專利名稱：集成電路的封裝結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及三維或多層多片模塊，即MCM。
背景技術(shù)：
集成電路領(lǐng)域中的技術(shù)革命導致需要更快和更小型的系統(tǒng)。在許多應用中，需要低重量的小型結(jié)構(gòu)。技術(shù)革命同樣趨向于涉及越來越多需要相互連通的元件的更復雜的電子系統(tǒng)。為了使新系統(tǒng)滿足不同元件之間的快速訪問，系統(tǒng)的各不同元件之間的信號路徑的長度必須保持在某些相當小的限制內(nèi)。
當電子系統(tǒng)的復雜性增加時，需要相互連通的各元件之間的信號路徑的長度也增加了。為了不超過需要相互快速連通的所述各元件之間允許的最大電子距離或最大信號路徑長度，元件被制作得越來越小，并且還被封裝得越來越緊密。由此，開發(fā)了電子多片模塊，其能夠很致密地封裝未密封的集成電路IC或芯片。實際上，在所述模塊中不同有源和無源元件之間的信號距離不會大于整個系統(tǒng)已單片地集成在單個芯片上的情況。
然而，如果僅可以使用互連芯片和/或元件的一個平面，那么在復雜的系統(tǒng)中不需要限制為相關(guān)系統(tǒng)設(shè)定性能要求所確定的在需要相互連通的各元件之間的最大距離，因為只有所述單個平面內(nèi)的元件可以在最大距離內(nèi)接觸到。
為了克服所述問題，可以使用三維或多層多片結(jié)構(gòu)。這意味著由相關(guān)的元件延伸出的連通線不僅可以與多層多片模塊之相同平面內(nèi)的元件接觸，而且位于該元件上、下方的平面內(nèi)的元件也可以直接通過很短的信號路徑訪問。
這可以不同的方式實現(xiàn)。具有如連接到背面的電路板的模塊的常規(guī)系統(tǒng)是三維的。然而，它們不能實現(xiàn)在所有需要相互連通的這些元件之間進行以上提到的短信號路徑的要求。當空間上相互靠近的各元件通過長線連接時，明顯變?yōu)楦鶕?jù)這些常規(guī)系統(tǒng)連接兩個元件的情況，這將不能獲得短信號路徑。此外，具有互連的兩維多片模塊的疊層在疊層的一側(cè)導致長信號路徑。如果要在所述疊層中兩個不同的相鄰多片模塊平面上兩個居中放置的元件之間獲得信號連接，那么它們通過橫向的路徑、疊層一側(cè)的短垂直路徑、以及在另一平面上的最后的橫向路徑進行相互連接，這與直接通過其中一個襯底中的孔進行連接的情況相比，采用了比較長的距離。
系統(tǒng)也可以包括大量膠合在一起以形成塔或疊層的芯片，在芯片疊層的側(cè)面有垂直的連接。如果使用具有中心或底部電連接的多個芯片疊層，那么還存在芯片之間設(shè)置短信號路徑的問題。考慮例如兩個芯片相互挨著放置、但在每堆層的頂部它們相互連通的情況。還可能存在與所述芯片堆有關(guān)的冷卻問題。
為了解決幾個兩維多片模塊相互疊置形成三維多片模塊的情況中的這個問題，需要形成位于彼此疊置的各平面內(nèi)的垂直互連。
如果垂直互連非常近地設(shè)置，那么一個平面的芯片不僅可以通過短的電或光學線直接接觸位于相同平面上的相鄰芯片，而且可以接觸上方和下方平面中的相鄰芯片。這是不同平面上的各元件需要連通的情況中的主要優(yōu)點，因為所述元件之間的信號路徑的長度可以顯著減小，因此可以形成更復雜的系統(tǒng)，這仍然滿足在相互連通的各元件之間設(shè)置短信號路徑的要求。
由此，美國專利U.S.5,371,654公開了一種三維多片模塊結(jié)構(gòu)，其具有提供在結(jié)構(gòu)中的互連裝置，以便在由電器件設(shè)置于其上的襯底所形成的相鄰組件之間獲得垂直互連?；ミB裝置由多個導電體延伸穿過的彈性材料制成，襯底的邊緣插在位于結(jié)構(gòu)側(cè)面的散熱塊的槽中這一事實可以推導出，通過在完成的結(jié)構(gòu)中用壓力壓緊疊置的組件，互連裝置電連接兩個不同的相鄰組件。通過制造具有高導熱性材料的組件的襯底，熱傳導到襯底的邊緣，熱被散熱冷卻塊帶走，由此獲得散熱。
美國專利U.S.5,016,138公開了一種三維集成電路封裝，其中集成電路芯片安裝到具有導電條的絕緣襯底上，通過引線鍵合或倒裝芯片接合形成與導電條的電連接?？蚣墉h(huán)繞著位于襯底一個表面上的芯片。由金屬或其它導熱材料制成的通常也導通電信號的熱沉構(gòu)件插在襯底和芯片的空余表面(free surface)之間，熱沉構(gòu)件與沒有安裝集成電路芯片的襯底的那些表面接觸。在芯片倒裝地接合到襯底上時，可以在芯片的背面和熱沉之間的空間內(nèi)形成通常是共晶的導熱粘接。小金屬塊可以嵌入在襯底內(nèi)各芯片下方適當?shù)奈恢锰?，用以將熱從芯片傳導到熱沉?br> 美國專利U.S.5,051,865公開了一種包括疊置的晶片本體的多層半導體器件。疊層由基底單元結(jié)構(gòu)形成，每個基底單元結(jié)構(gòu)包括在其兩個大表面上分別具有硅晶片的鋁板。基底單元結(jié)構(gòu)通過硅樹脂相互固定，所得的疊層基本上為實體的并且是緊密的，沒有空隙并且不容易拆開器件。
在美國專利U.S.5,426,563中，介紹了容納有多個集成電路芯片的三維模塊。該結(jié)構(gòu)有連通條，它也可以用作模塊的各相鄰襯底之間的定距片。所述布局提供了冷卻槽，其中有冷卻液。
在美國專利U.S.5,329,423中，公開了一種以電和機械的方式連接的組件，其可以是一個芯片封裝并且可以用于形成多片模塊。突塊-插槽的布局提高了自對準的程度，允許構(gòu)件相互可拆卸的安裝。在公開的歐洲專利申請0 439 134 A2中公開了突塊和凹槽相互配合的類似布局，用于封裝半導體器件。
最后在美國專利U.S.5,241,450中也公開了相互疊置的多個多片模塊。
然而，以上介紹的結(jié)構(gòu)存在許多重要缺點。特別是，這些缺點涉及它們的散熱裝置和其中構(gòu)件的安裝方式。
由此，包括設(shè)置在三維多片模塊的橫向側(cè)面處(在此放置有襯底的端表面)的冷卻裝置這種結(jié)構(gòu)很難或不可能容易和直接地在以此方式設(shè)置有冷卻裝置的一側(cè)將模塊連接到相同種類的其它三維多片模塊。因此，如果幾個三維多片模塊互連形成更大的系統(tǒng)，則系統(tǒng)不能形成得很致密，而現(xiàn)今如上所述這通常是對該系統(tǒng)自身的要求。
此外，在許多情況中，結(jié)構(gòu)和/或獨立的芯片基本上固定或剛性地相互安裝。當要更換集成電路或三維多片模塊的整個平面時將產(chǎn)生問題，因為更換的過程會損傷三維多片模塊的其它元件。
概述本發(fā)明的一個目的是提供一種包括多個組件的三維多片模塊，每個組件內(nèi)含多個集成電路芯片，其中可以容易地更換各芯片或組件或三維多片模塊的整個平面。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種用于所述結(jié)構(gòu)的冷卻布置，它還包括對位于例如結(jié)構(gòu)中間某處內(nèi)并產(chǎn)生大量熱的集成電路進行冷卻的裝置。
本發(fā)明的再一個目的是提供一種三維多片模塊，它能容易地連接到其它類似的三維多片模塊或通常連接到其它器件。
通過由至少兩個具有大量垂直互連的兩維多片模塊形成的疊層構(gòu)成為三維多片模塊可以達到這些和其它的目的。在得到的三維多片模塊中，由于所得到的短信號路徑，獨立的芯片或元件可以直接電接觸橫向相鄰的芯片和垂直相鄰的芯片。
為了建立垂直的電互連，提供了特殊的互連芯片、通路芯片。因此，兩維多片模塊上的有源芯片不能致密地封裝在普通的兩維多片模塊上。與堆疊的芯片相比，芯片的垂直密度也降低了，因為載有導電信號路徑的絕緣襯底必須設(shè)置在每層芯片之間。除此以外，在連接的某個長度內(nèi)可接觸到的芯片數(shù)量與兩維結(jié)構(gòu)和在例如結(jié)構(gòu)一側(cè)僅有外部垂直連接的三維多片結(jié)構(gòu)相比可以更大，如上所述這通常是有限或限制的要求。
然而，有源芯片的致密結(jié)構(gòu)產(chǎn)生散熱問題。通過將產(chǎn)生大量熱的芯片靠近三維多片模塊的上部或下部放置可以解決所述問題，通過在所述“熱”芯片的一側(cè)或兩側(cè)的層或平面內(nèi)提供特殊的導熱體是不可能解決的。
此外，如果兩維多片模塊形成于其上的襯底是由良好導熱性的材料制成，那么導熱體不需要直接靠近所述“熱”芯片放置。
此外，系統(tǒng)由多個平坦的兩維多片模塊組成，通過在安裝芯片之前或之后研磨或通過使用具有嵌入的精確塊的系統(tǒng)，可以將襯底上的與其相背的每個芯片的表面制成一個平面。由此，每個元件的背側(cè)可以直接與上方相鄰的襯底機械接觸。此外，這樣提供了具有良好導熱特性的可動接觸。為了改善可動性和導熱，可以將油脂、油或液體金屬施加到各芯片的背側(cè)。
如前所述，連接相鄰襯底的通路結(jié)構(gòu)同樣由芯片構(gòu)成。然而，這些芯片不是有源的，其僅作為三維多片模塊的兩個相鄰層之間的電互連裝置。
三維多片模塊的頂部和底部表面設(shè)有冷卻裝置。冷卻裝置可以直接與集成電路芯片和例如疊層中最上方襯底的其它芯片的上表面、以及當各元件安裝在襯底的上表面上時與下部襯底的底表面機械地接觸。如果不需要與集成電路進行所述直接接觸，那么沒有芯片安裝于其上的附加襯底可以放置在疊層的頂部上。
僅在三維多片模塊或疊層的上和下表面設(shè)置冷卻裝置，這樣可以在襯底的邊緣使用連接導熱路徑的器件，如瑞典專利申請9604689-1“襯底邊緣連接器”(”A substrate edge connector”)中介紹的。由此可以容易地沿橫向?qū)⒁粋€三維多片模塊連接到另一個三維多片模塊。
此外，施加到模塊上表面和下表面上的加壓裝置僅將三維多片模塊保持在一起。這樣可容易拆卸模塊以便修理或更換三維多片模塊的各個芯片，而不會損傷該系統(tǒng)的其它芯片。
由此，通常三維多片模塊包括至少兩個相互疊置的兩維多片模塊。每個兩維多片模塊包括一個襯底，該襯底通常為平坦的絕緣板，在它的一個表面或多個表面和/或內(nèi)部載有導電路徑以用于傳送電信號，還包括以第一表面安裝并電連接到襯底之導電路徑的至少一個集成電路芯片。為了構(gòu)成“真的”三維多片模塊，需要不同襯底上的至少兩個集成電路芯片相互電連接。三維多片模塊的集成電路芯片可以為倒裝芯片安裝的或至少為倒裝芯片型安裝的。將模塊的一個層的集成電路芯片安裝成使得集成電路芯片的背側(cè)或第二表面、即沒有設(shè)置電端子或?qū)щ妳^(qū)域的這些表面(通常為上表面)直接機械接觸相鄰襯底的一個表面區(qū)域。由此芯片同時形成分離相鄰襯底的裝置，其相當于在各襯底之間保持距離或隔離的裝置。由此不使用或不需要框架或類似的元件。因此，安裝集成電路芯片使集成電路芯片的表面(該芯片沒有借助該表面安裝或沒有電連接到相關(guān)襯底上)僅直接接觸相鄰襯底的表面。所述機械接觸通常為由利用如油等某種液體增強的滑動接觸，其也將芯片熱連接到襯底。
為了冷卻三維多片模塊，設(shè)置外部冷卻器或?qū)釅K，使其與襯底和/或集成電路芯片的最外大表面熱接觸。通過設(shè)置位于兩個相鄰的襯底之間并與這些襯底的大的相面對表面熱接觸的內(nèi)部導熱塊來增強三維多片模塊中的內(nèi)部熱傳導。所述導熱塊也可以設(shè)置在最上面的襯底上，使得該導熱塊的一個表面與該襯底接觸，而其另一相對表面與冷卻塊接觸。
提供加壓裝置，將壓力施加在兩維多片模塊的疊層的最外大表面上，由此壓力施加在最外襯底和/或最外部的集成電路芯片的大表面上。此外，所述壓力可以僅為維持所有元件的力，即將所有不同的芯片和所有的襯底彼此相對保持在所需位置中的力，以便不存在或不需要固定的或剛性的獨立機械定位。通過適當?shù)臋M向定位裝置實現(xiàn)各元件的橫向定位。
此外，為了將三維多片模塊連接到如其它類似的三維多片模塊等其它器件，至少一個襯底在它的一個邊緣線上具有一個空余的邊界部分，在所述邊界部分形成一個空余的空間或空余的溝槽。在所述露出的邊界部分中，提供導電區(qū)域以將襯底電連接到如多片模塊中的襯底等另一器件，或者電連接到特殊的連接器裝置。然后模塊一側(cè)的空余空間位于兩個相鄰襯底的邊緣之間，或位于一個襯底和一個端塊之間，其中至少一個襯底具有一個空余的邊界表面部分。
適合于連接所述襯底的連接器單元有一個相適應的形狀，以便該單元至少局部地插在空余的空間中。它的表面上還載有導電圖形或通常露出的導電區(qū)域，當連接器單元插在空余的空間中時，導電圖形或區(qū)域適于與邊界部分上類似露出的導電區(qū)域電接觸。連接器單元可以具有在其縱向方向上具有中心軸線的細長矩形體或條的形狀。然后連接器單元的位于中心軸線一側(cè)的部分適于與相關(guān)三維多片模塊中的襯底電接觸，而位于中心軸線另一側(cè)的部分適于與另一個類似三維多片模塊中的襯底電接觸。同樣可以設(shè)計連接器單元，使連接器單元的位于軸線一側(cè)上的部分適于與三維多片模塊中的襯底電接觸，而位于中心軸線另一側(cè)的部分適于與另一連接器裝置例如底板中的導電區(qū)域電接觸。
定位裝置設(shè)置在連接器單元和襯底邊界部分上的空余空間處，以獲得連接器單元在襯底上的精確定位，同樣可使連接器單元可拆卸。定位裝置包括位于襯底邊界部分的一個表面上的并與連接器單元的邊緣表面或角部相配合的突起，例如突塊。
提供至少一個通路芯片，其位于兩個相鄰的襯底之間并與之電接觸。所述通路芯片包括從其一個表面延伸至其相對表面的導電路徑，在這些襯底的相面對的表面或?qū)由虾?或內(nèi)，這些導電路徑與導電層電性互連。
以上提到的定位裝置可包括用于芯片和襯底的定位裝置，該芯片和襯底被相互擠壓，以獲得芯片在襯底上的精確定位。定位裝置包括位于芯片和襯底之一中的一個表面上并與設(shè)置在芯片和襯底另一個中的一個表面上的突起、突塊、突塊行或脊相配合的槽。此外，為了簡化芯片與襯底的電連接，定位裝置包括導電表面區(qū)域，當芯片和襯底相互擠壓時，該導電表面區(qū)域電接觸并相互連接。此外，簡化的定位裝置包括位于襯底一個表面上的突起或突塊，使其與按壓著襯底的芯片的邊緣表面或角部配合。所述突起優(yōu)選用于需要非常精確定位的元件，以便與襯底表面上的導電焊盤接觸，還優(yōu)選用于如導熱塊等的僅需在襯底上大致定位的元件。
附圖簡述下面參考附圖借助非限定的實施例詳細地介紹本發(fā)明，其中

圖1為三維多片模塊的剖面圖，圖2為三維多片模塊的剖面圖，也示出了芯片的對準裝置以及一模塊與一類似模塊的連接，圖3為相互連接的兩個三維多片模塊的連接區(qū)域的放大局部剖面圖，以及圖4為相互連接的九個三維多片模塊的俯視圖，其中一個模塊也連接到底板上。
詳細描述在圖1中，顯示了三維多片模塊MCM的剖面圖。三維多片模塊由多個兩維多片模塊形成，在顯示的實施例中它包括三個內(nèi)部基本上平坦的襯底1，每個襯底具有一個或多個集成電路芯片3，該芯片與它的上和/或下表面直接機械接觸。這些集成電路芯片3與芯片所放置于其上的至少一個襯底中和/或襯底上的信號導電路徑等電接觸，該電接觸元件以一行觸頭5示出。襯底3為薄的平坦的板，可以通過某些方法制成，使得在一個或多個層中至少一個表面并優(yōu)選在兩個表面上具有導電體，例如通過采用薄膜方法或優(yōu)選下文將提到的通過使用以與制造集成電子電路相同的方式處理過的硅襯底。由此襯底可以有多層，包括導電平面、信號導體平面、接地平面、絕緣面等。例如以常規(guī)的方式假設(shè)每個Si襯底1設(shè)有至少一個未示出的導電接地平面，當使用三維多片模塊時，該導電接地平面連接到導電地線，由此得到在模塊的不同平面之間以及整個三維多片模塊的良好電屏蔽。在顯示的實施例中，還具有僅與芯片3的上或下表面機械接觸的上和下Si襯底7，因為它們沒有攜帶導電體。
在內(nèi)部的襯底1、而不是在位于兩維多片模塊的疊層的上部或下部處的襯底7，也安裝有無源芯片、通路芯片9，其不包括電子元件，僅具有在三維多片模塊的相鄰層之間、即兩個襯底1的相面對表面內(nèi)和/或相面對表面上的信號路徑之間構(gòu)成電性互連的信號路徑。通路芯片9在面對內(nèi)部襯底1的兩個相對表面上有多行電接觸元件11，電接觸元件11通過位于通路芯片9上和通路芯片內(nèi)的適當?shù)碾娐窂交ミB。
在圖1中顯示的結(jié)構(gòu)中，通路芯片9基本上安裝在三維多片模塊的平面內(nèi)的任何位置，也不是必須和示出的方式一樣沿相同的垂直線相互疊置地放置。這是主要的優(yōu)點，因為通路芯片9可以放置在最佳要求的那些位置處，由此節(jié)約了三維多片模塊中的空間。圖1中示出的通路芯片9也位于與每個內(nèi)部襯底1中多組常規(guī)通路孔13相同的垂直線中，這些通路孔13具有電鍍的壁，用以將每個襯底1的兩個表面相互電連接，或更準確地，將襯底的每個表面上的各個導電層和路徑相互連接，并且也可以連接到通路芯片9的電接觸元件。
為了得到阻抗匹配的通路，使得能以節(jié)約空間的方式連接到多個平行的密集設(shè)置的傳輸線，可以在內(nèi)襯底1和特殊通路芯片9中使用具有根據(jù)瑞典專利申請9604688-3“通路結(jié)構(gòu)”(“A via structure)的深蝕刻V形槽的通路結(jié)構(gòu)，也參見圖2。在通路芯片9和襯底1的至少一個表面上、例如下表面上可以設(shè)置彈性突起結(jié)構(gòu)，該彈性突起結(jié)構(gòu)插在或施加在分別位于襯底1和通路芯片9的相對置表面上的V形接觸導向槽內(nèi)，用于得到容易拆卸的電連接，并實現(xiàn)機械定位。此外，使用與芯片的邊緣相配合的彈性突起。可以如瑞典專利申請9604677-6“高密度電連接器”(“High density electrical connector”)中所述的制造彈性突起結(jié)構(gòu)和接觸槽。
在優(yōu)選實施例中，集成電路芯片3和可能有的通路芯片9倒裝芯片式地安裝到相應襯底的所需表面上，或者在另一個優(yōu)選實施方案中以自對準方式安裝，如瑞典專利申請9604676-8“與彈性觸頭的倒裝芯片型連接”(“Flip-chip type connection with elastic contact”)中介紹的。彈性突起用于與V形槽配合地機械定位和對準，在優(yōu)選實施例中，它們可根據(jù)瑞典專利申請9604678-4“用于彈性定位的槽中突起”(“Bumps in grooves for elastic positioning”)。這些各種可能的布局可以提供在倒裝芯片型安裝的芯片3和相鄰襯底1的各表面之間的良好電接觸。
在三維多片模塊中，熱塊15也可以設(shè)置在合適的位置，用于傳導來自使用時產(chǎn)生特別多熱量的這種集成電路芯片3’的熱。這些熱塊15可以具有和集成電路3，3’相同的總體形狀和尺寸，由如Si等材料或具有良好導熱性的另一種材料制成。它們可以機械地定位，并通過例如瑞典專利申請“與彈性觸頭的倒裝芯片型連接”中公開的方法以與集成電路芯片3，3’相同的方式保持就位。優(yōu)選借助與芯片的邊緣或窄側(cè)表面配合的突起將其定位。
在優(yōu)選的實施例中，集成電路的每一層和三維結(jié)構(gòu)的每個單獨芯片使用所述連接方式中適當?shù)囊环N方式僅通過施加到結(jié)構(gòu)上部和下部的壓力來保持在一起，如箭頭17所示。
為了完成所述疊置或堆疊的可拆卸結(jié)構(gòu)，例如以上已介紹的，提供具有導電表面涂層的彈性突起，它將通路芯片9連接到襯底1的一個相鄰平面或表面，通過將整個模塊壓在一起得到電連接。借助一些未示出的夾緊裝置來提供壓縮力，將力施加到模塊的最上和最下外部或表面，特別是施加到具有適當設(shè)計塊形狀的冷卻裝置19，該冷卻裝置19被加裝到結(jié)構(gòu)的上和下表面上，即加裝到上部和下部襯底7的外表面上。
所述松散布局與用于對準和電連接的彈性裝置所提供的滑動電接觸相結(jié)合以將模塊的各元件之間的熱應力減到最小。為了使所述夾緊設(shè)置更好地工作，并且為了不使用任何高精度的設(shè)備就能組裝模塊，需要在平面之間的某種機械對準。可以借助通路芯片9的通路結(jié)構(gòu)和/或突起結(jié)構(gòu)并且也可以根據(jù)瑞典專利申請“用于彈性定位的槽中突起”中用于熱芯片15的突起結(jié)構(gòu)來有利地進行所述對準，如上所述。
通過以下述這種方式安裝三維多片?？斓母髟?，即在疊層中各層和各元件僅借助由夾具和對準裝置產(chǎn)生的力保持定位并且因此可以容易地相互分離而不需要脫焊等，每個元件可以容易地除去和更換，例如在出現(xiàn)故障元件的情況下。
圖2示出了類似于圖1的三維多片模塊，但基本上僅在它們的上表面上具有載帶了集成電路芯片3的四個襯底1。在所述圖中可以看到位于襯底1上表面上的定位突起21，這些突起21與集成電路芯片3、3’和通路芯片9的下邊緣或角部配合。用于將襯底1的表面層與芯片3、9下表面上的導電區(qū)域進行連接的電連接突起顯示為23。此外，圖2示出了通路芯片9與位于該通路芯片9上部的襯底1的對準，然后也可以得到襯底的對準?？梢岳缛缜八鲆匀鸬鋵＠暾垺坝糜趶椥远ㄎ坏牟壑型黄稹敝泄_的方式得到對準。如果使用這種對準，在各個襯底中蝕刻出V形槽，即在它的上表面和/或它的下表面上蝕刻出V形槽，以接受位于通路芯片9上表面的彈性突起27?？梢栽O(shè)計配合的突起27和V形槽25，以借助以上介紹的瑞典專利申請“高密度電連接器”中公開的器件將通路芯片9與位于其上的襯底1相互電連接。
圖2的通路芯片9具有在它們的不透明表面上設(shè)有導電體的深V形槽29，如瑞典專利申請“通路結(jié)構(gòu)”中介紹的。包括深V形槽31的所述通路結(jié)構(gòu)也設(shè)置在襯底1中。連接到位于其頂部上的襯底1的通路芯片9和所述頂部襯底1的深V形槽29、31在圖示的實施例中沿相同的垂直線放置，相互配合的對準突起27和下部V形槽25對稱地位于深V形槽29、31的兩側(cè)。顯示在圖2中的熱芯片15借助從襯底上突出的突起32定位，該突起32類似于突起21與芯片的邊緣表面或下角部配合。所述突起可以由簡單的方式由相當堅硬的彈性材料制成，并允許在設(shè)計的位置很簡單地安裝相關(guān)的元件。它們可以為三角形剖面，該剖面例如具有等腰三角形的形狀。
圖2在它的右手部分中還示出了相關(guān)三維多片模塊與另一個類似的三維多片模塊的連接。
如前面已建議的，如果使用例如前面所述的瑞典專利申請“與彈性觸頭的倒裝芯片型連接”中介紹的適當?shù)陌惭b技術(shù)，可以除去和更換所有的獨立芯片，在許多的應用中這節(jié)約了成本。與其中通過例如相互膠接或焊接等的其它方式固定元件的常規(guī)三維多片模塊相比，這是重要的優(yōu)點，因為拆卸所述三維多片模塊經(jīng)常會損壞模塊中的其它元件，因此更換故障元件不會使模塊重新工作。
為了使所述故障的三維多片模塊重新工作，經(jīng)常能低成本地更換整個模塊或三維多片模塊的至少一個平面。然而，在此描述的結(jié)構(gòu)被設(shè)計成能解決這種問題。如前所述，解決方案是采用僅使用壓縮力使三維多片模塊的每個獨立芯片處于其正確位置的疊置封裝結(jié)構(gòu)。
在圖2中，用于三維多片模塊的冷卻塊19直接壓向最下部襯底的下表面和位于最頂部襯底上的元件的上表面，在它們的外表面上有冷卻法蘭或翼片33。冷卻裝置可包括本領(lǐng)域中已知的任何類型的冷卻，例如流過或流經(jīng)法蘭33的空氣或冷卻液。
通過使每個芯片的平坦的背側(cè)與相鄰襯底的下側(cè)接觸，三維多片模塊的電路所產(chǎn)生的熱可以在三維多片模塊的不同層之間流通。為便于所述過程，在芯片的背側(cè)和相鄰的襯底之間提供良好的熱接觸，如前所述，通過在安裝芯片之前或之后研磨芯片的背側(cè)并且通過施加具有良好導熱性的一些液體材料可得到良好的熱接觸，該液體材料優(yōu)選如油脂或油等絕緣材料，只要相互接觸的表面由電絕緣材料組成，那么也可以使用如液體金屬等的導電材料。所述液體、熱接觸材料提供了芯片和襯底1之間的滑動接觸，所述滑動接觸具有良好的導熱性。
使用熱芯片15以上面指出的方式在所要求的位置增強散熱，該熱芯片15由此靠近產(chǎn)生大量熱的所述集成電路芯片3’放置。產(chǎn)生大量熱的所述集成電路芯片也可以有利地靠近三維多片模塊的底部或頂部放置，即靠近它的外部冷卻表面放置。
當襯底1由具有如Si等良好散熱性的材料制成時，得到良好的橫向熱傳輸，因此在三維多片模塊內(nèi)溫度不會改變太多。
為了給模快提供與根據(jù)以上布置進行冷卻相比產(chǎn)生更大功率密度的冷卻布置，參見圖1和2，可以使用形成在每個平面或?qū)拥男酒?、3’、9、15的周圍和小側(cè)或邊緣處的溝道35以用于兩相冷卻。這可以通過在每個模塊的周圍設(shè)置框架(未示出)以便提供將冷卻介質(zhì)傳送到外部冷凝器的密封系統(tǒng)來實現(xiàn)。當然，所述冷卻布置不可能提供在整個模塊的兩個相對側(cè)表面上接觸外部器件和類似三維多片模塊的側(cè)面接觸，但如下面將詳細介紹的，其它的兩個相對的側(cè)表面仍可以用于所述目的。
由此，存在僅使用用于冷卻的上表面和下表面得到的優(yōu)點，優(yōu)點在于每個兩維多片模塊的所有邊緣可以配備有類似于電路板所具有的那些邊緣接觸，由此可以得到兩個三維多片模塊之間的電連接以及機械連接。根據(jù)引證的瑞典專利申請“襯底邊緣連接器”(“A substrate edgeconnector)優(yōu)選設(shè)計所述接觸，這能提供與類似的多片模塊或外部器件的過渡，其中過渡線可以制成阻抗匹配的。設(shè)計連接器結(jié)構(gòu)使其包括可以很致密填充的大量連接，它也提供了相互連接光波導的可能性，該光波導也可以很致密地填充。
在作為圖2右部之放大圖的圖3中，在一些部分詳細地顯示了兩個三維多片模塊的相互機械和電連接。這里借助如引證的瑞典專利申請“襯底邊緣連接器”中介紹的襯底邊緣接觸使用基本上為矩形、細長的互連條或互連襯底37來得到兩個三維多片模塊之間的互連。所述互連條37具有基本上和所有的芯片3，3’，9，15相同的厚度，并插在位于第一個三維多片模塊的兩個相鄰襯底1之間或位于上冷卻塊19的上襯底和下表面之間以及位于兩個相鄰的襯底1之間或位于一個相鄰的第二個三維多片模塊的上襯底和冷卻塊19之間的空余空間38中，它的其中一個側(cè)表面與第一模塊機械接觸。由此互連條37具有縱向中心軸線或平面，所述軸線或平面的一側(cè)上的部分連接到第一個三維多片模塊，而相對側(cè)上的它的部分連接到第二個三維多片模塊。這進一步意味著所述互連條37待連接于其上的各襯底1的邊緣部分不允許載有任何芯片，由此在屬于同一三維多片模塊的襯底1的邊界區(qū)域形成有空余空間38，該空余空間形成溝或槽，用于接收一半的互連條37。
為了定位互連條37，可以用與已介紹的熱塊15相同的方式使用彈性突起39，這些突起位于襯底1上的適當位置處，與連接器條37的邊緣或小側(cè)面或角部配合?？梢越柚渖暇哂袑щ婓w的彈性焊盤41與連接器條37下表面上的導電路徑接觸來實現(xiàn)將第一個三維多片模塊中的一個襯底1上的導電路徑與第二個三維多片?？熘械囊粋€相鄰襯底1上的導電路徑電連接，如引證的瑞典專利申請“襯底邊緣連接器”中詳細介紹的。
在圖4的平面圖中示出了九個三維多片模塊是如何相互連接的。這里九個多片模塊在3×3的矩陣中相互連接，但任何合適的連接構(gòu)形當然可以用于多片模塊。沿著三維多片模塊的所有內(nèi)部邊緣設(shè)置互連條37。此外，如圖4所示，各三維多片模塊中的一個可以通過具有展寬扇形部分47和一個邊界部分49的特殊連接器部分45連接到底板43，該邊界部分49以和互連條37相同的方式插在選擇的三維多片模塊中相鄰的襯底1之間。邊界部分49可以設(shè)計成基本上類似于半個互連條37。
由此，介紹了三維多片模塊。與根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)制成的三維多片模塊相比，這里介紹的三維多片模塊具有幾個優(yōu)點。例如，模塊的結(jié)構(gòu)允許輕柔地拆卸器件以更換有缺陷的元件。它提供了一種在模塊中不同的平面之間任意靠近地設(shè)置互連的可能性。此外，在模塊的上和下表面上設(shè)置冷卻裝置的布局能夠容易地與其它類似構(gòu)成的三維多片模塊實現(xiàn)橫向機械連接和電連接。
權(quán)利要求
1.一種三維多片模塊，包括至少兩個相互疊置的兩維多片模塊，每個兩維多片模塊包括具有導電路徑的絕緣襯底和至少一個集成電路芯片，集成電路芯片具有包括電端子的第一表面和與第一表面相對的第二表面，兩維多片模塊的至少一個集成電路芯片以它的第一表面安裝至并電連接到該兩維多片模塊的襯底的導電路徑，三維多片模塊的至少兩個集成電路芯片相互電連接，其特征在于將兩維多片模塊的至少一個集成電路芯片安裝成使得它的第二表面接觸相鄰的絕緣襯底，所述至少一個集成電路芯片用作在相鄰絕緣襯底之間的距離元件或定距元件。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的三維多片模塊，其特征在于兩維多片模塊的至少一個集成電路芯片被倒裝到兩維多片模塊的襯底上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的三維多片模塊，其特征在于具有與襯底和/或集成電路芯片的最外大表面熱接觸的外部冷卻器和/或?qū)釅K。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任何一項的三維多片模塊，其特征在于具有位于襯底上、位于兩個相鄰的襯底之間或位于襯底和外部冷卻器和/或?qū)釅K的表面之間并與這些襯底或襯底和導熱塊的大的相面對表面實現(xiàn)熱接觸的內(nèi)部導熱塊。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4中任何一項的三維多片模塊，其特征在于具有加壓裝置以將壓縮力作用在襯底和/或集成電路芯片的最外大表面上。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的三維多片模塊，其特征在于所述壓縮力為保持三維多片模塊中的各元件相互處在其位置中的唯一方式。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6中任何一項的三維多片模塊，其特征在于至少一個襯底在它的一個邊緣處具有一個空余的邊界部分，該邊界部分具有露出的導電區(qū)域，使得能將襯底電連接到多片模塊中的另一個襯底或連接器裝置。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-6中任何一項的三維多片模塊，其特征在于在三維多片模塊的一側(cè)具有空余空間，該空余空間位于兩個相鄰襯底的邊緣之間，至少一個襯底在空余空間的邊緣處具有邊界表面部分，該邊界表面部分具有露出的導電區(qū)域，能夠?qū)⒁r底電連接到多片模塊中的另一個襯底或連接器裝置。
9.根據(jù)權(quán)利要求7或8的三維多片模塊，其特征在于可拆卸的連接器單元的形狀適合于至少局部地插在襯底邊界部分的空余空間內(nèi)并在它的表面上載帶有導電圖形，當連接器單元插在空余空間中時，所述導電圖形適合于與所述邊界部分上露出的導電區(qū)域電接觸。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的三維多片模塊，其特征在于連接器單元具有細長的矩形體或條的形狀，該矩形體或條在它的縱向方向上具有中心軸線，當連接器單元插在空余空間中時，連接器單元的位于中心軸線一側(cè)的部分適合于與三維多片模塊中的襯底電接觸。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的三維多片模塊，其特征在于連接器單元的位于它的中心軸線另一相對側(cè)上的部分適合于與另一個類似的三維多片模塊中的襯底電接觸。
12.根據(jù)權(quán)利要求10的三維多片模塊，其特征在于連接器單元的位于它的中心軸線另一相對側(cè)上的部分適合于與連接器裝置或底板中的導電區(qū)域電接觸。
13.根據(jù)權(quán)利要求10-12中任何一項的三維多片模塊，其特征在于設(shè)置在連接器單元和襯底邊界部分上的空余空間處的定位裝置用于獲得連接器單元在襯底上的精確定位。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的三維多片模塊，其特征在于定位裝置包括位于襯底邊界部分處的一個表面上的突起，用于與連接器單元的邊緣表面或角部配合。
15.根據(jù)權(quán)利要求1-14中任何一項的三維多片模塊，其特征在于-三維多片模塊的不同導電層借助三維多片模塊的襯底中的通孔互連，以及-所述通孔位于三維多片模塊的每個平面上的任意位置處。
16.根據(jù)權(quán)利要求1-15中任何一項的三維多片模塊，其特征在于位于兩個相鄰的襯底之間并與之電接觸的至少一個通路芯片，所述至少一個通路芯片包括從其一個表面到它的相對表面的導電路徑，用于對兩個相鄰襯底的相面對層上和/或相面對層內(nèi)的導電層電性互連。
17.根據(jù)權(quán)利要求1-16中任何一項的三維多片模塊，其特征在于具有位于被相互擠壓的芯片和襯底上的定位裝置，以獲得芯片在襯底上的精確定位。
18.根據(jù)權(quán)利要求17的三維多片模塊，其特征在于定位裝置包括位于芯片和襯底中之一的一個表面上的槽，用于與設(shè)置在芯片和襯底中另一個的一個表面上的突起配合。
19.根據(jù)權(quán)利要求17或18的三維多片模塊，其特征在于定位裝置包括導電表面區(qū)域，當相互擠壓芯片和襯底時該導電表面區(qū)域相互電接觸。
20.根據(jù)權(quán)利要求17的三維多片模塊，其特征在于定位裝置包括位于襯底的一個表面上的突起，該突起與壓向襯底的芯片的邊緣表面或角部配合。
21.一種三維多片模塊，包括多個兩維多片模塊，還包括至少兩個相互連接的集成電路，每個兩維多片模塊包括一個基本上平坦的襯底和至少一個安裝在襯底之一個表面上的集成電路芯片，其特征在于具有設(shè)置在襯底一個邊緣的邊界區(qū)域處的空余空間，該邊界區(qū)域沒有承載任何芯片或其它的元件，但具有露出的導電區(qū)域。
22.根據(jù)權(quán)利要求21的三維多片模塊，其特征在于可拆卸的連接器單元的形狀適合于至少局部地插在襯底邊界部分處的空余空間內(nèi)，并且在它的一個表面上載帶有導電圖形，當連接器單元插在空余空間中時，所述導電圖形適合于與所述邊界部分上露出的導電區(qū)域電接觸。
23.根據(jù)權(quán)利要求22的三維多片模塊，其特征在于連接器單元具有細長的矩形體或條的形狀，該矩形體或條在它的縱向方向上具有中心軸線，當連接器單元插在空余空間中時，連接器單元的位于中心軸線一側(cè)的部分適合于與三維多片模塊中的襯底電接觸。
24.根據(jù)權(quán)利要求23的三維多片模塊，其特征在于連接器單元位于它的中心軸線另一個相對側(cè)上的部分適合于與另一個類似的三維多片模塊中的襯底電接觸。
25.根據(jù)權(quán)利要求23的三維多片模塊，其特征在于連接器單元的位于它的中心軸線另一個相對側(cè)上的部分適合于與連接器裝置或底板中的導電區(qū)域電接觸。
26.根據(jù)權(quán)利要求22-25中任何一項的三維多片模塊，其特征在于具有設(shè)置在連接器單元和襯底邊界部分上的空余空間處的定位裝置，以獲得連接器單元在襯底上的精確定位。
27.根據(jù)權(quán)利要求26的三維多片模塊，其特征在于定位裝置包括位于襯底邊界部分處的一個表面上的突起，用于與連接器單元的邊緣表面或角部配合。
28.一種三維多片模塊，包括多個兩維多片模塊，還包括至少兩個相互連接的集成電路，每個兩維多片模塊包括至少一個芯片和一個襯底，所述至少一個芯片安裝在襯底上，定位裝置設(shè)置在安裝于一個襯底上的至少一個芯片上和該襯底上，所述至少一個芯片安裝在襯底上，襯底被相互擠壓，以將所述至少一個芯片安裝到襯底上，定位裝置起作用以便獲得所述至少一個芯片在襯底上的精確定位，其特征在于定位裝置包括位于襯底的一個表面上的突起，所述至少一個芯片安裝于該襯底上，該突起與安裝在襯底上的至少一個芯片的邊緣表面或角部配合。
全文摘要
將三維多片模塊(MCM)形成為兩維多片模塊的疊層,包括襯底(1),襯底(1)具有連接集成電路芯片(3)的電信號路徑,該MCM具有由互連或通路芯片(9)提供的信號路徑的垂直互連。襯底(1)上的各芯片(3,9)或其它內(nèi)部元件(15)與相鄰襯底的表面機械接觸,并構(gòu)成將襯底保持相互隔開的距離裝置。由此元件中產(chǎn)生的熱可以基本上垂直于襯底(1)傳導?？梢允褂脽釋酒?15)以改善導熱。冷卻裝置(19)僅位于疊層的頂表面和底表面。溝道(35)形成在芯片和用于冷卻的元件之間,此外空間(38)形成在襯底的邊緣處,電連接器(37)可以插入在該空間中,用于將疊層連接到一類似的疊層。疊層的元件(1,3,9,15)保持為以可拆卸的方式通過施加壓縮力并通過使用彈性連接和導向裝置(21,25,27)保持相互的電接觸和機械接觸。特別是,設(shè)置突塊(21)與元件的邊緣表面配合以將各元件導向至正確的位置。
文檔編號H01L25/07GK1247634SQ9718187
公開日2000年3月15日 申請日期1997年12月19日 優(yōu)先權(quán)日1996年12月19日
發(fā)明者H·赫瑟爾波姆 申請人:艾利森電話股份有限公司