ヒートスプレッダを備えた多重ダイ半導体パッケージ
【解決手段】
半導体デバイスは、基板上に積層される第１及び第２の半導体ダイを含む。キャビティ内へ下に向けて延びる複数のフィンを有する蓋が基板上に実装されて、半導体ダイを密閉する。複数のフィンの少なくとも幾つかは複数のフィンの他のフィンよりも長い。蓋は、第１のダイによって占められていない基板の領域の上方で下に向かって延びる長い方のフィンと共に基板に取り付けられる。短い方のフィンは、第２のダイによって覆われていない第１のダイの領域の上方で下に向かって延びている。熱インタフェース材質が、キャビティの残りを充填すると共に両ダイ、基板及びフィンと熱的に繋がっている。蓋は金属からモールド成形されてよい。蓋は、液体金属等であってよい熱ボンディング材質を用いて最上部のダイに接合されてよい。
半導体デバイスは、基板上に積層される第１及び第２の半導体ダイを含む。キャビティ内へ下に向けて延びる複数のフィンを有する蓋が基板上に実装されて、半導体ダイを密閉する。複数のフィンの少なくとも幾つかは複数のフィンの他のフィンよりも長い。蓋は、第１のダイによって占められていない基板の領域の上方で下に向かって延びる長い方のフィンと共に基板に取り付けられる。短い方のフィンは、第２のダイによって覆われていない第１のダイの領域の上方で下に向かって延びている。熱インタフェース材質が、キャビティの残りを充填すると共に両ダイ、基板及びフィンと熱的に繋がっている。蓋は金属からモールド成形されてよい。蓋は、液体金属等であってよい熱ボンディング材質を用いて最上部のダイに接合されてよい。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は概して半導体デバイスに関し、更に特定的には積層半導体ダイ(stacked semiconductor dies)のための半導体パッケージに関する。
【背景技術】
【０００２】
最新の半導体デバイスは、典型的には、ダイ、基板、１つ以上のメタライゼーション層、Ｉ／Ｏピン又はボール、ヒートスプレッダ(heat spreader)を含み、そして随意的にヒートシンクを含む。ダイはデバイスの能動回路を含む。ダイは典型的には基板上に実装され又は基板内のキャビティ内に実装される。１つ以上のメタライゼーション層は、メタライゼーション層をダイのダイパッドと相互接続するために用いられる接合指(bond-fingers)と称されるパッドを含む。ダイパッドは同様にダイの能動回路と相互接続される。メタライゼーション層は、基板内でのダイからＩ／Ｏピン又はボールへの電気的な接続を経路付ける。
【０００３】
ダイパッドは、導線によってパッドを接合指に接続することによる従来のワイヤボンディングを用いて接合指に電気的に結合され得る。代替的には、ダイはその能動表面が基板を向くように実装され得る。ダイパッドは能動表面から延びており、そしてダイから延びている電気的に伝導性のバンプを用いて接合指に接続され得る。能動表面が下を向くので、そのような半導体デバイスはしばしば「フリップチップ」パッケージと称される。
【０００４】
最新の半導体パッケージでは、高性能化及び小型化に対する継続的な要求が、より高い動作周波数及び増大されたパッケージ密度（より多くのトランジスタ）をもたらしている。しかし、動作に際しては、そのようなダイ上の回路は相当な量の電気的エネルギを消費する。このエネルギは、パッケージから取り除かれる必要のある熱を常に生成する。ダイによって生成される熱を消散させるために、従来のヒートスプレッダ及びヒートシンクが用いられるかもしれない。しかし、熱の大部分はダイ内で生成されるので、チップパッケージ内での熱エネルギの相対的な分布が多くの場合に極めて不均等になる。
【０００５】
つい最近では、より多くのトランジスタを単一のパッケージ内に含ませる試みにおいて、多重ダイが単一の半導体デバイス内に詰め込まれることがある。例えば、各ダイが基板と相互接続されるように複数のダイが交互に積層され得る。この目的で、米国特許第７，３６１，９８６号は、２つの積層されたダイを伴う半導体デバイスを開示しており、第１のダイは、第１のダイ上に実装され且つ基板にワイヤボンディングされる別のダイを伴ってフリップチップ構造で実装される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
多重ダイの幾何学的形状(geometry)がより複雑になり、そしてトランジスタの数が増えるのに従って、電子的なダイから熱を消散させることは、深刻化する問題になりつつある。
【０００７】
そこで、多重ダイの熱消散を支援する半導体パッケージに対する要求が存在する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の実施形態の例として、半導体デバイスは、基板上に積層される第１及び第２の半導体ダイを含む。キャビティ内へ下に向けて延びる複数のフィンを有する蓋が基板上に実装されて、半導体ダイを密閉する。複数のフィンの少なくとも幾つかは複数のフィンの他のフィンよりも長い。蓋は、第１のダイによって占められていない基板の領域の上方で下に向かって延びる長い方のフィンと共に基板に取り付けられる。短い方のフィンは、第２のダイによって覆われていない第１のダイの領域の上方で下に向かって延びている。熱インタフェース材質が、キャビティの残りを充填すると共に両ダイ、基板及びフィンと熱的に繋がっている。蓋は金属からモールド成形されてよい。蓋は、液体金属等であってよい熱ボンディング材質を用いて最上部のダイに接合されてよい。
【０００９】
本発明の側面によると、基板と、前記基板によって支持され、集積回路がその上に形成される第１のダイと、前記第１のダイ上に実装され、集積回路がその上に形成される第２のダイと、キャビティを画定する蓋と、熱インタフェース材質とを備えた半導体デバイスであって、前記蓋は前記キャビティ内へ下に向かって延びる複数のフィンを備えており、前記フィンの少なくとも幾つかは前記フィンの他のフィンよりも長く、前記蓋は、前記第１のダイによって占められていない前記基板の領域の上方に下方に向かって延びる当該長い方のフィンと前記第２のダイによって覆われていない前記第１のダイの領域の上方に下方に向かって延びる当該短い方のフィンと共に前記基板に取り付けられ、前記熱インタフェース材質は前記キャビティの残りを充填すると共に前記第１及び第２のダイ、前記基板並びに前記フィンと熱的に繋がっている半導体デバイスが提供される。
【００１０】
本発明の別の側面によると、基板と、その上に形成される集積回路を有し前記基板上に実装されるダイと、キャビティを画定する蓋であって前記キャビティ内へ下に向かって延びる複数のフィンを備えている蓋と、前記ダイ上に形成される金属堆積物と、前記キャビティの残りを充填すると共に前記ダイ、前記金属堆積物、前記基板及び前記フィンと熱的に繋がっている熱的に分離された材質とを備えた半導体デバイスが提供される。
【００１１】
本発明の別の側面によると、半導体デバイスを形成する方法であって、キャビティを画定する蓋及び前記キャビティ内へ延びる複数のフィンを形成することと、基板上に積層される配置で第１及び第２の半導体ダイを実装することと、前記蓋の前記キャビティを熱インタフェース材質で充填することと、前記蓋を前記熱インタフェース材質と共に前記基板上に実装して、前記フィン、前記ダイ、及び前記基板と接触する前記熱インタフェース材質と共に前記第１及び第２の半導体ダイを密閉することとを備えた方法が提供される。
【００１２】
本発明の他の側面及び特徴は、本発明の特定の実施形態の以下の説明を添付の図面と共に精査することによって、当業者に明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
以下の図面は例示のみを目的として本発明の実施形態を説明するものである。
【００１４】
【図１】図１は本発明の実施形態の例示としての半導体デバイスの断面図である。
【００１５】
【図２】図２は図１の半導体デバイスの斜視図である。
【００１６】
【図３】図３は図１の半導体デバイスのヒートスプレッダの断面図である。
【００１７】
【図４】図４は図３のヒートスプレッダの下方からの平面図である。
【００１８】
【図５Ａ】図５Ａは本発明の実施形態の例示として図１のデバイスのダイ上の随意的な金属堆積物を示す図（その１）である。
【図５Ｂ】図５Ｂは本発明の実施形態の例示として図１のデバイスのダイ上の随意的な金属堆積物を示す図（その２）である。
【００１９】
【図６】図６は本発明の別の実施形態の例示としての半導体デバイスの断面図である。
【００２０】
【図７】図７は本発明の別の実施形態の例示としての半導体デバイスの断面図である。
【００２１】
【図８】図８は本発明の別の実施形態の例示としての半導体デバイスの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
図１は本発明の実施形態の例示としての半導体デバイス１０の断面を示している。図示されるように、半導体デバイス１０は、基板１２、幾つかのダイ２０，２２、パッケージピン１６及び蓋３０を含む。後で明らかになるように、蓋３０はヒートスプレッダとして作用する。
【００２３】
基板１２内には、多重メタライゼーション層１４が基板１２の底面の近くに形成されている。メタライゼーション層１４はマイクロビア(microvias)１８によって互いに接続されていてよく、そしてダイ２０，２２をパッケージピン１６に電気的に相互接続している。
【００２４】
例示的な基板１２は片面のものであり、即ちメタライゼーション層１４は基板１２の一方の側の近傍にのみ形成されている。好都合なことに、片面基板においては、基板の反対側のメタライゼーション層との間での基板の全体高さに及び得るメッキスルホール(plated through holes)が回避される。言うまでもなく、基板１２は両面基板に代えられてもよい。
【００２５】
パッケージピン１６は、複数のピン、ボールグリッドアレイに配列された複数の半田ボール、又は任意の他の既知の電子的なパッケージ相互接続であってよい。
【００２６】
ダイ２０は基板１２によって支持されている。図示される実施形態においては、ダイ２０は基板１２の上面上に置かれていてよく、あるいは基板１２内に埋め込まれていてよく、その詳細は例えば米国特許公開２００７／０１０８５９５に説明されており、その内容は参照としてここに組み込まれる。ダイ２０はその能動的な表面(active surface)が下を向き且つダイパッド２４がダイ２０をメタライゼーション層１４に接続するように取り付けられている。ダイ２０のアンダーバンプメタライゼーション(under bump metallization)（ＵＢＭ）を基板１２のメタライゼーション層１４に結合するために、標準的なマイクロビア形成が用いられる。アンダーフィル(underfill)（図示せず）が更にダイ２０を基板１２に貼り付けていてよい。
【００２７】
ダイ２２はダイ２０上に実装される。ダイ２２は、ダイ２２の周囲のダイ２２の複数の接続点から延在するワイヤボンディングによって基板１２と接続されてよい。代替的には、ダイ２０及び２２は、ダイ２０及び２２内に形成されるシリコンマイクロビアによって互いに直接的に電気的に相互接続されてよい。
【００２８】
ダイ２０は、例えば、１つ以上の処理コアを有する汎用プロセッサ、グラフィクスプロセッサ等を具体化していてよい。ダイ２２は、ダイ２０において具体化されるプロセッサにより可読なスタティック又はダイナミックメモリ（ＤＲＡＭ、ＳＤＲＡＭ等）の形態にあるプロセッサ可読メモリであってよい。言うまでもなく、ダイ２０，２２は、特定用途向け集積回路、マイクロコントローラ、フィールドプログラマブルゲートアレイ等のような他の電子デバイスを具体化していてもよい。ダイ２０及び２２の間での電気的な相互接続は基板１２を介して達成され得る。
【００２９】
次に上から見ると、基板１２の表面のある領域はダイ２０によって覆われており、そして他の領域（基板１２の表面の残り）は覆われていない。同様にダイ２０のある領域はダイ２２によって覆われている。トポグラフィ的には、ダイ２０，２２をその上に伴う基板１２は、従って、３つの異なる高さ又は正面からの見え方(elevations)を有している。
【００３０】
蓋３０はデバイス１０のためのキャップ、及びヒートスプレッダとして作用する。蓋３０は、より詳しくは図２に示されるように、その縁を取り囲む接着剤によって基板１２に取り付けられる。具体的には、エポキシ等から形成される接着剤継ぎ目(glue seam)３８は、蓋３０の縁を基板１２に接続する。蓋３０と基板１２の間の領域は、熱インタフェース材質(thermal interface material)（ＴＩＭ）５０によって満たされている。図示される実施形態においては、ＴＩＭ５０は、粘着性の、半粘着性の、液体の、又は同様の熱インタフェース材質である。ＴＩＭ５０のための適切な材質は、無機ジェル、有機ジェル、グリース等であってよい。適切なジェルは、日本国東京の信越化学(Shin-Etsu Chemicals)から例えばＳｈｉｎ−Ｅｔｓｕ＿ＭｉｃｒｏＳＩ＿ｘ２３−７８０９の品番で入手可能である。Ｇ７５１熱グリースのような適切なグリースが当業者に知られることになるであろうが、多くの現在入手可能なグリースは、局所的発熱の区域から広がる（又は「ポンプされる(pumped)」）かもしれない。
【００３１】
蓋３０の上部及び基板１２からダイ２０，２２への距離は、ダイ２０，２２及び基板１２の組み合わせの正面からの見え方に依存して変化し得る。概して平坦な上部表面を有する蓋に対しては、重なっているダイ２０，２２に対応する領域は蓋３０に最も近いであろう。ダイ２２が重なっていないダイ２０に対応する領域は蓋３０から遠いであろう。ダイ２０／２２が実装されていない基板１２に対応する領域は蓋３０から最も遠いであろう。
【００３２】
蓋３０の更に詳細な図が図３及び４に示されている。図示されるように、蓋３０は、平坦な上部４０及び下方に延びる外周壁３４を有する概してドーム型である。上部４０及び上部４０から下に延びる外周壁３４は、キャビティ３２を画定する。蓋３０によって画定されるキャビティ３２が基板１２を覆い且つダイ２０，２２を受け入れていることが明らかであろう。
【００３３】
蓋３０は、蓋３０の平坦な上部４０から下方に延びる複数のフィン６０及び６２を更に含む。フィン６０及び６２はキャビティ３２内へ下方向に延びている。例示的な蓋３０においては、フィン６０及び６２の各々は、均等な円形水平断面を有する概して円柱状である。典型的には、フィン６０，６２は１μｍ２以上の断面積を有しているであろう。最適な断面積は実験的に決定されてよい。一方で、当業者であれば、フィン６０，６２の断面は均等又は円形である必要がないことを認識するであろう。それらは断面において楕円、正方形、又は長方形であってよく、均等、円錐状、又は任意の他の適切な形状であってよい。
【００３４】
同様に、上部４０は平坦である必要はなく、そして他の適切な形状を有していてよい。
【００３５】
図３及び４に更に示されるように、フィン６０はフィン６２と異なる長さを有している。短い方のフィン６２は、蓋３０が基板１２に取り付けられたときにダイ２０に位置合わせされる（且つダイ２２に位置合わせされない）蓋３０の領域の近くで延びており、一方ダイ２２に位置合わせされる領域にはフィンが無い。最後に、長い方のフィン６０は、ダイ２２又は２０のいずれにも占められていない区域に位置合わせされ即ちその区域内で下方向に延びている。
【００３６】
典型的には、短い方のフィンは、ダイ２２の全体的な厚みを超えて延在しないような長さで蓋３０の表面４０から延びている。長い方のフィン６０は実質的に基板１２まで延びており、従ってダイ２２及びダイ２０の厚みの和に近い長さを有している。
【００３７】
蓋３０は、例えばアルミニウム、鋼、等を含む金属のようなモールド成形された熱伝導材質から形成されてよい。蓋３０（フィン６０／６２を含む）は、例えばプレス成形(stamping)、モールド成形によって、又は他の標準的な製造技術を用いることによって一体的に形成されてよい。蓋３０は、代替的には、適切なセラミック、合金、等のような他の熱伝導材質から形成されてよい。
【００３８】
ＴＩＭ５０はキャビティ３２を充填し、そして好都合なことにダイ２０及び２２を蓋３０のフィン６０及び６２に熱的に接続する。また、ＴＩＭ５０は蓋３０を基板１２に熱的に結合する一方で、デバイス１０の全体的な熱容量を増大させる。好都合にも、ＴＩＭ５０は、積層ダイ２０及び２２の幾何学的な配置によって形成される幾何学的な奥まった箇所(nooks)を充填する。
【００３９】
更に、蓋３０はダイ２２に直接的に取り付けられる。例えば図１に示されるように、ダイ２２は、例えば熱伝導ボンディング材質３６を用いて蓋３０に接合されてよい。例えば、ダイ２２は、ガリウム、インジウムのような液体金属、又は例えばリアクティブナノテクノロジーズインク(Reactive Nanotechnologies Inc.)から入手可能なナノフォイル(nano-foil)を用いて蓋３０に接合されてよい。ボンディングを容易にするために、ダイ２２は、その上面をダイ２２に対するボンディング材質３６の接着性をより高くする金属又は半田で被覆されていてよい。
【００４０】
デバイス１０は、従来方法では、先ずダイ２０，２２を基板１２上に実装することによって製造され得る。その際、ダイ２２，２２は、電気的及び機械的に基板１２に接合され、そして必要に応じて互いに接合される。ボンディング材質３６（及びダイ２２上の任意の被覆）がダイ２２に貼り付けられてよい。ＴＩＭ５０は、予め形成された蓋３０（フィン６０，６２を含む）のキャビティ３２を充填してよい。蓋３０の外周の周囲には、エポキシ３８のビード(bead)が設置されてよい。次いで蓋３０は基板１２上に置かれてよい。エポキシ３８が硬化して蓋３０を基板１２に貼り付けてよい。
【００４１】
ＴＩＭ５０は、製造後にも概して粘着性を保ちそれが乾くことを防止するように選択されてよい。代替的には、ＴＩＭ５０は、蓋３０が一旦基板１２上になったら部分的又は全体的に硬化するように選択されてよい。
【００４２】
動作に際して、電力及び電気的な信号は、パッケージピン１６によってデバイス１０に加えられる。信号及び電力はメタライゼーション層１４を介してダイ２０，２２に供給される。ダイ２０，２２によって生じる熱は、ボンディング材質３６、ＴＩＭ５０、及びフィン６０，６２によって蓋３０へと導かれる。ＴＩＭ５０及びフィン６０，６２は熱をデバイス１０内で均一に分配するように作用する。ＴＩＭ５０は基板１２と接触しているので、熱は同様に基板１２に結合される。
【００４３】
蓋３０及び基板１２は環境と熱的に繋がっているので、最終的に熱は伝導又は対流によって外気へと運ばれる。外部ファン又は他の冷却デバイス（図示せず）が、デバイス１０から消散された熱の輸送を支援してよい。
【００４４】
ＴＩＭ５０は好都合なことにキャビティ３２内に密封されており、そしてデバイス１０が動作中の間も恒久的に粘着性の形態、即ちジェル又は液体の形態を保っていてよい。
【００４５】
ダイ２０，２２からの熱伝達を更に容易にするために、ダイ２０，２２の上を向いている表面の部分部分は、例えば図５Ａに示されるように金属堆積物６８で更に覆われていてよい。このように、ダイ２２と接触していないダイ２０の上を向いている表面は、図５Ａ又は５Ｂに示されるように金属堆積物６８を含むことができる。同様にダイ２２は、その表面を、ダイ２２の上部を覆っている任意の金属層に加えて又はその代わりに、そのような堆積物で覆われていてよい。図５Ａに示されるように、金属堆積物６８は、ダイ２０の上面から延びる半田の形態にある任意の薄い金属のダブ(dabs)であってよく、ダイ２０のＴＩＭ５０に対する熱的な結合を更に支援する。そのように形成された堆積物は、ダイ２０に貼り付いたヒートシンクとして機能し、ダイ２０からＴＩＭ５０内への熱の伝導を可能にする。
【００４６】
堆積物６８は、ダイ２０上のランダムな又は決められた位置に半田のような金属の薄いダブを適用することによって形成されてよい。半田は、標準的な錫／鉛半田若しくは無鉛半田、銀、金、又は当業者に既知の同種のものであってよい。堆積物６８はサブミクロン範囲（即ち１μｍ未満）の厚みを有していてよい。好都合なことに、堆積物６８はＴＩＭ５０を捕捉(trap)することもできる。このことは、より大きな熱の局部的区域からＴＩＭ５０がポンプされる(pumped away)場合に特に有益である。
【００４７】
理解されるであろうように、堆積物６８は、米国特許公開Ｎｏ．ＵＳ２００７／０１０８５９５に開示されるようなパッケージ内の単一ダイ半導体上で用いられてもよい。
【００４８】
随意的には、堆積物６８は、蓋３０に直接的にワイヤ又はフィラメントで相互接続されてダイ２０，２２からの熱を更に伝導してよい。
【００４９】
図６に示される代替的な実施形態においては、上に向かって延びている複数のフィンを伴う更なるヒートシンク７０が蓋３０に取り付けられていてよい。ヒートシンク７０を蓋３０の上部上に取り付けるために、熱接着剤（図示せず）のような熱インタフェース材質が用いられてよい。ヒートシンク７０は、蓋３０の上面４０に取り付けられるベース７４を有していてよい。上方向に延びている複数のフィン７２は、ベース７４から延びており、そしてヒートシンク７０からの従って蓋３０からの熱を大気中へと運ぶことができる。フィン７２の形状及び配列は標準的なものであってよく、そして例えば円柱状、直方体状、又は他の任意の形状であってよい。
【００５０】
更なる代替的な実施形態においては、フィン６０／６２は熱電子冷却器又はベーパーチャンバ(vapour chamber)で置換され得る。この目的で、図７は図１の実施形態と実質的には同一の半導体１０’の更なる実施形態を示している（図１の実施形態における要素と同じ要素にはダッシュ（’）記号を付し、更には説明しない）。しかしながら、蓋３０’は、ペルチェ効果を利用するであろう熱電気マイクロクーラ（μＴｅｃ）９２／９４を含む複数の熱電気冷却フィン６０’／６２’を含む。典型的な熱電気モジュールは、２枚の薄いセラミックウエハをそれらの間の直列のＰ及びＮドープされたビスマス・テルル化物半導体材質と共に用いて製造される。半導体の両側のセラミック材質は、剛性及び電気的絶縁性を提供する。Ｎ型材質は過剰な電子を有する一方、Ｐ型材質は電子の欠乏を有している。電子はＰからＮへ移動するにつれてより高いエネルギ状態に遷移し（熱エネルギを吸収しながら）、またＮからＰへ移動するにつれてより低いエネルギ状態を獲得し（熱エネルギを発しながら）、それにより一方の側への冷却をもたらす。熱電気マイクロクーラ（μＴＥＣ）が知られており且つ商業的に入手可能である。図７に示されるように、１つ以上のμＴＥＣ９２，９４が、蓋３０’の表面４０’内及び全ての又は選択されたフィン６０’，６２’内に埋め込まれ得る。μＴＥＣ９４が埋め込まれるフィン６０’又は６２’は、熱消散が大きいダイ２０’，２２’の局部的領域の近くのものとして選択されてよい。μＴＥＣ９２，９４に電力供給するＤＣ電力源（図示せず）が外部に提供され得る。繰り返しになるが、ダイ２０’，２２’をフィン６０’，６２’に結合するために、キャビティ３２’は適切なＴＩＭ５０’で充填されてよい。
【００５１】
蓋３０もまた、１つ以上のベーパーチャンバを随意的に収容し得る。この目的で、図８は図１の実施形態と実質的には同一の半導体１０”の更なる実施形態を示している（繰り返すが、図１の実施形態における要素と同じ要素にはツーダッシュ（”）記号を付し、更には説明しない）。しかしながら、蓋３０”は、ベーパーチャンバ１１２及び複数のヒートパイプ１１４を含む。水のような液体１１６が蓋３０”の上部内の溝を掘られた直方体容積（チャンバ）１１２内に導入されて、ベーパーチャンバ１１２を形成している。ベーパーチャンバ１１２は、一般的には蓋３０”の上部内の直方体キャビティである。ダイ２０”，２２”によって生成された熱は、水分子を蒸発させる。水蒸気が凝結すると、チャンバ１１２の天井で熱が発せられ、それにより所望の冷却が達成され、そしてプロセスは繰り返す。加えて、フィン６０”／６２”（フィン６０／６２と同様）も空洞に作製されてよく、そしてヒートパイプ１１４を形成するように水が導入され得る。パイプ１１４は蓋３０”のベース内のベーパーチャンバ１１２に隣接又は連通している。熱は上に向かってパイプ１１４を通って、隣接しているベーパーチャンバ１１２へ運ばれる。
【００５２】
フィン６０／６２の異なるフィン配置のベースの形状及びサイズの種々の変形の他、概して平坦な区域の異なる形状が、ここに添付される特許請求の範囲から逸脱することなしに、当業者にとってただちに明らかになるであろう。
【００５３】
以下、理解されるであろうように、ここに開示される実施形態は、２つより多いダイを含むように容易に修正され得る。例えば３つ以上のダイが積層されてよい。これに伴い、蓋３０は３種以上の異なる長さのフィンを有するように適合させられ得る。同様に、基板１２は、基板１２上で互いに離間した多重積層ダイがその上に形成されたものであってよい。それに応じて、蓋３０のフィンは、ダイによって占められていない領域の上方、及びダイの上方の領域内に配置されてよい。
【００５４】
好都合なことに、蓋３０／３０’／３０”の使用は、ダイ２０，２２（２０’／２２’又は２０”／２２”）内での公差(tolerance)を許容する。キャビティ３２は、両フィン６０／６２、ＴＩＭ５０及びボンディング材質３６によって充填される。従って、ダイ２０，２２の厚みにおけるばらつきは蓋３０によって調整され得る一方で、ダイ２０，２２から蓋３０への熱輸送及びこれに伴い大気中への熱輸送を維持することができる。
【００５５】
言うまでもなく、上述した実施形態は例示のみを意図したものであり、いかなる限定も意図されていない。発明を実施する上述の実施形態は、形態、部分部分の配置、動作の詳細及び順序の多くの修正を許容する。本発明は、むしろ、特許請求の範囲によって画定される範囲内の全てのそのような修正を包含することが意図されている。
【技術分野】
【０００１】
本発明は概して半導体デバイスに関し、更に特定的には積層半導体ダイ(stacked semiconductor dies)のための半導体パッケージに関する。
【背景技術】
【０００２】
最新の半導体デバイスは、典型的には、ダイ、基板、１つ以上のメタライゼーション層、Ｉ／Ｏピン又はボール、ヒートスプレッダ(heat spreader)を含み、そして随意的にヒートシンクを含む。ダイはデバイスの能動回路を含む。ダイは典型的には基板上に実装され又は基板内のキャビティ内に実装される。１つ以上のメタライゼーション層は、メタライゼーション層をダイのダイパッドと相互接続するために用いられる接合指(bond-fingers)と称されるパッドを含む。ダイパッドは同様にダイの能動回路と相互接続される。メタライゼーション層は、基板内でのダイからＩ／Ｏピン又はボールへの電気的な接続を経路付ける。
【０００３】
ダイパッドは、導線によってパッドを接合指に接続することによる従来のワイヤボンディングを用いて接合指に電気的に結合され得る。代替的には、ダイはその能動表面が基板を向くように実装され得る。ダイパッドは能動表面から延びており、そしてダイから延びている電気的に伝導性のバンプを用いて接合指に接続され得る。能動表面が下を向くので、そのような半導体デバイスはしばしば「フリップチップ」パッケージと称される。
【０００４】
最新の半導体パッケージでは、高性能化及び小型化に対する継続的な要求が、より高い動作周波数及び増大されたパッケージ密度（より多くのトランジスタ）をもたらしている。しかし、動作に際しては、そのようなダイ上の回路は相当な量の電気的エネルギを消費する。このエネルギは、パッケージから取り除かれる必要のある熱を常に生成する。ダイによって生成される熱を消散させるために、従来のヒートスプレッダ及びヒートシンクが用いられるかもしれない。しかし、熱の大部分はダイ内で生成されるので、チップパッケージ内での熱エネルギの相対的な分布が多くの場合に極めて不均等になる。
【０００５】
つい最近では、より多くのトランジスタを単一のパッケージ内に含ませる試みにおいて、多重ダイが単一の半導体デバイス内に詰め込まれることがある。例えば、各ダイが基板と相互接続されるように複数のダイが交互に積層され得る。この目的で、米国特許第７，３６１，９８６号は、２つの積層されたダイを伴う半導体デバイスを開示しており、第１のダイは、第１のダイ上に実装され且つ基板にワイヤボンディングされる別のダイを伴ってフリップチップ構造で実装される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
多重ダイの幾何学的形状(geometry)がより複雑になり、そしてトランジスタの数が増えるのに従って、電子的なダイから熱を消散させることは、深刻化する問題になりつつある。
【０００７】
そこで、多重ダイの熱消散を支援する半導体パッケージに対する要求が存在する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の実施形態の例として、半導体デバイスは、基板上に積層される第１及び第２の半導体ダイを含む。キャビティ内へ下に向けて延びる複数のフィンを有する蓋が基板上に実装されて、半導体ダイを密閉する。複数のフィンの少なくとも幾つかは複数のフィンの他のフィンよりも長い。蓋は、第１のダイによって占められていない基板の領域の上方で下に向かって延びる長い方のフィンと共に基板に取り付けられる。短い方のフィンは、第２のダイによって覆われていない第１のダイの領域の上方で下に向かって延びている。熱インタフェース材質が、キャビティの残りを充填すると共に両ダイ、基板及びフィンと熱的に繋がっている。蓋は金属からモールド成形されてよい。蓋は、液体金属等であってよい熱ボンディング材質を用いて最上部のダイに接合されてよい。
【０００９】
本発明の側面によると、基板と、前記基板によって支持され、集積回路がその上に形成される第１のダイと、前記第１のダイ上に実装され、集積回路がその上に形成される第２のダイと、キャビティを画定する蓋と、熱インタフェース材質とを備えた半導体デバイスであって、前記蓋は前記キャビティ内へ下に向かって延びる複数のフィンを備えており、前記フィンの少なくとも幾つかは前記フィンの他のフィンよりも長く、前記蓋は、前記第１のダイによって占められていない前記基板の領域の上方に下方に向かって延びる当該長い方のフィンと前記第２のダイによって覆われていない前記第１のダイの領域の上方に下方に向かって延びる当該短い方のフィンと共に前記基板に取り付けられ、前記熱インタフェース材質は前記キャビティの残りを充填すると共に前記第１及び第２のダイ、前記基板並びに前記フィンと熱的に繋がっている半導体デバイスが提供される。
【００１０】
本発明の別の側面によると、基板と、その上に形成される集積回路を有し前記基板上に実装されるダイと、キャビティを画定する蓋であって前記キャビティ内へ下に向かって延びる複数のフィンを備えている蓋と、前記ダイ上に形成される金属堆積物と、前記キャビティの残りを充填すると共に前記ダイ、前記金属堆積物、前記基板及び前記フィンと熱的に繋がっている熱的に分離された材質とを備えた半導体デバイスが提供される。
【００１１】
本発明の別の側面によると、半導体デバイスを形成する方法であって、キャビティを画定する蓋及び前記キャビティ内へ延びる複数のフィンを形成することと、基板上に積層される配置で第１及び第２の半導体ダイを実装することと、前記蓋の前記キャビティを熱インタフェース材質で充填することと、前記蓋を前記熱インタフェース材質と共に前記基板上に実装して、前記フィン、前記ダイ、及び前記基板と接触する前記熱インタフェース材質と共に前記第１及び第２の半導体ダイを密閉することとを備えた方法が提供される。
【００１２】
本発明の他の側面及び特徴は、本発明の特定の実施形態の以下の説明を添付の図面と共に精査することによって、当業者に明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
以下の図面は例示のみを目的として本発明の実施形態を説明するものである。
【００１４】
【図１】図１は本発明の実施形態の例示としての半導体デバイスの断面図である。
【００１５】
【図２】図２は図１の半導体デバイスの斜視図である。
【００１６】
【図３】図３は図１の半導体デバイスのヒートスプレッダの断面図である。
【００１７】
【図４】図４は図３のヒートスプレッダの下方からの平面図である。
【００１８】
【図５Ａ】図５Ａは本発明の実施形態の例示として図１のデバイスのダイ上の随意的な金属堆積物を示す図（その１）である。
【図５Ｂ】図５Ｂは本発明の実施形態の例示として図１のデバイスのダイ上の随意的な金属堆積物を示す図（その２）である。
【００１９】
【図６】図６は本発明の別の実施形態の例示としての半導体デバイスの断面図である。
【００２０】
【図７】図７は本発明の別の実施形態の例示としての半導体デバイスの断面図である。
【００２１】
【図８】図８は本発明の別の実施形態の例示としての半導体デバイスの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
図１は本発明の実施形態の例示としての半導体デバイス１０の断面を示している。図示されるように、半導体デバイス１０は、基板１２、幾つかのダイ２０，２２、パッケージピン１６及び蓋３０を含む。後で明らかになるように、蓋３０はヒートスプレッダとして作用する。
【００２３】
基板１２内には、多重メタライゼーション層１４が基板１２の底面の近くに形成されている。メタライゼーション層１４はマイクロビア(microvias)１８によって互いに接続されていてよく、そしてダイ２０，２２をパッケージピン１６に電気的に相互接続している。
【００２４】
例示的な基板１２は片面のものであり、即ちメタライゼーション層１４は基板１２の一方の側の近傍にのみ形成されている。好都合なことに、片面基板においては、基板の反対側のメタライゼーション層との間での基板の全体高さに及び得るメッキスルホール(plated through holes)が回避される。言うまでもなく、基板１２は両面基板に代えられてもよい。
【００２５】
パッケージピン１６は、複数のピン、ボールグリッドアレイに配列された複数の半田ボール、又は任意の他の既知の電子的なパッケージ相互接続であってよい。
【００２６】
ダイ２０は基板１２によって支持されている。図示される実施形態においては、ダイ２０は基板１２の上面上に置かれていてよく、あるいは基板１２内に埋め込まれていてよく、その詳細は例えば米国特許公開２００７／０１０８５９５に説明されており、その内容は参照としてここに組み込まれる。ダイ２０はその能動的な表面(active surface)が下を向き且つダイパッド２４がダイ２０をメタライゼーション層１４に接続するように取り付けられている。ダイ２０のアンダーバンプメタライゼーション(under bump metallization)（ＵＢＭ）を基板１２のメタライゼーション層１４に結合するために、標準的なマイクロビア形成が用いられる。アンダーフィル(underfill)（図示せず）が更にダイ２０を基板１２に貼り付けていてよい。
【００２７】
ダイ２２はダイ２０上に実装される。ダイ２２は、ダイ２２の周囲のダイ２２の複数の接続点から延在するワイヤボンディングによって基板１２と接続されてよい。代替的には、ダイ２０及び２２は、ダイ２０及び２２内に形成されるシリコンマイクロビアによって互いに直接的に電気的に相互接続されてよい。
【００２８】
ダイ２０は、例えば、１つ以上の処理コアを有する汎用プロセッサ、グラフィクスプロセッサ等を具体化していてよい。ダイ２２は、ダイ２０において具体化されるプロセッサにより可読なスタティック又はダイナミックメモリ（ＤＲＡＭ、ＳＤＲＡＭ等）の形態にあるプロセッサ可読メモリであってよい。言うまでもなく、ダイ２０，２２は、特定用途向け集積回路、マイクロコントローラ、フィールドプログラマブルゲートアレイ等のような他の電子デバイスを具体化していてもよい。ダイ２０及び２２の間での電気的な相互接続は基板１２を介して達成され得る。
【００２９】
次に上から見ると、基板１２の表面のある領域はダイ２０によって覆われており、そして他の領域（基板１２の表面の残り）は覆われていない。同様にダイ２０のある領域はダイ２２によって覆われている。トポグラフィ的には、ダイ２０，２２をその上に伴う基板１２は、従って、３つの異なる高さ又は正面からの見え方(elevations)を有している。
【００３０】
蓋３０はデバイス１０のためのキャップ、及びヒートスプレッダとして作用する。蓋３０は、より詳しくは図２に示されるように、その縁を取り囲む接着剤によって基板１２に取り付けられる。具体的には、エポキシ等から形成される接着剤継ぎ目(glue seam)３８は、蓋３０の縁を基板１２に接続する。蓋３０と基板１２の間の領域は、熱インタフェース材質(thermal interface material)（ＴＩＭ）５０によって満たされている。図示される実施形態においては、ＴＩＭ５０は、粘着性の、半粘着性の、液体の、又は同様の熱インタフェース材質である。ＴＩＭ５０のための適切な材質は、無機ジェル、有機ジェル、グリース等であってよい。適切なジェルは、日本国東京の信越化学(Shin-Etsu Chemicals)から例えばＳｈｉｎ−Ｅｔｓｕ＿ＭｉｃｒｏＳＩ＿ｘ２３−７８０９の品番で入手可能である。Ｇ７５１熱グリースのような適切なグリースが当業者に知られることになるであろうが、多くの現在入手可能なグリースは、局所的発熱の区域から広がる（又は「ポンプされる(pumped)」）かもしれない。
【００３１】
蓋３０の上部及び基板１２からダイ２０，２２への距離は、ダイ２０，２２及び基板１２の組み合わせの正面からの見え方に依存して変化し得る。概して平坦な上部表面を有する蓋に対しては、重なっているダイ２０，２２に対応する領域は蓋３０に最も近いであろう。ダイ２２が重なっていないダイ２０に対応する領域は蓋３０から遠いであろう。ダイ２０／２２が実装されていない基板１２に対応する領域は蓋３０から最も遠いであろう。
【００３２】
蓋３０の更に詳細な図が図３及び４に示されている。図示されるように、蓋３０は、平坦な上部４０及び下方に延びる外周壁３４を有する概してドーム型である。上部４０及び上部４０から下に延びる外周壁３４は、キャビティ３２を画定する。蓋３０によって画定されるキャビティ３２が基板１２を覆い且つダイ２０，２２を受け入れていることが明らかであろう。
【００３３】
蓋３０は、蓋３０の平坦な上部４０から下方に延びる複数のフィン６０及び６２を更に含む。フィン６０及び６２はキャビティ３２内へ下方向に延びている。例示的な蓋３０においては、フィン６０及び６２の各々は、均等な円形水平断面を有する概して円柱状である。典型的には、フィン６０，６２は１μｍ２以上の断面積を有しているであろう。最適な断面積は実験的に決定されてよい。一方で、当業者であれば、フィン６０，６２の断面は均等又は円形である必要がないことを認識するであろう。それらは断面において楕円、正方形、又は長方形であってよく、均等、円錐状、又は任意の他の適切な形状であってよい。
【００３４】
同様に、上部４０は平坦である必要はなく、そして他の適切な形状を有していてよい。
【００３５】
図３及び４に更に示されるように、フィン６０はフィン６２と異なる長さを有している。短い方のフィン６２は、蓋３０が基板１２に取り付けられたときにダイ２０に位置合わせされる（且つダイ２２に位置合わせされない）蓋３０の領域の近くで延びており、一方ダイ２２に位置合わせされる領域にはフィンが無い。最後に、長い方のフィン６０は、ダイ２２又は２０のいずれにも占められていない区域に位置合わせされ即ちその区域内で下方向に延びている。
【００３６】
典型的には、短い方のフィンは、ダイ２２の全体的な厚みを超えて延在しないような長さで蓋３０の表面４０から延びている。長い方のフィン６０は実質的に基板１２まで延びており、従ってダイ２２及びダイ２０の厚みの和に近い長さを有している。
【００３７】
蓋３０は、例えばアルミニウム、鋼、等を含む金属のようなモールド成形された熱伝導材質から形成されてよい。蓋３０（フィン６０／６２を含む）は、例えばプレス成形(stamping)、モールド成形によって、又は他の標準的な製造技術を用いることによって一体的に形成されてよい。蓋３０は、代替的には、適切なセラミック、合金、等のような他の熱伝導材質から形成されてよい。
【００３８】
ＴＩＭ５０はキャビティ３２を充填し、そして好都合なことにダイ２０及び２２を蓋３０のフィン６０及び６２に熱的に接続する。また、ＴＩＭ５０は蓋３０を基板１２に熱的に結合する一方で、デバイス１０の全体的な熱容量を増大させる。好都合にも、ＴＩＭ５０は、積層ダイ２０及び２２の幾何学的な配置によって形成される幾何学的な奥まった箇所(nooks)を充填する。
【００３９】
更に、蓋３０はダイ２２に直接的に取り付けられる。例えば図１に示されるように、ダイ２２は、例えば熱伝導ボンディング材質３６を用いて蓋３０に接合されてよい。例えば、ダイ２２は、ガリウム、インジウムのような液体金属、又は例えばリアクティブナノテクノロジーズインク(Reactive Nanotechnologies Inc.)から入手可能なナノフォイル(nano-foil)を用いて蓋３０に接合されてよい。ボンディングを容易にするために、ダイ２２は、その上面をダイ２２に対するボンディング材質３６の接着性をより高くする金属又は半田で被覆されていてよい。
【００４０】
デバイス１０は、従来方法では、先ずダイ２０，２２を基板１２上に実装することによって製造され得る。その際、ダイ２２，２２は、電気的及び機械的に基板１２に接合され、そして必要に応じて互いに接合される。ボンディング材質３６（及びダイ２２上の任意の被覆）がダイ２２に貼り付けられてよい。ＴＩＭ５０は、予め形成された蓋３０（フィン６０，６２を含む）のキャビティ３２を充填してよい。蓋３０の外周の周囲には、エポキシ３８のビード(bead)が設置されてよい。次いで蓋３０は基板１２上に置かれてよい。エポキシ３８が硬化して蓋３０を基板１２に貼り付けてよい。
【００４１】
ＴＩＭ５０は、製造後にも概して粘着性を保ちそれが乾くことを防止するように選択されてよい。代替的には、ＴＩＭ５０は、蓋３０が一旦基板１２上になったら部分的又は全体的に硬化するように選択されてよい。
【００４２】
動作に際して、電力及び電気的な信号は、パッケージピン１６によってデバイス１０に加えられる。信号及び電力はメタライゼーション層１４を介してダイ２０，２２に供給される。ダイ２０，２２によって生じる熱は、ボンディング材質３６、ＴＩＭ５０、及びフィン６０，６２によって蓋３０へと導かれる。ＴＩＭ５０及びフィン６０，６２は熱をデバイス１０内で均一に分配するように作用する。ＴＩＭ５０は基板１２と接触しているので、熱は同様に基板１２に結合される。
【００４３】
蓋３０及び基板１２は環境と熱的に繋がっているので、最終的に熱は伝導又は対流によって外気へと運ばれる。外部ファン又は他の冷却デバイス（図示せず）が、デバイス１０から消散された熱の輸送を支援してよい。
【００４４】
ＴＩＭ５０は好都合なことにキャビティ３２内に密封されており、そしてデバイス１０が動作中の間も恒久的に粘着性の形態、即ちジェル又は液体の形態を保っていてよい。
【００４５】
ダイ２０，２２からの熱伝達を更に容易にするために、ダイ２０，２２の上を向いている表面の部分部分は、例えば図５Ａに示されるように金属堆積物６８で更に覆われていてよい。このように、ダイ２２と接触していないダイ２０の上を向いている表面は、図５Ａ又は５Ｂに示されるように金属堆積物６８を含むことができる。同様にダイ２２は、その表面を、ダイ２２の上部を覆っている任意の金属層に加えて又はその代わりに、そのような堆積物で覆われていてよい。図５Ａに示されるように、金属堆積物６８は、ダイ２０の上面から延びる半田の形態にある任意の薄い金属のダブ(dabs)であってよく、ダイ２０のＴＩＭ５０に対する熱的な結合を更に支援する。そのように形成された堆積物は、ダイ２０に貼り付いたヒートシンクとして機能し、ダイ２０からＴＩＭ５０内への熱の伝導を可能にする。
【００４６】
堆積物６８は、ダイ２０上のランダムな又は決められた位置に半田のような金属の薄いダブを適用することによって形成されてよい。半田は、標準的な錫／鉛半田若しくは無鉛半田、銀、金、又は当業者に既知の同種のものであってよい。堆積物６８はサブミクロン範囲（即ち１μｍ未満）の厚みを有していてよい。好都合なことに、堆積物６８はＴＩＭ５０を捕捉(trap)することもできる。このことは、より大きな熱の局部的区域からＴＩＭ５０がポンプされる(pumped away)場合に特に有益である。
【００４７】
理解されるであろうように、堆積物６８は、米国特許公開Ｎｏ．ＵＳ２００７／０１０８５９５に開示されるようなパッケージ内の単一ダイ半導体上で用いられてもよい。
【００４８】
随意的には、堆積物６８は、蓋３０に直接的にワイヤ又はフィラメントで相互接続されてダイ２０，２２からの熱を更に伝導してよい。
【００４９】
図６に示される代替的な実施形態においては、上に向かって延びている複数のフィンを伴う更なるヒートシンク７０が蓋３０に取り付けられていてよい。ヒートシンク７０を蓋３０の上部上に取り付けるために、熱接着剤（図示せず）のような熱インタフェース材質が用いられてよい。ヒートシンク７０は、蓋３０の上面４０に取り付けられるベース７４を有していてよい。上方向に延びている複数のフィン７２は、ベース７４から延びており、そしてヒートシンク７０からの従って蓋３０からの熱を大気中へと運ぶことができる。フィン７２の形状及び配列は標準的なものであってよく、そして例えば円柱状、直方体状、又は他の任意の形状であってよい。
【００５０】
更なる代替的な実施形態においては、フィン６０／６２は熱電子冷却器又はベーパーチャンバ(vapour chamber)で置換され得る。この目的で、図７は図１の実施形態と実質的には同一の半導体１０’の更なる実施形態を示している（図１の実施形態における要素と同じ要素にはダッシュ（’）記号を付し、更には説明しない）。しかしながら、蓋３０’は、ペルチェ効果を利用するであろう熱電気マイクロクーラ（μＴｅｃ）９２／９４を含む複数の熱電気冷却フィン６０’／６２’を含む。典型的な熱電気モジュールは、２枚の薄いセラミックウエハをそれらの間の直列のＰ及びＮドープされたビスマス・テルル化物半導体材質と共に用いて製造される。半導体の両側のセラミック材質は、剛性及び電気的絶縁性を提供する。Ｎ型材質は過剰な電子を有する一方、Ｐ型材質は電子の欠乏を有している。電子はＰからＮへ移動するにつれてより高いエネルギ状態に遷移し（熱エネルギを吸収しながら）、またＮからＰへ移動するにつれてより低いエネルギ状態を獲得し（熱エネルギを発しながら）、それにより一方の側への冷却をもたらす。熱電気マイクロクーラ（μＴＥＣ）が知られており且つ商業的に入手可能である。図７に示されるように、１つ以上のμＴＥＣ９２，９４が、蓋３０’の表面４０’内及び全ての又は選択されたフィン６０’，６２’内に埋め込まれ得る。μＴＥＣ９４が埋め込まれるフィン６０’又は６２’は、熱消散が大きいダイ２０’，２２’の局部的領域の近くのものとして選択されてよい。μＴＥＣ９２，９４に電力供給するＤＣ電力源（図示せず）が外部に提供され得る。繰り返しになるが、ダイ２０’，２２’をフィン６０’，６２’に結合するために、キャビティ３２’は適切なＴＩＭ５０’で充填されてよい。
【００５１】
蓋３０もまた、１つ以上のベーパーチャンバを随意的に収容し得る。この目的で、図８は図１の実施形態と実質的には同一の半導体１０”の更なる実施形態を示している（繰り返すが、図１の実施形態における要素と同じ要素にはツーダッシュ（”）記号を付し、更には説明しない）。しかしながら、蓋３０”は、ベーパーチャンバ１１２及び複数のヒートパイプ１１４を含む。水のような液体１１６が蓋３０”の上部内の溝を掘られた直方体容積（チャンバ）１１２内に導入されて、ベーパーチャンバ１１２を形成している。ベーパーチャンバ１１２は、一般的には蓋３０”の上部内の直方体キャビティである。ダイ２０”，２２”によって生成された熱は、水分子を蒸発させる。水蒸気が凝結すると、チャンバ１１２の天井で熱が発せられ、それにより所望の冷却が達成され、そしてプロセスは繰り返す。加えて、フィン６０”／６２”（フィン６０／６２と同様）も空洞に作製されてよく、そしてヒートパイプ１１４を形成するように水が導入され得る。パイプ１１４は蓋３０”のベース内のベーパーチャンバ１１２に隣接又は連通している。熱は上に向かってパイプ１１４を通って、隣接しているベーパーチャンバ１１２へ運ばれる。
【００５２】
フィン６０／６２の異なるフィン配置のベースの形状及びサイズの種々の変形の他、概して平坦な区域の異なる形状が、ここに添付される特許請求の範囲から逸脱することなしに、当業者にとってただちに明らかになるであろう。
【００５３】
以下、理解されるであろうように、ここに開示される実施形態は、２つより多いダイを含むように容易に修正され得る。例えば３つ以上のダイが積層されてよい。これに伴い、蓋３０は３種以上の異なる長さのフィンを有するように適合させられ得る。同様に、基板１２は、基板１２上で互いに離間した多重積層ダイがその上に形成されたものであってよい。それに応じて、蓋３０のフィンは、ダイによって占められていない領域の上方、及びダイの上方の領域内に配置されてよい。
【００５４】
好都合なことに、蓋３０／３０’／３０”の使用は、ダイ２０，２２（２０’／２２’又は２０”／２２”）内での公差(tolerance)を許容する。キャビティ３２は、両フィン６０／６２、ＴＩＭ５０及びボンディング材質３６によって充填される。従って、ダイ２０，２２の厚みにおけるばらつきは蓋３０によって調整され得る一方で、ダイ２０，２２から蓋３０への熱輸送及びこれに伴い大気中への熱輸送を維持することができる。
【００５５】
言うまでもなく、上述した実施形態は例示のみを意図したものであり、いかなる限定も意図されていない。発明を実施する上述の実施形態は、形態、部分部分の配置、動作の詳細及び順序の多くの修正を許容する。本発明は、むしろ、特許請求の範囲によって画定される範囲内の全てのそのような修正を包含することが意図されている。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板によって支持され、集積回路がその上に形成される第１のダイと、
前記第１のダイ上に実装され、集積回路がその上に形成される第２のダイと、
キャビティを画定する蓋と、
熱インタフェース材質とを備えた半導体デバイスであって、
前記蓋は前記キャビティ内へ下に向かって延びる複数のフィンを備えており、前記フィンの少なくとも幾つかは前記フィンの他のフィンよりも長く、前記蓋は、前記第１のダイによって占められていない前記基板の領域の上方で下に向かって延びる当該長い方のフィンと前記第２のダイによって覆われていない前記第１のダイの領域の上方で下に向かって延びる当該短い方のフィンと共に前記基板に取り付けられ、前記熱インタフェース材質は前記キャビティの残りを充填すると共に前記第１及び第２のダイ、前記基板並びに前記フィンと熱的に繋がっている半導体デバイス。
【請求項２】
前記第２のダイと前記蓋の間の熱ボンディング材質であって前記第２のダイを前記蓋に熱的に接続する熱ボンディング材質を更に備えた請求項１の半導体デバイス。
【請求項３】
前記熱ボンディング材質は液体金属を備えている請求項２の半導体デバイス。
【請求項４】
前記液体金属はガリウム、インジウムの１つを備えている請求項３の半導体デバイス。
【請求項５】
前記第１及び第２のダイの少なくとも一方の上面上の金属堆積物を更に備えた請求項１の半導体デバイス。
【請求項６】
前記金属堆積物は金、銀、錫を備えている請求項５の半導体デバイス。
【請求項７】
前記第１及び第２のダイの少なくとも一方の上面上のナノフォイルを更に備えた請求項１の半導体デバイス。
【請求項８】
前記金属堆積物は概ね１μｍの厚みを有している請求項５の半導体デバイス。
【請求項９】
前記基板はメタライゼーション層を更に備えており、前記第２のダイは前記メタライゼーション層にワイヤボンディングされる請求項１の半導体デバイス。
【請求項１０】
前記第１のダイは前記基板上にフリップチップ実装される請求項２の半導体デバイス。
【請求項１１】
前記第１及び第２のダイは前記メタライゼーション層を通して互いに電気的に相互接続される請求項１０の半導体デバイス。
【請求項１２】
前記第１及び第２のダイは前記シリコンマイクロビアを通して互いに電気的に相互接続される請求項１０の半導体デバイス。
【請求項１３】
前記フィンは概して均一な断面を有している請求項１の半導体デバイス。
【請求項１４】
前記熱インタフェース材質は熱グリース及び熱ジェルの少なくとも一方を備えている請求項１の半導体デバイス。
【請求項１５】
前記蓋から延びる複数の上に向かって延びるフィンを更に備えた請求項１の半導体デバイス。
【請求項１６】
前記蓋内に形成される少なくとも１つの熱電気冷却器を更に備えた請求項１の半導体デバイス。
【請求項１７】
前記少なくとも１つの熱電気冷却器は前記複数のフィンの１つの内部に形成される請求項１６の半導体デバイス。
【請求項１８】
前記蓋内に形成される液体充填されたベーパーチャンバを更に備えた請求項１の半導体デバイス。
【請求項１９】
前記フィンの少なくとも幾つかは前記液体充填されたベーパーチャンバと連通する空洞ヒートパイプを画定する請求項１８の半導体デバイス。
【請求項２０】
基板と、
その上に形成される集積回路を有し前記基板上に実装されるダイと、
キャビティを画定する蓋であって前記キャビティ内へ下に向かって延びる複数のフィンを備えている蓋と、
前記ダイ上に形成される金属堆積物と、
前記キャビティの残りを充填すると共に前記ダイ、前記金属堆積物、前記基板及び前記フィンと熱的に繋がっている熱的に分離された材質とを備えた半導体デバイス。
【請求項２１】
半導体デバイスを形成する方法であって、
キャビティを画定する蓋及び前記キャビティ内へ延びる複数のフィンを形成することと、
基板上に積層される配置で第１及び第２の半導体ダイを実装することと、
前記蓋の前記キャビティを熱インタフェース材質で充填することと、
前記蓋を前記熱インタフェース材質と共に前記基板上に実装して、前記フィン、前記ダイ、及び前記基板と接触する前記熱インタフェース材質と共に前記第１及び第２の半導体ダイを密閉することとを備えた方法。
【請求項１】
基板と、
前記基板によって支持され、集積回路がその上に形成される第１のダイと、
前記第１のダイ上に実装され、集積回路がその上に形成される第２のダイと、
キャビティを画定する蓋と、
熱インタフェース材質とを備えた半導体デバイスであって、
前記蓋は前記キャビティ内へ下に向かって延びる複数のフィンを備えており、前記フィンの少なくとも幾つかは前記フィンの他のフィンよりも長く、前記蓋は、前記第１のダイによって占められていない前記基板の領域の上方で下に向かって延びる当該長い方のフィンと前記第２のダイによって覆われていない前記第１のダイの領域の上方で下に向かって延びる当該短い方のフィンと共に前記基板に取り付けられ、前記熱インタフェース材質は前記キャビティの残りを充填すると共に前記第１及び第２のダイ、前記基板並びに前記フィンと熱的に繋がっている半導体デバイス。
【請求項２】
前記第２のダイと前記蓋の間の熱ボンディング材質であって前記第２のダイを前記蓋に熱的に接続する熱ボンディング材質を更に備えた請求項１の半導体デバイス。
【請求項３】
前記熱ボンディング材質は液体金属を備えている請求項２の半導体デバイス。
【請求項４】
前記液体金属はガリウム、インジウムの１つを備えている請求項３の半導体デバイス。
【請求項５】
前記第１及び第２のダイの少なくとも一方の上面上の金属堆積物を更に備えた請求項１の半導体デバイス。
【請求項６】
前記金属堆積物は金、銀、錫を備えている請求項５の半導体デバイス。
【請求項７】
前記第１及び第２のダイの少なくとも一方の上面上のナノフォイルを更に備えた請求項１の半導体デバイス。
【請求項８】
前記金属堆積物は概ね１μｍの厚みを有している請求項５の半導体デバイス。
【請求項９】
前記基板はメタライゼーション層を更に備えており、前記第２のダイは前記メタライゼーション層にワイヤボンディングされる請求項１の半導体デバイス。
【請求項１０】
前記第１のダイは前記基板上にフリップチップ実装される請求項２の半導体デバイス。
【請求項１１】
前記第１及び第２のダイは前記メタライゼーション層を通して互いに電気的に相互接続される請求項１０の半導体デバイス。
【請求項１２】
前記第１及び第２のダイは前記シリコンマイクロビアを通して互いに電気的に相互接続される請求項１０の半導体デバイス。
【請求項１３】
前記フィンは概して均一な断面を有している請求項１の半導体デバイス。
【請求項１４】
前記熱インタフェース材質は熱グリース及び熱ジェルの少なくとも一方を備えている請求項１の半導体デバイス。
【請求項１５】
前記蓋から延びる複数の上に向かって延びるフィンを更に備えた請求項１の半導体デバイス。
【請求項１６】
前記蓋内に形成される少なくとも１つの熱電気冷却器を更に備えた請求項１の半導体デバイス。
【請求項１７】
前記少なくとも１つの熱電気冷却器は前記複数のフィンの１つの内部に形成される請求項１６の半導体デバイス。
【請求項１８】
前記蓋内に形成される液体充填されたベーパーチャンバを更に備えた請求項１の半導体デバイス。
【請求項１９】
前記フィンの少なくとも幾つかは前記液体充填されたベーパーチャンバと連通する空洞ヒートパイプを画定する請求項１８の半導体デバイス。
【請求項２０】
基板と、
その上に形成される集積回路を有し前記基板上に実装されるダイと、
キャビティを画定する蓋であって前記キャビティ内へ下に向かって延びる複数のフィンを備えている蓋と、
前記ダイ上に形成される金属堆積物と、
前記キャビティの残りを充填すると共に前記ダイ、前記金属堆積物、前記基板及び前記フィンと熱的に繋がっている熱的に分離された材質とを備えた半導体デバイス。
【請求項２１】
半導体デバイスを形成する方法であって、
キャビティを画定する蓋及び前記キャビティ内へ延びる複数のフィンを形成することと、
基板上に積層される配置で第１及び第２の半導体ダイを実装することと、
前記蓋の前記キャビティを熱インタフェース材質で充填することと、
前記蓋を前記熱インタフェース材質と共に前記基板上に実装して、前記フィン、前記ダイ、及び前記基板と接触する前記熱インタフェース材質と共に前記第１及び第２の半導体ダイを密閉することとを備えた方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図６】
【図７】
【図８】
【公表番号】特表２０１２−５２０５７５（Ｐ２０１２−５２０５７５Ａ）
【公表日】平成２４年９月６日（２０１２．９．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−５０００１４（Ｐ２０１２−５０００１４）
【出願日】平成２２年３月１５日（２０１０．３．１５）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＣＡ２０１０／０００３７８
【国際公開番号】ＷＯ２０１０／１０５３４６
【国際公開日】平成２２年９月２３日（２０１０．９．２３）
【出願人】（５０８３０１０８７）エーティーアイ・テクノロジーズ・ユーエルシー (68)
【氏名又は名称原語表記】ＡＴＩ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＩＥＳ ＵＬＣ
【住所又は居所原語表記】Ｏｎｅ Ｃｏｍｍｅｒｃｅ Ｖａｌｌｅｙ Ｄｒｉｖｅ Ｅａｓｔ， Ｍａｒｋｈａｍ， Ｏｎｔａｒｉｏ， Ｌ３Ｔ ７Ｘ６ Ｃａｎａｄａ
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２４年９月６日（２０１２．９．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年３月１５日（２０１０．３．１５）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＣＡ２０１０／０００３７８
【国際公開番号】ＷＯ２０１０／１０５３４６
【国際公開日】平成２２年９月２３日（２０１０．９．２３）
【出願人】（５０８３０１０８７）エーティーアイ・テクノロジーズ・ユーエルシー (68)
【氏名又は名称原語表記】ＡＴＩ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＩＥＳ ＵＬＣ
【住所又は居所原語表記】Ｏｎｅ Ｃｏｍｍｅｒｃｅ Ｖａｌｌｅｙ Ｄｒｉｖｅ Ｅａｓｔ， Ｍａｒｋｈａｍ， Ｏｎｔａｒｉｏ， Ｌ３Ｔ ７Ｘ６ Ｃａｎａｄａ
【Ｆターム（参考）】
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