(57)【要約】【課題】積層される集積回路層を相互接続する新規な方法を提供する。【解決手段】本発明の構造はスプリング式接触板１１６を用いる。このスプリング式接触板１１６は、集積回路層１００に組み込まれ、ストレスメタルから、またはメタル構造を物理的に曲げて製造し得る。このスプリング式接触板１１６は、集積回路層１００の直上または直下に隣接する回路層に電気的結合し得るものである。【選択図】図１
2005167244.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
厚さ０．２５ｍｍ未満であり、第一表面と少なくとも一つの端面を有する、第一誘電体と、
第一端と第二端とを有し、略平面の導電性切片の第一端が第一誘電体の第一表面に接合され、導電性切片の第二端が第一誘電体の前記端面を超えて延びるトップ接触板部分を有する、第一の導電性切片と、
前記導電性切片の第一端に連結された基部と、第一誘電体の第一表面を含む平面から第一誘電体の厚さより大きい所定の距離だけ離れている点を含む先端部と、を有する、第一湾曲形状スプリングと、
を備える両面に積層可能な電気的相互接続構造。
【請求項２】
請求項１に記載の両面に積層可能な電気的相互接続構造において、前記第一湾曲形状スプリングがストレスメタルから製造されたスプリングである両面に積層可能な電気的相互接続構造。
【請求項３】
請求項１に記載の両面に積層可能な電気的相互接続構造において、更に
第二誘電体と、
第二誘電体に接合され、第二誘電体の対応する端面を超えて延びるトップ接触部分を有し、第一湾曲形状スプリングの先端部と電気的接触を形成する、第二導電性切片と、
を備えることを特徴とする両面に積層可能な電気的相互接続構造。
【請求項４】
第一複数の電子コンポーネントと、第一誘電体の端面を超えて延び、第一スプリング構造と第一トップ接触板とを含む第一相互接続構造と、を有する第一誘電体と、
第三複数の電子コンポーネントと、第三誘電体の端面を超えて延び、第三スプリング構造と第三トップ接触板とを含む第三相互接続構造と、を有する第三誘電体と、
第二複数の電子コンポーネントと、第二誘電体の端面を超えて延び、第一スプリング接触板からの電気的接触を受容する第二トップ接触板と第三トップ接触板に接触する第二スプリング接触板とを含む第二相互接続構造と、を有し、第一誘電体と第三誘電体との間に配置される第二誘電体と、
を備える積層構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、集積回路積層用の薄いパッケージを相互接続する構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
現今のデジタル装置には大量のメモリが必要である。小さなパッケージに大量のメモリを詰め込むために、半導体製造業者は単一のパッケージ内に集積回路を積層する方法を採ってきている。ワイヤボンディング技術を用いて、同じパッケージ内に積層された集積回路の相互接続が行われる。しかし、積層構造にワイヤボンディングを施すことは、多くの個数のチップを積層する場合において困難であり、従って高価となる。さらに、積層後にチップにワイヤボンディング施すのでは、個々の集積回路を積層前に試験するのが困難になる。アセンブリ前に個々のチップ層を試験して置かないと、最終的な積層パッケージの歩留まりが許容し得ないほど低下してしまうことがしばしば起こる。
【０００３】
多くの個数のチップを備える積層の歩留まりを改善し、従って製造コストを削減するため、業界では積層の前に各チップをパッケージ化し、試験するという手順を実際に採用している。欠陥チップがあれば、そのチップを最終積層アセンブリに積層する前に取り除く。試験を容易に行うため、チップは、薄い試験可能なパッケージ、すなわち、「薄紙パッケージ」にパッケージ化される。単位容積当たり可能な限り多数の集積回路層を積層するため、個々の層は可能な限り薄い形にしておく。従って、チップは製造では７５μｍ厚さまで、開発中のプロトタイプに至っては３５μｍという厚さまで薄膜化されている。現在ではチップ厚さは、積層パッケージの全厚の半分未満となっている。従って、集積回路のチップ厚さ自体は、もはやパッケージ厚さを決定する制約要因ではない。その代わり、相互接続部分がパッケージ厚さを制約する主要因となっている。
【０００４】
最も普通の積層相互接続は、米国特許第５，７８３，８７０号「積層ボールアレイ構造のパッケージを接続する方法（Methodof Connecting Packages of a Stacked Ball Array Structure)」に記載のボールボンディング積層によるものである。ボールボンディング積層では、半田ボールをパッケージの周辺に沿って配置する。その後、個々の半田ボールの上に接合可能の接触パッドを配置する。個々の半田ボールは普通、直径０．３〜０．５ｍｍである。ボール高さは、互いに接合される両材質間に生じる熱膨張の差を十分に許容し得るように大きく採らなければならない。ボール直径を０．３ｍｍより顕著に小さくすると、熱応力によってボールのひび割れや不良率が増加する。
【０００５】
最小ボール直径を０．３ｍｍ、そして薄いコアがプリントされた配線ボードの高さを約０．１６ｍｍと仮定すると、各ボールボンディング積層パッケージは、０．４〜０．５ｍｍ程度の高さを有することになる。チップを８層積み重ねたものは一般に、３．６ｍｍ程度の高さとなる。現在の設計目的は、電子システムの寸法で決定される積層パッケージの最大高さとして、１．２ｍｍを目標としている。所要目標の１．２ｍｍ以内に抑えるため、８層積層の各単位層は一般に、０．１５ｍｍを超えてはならない。
【０００６】
ボールボンディング積層システムに関する第二の問題は、各ボールを溶融し、層間接合を行うのに使用される高温に起因して生じる。これらの高温により、パッケージの流れと変形という問題が生じる。従来の積層パッケージアセンブリの半田付け操作の際に、積層に配置された半田ボールが溶け、個々にパッケージされたチップを積層したものが、動いてしまう恐れがある。
【０００７】
他のパッケージ化技術も報告されている。例えば、米国特許第６，６２７，９８０号「マイクロエレクトロニック・スプリング接触板による積層半導体デバイスアセンブリ（Stacked Semiconductor Device Assembly With Microelectronic Spring Contacts)」に記載のようなマイクロエレクトロニック・スプリング接触板を用いる技術がある。しかし、同文献に記載の積層技術は、積層を互い違いに行うなどの要因があって、横方向に関してはコンパクトではない欠点がある。
【０００８】
【特許文献１】米国特許第５，７８３，８７０号明細書
【特許文献２】米国特許第６，６２７，９８０号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
従って、積層される集積回路層を相互接続する新規な方法が必要である。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
集積回路の積層の隣接する層を相互に接続する複合材接続構造を形成する方法と装置を記載する。本システムはパッケージ層間の垂直インライン接続を行うのにスプリング接触板を用いる。これらのスプリング接触板を用いると、極めて薄い積層集積回路が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
図１は、半導体チップまたはダイス（die ）１０４とこれに対応して適合させた接続構造１０８，１１２とで構成される単層１００の側断面図を示す。図２は、単層１００の上面図を示す。図３は、単層１００の底面図を示す。
【００１２】
接続構造１０８，１１２は、相異なる層の接触パッドに押圧可能なスプリング接触板１１６，１２０を備える。スプリング接触板１１６，１２０の設計は、数回の締結または圧縮サイクルに耐え、試験ソケットとの接触と離脱が可能なように行われるのが好ましい。そうすれば、最終的なアセンブリの前に単層１００に搭載している回路の内部試験を行うことが容易になる。そのような試験の間、スプリング接触板１１６，１２０を単層１００の試験用ソケットの相手側ターミナルに嵌め合わせ、押し付けるのである。
【００１３】
実施の形態の一つでは、スプリング接触板は、リリース層の上にメタル層を堆積することによって形成される。堆積メタル層に加えられる傾斜応力は、メタル層を堆積するときにドーピング組成と堆積速度を調節することによって形成される。フォトリソグラフィー技術を用いて前記構造のマスキングを行い得る。エッチング剤でマスキング箇所の周りを削り取って前記スプリングを所望の形状に形成し得る。リリース層を取り除くと、ストレスメタルがリリースされる。傾斜ストレスによって堆積面からメタルが押し出されるのである。スプリング接触板の設計と製作にかかわる広範な詳細は、ドン・スミス（Don Smith）の米国特許第５，６１３，９６１号「フォトリソグラフィーパターニングによるスプリング接触板（Photolithographically Patterned Spring Contact)」に記載され、さらにダビッド・フォーク（David Fork）らの米国特許第６，２９０，５１０号「自己調整リリース材によるスプリング構造（SpringStructure with Self-Aligned Release Material)」にも記載されている。そのようなスプリング接触板の別の設計法は、図６に関連する説明にも述べられている。
【００１４】
積層可能パッケージのアセンブリを行うには、個々の集積回路チップまたはダイス１０４を薄いダイスパドル(die paddle)１２４の上に載せて貼り付ける。ダイスパドル１２４は、銅のような高熱伝導率の材料で製造するのが好ましい。ダイスパドル１２４は、ダイス１０４にある回路から発生する熱を放散するのに役立つ。実施の形態の一つでは、ダイスパドル１２４を熱のシンクに接続することも行われる。
【００１５】
図示の実施の形態では、薄いダイス取り付け用接着剤１２８を用いて、ダイス１０４をダイスパドル１２４に接着する。接着剤としては、例えば、エーブルスティック社（Ablestick Corporation）販売の銀充填エポキシ材である８４−１ＬＭＩＳＲ４が用いられる。ダイスパドル１２４を穿孔しておいたり、区分けしておいたりしておくと、ダイスアタッチ用接着剤１２８が流動し易くなるので、ダイス１０４とダイスパドル１２４との間の気泡生成を低減し得る。ダイスパドル１２４の区分けをしておくと、ダイス１０４とダイスパドル１２４との間の膨張の差に起因して生じる機械的応力や歪みも減少する。
【００１６】
ボンディングワイヤ１３２，１３０で、ダイス１０４上のボンディングパッドと対応するトップ接触板１４０，１４４とを接続する。各トップ接触板１４０，１４４は対応するスプリング接触板１１６，１２０に結合される。トップ接触板１４０，１４４は一般に、薄い導電性の層である。図示の実施の形態では、トップ接触板１４０，１４４は、イリノイ州イーストアルトン（East Alton）のオーリンブラス（Olin Brass）社販売の銅合金７０２５製の１８μｍ厚さの層である。トップ接触板１４０，１４４には、１〜１０μｍ厚さのニッケル製中間層を介して約１〜５μｍ厚さの金メッキが施され、この部にワイヤボンディングが可能となっている。図２に見られるように、トップ接触板１４０，１４４は、略同一の層にあり、ダイスパドル１２４とは切り離されている。同一の材質を用いて、ダイスパドル１２４とトップ接触板１４０，１４４とを同時に形成するようにすると、製造プロセスが簡略化される。
【００１７】
スプリング接触板１１６，１２０は一般に、応力勾配を有するメタルから形成される。この様なストレスメタル製スプリングは、異なる堆積条件下でスプリングの各層に堆積を施すことによって、一般には真空のチャンバ内で異なる圧力下で基板上にメタルをスパッタ加工することによって、形成される。実施の形態の一つでは、メタル層が堆積するにつれてチャンバ内の圧力を次第に上げて行く。すると、下側のメタル層が圧縮され、上側のメタル層は引っ張られる。これらの条件下では、リリース材を介して基板に接合されるメタルに内部応力勾配が生じる。このリリース材を除去すると、普通はエッチッングプロセスを用いて行われるのであるが、そのメタルはまるく曲がり、湾曲形状のスプリング構造が得られる。スプリングの材質はニッケル合金のことが多い。実施の形態の一つでは、前記基板は導体であり、トップ接触板、例えば、トップ接触板１４０，１４４としても使用される。トップ接触板から「リリース」された湾曲形状スプリングが、スプリング接触板１１６，１２０としての役目を果たすわけである。
【００１８】
別に、スプリングの形成は、より安価に、スパッタ加工法でなくストレスメタルメッキ法でも行い得る。このメッキ法については、２００３年７月８日にユージン・チョウ（EugeneChow）らが出願の米国特許出願第１０／６１５，６５３号「強力鍍金スプリング構造（High Force Metal PlatedSpring Structure）」に記載されている。さらに、より一層安価な製造法としては、単にフレーム（一般にはダイスパドル）を曲げて行われる。形成後、導電率を改良するためスプリングにメッキを施すこともあり得る。
【００１９】
極めて高い導電率を所望の場合は、優れた導体、例えば、金を用いてスプリング接触板１１６，１２０にメッキを施し得る。トップ接触板１４０，１４４にも金メッキを施せば、対応するスプリング接触板との接触も信頼性をもって確実に行い得る。積層可能パッケージ全体は「薄紙パッケージ」を形成する。
【００２０】
図４は、適合させた多層相互接続構造とこれに関連するダイスとの拡大側断面図を示し、可能な寸法も一緒に示している。図示の実施の形態では、ダイス領域は厚さ約１３３μｍである。ダイス１０４は厚さ約５０μｍである。１２μｍ厚さの接着剤層１２８で、ダイス１０４を２８μｍ厚さのダイスパドル１２４に接着する。約１２μｍ厚さの絶縁誘電体２０８は、ダイス１０４の上に配置され得る他のダイスとダイスパドル１２４とのショートを防止する。
【００２１】
図４は、約１５０μｍ厚さの適合させた複合材相互接続構造の一例を示す。前記の複合材相互接続構造は、トップ接触板１４０の部分の上に堆積された誘電体２０８を備える。この誘電体２０８は一般に、デュポン社のリストン(Riston)のような半田マスク材である。誘電体２０８を用いることにより、積層の他の層との電気的ショートが防止される。図示の実施の形態は、１２μｍ厚さの誘電体２０８と２８μｍ厚さのトップ接触板１４０を示す。
【００２２】
誘電体２１２はトップ接触板１４０の一部分を支持する。誘電体２１２はまた、支持の役目と同時に全体構造に寸法安定性を与え、寸法的に安定な誘電体であれば、どんな材質からも形成し得る。材質としては、ポリイミド、ＦＲ−４，ＢＴエポキシ樹脂、またはシアネートエステル材であるが、これらに限定されない。図３に示されるように、誘電体２１２はダイス１０４の周りに「フレーム」を形成し、相互接続構造の開口部の周りにも「フレーム」を形成する。接触スプリング１１６は誘電体２１２フレームの厚さの部分を超えて延びている。つまり、接触スプリング１１６の先端は誘電体２１２の下部表面を突き出て延びている。
【００２３】
図示の実施の形態では、誘電体接着剤２１６を用いて誘電体２１２をトップ接触板１４０に接合する。第二層目の誘電体接着剤２２４を用いて誘電体２１２を以降の回路層に接合する。誘電体２１２と誘電体接着層２１６，２２４とを合わせた厚さは、ダイス１０４とダイス接着層１２８とを合わせた厚さよりも僅かに大きいだけである。図４は、７５μｍ厚さの誘電体層２１２を、１２μｍ厚さの誘電体接着層２１６と、２３μｍ厚さの第二接着層２２４とに接合し、合わせた厚さが約１１０μｍとなるのを示している。この１１０μｍという厚さは、ダイスとダイス接着剤とを合わせた６２μｍという厚さに較べて僅かに大きいだけである。前記構造全体の厚さは約１５０μｍの厚さである。
【００２４】
１５０μｍ厚さの層を用いると、チップを８個積み重ねた層の全高は、約１．２ｍｍになる。図示の構造では、パッケージからパッケージへ相互接続する部分を積層したものは、もはや積層パッケージの厚さを限定する支配的な要因ではない。これより薄い層の形成も、技術の進歩によって一層薄い集積回路ダイスが形成されれば可能である。より薄いダイスができ、誘電体厚さもこれと同等に減少できれば、各層の厚さ減少が可能である。ダイスパドル１２４の厚さも減少可能ではあるけれども、ダイスパドル１２４は放熱を管理しているので、ダイスパドル１２４の厚さを顕著に減少してしまうと、熱発生量が少ない新しい回路を設計しない限り、熱管理が困難になる恐れがある。
【００２５】
従来技術のボール相互接続による積層に較べて薄くなるということに加えて、図示の設計を用いると、より高密度の接触が可能である。少なくとも０．７５×０．７５ｍｍの標準グリッドパターンに配列されたボール接触積層では、平方センチ当たり１７８個の接点密度が得られる。対照的に、適合させた複合材接続構造の積層では平方センチ当たり４００個の接点密度が提供される。従って、より薄いプロファイルの構造が得られることに加えて、このスプリング式相互接続構造では、同等のボール式接続積層パッケージに較べて使用面積は小さくなる。スプリング式接触板を直列に配置すると、他の接触配置に比較して接触構造に必要とされる横方向面積も最小限に抑えられる。
【００２６】
図５は、８つの層を一緒に積み重ねて積層回路５００を形成したものを示す。積層のアセンブリの前に、ダイス層各々の試験を行う。試験後、各層の整列微調整をアライメントフィクスチャで行い、上層５０８から突き出ているスプリング５０４が下層５１６のトップ接触板５１２に当たって接するようにする。アライメント機能、例えば、穴、溝、ノッチまたは類似の幾何学的構造のエレメントを各層に組み込んで、アライメント（位置合わせ）を容易に行うようにし得る。下層５１６は上層５０８に直接隣接し、しかも真下に位置する。スプリング５０４が下層のトップ接触板５１２に当たって接するとき、スプリング５０４は上層のトップ接触板５１２に対して丸みを帯びる。
【００２７】
スプリングすべてが当該スプリングの直ぐ隣の層に当たって接触した後、出来上がった積層をしっかり締結し、硬化温度まで加熱する。この加熱操作により、ｂ−ステージ・エポキシ接着層はスプリングの周りに溶融流出し、スプリングを確実に封止する。このようにして、スプリング張力と硬化したエポキシフィルムの双方の力により、スプリングは隣接し接触する要素部品に対して確実に固着される。本発明の実施の形態の一つでは、トモガワ(Tomogawa）Ｘのようなｂ−ステージ・エポキシ接着剤層がステージ間に装入される。別に使用可能の接着剤としては、例えば、デュポンのアクリル樹脂または日本のＰＩＲ＆Ｄコーポレーションの熱硬化性ポリイミドが挙げられる。スプリング力単独でも接触を維持するには十分であるけれども、エポキシフィルムを加えれば、スプリングやそれに関連する接触エレメントの差動によって生じる微小なズレを回避するのに役立つ。
【００２８】
アセンブリが終了後、スプリングは積層完成品の保護キャビティの中に封止される。封止キャップ層５２４で頂部を封止し、一方、底部層５３２で底部を封止する。一般的に、封止キャップ５２４は誘電体である。しかし、封止キャップ５２４は、ダイス中の回路要素部品に対応して連結する接触パッドを備え得る。同様に、底部層５２８も、外部回路に電気的接続を可能とする接点に連結するワイヤボンドを備え得る。図示の実施の形態では、底部層５２８は、外部回路要素部品と当該積層品との間の接続用に、ボールグリッドアレイ（ＢＧＡ）５３２を備えている。
【００２９】
図５は、上方のスプリング５０４が次の段のスプリング５３６と直に配列されるように、配列されているスプリング接触要素を示す。このようなアライメントが可能なのは、各スプリング５０４，５３６が対応する接触要素５１２，５２０と良好なアライメント関係にあるからである。積層により、垂直バスカラム（vertical bus column ）５４０が形成される。
【００３０】
トップ接触板に堆積されたストレスメタルはスプリング構造を形成する一つの方法ではあるけれども、他の別の方法を用いてトップ接触板の曲がった部分を代替し、スプリングを形成することも行われる。図６は、一連のトップ接触要素部品６００を示すが、この場合は、曲がったトップ接触板をスプリングとして用いる。図６では、各トップ接触板はベース部分６０４と接触部分６０８とを備える。ベース部分６０４は誘電体の本体に接合している。接触部分６０８は積層完成品の相異なる他の層と電気的に接触している。図示の実施の形態では、接触部分６０８はさらに分割され、平坦な部分６１２と曲がった部分６１６とに二分されている。
【００３１】
各層の側面図は、ストレスメタルから形成されたスプリング接触板１１６ではなく、今度はトップ接触板６００の一部であることを除いて、図１のものと同一のように見える。しかし、本構造の上面図は本発明のストレスメタルの実施の形態のものとは相違する。曲がった部分６１６は、トップ接触板の平坦な部分の真下にはないからである。
【００３２】
積層構造で用いるとき、図５の層５０８のような上層５０８にある接触板の曲がった部分６１６は一般的に下方層５１６のような直下の層にある平坦な部分６１２に接続する。このような配列を実現するため、上層にある曲がった部分６１６は、直下の下層にある平坦な部分６１２と合っていなければならない。従って、隣接の層はもはや同一ではなく、その代わり、積層により、別の形の構造が形成される。すなわち、スプリングの曲がった部分６１６は、接触部分６０８の右側と左側との間で各層を互い違いにして形成される。従って、積層のある単層が接触部分６０８の右側で曲げられるときは、積層のその真下の単層は、右側に平坦な部分を有するようにして、接触部分６０８の曲がった右側に接続するようにするのである。
【００３３】
多くの技術を用いて曲がったスプリング構造を形成し得る。実施の形態の一つでは、接触部分を予めパターン化して形成される。当業者に既知の、エッチッングと組み合わせたフォトリソグラフィープロセスを用いて最初の接触部分６０８の形状を定め得る。スプリングプレスまたは他の形成ツールによるプレス製法でトップ接触板の部分を曲げ、曲がった部分を形成することも行われる。別には、所望の形状に当該構造を鋳型で成形したり、他の機械的または化学的プロセスを用いたりして曲がった形状を製作し得る。曲げ成形の後、曲がり構造に高導電性導体を電気メッキすれば、曲がり部分の導電特性が改善される。
【００３４】
以上の説明には、数多くの詳細な事項が含まれるが、それらの詳細は、本発明の理解を容易にするため、本発明の多岐にわたる実施の形態の諸例を挙げるため、およびそれらをどのように用いるかを示すため、示されたものである。しかし、そのような詳細説明は、実施例として提供されているにすぎないので、本発明の範囲を限定するものと理解すべきではない。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】半導体チップとこれに適合させた複合材接続構造を備える積層可能パッケージ単層の側断面図である。
【図２】適合させた複合材接続構造を備える積層可能パッケージ単層の上面図である。
【図３】適合させた複合材接続構造を備える積層可能パッケージ単層の底面図である。
【図４】適合させた複合材接続構造を備える積層可能パッケージ単層の拡大した側断面図である。
【図５】８つの層の積層可能パッケージ単層を積み重ね、薄い積層集積回路パッケージを形成したものを示す図である。
【図６】ストレスメタルを用いてスプリング接触板を形成する代わりに、トップ接触板の一部を曲げることによってスプリング接触板を形成したものを示す図である。
【符号の説明】
【００３６】
１００  半導体チップと接続構造を備えた単層、１０４  半導体チップまたはダイス、１０８，１１２  接続構造、１１６,１２０  スプリング式接触板、１２４  チップまたはダイスのパドル、１２８  接着剤層、１３０，１３２  ボンディングワイヤ、１４０，１４４，５１２，５２０  トップ接触板、２０８，２１２  誘電体、２１６，２２４  誘電体接着剤層、５００  積層回路、５０４,５３６  スプリング、５０８  上層、５１６  下層、５２４  封止キャップ層、５２８  底部層、５３２  ボールグリッドアレイ、６００  トップ接触要素部品、６０４  ベース部分、６０８  接触部分、６１２  平坦部分、６１６  曲がり部分。
【図１】
2005167244.tif 000003
【図２】
2005167244.tif 000004
【図３】
2005167244.tif 000005
【図４】
2005167244.tif 000006
【図５】
2005167244.tif 000007
【図６】
2005167244.tif 000008