DE69534976T2

DE69534976T2 - Vertikales Zwischenverbindungsverfahren für Silikonsegmente

Info

Publication number: DE69534976T2
Application number: DE69534976T
Authority: DE
Inventors: David Scotts Valley Pedersen; Michael Cambria Finley; Kenneth Sunnyvale Sautter
Original assignee: Vertical Circuits Inc
Current assignee: Vertical Circuits Inc
Priority date: 1994-06-23
Filing date: 1995-06-08
Publication date: 2006-12-28
Anticipated expiration: 2015-06-09
Also published as: ATE211350T1; ATE325426T1; JP3895768B2; DE69524756D1; EP1158570A1; KR100377657B1; EP0766909B1; US5661087A; DE69524756T2; JPH10508154A; EP0766909A1; EP1158570B1; WO1996000494A1; US5675180A; US5837566A; EP0766909A4; US6188126B1; AU2815395A; JP2007019527A; DE69534976D1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Übereinanderstapeln und Verbinden von Segmenten aus Silicium, und insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Übereinanderstapeln von Segmenten, die eine Vielzahl von Mikroplättchen und abgeschrägte Randwände aufweisen, und zum Verbinden der Segmente an den Rändern des Stapels unter Verwendung von elektrisch leitfähigem Epoxidharz.
Über viele Jahre wurden elektrische Komponenten wie etwa Transistoren und integrierte Schaltungen unter Verwendung von Wafern aus Halbleitermaterial hergestellt, einschließlich Silicium und Germanium. Auf die Wafer wurden integrierte Schaltungen unter Anwendung verschiedenartiger Techniken aufgebracht, die als Ätzen, Dotieren, und Schichten bekannt sind. Individuelle integrierte Schaltungen, die auf dem Wafer vorgesehen sind, werden als Mikroplättchen bezeichnet und umfassen Kontaktpunkte, die als Anschlussflächen zur externen elektrischen Verbindung bezeichnet werden. Typischerweise werden die Mikroplättchen auf dem Wafer voneinander getrennt, indem der Wafer entlang der Grenzlinien, die das Mikroplättchen definieren, geschnitten wird. Sobald die Mikroplättchen aus dem Wafer geschnitten sind, werden sie als Chips bezeichnet und werden zur Verwendung verpackt. In den letzten Jahren hat die Verbreitung von immer leistungsfähigeren elektronischen Systemen zu einem gesteigerten Bedarf nach mit höherer Dichte gepackten integrierten Schaltungen geführt.
Ein Verfahren zum Erzeugen von höheren Packungsdichten machte den Versuch, ein gesamtes Computersystem auf einem ein zigen Wafer unter Verwendung von Wafer-Scale-Integration (WSI)-Techniken zu erzeugen. Die WSI-Technologie versucht, alle Mikroplättchen auf einem Wafer in seitleicher Richtung miteinander zu verdrahten, indem Drähte zur Verbindung der Mikroplättchen untereineander verwendet werden. Um jedoch die notwendigen Verbindungen zwischen den Mikroplättchen zu erzeugen, werden sehr viele Drähte benötigt, die extrem dünn und schwer herzustellen sind.
Ein zweites Verfahren zum Herstellen von Packungen hoher Dichte versucht, die zur Platzierung der Chips auf einer Schaltungsplatte benötigte Fläche zu reduzieren, indem die Chips vertikal übereinander gestapelt werden. Bei einer Stapeltechnik für Chips werden die individuellen Mikroplättchen auf keramische Träger platziert, das Mikroplättchen und der Träger eingekapselt, die Träger gestapelt und der Stapel dann auf einer gedruckten Schaltungsplatte angebracht. Bei dieser Technik sind alle Mikroplättchen in dem Stapel untereinander verbunden, indem die Anschlussleiter (Leads) der Mikroplättchen über Metallstifte mit der gedruckten Schaltungsplatte verbunden werden. Dieses Verfahren führt zu einer ungewöhnlich hohen Anschlusszahl auf der Schaltungsplatte, was die Verlässlichkeit der Schaltungen reduziert, da eine hohe Anschlussanzahl die Wahrscheinlichkeit erhöht, dass einer der vielen Anschlüsse sich von der Platte löst.
Ein anderes Stapelverfahren für Chips wendet ein komplexeres Verfahren zum Stapeln der Mikroplättchen an, wie in US-Patent Nr. 5,104,820, erteilt am 14. April 1992, beschrieben ist. Wie in 1 gezeigt, modifiziert dieses Verfahren die individuellen Chips 10 so, dass sie übereinander gestapelt werden können, indem ein Metallisierungsmuster, das als Umleitungsleiter 12 bezeichnet wird, auf die Oberfläche des Wafers aufgebracht wird. Die Umleitungsleiter 12 verlaufen von den Anschlussflächen 14 auf dem Chip 10 zu neugebildeten Anschlussflächen 11 und sind so ausgebildet, dass alle Umleitungsleiter 12 an einer Seite des modifizierten Chips 10 enden. Die modifizierten Chips 10 werden dann aus dem Wafer geschnitten, wie durch die gepunkteten Linien angedeutet, und zu einem Stapel zusammengebaut (nicht gezeigt). Der Stapel wird in einer Weise zusammengesetzt, so dass alle Leiter 12 der modifizierten Chips 10 entlang derselben Seite des Stapels ausgerichtet sind. Die Seite des Stapels mit den Leitern 12 wird dann geätzt und poliert, so dass ein Querschnitt der Leiter 12 an jedem der modifizierten Chips 12 zugänglich ist. Nachdem die Leiter 12 freigelegt sind, wird eine Metallisierungsschicht auf die Leiter 12 entlang der Seite des Stapels aufgebracht, um die modifizierten Chips 10 in dem Stapel zu verbinden. Der Stapel wird dann auf einem Träger platziert und befestigt, der dann mit herkömmlichen Schaltungen verbunden wird.
Das Verfahren der Umleitungsleiter bietet gegenüber vorhergehenden Verfahren eine Verbesserung in Bezug auf die Schaltungsdichte, aber es ist kompliziert und teuer. Außerdem erstrecken sich die Umleitungsleiter 12, wie in 1 gezeigt, über fünf benachbarte Mikroplättchen 15 bis 19, die zerstört werden, wenn der modifizierte Chip 10 aus dem Wafer geschnitten wird. Bei diesem Verfahren werden fünf Mikroplättchen für jeden Chip 10, der modifiziert wird, verschwendet.
Ein anderes Verfahren zum Herstellen höherer Schaltungsdichten erzeugt Stapel ganzer Wafer, im Gegensatz zu individuellen Chips, um ein Wafer-Feld zu bilden. In einigen Geräten sind die Wafer in dem Stapel untereinander elektrisch verbunden durch Verwendung von festen vertikalen Säulen aus metallischen, leitfähigen Durchführungen, wie etwa aus Kupfer. Die Verwendung von festen Durchführungen zum Verbinden der Wafer kann während thermischer Zyklen Schäden an dem Feld aufgrund verschiedener thermischer Ausdehnungskoeffizienten hervorrufen. Ferner ist das Verfahren kostenaufwendig und macht es schwierig, die Wafer für Reparaturen voneinander zu trennen.
Es gibt noch andere Verfahren zum Verbinden von Stapeln von Wafern, wie beispielsweise in US-Patent Nr. 4,897,708, erteilt am 30. Juni 1990, und US-Patent Nr. 4,954,875, erteilt am 4. September 1990, beschrieben. Bei diesen Verfahren wird jeder Wafer in dem Stapel mit konisch geformten hindurchgehenden Löchern versehen, die Anschlussflächen auf den Wafern zugänglich machen. Die Anschlussflächen der Wafer in dem Stapel werden dann elektrisch verbunden, indem entweder in die hindurchgehenden Löcher eine elektrisch leitfähige Flüssigkeit gefüllt wird oder ein elektrisch leitfähiges, nachgiebiges Material in die Löcher eingeführt wird, um eine kontinuierliche, vertikale elektrische Verbindung zwischen den Wafern zu schaffen. Während so die Nachteile der Verwendung von festen vertikalen Säulen aus Metall zur Verbindung der Wafer vermieden werden, macht die Verwendung von elektrisch leitfähigen Flüssigkeiten und leitfähigen Materialien Spezialwerkzeuge erforderlich, um die hindurchgehenden Löcher zu füllen. Ferner kann es in einigen Anwendungen, aufgrund von Größenbegrenzungen des elektrischen Geräts, nicht erwünscht sein, Stapel ganzer Wafer zu verwenden.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Demgemäß ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Vorrichtung zum Stapeln und untereinander Verbinden von Siliciumsegmenten zu schaffen.
Gemäß einem ersten Aspekt der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird wenigstens ein Segment aus Silicium mit einer Vielzahl von Rändern bereitgestellt, die das Segment definieren, weiterhin mit:
Wenigstens einer Randanschlussfläche, die an mehr als einem der Ränder angeordnet ist, wenigstens einem Mikroplättchen, das wenigstens eine erste Anschlussfläche hat, und einer Lage von Metallspuren, die zwischen der ersten Anschlussfläche angeschlossen sind, um das wenigstens eine Mikroplättchen zu verbinden, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallspuren vollständig innerhalb der Ränder der Mikroplättchen enthalten sind und weiter zwischen der Randanschlussfläche und der ersten Anschlussfläche angeschlossen sind, um das Mikroplättchen mit externen Anschlüssen zu verbinden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird ein Stapel aus elektrischen Schaltungen bereitgestellt, mit: Einem Stapel von Segmenten, die übereinander angeordnet sind, wobei jedes der Segmente eine Mehrzahl von Rändern aufweist, die jedes der Segmente definieren, und wenigstens einem Mikroplättchen auf jedem der Segmente und wenigstens einer Randanschlussfläche, die auf mehr als einem der Ränder von jedem der Segmente für vertikale externe elektrische Verbindungen angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass eine Lage von Metallspuren auf jedem der Segmente vorhanden ist, die zwischen der wenigstens einen Randanschlussfläche und wenigstens einer ersten Anschlussfläche zur Verbindung des Mikroplättchens mit externen Anschlüssen verbunden sind, wobei die Metallspuren vollständig innerhalb der Ränder der Mikroplättchen enthalten sind.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wurde ein Verfahren zum Bilden eines Stapels aus Segmenten bereitgestellt, das die Schritte umfasst: Bereitstellen eines Wafers mit einer Vielzahl von Mikroplättchen, Schaffung einer Vielzahl von Segmenten, wobei jedes aus der Vielzahl von Segmenten durch Gruppierung einer Vielzahl von benachbarten Mikroplättchen auf dem Wafer gebildet ist, Bereitstellen interner elektrisch leitfähiger Kontaktpunkte auf jeder der Vielzahl von Mikroplättchen, Bereitstellen von externen elektrisch leitfähigen Kontaktpunkten, die an Rändern von jedem aus der Vielzahl der Segmente liegen, Bereitstellen einer Schicht von Metallspuren auf jedem der Vielzahl von Segmenten, wobei die Metallspuren vollständig innerhalb der Ränder der Vielzahl von Mikroplättchen enthalten sind und zwischen den internen elektrisch leitfähigen Kontaktpunkten auf der Vielzahl von Mikroplättchen und den externen elektrisch leitfähigen Kontaktpunkten an jedem aus der Vielzahl der Segmente verlaufen, Abtrennen jedes einzelnen aus der Vielzahl von Segmenten von dem Wafer, Anordnen der Vielzahl von Segmenten aufeinander zur Herstellung eines Stapels von Segmenten, wobei der Stapel externe vertikale Seiten aufweist, und elektrisches Verbinden des Stapels von Segmenten.
Die vorliegende Erfindung beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum vertikalen Verbinden von Stapeln aus Siliciumsegmenten. Jedes Segment umfasst eine Vielzahl von benachbarten Mikroplättchen auf einem Halbleiter-Wafer. Die Vielzahl von Mikroplättchen auf einem Segment sind auf dem Segment untereinander verbunden unter Verwendung einer oder mehrerer Lagen von Metallverbindungen, die sich zu allen vier Seiten des Segments erstrecken, um Randanschlussflächen für externe elektrische Verbindungspunkte bereitzustellen. Nachdem die Mikroplättchen untereinander verbunden sind, wird jedes Segment von der Rückseite des Wafers unter Anwendung eines Schrägschnittes geschnitten, um vier nach innen geneigte Randwände an jedem Segment zu bilden.
Nachdem die Segmente vom Wafer abgeschnitten sind, werden die Segmente übereinander gestapelt, um einen Stapel zu bilden, was sowohl von einem Stapel individueller Chips als auch von einem Stapel ganzer Wafer zu unterscheiden ist. Vertikal benachbarte Segmente in dem Stapel werden elektrisch untereinander verbunden, indem elektrisch leitfähiger Epoxidharz auf alle vier Seiten des Stapels aufgebracht wird.
Die nach innen geneigten Randwände jedes Segments in dem Stapel bilden eine Vertiefung, die es ermöglicht, dass das elektrisch leitfähige Epoxidharz zu den Randanschlussflächen und zu den seitlichen Schaltungen auf jedem der Segmente vordringt, sobald die Segmente gestapelt sind. Der Stapel aus elektrisch verbundenen Segmenten wird dann unter der Oberfläche einer Leiterplatte angebracht und elektrisch mit den Schaltungen auf der Leiterplatte verbunden, indem Bahnen aus elektrisch leitfähigem Epoxidharz zwischen den Anschlussflächen an dem obersten Segment des Stapels und der Leiterplatte aufgebracht werden.
Andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen deutlich werden.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die zugehörigen Zeichnungen, die in diese Beschreibung einbezogen werden und ein Teil derselben bilden, illustrieren Ausführungsformen der Erfindung und dienen zusammen mit der folgenden detaillierten Beschreibung zur Erläuterung der Prinzipien der Erfindung:
1 ist ein Diagramm, das ein Verfahren des Standes der Technik zur Bildung von Umleitungsleitern entlang einer Seite eines Chips darstellt.
2 ist ein Diagramm, das einen herkömmlichen Silicium-Wafer darstellt, der eine Vielzahl von Mikroplättchen umfasst.
3 ist ein Diagramm, das zwei Segmente gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt, wobei jedes Segment ein Feld von 2 × 2-Mikroplättchen umfasst.
4 ist ein Diagramm, das eine Vielzahl von über einen Wafer verteilten Segmenten darstellt.
5A bis 5H sind Querschnittsansichten eines Bereiches eines Wafers und illustrieren die Vielfach-Materialschichten, die auf den Wafer aufgebracht werden, um die Mikroplättchen eines Segments untereinander zu verbinden.
6A und 6B zeigen die Profile der Randwände einer Polyimidschicht.
7A und 7B illustrieren den Metallablösevorgang, der Metallverbindungen auf einem Wafer schafft.
8A ist ein Diagramm, das die Unterseite eines Segments mit vier abgeschrägten Randwänden zeigt, nachdem das Segment aus einem Wafer geschnitten ist.
8B ist ein Diagramm, das die Oberseite und die abgeschrägten Seitenwände von drei Segmenten nach dem Schneiden aus einem Wafer zeigt.
9 ist ein Diagramm, das ein Verfahren zum Stapeln und Kleben von Segmenten illustriert, indem Segmente übereinander gestapelt und mit Epoxidharz geklebt werden.
10A und 10B sind Diagramme, die ein Verfahren zum Bereitstellen eines vertikalen elektrischen Wegs zwischen Segmenten in einem Stapel gemäß der vorliegenden Erfindung illustrieren.
11 ist ein Diagramm, das den Mechanismus illustriert, durch den Epoxidharzspuren entlang der Ränder eines Stapels aufgebracht werden.
12 ist eine Querschnittsansicht eines signaltragenden Substrats mit einer Mehrzahl von Stapeln, die darin von der unteren Oberfläche aus gemäß der vorliegenden Erfindung daran angebracht sind.
13 ist ein Diagramm, das ein Verfahren zum elektrischen Verbinden eines an der unteren Oberfläche angebrachten Stapels an einer Schaltungsplatte illustriert.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Es wird nun im Detail auf die bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung Bezug genommen, die in Beispielen in den zugehörigen Zeichnungen illustriert sind. Während die Erfindung in Verbindung mit den bevorzugten Ausführungsformen beschrieben wird, ist dies so zu verstehen, dass diese nicht zur Einschränkung der Erfindung auf diese Ausführungsformen gedacht sind. Die Erfindung soll im Gegenteil Alternativen, Modifikationen und Äquivalente abdecken, die von dem Grundgedanken und dem Umfang der Erfindung wie in den angefügten Patentansprüchen definiert umfasst sind.
Unter Bezugnahme auf 2 wird der vertikale Verbindungsprozess der vorliegenden Erfindung beginnend mit einem Standard-Wafer 30 beschrieben, der von einem Hersteller geliefert wird. Die Quadrate auf dem Wafer 30 deuten die Positionen der individuellen Mikroplättchen 32 auf dem Wafer 30 an. Die Wafer 30 kommen normalerweise vom Hersteller auch mit nicht-funktionierenden oder defekten Mikroplättchen an, die mit einem Tintentropfen 34 markiert sind. In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der Wafer 30 aus Silicium hergestellt. Der Wafer 30 könnte jedoch auch aus anderen Materialien hergestellt sein, wie etwa Galliumarsenid. Typischerweise werden die Mikroplättchen 32 aus dem Wafer 30 geschnitten, um einen Vorrat individueller Chips zu ergeben, wie beispielsweise Speicherchips. Gemäß der vorliegenden Erfindung werden die Mikroplättchen 32 jedoch nicht einzeln aus dem Wafer 30 geschnitten. Stattdessen wird eine Mehrzahl von benachbarten Mikroplättchen 32 auf dem Wafer 30 zusammengefasst, um das zu bilden, was als ein Segment 32 bezeichnet wird, wie in 3 gezeigt.
3 zeigt eine Draufsicht auf zwei Segmente 36A und 36B (im Folgenden Segmente 36) auf einem Wafer 30, wobei jedes Rechteck ein Mikroplättchen 32 repräsentiert. Jedes Segment 36 wird durch vertikale Grenzlinien 38 und horizontale Grenzlinien 40 definiert und enthält eine Gruppe von benachbarten Mikroplättchen 32 auf dem Wafer 30, was zu einem Segment 36 mit einer bestimmten Größe und Form führt. In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst ein Segment 36 vier benachbarte Mikroplättchen 32, die in einer 2 × 2-Matrix, wie dargestellt, angeordnet sind. Ein solches Segment 36 wird als 2 × 2-Segment bezeichnet. Ein Segment 36 kann jedoch jedes Muster oder jede Anordnung von benachbarten Mikroplättchen 32 umfassen, wie etwa ein 2 × 1-Segment, ein 2 × 4-Segment oder ein 4 × 4-Segment von Mikroplättchen 32. Jedes Segment 36 ist mit Randanschlussflächen 42 an allen vier Seiten des Segments 36 versehen, die als elektrische Kontaktpunkte für externe Verbindungen verwendet werden. In ähnlicher Weise umfasst jedes Mikroplättchen 32 interne Anschlussflächen 44 zur Verbindung mit den internen Schaltungen des Mikroplättchens 32. Durch Schneiden des Wafers 30 entlang der vertikalen Grenzlinien 38 und der horizontalen Grenzlinien 40 werden die individuellen Segmente 36 aus dem Wafer 30 abgetrennt, wobei die Grenzlinien typischerweise als Straßen bezeichnet werden. Der Schneidvorgang der Segmente 36 aus dem Wafer 30 wird weiter unten beschrieben.
Ein Merkmal der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass die individuellen Mikroplättchen 32 auf einem Segment 36 unter Verwendung von Vielfach-Schichten von Mikroplättchen-Verbindungsleitungen untereinander verbunden werden. Die Mikroplättchen-Verbindungsleitungen umfassen eine Mehrzahl von Metallspu ren, die sowohl in x- als auch in y-Richtung auf der Oberfläche des Segments 32 angeordnet sind. Die Metallspuren werden als x-Verbindungen 46 und y-Verbindungen 48 bezeichnet und dienen dazu, Versorgungsspannung und Signale von den Randanschlussflächen 42 des Segments 36 zu ausgewählten internen Anschlussflächen 44 der individuellen Mikroplättchen 32 zu übertragen.
4 zeigt ein Diagramm, das eine Vielzahl von Segmenten 36 verteilt über einen Wafer 30 illustriert. Am Rand des Wafers 30 sind die Anschlussflächen der individuellen Mikroplättchen 32 (siehe 2 und 3) geeignet verlegt, um ein 1 × 1-Segment 50 zu bilden.
Es wird wieder auf 3 Bezug genommen; um die metallischen x- und y-Verbindungen 46 und 48 auf der Oberfläche des Wafers 30 zur Verbindung der individuellen Mikroplättchen 32 aufzubringen, müssen zunächst die Tintentropfen 34 (2), die defekte Mikroplättchen anzeigen, entfernt werden, so dass die Tintentropfen 34 die metallischen Verbindungen 46 und 48 nicht stören. Die Tintentropfen 34 werden von dem Wafer 30 unter Verwendung eines herkömmlichen Ablösers für positives Abdeckmittel entfernt. Ein Ablöser für positives Abdeckmittel ist ein Material, das in der Industrie allgemein verwendet wird, um unerwünschte Substanzen von einer bestimmten Oberfläche zu lösen und zu entfernen, ohne die ursprüngliche Oberfläche zu beschädigen. Nachdem die Tintentropfen 34 entfernt sind, werden die metallischen Verbindungen 46 und 48 auf den Wafer 30 während eines Wafer-Verbindungsvorgangs aufgebracht.
Es wird nun auf die 5A bis 5H Bezug genommen, worin Querschnittsansichten eines Bereichs des Wafers gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt sind. Wie oben angegeben, umfasst die Oberfläche des Wafers 30 eine Mehrzahl von internen Anschlussflächen 44, die zu den individuellen Mikroplättchen 32 (siehe 2 und 3) gehören, und eine Vielzahl von externen Anschlussflächen 42, die zu den Segmenten 36 gehören. Um die Mikroplättchen 32 von den metallischen Verbindungen zu isolieren, die auf die Oberfläche des Wafers 30 aufgebracht werden, wird zunächst ein Polyimidschicht 60 auf den Wafer 30 aufgebracht, wie in 5D gezeigt. Obwohl die Wafer-Hersteller eine Passivierungsschicht auf der Oberfläche des Wafers 30 bereitstellen, die die Schaltungen isolieren sollte, stellt die Polyimidschicht 60 sicher, dass keine Löcher in dem Passivierungsmaterial vorhanden sind. Die Polyimidschicht 60 hilft auch dabei, die Straßen 38 und 40 (siehe 3) zwischen den Mikroplättchen 32 auf dem Wafer 30 zu füllen. In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Polyimidschicht 60 durch ein standardmäßiges Rotationsbeschichtungsverfahren aufgebracht, bei dem Polyimid in der Mitte auf den Wafer 30 aufgebracht wird und der Wafer 30 horizontal auf einem Rotationsmotor gedreht wird, um eine dünnen Polyimidschicht 60 auf dem Wafer 30 zu bilden, die eine Dicke von näherungsweise 2 im hat.
Es wird nun auf 5C Bezug genommen; nachdem die Oberfläche des Wafers 30 mit der Polyimidschicht 60 oder einem anderen Isolationsmaterial beschichtet ist, wird die Polyimidschicht 60 von der Oberfläche des Wafers 30 über den Anschlussflächen 44 und 42 entfernt. In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Polyimidschicht 60 über den Anschlussflächen 44 und 42 unter Verwendung eines standardmäßigen Fotolithographieprozesses entfernt. Während des Fotolithographieprozesses wird eine Schicht aus fotoempfindlichem Material, das als positiver Fotolack bezeichnet wird, auf die Oberfläche der Polyimidschicht 60 aufgebracht und erwärmt. Als nächstes wird eine Maske mit Öffnungen, die die Orte der Anschlussflächen 44 und 42 auf dem Wafer 30 definieren, über den Fotolack unter Verwendung einer herkömmlichen Ausrichtungseinrichtung gelegt. Die Maske wird mit ultravioletter Strahlung bestrahlt, und die unbedeckten Bereiche des Fotolacks über den Anschlussflächen 44 und 42 werden dem Licht ausgesetzt. Der belichtete Fotolack wird dann von der Oberfläche der Anschlussflächen 44 und 42 abgelöst und in einem Verdünnungsentwickler entwickelt. Nachdem die Anschlussflächen 44 und 24 freigelegt sind, wird zurückgebliebener positivier Fotolack von dem Wafer 30 unter Verwendung von Aceton oder einem anderen Ablösungsmittel für positiven Fotolack entfernt. Aceton ist ein Material, das Fotolack abwäscht, aber die Polyimidschicht 60 nicht beschädigt.
Nachdem der Fotolack entfernt ist, wird der Wafer 30 erwärmt, um die Polyimidschicht 60 auszuhärten. Typischerweise wird das Polyimid bei 400 Grad für eine halbe Stunde ausgehärtet. In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die. Polyimidschicht 60 für 6 Stunden bei einer Temperatur von 350 Grad ausgehärtet, um das Risiko, die Schaltungen auf dem Wafer 30 zu beschädigen, zu reduzieren.
Es wird auf die 6A und 6B Bezug genommen, wobei in einer bevorzugten Ausführungsform Polyimid für die Isolationsschicht 60 verwendet wird, was abgerundete Randwände 70 in den Gebieten erzeugt, wo die Polyimidschicht 60 entfernt ist, wie in 6A gezeigt. Die abgerundeten Randwände 70 der Polyimidschicht 60 sind wünschenswert, um die Ablagerung von Schichtmaterial 48, das auf die Polyimidschicht 60 aufgebracht wird, zu erleichtern. Demgegenüber erzeugt ein fotoabbildbares Polyimid 61 Randwände, die scharfe Ecken 72 haben, die zu einer Unstetigkeit in der Metallschicht 49 führen, wie in 6B gezeigt.
Es wird nun auf 5D Bezug genommen; nachdem die Polyimidschicht 60 über den Anschlussflächen 44 und 42 geöffnet ist, wird die nächste Stufe des vertikalen Verbindungsprozesses als der Metallablöseprozess bezeichnet, bei dem eine erste Metallschicht 48 auf den Wafer 30 aufgebracht wird, um jede der Mikroplättchen, die auf einem Segment 36 liegen, elektrisch untereinander zu verbinden. Die auf dem Wafer 30 aufgebrachte erste Metallschicht 48 kommt in Kontakt mit den Anschlussflächen 44 und 42 und entspricht den metallischen y-Verbindungen 48 aus 3. Die Wege der metallischen y-Verbindungen 48 über den Wafer 30 werden unter Verwendung eines standardmäßigen Fotolithographieprozesses definiert.
Es wird auf 7A und 7B Bezug genommen, wobei der erste Schritt des Metallablöseprozesses in der Aufbringung einer Schicht von Ablösefotolack 74 auf die Polyimidschicht 60 besteht. In einer bevorzugten Ausführungsform wird ein kommerziell erhältlicher Bildumkehrfotolack auf den Wafer 30 in bekannter Weise aufgebracht. Der Fotolack 74 wird dann in ausgewählten Bereichen entfernt, um die Wege der metallischen y-Verbindungen 48 zu definieren. Der Bildumkehrfotolack 74 wird dann so entfernt, dass entlang des Weges der metallischen y-Verbindungen 48 wie in 7A gezeigt überhängende Wände gebildet werden, die als retrograde oder vorgewölbte Randwände 76 bezeichnet werden.
Nachdem ausgewählte Bereiche des Fotolacks 74 entfernt sind, um die Wege der metallischen y-Verbindungen 48 zu definieren, wird der Wafer 30 in ein standardmäßiges Sputter-Gerät (nicht gezeigt) eingesetzt, das dazu verwendet wird, um die Metallschicht 48 auf dem gesamten Wafer 30 abzulagern. In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Metallschicht 48 mehrere Lagen aus Chrom, Titan-Wolfram, und Gold. Chrom und Titan-Wolfram werden vornehmlich aus Haftgründen mit dem Gold kombiniert, aber es können auch andere mehrschichtige Metallstrukturen verwendet werden. In einer bevorzugten Ausführungsform werden näherungsweise 2000 Å Chrom, 500 Å Titan-Wolfram und näherungsweise 1200 Å Gold auf dem Wafer 30 abgelagert.
Sobald die Metallablagerung ausgeführt ist, wird der verbliebene Fotolack 74 von der Oberfläche des Wafers 30 entfernt. Der Fotolack wird typischerweise entfernt, indem der Wafer 30 in Aceton oder ein anderes positives Fotolackablösemittel eingetaucht wird, das den Fotolack 74 löst. Es wird auf 7B Bezug genommen, wobei die Metallschicht 48, wenn sich die Fotolackschicht 74 auflöst, von der Oberfläche der ersten Polyimidschicht 60 abhebt, wobei die metallischen Verbindungen 48 (siehe 3) zurückbleiben. Der Zweck der vorgewölbten Randwände 76 besteht darin, es dem Aceton zu ermöglichen, um die Ränder der metallischen y-Verbindungen 48 zu fließen und den Fotolack 74 in effektiver Weise zu lösen.
Nachdem das Aceton den Fotolack 74 aufgelöst hat, wird der Wafer 30 aufgeheizt, um das Aceton zu verdampfen, das die Polyimidschicht 60 getränkt hat. Nach diesem Schritt läßt man eine Schicht aus Gold auf der Oberfläche der Polyimidschicht 60, die die y-Verbindungen definiert, welche in Kontakt mit den Anschlussflächen 44 und 42 sind, wie in 5 gezeigt.
Nachdem die metallischen y-Verbindungen 48 auf der Oberfläche des Wafers 30 hergestellt sind, wird eine zweite Metallschicht 46 auf den Wafer aufgebracht, indem im Wesentlichen der oben beschriebene Prozess wiederholt wird. Die zweite Metallschicht 46 entspricht den in 3 gezeigten x-Verbindungen 46.
Es wird auf 5E Bezug genommen, wobei eine zweite Polyimidablagerung vorgenommen wird, um eine zweite Polyimidschicht 80 auf dem Wafer 30 bereitzustellen. Die zweite Polyimidschicht 80 wird in derselben Weise wie die erste Polyimidschicht 60 aufgebracht, aber muss nicht so dick sein. Nachdem die zweite Polyimidschicht 80 aufgebracht ist, werden Löcher in der zweiten Schicht 80 über Punkten auf den metallischen y-Verbindungen 48 geöffnet, die elektrischen Kontakt mit den metallischen x-Verbindungen 46 haben sollen, wie in 5F gezeigt. Die zweite Polyimidschicht 80 wird auch von den Randanschlussflächen 42 auf jedem Segment 36 entfernt, damit die zweite Schicht der metallischen Verbindungen 46 die Randanschlussflächen 42 elektrisch kontaktieren kann, sobald die Segmente 36 gestapelt werden.
In einer alternativen Ausführungsform kann die erste Metallschicht 48 verwendet werden, um anstelle der zweiten Metallschicht 46 die Randanschlussflächen 42 zu kontaktieren. Nachdem die zweite Polyimidschicht 80 von den ausgewählten Punkten auf dem Wafer 30 entfernt ist, wird die zweite Polyimidschicht 80 bei niedriger Temperatur gehärtet, um Wechselwirkungen zwischen den Goldverbindungen 48 und den Aluminiumanschlussflächen 44 und 42 zu verhindern, die unerwünschte isolierende Substanzen erzeugen könnten.
Nach der zweiten Polyimidablagerung wird ein zweiter Metallablöseprozess ausgeführt, um die zweite Schicht der Verbindungen zu bilden, wie in 5G gezeigt. Wiederum wird ein Bildumkehrfotolack auf dem Wafer 30 aufgebracht und der Fotolack an Stellen entfernt, die die Wege der zweiten Schicht der Goldverbindungen 48 auf dem Wafer 39 definieren. Wie oben beschrieben ergibt der Prozess eine Schicht von Fotolack, die die Wege mit vorgewölbten Randwänden definieren. In einer bevorzugten Ausführungsform wird dann eine Metallschicht umfassend eine Schichtstruktur aus Chrom, Titan-Wolfram und Gold durch Sputtern auf dem Fotolack abgelagert. Chrom ist in der zweiten Schicht 48 nicht erforderlich, aber kann zur Standardisierung des Herstellungsprozesses eingesetzt werden. Nachdem die zweite Goldablagerung ausgeführt ist, wird der Ablöseschritt ausgeführt, um unerwünschten Fotolack und Metall zu entfernen, wonach die x-Verbindungen 46 aus 3 zurückbleiben.
Nachdem die zweite Metallschicht 46 abgelagert ist, wird eine dritte Polyimidschicht 90 auf den Wafer 30 aufgebracht, wie in 5H gezeigt, um die metallischen x-Verbindungen 46 gegen Kratzer zu schützen und um als mechanischer Schutz gegen die Außenwelt zu wirken. Die dritte Polyimidschicht 90 wird um die Ränder jedes Segments 36 entfernt, um die Randanschlussflächen 42 freizulegen, die später in elektrischem Kontakt mit den Randanschlussflächen auf anderen Segmenten sind. Zum Schutz der metallischen x-Verbindungen 46 ist entweder ein herkömmliches fotobelichtbares Polyimid 90 oder ein nicht-fotobelichtbares Polyimid akzeptabel.
Wie in 5H gezeigt, schützt die erste Polyimidschicht 60 die Schaltungen auf dem Wafer 30, während die erste Schicht der metallischen Verbindungen 48 Kontakt mit den Anschlussflächen 44 und 42 hat. Die zweite Polyimidschicht 80 isoliert die zweite Schicht der metallischen Verbindungen 48 von der ersten Schicht der metallischen Verbindungen 46, außer an den Punkten, wo die beiden Schichten Kontakt haben. Schließlich schützt und isoliert die dritte Polyimidschicht 90 die zweite Schicht der metallischen Verbindungen 48.
Die zwei Schichten der metallischen Verbindungen 46 und 48, die durch den Wafer-Verbindungsprozess der vorliegenden Erfindung bereitgestellt werden, steigern die Flexibilität der Führung von Verbindungsleitungen über den Wafer 30, um die Mikroplättchen 32 auf jedem Segment 36 zu verbinden. Das Verbinden der Mikroplättchen 32 auf einem Segment 36 und anschließendes Stapeln der Segmente 36 ist weniger kostenaufwendig und verlässlicher als das herkömmliche Verfahren, individuelle Chips aus einem Wafer 30 zu schneiden, die Chips zu stapeln, und die Chips auf einer Schaltungsplatte zu verbinden.
Nach dem Verbindungsprozess des Wafers 30 wird mit dem Wafer 30 ein Segmentbildungsprozess durchgeführt. Es wird wieder auf 3 Bezug genommen, wobei der Wafer 30 in individuelle Segmente 36 geteilt wird, indem der Wafer 30 entlang der vertikalen und horizontalen Straßen 38 und 40 zwischen den Segmenten 36 geschnitten wird. Nachdem die Segmente 36 aus dem Wafer 30 ausgeschnitten sind, werden die Segmente in einer gestapelten Struktur angeordnet. Um die Gesamtgröße der Struktur zu reduzieren, werden die Segmente 36 dünner gemacht, indem Material von der Rückseite der Segmente 36 abgetragen wird. Um diesen Verdünnungsvorgang zu unterstützen, wird der gesamte Wafer 30 dünner gemacht, bevor die Segmente 36 aus dem Wafer 30 geschnitten werden. Der Verdünnungsprozess reduziert die Höhe des Wafers 30 und der Segmente 36 von einer Höhe von 25 mils bis auf etwa 8 bis 10 mils.
Herkömmlicherweise werden die Wafer 10 von der Vorderseite aus geschnitten, wo die Schaltungen liegen, so dass die Schaltungen leicht zu sehen sind und während des Sägevorgangs nicht beschädigt werden. In der vorliegenden Erfindung wird der Wafer jedoch von der Rückseite des Wafers 30 aus entlang der Straßen 38 und 40 unter Anwendung eines Schrägschnitts gesägt. Wie dargestellt, wird das Segment 36 durch den Schrägschnitt mit nach innen geneigten Randwänden 102 an allen vier Seiten des Segments 36 versehen.
Um den Wafer 30 von der Rückseite 100 aus zu schneiden, wird auf der Rückseite 100 des Wafers 30 ein Muster von Straßen 38 und 40, die die Segmentgrenzen definieren, vorgesehen, um die Säge zu führen. Ein Muster von Segmentgrenzen wird auf der Rückseite 100 vorgesehen, indem der Wafer 30 in ein Gerät mit einer Videokamera und einer Filzstift-Schreibeinrichtung in Kontakt mit der Rückseite 100 des Wafers 30 platziert wird. Das Bild der Vorderseite des Wafers 30 wird auf einem Monitor angezeigt und eine Bedienungsperson bewegt den Wafer 30 unter der Schreibeinrichtung entlang des Musters der Segmentgrenzen, um das Muster auf die Rückseite 100 des Wafers 30 zu zeichnen.
Alternativ kann die Rückseite des Wafers 30 auch mit einem Muster der Segmentgrenzen versehen werden, indem ein herkömmlicher Fotolithographieprozess verwendet wird. Während dieses Prozesses wird die Rückseite 100 des Wafers 30 mit Fotolack beschichtet, die Vorderseite des Wafers 30 wird mit Infrarotlicht bestrahlt, so dass die Schaltungen auf der Rückseite 100 des Wafers 30 zu sehen sind, und ein Muster der Segmentgrenzen wird auf der Oberfläche der Rückseite 100 des Wafers 30 ausgerichtet und entwickelt, um die Säge zu führen.
Nachdem die Rückseite 100 des Wafers 30 mit dem Muster der Segmentgrenzen versehen ist und bevor der Wafer 30 gesägt wird, wird eine Lage Klebeband auf die Vorderseite des Wafers 30 aufgebracht, um die Segmente 36 während des Sägens zu halten. Nachdem die Vorderseite des Wafers 30 mit Klebeband versehen ist, wird ein Schrägschnitt entlang der Segmentgrenzen auf der Rückseite 100 des Wafers 30 durchgeführt. In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erzeugt der Schrägschnitt Randwände 102 mit einem 45° Winkel. Nachdem die Segmente 36 geschnitten sind, wird das Klebeband vorsichtig von der Vorderseite des Wafers 30 entfernt und die Segmente 36 werden gesäubert, um Reste von dem Sägeprozess und von dem Klebeband zu entfernen.
8B zeigt drei Segmente 36, die in vertikaler Ausrichtung übereinander platziert sind, nachdem die Segmente aus dem Wafer 30 geschnitten sind und bevor die Segmente dauerhaft zu einem Stapel zusammengebaut sind. Wie dargestellt, umfasst die Vorderseite 104 jedes Segments 36 die metallischen Verbindungen 48 und 46 und die Randanschlussflächen 42. Nachdem die Segmente 36 zu einem Stapel zusammengesetzt sind, sind die Randanschlussflächen 42 eines Segments 36 in elektrischem Kontakt mit den Randanschlussflächen 42 von vertikal benachbarten Segmenten 36 in dem Stapel. Der Zweck der abgeschrägten Randwände 102 besteht darin, genügend Freiraum für vertikale elektrische Verbindungen zwischen den Randanschlussflächen 42 eines Segments 36 und den Randanschlussflächen 42 des Segments 36 unmittelbar unter dem ersten Segment in dem Stapel zu schaffen.
Nach einer Reinigung werden die Rückseite 100 und die abgeschrägten Randwände 102 der Segmente 36 durch einen Nitrid-Sputter-Vorgang isoliert. Ein Nitrid-Sputter-Prozess ähnelt dem Sputtern von Metallschichten, außer dass anstelle von Metall Siliciumnitrid auf die Unterseite 100 des Segmentes 36 gesputtert wird. Die Siliciumnitridisolation ist notwendig, damit Rausch- und Störsignale nicht in die Siliciumsubstratbasis der Mikroplättchen 32 in einem Segment 36 absorbiert werden.
Nachdem die Segmente 36 aus dem Wafer 30 geschnitten und isoliert sind, werden die Schaltungen auf den Segmenten 36 auf ihre Funktionsfähigkeit hin getestet. Da ein Bereich der Mikroplättchen 32 auf einem Wafer 30 defekt sein kann und da das defekte Mikroplättchen nicht aus dem Wafer 30 herausgeschnitten und wie in herkömmlichen Verfahren ausgesondert werden kann, muss das defekte Mikroplättchen von den funktionierenden Mikroplättchen 32 getrennt werden. Das defekte Mikroplättchen kann durch Verwendung eines Lasers getrennt werden, um die obere Schicht der Metallverbindungen 46 zu verdampfen, die zwischen den Randanschlussflächen 42 eines Segments 36 und den Schaltungen des defekten Mikroplättchens Verbindung herstellen. Das defekte Mikroplättchen kann auch abgetrennt werden, indem die obere Schicht der metallischen Verbindungen 46 mechanisch abgerieben oder elektrisch geschmolzen werden. Sobald die obere Schicht der metallischen Verbindungen 46 zwischen den Randanschlussflächen 42 eines Segments 36 und den Schaltungen eines defekten Mikroplättchens geöffnet ist, ist das defekte Mikroplättchen mit dem Segment 36 nicht mehr elektrisch verbunden.
Neben dem Trennen des defekten Mikroplättchens wird jedes Segment auch eindeutig identifizierbar gemacht, so dass Dekodierschaltungen, die als Schnittstellen mit dem fertiggestellten Stapel verbunden sind, auf jedes Segment 36 zugreifen können. Jedes Segment 36 wird während eines Prozesses eindeutig identifizierbar gemacht, der als Ebenenprogrammierung (level-programming) bezeichnet wird und bei dem eine Mehrzahl von Steuersignalen unter Verwendung eines Lasers in jedes Segment eingebrannt wird. Es wird auf 3 Bezug genommen, wobei eine Mehrzahl von Steuersignalen auf jedem Segment bereitgestellt werden, indem ein eindeutiges Muster auf die Steuerungsanschlussflächen 106 jedes Segments 36 gebrannt wird.
Nachdem die Segmente 36 untereinander eindeutig identifizierbar gemacht sind, werden die Segmente 36 programmiert. Für die Zwecke dieser Beschreibung bezieht sich der Begriff Programmieren auf den Vorgang der Verbindung von Schaltungen, so dass überzählige funktionsfähige Mikroplättchen 32 die abgetrennten defekten Mikroplättchen ersetzen. Dies geschieht, indem das Ersatzmikroplättchen 32 mit geeigneten Steuersignalen versehen wird, die ursprünglich für das abgetrennte Mikroplättchen vorgesehen waren. Das Programmieren ist notwendig, weil, sobald die Segmente 36 gestapelt sind und arbeitsfähig sind, ein Computer oder dergleichen versuchen könnte, auf ein abgetrenntes Mikroplättchen in dem Stapel zuzugreifen. Daher müssen die Segmente 36, die defekte Mikroplättchen enthalten, so programmiert werden, dass, wenn ein Versuch eines Zugriffs auf ein defektes Mikroplättchen in einem Stapel erfolgt, stattdessen auf ein funktionsfähiges Mikroplättchen 32 zugegriffen wird. Die tatsächliche Programmierung des Segments 36 erfolgt während der Herstellung des Stapels, wie weiter unten beschrieben.
Es wird auf 9 Bezug genommen, wobei ein Segmentkleberahmen 110 gezeigt ist, in dem ein Stapel 112 während einer Stapelprozedur zusammengesetzt wird, bei der die Segmente 36 gestapelt und mit Epoxidharz verbunden werden. In einer bevorzugten Ausführungsform wird während der Stapelprozedur ein Stapel 112 unter Verwendung von sechs benachbarten Segmenten 36 zusammengesetzt. Ein Stapel 112 wird zusammengesetzt, indem eine Schicht aus Epoxidharz 114 zwischen jedem Paar von benachbarten Segmenten 36 vorgesehen wird und die Segmente 36 dann mit der Oberseite 104 der Segmente 36 nach oben gerichtet in einem Ausrichtungsrahmen 116 gelegt werden. Der Ausrichtungsrahmen 116 drückt den Stapel 112 unter Verwendung von drei Gummistempeln 118, 119 und 120 aus geschlossenzelligem Urethan in einer horizontalen Ebene gegen feste Wände des Rahmens und drückt den Stapel 112 in einer vertikalen Ebene gegen den Fuß des Rahmens. Der Stapel 112 wird dann bei 120 Grad gehärtet, während er in dem Rahmen verbleibt, um den Stapel 112 zu verfestigen. Der Härtungszyklus umfasst eine 15minütige Stabilisierungsperiode, eine 60minütige Aushärtungsperiode und eine 10minütige Abkühlungsperiode. Die vorliegende Erfindung ist eine Verbesserung gegenüber herkömmlichen Verfahren, bei denen individuelle Mikroplättchen 32 gestapelt werden, weil die Segmente 36, aus denen der Stapel 112 der vorliegenden Erfindung besteht, verschiedene Dicke haben können und in jeder Anordnung gestapelt werden können.
Nachdem der Stapel 112 verfestigt ist, werden die Randanschlussflächen 42 (siehe 8B) an jedem der Segmente 36 in dem Stapel 112 vertikal elektrisch verbunden, um einen elektrisch funktionsfähigen Stapel 112 zu schaffen.
Herkömmliche Verfahren zum vertikalen Verbinden von Elementen eines Stapels umfassen das Verbinden der Elemente mit Metallstangen und das Vorsehen einer Vielzahl von Durchlässen in den Elementen und das Einsetzen von elektrisch leitfähigen Materialien in die Durchlässe oder das Auffüllen der Durchlässe mit einer leitfähigen Flüssigkeit, um einen elektrischen Weg zwischen den Elementen des Stapels zu schaffen.
Es wird auf 10A und 10B Bezug genommen, wobei ein Verfahren zum Bereitstellen eines vertikalen elektrischen Weges zwischen Segmenten 36 des Stapels 112 gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt ist. 10A zeigt einen Stapel 112 von der Unterseite 100 der Segmente 36 mit dem Stapel zur Seite angeordnet. 10B zeigt eine Ansicht des Stapels 112 auf die Oberseite 104 der Segmente 36, wobei der Stapel vertikal aufgestellt ist. Um einen vertikalen elektrischen Weg zwischen den Segmenten 36 des Stapels 112 zu schaffen, werden Silber enthaltende leitfähige Epoxidharzspuren 130 mit einer Spendevorrichtung 132 entlang der abgeschrägten Randwände 102 der Segmente 36 ausgegeben. Die Spendevorrichtung 132 bewegt sich in x- und y-Richtung und legt Epoxidharzspuren in Ausrichtung mit den externen Anschlussflächen 42 der Segmente 36 auf den Stapel 112. Die Epoxidharzspuren 130 werden auf alle vier Seiten des Stapels 112 in vorprogrammierten Positionen aufgebracht, und die Epoxidharzspuren 130 fließen, um das freiliegende Metall der Anschlussflächen 42 vertikal miteinander zu verbinden. Die abgeschrägten Randwände 102 der Segmente 36 erleichtern den Epoxidharzspuren 130 den Zugang zu den externen Anschlussflächen 42. Die Verwendung von abgeschrägten Randwänden 102 und Epoxidharzspuren 130 der vorliegenden Erfindung ist eine Verbesserung gegenüber herkömmlichen Verfahren, die eine Metallisierungsschicht verwenden, um eine vertikale elektrische Verbindung eines Stapels zu schaffen.
Wie in 10A und 10B gezeigt, werden die Epoxidharzspuren 130 gemäß der Vorprogrammierung selektiv auf verschiedene Lagen des Stapels 112 ausgegeben. Die verschiedenen Epoxidharzspuren 130 definieren Schaltungswege einer bestimmten Einrichtung und schaffen auch Umgehungen um abgetrennte, defekte Mikroplättchen 32 herum. Wenn die Segmente 36 eines über das andere gestapelt werden, um einen Stapel 112 zusammenzusetzen, definiert jeder Ort eines Mikroplättchens 32 auf den Segmenten 36 eine vertikale Säule in dem Stapel 112. Wenn beispielsweise jedes Segment 36 in einem Stapel 112 sechs Mikroplättchen 32 enthält, umfasst der Stapel 112 sechs vertikale Säulen von Mikroplättchen 32. Um eine funktionsfähige Schaltung zu erhalten, wie etwa eine Speicherschaltung, ist eine gewisse Anzahl von funktionsfähigen Mikroplättchen 32 in jeder vertikalen Säule eines Segments 36 erforderlich. In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Schaltungswegeführung eines Stapels 112, der sechs Segmente enthält, während des Programmierens so gelegt, dass vier funktionierende Mikroplättchen 32 in jeder Säule des Stapels bereitgestellt sind.
Es wird auf 11 Bezug genommen, wobei die Vorrichtung gezeigt ist, mit der die Epoxidharzspuren 130 ausgegeben werden. Die Spendevorrichtung 140 umfasst eine schrittweise rotierende Vakuumspannvorrichtung 134, einen Spendemechanismus 132, eine abgedichtete Rotationsvakuumverbindung 138, einen Motor 142 und einen 90°-Stellmechanismus 144. Die abgedichtete Rotationsvakuumverbindung 138 arbeitet in Verbindung mit einer Vakuumpumpe (nicht gezeigt), um einen Unterdruck an dem Ende der Vakuumspannvorrichtung 134 zu erzeugen, das unterhalb des Spendemechanismus 132 angeordnet ist. Ein Stapel 112 wird horizontal an die Vakuumspannvorrichtung 134 angelegt und die Spannvorrichtung 134 hält durch Unterdruck den Stapel 112 an seiner Oberseite 194. Nachdem der Stapel an die Spannvorrichtung 134 angelegt ist, wird der Spendemechanismus 132 über einen Rand des Stapels 112 bewegt, um vorprogrammierte Kanäle von Epoxidharzspuren 130 herunter an einer Seite des Stapels 112 auszugeben, wie oben beschrieben. Der Spendemchanismus 132 wird zurückgezogen und die Vakuumspannvorrichtung 134 wird dann durch den 90°-Stellmechanismus um 90° gedreht, so dass der Epoxidharz entlang der anderen Seite des Stapels 112 ausgegeben werden kann. Der Vorgang wiederholt sich, bis alle vier Seiten des Stapels 112 mit Epoxidharz versehen sind. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Epoxidharzspendevorrichtung 132 eine Maßzahl 30, mit Luer-Spitze versehene 5 cm³-Subkutanspritze mit einer Auslösung von 1000tel Zoll, die an einem programmierbaren Roboter (nicht gezeigt) montiert ist.
Nachdem die Epoxidharzspuren 130 verteilt sind, wird der Stapel 112 unter spezieller Handhabung, da der Epoxidharz 130 nass ist, in einen Aufbewahrungsbereich gebracht. Die mit Epoxidharz versehenen Segmentstapel 112 werden dann zum Aushärten in einen Konvektionsofen gestellt, wobei eine 15minütige Vorheizung, eine 60minütige Aushärtung und eine 10minütige Abkühlung enthalten sind. Sobald der Stapel auf elektrische Funktionsfähigkeit getestet ist, ist der Stapelprozess abgeschlossen und der Stapel 112 fertig zur Montage auf einem Schaltungsträgersubstrat, wie etwa einer gedruckten Schaltungsplatte.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird der Stapel 112 mit der Schaltungsplatte verbunden, indem der Stapel 112 von unten an der Schaltungsplatte angebracht wird. In 12 ist eine Querschnittsansicht einer Schaltungsplatte 150 gezeigt, an der an der unteren Oberfläche eine Mehrzahl von Stapeln 112 gemäß der vorliegenden Erfindung angebracht sind. Um die Stapel 112 von unten an der Schaltungsplatte 150 anzubringen, ist eine Mehrzahl von Öffnungen 154, die etwas größer sind als der Umfang der Stapel 112, in die Schaltungsplatte 150 geschnitten. Nachdem die Öffnungen 154 in die Schaltungsplatte 150 geschnitten sind, wird die Schaltungsplatte 150 in einem Klemmrahmen 152 eingesetzt. Die Stapel 112 werden dann in den Öffnungen 154 in der Schaltungsplatte 150 so positioniert, dass die Oberseite 104 des obersten Segments 36 des Stapels 112 in einer Ebene mit der gedruckten Schaltungsplatte 150 liegt, wie dargestellt. Die Stapel 112 werden für die weiteren Operationen fixiert, indem kleine Tropfen von schnellhärtendem Epoxidharz (nicht gezeigt) an verschiedenen Stellen um den Umfang des Stapels 112 aufgebracht werden.
Obwohl der Stapel 112 auch auf der Oberseite der Schaltungsplatte mit Epoxidharz angebracht werden könnte, überwindet die Anbringung von unten Probleme, denen man begegnen kann, wenn Epoxidharz auf die Schaltungsplatte um den Stapel 112 herum aufgebracht wird und dann Epoxidharz über die vertikalen Seiten der Stapel 112 aufgebracht wird. Die Anbringung der Stapel 112 von unten in eine Schaltungsplatte 150 bietet zahlreiche Vorteile, darunter folgende: Zulassen eines thermischen Expansionskoeffizienten, Reduzieren der Gesamthöhe des Stapels 112 auf der Schaltungsplatte 150, so dass die Stapel für erhöhte Dichte höher sein können, und Vereinfachen der elektrischen Verbindung zwischen den Stapeln 112 und der Schaltungsplatte 150, wie nun beschrieben wird.
Es wird nun auf 13 Bezug genommen, in der ein Verfahren zum elektrischen Verbinden eines Stapels 112 mit der Schaltungsplatte 150 gezeigt ist. Nachdem Epoxidharz 158 aufgebracht ist, um die Stapel 112 an der Schaltungsplatte 150 zu halten, werden die Stapel 112 elektrisch mit Metallspuren 160 auf der Schaltungsplatte 150 verbunden, so dass die Computerschaltungen die Mikroplättchen 32 auf jedem Level der Stapel 112 erreichen können. Jeder Stapel 112 wird in der Schaltungsplatte 150 so positioniert, dass die Randanschlussflächen 42 um den Umfang des obersten Segments 36 zu den Positionen der Metallspuren 160 auf der Schaltungsplatte 150 passen. Um die Lücke zwischen den Anschlussflächen 42 und den Metallspuren 160 auf der Schaltungsplatte 150 zu überbrücken, werden silbergefüllte, leitfähige Epoxidharzfäden 162 von jeder Anschlussflächen 42 zu einer gegenüberliegenden Metallspur 160 auf der Schaltungsplatte 150 unter Verwendung der Spendevorrichtung 132 aufgebracht. Wie in 13 gezeigt ist das Positionierungsepoxidharz 158, das zum Fixieren des Stapels 112 an der Schaltungsplatte 150 verwendet wird, so aufgebracht, dass es die leitfähigen Epoxidharzfäden 162 nicht stört. Ein Merkmal der vorliegenden Erfindung liegt darin, dass der elektrische Kontakt zwischen dem Stapel 112 und den Metallspuren 160 auf der Schaltungsplatte 150 mit leitfähigen Epoxidharzfäden 162 hergestellt wird, die im Wesentlichen in derselben Ebene wie die Schaltungsplatte 150 liegen.
Die horizontalen Epoxidharzfäden 162 der vorliegenden Er findung schaffen eine elektrische Verbindung zwischen der Schaltungsplatte 150 und den Randanschlussflächen 42 des obersten Segments 36 in dem Stapel 112 und zwischen den Randanschlussflächen 42 des obersten Segments 36 und den horizontalen Epoxidharzspuren 130, die nach unten entlang der Seiten des Stapels 112 angebracht sind, um die Segmente 36 untereinander zu verbinden. Die horizontalen und vertikalen leitfähigen Epoxidharzspuren 160 und 132, die auf den Stapel 112 aufgebracht sind, ermöglichen es, dass die Schaltungen auf der Schaltungsplatte 150 auf jedes Segment 36 in dem Stapel 112 zugreifen können.
Nachdem die Segmente unter Verwendung der Epoxidharzspuren 130 (siehe 10A und 10B) vertikal untereinander verbunden sind, kann eine weitere Ebene der Programmierung auf der Ebene der Schaltungsplatte 150 vorgenommen werden, um dem Ausfall irgendeiner der Mikroplättchen auf den Segmenten 36 abzuhelfen. Dem Ausfall von Mikroplättchen wird abgeholfen, indem Steuersignale von defekten Mikroplättchens auf der Ebene der Schaltungsplatte ausgesondert werden und die Signale durch Steuerungssignale von funktionierenden Mikroplättchen in dem Stapel 112 ersetzt werden. Dies wird erreicht, indem geeignete Metallspuren 160 auf der Schaltungsplatte 150 mit den leitfähigen Epoxidharzfäden 162 verbunden werden.
Nachdem die Epoxidharzfäden 162 auf die Schaltungsplatte 150 aufgebracht sind, wird die Plattenanordnung 150 für eine letzte Aushärtung in einem Konvektionsofen gestellt, wobei die Aushärtung umfasst: ein 15minütiges Vorheizen, eine 60minütige Aushärtung und eine 15minütige Abkühlung. Nach der Aushärtung kann die Plattenanordnung 150 getestet und dann mit einer Polyimidschicht eingekapselt werden. Die fertiggestellte Schaltungsplatte 150 der vorliegenden Erfindung kann dann für viele Einsatzzwecke verwendet werden, wie etwa in einer Personal Computer Memory Card International Association (PCMCIA)-Karte. Eine PCMCIA-Karte ist eine kleine, kreditkartengroße Einrichtung, die in ein Notebook und in tragbare Computer eingesetzt wird, um zusätzliche Eingabe/Ausgabe-Funktionen und erhöhten Speicherplatz zu liefern. Die Stapel der vorliegenden Erfindung können in einer PCMCIA-Karte eingebaut werden und als externe Speicherschaltungen für Notebook-Computer beispielsweise verwendet werden.
Die vorhergehende Beschreibung von speziellen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wurde aus Gründen der Illustration und Beschreibung gegeben. Die Ausführungsbeispiele sollen nicht als erschöpfend oder die Erfindung auf die genau beschriebenen Formen beschränkend angesehen werden, und es ist davon auszugehen, dass im Licht der obigen Offenbarung viele Modifikationen und Variationen möglich sind. Die Ausführungsformen wurden ausgewählt und beschrieben, um die Prinzipien der Erfindung und ihre praktische Anwendung am besten zu beschreiben, um dadurch Fachleute in die Lage zu versetzen, die Erfindung und die vielfältigen Ausführungsformen mit verschiedenen Modifikationen, die für bestimmte Anwendungen geeignet erscheinen, zu verwenden. Der Umfang der Erfindung soll durch die folgenden Patentansprüche und ihre Äquivalente definiert sein.

Claims

Wenigstens ein Segment (36) aus Silizium mit einer Vielzahl von Rändern (38, 40), die das Segment definieren, weiterhin mit: wenigstens einer Randanschlussfläche (42), die an mehr als einem der Ränder angeordnet ist, wenigstens einem Mikroplättchen (32), das wenigstens eine erste Anschlussfläche (44) hat, und einer Lage von Metallspuren (46, 48), die zwischen der ersten Anschlussfläche angeschlossen sind, um das wenigstens eine Mikroplättchen zu verbinden, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallspuren vollständig innerhalb der Ränder der Mikroplättchen enthalten sind und weiter zwischen der Randanschlussfläche und der ersten Anschlussfläche angeschlossen sind, um das Mikroplättchen mit externen Anschlüssen zu verbinden.
Stapel (112) aus elektrischen Schaltungen, mit: Einem Stapel von Segmenten (36), die übereinander angeordnet sind, wobei jedes der Segmente eine Mehrzahl von Rändern (38, 40) aufweist, die jedes der Segmente definieren, und wenigstens einem Mikroplättchen (32) auf jedem der Segmente und wenigstens einer Randanschlussfläche (42), die auf mehr als einem der Ränder von jedem der Segmente für vertikale externe elektrische Verbindungen angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass eine Lage von Metallspuren (46, 48) auf jedem der Segmente vorhanden ist, die zwi schen der wenigstens einen Randanschlussfläche und wenigstens einer ersten Anschlussfläche (44) zur Verbindung des Mikroplättchens mit externen Anschlüssen verbunden sind, wobei die Metallspuren vollständig innerhalb der Ränder der Mikroplättchen enthalten sind.
Wenigstens ein Segment (36) aus Silizium nach Anspruch 1 mit drei oder mehr Rändern (38, 40), die das Segment definieren, mit: Einer Vielzahl von Mikroplättchen (32) auf dem Segment, wobei jedes Mikroplättchen eine Mehrzahl von ersten Anschlussflächen (44) aufweist, einer Mehrzahl von Randanschlussflächen (42), die an einem oder mehreren der Ränder des Segments (36) für externe elektrische Verbindungen angeordnet sind, und einer Lage von Metallspuren (46, 48), die zwischen der Vielzahl von ersten Anschlussflächen verbunden sind, um die Mikroplättchen zu verbinden, wobei die Metallspuren ferner zwischen der Vielzahl von Randanschlussflächen und der Vielzahl von ersten Anschlussflächen verbunden sind, um die Mikroplättchen mit den externen Verbindungen zu verbinden.
Wenigstens ein Segment (36) aus Silizium nach Anspruch 3, wobei die Metallspuren (46, 48) eine Schichtung aus Chrom, Titan-Wolfram und Gold enthalten.
Wenigstens ein Segment (36) aus Silizium nach Anspruch 4, wobei das Segment ferner eine Vorderseite (104) und eine Rückseite (100) aufweist und wobei die Vielzahl von ersten Anschlussflächen (44), die Vielzahl von Randanschlussflä chen (42) und die Lage aus Metallspuren (46, 48) auf der Vorderseite des Segments angeordnet sind.
Wenigstens ein Segment (36) aus Silizium nach Anspruch 5, wobei die das Segment definierenden Ränder (38, 40) ferner Randwände (102) definieren und wobei die Randwände und die Rückseite (100) des Segments mit Siliziumnitrid isoliert sind.
Wenigstens ein Segment (36) aus Silizium nach Anspruch 6, wobei die Randwände (102) abgeschrägt sind.
Stapel (112) aus elektrischen Schaltungen nach Anspruch 2, bei dem jedes der Segmente (36) drei oder mehr Ränder (38, 40), eine Vielzahl von Mikroplättchen (32) mit Schaltungen darauf und elektrisch leitfähige Kontaktpunkte (42) umfasst, wobei der Stapel aufweist: Erste Verbindungsmittel (46, 48) zum Verbinden der Vielzahl von Mikroplättchen auf jedem der Segmente und zum Verbinden einer oder mehrerer der Vielzahl von Mikroplättchen mit einem oder mehreren der elektrisch leitfähigen Kontaktpunkte auf jedem der Segmente, Zugangsmittel zur Bereitstellung eines Zugangs zu den elektrisch leitfähigen Kontaktpunkten an jedem der Segmente und zweite Verbindungsmittel (130) die an die Zugangsmittel zur elektrischen Verbindung der elektrisch leitfähigen Kontaktpunkte an jedem der Segmente in dem Stapel und zur Bereitstellung einer lateralen elektrischen Verbindung zu der Vielzahl von Mikroplättchen, die in jedem der Segmente des Stapels angeordnet sind, anpassbar sind.
Stapel (112) aus elektrischen Schaltungen nach Anspruch 8, bei dem die elektrisch leitfähigen Kontaktpunkte (42) entlang von mehr als einem der Ränder (38, 40) an jedem der Segmente (36) angeordnet sind.
Stapel (112) aus elektrischen Schaltungen nach Anspruch 9, bei dem die ersten Verbindungsmittel (46, 48) mehr als eine Schicht aus Metallspuren umfasst.
Stapel (112) aus elektrischen Schaltungen nach Anspruch 10, bei dem die Lage aus Metallspuren (46, 48) eine Schichtung aus Chrom, Titan-Wolfram und Gold aufweist.
Stapel (112) aus elektrischen Schaltungen nach Anspruch 11, bei dem die Zugangsmittel nach innen geneigte Randwände (102) entlang jedem der Ränder der Segmente (36) aufweisen.
Stapel (112) aus elektrischen Schaltungen nach Anspruch 12, bei dem die Verbindungsmittel elektrisch leitfähiges Epoxy umfassen.
Stapel (112) aus elektrischen Schaltungen nach Anspruch 13, bei dem jedes der Segmente (36) die Steuerungsanschlussflächen (106) aufweist und die Segmente einzigartig in Bezug aufeinander ausgestaltet sind, indem in die Steuerungsanschlussflächen auf jedem der Segmente einzigartige Muster eingebrannt sind.
Stapel (112) aus elektrischen Schaltungen nach Anspruch 14, bei dem die Segmente (36) verbundene funktionierende Mikroplättchen (32) und nicht-funktionierende Mikroplätt chen (32) aufweisen und bei dem die nicht-funktionierenden Mikroplättchen von den funktionierenden Mikroplättchen getrennt sind und die Metallspuren (46, 48) auf jedem der Segmente so geleitet sind, dass spezielle der funktionierenden Mikroplättchen (32) die nicht-funktionierenden Mikroplättchen (32) ersetzen.
Stapel (112) aus elektrischen Schaltungen nach Anspruch 15, bei dem der Stapel sechs Segmente (36) umfasst, wobei jedes der sechs Segmente vier Mikroplättchen (32) aufweist, wobei der Stapel vier vertikale Säulen aus den Mikroplättchen (32) aufweist, wobei jede vertikale Säule in der Höhe sechs der Mikroplättchen aufweist und wobei das elektrisch leitfähige Epoxy (130) auf die sechs Segmente so aufgebracht ist, dass vier der funktionierenden Mikroplättchen in jeder der vier vertikalen Säulen der Mikroplättchen in dem Stapel verbunden sind.
Verfahren zum Bilden eines Stapels (112) aus Segmenten, das die Schritte umfasst: Bereitstellen eines Wafers (30) mit einer Vielzahl von Mikroplättchen (32), Schaffung einer Vielzahl von Segmenten (36), wobei jedes aus der Vielzahl von Segmenten durch Gruppierung einer Vielzahl von benachbarten Mikroplättchen auf dem Wafer gebildet ist, Bereitstellen interner elektrisch leitfähiger Kontaktpunkte (42) auf jeder der Vielzahl von Mikroplättchen, Bereitstellen von externen elektrisch leitfähigen Kontaktpunkten (42), die an Rändern von jedem aus der Vielzahl der Segmente liegen, Bereitstellen einer Schicht von Metallspuren (46, 48) auf jedem der Vielzahl von Segmenten, wobei die Metallspuren vollständig innerhalb der Ränder der Vielzahl von Mikroplättchen enthalten sind und zwischen den internen elektrisch leitfähigen Kontaktpunkten auf der Vielzahl von Mikroplättchen und den externen elektrisch leitfähigen Kontaktpunkten an jedem aus der Vielzahl der Segmente verlaufen, Abtrennen jedes einzelnen aus der Vielzahl von Segmenten von dem Wafer, Anordnen der Vielzahl von Segmenten aufeinander zur Herstellung eines Stapels von Segmenten, wobei der Stapel externe vertikale Seiten aufweist, und elektrisches Verbinden des Stapels von Segmenten.
Verfahren zur Bildung eines Stapels (112) aus Segmenten nach Anspruch 17, das ferner den Schritt umfasst: Aufbringen von elektrisch leitfähigem Epoxy auf mehr als eine der externen vertikalen Seiten des Stapels, so dass das elektrisch leitfähige Epoxy in Kontakt mit den externen elektrisch leitfähigen Kontaktpunkten auf jedem der Segmente in dem Stapel ist, um dadurch die Vielzahl von Segmenten in dem Stapel elektrisch zu verbinden.
Verfahren zur Bildung eines Stapels (112) aus Segmenten nach Anspruch 18, das ferner die Schritte umfasst: Bereitstellen von Steuerungsanschlussflächen (106) auf jedem der Segmente (36), Bereitstellen von Steuerungssignalen zu dem Stapel aus einer externen Quelle zum Zugang zu den Segmenten in dem Stapel, und Ausgestalten der Steuerungssignale in einzigartiger Weise für jedes der Segmente, indem in die Steuerungsanschlussflächen auf jedem der Segmente ein einzigartiges Muster eingebrannt wird.
Verfahren zur Bildung eines Stapels (112) aus Segmenten nach Anspruch 19, bei dem der Stapel ein oberes Segment umfasst, wobei das Verfahren ferner die Schritte aufweist: Bereitstellen eines signaltragenden Substrats (150) mit einer Schaltung und einem Loch (154) darin, Befestigen des Stapels von Segmenten (36) in dem Loch, und elektrische Verbindung des Stapels von Segmenten (36) mit dem signaltragenden Substrat, indem Spuren von elektrisch leitfähigem Epoxy (162) zwischen dem signaltragenden Substrat und den externen elektrisch leitfähigen Kontaktpunkten (42) auf dem oberen Segment des Stapels aufgebracht werden.
Verfahren zur Bildung eines Stapels aus Segmenten nach Anspruch 20, bei dem der Stapeloberende koplanar mit der Oberfläche des signaltragenden Substrats ist.
Verfahren zur Bildung eines Stapels aus Segmenten nach Anspruch 21, bei dem die Spuren aus elektrisch leitfähigem Epoxy im Wesentlichen in der gleichen Ebene wie das signaltragende Substrat liegen.
Verfahren zur Anbringung des Stapels elektrischer Schaltungen nach einem der Ansprüche 2 und 8 bis 16, mit den Schritten: Bereitstellen eines signaltragenden Substrats (150) mit Schaltungen, Schneiden eines Lochs (154) in das signaltragende Substrat, Befestigen des Stapels elektrischer Schaltungen in dem Loch, so dass das Oberende des Stapels koplanar mit der Oberfläche des signaltragenden Substrats liegt, und elektrisches Verbinden des Stapels aus elektrischen Schaltungen mit dem signaltragenden Substrat.
Verfahren zur Anbringung eines Stapels (112) aus elektrischen Schaltungen nach Anspruch 23, mit dem Schritt: Aufbringen von Spuren aus elektrisch leitfähigem Epoxy (162) zwischen dem signaltragenden Substrat und der wenigstens einen Randanschlussfläche (42) des Stapels, um den Stapel elektrischer Schaltungen mit dem signaltragenden Substrat elektrisch zu verbinden.
Verfahren zur Anbringung eines Stapels (112) elektrischer Schaltungen nach Anspruch 24, mit dem Schritt: Aufbringen der Spuren (162), so dass die Spuren im Wesentlichen in der gleichen Ebene wie das signaltragende Substrat (150) liegen.
Verfahren zur Anbringung eines Stapels (112) elektrischer Schaltungen nach Anspruch 25, mit dem Schritt der Anbrin gung des Stapels aus Segmenten in einer gedruckten Schaltungskarte und Verkapseln der gedruckten Schaltungskarte und des Stapels elektrischer Schaltungen in einer PC-Karte.