具有改进热性能的堆叠式半导体裸片组合件及相关的系统及方法技术方案

本文揭示具有改进热性能的堆叠式半导体裸片组合件及相关的系统及方法。在一个实施例中，半导体裸片组合件可包含半导体裸片堆叠及导热外壳，所述导热外壳将所述半导体裸片堆叠至少部分封围于壳体内。封装衬底承载所述导热外壳，且插入物安置于所述导热外壳与所述半导体裸片堆叠之间。所述插入物的外围部分侧向延伸超过所述半导体裸片堆叠且耦合到插入于所述外围部分与所述封装衬底之间的多个传导构件。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
所揭示的实施例涉及半导体裸片组合件及管理此类组合件内的热量。特定来说，本技术涉及具有导热外壳及直接附接到外壳的插入物的堆叠式半导体装置组合件。
技术介绍
封装式半导体裸片(包含存储器芯片、微处理器芯片及成像器芯片)通常包含安装于衬底上且围封于塑料保护罩中的半导体裸片。裸片包含功能特征(例如存储器单元、处理器电路及成像器装置)，以及电连接到功能特征的接合垫。接合垫可经电连接到保护罩外侧的端子以允许裸片连接到更高阶的电路。半导体制造者不断减小裸片封装的大小以装配于电子装置的空间约束内，同时也增大每一封装的功能能力以满足操作参数。一种用于增大半导体封装的处理能力而大体上不增大由封装覆盖的表面积(即，封装的“占用面积”)的方法是在单个封装中在彼此顶部上竖直堆叠多个半导体裸片。在此类竖直堆叠式封装中的裸片可通过使用穿硅通孔(TSV)将个别裸片的接合垫与相邻裸片的接合垫电耦合而互连。在竖直堆叠式封装中，所产生的热量难以耗散，这增大了个别裸片、其间的结及封装作为一个整体的操作温度。在许多类型的装置中，这可使堆叠式裸片达到超过其最大操作温度(Tmax)的温度。附图说明图1到5是根据本技术的选定实施例配置的半导体裸片组合件的横截面图。图6是包含根据本技术的实施例配置的半导体裸片组合件的系统的示意图。具体实施方式下文描述具有改进的热性能的堆叠式半导体裸片组合件及相关的系统及方法的若干实施例的特定细节。术语“半导体裸片”一般是指具有集成电路或组件、数据存储元件、处理组件及/或在半导体衬底上制造的其它特征的裸片。举例来说，半导体裸片可包含集成电路存储器及/或逻辑电路。相关领域的技术人员还将理解，本技术可具有额外实施例，且可在无下文参考图1到6描述的实施例的若干细节的情况下实践本技术。如本文使用，鉴于图中展示的定向，术语“竖直”、“侧向”、“上部”及“下部”可指代半导体裸片组合件中的特征的相对方向或位置。举例来说，“上部”或“最上部”可指代经定位比另一特征更靠近页的顶部的特征。然而，这些术语应广义地解释为包含具有其它定向的半导体装置。图1是根据本技术的实施例配置的半导体裸片组合件100(“组合件100”)的横截面图。组合件100包含经布置于堆叠105(“裸片堆叠105”)中的多个半导体裸片102及导热外壳(“外壳110”)，所述外壳附接到插入于外壳110与裸片堆叠105之间的插入物120。插入物120包含外围部分122，外围部分122沿至少一个轴线侧向延伸超越裸片堆叠105的外围或占用面积。外围部分122包含多个接合垫123，其通过经插入于外围部分122与封装衬底130之间的个别传导构件(例如焊料凸块140)耦合到封装衬底130的对应接合垫132。封装衬底130可包含(例如)插入物、印刷电路板或具有将组合件100连接到外部电路(未展示)的电连接器133(例如，焊料凸块)的其它适当衬底。在图1的所说明的实施例中，焊料凸块140可包含金属焊料球。在若干实施例中，焊料凸块140可具有等于或大于裸片堆叠105的竖直高度的竖直高度。举例来说，取决于裸片堆叠105的竖直高度，焊料凸块140可具有在从约200μm到约1mm或更多的范围中的竖直高度。焊料凸块的间距也可基于焊料凸块的竖直高度而变化。此外，虽然焊料凸块140在所说明的实施例中展示为具有小于其竖直高度的间距，但在其它实施例中，间距可等于或大于竖直高度。外壳110包含盖部分112及附接到盖部分112或与其一体形成的壁部分113。盖部分112可通过第一界面材料115a(例如，粘合剂)附接到插入物120的背侧表面121。壁部分113竖直延伸远离盖部分112，且通过第二界面材料115b(例如，粘合剂)附接到封装衬底130的外围或上表面135。在所说明的实施例中，外壳110至少部分将裸片堆叠105封围于壳体(例如，腔室)内。在其它实施例中，外壳110可以不同方式配置或省略。举例来说，在一个实施例中，壁部分113可从外壳110省略。除提供保护罩之外，外壳110也可作为吸收热能且将其从裸片堆叠105耗散开的散热器。因此，外壳110可由导热材料制成，例如具有高导热率的镍、铜、铝、陶瓷材料(例如，氮化铝)及/或其它适当导热材料。在一些实施例中，第一界面材料115a及/或第二界面材料115b可由此项技术中称为“热界面材料”或“TIM”的材料制成，“热界面材料”经设计以增大表面结处(例如，在裸片表面与散热器之间)的热传导。TIM可包含用传导材料(例如碳纳米管、焊料材料、类金刚石碳(DLC)等等)、以及相变材料掺杂的硅基脂、凝胶或粘合剂。在一些实施例中，举例来说，热界面材料可由亚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具有约3到4W/m°K的导热率。在其它实施例中，第一界面材料115a及/或第二界面材料115b可包含其它适当材料，例如金属(例如，铜)及/或其它适当导热材料。在若干实施例中，裸片堆叠105可通过第三界面材料115c(例如粘合剂、裸片附接材料(例如，裸片附接膜或膏)、电介质间隔件或其它适当材料)附接到封装衬底130。在一个实施例中，第三界面材料115c是将裸片堆叠105与堆叠105下方的封装衬底130电隔离的电介质材料。在另一实施例中，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)。在其它实施例中，可省略第三界面材料115c。举例来说，在一个实施例中，插入物120可将裸片堆叠105承载在封装衬底130上方，使得裸片堆叠105与封装衬底130由间隙(例如，空气间隙)分离。裸片堆叠105可电耦合到插入物120，且通过多个互连件106(例如，铜柱、焊料凸块及/或其它传导特征)彼此电耦合。举例来说，互连件106的部分可附接到定位于插入物120的有效表面124处的对应接合垫125。半导体裸片102中的每一者可包含在互连件106的相对侧上耦合的多个贯穿衬底互连件108(例如，贯穿衬底通孔、TSV等等)。互连件及贯穿衬底互连件106及108可由各种类型的传导材料(例如，金属材料)形成，例如铜、镍、铝等等。在一些实施例中，传导材料可包含焊料(例如，基于SnAg的焊料)、充填导体的环氧树脂及/或其它导电材料。在选定实施例中，举例来说，互连件106可为铜柱，而在其它实施例中，互连件106可包含更复杂的结构，例如氮化物上凸块结构。在其它实施例中，互连件106可用其它类型的材料或结构替换，例如传导性膏。除电连通之外，互连件106及贯穿衬底互连件108也将热量从裸片堆叠105朝向外壳110传递。在一些实施例中，裸片堆叠110的最外裸片104的贯穿衬底互连件108也可将热量从裸片堆叠110传递到封装衬底130。举例来说，贯穿衬底互连件108可与第三界面材料115c直接接触。在若干实施例中，组合件100也可包含在半导体裸片102之间以填隙方式定位的多个导热元件或“虚设元件”(未展示)以进一步促进穿过裸片堆叠105的热传递。此类虚设元件可具有至少大体与互连件106及/或贯穿衬底互连件1本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种半导体裸片组合件，其包括：半导体裸片堆叠；导热外壳；插入物，其在所述导热外壳与所述半导体裸片堆叠之间，其中所述插入物的外围部分侧向延伸超过所述半导体裸片堆叠；封装衬底，其承载所述导热外壳；及多个传导构件，其经插入于所述封装衬底与所述插入物的所述外围部分之间。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.03.31 US 14/231,1011.一种半导体裸片组合件，其包括：半导体裸片堆叠；导热外壳；插入物，其在所述导热外壳与所述半导体裸片堆叠之间，其中所述插入物的外围部分侧向延伸超过所述半导体裸片堆叠；封装衬底，其承载所述导热外壳；及多个传导构件，其经插入于所述封装衬底与所述插入物的所述外围部分之间。2.根据权利要求1所述的裸片组合件，其中所述导热外壳包含：盖部分，其附接到所述插入物的背侧表面；及壁部分，其在所述盖部分与所述封装衬底之间竖直延伸；其中所述壁部分附接到所述封装衬底的外表面。3.根据权利要求2所述的裸片组合件，其中所述半导体裸片堆叠包含：存储器裸片堆叠；及逻辑裸片，其安置于所述存储器裸片堆叠与所述插入物之间。4.根据权利要求1所述的裸片组合件，其中所述裸片组合件进一步包括经插入于所述封装衬底与所述半导体裸片堆叠之间的界面材料。5.根据权利要求4所述的裸片组合件，其中：所述界面材料是电绝缘的；所述半导体裸片堆叠包含具有延伸穿过其的多个贯穿衬底互连件的最外裸片；且所述多个贯穿衬底互连件接触所述界面材料。6.根据权利要求1所述的裸片组合件，其中所述半导体裸片堆叠进一步包括：存储器裸片堆叠，其具有第一占用面积；及逻辑裸片，其具有沿所述存储器裸片堆叠的至少一个轴线大于所述第一占用面积的第二占用面积。7.根据权利要求6所述的裸片组合件，其中所述插入物具有沿所述逻辑裸片的至少一个轴线大于所述第二占用面积的第三占用面积。8.根据权利要求6所述的裸片组合件，其中所述个别传导构件包含焊料凸块。9.根据权利要求1所述的裸片组合件，其中所述插入物包含将所述传导构件电耦合到所述半导体裸片堆叠的再分布网络，且其中所述再分布网络包含在所述传导构件中的至少一者与所述半导体裸片堆叠之间耦合的电路元件。10.根据权利要求9所述的裸片组合件，其中所述电路元件包含电容器。11.根据权利要求1所述的裸片组合件，其中所述封装衬底包含：外表面，其附接到所述导热外壳；及凹入表面，其相对于所述外表面凹入，其中所述半导体裸片堆叠附接到所述凹入表面。12.一种半导体裸片组合件，其包括：导热外壳；封装衬底，其中所述封装衬底及所述导热外壳一起界定壳体；插入物，其附接到所述壳体内的所述导热外壳；及半导体裸片堆叠，其安置于所述插入物与所述壳体内的所述封装衬底之间。13.根据权利要求12所述的裸片组合件，其中：所述插入物包含多个第一接合垫；所述封装衬底包含多个第二接合垫；且所述半导体裸片组合件进一步包括多个传导构件，其中个别传导构件经安置于个别第一接合垫与个别第二接合垫之间。14.根据权利要求13所述的裸片组合件，其中所述个别传导构件包含焊料凸块。15.根据权利要求13所述的裸片组合件，其中所述多个传导构件包含：个别第一焊料凸块，其耦合到所述个别第一接合垫，个别第二焊料凸块，其耦合到所述个别第二接合垫，及中间支撑件，其经安置于所述个别第一焊料凸块与所述个别第二焊料凸块之间。16.根据权利要求15所述的裸片组合件，其中所述中间支撑件包含半导体材料。17.一种半导体裸片组合件，其包括：封装衬底，其具有腔室；半导体裸片堆叠，其至少部分经安置于所述腔室内；插入物，其附接到所述半导体裸片堆叠，其中所述插入物在所述腔室外侧；及导热外壳，其在所述腔室上方侧向延伸，其中所述导热外壳包含附接到所述封装衬底的第一部分及附接到所述插入物的第二部分。18.根据权利要求17所述的裸...

【专利技术属性】
技术研发人员：迈克尔·科普曼斯，罗时剑，戴维·R·亨布里，
申请(专利权)人：美光科技公司，
类型：发明
国别省市：美国;US