DE10006447A1 - Bauelement mit konstant verspannter Verklebung und Verfahren zur Verklebung - Google Patents

Abstract

Zur Verklebung spannungsempfindlicher Bauelementsubstrate (BS) mit einem Systemträger (ST) wird vorgeschlagen, Abstandsstrukturen (AS) zwischen den beiden zu verklebenden Oberflächen vorzusehen, die eine definierte Anordnung der beiden zu verklebenden Oberflächen gewährleistet. Die Abstandsstrukturen können mittels Siebdruck aufgebracht werden, der Raum zwischen den Abstandsstrukturen kann mit Klebstoff (K) aufgefüllt werden.

Description

Miniaturisierte elektrische und elektronische Bauelemente werden üblicherweise mit einem Die-Bond-Verfahren in ein Ge­ häuse eingesetzt und dort verklebt. Bei Bauelementen, die auf mechanische Verspannungen mit einer Veränderung der Bauele­ menteigenschaften reagieren, führt dieses Klebeverfahren in der maschinellen Fertigung dazu, daß die Bauelemente nach der Verklebung stärker in ihren Eigenschaften streuen als vor der Verklebung. Dies ist insbesondere auf unterschiedliche Aus­ dehnungskoeffizienten von Bauelement und Unterlage bezie­ hungsweise Gehäuse zurückzuführen. Die Verspannung baut sich auf, wenn die Klebestelle bei einer über der Betriebstempera­ tur des Bauelements liegenden Temperatur ausgehärtet wird, und daher nur bei dieser Aushärtetemperatur spannungsfrei ist.

Oberflächenwellenbauelemente sind aufgrund des piezoelektri­ schen Substrats sehr empfindlich gegen Verspannungen und zei­ gen beim oben genannten Verkleben, beispielsweise in ein Ge­ häuse, eine erhöhte Streuung der Bauelementeigenschaften und insbesondere der Mittenfrequenz der Bauelemente. Gelten für diese streuenden Eigenschaften enge Spezifikationen, bei­ spielsweise für die Mittenfrequenz von Resonatoren und ZF- Filtern, führt die Streuung der Eigenschaften zu einer Ver­ ringerung der Ausbeute an Bauelementen mit innerhalb der Spe­ zifikationen liegenden Eigenschaften.

Um die Streuung der Bauelementeigenschaften nach der Verkle­ bung zu reduzieren, mußten bislang aufwendige Maßnahmen er­ griffen werden. Beispielsweise können die Spezifikationen und die Maßhaltigkeit der zu verklebenden Teile erhöht werden. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die Genauigkeit des Die-Bond-Klebstoffauftrags zu verbessern. Dazu ist allerdings eine optische Bilderkennung zur Kontrolle der aufgebrachten Klebstoffmenge erforderlich. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die ebenfalls potentiell zu zusätzlichen Verspannungen führenden weiteren Schritte bei der Fertigstellung des Gehäu­ ses so zu optimieren, daß keine zusätzlichen Verspannungen mehr auftreten.

Nachteilig an diesen Maßnahmen ist der dafür erforderliche hohe Aufwand. Außerdem lassen sich aufgrund von Schwankungen bei Zulieferteilen und bei Prozeßänderungen die entsprechen­ den Auswirkungen auf die verspannungsempfindlichen Bauelemen­ te nicht völlig verhindern. Ein weiteres Problem tritt auf­ grund der ständig steigenden Miniaturisierung auf, die bei immer kleineren Dimensionen auch zu dünneren Materialien führt, die dementsprechend anfälliger gegen Verbiegungen und Unregelmäßigkeiten sind.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Verkle­ bung für ein spannungsempfindliches Bauelement anzugeben, die konstruktionsbedingt zu einer konstanten Verspannung und da­ her zu Bauelementen mit geringer Fehlerstreuung führt, und die sich einfach herstellen läßt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Bauelement nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sowie ein Verfahren zur Begrenzung der Fehlerstreuung bei der Verklebung sind weiteren Ansprüchen zu entnehmen.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß das, die Bauelementstruk­ turen tragende empfindliche, kristalline Substrat durch einen Klebstoff mit einem Systemträger verbunden ist, wobei zwi­ schen Substrat und Systemträger Abstandsstrukturen in einem regelmäßigen Muster angeordnet sind, wobei sich in einer Ebe­ ne liegende Auflagepunkte oder -flächen ausbilden, auf denen das Substrat und/oder der Systemträger aufliegt. Möglich ist auch eine Abstandsstruktur, die Auflagepunkte ausbildet, die auf einer Geraden liegen, wobei als ein zusätzlicher Auflagepunkt ein direkter Kontakt zwischen Systemträger und Substrat vorgesehen ist. Weiterhin ist vorgesehen, daß der Raum zwi­ schen den Abstandsstrukturen, dem Substrat und dem Systemträ­ ger vollständig und weitgehend frei von Lufteinschlüssen oder teilweise von Klebstoff ausgefüllt ist.

Erfindungsgemäß sind somit Anordnung und Anzahl der Auflage­ punkte oder -flächen sowie der Winkel zwischen Substrat und Systemträger vorgegeben, was bei einem herkömmlichen maschi­ nell durchgeführten Die-Bond-Verfahren eher dem Zufall über­ lassen blieb und daher zu undefinierten Auflagepunkten führ­ te, die aufgrund von Schwankungen in der Materialbeschaffen­ heit des Systemträgers zu unterschiedlichen Verspannungen führten. Der durch die Auflagepunkte oder -flächen vorgegebe­ ne Abstand zwischen Substrat und Systemträger sichert auch über alle hergestellten Bauelemente eine hinreichend dicke Klebstoffschicht zwischen Substrat und Systemträger. Daher ist eine hinreichende Dämpfung der Verspannung zwischen den verklebten unterschiedlichen Materialien von Bauelement und Systemträger durch eine hinreichende Schichtdicke an Kleb­ stoff gewährleistet. Als Ergebnis werden Bauelemente erhal­ ten, die auch innerhalb hoher Stückzahlenkontingente eine nur geringe Streuung ihrer Eigenschaften aufweisen, und die sich daher mit hoher Reproduzierbarkeit und damit geringerem Aus­ schuß herstellen lassen.

In einer Ausgestaltung der Erfindung sind Abstandsstrukturen vorgesehen, die punktförmige Auflagepunkte ergeben. Vorteil­ haft ist eine Anzahl von drei oder vier punktförmigen Aufla­ gepunkten, die entsprechend der Größe des zu verklebenden Bauelementsubstrats über die zu verklebenden Oberflächen ver­ teilt sind. Die Ausführung mit drei Auflagepunkten hat den Vorteil, daß die Auflagepunkte immer in einer Ebene liegen.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind streifenförmige Abstandsstrukturen vorgesehen, die zueinander parallele streifenförmige Auflageflächen ausbilden. Besonders vorteilhaft sind diese streifenförmigen Abstandsstrukturen, wenn sie in der Mitte unterbrochen sind. Damit wird eine Öff­ nung geschaffen, die während des Verklebens zu einer besseren Verteilung der Klebstoffmenge führt. Der Raum zwischen Ab­ standsstrukturen, Substrat und Systemträger ist so mit Kleb­ stoff ausgefüllt. Dies führt zu einem definierten Volumen und definierten Begrenzungen der Klebstoffschicht, deren Eigen­ schaften daher auch wegen der guten Reproduzierbarkeit kon­ stanter einzuhalten sind.

Vorzugsweise bestehen die Abstandsstrukturen aus einer sieb­ druckbaren Masse, die mittels Siebdruck auf dem Systemträger oder auf dem Substrat aufgebracht ist. Solche Abstandsstruk­ turen sind besonders einfach herzustellen. Dabei ist dennoch gewährleistet, daß eine gleichmäßig hohe Abstandsstrukturen bzw. in einer Ebene liegende Auflagepunkte oder -flächen aus­ gebildet werden können. Von besonderem Vorteil ist die Erfin­ dung für frequenzgenaue Oberflächenwellenbauelemente, die mit der erfindungsgemäßen Verklebung besonders frequenzstabil sind, so daß bei der Massenfertigung eine nur geringe Fehler­ streuung bei der Mittenfrequenz beobachtet wird.

Mit der Erfindung können insbesondere nicht vermeidbare Un­ ebenheiten in der Oberfläche insbesondere des Systemträgers ausgeglichen werden und eine gleichmäßige Schichtdicke des beim Die-Bond-Verfahren verwendeten Klebstoffs zwischen Sub­ strat und Systemträger gewährleistet werden. Die Vorteile der Erfindung können daher auch bei weiter dünner werdenden Mate­ rialien trotz deren größerer Anfälligkeit gegen Verbiegung und Unebenheiten sicher erhalten werden. Der Klebeprozeß wird stabiler und unempfindlicher gegenüber Schwankungen bei der Qualität des Systemträgers und des Klebstoffauftrags.

Die Erfindung ist für alle Bauelemente auf insbesondere kri­ stallinen Substraten geeignet, die empfindlich gegen Verspan­ nungen sind. Dies können elektrische, elektronische und insbesondere auch passive Bauelemente sein, wie zum Beispiel die genannten Oberflächenwellenbauelemente.

Der Systemträger kann eine Leiterplatte, insbesondere eine mehrere Metallisierungsebenen umfassende mehrschichtige Kunststoffplatte, eine keramische Substratplatte, die gegebe­ nenfalls Leiterbahnen und/oder Durchkontaktierungen aufweist, oder ein insbesondere zweiteiliges Gehäuse sein, wobei das Substrat mit dem Gehäuseboden oder dem Gehäusedeckel verbun­ den sein kann. Das Gehäuse kann aus Keramik oder aus Metall ausgeführt sein.

Die Abstandsstrukturen bestehen vorzugsweise wie bereits er­ wähnt aus Siebdruckstrukturen. Möglich ist es jedoch auch, die Abstandsstrukturen aus anderen Materialien auszuführen, insbesondere aus Metall, Glas oder gemischten orga­ nisch/anorganischen Pasten, beispielsweise aus mit Siebdruck verarbeitbaren Metallisierungspasten. Dementsprechend können die Abstandsstrukturen direkt auf einer der Oberflächen von Substrat oder Systemträger aufgebracht werden, oder in be­ reits vorgefertigter Form auf diese aufgebracht werden. Der direkt Aufbau auf der Oberfläche von Substrat oder Systemträ­ ger gelingt beispielsweise durch ganzflächiges Auftragen ei­ ner entsprechenden Materialschicht in der gewünschten Dicke und anschließendes Strukturieren desselben unter Herausbil­ dung der genannten Abstandsstrukturen. Wahlweise können die Abstandsstrukturen dabei auf der Oberfläche des Substrat oder des Systemträgers aufgebracht werden.

Der verwendete Klebstoff ist vorzugsweise ein thermisch härt­ bares Elastomer. Dieses läßt sich mit den entsprechenden Ap­ plikationsvorrichtungen auch in geringsten Dosierungen für kleinste Bauelemente in der gewünschten Menge und am ge­ wünschten Ort aufbringen.

Die Dimensionen der Abstandsstrukturen sind von der Größe und der Art des zu verklebenden Bauelements abhängig. Im allgemeinen genügt jedoch eine Höhe von 10 bis 50 µm. Diese Höhe bestimmt auch die Dicke der Klebstoffschicht, die ausreichend ist, um den überwiegenden Anteil des Spannungsgradienten zwi­ schen den unterschiedlichen Materialien aufzunehmen. Damit gelingt es, den überwiegenden Anteil der Verspannung inner­ halb der Klebstoffschicht zu lokalisieren.

Die Abstandsstrukturen bilden zwar definierte Auflagepunkte und -flächen, doch wird beim Klebstoffauftrag auch zwischen diesen Auflagepunkten und -flächen und der zu verklebenden Oberfläche eine dünne Klebstoffschicht mit einer typischen Dicke von zirka 1 µm ausgebildet. Diese ist jedoch gering ge­ genüber der gesamten Klebstoffdicke und beeinträchtigt nicht die mit der Erfindung verbundenen Vorteile. Es kann sicher gewährleistet werden, daß der Freiraum zwischen Substrat, Sy­ stemträger und Abstandsstrukturen vom Klebstoff vollständig unter Vermeidung von Lufteinschlüssen ausgefüllt ist, sofern dies gewünscht ist.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbei­ spielen und der dazugehörigen Figuren näher erläutert.

Fig. 1 bis 4 zeigen einen Systemträger mit verschiedenen darauf aufgebrachten Abstandsstrukturen in schematischer Draufsicht

Fig. 5 zeigt ein mit einem Systemträger verbundenes Sub­ strat im schematischen Querschnitt

Fig. 6 zeigt anhand einer Grafik die verbesserte Standar­ dabweichung einer Kenngröße des Bauelements

Als Ausführungsbeispiel soll ein Oberflächenwellenresonator mittels Die-Bonden in ein keramisches Gehäuse eingebaut wer­ den. Fig. 1 zeigt das Unterteil des Bauelementgehäuses, in das das Bauelementsubstrat eingeklebt werden soll. Darge­ stellt ist auch die Gehäusewand GW, deren geringe Dicke zu höherer Streuung der Gehäusegeometrie führen kann. Auf dem Boden des Gehäuseunterteils sind noch metallisierte Anschluß­ flächen AF angedeutet, die der späteren elektrischen Verbin­ dung mit dem Bauelement dienen, z. B. über Bonddrähte. Auf dem Substratträger ST, also auf dem Boden des Gehäuseunterteils wird nun beispielsweise mittels Siebdruck ein vorgegebenes Muster von Abstandsstrukturen AS aufgedruckt. In der Fig. 1 sind dies drei gleichartige annähernd punktförmige Struktu­ ren, die gleichmäßig über die mit gestrichelter Linie BS be­ grenzte Grundfläche des Substrats verteilt sind. Die gleich­ mäßige Höhe der Abstandsstrukturen AS wird durch den Auf­ bringprozeß gewährleistet, kann aber auch zusätzlich noch korrigiert werden.

Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 sind vier Abstandsstruk­ turen AS in der Nähe der vier Ecken des Bauelementsubstrats BS vorgesehen, die die entsprechenden Auflagepunkte bilden. Für größere Bauelemente bzw. Substrate kann die Zahl der Ab­ standsstrukturen oder Auflagepunkte auch erhöht werden.

Fig. 3 zeigt zwei zueinander parallele streifenförmige Auf­ lagestrukturen, die ebensolche streifenförmige Auflageflächen ausbilden.

Fig. 4 zeigt eine vorteilhafte Variation streifenförmiger Abstandsstrukturen AS. Auch hier sind zwei streifenförmige Abstandsstrukturen AS vorgesehen, die jedoch in der Mitte ei­ ne Ausnehmung beziehungsweise eine Unterbrechung U aufweisen. Dadurch entstehen vier voneinander getrennte Auflageflächen. Die Unterbrechung in der Mitte der streifenförmigen Abstands­ strukturen AS hat den Vorteil, daß während des Aufsetzens des Bauelementsubstrats BS überschüssiger Klebstoff durch die Ausnehmungen treten kann und sich so besser verteilen kann. Dies führt zu einer höheren Verfahrenssicherheit beziehungs­ weise vereinfacht das Aufsetzen des Substrats auf die Aufla­ geflächen.

Fig. 5 zeigt eine fertige Klebestelle anhand eines schemati­ schen Querschnitts. Gut zu erkennen ist, daß die einander zu­ gewandten beziehungsweise miteinander verklebten Oberflächen von Bauelementsubstrat BS und Systemträger ST aufgrund der gleichartigen Abstandsstrukturen AS parallel zueinander aus­ gerichtet sind. Die Abstandsstrukturen sind hier im Quer­ schnitt halbkugelförmig dargestellt, jedoch ist der Quer­ schnitt nicht maßgeblich und im wesentlichen nur von dem Her­ stellverfahren der Abstandsstrukturen abhängig. Mittels Sieb­ druckverfahren können beispielsweise auch im Querschnitt an­ nähernd rechteckige Strukturen hergestellt werden, die ledig­ lich abgerundete Kanten aufweisen. Auch andere Querschnitte sind möglich und denkbar. Wichtig ist allein, daß die Aufla­ gepunkte beziehungsweise Auflageflächen in einer Ebene oder annähernd in einer Ebene zu liegen kommen. Der Klebstoff K, der auf eine der beiden Oberflächen von Substrat oder System­ träger aufgebracht wird und sich nach dem Zusammenfügen der beiden Teile gleichmäßig und ohne luftförmige Einschlüsse verteilt, kann in seiner Menge so bemessen werden, daß er den gesamten Zwischenraum zwischen Systemträger ST und Bauele­ mentsubstrat BS ausfüllt. Bei entsprechend weit voneinander entfernten Abstandsstrukturen AS ist es auch möglich, daß die Grundfläche des Bauelementsubstrats BS mit der durch die Ab­ standsstrukturen AS begrenzten Fläche übereinstimmt. Dies hat insbesondere bei Oberflächenwellenbauelementen den Vorteil, daß die gesamte Oberfläche (Grundfläche) des Substrats BS durch die Klebstoffschicht abgedämpft wird, wodurch bei­ spielsweise störende Volumenwellen gedämpft und an einer Re­ flektion in die Bauelementstrukturen hinein gehindert werden. Auch werden Spannungen im Substrat besser übertragen bzw. verteilt.

Fig. 6 zeigt die Streuung einer auf Verspannungen im Sub­ strat empfindlichen Kenngröße des Bauelements bei erfindungs­ gemäß verklebten Bauelementen im Vergleich zu herkömmlich verklebten Bauelementen. Anhand eines Oberflächenwellenreso­ nators mit Quarz-Substrat und beispielhaften Substratabmessungen von 2,9 × 1,75 mm² wurde in Versuchslosen die Standard­ abweichung der Resonatormittenfrequenzen innerhalb jedes Versuchsloses ermittelt. Aufgetragen ist die relative Häufig­ keit einer bestimmten Standardabweichung in Prozent. Die schraffierten Balken geben die Werte für erfindungsgemäß ver­ klebte Bauelemente wider, die unausgefüllten Balken geben die Messergebnisse bei herkömmlich verklebten Bauelementen wider. Es ist klar erkennbar, daß mit der Erfindung die Standardab­ weichung deutlich reduziert ist. Dies hat zur Folge, daß weitaus mehr Bauelemente innerhalb der geforderten Tole­ ranzwerte liegen, wodurch sich der Ausschuß des Klebeverfah­ rens und insgesamt der Herstellung des Bauelements reduziert. Dies stellt eine erhebliche Kosteneinsparung des Gesamtver­ fahrens dar.

Die Ausführungsbeispiele geben nur exemplarische Ausgestal­ tungen der Erfindung an, die nicht auf diese beschränkt ist. In anderen möglichen Ausführungen können nahezu alle Parame­ ter noch variiert werden.

Claims (15)

1. Bauelement,
bei dem ein Bauelementstrukturen aufweisendes kristalli­ nes Substrat (BS) durch einen Klebstoff (K) mit einem Sy­ stemträger (ST) verbunden ist,
bei dem zwischen Substrat und Systemträger Abstandsstruk­ turen (AS) in einem regelmäßigen und definierten Muster angeordnet sind und in einer Ebene liegende Auflagepunkte oder -flächen für Substrat und/oder Systemträger ergeben, wobei flache Oberflächen von Substrat und Systemträger in definiertem Winkel zueinander oder annähernd parallel ausgerichtet sind
bei dem der Klebstoff (K) den Raum zwischen den Abstands­ strukturen (AS), Substrat (BS) und Systemträger (ST) teilweise oder vollständig ausfüllt.

2. Bauelement nach Anspruch 1, bei dem flache Oberflächen von Substrat (BS) und System­ träger ST) annähernd parallel zueinander ausgerichtet sind.

3. Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Abstandsstrukturen (AS) punktförmige Auflage­ punkte aufweisen.

4. Bauelement nach Anspruch 3, bei dem zwei, drei oder vier punktförmige Auflagepunkte (AS) vorgesehen sind.

5. Bauelement nach Anspruch 1, bei dem streifenförmige Abstandsstrukturen (AS) vorgese­ hen sind, die zueinander parallele streifenförmige Aufla­ geflächen ausbilden.

6. Bauelement nach Anspruch 5, bei dem zwei zueinander parallele streifenförmige Abstandsstrukturen (AS) vorgesehen sind, die jeweils in der Mitte (U) unterbrochen sind und so vier voneinander ge­ trennte streifenförmige Auflageflächen ausbilden.

7. Bauelement nach einem der Ansprüche 1-6, bei dem die Abstandsstrukturen (AS) aus einer siebdruck­ baren Masse bestehen und mit Siebdruck auf dem Systemträ­ ger (ST) oder dem Substrat (BS) aufgebracht sind

8. Bauelement nach einem der Ansprüche 1-6, bei dem die Abstandsstrukturen (AS) ein organisches oder anorganisches Material umfassen und auf dem Systemträ­ ger (ST) aufgeklebt sind.

9. Bauelement nach einem der Ansprüche 1-8, das als frequenzgenaues Oberflächenwellen-Bauelement aus­ gebildet ist.

10. Verfahren zur Begrenzung der Fehlerstreuung bei der Ver­ klebung von gegen Verspannungen empfindlichen Bauelemen­ ten (BS) mit einer einem Systemträger (ST), wobei jeweils flache Oberflächen von Systemträger und Bauelement mit­ einander verklebt werden,
bei dem auf einer der Oberflächen vor dem Verkleben Ab­ standsstrukturen (AS) aufgebracht werden, die in einer zur genannten Oberfläche parallelen Ebene liegende Aufla­ gepunkte oder -flächen für das Bauelement (BS) ausbilden,
bei dem Klebstoff (K) auf eine der Oberflächen aufge­ bracht wird und,
bei dem das Bauelement (BS) auf die Auflagepunkte oder mit den Auflagepunkten auf die Oberfläche der Unterlage aufgesetzt wird und
bei dem der Klebstoff bei erhöhter Temperatur gehärtet wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem die Abstandsstrukturen (AS) mit Siebdruck aufgebracht werden.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 oder 11, bei dem die Abstandsstrukturen in einer Höhe von 20-50 µm aufgebracht werden.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10-12, bei dem in der Mitte unterbrochene (U) streifenförmige Abstandsstrukturen (AS) aufgebracht werden, bei dem so viel Klebstoff (K) auf eine der Oberflächen aufgebracht wird, dass nach dem Aufsetzen der Raum zwi­ schen den Abstandstrukturen (AS) und den beiden Oberflä­ chen mit Klebstoff ausgefüllt ist.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10-12, bei dem ein frequenzgenaues Oberflächenwellenbauelement in ein Gehäuse (ST, GW) geklebt wird.

15. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 10-12, zur Stabilisierung der Mittenfrequenz frequenzgenauer Oberflächenwellenbauelemente.