具有改進熱性能的堆疊式半導體裸片組合件及相關的系統及方法技術方案

本文揭示具有改進熱性能的堆疊式半導體裸片組合件及相關的系統及方法。在一個實施例中，半導體裸片組合件可包含半導體裸片堆疊及導熱外殼，所述導熱外殼將所述半導體裸片堆疊至少部分封圍于殼體內。封裝襯底承載所述導熱外殼，且插入物安置于所述導熱外殼與所述半導體裸片堆疊之間。所述插入物的外圍部分側向延伸超過所述半導體裸片堆疊且耦合到插入于所述外圍部分與所述封裝襯底之間的多個傳導構件。

【技術實現步驟摘要】
【國外來華專利技術】
所揭示的實施例涉及半導體裸片組合件及管理此類組合件內的熱量。特定來說，本技術涉及具有導熱外殼及直接附接到外殼的插入物的堆疊式半導體裝置組合件。
技術介紹
封裝式半導體裸片(包含存儲器芯片、微處理器芯片及成像器芯片)通常包含安裝于襯底上且圍封于塑料保護罩中的半導體裸片。裸片包含功能特征(例如存儲器單元、處理器電路及成像器裝置)，以及電連接到功能特征的接合墊。接合墊可經電連接到保護罩外側的端子以允許裸片連接到更高階的電路。半導體制造者不斷減小裸片封裝的大小以裝配于電子裝置的空間約束內，同時也增大每一封裝的功能能力以滿足操作參數。一種用于增大半導體封裝的處理能力而大體上不增大由封裝覆蓋的表面積(即，封裝的“占用面積”)的方法是在單個封裝中在彼此頂部上豎直堆疊多個半導體裸片。在此類豎直堆疊式封裝中的裸片可通過使用穿硅通孔(TSV)將個別裸片的接合墊與相鄰裸片的接合墊電耦合而互連。在豎直堆疊式封裝中，所產生的熱量難以耗散，這增大了個別裸片、其間的結及封裝作為一個整體的操作溫度。在許多類型的裝置中，這可使堆疊式裸片達到超過其最大操作溫度(Tmax)的溫度。附圖說明圖1到5是根據本技術的選定實施例配置的半導體裸片組合件的橫截面圖。圖6是包含根據本技術的實施例配置的半導體裸片組合件的系統的示意圖。具體實施方式下文描述具有改進的熱性能的堆疊式半導體裸片組合件及相關的系統及方法的若干實施例的特定細節。術語“半導體裸片”一般是指具有集成電路或組件、數據存儲元件、處理組件及/或在半導體襯底上制造的其它特征的裸片。舉例來說，半導體裸片可包含集成電路存儲器及/或邏輯電路。相關領域的技術人員還將理解，本技術可具有額外實施例，且可在無下文參考圖1到6描述的實施例的若干細節的情況下實踐本技術。如本文使用，鑒于圖中展示的定向，術語“豎直”、“側向”、“上部”及“下部”可指代半導體裸片組合件中的特征的相對方向或位置。舉例來說，“上部”或“最上部”可指代經定位比另一特征更靠近頁的頂部的特征。然而，這些術語應廣義地解釋為包含具有其它定向的半導體裝置。圖1是根據本技術的實施例配置的半導體裸片組合件100(“組合件100”)的橫截面圖。組合件100包含經布置于堆疊105(“裸片堆疊105”)中的多個半導體裸片102及導熱外殼(“外殼110”)，所述外殼附接到插入于外殼110與裸片堆疊105之間的插入物120。插入物120包含外圍部分122，外圍部分122沿至少一個軸線側向延伸超越裸片堆疊105的外圍或占用面積。外圍部分122包含多個接合墊123，其通過經插入于外圍部分122與封裝襯底130之間的個別傳導構件(例如焊料凸塊140)耦合到封裝襯底130的對應接合墊132。封裝襯底130可包含(例如)插入物、印刷電路板或具有將組合件100連接到外部電路(未展示)的電連接器133(例如，焊料凸塊)的其它適當襯底。在圖1的所說明的實施例中，焊料凸塊140可包含金屬焊料球。在若干實施例中，焊料凸塊140可具有等于或大于裸片堆疊105的豎直高度的豎直高度。舉例來說，取決于裸片堆疊105的豎直高度，焊料凸塊140可具有在從約200μm到約1mm或更多的范圍中的豎直高度。焊料凸塊的間距也可基于焊料凸塊的豎直高度而變化。此外，雖然焊料凸塊140在所說明的實施例中展示為具有小于其豎直高度的間距，但在其它實施例中，間距可等于或大于豎直高度。外殼110包含蓋部分112及附接到蓋部分112或與其一體形成的壁部分113。蓋部分112可通過第一界面材料115a(例如，粘合劑)附接到插入物120的背側表面121。壁部分113豎直延伸遠離蓋部分112，且通過第二界面材料115b(例如，粘合劑)附接到封裝襯底130的外圍或上表面135。在所說明的實施例中，外殼110至少部分將裸片堆疊105封圍于殼體(例如，腔室)內。在其它實施例中，外殼110可以不同方式配置或省略。舉例來說，在一個實施例中，壁部分113可從外殼110省略。除提供保護罩之外，外殼110也可作為吸收熱能且將其從裸片堆疊105耗散開的散熱器。因此，外殼110可由導熱材料制成，例如具有高導熱率的鎳、銅、鋁、陶瓷材料(例如，氮化鋁)及/或其它適當導熱材料。在一些實施例中，第一界面材料115a及/或第二界面材料115b可由此項技術中稱為“熱界面材料”或“TIM”的材料制成，“熱界面材料”經設計以增大表面結處(例如，在裸片表面與散熱器之間)的熱傳導。TIM可包含用傳導材料(例如碳納米管、焊料材料、類金剛石碳(DLC)等等)、以及相變材料摻雜的硅基脂、凝膠或粘合劑。在一些實施例中，舉例來說，熱界面材料可由亞利桑那州菲尼克斯市的信越化工公司(Shin-Etsu MicroSi,Inc.of Phoenix,Arizona)所制造的X-23-7772-4TIM制成，X-23-7772-4TIM具有約3到4W/m°K的導熱率。在其它實施例中，第一界面材料115a及/或第二界面材料115b可包含其它適當材料，例如金屬(例如，銅)及/或其它適當導熱材料。在若干實施例中，裸片堆疊105可通過第三界面材料115c(例如粘合劑、裸片附接材料(例如，裸片附接膜或膏)、電介質間隔件或其它適當材料)附接到封裝襯底130。在一個實施例中，第三界面材料115c是將裸片堆疊105與堆疊105下方的封裝襯底130電隔離的電介質材料。在另一實施例中，第三界面材料115c可包含用于第一界面材料115a及/或第二界面材料115b的界面材料(例如，TIM)。在其它實施例中，可省略第三界面材料115c。舉例來說，在一個實施例中，插入物120可將裸片堆疊105承載在封裝襯底130上方，使得裸片堆疊105與封裝襯底130由間隙(例如，空氣間隙)分離。裸片堆疊105可電耦合到插入物120，且通過多個互連件106(例如，銅柱、焊料凸塊及/或其它傳導特征)彼此電耦合。舉例來說，互連件106的部分可附接到定位于插入物120的有效表面124處的對應接合墊125。半導體裸片102中的每一者可包含在互連件106的相對側上耦合的多個貫穿襯底互連件108(例如，貫穿襯底通孔、TSV等等)。互連件及貫穿襯底互連件106及108可由各種類型的傳導材料(例如，金屬材料)形成，例如銅、鎳、鋁等等。在一些實施例中，傳導材料可包含焊料(例如，基于SnAg的焊料)、充填導體的環氧樹脂及/或其它導電材料。在選定實施例中，舉例來說，互連件106可為銅柱，而在其它實施例中，互連件106可包含更復雜的結構，例如氮化物上凸塊結構。在其它實施例中，互連件106可用其它類型的材料或結構替換，例如傳導性膏。除電連通之外，互連件106及貫穿襯底互連件108也將熱量從裸片堆疊105朝向外殼110傳遞。在一些實施例中，裸片堆疊110的最外裸片104的貫穿襯底互連件108也可將熱量從裸片堆疊110傳遞到封裝襯底130。舉例來說，貫穿襯底互連件108可與第三界面材料115c直接接觸。在若干實施例中，組合件100也可包含在半導體裸片102之間以填隙方式定位的多個導熱元件或“虛設元件”(未展示)以進一步促進穿過裸片堆疊105的熱傳遞。此類虛設元件可具有至少大體與互連件106及/或貫穿襯底互連件1本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種半導體裸片組合件，其包括：半導體裸片堆疊；導熱外殼；插入物，其在所述導熱外殼與所述半導體裸片堆疊之間，其中所述插入物的外圍部分側向延伸超過所述半導體裸片堆疊；封裝襯底，其承載所述導熱外殼；及多個傳導構件，其經插入于所述封裝襯底與所述插入物的所述外圍部分之間。

【技術特征摘要】
【國外來華專利技術】2014.03.31 US 14/231,1011.一種半導體裸片組合件，其包括：半導體裸片堆疊；導熱外殼；插入物，其在所述導熱外殼與所述半導體裸片堆疊之間，其中所述插入物的外圍部分側向延伸超過所述半導體裸片堆疊；封裝襯底，其承載所述導熱外殼；及多個傳導構件，其經插入于所述封裝襯底與所述插入物的所述外圍部分之間。2.根據權利要求1所述的裸片組合件，其中所述導熱外殼包含：蓋部分，其附接到所述插入物的背側表面；及壁部分，其在所述蓋部分與所述封裝襯底之間豎直延伸；其中所述壁部分附接到所述封裝襯底的外表面。3.根據權利要求2所述的裸片組合件，其中所述半導體裸片堆疊包含：存儲器裸片堆疊；及邏輯裸片，其安置于所述存儲器裸片堆疊與所述插入物之間。4.根據權利要求1所述的裸片組合件，其中所述裸片組合件進一步包括經插入于所述封裝襯底與所述半導體裸片堆疊之間的界面材料。5.根據權利要求4所述的裸片組合件，其中：所述界面材料是電絕緣的；所述半導體裸片堆疊包含具有延伸穿過其的多個貫穿襯底互連件的最外裸片；且所述多個貫穿襯底互連件接觸所述界面材料。6.根據權利要求1所述的裸片組合件，其中所述半導體裸片堆疊進一步包括：存儲器裸片堆疊，其具有第一占用面積；及邏輯裸片，其具有沿所述存儲器裸片堆疊的至少一個軸線大于所述第一占用面積的第二占用面積。7.根據權利要求6所述的裸片組合件，其中所述插入物具有沿所述邏輯裸片的至少一個軸線大于所述第二占用面積的第三占用面積。8.根據權利要求6所述的裸片組合件，其中所述個別傳導構件包含焊料凸塊。9.根據權利要求1所述的裸片組合件，其中所述插入物包含將所述傳導構件電耦合到所述半導體裸片堆疊的再分布網絡，且其中所述再分布網絡包含在所述傳導構件中的至少一者與所述半導體裸片堆疊之間耦合的電路元件。10.根據權利要求9所述的裸片組合件，其中所述電路元件包含電容器。11.根據權利要求1所述的裸片組合件，其中所述封裝襯底包含：外表面，其附接到所述導熱外殼；及凹入表面，其相對于所述外表面凹入，其中所述半導體裸片堆疊附接到所述凹入表面。12.一種半導體裸片組合件，其包括：導熱外殼；封裝襯底，其中所述封裝襯底及所述導熱外殼一起界定殼體；插入物，其附接到所述殼體內的所述導熱外殼；及半導體裸片堆疊，其安置于所述插入物與所述殼體內的所述封裝襯底之間。13.根據權利要求12所述的裸片組合件，其中：所述插入物包含多個第一接合墊；所述封裝襯底包含多個第二接合墊；且所述半導體裸片組合件進一步包括多個傳導構件，其中個別傳導構件經安置于個別第一接合墊與個別第二接合墊之間。14.根據權利要求13所述的裸片組合件，其中所述個別傳導構件包含焊料凸塊。15.根據權利要求13所述的裸片組合件，其中所述多個傳導構件包含：個別第一焊料凸塊，其耦合到所述個別第一接合墊，個別第二焊料凸塊，其耦合到所述個別第二接合墊，及中間支撐件，其經安置于所述個別第一焊料凸塊與所述個別第二焊料凸塊之間。16.根據權利要求15所述的裸片組合件，其中所述中間支撐件包含半導體材料。17.一種半導體裸片組合件，其包括：封裝襯底，其具有腔室；半導體裸片堆疊，其至少部分經安置于所述腔室內；插入物，其附接到所述半導體裸片堆疊，其中所述插入物在所述腔室外側；及導熱外殼，其在所述腔室上方側向延伸，其中所述導熱外殼包含附接到所述封裝襯底的第一部分及附接到所述插入物的第二部分。18.根據權利要求17所述的裸...

【專利技術屬性】
技術研發人員：邁克爾·科普曼斯，羅時劍，戴維·R·亨布里，
申請(專利權)人：美光科技公司，
類型：發明
國別省市：美國;US