CN101097878A - 集成微电子封装应力传感器 - Google Patents

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Abstract

可以使用碳纳米管网状结构原位测量微电子集成电路封装中的应力。伸展在直立结构之间的一列碳纳米管可用于在二维上测量局部应力。由于碳纳米管的特性，可以实现高精确的应力测量。在某些情况下，碳纳米管和直立结构可以固定在衬底上，该衬底随后附着在微电子封装中。在其它情况下，纳米管结构可直接形成在集成电路管芯上。

Description

集成微电子封装应力传感器
技术领域
一般地，本发明涉及在微电子封装中测量应力。
背景技术
很多原因引起微电子封装中的应力。加热和冷却可以导致封装内局部应力。同样地，机械应力可从外部环境施加于封装。例如，具有引脚的封装中，应力可通过引脚施加于封装。
作为施加于微电子封装的应力的结果，可能发生失效。由于局部应力可能引起管芯破裂。应力可以影响管芯的电功能性，随之实际上导致破裂或其它物理损坏。比如，闪存管芯的功能耐用性会受到该管芯上的局部应力的影响。
可以使用金属应变花(rosette)结构测量管芯上应力。这些传感器可能包括溅射沉积的经历由应力所引起的电阻改变的应变花传感器线路。然而，所沉积的金属可能在处理过程中和封装操作过程中发生氧化和腐蚀，这使它们长期的可靠性降低。并且，当前的金属沉积技术不能提供用于应力测量的非常高的空间分辨率。
发明内容
根据本发明的第二方面，提供了一种使用碳纳米管测量微电子集成电路上的应力的方法。
根据本发明的第二方面，提供了一种封装的集成电路，其包括：衬底；形成在所述衬底上的一组三个直立结构；桥接所述结构的碳纳米管；以及用于使所述碳纳米管上的应变能够被测量的电连接。
根据本发明的第三方面，提供了一种集成电路管芯，其包括：形成在所述管芯上的一组三个直立结构；以及在所述结构之间延伸的多个碳纳米管，一组碳纳米管通常与另一组碳纳米管垂直。
根据本发明的第四方面，提供了一种系统，包括：处理器；耦合到所述处理器的动态随机存取存储器；以及用于所述处理器的封装，所述封装包括管芯，所述管芯包括形成在所述管芯上的三个直立结构，碳纳米管横跨在所述结构之间。
附图说明
图1是本发明的一个实施例的放大的俯视图；
图2是通常沿图1所示的线2-2所取的截面图；
图3是根据本发明的一个实施例的对应于图1在随后的制造阶段的俯视图；
图4是通常沿图3所示的线4-4所取的截面图；
图5是根据本发明的一个实施例的对应于图4在随后的制造阶段的俯视图；
图6是根据本发明的一个实施例的沿图5所示的结构中的线6-6所取的截面图；
图7是根据本发明的另一个实施例的通常沿线6-6所取的截面图；和
图8是根据本发明的一个实施例描述的系统。
具体实施方式
参考图1和图2，在一个实施例中，衬底10可为具有背面16的半导体管芯。半导体管芯的背面16通常不用于电子部件。衬底10的相反面、或者正面18，在一个半导体管芯的实施例中通常具有提供电子功能和性能的集成电路部件。
根据本发明的一个实施例，可以定义多个金属直立结构14(即，结构14a、14b和14c)。这些结构14可由适于生长桥状、单壁碳纳米管的材料构成。特别地，在本发明一些实施例中，在衬底10的相反面上形成电子部件之前，在背面16上可形成直立结构14。
在本发明某些实施例中，可在衬底10上直接形成结构14。在本发明一个实施例中，结构14可以包括被例如铁、钴或镍等的金属催化剂15覆盖的台柱。例如，结构14可为约1微米高。例如，可以通过斜角入射沉积方法形成结构14。通过控制衬底10旋转运动，包括其角度和速度，可以控制结构14的高度。尽管可以利用不同的金属催化剂，但镍可以是优选的，因为它可以提供与随后将形成的纳米管更低的接触电阻。
参考图2，结构14是直立的并且可以形成在衬底10的背面16上。在衬底10是半导体管芯的本发明的一个实施例中，衬底10还包括尚未形成的正面18。另外，衬底10实际上可以是陶瓷衬底，例如硅石衬底，正如随后将说明的，在某些实施例中，其之后附着固定到半导体管芯的合适的位置以测量应力。
之后，可以生长碳纳米管20以在结构14a、14b和14c之间桥接。在一个实施例中，可以使用气相化学气相沉积生长碳纳米管。在本发明的一个实施例中，可以使用甲烷作为生长碳纳米管的碳源。结果，该纳米管从一个直立结构14延伸至另一个。可以在碳纳米管的沉积过程中提供氩气以减少氧化。在一个实施例中，可以使用约500Torr压力以及800℃至950℃炉温的甲烷环境。
在一个实施例中，结构14a和14c与结构14a和14b一样相当地接近。然而，结构14b和14c距离足够远以至在结构14b和14c之间不形成碳纳米管。例如，在本发明一个实施例中，通过结构14a和14c的中心线的线与通过结构14b和14a的中心线的线以接近直角相交。在一个实施例中，仅有结构14a和14c与14a和14b，足够接近以形成桥接碳纳米管20(图3)。
在一个实施例中，通过在衬底上预先形成的台柱上沉积催化剂15可以形成结构14。例如，台柱可为硅或二氧化硅台柱。例如，通过生长或沉积台柱材料、掩模并蚀刻以形成理想排列的台柱，而形成台柱。在某些实施例中，至少两个台柱与衬底10(在该实施例中衬底为晶体半导体)的晶面排成直线。
在催化剂膜的沉积过程中，该衬底10可以以约正负45度倾斜两次以在结构14上散布催化剂15。之后，碳纳米管20形成在结构14的存在催化剂15的侧壁上。有些情况下催化剂15不必完全覆盖台柱。
在一些实施例中，可以生长台柱阵列(未示出)，但仅使用催化剂活化某些台柱。例如，仅使用催化剂活化三个台柱以至于形成碳纳米管的直角列。可以使用掩模或选择性催化剂沉积实现选择性活化。尽管描述了圆柱形的结构14，但也可以使用其它形状。
如图3和图4中所示，该纳米管20通常可以沿结构14a、14b和14c水平地从顶部到底部生长。它们如桥一样在衬底10上方跨越。
由于在固定在结构14a和14c之间的碳纳米管组相对于那些固定在结构14a和14b之间的碳纳米管组之间的角度的形成，可以在二维上测量碳纳米管中的应变。例如，两组碳纳米管可以彼此垂直。碳纳米管20中的应变与测试中的固定到纳米管20和结构14的器件的应变一致。
在某些实施例中，并尤其在结构14直接形成在硅管芯上的实施例中，随后可以减薄衬底10，使得其本身的厚度不会引起正在测量应力的管芯的应力改变。减薄的衬底也可以胶合至任何聚合物或陶瓷表面上。
如图5中所示，可以使用金属线将该纳米管20电耦合到外部应变计(未示出)。特别地，金属线24可以将每一结构14连接至焊点22。可以制作从焊点22到应变计的电连接26。可以使用传统工艺例如丝网印刷或电镀印制金属线24和焊点22。对于两探针测量，可以用到中心金属焊盘的两条导线将一个电连接26键合至每一金属焊点22。对于四探针测量，可以将两倍的导线键合至每一金属焊点22。
导线或电连接26可以连接到应变计。当纳米管被拉紧时，横跨纳米管的电压改变正比于纳米管经历的应变。
在一实施例中，为了测量半导体管芯上的应变，图5中所示的纳米管20可以生长在管芯的背面上。之后管芯经历随后的、传统的在正面上的电路制作步骤。引起管芯翘曲的应力可以以纳米管20中电阻改变的方式测量。
如图6所示，还可以测量管芯附着物中的应力。使用像使用订书钉一样固定到衬底上的长台柱图案，可以在管芯背面上配备纳米管20。对于“长”，意在指出结构14具有约.7厘米数量级的高度。随后，生长纳米管并执行金属化。
也可使用其它结构14生长桥状碳纳米管，包括：电话线杆(telephonepole)和足球球门定向办公室订书钉(soccer goal oriented officestaples)。照字面意义，可以通过使用例如碳胶带等的合适的粘合剂，将直立的办公室订书钉固定到硅晶片上来使用它们。订书钉可能使其顶端直立(“电话线杆”)或者倒置(“足球球门”)并延伸至衬底中。
之后，可以使用化学气相沉积并在100mTorr真空下、1373开尔文的炉中生长碳纳米管。在10毫升己烷中的0.02g/ml的二茂铁溶液中添加二体积百分数的噻吩。该己烷可作为碳源而二茂铁作为气体扩散形成碳纳米管的催化剂。可以加热溶液至150℃，之后持续10分钟地以约0.1毫升每分钟的平均速率将溶液引入水平的石英管式炉中。已知噻吩在H2环境中促进单壁碳纳米管的形成，反之已发现多壁碳纳米管主要在无H2环境中生长。利用通过控制炉中H2浓度而控制纳米管生长条件[无H2环境将得到多壁碳纳米管，相反H2环境会促进单壁碳纳米管的生长]，可以使用单壁碳纳米管或多壁碳纳米管。尽管推荐前面详述的配方和数量生长碳纳米管，但生长条件不必限于该配方或这些数量，而是包含了它们。
然后，包括碳纳米管20的整个管芯可以涂覆管芯附着物28，随后管芯附着物固化。在固化工艺过程中应力的变化可以通过不同纳米管20测量。结构14的高度可以控制在几微米，例如10至15微米，使得结构的总高度小于约25微米。
接下来参考图7，也可以测量底层填料或模塑化合物30中的应力。碳纳米管20的网状结构可以沉积或转移到通常为有机的微电子衬底上。可以执行底层填料或模塑化合物流动及固化工艺，并测量纳米管中电阻的改变。这种情况下，结构14的高度可以在15至20微米范围内，因为总的可利用高度为约45微米。
有机或其它衬底17可以具有固定在其上的、包括结构14、焊点22和金属线24的管芯35。之后可以在顶面上添加模塑化合物30以形成半导体封装36。
在某些实施例中，纳米管20可为高精确的应力指示器。当然，应力指示器也相应地为应变指示器。由于它们在长度尺寸上具有各向异性的特性，并相对于长度尺寸具有非常小的横向尺寸，所以使用碳纳米管可以得到高的特定分辨率。例如，碳纳米管长度可为1至10以上微米而直径小于2至30纳米。
由于它们倾向于相对完美地利用原子能，并且化学稳定，碳纳米管可以是比相同尺寸的金属结构更加可靠的传感器。此外，由于它们各向异性的特性，纳米管可以潜在地测量管芯上的应力张量。在某些实施例中，可以测量由小至几微米到几百纳米的距离分隔的位置处的应力的状态。在某些情况下，半微米的空间分辨率是可能的。
可以使用不同的策略提高纳米管20与金属结构14的接触电阻。在一个实施例中，可以在纳米管20/结构14接合处使用电子束辐照。作为另一选择，可以在结构14/纳米管20接合处沉积少量焊料，随后回流。
参考图8，在一个实施例中所得到的微电子封装可包括处理器50。可以在系统中提供该处理器50，该系统包括均由总线38耦合的例如动态随机存取存储器(DRAM)40的系统存储器和输入/输出器件42。例如，输入/输出设备可为鼠标、键盘、显示器或者多种多样的这种器件中的任意一种。封装36中的处理器50可以使用这里所描述的技术测量其内部应力。
结果，应力对其操作的影响可以在管芯卖出以前进行检测，在某些情况下也可以在管芯卖出之后进行检测。在某些实施例中，那些都是必须的，通过焊点22将测量装置连接到纳米管20以记录应力。然而，也可以测量“管芯上”的应力，例如，使用形成在管芯正面的电路。
本说明书通篇使用的“一个实施例”或“实施例”意味着联系该实施例所描述的特定的特征、结构或特性包括在构成本发明的至少一个实施方式中。因此，出现的短语“一个实施例”或“在实施例中”并非指代同一个实施例。此外，特定的特征、结构或特性可能包含在其它合适形式中而不在所说明的特定的实施例中，且全部的这种形式都包含在本申请的权利要求书中。
虽然本发明已经针对有限的实施例进行描述，但本领域技术人员将根据其意识到多种改进或变形。所附权利要求书意图覆盖所有这样的、落入本发明的真正精神和范围内的改进和变形。

Claims (30)

1、一种方法，包括：
使用碳纳米管测量微电子集成电路上的应力。
2、如权利要求1所述的方法，包括使用碳纳米管测量半导体集成电路管芯上的应力。
3、如权利要求2所述的方法，包括形成附着到所述管芯上的碳纳米管。
4、如权利要求3所述的方法，包括在所述管芯上形成直立结构，并且在所述结构之间生长所述碳纳米管。
5、如权利要求3所述的方法，包括在衬底上的直立结构上形成碳纳米管，并且将所述衬底固定到集成电路管芯上。
6、如权利要求1所述的方法，包括使用碳纳米管测量半导体封装的管芯附着物中的应力。
7、如权利要求1所述的方法，包括使用碳纳米管测量包围集成电路管芯的化合物中的应力。
8、如权利要求1所述的方法，包括在衬底上形成三个直立结构，并且在所述结构之间生长碳纳米管。
9、如权利要求9所述的方法，包括在三个直立结构之间生长两列碳纳米管，使得一列通常与所述列中的另一列横向相交。
10、如权利要求9所述的方法，包括提供金属化以接触所述纳米管。
11、一种封装的集成电路，包括：
衬底；
形成在所述衬底上的一组三个直立结构；
桥接所述结构的碳纳米管；以及
用于使所述碳纳米管上的应变能够被测量的电连接。
12、如权利要求11所述的电路，其中所述结构直接形成在衬底上，且所述衬底为半导体管芯。
13、如权利要求12所述的电路，其中所述结构支撑水平设置的碳纳米管组，一组桥接在所述结构的前两个之间，而另一组桥接在所述结构的另两个之间。
14、如权利要求13所述的电路，其中一组所述碳纳米管通常垂直于另一组碳纳米管。
15、如权利要求14所述的电路，其中所述结构形成在所述衬底上并且覆盖有催化剂。
16、如权利要求15所述的电路，其中所述催化剂能够促进碳纳米管的生长。
17、如权利要求16所述的电路，包括电耦合至所述碳纳米管的金属化部分，所述金属化部分将耦合到应变计。
18、如权利要求11所述的电路，其中所述衬底为半导体管芯并且所述结构形成在所述管芯的背面上。
19、如权利要求11所述的电路，其中所述电路由管芯附着物材料覆盖，且所述碳纳米管适合于测量所述管芯附着物材料中的应力。
20、如权利要求11所述的电路，包括填充材料，且所述碳纳米管用于测量所述填充材料中的应变。
21、一种集成电路管芯，包括：
形成在所述管芯上的一组三个直立结构；以及
在所述结构之间延伸的多个碳纳米管，一组碳纳米管通常与另一组碳纳米管垂直。
22、如权利要求21所述的管芯，其中在所述管芯的一面上定义电子部件，而在与所述一面相对的所述管芯的背面上形成所述结构。
23、如权利要求21所述的管芯，其中所述结构由非导电材料形成并在所述结构上沉积导电材料。
24、如权利要求23所述的管芯，其中所述导电材料为促进碳纳米管生长的催化剂。
25、一种系统，包括：
处理器；
耦合到所述处理器的动态随机存取存储器；以及
用于所述处理器的封装，所述封装包括管芯，所述管芯包括形成在所述管芯上的三个直立结构，碳纳米管横跨在所述结构之间。
26、如权利要求25所述的系统，其中所述结构直接形成在所述管芯上。
27、如权利要求26所述的系统，其中所述碳纳米管在邻近的直立结构之间水平设置。
28、如权利要求27所述的系统，包括两组垂直的碳纳米管。
29、如权利要求28所述的系统，其中所述结构由用于促进碳纳米管生长的催化剂覆盖。
30、如权利要求29所述的系统，包括用于允许测量横跨所述碳纳米管的电压的改变以确定所述碳纳米管中的应变并由此确定所述管芯中的应变的金属化。
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