專利名稱：具有減少擴(kuò)散熱阻的半導(dǎo)體堆疊組合件及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體裝置，特別是指一種具有減少擴(kuò)散熱阻的半導(dǎo)體堆疊組合件及 其制造方法。
背景技術(shù)：
由于半導(dǎo)體技術(shù)已取得極大進(jìn)展，因此集成電路(integrated circuit, IC)上可 用的邏輯的數(shù)量和速度已有增加。因此，IC消耗更多功率。然而，所消耗功率越多，所產(chǎn)生 的熱也就越多。常規(guī)上，IC包括用于吸熱和散熱的裝置，例如散熱片。散熱片為使用熱接 觸來吸收和散發(fā)來自IC的熱的物品。對于常規(guī)IC來說，散熱片熱耦合到小片的正面。對 于倒裝芯片安裝式IC來說，散熱片熱耦合到小片的背面。散熱片通常使用熱糊劑而附接到 IC上。術(shù)語“正面”表示IC小片的這樣一個側(cè)面，即，其經(jīng)受大量的半導(dǎo)體處理，以使得在 那個正面上制造電路和互連。背面與小片的正面相對。對于倒裝芯片式IC來說，舉例來說，主要的除熱路徑是通過小片的背面，在背面 附接散熱片。熱是通過以下幾種機(jī)制來散發(fā)，包括(1)到小片的背面且到散熱片的垂直熱 傳導(dǎo)；(2)通過小片的垂直熱傳導(dǎo)，以及散熱片和熱糊劑的基座內(nèi)的側(cè)向熱傳導(dǎo)(即，熱擴(kuò) 散)；以及(3)到周圍環(huán)境的熱對流。第(2)項中的側(cè)向熱傳導(dǎo)主要取決于小片面積與散 熱片底面積之間的比。工程師在估計具有散熱片的倒裝芯片式封裝的熱阻時，必須要考量 擴(kuò)散阻力(熱阻)。散熱片底面積與小片面積之間的比越高，擴(kuò)散阻力越高。IC上邏輯的速度和數(shù)量的增加已追過了輸入/輸出(I/O)連接的數(shù)目和性能。因 此，IC小片堆疊技術(shù)已恢復(fù)對解決高性能系統(tǒng)的互連瓶頸的興趣。在堆疊IC應(yīng)用中，兩個 或兩個以上IC垂直堆疊，且在其間形成互連。一種IC堆疊方法涉及將第二小片安裝在第 一小片的背面上。接著倒裝芯片式安裝/封裝所述堆疊IC布置。接著將散熱片附接到堆 疊的小片上。在小片堆疊在IC背面上時，IC的熱設(shè)計可能要折衷。舉例來說，如果堆疊IC 小片所占用的總面積小于初級IC的面積，那么存在額外擴(kuò)散阻力分量。一個此類分量是歸 因于初級IC小片與堆疊小片之間的界面。另一個此類分量是歸因于堆疊小片與散熱片之 間的界面。這些額外擴(kuò)散阻力分量導(dǎo)致不良的熱設(shè)計和較高的接面到封裝的熱阻。因此， 此項技術(shù)中需要一種擴(kuò)散熱阻減少的半導(dǎo)體組合件及其制造方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一方面涉及一種半導(dǎo)體裝置。第一集成電路(IC)小片包括第一表面。至 少一個額外IC小片各自包括頂面和底面。所述至少一個額外IC小片中的每一者的底面安 裝到第一 IC小片的第一表面上。至少一個虛擬填充物各自包括頂面和底面。所述至少一個 虛擬填充物中的每一者的底面安裝到第一 IC小片的第一表面上，與所述至少一個額外IC 小片相鄰。安裝表面經(jīng)配置以供與排熱元件進(jìn)行熱接觸。所述安裝表面包括所述至少一個 額外IC小片和所述至少一個虛擬填充物中的每一者的頂面。本發(fā)明的另一方面涉及一種制造半導(dǎo)體組合件的方法。制造具有第一表面的第一
4集成電路(IC)小片。制造各自具有頂面和底面的至少一個額外IC小片。所述至少一個額 外IC小片中的每一者的底面安裝到第一 IC小片的第一表面上。制造各自具有頂面和底面 的至少一個虛擬填充物。所述至少一個虛擬填充物中的每一者的底面安裝到第一 IC小片 的第一表面上，與所述至少一個額外IC小片相鄰。將排熱元件安裝到所述至少一個額外IC 小片和所述至少一個虛擬填充物中的每一者的頂面上。本發(fā)明的另一方面涉及一種半導(dǎo)體組合件。半導(dǎo)體裝置包括初級集成電路(IC) 小片和安裝在初級IC小片上的至少一個次級IC小片。排熱元件包括基座，所述基座安裝 到所述半導(dǎo)體裝置上，以使得所述至少一個次級IC小片中的每一者介于初級IC小片與排 熱元件之間。至少一個虛擬填充物與至少一個次級IC小片相鄰，且各自將初級IC小片熱 耦合到排熱元件。


附圖展示根據(jù)本發(fā)明的一個或一個以上方面的示范性實施例；然而，附圖不應(yīng)被 理解為將本發(fā)明限于所展示的實施例，而是僅用于解釋和理解而已。圖1是展示根據(jù)本發(fā)明的一個或一個以上方面的半導(dǎo)體組合件的示范性實施例 的橫截面圖；圖2是展示根據(jù)本發(fā)明的一個或一個以上方面的半導(dǎo)體裝置的一部分的示范性 實施例的橫截面圖；圖3是展示根據(jù)本發(fā)明的一個或一個以上方面的半導(dǎo)體裝置的一部分的另一示 范性實施例的橫截面圖；圖4是描繪根據(jù)本發(fā)明的一個或一個以上方面的制造半導(dǎo)體組合件的方法的示 范性實施例的流程圖。
具體實施例方式圖1是展示根據(jù)本發(fā)明的一個或一個以上方面的半導(dǎo)體組合件100的示范性實施 例的橫截面圖。半導(dǎo)體組合件100包括半導(dǎo)體裝置101、排熱元件110和封裝襯底116。半 導(dǎo)體裝置101包括初級集成電路(IC)小片102 ( —般也被稱作第一 IC小片)和至少一個 次級IC小片104 ( —般也被稱作至少一個額外IC小片)。舉例來說，圖1中展示兩個次級 IC小片104。初級IC小片102包括形成于半導(dǎo)體襯底上的電路和形成于所述電路上的傳 導(dǎo)性互連(未圖示)。同樣，每一次級IC小片104包括形成于半導(dǎo)體襯底上的電路和形成 于所述電路上的傳導(dǎo)性互連(未圖示)?？墒褂帽娝苤腎C制造技術(shù)來制造初級IC小 片102和每一次級IC小片104。初級IC小片102和次級IC小片104可包含任何類型的數(shù) 字、模擬或混合信號IC。半導(dǎo)體裝置101經(jīng)由塊狀觸點的陣列114而安裝于封裝襯底116上。值得注意的 是，塊狀觸點陣列114形成于初級IC小片102的正面上。如上文所論述，術(shù)語“正面”表示 小片的這樣一個側(cè)面，即，其經(jīng)由大量的半導(dǎo)體處理以使得在小片的那個正面上制造電路。 與正面相對的小片側(cè)面被稱作小片的背面。塊狀觸點114形成初級IC小片102與封裝襯 底116之間的電和機(jī)械連接。封裝襯底116可包含能夠支撐半導(dǎo)體裝置101的任何類型的 載體，例如印刷電路板(printed circuit board, PCB)等。因此，在圖1的實施例中，初級IC小片102以倒裝芯片形式面朝下地安裝在封裝襯底116上。每一次級IC小片104安裝在初級IC小片102上，使得次級IC小片104與初級IC 小片102垂直堆疊。在本實施例中，每一次級IC小片104安裝到初級IC小片102的背面 上。一般來說，初級IC小片102的上面安裝有次級IC小片104的表面被稱作初級IC小片 102的第一表面。每一次級IC小片104經(jīng)由塊狀觸點112而安裝到初級IC小片102上。 塊狀觸點112形成每一次級IC小片104與初級IC小片102之間的電和機(jī)械連接。在本實 施例中，每一次級IC小片104是以倒裝芯片形式面朝下地安裝。所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)了 解，次級小片104中的一者或一者以上可以常規(guī)形式面朝上地安裝。如此項技術(shù)中所眾所 周知的，在面朝上安裝的情況下，塊狀觸點112通常被在次級小片104的正面與初級小片 102的背面之間延伸的焊線而取代。半導(dǎo)體裝置101包括經(jīng)配置以供與排熱元件110進(jìn)行 熱接觸的安裝表面118。在本實施例中，排熱元件110展示為具有基座109和多個翼片111 的散熱片。所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)了解，此種散熱片僅為示范性的且可具有其它眾所周知 的配置。此外，雖然通過舉例說明而展示了散熱片，但應(yīng)理解，排熱元件110可包含其它類 型的元件或元件組合，包括散熱片、熱管、及/或主動冷卻裝置(例如，空氣冷卻器、液體冷 卻器等)。大體上，排熱元件110具有能夠與半導(dǎo)體裝置101的安裝表面118熱接觸的基座 (例如，基座109)。此熱接觸可包括一層熱糊劑(未圖示)，例如此項技術(shù)中眾所周知的熱 糊劑。每一次級IC小片104包括相對的頂面與底面。在本實施例中，底面為次級IC小 片104的正面，且頂面為次級IC小片104的背面。在次級IC小片104面朝上安裝的實施 例中，頂面與底面顛倒，即，頂面為正面且底面為背面。根據(jù)本發(fā)明的一方面，半導(dǎo)體組合件100包括至少一個虛擬填充物106。舉例說 明，圖1中展示三個虛擬填充物106。每一虛擬填充物106包括相對的頂面與底面。每一 虛擬填充物106的底面安裝到初級IC小片102的背面上。虛擬填充物106與次級IC小片 104相鄰。值得注意的是，初級IC小片102包括由其背面的表面積(一般被稱作第一表面 積)限定的表面積占用面積。同樣，每一次級IC小片104包括由其底面的表面積限定的表 面積占用面積。共同地，次級IC小片104提供合計的表面積占用面積。如所展示，次級IC 小片104的合計表面積占用面積小于初級IC小片102的表面積占用面積。即，次級IC小 片104安裝在初級IC小片102的底面的表面積的一部分中。虛擬填充物106安裝在初級 IC小片102的底面的表面積的第二部分中。即，虛擬填充物106安裝在初級IC小片102的 表面積占用面積中未被次級IC小片104占用的一部分內(nèi)。值得注意的是，虛擬填充物未必 占用初級IC小片102的剩余表面積占用面積。換句話來說，如圖1中所展示，次級IC小片 104與虛擬填充物106之間可存在某些間隔。虛擬填充物106可由硅及/或某其它材料形 成，例如金屬物質(zhì)。虛擬填充物106與次級IC小片104的高度(即，頂面與底面之間的距離)大體上 相同。以此方式，虛擬填充物106與次級IC小片104的頂面形成安裝表面118。S卩，排熱元 件110與虛擬填充物106和次級IC小片104的頂面熱接觸。舉例來說，可使用熱糊劑將排 熱元件110安裝到這些頂面上。虛擬填充物106和次級IC小片104將初級IC小片102熱耦合到排熱元件110。 具體來說，虛擬填充物106提供從初級IC小片102到排熱元件110的基座109的直接熱傳
6導(dǎo)路徑。另外，虛擬填充物106減少以下兩者之間的擴(kuò)散熱阻(1)次級IC小片104與排 熱元件110之間的界面；與(2)初級IC小片102與次級IC小片104之間的界面。換句話 來說，與沒有這些虛擬填充物106的半導(dǎo)體裝置相比，虛擬填充物106減少了小片堆疊應(yīng)用 中的接面到封裝的熱阻。虛擬填充物106、次級IC小片104和初級IC小片102可用模塑料(mold compound) 108來囊封。模塑料108可包含此項技術(shù)中已知用以封裝IC的任何類型的模塑 料。在一些實施例中，模塑料108包含基于固化聚合樹脂的材料、熱塑性材料、熱固性材料 等。模塑料108可填充有虛擬填充物106。在一些實施例中，虛擬填充物106包含高導(dǎo)熱性材料，例如硅或?qū)嵝源笥诨虻?于硅的相似類型的材料，包括金屬填充物(例如，銅、鋁等)。在特定非限制性實施例中，虛 擬填充物106包含虛擬硅填充物。在一個實例中，虛擬硅填充物上面不形成有任何有源或 被動組件。這些虛擬硅填充物不需要制造電路和傳導(dǎo)性互連的費(fèi)用，且因此可使用較低成 本的制造工藝來制造。舉例來說，與用于IC小片的晶片相比，虛擬硅填充物可由成本較低 的晶片(例如，6英寸或8英寸晶片用于虛擬硅填充物對12英寸晶片用于IC小片)來制 造并加以切割。圖2是展示根據(jù)本發(fā)明的一個或一個以上方面的半導(dǎo)體裝置101的一部分 的示范性實施例的橫截面圖。在圖2中，展示初級IC小片102的上面安裝有次級IC小片 104和虛擬填充物106A(虛擬填充物106中的一者)的一部分。在本實施例中，虛擬填充物 106A為具有硅襯底202和熱觸點204的虛擬硅填充物。熱觸點204可包含(例如)至少一 個塊狀觸點等。建立從初級IC小片102經(jīng)由熱觸點204到硅襯底202且最終到排熱元件 110的熱傳導(dǎo)路徑?？舍槍Π雽?dǎo)體裝置101的剩余部分來類似地配置其它虛擬硅填充物。圖3是展示根據(jù)本發(fā)明的一個或一個以上方面的半導(dǎo)體裝置101的一部分的另一 示范性實施例的橫截面圖。在圖3中，展示初級IC小片102的上面安裝有次級IC小片104 和虛擬填充物106B (虛擬填充物106中的一者)的一部分。在本實施例中，虛擬填充物106B 為具有硅襯底301的虛擬硅填充物。硅襯底301包括制造于其上的至少一個被動組件。此 虛擬硅填充物一般被稱作專用虛擬硅填充物。在一些實施例中，可在硅襯底301上形成電 路(未圖示)。也可在硅襯底301上形成傳導(dǎo)性互連層302。傳導(dǎo)性互連302及/或電路 可經(jīng)配置以形成一個或一個以上被動組件304，例如電阻器、電容器、電感器或其任何組合。 舉例來說，這些組件可用以制造RF/混合式信號集成電路，或充當(dāng)去偶電容器。虛擬填充物106B經(jīng)由觸點306而安裝在初級IC小片102上。觸點306提供初級 IC小片102與虛擬填充物106B之間的熱接觸。另外，觸點306可提供用于被動組件304與 初級IC小片102中的電路之間的電通信。舉例來說，初級IC小片102可包括一個或一個 以上穿片通孔(through die via, TDV) 312，所述穿片通孔耦合到初級IC小片102的正面 上的傳導(dǎo)性互連310，借此在被動組件304與初級襯底102上的電路之間提供路徑。觸點 306也可提供用于被動組件304與初級IC小片104中的電路之間的電通信。舉例來說，一 個或一個以上導(dǎo)體308可形成于初級IC小片102的背面上，介于觸點306與次級IC小片 104的塊狀觸點112之間。可針對半導(dǎo)體裝置101的剩余部分來類似地配置其它虛擬硅填 充物。被動組件304可用于各種目的。舉例來說，被動組件304可用于混合信號電路?？?在硅填充物中形成電容器以實施用于配電網(wǎng)的去偶電容器。與通過接合線或焊球連接到封裝襯底116的芯片外電容器不同，在虛擬硅填充物中的去偶電容器直接附接到有源裝置。 因此，其與芯片外電容器相比具有較少的寄生電阻且提供極好的性能。所屬領(lǐng)域的技術(shù)人 員應(yīng)了解，被動組件304可用于眾多其它目的。圖4是描繪根據(jù)本發(fā)明的一個或一個以上方面的制造半導(dǎo)體組合件的方法400的 示范性實施例的流程圖。方法400開始于步驟402處，在步驟402處，使用眾所周知的IC制 造技術(shù)來制造初級IC小片。具體來說，在IC制造期間，生產(chǎn)用于初級IC小片的晶片?？?刻劃所述晶片，且獲得多個初級IC小片的條帶。盡管按照單個初級IC小片來泛泛地描述 步驟402，但應(yīng)理解，可使用方法400來并行地生產(chǎn)多個初級IC小片且對其進(jìn)行處理。艮口， 對單個初級IC小片進(jìn)行處理的步驟可擴(kuò)展到對多個初級IC小片進(jìn)行處理。舉例來說，可 在以下步驟中每次一根條帶地對初級IC小片進(jìn)行處理。在步驟404處，針對初級IC小片(或針對條帶中的初級IC小片中的每一者)來制 造至少一個次級IC小片?？墒褂门c初級IC小片類似的IC制造技術(shù)來制造次級IC小片。 在制造后可從晶片使次級ic小片單一化。在步驟406處，將次級IC小片安裝在初級IC小 片上(或在一條帶中的初級IC小片中的每一者上)。如上文所描述，將次級IC小片的底面 安裝到初級IC小片的背面上。在步驟408處，針對初級IC小片(或針對一條帶中的初級 IC小片中的每一者)來制造至少一個虛擬填充物。在可選步驟409處，在虛擬填充物中的 每一者上制造至少一個被動組件。在步驟410處，將虛擬填充物安裝在初級IC小片上(在一條帶中的初級IC小片 中的每一者上)。如上文所描述，將虛擬填充物的底面安裝到初級IC小片的背面上。在步 驟412處，用模塑料來囊封初級IC小片(或初級IC小片的條帶)。如上文所描述，所述模 塑料囊封初級IC小片、次級IC小片和虛擬填充物以產(chǎn)生復(fù)合封裝。在可選步驟414處，如 果正對初級IC小片的條帶進(jìn)行處理，那么可使初級IC小片單一化以產(chǎn)生個別復(fù)合封裝。在 步驟416處，可將初級IC小片(或若干初級IC小片)安裝到一個封裝襯底(或多個封裝 襯底)上。在步驟418處，可將排熱元件安裝到所述復(fù)合封裝(或所述復(fù)合封裝中的每一 者)上。雖然上文描述了根據(jù)本發(fā)明的一個或一個以上方面的示范性實施例，但在不脫離 由所附權(quán)利要求書和其等效物確定的本發(fā)明的范圍的情況下，可想出根據(jù)本發(fā)明的一個或 一個以上方面的其它實施例和進(jìn)一步的實施例。列出步驟的權(quán)利要求并不暗示所述步驟的 次序。商標(biāo)屬于其相應(yīng)所有者的財產(chǎn)。
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權(quán)利要求
一種半導(dǎo)體裝置，其包含第一集成電路小片，其具有第一表面；至少一個額外集成電路小片，其各自具有頂面和底面，所述至少一個額外集成電路小片中的每一者的所述底面安裝到所述第一集成電路小片的所述第一表面上；至少一個虛擬填充物，其各自具有頂面和底面，所述至少一個虛擬填充物中的每一者的所述底面安裝到所述第一集成電路小片的所述第一表面上，與所述至少一個額外集成電路小片相鄰；以及安裝表面，其經(jīng)配置以供與排熱元件進(jìn)行熱接觸，所述安裝表面包括所述至少一個額外集成電路小片和所述至少一個虛擬填充物中的每一者的所述頂面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體裝置，其中所述第一表面具有第一表面積，且其中所 述至少一個額外集成電路小片中的每一者安裝在所述第一表面積的第一部分中，且所述至 少一個虛擬填充物安裝在所述第一表面積的第二部分中。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的半導(dǎo)體裝置，其中所述至少一個虛擬填充物包括至少一 個虛擬硅填充物。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的半導(dǎo)體裝置，其中所述至少一個虛擬硅填充物包括各自上面 制造有至少一個被動組件的至少一個專用虛擬硅填充物。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的半導(dǎo)體裝置，其中所述至少一個專用虛擬硅填充物中的每一 者的所述至少一個被動組件包括電阻器、電容器或電感器中的至少一者。
6.根據(jù)權(quán)利要求1到5中任一權(quán)利要求所述的半導(dǎo)體裝置，其進(jìn)一步包含模塑料，其囊封所述第一集成電路小片、所述至少一個額外集成電路小片，和所述至少 一個虛擬填充物以形成復(fù)合封裝。
7.根據(jù)權(quán)利要求1到6中任一權(quán)利要求所述的半導(dǎo)體裝置，其中所述第一集成電路小 片包括與正面相對的背面，且其中所述第一表面包含所述背面。
8.根據(jù)權(quán)利要求1到7中任一權(quán)利要求所述的半導(dǎo)體裝置，其中所述排熱元件具有基 座，所述基座安裝到所述半導(dǎo)體裝置上，以使得所述至少一個額外集成電路小片中的每一 者介于所述第一集成電路小片與所述排熱元件之間。
9.一種制造半導(dǎo)體裝置的方法，其包含制造具有第一表面的第一集成電路小片；制造各自具有頂面和底面的至少一個額外集成電路小片；將所述至少一個額外集成電路小片中的每一者的所述底面安裝到所述第一集成電路 小片的所述第一表面上；制造各自具有頂面和底面的至少一個虛擬填充物；將所述至少一個虛擬填充物中的每一者的所述底面安裝到所述第一集成電路小片的 所述第一表面上，與所述至少一個額外集成電路小片相鄰；以及將排熱元件安裝到所述至少一個額外集成電路小片和所述至少一個虛擬填充物中的 每一者的所述頂面上。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中所述第一表面具有第一表面積，且其中所述至少 一個額外集成電路小片中的每一者安裝在所述第一表面積的第一部分中，且所述至少一個 虛擬填充物安裝在所述第一表面積的第二部分中。
11.根據(jù)權(quán)利要求9或10所述的方法，其中所述至少一個虛擬填充物包括至少一個虛 擬硅填充物。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中所述制造所述至少一個虛擬填充物包含 在所述至少一個虛擬硅填充物的至少一個專用虛擬硅填充物中的每一者上形成至少一個被動組件。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中所述至少一個專用虛擬硅填充物中的每一者的 所述至少一個被動組件包括電阻器、電容器或電感器中的至少一者。
14.根據(jù)權(quán)利要求9到13中任一權(quán)利要求所述的方法，其進(jìn)一步包含用模塑料來囊封所述第一集成電路小片、所述至少一個額外集成電路小片，和所述至 少一個虛擬填充物以形成復(fù)合封裝；以及 將所述復(fù)合封裝附接到封裝襯底。
15.根據(jù)權(quán)利要求9到14中任一權(quán)利要求所述的方法，其中所述第一集成電路小片包 括與正面相對的背面，且其中所述第一表面包含所述背面。
全文摘要
本發(fā)明描述擴(kuò)散熱阻減少的半導(dǎo)體組合件及其制造方法。在一實例中，半導(dǎo)體裝置(101)包括初級集成電路(IC)小片(102)和安裝在所述初級IC小片(102)上的至少一個次級IC小片(104)。排熱元件(110)包括基座(109)，所述基座(109)安裝到所述半導(dǎo)體裝置(101)上，以使得所述至少一個次級IC小片(104)中的每一者介于所述初級IC小片(102)與所述排熱元件(110)之間。至少一個虛擬填充物(106)與所述至少一個次級IC小片(104)相鄰，且各自將所述初級IC小片(102)熱耦合到所述排熱元件(110)。
文檔編號H01L25/065GK101978493SQ200980106030
公開日2011年2月16日 申請日期2009年2月20日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月5日
發(fā)明者阿利弗·瑞曼 申請人:吉林克斯公司