专利名称：半导体装置与相关方法
技术领域：
本发明涉及一种半导体装置与相关方法，且特别是涉及一种整合多芯片且可兼顾集积度与散热 的半导体装置与相关方法。
背景技术：
各式各样的半导体装置是现代资讯社会最重要的硬件基础之一。芯片(管芯、裸晶)是半导体装置的基础元件；不同的芯片间可交换信号、数据以整体性地发挥一电子系统的功能。为了以更小的体积、更高的集积度实现电子系统，现代的半导体装置会将多个芯片整合为同一封装，例如说是系统级封装(System in Package, SiP)。举例而言,封装上封装(Package on Package,PoP)技术即是将一芯片封装垂直堆叠于另一芯片封装上，以整合多个芯片的功能。不过，以目前封装上封装技术形成的半导体装置仍存在散热不佳等缺点。
发明内容
为克服现有技术的缺点，本发明的目的之一是提供一种可兼顾集积度与散热的半导体装置，其包括一基板、一或多个第一芯片、一或多个子封装系统与一散热体。基板具有一第一表面与多个外部互联导体；第一芯片即安装于第一表面上，外部互联导体则设于基板的相反两面。各子封装系统安装于第一表面上，每一子封装系统于第一表面的投影与第一芯片于第一表面的投影有部分重叠，并有部分不重叠。各子封装系统中包括一或多个第二芯片、多个互联导体(interconnector)与一界面板(interposer)。其中，第二芯片可以是裸晶，也可以是已封装的娃晶(packaged silicon)。在各子封装系统的一实施例中，第二芯片可以是裸晶，并以覆晶(flip-chip)方式通过裸晶底下的凸块(bump)而安装于界面板上。以及/或者，第二芯片可以是已封装的硅晶，通过针脚及/或圆球状焊球(例如球格式封装(Ball Grid Array,BGA)的焊球)安装于界面板。界面板设于第二芯片与基板的第一表面之间，互联导体则与第二芯片设于界面板的相反两面。对应各子封装系统的互联导体，基板的第一表面上还设有多个接点(contact);各子封装系统的互联导体即耦接于接点与界面板之间。—实施例中，第一芯片以覆晶形式安装于基板的第一表面上；在第一表面上，第一芯片沿一第一方向的突起高度低于子封装系统中各互联导体沿第一方向的高度。散热体具有一突出部分、一散热板与一或多个侧壁；散热板覆盖于第一芯片与各子封装系统之上，突出部分设于第一芯片与散热板之间，各侧壁则设于散热板与第一表面之间。本发明的又一目的是提出一种提供(例如生产、制造、实现)前述半导体装置的方法，包括将第一芯片安装于基板的第一表面上；当第二芯片为裸晶时，可以覆晶的方式安装于界面板上，而当第二芯片为封装体时，则以连接导体(如针脚及/或焊球)安装于界面板上，以组装子封装系统；将子封装系统中的互联导体耦接至基板上的对应接点以将各子封装系统安装于第一表面上；安装散热体，并于基板上附接多个外部互联导体。为了对本发明的上述及其他方面有更佳的了解，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下
图I以立体外视图示意本发明半导体装置的一实施例；图2示意图I半导体装置的各主要构件；图3示意图2子封装系统的架构实施例；图4示意图2芯片与子封装系统于基板上的配置实施例；图5以不同角度示意图2散热体的实施例；·图6不意图5散热体于图2基板的配置实施例；图7以不同角度示意图I半导体装置；图8示意图I半导体装置中的各种电性耦接导电路径；图9以图I半导体装置为例示意本发明方法的流程实施例；图10示意图6散热体的另一实施例。主要元件符号说明10 :半导体装置12 :基板14、14b:散热体16a_16b、t20_b20、t24a_b24a、t24b_b24b、t40_b40 :表面18、28、32、34 :互联导体20、D1_D8:芯片22a-22b :子封装系统24a-24b :界面板30、36、38 :接点40 :散热板42a_42d:侧壁46 :突出部分100 :流程102-110:步骤z :方向P_a、P_b、P_c :投影
具体实施例方式请参考图I至图7。图I的立体外视图示意的是依据本发明一实施例的半导体装置10，图2示意的是半导体装置10的各主要构件，包括一基板12、一芯片20、一或多个子封装系统(以两个子封装系统22a与22b为例)与一散热体14。图3以子封装系统22a为例说明本发明子封装系统的架构实施例；图4则是芯片20与子封装系统22a、22b于基板12上的配置示意图。图5以各角度的视图示意散热体14的一种实施例；图6则显示散热体14于基板12上的配置示意图。图7以不同视图示意本发明半导体装置10的架构。如图I所示，基板12在一 z方向上具有两相反的表面16a与16b (可分别视为上表面与下表面)，在表面16b上并设有多个互联导体18以作为外部互联导体。芯片20 (第一芯片)与子封装系统22a、22b则安装于表面16a上(第一表面)，如图2所不；也就是说，互联导体18与芯片20分别设于基板12的相反两面。互联导体18可以是焊球(ball)、针脚(pin)或接点。如图2所不，各子封装系统22a、22b于表面16a的投影P_a、P_b与芯片20于表面16a的投影P_c有部分重叠(如斜线区域所示)，并有部分不重叠。如图3与图4所示，子封装系统22a中包括一界面板24a、多个互联导体34(图4)与一或多个芯片(第二芯片，其可以是裸晶，以及/或者，也可以是已封装的硅晶)，例如说是芯片Dl至D4。各芯片Dl至D4在z方向上有两相反的表面,如芯片Dl有表面tl与bl (可分别视为上表面与下表面),芯片D2具有表面t2与b2，芯片D3有表面t3与b3，芯片D4有表面t4与b4。在表面bl至b4上，各芯片Dl至D4均设有多个互联导体28。在芯片Dl至D4的各芯片中，若某一芯片 为裸晶，则其表面设置的互联导体28为裸晶底下的凸块；若某一芯片为已封装的硅晶，则其互联导体28则可以是球格式封装(Ball Grid Array, BGA)的焊球。如图3与图4所示，界面板24a在z方向上有两相反的表面t24a与t24b (图4)；表面t24a上设有多个接点30,各接点30对应于一互联导体28,可相互搭配嵌合。在子封装系统22a中，各芯片Dl与D4即是经由各互联导体28与对应接点30的耦接(连接、焊合)而被安装于界面板24a上(可一并参考图7的侧视示意图)。换言之，芯片Dl至D4以覆晶(flip-chip)形式安装于界面板24a上；芯片Dl至D4的表面bl与b4上设有半导体活性区(active region，未图示)，以设置互联导体28;互联导体28可以是格状阵列(gridarray)排列的凸块、焊球、针脚或接点。相对于设置在表面t24a上的各芯片Dl至D4,互联导体34则设置于界面板24a的相反表面t24b上,如图4所示。互联导体34可以是焊球、针脚或接点。类似于子封装系统22a，子封装系统22b中也包括一界面板24b、多个互联导体34与一或多个芯片，例如说是芯片D5至D8，如图4所示。在z方向上，界面板24b具有两相反表面t24b与b24b ;芯片D5至D8设置于表面t24b上,互联导体34则设于表面b24b上。如图4所示，基板12在其表面16a上还设有多个接点，各接点38对应于一互联导体34，可相互搭配、嵌合。子封装系统22a与22b即是经由互联导体34与接点38间的连接(焊合)而被安装于基板12上(可一并参考图7的侧视示意图)。也就是说，在半导体装置10中，界面板24a设于芯片Dl至D4与基板12的表面16a之间，子封装系统22a的互联导体34即耦接于接点38与界面板24a之间。类似地，界面板24b设于芯片D5至D8与表面16a之间，子封装系统22b的互联导体34则介于接点38与界面板24b之间。一实施例中，芯片20也可以利用覆晶形式而安装于基板12的表面16a上。芯片20在方向z上有相反两表面t20 (图2)与b20 (图4)。如图4所示，芯片20在表面b20上设有多个互联导体32 (可以是焊球、针脚或接点);对应地，基板12在其表面16a上也设有多个接点36，各接点36可和一互联导体32相互嵌合搭配。芯片20即是经由互联导体32与接点36的连接而安装于基板12的表面16a上。如图7的侧视示意图所示，在表面16a上，芯片20沿方向z的突起高度低于子封装系统22a、22b中各互联导体34沿方向z的高度，使芯片20可以设置在界面板24a、24b之下(请一并参考图7的顶视示意图)。如图5所不，散热体14具有一突出部分46、一散热板40与一或多个侧壁,例如侧壁42a与42b。散热板40在方向z上有两相反表面t40与b40 ;突出部分46由表面b40沿着方向z的反方向延伸。如图6与图7所示，散热板40覆盖于芯片20与各子封装系统22a、22b之上，突出部分46设于芯片20与散热板40之间，各侧壁42a、42b则设于散热板40与基板12的表面16a之间。散热体14可以是由高导热系数的材质(例如金属)制成，以替芯片20、Dl至D8散热。举例而言，散热板40的表面b40可直接或间接地(隔着一层导热胶合层)贴合于芯片Dl至D8的表面tl至t8，突出部分46则可(直接或间接地)贴合于芯片20的表面t20 ；如此,芯片20运作时产生的热就可经由突出部分46传导至散热板40，并由散热板40逸散出去。若有需要，散热板40的表面t40及/或侧壁42a、42b上也可设置增强散热的鳍片等 结构。在图I至图7的实施例中，界面板24a与24b承载了芯片Dl至D8。在另一种实施例中，界面板24a、24b不仅可承载芯片，也可承载其他电子元件(未图示)，例如被动元件(电阻、电容及/或电感等等)。由图I至图7的讨论可知，子封装系统22a、22b的界面板24a、24b可部分延伸覆叠于芯片20之上，以扩大界面板24a、24b上能承载芯片/电子元件的面积，使界面板24a、24b可以承载更多芯片/电子元件，提高半导体装置10的封装集积度。再者，界面板24a、24b不会完全覆盖芯片20，使散热体14的突出部分46仍能延伸至芯片20，兼顾芯片20的散热。延续图I至图7的实施例，请参考图8,其以侧视不意半导体10中的导电路径。基板12与界面板24a、24b中可分别设置一或多层的导体层(如金属层，未图示)，用以形成绕线，以和互联导体28、32与34搭配形成各种导电路径，使芯片20、D1至D8可互相电性耦接，并经由互联导体18电性耦接外界电路(例如电路板或另一半导体装置)。举例而言，子封装系统中的芯片，例如子封装系统22a的芯片D3或D4，即可经由互联导体28、界面板24a、互联导体34、基板12与互联导体32而电性耦接至芯片20，使子封装系统中的芯片可以和芯片20交换(传输及/或接收)数据、信号。芯片20本身可经由互联导体32、基板12而电性耦接至外部互联导体18，以和外界电路交换数据信号，以及/或者汲取运作所需的电力。类似地，子封装系统中的芯片，例如子封装系统22a的芯片D4，则可经由互联导体28、界面板24a、互联导体34、基板12而电性耦接至外部互联导体18，以和外界电路交换数据信号，以及/或者汲取运作所需的电力。同一子封装系统中的不同芯片，例如子封装系统22a中的芯片D3与D4，可经由芯片D3的互联导体28、界面板24a与芯片D4的互联导体28相互电性耦接以交换数据、信号。类似地，不同子封装系统中的不同芯片，例如子封装系统22a中的芯片D3与子封装系统22b中的芯片D7，则可经由芯片D3的互联导体28、界面板24a、界面板24a的互联导体34、基板
12、界面板24b的互联导体34、界面板24b与芯片D7的互联导体28而相互电性耦接，并交换数据、信号。在本发明半导体装置10的一实施例中，芯片20可以是一处理器(控制器)，而芯片Dl至D8可以是存储器管芯，为芯片20提供运作所需的存储器资源。请参考图9，其所示意的是依据本发明一实施例而提供(例如组装、生产、制造、力口工及/或实现)本发明半导体装置的流程100。以下即以半导体装置10的实现为例来说明流程100的各主要步骤。步骤102 :将芯片20贴附至基板12的表面16a。如图4所示，可将芯片20的互联导体32嵌合于对应的接点36 ;当互联导体32嵌合至对应接点36后，可在互联导体32之间注入底胶(underfill)，以覆晶形式将芯片20安装于基板12的表面16a上。步骤104 :组装各子封装系统22a、22b ;举例而言，可将芯片Dl至D4安装于界面板24a上。芯片Dl至D4可以是裸晶，也可以是已封装的娃晶。若芯片为裸晶时，可以用覆晶的方式安装于界面板24a上；若芯片为已封装的硅晶时，则可以焊球或针脚等形式安装于界面板24a上。同理，芯片D5至D8也被安装于界面板24b上。如图3所示，芯片Dl至D4的互联导体28可被嵌合至界面板24a的接点30 ;若芯片Dl至D4为裸晶，可在表面t24a与·表面bl至b4间注入底胶(未图示)。若芯片Dl至D4非裸晶，底胶则非必要。若有需要，也可在界面板24a、24b上安装其他电子元件。步骤106 :将子封装系统22a、22b贴附于基板12的表面16a ;如图4所示，子封装系统22a、22b的互联导体34可连接嵌合于基板12上的对应接点38，以将子封装系统22a、22b安装于表面16a上。由于界面板24a与24b部分延伸于芯片20之上，子封装系统22a、22b于表面16a的投影与芯片20的投影有部分重叠，并有部分不重叠。步骤108 :贴附散热体14，将散热体14安装于基板12上，使散热板40覆盖于芯片20与子封装系统22a、22b之上，并使突出部分46被设置于芯片20与散热板40之间，如图4与图7所不。在一种实施例中，散热体14的侧壁42a、42b、突出部分46与散热板40可先组装为一体，再被贴附至基板12上。在另一种实施例中，散热体14的侧壁42a、42b、突出部分46与散热板40即一体成形。在又一种实施例中，先将侧壁42a、42b形成于基板12上，再将散热板14 (与突出部分46)组合至侧壁42a与42b上。步骤110 :将外部互联导体18贴附于基板12的表面16b。基板12的表面16b上可设置多个接点(未图示)，各接点对应一互联导体18而可相互嵌合；此步骤即是将互联导体18连接至对应的接点，以将各互联导体18附接于基板12。至此，就可完成半导体装置10。请参考图10，其所示意的是依据本发明另一实施例的散热体14b。类似于图6的散热体14，散热体14b也设有突出部分46、散热板40与侧壁42a、42b ;散热体14b还具有另两侧壁42c与42d，使散热体14b的侧壁42a至42d可环绕于芯片20与子封装系统22a、22b四周。在图I至图10的粒子中，半导体装置10中设有单一芯片20。在其他实施例中(未图示)，半导体装置10可以设置多个芯片20 ;这些芯片20可以是设置于子封装系统22a与22b之间，并与突出部分46接触。其中，至少有一芯片20覆盖于子封装系统22a及/或22b之下。在图I至图10实施例中，芯片Dl至D4以凸块、焊球或针脚或其他接合形式安装于子封装系统22a的界面板24a上。总结来说，相比较于现有技术，本发明不仅可增进半导体装置的封装集积度，还可兼顾封装中各芯片的散热，确保封装中的电子系统能顺利地运作。综上所述，虽然结合以上较佳实施例揭露了本发明，然而其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中熟悉此技术者，在不脱离本发明的精神和范围内，可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围 应以附上的权利要求所界定的为准。
权利要求
1.一种半导体装置，包含 基板，具有第一表面； 第一芯片，安装于该第一表面上； 至少一子封装系统，安装于该第一表面上，各该子封装系统于该第一表面的投影与该第一芯片于该第一表面的投影有部分重叠，并有部分不重叠；以及 散热体(heat spreader),具有突出部分与散热板；该散热板覆盖于该第一芯片与各该子封装系统之上，而该突出部分设于该第一芯片与该散热板之间； 其中，各该子封装系统包含 至少一第二芯片；以及 界面板(interposer),设于各该第二芯片与该第一表面之间；各该第二芯片安装于该界面板上。
2.如权利要求I所述的半导体装置，其中，该第一表面上还设有多个接点(contact)，而各该子封装系统还包含多个互联导体(interconnector),各该互联导体与各该第二芯片设于该界面板的相反两面，且该些互联导体分别耦接于该些接点与该界面板之间。
3.如权利要求2所述的半导体装置，其中，该第一芯片以覆晶形式安装于该第一表面上；在该第一表面上，该第一芯片沿一第一方向的突起高度低于该些互联导体沿该第一方向的高度。
4.如权利要求I所述的半导体装置，其中该散热体还具有至少一侧壁，各该侧壁设于该散热板与该第一表面之间。
5.如权利要求I所述的半导体装置，还包含多个外部互联导体；该些外部互联导体与该第一芯片设于该基板的相反两面。
6.如权利要求I所述的半导体装置，其中该第二芯片为一裸晶，该第二芯片以覆晶(flip-chip)的方式安装于该界面板上。
7.如权利要求第I项所述的半导体装置，其中该第二芯片为一已封装的硅晶，该第二芯片通过一焊球或一针脚安装于该界面板上。
8.一种半导体装置，包含 基板，具有第一表面； 第一芯片，安装于该第一表面上； 至少一子封装系统，安装于该第一表面上，各该子封装系统于该第一表面的投影与该第一芯片于该第一表面的投影有部分重叠，并有部分不重叠；以及 散热体，具有突出部分与散热板；该散热板覆盖于该第一芯片与各该子封装系统之上，而该突出部分设于该第一芯片与该散热板之间； 其中，各该子封装系统包含 至少一第二芯片；以及 界面板，设于各该第二芯片与该第一表面之间。
9.如权利要求8所述的半导体装置，其中，该第一表面上还设有多个接点(contact)，而各该子封装系统还包含多个互联导体(interconnector),各该互联导体与各该第二芯片设于该界面板的相反两面，且该些互联导体分别耦接于该些接点与该界面板之间。
10.一种提供一半导体装置的方法，包含将一第一芯片安装于一基板的一第一表面上； 组装至少一子封装系统，包含 在各该子封装系统中将至少一第二芯片安装于一界面板上； 将各该子封装系统安装于该第一表面上，使各该子封装系统于该第一表面的投影与该第一芯片于该第一表面的投影有部分重叠，并有部分不重叠；以及 安装一散热体(heat spreader);该散热体具有一突出部分与一散热板；当安装该散热体时，使该散热板覆盖于该第一芯片与各该子封装系统之上，并使该突出部分被设置于该第一芯片与该散热板之间。
11.如权利要求10所述的方法，还包含于该基板上附接多个外部互联导体，使该些外部互联导体与该芯片设于该基板的相反两面。
12.如权利要求10所述的方法，其中，该第一表面上还设有多个接点，各该子封装系统还包含多个互联导体，各该互联导体与各该第二芯片设于该界面板的相反两面；当安装各该子封装系统时，使各该子封装系统的该些互联导体分别耦接于该些接点与该界面板之间。
13.如权利要求10所述的方法，其中该第二芯片为一裸晶，该第二芯片以覆晶(flip-chip)的方式安装于该界面板上。
14.如权利要求10所述的方法，其中该第二芯片为一已封装的硅晶，该第二芯片通过一焊球或一针脚安装于该界面板上。
全文摘要
本发明公开一种半导体装置与相关方法，包括一基板、一第一芯片，环绕芯片设置的多个子封装系统与一散热体。第一芯片与子封装系统设于基板的同一表面上，两者于该表面上的投影有部分重叠，有部分不重叠。各子封装系统包括一界面板与多个以覆晶形式安装于界面板上的第二芯片。散热体具有一突出部分与一散热板；散热板覆盖第一芯片与子封装系统，突出部分设于第一芯片与散热板间。
文档编号H01L23/498GK102915992SQ201110359460
公开日2013年2月6日 申请日期2011年11月14日 优先权日2011年8月2日
发明者林有玉 申请人:创意电子股份有限公司, 台湾积体电路制造股份有限公司