使用了基于半导体封装件以及开孔中介层的浸渍冷却方式的三维层叠集成电路制造技术

本申请公开了一种三维层叠集成电路，其中，具备半导体芯片的封装件和具备开口部的中介层基板通过各自的电极端子和电极焊盘而交替层叠，所述封装件和所述中介层基板具备在层叠的状态下在层叠方向和所述电极端子彼此之间产生空隙的形状的电极端子和用于连结所述电极端子的电极焊盘、以及用于保持层叠时的准确的定位和连结的引导孔，通过所述封装件和所述中介层基板的连结而形成层间通信路径，通过使冷却液在所述空隙中流动而进行浸渍冷却。使冷却液在所述空隙中流动而进行浸渍冷却。使冷却液在所述空隙中流动而进行浸渍冷却。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】使用了基于半导体封装件以及开孔中介层的浸渍冷却方式的三维层叠集成电路


[0001]本专利技术涉及具备基于制冷剂的冷却功能的三维层叠集成电路以及三维层叠集成电路的冷却方法。

技术介绍

[0002]存在有三维层叠的半导体的安装技术。例如，申请人公开了一种三维层叠集成电路，其在三维层叠集成电路各自的集成电路间以及最下面的集成电路之下分别具备中介层，在多个所述中介层各自设置制冷剂的移动路径，设于所述多个中介层的多个所述制冷剂的移动路径相互连接(参照专利文献1)。
[0003]现有技术文献
[0004]专利文献
[0005]专利文献1：国际公开第2019/146724号

技术实现思路

[0006]专利技术所要解决的技术问题
[0007]原本，散热板即使插入层叠半导体之间也无法有效地发挥功能。使金属板向横向伸出而散热会导致热阻过大。虽说是金属，但是热阻(Ψjt)与金属的导热距离成比例，Tj＝Ψjt
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P+Tcl(Tj是结温，Ψjt是热阻，P是消耗电力，Td是环境温度)，当Ψjt变大时不施加消耗电力。
[0008]图15是表示在发热的半导体芯片之上设置散热板后热如何传播的剖视图。半导体芯片的整体成为发热体，但是为了说明朝向散热板的热的传递方式而将发热部分作为发热点A、B、C的点热源。热从点热源相对于散热板呈半球状(由于图15是剖视图，因此用半圆表示)扩散。
[0009]热从中央的发热点B呈同心圆状地传播，但是由于存在有来自位于左右的发热点A或者发热点B的热，因此在左右方向上热阻较大而几乎不传播。另一方面，由于上方向的热阻较低，因此散热片B及其周边的散热片有效地发挥作用。
[0010]另一方面，在发热点A，因来自中央的发热点B的热而使得右方向的热阻较大，因此热向上方和左方传播。同样地，在发热点C，因来自中央的发热点B的热而使得左方向的热阻较大，因此热向上方和右方传播。
[0011]由于散热板以比发热体大的表面积向外部放出热，因此与半导体芯片相比足够大。因此，在发热点A的左侧和发热点C的右侧没有热源，热阻较小，因此通过散热板本身的表面积的散热能够进行充分的散热，存在有散热片A或者散热片C等的外缘部分的散热片未有效地发挥作用的可能性。
[0012]另外，为了使如散热片B那样位于作为发热体的半导体芯片的正上方的散热片最大限度地发挥有效性，只要如图16那样使散热板的厚度变薄，使发热点与散热片接近即可，
但是若使散热板的厚度变薄，则散热板的热阻变大，难以引起从发热点朝向正上部以外的散热板的导热，因此是本末倒置的。
[0013]因而，无论散热板较厚还是较薄，特别是在未将半导体芯片收容于BGA封装件等而以三维浸渍为前提的情况下，即使在半导体芯片之间夹着散热板，其有效性也存在疑问。
[0014]不进行上述TSV中的三维化的、在封装件了半导体的基础上进行了浸渍的、以基于在表面具有电极焊盘的FC
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BGA封装件的、浸渍为前提的三维半导体(CPU、GPU等高发热运算电路的三维安装)的高效的方法中，由于不安装散热片而直接进行浸渍，将半导体基底部(半导体的电路安装部的相反侧，以尽量薄的方式切削而成的部分)直接进行浸渍(该情况下，用底部填料密封FC部)，或者涂布复合物，用导热率良好的较薄的封装件金属覆盖而进行浸渍，W＝J/s，因此对制冷剂进行压送而获得m2/s(由于半导体的表面积为1cm2/s左右，因此例如若以沸腾散热为前提，则一平方厘米的有效表面积不足10倍，则以10cm2/s的流量流动即可)，仅设定必要的有效表面积的表面积流量即可。
[0015]例如，在制冷剂为氟化物液体的情况下，为大致0.5W/cm2℃的导热率，但是若对上述式子进行变形，则P＝(Tj
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Tcl)x1/Ψjt，因此若Tj为85℃，则在氟化物液体的沸点为56℃的情况下，Tj
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Tcl得到29℃的温度差，但是在P成为58W，例如为200W的1cm2的CPU的情况下，对大致4cm/s的流量进行压送而使其流动即可。
[0016]在半导体为1kW的1cm2的GPGPU的情况下，使大致20cm/s左右的流量流动并进行沸腾冷却就足够了。这当然是划时代的说法，在重叠10层1kW的GPGPU而形成超级计算机的情况下，进行浸渍而从横向对全部层施加20cm/s左右的流量也就足够了。这在激光振荡器等中普遍实用化，并不是特别的。
[0017]根据本专利技术，在层叠在表面具有电极焊盘的FC
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BGA封装件时，通过插入开孔中介层基板，能够在表面具有电极焊盘的FC
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BGA封装件的半导体的背面(孔的部分)确保收容层叠陶瓷电容器的空间，且能够确保稳定地保证上述所需的流量的空间。
[0018]现有技术将三维半导体看作一块，着眼于在其内部用于冷却半导体的制冷剂的流路，但是并没有考虑为了使也被称为处理器(Prossesser)的CPU(Central Processing Unit中央处理器)、GPGPU(General
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purpose computing on graphics processing Unit通用图形处理器)、BBU(Base Band Unit基带处理单元)、超级计算机的核等消耗大电流的半导体芯片动作而将陶瓷电容器配置在何处。虽然考虑在三维半导体的最上面或者底面配置陶瓷电容器，但是对于中央层的半导体芯片而言，从陶瓷电容器至半导体芯片的贯穿各层的电力供给路径变长，从而阻抗增大，无法对半导体芯片进行大电流供电。
[0019]本专利技术就是用于消除参考文献WO2019/146724的不良情况的提案，在该参考文献WO2019/146724中，去除从搭载有处理器的半导体封装件基板(也称为FC
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BGA(Flip Chip
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Ball Grid Array倒装芯片球栅格阵列)基板)的各层至陶瓷电容器的电路的BGA(Ball Grid Array球栅阵列)端子，在半导体封装件基盘的各层安装陶瓷电容器，从而降低电路的阻抗而能够进行大电流供电，且进行浸渍而实现三维冷却。
[0020]一般公开
[0021]在参考文献WO2019/146724中，通过重叠在表面具有电极焊盘的FC
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BGA封装件，封装件下部的陶瓷电容器与封装件上部的散热器的间隔变窄，即使进行浸渍，也存在有无法期待流量的隐患。
[0022]在本次的专利技术中，提出了一种装置和方法，该装置和方法用于通过以犹如在没有铁锅澡盆的盖时穿木屐进入这样的感觉插入未搭载半导体芯片的在上下带有焊盘和BGA的电极的、使开设有四边形孔的BGA电极上下电贯通散热器部分的带焊盘和BGA的基板(以下称为“开孔中介层基板”)，确保陶瓷电容器与散热器的间隔，从而确保浸渍的Fluorinert液的流量和将陶瓷电容器配置于BGA封装件的下部的空间，在不大幅改变现有的FC
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BGA封本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种三维层叠集成电路，以将具备半导体芯片的封装件和在搭载半导体芯片的位置具备开口部的中介层基板通过各自的电极端子和电极焊盘交替地层叠的浸渍为前提，其中，所述封装件和所述中介层基板为通过下表面的电极端子而在层叠方向与所述电极端子彼此之间产生空隙的形状，在所述封装件和所述中介层基板的上表面设有用于连结所述电极端子的几何学形状的电极焊盘，所述封装件和所述中介层基板的所述电极端子和所述电极焊盘沿上下以1：1电连接，在所述封装件和所述中介层基板设有用于在层叠时进行准确的定位和保持连结的引导孔，通过所述封装件与所述中介层基板的连结，由所述电极端子和电极焊盘形成层间通信路径，通过使冷却液在所述封装件和所述中介层基板的所述电极端子彼此之间产生的空隙中流动来进行浸渍冷却。2.根据权利要求1所述的三维层叠集成电路，其中，插入到所述封装件间的所述中介层基板被连续地插入有多片。3.根据权利要求1或2所述的三维层叠集成电路，其中，搭载于所述封装件之中的半导体芯片为两层以上的层叠三维半导体(HBM即High Bandwidth Memory即高带宽存储器或者Wide I/O DRAM等)。4.根据权利要求1至3中任一项所述的三维层叠集成电路，其中，所述封装件为交叉连接而成的NUMA(Non
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Uniform Memory Access即非一致性内存访问)结构，所述封装件的相互连接成为总线连接。5.根据权利要求1至4中任一项所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：筒井多圭志，
申请(专利权)人：软银股份有限公司，
类型：发明
国别省市：