KR20010067308A - 적층 다이를 갖는 집적 회로 패키지 - Google Patents

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KR20010067308A
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mother die
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블레드소제임스다렌
크로프트다니엘아이
켈리마이클지
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마리 오 휴버
애질런트 테크놀로지스, 인크.
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Abstract

본 발명은 마더 다이의 최상층에 적층된 도러 다이를 갖는 집적 회로 어셈블리에 관한 것이다. 마더 다이의 상층 표면은 다수의 도전 접촉 패드를 포함하고, 도러 다이의 하층 표면은 마더 다이의 접촉 패드 중 제각기의 접촉 패드에 레지스터되고, 각각 전기적으로 연결되는 다수의 대응하는 도전 접촉 패드를 가진다. 패드는 도러 다이 주변으로부터 떨어져서 임의의 위치에 분포할 수 있다. 다이의 회로 층은 서로 마주볼 수 있으며, 다이는 도전 층 또는 땜납 범프에 의해 연결될 수 있다.

Description

적층 다이를 갖는 집적 회로 패키지{INTEGRATED CIRCUIT PACKAGE WITH STACKED DIES}
본 발명은 집적 회로에 관한 것으로, 구체적으로 다수 칩 집적 회로 어셈블리에 관한 것이다.
전자 디바이스는 미니 패키지(a miniature package)에서 복잡한 동작을 제어하기 위해 집적 회로 칩을 사용한다. ASIC(an Application Specific Integrated Circuit) 디바이스는 특정 기능을 제공하도록 통상 설계된다. 회로 패턴의 더 협소한 트레이스(trace) 및 공간 배치를 가진 더 작은 기하학적 구조를 허용하는 제조 프로세스의 발전으로, ASIC 칩의 사이즈는 줄어들어서, 부품 사이즈 및 비용이 감소하고, 주어진 칩 사이즈에 대한 기능은 증가한다. 그러나 소정 임계값 미만의 작은 기하학적 구조는 ASIC 칩과 인터페이스(interface)되는 다른 전자 요소가 필요로 하는 적정 입력 및 출력(I/O) 전압 값에 적합하지 않다.
더욱이, 선택된 집적 회로 제조 프로세스로 생산된 칩은 소정의 원하는 기능을 갖지 않을 수도 있다. 예를 들어, 디지털 데이터 프로세싱 기능을 위해 최적 소형화하도록 생산된 칩(예를 들어 CMOS)은 이상적으로 단일 회로로 설계될 수 있는 아날로그 신호 프로세싱, 디램(DRAM), FeRAM, 또는 플래시(FLASH) 기능을 위해 적합하지 않을 수도 있다. 설령 칩 상에 바람직한 기능을 정상적으로 결합하는 것이 가능하다 할지라도, 하나 혹은 그 이상의 기능에 의해 결과를 타협해야 한다.
현재로는, 둘 혹은 그 이상의 비 호환 IC 프로세스를 제공하기 위해서는, 다수의 칩이 필요하다. 구성 요소들 사이의 정상적인 공간 배치를 한다 할 때, 연장된 연결은 동작 속도를 제한하고, 인덕턴스 및 EMI에 민감하고, 제조 및 구성 요소 비용을 증가시키고, 사이즈를 증가시켜 바람직하지 않게 한다. 작은 사이즈를 제공하기 위해, 단일 패키지 내에 다수의 칩을 포함하여 왔다. 예를 들어, 미국 특허 제 5,777,345호는 보다 큰 다이(a die)의 상층 표면에 다이가 실장된 다수 칩 집적 회로 패키지를 개시한다. 상층 다이의 주변 접합 패드(peripheral bond pads)는 리드 프레임의 주변 패드에 접합되어 있는 지지 다이의 주변 패드에 와이어 본드(wire bonds)로 연결되어 있다. 그러나 이 접근법은 접합 길이를 정상 범위 내에서 유지하기 위해 패드의 배치, 상층 다이의 사이즈, 수 및 지지 다이에 대한 위치에서 융통성을 제한하여 왔다. 더욱이, 롱 와이어 본드(long wire bonds) 및 제한된 패드 위치는 트레이스와 루프 와이어를 더 길게하고 결과적으로 인덕턴스 영향을 증가시킨다. 접합 와이어 루프의 높이는 필요로 하는 것보다 더 큰 프로파일(profile)을 가진 보호 패키지에 또한 수용되어야 한다. 또한 각 적층 다이의 상층 부분 상의 회로 사이의 갭은 EMI 이점을 제한하고, 상층 다이의 상층 표면은 보호되지 않는다.
본 발명은 종래 기술의 제한을 마더 다이(a mother die) 최상층에 적층된 도러 다이(a daughter die)를 갖는 집적 회로 어셈블리를 제공함으로써 극복한다. 마더 다이의 상층 표면은 다수의 도전 접촉 패드(conductive contact pads)를 포함하고, 도러 다이의 하층 표면은 마더 다이의 제각기의 접촉 패드에 레지스터 (register)되고 각각 전기적으로 연결되는 다수의 대응하는 도전 접촉 패드를 가진다. 패드는 임의 위치에 분포할 수 있고 도러 다이 주변으로부터 떨어져 분포할 수도 있다. 다이의 회로 층은 서로 마주볼 수도 있으며 다이는 도전 층 또는 땜납 범프에 의해 연결될 수도 있다.
도 1은 도 2의 라인 1-1을 따라 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 회로 어셈블리의 부분 측면도,
도 2는 도 1의 회로 어셈블리의 평면도,
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 회로 어셈블리의 평면도,
도 4, 도 5 및 도 6은 본 발명의 다른 실시예의 분해된 부분 측면도.
도 1은 프린트된 회로 기판(12) 및 기판의 상층 표면(20)에 연결된 하층 표면(16)을 갖는 제 1 집적 회로 칩 즉, 마더 다이(14)를 포함하는 회로 어셈블리(10)를 도시한다. 제 2 집적 회로 칩 또는 도러 다이(22)는 마더 다이의 상층 표면(26)에 전기적 및 기계적으로 연결된 하층 표면(24)을 갖는다.
마더 다이는 하층 표면에 금속 그라운드 플레인(30)을 가지며, 칩의 기능 회로를 갖는 다수 층을 포함하는 상층 표면(26) 가까이에 상층 회로 부분(32)을 가진다. 상층(34)은 상층 표면 주변에서 금속 접합 패드(36)를 포함하고, 마더 다이 회로와 접합 패드 및 상층 표면의 다른 선택된 위치 사이의 전기적인 연결을 포함하는 재분배 층 물질(40)을 포함한다. 접합 와이어(42)는 기판 상의 각 접합 패드(36)를 각각의 접합 패드(44)에 연결한다.
도러 다이(22)는 마더 다이에 대해 거꾸로이다. 즉 그라운드 플레인(46)은 마더 다이로부터 위쪽으로 떨어져 향하고 있으며 회로 부분(50)은 마더 다이 쪽으로 아래쪽으로 향하고 있다. 재분배 층(52)은 회로 부분을 덮고 있으며, 도러 다이 하층 표면의 선택된 영역과 회로 부분(50) 내의 회로 요소 사이에 선택된 전기적인 연결을 제공한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 다수의 접촉 위치(54)는 도러 다이의 영역 주변에 분포한다. 이러한 위치 각각에서, 다이 사이가 전기적으로 연결되어 있다. 도시된 실시예에서, 적어도 하나의 다이의 표면에 사전 프린팅된 땜납 범프로 형성된 땜납 결합부(56)에 의해 연결되어 진다. 접촉 위치는 도러 다이 표면 위의 연결 위치의 본질적인 임의 배열을 위하여 중앙 및 중간 위치에 더하여 주변 위치를 포함하여 제한없이 배열될 수도 있다. 단락(shorting)을 피하도록 위치 사이의 최소 공간을제외한 어느 위치도 받아들일 수 있다. 이것은 필요하다면 전 표면이 다수의 연결로 채워질 수도 있으며, 도러(또는 마더) 다이 상의 회로가 최적으로 위치하는 위치에서 연결되게 할 수도 있다. 위치에 라우팅 트레이스(routing traces)의 과도한 사용을 피함으로써, 다이 영역은 감소할 수 있고 EMI 또한 감소할 수도 있다.
바람직한 실시예에서, 마더 다이 및 도러 다이는 각각의 표준이 각 칩에 성능, 비용 및 다른 이점을 최적화하도록 선택된 상이한 반도체 칩 생산 프로세스 표준으로부터 생산된다. 한 가지 예를 들면, 마더 다이는 저 전압 신호에 사용되는 최소 사이즈 패턴 기하학적 구조를 갖는 고속 CMOS이다. 도러 다이는 더 큰 기하학적 프로세스로 생산되고, 저 전압 신호를 기판위 혹은 기판 외부의 다른 곳에 위치한 다른 회로가 필요로 하는 더 높은 라인 전압으로 전환하기 위한 드라이버 회로(a driver circuitry)를 포함한다. 따라서 고속 능력을 사용하는 마더 다이 상에서 발생된 출력 신호는 하나의 연결(56)을 경유해 위의 도러 다이로 송신되고, 여기서 도러 다이 회로는 신호를 더 높은 전압이 되게 한다. 더 높은 전압 신호는 상이한 연결을 경유해 아래의 마더 다이로 송신된다. 거기서부터, 마더 다이 상에 적정 "키프 아웃(keep out)" 공간을 갖는 최소 표준 보다 더 넓은 트레이스는 접합 패드(36)에 더 높은 전압 신호를 운반한다. 마더 다이 상의 다른 회로는 EMI 효과를 피하도록 고 전압 트레이스로부터 적당히 떨어져 배치될 수도 있다. 마더 다이가 단일의 더 높은 전압 신호를 운반할 수 있다 하더라도, 그런 전압에서 신호를 처리할 수는 없다.
바람직한 실시예에서, 다이는 땜납 결합의 최소 두께를 제외하고는 본질적으로 공간이 없이 마주보고 있다. 이런 표면의 접경은 도전 경로 길이를 최소화하고 따라서 인덕턴스 및 EMI 효과는 감소한다. 게다가, 이 샌드위치 구조의 가장 바깥의 표면에서 그라운드 플레인(30, 46)을 갖는것은 EMI를 더욱 감소시키는 "패러데이 케이지(Faraday cage)"를 발생시킨다. 본질적으로 모든 도러 다이 회로 및 마더 다이 회로의 일부는 케이지의 그라운드 플레인 사이에 포함된다. 또한,도러 다이의 그라운드 플레인인 패키지의 가장 높은 표면은 민감한 회로 또는 연결을 포함하지 않기 때문에 특히 견고(robust)하다. 커버(a cover) 또는 밀봉체(encapsulant)조차 없이도 견고한 어셈블리가 제공된다.
또한 돌출(protruding) 접합 부분이 없어서 어셈블리가 사용되는 소형 전자 디바이스를 위한 중요 인자(factor)가 될 수 있는 필요 패키지 높이가 감소된다. 마더 및 도러 다이는 바람직하게 동일 실리콘 기판 물질을 토대로 하기 때문에, 그들은 온도 팽창 계수를 공유하고, 연결에서 커다란 스트레스 없이 넓은 온도 범위를 견딘다.
도 3에 도시되었듯이, 다수의 도러 다이(22a, 22b)는 단일 마더 다이 상에 인스톨(install)될 수도 있다. 이들 도러 다이는 상이한 사이즈, 상이한 기능, 상이한 프로세스로 생산될 수도 있다. 도러 다이는 치수 공차가 정확한 곳에서 서로에 인접하게 또는 도시된 바와 같이 최소 공간을 갖고 배치되어 도러 패턴에 관한 도러 다이의 에지 치수에서 어느 변화에도 불구하고 연결 위치(54)에 위치 맞춤(a registration)을 허용할 수도 있다. 바람직한 실시예에서와 같이, 도러 다이는 접합 패드의 영역이 아닌 어느 위치에 위치할 수도 있으며, 접합(bonding)을 위한 공차(a clearance)가 필요할 수도 있다. 마더 다이는 상당한 높이 또는 공차를 필요로 하지 않는 수단에 의해 연결되어 진다면, 도러 다이는 어느 위치에나 연결될 수 있다.
두 반도체 칩의 프론트(front) 표면 사이를 연결하는 어느 적합한 수단이라도 도러 다이를 마더 다이에 부착시킬 수 있다. 도 4는 바람직한 실시예를 도시하는데, 여기서 마더 및 도러 다이 각각은 각각의 연결을 위한 땜납 범프(60)을 갖는다. 땜납 범프는 각 다이 상에서 소망의 회로에 전기적인 연결을 제공하는 재분배 층(40)에 연결되어 있다. 도 5는 도러 다이가 땜납 범프(60)를 갖는 변형을 보여주며, 마더 다이는 대응하는 위치내에 위치 금속 접촉(locating metal contacts)을 갖는다. 용해된 땜납의 표면 장력 효과(surface tension effects)는 도러 다이가 땜납 프로세스 동안 자기 정렬(self aligning)하게 한다.
도 6은 금속 또는 재분배 층 접촉 패드(64)를 도러 및 마더 다이 둘 모두의 연결 위치 각각에서 제공하는 후속의 다른 실시예를 도시한다. 무(無) 땜납 프로세스에서, 오직 수직 도전을 허용하는 이방성 특성을 갖는 도전 접착제는 인접 연결 사이의 단락(shorts)을 방지한다. 그런 접착제는 또한 "Z축" 접착제로 알려졌다. 접착제는 전 표면을 통해 분포된 액체 또는 페이스트(paste)일 수도 있으며, 또는 각 패드에 선택적으로 도포될 수도 있으며 등방성일 수도 있다. 이와 달리, 온도 프로세스에 의해 활성화되고 경화되는 접착제를 가진 고체 도전 접착제 한 장이 Z축 도전을 위해 마더 및 도러 접촉 사이에 위치할 수도 있다.
상기에서 바람직한 및 다른 실시예에 관하여 논의하였으나, 본 발명은 첨부한 청구범위에 의해서만 제한된다.
본 발명은 접합 길이를 정상 범위내로 유지하기 위해 상층 다이의 사이즈, 수 및 지지 다이에 관한 패드 배치 등에서 융통성을 제한해 온 종래 기술을 마더 다이(a mother die) 최상층에 적층된 도러 다이(a daughter die)를 갖는 집적 회로 어셈블리를 제공함으로써 극복한다.

Claims (20)

  1. 집적 회로 어셈블리(an integrated circuit assembly)에 있어서,
    다수의 도전 접촉 패드(conductive contact pads)를 포함하는 상층 표면(an upper surface)을 가진 마더 다이(a mother die)와,
    상기 마더 다이의 상기 상층 표면에 연결되는 도러 다이(a daughter die)를 포함하되,
    상기 도러 다이는 상기 마더 다이의 상기 접촉 패드 중 제각기의 접촉 패드에 레지스터(register)되고 각각 전기적으로 연결된 다수의 도전 접촉 패드를 갖는 하층 표면(a lower surface)을 구비하는 집적 회로 어셈블리.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 마더 다이의 상기 상층 표면은 다수의 회로 층을 포함하고,
    상기 도러 다이의 상기 하층 표면은 다수의 회로 층을 포함하며,
    상기 다이의 상기 회로 층은 서로 마주하는 집적 회로 어셈블리.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 다이 사이에 도전 층(a conductive layer)을 포함하는 집적 회로 어셈블리.
  4. 제 1 항에 있어서,
    적어도 소정의 상기 접촉 패드는 땜납 범프(solder bumps)를 포함하는 집적 회로 어셈블리.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 도러 다이는 주변 에지(a peripheral edge)를 가지며, 적어도 소정의 상기 접촉 패드는 상기 에지로부터 상이한 양만큼 떨어져 위치하는 집적 회로 어셈블리.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 마더 다이는 상기 도러 다이 보다 더 상이한 프로세스 표준으로 생산되는 집적 회로 어셈블리.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 마더 다이는 상기 도러 다이 보다 더 작은 최소 트레이스 폭(a minimum trace width)을 갖는 집적 회로 어셈블리.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 도러 다이는 상기 마더 다이 보다 더 높은 전압 능력을 갖는 집적 회로 어셈블리.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 마더 다이는 상기 접촉 패드 중 하나를 상기 도러 다이로부터 떨어져 위치한 외부 접촉 패드에 연결하는 적어도 더 높은 전압 능력 트레이스(a higher voltage capable trace)를 갖는 집적 회로 어셈블리.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 마더 다이의 상기 상층 표면에 연결되는 제 2 도러 다이를 포함하는 집적 회로 어셈블리.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 도러 다이는 제한된 양에 의해 가까이에 떨어져 위치한 집적 회로 어셈블리.
  12. 집적 회로 어셈블리에 있어서,
    다수의 회로 층을 갖는 상층 표면을 구비하는 마더 다이와,
    상기 마더 다이의 상기 상층 표면에 연결되는 도러 다이와,
    다수의 회로 층을 갖는 하층 표면을 구비하는 상기 도러 다이를 포함하되,
    상기 마더 다이의 상기 상층 표면은 다수의 도전 접촉 패드를 가지고 상기 도러 다이의 상기 하층 표면은 상기 마더 다이의 상기 접촉 패드 중 제각기의 접촉 패드에 레지스터되고 각각 전기적으로 연결되는 다수의 도전 접촉 패드를 가져서, 상기 다이의 상기 회로 층은 서로 마주하는 집적 회로 어셈블리.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 다이 사이에 도전 층을 포함하는 집적 회로 어셈블리.
  14. 제 12 항에 있어서,
    적어도 소정의 상기 접촉 패드는 땜납 범프를 포함하는 집적 회로 어셈블리.
  15. 제 12 항에 있어서,
    상기 도러 다이는 주변 에지를 가지며, 적어도 소정의 상기 접촉 패드는 상기 에지로부터 상이한 양만큼 떨어져 위치하는 집적 회로 어셈블리.
  16. 제 12 항에 있어서,
    상기 마더 다이는 상기 도러 다이 보다 더 상이한 프로세스 표준으로 생산되는 집적 회로 어셈블리.
  17. 집적 회로 어셈블리에 있어서,
    다수의 도전 접촉 패드를 갖는 상층 표면을 구비하는 마더 다이와,
    상기 마더 다이의 상기 상층 표면에 연결되는 도러 다이와,
    상기 마더 다이의 상기 접촉 패드 중 제각기의 접촉 패드에 레지스터되고 각각 전기적으로 연결되는 다수의 도전 접촉 패드를 갖는 하층 표면을 구비하는 상기 도러 다이를 포함하되,
    적어도 소정의 상기 도러 다이의 상기 접촉 패드는 상기 하층 표면의 중간 부분에 위치하여, 상기 도러 다이의 주변으로부터 떨어져 위치하는 집적 회로 어셈블리.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 도러 다이는 주변 에지를 가지며, 적어도 소정의 상기 접촉 패드는 상기 에지로부터 상이한 양만큼 떨어져 위치하는 집적 회로 어셈블리.
  19. 제 17 항에 있어서,
    적어도 소정의 상기 도러 다이의 상기 접촉 패드는 상기 주변 보다 상기 다이의 상기 중앙에 더 가까이 위치하는 집적 회로 어셈블리.
  20. 제 17 항에 있어서,
    상기 다이 사이에 도전 층을 포함하는 집적 회로 어셈블리.
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