МОСТИКОВОЕ МЕЖСОЕДИНЕНИЕ ПОСРЕДСТВОМ СКВОЗНЫХ ОТВЕРСТИЙ ЧЕРЕЗ КРЕМНИЙ
BRIDGE INTERCONNECTION BY THROUGH-HOLES THROUGH SILICON

Область техники
Это изобретение относится к сборке интегральной схемы (IC), более конкретно к мостиковым межсоединениям между прилегающими интегральными схемами в корпусе с подложкой.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
В сборке ИС существует необходимость обеспечивать полупроводниковые кристаллы в прилегающей конфигурации в корпусе и соединять их. Корпус может быть, например, корпусом рамки с выводами.
В одной конфигурации полупроводниковые кристаллы компонуются с активной стороной каждого кристалла, отвернутой от основания корпуса. Межсоединение между кристаллами реализуется посредством проволочного монтажа. Тем не менее, правила проектирования для межсоединения сборки могут быть ограничены размерностями диаметра проволоки и капиллярным инструментом проволочного монтажа, требуя контактных площадок, которые являются достаточно большими и достаточно далеко разнесены для соответствия размерностям. Таким образом, число межсоединений ограничено размером межсоединений. Кроме того, индуктивность выводов в проволочных соединениях кристалла с кристаллом может ограничивать рабочие характеристик скомпонованного устройства. Кроме того, золотая проволока является традиционным выбором для проволочного монтажа, существенно увеличивая себестоимость корпуса интегральных схем.
В другой конфигурации, сборка ИС с шариковыми выводами с перевернутым кристаллом, область активного устройства кристалла находится на поверхности, повернутой к монтажной подложке корпуса, например, вниз. В этой конфигурации плотность межсоединений между прилегающими кристаллами также ограничивается требованиями к размеру площадки контактов.
Патент США № 5225633 раскрывает межсоединение двух полупроводниковых кристаллов в прилегающей конфигурации с использованием мостиковых элементов. Каждый мостиковый элемент содержит жесткий кремниевый кристалл, поддерживающий выступающие проводящие балочные выводы. Мостик помещается в пространстве между двумя полупроводниковыми кристаллами, и степень выступания каждого балочного вывода и прилегающее расположение выбираются для предоставления соответствующего сочленения с контактными площадками, расположенными на каждом из полупроводниковых кристаллов, которые должны быть соединены. Однако не раскрыт способ формирования балочных выводов либо их расположения на кремниевом мостике. Более того, обработка и монтаж балочных выводов могут быть сложными, и мостик занимает пространство между двумя кристаллами. Кроме того, так как золото является предпочтительным металлом межсоединений, имеет место влияние на материальные затраты собранного корпуса.
Следовательно, существует необходимость в компоновочной системе межсоединений между смежными полупроводниковыми кристаллами, которая упрощает процесс монтажа, снижает затраты на материалы межсоединений и обеспечивает соединение между микросхемами с меньшим шагом, чем обычно допустимо при проволочном монтаже и эквивалентных межсоединениях с балочными выводами.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Раскрыты система и способ для соединения двух кристаллов в прилегающей конфигурации. Третий полупроводниковый кристалл работает как мостик межсоединения для соединения двух кристаллов. Мостиковый кристалл включает в себя сквозные отверстия через кремний (TSV) для облегчения межсоединения.
Система мостикового межсоединения интегральной схемы включает в себя первый кристалл, имеющий первую сторону и вторую сторону, и второй кристалл, имеющий первую сторону и вторую сторону. Эти кристаллы предоставлены в прилегающей конфигурации. Мостиковый кристалл расположен на первых сторонах первого кристалла и второго кристалла. Мостиковый кристалл соединяет первый кристалл и второй кристалл.
Система сборки интегральных схем включает в себя корпус, содержащий полупроводниковые кристаллы и подложку, расположенную в корпусе для приема полупроводниковых кристаллов. Первый кристалл и второй кристалл, оба имеющие первую сторону и вторую сторону, расположены на подложке в прилегающей конфигурации. Вторые стороны первого и второго кристаллов обращены к подложке. Мостиковый кристалл расположен на первых сторонах первого кристалла и второго кристалла. Мостиковый кристалл соединяет первый кристалл и второй кристалл.
Выше изложены признаки и технические преимущества настоящего изобретения довольно широко, чтобы нижеследующее подробное описание могло быть лучше понято. Дополнительные признаки и преимущества изобретения, описанные далее в данном документе, характеризуют предмет формулы изобретения. Специалистам в данной области техники следует принимать во внимание, что концепция и конкретный вариант осуществления могут использоваться как основа для модификации либо проектирования других структур для осуществления тех же целей настоящего изобретения. Специалистам в данной области техники также должно быть понятно, что подобные эквивалентные конструкции не отклоняются от сущности и объема изобретения, как изложено в прилагаемой формуле изобретения. Новые признаки, которые рассматриваются как характерные для изобретения, как для его организации, так и способа работы, вместе с дополнительными объектами и преимуществами будут лучше понятны из последующего описания при рассмотрении в сочетании с прилагаемыми чертежами. Однако понятно, что каждый из чертежей предоставляется только для цели иллюстрации и описания и не предназначен для определения границ настоящего изобретения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Для более полного понимания настоящего изобретения далее даются ссылки на последующее описание совместно с прилагаемыми чертежами.
Фиг. 1 показывает примерную систему связи, в которой варианты осуществления изобретения могут преимущественно использоваться.
Фиг. 2 иллюстрирует вид сверху мостикового межсоединения TSV согласно варианту осуществления изобретения.
Фиг. 3 является примерным видом в поперечном сечении, разбитом на части, варианта осуществления мостикового межсоединения между двумя перевернутыми кристаллами.
Фиг. 4 является примерным видом в поперечном сечении, разбитом на части, варианта осуществления мостикового межсоединения между двумя кристаллами с проволочными соединениями.
Фиг. 5 является примерным видом в поперечном сечении, разбитом на части, мостикового межсоединения между перевернутым кристаллом и кристаллом с проволочным соединением.
Фиг. 6 является примерным видом в поперечном сечении, разбитом на части, варианта осуществления, в котором дополнительные кристаллы уложены в стопку на мостиковом межсоединении.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
Раскрыты способы и структуры для соединения двух полупроводниковых кристаллов (микросхем), которые размещаются в прилегающей конфигурации в корпусе на основе подложки. Соединения могут быть выполнены с использованием полупроводникового кристалла мостикового межсоединения (типично кремниевым) для приведения в контакт обоих прилегающих кристаллов. Кристалл мостикового межсоединения имеет сквозные отверстия через кремний для соединения площадок контактов на каждом из кристаллов с противоположной поверхностью кристалла мостикового межсоединения. Линии межсоединений на кристалле мостикового межсоединения сформированы для выполнения соединений между сквозными отверстиями через кремний.
Фиг. 1 показывает примерную систему 100 беспроводной связи, в которой варианты осуществления изобретения могут преимущественно использоваться. Для целей иллюстрации фиг. 1 показывает три удаленных блока 120, 130 и 150 и две базовых станции 140. Понятно, что типичные системы беспроводной связи могут иметь намного больше удаленных блоков и базовых станций. Удаленные блоки 120, 130 и 150 включают в себя многокристальные корпусы 125А, 125В и 125С с мостиковыми межсоединениями TSV (сквозные отверстия через кремний), что является вариантом осуществления изобретения как рассмотрено дополнительно ниже. Фиг. 1 показывает сигналы 180 канала прямой связи от базовых станций 140 к удаленным блокам 120, 130 и 150 и сигналы 190 канала обратной связи от удаленных блоков 120, 130 и 150 в базовые станции 140.
На фиг. 1 удаленный блок 120 показан как мобильный телефон, удаленный блок 130 показан как портативный компьютер, и удаленный блок 150 показан как удаленный блок с фиксированным местоположением в системе беспроводной абонентской линии (WLL). Например, удаленные блоки могут быть сотовыми телефонами, карманными блоками систем персональной связи (PCS), портативными блоками данных, например, персональными цифровыми помощниками либо блоками данных с фиксированным местоположением, например, оборудованием с показаниями счетчика. Хотя фиг. 1 иллюстрирует удаленные блоки согласно идеям изобретения, изобретение не ограничено этими примерными проиллюстрированными блоками. Изобретение может соответствующим образом использоваться в любом устройстве, которое включает в себя многокристальный корпус, содержащий микросхемы в прилегающей конфигурации.
Фиг. 2 иллюстрирует вид сверху конфигурации 200 мостикового межсоединения TSV согласно варианту осуществления изобретения. Конфигурация 200 включает в себя подложку 210, которая может быть, например, печатной платой с органической либо керамической подложкой. Два или более кристалла, где каждый кристалл имеет первую и вторую сторону, могут размещаться на подложке 210. Для примерной иллюстрации, ссылаясь на фиг. 2, два кристалла 220 и 230 показаны размещенными в прилегающей конфигурации. Одна поверхность кристаллов 220 и 230 может соединяться с подложкой 210 и, в итоге, с выводами корпуса.
Кристалл 240 мостикового межсоединения, имеющий первую и вторую сторону, по меньшей мере, частично перекрывается и электрически взаимодействует с кристаллами 220 и 230. Сквозные отверстия 270 через кремний (TSV), заполненные проводящим металлом, соединяют первую сторону (показана направленной от страницы) кристалла 240 с мостиковым межсоединением с активной схемой на кристаллах 220 и 230. Линии 272 межсоединений на первой стороне кристалла 240 мостикового межсоединения тогда выполняют соединения между кристаллами 220 и 230. Для различных функциональных вариантов применения, где определенные функции кристаллов 220 и 230 изменяются, линии 272 межсоединений могут быть соответствующим образом перенаправлены, и TSV 270 перемещаются с помощью изменений в фотомасках и изготовлении на уровне обработки целой пластины.
Кроме того, хотя линии 272 межсоединений могут принципиально быть пассивными металлическими межсоединениями, они также могут быть более сложными межсоединениями схемы, например компонентами импеданса (т.е. резисторами, конденсаторами и индукторами), и активными устройствами (т.е. транзисторами, логикой, памятью и т.д.). Хотя не показано на фиг. 2, первая стороны кристалла 240 мостикового межсоединения может включать в себя дополнительные активные схемы, не связанные с функциональными возможностями межсоединения.
Линии 272 межсоединений и/или схемы на кристалле 240 мостикового межсоединения могут быть созданы на уровне пластины, включая формирование металлических заполненных отверстий TSV 270, используя традиционные полупроводниковые процессы и процессы металлизации, после которых пластина может затем разделяться на отдельные кристаллы 240 мостиковых межсоединий.
Фиг. 3 является примерным видом в поперечном сечении, разбитом на части, варианта осуществления конфигурации 300 межсоединения между двумя перевернутыми кристаллами. Активная схема перевернутого кристалла 320 и кристалла 330 находится на вторых сторонах, обращенных к подложке 210. Кристаллы 320 и 330 могут соединяться с подложкой 210 с помощью, например, соединения с шариковыми выводами либо эквивалентных способов, используемых в сборке интегральных схем.
Сквозные отверстия через кремний (TSV) создаются толщиной кристаллов 320 и 330, чтобы предусмотреть металлическое межсоединение между первыми сторонами (показаны обращенными вверх на фиг. 2) и активной схемой на вторых сторонах кристаллов 320 и 330.
Контактные площадки 371 на второй стороне кристалла 240 мостикового межсоединения и первые стороны кристаллов 320 и 330 совмещены и могут быть соединены, используя способы, такие как, например, соединение с шариковыми выводами и проводящая паста. Контактные площадки 371, созданные на кристаллах 320, 330 и 240, обеспечивают проводящий контакт между соответствующими TSV 270 и 373. Следовательно, активные схемы на кристаллах 320 и 330 являются электрически соединенными с первой стороной кристалла 240 мостикового межсоединения, где межсоединение между активной схемой выполнено, используя линии 272 межсоединений. Контактные площадки 371 показаны соединяющими активные схемы и шариковые выводы.
Фиг. 4 является примерным видом в поперечном сечении, разбитом на части, варианта осуществления конфигурации 400 мостикового межсоединения между двумя кристаллами 420 и 430 с проволочными соединениями. Кристалл 240 мостикового межсоединения может быть по существу тем же самым, что и кристалл 240 мостикового межсоединения на фиг. 3. То есть кристалл 240 мостикового межсоединения по фиг. 4 может иметь те же самые признаки и компоновку TSV 270, контактных площадок 371, линий 272 межсоединений и, факультативно, импедансных элементов и/или активных устройств, также размещенных на первой стороне кристалла 240 мостикового межсоединения по фиг. 3.
Оба полупроводниковых кристалла 420 и 430 с проводными соединениями имеют первую сторону и вторую сторону, где вторые стороны кристаллов 420 и 430 обращены и соединены с подложкой 210. Проволочное соединение соединяет контактные площадки на первых сторонах кристаллов 420 и 430 с контактными площадками на подложке 210. Как в конфигурации 300 с перевернутым кристаллом фиг. 3, все три кристалла 420, 430 и 240 имеют контактные площадки 371 в соответствующих местоположениях, чтобы обеспечить межсоединение схем кристаллов 420 и 430 с помощью кристалла 240 мостикового межсоединения.
Активные схемы на кристаллах 420 и 430 расположены на первой поверхности (т.е. обращены в сторону от подложки 210). В конфигурации 400, так как активные схемы находятся на первой стороне, включение TSV 373 в кристаллы 420 и 430, как показано на фиг. 4, может факультативно включаться либо может не требоваться.
Фиг. 5 является примерным видом в поперечном сечении, разбитом на части, варианта осуществления конфигурации 500 мостикового межсоединения между перевернутым кристаллом 320 и кристаллом 430 с проволочным соединением. Соответствующая компенсация может быть сделана для относительных различий в толщине кристаллов, высоте шарикового соединения и т.д. для размещения первых сторон обоих кристаллов 320 и 430 на одной и той же высоте. Рассмотрение соответствующих интерфейсов между перевернутым кристаллом, мостиком и кристаллами с проволочным монтажом совпадает с тем, как описано со ссылкой на фиг. 3 и 4. Например, перевернутый кристалл 320 имеет активные схемы, расположенные на второй стороне (т.е. обращенные к подложке 210), и может потребовать множество TSV 373, соединенных с контактными площадками 371 на первой стороне для облегчения соединений с кристаллом 240 мостикового межсоединения. Кристалл 430 с проволочным соединением, с другой стороны, имеет активные схемы, расположенные на первой стороне (т.е. обращенные от подложки 210), и может не требовать TSV 373. Вместо этого, может быть достаточно контактных площадок 371, соединенных с активными схемами.
Фиг. 6 является примерным видом в поперечном сечении варианта осуществления конфигурации 600, в которой, по меньшей мере, один или более дополнительных кристаллов 640 (где для иллюстративных целей показан только один кристалл 640) уложены в стопку на кристалле 240 мостикового межсоединения. Дополнительный кристалл 640 может включать в себя функциональные возможности, технологию материалов либо другую основу для создания кристалла 640 отдельно от других кристаллов 320, 430, содержащих активные устройства. Кристалл 240 мостикового межсоединения может включать в себя контактные площадки 371 на первой стороне для взаимодействия с соответствующими контактными площадками 371, обращенными в противоположную сторону и расположенными на кристалле 640. Кристалл 640 может включать в себя TSV 674, соединенные с контактными площадками 371 на обеих сторонах кристалла 640 для обеспечения межсоединения между кристаллом 240 мостикового межсоединения и линиями 672 межсоединений и/или функциональной схемой на верхней поверхности кристалла 640. Примеры функциональных возможностей кристалла 640 включают в себя память, элемент задержки, усилители, логику и т.д. Укладка в стопку дополнительных кристаллов 640 над кристаллом 240 мостикового межсоединения может учитывать функциональные возможности, компоновку и другим желательные цели. Там где используется шариковое соединение для межсоединения площадок на (вертикально уложенном) соседнем кристалле, расположение схем может быть либо на первой, либо на второй стороне кристалла 640.
Многочисленные преимущества могут извлекаться из описанных вариантов осуществления. Используя мостиковый кристалл, дорожки межсоединений могут быть изготовлены в большом количестве на целой пластине, используя процессы обработки полупроводников. Толщина металлизации может быть приблизительно несколько микрон либо меньше, с шириной линии, соответствующей узлам усовершенствованной технологии, например 45 нм и менее. Металл может быть иным, чем золото. По сравнению с золотым проволочным соединением между подложками может быть достигнута значительная экономия материалов.
Кроме того, проволочное соединение требует минимального разнесения между смежными контактными площадками на подложке по причинам, по меньшей мере частично, размера капиллярного наконечника, используемого в проволочном монтаже. Наоборот, возможен очень мелкий шаг дорожек межсоединений на мостиковом кристалле, что делает возможными плотные межсоединения. Кроме того, при проволочном монтаже каждое соединение выполняется отдельно, тогда как с помощью мостикового межсоединения многочисленные соединения выполняются с помощью одного размещения на уровне чипа и способов соединения, таких как, например, пайка расплавлением дозированного припоя.
Кроме того, если конфигурация с множеством смежных микросхем была ранее спроектирована для проволочного монтажа, мостиковое межсоединение может быть выгодно реализовано для замещения проволочного монтажа, наряду с использованием существующих контактных площадок. Замещение мостиковым межсоединением проволочного монтажа снижает число этапов монтажа от многочисленных отдельных этапов проволочного монтажа до одиночного размещения кристалла.
Кроме того, проволочный монтаж обычно включает в себя петлю в дуге из проволоки между двумя контактными площадками в дополнение к минимально необходимому расстоянию между контактными площадками. В результате индуктивность проволоки может ухудшить рабочие характеристики, особенно в устройствах с высоким быстродействием, где индуктивный импеданс увеличивается с частотой. Электромагнитное излучение от выводов может быть нежелательно обнаружено в любом другом месте на микросхемах в корпусе. С помощью мостикового кристалла те кристаллы, которые должны быть соединены, могут размещаться близко друг к другу, снижая излучение и увеличивая эффективность использования корпуса. Мостиковый кристалл может быть сделан относительно малым, с соответственно более короткими дорожками межсоединений, чем требовалось бы для проволочного монтажа.
Дополнительным преимуществом является эффективная возможность включения в единственный корпус двух или более интегральных схем, которые требуют различных материалов, технологических процессов или технологических узлов для оптимизации рабочих характеристик "системного уровня", предоставляемой преимуществами за счет настройки каждой микросхемы. Это обеспечивает возможность более высокого уровня функциональных возможностей в единственном корпусе.
Еще одним дополнительным преимуществом является возможность включать функциональные возможности в мостиковый кристалл, что не могло бы обеспечиваться с помощью только проволочного монтажа.
Многие из тех же самых преимуществ используются, когда для сборки кристаллов ИС применяется монтаж методом перевернутого кристалла. За счет реализации TSV на перевернутых кристаллах могут быть обеспечены межсоединения с малым шагом и экономия пространства трассировки.
Хотя настоящее изобретение и его преимущества описаны подробно, следует понимать, что различные изменения, замещения и преобразования могут быть сделаны в нем без отклонения от сущности и объема изобретения, как определено прилагаемой формулой изобретения. Например, хотя при обсуждении использовалась операция чтения, предполагается, что изобретение равным образом используется для операций записи. Более того, объем настоящего изобретения не предназначен для ограничения конкретными вариантами осуществления описанных процесса, вычислительной машины, производства, композиции, средства, способов и этапов. Например, тогда как TSV является общим термином уровня техники, ссылающимся на сквозные отверстия в кремниевых кристаллах, сквозные отверстия могут быть сформированы в других материалах и в конкретных других полупроводниковых кристаллах, например арсениде галлия, карбиде кремния, нитриде галлия либо других соответствующих материалах. Термин TSV может использоваться с применением к любым подобным материалам. Специалисту в данной области техники на основе описания будут очевидны процессы, вычислительные машины, производство, композиции, средства, способы или этапы, которые существуют в настоящий момент или которые должны быть разработаны позже, которые выполняют по существу ту же самую функцию либо достигают по существу тот же самый результат, что и соответствующие варианты осуществления, описанные в этом документе, и которые могут использоваться согласно настоящему изобретению. Соответственно, прилагаемая формула изобретения предназначена, чтобы включать в свой объем подобные процессы, вычислительные машины, производство, композиции, средства, способы либо этапы.