TWI296151B - Methods and apparatuses for providing stacked-die devices - Google Patents

Description

1296151 ^ (1) 九、發明說明 【發明所屬之技術領域】 ' 本發明之實施例主要有關於積體電路之領域，更詳而 、 言之，用於堆疊晶粒以產生堆疊晶粒的裝置之方法以及設 備。 【先前技術】 # 若能於矽電路板表面上較爲密集地封裝晶片，可降低 模組的尺寸與成本以及增進系統之性能。使封裝密度達到 最大限度之一種可行的方法涉及將晶片往上互相堆置以形 成立體堆疊，稱爲堆疊晶片裝置或堆疊晶粒裝置。過去數 v 年來已花費許多精神致力於在可能之處堆疊晶片。此種晶 片堆疊方法包含將數個尺寸漸減之晶片堆疊以利於線接合 ，或使用間隔體堆疊數個尺寸相同之晶片，或針對上層之 晶粒利用下斜技術或使用"T型切割"晶粒。當晶粒有堆疊 # 更多之趨勢，從目前典型裝置中2-4堆疊之晶粒到即將到 來之未來中6-8或更多堆疊之晶粒，許多問題隨之而生。 例如，針對漸減尺寸的方法，最後會達到一個上層晶 粒尺寸無效的情況。針對下斜或τ型切割晶粒方法’堆疊 中下層與上層晶粒之間尺寸差會有所限制（亦即較難製造 懸突物且導致較不穩定之堆疊晶粒裝置）° 此外，這些方法的每一個都會產生更多良率之損失。 當堆疊晶粒數量增加時’良率損失更大。堆疊晶粒裝置道1 到完成前並不會完整地被測試。可在堆疊前於晶粒級對個 -4- 1296151 ^ (2) 別的晶粒完成溫度以及其他容限測試，但此種 表示堆疊晶粒之裝置的整體功能。尤其是當堆 實施邏輯處理裝置的情況中，於整個裝置之所 ‘ 完成之前，速度測試並不可靠。 爲了解決堆疊限制以及良率損失之問題， 晶粒子封裝之槪念。於此種方法中，產生並測 疊晶粒裝置的多個子封裝。當順利測試後，堆 ® 接兩個或更多子封裝以形成堆疊晶粒裝置。 第1圖描述根據先前技術中由堆疊之子封 疊晶粒裝置。堆璺晶粒裝置1〇〇，如第1圖戶斤 個子封裝105a、105b以及105c，其可爲堆疊 ’諸如封裝105b以及105c。封裝l〇5a包含 1 2:0之基板1 1 〇a (例如球柵陣列（BGA )) 1 1 〇 a之下表面1 1 1。導電球1 2 0係用以電性連 至主機板（未顯示）。晶粒1 3 0a配置於基板 ⑩1 12之上。 封裝105b包含具有晶粒130c堆疊於晶輕 的堆疊晶粒之裝置。封裝1 0 5 c包含具有如 13 0d-13 Of相互堆疊之堆疊晶粒的裝置。所有g 、130b、130c、130d-130f電性連接至個別基枝 或透過線接合1 40互相電性連接。各子封裝的 於子封裝堆疊前典型地由用以保護之塑封材料 子封裝之間由互連1 50互相電性連接，其可爲 的銅接合。 測試並無法 ®晶粒之一 有電性連結 已提出堆疊 試各包含堆 疊並電性連 裝構成的堆 示，包含三 晶粒之封裝 具有導電球 形成於基板 接基板ll〇a 1 1 〇a上表面 [130b之上 所示般晶粒 向晶粒130a I 110a-110c 線接合140 145覆蓋。 子封裝之間 -5- 1296151 一 合 之接 失接 損連 率間 良之 及裝 以封 制子 限成 疊形 堆， 決如 解例 ο 〇 1 點 置缺 裝有 之樣 粒同 晶但 } 疊 ， (3)堆點 缺 些 之銅佈植需要額外的空間。亦即，子封裝之間的互連1 5 Ο " 必須與線結合1 40保持某程度之距離，使得互連1 50不會 被塑封材料1 45所覆蓋。這增加堆疊晶粒之裝置的大小。 另外’形成銅佈植需要額外的處理（如鑽孔），其增加成 本並且實際上限制各封裝之結構至標準形狀與大小。第 ® 1Α圖爲參照第1圖描述之堆疊晶粒之裝置〗00用之子封 裝俯瞰圖。如第1 A圖所示，用於連接子封裝的銅佈植互 、 連1 5 0具有承載件1 5 5。承載件1 5 0係超出可放置線接合 140之基板1 l〇a上的區域。針對特定尺寸，晶粒130a、 基板ll〇a以及因而子封裝105a必須足夠大以容納承載件 1 55 〇 【發明內容】及【實施方式】 ® 於下列說明中，提出各種特定細節。惟，應了解到本 發明之實施例可不具有這些特定細節而實施。於其他範例 中，並未詳細顯示熟知之電路、結構與技術以不混淆對於 本說明之了解。 於整篇說明書中對於”一實施例”或”實施例”之參照意 指與該實施例關聯描述之特定特徵、結構或特性包含於本 發明至少一實施例中。因此，"於一實施例中”或”於實施 例中”措辭於說明書中各處之出現並非絕對皆參照相同的 實施例。此外，可以任何適當方法結合於一或更多實施例 -6 - (4) 1296151 中的特定特徵、結構或特性。 又’發明態樣係在少於單一揭露之實施例中所有特徵 中。因此，實施方式之後的申請專利範圍在此特地包含於 ' 此賓施方法中，其中每一項申請專利範圍可獨立存在，作 爲本發明之個別的實施例。 第2圖描述根據本發明一實施例子封裝用之基板的上 視與側視圖。基板210具有互連240以及子封裝互連250 ® ’其可例如爲用於電性連接於堆疊子封裝結構中一子封裝 至其之上的另一子封裝的導電金屬球。子封裝互連250可 、 類似典型用於表面安裝封裝利用於晶粒下側上之B G A。根 據本發明一實施例，子封裝互連形成於基板上側（晶粒側 )。子封裝互連25 0並不連接，因此可接近以及於子封裝 互連250之間實現線接合。針對一實施例，於形成將提供 子封裝間互連的子封裝互連250之前，線接合可一路形成 至將放置子封裝互連之處。子封裝互連經由互連240電性 ® 連接至晶粒230。基板之下側可具有傳統BGA或金屬島用 以電性連接至下面的子封裝。 第3 A-3D圖描述根據本發明一實施例製造子封裝之程 序。如第3A圖中所示，基板310爲具有用於晶粒附接以 及線接合或覆晶附接之特徵的傳統基板。基板3 1 0之下表 面311具有如參照上述第1圖之導電金屬球320。基板 310具有子封裝互連350形成於上表面312。子封裝互連 350附接至形成近基板310周圍的金屬墊（未圖不）。子 封裝互連3 5 0，其可爲導電金屬球，可由鉛/錫合金之焊料 (5) 1296151 形成。於替代實施例中，子封裝互連3 5 0可由金屬或其他 適當導電金屬形成。針對此種實施粒，子封裝互離3 5 0可 使用類似傳統BGA球附接方法之程序附接。 ' 針對本發明一實施例，於基板3 1 0上表面3 1 2形成子 封裝互連3 5 0之後，將積體電路晶片（晶粒）附接至基板 3 1 〇。根據本發明一實施例，晶粒可實施各種種類之記憶 體裝置或邏輯處理器裝置。晶粒，於堆疊晶粒結構中可爲 • 一個晶粒或多個晶粒，係使用傳統晶粒附接方法以及材料 附接至基板3 10以及互相附接。如第3 Β圖所示，晶粒 3 3 0a係附接至基板310上表面312以及晶粒3 3 0b係堆疊 並附接至晶粒3 3 Oa上。各晶粒可使用傳統方法（如線接 ^ 合或覆晶附接）電性連接至基板以及互相連接。子封裝互 連3 50延伸於上表面3 1 2上大於晶粒堆疊之距離。 如第3 C圖所示，附接囊封已附接之晶粒或晶粒堆疊 以保護晶粒以及（若有任何）關聯之線（如線接合），周 ^ 時令子封裝互連350之上部分351暴露。囊封物延伸於上 表面3 1 2高於晶粒堆疊，但不如子封裝互連3 5 0般高。針 對本發明一實施例，囊封物345爲熱固材料，諸如環氧化 物或聚合樹脂，其可包括各種含量（如從0-80%重量）之 矽土或其他非有機粒子以變更熱膨脹係數（CTE )、模數 或黏性。針對本發明一實施例，此種熱固材料可包含助熔 劑以於後續軟熔程序期間提供助熔能力。針對本發明一實 施粒，晶粒堆疊之囊封，如第3 C圖所示，係經由將於下 更詳細說明之模板印刷程序實現。 -8- 1296151 _ (6) 如第3D圖所示，囊封物3 45可涵蓋整個子封裝互連 3 5 0。子封裝互連3 5 0可維持囊封狀態，其中該子封裝爲 堆疊子封裝裝置中最上面的子封裝。其中該子封裝互連將 * 用於電性連接子封裝至堆疊子封裝結構中其上之另一個子 封裝，可透過諸如硏磨或雷射鑽孔的已知方法暴露子封裝 互連3 5 0之上部分。

將堆疊於另一子封裝上之子封裝可不包含諸如BGA • 的導電金屬球，氮可包含島墊3 2 1對應將堆疊於上之子封 裝的子封裝互連。 囊封 ^ 針對本發明一實施例，子封裝之晶粒之囊封可使用模 板印刷程序實現。可藉由將模板印刷程序最佳化以及針對 改良的可處理性（processability )、囊封性能以及熱固特 性之材料上的選擇，控制囊封物之高度覆蓋。第4圖描述 ® 根據本發明一實施例囊封子封裝之晶粒同時暴露出子封裝 互連上部分的程序。程序400，如第4圖所示，從操作 4 05開始，其中提供模板並置於基板上方。圖案化可爲薄 鎳板之模板以覆蓋各子封裝互連之一些上部分。 於操作4 1 0，提供可印刷模板囊封物。典型囊封物並 非可印刷之模板，但可藉由降低其黏性而變成如此，例如 添加溶劑至囊封材料。 於操作4 1 5，施加可印刷模板囊封物至晶粒。控制囊 封物之量，使得晶粒（如晶粒堆疊）以及關聯的線完全被 -9 - (7) 1296151 囊封同時留下各子封裝互連之上部分暴露。子封裝互連的 下部分亦被囊封。實際上，一些囊封物可能保留在子封裝 互連上部分，但低黏性之囊封物能幫助降低這些囊封物的 量。 於操作420，將基板置於升高的溫度下，以移除溶劑 (亦即蒸發一些或所有於操作4 1 0中添加的溶劑）。針對 本發明一實施例，基板置於大約1 〇〇 °C溫度下大約兩小時 > 。依照欲蒸發之溶劑量，可變更此種蒸發程序之溫度與時 間。於軟熔前盡可能地移除促進模板印刷程序之溶劑，以 降低若溶劑沒移除可能於固化/軟熔期間形成之空隙。溶 劑之移除增加所施加之囊封物的黏性。針對本發明一實施 例，於烘烤後，於後續軟熔期間固化（交鏈）囊封物，此 將於下詳述。針對本發明一實施例，此固化與焊料軟熔同 時實現。針對本發明一實施例，囊封物之固化動力係特別 針對降低與接合形成干擾而定。

I 軟熔 互連兩個或更多子封裝以形成根據本發明一實施例之 堆疊子封裝裝置。子封裝互相堆疊，使得最上面之子封裝 下側上之島墊或導電金屬球對應堆疊中下一個較低之子封 裝暴露出之子封裝互連。附接實現軟熔程序或其他傳統表 面安裝程序以於子封裝間產生互連。於軟熔期間，由於溫 度增加而降低囊封物之黏性。上層之子封裝的島墊與下層 子封裝之子封裝互連之間有濕潤力（w e 11 i n g f 〇 r c e )，使 -10- 1296151 (8) 子封裝互連表面上任何剩餘的囊封物材料被迫出，允許子 封裝間適當之互連形成。 第5圖描述根據本發明一實施例由堆疊的子封裝構成 * 之堆疊晶粒之裝置。於第5圖中顯示之堆疊晶粒裝置500 包含三個子封裝5 05 a、5 05b以及5 05 c，其可爲根據本發 明一實施例產生之堆疊晶粒之子封裝。子封裝5 05a包含 具有導電球5 20之基板510a。子封裝5 05 a具有以囊封物 # 5 45 a囊封之晶粒5 3 0a以及5 3 0b。暴露出子封裝互連5 50a 之上部分551a並形成與形成於子封裝505b下表面上之島 墊521b之互連。子封裝505b具有以囊封物545b囊封附 接至基板510b之晶粒530c以及530d。暴露出子封裝互連 ' 5 5 0b之上部分551b並形成與形成於子封裝5 05c下表面上 之鳥墊521c之互連。子封裝505c具有以囊封物545c囊 封附接至基板5 1 0c之晶粒5 30e以及53 0f。整個子封裝互 連55 0c也被囊封。堆疊晶粒裝置500以及堆疊晶粒裝置 ® 500之堆疊的各子封裝皆爲範例。堆疊晶粒之裝置可具有 任何合理數量的堆疊子封裝以及各子封裝可具有一晶粒或 任何數量的堆疊晶粒。 一般事項 本發明之實施例提供用於製造具有堆疊子封裝結構之 堆疊晶粒裝置之方法與設備。已描述包含特定特徵或程序 之本發明的各種實施例。針對本發明替代實施例，可變更 這些特徵或程序。例如，雖然普遍地以導電金屬球描述作 -11 - 1296151 ‘ (9) 爲子封裝互連，但根據本發明的替代實施 當材料或形狀。 已描述本發明之實施例爲具有各種操 * 操作僅爲範例，且可能係以它們最基本形 添加或刪除操作至/自該程序，或修改操 各種實施例本發明之基本範疇。例如，於 照第4圖說明，可省略覆蓋子封裝互連的 • 程序，可藉由拖曳橡膠清潔器橫越過施加 以暴露出子封裝互連。針對此種實施例， ^ 連表面上之有限的囊封物材料會於軟熔期 面，其起因於囊封物之黏性以及子封裝互 ' 裝對應島墊之間濕潤力的增加。因此，任 不會干擾互連適當之形成。 根據本發明一實施例，可於軟熔之前 充塡（no-flow underfill)以提供較佳之 ® 。於本發明之替代實施例中，底膠充塡材 連接後施加。 雖已藉由數個實施例說明本發明，熟 了解到本發明並不限於所述之實施例，但 請專利範圍之精神與範疇內之變更以及變 此上述說明應僅視爲例示性而非限制性。 【圖式簡單說明】 可參照上述說明與用以圖解本發明實 例其可爲任何適 作之程序。這些 式作描述，但可 作而不悖離根據 程序400中，參 操作。針對此種 之囊封物表面， 殘留於子封裝互 間流下離開該表 連與連接之子封 何殘留的囊封物 施加無流式底膠 連結形成與散熱 料可於子封裝已 悉該項技藝者將 仍可以於所附申 化據以實施。因 施例之附圖最佳 -12- (10) 1296151 了解本發明。於圖中： 第1圖說明根據先前技術由堆疊子封裝構成的堆疊晶 * 粒裝置； ' 第1 A圖爲根據先前技術堆疊晶粒裝置之堆疊子封裝 的俯瞰圖； 第2圖爲根據本發明一實施例子封裝用之基板的上與 側視圖； # 第3A-3D圖說明用於製造根據本發明一實施例之子封 裝的程序； 第4圖說明根據本發明一實施例用於囊封子封裝之晶 粒同時暴露子封裝互連上部分之程序；以及 ' 第5圖說明根據本發明一實施例由堆疊子封裝構成的 堆疊晶粒裝置。 【主要元件符號說明】 _ 100 :堆疊晶粒之裝置 105a，b，c :封裝 110a-c:基板 1 1 1 :下表面 1 1 2 :上表面 120 :導電球 130a-f:晶粒 1 4 0 ·線接合 :塑封材料 -13- 1296151 (11) 150 :互連 1 5 5 :承載件 2 1 0 :基板 • 230 :晶粒 2 4 0 :互連 2 5 0 :子封裝互連 3 1 0 :基板 # 311 :下表面 312 :上表面 3 2 0 :導電金屬球 3 2 1 :島墊 3 3 0 a，b :晶粒 3 45 ：囊封物 3 5 0 :子封裝互連 3 5 1 :上部分 馨4 0 0 :程序 405，410，415，420 :操作 5 00 :堆疊晶粒之裝置 5 05 a-c ：子封裝 5 1 Oa-c :基板 520 :導電金屬球 521b，c :島墊 530a-f:晶粒 5 45 a-c :囊封物 (12) 1296151 5 5 0a-c :子封裝互連 55 1a_b :上部分

-15-

Claims (1)

1296151 鬌 十、申請專利範圍 附件2A ' 第94 1 2549 1號專利申請案 • 中文申請專利範圍替換本 民國97年1月18日修正 1·-種用以提供堆疊晶粒裝置的設備，包含： φ 具有上表面與下表面之第一基板； 一組一或更多晶粒附接至該第一基板之上表面，該一 或更多晶粒於該上表面上延伸第一距離； 一或更多互連形成於該第一基板之上表面上，該一或 ' 更多互連於該上表面上延伸第二距離； 平坦囊封物，設置於該第一基板之上表面上並於該上 表面上延伸第三距離，該第三距離大於該第一距離以及小 於該第二距離，以囊封該一或更多晶粒以及暴露該一或更 φ 多互連的一部分；以及 該第一基板上之第二基板，該第二基板具有下表面及 形成於該第二基板之該下表面上的一或更多導電墊，各導 電墊係從該第二基板之該下表面延伸向下至該第二距離而 未延伸至該第三距離。 2 ·如申請專利範圍第1項之設備，其中於堆疊晶粒組 態中該一或更多晶粒相互附接以及最上面之晶粒的最上部 分於該上表面上延伸該第一距離。 3 ·如申請專利範圍第1項之設備，其中該一或更多晶 1296151 粒具有關聯之線，該些關聯之線於該上表面延伸第四距離 ，該第四距離小於第一距離，以囊封該些關聯之線。 4.如申請專利範圍第1項之設備，其中該囊封物爲熱 固材料。 5 ·如申請專利範圍第1項之設備，其中該第二基板進 一步具有一上表面及附接至該第二基板之該上表面的第二 組之一或更多晶粒，且各個導電墊電性耦合至形成於該第 一基板上表面上的該一或更多互連之對應互連。 6. 如申請專利範圍第4項之設備，其中該熱固材料爲 環氧化物。 7. 如申請專利範圍第3項之設備，其中該等晶粒之一 或更多者的關聯線包含線接合。 8. 如申請專利範圍第1項之設備，其中該等晶粒之一 或更多者具有邏輯處理器裝置實施於其上。 9. 一種提供堆疊晶粒之裝置的系統，包含： 第一子封裝；以及 第二子封裝，該第二子封裝堆疊於該第一子封裝之上 並且與其電性連接，第一子封裝以及第二子封裝的每一個 包含基板，具有附接至該基板上表面之一或更多晶粒以及 形成於該基板之上表面上之一或更多互連，以及設置於該 基板之上表面上的囊封物，以囊封該一或更多晶粒以及暴 露該一或更多互連每一個的上部分，其中該第一子封裝之 囊封物具有一平坦上表面且該第一子封裝之該一或更多互 連每一個的該上部分係延伸於該平坦上表面上，以及該第 -2- 1296151 二子封裝之該基板具有形成於一下表面上的一或更多導電 墊’各導電墊係從該第二子封裝之該基板的該下表面延伸 * 向下’以接觸該第一子封裝之一對應互連，而不延伸至該 • 平坦上表面。 10.如申請專利範圍第9項之系統，其中各導電墊電 性耦合至形成於該第一子封裝之基板上表面上的該一或更 多互連之對應互連。 • 11·如申請專利範圍第10項之系統，進一步包含： 連續堆疊於第二子封裝之上之一或更多額外的子封裝 ，各額外的子封裝包含基板，具有附接至該基板上表面之 一或更多晶粒以及形成於該基板之上表面上之一或更多互 ' 連，以及設置於該基板之上表面上的囊封物，以囊封該一 或更多晶粒以及暴露該一或更多互連每一個的上部分以及 形成於下表面上之一或更多導電區域，各導電區域電性耦 合至形成於該下一個子封裝之基板上表面上的該一或更多 φ 互連之對應互連。 1 2 ·如申請專利範圍第9項之系統，其中於堆疊晶粒 組態中該一或更多晶粒互相附接。 1 3 ·如申請專利範圍第9項之系統，其中該一或更多 晶粒具有關聯之線，該關聯之線完全由該囊封物所囊封。 14.如申請專利範圍第13項之系統，其中該等晶粒之 一或更多者的關聯線包含線接合。 1 5 .如申請專利範圍第9項之系統，其中該囊封物爲 熱固材料。 -3 - 1296151 1 6.如申請專利範圍第1 5項之系統，其中該熱固材料 爲環氧化物。 1 7 ·如申請專利範圍第9項之系統，其中該些晶粒之 一或更多者具有邏輯處理器裝置實施於其上。 1 8 . —種提供堆疊晶粒之裝置的方法，包含： 形成一或更多互連於基板之上表面，該一或更多互連 於該基板之上表面上延伸第一距離； 附接一組一或更多晶粒至該基板之上表面，該一或更 多晶粒於該上表面上延伸第二距離； 置放模板於基板上，該模板具有對應形成於該上表面 上之該一或更多互連之圖案，其中該模板將形成在該一或 更多互連的任一者上之囊封物的量降低；及 施加囊封物於該基板之上表面上而該模板係位於該基 板上，使之於該上表面上延伸第三距離，該第三距離大於 第一距離以及小於第二距離。 1 9 ·如申請專利範圍第1 8項之方法，其中該囊封物爲 熱固材料。 2 0.如申請專利範圍第19項之方法，其中該熱固材料 爲環氧化物。 2 1 ·如申請專利範圍第20項之方法，進一步包含： 於施加該熱環氧化物至基板之上表面前，減少該熱環 氧化物的黏性。 22·如申請專利範圍第21項之方法，其中減少該熱環 氧化物的黏性包含將溶劑加至該熱環氧化物。 1296151 23.如申請專利範圍第18項之方法，進一步包含： \ 將具有上表面以及下表面之第二基板堆疊於該基板上 ' ，該第二基板具有附接至該第二基板上表面之第二組一或 * 更多晶粒，以及形成於該第二基板下表面上之一或更多導 電區域，各導電區域對應形成於該基板上表面上之該一或 更多互連的一互連。 24·如申請專利範圍第23項之方法，進一步包含： # 實現軟熔程序，以於形成於該基板上表面上之各互連 以及形成於該第二基板下表面上之各導電區域之間形成電 性連結。 25.如申請專利範圍第18項之方法，進一步包含： 施加橡膠清潔劑於囊封物上，以降低形成於該一或更 多互連任一者上延伸於該基板上表面上大於該第二距離之 距離的囊封物量。 2 6 ·如申請專利範圍第1 8項之方法，其中該一或更多 Φ 晶粒具有關聯之線，該些關聯之線完全由該囊封物所囊封 〇 27.如申請專利範圍第26項之方法，其中該等晶粒之 一或更多者之關聯的線包含線接合。 2 8 ·如申請專利範圍第1 8項之方法，其中該等晶粒之 一或更多者實施邏輯處理器裝置。 < 1 ) -5-