МНОГОКОНТАКТНОЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ СОЕДИНЕНИЕ Российский патент 2003 года по МПК H01L23/525 

Изобретение относится к микроэлектронике и может быть использовано при разработке и изготовлении гибридных интегральных микросхем.

Известно многоконтактное электрическое соединение (L. F. Miller, "Controlled Collapse Chip Joining", IBM Journal of Research and Development, 13, 1969), содержащее встречные контакты, состоящие из двух частей, расположенных на двух разных полупроводниковых подложках с элементами микросхемы и ориентированных друг против друга, которые соединены друг с другом сплавлением.

Недостатком данного технического решения является наличие термических напряжений в многоконтактном электрическом соединении двух полупроводниковых подложек. При малых размерах контактов, порядка единиц-десятков микрон, в случае если соединяемые полупроводниковые подложки с элементами микросхемы изготовлены из разных материалов, существенную, отрицательную роль начинают играть процессы термического расширения. Так как разные материалы имеют разные коэффициенты термического расширения, то при изменении температуры возникают механические напряжения, приводящие в итоге к разрушению контактов. Такие разрушения особенно часто возникают, когда соединенная конструкция двух подложек испытывает многократные циклы охлаждение-нагревание.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому является многоконтактное электрическое соединение (R. Aschenbrenner, J. Gwiasda, J. Eldring, E. Zakel, H. Reichi "Gold Ball Bump for Adhesive Flip Chip Assembly", SUSS Technical Bulletin, 1999, p.53), содержащее встречные контакты, состоящие из двух частей, расположенных на двух разных полупроводниковых подложках с элементами микросхемы и ориентированных друг против друга, при этом части встречных контактов изготовлены из разных сортов металла, первые части встречного контакта, расположенные на первой полупроводниковой подложке, изготовлены из твердого металла и имеют заостренную форму, вторые части встречного контакта, расположенные на второй полупроводниковой подложке, изготовлены из мягкого металла и соединены друг с другом вдавливанием.

Недостатком данного технического решения также является наличие термических напряжений в многоконтактном электрическом соединении двух полупроводниковых подложек. При малых размерах контактов, порядка единиц-десятков микрон, в случае если соединяемые полупроводниковые подложки с элементами микросхемы изготовлены из разных материалов, существенную, отрицательную роль начинают играть процессы термического расширения. Так как разные материалы имеют разные коэффициенты термического расширения, то при изменении температуры возникают механические напряжения, приводящие в итоге к разрушению контактов. Такие разрушения особенно часто возникают, когда соединенная конструкция двух подложек испытывает многократные циклы охлаждение-нагревание.

Техническим результатом изобретения является повышение устойчивости контактов к разрушению.

Технический результат достигается тем, что в многоконтактном электрическом соединении, содержащем встречные контакты, состоящие из двух частей, расположенных на двух разных полупроводниковых подложках с элементами микросхемы и ориентированных друг против друга, при этом первые части встречных контактов, расположенные на первой полупроводниковой подложке, имеют выпуклую форму с плоской площадкой на вершине, вторые части встречных контактов, расположенные на второй полупроводниковой подложке с коэффициентом термического расширения, отличным от коэффициента термического расширения первой подложки, имеют углубления, дно которых выполнено в виде плоской площадки, причем первые части встречных контактов плоской площадкой на вершине входят в углубления вторых частей встречных контактов и создают электрическое соединение, при этом поперечный размер углублений некоторого количества вторых частей встречных контактов превышает поперечный размер выпуклых форм соответствующих первых частей встречных контактов на величину, достаточную для сдвига первых частей относительно вторых при изменении температуры, а поперечный размер углублений остального количества вторых частей совпадает с поперечным размером выпуклых форм первых частей.

На чертеже представлено электрическое соединение двух полупроводниковых подложек с элементами микросхемы тремя встречными контактами, где 1 - первые части встречных контактов, 2 - вторые части встречных контактов, 3 - первая полупроводниковая подложка, 4 - вторая полупроводниковая подложка с коэффициентом термического расширения, отличным от коэффициента термического расширения первой подложки.

Двусторонние стрелки на чертеже показывают, что при изменении температуры происходит удлинение или укорачивание первой полупроводниковой подложки по сравнению со второй полупроводниковой подложкой. При этом подложки удерживаются средним контактом, поскольку поперечные размеры выпуклой формы первой и углубления второй части встречного контакта точно совпадают (см. чертеж), а электрическое соединение обеспечивается контактированием плоских площадок и боковых поверхностей выпуклых форм первых частей и углублений вторых частей встречных контактов. В крайних показанных на чертеже встречных контактах поперечный размер углублений вторых частей превышает поперечный размер выпуклых форм первых частей, что обеспечивает возможность смещения при изменении температуры в пределах поперечного размера углублений без последствий возникновения механического напряжения, при этом электрическое соединение обеспечивается контактированием плоских площадок первых и вторых частей и боковых поверхностей выпуклых форм первых частей и углублений вторых частей встречных контактов, или плоских площадок первых и вторых частей встречных контактов.

Оценим необходимое и достаточное количество встречных контактов с поперечным размером углублений вторых частей, совпадающим с поперечным размером выпуклых форм соответствующих первых частей, в общем количестве встречных контактов. А также дадим оценку превышения поперечного размера углублений вторых частей над поперечным размером первых частей, чтобы обеспечить величину, достаточную для сдвига первых частей относительно вторых при изменении температуры.

Предлагаемое изобретение предназначено, в первую очередь, для сборки гибридных интегральных микросхем. При сборке таких микросхем обычно используют полупроводниковые подложки на основе разных материалов, поскольку сформированные на них элементы микросхемы выполняют разные функции. Часть функций, например, регистрацию оптического излучения определенной длины волны, можно осуществить только при использовании определенной подложки, например, InAs или CdHgTe. Другие функции, например, усиление и преобразование сигнала, эффективно можно осуществить только при использовании кремниевой интегральной микросхемы. Однако для совместной работы таких микросхем необходимо их соединить множеством электрических контактов. Естественно, что основным требованием такого многоконтактного электрического соединения должна быть устойчивость к разрушению, которое может возникнуть по разным причинам, но основными являются термические напряжения, вибрации и удары.

При испытании микросхем на вибрации и не очень сильные удары используют величину ускорения до 30g (g=9,8 м/с - ускорение свободного падения). Оценим воздействие вибраций с ускорением 10g. При этом, по отношению к одной из двух соединенных полупроводниковых подложек может возникнуть сила, равная
F=m•10g, (1)
где m - масса полупроводниковой подложки с элементами микросхемы,
g - ускорение свободного падения.

При характерной массе полупроводниковой подложки с элементами микросхемы порядка 0,0001 кг возникающая сила приближенно равна
F=0,0001•10•10=0,01 H. (2)
Наши измерения показывают, что для разрыва одного, например, In-Al встречного контакта, при условии, что поперечный размер углублений вторых частей совпадает с поперечным размером выпуклых форм первых частей, например, размером 50•50 мкм², необходимо приложить силу порядка f=0,0001 H. Таким образом, чтобы многоконтактное электрическое соединение выдержало вибрации и сохранило стабильность контакта, необходимо, чтобы, по крайней мере, в 0,01/0,0001= 100 встречных контактах поперечные размеры углублений вторых частей совпадали с поперечными размерами выпуклых форм первых частей (средний контакт на чертеже).

Для других конкретных случаев необходимое количество встречных контактов с поперечными размерами углублений вторых частей, совпадающими с поперечным размерами выпуклых форм первых частей, можно вычислить по формуле
N=mA/f, (3)
где А - максимальное ускорение, которое должна выдерживать полупроводниковая подложка с элементами микросхемы,
m - масса полупроводниковой подложки с элементами микросхемы,
f=0,0001 H.

Оценим величину превышения поперечного размера углублений вторых частей над поперечным размером первых частей, обеспечивающую возможность сдвига частей встречных контактов друг относительно друга при изменении температуры, необходимую для устойчивости контакта к разрушению. Пусть многоконтактное электрическое соединение осуществлено между двумя полупроводниковыми подложками квадратной формы со стороной а=0,006 м (т.е. размером 6•6 мм²), и одна из подложек на основе InAs, а вторая - кремниевая. Коэффициенты термического расширения этих материалов равны, соответственно t₁=4,5•10^-6 и t₂=2,5•10^-6.

Будем считать, что центры подложек скреплены друг с другом встречными контактами с поперечными размерами углублений вторых частей, совпадающими с поперечным размерами выпуклых форм первых частей (средний контакт на чертеже) и не сдвигаются друг относительно друга при изменении температуры.

Максимальный поперечный размер должны иметь углубления вторых частей встречных контактов, расположенных на самом краю подложки. Относительный сдвиг частей встречных контактов, расположенных на краю, составляет
ΔL=a(t₁-t₂)ΔT/2, (4)
где ΔТ - изменение температуры,
t₁ - коэффициент термического расширения подложки на основе InAs,
t₂ - коэффициент термического расширения подложки на основе Si.

При ΔТ=200К
ΔL=0,006•2,0•10^-6•200/2=1,2•10^-6 м=1,2 мкм.

А превышение поперечного размера углублений вторых частей над поперечным размером первых частей, обеспечивающее возможность сдвига частей встречных контактов друг относительно друга при изменении температуры, тогда составляет 2,4 мкм.

Отметим, что, реально, коэффициенты термического расширения материалов зависят от температуры. Однако в расчет входит разность коэффициентов, которая остается практически неизменной.

Для изменения температуры, например от комнатной температуры до температуры жидкого азота ΔТ=220 К, и для полупроводниковых подложек из материалов с большей разницей коэффициентов теплового расширения, например InSb и Si, для которых t₁ и t₂ равны соответственно 5•10^-6 и 2,5•10^-6, получим:
ΔL=0,006•2,5•10^-6•220/2=1,5•10^-6 м=1,65 мкм.

А превышение поперечного размера углублений вторых частей над поперечным размером первых частей, обеспечивающее возможность сдвига частей встречных контактов друг относительно друга при изменении температуры, тогда составляет 3,3 мкм.

Заявляемое многоконтактное электрическое соединение содержит (см. чертеж): 1 - первые части встречных контактов, 2 - вторые части встречных контактов. На чертеже также показаны полупроводниковые подложки с элементами микросхемы: 3 - первая полупроводниковая подложка, 4 - вторая полупроводниковая подложка с коэффициентом термического расширения, отличным от коэффициента термического расширения первой подложки. Встречные контакты, состоящие из двух частей, расположены на двух разных полупроводниковых подложках с элементами микросхемы и ориентированы друг против друга. Первые части встречных контактов - 1, расположенные на первой полупроводниковой подложке, имеют выпуклую форму с плоской площадкой на вершине, например, цилиндрическую, и выполнены, например, из Аl. Вторые части встречных контактов - 2, например, из In, расположенные на второй полупроводниковой подложке с коэффициентом термического расширения, отличным от коэффициента термического расширения первой подложки, имеют углубления, дно которых выполнено в виде плоской площадки. Количество встречных контактов с поперечным размером углублений вторых частей, совпадающим с поперечным размером выпуклых форм первых частей, достигает, например, 100. Поперечный размер углублений вторых частей встречных контактов превышает поперечный размер выпуклых форм соответствующих первых частей встречных контактов на величину 2,4 мкм, в случае, когда первая подложка из InAs, а вторая - кремниевая, и на величину 3,3 мкм, в случае когда первая подложка из InSb, а вторая - кремниевая. Эти величины достаточны для сдвига первых частей относительно вторых при охлаждении гибридной микросхемы до температуры жидкого азота, чтобы не приводить к разрушению контакта и обеспечить стабильное электрическое соединение элементов микросхемы.

Заявляемое многоконтактное электрическое соединение работает следующим образом. Гибридную микросхему, содержащую полупроводниковые подложки с элементами микросхемы и многоконтактное электрическое соединение, охлаждают до температуры, например, жидкого азота. При этом размеры обеих полупроводниковых подложек уменьшаются, но в разной степени. Части встречных контактов, расположенные на краю полупроводниковых подложек, сдвигаются друг относительно друга, например, на величину 1,5 мкм. Но если, при этом, поперечный размер углублений вторых частей на краю полупроводниковой подложки больше на 3 мкм, чем поперечный размер выпуклых форм соответствующих первых частей, то первая часть встречного контакта свободно сдвинется без возникновения механического напряжения. При этом контакт остается стабильным, его осуществляет плоская площадка на вершине первой части встречного контакта и дно углубления, выполненное в виде плоской площадки, и боковые поверхности. Что касается встречных контактов, расположенных ближе к центру полупроводниковых подложек, то для них относительный сдвиг будет меньше, а электрическое соединение осуществляет плоская площадка на вершине первой части встречного контакта и дно углубления, выполненное в виде плоской площадки.

Предлагаемое изобретение предназначено для реализации при соединении фоточувствительных матриц с кремниевыми микропроцессорами обработки фотосигналов. Такие сборки содержат более 10000 встречных контактов, некоторое число из которых имеют конфигурацию среднего контакта, показанного на чертеже, удерживающего фотоприемную матрицу и микропроцессор обработки фотосигналов друг с другом. При охлаждении гибридной микросхемы до температуры жидкого азота, несмотря на значительные изменения относительных размеров полупроводниковых подложек с элементами микросхемы, не происходит нарушения контактов, которое имеет место в известных технических решениях. Необходимо отметить, что замена составляющих гибридной микросхемы, то есть полупроводниковых подложек с элементами микросхемы, вышедших из строя, является весьма дорогой операцией. Вместе со стоимостью новых составляющих ее стоимость может достигать до 50% от стоимости прибора.

Использование: в микроэлектронике при разработке и изготовлении гибридных интегральных микросхем. Сущность изобретения: мгогоконтактное электрическое соединение содержит встречные контакты, состоящие из двух частей, расположенных на двух разных полупроводниковых подложках с элементами микросхемы и ориентированных друг против друга. Первые части встречных контактов, расположенные на первой полупроводниковой подложке, имеют выпуклую форму с плоской площадкой на вершине, вторые части встречных контактов, расположенные на второй полупроводниковой подложке с коэффициентом термического расширения, отличным от коэффициента термического расширения первой подложки, имеют углубления, дно которых выполнено в виде плоской площадки, причем первые части встречных контактов плоской площадкой на вершине входят в углубления вторых частей встречных контактов и создают электрическое соединение. При этом поперечный размер углублений некоторого количества вторых частей встречных контактов превышает поперечный размер выпуклых форм соответствующих первых частей встречных контактов на величину, достаточную для сдвига первых частей относительно вторых при изменении температуры, а поперечный размер углублений остального количества вторых частей совпадает с поперечным размером выпуклых форм первых частей. Техническим результатом изобретения является повышение устойчивости контактов к разрушению. 1 ил.

Многоконтактное электрическое соединение, содержащее встречные контакты, состоящие из двух частей, расположенных на двух разных полупроводниковых подложках с элементами микросхемы и ориентированных друг против друга, отличающееся тем, что первые части встречных контактов, расположенные на первой полупроводниковой подложке, имеют выпуклую форму с плоской площадкой на вершине, вторые части встречных контактов, расположенные на второй полупроводниковой подложке с коэффициентом термического расширения, отличным от коэффициента термического расширения первой подложки, имеют углубления, дно которых выполнено в виде плоской площадки, причем первые части встречных контактов плоской площадкой на вершине входят в углубления вторых частей встречных контактов и создают электрическое соединение, при этом поперечный размер углублений некоторого количества вторых частей встречных контактов превышает поперечный размер выпуклых форм соответствующих первых частей встречных контактов на величину, достаточную для сдвига первых частей относительно вторых при изменении температуры, а поперечный размер углублений остального количества вторых частей совпадает с поперечным размером выпуклых форм первых частей.