到了同樣的改進(jìn)。目前的芯片上芯片組件結(jié)構(gòu)通常由直接粘合到一系列集成電路元件的印刷電路板襯底組成。
還有許多不同的技術(shù)領(lǐng)域，與如何將粘合有芯片上芯片組件的襯底從外部電連接到襯底上的電路有關(guān)。這些技術(shù)領(lǐng)域包括引線鍵合、載帶自動(dòng)鍵合(TAB)、倒裝TAB和倒裝芯片。在下列美國(guó)專(zhuān)利中可找到一些例子1994年6月授予Fogal等人的美國(guó)專(zhuān)利No.5323060“具有疊層芯片分布的多芯片組件”、1997年2月授予Bone等人的美國(guó)專(zhuān)利No.5600541“具有由介質(zhì)載帶制作的分立芯片載體的垂直IC芯片疊層”、1996年2月授予Korneld等人的美國(guó)專(zhuān)利No.5495394“多芯片組件中的三維管芯封裝”、以及1995年3月授予Rostoker等人的美國(guó)專(zhuān)利No.5399898“采用倒裝芯片管芯的多芯片半導(dǎo)體分布”。
不幸的是，這些技術(shù)很昂貴，而且在大多數(shù)情況下無(wú)法返工(亦即清除和代換)封裝件的組元，從而降低了成品率并增加了成本。芯片尺寸的個(gè)性化設(shè)計(jì)也受到嚴(yán)重限制。目前，芯片能夠在晶片級(jí)或封裝級(jí)進(jìn)行個(gè)性化設(shè)計(jì)。由于在封裝之前，在晶片后制造工藝中不能夠個(gè)性化設(shè)計(jì)芯片，而無(wú)法得到產(chǎn)品應(yīng)用的明顯靈活性和制造成本的優(yōu)點(diǎn)。
因此，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是提供消除上述和其它限制的芯片上芯片元件、互連、及其制造方法。
借助于具有至少二個(gè)功能完全獨(dú)立的芯片且電連接在一起的芯片上芯片組件以及用來(lái)將芯片電連接到外部電路的芯片上芯片元件連接/互連，實(shí)現(xiàn)了本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)。
從如附圖所示的本發(fā)明最佳實(shí)施例的更確切的描述中，本發(fā)明的上述和其它的優(yōu)點(diǎn)和特定將更為明顯。
以下結(jié)合附圖來(lái)描述本發(fā)明的最佳示范實(shí)施例，在這些附圖中，相似的參考號(hào)表示相似的元件。


圖1是根據(jù)本發(fā)明最佳實(shí)施例的具有第一示范芯片上芯片元件連接的芯片上芯片元件的剖面圖；圖2、3和4是根據(jù)本發(fā)明最佳實(shí)施例的具有第二、第三和第四示范芯片上芯片元件連接的芯片上芯片元件的剖面圖；圖5是采用圖4的示范芯片上芯片元件連接的芯片上芯片封裝件的剖面圖；圖6是具有第五示范芯片上芯片元件連接的圖1的芯片上芯片元件的剖面圖；圖7是采用圖6的示范芯片上芯片元件連接的芯片上芯片封裝件的剖面圖；圖8、9、10、11、12和13剖面圖示出了根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的芯片上芯片元件的制造順序；
圖14是根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施例的芯片上芯片元件的剖面圖；圖15是采用圖14的芯片上芯片元件的芯片上芯片封裝件的剖面圖；圖16是根據(jù)本發(fā)明第四實(shí)施例的芯片上芯片元件的剖面圖；圖17是根據(jù)本發(fā)明第五實(shí)施例的芯片上芯片元件的剖面圖；圖18是采用圖17的芯片上芯片元件的芯片上芯片封裝件的剖面圖。
參照?qǐng)D1，示出了根據(jù)本發(fā)明最佳實(shí)施例的第一示范芯片上芯片元件10。芯片上芯片元件10包含第一芯片30、第二芯片40和芯片上芯片元件連接20。第一芯片30的有源區(qū)35通過(guò)諸如C4(控制熔塌芯片連接)焊料球連接50之類(lèi)的芯片間連接或光子互連，被電連接到第二芯片40的有源區(qū)45。焊料球連接50提供了芯片間聯(lián)系的高性能電通路。這一互連與芯片電學(xué)布線的固有高性能一起，大大地降低了第一芯片30和第二芯片40二者的芯片外驅(qū)動(dòng)器(未示出)的尺寸和功率。雖然此例和以后的例子具體示出了焊料球和焊料柱，但應(yīng)該理解，也可以采用諸如聚合物金屬?gòu)?fù)合物互連、電鍍銅柱、微鎖連接等等之類(lèi)的不同組分構(gòu)成的其它互連。
在此特定例子中，芯片上芯片元件連接20是連接于第一芯片30的焊料柱22。焊料柱22使得能夠?qū)⑿酒闲酒?0一般通過(guò)襯底連接到外部電路。
圖2示出了第二示范芯片上芯片元件，其中芯片上芯片元件連接20包含焊料球。在圖1和2中，在IBM Dkt，No.BU9-98-011的相關(guān)應(yīng)用中，可找到制造焊料柱和焊料球的示范性方法。也可以通過(guò)下列步驟來(lái)制造焊料柱和焊料球1)制造具有可焊金屬焊點(diǎn)的第一芯片?？梢杂米骱噶现更c(diǎn)的外圍區(qū)焊點(diǎn)的直徑可以是例如125微米，間距為250微米。中心區(qū)焊點(diǎn)的直徑可以是50微米，間距為100微米。
2)制造具有C4焊料球陣列的第二芯片。C4的組分可以是Pb∶Sn＝97∶3，且C4應(yīng)該與第一芯片中心區(qū)焊點(diǎn)的間距一致。
3)將第一芯片固定到第二芯片。通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的芯片拾放技術(shù)(CPP)，或通過(guò)諸如不用清除的助熔劑、PADS、松香助熔劑與爐回流結(jié)合的工藝，可以做到這一點(diǎn)。
4)將焊料柱或焊料球固定到第二芯片。通過(guò)焊料注入鑄模，可以做到這一點(diǎn)。
5)將芯片上芯片元件連接到襯底。借助于通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的放置與連結(jié)工藝將易熔焊料連結(jié)在襯底TSM焊點(diǎn)上，可以做到這一點(diǎn)。
圖3和4示出了芯片上芯片元件的第三和第四例子，其中的芯片上芯片元件連結(jié)20包含焊料球26和布線25(圖3)或絲焊28(圖4)。在圖3中，在襯底57中制作空腔55，使第二芯片40的頂部與襯底57的頂部的高度相同。焊料球26則可以與連接的焊料球50尺寸相同，從而將芯片上芯片元件連接到襯底57。
圖5示出了采用圖4的芯片上芯片元件10A的芯片上芯片封裝件。絲焊28連接于襯底72的頂側(cè)。襯底72的底側(cè)包含用來(lái)將芯片上芯片封裝件連接于不同封裝級(jí)的焊料球76。粘合劑71將芯片上芯片元件10A機(jī)械連接于襯底72。樹(shù)脂擋條66和包封劑64保護(hù)著芯片30和40，并為絲焊和芯片結(jié)構(gòu)60提供強(qiáng)度。金屬蓋62提供了緊湊、耐用而熱增強(qiáng)的芯片上芯片封裝件。
如圖6和7可見(jiàn)，芯片上芯片元件10B的芯片上芯片元件連結(jié)20包含焊料球插件32。焊料球插件32提供了到襯底的電互連以及第二芯片40的尺寸所需的高度。焊料球插件32由連接于一個(gè)芯片40的有源區(qū)的第一組焊料球、連接于外部電路的第二組焊料球、以及第一組和第二組焊料球之間的導(dǎo)電通道組成。此通道被不導(dǎo)電的材料包圍。圖7示出了采用圖6的芯片上芯片元件10B的芯片上芯片封裝件。焊料球插件被連接于襯底72的頂側(cè)。襯底72的底側(cè)包含用來(lái)將芯片上芯片封裝件連接于不同級(jí)封裝件的焊料球76。散熱器74通過(guò)粘合劑78被連接到第一芯片30。散熱器使芯片上芯片元件10B得以散熱。
圖1-7和后面例子的芯片上芯片元件的一些優(yōu)點(diǎn)包括可以用不同的半導(dǎo)體工藝來(lái)制造芯片30和40，并將它們連接起來(lái)而不受這些工藝用于單一芯片時(shí)所固有的限制。例如，芯片30可以是邏輯芯片，而芯片40可以是DRAM芯片，在芯片上芯片元件級(jí)上產(chǎn)生邏輯/DRAM組合。第二，比之在每個(gè)芯片上提供所有功能和電路的單個(gè)芯片來(lái)說(shuō)，芯片30和40單獨(dú)地說(shuō)是較小而較不復(fù)雜的。第三，大量存儲(chǔ)器可以位于處理器的緊鄰。第四，由于芯片上芯片元件的極為平坦的金屬特性，而具有較大的互連密度。最后，本發(fā)明的芯片上芯片元件提供了比提供同樣功能的簡(jiǎn)單高集成芯片更低的成本、更低的功率和更高的性能。
圖8-13剖面圖示出了根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的芯片上芯片元件的制造順序。在圖8中，示出了具有有源電路和互連層145的芯片晶片140。晶片140可以是例如硅晶片、GaAs晶片、SiGe晶片等。有源電路和互連層145包含外部互連所需的結(jié)構(gòu)和圖形。在圖9中，二類(lèi)元件被固定到晶片140集成電路(IC)芯片130和焊料球插件(也稱(chēng)為隔件)32。IC芯片130被電連接于晶片140中的有源電路，并提供較高水平的集成電路功能。可以使用諸如帶包封的焊料球和絲焊之類(lèi)的電連接。焊料球插件32提供了晶片140上有源電路層145和IC芯片130有源電路層側(cè)形成的平面之間的電通路。雖然在本例子中具體示出了焊料球插件32，但也可以使用諸如具有通道孔的硅晶片、多層陶瓷和有機(jī)PCB間隔之類(lèi)的其它間隔。同時(shí)，雖然在本例子中用焊料球來(lái)將IC芯片130和焊料球插件32連接到晶片140，但也可以采用諸如導(dǎo)電環(huán)氧樹(shù)脂、PMC膠、各向異性導(dǎo)電粘合劑和瞬變液相鍵合之類(lèi)的其它互連方法?？梢杂煤噶锨虬怏w(未示出)來(lái)包圍焊料球。
如圖10所見(jiàn)，在整個(gè)表面上淀積共形涂層34(例如對(duì)二甲苯)。然后如圖11所示，用機(jī)械和/或化學(xué)方法整平此涂層。整平的一個(gè)例子可以是用標(biāo)準(zhǔn)的晶片拋光方法對(duì)表面進(jìn)行機(jī)械拋光。這一整平使結(jié)構(gòu)中焊料球插件32中的互連通道孔出現(xiàn)在表面上。這些通道孔構(gòu)成到外部電路的連接。圖12示出了在焊料球插件32上制造用于對(duì)外部電路互連的焊料球36。在預(yù)定點(diǎn)38處切割芯片上芯片元件，形成能夠用焊料球36連接到外部電路的“超芯片”。圖13示出了連接于載體/襯底72的超芯片。制造圖13所示的超芯片有一些優(yōu)點(diǎn)。這些優(yōu)點(diǎn)包括用多層不同半導(dǎo)體工藝的非常高的集成度；元件速度、帶寬要求和芯片外速度方面的優(yōu)越性能；組元芯片物理上很小且不需要復(fù)雜的電路或制造工藝，導(dǎo)致成品率高和成本低；以及借助于以各種形式連接幾個(gè)組元元件，能夠達(dá)到專(zhuān)用化。
圖14和15是根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施例的芯片上芯片元件80的剖面圖。芯片上芯片元件80包含由二個(gè)芯片構(gòu)成一組的二個(gè)組，每個(gè)組有電連接于第二芯片的第一芯片30和40以及30A和40A(例如圖1中的芯片上芯片元件10)。在此例子中，芯片30和30A的背側(cè)彼此相對(duì)。二組芯片通過(guò)芯片上芯片元件連接20A(此例子中是互連襯底88)電連接到一起。互連襯底88還通過(guò)諸如絲焊84、C4連接86和金屬焊點(diǎn)連接82之類(lèi)的電連接，將芯片上芯片元件80連接到外部器件。雖然為了說(shuō)明的目的，在圖14和15的芯片上芯片元件80上示出了不同類(lèi)型的連接，但通常對(duì)于一種應(yīng)用只使用一種類(lèi)型的連接(亦即，連接82、84和86可以都是例如C4連接)。圖15示出了采用圖14的芯片上芯片元件80的芯片上芯片封裝件。二個(gè)散熱器92通過(guò)粘合劑94被連接于芯片30和30A。散熱器使芯片上芯片元件80得以散熱。在襯底57中制作空腔55，使第二芯片40的頂部與襯底57的頂部的高度相同。焊料球26則可以與連接的焊料球50尺寸相同，從而將芯片上芯片元件連接到襯底57。這樣，如根據(jù)本發(fā)明這一實(shí)施例所述，可以將幾個(gè)各具有分立和特定功能且可能用不同的半導(dǎo)體工藝制造的芯片結(jié)合在一起。
圖16是根據(jù)本發(fā)明第四實(shí)施例的包含芯片上芯片元件80A的可插接的芯片上芯片封裝件的剖面圖。芯片上芯片元件80A包含芯片30、30A、40、40A、互連襯底88A、和耦合襯底88B。在此例子中，芯片上芯片元件80A被包封劑96包封，從而提供一個(gè)堅(jiān)實(shí)的元件?；ミB襯底88A使得能夠通過(guò)可插接界面電連接到外部電路。
圖17是根據(jù)本發(fā)明第五實(shí)施例的芯片上芯片元件80B的剖面圖。除了芯片上芯片元件連接20A包含延伸于芯片上芯片元件80B上下表面的可堆疊的互連襯底88C之外，芯片上芯片元件80B與芯片上芯片元件80(圖14)是相似的。芯片上芯片元件連接20A的上表面包含可熔性金屬焊點(diǎn)82，而芯片上芯片元件連接20A的下表面包含焊料球86。芯片上芯片元件結(jié)構(gòu)80B是三維可堆疊組件的示范單元結(jié)構(gòu)。另一種示范單元結(jié)構(gòu)可以包含取消芯片40和40A，并使芯片上芯片元件連接20A延伸跨過(guò)芯片30和30A。圖18示出了含有二個(gè)圖17的芯片上芯片元件單元結(jié)構(gòu)80B的堆疊的組件。
堆疊的組件和單元結(jié)構(gòu)的一些優(yōu)點(diǎn)是首先，可以容易地適應(yīng)不同尺寸和厚度的芯片。第二，結(jié)構(gòu)是可返工的。第三，各種尺寸的結(jié)構(gòu)都是可能的而沒(méi)有明顯的先決條件。第四，有可能安排單元結(jié)構(gòu)之間的熱問(wèn)題。
于是，根據(jù)本發(fā)明的芯片上芯片元件和連接，使得能夠得到高集成度工藝和可靠而緊湊的半導(dǎo)體封裝件。芯片上芯片封裝件還提供了增強(qiáng)的電學(xué)性能、機(jī)械性能與熱性能。
雖然參照最佳實(shí)施例已經(jīng)具體地描述了本發(fā)明，但本技術(shù)領(lǐng)域熟練人員能夠理解，可以作出上述的和其它的形式和細(xì)節(jié)的改變而不超越本發(fā)明的構(gòu)思與范圍。
權(quán)利要求
1.一種裝置，它包含至少具有有源區(qū)電連接在一起的二個(gè)獨(dú)立芯片的芯片上芯片組件，其中所述二個(gè)芯片的所述有源區(qū)彼此面對(duì)；以及用來(lái)將所述芯片電連接到外部電路的芯片上芯片元件連接。
2.權(quán)利要求1的裝置，其中所述芯片上芯片元件連接是焊料球插件，它包含連接于一個(gè)所述芯片的所述有源區(qū)的第一組焊料球；用來(lái)連接到所述外部電路的第二組焊料球；以及連接在所述第一組和所述第二組焊料球之間的導(dǎo)電通道，其中所述通道被不導(dǎo)電的材料包圍。
3.權(quán)利要求1的裝置，其中該至少二個(gè)芯片的工藝不同。
4.權(quán)利要求1的裝置，其中所述芯片上芯片元件連接是互連襯底，它包含連接于所述芯片的所述有源區(qū)的第一組連接元件；用來(lái)連接到所述外部電路的第二組連接元件；以及具有導(dǎo)電線條的襯底，所述導(dǎo)電線條將所述第一組連接元件連接到所述第二組連接元件。
5.權(quán)利要求4的裝置，其中所述外部電路是可插接的連接。
6.權(quán)利要求4的裝置，其中所述第二組連接元件包含與所述至少二個(gè)芯片中的一個(gè)的第一背面齊平的第二組焊料球；以及與所述至少二個(gè)芯片中的另一個(gè)的第二背面齊平的第二組金屬焊點(diǎn)，其中所述芯片上芯片組件的所述第二組焊料球，通過(guò)所述第二芯片上芯片組件的金屬焊點(diǎn)，將所述芯片上芯片組件連接到第二芯片上芯片組件。
7.權(quán)利要求2的裝置，其中所述焊料球插件與所述芯片上芯片組件的所述至少二個(gè)芯片中的一個(gè)的高度相同。
8.一種制造芯片上芯片元件的方法，它包含下列步驟a)制造具有至少二個(gè)有源區(qū)電連接在一起的獨(dú)立芯片的芯片上芯片組件，其中所述二個(gè)芯片的所述有源區(qū)彼此面對(duì)；以及b)制造用來(lái)將所述芯片上芯片組件連接到外部電路的芯片上芯片元件連接。
9.權(quán)利要求8的方法，其中所述步驟a)和b)還包含下列步驟1)提供具有晶片有源區(qū)的晶片；2)將具有IC有源區(qū)的集成電路(IC)芯片固定到所述晶片，其中所述IC有源區(qū)被連接到所述晶片有源區(qū)；3)將芯片上芯片元件連接固定到所述晶片有源區(qū)，其中所述芯片上芯片元件連接具有與所述IC芯片相同的高度；4)在所述晶片、所述固定的IC芯片和所述固定的芯片上芯片元件連接上，淀積共形涂層；5)將所述涂層整平到所述IC芯片的所述高度，以形成芯片上芯片晶片；以及6)在預(yù)定點(diǎn)處切割所述芯片上芯片晶片，以形成具有所述芯片上芯片組件和所述芯片上芯片元件連接的芯片上芯片元件。
10.權(quán)利要求8的方法，其中步驟b)還包含下列步驟1)提供第一組焊料球；2)將所述第一組焊料球連接到一個(gè)所述芯片的所述有源區(qū)；3)提供用來(lái)連接到所述外部電路的第二組焊料球；以及4)將所述第一組和所述第二組焊料球與被不導(dǎo)電的材料包圍的導(dǎo)電通道連接，以形成焊料球插件。
11.權(quán)利要求8的方法，其中該至少二個(gè)芯片的工藝不同。
12.權(quán)利要求8的方法，其中步驟b)還包含下列步驟1)提供第一組連接元件；2)將所述第一組連接元件連接到一個(gè)所述芯片的所述有源區(qū)；3)提供用來(lái)連接到所述外部電路的第二組連接元件；以及4)將所述第一組和所述第二組焊料球與具有導(dǎo)電線條的襯底連接，以形成互連襯底。
13.權(quán)利要求12的方法，其中所述外部電路是可插接的連接。
14.權(quán)利要求12的方法，其中步驟3)還包含下列步驟3a)對(duì)具有所述至少二個(gè)芯片中的一個(gè)的第一背面和具有所述至少二個(gè)芯片中的另一個(gè)的第二背面的所述互連襯底進(jìn)行整平；3b)提供與所述第一背面齊平的第二組焊料球；3c)提供與所述第二背面齊平的第二組金屬焊點(diǎn)；以及3d)通過(guò)所述第二組連接元件，將所述芯片上芯片組件連接到第二芯片上芯片組件。
15.一種芯片上芯片封裝件，它包含外部元件；至少具有有源區(qū)電連接在一起的二個(gè)獨(dú)立芯片的芯片上芯片組件，其中所述二個(gè)芯片的所述有源區(qū)彼此面對(duì)；以及用來(lái)將所述芯片電連接到所述外部元件的芯片上芯片元件連接。
16.權(quán)利要求15的芯片上芯片封裝件，其中所述芯片上芯片元件連接是焊料球插件，它包含連接于一個(gè)所述芯片的所述有源區(qū)的第一組焊料球；用來(lái)連接到所述外部元件的第二組焊料球；以及連接在所述第一組和所述第二組焊料球之間的導(dǎo)電通道，其中所述通道被不導(dǎo)電的材料包圍。
17.權(quán)利要求15的芯片上芯片封裝件，其中該至少二個(gè)芯片的工藝不同。
18.權(quán)利要求15的芯片上芯片封裝件，其中所述芯片上芯片元件連接是互連襯底，它包含連接于所述芯片的所述有源區(qū)的第一組連接元件；用來(lái)連接到所述外部元件的第二組連接元件；以及具有導(dǎo)電線條的襯底，所述導(dǎo)電線條將所述第一組連接元件連接到所述第二組連接元件。
19.權(quán)利要求18的芯片上芯片封裝件，其中所述外部元件具有可插接的連接。
20.權(quán)利要求18的芯片上芯片封裝件，其中所述第二組連接元件包含與所述至少二個(gè)芯片中的一個(gè)的第一背面齊平的第二組焊料球；以及與所述至少二個(gè)芯片中的另一個(gè)的第二背面齊平的第二組金屬焊點(diǎn)，其中所述芯片上芯片組件的所述第二組焊料球，通過(guò)所述第二芯片上芯片組件的金屬焊點(diǎn)，將所述芯片上芯片組件連接到第二芯片上芯片組件。
全文摘要
借助于具有至少二個(gè)功能完全的芯片且電連接在一起的芯片上芯片組件以及用來(lái)將功能完全的芯片電連接到外部電路的芯片上芯片元件連接/互連,實(shí)現(xiàn)了本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)H01L25/065GK1241032SQ9910709
公開(kāi)日2000年1月12日 申請(qǐng)日期1999年5月27日 優(yōu)先權(quán)日1998年6月26日
發(fā)明者克羅德·露易斯·伯汀, 托馬斯·喬治·弗倫斯, 韋恩·約翰·霍威爾, 埃德蒙·朱里斯·斯泊吉斯 申請(qǐng)人:國(guó)際商業(yè)機(jī)器公司