要求國(guó)內(nèi)優(yōu)先權(quán)

本申請(qǐng)要求2016年2月29日提交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)?zhí)?2/301,045的權(quán)益，所述申請(qǐng)通過(guò)引用被并入本文中。

本發(fā)明一般涉及半導(dǎo)體裝置，并且更特別地涉及堆疊半導(dǎo)體管芯以在小半導(dǎo)體封裝中提供系統(tǒng)級(jí)靜電放電(esd)、電過(guò)應(yīng)力(eos)、和電快速瞬變(eft)保護(hù)的半導(dǎo)體裝置和方法。

背景技術(shù)：

在現(xiàn)代電子產(chǎn)品中通常有半導(dǎo)體裝置。半導(dǎo)體裝置在電氣組件的數(shù)目和密度方面變化。分立的半導(dǎo)體裝置一般包含一種類型的電氣組件，例如發(fā)光二極管(led)、小信號(hào)晶體管、電阻器、電容器、電感器、或功率金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(mosfet)。集成半導(dǎo)體裝置典型地包含數(shù)百至數(shù)百萬(wàn)個(gè)電氣組件。集成半導(dǎo)體裝置的示例包括微控制器、微處理器、電荷耦合裝置(ccd)、太陽(yáng)能電池、以及數(shù)字微鏡裝置(dmd)。

半導(dǎo)體裝置執(zhí)行各種各樣的功能，諸如信號(hào)處理、高速計(jì)算、發(fā)射和接收電磁信號(hào)、控制電子裝置、將陽(yáng)光轉(zhuǎn)換為電力、以及創(chuàng)建視覺投影用于電視顯示。在娛樂、通信、功率變換、網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算機(jī)和消費(fèi)品的領(lǐng)域中有半導(dǎo)體裝置。在軍事應(yīng)用、航空、汽車、工業(yè)控制器和辦公設(shè)備中也有半導(dǎo)體裝置。

半導(dǎo)體制造的一個(gè)目標(biāo)在于生產(chǎn)更小的半導(dǎo)體裝置。較小的裝置典型地消耗更少的功率，可以被更高效地生產(chǎn)，并且具有更高的性能。此外，更小的半導(dǎo)體裝置具有更小的覆蓋區(qū)，這對(duì)于增加印刷電路板上的裝置密度并且減小最終產(chǎn)品的尺寸而言是期望的。更小的管芯尺寸可以通過(guò)前端工藝中的改進(jìn)來(lái)實(shí)現(xiàn)，從而導(dǎo)致具有更小、更高密度有源和無(wú)源部件的半導(dǎo)體管芯。后端工藝可以通過(guò)電互連和封裝材料中的改進(jìn)而導(dǎo)致具有更小覆蓋區(qū)的半導(dǎo)體裝置封裝。

已知半導(dǎo)體裝置易受來(lái)自靜電放電(esd)、電過(guò)應(yīng)力(eos)、和電快速瞬變(eft)——統(tǒng)稱作esd事件的損害。當(dāng)靜電電荷累積在例如人體上時(shí)，形成相對(duì)于地的高靜電勢(shì)。如果人體電接觸半導(dǎo)體裝置，則人體的靜電勢(shì)使電流通過(guò)半導(dǎo)體裝置放電，倘若電流足夠大，這可以損害半導(dǎo)體裝置的有源和無(wú)源電路。如果超過(guò)個(gè)別電路元件的擊穿電壓，則半導(dǎo)體裝置可以遠(yuǎn)在其有用的預(yù)期壽命之前變得有缺陷。

半導(dǎo)體裝置可以包含用于esd事件的保護(hù)電路。保護(hù)電路具有有限的能力來(lái)使來(lái)自esd事件的電流放電。為了增加保護(hù)能力，半導(dǎo)體封裝典型地制得較大以包括更多管芯區(qū)域并且處理更高的電流。然而，增加半導(dǎo)體封裝尺寸與較小的封裝和最終產(chǎn)品的目標(biāo)不一致。許多應(yīng)用完全不允許較大的半導(dǎo)體封裝，即使在要求更大的esd保護(hù)的情形下。

附圖說(shuō)明

圖1圖示具有安裝到pcb的表面的不同類型封裝的印刷電路板(pcb)；

圖2a-2e圖示形成具有半導(dǎo)體管芯的半導(dǎo)體晶片的過(guò)程；

圖3圖示形成在半導(dǎo)體管芯上的保護(hù)電路；

圖4a-4b圖示具有堆疊半導(dǎo)體管芯的半導(dǎo)體封裝，每一個(gè)半導(dǎo)體管芯包含保護(hù)電路并且半導(dǎo)體封裝耦合到所述保護(hù)電路以保護(hù)負(fù)載免受esd事件；

圖5a-5c圖示在半導(dǎo)體晶片上面堆疊半導(dǎo)體管芯；

圖6a-6c圖示在第二半導(dǎo)體晶片上面堆疊第一半導(dǎo)體晶片；

圖7a-7d圖示形成在半導(dǎo)體晶片或半導(dǎo)體管芯的背表面上的接觸焊盤；

圖8a-8c圖示使用熱壓將半導(dǎo)體晶片或半導(dǎo)體管芯接合在一起；以及

圖9圖示使用接合引線將半導(dǎo)體管芯的堆疊耦合至引線框架。

具體實(shí)施方式

在以下描述中參照?qǐng)D在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中描述本發(fā)明，在所述圖中相似的數(shù)字表示相同或類似的元件。雖然在用于實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目標(biāo)的最佳模式方面描述了本發(fā)明，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員將領(lǐng)會(huì)到本描述意圖覆蓋如可以包括在本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)的替換方案、修改、以及等同物，所述本發(fā)明的精神和范圍如由所附權(quán)利要求和權(quán)利要求的等同物(如由以下公開和繪圖支持)限定。

圖1圖示具有芯片載體基板或pcb52的電子裝置50，所述芯片載體基板或pcb52具有安裝在pcb52的表面上的多個(gè)半導(dǎo)體封裝。電子裝置50可以具有一種類型的半導(dǎo)體封裝，或多種類型的半導(dǎo)體封裝，這取決于應(yīng)用。為了說(shuō)明，在圖1中示出不同類型的半導(dǎo)體封裝。

電子裝置50可以是使用半導(dǎo)體封裝來(lái)執(zhí)行一個(gè)或多個(gè)電氣功能的獨(dú)立系統(tǒng)。替換地，電子裝置50可以是更大系統(tǒng)的子部件。例如，電子裝置50可以是平板電腦、蜂窩電話、數(shù)字相機(jī)、或其他電子裝置的部分。替換地，電子裝置50可以是顯卡、網(wǎng)絡(luò)接口卡、或可以插入到計(jì)算機(jī)中的其他信號(hào)處理卡。半導(dǎo)體封裝可以包括微處理器、存儲(chǔ)器、專用集成電路(asic)、微機(jī)電系統(tǒng)(mems)、邏輯電路、模擬電路、射頻(rf)電路、分立裝置、或者其他半導(dǎo)體管芯或電氣組件。微型化和重量減小對(duì)于產(chǎn)品將被市場(chǎng)接受而言是必要的。可以降低半導(dǎo)體裝置之間的距離以獲得更高的密度。

在圖1中，pcb52提供用于安裝在pcb上的半導(dǎo)體封裝的結(jié)構(gòu)支撐和電氣互連的一般基板。導(dǎo)電信號(hào)跡線54使用蒸發(fā)、電解電鍍、化學(xué)鍍、絲網(wǎng)印刷或其他合適的金屬沉積工藝而被形成在pcb52的表面上面或者形成在其層內(nèi)。信號(hào)跡線54提供在半導(dǎo)體封裝、所安裝的部件、以及其他外部系統(tǒng)部件中的每一個(gè)之間的電氣通信。跡線54也提供到半導(dǎo)體封裝中的每一個(gè)的電源和地連接。

圖2a示出具有基底基板材料122的半導(dǎo)體晶片120，所述基底基板材料122諸如硅、鍺、磷化鋁、砷化鋁、砷化鎵、氮化鎵、磷化銦、碳化硅、或用于結(jié)構(gòu)支撐的其他體半導(dǎo)體材料。多個(gè)半導(dǎo)體管芯或部件124形成在晶片120上由非有源、管芯間晶片區(qū)域或鋸道126分離，如以上描述的那樣。鋸道126提供用以將半導(dǎo)體晶片120單片化為單獨(dú)的半導(dǎo)體管芯124的切割區(qū)域。在一個(gè)實(shí)施例中，半導(dǎo)體晶片120具有200-300毫米(mm)的寬度或直徑以及700微米(μm)的厚度。在另一實(shí)施例中，半導(dǎo)體晶片120具有100450mm的寬度或直徑。

圖2b示出半導(dǎo)體晶片120的一部分的橫截面視圖。每個(gè)半導(dǎo)體管芯124具有包含模擬或數(shù)字電路的有源表面130以及背部或非有源表面128，所述模擬或數(shù)字電路被實(shí)施為形成在管芯內(nèi)并且根據(jù)管芯的電氣設(shè)計(jì)和功能而電互連的有源器件、無(wú)源器件、導(dǎo)電層、以及電介質(zhì)層。半導(dǎo)體晶片120具有高電阻率，大約1kohms/cm或更大。有源表面130可以注入有氧化物以抑制表面導(dǎo)電。

使用激光鉆孔、機(jī)械鉆孔、深反應(yīng)離子刻蝕(drie)、或其他合適的工藝來(lái)部分地通過(guò)基底基板材料122而形成多個(gè)盲孔。使用電解電鍍、化學(xué)鍍工藝、或其他合適的金屬沉積工藝來(lái)用鋁(al)、銅(cu)、錫(sn)、鎳(ni)、金(au)、銀(ag)、鈦(ti)、鎢(w)、多晶硅或其他合適的導(dǎo)電材料填充通孔以形成z方向垂直互連結(jié)構(gòu)或?qū)щ姽柰?tsv)132。

導(dǎo)電層134使用pvd、cvd、電解電鍍、化學(xué)鍍、或其他合適的金屬沉積工藝而被形成在有源表面130上面。導(dǎo)電層134包括與有源表面130共面的表面。在另一實(shí)施例中，導(dǎo)電層134部分地或者完全地形成在有源表面130上面。

導(dǎo)電層134包括al、cu、sn、ni、au、ag或其他合適的導(dǎo)電材料或其組合的一個(gè)或多個(gè)層。導(dǎo)電層134起電連接至有源表面130上的電路以及導(dǎo)電tsv132的接觸焊盤的作用。導(dǎo)電層134被形成為接觸焊盤，其并排設(shè)置成距半導(dǎo)體管芯124的邊緣第一距離，如圖2b中示出的。替換地，導(dǎo)電層134被形成為接觸焊盤，其在多行中偏移使得第一行接觸焊盤設(shè)置成距管芯的邊緣第一距離，并且與第一行交替的第二行接觸焊盤設(shè)置成距管芯的邊緣第二距離。在一個(gè)實(shí)施例中，半導(dǎo)體管芯124是分立的瞬態(tài)電壓抑制(tvs)二極管，并且僅為兩個(gè)二極管端子提供兩個(gè)接觸焊盤134。

導(dǎo)電層134的部分是電共用的或電隔離的，這取決于半導(dǎo)體管芯124的布線(routing)設(shè)計(jì)和功能。在一些實(shí)施例中，導(dǎo)電層134起再分配層(rdl)的作用，所述再分配層(rdl)用以延伸來(lái)自導(dǎo)電tsv132的電連接并且將電信號(hào)橫向地再分配至半導(dǎo)體管芯124的其他區(qū)域。在另一實(shí)施例中，導(dǎo)電層134起用于到和來(lái)自導(dǎo)電tsv132的電互連的引線可接合焊盤或?qū)拥淖饔谩?/p>

在圖2c中，半導(dǎo)體晶片120的背表面128經(jīng)受用研磨機(jī)138進(jìn)行的背面研磨(backgrinding)操作或其他合適的機(jī)械、化學(xué)或刻蝕工藝以移除基底材料122的一部分。背面研磨操作減小包括半導(dǎo)體管芯124的半導(dǎo)體晶片120的厚度并且顯露導(dǎo)電tsv132。在一個(gè)實(shí)施例中，半導(dǎo)體管芯具有50-200μm的研磨后的厚度。在背面研磨操作之后，tsv132包括與半導(dǎo)體管芯124的新背表面128共面的表面。

在圖2d中，使用蒸發(fā)、電解電鍍、化學(xué)鍍、球滴或絲網(wǎng)印刷工藝在導(dǎo)電層134上面沉積導(dǎo)電凸塊材料。凸塊材料包括al、sn、ni、au、ag、鉛(pb)、鉍(bi)、cu、焊料或其組合，與可選的焊劑溶液。例如，凸塊材料可以是共熔的sn/pb、高鉛焊料、或無(wú)鉛焊料。凸塊材料使用合適的附接或接合工藝而被接合至導(dǎo)電層134。在一個(gè)實(shí)施例中，通過(guò)將凸塊材料加熱至其熔點(diǎn)以上而對(duì)所述材料進(jìn)行回流以形成球形的球或凸塊140。在一些應(yīng)用中，凸塊140被二次回流以改進(jìn)到導(dǎo)電層134的電接觸。凸塊也可以被壓縮接合至導(dǎo)電層134。凸塊140表示形成在導(dǎo)電層134上面的一種類型的互連結(jié)構(gòu)。互連結(jié)構(gòu)也可以使用接合引線、柱形凸塊、微凸塊、或其他電氣互連。凸塊140或其他互連結(jié)構(gòu)是可選的并且可以在半導(dǎo)體晶片120的單片化之后形成。

在圖2e中，使用鋸條或激光切割工具142通過(guò)鋸道126將半導(dǎo)體晶片120單片化成單獨(dú)的半導(dǎo)體管芯124。在另一實(shí)施例中，使用drie將半導(dǎo)體晶片120單片化成單獨(dú)的半導(dǎo)體管芯124。

半導(dǎo)體管芯124在pcb52上的半導(dǎo)體封裝56-72下操作，所述半導(dǎo)體封裝56-72用以提供免受esd事件的保護(hù)。當(dāng)靜電電荷累積在人體上時(shí)，形成相對(duì)于地的高靜電壓電勢(shì)。如果人體電接觸半導(dǎo)體裝置，則靜電勢(shì)注入大電流并通過(guò)裝置放電，這可以損害裝置上的有源和無(wú)源電路。

在一個(gè)實(shí)施例中，半導(dǎo)體管芯124專用于esd保護(hù)。例如，半導(dǎo)體管芯124包括形成在有源表面130內(nèi)以實(shí)施esd保護(hù)電路的一個(gè)或多個(gè)晶體管、二極管或其他電路元件，所述esd保護(hù)電路提供五十安培或更多的峰值電流放電或消散。在另一實(shí)施例中，每個(gè)半導(dǎo)體管芯124是分立tvs二極管，其當(dāng)跨端子的電壓超過(guò)閾值時(shí)從端子140a向端子140b傳導(dǎo)電力。當(dāng)跨端子140a和140b的電壓電勢(shì)低于閾值時(shí)，半導(dǎo)體管芯124的tvs二極管近似端子之間的開路。

圖3示出半導(dǎo)體管芯124的tvs二極管或保護(hù)電路150。保護(hù)電路150的輸入共同地耦合至導(dǎo)電層134a、導(dǎo)電tsv132a、和凸塊140a。保護(hù)電路150的輸出共同地耦合至導(dǎo)電層134b、導(dǎo)電tsv132b和凸塊140b。半導(dǎo)體管芯124的凸塊140a連接至pcb52上的電路節(jié)點(diǎn)，與一個(gè)或多個(gè)半導(dǎo)體封裝56-72共用，在其上可以發(fā)生esd事件。凸塊140b耦合至地電勢(shì)節(jié)點(diǎn)。

在用比方說(shuō)2.5伏特進(jìn)行的正常操作中，保護(hù)電路150是不工作的并且電信號(hào)流動(dòng)至pcb52上的半導(dǎo)體封裝56-72。在esd事件期間，pcb52的電路節(jié)點(diǎn)上的電壓尖峰或瞬變情況也入射到凸塊140a，并且激活保護(hù)電路150(或接通tvs150)。當(dāng)激活時(shí)，保護(hù)電路150使與esd事件相關(guān)聯(lián)的電流尖峰通過(guò)導(dǎo)電層134b和凸塊140b放電至地。例如，esd事件可以由包含靜電電荷的人體接觸pcb52上的一個(gè)或多個(gè)半導(dǎo)體封裝56-72而引起。保護(hù)電路150檢測(cè)凸塊140a處的結(jié)果產(chǎn)生的電壓瞬變并且使高電流通過(guò)半導(dǎo)體管芯124放電至地。

保護(hù)電路150可以用電壓鉗位電路來(lái)實(shí)施，所述電壓鉗位電路連接至凸塊140a，并且包含具有足以使50安培或更多的大esd電流放電或消散的額定值一個(gè)或多個(gè)晶體管。通過(guò)經(jīng)過(guò)半導(dǎo)體管芯124而不是經(jīng)過(guò)pcb52上的封裝對(duì)電流進(jìn)行分流來(lái)保護(hù)半導(dǎo)體封裝56-72免受esd事件。其他半導(dǎo)體管芯124的其他凸塊140連接至pcb52上的其他電路節(jié)點(diǎn)，其易受esd事件。

pcb52上可用于esd保護(hù)的空間是有限的。圖4a圖示具有增加的esd電流放電能力以及小半導(dǎo)體封裝尺寸的裝置。如圖2c中描述的，半導(dǎo)體管芯124經(jīng)受背面研磨以減小管芯厚度。多個(gè)半導(dǎo)體管芯124堆疊在基板或引線框架160上以形成半導(dǎo)體封裝164。如在圖2e中從半導(dǎo)體晶片120單片化的半導(dǎo)體管芯124c被設(shè)置在引線框架160上面，其中凸塊140接合至端子160a和160b。半導(dǎo)體管芯124c的凸塊140在各個(gè)引線框架接觸160a和160b的覆蓋區(qū)內(nèi)，并且在各個(gè)引線框架接觸和半導(dǎo)體管芯124c之間。半導(dǎo)體管芯124c的凸塊140被回流以通過(guò)凸塊將半導(dǎo)體管芯124c機(jī)械耦合和電耦合至引線框架160。

如也從半導(dǎo)體晶片120單片化的半導(dǎo)體管芯124b設(shè)置在半導(dǎo)體管芯124c上面，其中半導(dǎo)體管芯124b的凸塊140接合至半導(dǎo)體管芯124c的導(dǎo)電tsv132。如從半導(dǎo)體晶片120單片化的半導(dǎo)體管芯124a設(shè)置在半導(dǎo)體管芯124b上面，其中半導(dǎo)體管芯124a的凸塊140接合至半導(dǎo)體管芯124b的導(dǎo)電tsv132。因此，在引線框架接觸160a和160b之間通過(guò)包括導(dǎo)電層134、導(dǎo)電tsv132和凸塊140的互連結(jié)構(gòu)來(lái)堆疊和并聯(lián)電連接半導(dǎo)體管芯124a-124c。雖然每個(gè)半導(dǎo)體管芯124的每個(gè)有源表面130在共同方向上定向，但是許多tvs二極管實(shí)施例是對(duì)稱的并且可以以管芯或晶片級(jí)面對(duì)面或背對(duì)背堆疊。

半導(dǎo)體管芯124a-124c之間的互連結(jié)構(gòu)也可以用引線接合部、柱形凸塊、導(dǎo)電膏、直接管芯附接、或其他電互連結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)施。例如，每個(gè)半導(dǎo)體管芯124a-124c中的保護(hù)電路150共同地與引線接合部連接。替換地，可以通過(guò)將半導(dǎo)體管芯124c的導(dǎo)電層134a直接(即，沒有凸塊140)接合至端子160a-160b來(lái)進(jìn)一步減小半導(dǎo)體封裝164的厚度。半導(dǎo)體管芯124b的導(dǎo)電層134a直接地接合至半導(dǎo)體管芯124c的導(dǎo)電tsv132a，并且半導(dǎo)體管芯124a的導(dǎo)電層134a直接地接合至半導(dǎo)體管芯124b的導(dǎo)電tsv132a。在一個(gè)實(shí)施例上使用熱壓接合來(lái)完成接觸焊盤134a至端子160a-160b或至導(dǎo)電通孔132的直接金屬至金屬接合。

使用膏印刷、壓縮模塑、傳遞模塑、液封模塑、真空層壓、旋涂、或其他合適的敷料器來(lái)在半導(dǎo)體管芯124a-124c和引線框架160上面沉積密封劑或模塑料162作為絕緣材料。密封劑162包括聚合物復(fù)合材料，諸如環(huán)氧樹脂、環(huán)氧丙烯酸酯、或具有適當(dāng)?shù)奶畛湮锏木酆衔?。密封?62是不導(dǎo)電的并且在環(huán)境上保護(hù)半導(dǎo)體裝置免受外部元素和污染。

圖4b圖示具有保護(hù)電路150的半導(dǎo)體封裝164，其耦合在輸入端子166-167和負(fù)載電路168之間以保護(hù)負(fù)載電路免受輸入端子166上的esd事件。負(fù)載電路168表示要求esd保護(hù)的電子裝置50的半導(dǎo)體封裝或其他電氣電路。輸入端子166-167表示到電子裝置50的電源和地輸入端。在其他實(shí)施例中，輸入端子166-167表示電子裝置50的模擬或數(shù)字輸入端或輸出端，例如手機(jī)或平板電腦的頭戴式耳機(jī)插孔或通用串行總線端口。半導(dǎo)體封裝164耦合在輸入端子166和輸入端子167之間，所述輸入端子167起用于信號(hào)傳輸?shù)牡毓?jié)點(diǎn)的作用。

在用比方說(shuō)2.5伏特的電壓正常操作下，半導(dǎo)體管芯124a-124c上的保護(hù)電路150是不工作的，并且電信號(hào)流動(dòng)至pcb52上的半導(dǎo)體封裝56-72。到半導(dǎo)體封裝56-72的電信號(hào)耦合至封裝164，使得在esd事件期間，pcb52的電路節(jié)點(diǎn)上的電壓尖峰或瞬變情況也入射在凸塊140a上。利用針對(duì)半導(dǎo)體管芯124a-124c上的保護(hù)電路150的管芯堆疊和共用互連結(jié)構(gòu)，電壓尖峰同時(shí)地入射在每個(gè)半導(dǎo)體管芯124a-124c的導(dǎo)電層134a和導(dǎo)電tsv132a上。

每個(gè)半導(dǎo)體管芯124a-124c上的保護(hù)電路150并聯(lián)耦合在電信號(hào)與地電壓節(jié)點(diǎn)之間。每個(gè)半導(dǎo)體管芯124同時(shí)地感測(cè)電壓瞬變情況并且激活以共同地將來(lái)自esd事件的電荷作為相對(duì)高電流通過(guò)導(dǎo)電層134b、導(dǎo)電tsv132b和凸塊140b放電至地。例如，esd事件可以由包含靜電電荷的人體接觸pcb52上的一個(gè)或多個(gè)半導(dǎo)體封裝56-72而引起。半導(dǎo)體管芯124a-124c上的保護(hù)電路150檢測(cè)到結(jié)果得到的電壓尖峰或者被其激活，并且使電流通過(guò)導(dǎo)電層134b、導(dǎo)電tsv132b和凸塊140b放電至地。

在其中半導(dǎo)體管芯124包含分立tvs二極管的實(shí)施例中，esd事件超過(guò)并聯(lián)耦合的每個(gè)半導(dǎo)體管芯的tvs二極管的接通電壓。來(lái)自esd事件的電流通過(guò)并聯(lián)的每個(gè)半導(dǎo)體管芯124被發(fā)送(route)到地電壓節(jié)點(diǎn)。半導(dǎo)體封裝56-72因此與esd事件隔離。當(dāng)esd事件發(fā)生在特定節(jié)點(diǎn)上時(shí)，多個(gè)半導(dǎo)體封裝164可以用于將pcb52上的多個(gè)esd敏感電路節(jié)點(diǎn)耦合至地。

半導(dǎo)體管芯124a-124c上的保護(hù)電路150的堆疊性質(zhì)和共用電連接增加半導(dǎo)體封裝164的esd保護(hù)能力而沒有封裝覆蓋區(qū)中的顯著增加。在封裝164內(nèi)并聯(lián)電連接多個(gè)半導(dǎo)體管芯124使來(lái)自esd事件的電流被通過(guò)任何數(shù)目的并聯(lián)保護(hù)電路150而發(fā)送。當(dāng)單個(gè)保護(hù)電路150可以僅額定發(fā)送比如說(shuō)一百毫安的電流時(shí)，在封裝164內(nèi)并聯(lián)連接三個(gè)半導(dǎo)體管芯124創(chuàng)建可以處理該電流三倍大的、或者高達(dá)三百毫安的電流的封裝。

增加的esd保護(hù)能力多虧并聯(lián)半導(dǎo)體管芯124將高esd電流分配在堆疊半導(dǎo)體管芯的多個(gè)保護(hù)電路150之中。堆疊半導(dǎo)體管芯124a-124c上的保護(hù)電路150共同地操作以增加被分派用于使esd電流尖峰通過(guò)導(dǎo)電層134b、導(dǎo)電tsv132b和凸塊140b放電或消散至地的總硅表面積。電流處理能力中的增加發(fā)生而沒有封裝覆蓋區(qū)中的顯著增加，因?yàn)橛啥询B在與其他半導(dǎo)體管芯相同的覆蓋區(qū)內(nèi)的額外半導(dǎo)體管芯124提供額外的電流處理能力。

圖4a中的半導(dǎo)體封裝164包含三個(gè)堆疊半導(dǎo)體管芯124a-124c，每個(gè)具有通過(guò)包括導(dǎo)電層134、導(dǎo)電tsv132和凸塊140的互連結(jié)構(gòu)而共同地連接的保護(hù)電路150。由于如在圖2c中描述的最小化半導(dǎo)體管芯124a-124c的厚度然后如在圖4中示出的堆疊經(jīng)薄化的半導(dǎo)體管芯的性質(zhì)，以小的封裝尺寸實(shí)現(xiàn)針對(duì)半導(dǎo)體封裝164的高esd保護(hù)能力。在一個(gè)實(shí)施例中，每個(gè)半導(dǎo)體管芯124的長(zhǎng)度和寬度尺寸是1mm×1mm，其中厚度為50-200μm。半導(dǎo)體封裝164中的堆疊半導(dǎo)體管芯124的數(shù)目可以取決于保護(hù)需求而變化。半導(dǎo)體封裝164可以包含與對(duì)于實(shí)現(xiàn)目標(biāo)esd保護(hù)能力切實(shí)可行且必要的一樣多的堆疊和并聯(lián)電耦合的半導(dǎo)體管芯124，例如在一些實(shí)施例中使用5-7個(gè)堆疊半導(dǎo)體管芯。

除了保護(hù)電路150之外，有源表面130可以包括模擬電路或數(shù)字電路，諸如數(shù)字信號(hào)處理器(dsp)、asic、mems、存儲(chǔ)器或其他信號(hào)處理電路。在一個(gè)實(shí)施例中，有源表面130包含mems，諸如加速度計(jì)、陀螺儀、應(yīng)變計(jì)、麥克風(fēng)、或?qū)Ω鞣N外部刺激起反應(yīng)的其他傳感器。半導(dǎo)體管芯124也可以包含集成的無(wú)源器件(ipds)，諸如電感器、電容器和電阻器，用于信號(hào)處理或調(diào)節(jié)。

圖5a-5c圖示具有安裝在半導(dǎo)體晶片172的半導(dǎo)體管芯170上面的來(lái)自圖2e的單片化半導(dǎo)體管芯124的另一實(shí)施例。半導(dǎo)體晶片172遵循與半導(dǎo)體晶片120類似的構(gòu)造。類似于圖2b，形成用于半導(dǎo)體管芯170的導(dǎo)電層174、導(dǎo)電tsv176和凸塊178。半導(dǎo)體管芯124和170每個(gè)包含保護(hù)電路150，例如tvs二極管。在圖5a中，在對(duì)半導(dǎo)體晶片172進(jìn)行背面研磨之后，類似于圖2c，拾取半導(dǎo)體管芯124并且將其放置成與對(duì)應(yīng)的半導(dǎo)體管芯170對(duì)準(zhǔn)。半導(dǎo)體管芯124的凸塊140被接合至半導(dǎo)體管芯170中的導(dǎo)電tsv176。

在圖5b中，使用鋸條或激光切割工具180將半導(dǎo)體晶片172單片化成半導(dǎo)體管芯124和170的單獨(dú)的堆疊。圖5c示出具有安裝至基板或引線框架184并且覆蓋有密封劑186的堆疊半導(dǎo)體管芯124和170的半導(dǎo)體封裝182，類似于圖4。半導(dǎo)體封裝182提供增加的esd保護(hù)能力，這歸因于在小半導(dǎo)體封裝中并聯(lián)耦合的多個(gè)保護(hù)電路150，如針對(duì)半導(dǎo)體封裝164描述的那樣。

圖6a-6c圖示具有安裝在半導(dǎo)體晶片190上面的半導(dǎo)體晶片192的另一實(shí)施例。半導(dǎo)體晶片190和192遵循與半導(dǎo)體晶片120類似的構(gòu)造。形成用于半導(dǎo)體管芯198的導(dǎo)電層194、導(dǎo)電tsv196和凸塊197，類似于圖2b。同樣地，形成用于半導(dǎo)體管芯206的導(dǎo)電層200、導(dǎo)電tsv202和凸塊204。半導(dǎo)體管芯198和206均包含保護(hù)電路150。在圖6a中，在對(duì)半導(dǎo)體晶片190和192進(jìn)行背面研磨之后，類似于圖2c，將半導(dǎo)體晶片192安裝至半導(dǎo)體晶片190，其中半導(dǎo)體管芯206與半導(dǎo)體管芯198對(duì)準(zhǔn)。半導(dǎo)體管芯206的凸塊204被接合至半導(dǎo)體管芯198中的導(dǎo)電tsv196。

在圖6b中，使用鋸條或激光切割工具210將半導(dǎo)體晶片190和192單片化成單獨(dú)的堆疊半導(dǎo)體管芯198和206。圖6c示出具有安裝至基板或引線框架214并且覆蓋有密封劑216的堆疊半導(dǎo)體管芯198和206的半導(dǎo)體封裝212，類似于圖4。半導(dǎo)體封裝212在小半導(dǎo)體封裝中提供高esd保護(hù)能力，如對(duì)于半導(dǎo)體封裝164描述的那樣。

圖6a-6c圖示保護(hù)裝置的晶片至晶片接合，而圖5a-圖5c圖示管芯至晶片接合。在一些實(shí)施例中，晶片至晶片接合可與管芯至晶片接合結(jié)合。例如，來(lái)自圖5a的半導(dǎo)體管芯124可以在半導(dǎo)體晶片192被接合至半導(dǎo)體晶片190之前或之后被接合在圖6a中的半導(dǎo)體晶片192上面。

圖7a-7d圖示在圖2c中對(duì)半導(dǎo)體晶片120進(jìn)行背面研磨之后在半導(dǎo)體管芯124的背表面128上面形成導(dǎo)電層230。在圖7a中，導(dǎo)電層230在每個(gè)導(dǎo)電通孔132上面形成接觸焊盤以改進(jìn)凸塊140至半導(dǎo)體管芯的背表面128的接合。在其他實(shí)施例中，導(dǎo)電層230包括用于將電信號(hào)再分配至背表面128上的替換位置的導(dǎo)電跡線。導(dǎo)電層230以與導(dǎo)電層134類似的方式形成。

在圖7b中，在背表面128上面在導(dǎo)電層230周圍形成可選的絕緣或鈍化層232。絕緣層232使用pvd、cvd、印刷、層壓、旋涂或噴涂而形成。絕緣層232包含二氧化硅(sio2)、氮化硅(si3n4)、氮氧化硅(sion)、五氧化二鉭(ta2o5)、氧化鋁(al2o3)、阻焊劑、或具有類似絕緣和結(jié)構(gòu)性質(zhì)的其他材料的一個(gè)或多個(gè)層。通過(guò)刻蝕或激光直接燒蝕(lda)來(lái)移除絕緣層232的一部分以在絕緣層中形成開口并且暴露導(dǎo)電層230用于后續(xù)電互連。在一些實(shí)施例中，通過(guò)背面研磨移除絕緣層232的一部分以從絕緣層暴露導(dǎo)電層230并且創(chuàng)建與導(dǎo)電層的表面共面的絕緣層的表面。

在圖7c中，具有導(dǎo)電層230的多個(gè)導(dǎo)電晶片120被堆疊并且通過(guò)導(dǎo)電凸塊140連接。導(dǎo)電凸塊140在一個(gè)半導(dǎo)體晶片120的接觸焊盤134與第二半導(dǎo)體晶片的接觸焊盤230之間回流以將晶片彼此機(jī)械接合并電耦合。任何期望數(shù)目的半導(dǎo)體晶片120可以被堆疊并且并聯(lián)連接。然后通過(guò)鋸條或激光切割工具233將半導(dǎo)體晶片120單片化成單獨(dú)的裝置。具有導(dǎo)電層230的半導(dǎo)體管芯124也可以在單片化之后管芯到管芯堆疊、或者管芯到晶片堆疊。

在圖7d中，在圖7c中單片化的堆疊半導(dǎo)體管芯124的經(jīng)單片化單元被設(shè)置在引線框架160上面并且通過(guò)半導(dǎo)體管芯124b的凸塊140而連接至接觸160a-160b。密封劑162沉積在引線框架160和半導(dǎo)體管芯124上面以用于電隔離和環(huán)境保護(hù)。半導(dǎo)體管芯124a和124b并聯(lián)耦合在端子160a和160b之間。一般地，引線框架160被提供為相對(duì)大的薄片，并且堆疊半導(dǎo)體管芯124的許多單元設(shè)置在單個(gè)引線框架上面并且密封在一起。密封劑162在每個(gè)半導(dǎo)體管芯124之間并且在引線框架160和半導(dǎo)體管芯124b之間延伸。當(dāng)沉積密封劑162時(shí)引線框架160通常在載體上，從而導(dǎo)致與引線框架160的底部共面的密封劑162的下表面。

在密封之后，通過(guò)引線框架160和密封劑162單片化多個(gè)tvs封裝234以分離各個(gè)封裝。單片化切穿引線框架160，并且創(chuàng)建從密封劑162暴露的端子160a-160b的新側(cè)面或外側(cè)。tvs封裝234設(shè)置在圖1中的pcb52上，并且端子160a和160b焊接至pcb上的導(dǎo)電焊盤或跡線以保護(hù)電路元件免受esd事件。端子160a-160b的已暴露側(cè)面可由焊料潤(rùn)濕并且增加在tvs封裝234和pcb52之間用于焊接的表面積。

圖8a-8c圖示通過(guò)熱壓或擴(kuò)散接合堆疊多個(gè)半導(dǎo)體晶片120，其中晶片彼此機(jī)械和電連接。圖8a圖示具有接觸焊盤230而不具有導(dǎo)電凸塊140或絕緣層232的晶片120。在圖8b中，來(lái)自圖8a的多個(gè)晶片120堆疊在熱壓裝置的底板240和頂板244之間。板240和244用于向半導(dǎo)體晶片120施加力和熱。接觸焊盤230和接觸焊盤134之間的熱和壓力使對(duì)準(zhǔn)的接觸焊盤內(nèi)的金屬原子擴(kuò)散到彼此中。

在晶片120通過(guò)熱壓接合在一起之后，堆疊的晶片被單片化并且使用導(dǎo)電凸塊140安裝至引線框架160上。在其他實(shí)施例中，堆疊半導(dǎo)體管芯124通過(guò)熱壓而沒有導(dǎo)電凸塊140來(lái)被耦合至引線框架160。晶片120至引線框架160的熱壓可以在與晶片120彼此的接合相同的熱壓步驟中，或者作為另一熱壓步驟來(lái)執(zhí)行。熱壓可以是晶片到晶片、管芯到晶片、或者管芯到管芯。密封劑162沉積在半導(dǎo)體管芯124和引線框架160上面以形成面板，然后面板被單片化以使tvs封裝250彼此分離。使用熱壓接合通過(guò)消除一些或所有裝置層之間的導(dǎo)電凸塊140的厚度而減小tvs封裝250的總厚度。

圖9圖示具有引線框架260的另一實(shí)施例，所述引線框架260除了引線264之外還具有管芯焊盤262。任何之前所公開的半導(dǎo)體管芯堆疊用可選的粘附層266而被設(shè)置在管芯焊盤262上。半導(dǎo)體管芯124的堆疊可以設(shè)置在管芯焊盤262上面，其中有源表面130朝向或者背離管芯焊盤定向。在一些實(shí)施例中，半導(dǎo)體管芯124的有源表面130在相反方向上定向。在期望的實(shí)施例中，粘附層266提供半導(dǎo)體管芯124和管芯焊盤262之間的電隔離。取決于頂部半導(dǎo)體管芯124的定向，接觸焊盤230或134通過(guò)接合引線268而被耦合至引線264。接合引線268通過(guò)熱壓接合、超聲接合、楔形接合、針腳式接合、球形接合、或其他合適的接合技術(shù)而機(jī)械和電耦合至接觸焊盤230和端子264。接合引線268包括導(dǎo)電材料諸如cu、al、au、ag、其組合，或者另一合適的導(dǎo)電材料。

密封劑270沉積在半導(dǎo)體管芯124、引線框架260和接合引線268上面以形成密封裝置的薄片。通過(guò)鋸條或激光切割工具將所述薄片單片化以產(chǎn)生單獨(dú)的tvs裝置272。tvs裝置272通過(guò)并聯(lián)耦合多個(gè)經(jīng)薄化的保護(hù)裝置來(lái)增加保護(hù)能力而沒有顯著增加裝置尺寸。

具有互連的保護(hù)電路的堆疊半導(dǎo)體管芯提供具有小封裝形狀因子的系統(tǒng)級(jí)esd保護(hù)。通過(guò)堆疊拓?fù)湓黾影雽?dǎo)體封裝的每單位尺寸的功率處理能力(額定功率)以增加被分派用于esd電流尖峰的放電或消散的總硅表面積，同時(shí)通過(guò)在共同覆蓋區(qū)中堆疊保護(hù)電路而維持小的封裝形狀因子。來(lái)自esd事件的能量通過(guò)每個(gè)堆疊半導(dǎo)體管芯的共同連接的保護(hù)電路而被分配和消散。均具有保護(hù)電路的多個(gè)半導(dǎo)體管芯的堆疊性質(zhì)提供增加esd保護(hù)能力而不顯著增加封裝尺寸的能力。堆疊的拓?fù)淇梢酝ㄟ^(guò)管芯到管芯、管芯到晶片、或晶片到晶片堆疊工藝而實(shí)現(xiàn)。

雖然已經(jīng)詳細(xì)說(shuō)明了本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，但是技術(shù)人員將領(lǐng)會(huì)到，可以做出對(duì)那些實(shí)施例的修改和改編而不脫離如在所附權(quán)利要求中闡述的本發(fā)明的范圍。