Многокристальная микросхема с верхним радиатором

Область применения
Полезная модель относится к области корпусирования многокристальных микросхем вида корпус-на-корпусе (КнК), представляющих собой единое устройство, соединяющее в себе кристаллы памяти и процессора с помощью вертикальной трехмерной интеграции.
Уровень техники
Развитие устройств мобильной и переносимой электроники подталкивает производителей к снижению их габаритных размеров, и, следовательно, к миниатюризации компонентов электрических схем. Однако в настоящее время дальнейшее снижение технологических норм при производстве планарных интегральных схем стало ограничиваться фундаментальными пределами кремниевой электроники [1]. Поэтому в области производства интегральных схем наметился новый тренд, связанный с трехмерной вертикальной интеграцией, при которой транзисторы в кристаллах располагаются послойно друг над другом [2]. В этом случае на одной и той же площади кристалла можно разместить значительно большее количество функциональных элементов.
Схожие идеи были реализованы процессах корпусирования микросхем. Вместо планарного размещения кристаллов внутри корпуса микросхемы, стали применяться методы трехмерного многокристального корпусирования, при котором кристаллы располагаются друг над другом [3]. Монтаж кристаллов друг на друга осуществляется с помощью жидкого клея или клеевой пленки, а электрические соединения организуются с помощью металлической проволоки, привариваемой к контактам кристаллов [4], или с помощью сквозных отверстий в кристаллах [5]. Такие методы вертикальной интеграции позволяют уменьшить габариты конечного устройства, снизить энергопотребление и уменьшить задержки распространения сигналов в электрической цепи, однако они могут применяться для соединения только однотипных кристаллов, например, оперативную или флэш-память [4, 5]. Однако в большинстве современных электронных устройств основным элементом является процессор, который использует как оперативную, так и флэш-память. Поэтому в середине 2000-ых годов была представлена технология КнК, объединяющую кристаллы процессора и памяти в единый корпус с вертикальной интеграцией подложек [6].
Корпус таких микросхем состоит из двух подложек, которые соединяются между собой при помощи паяльных шаров. На нижней подложке методом перевернутого кристалла с помощью паяльных шаров монтируется процессор. Паяльные шары соединяют контактные площадки процессора и подложки. Для повышения механической прочности паяльных соединений между шарами заливается клей-заполнитель, который уменьшает механические напряжения в паяльных шарах при циклах нагрева и охлаждения в ходе работы микросхемы. На верхнюю подложку с помощью клеевого соединения монтируются кристаллы оперативной и/или флэш-памяти. Контакты кристаллов памяти соединяются с верхней подложкой с помощью привариваемой металлической проволоки. После монтажа кристаллов памяти верхняя подложка заливается слоем защитного эпоксидного покрытия в виде формовочного слоя для организации механической защиты кристаллов и предотвращения смещения проводников. После монтажа кристаллов подложки соединяют с помощью паяльных шаров. Для этого паяльные шары, располагающиеся на нижней поверхности верхней подложки, помещаются на ответные площадки на верхней поверхности нижней подложки и оплавляются в печи под воздействием температуры. Диаметр шаров подбирается таким образом, чтобы верхняя поверхность кристалла процессора не касалась верхней подложки. После сборки микросхемы она монтируется на печатную плату конечного устройства с помощью паяльных шаров, расположенных на нижней поверхности нижней подложки.
Расположение кристалла процессора на нижней подложке обусловлено несколькими факторами. Во-первых, для организации электрических соединений между кристаллом процессора и периферийными устройствами на печатной плате необходимо большое количество линий ввода-вывода. Во-вторых, необходимо обеспечить эффективный теплоотвод от кристалла процессора из-за его высокого тепловыделения. Рассеивание тепла достигается за счет использования печатной платы как нижнего радиатора. Для этого в нижней подложке в области монтажа кристалла процессора формируется множество переходных отверстий, которые соединяют контактные площадки, расположенные на верхней и нижней поверхности нижней подложки. Тепловой поток от кристалла процессора распространяется через паяльные шары между кристаллом процессора и нижней подложкой, проходит через переходные отверстия в нижней подложке и через паяльные шары между нижней подложкой и печатной платой. Затем он распространяется в печатной плате радиально и рассеивается с помощью конвекции и излучения во внешнюю среду. Тем не менее в ряде случаев теплоотвод от кристалла процессора через печатную плату является недостаточным, например, по причине большого тепловыделения процессора, высокого термического сопротивления между процессором и печатной платой и малой площади печатной платы. В этом случае для снижения температуры процессора необходимо организовывать дополнительный теплоотвод.
Известно устройство и способ его изготовления по технологии КнК [7]. Устройство представляет собой микросхему, состоящую из двух подложек, которые соединяются между собой с помощью паяльных шаров. Верхняя подложка содержит полупроводниковый кристалл, смонтированный лицевой стороной вверх, и имеет контактные площадки на нижней поверхности для соединения с нижней подложкой с помощью пайки. На нижней подложке имеется проводящий слой, который имеет соединения с полупроводниковым кристаллом. Полупроводниковый кристалл монтируется лицевой стороной вниз. Проводящий слой на нижней подложке покрыт диэлектриком, в котором имеются окна для монтажа паяльных шаров, соединяющих две подложки между собой. Один из вариантов исполнения устройства предполагает размещение на верхней стороне полупроводникового кристалла, смонтированного на нижней подложке, клеевого диэлектрического слоя поверх которого размещается проводящий металлический слой. Этот металлический слой служит для дополнительного рассеивания тепла от полупроводникового кристалла в радиальном направлении и для защиты от электромагнитных помех.
Недостатками данного устройства являются большое термическое сопротивление между полупроводниковым кристаллом, расположенным на нижней подложке, и верхней поверхностью микросхемы из-за отсутствия непосредственного теплового контакта между полупроводниковым кристаллом, расположенным на нижней подложке, и верхней подложкой, а также отсутствие верхнего радиатора.
Известно устройство, представляющее интегральную схему, корупусированную по технологии КнК [8]. Микросхема состоит из двух подложек, которые соединяются между собой с помощью паяльных шаров. Верхняя подложка содержит множество полупроводниковых кристаллов, смонтированных друг на друге лицевой стороной вверх, контактные площадки которых соединяются с контактными площадками на верхней поверхности верхней подложки. Верхняя подложка покрыта формовочным слоем. На нижней подложке имеется единственный полупроводниковый кристалл, который монтируется с помощью столбиковых выводов, соединяющих контактные площадки кристалла и нижней подложкой. Верхняя подложка соединяется с нижней подложкой с помощью паяльных шаров, которые организуют электрическое соединение между верхней и нижней подложкой. Высота паяльных шаров подбирается таким образом, чтобы между верхней поверхностью полупроводникового кристалла, расположенного на нижней подложке, и нижней поверхностью верхней подложки имелся зазор размером не более 80 мкм. В данный зазор помещается теплопроводящий материал с теплопроводностью не менее 1 Вт/°С⋅м для того чтобы улучшить теплоотвод от полупроводникового кристалла, расположенного на нижней подложке. Также между нижней и верхней подложкой могут размещаться теплопроводящие столбики, которые позволяют уменьшить термическое сопротивление между ними.
Недостатками данного устройства являются большое термическое сопротивление между полупроводниковым кристаллом, расположенным на нижней подложке, и верхней поверхностью микросхемы из-за наличия формовочного слоя на верхней подложке, а также отсутствие верхнего радиатора.
Известно устройство, представляющее собой микросхему, изготовленную по технологии КнК [9]. Микросхема состоит из нижней и верхней подложки, объединенных в единый корпус с помощью соединительных элементов. На верхней поверхности нижней подложки имеется электропроводящий слой, на который с помощью паяльных шаров монтируется полупроводниковый кристалл контактными площадками вниз. Этот полупроводниковый кристалл может реализовывать функцию центрального процессора, графического процессора или контроллера USB. Верхняя часть нижней подложки покрыта формовочным слоем, в котором имеются окна для размещения соединительных элементов, используемых для соединения верхней и нижней подложек. Верхняя поверхность полупроводникового кристалла, расположенного на нижней подложке формовочным слоем не покрывается. На нижней поверхности нижней подложки имеется проводящий слой, на который устанавливаются паяльные шары, используемые для присоединения микросхемы к печатной плате. Между проводящими слоями на нижней и верхней поверхностях нижней подложки имеются проводящие переходные отверстия. В окнах в формовочном слое на нижней подложке формируются соединительные элементы, которые могут быть нанесены с помощью металлизации отверстий золотом, медью никелем, оловом или свинцом. Высота соединительных элементов подбирается таким образом, чтобы верхняя поверхность соединительного элемента была вровень с верхней поверхностью формовочного слоя или немного выше ее. Верхняя подложка имеет проводящие слои на нижней и верхней поверхности, которые соединяются с помощью проводящих переходных отверстий, проходящих через верхнюю подложку. На верхней поверхности верхней подложки размещается множество полупроводниковых кристаллов контактными площадками вверх. Данные полупроводниковые кристаллы могут реализовывать функцию памяти. Контактные площадки полупроводниковых кристаллов, смонтированных на верхней подложке, соединяются с проводящим слоем на верхней поверхности верхней подложки металлической проволокой с помощью сварки. Верхняя поверхность верхней подложки покрывается формовочным слоем, укрывая проводящие слои, полупроводниковые кристаллы и электрические соединения. Между верхней поверхностью нижней подложки и нижней поверхностью верхней подложки располагается анизотропная проводящая пленка, представляющая собой смолу с вкраплениями проводящих частиц. При соединении нижней и верхней подложек часть проводящих частиц помещается между соединительными элементами и нижним проводящим слоем верхней подложки для образования электрического соединения. В одном из вариантов исполнения на верхнюю и боковые стороны микросхемы наносится слой теплопроводящего интерфейсного материала, поверх которого монтируется радиаторная пластина. Проводящий слой позволяет эффективнее распределять тепло от полупроводникового кристалла, смонтированного на нижней подложке.
Недостатком данного устройства является большое термическое сопротивление между полупроводниковым кристаллом, расположенным на нижней подложке, и верхним радиатором из-за наличия непроводящего формовочного слоя на верхней подложке и из-за отсутствия тепловых переходных отверстий между верхними и нижними проводящими слоями верхней подложки.
Наиболее близким к заявляемому устройству, выбранному за прототип, является многокристальная микросхема, выполненная по технологии КнК, с металлической теплопроводящей вставкой [10]. Устройство состоит из верхней и нижней подложки, которые соединяются друга на друга с помощью электропроводящих столбиков. Нижняя подложка имеет нижние и верхние контактные площадки. Нижние контактные площадки нижней подложки используются для монтажа паяльных шаров, с помощью которых микросхема монтируется на печатную плату. Верхние контактные площадки нижней подложки используются для монтажа полупроводникового кристалла с помощью проводящих шариков и для соединения с верхней подложкой с помощью электропроводящих столбиков. Нижняя подложка с верхней стороны покрыта формовочной слоем, в котором имеются окна для соединения верхних контактных площадок и электропроводящих столбиков. Верхняя поверхность полупроводникового кристалла, смонтированного на нижней подложке, формовочным слоем не покрывается. На верхней подложке имеются нижние и верхние контактные площадки. Нижние контактные площадки верхней подложки используются для соединения с электропроводящими столбиками. Верхние контактные площадки верхней подложки используются для монтажа полупроводниковых кристаллов, причем полупроводниковые кристаллы могут монтироваться контактными площадками вниз или вверх. В случае монтажа полупроводникового кристалла контактными площадками вниз, он соединяется с верхними контактными площадками верхней подложки с помощью проводящих шариков. В случае монтажа полупроводникового кристалла контактными площадками вверх, он соединяется с верхними контактными площадками верхней подложки с помощью соединительной проволоки. Полупроводниковые кристаллы, смонтированные на верхней подложке, покрываются формовочным слоем. Также верхняя подложка имеет вырез, в который помещается теплопроводящая вставка, представляющая собой теплораспределительную пластину, покрытую сверху и снизу слоями теплопроводящего интерфейсного материала. Нижний слой теплопроводящего интерфейсного материала имеет контакт с верхней поверхностью полупроводникового кристалла, смонтированного на нижней подложке. Верхний слой теплопроводящего интерфейсного материала имеет контакт с нижней поверхностью полупроводникового кристалла, смонтированного на верхней подложке. В случае монтажа полупроводникового кристалла на верхней подложке контактными площадками вниз, его верхняя сторона может быть соединена с теплораспределительной пластиной через слой теплопроводящего материала. Теплораспределительная пластина выполняет роль верхнего радиатора и рассеивает тепло, выделяемое полупроводниковыми кристаллами, в окружающий воздух. В случае монтажа полупроводниковых кристаллов контактными площадками вниз, теплораспределительная пластина размещается на слое теплопроводящего материала, который размещается на верхней поверхности формовочного слоя, покрывающего верхнюю подложку. Теплопроводящая вставка служит для улучшения теплоотвода от полупроводникового кристалла, смонтированным на нижней подложке.
Недостатком прототипа является большое термическое сопротивление между полупроводниковым кристаллом, расположенным на нижней подложке, и верхним радиатором из-за наличия непроводящего формовочного слоя при варианте монтажа полупроводниковых кристаллов на верхней подложке контактными площадками вверх.
Технический результат предлагаемого устройства состоит в улучшении теплоотвода от полупроводникового кристалла, расположенного на нижней подложке, за счет снижения термического сопротивления между полупроводниковым кристаллом, расположенным на нижней подложке, и верхним радиатором.
Достигается технический результат за счет того, что между верхней поверхностью верхней подложки и верхним радиатором размещаются теплопроводящие металлические элементы.
Перечень фигур
Фиг. 1 Структура многокристальной микросхемы с верхним радиатором
Пример реализации полезной модели
Многокристальная микросхема с верхним радиатором (1) состоит из нижней подложки (2) и верхней подложки (3), которые объединяются в единый корпус с помощью электропроводящих столбиков (4), представляющих собой паяльные шары. Структура многокристальной микросхемы с верхним радиатором представлена на Фиг. 1. На нижней подложке (2) имеются нижние контактные площадки (5), которые используются для монтажа паяльных шаров (6) для присоединения микросхемы к печатной плате. Кроме того, на нижней подложке имеются верхние контактные площадки (7), которые используются для монтажа полупроводникового кристалла (8) с помощью паяльных шаров (9) и для монтажа электропроводящих столбиков (4). Внутри нижней подложки могут присутствовать проводящие слои, электрически соединенные с нижними контактными площадками (5) и верхними контактными площадками (7) нижней подложки (2). Полупроводниковый кристалл (8) представляет собой логическую интегральную схему и является основным источником тепловыделения в микросхеме. Между нижними контактными площадками (5) и верхними контактными площадками (7) имеются тепловые переходные отверстия (10), которые уменьшают термическое сопротивление между полупроводниковым кристаллом (8) и печатной платой. В пространстве между нижней поверхностью полупроводникового кристалла (8) и верхней поверхностью нижней подложки (2) находится слой клея-заполнителя (11), который необходим для снижения механического напряжения в паяльных шарах (9) при циклическом изменения температуры микросхемы во время ее работы. На верхней подложке (3) имеются нижние контактные площадки (12), которые используется для монтажа электропроводящих столбиков (4). На верхней поверхности верхней подложки (3) монтируются полупроводниковые кристаллы (13) с помощью клеевого слоя (14) и соединяются с верхними контактными площадками (15) с помощью соединительной проволоки (16). Полупроводниковые кристаллы (13) представляют собой интегральные схемы оперативной или флэш-памяти. Также в составе верхней подложки (3) имеется теплопроводящая вставка (17), состоящая из теплораспределительной пластины (18) и тепловых переходных отверстий (19). Теплопроводящая вставка (17) соединяется с верхними контактными площадками (15). Между верхней стороной полупроводникового кристалла (8) и теплопроводящей вставкой (17) имеется слой теплопроводящего материала (20). Верхняя часть верхней подложки покрывается формовочным слоем (21), представляющим собой слой защитного эпоксидного покрытия. Верхний радиатор (1) примыкает к формовочному слою (21) и соединяется с верхними контактными площадками (15) с помощью теплопроводящих металлических элементов (22), выполненных в виде паяльных шаров. Соединения между теплопроводящими металлическими элементами (22) и верхним радиатором (1) формируется с помощью пайки.
Слой теплопроводящего материала (20), теплопроводящая вставка (17), верхние контактные площадки (15), теплопроводящие металлические элементы (22) формируют интерфейс с низким термическим сопротивлением между полупроводниковым кристаллом (8) и верхним радиатором (1), позволяя эффективно отводить тепло через верхнюю часть микросхемы. Паяльные шары (9), верхние контактные площадки (7), тепловые переходные отверстия (10), нижние контактные площадки (5) и паяльные шары (6) формируют интерфейс с низким термическим сопротивлением между полупроводниковым кристаллом (8) и печатной платой, позволяя эффективно отводить тепло через нижнюю часть микросхемы.
Библиография
[1] Н.Н. Radamson et al., "Miniaturization of CMOS," Micromachines, vol. 10, p. 293, 2019.
[2] S. Lee et al., "A 1Tb 4b/cell 64-stacked-WL 3D NAND flash memory with 12MB/s program throughput," in 2018 IEEE International Solid-State Circuits Conference (ISSCC), San Francisco, CA, pp. 340-342, 2018.
[3] A. Lancaster and M. Keswani, "Integrated circuit packaging review with an emphasis on 3D packaging," Integration, vol. 60, pp. 204-212, 2018.
[4] H. Huang and R. Micheloni, "3D Multi-chip Integration and Packaging Technology for NAND Flash Memories," in 3D Flash Memories, Dordrecht: Springer Netherlands, pp. 261-279, 2016.
[5] W.-W. Shen et al., "3-D Stacked Technology of DRAM-Logic Controller Using Through-Silicon Via (TSV)," IEEE Journal of the Electron Devices Society, vol. 6, pp. 396-402, 2018.
[6] A. Yoshida et al., "A study on package stacking process for package-on-package (PoP)," in 56th Electronic Components and Technology Conference, San Diego, CA, p.6, 2006.
[7] Y. Lin, "Semiconductor device and method of forming low profile 3d fan-out package," TW Patent No. TWI541915B, 11.07.2016.
[8] H.-S. Chen, "Integrated circuit package assembly," US Patent application No. US 20200144226 A1, 07.05.2020.
[9] M.-N. Choi, S. Bae, Y. Im, "Package-on-package devices, methods of fabricating the same, and semiconductor packages," US Patent No. US 9324696 B2, 26.04.2016.
[10] Y.-H. Kim, J.-C. Kim, S.-H. Shin, I.-H. Choi, "Semiconductor package stack having a heat slug," US Patent No. US 9142478 B2, 22.09.2015.