JP2013251545A - 熱に敏感な半導体デバイスの熱への露出を低減するための方法および構造体 - Google Patents

熱に敏感な半導体デバイスの熱への露出を低減するための方法および構造体 Download PDF

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Abstract

【課題】熱に敏感な半導体構成要素は、当該デバイス自体が多くの熱を発生させない場合であっても、ダイにおいて隣接する構成要素から伝達される熱の影響を受ける場合がある。
【解決手段】上面および裏面を有する回路基板を有する半導体デバイスであって、
該回路基板は、熱源回路と、熱に敏感な回路と、該回路基板の上面に結合されるパッケージ基板と、該回路基板の裏面から該回路基板の上面の近くまで、上面には貫通することなく形成される複数の熱伝導性シリコンスルービア(TSV)と、を備えており、複数の熱伝導性TSVは、回路基板の内部または外部のアクティブ回路とは接触しない、半導体デバイスを提供する。
【選択図】図1

Description

本開示は、一般的に半導体デバイスに関し、より具体的には、熱に敏感な半導体デバイスの熱への露出を低減することに関する。
半導体チップのパッケージング技術について、特許文献1に記載されている。
米国特許第6,190,943号明細書
熱に敏感な半導体構成要素は、当該デバイス自体が多くの熱を発生させない場合であっても、ダイにおいて隣接する構成要素から伝達される熱の影響を受ける場合がある。たとえば、ダブルデータレートタイプ3(DDR3)ランダムアクセスメモリ(RAM)のメモリダイにおけるトランジスタは、隣接するセンスアンプ、書込回路およびプリチャージ回路からの熱に敏感であり得る。トランジスタの温度が上昇すると、トランジスタから電流が漏れるため、記憶されているデータがトランジスタから失われることを防ぐようにトランジスタのリフレッシュ速度を増大しなければならない。リフレッシュ速度を増大させると、リフレッシュ速度がより低いときよりも使用する電力が大きくなる。回路基板は常に増大する機能および速度要件によって設計されるため、電力消費を低減するとともに、ダイによって発生される熱を低減または除去する方法を見つけることが望ましい。
本明細書において開示される方法および半導体デバイスの実施形態は、熱に敏感な回路を、熱を発生させる回路から保護するように、回路基板における熱源回路と熱に敏感な回路または要素との間に配置される熱伝導性のシリコンスルービア(TSV)を使用するコスト効率的な解決策を提供する。
本発明に応じた半導体ダイの一実施形態の平面図。 図1の半導体ダイを含むパッケージ化された半導体デバイスの一実施形態の側断面図。 図1の半導体ダイを含む図2のパッケージ化された半導体デバイスの別の側断面図。
本開示は例として示されており、添付の図面によって限定されない。図面において、同様の参照符号は類似の要素を示す。図面内の要素は簡潔かつ明瞭にするために示されており、必ずしも原寸に比例して描かれてはいない。
図1は、1つまたは複数の熱源回路120、1つまたは複数の熱に敏感な回路104〜118および熱源回路(複数の場合もあり)120と熱に敏感な回路(複数の場合もあり)104〜118との間に配置される熱伝導性ブラインドTSV122を有する回路基板102を含むことができる、本発明に応じた半導体ダイ100の一実施形態の上から見た図を示す。ブラインドTSV122は、熱源回路(複数の場合もあり)120からの熱の少なくとも一部が熱に敏感な回路(複数の場合もあり)104〜118に影響を及ぼすことを防ぐための補助をする。
TSV122に関する使用の一例として、半導体ダイ100は、コンピュータ処理システム(図示せず)においてデータを記憶するために使用されるダブルデータレートタイプ3(DDR3)ランダムアクセスメモリ(RAM)メモリダイであることができる。DDR3RAMメモリデバイスにおいて、熱に敏感なデバイス104〜118は、コンピュータ処理システムにおいてデータを記憶するために使用される任意のタイプのダイナミックランダムアクセスメモリ(DRAM)ビットセルであることができる。DDR3メモリデバイスは、センスアンプ、書込回路、プリチャージ回路、I/O回路および熱を発生させる他の回路などの、熱源回路120のうちの1つ以上を含むこともできる。ダブルデータレートタイプ3(DDR3)ランダムアクセスメモリ(RAM)において、いくつかの熱源回路120は、ダイ100の中央基幹部(center spine)に沿って位置付けられることができ、ここで、熱に敏感な回路104〜118のビットセルアレイは、メモリダイの片側もしくは両側または中心基幹部に実装されている。ビットセルは熱源回路120によって発生された上昇された温度に露出されるため、電流が漏れて、時間とともにデータを失い始める。データは、充電を回復するようにより高い頻度でリフレッシュされることができるが、リフレッシュ動作は、電力消費を低減することがより望ましい状況において電力を消費する。いくつかの実施態様において、センスアンプ回路のなどの熱源回路120は、熱に敏感な回路104〜118である、ビットセルアレイに組み込まれることができ、熱源回路120と熱に敏感な回路104〜118との間に配置される熱伝導性TSV122によって少なくとも部分的に、熱から分離されることができる。
TSV122は、熱源回路(複数の場合もあり)120と熱に敏感な回路(複数の場合もあり)104〜118との間で列、または、他の適切な配置を成すように形成されることができる。TSV122は、回路基板102の厚さ全体を貫通して延在するものではない。いくつかの実施態様において、TSV122は、アクティブ回路に接続されない。「アクティブ回路」という用語は、電子の流れを伝導することが可能である構成要素を指す。TSV122は、基板102が接地されると間接的にグランドに結合され得る。TSV122は、銅、タングステン、金、アルミニウム、銀などの任意の熱伝導性材料またはこれらの材料の組み合わせを充填されることができる。他の適切な材料が使用されることができる。
熱伝導性TSV122に加えて、断熱性TSV124が、熱伝導性TSV122と熱に敏感な回路(複数の場合もあり)104〜118との間、熱伝導性TSV122と熱源回路(複数の場合もあり)120との間、またはその両方に配置されることができる。他の実施態様において、断熱性TSV124は、熱伝導性TSV122の代わりに使用されることができる。図1に示されるように、断熱性TSV124は、TSV122の列に対して互い違いの(staggered)列を成すように形成されることができる。互い違いに配列することは、TSV122、124が形成される基板の構造的完全性を維持することを補助できる。TSV122、124の他の適切な配列が使用されることができる。
断熱性TSV124は、任意の適切な断熱性材料または材料の組み合わせを充填されることができる。断熱性材料の例は、二酸化ケイ素、窒化ケイ素、シリカエーロゲル、またはそれらの組み合わせである。他の適切な断熱性材料が使用されることができる。
TSV122、124は、回路基板102の厚さ全体を貫通して延在するものではないため、「ブラインド」ビアと称されることができる。TSV122、124は、エッチングまたはレーザを使用して回路基板102の層を部分的に貫く開口を形成し、当該開口にそれぞれの熱伝導性または断熱性材料を充填することによって形成されることができる。TSV122は、熱源回路120から約1マイクロメートル(ミクロン)〜約10マイクロメートル(ミクロン)において形成されることができる。
図2は、図1の回路基板102を含むパッケージ化された半導体デバイス200の一実施形態の2−2線に沿った側断面図を示しており、TSV122が回路基板102において形成される。TSV122は半導体ダイ100の裏面202から半導体ダイ100の上面204近くまで、しかし貫通はせずに、延在する。なお、図2において破線で示される断熱性TSV124は、本明細書において図3と関連してさらに説明される。1つまたは複数のTSV122は、熱源回路120と熱に敏感な回路104、112との間に位置している。熱源回路120および熱に敏感な回路104、112は、半導体ダイ100の上面204に位置する。熱に敏感な回路104は、熱伝導性TSV122のうちの1つの片側に位置付けられ、一方で熱源回路120は第1のTSV122と第2のTSV122との間に位置付けられる。もう1つの熱に敏感な回路112は、第2のTSV122の反対側に位置付けられている。
封入区画214、216は、半導体ダイ100の外面の周りに位置付けられる。熱源回路120は、センスアンプ回路、メモリセル書込回路、メモリセルプリチャージ回路、I/O回路または他の発熱デバイスなどの、熱を発生させる1つまたは複数の回路を含む。
パッケージ化された半導体デバイス200は、熱伝導性接着層(220)を使用して半導体ダイ100の裏面202に付着される熱伝導性ヒートスプレッダ218を含むことができるか、または、他の適切な固定機構が使用されてもよい。ヒートスプレッダ218は、TSV122によって熱源回路120を離れて伝導される熱を消散させることを補助する。ヒートスプレッダ218は、銅、タングステン、金、アルミニウム、または銀などの任意の適切な熱伝導性材料またはこれらの材料の組み合わせから形成されてもよい。他の実施態様において、ヒートスプレッダ218は、窒化ホウ素、窒化アルミニウムなどの、熱伝導性材料、電気絶縁性材料、またはそれらの組み合わせから形成されてもよい。他の適切な材料が使用されることができる。
デバイス200は、図2に示されるウィンドウ型ボールグリッドアレイ(BGA)基板208などの、適切なパッケージ基板において付着または据え付けられるダイ100を含むことができる。ウィンドウ型BGA基板208は、基板区画234、236と、ウィンドウと称される、基板208の中央部分の開口における封入材料224とを含むことができる。熱源回路120における導電性コンタクトまたはパッド226、228を、基板区画234、236のそれぞれにおける伝導性コンタクト238、240に接続するように、ボンディングワイヤ230および232がウィンドウを通じて形成されることができる。封入材料224は、ボンディングワイヤ230、232を保護するようにウィンドウを充填する。導電性バンプ242のアレイがBGA基板208の底部に形成され、半導体デバイス200をプリント回路基板などの別の基板に付着させるために使用されることができる。
半導体ダイ100は、トランジスタ、センスアンプ、プリチャージ回路、書込回路およびI/O回路などの電子回路を形成する、1つまたは複数の金属層(図示せず)および金属層間の1つまたは複数の絶縁層(図示せず)を含むことができる。熱伝導性TSV122の上部はダイ100の裏面202において露出されることができ、よって、TSV122は熱をヒートスプレッダ218に伝導することができる。
熱伝導性TSV122は、銅、タングステン、金、アルミニウム、銀および他の熱伝導性材料のうちの1つ以上を充填されることができる。他の実施態様において、TSV122は、窒化ホウ素、窒化アルミニウムなどの、熱伝導性材料、電気絶縁性材料、またはこれらの材料の組み合わせから形成されてもよい。他の適切な材料が使用されることができる。
TSV122は、熱源回路120が熱に敏感な回路104、112の動作に影響を及ぼすことを防ぐための補助をする。
図3は、パッケージ化された半導体デバイス200の3−3線に沿った別の側断面図を示しており、断熱性TSV124が回路基板102において形成される。TSV124は半導体ダイ100の裏面202から半導体ダイ100の上面204近くまで延在する。熱伝導性TSV122は、TSV122が断熱性TSV124に対して互い違いであることを示すように破線で示される。断熱性TSV124は、伝導性TSV122と熱に敏感な回路104、112との間に位置付けられる。伝導性TSV122および断熱性TSV124は、裏面202から半導体ダイ100の上面204および熱源回路120まで貫通して延在するものではない。代わりに、伝導性TSV122および断熱性TSV124は、半導体ダイ100の厚さの一部のみを通じて延在し、アクティブ回路と結合されない。
断熱性TSV124は、熱伝導性TSV122と熱に敏感な回路(複数の場合もあり)104、112との間に配置されることができる。熱伝導性TSV122は、断熱性TSV124と熱源回路120との間、または他の適切な配置に形成されることができる。伝導性TSV122および断熱性TSV124は、1つまたは複数のそれぞれの列を成すように、互いの間において散在するように、またはその両方であるように形成されることができる。伝導性TSV122の列(複数の場合もあり)は、断熱性TSV124の1つまたは複数の列に対して互い違いであることができる。
断熱性TSV124は、適切な断熱性材料または材料の組み合わせを充填されることができる。断熱性材料の例は、二酸化ケイ素、窒化ケイ素、シリカエーロゲルまたはそれらの組み合わせである。他の適切な熱伝導性材料が使用されることができる。
ここまで、DDR3RAMが本明細書において一例として使用されてきたが、TSV122、TSV124またはその両方は、熱源回路120によって発生される熱が熱に敏感な回路104〜118の動作に及ぼす影響を防ぐことが望ましい任意の半導体デバイスにおいて用いられることが予期され得ることを理解されたい。
いくつかの実施態様において、半導体デバイス200は、熱源回路120と、熱に敏感な回路104〜118と、熱源回路120と熱に敏感な回路104〜118との間に配置される複数の熱伝導性なブラインドのシリコンスルービア(TSV)122とを備えることができる。TSVは、熱源回路120において発生される熱の少なくともいくらかが熱に敏感な回路104〜118に影響を及ぼすことを防ぐための補助をする。TSVは、伝導性TSV122が形成される回路基板102の厚さ全体を貫通して延在するものではなく、いかなる回路とも接続されない。
別の態様において、複数のTSVにヒートシンクが結合されることができる。
別の態様において、複数の断熱性TSV124が、熱伝導性ブラインドTSV122と熱に敏感な回路104〜118との間に配置されることができる。
別の態様において、熱伝導性ブラインドTSV122は列を成すように形成されることができ、この列は断熱性TSV124の列に対して互い違いであってもよい。
別の態様において、断熱性TSV124は、二酸化ケイ素および窒化ケイ素から成る材料群のうちの1つを充填されることができる。
別の態様において、熱源回路120、熱に敏感な回路104〜118およびTSVは回路基板102に含まれることができ、回路基板102の上面204はウィンドウ型BGA基板208に結合されることができる。
別の態様において、熱に敏感な回路104〜118はダイナミックランダムアクセスメモリセルであることができ、熱源回路120は、センスアンプ回路、メモリセル書込回路およびメモリセルプリチャージ回路から成る群のうちの少なくとも1つである。
別の態様において、熱伝導性ブラインドTSV122は、銅、タングステン、金、アルミニウムおよび銀から成る材料群からの1つを充填されることができる。
別の態様において、半導体デバイス200は、上面204および裏面202を有する集積回路(IC)モジュール206を備えることができる。回路基板102は、熱源回路120および熱に敏感な回路104〜118を有する回路基板102を含むことができる。回路基板102の上面204にパッケージ基板208が結合されることができる。複数の熱伝導性シリコンスルービア(TSV)122が、半導体基板102の裏面202から半導体ダイの上面204近くまで、しかし貫通はせずに、形成されることができる。TSVは半導体ダイの他の内部回路に接触しない。
別の態様において、熱伝導性TSV122の上部は半導体ダイの裏面において露出されることができる。半導体デバイス200は、熱伝導性TSVの上部に結合または付着されるヒートスプレッダをさらに含むことができる。
別の態様において、複数の断熱性TSV124が、回路基板102における金属層および絶縁層の一部のみを通じて配置され、熱源回路120と熱に敏感な回路104〜118との間に配置されることができる。
別の態様において、熱伝導性TSV122は列を成すように形成されることができ、この列は断熱性TSV124の列に対して互い違いであることができる。
別の態様において、断熱性TSV124は、二酸化ケイ素および窒化ケイ素から成る材料群のうちの1つを充填されることができる。
別の態様において、パッケージ基板208はウィンドウ型ボールグリッドアレイ(BGA)基板であることができ、回路基板102は、ウィンドウ型BGA基板における相互接続部にワイヤボンディングされることができる。
別の態様において、熱に敏感な回路104はダイナミックランダムアクセスメモリセルであることができ、熱源回路120は、センスアンプ回路、メモリセル書込回路およびメモリセルプリチャージ回路から成る群のうちの少なくとも1つであることができる。
別の態様において、熱伝導性TSV122は、銅、タングステン、金、アルミニウム、銀、窒化ホウ素および窒化アルミニウムから成る材料群からの1つを充填されることができる。
別の態様において、熱伝導性TSV122は、熱源回路120からの熱が熱に敏感な回路104〜118の動作に影響を及ぼすことを防ぐための補助をすることができる。
別の態様において、方法は、回路基板102の裏面202における複数のサーマルビア122、124のための配置を選択することを含むことができ、それによって、サーマルビアは回路基板102の上面204までは延在せず、回路基板102の他の回路に接続されず、回路基板102における熱源回路120と熱に敏感な回路104〜118との間に配置される。次いで、サーマルビア122、124が形成され充填される。回路基板102の裏面202はパッケージ基板208に電気的に結合される。
別の態様において、サーマルビアは、熱伝導性ビア122および断熱性ビア124から成る群のうちの少なくとも1つである。
別の態様において、方法は、ヒートスプレッダ218をパッケージ化された半導体デバイス200に付着させることをさらに含むことができる。
本開示を実装する装置は、大部分について、当業者に既知の電子コンポーネントおよび回路から成っているため、本開示の基礎となる概念の理解および評価のために、ならびに本開示の教示を分かりにくくせず当該教示から注意を逸らさせないために、回路の詳細は上記で例示されているように必要と考えられる範囲を超えては説明されない。
本明細書において、具体的な実施形態を参照して本開示を説明したが、添付の特許請求の範囲に明記される本開示の範囲から逸脱することなくさまざまな改変および変更を為すことができる。したがって、本明細書および図面は限定的な意味ではなく例示とみなされるべきであり、すべてのこのような改変が本開示の範囲内に含まれることが意図されている。本明細書において具体的な実施形態に関して記載されているいかなる利益、利点、または問題に対する解決策も、任意のまたはすべての請求項の重要な、必要とされる、または基本的な特徴または要素として解釈されるようには意図されていない。
さらに、本明細書において使用される場合、「1つ(“a” or “an”)」という用語は、1つまたは2つ以上として定義される。さらに、特許請求の範囲における「少なくとも1つの」および「1つまたは複数の」などの前置きの語句の使用は、不定冠詞「1つの(“a” or “an”)」による別の請求項要素の導入が、このように導入された請求項要素を含む任意の特定の請求項を、たとえ同じ請求項が前置きの語句「1つまたは複数の」または「少なくとも1つの」および「1つの(“a” or “an”)」などの不定冠詞を含む場合であっても、1つだけのこのような要素を含む開示に限定することを暗示するように解釈されるべきではない。同じことが、定冠詞の使用についても当てはまる。
別途記載されない限り、「第1の」および「第2の」などの用語は、そのような用語が説明する要素間で適宜区別するように使用される。したがって、これらの用語は必ずしも、このような要素の時間的なまたは他の優先順位付けを示すようには意図されていない。

Claims (20)

  1. 半導体デバイスであって、
    熱源回路と、
    熱に敏感な回路と、
    前記熱源回路と前記熱に敏感な回路との間に配置される複数のシリコンスルービア(TSV)であって、熱伝導性のブラインドビアである複数の熱伝導性ブラインドTSVとを備え、前記複数の熱伝導性ブラインドTSVは、
    前記熱源回路からの熱の少なくとも一部が前記熱に敏感な回路に影響を及ぼすことを防ぐための補助を行い、
    該複数の熱伝導性ブラインドTSVが形成される回路基板の一部分のみを通じて延在しており、
    アクティブ回路には接続されていない、半導体デバイス。
  2. 前記複数の熱伝導性ブラインドTSVに結合されたヒートシンクをさらに備える、請求項1に記載の半導体デバイス。
  3. 前記熱伝導性ブラインドTSVと前記熱に敏感な回路との間に配置される複数の断熱性TSVをさらに備える、請求項1に記載の半導体デバイス。
  4. 前記熱伝導性ブラインドTSVは列を成すように形成されており、該列は断熱性TSVの列に対して互い違いである、請求項3に記載の半導体デバイス。
  5. 前記断熱性TSVは、二酸化ケイ素、窒化ケイ素およびエーロゲルから成る材料群のうちの1つを用いて形成される、請求項3に記載の半導体デバイス。
  6. 前記半導体デバイスはウィンドウ型ボールグリッドアレイ(BGA)基板をさらに備えており、前記熱源回路、前記熱に敏感な回路および前記熱伝導性ブラインドTSVは前記回路基板に備えられており、前記回路基板の上面は前記ウィンドウ型BGA基板に結合される、請求項1に記載の半導体デバイス。
  7. 前記熱に敏感な回路はダイナミックランダムアクセスメモリセルであり、前記熱源回路は、センスアンプ回路、メモリセル書込回路およびメモリセルプリチャージ回路から成る群のうちの少なくとも1つである、請求項1に記載の半導体デバイス。
  8. 前記熱伝導性ブラインドTSVは、銅、タングステン、金、アルミニウム、銀、窒化ホウ素および窒化アルミニウムから成る材料群のうちの1つを用いて形成される、請求項3に記載の半導体デバイス。
  9. 上面および裏面を有する回路基板を有する半導体デバイスであって、
    該回路基板は、
    熱源回路と、
    熱に敏感な回路と、
    該回路基板の前記上面に結合されるパッケージ基板と、
    該回路基板の前記裏面から該回路基板の前記上面の近くまで、前記上面には貫通することなく形成される複数の熱伝導性シリコンスルービア(TSV)と、を備えており、
    前記複数の熱伝導性TSVは、前記回路基板の内部または外部のアクティブ回路とは接触しない、半導体デバイス。
  10. 前記複数の熱伝導性TSVの上部は前記回路基板の一方の面において露出されており、前記半導体デバイスは、
    前記複数の熱伝導性TSVの前記上部に結合されるヒートスプレッダをさらに備える、請求項9に記載の半導体デバイス。
  11. 前記熱源回路と前記熱に敏感な回路との間に配置される複数の断熱性TSVをさらに備えており、前記複数の断熱性TSVは、前記回路基板における金属層および絶縁層のうちの一部の層のみを通じて形成される、請求項9に記載の半導体デバイス。
  12. 前記複数の熱伝導性TSVは列を成すように形成されており、該列は断熱性TSVの列に対して互い違いである、請求項11に記載の半導体デバイス。
  13. 前記断熱性TSVは、二酸化ケイ素、窒化ケイ素およびエーロゲルから成る材料群のうちの1つを用いて形成される、請求項11に記載の半導体デバイス。
  14. 前記パッケージ基板はウィンドウ型ボールグリッドアレイ(BGA)基板であり、前記回路基板は、ボンディングワイヤを用いて前記ウィンドウ型BGAに結合される、請求項9に記載の半導体デバイス。
  15. 前記熱に敏感な回路はダイナミックランダムアクセスメモリセルであり、前記熱源回路は、センスアンプ回路、メモリセル書込回路およびメモリセルプリチャージ回路から成る群のうちの少なくとも1つである、請求項9に記載の半導体デバイス。
  16. 前記複数の熱伝導性TSVは、銅、タングステン、金、アルミニウム、銀、窒化ホウ素および窒化アルミニウムから成る材料群からの1つを用いて形成される、請求項11に記載の半導体デバイス。
  17. 前記複数の熱伝導性TSVは、前記熱源回路の1〜10マイクロメートルの範囲内において配置される、請求項9に記載の半導体デバイス。
  18. 回路基板の裏面における複数のサーマルビアのための配置を選択する工程であって、該工程によって、前記サーマルビアは
    前記回路基板の上面まで部分的にのみ延在し、
    前記回路基板におけるアクティブ回路に接続されず、
    前記回路基板における熱源回路と熱に敏感な回路との間に配置される、前記選択する工程と、
    前記サーマルビアを充填する工程と、
    前記回路基板の上面をパッケージ基板に電気的に結合する工程と、を備える、方法。
  19. 前記サーマルビアは、熱伝導性ビアおよび断熱性ビアから成る群のうちの少なくとも1つである、請求項18に記載の方法。
  20. 熱伝導性接着層を前記回路基板の裏面に被着させる工程と、
    ヒートシンクを前記熱伝導性接着層に付着させる工程とをさらに備える、請求項18に記載の方法。
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