CN105938821B

CN105938821B - 热增强的散热器

Info

Publication number: CN105938821B
Application number: CN201610117616.6A
Authority: CN
Inventors: 林柏尧; 林文益; 吕学德; 游明志
Original assignee: Taiwan Semiconductor Manufacturing Co TSMC Ltd
Current assignee: Taiwan Semiconductor Manufacturing Co TSMC Ltd
Priority date: 2015-03-03
Filing date: 2016-03-02
Publication date: 2020-04-28
Anticipated expiration: 2036-03-02
Also published as: CN105938821A

Abstract

一种三维集成电路(3DIC)包括第一衬底和嵌入在第一衬底中的散热结构。该3DIC还包括电连接至第一衬底的管芯，其中，管芯热连接至散热结构。该3DIC还包括位于管芯上的多个存储单元，其中，管芯介于多个存储单元和第一衬底之间，并且多个存储单元通过管芯热连接至散热结构。该3DIC还包括位于多个存储单元上的外部冷却单元，其中，多个存储单元介于管芯和外部冷却单元之间，并且管芯通过多个存储单元热连接至外部冷却单元。本发明实施例涉及热增强的散热器。

Description

热增强的散热器

优先权声明

本申请是2010年5月19日提交的第12/782,814号美国申请第12/782,814号的部分继续申请案，该先前申请(即，第12/782,814号美国申请)要求2009年7月30日提交的第61/229,958号美国临时申请的优先权，其全部内容结合于此作为参考。

技术领域

本发明大体涉及一种散热器，并且更具体地，涉及一种用于倒装芯片和3DIC封装的嵌入在衬底中的热增强的散热器。

背景技术

由于随着技术发展，微电子器件的封装密度增加，生产者持续地缩小微电子器件的尺寸以满足较小的电子器件的需求，诸如三维集成电路(3DIC)封装件，或叠层封装件(PoP)。现代微电子器件中的另一个趋势是增加使用较高功耗的电路，诸如在现代CPU芯片或应用处理器中。为了容纳封装更密集的和功耗更高的微电子器件，需要提高使用衬底通孔(TSV)或PoP技术的3DIC封装件的散热性能。

有时称为散热器的散热片通常由导热性较高的诸如已经使用的铜的材料制成，以满足3DIC封装件中的提高散热的需求。在一些情况中，3DIC封装件包括逻辑芯片上的至少一个存储芯片。尽管具有较高导热性的铜是用于3DIC封装件的外表面上的散热器的盖子的一个通常的解决方案，但是存储芯片和逻辑芯片之间的散热存在热收缩问题。

增加使用更密集封装的微电子器件(诸如逻辑芯片上的存储芯片)引起在芯片之间或具有相对较高的生热性(例如，“热点”)的芯片上的局限区域以导致电性能下降或甚至导致器件失效。

发明内容

根据本发明的一个实施例，提供了一种三维集成电路(3DIC)，包括：第一衬底；散热器，嵌入在所述第一衬底中；管芯，电连接至所述第一衬底，其中，所述管芯热连接至所述散热器；多个存储单元，位于所述管芯上，其中，所述管芯位于所述多个存储单元和所述第一衬底之间，并且所述多个存储单元通过所述管芯热连接至所述散热器；以及外部冷却单元，位于所述多个存储单元上，其中，所述多个存储单元位于所述管芯和所述外部冷却单元之间，并且所述管芯通过所述多个存储单元热连接至所述外部冷却单元。

根据本发明的另一实施例，还提供了一种三维集成电路(3DIC)，包括：第一衬底；散热结构，嵌入在所述第一衬底中，其中，所述散热结构包括：散热器，热界面材料(TIM)，位于所述散热器的至少第一表面上方，和多个第一通孔，与所述热界面材料接触；管芯，电连接至所述第一衬底，其中，所述多个第一通孔连接至所述管芯；多个导电通孔，电连接至所述管芯，其中，所述多个导电通孔的至少一个导电通孔延伸穿过位于所述散热器的第一部分和所述散热器的第二部分之间的所述第一衬底；多个导电元件，位于所述第一衬底上，其中，所述多个导电元件位于所述第一衬底的与所述管芯相对的表面上，并且所述多个导电元件电连接至所述多个导电通孔的对应的导电通孔。

根据本发明的又另一实施例，还提供了一种形成三维集成电路(3DIC)的方法，所述方法包括：图案化衬底以在所述衬底中限定至少一个腔；在所述至少一个腔中嵌入散热器，其中，所述衬底的部分延伸穿过所述散热器；在所述衬底中限定多个通孔，其中，所述多个通孔连接至所述散热器；在所述衬底中限定多个导电通孔，其中，所述多个导电通孔的至少一个导电通孔延伸穿过所述衬底的延伸穿过所述散热器的所述部分；以及将管芯接合在所述衬底上，其中，所述管芯连接至所述多个通孔，并且所述管芯电连接至所述多个导电通孔。

附图说明

本发明的部件、方面和益处通过下面详细的说明、附带的权利要求以及附图将更加完全地显现，在附图中：

图1是根据至少一个实施例的具有散热器的微电子封装件的截面图。

图2是图1的展开图。

图3是根据至少一个实施例的具有散热器的微电子封装件的截面图。

图4A是根据一些实施例的包括散热器的三维集成电路(3DIC)的截面图。

图4B是根据一些实施例的包括散热器的3DIC的截面图。

图4C是根据一些实施例的包括散热器的3DIC的截面图。

图5A是根据一些实施例的包括散热器的3DIC的截面图和顶视图。

图5B是根据一些实施例的包括散热器的3DIC的截面图和顶视图。

图6A是根据一些实施例的包括散热器的3DIC的截面图和顶视图。

图6B是根据一些实施例的包括散热器的3DIC的截面图和顶视图。

图7A是根据一些实施例的包括散热器的3DIC的截面图。

图7B是根据一些实施例的包括散热器的3DIC的截面图和顶视图。

图7C是根据一些实施例的包括散热器的3DIC的截面图和顶视图。

图8A至图8J是根据一些实施例的在各个制造阶段的包括散热器的3DIC的截面图。

具体实施方式

在以下的描述中，阐述了许多具体细节以提供对实施例的深入理解。但是，本领域的普通技术人员将认识到可以实施没有这些具体细节的实施例。在一些情况中，不详细地描述已知的结构和工艺以避免不必要的模糊了实施例。

整篇说明书中提及“一个实施例”或“实施例”，意味着结合该实施例所描述的特别的部件、结构或特征包括在至少一个实施例中。因此，整篇说明书的多个地方出现的短语“在一个实施例中”或“在实施例中”无须全部涉及相同的实施例。此外，在一个或多个实施例中，可以以任何合适的方式结合特别的部件、结构或特征。应该意识到，以下图片没有按比例绘制，当然，这些图片仅仅是为了说明。

图1是根据至少一个实施例的具有散热器的微电子封装件5的截面图。微电子封装件5可以包括具有第一表面和与第一表面大体上相对的第二表面的管芯20，其中，该第一表面含有用于预定的应用的与有源电路电通信的多个电接触件。可以使用诸如铜柱或焊料凸块30的接合构件，通过倒装芯片将管芯20的第一表面与衬底10安装来安装管芯20的第一表面以与载体衬底10电连接。用于衬底10的合适的材料包括但不限制于环氧树脂接合的玻璃纤维和有机衬底(例如，包括由玻璃环氧树脂或玻璃聚酰亚胺基铜迹线和树脂组成的核芯层)。诸如环氧树脂的底部填充材料40可以填充和密封在管芯20和衬底10之间的间隙中，从而包封焊料凸块30。底部填充材料40提供接合构件(例如，焊料凸块)的机械支持、电隔离以及保护有源电路免受环境的影响。尽管没有示出，但是衬底10也可以通过焊料球或通过插槽或通过其他互连方案，将管芯20电连接至外部电路或印刷电路板。

微电子封装件5也可以包括设置为与管芯20的第二表面热传导接触的热界面材料(TIM)50。可以设置散热器60与热界面材料50热传导接触。提供热界面材料50作为管芯20和散热器60之间的界面有利于各个方面，包括但不限制于提高完成的微电子封装件5的热导性和减小管芯损坏的风险。由于管芯20和散热器60的表面不平坦，将散热器60直接与管芯20并置将导致复合组件的热阻增加。将合适的热界面材料50插入在其中间均匀接触散热器60和管芯20的表面以提高热导性。此外，由于散热器60和管芯20的厚度的变化，管芯损坏可能提升，并且在一些情况下，导致散热器60对管芯20的过度压力。因此，在散热器60和管芯20之间提供热界面材料50减轻了散热器60对管芯20施加的压力。当合适的热界面材料50设置在散热器60和管芯20之间时，其具有高导热性并且改进热接触。合适的热界面材料50的实例包括但不限制于诸如填充银的环氧树脂等的散热膏、聚合物焊料混合热界面材料以及铟箔。取决于焊盘20的性能需求，热界面材料50的厚度将不同。在一个实施例中，热界面材料50的厚度在从约50微米至约100微米的范围内变化。

仍然参照图1，设置散热器60与热界面材料50热传导接触。散热器60包括盖61，该盖61具有由外壁或顶壁62和内壁或底壁64限定在其中的内部蒸汽室65，底壁64附接至顶壁62(沿它们的共同边缘)以在它们的接合界面处气密室65。根据方面，蒸汽室65横向地和纵向地贯穿盖61延伸。在图1中，纵向是水平方向并且横向在图的平面内。在一个实施例中，顶壁62和底壁64包括厚度基本上均匀的热导材料的板，并且间隔开约0.5mm至约1mm从而在它们之间形成空隙空间或蒸汽室65。在一些实施例中，蒸汽室65的深度和/或宽度可以变化，例如在特定的方向上变窄或变宽。

两相可汽化液体留在室65内，并且用作用于散热器60的工作流体WF。工作流体WF可以包括氟里昂、水、乙醇或能够蒸发并且拥有相对较高的潜伏热的相似的液体以散掉管芯20的热。

盖61的较低的热膨胀系数与载体衬底10的较低的热膨胀系数基本上相似。根据一个实施例，包括顶壁62和底壁64的盖61由具有较低的热膨胀系数(CTE)的材料制成，诸如铜、铜合金、铜钨(CuW)或碳化硅铝(AlSiC)。其他合适的材料也可以用于盖61，只要该材料拥有至少较低的热膨胀系数和较高的导热性。盖61的厚度取决于几个因素，其包括但不限制于管芯20的散热率、散热材料的导热性、外部散热片的存在、完成的微电子封装件5的所需的尺寸以及管芯20的表面面积。

盖61通过附接框70安装至衬底10，附接框70用于在衬底10和管芯20之上支撑盖61。选择附接框70的高度以使盖61的表面和衬底10之间存在间隙。使衬底10的顶面具有至少接受管芯20的尺寸。为了防止散热器60从衬底10的分层，附接框70的较低的热膨胀系数与载体衬底10的较低的热膨胀系数基本上相似。根据一个实施例，附接框70包括具有较低的热膨胀系数(CTE)的材料，诸如例如铜、铜合金、铜钨(CuW)或碳化硅铝(AlSiC)。其他合适的材料也可以用于附接框70，只要该材料拥有至少较低的热膨胀系数。附接框70可以以不同的方式构造，包括但不限制于图1所示的说明并且可以构造成不同的形式或形状而不受限于图1中的描述。

盖61通过一个或多个紧固器件80紧固地固接至附接框70。紧固器件80可以包括铆钉、螺钉、焊料、粘合剂或用于将盖61紧固至附接框70的其他工具。附接框70通过粘合剂75安装至衬底。

根据一些实施例，图2描述了包括散热器60的微电子封装件5的展开图。

图3是根据另一个实施例的具有散热器60的微电子封装件5的截面图。取代用附接框70将盖61紧固至衬底10，盖61本身用作固接机构且用作衬底10和管芯20之上的盖61的支持件。盖61包括为将盖61紧固至衬底，沿着盖61的外围边缘的或在盖61的所有侧上形成的安装凸缘72。安装凸缘72可以构造为除图3所示的之外的其他形式或形状。

为了防止散热器60从衬底10的分层，安装凸缘72的较低的热膨胀系数与载体衬底10的较低的热膨胀系数基本上相似。根据一个实施例，安装凸缘72包括具有较低的热膨胀系数(CTE)的材料，诸如例如铜、铜合金、铜钨(CuW)或碳化硅铝(AlSiC)、碳化硅铜(CuSiC)。其他合适的材料也可以用于安装凸缘72，只要该材料拥有至少较低的热膨胀系数。安装凸缘通过粘合剂75紧固至衬底10。

如图1和图2所示，基本上平坦的吸收层67设置在室65中，吸收层67用于接收工作流体WF。根据一个实施例，基本上沿着室65的内部或内侧壁设置吸收层67。在一些实施例中，基本上沿着盖61的顶壁62和底壁64的内表面设置吸收层67。通过织造在其中具有大量孔隙(未示出)的金属线来制造吸收层67以产生用于传输工作流体WF的毛细力。可选地，吸收层67也可以通过其他方法(例如，烧结金属粉末)制成。在一些实施例中，吸收层可以具有约0.1mm至约0.5mm的平均厚度。

在操作中，由于与散热器保持热接触的管芯20(或其他电子组件)操作和产生热，所以使包含在对应于热接触位置的吸收层67中的工作流体WF受热并且蒸发。然后，蒸汽V扩散以填充蒸汽室65，并且无论蒸汽V与室65的较冷表面在哪里接触，蒸汽V释放其蒸发的潜伏热并且冷凝为液体。冷凝物通过吸收层67产生的毛细力回流至热接触位置。之后，冷凝物频繁地蒸发并且冷凝以形成循环从而去除由管芯20或其他电子组件产生的热。该结构有效地将热能传遍散热器60，以使热能可以，例如，通过常规的附着于盖61的顶壁62的有鳍的散热片或热导管消除或消散。

因此，散热器60的方面提供了倒装芯片微电子封装件5，该倒装芯片微电子封装件5具有增强的能力以将在器件上的热点处的由管芯20(或其他电子组件)产生的热传播至更大的表面面积。应该理解，散热器60从一种设计至另一种设计可以变化很大。也应该理解，散热器的盖61不限制于图中所示的任何一个盖配置。

图4A是根据一些实施例的包括散热器60的三维集成电路(3DIC)400的截面图。3DIC 400包括与封装件5(图1)相似的元件。相同的原件具有相同的参考标号。3DIC 400包括通过导电路径415电连接的存储单元的堆叠件410。外部冷却单元420热连接至存储单元的堆叠件410。存储单元的堆叠件410电连接和热连接至管芯20。管芯20通过通孔430穿过TIM 50连接至散热器60。在一些实施例中，散热器60、TIM 50和通孔430统称为散热结构。衬底穿孔(TSV)440延伸穿过衬底450以在管芯20或存储单元的堆叠件410与导电凸块460之间提供电连接。散热器60通穿过TIM50连接至导电凸块460。衬底470通过导电凸块460连接至衬底450。衬底450的介于管芯20和散热器60之间的部分是布线层480。布线层480包括电布线路径以允许信号从导电凸块460向管芯20或存储单元的堆叠件410传播。布线层480包括将导电凸块460连接至管芯20或存储单元的堆叠件410 的多个再分布层(RDL)485以促进信号在3DIC 400内的各个器件之间传输。

导电路径415为存储单元的堆叠件410的单个存储单元之间的热传导提供路径。散热器60配置为通过通孔430吸收热能并且将热能传遍衬底450或传入导电凸块460。在一些实施例中，衬底450包括具有较低的热传导系数的有机材料。采用有机材料衬底制造诸如移动通信器件或平板电脑的较小的电子器件。热能的有效控制有助于增加较小的电子器件的使用寿命和精确操作。在一些实施例中，散热器60还配置为通过导电元件460将热能传递到衬底470。

散热器60的面积大于管芯20的面积。在一些实施例中，散热器60的面积大于管芯20的面积的约两倍。在一些实施例中，散热器60的面积与管芯20的面积的比率在从约2至约4的范围内。如果散热器60的面积与管芯20的面积的比率太小，则散热器不能有效地从管芯散热。如果散热器60的面积与管芯20的面积的比率太大，3DIC 400的整体尺寸增加而散热能力没有明显增加。在一些实施例中，散热器60的顶面与散热器60的底面之间的距离S的范围为从约0.2mm至约1.0mm从而为流体蒸发提供足够的体积以有效地导热并且避免不必要地增加3DIC 400的尺寸。在一些实施例中，3DIC 400中的散热器60的吸收层67(图1)具有约0.1mm至约0.25mm的平均厚度从而通过散热器60提供足够的流体传递并且避免不必要地增加3DIC 400的尺寸。

外部冷却单元420配置为从散热器60的相对侧上的存储单元的堆叠件410将热能驱散。在一些实施例中，外部冷却单元420包括用于将辐射热驱散至周围环境的鳍。在一些实施例中，外部冷却单元420包括用于将热能传递至周围环境的至少一个导热板。在一些实施例中，外部冷却单元420包括另一个合适的热传递结构以帮助减少由存储单元的堆叠件410产生的热能。与不包括位于管芯20的与外部加热单元420相对的一侧上的散热器的3DIC相比，3DIC 400具有增加的能力以驱散由管芯和存储单元的堆叠件410产生的热。在一些情况下，在不包括散热器60的3DIC中，存储单元的堆叠件410的离外部冷却单元420最近的存储单元的温度与管芯20的温度之间的差大于20摄氏度。在一些情况下，温度差介于20摄氏度和30摄氏度之间。在一些情况下，高温度差导致在所期望的操作温度范围之上的温度内操作管芯20。相比之下，3DIC 400中的存储单元的堆叠件410的离外部冷却单元420最近的存储单元和管芯20之间的温度差小于约17摄氏度。在一些情况下，温度差介于约10摄氏度和15约摄氏度之间。与不包括散热器60的3DIC相比，3DIC 400中的管芯20的降低的温度有助于在所期望的温度操作范围内操作管芯20和存储单元的堆叠件410以增加可靠性。例如，在一些实施例中，3DIC 400内的器件设计为在从约85摄氏度至约105摄氏度的范围的优选地操作温度内运行。温度差大于20摄氏度意味着将在优选地操作温度之外的温度在操作3DIC内的至少一部分器件。结果，3DIC的可靠性将降低。3DIC内的散热器60通过减小在3DIC内的各个点处的温度差有助于最大化在优选地操作温度范围内操作的3DIC 400内的器件的数量。

存储单元的堆叠件410的放大的部分包括在图4A中。存储单元的堆叠件410包括通过导电元件415b连接的多个单独的存储单元，导电元件415b为导电路径415的部分。在一些实施例中，导电元件415b包括微凸块、铜柱或其他合适的导电元件。作为导电路径415的部分，通孔415a延伸穿过存储单元的堆叠件410的单独的存储单元并且通过存储单元的堆叠件的存储单元之间的导电元件415b连接在一起。导电路径415为将在存储单元和管芯20之间传递的电信号以及为热传导提供路径。在一些实施例中，存储单元的堆叠件410包括诸如动态RAM(DRAM)、静态RAM(SRAM)的随机存取存储器(RAM)，闪速存储器，磁阻存储器或其他合适的存储器类型。在一些实施例中，用诸如逻辑电路器件或与管芯20相似的其他器件的不同类型的器件代替存储单元的堆叠件410。

外部冷却单元420配置为将由在存储单元的堆叠件410和管芯20中产生的热传递至外部环境。在一些实施例中，外部冷却单元420的面积大于管芯20或存储单元的堆叠件410的面积。在衬底470的与存储单元的堆叠件410相对的表面上没有电连接的一些实施例中，外部冷却单元420位于存储单元的堆叠件410的与散热器60相对的侧上并且位于衬底470的与散热器相对的侧上。在一些实施例中，存储单元的堆叠件410上的与管芯20相对的外部冷却单元420的结构与衬底470上的和管芯相对的外部冷却单元的结构相同。在一些实施例中，存储单元的堆叠件410上的与管芯20相对的外部冷却单元420的结构与衬底470上的与管芯相对的外部冷却单元的结构不同。

通孔430包括导热材料。在一些实施例中，通孔430包括铜、钨或另一个合适的导热材料。在一些实施例中，通孔430配置为将电信号从管芯 20传播至衬底450。通孔430的密度大于3％。通孔430的密度由位于管芯20下方的通孔的总面积除以管芯20的总面积限定。在一些实施例中，通孔430的密度的范围是从约3％至约20％。如果通孔430的密度太低则不能为散热器60提供足够的导热路径以用于有效地控制3DIC 400中的热。在一些实施例中，如果通孔430的密度太高，生产成本将增加而没有明显地增加散热能力，3DIC 400中的电性能能力或机械强度减小。在通孔430不传播电信号的一些实施例中，通孔430由导热板代替。

在一些实施例中，通过图案化衬底450形成通孔430以限定多个开口。在一些实施例中，通过蚀刻、激光钻孔或另一个合适的图案化技术图案化衬底450。用导热材料填充多个开口。在一些实施例中，使用PVD、溅射、CVD或另一个合适的形成工艺来填充开口。通孔430通过诸如焊料凸块、铜柱或其他合适的导电元件的导电元件连接至管芯20。在一些实施例中，通孔430通过包括回流或另一个合适的工艺的接合工艺连接至管芯20。

导电通孔440或衬底450配置为在管芯20和导电元件460之间提供电连接。在一些实施例中，导电通孔440通过布线层480中的RDL 485通过通孔430电连接至管芯20。在一些实施例中，导电通孔440通过除了通孔430的元件通过RDL 485电连接至管芯20。在一些实施例中，导电通孔440包括铜、铝、钨或另一个合适的导电材料。

衬底450配置为支撑散热器60、通孔430以及导电通孔440。在一些实施例中，通过蚀刻、激光钻孔或另一个合适的材料去除工艺在衬底450中形成用于接收散热器60的至少一个开口。在一些实施例中，通过氧化物沉积、物理汽相沉积(PVD)、化学汽相沉积(CVD)或另一个合适的形成工艺形成位于散热器60上方的布线层480。然后，使用诸如蚀刻或激光钻孔的材料去除工艺图案化布线层480。然后，用导电材料填充图案化的布线层480内的开口以形成RDL 485。在布线层480中还形成通孔430。在一些实施例中，通过诸如双镶嵌工艺的镶嵌工艺来形成RDL 485和/或通孔430。然后，通过接合工艺将通孔430和/或RDL 485连接至管芯20。在一些实施例中，衬底450包括有机材料。在一些实施例中，衬底450包括诸如硅、硅锗的半导体材料或另一种合适的半导体材料。在一些实施例中，掺杂衬底450。在一些实施例中，未掺杂或无意地掺杂衬底450。

TIM 50在散热器60和衬底450之间提供基本上平坦的表面。基本上平坦的表面通过横跨衬底450均匀地分布散热器的重量以有助于减小散热器60和衬底450之间的机械应力。TIM 50还通过提供用于形成部分衬底450的更均匀的表面帮助在散热器60和管芯20之间形成部分衬底450。衬底470通过导电元件460电连接至衬底450。在一些实施例中，衬底470包括：元素半导体，包括晶体硅、多晶硅、晶体锗、多晶锗、无定形结构的硅或无定形结构的锗；化合物半导体，包括碳化硅、砷化镓、磷化镓、磷化铟、砷化铟以及锑化铟；合金半导体，包括SiGe、GaAsP、AlInAs、AlGaAs、GaInAs、GaInP以及GaInAsP；任何其他合适的材料或它们的组合。在一些实施例中，合金半导体衬底具有梯度SiGe部件，其中Si和Ge组分从梯度SiGe部件的一个位置处的一个比率变化至另一位置处的另一比率。在一些实施例中，合金SiGe形成在硅衬底上方。在一些实施例中，衬底470是应变SiGe衬底。在一些实施例中，半导体衬底具有诸如绝缘体上硅(SOI)结构的绝缘体上半导体结构。在一些实例中，半导体衬底包括掺杂的epi层或掩埋层。在一些实施例中，化合物半导体衬底具有多层结构，或衬底包括多层化合物半导体结构。在一些实施例中，衬底470是印刷电路板(PCB)。在一些实施例中，衬底470包括至少一个功能电路。在一些实施例中，衬底470使用辐射传热将热分散至周围的环境。

导电元件460将衬底450电连接至衬底470。在一些实施例中，导电元件460是诸如C₄凸块的焊料凸块。在一些实施例中，导电元件460是铜柱或其他合适的导电元件。

图4B是根据一些实施例的3DIC 400'和散热器60的截面图。与3DIC400相比，3DIC400'包括彼此堆叠的管芯20并且省略了存储单元的堆叠件410。管芯20通过诸如焊料凸块、铜柱、微凸块或其他合适的导电元件的导电元件彼此连接。导电路径415'延伸穿过管芯20以在管芯20之间传导热能和电信号。

图4C是根据一些实施例的3DIC 400”和散热器60的截面图。与3DIC400相比，3DIC400”包括连接至相同散热器60的多个管芯20和多个存储单元的堆叠件410。散热器60的面积大于多个管芯20的总面积。在一些实施例中，散热器60的面积是多个管芯20的总面积的至少两倍。在一些实施例中，散热器60的面积与多个管芯20的总面积的比率范围为从约2至约4。

图5A是根据一些实施例的包括散热器60a和散热器60b的3DIC 500的截面图和顶视图。3DIC 500与3DIC 400相似并且相同的元件具有相同的参考标号。在一些实施例中，3DIC 500包括位于存储单元的堆叠件410上方的外部冷却单元420。与3DIC 400(图4)相比，3DIC 500包括分割成两部分的散热器60a和散热器60b。在一些实施例中，散热器60a和散热器60b统称为散热结构。部分衬底450在散热器60a和散热器60b的至少部分之间延伸。至少一个导电通孔440延伸穿过位于散热器60a和散热器60b之间的衬底450。

散热器60a和散热器60b的总面积大于管芯20的面积。在一些实施例中，散热器60a和散热器60b的总面积是管芯20的面积的至少两倍。在一些实施例中，第一部分60a和第二部分60b的总面积与管芯20的面积的比率的范围为从约2至约4。

在一些实施例汇总，第一部分60a与第二部分60b完全地分隔开。在一些实施例中，至少一个连接面积连接第一部分60a和第二部分60b。连接面积将第一部分60a的蒸汽室连接至第二部分60b的蒸汽室。

与3DIC 400相比，通过包括在散热器60a和散热器60b之间延伸的导电通孔4403DIC 500包括不太复杂布线方案。布线方案在管芯20和衬底470之间提供电连接。散热器60a和散热器60b之间的开口在管芯20和衬底470之间提供更直接的电连接，其降低了3DIC 500的布线方案的复杂性。降低布线方案的复杂性降低了成本并且与3DIC 400相比，设计3DIC 500的复杂性降低。在一些实施例中，与3DIC 400相比，降低布线方案的复杂性还降低了3DIC 500的整个尺寸。

图5B是根据一些实施例的包括散热器60a和散热器60b的3DIC 500'的截面图和顶视图。与3DIC 500相比，3DIC 500'包括多个管芯20和多个存储单元的堆叠件410，它们中的每个连接至分隔开的散热器60a或散热器60b。散热器60a和60b的总面积大于多个管芯20的总面积。在一些实施例中，散热器60a和60b的总面积是多个管芯20的总面积的至少两倍。在一些实施例中，散热器60a和60b的总面积与多个管芯20的总面积的比率范围为从约2至约4。3DIC 500'包括管芯20的数量和散热器60a和60b的数量之间的一比一的比率。在一些实施例中，多个管芯20连接至相同的散热器60a或60b。在一些实施例中，散热器60a和60b连接至单个管芯20。在一些实施例中，散热器60a连接至多个管芯20并且散热器60b连接至单个管芯20。

图6A是根据一些实施例的包括散热器60a至散热器60d的3DIC 600的截面图和顶视图。在一些实施例中，散热器60a至散热器60d、TIM 50和通孔430统称为散热结构。在一些实施例中，3DIC 600包括位于存储单元的堆叠件410上方的外部冷却单元420。3DIC 600与3DIC 400相似并且相同的元件具有相同的参考标号。与3DIC 400(图4)相比，3DIC 600包括分割成四部分的散热器60a至散热器60d。部分衬底450在邻近的部分60a至部分60d的至少部分之间延伸。至少一个导电通孔440延伸穿过位于邻近的部分60a至部分60d之间的衬底450。

散热器60a至散热器60d的总面积大于管芯20的面积。在一些实施例中，散热器60a至散热器60d的总面积是管芯20的面积的至少两倍。在一些实施例中，散热器60a至散热器60d的总面积与管芯20的面积的比率的范围为从约2至约4。

在一些实施例中，部分60a至部分60d的每个与第二部分60b完全地分隔开。在一些实施例中，部分60a至部分60d的至少一个连接至部分60a至部分60d的至少另一个。

与3DIC 500(图5)相似，与3DIC 400相比，散热器60a至散热器60d之间的开口有助于降低3DIC 600的布线方案的复杂性。在一些实施例中，3DIC 600包括四个以上或以下的部分。增加散热器60a至散热器60d之间的开口的数量提供了至管芯20和衬底470之间的导电路径的直接布线的更大的入口。但是,增加散热器60a至散热器60d之间的开口的数量去除了散热器的最接近管芯20的部分，这降低了吸收来自管芯的热能的效率。

图6B是根据一些实施例的包括散热器60a至散热器60d的3DIC 600'的截面图和顶视图。与3DIC 600相比，3DIC 600'包括多个管芯20和多个存储单元的堆叠件410，它们中的每个连接至散热器60a至散热器60d。散热器60a至散热器60d的总面积大于多个管芯20的总面积。在一些实施例中，散热器60a至散热器60d的总面积是多个管芯20的总面积的至少两倍。在一些实施例中，散热器60a至散热器60d的总面积与多个管芯20的总面积的比率的范围为从约2至约4。3DIC 600'包括管芯20的数量和散热器60a至散热器60d的数量之间的一比二的比率。在一些实施例中，多个管芯20连接至相同的散热器60a、60b、60c或60d。在一些实施例中，多个散热器60a、60b、60c或60d连接至单个管芯20。在一些实施例中，一些散热器60a至散热器60d连接至多个管芯20并且其他散热器60a至散热器60d连接至单个管芯20。

图7A是包括散热器710的3DIC 700的截面图。在一些实施例中，散热器710、TIM 50和通孔430统称为散热结构。3DIC 700相似于3DIC 400(图4)。相同的元件具有相同的参考标号。与3DIC 400相比，3DIC 700包括石墨散热器710。散热器710环绕多个岛状件715以允许导电通孔440的布线。岛状件715是用于衬底450的随后的图案化(形成散热器710的)保留下来的衬底450的部分。

与例如散热器60(图4)、散热器60a和60b(图5)或散热器60a至60d(图6)的其他散热器相比，散热器710不包括蒸汽室，并且由于不单独地制造或购买专门结构，因此散热器710更容易集成至制造工艺中。使用散热器710在避免重新设计散热器的同时，还有助于散热器适应之前设计的布线方案。

通过图案化衬底450形成散热器710以形成多个腔。在一些实施例中，基于用于3DIC 700的预定的布线方案确定多个腔的位置。在一些实施例中，使用激光钻孔图案化衬底450。在一些实施例中，使用蚀刻工艺或另一个合适的图案化技术图案化衬底450。然后，在多个腔中形成石墨材料。衬底450的未图案化的部分限定散热器710中的岛状件715的位置。在一些实施例中，通过CVD、PVD、旋涂或另一个合适的形成工艺来形成石墨材料。在一些实施例中，在多个腔的每个中的石墨材料热连接至在多个腔的每个另外的腔中的石墨材料。在一些实施例中，多个腔的至少一个腔中的石墨材料的至少一部分与多个腔的不同腔中的石墨材料的至少另一部分热分隔开。

在一些实施例中，通过在衬底450中蚀刻单个腔来形成散热器710。石墨材料形成在单个腔中。然后，图案化石墨材料以为导电通孔440的布线提供岛状件715。在一些实施例中，使用激光钻孔、蚀刻或另一个合适的图案化工艺来图案化石墨材料。在一些实施例中，散热器710的高度H的范围为从约0.2mm至约1.0mm以提供足够的散热能力而没有不必要地增加3DIC 700的尺寸。在一些实施例中，散热器710的高度H的范围是从约0.8mm至约1.0mm。

图7B是包括散热器710的3DIC 700的截面图和顶视图。在3DIC 700的顶视图中，岛状件715布置成二维阵列。在一些实施例中，随机布置岛状件715。在一些实施例中，岛状件715布置成规则的图案、准规则的图案或另一个合适的组合。

图7C是包括散热器710的3DIC 700'的截面图和顶视图。与3DIC 700相比，3DIC700'包括成规则的栅格图案布局的延伸件725。延伸件725是衬底450的在散热器710的部分之间延伸的部分。延伸件725在两个正交方向上延伸。与岛状件715相比，延伸件725横跨散热器710持续地延伸。在一些实施例中，延伸件725横跨散热器710不持续地延伸。在一些实施例中，延伸件725横跨散热器710在单一方向上延伸。在一些实施例中，延伸件725布置成不规则的栅格布局，其中，相邻的延伸件725之间的间隔不同。

图8A至图8J是3DIC在各个制造阶段的截面图。图8A至图8J中的相同的参考标号对应于上述相同的元件。为了简洁，图8A至图8J中的一些参考标号不在每个附图中赘述。图8A包括在衬底450中形成开口之前的衬底450。图8B包括衬底450中的开口810。开口810用于接收散热器。图8B还包括衬底450中的开口820。开口820用于通孔440。在一些实施例中，同时形成开口810和开口820。在一些实施例中，顺序地形成开口810和开口820。通过材料去除工艺在衬底450中形成开口810和开口820。在一些实施例中，材料去除工艺包括蚀刻、激光钻孔或另一个合适的材料去除工艺。在一些实施例中，开口810是多个开口。在一些实施例中，衬底450的至少部分保留在开口810的第一部分和开口810的第二部分之间。在一些实施例中，衬底450的剩余部分包括交叉的延伸件，例如，延伸件725。在一些实施例中，衬底450的剩余部分包括岛状件，例如，岛状件715。在包括多个开口810的一些实施例中，多个开口810彼此连接。在包括多个开口810的一些实施例中，多个开口中的每个开口通过第一衬底的部分与多个开口中的其他开口分隔开。在一些实施例中，额外的开口形成在衬底450的岛状件或延伸件中以在散热器的部分之间提供布线。

图8C包括位于开口810中的散热器60。在一些实施例中，散热器60由散热器60a至60d或散热器710代替。在一些实施例中，散热器60包括蒸汽室。在一些实施例中，散热器包括石墨。

图8D包括形成在开口820中的通孔440。形成通孔440的至少一个第二通孔440围绕散热器60的外围。在一些实施例中，通过用导电材料填充衬底450中的孔来形成通孔440。

图8E包括形成在散热器60的顶面和底面上方的TIM 50。在一些实施例中，通过旋涂、印刷、PVD或另一个合适的形成工艺来形成TIM 50。

图8F包括形成在衬底450的第一表面上方的布线层480。布线层480提供电连接以用于在连接至衬底450的结构之间传播信号。布线层480包括至少一个RDL，例如RDL 485(图4A)或通孔(例如通孔430)。每个RDL电连接至至少一个通孔440。在一些实施例中，布线层480还包括用于连接至形成在岛状件715或延伸件725中的通孔440的通孔。在一些实施例中，通过与通孔440相同的工艺形成布线层480的RDL和/或通孔。在一些实施例中，通过与通孔440不同的工艺形成布线层480的RDL和/或通孔。

图8G包括形成在衬底450的第二表面上的布线层480。在一些实施例中，衬底450可移动地连接至临时载体(未示出)以促进衬底450的第二表面上的布线层480的形成。

图8H包括通过衬底450的第一表面上的布线层480接合至衬底450的管芯20和存储单元的堆叠件410。在一些实施例中，在将管芯20接合至衬底450之前，管芯20和存储单元的堆叠件410接合在一起。在一些实施例中，在存储单元的堆叠件410接合至管芯20之前，管芯20接合至衬底450。管芯20连接至第一衬底的第一表面上的布线层480中的RDL和/或通孔。在一些实施例中，管芯20通过回流工艺接合至衬底450。在一些实施例中，第一表面上的布线层480中的RDL和/或通孔将管芯20与散热器60热连接。在一些实施例中，一个以上的管芯封装件(例如，管芯20和存储单元的堆叠件410)接合至衬底450的第一表面。在一些实施例中，多个逻辑器件接合至衬底450的第一表面。

图8I包括通过衬底450的第二表面上的布线层480接合至衬底450的导电元件460。在一些实施例中，导电元件460通过回流工艺接合至衬底450的第二表面。

图8J包括通过导电元件460接合至衬底450的衬底470。在一些实施例中，衬底470通过回流工艺接合至衬底450。通过穿过第一衬底的第一和第二表面上的布线层480的第二通孔440和/或通孔430和RDL 485，衬底470电连接至管芯20和存储单元的堆叠件410。图8A至图8J提供了用于形成与3DIC 400(图4A)相似的3DIC的工艺的实例。在一些实施例中，修改工艺流程从而形成其他3DIC，诸如3DIC 400'(图4B)、3DIC 400”(图4C)、3DIC 500(图5A)、3DIC 500'(图5B)、3DIC 600(图6A)、3DIC600'(图6B)、3DIC 700(图7A)、3DIC 700’(图7C)。

在一些实施例中，改变图8A至图8J的操作的顺序。在一些实施例中，去除图8A至图8J的操作或将图8A至图8J的操作一起接合至单一的操作中。在一些实施例中，将诸如包括外部冷却单元的额外的操作添加至图8A至图8J的工艺流程。在一些实施例中，在衬底470接合至衬底450之后，添加外部冷却单元420。在一些实施例中，在管芯20接合至衬底450之前，将外部冷却单元420接合至存储单元的堆叠件410。在一些实施例中，在管芯20接合至衬底450之后，将外部冷却单元420接合至存储单元的堆叠件410。

本说明书的一个方面涉及一种三维集成电路(3DIC)。3DIC包括第一衬底和嵌入在第一衬底中的散热器。3DIC还包括电连接至第一衬底的管芯，其中，管芯热连接至散热器。3DIC还包括位于管芯上的多个存储单元，其中，管芯位于多个存储单元和第一衬底之间，并且多个存储单元通过管芯热连接至散热器。3DIC还包括位于多个存储单元上的外部冷却单元，其中，多个存储单元位于管芯和外部冷却单元之间，并且管芯通过多个存储单元热连接至外部冷却单元。

本说明书的另一个方面涉及一种三维集成电路(3DIC)。该3DIC包括第一衬底。该3DIC还包括嵌入在第一衬底中的散热结构。该散热结构包括散热器、位于散热器的至少第一表面上方的热界面材料(TIM)以及与TIM接触的多个第一通孔。该3DIC还包括电连接至第一衬底的管芯，其中，多个第一通孔连接至管芯。该3DIC还包括电连接至管芯的多个导电通孔，其中，多个导电通孔的至少一个导电通孔延伸穿过位于散热器的第一部分和散热器的第二部分之间的第一衬底。该3DIC还包括位于第一衬底上的多个导电元件，其中，多个导电元件位于第一衬底的相对管芯的表面上，并且多个导电元件电连接至多个导电通孔的对应的导电通孔。

本说明书的又另一个方面涉及一种形成三维集成电路(3DIC)的方法。该方法包括图案化衬底以限定衬底中的至少一个腔。该方法还包括在至少一个腔中嵌入散热器，其中，衬底的部分延伸穿过散热器。该方法还包括在衬底中限定多个通孔，其中，多个通孔热连接至散热结构。该方法还包括在衬底中限定多个导电通孔，其中，多个导电通孔的至少一个导电通孔延伸穿过散热器延伸衬底的部分。该方法还包括将管芯接合在衬底上，其中，管芯热连接至多个通孔，并且管芯电连接至多个导电通孔。

在上述三维集成电路中，还包括延伸至所述第一衬底内的多个通孔，其中，所述多个通孔将所述管芯热连接至所述散热器。

在上述三维集成电路中，所述多个通孔的至少一个通孔配置为将所述第一衬底电连接至所述管芯。

在上述三维集成电路中，所述管芯的密度大于3％。

在上述三维集成电路中，所述多个通孔的至少一个通孔与所述管芯电隔离。

在上述三维集成电路中，所述散热器的总面积比所述管芯的面积大至少两倍。

在上述三维集成电路中，所述散热器包括石墨。

在上述三维集成电路中，还包括：多个导电元件，位于所述第一衬底上，其中，所述散热器位于所述管芯和所述多个导电元件之间；以及至少一个导电通孔，将所述管芯电连接至所述多个导电元件的相应的导电元件，其中，所述至少一个导电通孔延伸穿过所述第一衬底的岛状件，所述第一衬底的岛状件延伸穿过所述散热器。

在上述三维集成电路中，所述散热器包括至少一个蒸汽室。

在上述三维集成电路中，，所述至少一个蒸汽室是多个蒸汽室。

在上述三维集成电路中，还包括：多个导电元件，位于所述第一衬底上，其中，所述散热器位于所述管芯和所述多个导电元件之间；以及至少一个导电通孔，将所述管芯电连接至所述多个导电元件的相应的导电元件，其中，所述至少一个导电通孔延伸穿过位于所述多个蒸汽室的邻近蒸汽室之间的所述第一衬底。

在上述三维集成电路中，所述至少一个蒸汽室包括包含多个连接的部分的蒸汽室，其中，所述多个连接的部分限定位于所述多个连接的部分之间的至少一个开口。

在上述三维集成电路中，还包括：多个导电元件，位于所述第一衬底上，其中，所述散热器位于所述管芯和所述多个导电元件之间；以及至少一个导电通孔，将所述管芯电连接至所述多个导电元件的相应的导电元件，其中，所述至少一个导电通孔延伸穿过所述至少一个开口。

在上述三维集成电路中，还包括：多个导电元件，位于所述第一衬底上，其中，所述散热器位于所述管芯和所述多个导电元件之间；以及多个导电通孔，将所述管芯电连接至所述多个导电元件的相应的导电元件，其中，所述多个导电通孔的每个导电通孔位于所述散热器的外围周围。

在上述三维集成电路中，还包括第二衬底，所述第二衬底通过所述第一衬底电连接至所述管芯。

在上述三维集成电路中，还包括第二外部冷却单元，所述第二外部冷却单元在所述第二衬底的与所述第一衬底相对的表面上热连接至所述第二衬底。

在上述三维集成电路中，所述多个第一通孔的密度大于3％。

在上述三维集成电路中，所述散热结构的总面积比所述管芯的面积大至少两倍。

参考示例性实施例描述前公开。然而很明显在不背离本公开的宽泛主旨和范围的情况下，如前权利要求所述，可以做各种更改、结构、工艺和改变。因此，说明书和附图是为了说明而不用于限定。据了解本实施例可以使用各种其它组合和环境且可以在本发明的范围内改变和更改。

Claims

1.一种三维集成电路(3DIC)，包括：

第一衬底，包括多个腔部；

多个散热部分，分别嵌入在所述多个腔部中，其中，所述多个散热部分的至少一个与所述多个散热部分的其他部分分隔或连接；

管芯，电连接至所述第一衬底，其中，所述管芯热连接至所述多个散热部分；

多个存储单元，位于所述管芯上，其中，所述管芯位于所述多个存储单元和所述第一衬底之间，并且所述多个存储单元通过所述管芯热连接至所述多个散热部分；以及

外部冷却单元，位于所述多个存储单元上，其中，所述多个存储单元位于所述管芯和所述外部冷却单元之间，并且所述管芯通过所述多个存储单元热连接至所述外部冷却单元。

2.根据权利要求1所述的三维集成电路，还包括延伸至所述第一衬底内的多个通孔，其中，所述多个通孔将所述管芯热连接至所述多个散热部分。

3.根据权利要求2所述的三维集成电路，其中，所述多个通孔的至少一个通孔配置为将所述第一衬底电连接至所述管芯。

4.根据权利要求2所述的三维集成电路，其中，所述多个通孔的密度大于3％。

5.根据权利要求2所述的三维集成电路，其中，所述多个通孔的至少一个通孔与所述管芯电隔离。

6.根据权利要求1所述的三维集成电路，其中，所述多个散热部分的总面积比所述管芯的面积大至少两倍。

7.根据权利要求1所述的三维集成电路，其中，所述多个散热部分包括石墨。

8.根据权利要求7所述的三维集成电路，还包括：

多个导电元件，位于所述第一衬底上，其中，所述多个散热部分位于所述管芯和所述多个导电元件之间；以及

至少一个导电通孔，将所述管芯电连接至所述多个导电元件的相应的导电元件，其中，所述至少一个导电通孔延伸穿过所述第一衬底的岛状件，所述第一衬底的岛状件延伸穿过所述多个散热部分。

9.根据权利要求1所述的三维集成电路，其中，所述多个散热部分包括多个蒸汽室。

10.根据权利要求9所述的三维集成电路，还包括：

至少一个导电通孔，将所述管芯电连接至所述多个导电元件的相应的导电元件，其中，所述至少一个导电通孔延伸穿过位于所述多个蒸汽室的邻近蒸汽室之间的所述第一衬底。

11.根据权利要求9所述的三维集成电路，其中，所述多个蒸汽室包括包含多个连接的部分的蒸汽室，其中，所述多个连接的部分限定位于所述多个连接的部分之间的至少一个开口。

12.根据权利要求11所述的三维集成电路，还包括：

至少一个导电通孔，将所述管芯电连接至所述多个导电元件的相应的导电元件，其中，所述至少一个导电通孔延伸穿过所述至少一个开口。

13.根据权利要求1所述的三维集成电路，还包括：

多个导电通孔，将所述管芯电连接至所述多个导电元件的相应的导电元件，其中，所述多个导电通孔的每个导电通孔位于所述多个散热部分的外围周围。

14.根据权利要求1所述的三维集成电路，还包括第二衬底，所述第二衬底通过所述第一衬底电连接至所述管芯。

15.根据权利要求14所述的三维集成电路，还包括第二外部冷却单元，所述第二外部冷却单元在所述第二衬底的与所述第一衬底相对的表面上热连接至所述第二衬底。

16.一种三维集成电路(3DIC)，包括：

第一衬底，包括多个腔部；

散热结构，嵌入在所述第一衬底中，其中，所述散热结构包括：

多个散热部分，分别嵌入在所述多个腔部内，其中，所述多个散热部分的至少一个与所述多个散热部分的其他部分分隔或连接，

热界面材料(TIM)，位于所述多个散热部分的至少第一表面上方，和

多个第一通孔，与所述热界面材料接触；

管芯，电连接至所述第一衬底，其中，所述多个第一通孔连接至所述管芯；

多个导电通孔，电连接至所述管芯，其中，所述多个导电通孔的至少一个导电通孔延伸穿过位于所述多个散热部分的第一部分和所述多个散热部分的第二部分之间的所述第一衬底；

多个导电元件，位于所述第一衬底上，其中，所述多个导电元件位于所述第一衬底的与所述管芯相对的表面上，并且所述多个导电元件电连接至所述多个导电通孔的对应的导电通孔。

17.根据权利要求16所述的三维集成电路，其中，所述多个第一通孔的密度大于3％。

18.根据权利要求16所述的三维集成电路，其中，所述散热结构的总面积比所述管芯的面积大至少两倍。

19.一种形成三维集成电路(3DIC)的方法，所述方法包括：

图案化衬底以在所述衬底中限定多个腔；

在所述多个腔中嵌入多个散热部分，其中，所述衬底的部分延伸穿过所述多个散热部分，其中，所述多个散热部分的至少一个与所述多个散热部分的其他部分分隔或连接；

在所述衬底中限定多个通孔，其中，所述多个通孔连接至所述多个散热部分；

在所述衬底中限定多个导电通孔，其中，所述多个导电通孔的至少一个导电通孔延伸穿过所述衬底的延伸穿过所述多个散热部分的所述部分；以及

将管芯接合在所述衬底上，其中，所述管芯连接至所述多个通孔，并且所述管芯电连接至所述多个导电通孔。