KR20090028502A - Packaged system of semiconductor chips having a semiconductor interposer - Google Patents
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- H01L2224/16225—Disposition the bump connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being non-metallic, e.g. insulating substrate with or without metallisation
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Abstract
Description
본 발명은 일반적으로 반도체 디바이스 및 프로세스 분야에 관한 것이며, 특히 로우 프로파일(low profile)의, 수직 집적된 PoP(package-on-package) 반도체 시스템에 관한 것이다. FIELD OF THE INVENTION The present invention relates generally to the field of semiconductor devices and processes, and more particularly to a low profile, vertically integrated package-on-package (PoP) semiconductor system.
최신의 반도체 패키지를 형성하기 위해 반도체 칩이 기판(substrate) 또는 인터포저(interposer)로 탑재되려할 때, 기판 및 인터포저는 일반적으로 플라스틱 또는 세라믹 소재로 만들어진다. 칩 어셈블리 기술이 칩과 기판/인터포저간에 전기적인 연결을 생성하기 위해 솔더볼(solder ball)을 사용하는 플립칩(flip-chip) 방법을 이용할 때, 플라스틱 또는 세라믹 소재들이 특히 선호된다. 이후 어셈블된 디바이스들이 패키지에 넓은 범위의 온도 또는 습도 변화를 가하는 조건하에서 사용되거나 테스트되면, 특히 솔더 연결점에서의 틈새(crack) 및 패키지 부품들의 박리(delamination)를 특징으로 하는 두드러진 실패율이 나타날 수 있다. When semiconductor chips are to be mounted as substrates or interposers to form state-of-the-art semiconductor packages, the substrates and interposers are generally made of plastic or ceramic materials. Plastic or ceramic materials are particularly preferred when the chip assembly technique uses a flip-chip method that uses solder balls to create an electrical connection between the chip and the substrate / interposer. If the assembled devices are then used or tested under conditions that apply a wide range of temperature or humidity changes to the package, a noticeable failure rate may occur, particularly characterized by cracks in the solder joints and delamination of the package components. .
핸드헬드 전화기와 같은 전자제품으로 반도체 디바이스들을 어셈블하기 위해 필요한 보드 면적을 줄이려는 바람에 이끌려, 오늘날의 반도체 디바이스는 패키지 내에 수직 적층형 칩(vertically stacked chip)을 주로 사용한다. 이러한 칩 스택 은 플라스틱 또는 세라믹 소재로 만들어진 인터포저 상에서 와이어 본딩(wire bonding) 기술에 의해 대부분 어셈블된, 확연히 다른 크기의 칩들을 포함하는 경우가 많다. 인터포저 상의 스택은 이후 외장 부품과의 상호연결을 위해 솔더볼을 이용하여 기판 상에 어셈블된다. 온도 사이클 및 높은 습도 조건 하의 이러한 디바이스에서 관찰된, 솔더 연결점 틈새 또는 부품 박리에 의한 신뢰도 실패율이 특히 높다. Driven by the desire to reduce the board area needed to assemble semiconductor devices into electronics such as handheld phones, today's semiconductor devices use mainly vertically stacked chips in a package. Such chip stacks often include significantly different sizes of chips, most of which are assembled by wire bonding techniques on interposers made of plastic or ceramic materials. The stack on the interposer is then assembled onto the substrate using solder balls for interconnection with the exterior components. Reliability failure rates due to solder joint gaps or component stripping, as observed in such devices under temperature cycles and high humidity conditions, are particularly high.
<개요><Overview>
출원인은 플라스틱 인터포저 상에 어셈블된 칩을 가진 디바이스에서 관찰된 신뢰도 실패율의 주요 원인으로서, 소재의 특성, 특히 플라스틱 또는 세라믹 소재와 반도체 소재간의 열팽창계수(CTE)의 큰 변동을 인지한다(플라스틱 또는 세라믹 소재의 CTE는 실리콘 소재의 CTE보다 7배에서 10배 높다). CTE 불일치는 플라스틱 소재 대신에 반도체 소재로 만들어진 인터포저를 사용함으로써 감소된다. Applicants recognize a large variation in material properties, especially the coefficient of thermal expansion (CTE) between plastic or ceramic and semiconductor materials, as a major source of reliability failure rates observed in devices with chips assembled on plastic interposers. The CTE of ceramic material is 7 to 10 times higher than that of silicon material). CTE mismatches are reduced by using interposers made of semiconductor materials instead of plastics.
출원인은 특히 전자 시스템뿐만이 아니라 반도체 디바이스에 대한 디바이스 적층 및 PoP 방법을 위해, 2차원 및 3차원 모두에서 반도체 디바이스를 축소해야 할 필요를 더 인지한다. 출원인의 접근에서, 결과적인 시스템(resulting system)은 전기적인 저항 및 인덕턴스를 최소화하고 플립칩 어셈블리로 와이어 본딩을 대체함으로써 개선된 속도 및 전력 능력을 제공한다. 반도체 인터포저의 추가적인 이점은 능동 전자 디바이스 및 집적 회로(integrated circuit)마저도 인터포저의 표면 내에 구성하기 위한 기회이다. Applicants further recognize the need to scale down semiconductor devices in both two and three dimensions, particularly for device stacking and PoP methods for semiconductor devices as well as electronic systems. In Applicants' approach, the resulting system provides improved speed and power capability by minimizing electrical resistance and inductance and replacing wire bonding with flip chip assemblies. A further advantage of semiconductor interposers is the opportunity to configure even active electronic devices and integrated circuits within the surface of the interposer.
본 발명의 일 실시예는 제1 및 제2 표면 상에 특정한 치수의 도전 선(conductive line)(바람직하게는 전력 분배를 위해 설계된 것임)을 가진 하나 이상의 반도체 인터포저를 가지는 반도체 시스템이다. 도전성의 비아(via)들은 제1 표면으로부터 제2 표면으로까지 연장되는데, 단자 및 부착된 비(非)리플로우(non-reflow) 금속 스터드가 비아들의 종단에 있고, 바람직하게는 제1 표면에는 구리 스터드(copper stud)가, 제2 표면에는 금 스터드(gold stud)가 있다. 하나 이상의 반도체 칩은 인터포저 치수보다 좁은 치수, 및 단자와 비(非)리플로우 금속 스터드를 갖는 활성화 표면을 갖는다. 한 칩은 제1 인터포저 표면에 플립 부착되고, 또다른 칩은 제2 인터포저 표면에 플립 부착되어, 인터포저 치수는 칩 치수보다 돌출된다. 절연 기판은 단자를 갖는 제3 표면 및 제4 표면을 가진다. 도전선은 표면과, 제3 표면으로부터 제4 표면으로까지 연장된 도전성 비아들 사이에 있다. 제3 기판 표면의 단자 상의 리플로우 바디는 돌출된 인터포저의 제2 표면 상의 스터드에 연결된다. One embodiment of the present invention is a semiconductor system having one or more semiconductor interposers with conductive lines of a particular dimension (preferably designed for power distribution) on the first and second surfaces. Conductive vias extend from the first surface to the second surface, with the terminal and attached non-reflow metal stud at the end of the vias, preferably at the first surface There is a copper stud and a gold stud on the second surface. One or more semiconductor chips have dimensions narrower than the interposer dimensions and an activation surface having terminals and non-reflow metal studs. One chip is flip-attached to the first interposer surface and another chip is flip-attached to the second interposer surface so that the interposer dimensions protrude beyond the chip dimensions. The insulating substrate has a third surface and a fourth surface with terminals. The conductive line is between the surface and the conductive vias extending from the third surface to the fourth surface. The reflow body on the terminal of the third substrate surface is connected to the stud on the second surface of the protruding interposer.
제1 인터포저 표면은 개별적인 전자 구성요소들 또는 집적 회로를 포함할 수 있다. 캡슐화 소재(encapsulation material)는 반도체 칩, 반도체 인터포저, 및 제3 기판 표면의 일부를 커버(cover)할 수 있다. The first interposer surface may include individual electronic components or integrated circuits. An encapsulation material may cover a portion of the semiconductor chip, semiconductor interposer, and third substrate surface.
또다른 실시예는 하나 이상의 반도체 인터포저의 제조를 포함하는 반도체 시스템 제조 방법이다. 특정한 두께의 반도체 웨이퍼는 제1 표면 및 제2 표면을 가지며, 도전선 및 선택사항인 개별 구성요소들 또는 회로는 제1 표면 상에서 만들어진다. 비아 홀들은 제1 표면으로부터 아래방향으로 특정 깊이까지 연장하도록 형성된다. 이후 절연층은 비아 홀의 측벽을 포함하여 제1 표면 및 제2 표면 위로 적 층된다. 반도체 소재는 비아 홀이 노출될 때까지 제2 웨이퍼 표면으로부터 제거된다. 이후 구리가 퇴적되어 홀을 채우고 제1 표면 및 제2 표면 상에 단자를 형성한다. 비(非)리플로우 금속 스터드는 단자 위에 적층된다. 최종적으로, 웨이퍼는 특정한 치수의 개별 인터포저들로 분리(singulate)된다. Another embodiment is a method of manufacturing a semiconductor system that includes the manufacture of one or more semiconductor interposers. A semiconductor wafer of a particular thickness has a first surface and a second surface, and conductive lines and optional individual components or circuits are made on the first surface. Via holes are formed to extend downwardly from the first surface to a certain depth. The insulating layer is then laminated over the first and second surfaces, including the sidewalls of the via holes. The semiconductor material is removed from the second wafer surface until the via holes are exposed. Copper is then deposited to fill the holes and form terminals on the first and second surfaces. Non-reflow metal studs are stacked over the terminals. Finally, the wafer is singulated into individual interposers of specific dimensions.
인터포저 치수보다 좁은 치수를 가진 하나 이상의 반도체 칩들이 제공된다. 반도체 칩들은 활성화 표면 및 비(非)리플로우 금속 스터드를 갖는 단자를 갖는다. 한 칩은 제1 인터포저 표면에 플립 부착되어, 인터포저 치수는 칩 치수보다 돌출된다. 다른 칩은 제2 인터포저 표면 또는 기판의 표면에 대해 부착된다. 이 절연 기판은 단자들을 갖는 제3 및 제4 표면과, 표면들 사이의 도전선과, 제3 표면으로부터 제4 표면으로 연장하는 도전성의 비아를 갖는다. 리플로우 바디는 제3 기판 표면의 단자 상에 적층된다. 이후 리플로우 바디들은 돌출된 인터포저의 제2 표면 상의 스터드와 접촉되고, 인터포저를 기판으로 부착하도록 리플로우된다. One or more semiconductor chips having dimensions narrower than the interposer dimensions are provided. Semiconductor chips have terminals with active surfaces and non-reflow metal studs. One chip is flip-attached to the first interposer surface so that the interposer dimensions protrude above the chip dimensions. The other chip is attached to the surface of the second interposer surface or the substrate. This insulating substrate has third and fourth surfaces with terminals, conductive lines between the surfaces, and conductive vias extending from the third surface to the fourth surface. The reflow body is laminated on the terminals of the third substrate surface. The reflow bodies are then contacted with a stud on the second surface of the protruding interposer and reflowed to attach the interposer to the substrate.
도 1은 기판 상에 플립 어셈블된 반도체 인터포저 및 인터포저 상에 플립 어셈블된 반도체 칩을 갖는 시스템의 개략적인 단면도이며, 여기서 칩은 인터포저 치수보다 좁은 치수를 가진다. 1 is a schematic cross-sectional view of a system having a flip-assembled semiconductor interposer on a substrate and a semiconductor chip flip-assembled on an interposer, wherein the chip has dimensions narrower than the interposer dimensions.
도 2는 플립 어셈블된 반도체 인터포저, 인터포저 상에 플립 어셈블된 두 개의 반도체 칩을 갖는 시스템의 개략적인 단면도이며, 칩들은 인터포저 치수보다 좁은 치수를 가진다. 2 is a schematic cross-sectional view of a system having a flip assembled semiconductor interposer, two semiconductor chips flip assembled on an interposer, the chips having dimensions narrower than the interposer dimensions.
도 3은 솔더 바디(solder body)를 사용하여 부착된 외장 디바이스를 갖는, 도 2의 시스템과 유사한 시스템의 개략적인 단면도를 보여준다. FIG. 3 shows a schematic cross-sectional view of a system similar to the system of FIG. 2 with an enclosure device attached using a solder body.
도 4는 두 개의 반도체 인터포저, 인터포저 치수보다 좁은 치수를 갖는 두 개의 반도체 칩, 및 기판을 갖는 시스템의 개략적인 단면도이며, 칩들은 인터포저에 플립 부착되는데, 한 기판이 기판에 부착된 제2 기판에 부착된다. 4 is a schematic cross-sectional view of a system having two semiconductor interposers, two semiconductor chips having dimensions narrower than the interposer dimensions, and a substrate, wherein the chips are flip attached to the interposer, with one substrate attached to the substrate; 2 is attached to the substrate.
도 1은 반도체 소재로 만들어진 인터포저(101), 반도체 칩(102) 및 절연계 소재의 기판(103)을 포함하는, 개괄적으로 "100"으로 표시된 반도체 시스템을 도시한다. 실리콘이 선호되는 반도체 소재이긴 하지만, 본 발명은 게르마늄, 실리콘 게르마늄, 갈륨 아스나이드, 또는 디바이스 제조에 사용되는 다른 III-IV 및 II-IV 화합물과 같은 어떠한 반도체 소재에도 적용된다. 1 illustrates a semiconductor system, generally labeled "100", comprising an
인터포저(101)는 "110"으로 표시된 특정한 치수를 가진다. 도 1에서, 치수는 인터포저의 길이(length)이다. 다른 예시에서, 치수는 인터포저의 폭(width)일 수 있다. 더구나, 인터포저는 제1 표면(101a) 및 제2 표면(101b)을 가진다. 제1 표면(101a) 및 제2 표면(101b) 상에는, 구리 또는 알루미늄과 같은 금속층으로부터 패터닝된 전기적 소통을 위한 복수의 도전선들이 있으며, 도 1에 자세한 선들이 보이는 것은 아니지만, 일 부분이 "111"로 나타나 있다. 일부 선들은 고전력 디바이스를 위해 전기적 전류를 전달하기 위한 전력 버스(낮은 IR 강하)로서 형성될 수 있다. Interposer 101 has a particular dimension, denoted as "110". In Figure 1, the dimension is the length of the interposer. In another example, the dimension can be the width of the interposer. Moreover, the interposer has a
선들은 제1 표면으로부터 제2 표면으로 연장하는 도전성의 비아들(112)과 접촉한다. 비아들(112)은 표면(101a)과 표면(101b) 사이에 있는, 금속으로 채워진 연결부(metal-filled connection)이다. 바람직하게, 그들은 반도체 계열 소재와의 의도하지 않은 접촉을 피하기 위한 절연 측벽을 가진, 구리로 채워진 홀들(copper-filled holes)이다. 비아 또는 선의 종단에는, 바람직하게는 구리로 만들어진 단자(113)가 있다. The lines contact
많은 단자들에는, 대부분의 반도체 어셈블리 온도보다 상당히 높은 (약 900℃ 보다 높은) 녹는점을 가진 금속 또는 합금으로 이루어진 금속 스터드들이 부착된다. 도 1의 예시에서, 제1 인터포저 표면(101a) 상의 스터드(114)는 구리로 만들어지는 것이 바람직하고, 제2 표면(101b) 상의 스터드(115)는 금으로 만들어지는 것이 바람직하다. 녹는점이 약 200℃에서 400℃ 사이인 전형적인 주석(tin) 계열의 솔더와는 달리, 스터드 금속은 주로 비(非)리플로우 금속으로 언급된다. 비(非)리플로우 스터드는 솔더 타입의 커넥터보다 작은 크기로 제조될 수 있다. 그리고, 더 작은 스터드 크기는 더 미세한 피치(중앙-대-중앙)를 허용한다. 125㎛ 미만의 스터드 피치가 가능하다.Many terminals are attached with metal studs made of a metal or alloy with a melting point significantly higher than most semiconductor assembly temperatures (higher than about 900 ° C.). In the example of FIG. 1, the
도 1 내의 칩(102)은 치수(120)를 가진다. 칩 치수(120)가 인터포저 치수(110)와 거의 동일할 수 있긴 하지만, 멀티칩 구성에서 인터포저(101)와 기판(103) 사이에 추가적인 컨택트를 위한 공간을 제공하기 위해서는, 인터포저 치수(110)보다 좁은 치수(120)를 가지는 것이 유리하다(도 2, 3 및 4 참조). 칩(102)은 반도체 디바이스(예를 들면, 집적 회로) 및 입/출력 단자(123)를 포함하는 활성화 표면(102a)를 더 가진다. 단자(123)는 바람직하게는 구리로 만들어지며 비(非)리플로우 금속 스터드(124)가 부착된다. 이러한 스터드들은 인터포저 스터드(114)에 직접 부착하기에 금속가공학적으로 적절한 표면의 금, 바람직하게는 구리로 만들어진다.
도 1이 도시하는 것처럼, 칩(102)은 제1 인터포저 표면(101)에 부착되어, 인터포저 치수(110)가 칩 치수(120)보다 길이(140)만큼 돌출된다. 인터포저의 돌출은 칩 둘레에서 대칭이거나 비대칭일 수 있다. As shown in FIG. 1, the
시스템(100)은 제3 표면(103a) 및 제4 표면(103b)을 가진, 절연계 소재로 만들어진 기판(103)을 가진다. 제3 표면(103a) 상에는 단자(131)가 있고, 제4 표면(103b) 상에는 단자(133)가 있다. 단자용으로 바람직한 금속은 솔더 부착에 금속가공학적으로 적절한 표면(바람직하게는, 니켈, 팔라듐 또는 금의 하나 이상의 층)을 갖는 구리이다. 기판(103)은 표면들 사이에 도전선을 더 가진다. 도 1에 자세한 선이 보이지는 않지만, 어떤 일부분들은 "135"에 의해 나타나 있다. 또한 기판(103)은 제3 표면으로부터 제4 표면으로 연장하며 선들에 접촉할 수 있는 도전성의 비아들을 가진다(자세한 비아들은 도 1에 보여지지 않지만, 어떤 일부분은 "136"에 의해 나타나 있음). (주석계 합금인 것이 바람직한) 리플로우 금속의 바디(134)는 단자(131) 상에 존재한다. 그들은 인터포저(101)의 제2 표면(101b) 상의 스터드(115)로의 신뢰가능한 전기적 접촉을 가능하게 한다. The
도 1이 나타내고 있는 것과 같이, 리플로우 바디(솔더볼)(150)는 제4 표면(103b) 상의 단자에 부착될 수 있다. 게다가, 주조 혼합물(molding compound)과 같은 캡슐화 소재(160)는 반도체 칩(102), 반도체 인터포저(101), 및 제3 기판 표면(103a)의 일부를 커버하고 있을 수 있다. 이러한 캡슐화를 사용하는 디바이스에서는, 소재가 칩(102)과 인터포저(101) 사이의 갭 및 인터포저(101)와 기판(103) 사이의 갭에서의 스트레스 완충 언더필(stress-absorbing underfill), 및 스터드(124, 114, 및 115)의 보호라는 이중 목적을 보조한다. As shown in FIG. 1, the reflow body (solder ball) 150 may be attached to a terminal on the
캡슐화 소재(160)의 사용은 선택적이라는 점에 유의해야 한다. It should be noted that the use of
인터포저를 위한 반도체 소재의 사용의 이점은 인터포저와 칩의 비슷한 열팽창계수에 따른 반도체 칩(102)에 부가된 열기계적인 압력의 최소화에 있다. 또다른 이점으로서, 반도체 인터포저는 제1 인터포저 표면(101a)에서의 개별 전자 구성요소들 또는 완전한 집적 회로의 통합을 용이하게 한다. 상세한 구성요소/회로가 도 1에서 도시되지는 않지만, 일부는 "116"에 의해 나타나 있다. 표면(101a)에 포함된 구성요소 또는 회로는, 인터포저(101)가 표면(101a) 및 표면(101b) 양면 상에서 단자와 컨택트를 가지며, 표면들 사이에 상호 접속부를 갖는다는 사실을 활용할 수 있다(집적 회로 및 금속으로 채워진 비아를 가진 인터포저를 제조하는 프로세스 단계들은 아래 기술된다). The advantage of using semiconductor materials for interposers lies in minimizing the thermomechanical pressure applied to
전자 시스템의 어셈블링을 위한 반도체 칩의 치수보다 더 큰 치수를 가지는 반도체 인터포저의 이점은 도 2 내지 도 4에서 명백해진다. 도 2 내지 도 3은 두 개의 반도체 칩과 반도체 인터포저를 갖는 반도체 시스템(200 및 300)을 도시한다. 도 3에서, 시스템(300)은 외장 부품(390) 상의 추가적인 디바이스(380)로 어셈블한다. Advantages of semiconductor interposers having dimensions larger than those of semiconductor chips for assembling electronic systems are evident in FIGS. 2-3 illustrate
도 2에서 반도체 시스템(200)은 반도체 소재로 이루어진 인터포저(201), 제1 반도체 칩(202), 제2 반도체 칩(203), 및 절연계 소재로 이루어진 기판(204)을 포함한다. 인터포저(201)는 약 30㎛ 내지 60㎛의 두께를 갖는 것이 바람직하다. 또한, 인터포저는 특정한 치수를 가지는데, "210"으로 표시된 부분만이 도 2에 도시되어 있다. 더욱이, 인터포저는 제1 표면(201a) 및 제2 표면(201b)을 가진다. 제1 표면(201a) 및 제2 표면(201b) 상에는 구리 또는 알루미늄과 같은 금속층들로부터 패터닝된, 전기적 소통을 위한 복수의 도전선들(부분들(214)만이 도 2에 도시됨)이 있다.In FIG. 2, the
선들에는, 제1 표면으로부터 제2 표면으로 연장되는 도전성의 비아(212)가 접촉한다. 비아(212)는 표면(201a)과 표면(201b) 사이의 금속으로 채워진 연결부이다. 비아(212)는 반도체 계열 소재와의 의도하지 않은 접촉을 피하기 위해 절연벽을 갖는 구리로 채워진 홀인 것이 바람직하다. 비아 또는 선의 종단에는, 바람직하게는 구리로 만들어진 단자(213)가 있다. The lines are in contact with
다수의 단자들에는 대부분의 반도체 어셈블리 온도보다 상당히 높은(약 900℃보다 높은) 녹는점을 갖는 금속 또는 합금으로 이루어진 금속 스터드가 부착된다. 도 2의 예시에서, 제2 표면(201b) 상의 스터드(215)는 구리, 또는 더 바람직하게는 금으로 만들어질 수 있다. 비(非)리플로우 스터드는 리플로우 (솔더 타입)커넥터보다 더 작은 크기로 제조될 수 있다. 그리고, 더 작은 스터드 크기는, 특히 스터드가 와이어 본딩에서 금으로부터 생성될 때, 더 미세한 피치(중앙 대 중앙)를 허용한다. 스터드 피치는 125㎛ 미만이 가능하다.Many terminals are attached with a metal stud made of a metal or alloy having a melting point significantly higher than most semiconductor assembly temperatures (higher than about 900 ° C.). In the example of FIG. 2, the
제1 칩(202)은 대략 50㎛ 정도로 얇을 수 있다. 제1 칩은 가로 치수를 갖는데, 그 일부(220)가 도 2에 도시되어 있다. 또한 제2 칩(203)은 대략 50㎛ 정도로 얇을 수 있으며, 도 2에 일부(230)가 도시된 가로 치수를 가진다. 멀티칩 구성에서 인터포저(201)와 기판(203) 사이에 추가적인 컨택트를 위한 공간을 제공하기 위해, 인터포저 치수(210)보다 좁은 치수(220 및 230)를 가지는 것이 유리하다. 어떤 디바이스에서는, 부분(220)이 부분(210)보다 크거나 같을 수 있다. The
칩(202)은 반도체 디바이스(예를 들면, 집적 회로) 및 입/출력 단자를 포함하는 활성화 표면(202a)을 더 가진다. 단자에는 비(非)리플로우 금속 스터드(224)가 부착된다. 이러한 스터드들은 바람직하게는 금으로 만들어지고 약 5㎛ 내지 10㎛의 높이(tall)이다. 칩(203)은 반도체 디바이스(예를 들면, 집적 회로) 및 입/출력 단자를 포함하는 활성화 표면(203a)을 더 가진다. 단자에는 비(非)리플로우 금속 스터드(234)가 부착된다. 이러한 스터드들은 바람직하게는 금으로 만들어지고 약 5㎛ 내지 10㎛의 높이이다. The
도 2가 도시한 것과 같이, 제1 칩(202)은 제1 인터포저 표면(201a)에 부착되어, 인터포저 치수(210)가 칩 치수(220)보다 특정한 길이만큼 돌출된다. 인터포저의 돌출은 칩 둘레에서 대칭이거나 비대칭일 수 있다. 부착은 칩을 뒤집어서(flip) 칩의 활성화 표면(202a)이 인터포저의 제1 표면(201a)을 바라보도록 함으로써 수행된다. 제2 칩(203)은 제2 인터포저 표면(201b)에 부착되어, 인터포저 치수(210)가 칩 치수(230)보다 돌출된다. 인터포저의 돌출은 칩 둘레에서 대칭이거나 비대칭일 수 있다. 부착은 플립칩 방법에 의해 수행되어, 활성화 표면(203a)이 제2 기판 표면(201b)을 바라보도록 한다. 게다가, 제2 칩의 비활성 표면(passive surface)(203b)은 약 15㎛ 내지 25㎛ 사이의 두께인 점착성 소재(270)에 의해 기판(204)에 부착된다. As shown in FIG. 2, the
인터포저 치수가 적어도 제2 칩의 치수보다 돌출하는 것으로 인해, 제2 인터포저 표면(201b) 상의 스터드(215)는 제3 기판 단자 상의 리플로우 바디로 연결될 수 있도록 남아 있는다. Due to the interposer dimensions protruding at least the dimensions of the second chip, the
시스템(200)은 제3 표면(204a) 및 제4 표면(204b)을 갖는, 대략 200㎛ 내지 300㎛ 사이 두께의 절연계 소재로 만들어진 기판(204)을 가진다. 제3 표면(204a) 상에는 단자(241)가 있고, 제4 표면(204b) 상에는 역시 단자(도 2에 도시되지 않음)가 있다. 단자를 위한 바람직한 금속은 솔더 부착을 위해 알맞은 금속가공학적인 표면(니켈, 팔라듐 또는 금의 하나 이상의 층이 바람직함)의 구리(copper)이다. 기판(204)은 표면들 사이에 도전선(일부(242 및 243)만이 도 2에 도시됨), 및 선들과 접촉할 수 있으며 제3 표면으로부터 제4 표면으로 연장하는 도전성의 비아들(일부(244 및 245)만이 도 2에 도시됨)을 더 가진다. 리플로우 금속(주로 주석 계열의 합금)의 바디(242)가 일부 단자(241) 상에 존재한다. 이것은 인터포저(201)의 제2 표면(201b) 상의 스터드(215)로의 신뢰가능한 전기적 접촉을 가능하게 한다. 다른 컨택트(241)는 외장 디바이스의 솔더 부착을 위해 사용가능하도록 남는다(도 3 참조).
도 2가 가리키는 것처럼, 리플로우 바디(솔더볼)(250)는 제4 표면(204b) 상의 단자에 부착될 수 있다. 리플로우 바디의 직경은 약 180㎛ 내지 250㎛이며 대략 500㎛의 중앙-대-중앙 피치를 가질 수 있다. 게다가, 주조 화합물과 같은 캡슐화 소재(260)는 반도체 칩(202 및 203), 반도체 인터포저(201) 및 제3 기판 표면(204a)의 일부를 커버하고 있을 수 있다. 캡슐화 소재는 제1 칩(202) 위에서 대략 40㎛ 내지 70㎛ 사이의 두께를 가질 수 있다. 이러한 캡슐화를 사용하는 디바이스에서, 소재는 칩(202 및 203)과 인터포저 사이의 갭 및 인터포저와 기판 사이의 갭에서의 스트레스 완충 언더필과, 스터드(224, 234, 및 215)의 보호라는 이중목적을 보조한다. As shown in FIG. 2, the reflow body (solder ball) 250 may be attached to a terminal on the
캡슐화 소재(260)의 사용은 선택적이다. 반도체 소재가 인터포저에 사용되기 때문에, 반도체 칩(202 및 203)에 가해지는 열기계적 스트레스는 최소로 유지된다. 인터포저 및 칩의 열팽창 계수는 본질적으로 같다. Use of
인터포저 소재의 반도체 특성은 제1 인터포저 표면(201a)에서의 개별 전자 구성요소들 또는 심지어는 완전한 집적 회로의 통합을 용이하게 한다. 도 2는 구성 요소의 일부(216)만을 보여준다. 표면(201a)에 포함된 구성요소 또는 회로는 인터포저(201)가 표면(201a) 및 표면(201b) 양면 상에 단자와 컨택트를 갖고, 표면들 사이에 상호 접속부를 가진다는 사실의 이점을 취할 수 있다. The semiconductor properties of the interposer material facilitate the integration of individual electronic components or even a complete integrated circuit at the first interposer surface 201a. 2 shows only a
와이어 본딩은 없지만 캡슐화 소재는 포함하는 패키지화된(packaged) 디바이스의 두께는 200㎛ 내지 250㎛ 사이에 있다. 기판 및 솔더볼을 포함하는 시스템(200)의 전체 두께는 대략 650㎛ 내지 750㎛ 사이에 있다.The thickness of a packaged device without wire bonding but including encapsulation material is between 200 μm and 250 μm. The overall thickness of the
도 3에 "300"으로 표시된 본 발명의 실시예(300)는, 제2 칩(303)이 인터포저(301)가 아닌 기판(304)으로 플립칩 부착되었다는 점을 제외하고 도 2의 실시예(200)와 비슷하다. 게다가, 도 3은 리플로우 부재(381)에 의해 기판 표면(304a) 상의 단자(341)에 부착된 외장 디바이스(380)를 보여준다. 도시에서, 리플로우 부재는 대략 250㎛ 내지 300㎛ 정도의 높이가 되도록 선택되며, 이 높이는 패키지화된 디바이스의 캡슐화 소재와 외장 디바이스(380) 사이의 갭(대략 50㎛)에 따른 패키지화된 디바이스의 두께보다 조금 큰 것이다. 예시로서, 리플로우 부재는 대략 620㎛ 내지 700㎛ 사이의 피치(중앙-대-중앙)를 가질 수 있다. 외장 디바이스는 대략 500㎛ 내지 600㎛ 사이의 두께를 가질 수 있다. 시스템(300) 및 외장 디바이스(380)는 약 1.2㎜ 내지 1.3㎜ 사이의 전체 두께를 가질 수 있다. The embodiment 300 of the present invention, indicated as "300" in FIG. 3, has the embodiment of FIG. 2 except that the second chip 303 is flipchip attached to the
도 4에 도시된 본 발명의 또다른 실시예는, 반도체 소재로 만들어진 제1 인터포저(401), 반도체 소재로 만들어진 제2 인터포저(402), 제1 반도체 칩(403), 제2 반도체 칩(404), 절연계 소재로 만들어진 기판(405)을 포함하는 반도체 시스템(400)이다. 반도체 소재로서 실리콘이 바람직하지만, 본 발명은 디바이스 제조에 사용되는 어떠한 다른 반도체 소재에도 적용된다. Another embodiment of the present invention shown in FIG. 4 includes a
인터포저(401 및 402) 각각은 바람직하게는 대략 30㎛ 내지 60㎛ 사이의 두께와, 지정된 일부만이 도 4에서 보여진 특정 치수를 가지고 있다. 더구나, 각 인터포저는 도전선(일부(421, 422, 423, 424)만이 도 4에서 도시됨)을 가진 제1 표면(각각 401a 및 402a) 및 제2 표면(각각 401b 및 402b)을 가진다. 도전성의 금속 으로 채워진 비아(425, 426)는 제1 표면으로부터 제2 표면으로 연장된다. 비아에는 바람직하게는 구리로 만들어진 단자들이 연결된다. 도 4는 제1 인터포저 상에 "413"으로 표시되고 제2 인터포저 상에 "414"로 표시된 이러한 단자(414)들 중의 일부만을 도시한다. Each of the
인터포저 소재의 반도체 특성은 제1 인터포저 표면(401a, 402a) 내에서의 개별 전자적인 구성요소들 및 심지어는 완전한 집적 회로의 통합을 용이하게 한다. 표면(401a) 및/또는 표면(402a) 내에 포함된 구성 요소 또는 회로는, 인터포저(401 및 402)가 모든 표면(401a 및 401b)과 표면(402a 및 402b) 상에 단자 및 컨택트를 갖고, 표면들 사이에 도전성의 비아 상호 접속부를 가진다는 사실의 이점을 취할 수 있다. The semiconductor properties of the interposer material facilitate the integration of the individual electronic components and even the complete integrated circuit within the
다수의 단자들에는, 대부분의 반도체 어셈블리 온도보다 상당히 높은 (대략 900℃ 보다 높은) 녹는점을 가지는 금속 또는 합금으로 만들어진 금속 스터드가 부착된다. 도 4의 예시에서, 제2 인터포저 표면 상의 스터드(415 및 416)는 구리, 또는 더 바람직하게는 금으로 만들어질 수 있다. 125㎛ 미만의 스터드 피치가 적절하다. Many terminals are attached with metal studs made of a metal or alloy having a melting point that is significantly higher (mostly higher than 900 ° C.) above most semiconductor assembly temperatures. In the example of FIG. 4,
대략 25㎛ 내지 50㎛ 두께의 제1 칩(403)은 인터포저 치수보다 좁은 가로 치수를 가진다. 역시 대략 25㎛ 내지 50㎛ 두께의 제2 칩(404)은 칩(403)과 동일하거나 다른 가로 치수를 가질 수 있지만, 멀티칩 구성에서 인터포저와 인터포저 사이 또는 인터포저로부터 기판까지의 추가적인 컨택트를 위한 공간을 제공하기 위해서는 인터포저 치수보다 좁은 치수를 가지는 것이 유리하다. The
칩(403 및 404)은 입/출력 단자를 가지는 활성화 표면을 가진다. 단자에는 바람직하게는 금으로 만들어지고 대략 5㎛ 내지 10㎛ 높이인 비(非)리플로우 금속 스터드가 부착된다.
도 4가 도시하는 것처럼, 제1 칩(403)은 제1 인터포저(401)에 부착되어, 인터포저 치수는 특정한 길이만큼 칩 치수보다 돌출된다. 인터포저의 돌출은 칩 둘레에서 대칭이거나 비대칭일 수 있다. 부착은 칩을 뒤집어서 칩의 활성화 표면이 인터포저의 제2 표면(401b)과 마주보게 함으로써 수행된다. 이러한 플립 부착에 의해, 제1 서브시스템이 형성된다. As shown in FIG. 4, the
제2 칩(404)은 제2 인터포저(402)에 부착되어, 인터포저 치수는 특정한 길이만큼 칩 치수보다 돌출된다. 인터포저의 돌출은 칩 둘레에서 대칭이거나 비대칭일 수 있다. 부착은 플립칩 방법에 의해 수행되어, 활성화 칩 표면이 제2 기판 표면(402b)과 마주보게 한다. 이러한 플립 부착에 의해, 제2 서브시스템이 형성된다.The
인터포저가 제1 칩 및 제2 칩의 치수보다 돌출하는 것으로 인해, 인터포저(401)의 스터드(415)는 기판(405) 상의 리플로우 바디(417)로 연결될 수 있도록 남아 있는다. 마찬가지로, 인터포저(402)의 스터드(416)는 인터포저(401) 상의 리플로우 바디(418)로 연결될 수 있도록 남아 있는다. Due to the interposer protruding beyond the dimensions of the first chip and the second chip, the
시스템(400)은 대략 200㎛ 내지 300㎛ 두께의 절연계 소재로 만들어진 기판(405)을 가진다. 기판 표면 상에는 솔더 부착을 위해 알맞은 금속가공학적인 표면(바람직하게는 니켈, 팔라듐 또는 금의 하나 이상의 층)을 갖는 단자(바람직하게는 구리)가 있다. 기판(405)은 표면들 사이의 도전선(451)과, 한 표면으로부터 반대편 표면으로 연장되는 도전성의 비아(452)를 더 가진다. 리플로우 금속(바람직하게는 주석 계열의 합금)의 바디(417)는 인터포저와의 연결을 위해 일부 단자 상에 존재한다. 다른 단자들은 외장 부품(490)으로의 부착을 위해 바람직하게는 주석 계열의 솔더볼인 리플로우 부재를 가진다.
주조 화합물과 같은 캡슐화 소재(460)는 반도체 칩(403 및 404), 반도체(401) 및 인터포저(402)의 일 표면, 그리고 기판 표면의 일부를 커버하고 있을 수 있다. 이러한 캡슐화를 이용하는 디바이스에서, 소재는 보호의 목적 뿐만 아니라, 칩과 인터포저 사이의 갭에서의 스트레스 완충 언더필이라는 이중 목적을 보조한다. Encapsulating
캡슐화 소재(460)의 사용은 선택적이다. 인터포저에 대해 사용된 반도체 소재의 이점은 인터포저와 칩의 실질적으로 동일한 열팽창 계수로 인해 반도체 칩(403 및 404)에 가해지는 열기계적 스트레스를 최소화하는 데 있다. Use of
주조(molding) 소재 내에 캡슐화된, 도 4의 어셈블된 칩 및 인터포저는 대략 150㎛ 내지 190㎛의 전체 두께를 가진다. 완전한 시스템(400)은 대략 600㎛ 내지 700㎛의 두께를 가진다. The assembled chip and interposer of FIG. 4, encapsulated in a molding material, has an overall thickness of approximately 150 μm to 190 μm. The
캡슐화 소재에 의해 커버되지 않은 기판 표면(402a)의 단자 상에서, 리플로우 부재(451)는 외장 디바이스(480)로 연결하기 위해 부착될 수 있다. 부재(450 및 451)는 약 200㎛의 직경을 가질 수 있고, 약 500㎛의 중앙-대-중앙 피치를 가질 수 있다. On the terminals of the
본 발명의 또다른 실시예는 반도체 인터포저를 이용하는 반도체 시스템을 제조하는 방법이다. 제조의 초기 단계는 반도체 인터포저를 제작한다. 바람직하게는 실리콘 웨이퍼인, 반도체 웨이퍼가 제공된다. 웨이퍼는 제1 표면, 제2 표면 및 높은 수율의 웨이퍼 프로세싱을 위해 편리한 두께(예를 들면, 375㎛ 내지 500㎛)를 가진다. 표준 프론트-엔드(front-end) 웨이퍼 프로세스 단계를 적용하여, 복수의 도전선들 또는 개별 구성요소들, 또는 집적 회로조차 웨이퍼의 제1 표면 상에서 제조될 수 있다. Yet another embodiment of the present invention is a method of manufacturing a semiconductor system using a semiconductor interposer. The initial stage of manufacture fabricates a semiconductor interposer. A semiconductor wafer is provided, which is preferably a silicon wafer. The wafer has a first surface, a second surface, and a convenient thickness (eg, 375 μm to 500 μm) for high yield wafer processing. By applying standard front-end wafer process steps, a plurality of conductive lines or individual components, or even an integrated circuit, can be fabricated on the first surface of the wafer.
보호 오버코트를 적층하는 단계 이전에, 프론트-엔드 프로세스 단계 시퀀스의 종료에 이르러, 비아 홀은 제1 웨이퍼 표면으로부터 아래 방향으로 특정한 깊이로 형성된다. 바람직한 기술은 선택적 화학적 에칭(preferential chemical etching)인데, 이 기술이 일괄 처리이기 때문이다. 대안적인 방법은 레이저 드릴링(laser drilling)을 포함한다. 비아 홀은 웨이퍼 표면 위로 보호막을 형성하는 프로세스 단계에 의해 절연층을 받는 측벽을 가진다.Prior to the step of depositing the protective overcoat, via the end of the front-end process step sequence, the via holes are formed to a certain depth downward from the first wafer surface. A preferred technique is selective chemical etching, since this technique is a batch process. Alternative methods include laser drilling. The via holes have sidewalls that receive an insulating layer by a process step of forming a protective film over the wafer surface.
이후, 제2 웨이퍼 표면으로부터 시작하여, 비아 홀의 하향 종단이 노출될 때까지 계속해서, 반도체 소재가 제거된다. 바람직한 방법은 기계적인 웨이퍼 후면가공(back-grinding)이다. 다음으로, 바람직하게는 구리를 퇴적함으로써, 비아 홀이 금속으로 채워진다. 채움 단계의 종료시점에서, 제1 및 제2 웨이퍼 표면 상의 단자는 금속(예를 들면, 구리) 층을 적층하고 패터닝함으로써 형성된다. Thereafter, starting from the second wafer surface, the semiconductor material is removed until the downward end of the via hole is exposed. The preferred method is mechanical wafer back-grinding. Next, the via holes are filled with metal, preferably by depositing copper. At the end of the filling step, the terminals on the first and second wafer surfaces are formed by stacking and patterning metal (eg, copper) layers.
선택된 단자 상에서, 비(非)리플로우 금속 스터드가 적층된다. 비(非)리플로우라는 용어는 대부분의 반도체 어셈블리 온도보다 상당히 높은(대략 900℃ 보다 높은) 녹는점을 가지는 금속 또는 합금을 말한다. 바람직한 금속은 녹는점이 200℃ 내지 400℃인 전형적인 주석 계열의 솔더와는 다른, 구리 및 금을 포함한다. On the selected terminal, a non-reflow metal stud is stacked. The term non-reflow refers to a metal or alloy that has a melting point significantly higher than most semiconductor assembly temperatures (approximately higher than 900 ° C.). Preferred metals include copper and gold, unlike typical tin-based solders having a melting point of 200 ° C to 400 ° C.
비(非)리플로우 스터드는 솔더 타입의 커넥터보다 더 작은 크기로 제조될 수 있다. 그리고, 더 작은 스터드 크기는 더 미세한 중앙-대-중앙 피치를 허용하며, 특히 스터드가 와이어 본딩에서 금 또는 구리볼로부터 생성될 때 그러하다. 125㎛ 미만의 스터드 피치가 적절하다. 와이어 볼 기술에서, 프리-에어(free-air) 볼은 1.2 내지 1.6 와이어 직경을 갖는 것이 바람직하다. 부착 및 편평화(flattening) 단계 이후, 결과적인 볼 직경은 12㎛ 내지 33㎛의 와이어 직경(바람직하게는 18㎛ 내지 25㎛)에 대해 대략 40㎛ 내지 70㎛이다. Non-reflow studs can be made smaller in size than solder-type connectors. And, smaller stud sizes allow finer center-to-center pitch, especially when studs are produced from gold or copper balls in wire bonding. Stud pitches of less than 125 μm are suitable. In wire ball technology, the free-air ball preferably has a 1.2 to 1.6 wire diameter. After the attaching and flattening step, the resulting ball diameter is approximately 40 μm to 70 μm for a wire diameter of 12 μm to 33 μm (preferably 18 μm to 25 μm).
다음 프로세스 단계에서, 웨이퍼는, 예를 들면, 소잉(sawing)에 의해 분리되어 원하는 가로 치수를 가지는 개별 인터포저가 된다. In the next process step, the wafer is separated, for example by sawing, into individual interposers having the desired transverse dimensions.
이후, 인터포저 치수보다 더 좁은 치수, 활성화 표면, 및 활성화 표면 상의 비(非)리플로우 금속 스터드를 갖는 단자를 가지는 제1 반도체 칩이 제공된다. 만약 어셈블리 시스템에 의해 요구된다면, 역시 인터포저 치수보다 더 좁은 치수, 활성화 표면, 및 활성화 표면 상의 비(非)리플로우 금속 스터드를 갖는 단자를 가지는 제2 반도체 칩이 제공된다. 제2 칩의 치수는 제1 칩의 치수와 같거나 다를 수 있다. Thereafter, a first semiconductor chip is provided having a terminal that is narrower than the interposer dimension, the activation surface, and a non-reflow metal stud on the activation surface. If required by the assembly system, there is also provided a second semiconductor chip having a narrower dimension than the interposer dimension, an activation surface, and a terminal having a non-reflow metal stud on the activation surface. The dimensions of the second chip may be the same as or different from the dimensions of the first chip.
제1 칩은 플립칩 기술에 의해 제1 인터포저 표면으로 부착되어, 인터포저 치수가 칩 치수보다 돌출되게 한다. 어떤 디바이스에서는, 제2 칩이 제2 인터포저 표면에 플립 부착되어, 인터포저 치수가 칩 치수보다 돌출되게 하고, 제2 인터포저 표면 상의 스터드는 기판 단자 상의 리플로우 바디에 연결될 수 있는 상태로 남는다. 다른 디바이스에서는, 제2 칩이 기판에 플립 부착되어, 인터포저 치수가 칩 치수보다 돌출되게 하고 기판 단자 상의 리플로우 바디는 제2 인터포저 표면 상의 스터드에 연결될 수 있는 상태로 남는다. The first chip is attached to the first interposer surface by flip chip technology, causing the interposer dimension to protrude above the chip dimension. In some devices, the second chip is flipped to the second interposer surface, causing the interposer dimensions to protrude above the chip dimensions, and the studs on the second interposer surface remain connectable to the reflow body on the substrate terminal. . In another device, the second chip is flipped to the substrate, causing the interposer dimensions to protrude above the chip dimensions and leaving the reflow body on the substrate terminal capable of being connected to a stud on the second interposer surface.
단자를 가지는 제3 및 제4 표면, 표면들 사이에 분포된 도전선, 및 제3 표면으로부터 제4 표면으로 연장되며 선에 접촉하는 도전성의 비아를 가지는 절연 기판이 제공된다. 리플로우 바디는 제3 기판 표면의 단자 상에 적층된다. 돌출된 인터포저의 제2 표면 상의 스터드는 제3 기판 표면 상의 리플로우 바디에 접촉되고, 바디는 인터포저를 기판에 부착하기 위해 스터드 둘레에 리플로우된다. An insulated substrate is provided having third and fourth surfaces having terminals, conductive lines distributed between the surfaces, and conductive vias extending from the third surface to the fourth surface and contacting the lines. The reflow body is laminated on the terminals of the third substrate surface. The stud on the second surface of the raised interposer contacts the reflow body on the third substrate surface, and the body is reflowed around the stud to attach the interposer to the substrate.
선택적인 프로세스 단계는 보호 및 스트레스 감소 목적을 위해 디바이스의 캡슐화를 동반한다. 바람직하게는 주조 화합물인 패키지화 소재는 칩, 인터포저, 및 제3 기판 표면의 일부를 캡슐화한다. 최종적으로, 바람직하게는 솔더볼인 리플로우 바디는 제4 기판 표면 상의 단자에 부착될 수 있다. Optional process steps entail encapsulation of the device for protection and stress reduction purposes. The packaging material, which is preferably a casting compound, encapsulates the chip, the interposer, and a portion of the third substrate surface. Finally, the reflow body, which is preferably a solder ball, can be attached to the terminal on the fourth substrate surface.
본 발명이 도시적인 실시예에 대한 참조로 기술되어왔지만, 본 설명은 제한적 의미로 이해되도록 의도되지 않는다. 본 발명의 다른 실시예들 뿐만이 아니라 도시적인 실시예의 다양한 변형 및 조합 역시 본 설명에 대한 참조로써 본 기술 분야의 당업자에게 명백할 것이다. 그러므로, 청구된 본 발명이 임의의 이러한 변형 또는 실시예를 내포하도록 의도된다. Although the present invention has been described with reference to illustrative embodiments, the description is not intended to be understood in a limiting sense. Various modifications and combinations of the illustrative embodiments as well as other embodiments of the present invention will be apparent to those skilled in the art by reference to the present description. Therefore, it is intended that the claimed invention cover any such modifications or embodiments.
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