专利名称：多芯片器件及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种包含许多芯片的多芯片器件。本发明还涉及包含许多芯片的多芯片器件的制造方法。
背景技术：
市场需求要求存储模块的存储能力不断增加。但在实际上达不到市场要求的增长率。因此在技术上有一个缺口，它目前是靠将存储芯片彼此叠置以在存储模块上提供足够的存储能力来填充。
现在已有几种叠置方法。在一种叠置方法中，是将两个或多个存储芯片彼此叠置起来，其中每个芯片用一个隔垫分开。每个存储芯片分别用导线连至一个公共衬底上，后者提供至焊料球等上面的电再分配，以将叠置的芯片器件连到存储模块板上。
此外，众所周知，可以把一些存储芯片封装件叠置在一个封装件堆叠上，例如球栅阵列(BGA)封装件等的上面，方法是在面对安置焊料球的表面的BGA衬底表面上提供附加的接触块。这样可以把各BGA相互焊起来形成存储芯片堆叠。
在另一种方法中，可利用通过芯片的连线来提供存储芯片，这些通过芯片的连线在芯片的不同主表面上的两个接触元件之间提供电连接。通过连接各接触元件可将一个芯片的电路连至相邻芯片的电路，这时不用在各存储芯片之间提供隔垫就将它们叠置起来，从而达到高的单位体积存储密度。
制造叠置存储芯片的一个问题是生产率大大下降。这至少部分是由于在提供单个裸露芯片和完成多芯片封装件之间有许多制造步骤且每个步骤都可能出现一定的缺陷造成的。这种生产率的下降基本与所用的叠置方法无关。
因此，需要有一种高产率的多芯片器件及其制造方法。
发明内容
本发明的一个实施例提供一种具有叠置存储芯片的多芯片器件，它被设计成可以较高的生产率制造，并能增加这类多芯片器件的存储能力。本发明的另一个实施例提供制造具有高生产率的多芯片器件的方法。
一个实施例提供一种制造多芯片器件的方法，其中第一多芯片堆叠相对于第二多芯片堆叠叠置以形成多芯片模块。每个堆叠包括至少两个叠置着的芯片，它们用通过芯片的连线相互连接并处于各自的衬底上。
另一个实施例提供包含衬底的多芯片装置，至少有两个单芯片相互叠置而形成多芯片堆叠，此多芯片堆叠处在衬底的第一表面上；穿过至少一个单芯片的一个或多个通过芯片的连线将至少两个单芯片相互电连接；同时位于衬底上且与通过芯片的连线连接的第一外接触元件在至少两个单芯片和第一外部元件之间形成芯片外的电连接。
另一个实施例提供具有至少两个多芯片堆叠的多芯片器件。每个堆叠包括(i)衬底；(ii)至少两个彼此叠置的单芯片以形成多芯片堆叠，此多芯片堆叠处在衬底的第一表面上；(iii)一个或多个通过芯片的连线，它们穿过至少一个单芯片以电连接至少两个单芯片；(iv)第一外接触元件，它处在衬底第二表面上并与通过芯片的连线连接以形成芯片外的电连接，且第一表面和第二表面是相对平行的表面；(v)处于衬底第一表面上的第二外接触元件。此外，第一堆叠的相应第一接触元件可以和第二堆叠的相应第二外接触元件物理上相连接。
还有一个实施例提供一种包括由第一多芯片堆叠和第二多芯片堆叠形成的多堆叠模块器件。每个堆叠包括(i)衬底；(ii)由两个或多个位于衬底表面上的单芯片堆叠的装置；和(iii)穿过该堆叠装置的至少一个单芯片与两个或多个单芯片相互电连接的通过芯片的连线。此器件还包括一块印刷电路板，印刷电路板的表面上装着该多堆叠模块，且第一和第二多芯片堆叠的各个芯片与此印刷电路板相互电连接。
通过参考包括以下各附图为例的一些实施例，可以详细了解本发明的上述特征及上面简单综述过的具体细节。但是必须指出，附图只是举例说明本发明的一些典型实施例，因而不能认为是对本发明范围的限制，因为本发明也可以用在其它同样有效的实施例中。
图1是按现有技术的封装件中的一个芯片堆叠；图2是按现有技术的封装件堆叠；图3是按本发明第一实施例的一个多芯片器件；图4是按本发明第二实施例的一个多芯片器件。
具体实施例方式
下面将参考本发明的一些实施例。但应了解本发明并不限于所述的具体实施例。相反，任何以下特征和元件的组合，不论是否与各实施例有关，都可用来实施本发明。此外，在各实施例中本发明提供了很多优于现有技术的优点。但是，虽然本发明各实施例相对其它可能的方案和/或先前的方法可能有一些优点，但某个实施例能否实现某具体优点并不是本发明的一个限制。因此，下面的方面、特征、实施例和优点只是示例性的，且除非在某权利要求中明确指出，它们都不能被认为是对权利要求书的限制因素。类似地，提到“本发明”并不应解释为这里公开的任何本发明主题的概括，也不应解释为是对从属权利要求的限制因素，除非在权利要求中明确记载以外。
另外，有关方位的词如“上部”，“下部”，“下面”，“上面”等都是相对的，且不是将本发明各实施例限制于一个具体的方位。
按照本发明的一种形式，许多单芯片被相互叠置，并利用延伸到同一堆叠中其它单芯片的至少一个的一个或多个通过芯片的连线电互连，从而形成一个互连芯片的多芯片堆叠(也可简称为“芯片堆叠”)。每个芯片堆叠还包括一个衬底，它提供一个或多个第一接触元件(每个元件与一个或多个通过芯片的连线相接触)和一个或多个第二接触元件，它们与第一接触元件电接触。
按照本发明的另一实施例，提供一种包含许多芯片堆叠的多芯片器件。这些芯片堆叠相互叠置。一个芯片堆叠的第二接触元件被安置成与相邻一个芯片堆叠的一个或多个第三接触元件相接触。
在一个实施例中，许多芯片堆叠可以沿基本垂直于衬底主表面的方向相互叠置。
按照本发明的另一种形式，每个芯片堆叠的衬底具有一个第一表面和一个相对的第二表面，且叠置的单个芯片和第一接触元件处在第一表面上，第二接触元件处在第二表面上。
在一个具体实施例中，各芯片堆叠按某种方式相互叠置，使一个芯片堆叠的第二表面面对相邻芯片堆叠的衬底的第一表面。在这个实施例中，第二接触元件(处在一个芯片堆叠的第二表面上)可以和第一芯片堆叠上的接触元件物理连接。
对于许多芯片堆叠中的至少一个，叠置的单芯片可以安置在第一表面的第一区，且一个或多个第三接触元件可以安置在第一表面的第二区。
第二和第三接触元件中的至少一个在垂直于相应芯片堆叠衬底的相应表面方向可以有一个高度，其中第二和第三接触元件增加的高度等于或高于相邻芯片堆叠衬底之间叠置的单芯片的高度，这样，相邻衬底之间隔开一个比夹在相邻衬底之间的芯片堆叠的叠置高度大的距离，从而在芯片堆叠顶部和叠置的衬底之间形成间隙。在一个实施例中，可以在此间隙内安放元件。
第二接触元件和第三接触元件每个优选具有至少一个焊料球，焊料堆和接触块。因此，不再需要提供什么导电元件就可以在第二接触元件和第三接触元件之间形成电连接。
芯片堆叠的衬底优选包含一个再分配层，以在第一接触元件之一、第二接触元件之一、第三接触元件之一中的至少两个之间提供电连接。
另外，可以在两个相邻芯片堆叠之间安置导热层和导热元件的至少一个。优选导热层或结构为热脂，热球和散热元件中的一种。
按照本发明的另一种形式，芯片堆叠以一种方式叠置，使此芯片堆叠的至少一个衬底安置成提供多芯片器件的外表面。
优选提供具有多芯片器件外表面的衬底的芯片堆叠，在对着第一表面第一区(相应芯片堆叠的各叠置的单芯片就固定在上面)的衬底第二表面区域内，有一个或多个第二接触结构和/或导热元件。
在一个实施例中，可以这样叠置芯片堆叠，使各叠置的单芯片中至少一个安置成提供多芯片器件的外表面，其中导热元件被安置在具有此外表面的叠置的单芯片上。
在一个实施例中，导热元件可以提供在两个相邻的芯片堆叠之间。
在一个实施例中，在多芯片器件内的一个或多个叠置的单芯片是一些存储芯片。
按照本发明的另一种形式，提供一种制造这类多芯片器件的方法。此方法包括以下步骤提供一些包括许多单芯片的芯片堆叠，这些芯片利用一个或多个穿过至少一个单芯片的通过芯片的连线相互叠置并电连接，还具有一个衬底，它有一个或多个第一接触元件分别接触一个或多个通过芯片的连线和一个或几个第二接触元件，每个与第一接触元件中至少一个电接触。这样来进行芯片堆叠的叠置。此芯片堆叠是这样相互连接的，使得每个芯片堆叠的衬底通过在第二接触元件之一和相邻芯片堆叠的第三接触元件之一之间形成相应的互连而彼此电连接。
按照本发明的一种形式，许多芯片堆叠中的每一个都被测试过，如果有各芯片堆叠在叠置和连接之前存在任何缺陷则废弃(或返修)，以此提高制造多芯片器件的生产率。
图1表示按以前方法的多芯片器件。图1的器件是一个封装件1，其中第一芯片2和第二芯片3相互叠置，其间用隔垫4分开。芯片2，3中的每一个在其表面上有一再分配层5，它将芯片2，3上的集成电路连至相应的接触块6，后者通过连接线7线连至衬底8第一表面上的相应接触元件9。衬底8第一表面上的接触元件9通过衬底8上(或内)的再分配线与衬底8第二表面上的焊料球10相连接。因此，可以形成一个包含两个堆叠芯片的封装件，以增加器件的系统密度。
将来要求器件的系统或模块密度的增加比单芯片电路所允许的存储密度的增加还快。这需要在一个封装件中包含大量的单芯片。这种多芯片器件按照上述设计很难制造，因为在此器件内的每一个单芯片都必须单独连接并用隔垫4相互分开，这使得此多芯片封装件的总高度迅速增加。此外，由于在提供单裸露芯片和完成多芯片封装件之间有很多制造步骤，每个步骤可能有一定的缺陷，所以制造这种多芯片封装件的总生产率较低。
另一种提高系统密度的途径是如图2所示结合一些单芯片。图2表示两个FBGA封装件11，每个包含一个单芯片，它可通过提供在每个FBGA封装件接触表面上的焊料球14电连接。图2所示的两个FBGA封装件通过两个互连元件12(为U形，形成两个平面，所述平面上安置一些接触块)相互叠置。接触块被两个FBGA封装件11的焊料球14接触。互连元件12还有一个部分，其上安置了附加的焊料球13并分别与第一和第二FBGA封装件的焊料球14相互连接。利用这种多芯片器件可以增加系统密度，不过增加此器件的系统密度的好处被此多芯片器件迅速增加的高度(因为每个单芯片是封装在它自己的FBGA封装件11内)所限制。
图3a和3b(总称为图3)表示本发明一个实施例。更具体而言，图3a表示一个多芯片堆叠21，而图3b表示使用许多芯片堆叠21做成的多芯片器件20。因而按图3实施例的多芯片器件20结合了两种堆叠类型。首先参考图3a，每个芯片堆叠21有许多单芯片22(显示的例子是四个)，它们利用穿过至少一个单芯片22的一个或多个通过芯片的连线24相互叠置并相互电连接。单芯片22一般用硅制造并包括一个电路，优选是存储电路，如DRAM电路。每个芯片堆叠21包括一个衬底23，衬底上面固定着叠置的单芯片22。通过芯片的连线24穿过单芯片22并在单芯片22的相对表面提供接触点。通过芯片的连线优选这样来安置，使得将单芯片22相互叠置时在相邻单芯片接合表面上的接触点彼此相接触。在所示的实施例中，每个单芯片的通过芯片的连线是按某种方式安放使得各接触点相匹配，以提供通过该堆叠的所有单芯片的互连。
由单芯片形成的单个芯片堆叠21被安置在衬底23上，后者包括作为接触块的第一接触元件25，这些接触块被安置成当堆叠21固定在衬底23上时它们与通过单芯片22的连线24的接触点电接触。第一接触元件25与第二接触元件26电接触。因此，衬底23包含一个或多个再分配层28，使单芯片的集成电路可通过第二接触元件26电连接和控制。在一个实施例中，接触元件26是一些焊料球26，这在诸如BGA等封装件类型中是广为人知的。
参考图3b，图中是一个具有4个芯片堆叠21的多芯片器件20。各芯片堆叠21是这样相互叠置的，使得衬底的主表面彼此平行地安置。因而焊料球26与第三接触元件27相接触，后者作为第三接触块27被提供在和第一接触元件25相同的衬底23的表面上。各芯片堆叠21通过将焊料球26焊到接触块27上而彼此固定，这样在每个芯片堆叠21的单个芯片堆叠之间就可实现电连接，并实现4个芯片堆叠的机械桥式连接。
在一个实施例中，焊在接触块27上的焊料球26形成一个高度，其值等于或大于提供在相应衬底23上的单个芯片堆叠的高度。在焊接的情况下，焊料球26和接触块27的组合高度保证各相邻芯片堆叠21之间有一间距(D)，它足以形成间隙29，以防止芯片堆叠的衬底23与相邻芯片堆叠直接接触。
如图4所示，在两个相邻芯片堆叠21之间可提供导热元件30或导热层31。如图4的实施例所示，导热元件30可作为散热器，它包含如铜等导热材料。导热层31可包括热脂31等。在外表面上(它提供到系统印刷电路板35的外部电接口)，多芯片器件20可进一步提供附加的热球32，以改善多芯片器件到系统印刷电路板的散热。此外，在一个实施例中，可把散热器33加到顶部芯片堆叠21的上表面。
虽然在所示实施例中是在每芯片堆叠21中叠置4个单芯片，且4个芯片堆叠21叠置成多芯片器件20，但在每个芯片堆叠21内的单芯片数量可多于或少于4。此外，在某个多芯片器件内芯片堆叠可以有相对于该多芯片器件内其它芯片堆叠不同的芯片数量。例如，多芯片器件的第一芯片堆叠可以有三个单个叠置的芯片，而该多芯片器件的第二芯片堆叠可以有5个单个叠置的芯片。此外，虽然所示多芯片器件20是具有4个叠置的芯片堆叠21，但芯片堆叠的数量可以是任意的。在一个实施例中，单个芯片22是存储芯片，它们可以通过连接彼此并联的芯片输入/输出端口的一些，大多数或每一个而连接起来，以便采用通过芯片的连线。
在所示实施例中，单个芯片堆叠处在衬底23第一表面的第一区域内，而第二和第三接触元件(焊料球26和接触块27)处在衬底不同表面上的第二衬底区域内。
在一种形式中，本发明各实施例可使生产率显著提高，因为芯片堆叠21在叠置在一起而形成多芯片器件20之前都可以测试。倘若在这个芯片堆叠21内发现任何缺陷，就可以废弃该有缺陷的芯片堆叠(不用来生产该多芯片器20)或将其返修。按这种方法，只有已知是好的芯片堆叠被用来形成多芯片器件20，这使得在提供芯片堆叠和制造多芯片器件之间的工艺步骤的数量减少。
虽然上面是针对本发明的一些实施例，但也可以采用其它别的实施例而不偏离本发明的基本范围，本发明的范围由下面的权利要求书确定。
权利要求
1.一种制造多芯片器件的方法，包括提供第一多芯片堆叠，它包括至少两个叠置的芯片，所述芯片由通过芯片的连线相互连接并位于第一衬底上；提供第二多芯片堆叠，它包括至少两个堆置的芯片，所述芯片由通过芯片的连线相互连接并位于第二衬底上；第一和第二多芯片堆叠相互叠置而形成多芯片模块。
2.如权利要求1的方法，还包括将第一和第二多芯片堆叠相互叠置。
3.如权利要求1的方法，还包括用导电元件将第一和第二多芯片堆叠相互连接；将第一和第二多芯片堆叠中的至少一个连至印刷电路板，以实现第一和第二多芯片堆叠和印刷电路板的电连接。
4.如权利要求1的方法，其中第一和第二多芯片堆叠被叠置起来，使第一衬底的下表面面对第二衬底的上表面，且其中导电元件包括位于下表面上的第一连接器，而且第二连接器位于上表面上，同时第一和第二连接器彼此物理接触。
5.如权利要求1的方法，其中堆叠包括在第一和第二多芯片堆叠之间形成间隙。
6.如权利要求1的方法，其中第一和第二多芯片堆叠内的芯片是存储芯片。
7.如权利要求1的方法，还包括将多芯片模块置于印刷电路板的表面上，使得多芯片模块背离印刷电路板的表面垂直伸展。
8.如权利要求1的方法，还包括在叠置前检查印刷电路板的缺陷。
9.一种多芯片装置，包括衬底；至少两个相互叠置以形成多芯片堆叠的单芯片，其中多芯片堆叠位于该衬底的第一表面上；穿过至少一个单芯片的以将所述至少两个单芯片相互电连接的一个或多个通过芯片的连线；及第一外接触元件，它位于该衬底上并与通过芯片的连线连接，以在所述至少两个单芯片和第一外元件之间形成芯片外连接。
10.如权利要求9的装置，还包括再分配层，它将外接触元件与通过芯片的连线相连。
11.如权利要求9的装置，还包括位于所述堆叠的最上面芯片上的散热件。
12.如权利要求9的装置，其中所述芯片是存储芯片。
13.如权利要求9的装置，其中芯片沿基本垂直于衬底第一表面的方向叠置。
14.如权利要求9的装置，其中通过芯片的连线与位于衬底上的导电元件接触，且还包括一些将所述衬底上的导电元件与第一外接触元件电连接的位于衬底上的导电元件。
15.如权利要求9的装置，其中第一外接触元件位于衬底的第二表面上，所述第一和第二表面为相对平行的表面。
16.如权利要15的装置，还包括第二外接触元件，它位于衬底第一表面上并与第一外接触元件相连接，所述第二外接触元件用来连接至第二外部元件。
17.如权利要求16的装置，其中第一外接触元件和第二外接触元件中至少一个是焊料球、焊料堆和接触块中的至少一个。
18.一种多芯片器件，包括至少两个多芯片叠置，每个包括(i)衬底；(ii)至少两个相互叠置的单芯片，以形成多芯片堆叠，所述多芯片堆叠位于该衬底第一表面上；(iii)穿过至少一个单芯片的一个或多个通过芯片的连线，用来相互电连接所述至少两个单芯片；(iv)位于衬底第二表面上并与通过芯片的连线连接的第一外接触元件，以形成芯片外电连接，所述第一和第二表面为相对平行的表面；(v)位于衬底第一表面上的第二外接触元件；且其中第一堆叠相应的第一外接触元件与第二堆叠相应的第二外接触元件物理上相连接。
19.如权利要求18的器件，其中第一外接触元件是球栅阵列。
20.如权利要求18的器件，还包括印刷电路板，其中第二堆叠相应的第一外接触元件与印刷电路板物理上相连接。
21.如权利要求18的器件，其中芯片为存储芯片。
22.如权利要求18的器件，还包括散热器元件，它处在至少一个堆叠的最上面的芯片上。
23.如权利要求18的器件，其中第一多芯片堆叠叠置在第二多芯片堆叠的顶面上。
24.如权利要求18的器件，其中第一多芯片堆叠叠置在第二多芯片堆叠的顶面上，在第一多芯片堆叠相应的第二表面和第二多芯片堆叠相应的第一表面之间形成间隙。
25.一种多芯片器件，包括(a)第一多芯片堆叠，它包括(i)第一衬底；(ii)处于所述第一衬底表面上的两个或多个单芯片的第一堆叠装置；及(iii)第一通过芯片的连线，它穿过该第一堆叠装置的至少一个单芯片，以将该两个或多个单芯片相互电连接；(b)第二多芯片堆叠，它包括(i)第二衬底；(ii)处于所述第二衬底表面上的两个或多个单芯片的第二堆叠装置；及(iii)第二通过芯片的连线，它穿过该第二堆叠装置的至少一个单芯片，以将所述两个或多个单芯片相互电连接， 其中第一多芯片堆叠处于第二多芯片堆叠上以形成多堆叠模块；及(c)印刷电路板，它有处于它的一个表面上的多堆叠模块，同时第一和第二多芯片堆叠的各芯片与所述印刷电路板电连接。
全文摘要
本发明涉及一种多芯片器件，它包括一些芯片堆叠，每个堆叠包含许多相互叠置的单芯片，其中被叠置的单芯片由一个或几个穿过至少一个单芯片的通过芯片的连线相互电连接，同时衬底提供一个或多个第一接触元件，其中每个第一接触元件与通过芯片的连线之一接触，并提供一个或多个与此第一接触元件电接触的第二接触元件，其中那些芯片堆叠相互叠置，而且芯片堆叠之一的每个第二接触元件安置成与相邻芯片叠置的一个或多个第三接触元件相接触。
文档编号H01L25/065GK1897240SQ20061009282
公开日2007年1月17日 申请日期2006年6月19日 优先权日2005年6月17日
发明者J·汤马斯, O·舍菲尔德 申请人:秦蒙达股份公司