具有盖和加强件环的多芯片模块的制作方法

具有盖和加强件环的多芯片模块
1.背景
2.相关专利申请
3.本专利申请要求于2020年3月31日提交的序号为63/002,888的美国临时专利申请的优先权权益，该临时专利申请的全部公开内容以引用方式并入本文。
技术领域
4.本文描述的实施方案涉及多芯片模块，并且具体地涉及该多芯片模块的盖。


背景技术：

5.出于多种原因，盖广泛用于多芯片模块(mcm)中，诸如用于提供机械完整性、对环境的气密密封以及热性能。在示例性具体实施中，一个或多个部件被表面地安装到模块基板上，并且然后任选地被底部填充。然后将盖固定到模块基板上并位于部件之上。


技术实现要素：

6.实施方案描述了多芯片模块(mcm)结构，其中制造盖和加强件(stiffener)结构的组合件以获得盖的机械完整性和热力益处，并且减少由加强件结构带来的翘曲。具体地，加强件结构可减少由于盖的热膨胀系数(cte)和mcm的其余部分的不匹配而潜在引起的翘曲。描述了可进一步减轻应力和翘曲的各种盖设计，包括沟槽设计，以增加加强件结构与盖、多件式盖和拼合式盖的体积比。
附图说明
7.图1是根据实施方案的多芯片模块的分解等距视图图示，该多芯片模块包括盖和具有内支撑结构和外支撑结构的加强件结构。
8.图2a是根据一个实施方案的位于内支撑件和外支撑件上的盖设计的示意性横截面侧视图图示。
9.图2b是根据一个实施方案的位于外支撑件上的盖设计的示意性横截面侧视图图示。
10.图2c是根据一个实施方案的位于模块基板之上的盖设计的示意性顶视图图示。
11.图3是根据一个实施方案的位于外支撑件上的盖的带沟槽设计的示意性横截面侧视图图示。
12.图4是根据一个实施方案的位于内支撑件上的盖的局部带沟槽设计的示意性横截面侧视图图示。
13.图5是根据一个实施方案的位于外支撑件上的盖的局部带沟槽设计的示意性横截面侧视图图示。
14.图6是根据一个实施方案的位于内支撑件和外支撑件两者上的盖的局部带沟槽设计的示意性横截面侧视图图示。
15.图7是根据一个实施方案的位于内支撑件或外支撑件上的盖的局部带沟槽设计的示意性横截面侧视图图示。
16.图8是根据实施方案的由具有不同热膨胀系数的相邻材料形成的加强件结构的示意性横截面侧视图图示。
17.图9是根据实施方案的由具有不同热膨胀系数的堆叠材料形成的加强件结构的示意性横截面侧视图图示。
18.图10a是根据一个实施方案的具有多件式盖的多芯片模块的示意性顶视图图示。
19.图10b是根据一个实施方案的具有沟槽设计顶板部件的多件式盖的示意性横截面侧视图图示。
20.图10c是根据一个实施方案的具有部件腔室的多件式盖的示意性横截面侧视图图示。
21.图11a是根据一个实施方案的具有多件式盖的多芯片模块的示意性顶视图图示。
22.图11b是根据一个实施方案的具有沟槽设计壁部件的多件式盖的示意性横截面侧视图图示。
23.图12a至图12b是根据一个实施方案的由不同材料形成的多件式盖的示意性横截面侧视图图示。
24.图12c是根据一个实施方案的由不同材料形成的多件式盖的示意性顶视图图示。
25.图13a是根据一个实施方案的具有密封间隙的多件式盖的示意性横截面侧视图图示。
26.图13b是根据一个实施方案的具有密封间隙的多件式盖的示意性顶视图图示。
27.图14a是根据一个实施方案的包括拼合式盖设计的多芯片模块的分解等距视图图示。
28.图14b是根据一个实施方案的包括拼合式盖设计的多芯片模块的示意性横截面侧视图图示。
29.图14c是根据一个实施方案的包括拼合式盖设计的多芯片模块的示意性顶视图图示。
30.图15a是根据一个实施方案的位于内支撑件和外支撑件上并包括局部开口的盖设计的示意性横截面侧视图图示。
31.图15b是根据一个实施方案的位于外支撑件上并包括局部开口的盖设计的示意性横截面侧视图图示。
32.图15c是根据一个实施方案的位于模块基板之上包括局部开口的盖设计的示意性顶视图图示。
33.图16a是根据一个实施方案的位于内支撑件和外支撑件上且外连接区域悬于模块基板之上的盖设计的示意性横截面侧视图图示。
34.图16b是根据一个实施方案的位于外支撑件上且外连接区域悬于模块基板之上的盖设计的示意性横截面侧视图图示。
35.图16c是根据一个实施方案的包括在一个方向上悬于模块基板之上的外连接区域的盖设计的示意性顶视图图示。
36.图16d是根据一个实施方案的包括在多个方向上悬于模块基板之上的外连接区域
的盖设计的示意性顶视图图示。
37.图16e是根据一个实施方案的悬于模块基板上的盖和支撑结构的放大示意性横截面侧视图图示。
38.图16f是根据一个实施方案的悬于模块基板上的l形支撑结构的放大示意性横截面侧视图图示。
39.图16g是根据一个实施方案的悬于模块基板上的l形盖的放大示意性横截面侧视图图示。
具体实施方式
40.虽然盖可以为mcm提供机械完整性，但是已经观察到，盖也可以在mcm中引起大的应力和高翘曲并引起机械故障。例如，由铜形成的盖相对于其它模块特征可以具有相对高的热膨胀系数(cte)。当盖与模块的其余部分强有力地联接时，这可能导致热膨胀并引起mcm部件(例如，封装件)中的应力和翘曲。特别地，已经观察到，可以在包覆成型的并排管芯之间产生模具裂缝，这可能因盖引起的应力而加剧。根据实施方案，提供了盖和加强件结构(还称为加强件环)的各种组合以平衡盖提供模块的机械完整性同时不引起机械故障的能力。
41.根据实施方案，盖可以包括带沟槽的设计。该沟槽设计可包括在模块部件的顶部上的足够的盖体积，以保持足够的热性能，而盖的体积在连接区域减小，以进一步减少由盖引起的应力和翘曲。在一些实施方案中，盖的体积减小可以对应于加强件结构的体积增加，这增加加强件结构与盖的体积比。这可以进一步提供选择加强件结构材料以减少mcm中的应力和翘曲的可行性。
42.根据实施方案，加强件结构(例如，环)可以完全或部分地由低cte材料形成。在此方面，加强件结构与盖体积比的增加(例如，由于带沟槽的盖设计)促进通过选择具有比盖更低的cte的加强材料来降低盖-加强件组合的有效cte的能力。减少该盖-加强件结构的有效cte又可以减少mcm的应力和翘曲问题。在示例性具体实施中，低cte加强材料可以是镍铁合金(feni36)、铁镍钴合金(delaware州的crs holdings公司以kovar的商标销售)、铁镍合金(alloy42)、不锈钢(sus410,sus430)等，而盖由较高cte材料如铜形成。
43.根据实施方案，描述了多件式盖设计。该多件式盖设计可减少盖与模块的其余部分的联接效应，并且进一步减少了由盖引起的应力。这可包括减少管芯间(die-to-die)模制复合物(compound)应力和模块翘曲。在一些实施方案中，多件式盖设计并入不同的盖材料以满足mcm的不同机械和热要求。还描述了拼合式盖设计，其中不同材料的盖结合在一起或一个嵌入另一个内。通过组合不同的材料，可以调整盖的有效cte和刚度以匹配目标机械和热性能。
44.在各种实施方案中，参照附图来进行描述。然而，可在不具有这些特定细节中的一者或多者的情况下或与其他已知的方法和构造组合地实践某些实施方案。在以下的描述中，示出许多具体细节诸如特定构型、尺寸和工艺等，以提供对实施方案的透彻理解。在其他情况下，未对熟知的半导体工艺和制造技术进行特别详细地描述，以免不必要地模糊实施方案。整个说明书中所提到的“一个实施方案”是指结合实施方案所描述的特定特征、结构、构造或特性被包括在至少一个实施方案中。因此，整个说明书中多处出现短语“在一个
实施方案中”不一定是指相同的实施方案。此外，特定特征、结构、构造或特性可以任何适当的方式组合在一个或多个实施方案中。
45.本文所使用的术语“在...之上”、“在...上方”、“至”、“在...之间”、“跨越”和“在...上”可指一层相对于其他层的相对位置。一层相对于另一层来说为“在...之上”、“在...上方”、“跨越”或“在...上”或者键合“至”另一层或者与另一层“接触”可为直接与其他层接触或可具有一个或多个居间层。一层在多层“之间”可为直接与该多层接触或可具有一个或多个居间层。
46.现在参见图1，提供了一种mcm 150的横截面侧视图图示，该mcm包括盖300和分别具有内支撑件220和外支撑件210的加强件结构200。在示例性实施方案中，mcm 150包括模块基板100，该模块基板包括顶侧102和底侧104。多个第一部件120可以安装在模块基板100的顶侧102上。第一部件120可以是有源或无源设备，并且可以是芯片或封装件。例如，第一部件120可以是存储器封装件，诸如包括一个或多个管芯的动态随机存取存储器(dram)，该一个或多个管芯可以是堆叠管芯或并排的管芯。在实施方案中，第一部件是芯片级封装件。第一部件120可以另外是不同类型的部件，并且不必相同。一个或第二部件130也可以安装在模块基板100的顶侧102上。在实施方案中，第二部件130是包括多个(例如两个或更多个)并排管芯的封装件。例如，第二部件130可包括多个并排逻辑管芯或片上系统管芯。
47.现在参考图2a至图2c，提供了根据实施方案的盖和加强件结构布置的示意性横截面侧视图和顶视图图示。在示例性具体实施中，利用可选的底部填充物162(例如环氧树脂)，使用任何合适的技术(诸如焊料凸块160)将第一部件120和第二部件130表面地安装到模块基板100上。在所示实施方案中，第二部件130是包括封装在模制复合物134中的多个并排管芯132的封装件。如图所示，侧向地位于管芯132之间的空间133可以填充有模制复合物134。已经观察到，这可以是mcm内的高应力位置，原因在于多种材料和mcm结构的紧密接近。
48.热界面材料(tim)170可以位于第一部件120和第二部件130的顶侧上，以便固定到盖300。可使用任何合适的技术诸如点胶或胶带来施加tim 170。示例性tim 170材料包括但不限于热润滑脂、焊料、金属填充的聚合物基质等。
49.根据实施方案，盖300可以结合到中间加强件结构200(也称为加强环)，该中间加强件结构又被结合到模块基板100。该加强件结构200和盖300可以使用粘合剂材料来结合。例如，可以在连接区域(例如，外部连接区域180和内连接区域182)上将粘合剂点胶到模块基板100上，然后安装加强件结构200。示例性粘合剂材料包括玻璃糊剂、环氧树脂、氨基甲酸酯、聚氨酯、硅酮弹性体等。盖300可以类似地在将加强件结构安装在模块基板100上之后或之前与加强件结构200结合。
50.如图所示，盖300可包括顶板330、外部(周边)壁310和任选的内壁320。顶板的底表面302可结合到第二部件130和第一部件120的顶部上的tim 170。可以调整底表面302的轮廓(顶板330的厚度)以与用于各种第一部件120和第二部件130的tim 170均匀地配合。外壁310和内壁320可以从顶板330延伸(例如，从底部表面突出)以形成容纳第二部件130和第一部件120的一个或多个腔305。根据实施方案，加强件结构200被成形为与盖300的外壁310和内壁320配合。具体地，加强件结构200可包括外支撑件(壁)210和内支撑件(壁)220。外支撑件210和内支撑件220可以由相同材料整体地形成。另选地，外支撑件210和内支撑件220可以由具有不同cte的不同材料形成。具有不同材料的多种附加构型是可能的。加强件结构
200和盖300之间的配合表面可以具有相同的表面积。多个模块焊料凸块190可任选地施加到模块基板100的底侧104以用于进一步一体化。
51.根据实施方案，提供了盖和加强件结构的各种组合以平衡该盖向模块提供机械完整性同时不引起机械故障的能力。具体地，描述了带沟槽的盖设计的各种组合、加强件结构与盖体积的比率、多件式盖设计以及具有不同cte的材料的组合。
52.现在参考图3至图9，根据实施方案说明各种带沟槽的盖设计和加强件结构。如图所示，mcm 150可以包括模块基板100、位于模块基板的顶侧102上的第一部件120和位于模块基板的顶侧102上的第二部件130。加强件结构200安装在模块基板的顶侧102上，并且盖300安装在加强件结构200上并覆盖第一部件120和第二部件130两者。根据各种实施方案，加强件结构200可以在形成于盖的顶板330中的沟槽315内接合到盖300。加强件结构200可以包括外支撑件210和内支撑件220中的任一个或两个。
53.图3是根据一个实施方案的位于外支撑件210上的盖的带沟槽设计的示意性横截面侧视图图示。如图所示，沟槽315形成在盖300的顶板330的底表面302中。每个沟槽315可包括顶板330中的一个或多个沟槽边缘(侧壁)331。以此方式，沟槽315区域中的顶板330的厚度小于顶板330的厚度，其中盖300利用tim 170连接到第二部件130，并且其中盖300利用tim连接到第一部件120。因此，沟槽315在连接区域处减小盖300的体积。具体地，沟槽315形成在外部(周边)连接区域180处，其中沟槽与加强件结构200的外支撑件(壁)210接合。在此图示中，沟槽不包括外侧壁(沟槽边缘)。在所示实施方案中，外支撑件210在沟槽315内接合到盖300。虽然未示出，但是盖300可以另外包括与加强件结构200的内支撑件220连接的内壁320。
54.图4是根据一个实施方案的位于内支撑件上的盖的局部带沟槽设计的示意性横截面侧视图图示。如图所示，内支撑件220在沟槽315内接合到盖300。另外，盖300包括接合到外支撑件210的外壁310。在所示实施方案中，内支撑件220高于外支撑件210。
55.图5是根据一个实施方案的位于外支撑件上的盖的局部带沟槽设计的示意性横截面侧视图图示。如图所示，外支撑件210在沟槽内接合到盖300。盖300另外包括连接到内支撑件220的内壁320。在所示实施方案中，外支撑件210高于内支撑件220。在图5中还示出了内壁320从沟槽315延伸。在实施方案中，盖300可以包括从沟槽315延伸的外壁310和内壁320两者。
56.图6是根据一个实施方案的位于内支撑件和外支撑件两者上的盖的局部带沟槽设计的示意性横截面侧视图图示。图6类似于图3所示的实施方案，其中添加的内支撑件220也在沟槽315内接合到盖，该沟槽可以是与其中外支撑件210接合到盖的沟槽315相同的沟槽或单独的沟槽。
57.图7是根据一个实施方案的位于内支撑件或外支撑件上的盖的局部带沟槽设计的示意性横截面侧视图图示。如图所示，图7结合图4至图6的特征以示出各种构型是可能的，其中内支撑件220和外支撑件210的部分可具有不同的高度，并且外壁310和内壁320可以是不连续的。
58.根据实施方案的带沟槽的盖设计可以减小连接区域处的盖的体积，以减少由盖引起的应力和翘曲。此外，盖的体积减小可以对应于加强件结构的体积(高度)增加，这增加加强件结构与盖的体积比。在所示实施方案中，加强件结构与盖的比率大于1，意味着加强件
结构可以高于盖的带沟槽的顶板的厚度。
59.根据实施方案，加强件结构可以完全或部分地由低cte材料形成。在示例性具体实施中，低cte加强材料可以是镍铁合金(feni36)、铁镍钴合金(delaware州的crs holdings公司以kovar的商标销售)、铁镍合金(alloy42)、不锈钢(sus410,sus430)等，而盖由较高cte材料如铜形成。加强件结构也可以由不同的材料(不同的化学组成或合金比率)形成以调整应力和翘曲。
60.图8是根据实施方案的由具有不同热膨胀系数的相邻材料形成的加强件结构的示意性横截面侧视图图示。例如，外支撑件210和内支撑件220可以由具有不同cte的不同材料221、223形成。而且，外支撑件210和内支撑件220的不同区域可以由不同的材料221、223形成以局部调整应力和翘曲。
61.图9是根据实施方案的由具有不同热膨胀系数的堆叠材料221、223形成的加强件结构的示意性横截面侧视图图示。此外，堆叠材料221、223的相对厚度可以在外支撑件210和内支撑件220的不同区域中不同。
62.根据实施方案的盖还可具有多个物理分离的件。此类多件式盖设计可减少盖与模块的其余部分的联接效应，并且进一步减少了由盖引起的应力。这可包括减少管芯间模制复合物应力和模块翘曲。
63.现在参见图10a至图10c，提供了根据实施方案的多件式盖的示意性顶视图和横截面侧视图图示。在所示实施方案中，盖300可包括与加强件结构200结合的多个物理上分离的顶板330a、330b、330c。该顶板330a、330b、330c可另外具有沟槽设计，包括沟槽315。在所示实施方案中，可以沿着顶板330a、330b、330c的侧面形成沟槽315，使得一对顶板结合到每个内支撑件220，并且单个顶板结合到每个外支撑件210。每个盖可锚定到其周围的内支撑件220和/或外支撑件210。在图10c所示的特定实施方案中，盖可进一步包括与部件(例如，第二部件130)边缘配合的部件凹部335。部件凹部335可促进tim 170与部件边缘的的覆盖并减少tim剥离应力。
64.现在参见图11a至图11b，提供了根据实施方案的多件式盖的示意性顶视图和横截面侧视图图示。图11a至图11b与图10a至图10b的实施方案的不同在于沟槽225形成于内支撑件220和/或外支撑件210内，与盖的顶板相对置。类似地，沟槽225可包括沟槽边缘227。在所示的特定实施方案中，内支撑件220包括沟槽225以容纳盖300的顶板330a。图11a至图11b的物理上分离的顶板330a、330b、330c可具有不同的厚度以管理应力和翘曲。
65.根据实施方案的多件式盖设计还可包括内壁和/或外壁。现在参见图12a至图12c，提供了根据实施方案的多件式盖的示意性横截面侧视图和顶视图图示。应当理解，虽然单独说明和描述，但是图12a至图12c的多件式盖实施方案能够与图10a至图11b的多件式盖实施方案以及本文描述的其它实施方案组合。
66.如图所示，多件式盖300可包括：第一盖件300a，该第一盖件跨越第二部件130中的第一管芯132；和第二盖件300b，该第二盖件跨越第二部件130中的第二管芯132。可包括多个盖件300a、300b、300c、300d等。如图所示，模制复合物134可填充侧向地位于第一管芯132与第二管芯132之间的空间133，该空间可以对应于高应力区域。间隙325可位于第一盖件300a与第二盖件300b之间。在所示实施方案中，间隙325位于空间133正上方，该空间侧向地在部件130的第一管芯132和第二管芯132之间，该空间可填充有模制复合物134。间隙325可
进一步减少盖与模块的其余部分的联接效应，并且进一步减少了由盖引起的应力。根据实施方案，单独的盖件300a、300b等可由不同的材料321、323形成。可调整不同盖材料的使用以满足微电子模块的不同机械和热要求。间隙325可任选地如图13a至图13b中所示用填充材料400填充。例如，该填充材料可以是焊料、粘合剂等。
67.现在参见图14a至图14c，提供了根据实施方案的包括拼合式盖设计的多芯片模块的分解等距、示意性横截面侧视图和顶视图图示。除了或替代上述结构，拼合式盖300设计可包括结合在一起或一个嵌入另一个内的不同材料。通过组合不同的材料，可以调整盖的有效cte和刚度以匹配目标机械和热性能。在实施方案中，盖300可包括结合到主盖结构的顶板330的第一盖模型(pattern)500，其中第一盖模型500具有与主盖结构不同的cte。该主盖结构可类似于先前描述的盖300，其中添加了第一盖模型500被固定到其中的凹模型360。第一盖模型500可包括各种特征，该特征可任选地包括内肋状件520和外(周边)轮廓510。第一盖模型500可位于高应力区域处，诸如在连接区域(180,182)处以及在并排管芯之间的空间之上。在实施方案中，内肋状件520在相邻管芯132之间的空间133在上方。
68.到目前为止，盖结构已被说明并描述为单件式或多件式盖布置。根据实施方案，可以在任何盖结构中形成一个或多个局部开口以减少应力和翘曲。图15a至图15c示出了此类局部开口326的示例性实施方案。如图所示，图15a至图15c类似于先前关于图2a至图2c所图示和描述的盖设计，但是实施方案不限于此。在实施方案中，一个或多个局部开口326可直接定位在侧向地位于管芯132之间的空间133上方(之上)。一个或多个局部开口326可完全或部分地与空间133重叠。一个或多个局部开口还可以位于其它区域之上以减轻应力。在实施方案中，一个或多个局部开口326从顶板330的顶侧304到底表面302完全穿过盖的顶板330而形成。
69.加强件结构200和/或盖300还可以设计成悬于模块基板100的周边边缘之上，以减少应力和翘曲。图16a是根据一个实施方案的位于内支撑件和外支撑件上且外连接区域180悬于模块基板100之上的盖设计的示意性横截面侧视图图示。图16b是根据一个实施方案的位于外支撑件上且外连接区域180悬于模块基板100之上的盖设计的示意性横截面侧视图图示。图16a至图16b中所示的特定实施方案类似于先前关于图2a至图2b所示和描述的那些实施方案，然而，这仅仅是示例性的，并且悬伸设计能够与加强件结构200内支撑件220和外支撑件210以及具有对应内壁320和外壁310的盖300组合件组合。悬伸设计也能够与本文所述的多件式盖结构兼容。
70.根据实施方案的悬伸盖设计可以悬于模块基板100的一个或多个或全部周边(侧向)边缘106之上。具体地，对应于外连接区域180的加强件结构200的一个或多个周边边缘216和/或盖300的周边边缘316可悬于模块基板的一个或多个周边边缘106之上。具体地，外支撑件210的周边边缘216和盖300的外壁310的周边边缘316可悬于模块基板100的周边边缘106之上。图16c是根据一个实施方案的包括在一个方向上悬于模块基板之上的外连接区域的盖300设计的示意性顶视图图示。如图所示，盖300外壁310的周边边缘316侧向延伸经过模块基板100的两个相对侧上的周边边缘106。图16d是根据一个实施方案的包括在多个方向上悬于模块基板之上的外连接区域的盖300设计的示意性顶视图图示。如图所示，盖300外壁310的周边边缘316侧向延伸经过模块基板100的四个侧面上的周边边缘106。虽然在图16c至图16d的顶视图图示中不可见，但是如果盖300不包括外壁310，加强件结构200外
支撑件210的周边边缘216可以类似地定向或者可选地定向。应当理解，图16b至图16c的特定方向是示例性的，并且其中外部连接区域悬于模块基板的一个或多个周边边缘106之上的各种另选布置是可以的。另外，外连接区域180可部分地或完全地悬于模块基板100的任何周边边缘106的长度之上。
71.现在参见图16e，提供了根据一个实施方案的悬于模块基板上的盖300和支撑结构200的放大示意性横截面侧视图图示。在此类构型中，支撑结构200的底侧211可以是水平的或平面的。如图所示，支撑结构200的周边边缘216、316和盖300重叠(或延伸超过)模块基板100的周边边缘106某一宽度(w)。支撑结构200和/或盖300还可以具有l形构型，其中支撑结构和/或盖300的悬垂部分与模块基板100的周边边缘106侧向相邻。在此类构型中，支撑结构200的底侧211或盖300的底侧311可以具有l形轮廓。
72.图16f是根据一个实施方案的悬于模块基板100上的l形支撑结构200的放大示意性横截面侧视图图示。如图所示，支撑结构200可重叠(或延伸超过)模块基板100的周边边缘106某一宽度(w)，并且还包括向下突出并与模块基板100的周边边缘106侧向相邻的悬垂部分213。该悬垂部分213可包括通过间隙(g)与周边边缘106分离的内部边缘217。
73.图16g是根据一个实施方案的悬于模块基板100上的l形盖300的放大示意性横截面侧视图图示。如图所示，盖300可重叠(或延伸超过)模块基板100的周边边缘106某一宽度(w)，并且还包括向下突出并与模块基板100的周边边缘106侧向相邻的悬垂部分313。该悬垂部分313可包括通过间隙(g)与周边边缘106分离的内部边缘317。
74.在利用该实施方案的各个方面时，本领域技术人员将明白，用于集成mcm盖结构同时减轻模块翘曲的以上实施方案的组合或变化是可以的。尽管以特定于结构特征和/或方法行为的语言对实施方案进行了描述，但应当理解，所附权利要求并不一定限于所描述的特定特征或行为。所公开的特定特征和行为相反应当被理解为用于进行例示的权利要求的实施方案。