半導體芯片堆疊組件的制作方法

半導體芯片堆疊組件的制作方法
【專利摘要】本發明的實施例提供了半導體芯片堆疊組件，該半導體芯片堆疊組件提供第一半導體設備與第二半導體設備的直接附接。組件包括具有設置在第一半導體芯片的表面上的第一和第二組電互連區域的第一半導體芯片、以及第二半導體芯片。第一組電互連區域與第二半導體芯片的電互連區域電連接，并且第二組電互連區域與襯底電互連。直接電連接是例如硅光電設備到驅動器或設備到信號轉換器、邏輯到存儲器、存儲器到存儲器、以及邏輯到邏輯芯片互連。
【專利說明】半導體芯片堆疊組件

【技術領域】
[0001]本發明的實施例一般涉及半導體設備、半導體設備的封裝、半導體設備堆疊組件，以及光通信和數據傳輸。

【背景技術】
[0002]集成電路(IC)芯片性能、電源管理和尺寸改進增加了用于封裝和裝配相關IC芯片的材料和技術的需求。一般地，集成電路芯片也被稱為微芯片、硅芯片、半導體芯片、芯片或管芯。IC芯片存在于各種通用設備中，諸如計算機、汽車、電視、CD播放器、智能電話以及蜂窩電話中的微處理器中。在制造之后，半導體芯片通常以考慮到半導體芯片所駐留的設備所提供的操作環境的方式而封裝。一般地，半導體芯片的封裝保護芯片不受損害，并提供將半導體芯片連接到電源以及其它電子部件(表現為，例如，輸入/輸出功能)的電連接。由于半導體芯片往往具有較高的帶寬性能，并且用戶想要較小的形狀因數，所以半導體芯片封裝必須滿足尺寸、熱管理，電力傳輸、互連密度和集成的挑戰。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0003]圖1A-B是示出用于半導體芯片的堆疊封裝組件的示意圖。
[0004]圖2A-B是示出用于半導體芯片的另外的堆疊封裝組件的示意圖。
[0005]圖3A-B是示出用于半導體芯片的進一步的堆疊封裝組件的示意圖。
[0006]圖4示出包括堆疊的半導體芯片組件和額外的半導體芯片的組件。
[0007]圖5示出可以采用半導體芯片的堆疊組件的計算系統。

【具體實施方式】
[0008]本發明的實施例提供半導體芯片堆疊組件，該半導體芯片堆疊組件提供第一半導體設備與第二半導體設備的直接附接。依據本發明實施例的半導體芯片組件可以是接合至襯底或直接接合至母板的倒裝芯片。本發明的實施例提供了低Z高度形狀因數的封裝和組件，同時提供期望的3D系統集成。本發明的實施例可用于例如硅光電設備到驅動器或設備到信號轉換器、邏輯到存儲器、存儲器到存儲器，以及邏輯到邏輯的接口堆疊組件。依據本發明實施例的封裝組件是非常有用的，例如，用于具有激光器的封裝驅動器以及具有光電檢測器的跨阻抗放大器。
[0009]圖1A-B示出了用于半導體設備的封裝組件。在圖1A-B中，襯底105容納且電耦合至第一半導體芯片110。襯底105是例如印刷線路板、有芯或無芯封裝襯底、母板(主板或邏輯線路板)、或包括能夠使計算系統的各種元件電互連的電互連的其它襯底，諸如，半導體芯片、傳感器、設備(例如，RF開關，溫度傳感器，加速度計，陀螺儀，振蕩器，壓阻傳感器，RFID系統，天線，和/或GPS系統)和/或電源。在本發明的實施例中，襯底105能夠被插入或否則電連接到母板。在本發明的實施例中，半導體芯片110是硅光電設備，諸如光電傳感器或光電檢測器芯片(襯底包括一個或多個光電傳感器或光電檢測器)或激光器芯片(襯底包括一個或多個激光器)。光電傳感器和光電檢測器包括例如包含雪崩光電二極管或PIN二極管的芯片，且激光器芯片包括例如垂直腔表面發射激光器(VCSEL)芯片、二極管激光器芯片、混合半導體激光器芯片。在本發明可替換的實施例中，半導體芯片110是邏輯芯片、處理器、圖形芯片、存儲器芯片、DSP(數字信號處理器)芯片或其它如本文描述的芯片。在圖1B中，襯底包括凹陷區域107。
[0010]在本發明的實施例中，與第一半導體芯片110相關聯的電互連115可以是例如導電柱、焊盤、凸塊、柱體、引腳、或其它導電結構。與襯底105相關聯的電互連(未示出)可以是例如導電柱、焊盤、凸塊、柱體、引腳、或其它導電結構。在第一半導體芯片110和襯底105之間的電互連可以使用或不使用焊料來形成。半導體芯片110通過例如可選的焊點120電耦合到襯底105。焊點120接合到半導體芯片110上的電互連115和襯底105上的相對應的電互連(未示出)，且與它們形成電連接。在本發明的實施例中，襯底105的電互連是焊盤，第一半導體芯片110相對應的電互連115是凸塊、柱體或引腳，并且利用焊點120形成電連接。在導電柱、焊盤、凸塊、柱體、引腳或其它導電結構之間不使用焊料而形成的電互連和金屬一金屬接合可以例如通過熱壓接合、熱超聲接合和/或芯片的環氧樹脂接合來實現。在本發明的實施例中，導電柱、焊盤、凸塊、柱體、引腳或其它導電結構可以由金或銅組成，且使用熱壓接合來結合它們。在本發明的實施例中，電互連由金屬組成。形成電互連115的金屬和與襯底105相關聯的那些金屬可以是例如，銅、金、鎢、鉬、和/或鋁。
[0011]第二半導體芯片125位于襯底105和第一半導體芯片110之間。第二半導體芯片125通過電互連130直接接合到第一半導體芯片110且與第一半導體芯片110電互連。接合可通過焊料區域。第一半導體芯片110和第二半導體芯片125上的相對應的電互連區域是例如，導電柱、焊盤、凸塊、柱體、引腳或其它導電結構。導電柱、焊盤、凸塊、柱體、引腳或其它導電結構之間的電互連和金屬-金屬接合可以例如通過熱壓接合、熱超聲接合和/或芯片的環氧樹脂來實現。形成電互連130的金屬同樣可以是例如銅、金、鎢、鉬和/或鋁。在本發明的實施例中，第二半導體芯片125是激光器的驅動器或光電檢測器的跨阻抗放大器。一般地，跨阻抗放大器(TIA)將來自光電檢測器的電流信號轉換成電壓信號并將其放大。在本發明進一步的實施例中，第二半導體芯片125是邏輯芯片、存儲器芯片、處理器、圖形芯片、無線通信芯片或無線通信芯片組。在本發明的實施例中，第二半導體芯片125是減薄的半導體芯片。第二半導體芯片的高度可以被減薄到50 μ m或更少或在100 μ m與20 μ m之間。
[0012]在圖1A和圖1B中，第一半導體芯片110的第一面和襯底105的緊鄰面之間的距離分別表示為“h/’和“h2”。在第一半導體芯片110和襯底105之間的間隙135的高度Ii1的數值在本發明的實施例中可以例如在75與150 μ m之間。焊點120可被尺寸設計成產生具有期望高度的間隙135。例如，在本發明的實施例中，焊點的高度可以是25到145μπι或80到145 μ m。襯底105中的凹陷區域107緊鄰第二半導體芯片125，且允許高度h2小于高度4。在第一半導體芯片110和襯底105之間的間隙135的高度h2的數值在本發明的實施例中可以在15與125 μ m之間。
[0013]第一半導體芯片Il0可以是接合到襯底105的倒裝芯片。可選的，底部填充材料被放置在間隙135中。底部填充材料可以包括例如可流動的電介質材料，例如具有或不具有填充顆粒的環氧樹脂，或具有或不具有填充顆粒的聚合物或無機材料。
[0014]圖2A-B提供了用于半導體設備的額外的封裝組件。圖2A-B中組件的元件與關于圖1A-B中討論的元件相同。然而，在圖2A-B中，第一半導體芯片110部分地延伸在襯底105之外，且可選的對準單元140的一部分接觸第一半導體芯片110中延伸在襯底105之外的區域。對準單元對于將硅光電芯片與光傳輸系統的光學耦合器對準是有用的，該光傳輸系統將光在計算系統的元件之間傳輸。
[0015]圖3A-B提供了用于半導體設備的進一步的另外的封裝組件。圖3A-B中組件的元件與關于圖1A-B中討論的元件相同。然而，在圖3A-B中，電互連115和130以及第一和第二半導體芯片110和125的相對位置被改變。本發明的實施例并不限于特定的互連圖案或半導體芯片相對于彼此的位置。
[0016]圖4提供了一實施例，在該實施例中，本發明的封裝組件與邏輯芯片一起被安裝到襯底上。在圖4中，襯底405容納了 IC芯片410和封裝組件415和417。襯底405是例如印刷線路板、有芯或無芯封裝襯底、母板(主板或邏輯板)或包括能夠使計算系統的各個元件電互連的其它襯底。IC芯片410是例如處理器、存儲控制器交換機、圖形芯片、網絡芯片或包括諸如邏輯芯片和存儲器芯片一個或多個芯片的封裝。封裝組件415和417是依據圖1A-B、圖2A-B和/或圖3A-B的組件。封裝組件415和417通過襯底405與IC芯片410電互連。在本發明的實施例中，封裝組件415包括激光器芯片和激光器驅動器，并且封裝組件417包括光電檢測器和跨阻抗放大器。光電檢測器和跨阻抗放大器允許輸入光學數據作為電信號輸入到IC芯片410中。激光器芯片/激光器驅動器允許從IC芯片410輸出的電子數據作為光學信號輸出。與襯底405相關聯的其它數量的半導體芯片410和組件415和417也是可能的。可與圖4中的組件相關聯的其它元件包括例如熱管理系統和光學互連系統。當然，還存在很多采用本發明的封裝組件的其它方式。
[0017]圖5提供了一種采用光數據傳輸系統的示例性計算系統。在圖5中，計算系統包括通過光學互連515連接到存儲控制器交換機510的處理器505。光學互連515 (為了清楚的說明，沒有顯示其細節)包括激光器芯片、光耦合到激光器芯片的光學耦合器、光電檢測器、光耦合到光電檢測器的光學耦合器、以及光學耦合到光學耦合器并能夠在光學耦合器之間引導光的一個或多個波導。激光器芯片、光電檢測器芯片或它們兩個都裝配有依據圖1A-B、2A-B和/或圖3A-B的封裝組件中的驅動器芯片或跨阻抗放大器。激光器芯片能夠接收來自輸出邏輯芯片的數據，且光電檢測器能夠發送數據到輸出邏輯芯片。雙向I/O通信系統包括與諸如處理器的第一 IC芯片相關聯的至少一個激光器芯片和至少一個光電檢測器，以及與第二 IC芯片相關聯的至少一個激光器芯片和至少一個光電檢測器。與第一IC芯片相關聯的激光器被光耦合到與第二 IC芯片相關聯的光電檢測器，且與第二 IC芯片相關聯的激光器芯片被光耦合到與第一 IC芯片相關聯的光電檢測器。在本發明的實施例中，光學互連515是例如與VCSEL芯片的陣列和相應的光電檢測器的陣列相關聯的雙向鏈路和/或多個光學連接。在圖5的計算系統中，存儲控制器交換機510通過光學互連515被耦合到存儲芯片520，通過光學互連515耦合到圖形芯片525，且通過光學互連515耦合到輸入/輸出控制芯片530。輸A/輸出控制器芯片530通過光學互連515連接到輸入/輸出設備535。輸入/輸出設備535包括例如USB(通用串行總線)、USB2、SATA(串行高級技術配件)、音頻、PCI (外圍部件互連)以及PCI高速設備。在本發明的實施例中，計算系統(例如，505、510、520、525、530和/或535)的一個或多個元件通過電互連而不是光學互連515來耦合，且數據輸入/輸出功能可通過電互連而產生。當然，其它配置和元件也可用于計算系統。
[0018]本文中討論的半導體芯片可以是任意類型的集成電路設備，例如，邏輯芯片、處理器(單核或多核)、存儲器芯片、模擬芯片、數字芯片、圖形芯片和/或MEMS設備。例如，第一半導體芯片可以是處理器、堆疊的存儲/邏輯單元或多個堆疊的存儲器芯片，并且第二半導體芯片可以是存儲芯片或邏輯芯片。可以形成組合的其它示例性芯片包括微處理器、圖形處理器、信號處理器、網絡處理器、具有多個功能單元(諸如，一個或多個處理單元、圖形單元、通信單元、信號處理單元、安全單元)的片上系統(SoC)、無線通信芯片和/或無線通信芯片組。術語“處理器”可指的是任何設備或設備的一部分，其處理來自寄存器和或存儲器中的電子數據，以將該電子數據轉換成可以被存儲在寄存器和/或存儲器中的其它電子數據。存儲器芯片可以是例如靜態隨機存取存儲器(SRAM)芯片和/或動態隨機存取存儲器(DRAM)芯片，和/或非易失性存儲器芯片。無線通信芯片實現無線通信，以將數據傳輸至計算設備和從計算設備傳輸出。該術語并不是暗示關聯的設備不包含任何電線，盡管在一些實施例中它們可能沒有。無線通信芯片可以實施任何數量的無線標準或協議，包括但不限于，W1-Fi (IEEE802.11 系列),WiMAX (IEEE802.16 系列)、IEEE802.20、長期演進(LTE)、Ev-DO, HSPA+, HSDPA+, HSUPA+, EDGE、GSM、GPRS、CDMA、TDMA, DECT、藍牙及其衍生，以及被指定為3G，4G，5G以及之外的任何其它無線協議。第一無線通信芯片可專用于較短范圍無線通信，諸如W1-Fi和藍牙，而第二無線通信芯片可專用于較長范圍無線通信，諸如，GPS、EDGE、GPRS、CDMA、WiMAX、LTE, Ev-DO等，且第一和第二通信芯片可形成通信組。在本發明的可替換實施例中，第一半導體芯片是硅光電設備，諸如，光檢測芯片或激光器芯片，而第二半導體芯片是驅動器芯片或跨阻抗放大器芯片。
[0019]依據本發明的實施例的封裝結構可包括任何類型的計算系統的部分，該計算系統例如是手持計算系統(例如，蜂窩電話、智能電話或音樂播放器)、移動計算系統(例如，筆記本電腦、上網本或平板電腦)、臺式計算系統、服務器或超級計算機。封裝結構可被安裝到主板組件上，以集成到計算系統中。一般地，主板可包括任何合適類型的線路板、或能夠在計算系統中設置于板上的一個或多個不同部件之間和設置于板上的不同部件和計算系統的其它連接的遠程元件之間提供電通信的其它襯底。
[0020]相關領域的技術人員應當理解，本公開能夠進行修改和變更，以取代在整個公開中顯示和描述的各種組件。本說明書中提到的“一個實施例”或“實施例”表示結合該實施例描述的具體特征、結構、材料或特性是包括在本發明的至少一個實施例中，但并不一定表示它們存在于每一個實施例中。此外，實施例中所公開的具體特征、結構、材料或特性可以以任何適當的方式結合在一個或多個實施例中。可包括各種附加層和/或結構，和/或在其它實施例中可省略所述特征。
【權利要求】
1.一種設備，包括: 具有表面的第一半導體芯片，其中所述表面具有設置在所述表面上的第一組電互連區域和第二組電互連區域， 具有表面的第二半導體芯片，其中所述表面具有設置在所述表面上的電互連區域，并且其中所述第一半導體芯片的第一組電互連區域與所述第二半導體芯片的電互連區域電連接， 具有電互連區域的襯底，其中所述襯底的互連區域電連接到所述第一半導體芯片的第二組電互連區域，并且其中所述第二半導體芯片處于所述第一半導體芯片和所述襯底之間。
2.如權利要求1所述的設備，其中所述第一半導體芯片是激光器芯片或光電檢測器芯片。
3.如權利要求1所述的設備，其中所述第二半導體芯片是跨阻抗放大器或激光器驅動器芯片。
4.如權利要求1所述的設備，其中所述第二半導體芯片是減薄的半導體芯片。
5.如權利要求1所述的設備，其中所述第二半導體芯片是高度在100μ m與20 μ m之間的半導體芯片。
6.如權利要求1所述的設備，其中所述第一半導體芯片是處理器。
7.如權利要求1所述的設備，其中所述襯底是印刷電路板、封裝襯底或主板。
8.如權利要求1所述的設備，其中所述第一半導體芯片的電互連區域利用焊料連接到所述襯底的電互連區域。
9.如權利要求1所述的設備，其中所述第一半導體芯片的電互連區域利用焊料連接到所述第二半導體芯片的電互連區域。
10.如權利要求1所述的設備，其中所述襯底包括緊鄰所述第二半導體芯片的凹陷區域。
11.一種計算設備，包括: 主板； 安裝在所述主板上的處理器，以及 激光器芯片組件，所述激光器芯片組件安裝到所述主板上且通過所述主板與所述處理器電互連，其中所述激光器芯片組件包括: 具有表面的激光器芯片，其中所述表面具有設置在所述表面上的第一組電互連區域和第二組電互連區域，以及 具有表面的激光器驅動器芯片，其中所述表面具有設置在所述表面上的電互連區域，其中所述激光器芯片的第一組電互連區域電連接到所述激光器驅動器芯片的電互連區域，且其中所述激光器芯片的第二組電互連區域電連接到所述主板的電互連。
12.如權利要求11所述的設備，其中所述激光器驅動器芯片是減薄的半導體芯片。
13.如權利要求11所述的設備，其中所述激光器驅動器芯片是減薄的半導體芯片，且所述激光器驅動器芯片被減薄到80 μ m與40 μ m之間的高度。
14.如權利要求11所述的設備，其中所述激光器芯片的電互連區域利用焊料連接到所述襯底的電互連區域。
15.如權利要求11所述的設備，其中所述激光器芯片的電互連區域利用焊料連接到所述激光器驅動器芯片的電互連區域。
16.一種計算設備，包括: 主板； 安裝在所述主板上的處理器，以及 光電檢測器芯片組件，所述光電檢測器芯片組件安裝在所述主板上且通過所述主板與所述處理器電互連，其中所述光電檢測器芯片組件包括: 具有表面的光電檢測器芯片，其中所述表面具有設置在所述表面上的第一組電互連區域和第二組電互連區域，以及 具有表面的跨阻抗放大器芯片，其中所述表面具有設置在所述表面上的電互連區域，其中所述光電檢測器芯片的第一組電互連區域電連接到所述跨阻抗放大器芯片的電互連區域，并且其中所述光電檢測器芯片的第二組電互連區域電連接到所述主板的電連接。
17.如權利要求16所述的設備，其中所述跨阻抗放大器芯片是減薄的半導體芯片。
18.如權利要求16所述的設備，其中所述跨阻抗放大器芯片的高度在100μ m與20 μ m之間。
19.如權利要求16所述的設備，其中所述光電檢測器芯片的電互連區域利用焊料連接到所述襯底的電互連區 域。
20.如權利要求16所述的設備，其中所述光電檢測器芯片的電互連區域利用焊料連接到所述跨阻抗放大器芯片的電互連區域。
【文檔編號】H01L23/12GK104081519SQ201180075381
【公開日】2014年10月1日 申請日期:2011年12月6日 優先權日:2011年12月6日
【發明者】Q·譚 申請人:英特爾公司