[发明专利]金刚石增强的先进IC与先进IC封装

说明书

本发明提供将金刚石与双晶圆微结构实现于先进IC与先进IC封装中的机会，以形成新类型的IC与SiP，其可超越处于IC发展最前线的硅的限制，主要是因为金刚石具有极端散热能力。金刚石的极端散热能力可用以使处理器与例如GaN HEMT等其他高功率芯片中的热点消散，使IC和封装应用的效能与可靠性增加，应用涵盖HPC、AI、光子、5G RF/mmWave、功率与物联网，且在系统级促使传统运算改变为近存储器运算与存储器中运算。

【技术领域】

本揭露大致有关于集成电路(integrated circuit；IC)，且特别有关于金刚石增强型先进集成电路与先进集成电路封装。除了金刚石外，其他高散热能力材料亦可取代金刚石，并适用此发明。除了气冷外、此发明也适用于水冷相关应用。中介层和有源元件也可含水冷通孔(fluid micro-channels)。此外元件和元件连结、除可用铜柱凸块外也可用铜-铜混合键结。

【背景技术】

5G/6G、人工智能、电动汽车(EV)、物联网(IoT)和元宇宙的出现带来了大量新的终端应用，导致3C数据通信呈指数级增长，3C亦即云端(即数据中心)、连接(例如基站)和终端/边缘(即商务/消费者/边缘电子设备)。根据思科全球云端指数(Cisco Global CloudIndex)，2021年全球云端数据中心年流量将超过惊人的20zettabytes(20×10²¹bytes)，相较于2016年的年流量6.8zettabytes成长超过3倍。应用于高效能运算(HPC)与数据中心市场的半导体装置一直代表集成电路(IC)和集成电路封装技术中的最先进技术。为了处理逐渐提升的数据流量，涉及先进的系统单芯片(system-on-chip；SoC)与先进的系统级封装(system-in-a-package；SiP)的高效能运算与数据中心将会更加需要最高处理速度、最高通信速度(最低延迟、最高频宽，且通常两者皆需要)与最高储存容量，且极度需要满足愈来愈严格的互连需求与愈来愈高的功耗的集成电路与集成电路封装。SoC是整合电脑的所有元件或大部分元件的集成电路，几乎总是包含中央处理器(central processing unit；CPU)、存储器、输入/输出端口与辅助储存装置，而SiP被定义为一种集成电路封装，其包含多个有源装置，例如集成电路或微机电系统((micro-electromechanical system；MEMS)。集成电路与终端系统客户比以往任何时候都更加愿意考虑SoC与SiP先进技术，以使成本绩效与集成电路和集成电路封装的可靠性极大化。

展望未来，如图1所示，集成电路技术进步将使例如处理器等先进SoC从3nm变为2nm或更小，且从鳍式场效晶体管(FinFET)变为环绕式栅极效晶体管(gate-all-aroundFET)与3D单体式SoC等。同时，为了支持先进SoC，主要包含扇出、2.5D IC、3D IC、嵌入式与光子(图1)的先进SiP将随着实现互连技术(例如铜柱微凸块、以及实现3D小芯片(chiplets)与3D单体式SoC的铜混合式键合)的相应进步而持续朝向微距发展。现在最先进的铜柱微凸块是具有间距(pitch)40μm的微小结构(即尺寸25μm的铜柱和15μm的间隙)，其可缩小为20μm或10μm。通过SiP的异质整合将会更加普遍，无论其是否涉及整合进IC基板中的有源装置、及/或整合来自不同IC制程的不同的IC(Si、SiGe、SOI、GaN、SiC、RF、MEMS、IPD等)。前述先进ICs或先进SiPs的进步，主要和使用z轴(厚度方向)以在IC功能上达成更高的封装密度及/或更高的封装导线连接密度有关。就SiP而言，使用微凸块及/或铜混合键结的3D IC堆叠、以及将有源管芯与无源功能(包含导线连接结构)嵌入SiP使用的中介层(interposer)与基板中，通常可达成更高的z轴封装密度。