JP2009512215A - 3d貫通シリコンアーキテクチャのための集積マイクロチャネル - Google Patents

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Abstract

本発明のいくつかの実施形態は、3D貫通シリコンアーキテクチャから熱を除去するための集積マイクロチャネルに関する装置および方法に関する。
【選択図】なし

Description

本発明の実施形態は、マイクロエレクトロニクス実装に関する。特に、本発明の実施形態は、3D貫通シリコンアーキテクチャにおける熱除去に関する。
マイクロエレクトロニクス実装の分野では、エレクトロニクスをより小さく速く生成する取り組みが続けられている。ダイスタッキングアーキテクチャを含む3D実装アーキテクチャは、2D実装アーキテクチャに勝るいくつかの強みがある(小型であること、相互接続間隔が短いことなど)。
典型的な2D実装アーキテクチャは、ダイの活性表面(デバイスおよび金属層を含む)が基板に面するように基板に接続されたダイフリップチップを含み得る。その後、ダイの露出された背面上にクーリングソリューションが設けられる。クーリングソリューションは、例えば、ヒートシンク、熱分散部材、集積熱分散部材、または、ファンを含み得る。
図1は、基板110、中央処理装置(CPU)ダイ120、ダイナミックランダムアクセスメモリ(DRAM)ダイ130、フラッシュメモリダイ140、および、アナログダイ150を含む典型的な3Dパッケージ100を示す。基板110は、通常は、プリント回路基板またはマザーボードを含み得る。3Dパッケージ100を機能させるには、それぞれの構成要素の活性表面は、基板100または隣接する構成要素の活性表面に電気的に接続されていなければならない。活性表面を相互接続すべく、構成要素中を導電性貫通シリコンビア(TSV)160が貫通し得る。
例えば、CPUダイ120は、CPUダイ120の活性表面が基板110と面するように基板110に接続されるフリップチップであってよい。DRAMダイ130は、DRAMダイ130の活性表面がCPUダイ120の不活性面と面するよう、バンプはんだ接合によりCPUダイ120に接続されてよい。その後、CPUダイ120のTSVがDRAMダイ130の活性表面をCPUダイの活性表面、または、基板110と電気的に接続してよい。
同様に、各構成要素の活性表面は、電気的に相互接続されてよい。
添付の図面における例を用いて本発明を示すが、これに限定されない。同様の参照符号は、同様の構成要素を示す。
従来技術による装置を示す。
ダイが基板に取り付けられ、そのダイにクーリングソリューションが取り付けられ、そのクーリングソリューションに第2のダイが取り付けられている断面側面図である。
マイクロチャネルおよび貫通ビアを有するクーリングソリューションを形成する方法を示す。
3Dウェーハまたはダイ実装アーキテクチャに関する装置および方法が様々な実施形態で記載されている。しかしながら、様々な実施形態は、1つ以上の特定の詳細がなくとも、あるいは、他の方法、材料、または、構成要素によっても実施できる。また、本発明の様々な実施形態の側面をあいまいにしないよう、よく知られた構造、材料、または、動作を詳しく示すあるいは述べることはしない。同様に、本発明の完全なる理解をもたらすべく、説明のための特定の数、材料、および、構造が記載されている。とは言うものの、本発明は、特定の詳細がなくても実施できる。さらに、図面に示される様々な実施形態は、例示的表現であって、一定の比率で描かれているわけではない。
エレクトロニクスをより小さく速く生成すべく、半導体チップ(またはダイ)の実装密度を増大することができる。実装密度を増大させる1つの手法としては、チップスタッキングなどの3D実装アーキテクチャもあり得る。動作中、スタックの1つのまたは複数の活性領域は、熱を発し得る。チップ能力を向上させるべく、より優れた能力をもつチップを利用すべく、あるいは、高性能実装を実現すべく、生じた熱は除去されてよい。典型的な3D実装アーキテクチャでは、いかなる熱除去またはサーマルソリューションも提供し得ない。
一般的に、単一のチップ実装では、熱を除去するために集積熱分散部材あるいはファンなどの背面クーリングソリューションが用いられ得る。しかしながら、チップが積み重ねられている構造だと、裏面のクーリングソリューションを用いるのは実際的でないかもしれない。というのは、スペースの制限上、露出していないチップもあること、あるいは、電気接続経路の非適合性にもよる。簡潔に言えば、本発明の実施形態は、チップ間の電気経路用のビアを含む積層チップのためのクーリングソリューションを提供する。
図2Aおよび図2Bは、本発明に従う積層ダイの熱除去を行う装置200の断面図である。図2Bは、セグメント図2AのセグメントA−A'に沿った切断面を示す。
装置200は、基板210、ダイ220、クーリングソリューション230、および、ダイ270を含む。クーリングソリューション230は、基板240、貫通ビア260、および、マイクロチャネル250を含む。ダイ220は、貫通ビア225を含む。
基板210は、ダイ220を装着する任意の適切な基板を含む。様々な実施形態では、基板210は、プリント回路基板(PCB)、マザーボード、または、インターポーザを含む。基板210は、ダイ220の装着を容易にするよう、導電トレース、および、導電パッド、または、バンプを含み得る。ダイ220は、任意の適切な技術により基板210に装着され得る。一実施形態では、ダイ220は、ダイ220の活性表面が基板210に面するよう、ソルダバンプ、銅バンプ、導電性ランディングパッドなどにより基板210に接続されるフリップチップであってよい。一実施形態では、貫通ビア225は、ダイ220を貫通する電気経路を提供し得る。一実施形態では、貫通ビア225は、銅を含み得る。
クーリングソリューション230とダイ220は、任意の適切な技術により接続されてよい。一実施形態では、クーリングソリューション230およびダイ220は、拡散接合により接続されてよい。一実施形態では、クーリングソリューション230およびダイ220は、どちらもシリコンを含み、シリコン同士の拡散接合により接続され得る。他の実施形態では、クーリングソリューション230は、バンプまたはランディングパッドを含むバンプはんだ接合技術によりダイ220に取り付けられてよい。様々な実施形態では、クーリングソリューション230は、ダイ220より大きくても、同じ大きさでも、あるいは、小さくてもよい。
ダイ270およびクーリングソリューション230は、いかなる適切な貫通シリコンビア技術により接続され得る。一実施形態では、クーリングソリューション230およびダイ270は、拡散接合により接続され得る。一実施形態では、クーリングソリューション230およびダイ270は、どちらもシリコンを含み、シリコン同士の拡散接合により接続され得る。他の実施形態では、クーリングソリューション230は、バンプまたはランディングパッドを含むバンプはんだ接合技術によりダイ270に接着され得る。様々な実施形態では、ダイ270の活性表面は、クーリングソリューション230に面してよく、あるいは、ダイ270の活性表面は、クーリングソリューション230に面していなくてよい。一実施形態では、ダイ270は、導電性貫通ビア(図示せず)を含むことによりダイ270を貫通する電気経路を提供し得る。一実施形態では、クーリングソリューション230は、結合パッドまたはバンプを含むことにより、ダイ270との接続を容易にしてよい。
ダイ220およびダイ270は、あらゆる適切なダイ、集積回路、または、チップも含み得る。例えば、ダイ220およびダイ270は、中央処理装置(CPU)、ダイナミックランダムアクセスメモリ(DRAM)、アナログデバイス、または、フラッシュメモリダイのあらゆる組み合わせを含み得る。一実施形態では、ダイ220およびダイ270は、どちらもCPUを含み得る。他の実施形態では、ダイ220は、CPUを含み、ダイ270は、DRAMダイを含み得る。一実施形態では、ダイ220は、薄膜化ダイを含み得る。他の実施形態では、ダイ270は、薄膜化ダイを含み得る。
さらに、クーリングソリューション230に類似した任意の数の追加のダイまたはクーリングソリューションがダイ270上に任意の配置で積み重ねられてよい。ダイ270上に積み重ねられたダイは、CPU、DRAM、アナログデバイス、または、フラッシュメモリのあらゆる組み合わせを含み得る。一実施形態では、ダイ220は、CPUを含み、ダイ270は、DRAMを含み、ダイ270の上にフラッシュメモリおよびアナログデバイスが積み重ねられてよい。他の実施形態では、ダイ220およびダイ270は、CPUとクーリングソリューションを含むスタックとを含み、ダイ270の上にDRAMダイが積み重ねられてよい。
上述のように、クーリングソリューション230は、基板240、マイクロチャネル250、および貫通ビア260を含む。貫通ビア260は、基板240に渡り延びることにより、導電経路を提供する。一実施形態では、貫通ビア260は、ダイ220とダイ270との間隔を最小限度とするか、あるいは、ダイ220とダイ270との間に直接電気経路を提供する。貫通ビア260は、いかなる適切な導電材料、あるいは、そのような材料の組み合わせを含み得る。一実施形態では、貫通ビア260は、銅を含み得る。基板240は、いかなる適切な材料を含み得る。一実施形態では、基板240は、シリコンを含み、貫通ビア260は、貫通シリコンビア(TSV)を含み得る。
マイクロチャネル250は、基板内240に冷却剤のための実質的に囲まれた領域を提供する(図示せず)。一実施形態では、冷却剤は、マイクロチャネル250を通じて流れることにより、ダイ220およびダイ270から熱を除去することができる。一実施形態では、単一のマイクロチャネルが設けられてよい。単一のマイクロチャネルは、実質的に基板240を貫通してよい。他の実施形態では、任意の数の別々のマイクロチャネルが設けられてよい。一実施形態では、マイクロチャネル250は、ダイ220、ダイ270、または両方の熱除去の必要性に応じて設計されてよい。一実施形態では、マイクロチャネル250は、より多くのマイクロチャネル、または、ホットスポットなど、より熱除去を必要とするダイ220またはダイ270の領域ごとにチャネル領域を提供し得る。
図2Bに示すように、マイクロチャネル250と共に入出力280が設けられてよい。入出力の数は、必要に応じて任意であってよい。例えば、単一のマイクロチャネルが用いられる場合には、単一あるいは複数の入出力が用いられ得る。複数の別々のマイクロチャネルが用いられるのであれば、それぞれのマイクロチャネルに対し少なくとも1つの入出力が設けられてよい。
冷却剤は、熱を除去することができる任意の適切な材料を含み得る。一実施形態では、冷却剤は、液体を含み得る。一実施形態では、冷却剤は、二相流冷却剤であってよい。一実施形態では、冷却剤は、冷却液230と冷却剤を冷却するかまたは濃縮できる1つ以上の外部熱交換器との間を流れることができる。
図3A−3Hは、本発明に従う冷却液を提供できる方法を示す。
図3Aは、開始時基板300を示す。基板300は、任意の適切な材料を含み得る。一実施形態では、基板300は、シリコンを含み得る。一実施形態では、基板300は、ウェーハを含み得る。他の実施形態では、基板300は、ウェーハまたはチップの一部であってよい。
図3Bに示すように、開口310および開口320が基板内に形成されてよい。一実施形態では、開口310は、続いてマイクロチャネルを形成し、開口320は、続いて以下にさらに説明する貫通ビアを形成し得る。
開口310は、いかなる適切な幅を有してよい。一実施形態では、開口310は、約5乃至10ミクロンの範囲内の幅を有してよい。他の実施形態では、開口310は、約6乃至8ミクロンの範囲内の幅を有してよい。一実施形態では、開口310は、約7乃至10ミクロンの範囲内の幅を有してよい。開口310は、また、開口320より浅くなるようないかなる任意の深さを有してよい。したがって、開口310は、浅い開口であると考えられ、開口320は、深い開口であると考えられる。一実施形態では、開口310は、約50乃至100ミクロンの範囲内の深さを有してよい。他の実施形態では、開口310は、約60乃至80ミクロンの範囲内の深さを有してよい。一実施形態では、開口310は、約75乃至100ミクロンの範囲内の深さを有してよい。
開口310は、基板300全体または基板300の一部にわたり実質的に延びるかまたは走るマイクロチャネルを規定するパターンを形成し得る。例えば、基板300がチップまたはダイである場合、開口310は、実質的に基板300を貫通するパターンを形成する。他の実施形態では、基板300がウェーハである場合、開口310は、ウェーハが集積回路のウェーハ(図3G)と位置合わせされることにより、それぞれの集積回路のマイクロチャネルレイアウトを提供するような、1つのダイにそれぞれ対応するいくつかのマイクロチャネルレイアウトのパターンを形成し得る。他の実施形態では、開口310は、1つのチップまたはダイに対し複数の別々のマイクロチャネルを規定するパターンを形成し得る。
開口320は、任意の寸法でよく、3Dアーキテクチャのための貫通ビアの所望のパターンに対応してよい。一実施形態では、開口320は、上から見たとき概ね円または楕円形を有し得る。開口320は、任意の深さを有し得る。一実施形態では、開口320は、約100乃至150ミクロンの範囲内の深さを有してよい。他の実施形態では、開口320は、約80乃至120ミクロンの範囲内の深さを有してよい。一実施形態では、開口は、約50乃至100ミクロンの範囲内の深さを有してよい。
一実施形態では、開口320は、開口310より深くてよい。一実施形態では、開口320は、開口310より約5乃至10ミクロン深くてよい。他の実施形態では、開口320は、開口310より約2乃至8ミクロン深くてよい。一実施形態では、開口320は、開口310より約10乃至20ミクロン深くてよい。他の実施形態では、開口320は、基板300を貫通してよい。
開口310および開口320は、任意の適切な技術によって形成され得る。一実施形態では、それらは、2つのフォトリソグラフィおよびエッチング工程により形成され得る。一実施形態では、開口310および開口320は、基板200上にレジストパターンを形成し;基板300の露出した部分をエッチングすることにより開口310または開口320のいずれかを形成し;第1のレジストパターンを除去し;基板上に第2のレジストパターンを形成し;基板300の露出した部分をエッチングすることにより、残りの開口を形成し;第2のレジストパターンを除去する;ことにより形成され得る。
図3Cは、第2の開始時基板330を示す。基板330は、任意の適切な材料を含み得る。一実施形態では、基板330は、シリコンを含んでよい。一実施形態では、基板は、ウェーハであってよい。他の実施形態では、基板330は、ウェーハまたはチップの一部であってよい。
図3Dに示すように、基板330内に開口340が形成され得る。一実施形態では、開口340のいくつかは、続いて貫通ビアの一部を形成する。一実施形態では、開口340のいくつかは、続いてマイクロチャネルの入出力を形成する。
開口340は、任意の適切な深さおよび幅を有してよい。一実施形態では、開口340は、開口320のパターンおよび寸法に対応するパターンを有し得る。開口340は、任意の適切な技術により形成されてよい。一実施形態では、それらは、フォトリソグラフィおよびエッチングにより形成され得る。一実施形態では、開口340は、基板330上にレジストパターンを形成し;、基板330の露出した部分をエッチングすることにより、開口340のいずれかを形成し;、レジストパターンを除去する;ことにより形成され得る。一実施形態では、開口340は、基板330を貫通してよい。
図3Eに示すように、基板300および330は、位置合わせされて結合される。基板300および330は、いかなる技術により位置合わせされて結合されてもよい。一実施形態では、基板300および330は、開口320および340が実質的に位置合わせされるように位置合わせされてよい。一実施形態では、マイクロチャネルの入出力が形成されるように多数の開口340が開口310と位置合わせされてよい(図を複雑にしないためにこのような位置合わせは図3Eには示されていない)。一実施形態では、基板300および330は、拡散接合により結合され得る。他の実施形態では、基板300および330は、シリコンを含み、シリコン同士の拡散接合により結合され得る。他の実施形態では、基板300および330は、接着剤またはエポキシを用いて結合され得る。
図3Fに示すように、基板300および330は、装置335となるべく薄くされる。例示される断面図では、基板が分割されているように見えるが、他の有効な断面図で示すことができるように、連続したままでもよい。図3Fは、貫通ビア350のフォーメーションを示す。図3Fでは、図を複雑にしないために基板300と330との間の継ぎ目は示していない。基板300および330は、背面研磨技術など任意の適切な技術により薄くされる。
図の実施形態では、薄くする前の結合が示されている。しかしながら、もし薄くするのであれば、結合の前に行われてもよい。一実施形態では、基板300は、結合の前に薄くされることができる。他の実施形態では、基板330が結合の前に薄くされることができる。一実施形態では、基板300および基板330の両方が結合の前に薄くされてよい。他の実施形態では、どちらかの基板あるいは基板の両方を薄くしなくてもよい。
図3Gに示すように、装置335は、基板360に位置合わせされて結合され得る。基板360は、貫通ビア370およびバンプ380を含んでよい。一実施形態では、基板360は、チップまたはダイを含み得る。一実施形態では、基板360は、集積回路を含み得る。いくつかの実施形態では、基板360は、CPU、DRAM、アナログデバイス、または、フラッシュメモリデバイスを含み得る。他の実施形態では、基板360は、集積回路のウェーハを含み得る。他の実施形態では、装置335は、貫通ビア350のいくつかが貫通ビア370のいくつかと位置合わせされるように基板360と位置合わせされてよい。様々な実施形態では、基板360の活性表面360は、装置335に面するか、あるいは、活性表面は、装置335に面していなくてもよい。
図3Hに示すように、導電性貫通ビア390が形成され得る。導電性貫通ビア390は、任意の適切な導電材料を含んでよい。一実施形態では、導電貫通ビア390は、銅を含み得る。導電貫通ビア390は、スパッタリング、化学または物理蒸着、電気めっき、無電解めっきなどの任意の適切な技術により形成され得る。
図に示すように、装置335が基板に結合されて導電性貫通ビアが形成され得る。他の実施形態では、装置335は、導電性貫通ビア390の形成前には基板には結合されない。一実施形態では、導電性貫通ビア390が装置335(図3F)に形成されることにより、マイクロチャネルおよび導電貫通ビアを有する装置となる。そのように形成された形成された装置は、拡散接合またはバンプはんだ接合など任意の技術により1つのダイまたは複数のダイに取り付けられ得る。
図3Iに示すように、装置335は、基板410に位置合わせされて結合され得る。基板410は、貫通ビア420を含み得る。一実施形態では、基板410は、チップまたはダイを含み得る。一実施形態では、基板410は、集積回路を含み得る。いくつかの実施形態では、基板410は、CPU、DRAM、アナログデバイス、または、フラッシュメモリデバイスを含み得る。他の実施形態では、基板410は、集積回路のウェーハを含み得る。他の実施形態では、装置335は、貫通ビア420のいくつかが貫通ビア370のいくつかと位置合わせされるように基板400と位置合わせされてよい。一実施形態では、基板410は、拡散接合により結合されてよい。一実施形態では、基板410は、バンプはんだ接合により結合されてよい。一実施形態では、バンプは、結合を容易にすべく、基板410、装置330、または、両方の上に形成されてよい。様々な実施形態では、基板410の活性表面は、装置335に面するか、あるいは、活性表面は、装置335に面していなくてもよい。
上記技術が別々の集積回路構成要素を有するウェーハおよびマイクロチャネルクーリングソリューションと共に用いられた場合、図3Hまたは図3Iの実施形態は、個別のダイおよびクーリングソリューションを形成すべくダイシングされる。
本願明細書を通じての「一実施形態」あるいは「一の実施形態」への言及は、実施形態に関連して記載される特定の特長、構造、材料、または、特徴が本発明の少なくとも1つの実施形態に含まれることを意味する。したがって、本願明細書の随所に見られる「一実施形態において」あるいは「一の実施形態において」という言い回しは、必ずしも本発明の同じ実施形態に言及するわけではない。さらに、特定の特長、構造、材料、または、特徴は、1つ以上の実施形態においていかなる適切なやり方で組み合わされてよい。
上記記載は例示に過ぎず、本発明の限定を意図しない。多くの実施形態は、上記記載を検討すれば、当業者には明らかであろう。したがって、本発明の範囲は、添付の請求項、および、請求項の均等物の全範囲に照らして決定されるべきである。

Claims (20)

  1. 一のダイから熱を除去する装置であって、
    一の冷却剤のための実質的に囲まれたマイクロチャネルを含む一の基板と、
    前記基板を貫通する一の導電性ビアと、
    を含む装置。
  2. 前記マイクロチャネルは、一の入力および一の出力を含む、請求項1に記載の装置。
  3. 前記基板は、一の第2の冷却剤のための一の第2のマイクロチャネルを含む、請求項1に記載の装置。
  4. 前記マイクロチャネルは、約5乃至10ミクロンの範囲内の一の幅と、約50乃至100ミクロンの範囲内の一の高さとを有する、請求項1に記載の装置。
  5. 一の貫通ビアを含む一の集積回路ダイと、
    前記集積回路ダイに取り付けられ、一の第2の貫通ビアと一の実質的に囲まれたマイクロチャネルとを含むことにより、前記集積回路ダイから熱を除去する一の基板と、
    を含む装置。
  6. 前記集積回路ダイと前記基板とは、一のシリコン同士の結合により結合される、請求項5に記載の装置。
  7. 前記基板は、前記集積回路ダイの一の活性表面の反対側にある、請求項5に記載の装置。
  8. 前記集積回路ダイの前記活性表面に電気的に接続される一の第2の基板をさらに含む、請求項7に記載の装置。
  9. 前記基板に取り付けられる一の第2の集積回路ダイをさらに含む、請求項7に記載の装置。
  10. 前記集積回路ダイは、一の中央処理装置を含み、前記第2の集積回路ダイは、一の第2中央処理装置を含む、請求項9に記載の装置。
  11. 前記集積回路ダイは、一の中央処理装置を含み、前記第2の集積回路ダイは、ダイナミックランダムアクセスメモリを含む、請求項9に記載の装置。
  12. 前記第2の集積回路ダイに取り付けられる一のフラッシュメモリ要素をさらに含み、前記第2の集積回路ダイは、一の第3の貫通ビアを含む、請求項11に記載の装置。
  13. 一の基板内に一の深い開口と一の浅い開口とを形成することと、
    一の第2の基板内に一の開口を形成することと、
    前記深い開口と前記開口とが実質的に位置合わせされるよう、前記基板と前記第2の基板とを結合することと、
    前記基板を薄くすることと、
    前記深い開口および前記開口内に一の導電性貫通ビアを形成することと、
    を含む方法。
  14. 前記第2の基板を薄くすることをさらに含む、請求項13に記載の方法。
  15. 前記第2の基板内の前記開口は、該第2の基板を貫通する、請求項13に記載の方法。
  16. 前記基板および前記第2の基板は、シリコンを含み、前記基板と前記第2の基板との結合は、シリコン同士の拡散接合を含む、請求項13に記載の方法。
  17. 前記基板および前記第2の基板が複数のウェーハを含むよう、該基板および該第2の基板をダイシングすることをさらに含む、請求項13に記載の方法。
  18. 前記基板内に前記深い開口と前記浅い開口とを形成することは、
    前記基板上に一の第1のパターンを形成することと、
    前記第1のパターンにより露出した前記基板の一部をエッチングすることにより、前記深い開口を形成することと、
    前記基板上に一の第2のパターンを形成することと、
    前記第2のパターンにより露出した前記基板の一部をエッチングすることにより、前記浅い開口を形成することと、
    を含む、請求項13に記載の方法。
  19. 前記結合された基板および第2の基板を一の第3の基板に装着することをさらに含み、該第3の基板は、一の集積回路および一の第2の導電性貫通ビアを含む、請求項13に記載の方法。
  20. 前記基板内に前記深い開口および前記浅い開口を形成することは、一の第2の浅い開口を形成することを含み、前記第2の基板内に前記開口を形成することは、前記第2の基板内に一の第2の開口を形成することを含み、前記基板と前記第2の基板とを結合することにより、前記第2の浅い開口と前記第2の開口とが位置合わせされて一のマイクロチャネル用の一の入力が形成される、請求項13に記載の方法。
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