CN106458571A - 用于在元器件载体上装配垂直混合集成的元器件的内插器 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种用于在垂直混合集成元器件的结构中减小由装配引起的机械应力的内插器方案，该内插器方案能够实现元器件在元器件载体上的可靠的机械固定并且节省空间地电接通元器件。该内插器(301)包括面状的载体衬底(310)，该载体衬底具有至少一个正面布线平面(320)，在该正面布线平面中构造由用于在内插器(301)上装配元器件(100)的正面连接垫(321)，该载体衬底还具有至少一个背面布线平面(330)，在该背面布线平面中构造有用于在元器件载体(110)上的装配的背面连接垫(331)，其中，正面连接垫(321)和背面连接垫(331)相互错开地布置，该载体衬底还具有用于电连接至少一个正面布线平面(320)和至少一个背面布线平面(330)的电镀通孔(340)。根据本发明的载体衬底(310)包括至少一个边缘区段(360)和至少一个中间区段(350)，它们通过应力去耦结构(371)至少很大程度地机械去耦。用于装配元器件(100)的正面连接垫(321)仅布置在中间区段(350)上，而用于装配在元器件载体(110)上的背面连接垫(331)仅布置在边缘区段(360)上。

Description

用于在元器件载体上装配垂直混合集成的元器件的内插器

技术领域

本发明涉及一种内插器，该内插器尤其适用于在元器件载体上装配垂直混合集成的元器件。

背景技术

内插器包括面状的载体衬底，该载体衬底具有至少一个正面布线平面和至少一个背面布线平面。在正面布线平面中构造用于在内插器上装配元器件的连接垫，并且在背面布线平面中构造用于在元器件载体上的装配的背面连接垫。正面连接垫和背面连接垫相互错开地布置。在载体衬底中构造电镀通孔(Durchkontakte)，通过这些电镀通孔使正面和背面布线平面电连接。此外在载体衬底中构造应力去耦结构。

垂直混合集成的元器件通常包括至少一个具有微机械的传感器或促动器功能的MEMS元件，并且包括至少一个具有用于MEMS功能的信号处理的电路功能的ASIC元件。垂直混合集成的元器件的元件布置在芯片堆叠中，该芯片堆叠可以作为没有其它外包装的芯片级封装被装配在元器件载体上。在此通常使用倒装芯片技术。

来自汽车和消费电子领域的垂直混合集成元器件的重要应用是检测加速度、转速率、磁场或者压力。在此借助于MEMS元件检测各个测量参数并且将它们转换成电信号。然后借助于ASIS电路功能处理并评价这些电信号。

垂直混合集成元器件的元器件方案能够在高度功能集成的情况下实现高度微型化级，因为各个元件部分被堆叠，使得总体上可以省去各个芯片和元器件的封装。

但是直接装配这些芯片级封装导致，元器件载体的弯曲直接耦合入MEMS元件和MEMS结构中。应用电路板的弯曲可能在设备老化过程中产生，但是也可能源于温度和/或压力变化、由于湿度引起或者由装配引起。它们在任何情况下通常都导致元器件构造中的机械应力，这些应力可能极为不利地影响MEMS功能。这在传感器元器件中可能导致不希望和不被限定的传感器特性。这样可能例如改变传感器灵敏性或者也可能在传感器信号中产生漂移。

US 6,050,832研究了在相对较大的芯片的倒装芯片装配时产生的问题。在此，芯片以有源的正面通过所谓的“球栅阵列”、即多个在栅栏中布置的钎焊球装配在载体上，其中，钎焊球同时用作芯片的机械固定和电接通。钎焊球栅栏通常延伸经过整个芯片面，以便一方面尽可能全表面地固定芯片，另一方面实现尽可能大量的电芯片接头。这种钎焊连接处于强大的机械应力下。这此外源于载体材料、芯片材料和钎焊材料的不同热膨胀系数。

在US 6,050,832 A中提出，借助于开始提到的种类的内插器来改善这种“球栅阵列”的钎焊连接的可靠性和使用寿命(焊点可靠性)，但是其中，要坚持全表面连接栅栏的方案。按照US 6,050,832 A，这种栅栏的每个单个的连接位置均应力去耦。为此，在每个单个连接位置的内插器中构造弹性舌片作为应力去耦结构。在每个舌片结构上，用于芯片的正面连接垫和用于装配的背面连接垫布置在载体上，而且相互错开，使得弹性舌片结构可以承受连接区域中的机械应力。

发明内容

通过本发明提出一种用于在垂直混合集成元器件的构造中减小由装配引起的机械应力的内插器方案，该内插器方案能够实现元器件在元器件载体上的可靠的机械固定，并且能够节省空间地实现电接通元器件。

根据本发明，这通过下述方式来实现：内插器的载体衬底包括至少一个边缘区段和至少一个中间区段，它们通过应力去耦结构至少很大程度地机械去耦，并且用于装配元器件的正面连接垫仅布置在中间区段上，而用于在元器件载体上的装配的背面连接垫仅布置在边缘区段上。

因此，根据本发明的内插器的中间区段设置成仅用于元器件的中心机械固定和电接通。这里，元器件不是整面地与内插器连接，而是仅在明显小于元器件“脚印”的表面区域中连接。在元器件载体上的装配仅通过内插器的边缘区段进行。在元器件载体中的机械应力虽被传递到该边缘区段上，但不被导入到内插器的中间区段中，因为易弯的应力去耦结构承受应力。根据本发明，该应力去耦结构在内插器的中间区段与边缘区段之间建立空间分隔和机械去耦。与现有技术不同，元器件-内插器和内插器-元器件载体的连接在这里不是逐点地、而是按照芯片区域来机械去耦。即，根据本发明通过两个共同作用的措施阻止元器件载体中的机械应力传递到元器件上或至少使该传递变难，即，一方面通过在元器件与内插器之间的中心的较小连接面，另一方面通过内插器的易弯的应力去耦结构来阻止传递或使该传递变难，该去耦结构使元器件与内插器之间的连接区域与内插器与元器件载体之间的连接区域去耦。

原则上对于实现根据本发明的内插器存在不同的可能性，这涉及例如具有用于元器件和在元器件载体上的装配的连接垫的正面及背面布线平面的布置。最后在此总是要考虑元器件的功能和“脚印”，为了这些元器件而确定内插器。一方面用于在内插器上装配元器件并且另一方面用于在元器件载体上装配元器件而被使用的连接技术作用到实现根据本发明的内插器上。此外有意义的是，在选择用于内插器载体衬底的材料时考虑元器件载体的种类，例如在相似的热膨胀系数方面。也存在不同的可能性，用于在内插器的载体衬底中构造应力去耦结构。

在本发明的一个有利实施方式中，内插器的应力去耦结构以沟槽结构的形式实现。因为内插器的载体衬底在沟槽区域中变薄，变形优选在该区域中出现。这样，在元器件载体中的机械应力可以有针对性地导入到内插器中，并且远离元器件的连接区域。应力接收主要与沟槽结构的几何形状有关。包括不仅一个而且多个基本平行延伸的沟槽的沟槽结构是特别有利的。这些沟槽可以构造在载体衬底的正面和/或背面中。用于应力去耦的沟槽结构的另一优点是，所述内插器的中间区域可以从所有方向均匀地与边缘区域去耦，因为沟槽结构可以围绕中间区域环绕封闭地来构造。

在本发明的另一有利实施方式中，内插器的应力去耦结构包括具有一个或多个单个缝槽的缝槽结构，它们在载体衬底的整个厚度上从载体衬底的正面一直延伸到载体衬底的背面。缝槽在这里围绕中间区域环绕地排列，以便使该中间区域与边缘区域机械去耦。这里，应力去耦结构也可以包括缝槽的多个基本平行延伸的列，它们有利地相互错开地布置。

根据本发明的内插器的应力去耦结构，例如对于缝槽结构补充地也可以包括弹簧元件，它们在载体衬底中构造在至少一个边缘区段与至少一个中间区段之间，以便接收元器件载体的机械应力。

根据本发明的内插器方案也可以扩展到其它装配变型方案或元器件变型方案上。这样，在本发明的扩展方案中，在内插器的载体衬底中构造至少一个用于元件的槽口，该元件装配在垂直混合集成元器件的底面上。在这种情况下，在槽口的至少一个边框区段上仅构造用于装配该元器件的正面连接垫，而在槽口的至少另一个边框区段上仅构造用于在元器件载体上的装配的背面连接垫。这里，元器件-内插器和内插器-元器件载体的连接按照芯片区域、即按照边框区段来分开。根据边框的几何形状也或多或少地使各个边框区段机械去耦。不管怎样，该内插器变型方案都有助于提高在元器件载体上的功能密度，因为元器件的芯片面不仅用于元器件功能，而且也用于在元器件底面上的其它元件的功能。

如上所述，可考虑不同的材料作为载体衬底用于根据本发明的内插器。除了材料特性要与元器件载体的特性相一致以外，在选择材料时也要考虑制造费用。在该观点中，硅衬底和由介电材料制成的载体被证实是特别适合的。硅载体能够简单地通过半导体技术的标准工艺构造并且设置有电镀通孔、布线平面、导体轨和连接垫。介电载体衬底同样能够简单地通过标准工艺来构造。除了材料以外，这里也较低成本地实现了电镀通孔和布线平面。

附图说明

如上所述存在以有利的方式构型并扩展本发明的不同可能性。为此，一方面参阅后权利要求1的从属权利要求，另一方面根据附图参阅下面的本发明的多个实施例的描述。

图1a，1b分别示出垂直混合集成元器件100的示意剖面图，该元器件

通过根据本发明的内插器301或302装配在元器件载体110上。

图2a示出垂直混合集成元器件100的示意剖面图，该元器件通过根据

本发明的第三内插器303装配在元器件载体110上，和

图2b示出该内插器303的俯视图。

图3a示出具有背面装配的附加元件30的垂直混合集成元器件100的

示意剖面图，该元器件布置在根据本发明的内插器304的槽口中，和

图3b示出通过内插器表面区域中的构造的剖面图。

具体实施方式

在所有这里示出的实施例中，垂直混合集成元器件100包括MEMS元件10和ASIC元件20。两个元件部分10和20这里仅示意性示出。MEMS元件10可以例如是具有用于检测加速度的可偏转传感器结构的惯性传感器元件。ASIC元件20的电路功能有利地用于处理和评价MEMS元件10的传感器信号。MEMS元件10和ASIC元件20通过结构化的连接层21相互不仅机械连接而且电连接，并且形成芯片堆叠或者说芯片级封装。两个元件部分10和20的外部电接通通过ASIC元件20中的电镀通孔22实现，这些电镀通孔连接到ASIC元件20背面上的布线平面23上。在该布线平面23中构造用于钎焊球25的连接垫24，通过这些钎焊球使元器件100与根据本发明的用于在元器件载体10上装配的内插器不仅机械连接而且电连接。元器件载体110例如可以是应用电路板。

所有在附图中示出的内插器301至304包括平面的载体衬底310。在此例如是硅衬底或者也可以是由介电材料制成的载体。载体衬底310配备有正面布线平面320，在该布线平面中构造有用于在相应内插器上装配元器件100的正面连接垫321。在内插器背面上也存在具有用于在元器件载体110上的装配的背面连接垫331的布线平面330。布线平面320和330通过绝缘层311与载体衬底310电绝缘。正面连接垫321明显小于背面连接垫331，因为也可以使用比用于在元器件载体110上的外部装配明显更小的钎焊球25或铜柱，用于在内插器301,302或303上装配元器件100。即，在内部接通时，使用与在应用电路板上的外部接通时不同的布置规则用于钎焊球26。此外，正面连接垫321和背面连接垫331相互错开地布置。在正面布线平面320与背面布线平面330之间的电连接通过载体衬底310中的电镀通孔340来建立。在此例如可以是与载体衬底310绝缘的铜TSVs。

在内插器301至303的载体衬底中分别构造有应力去耦结构，该应力去耦结构根据本发明引起载体衬底310的中间区段350与载体衬底310的边缘区段360的机械去耦。此外根据本发明，用于装配元器件100的正面连接垫321仅布置在中间区段350上，而用于在元器件载体110上的装配的背面连接垫331仅布置在边缘区段360上。

在图1a中所示的内插器301的情况下，应力去耦结构以沟槽371的形式在载体衬底310的正面中实现，该沟槽限定中间区段350并且与边框形的边缘区段360分开。该沟槽结构371以有利的方式环绕地封闭，呈矩形、圆环或椭圆形形状。在硅衬底的情况下，该沟槽结构可以例如通过沟道蚀刻在载体表面中产生。对此，在其它载体材料的情况下也可以考虑激光构造法。根据本发明正面连接垫321仅布置在中间区段350上。因为沟槽371环绕地封闭，电镀通孔340也构造在载体衬底310的中间区段中并且通过导体轨区段在背面布线平面330中连接到背面连接垫331上，这些连接垫根据本发明仅布置在载体衬底310的边缘区段360上。

在图1b中所示的内插器302的情况下，应力去耦结构也以沟槽372的形式来实现，该沟槽限定中间区段350并且与边缘区段360分开。但是该沟槽结构372这里构造在载体衬底310的背面中。正面连接垫321又仅布置在中间区段350上，而背面连接垫331仅位于边缘区段360上。在正面连接垫321与背面连接垫331之间的电连接这里通过导体轨区段在正面布线平面320和电镀通孔340中建立，这些电镀通孔在载体衬底310的边缘区段中构造。

不仅在图1a的情况下而且在图1b的情况下，元器件载体110的变形通过钎焊球26首先传递到内插器310或302的边缘区段360上，并且在那里引起易弯的应力去耦结构371或372、即在沟槽区域中的变形。由于中间区段350与边缘区段360的机械去耦，在元器件载体110中的机械应力也仅有条件地传递到内插器301或302的中间区段350中。在中间区段350上的元器件100的中心装配还减小到元器件100中的应力导入，因为连接面越小，即钎焊球25的固定面越小，变形能量则传递得越少。

在图2a中所示的构造包括内插器303，其应力去耦结构以缝槽373和薄膜式弹簧元件374的形式来实现。缝槽373在载体衬底310的整个厚度上延伸，并且将载体衬底310的中间区段350圈围，这可通过图2b的俯视图看出。中间区段350仅通过两个相互对置的弹簧元件374连接到边缘区段360上。借助于该应力去耦结构可以在载体衬底310的中间区段350与边缘区段360之间实现特别宽范围的机械去耦。

在这里所示的实施例中，在正面布线平面320中不仅构造正面连接垫321，而且也构造导体轨322，这些导体轨将该连接垫321与布置在边缘区段360中的电镀通孔340在载体衬底310中连接。这些导体轨322通过弹簧元件374从中间区段350引导到边缘区段360中。这里，背面导体轨332和连接垫331的布置用虚线表示。

在图3a，3b中所示的内插器304中，在载体衬底310中构造有槽口380，该槽口在载体衬底310的整个厚度上延伸。该槽口380用作另一元件30的接收部，该元件以倒转芯片技术通过连接垫31和钎焊球装配在元器件100的底面上。在此例如可以是另一MEMS元件、另一ASIC元件或者也可以是另一集成传感器或者促动器。该元件30在其厚度方面能够在相对较大的范围上确定尺寸，并且在这里甚至比内插器304的载体衬底310更厚，这通过钎焊球26来平衡。图3b示出，这里在槽口380的两个对置的边框区段381上仅构造用于装配元器件100的正面连接垫321，而在槽口380的另两个对置的边框区段382上仅构造用于在元器件载体110上的装配的背面连接垫331。

上述实施例示出，根据本发明的内插器方案是极为灵活的并且也是可扩展。该布置能够以较少的开发费用匹配于不同的芯片面和钎焊球变型方案，以便满足在脚印和/或插针方面的专门要求。

Claims (8)

1.内插器(301)，尤其用于在元器件载体(110)上装配垂直混合集成的元器件(100)的内插器，包括面状的载体衬底(310)，该载体衬底具有

·至少一个正面布线平面(320)，在该正面布线平面中构造有用于在所述内插器(301)上装配所述元器件(100)的正面连接垫(321)，

·至少一个背面布线平面(330)，在该背面布线平面中构造有用于在元器件载体(110)上的装配的背面连接垫(331)，其中，所述正面连接垫(321)和所述背面连接垫(331)相互错开地布置，

·用于电连接至所述少一个正面布线平面(320)和所述至少一个背面布线平面(330)的电镀通孔(340)，和

·应力去耦结构，该应力去耦结构构造在所述载体衬底(310)中，

其特征在于，所述载体衬底(310)包括至少一个边缘区段(360)和至少一个中间区段(350)，它们通过所述应力去耦结构(371)至少很大程度地机械去耦，并且，用于装配所述元器件(100)的所述正面连接垫(321)仅布置在所述中间区段(350)上，而用于在元器件载体(110)上的装配的所述背面连接垫(331)仅布置在所述边缘区段(360)上。

2.根据权利要求1所述的内插器(301；302)，其特征在于，所述应力去耦结构包括沟槽结构(371；372)，该沟槽结构包括在所述载体衬底(310)的正面和/或背面中的一个沟槽或多个基本平行延伸的沟槽。

3.根据权利要求1或2所述的内插器(303)，其特征在于，所述应力去耦结构包括具有一个或多个缝槽的缝槽结构(373)，这些封口在所述载体衬底(310)的整个厚度上从所述载体衬底的正面一直向所述载体衬底的背面延伸。

4.根据权利要求3所述的内插器(303)，其特征在于，所述缝槽结构包括一个或多个基本平行延伸的缝槽(373)列，其中，平行延伸的列的所述缝槽相互错开地布置。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的内插器(304)，其特征在于，所述应力去耦结构包括至少一弹簧元件(374)，该弹簧元件在所述载体衬底中构造在所述至少一个边缘区段(360)与所述至少一个中间区段(350)之间。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的内插器(304)，其特征在于，所述载体衬底(310)具有至少一个为了在元器件(100)底面上装配的元件(30)设置的槽口(380)，并且，在所述槽口(380)的至少一个边框区段(381)上仅构造用于装配所述元器件(100)的正面连接垫(321)，而在所述槽口(380)的至少另一个边框区段(382)上仅构造用于在元器件载体(110)上的装配的背面连接垫(331)。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的内插器(301)，其特征在于，所述载体衬底(310)是硅衬底或者由介电材料制成的载体。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的内插器的使用，用于在元器件载体(110)上装配垂直混合集成元器件(100)，其中，所述元器件(100)至少包括：

·具有至少一个可偏转的结构元件的MEMS元件(10)，和

·具有用于MEMS功能的电路功能的ASIC元件(20)，

其中，所述MEMS元件(10)和所述ASIC元件(20)通过至少一个连接层(21)相互连接并且形成芯片堆叠。