JP2008160119A - 集積回路パッケージシステム - Google Patents

Abstract

【課題】集積回路パッケージシステム（４００）を形成する。
【解決手段】第１の集積回路ダイ（１１０）を与え、第１の集積回路ダイ（１１０）の上に、第１の集積回路ダイ（１１０）から実質的に１次元でずらして第２の集積回路ダイ（１１２）を取付け、第２の集積回路ダイ（１１２）の上にダイ間層（１０２）を形成し、ダイ間層（１０２）の上に、第２の集積回路ダイ（１１２）に実質的に位置合わせして第３の集積回路ダイ（１１４）を取付け、さらに、第３の集積回路ダイ（１１４）の上に、第２の集積回路ダイ（１１２）が第１の集積回路ダイ（１１０）に対するのと実質的に同じ大きさで実質的に反対の方向に第３の集積回路ダイ（１１４）からずらして第４の集積回路ダイ（１１６）を取付ける。
【選択図】図１

Description

関連出願の相互参照
この出願は、２００６年１２月２０日に出願された米国特許出願連続番号第６０／８７１，１３４号、および２００７年１２月４日に出願された米国特許出願連続番号第１１／９５０，２１６号の利益を主張する。

技術分野
この発明は、一般に集積回路パッケージに関し、より特定的には積重ねられたダイを備えた集積回路パッケージシステムに関する。

背景技術
エレクトロニクス製品は我々の日常生活に一体化した部分になっている。特に、複雑な集積回路を備えた多くのポータブル電子機器は一般的であるだけでなく、しばしばその基礎をなす技術について何ら考慮されることなく利用されている。携帯電話、ポータブルコンピュータ、ボイスレコーダ、車、飛行機などの多くの製品は非常に高度な技術を含んでいる。

我々がこれらの製品に用いる事実上すべての機能および目的において、新しい機能、スピード、データ、または可搬性について引続き需要がある。エレクトロニクス産業は、我々の習慣となったこれらの製品内に含まれる集積回路装置のサイズを減じ、実用性を改善し、性能を高めるよう、絶えずこれらの需要に迫られている。

集積回路を他の回路とインターフェースさせるために、集積回路をリードフレームまたは基板に装着することが一般的である。各集積回路は、非常に細い金またはアルミニウムのワイヤを用いてリードフレームのリードフィンガパッドに個別に接続されるボンディングパッドを有する。次いで、アセンブリを成型プラスチックまたはセラミック体に個別に封止することによってアセンブリがパッケージングされ、集積回路パッケージを形成する。

集積回路パッケージング技術では、単一の回路基板または基板に装着される集積回路の数が増加している。新しいパッケージング設計は、たとえば集積回路の物理的な大きさおよび形状などの形状因子においてより小型化され、全体的な集積回路密度の著しい増加をもたらしている。しかしながら、集積回路密度は、依然として、基板上に個々の集積回路を装着するのに利用可能な「土地」およびパッケージのサイズによって限定される。

ＰＣのコンピュータサーバおよび記憶サーバなどのさらに大規模な形状因子のシステムは、同じような小ささの、またはさらに小さな「土地」においてより多くの集積回路を必要とする。特に、携帯電話、デジタルカメラ、音楽プレーヤ、ＰＤＡおよび位置情報装置などのポータブル個人用電子機器についてのニーズが、集積回路密度の必要性にさらに拍車をかけている。

このような集積回路密度を増大させるニーズがあるので、１つを超える集積回路がパッケージングされたマルチチップパッケージの開発に至った。各パッケージは、個々の集積回路と、集積回路が周りの回路に電気的に接続され得るようにする相互接続線の１つ以上の層とに対し、機械的な支持を与える。

一般にマルチチップモジュールとも呼ばれる現在のマルチチップパッケージは、典型的には、別個の集積回路部品の集合が直接取付けられるＰＣＢ基板から構成される。このようなマルチチップパッケージは、集積回路密度および小型化を増進し、信号伝播速度を向上させ、全体的な集積回路サイズおよび重量を減じ、性能を向上させ、かつコストを下げることがわかってきた。すべてが、コンピュータ産業の主要な目標である。

パッケージにおいて積重ねることができるダイの数に対しては、依然として限界がある。すべてのボンディングパッドが一方側にある同じダイの積み重ねによって階段状の積み重ねが可能になり、ダイ間の厚いスペーサは必要でなくなる。しかしながら、積重ねすぎてダイの突起が生じ、あまりに長いパッケージが必要になる場合には、積重ねは、パッケージのサイズによってなおも制限される。

集積回路および集積回路パッケージ製造における最近の開発の利点にもかかわらず、集積回路装置および集積回路パッケージの接続性を向上させ、構造的一体性、製造歩どまり、および製品信頼性とともに密度の向上をもたらすように積み重ねるためのニーズが、引き続き存在する。

したがって、ダイの積み重ねおよび寸法の向上をもたらす集積回路パッケージシステムについてのニーズが依然として存在する。集積回路および特にポータブルエレクトロニクス製品の密度の向上に対する需要がますます増大することを考慮すると、これらの問題に対する答えを見つけることがますます重要である。

これらの問題の解決法が長い間求められてきたが、先行の開発ではいかなる解決策も教示または提示されず、そのために当業者はこれらの問題の解決策を長い間得られなかった。

発明の開示
この発明は、第１の集積回路ダイを与え、第１の集積回路ダイの上に第１の集積回路から実質的に１次元でずらして第２の集積回路ダイを取付け、第２の集積回路ダイの上にダイ間層を形成し、ダイ間層の上に第２の集積回路ダイと実質的に位置合わせして第３の集積回路ダイを取付け、さらに、第３の集積回路ダイの上に、第２の集積回路が第１の集積回路ダイに対するのと実質的に同じ大きさで実質的に反対の方向に第３の集積回路ダイからずらして、第４の集積回路ダイを取付けることをもたらす。

この発明の一定の実施例は、上述の局面に加えて、またはその代りに、他の局面を有する。これらの局面は、添付の図面を参照して捉えると、以下の詳細な説明を読むことによって当業者に明らかになるであろう。

発明を行うための最良の形態
以下の実施例は、当業者がこの発明を行い、使用することを可能にするのに十分に詳細に記載される。本開示に基づいて他の実施例が明らかになること、および本発明の範囲から逸脱することなく、システム上、プロセス上、または機械的な変更が行なわれ得ることが理解される。

以下の記載では、この発明についての完全な理解を与えるために多数の具体的な詳細が与えられる。しかしながらこの発明がこれらの具体的な詳細なしで実施され得ることが明
らかである。本発明を不明瞭にしないようにするために、いくつかの周知の回路、システム構成およびプロセスステップは詳細に開示されない。同様に、システムの実施例を示す図面は半図表的であり、縮尺どおりではなく、特に、いくつかの寸法は説明の明示のためであり、図面において極めて誇張されて示される。

さらに、例示、記載および理解が明らかかつ容易になるように複数の実施例がいくつかの機構を共通に有して開示され、説明される場合、互いに類似した機構は通常は類似した参照番号で記載される。実施例は、記述上の便宜から、第１の実施例、第２の実施例などと番号付けられるが、他の意味を有したりこの発明を限定したりするようには意図されない。

解説の目的のために、本願明細書に用いられる用語「水平の」は、その配向にかかわらず、この発明の面または表面と平行な面として規定される。用語「垂直の」は、その水平と規定されたものに直交する方向を指す。「上に」「上の」「下の」「底部」、「頂部」、「側」（「側壁」など）、「より高い」、「より低い」、「上部の」、「の上に」「の下に」などの用語は、水平面に対して規定される。

本願明細書に用いられる用語「上に」は、要素どうしの直接の接触を意味し、指し示す。本願明細書に用いられる用語「処理」は、説明される構造を形成する際に必要となる、材料の堆積、材料のパターニング、露出、発生、エッチング、クリーニング、材料のおよび／もしくは除去、またはトリミングを含む。本願明細書に用いられるような用語「システム」は、用語が用いられるコンテキストに従って、この発明の方法および装置を意味し、指し示す。

ここで図１を参照して、この発明の第１の実施例における集積回路パッケージシステム１００の側面図が示される。集積回路パッケージシステム１００は、特に実質的に位置合わせされ、隣接したダイについて、ダイ間層１０２を含むのが好ましい。ダイ間層１０２は、実質的に位置合わせされ、隣接したダイに対し、間隔、構造的一体性、分離、または伝導性を与えることができる。

支持構造、リードフレーム、ダイパッド、またはボールグリッドアレイ基板などの基板１０４は、第１の集積回路ダイ１０６に装着表面を与えることができる。第２の集積回路ダイ１０８は、第１の集積回路ダイ１０６の上に、実質的に１次元でずらされて装着され得る。第３の集積回路ダイ１１０は、第２の集積回路ダイ１０８の上に、第２の集積回路ダイ１０８と実質的に同じ大きさで実質的に同じ方向にずらされて装着され得る。

第４の集積回路ダイ１１２は、第３の集積回路ダイ１１０の上に、第３の集積回路ダイ１１０と実質的に同じ大きさで実質的に同じ方向にずらされて装着され得る。第５の集積回路ダイ１１４は、ダイ間層１０２の上に、第４の集積回路ダイ１１２と実質的に位置合わされて装着され得る。ダイ間層１０２は、第４の集積回路ダイ１１２または第５の集積回路ダイ１１４の平面的な面積以下の面積を有して形成され得る。

第６の集積回路ダイ１１６は、第５の集積回路ダイの上に、第４の集積回路ダイ１１２と実質的に同じ大きさで実質的に反対の方向にずらされて装着され得る。第７の集積回路ダイ１１８は、第６の集積回路ダイ１１６の上に、第６の集積回路ダイ１１６と実質的に同じ大きさで実質的に同じ方向にずらされて装着され得る。

第８の集積回路ダイ１２０は、第７の集積回路ダイ１１８の上に、第７の集積回路ダイ１１８と実質的に同じ大きさで実質的に同じ方向にずらされて装着され得る。下部ダイスタック１２２は階段状ステップまたはカスケード構成をもたらすことができる。上部ダイ
スタック１２４は、実質的に反対の、または鏡面対称の階段状ステップまたはカスケード構成をもたらす。下部ダイスタック１２２および上部ダイスタック１２４は、ジグザグ、角括弧（angle bracket）または山形の形状を形成することができる。

ダイは、伝導性または非伝導性の接着剤などの取付層１２６で基板１０４に、または互いに取付けることができる。取付層１２６はダイの各々について同じまたは異なる材料であり得る。たとえば、第１の集積回路ダイ１０６はエポキシ樹脂などの取付層１２６で基板１０４の上に取付けることができ、第２の集積回路ダイ１０８はエポキシまたは接着フィルムなどの取付層１２６で第１の集積回路ダイ１０６の上に取付けることができる。

同様に、相互接続１２８は、同じもしくは異なる材料または技術であり得る。たとえば、第１の集積回路ダイ１０６は、接合ワイヤ、平面相互接続または導電ボールなどの相互接続１２８で電気的に基板１０４に接続することができる。ダイ間層１０２は、第４の集積回路ダイ１１２上の相互接続１２８が第４の集積回路ダイの高さまたは厚さよりも高いループ高さを含むことができるようにし得る。

相互接続１２８は、材料または技術に加えて、共通して支持構造に接続されるか個別に基板１０４に接続されるなどの同じスタックの異なるダイに、複数の接続レベルまたは接続形態を与えることができる。相互接続１２８は、電気信号のための電気的接続または集積回路パッケージシステム１００のための電気レベルを与えることができる。

例示的な目的のために、集積回路パッケージシステム１００は、ジグザグ、角括弧または山形の形状を有して示されるが、いかなるずらされた構成も用いられ得ることが理解される。さらに、いかなる数のダイ、ダイ間層１０２が用いられてもよく、いかなるずらす方向、または方向の変化が用いられてもよく、それによって、特にスペースが極めて貴重である場合、限定されたスペースについて著しく多くの機能を加えることができる。

ずらされて積重ねられたダイを備えた集積回路パッケージシステム１００により、パッケージ形状因子内で少なくとも５０パーセント（５０％）多い積重ねダイを有することが可能になり、相互接続１２８はダイ高さまたは厚さよりも高いループ高さを有することが可能になる。さらに、この発明の積重ね方法はダイの突起を防ぎ、したがって、８つ以上のダイなどのより多くのダイがパッケージ内において積重ねられることが可能になる。

ここで図２を参照して、ダイの取付け段階における集積回路パッケージシステム１００の上面図が示される。第１の集積回路ダイ１０６は基板１０４の上に装着することができる。第２の集積回路ダイ１０８は、第１の集積回路ダイ１０６上に、たとえば左側に水平にずらすなど実質的に１次元で第１の集積回路ダイ１０６からずらして装着することができる。

同様に、第３の集積回路ダイ１１０は、第２の集積回路ダイの上に、第２の集積回路ダイ１０８が第１の集積回路ダイ１０６に対するのと実質的に同じ方向に、または実質的に同じ大きさで、第２の集積回路ダイ１０８からずらして装着することができる。装着または取付けは、図１に示される階段状ステップまたはカスケード構成をもたらす。

さらに、第４の集積回路ダイ１１２は、第３の集積回路ダイ１１０の上に、第３の集積回路ダイ１１０が第２の集積回路ダイ１０８に対するのと実質的に同じ方向、または実質的に同じ大きさで、第３の集積回路ダイ１１０からずらして装着することができる。装着または取付けは、図１に示される階段状ステップまたはカスケード構成を継続する。

ダイ間層１０２は、第４の集積回路ダイ１１２または第５の集積回路ダイ１１４の平面
的な面積より小さい面積を有して、第４の集積回路ダイ１１２の上に与えることができる。ダイ間層１０２の平面的な面積は、相互接続１２８が図１の第５の集積回路ダイ１１４と接触せずに第４の集積回路ダイ１１２の上に取付けられるための間隔を与える。

上面図は互いにずらされた４つの長方形ダイを示し、頂上の長方形ダイの上にダイ間層１０２がある。例示的な目的のために、４つのダイは実質的に同じ寸法を有して示されるが、全体的なパッケージサイズを含む最適化のため、かつダイの所与の選択のために、ダイがいかなるサイズおよびいかなる形状をも有し得ることが理解される。

さらに、例示的な目的のために相互接続１２８はダイの能動側も上に接続された接合ワイヤとして示され、すぐ上のダイが接続されたダイからずらされているが、接合ワイヤの使用によってダイと間の導電ボールの使用は排除されるわけではなく、たとえばフリップチップダイを使用する場合のように、ダイの能動面同士が対面していてもよい。

ここで図３を参照して、この発明の第２の実施例における集積回路パッケージシステム３００の側面図が示される。集積回路パッケージシステム１００と同様に、集積回路パッケージシステム３００は、好ましくはフィルム内ワイヤ技術におけるようなダイ間層３０２を含む。ダイ間層３０２は、実質的に位置合わせされ、隣接したダイに対し、間隔、構造的一体性、または分離を与えることができる。

支持構造、リードフレーム、ダイパッドまたはボールグリッドアレイ基板などの基板３０４は、第１の集積回路ダイ３０６のための装着表面を与えることができる。第２の集積回路ダイ３０８は、第１の集積回路ダイ３０６の上に、実質的に１次元でずらされて装着され得る。第３の集積回路ダイ３１０は、第２の集積回路ダイ３０８の上に、第２の集積回路ダイ３０８と実質的に同じ大きさで実質的に同じ方向にずらされて装着され得る。

第４の集積回路ダイ３１２は、第３の集積回路ダイ３１０の上に、第３の集積回路ダイ３１０と実質的に同じ大きさで実質的に同じ方向にずらされて装着され得る。第５の集積回路ダイ３１４は、ダイ間層３０２の上に、第４の集積回路ダイ３１２と実質的に位置合わされて装着され得る。ダイ間層３０２は、第４の集積回路ダイ３１２または第５の集積回路ダイ３１４の平面的な面積以下の面積を有して形成され得る。

第６の集積回路ダイ３１６は、第５の集積回路ダイの上に、第４の集積回路ダイ３１２と実質的に同じ大きさで実質的に反対の方向にずらされて装着され得る。第７の集積回路ダイ３１８は、第６の集積回路ダイ３１６の上に、第６の集積回路ダイ３１６と実質的に同じ大きさで実質的に同じ方向にずらされて装着され得る。

第８の集積回路ダイ３２０は、第７の集積回路ダイ３１８の上に、第７の集積回路ダイ３１８と実質的に同じ大きさで実質的に同じ方向にずらされて装着され得る。下部ダイスタック３２２は階段状ステップまたはカスケード構成をもたらすことができる。上部ダイスタック３２４は、実質的に反対の、または鏡面対称の、階段状ステップまたはカスケード構成をもたらす。下部ダイスタック３２２および上部ダイスタック３２４は、ジグザグ、角括弧または山形の形状を形成することができる。

ダイは、伝導性または非伝導性の接着剤などの取付層３２６で基板３０４に、または互いに取付けることができる。取付層３２６はダイの各々について同じまたは異なる材料であり得る。たとえば、第１の集積回路ダイ３０６はエポキシ樹脂などの取付層３２６で基板３０４の上に取付けることができ、第２の集積回路ダイ３０８はエポキシまたは接着フィルムなどの取付層３２６で第１の集積回路ダイ３０６の上に取付けることができる。

同様に、相互接続３２８は同じもしくは異なる材料または技術であり得る。たとえば、第１の集積回路ダイ３０６は、接合ワイヤ、平面相互接続または導電ボールなどの相互接続３２８で電気的に基板３０４に接続することができる。ダイ間層３０２は、第４の集積回路ダイ３１２上の相互接続３２８が第４の集積回路ダイの高さまたは厚さよりも高いループ高さを含むことができるようにし得る。

相互接続３２８は、材料または技術に加えて、共通して支持構造に接続されるか個別に基板３０４に接続されるなどの同じスタックの異なるダイに、複数の接続レベルまたは接続形態を与えることができる。相互接続３２８は、電気信号のための電気的接続または集積回路パッケージシステム３００のための電気レベルを与えることができる。

さらに、相互接続３２８は、フィルム内ワイヤ技術などのプロセスを用いて、少なくとも部分的にダイ間層３０２に形成することができる。ダイ間層３０２は、相互接続３２８または実質的に位置合わせされた隣接したダイに、間隔、構造的一体性または分離を与えるために、相互接続３２８の部分を囲むことができる。例示する目的のために相互接続３２８は接合ワイヤとして示されるが、いかなる接続材料または技術も用いられてよいことが理解される。

ここで図４を参照すると、この発明の実施例における集積回路パッケージシステム１００の製造のための集積回路パッケージシステム４００のフロー図が示される。システム４００はブロック４０２において第１の集積回路ダイを与え、ブロック４０４において、第１の集積回路ダイの上に、実質的に１次元で第１の集積回路ダイからずらして第２の集積回路ダイを取付け、ブロック４０６において第２の集積回路ダイの上にダイ間層を形成し、ブロック４０８において、ダイ間層の上に、実質的に第２の集積回路ダイに位置合わせして第３の集積回路ダイを取付け、さらにブロック４１０において、第３の集積回路ダイの上に、第２の集積回路ダイが第１の集積回路ダイに対するのと実質的に同じ大きさで実質的に反対の方向に第３の集積回路ダイからずらして第４の集積回路ダイを取付けることを含む。

さらに詳細には、集積回路パッケージシステム１００の方法および装置をもたらすシステムが、この発明の実施例において以下のように実行される：
１． 第１の集積回路ダイを与え、
２． 第１の集積回路ダイの上に、第１の集積回路ダイから実質的に１次元でずらして第２の集積回路ダイを取付け、
３． 第２の集積回路ダイの上にダイ間層を形成し、
４． ダイ間層の近くに相互接続を形成し、
５． ダイ間層の上に、第２の集積回路ダイに実質的に位置合わせして第３の集積回路ダイを取付け、
６． 第３の集積回路ダイの上に、第２の集積回路ダイが第１の集積回路ダイに対するのと実質的に同じ大きさで実質的に反対の方向に第３の集積回路ダイからずらして第４の集積回路ダイを取付ける。

このように、この発明の集積回路パッケージシステムの方法および装置は、重要かつ以前には未知で利用不可能であった解決策、性能および機能的な局面を備えることがわかった。結果として生じるプロセスおよび構成は、簡明でコスト効率が良く、複雑でなく、高度に多用途であって、正確で、感度がよく、有効であり、即座に効率的・経済的な製造、適用および利用をするために公知の構成要素を採用することにより、実現することができる。

この発明は具体的な最良の形態に関して記載されているが、多くの代替例、修正および
変形が前述の記載に照らして当業者に明らかになることが理解される。したがって、含まれる請求項の範囲内にあるこのような代替例、修正および変形はすべて包含するように意図される。すべての本願明細書に述べられたか、または添付の図面に示された問題は例示的であって非限定的な意味に解釈される。

この発明の第１の実施例における集積回路パッケージシステムの側面図である。 ダイの取付け段階における集積回路パッケージシステムの上面図である。 この発明の第２の実施例における集積回路パッケージシステムの側面図である。 この発明の実施例における集積回路パッケージシステムを製造するための集積回路パッケージシステムのフロー図である。

符号の説明

１００ 集積回路パッケージシステム、１０２ ダイ間層、１０４ 基板、１０６ 第１の集積回路ダイ、１０８ 第２の集積回路ダイ、１１０ 第３の集積回路ダイ、１１２
第４の集積回路ダイ。

Claims (10)

1. 集積回路パッケージシステム（４００）であって、
   第１の集積回路ダイ（１１０）を与えることと、
   第１の集積回路ダイ（１１０）の上に、第１の集積回路ダイ（１１０）から実質的に１次元でずらして第２の集積回路ダイ（１１２）を取付けることと、
   第２の集積回路ダイ（１１２）の上にダイ間層（１０２）を形成することと、
   ダイ間層（１０２）の上に、第２の集積回路ダイ（１１２）に実質的に位置合わせして第３の集積回路ダイ（１１４）を取付けることと、さらに
   第３の集積回路ダイ（１１４）の上に、第２の集積回路ダイ（１１２）が第１の集積回路ダイ（１１０）に対するのと実質的に同じ大きさで実質的に反対の方向に第３の集積回路ダイ（１１４）からずらして第４の集積回路ダイ（１１６）を取付けることとを含む、システム（４００）。
2. ダイ間層（１０２）を形成することは相互接続（１２８）に間隔を与えることを含む、請求項１に記載のシステム（４００）。
3. 第２の集積回路ダイ（１１２）の高さより高いループ高さを有する相互接続（１２８）を形成することをさらに含む、請求項１に記載のシステム（４００）。
4. ダイ間層（１０２）に隣接して相互接続（１２８）を形成することをさらに含む、請求項１に記載のシステム（４００）。
5. ダイ間層（３０２）内に部分的に相互接続（３２８）を形成することをさらに含む、請求項１に記載のシステム（４００）。
6. 集積回路パッケージシステム（１００）であって、
   第１の集積回路ダイ（１１０）と、
   第１の集積回路ダイ（１１０）の上の、第１の集積回路ダイ（１１０）から実質的に１次元でずらされた第２の集積回路ダイ（１１２）と、
   第２の集積回路ダイ（１１２）の上のダイ間層（１０２）と、
   ダイ間層（１０２）の上の、第２の集積回路ダイ（１１２）に実質的に位置合わせされた第３の集積回路ダイ（１１４）と、
   第３の集積回路ダイ（１１４）の上の、第２の集積回路ダイ（１１２）が第１の集積回路ダイ（１１０）に対するのと実質的に同じ大きさで実質的に反対の方向に第３の集積回路ダイ（１１４）からずらされた、第４の集積回路ダイ（１１６）とを含む、システム（１００）。
7. ダイ間層（１０２）は、相互接続（１２８）のための間隔を含む、請求項６に記載のシステム（１００）。
8. 第２の集積回路ダイ（１１２）の高さより高いループ高さを有する相互接続（１２８）をさらに含む、請求項６に記載のシステム（１００）。
9. ダイ間層（１０２）に隣接した相互接続（１２８）をさらに含む、請求項６に記載のシステム（１００）。
10. ダイ間層（３０２）内に部分的にある相互接続（３２８）をさらに含む、請求項６に記載のシステム（３００）。

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