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Die Erfindung betrifft ein vorzugsweise oberflächenmontierbares elektrisches Bauelement mit empfindlichen Bauelementstrukturen.
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Solche empfindlichen Bauelementstrukturen sind insbesondere elektroakustische Wandler und Resonatoren. Sie sind empfindlich gegenüber Umwelteinflüssen und müssen daher gegenüber diesen geschützt werden. Andererseits können diese Strukturen nicht ohne weiteres z. B. durch eine Vergussmasse verkapselt werden, da die Vergussmasse die Ausbreitung der akustischen Welle beeinflusst. Dementsprechend werden akustische Bauelemente heutzutage in einem Hohlraum angeordnet. Die Beschaffung und die Abdichtung eines solchen Hohlraums ist aufwendig.
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Der erforderliche Hohlraum kann z. B. durch eine Schutzkappe geschaffen werden. Ein auf seiner aktiven Oberfläche akustische Bauelementstrukturen tragender Chip kann mit seiner Rückseite auf ein Modulsubstrat aufgeklebt werden, das gleichzeitig einen Teil eines Gehäuses bildet. Der Chip wird durch die Schutzkappe überdeckt, wobei die Schutzkappe dicht mit dem Modulsubstrat abschließt.
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Es ist bekannt, einen auf seiner aktiven Oberfläche akustische Bauelementstrukturen tragenden Chip in Flip-Chip-Anordnung auf einem Modulsubstrat mit mehreren z. B. keramischen Schichten zu montieren. Der Zwischenraum zwischen dem Chip und dem Modulsubstrat kann z. B. durch einen Dichtungsrahmen abgedichtet werden. Das Ganze kann durch eine Abdeckung abgedeckt sein.
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Bekannt ist es auch, in einem mehrschichtigen keramischen Modulsubstrat zusätzliche passive Schaltungselemente zu realisieren. Das Modulsubstrat dient dabei als Bauelementträger und stellt auf seiner Unterseite dessen Außenanschlüsse zur Verfügung. Auf dem Modulsubstrat können außerdem noch diskret aufgebaute Bauteile montiert sein.
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Eine weitere Möglichkeit, ein multifunktionales Modul mit einer Vielzahl verschiedenartiger aktiver und/oder passiver Komponenten herzustellen, bietet die monolithische Integration verschiedener Schaltungen in einem gemeinsamen Substrat (bevorzugt ein Halbleitersubstrat wie z. B. Silizium), wobei je nach Komplexität der zu realisierenden Strukturen eine Vielzahl aufeinanderfolgender Prozesssequenzen durchzuführen ist. Die mit akustischen Wellen arbeitenden Bauelementstrukturen können jedoch nicht kostengünstig in einem Modul monolithisch integriert werden.
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Es ist außerdem bekannt, ein Bauelement durch Verbindung zweier Wafer herzustellen (Wafer-Level-Package durch Direct Wafer Bonding), wobei eine auf einem ersten Wafer ausgebildete Bauelementstruktur in einer in einem zweiten Wafer ausgebildeten Vertiefung eingeschlossen und so gehäust wird. Dabei werden die Wafer zunächst miteinander verbunden und der Verbund der Wafer in Bauelemente vereinzelt. Einer der Wafer dient dabei als Gehäuse oder Deckel für den anderen Wafer und gegebenenfalls zur Aufnahme von Leiterbahnen.
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Neben den mit akustischen Wellen arbeitenden Bauelementen sind auch eine Reihe anderer Bauelementtypen mit empfindlichen Bauelementstrukturen bekannt, die in ähnlicher Weise geschützt und mit einem Package versehen werden müssen. Dies sind insbesondere verkapselte Bauelemente der Typen MEMS (Mikro elektro-mechanisches System), MEOPS (Mikro elektro-optisches System) oder MEOMS (Mikro elektro-optisch-mechanisches System), die alle einen die wesentlichen Bauelementfunktionen tragenden, auf einem Panel in Flip Chip Bauweise montierten Chip umfassen können oder in Waferbondverfahren mit einem Wafer als Träger verbunden sind.
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Ein weiteres Problem bei Bauelementen mit empfindlichen Bauelementstrukturen ist die thermische Verspannung, die bei miteinander verbundenen Substraten mit unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten auftritt und zur Störung der Bauelementfunktion oder zur Beschädigung von Bauelementstrukturen führen kann. Wegen dieser Verspannungen können bei Flip-Chip gebondeten Bauelementen die Durchmesser der Lötpads und damit auch die der Bumps nicht wesentlich unter 100 μm verkleinert werden, um noch spezifizierte Systemanforderungen zu erfüllen. Nur über große Bumps können die thermischen Verspannungen ohne Schaden für die Bauelementstrukturen abgebaut werden.
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In
US 2004/157367 A1 wird vorgeschlagen, einen Film Bulk Acoustic Resonator-Wafer und einen Mikroelektromechanischer-Schalter-Wafer in einer Face-to-Face-Anordnung mit Dichtungsmaterial zwischen den Wafern zu kombinieren. Elektrische Zwischenverbindungen können zwischen dem Schalter und dem akustischen Filmvolumenresonator innerhalb einer hermetisch abgedichteten Kammer hergestellt werden, die zwischen dem Schalter und dem akustischen Schichtvolumenresonator definiert ist.
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JP 2001345673 A schlägt die Bereitstellung einer akustischen Oberflächenwellen-Baugruppe vor, die leicht in geringer Größe wie ein akustisches Oberflächenwellen-Element hergestellt werden kann. Die akustische Oberflächenwellen-Baugruppe wird durch Verbinden von zwei Oberflächenwellen-Bauelementen gebildet, die jeweils eine Anregungselektrode auf einem piezoelektrischen Substrat aufweisen, wobei die piezoelektrischen Substratoberflächen mit den darauf gebildeten Anregungselektroden einander gegenüberliegen. Hierbei ist bei einer von den piezoelektrischen Substraten die Anregungselektrodenoberfläche größer als die des anderen piezoelektrischen Substrats. Ein Rahmen mit einer darauf ausgebildeten Elektrode ist an einer Außenkante von einem der piezoelektrischen Substrate angeordnet, um ein Signal über den Rahmen einzugeben und auszugeben.
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WO 01/43181 A1 offenbart ein kristallines substratbasiertes Bauelement mit einem kristallinen Substrat, auf dem eine Mikrostruktur ausgebildet ist sowie mindestens eine Verpackungsschicht, die über der Mikrostruktur mittels eines Klebstoffs abgedichtet ist und damit mindestens einen Spalt zwischen dem kristallinen Substrat und der mindestens einen Verpackungsschicht definiert. Ein Verfahren zur Herstellung einer kristallinen substratbasierten Vorrichtung wird ebenfalls offenbart.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein günstig herzustellendes elektrisches Bauelement mit empfindlichen Bauelementstrukturen anzugeben, das eine weitere Miniaturisierung ohne Gefährdung für das Bauelement ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Bauelement mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sowie ein Verfahren zum Herstellen des Bauelements sind weiteren Ansprüchen zu entnehmen.
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Die Erfindung schlägt vor, ein erstes und ein zweites Substrat, die jeweils Bauelementstrukturen tragen, so miteinander zu verbinden, dass Hohlräume für die Bauelementstrukturen in einem sandwichartigen Verbund entstehen. Dies wird erreicht, indem die Substrate über die die Bauelementstrukturen tragenden Vorderseiten unter Zuhilfenahme von Abstandsstrukturen miteinander verbunden werden.
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Die Bauelementstrukturen können unabhängig voneinander ausgewählt sein aus SAW-Strukturen, FBAR-Strukturen, MEMS-Sensoren (= Mikro-Elektro-Mechanisches System), MEMS-Schaltern, MEOPS-Bauelementen (= Mikro-Elektro-Optisches System), MEOMS-Bauelementen (Mikro-Elektro-Optisch-Mechanisches System) oder Kombinationen davon. Das neue Bauelement kann unterschiedliche auf den zwei Substraten bzw. mit den beiden Bauelementstrukturen realisierte Bauelementtypen in einem Bauteil verwirklichen. Das Bauelement kann jedoch auch seine Bauelementfunktionen auf beide Substrate verteilen und so gegenüber bekannten, im Wesentlichen auf einem Substrat aufgebauten Bauelementen mit wesentlich geringer Grundfläche hergestellt werden.
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Mit der Erfindung gelingt eine 3D-Integration mit Hilfe eines an sich bekannten Sandwichaufbaus zweier Substrate, indem auch das zweite Substrat, das in bekannten Bauelementen ausschließlich zur Verkapselung der ersten Bauelementstrukturen und bestenfalls als Träger für passive Schaltungsstrukturen benutzt wurde, nun auch für aktive Bauelementstrukturen eingesetzt wird. Dabei können die empfindlichen Bauelementstrukturen beider Substrate gemeinsam die Hohlräume nutzen, die beim Verbinden der Substrate zwischen den Abstandshaltern geschaffen werden.
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Eine Reihe üblicherweise verwendeter kristalliner Substrate weist eine Anisotropie bezüglich des thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf. Diese Substrate dehnen sich entlang unterschiedlicher Kristallachsen unterschiedlich aus. Dies wirkt sich insbesondere in bekannten Verbünden unterschiedlicher Substrate negativ aus und erhöht die Störanfälligkeit und die Schadenswahrscheinlichkeit dieser Bauelemente.
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In einer Ausgestaltung weist ein Substrat eine Anisotropie bezüglich des thermischen Ausdehnungskoeffizienten TCE (temperature coefficient of expansion) auf. Das zweite Substrat wird dann so gewählt, dass die thermischen Ausdehnungskoeffizienten angepasst sind und die Differenz des Ausdehnungskoeffizienten in beliebigen Richtungen innerhalb der Substratebene (xy Ebene) betragsmäßig gleich oder weniger als 3 ppm/K beträgt. Dies kann üblicherweise nur erreicht werden, wenn auch das zweite Substrat entsprechend anisotrop ist. Thermisch angepasste Substrate bestehen entweder aus gleichem Material oder sind aus Material mit entsprechend geeigneten thermischen Ausdehnungskoeffizienten ausgewählt. Als Freiheitsgrad innerhalb bestimmter Materialklassen bieten sich noch die Schnittwinkel an, durch deren Variation die Ausdehnungskoeffizienten ebenfalls variiert werden können.
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Als Abstandshalter zwischen erstem und zweitem Substrat kann eine strukturierte Zwischenschicht verwendet werden. Die Strukturierung der Zwischenschicht ist so ausgeführt, dass in der Zwischenschicht Ausnehmungen entstehen, in denen die Bauelementstrukturen angeordnet sind. Entsprechend kann die Zwischenschicht zu Rahmenstrukturen strukturiert sein, die die Bauelementstrukturen umschließen. Im sandwichartigen Verbundaufbau bilden die Ausnehmungen dann die Hohlräume für die Bauelementstrukturen, die auf diese Weise sicher vor chemischen und mechanischen Umwelteinflüssen geschützt sind. Auch ist durch den geschlossenen Hohlraum gewährleistet, dass bei einem späteren Packaging Prozess auch flüssige Verkapselungsmedien wie Reaktionsharze oder geschmolzene Polymere ohne Gefahr für die Bauelementstrukturen aufgebracht werden können.
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Für die Zwischenschicht sind alle strukturierbar aufbringbaren, mit dem Herstellungsverfahren kompatiblen und zum Verbleib im Bauelement geeigneten Materialien geeignet. Gut kompatibel sind polymere Materialien, insbesondere direkt photostrukturierbare Resists und Folien. Auch metallische Zwischenschichten sind geeignet und zeichnen sich durch hohe Strukturgenauigkeit, gute Haftung auf und hermetisch dichter. Abschluss zu den meisten Substraten aus. Es können auch Materialien eingesetzt werden, die sich im Laufe des Verfahrens, insbesondere beim Verbinden der Substrate chemisch oder in der Struktur verändern.
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Die ersten und zweiten Bauelementstrukturen können beide mit akustischen Wellen arbeitende Bauelemente darstellen. Mit dem vorgeschlagenen Bauelement können daher reine oder gemischte Kombinationen aus FBAR-Bauelementen und SAW-Bauelementen geschaffen werden. Auf diese Weise gelingt es auch, zwei SAW-Bauelementstrukturen oder zwei FBAR-Bauelementstrukturen, die zusammen mehrere Bauelementfunktionalitäten realisieren, in einem Bauelement zu integrieren.
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Das Bauelement weist gemeinsame Außenanschlüsse auf, die beispielsweise auf der Rückseite eines der beiden Substrate angeordnet sind. Möglich ist es auch, die Außenanschlüsse auf der Vorderseite des „unteren” Substrats anzuordnen und im darüber liegenden oberen zweiten Substrat dafür eine Öffnung vorzusehen, über die der Außenkontakt beispielsweise mittels Verlötung von oben zugänglich ist. Möglich ist es auch, dass die Kantenlänge des oberen zweiten Substrats geringer gewählt wird als die des unteren ersten Substrats, sodass im überstehenden Teil des ersten Substrats Platz für die Außenkontakte geschaffen ist.
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Die Außenanschlüsse können mit den Bauelementstrukturen von erstem und/oder zweitem Substrat über elektrisch leitende Durchkontaktierungen verbunden sein. Möglich ist es jedoch auch, die elektrische Verbindung zwischen den Bauelementstrukturen und den Außenanschlüssen über Anschlussleitungen zu realisieren, die von den Bauelementstrukturen nach außen und dann über die Außenkante des oberen Substrats geführt sind. Möglich ist es auch, die Außenanschlüsse sowohl über Durchkontaktierungen als auch über Anschlussleitungen herzustellen, die über eine Substratkante geführt sind.
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Bei über die Außenkante eines Substrats geführten elektrischen Anschlussleitungen ist diese Kante vorzugsweise abgeschrägt. Vorteilhaft ist es dabei, wenn die Außenkanten sämtlicher Substrate und Zwischen- oder Teilschichten fluchten. Dies ermöglicht es, die Anschlussleitungen einfacher auf die ggf. abgeschrägten Außenkanten aufzubringen.
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Die elektrischen Bauelementstrukturen von erstem und zweitem Substrat können über elektrische Verbindungen miteinander verbunden sein. Diese Verbindungen können direkt über den Raum innerhalb des genannten Hohlraums in der strukturierten Schicht oder allgemein zwischen den Abstandshaltern ausgeführt sein. Möglich ist es jedoch auch, alle elektrischen Anschlüsse über gegebenenfalls abgeschrägte Außenkanten eines oder mehrerer Substrate zu führen und dabei die entsprechenden Verbindungen auf der Außenkante oder vorzugsweise auf der Rückseite des oberen Substrats auszuführen.
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Eine weitere Möglichkeit besteht darin, sämtliche Anschlüsse des auf zwei Substraten verteilten Bauelements auf der Vorderseite eines einzigen Substrats zur Verfügung zu stellen. Dazu wird eine der Anzahl der Anschlussflächen auf einem ersten Substrat entsprechende Anzahl von elektrischen Verbindungen zum zweiten Substrat hin geschaffen. Sämtliche Anschlüsse des zweiten Substrats sowie die durch die Verbindungen auf das zweite Substrat geführten Anschlüsse des ersten Substrats werden anschließend über Anschlussleitungen hin zu den Kontakten geführt. Alternativ oder zusätzlich können die Anschlussleitungen hin zu den Außenkontakten über Durchkontaktierungen auf die Rückseite des oberen Wafers geführt werden.
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Die elektrische Verbindung zwischen ersten und zweiten Bauelementstrukturen kann auch direkt durch die Zwischenschicht geführt werden und nicht in dem für die Bauelementstrukturen vorgesehenen Hohlraum erfolgen. In diesem Fall stellen die elektrischen Verbindungen Durchkontaktierungen durch die Zwischenschicht dar, also mit leitfähigem Material gefüllte Bohrungen durch die Zwischenschicht.
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Das Bauelement kann durch Dünnschleifen zumindest eines der Substrate von der Rückseite her vor dem Aufbringen der Rückseitenkontakte in der Höhe reduziert werden. Die Stabilität des gedünnten Substrats wird dabei durch den Verbund mit dem zweiten Substrat weiter gewährleistet. Möglich ist es auch, die Stabilität durch weitere Stützstrukturen zwischen erstem und zweitem Substrat zu erhöhen bzw. die Zwischenschicht entsprechend zu strukturieren. Bei einem ausreichend stabilen Verbund ist es auch möglich, beide Substrate zu dünnen.
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Vorzugsweise sind beide Substrate kristallin. Die Bauelementstrukturen können dann direkt in oder auf dem kristallinen Substrat ausgeführt sein. Möglich ist es jedoch auch, auf einem kristallinen Substrat eine dünne Schicht zu erzeugen und auf oder in dieser dünnen Schicht Bauelementstrukturen anzuordnen. Die dünne Schicht kann z. B. eine piezoelektrische Schicht umfassen, auf der als Bauelementstrukturen Metallisierungen für ein SAW-Bauelement hergestellt werden können. Die piezoelektrische Schicht kann jedoch auch Teil eines Schichtaufbaus sein, der auf dem Substrat einen FBAR-Resonator oder ein aus strukturierten und verschalteten FBAR-Resonatoren zusammengesetztes Bauelement realisiert.
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Als kristalline Substrate mit Anisotropie bezüglich des Ausdehnungskoeffizienten bieten sich insbesondere Materialien wie Lithiumtantalat, Lithiumniobat oder Quarz an. Als anisotrope Substrate sind auch Folien und Laminate aus flüssigkristallinen Polymeren (LCP) oder Laminate aus mit orientierten Fasern verstärkten Polymeren geeignet. Durch geeignete Auswahl der flüssigkristallinen Polymere, z. B. aromatische Polyester, oder durch geeignete Verfahren bei der Herstellung der LCPs vor allem durch geeignete Behandlung in der Schmelze ist es möglich, auch deren thermischen Ausdehnungskoeffizienten anisotrop zu gestalten und an einen gewünschten Wert, insbesondere an den des zweiten Substrats, anzupassen. LCP-Substrate können als Träger für weitere Bauelementmaterialien dienen, beispielsweise als Trägermaterial für dünne piezoelektrische Schichten, die wiederum dann Träger der Bauelementstrukturen für SAW-Bauelemente oder Teil der Bauelementstrukturen von FBAR-Bauelementen sind. LCP-Substrate zeichnen sich darüber hinaus durch hohe thermische, chemische und mechanische Stabilität, eine für Polymere geringe Wasseraufnahme von z. B. ca. 0,02%, eine ausgezeichnete Barrierewirkung gegen die Permeation von Gasen oder Wasserdampf. Auch weisen sie günstige Hochfrequenzeigenschaften auf, insbesondere einen niedrigen Verlustfaktor und sind daher gut als Substrate für SAW und FBAR Bauelemente geeignet. Eine Einstellung gewünschter anisotroper Eigenschaften gelingt auch durch Laminierung unterschiedlicher Folien mit unterschiedlichen anisotropen Eigenschaften, wobei die Achsen mit maximaler Eigenschaftsänderung in unterschiedlichen Folien des Laminats auch in unterschiedlichen Winkeln zueinander angeordnet werden können. Die Feineinstellung gelingt durch Variation von Anzahl, Schichtdicke und/oder Ausrichtung diverser Folien. Die Effekte können auch durch Füllstoffe abgeschwächt oder verstärkt werden, letzteres z. B. durch orientierte Fasern.
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Möglich ist es, beim vorgeschlagenen Bauelement eines der Substrate auf einem für die Bauelementfunktion optimalen Substrat aufzubauen. Das zweite Substrat wird dann bezüglich eines angepassten Ausdehnungskoeffizienten ausgewählt. Dabei kann in Kauf genommen werden, dass das Substratmaterial des zweiten Substrats nicht mehr optimal zur Realisierung der gewünschten Bauelementfunktion ist. Dies kann jedoch durch entsprechende Gestaltung der Bauelementstrukturen kompensiert werden. Dennoch wird im Verbund aus erstem und zweitem Substrat ein bezüglich Kompaktheit und äußerer Abmessungen ein bislang nicht erreichter Miniaturisierungsgrad erhalten.
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Das zweite Substrat kann auch mit besonderen Maßnahmen an den Ausdehnungskoeffizienten des ersten Substrats angepasst werden, beispielsweise durch mechanisches Verbinden mit einer Zwangsschicht, die die Eigenschaften des Verbunds dann mitbestimmt.
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Zusätzlich oder alternativ kann der Temperaturkoeffizient einer gewünschten oder kritischen Eigenschaft der Bauelementstrukturen auf dem zweiten Substrat durch entsprechendes elektrisches Verschalten angepasst werden, so dass sich im Bauelement auf beiden Substraten ein bezüglich dieser Größe gut angepasstes Verhalten ergibt.
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Möglich ist beispielsweise, kritische SAW Bauelementstrukturen auf anisotropen Substraten gegeneinander zu verdrehen, um so veränderte Temperaturabhängigkeiten für diese Bauelementstrukturen zu erzielen. Möglich ist es auch, über elektrische Mittlung zwischen Bauelementstrukturen, deren Temperaturabhängigkeit auf den beiden Substraten gegenläufig ist, insgesamt zu einer guten Anpassung zu gelangen.
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Möglich ist es auch, mit den beiden Substrate einen Verbund zu schaffen, in dem durch ausreichend feste mechanische Kopplung und entsprechend gegenläufiges thermisches Verhalten die Temperaturkonstanten kompensiert sind.
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Gleichzeitig wird der Aufwand, der bereits bei bekannten Bauelementen zum Herstellen eines Hohlraumgehäuses für ein einziges Substrat mit Bauelementstrukturen erforderlich ist, nun zur Herstellung von Hohlraumgehäusen für annähernd die doppelte Menge an Bauelementstrukturen genutzt. Dies stellt auch eine erhebliche Verfahrensvereinfachung dar und reduziert die Herstellungskosten und den zur Herstellung erforderlichen Zeit- und Arbeitsaufwand.
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Geeignete Substratkombinationen umfassen für das erste Substrat ein kristallines piezoelektrisches Material wie beispielsweise Lithiumtantalat oder Lithiumniobat. Dieses kann vorteilhaft mit einem zweiten Substrat aus Quarz kombiniert werden, wobei durch entsprechende Schnittwahl beim Quarzsubstrat eine Anpassung des Ausdehnungskoeffizienten gewährleistet ist. Ein weiterer Vorteil des Quarzsubstrats ist der mittlerweile günstige Preis dieser Substrate, die piezoelektrische Eigenschaften aufweisen, sodass auch auf Quarz akustische Bauelemente wie SAW oder FBAR realisiert werden können.
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In weiterer Ausgestaltung kann das Bauelement auf der Vorderseite eines oder beider Substrate zusätzlich noch passive Bauelemente tragen, die in Form entsprechend strukturierter Metallisierungen realisiert sind. Solche Strukturen können Widerstände, Kapazitäten und Induktivitäten darstellen. Diese können auch auf der Rückseie eines oder beider Substrate angeordnet sein. Die passiven Bauelemente sind über entsprechende Verbindungsleitungen mit den Bauelementstrukturen eines oder beider Substrate verbunden.
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Ein Bauelement mit weiter vereinfachtem Aufbau wird erhalten, wenn die Vorderseite eines ersten Substrats zusätzlich als zweite Metallisierungsebene für Verschaltungen von zweiten Bauelementstrukturen auf dem zweiten Substrat verwendet wird. So ist es beispielsweise möglich, auf der Vorderseite des ersten Substrats Leiterbahnabschnitte auszubilden, die an beiden Enden über Verbindungen hin zu zwei Verbindungsstellen auf der Vorderseite des zweiten Substrats geführt und dort mit entsprechenden zweiten Bauelementstrukturen verbunden sind. Die Orientierung der Verbinungsstellen und des Leiterbahnabschnitts kann so gewählt sein, dass auf diese Weise gegen mechanischen oder elektrischen Kontakt empfindliche Strukturen auf dem zweiten Substrat in der zweiten Ebene bzw. auf der Vorderseite des ersten Substrats überkreuzt werden, ohne dass diese darüber hinaus gegeneinander isoliert zu werden brauchen. Solche Strukturen können eine oder mehrere Leiterbahnen, akustische Spuren, Reflektoren oder ähnliches sein. Auf diese Weise gelingt eine Vereinfachung der Verschaltungsstruktur auf den Substratoberflächen und aufwändige Leiterbahnführungen auf den Substratoberflächen können vermieden werden.
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In weiterer Ausgestaltung ist es möglich, eine zweite Metallisierungsebene zur Herstellung von Verschaltungen mit Hilfe einer zweilagigen Zwischenschicht zu realisieren. Wird auf jedem der beiden Substrate eine Teilschicht der Zwischenschicht vorgesehen und strukturiert, so kann auf der Oberfläche einer oder beider Zwischenschichten dann jeweils eine Metallisierungsebene erzeugt werden, die insbesondere Leiterbahnabschnitte und elektrische Anschlussleitungen, beispielsweise nach außen führende Anschlussleitungen, umfasst. Nach dem Verbinden der beiden Substrate ist diese zusätzliche Verschaltungsebene zwischen den beiden Teilschichten der Zwischenschicht eingebettet. Möglich ist es jedoch auch, die Strukturierung der Teilschichten der Zwischenschicht auf beiden Substraten unterschiedlich vorzunehmen, wobei Strukturbereiche auf beiden Substraten deckungsgleich sind und direkt miteinander verbunden werden können, während andere Strukturbereiche dann keinen entsprechenden Gegenpart auf dem anderen Substrat haben. Zwischen diesen Strukturbereichen und der Oberfläche des andern Substrats verbleibt nach dem Verbinden der Substrates ein Hohlraum. Möglich ist es auch, sämtliche elektrische Anschlussleitungen für die Bauelementstrukturen in einer solchen zusätzlichen zwischen zwei Teilschichten einer zweischichtigen Zwischenschicht ausgebildeten Metallisierungsebene zu realisieren. Dies hat den Vorteil, dass alle elektrischen Anschlüsse auf einer Ebene erreicht werden können und die Anschlussleitungen keine zusätzliche Substratoberfläche belegen. Die Strukturierung der Zwischenschicht bzw. der Teilschichten der Zwischenschicht erfolgt dabei so, dass die mechanisch empfindlichen aktiven Bauelementstrukturen des Bauelements nicht von der Zwischenschicht bedeckt sind. Eine zweite Metallisierungsebene kann daher vorteilhaft nur in den Bereichen vorgesehen werden, in denen nur mechanisch nicht empfindliche elektrische Zuleitungen und Anschlussflächen angeordnet sind.
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Das Bauelement kann auch eine zumindest drei Teilschichten umfassende Zwischenschicht (ZS) aufweisen, wobei eine mittlere Teilschicht als großflächige Ebene ausgebildet ist. Die obere und die untere Teilschicht sind dann als Abstandsstrukturen zwischen je einem der Substrate und der mittleren Teilschicht ausgebildet. Über die mittlere Teilschicht kann dann vorteilhaft elektrische Leitung stattfinden. Dazu kann sie vollständig leitend ausgebildet sein. Vorteilhaft ist sie jedoch aus einem Isolator ausgebildet, auf dem beidseitig Leiterbahnen nach außen zu den Kanten des Bauelements geführt und dort mit Außenanschlüssen des Bauelements verbunden werden. Die Leiterbahnen können dabei äußerst induktionsarm ausgebildet sein und sind daher insbesondere für induktionsarme Anbindung an Masseanschlüsse geeignet. Dabei ist es möglich, alle Masseanschlüsse der Bauelementstrukturen über die mittlere Teilschicht seitlich zu Außenkanten des Bauelements zu führen.
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Die elektrische Verbindung zu den Bauelementstrukturen kann über die obere und untere Teilschicht erfolgen oder über spezielle auf den Substratoberflächen strukturierte Anschluss- und Verbindungselemente vorgenommen werden.
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Die mittlere durchgehende Teilschicht ist vorteilhaft in zumindest einer Richtung innerhalb der Ebene an den TCE eines der beiden Substrate angepasst, z. B. auf weniger als +/–3 ppm/K. Vorteilhaft werden dann alle Leiterbahnen auf dieser Teilschicht parallel zu der im TCE angepassten Richtung geführt.
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Metallisierungen auf Substrat-Vorderseiten, auf Zwischenschichten und/oder an den Außenkanten der Substrate können auch dazu verwendet werden, große Induktivitäten mit hoher elektrischer Güte zu bilden, indem dort mehrere Windungen strukturiert werden. Eine sehr große Induktivität wird erhalten, wenn eine oder mehrere Windungen auf der Außenkante eines oder beider Substrate aus einer dort aufgebrachten Metallisierung entsprechend strukturiert werden oder direkt strukturiert erzeugt werden.
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Die beiden Teilschichten der Zwischenschicht können auch unterschiedliche Dicken aufweisen. Damit ist es möglich, zwischen zwei Metallisierungen in unterschiedlichen Metallisierungsebenen einen definierten Abstand einzustellen, der für besondere Zwecke optimiert ist. So ist es möglich, durch Gegenüberanordnung zweier Metallisierungen in einem bestimmten Abstand eine definierte elektrische Überschlagsstrecke zu schaffen, die bei Auftreten von unerwünschten Überspannungen beispielsweise infolge von ESD (electro static discharge) diese unschädlich für Bauelementstrukturen auf einen Massenanschluss abzuleiten.
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Der Verbund aus erstem und zweitem Substrat kann auf einem Träger angeordnet und mit diesem über seine Außenanschlüsse elektrisch verbunden werden. Der Träger ist mechanisch stabil und insbesondere mehrschichtig aufgebaut und kann mehrere Metallisierungsebenen mit darin realisierten Verschaltungsstrukturen und passiven Bauelementstrukturen aufweisen. Ein mehrschichtiger Träger kann beispielsweise aus einem Kunststofflaminat oder einer Mehrschichtkeramik ausgeführt sein. In oder auf dem Träger können weitere Verschaltungen von ersten und zweiten Bauelementstrukturen realisiert sein. Insbesondere ist der Träger für solche Strukturen und Schaltungselemente geeignet, die eines nur dielektrischen Substrats bedürfen.
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Der Bauelementverbund wird mit dem Träger insbesondere verlötet, sodass über den Träger eine zusätzliche mechanische Stabilität für den gesamten Aufbau gewährleistet ist. So ist es beispielsweise möglich, im Substratverbund zunächst dasjenige der beiden Substrate zu dünnen, auf dem später die Außenanschlüsse angeordnet werden. Nach dem Verbinden mit dem Träger kann dann auch die Rückseite des zweiten Substrats gedünnt werden, ohne dass dabei die Stabilität des Gesamtverbunds gefährdet wird.
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In einer Ausführung kann der Träger zur Herstellung einer an sich bekannten Verpackung für das Bauelement genutzt werden. Dazu wird der Chip auf dem Träger so mit einer Abdeckung abgedeckt, dass diese das Bauelement umlaufend dicht mit dem Träger abschließt. Die Abdeckung kann eine Kunststoffschicht sein, die beispielsweise durch Foliengießen, als Laminierfolie, als Glob-Top oder durch Umspritzen hergestellt ist.
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Der Träger kann eine Verschaltungsstruktur aufweisen, die auf der Oberfläche des Trägers angeordnete, nahe benachbarte Anschlussflächen mit lötbaren Kontakten an der Unterseite des Trägers so verbindet, dass der Abstand der lötbaren Kontakte größer ist als derjenige der Anschlussflächen.
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Durch die Befestigung des Substratverbunds auf dem Träger über Lötanschlüsse wird die zum Träger weisende Unterseite des unteren Substrats ähnlich wie bei einer Flip-Chip-Anordnung geschützt. Daher ist es möglich, auch auf dieser Oberfläche des unteren Substrats weitere empfindliche Bauelementstrukturen anzuordnen und elektrisch mit dem Träger zu verbinden.
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Es ist vorteilhaft, wenn das Bauelement als äußerste Schicht eine elektromagnetisch abschirmende Schicht aufweist. Diese kann z. B. eine Metallschicht auf die Rückseite des oberen, keine Außenanschlüsse tragenden Substrats S1 sein. Möglich ist es auch, diese abschirmende Schicht auf oder unter einer Abdeckung wie z. B. dem bereits genannten Glob Top vorzusehen.
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Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn das Bauelement auf einer seiner Außenflächen beschriftbar ist. Dazu kann es zwei kontrastbildende Schichten oder Schichtbereiche aufweisen, von denen eine mittels Laser entfernbar ist. Möglich sind auch Schichten, die sich in der Farbe verändern lassen. Vorteilhaft sind die kontrastbildenden Schichten Metallschichten, von denen eine gleichzeitig Teil der Schirmung sein kann.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und der dazugehörigen Figuren näher erläutert. Diese dienen allein der Veranschaulichung der Erfindung und sind daher nur schematisch und nicht maßstabsgetreu ausgeführt. Gleiche oder gleich wirkende Teile sind mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
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1 zeigt ein erstes Bauelement mit Durchkontaktierungen,
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2 zeigt ein zweites Bauelement mit über die Außenkante geführten Anschlussleitungen,
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3 zeigt ein drittes Bauelement mit elektrischen Außenkontakten auf der Vorderseite des unteren Substrats,
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4 zeigt ein Bauelement mit dünnen Schichten auf dem Substrat,
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5 zeigt ein Bauelement mit zwei unterschiedlichen Bauelementstrukturen, von denen eines in einer dünnen Schicht realisiert ist,
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6 zeigt ein Beispiel mit strukturierter Zwischenschicht,
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7 zeigt ein Bauelement mit isoliert geführter Durchkontaktierung,
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8 zeigt verschiedene Verfahrensstufen bei der Herstellung eines Bauelements,
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9 zeigt ein Bauelement mit einer mittleren als Masseanschluss ausgebildeten Ebene der Zwischenschicht.
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1 zeigt eine erste Ausführungsform eines Bauelements im schematischen Querschnitt. Auf einem ersten Substrat S1 sind erste Bauelementstrukturen BS1 angeordnet, die elektrisch mit entsprechenden Anschlusskontakten Ak1 verbunden sind. Auf einem zweiten Substrat S2 sind zweite Bauelementstrukturen BS2 und entsprechende elektrisch leitend damit verbundene Anschlusskontakte AK2 angeordnet. Die beiden Substrate S1, S2 sind mit den die Bauelementstrukturen BS tragenden Vorderseiten verbunden, wobei eine strukturierte Zwischenschicht ZS, die den Bereich der Bauelementstrukturen BS frei lässt, als Abstandshalter fungiert. Für FBAR und SAW Bauelementstrukturen ist z. B. ein Abstand der Substratoberflächen von 5 μm zumeist ausreichend, um einen sicheren Betrieb der mechanisch empfindlichen Bauelementstrukturen innerhalb des so geschaffenen Hohlraums zu garantieren. Die beiden Anschlusskontakte Ak1, AK2 sind über elektrische Verbindungen VL miteinander verbunden, die hier auf direktem Weg über den Freiraum zwischen den beiden Vorderseiten geführt sind. Die beiden Anschlusskontakte stehen sich in der Anordnung direkt gegenüber. Auf der Rückseite des zweiten Substrats S2 sind elektrische Außenanschlüsse AA für die ersten und zweiten Bauelementstrukturen angeordnet. Diese sind über Durchkontaktierungen DK durch das zweite in der Darstellung obere Substrat mit den Anschlusskontakten auf der Vorderseite verbunden. In der Darstellung führen die Durchkontaktierungen nur zum Anschlusskontakt AK2 des oberen zweiten Substrats S2. Diese Ausführung eignet sich besonders bei Substraten, die zumindest eine Kunststoffschicht umfassen, da hier die Durchkontaktierungen einfach herzustellen sind.
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Erstes und/oder zweites Substrat können aus piezoelektrischem Material bestehen und beispielsweise aus Lithiumtantalat- oder Lithiumniobat-Wafern gefertigt sein. Beide Substrate sind bezüglich ihres Ausdehnungskoeffizienten so in der Substratebene aneinander angepasst, dass die Abweichung vom Betrag her maximal 3 ppm/K beträgt. Dies wird bei unterschiedlichen Substratmaterialien durch einen geeignet gelegten Schnitt durch das anisotrope Material gewährleistet. Das zweite Substrat S2 kann auch ein einkristallines Quarzsubstrat sein. Die Bauelementstrukturen können dann Metallisierungen für Interdigitalwandler und Reflektoren darstellen. Die Zwischenschicht ZS ist vorzugsweise so strukturiert, dass sie die Bauelementstrukturen beider Substrate S so umschließt, dass diese in der Sandwich-Anordnung zwischen den beiden Substraten in einem Hohlraum angeordnet sind. Vorzugsweise ist die Zwischenschicht aus elektrisch isolierendem Material gefertigt. Einfach in Aufbau und Herstellung sind auch metallische Rahmen, die z. B. galvanisch oder stromlos erzeugt und strukturiert werden können.
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Werden Teilschichten der Zwischenschicht auf unterschiedlichen Substraten aufgebracht und in Form metallischer Rahmen strukturiert, so können diese zur mechanischen Verbindung der beiden Substrate genutzt werden, beispielsweise durch Diffusionslöten. Dabei wird allein durch mechanischen Kontakt zweier Metallschichten aus Komponenten bei erhöhter Temperatur unter Schutzgas eine Legierungsbildung ausgelöst, wobei sich eine intermetallische Phase mit höherem Schmelzpunkt bilden kann. Geeignet dazu ist z. B. Cu3Sn, das sich unter bestimmten Bedingungen aus reinen oder gemischten Cu- und Sn-Schichten bilden kann. Werden die Ausgangsschichten bezüglich ihrer Dicke richtig gewählt, können die Teilschichten vollständig in diese neue Phase übergehen. Cu3Sn weist zudem vorteilhaft eine ausreichende Elastizität auf, die den Verbund stabilisiert. Diffusionslöten kann bei allen Substraten eingesetzt werden, die bei den erforderlichen Temperaturen stabil sind, so auch eine Vielzahl gängiger LCP Materialien.
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Zum Verbinden sind jedoch auch andere Verfahren wie Löten, Kleben oder andere an sich bekannte Waferbondverfahren geeignet.
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2 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Bauelements im schematischen Querschnitt. Hier sind die Außenkanten der Substrate annähernd vertikal dargestellt, können aber auch zumindest teilweise von oben her abgeschrägt sein, womit sich die Aufbringung und Strukturierung der Metallisierung auf den Außenkanten erleichtert. Abgeschrägte Außenkanten können auch in allen weiteren Ausführungsbeispielen an Stelle der dargestellten vertikalen Kanten eingesetzt werden. Die Anschlusskontakte AK auf den Vorderseiten der beiden Substrate, die mit den Bauelementstrukturen BS elektrisch leitend verbunden sind, sind jeweils bis zur Außenkante geführt und schneiden diese. Auf der Rückseite des oberen zweiten Substrats S2 sind Außenanschlüsse AA vorgesehen. Auf den abgeschrägten Außenkanten des Bauelements sind Anschlussleitungen AL angeordnet, die die Außenkante des Bauelements schneiden und die Anschlusskontakte auf den Substratvorderseiten mit den genannten Außenanschlüssen AA auf der Rückseite des zweiten Substrats S2 elektrisch leitend verbinden. Die Anschlussleitungen sind strukturiert, sodass jeweils einem oder mehreren Anschlusskontakten auf der Vorderseite eines der beiden Substrate eine eigene Anschlussleitung und ein entsprechender Außenanschluss AA auf der Rückseite zugeordnet ist. Obwohl die Zwischenschicht ZS hier teilweise über den nach außen geleiteten Anschlusskontakten angeordnet ist, ist sie dennoch so strukturiert und planarisiert, dass sie die Ausnehmung AN im Inneren des Sandwich-Aufbaus dicht abschließt.
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3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem zwei Substrate mit ihren Vorderseiten unter Dazwischenanordnung einer strukturierten Zwischenschicht ZS miteinander verbunden sind. Die Grundfläche des oberen zweiten Substrats S2 ist dabei geringer als die des unteren, sodass das untere erste Substrat S1 entsprechend übersteht. Die Anschlusskontakte AK des unteren ersten Substrats S1 sind in diesen überstehenden Bereich geführt bzw. dort angeordnet. Die Anschlusskontakte AK2 des zweiten Substrats S2 sind über elektrische Verbindungen VL mit Anschlusskontakten Ak1 auf der Vorderseite des unteren ersten Substrats S1 verbunden und ebenfalls in den nicht vom ersten Substrat überdeckten freien überstehenden Bereich des ersten Substrats S1 geführt. Über eine entsprechende Verbindungstechnik, beispielsweise über ausreichend hohe Bumps BU kann das aus den Bauelementstrukturen BS1, BS2 auf den beiden Substraten bestehende Bauelement elektrisch mit der Außenwelt kontaktiert werden und auf einem Träger oder einer Platine montiert werden. In dieser Ausführung werden also alle elektrischen Anschlüsse beider Substrate auf die Vorderseite des unteren Substrats geführt und ausschließlich von dort mit der Außenwelt verbunden.
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Eine weitere nicht dargestellte Möglichkeit besteht darin, die in den 1 und 2 dargestellten Verbindungsmöglichkeiten über Durchkontaktierungen DK bzw. über eine abgeschrägte Außenkante geführte Anschlussleitung AL miteinander zu kombinieren und beide Möglichkeiten in einem Bauelement vorzusehen.
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4 zeigt eine weitere Ausführungsform, bei der die Substrate selbst modifiziert sind. Die Substrate S1 und 52 umfassen beide jeweils ein anisotropes kristallines Material, das jedoch auf der Vorderseite von einer dünnen Schicht DS bedeckt ist, auf der jeweils Bauelementstrukturen BS realisiert sind. Die beiden Substrate können hier aus gleich m Material bestehen, während die dünnen Schichten DS aus unterschiedlichem Material hergestellt sein können. Das thermische Verhalten und die thermomechanische Anpassung der mit der dünnen Schicht versehenen Substrate und insbesondere der Temperaturkoeffizient der Mittenfrequenz bei darauf verwirklichten HF-Bauelementen wie SAW ist dabei weitgehend von dem Substratmaterial bestimmt, da deren Dicke groß ist gegen diejenige der dünnen Schicht.
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Auch diese mit jeweils einer dünnen Schicht DS versehenen Substrate S können mit einer wie in den 1 bis 3 dargestellten Verbindungstechnik miteinander verbunden werden und mit gemeinsamen Außenanschlüssen AA kontaktiert werden. In der 4 erfolgt die Kontaktierung mit den Außenanschlüssen AA über Anschlussleitungen AL, die über die Kante des Bauelements geführt sind und mit den in der Kante mündenden Anschlusskontakten auf den jeweiligen Substratvorderseiten bzw. auf der Oberfläche der jeweiligen Dünnschicht elektrisch verbunden sind. Die strukturierte Zwischenschicht gewährleistet auch hier einen ausreichenden Abstand zwischen den Substraten so, dass die Bauelementstrukturen BS in der Ausnehmung des Sandwich-Aufbaus sicher und ohne mechanische Beeinträchtigung angeordnet sind.
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Nicht dargestellt aber möglich ist es auch, Verbindungsleitungen zwischen unterschiedlichen Metallisierungsebenen oder Substraten, beispielsweise zwischen Bauelementstrukturen auf unterschiedlichen Substraten über eine äußere Kante der Zwischenschicht zu führen, die mit einer Substratkante fluchtet. Diese Verbindungen bzw. Verschaltungen sind besonders einfach herzustellen und erfordern keinen zusätzlichen Verfahrensaufwand.
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5 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Bauelements, bei der wieder ein erstes und ein zweites Substrat S1, S2 unter Dazwischenanordnung eines Abstandshalters, beispielsweise einer strukturierten Zwischenschicht ZS miteinander verbunden sind. Die Bauelementstrukturen BS des ersten Substrats S1 sind hier in einem Dünnschichtaufbau DSA realisiert und stellen beispielsweise ein aus FBAR-Resonatoren ausgebildetes HF-Filter dar. Auch das zweite obere Substrat S2 ist mit einer dünnen Schicht DS eines Materials versehen, welches als Substrat für die zweiten Bauelementstrukturen BS2 dient, die hier beispielsweise wieder in Form von Metallisierungen für z. B. ein SAW Bauelement auf der Vorderseite (in der Figur der Unterseite) des zweiten Substrats S2 angeordnet sind. Weiterhin finden sich auf den Vorderseiten noch wie gehabt die Anschlusskontakte AK, die elektrisch mit den entsprechenden Bauelementstrukturen BS bzw. dem Dünnschichtaufbau DSA verbunden sind und zu einer wiederum abgeschrägten Außenkante des Bauelements führen, wo sie über Anschlussleitungen AL mit Außenanschlüssen AA auf der Rückseite des oberen zweiten Substrats S2 verbunden sind. Auch für diese Substrat- bzw. Bauelemente sind andere Anschlussverfahren möglich, wie sie in den 1 bis 3 dargestellt sind. Möglich ist es auch, zum elektrischen Anschließen der Bauelementstrukturen Kombinationen der vorgestellten Möglichkeiten zu realisieren.
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FBAR Resonatoren können vom SMR Typ (Solidly mounted resonator) oder vom Bridgetyp sein. Erstere sind auf einem akustischen Spiegel angeordnet, der als unterste Schichtkombination des Dünnschichtaufbaus DSA realisiert sein kann. Beim Bridgetyp sind die Resonatoren auf einer Membran innerhalb des Dünnschichtaufbaus DSA angeordnet, die im Bereich der Resonatoren eine Ausnehmung im Dünnschichtaufbaus DSA oder im Substrat überspannt.
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6 zeigt eine weitere Ausführung im schematischen Querschnitt. Diese Ausführung betrifft eine Variation der Zwischenschicht, die hier zweischichtig ist, wobei jedem der Substrate S1 und S2 eine Teilschicht der Zwischenschicht zugeordnet ist. Die Teilschichten der Zwischenschichten können auf jedem Substrat unabhängig voneinander strukturiert sein. übereinstimmend strukturiert sind die als Abstandshalter fungierenden Bereiche ZSR, die wiederum die Bauelementstrukturen unter Ausbildung eines Hohlraums rahmenförmig umschließen.
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Auf der Vorderseite zumindest eines der Substrate S kann die jeweilige Teilschicht der Zwischenschicht ZST ohne gegenüberliegendes Gegenstück auf dem anderen Substrat strukturiert sein. In diesem Fall ist die Zwischenschicht ZS bzw. die ihr zugeordneten Teilschichten ZST aus elektrischem isolierendem Material ausgeführt. Auf unabhängig strukturierten Teilschichten ZST steht dann eine weitere Ebene zur Verfügung, auf der Bauelementstrukturen, Anschlussleitungen oder überhaupt Leiterbahnabschnitte angeordnet und mit Bauelementstrukturen bzw. Außenkontakten AK verbunden werden können.
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Werden Metallisierungen auf strukturierten Teilschichten ZST über einem ersten Substrat S1 aufgebracht, so ist es vorteilhaft, diese Teilschicht mit zumindest einer abgeschrägter. Kante zu versehen, über die die Metallisierung dann hin zu Metallisierungen auf dem Substrat S1 geführt wird. Über eine solche Metallisierung auf einer strukturierten Teilschicht kann auch die gegenseitige elektrische Verbindung zwischen den Bauelementstrukturen beider Substrate vorgenommen werden, wenn diese Metallisierungen beim Verbinden beider Substrate durch eine geeignete Verbindungstechnik in mechanischen und elektrischen Kontakt miteinander treten.
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Diese zweite Ebene kann auch wie dargestellt dazu dienen, Überkreuzungen von Strukturen wie z. B. Leiterbahnen herzustellen, wie dies in 6 dargestellt ist. Hier ist ein Leiterbahnabschnitt LA, der mit einem Anschlusskontakt AK1 verbunden ist, auf die Oberseite der strukturierten Teilschicht ZST geführt. Quer dazu verlaufend unterhalb dieser Teilschicht ZST ist eine weitere Leiterbahn LB angeordnet, die ebenfalls mit Bauelementstrukturen BS1 des ersten Substrats verbunden ist. Mit Hilfe solcher Überkreuzungen gelingt es, die Führung der elektrischen Anschlusskontakte AK und der dazu erforderlichen Leiterbahnen auf der Oberfläche des Substrats wesentlich zu vereinfachen, da die Leiterbahnführungen nun wesentlich geradliniger und kürzer ausgeführt werden können. Die Leiterbahnen und Leiterbahnabschnitte können verlängerte Anschlusskontakte oder Bauelementstrukturen verbindende elektrische Leiter darstellen. Gegenüber Leiterbahnen, die direkt auf der Substratoberfläche aufliegen, ist zur Herstellung dieser Anordnung lediglich ein weiterer Metallisierungsschritt erforderlich. Nicht dargestellt ist die Kontaktierung der Bauelementstrukturen über ihre Anschlusskontakte AK mittels der bereits weiter oben beschriebenen Techniken. 7 zeigt im schematischen Querschnitt eine weitere Möglichkeit, wie Anschlusskontakte auf der Vorderseite eines der beiden Substrate kontaktiert werden können. Sämtliche Anschlusskontakte AK2 der Bauelementstrukturen BS2 des zweiten Substrats S2 sind über Verbindungsleitungen VL auf direktem Weg über den Raum mit Anschlusskontakten AK1 auf der Vorderseite des unteren ersten Substrats S1 verbunden. Die Verbindung dieser Anschlusskontakte mit auf der Rückseite des zweiten Substrats S2 angeordneten Außenanschlüssen AA gelingt über Durchkontaktierungen DK, die durch das zweite Substrat S2 und die Zwischenschicht ZSR geführt sind. Die Zwischenschicht ZS ist dabei so strukturiert, dass sie im Bereich der Durchkontaktierung DK verbreitert ist. Dies ermöglicht es, die Durchkontaktierung vollständig innerhalb eines Schichtbereichs der Zwischenschicht vorzunehmen, wodurch die Herstellung der Durchkontaktierung erleichtert ist. Diese kann beispielsweise durch Bohrung und/oder Ätzen von der Rückseite des zweiten Substrats S2 her hergestellt werden, wobei die Oberfläche der Anschlusskontakte Ak1 auf der Vorderseite des ersten Substrats S1 als Ätzstopp dienen können. Da die Bohrung nicht innerhalb des Hohlraums mit den Bauelementstrukturen mündet, kann sie in einfacher Weise mit elektrisch leitendem Material gefüllt werden.
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Möglich ist es jedoch auch, in Abweichung von der in 7 dargestellten Ausführung, Durchkontaktierungen sowohl zu Anschlusskontakten auf dem ersten Substrat als auch solche zu Anschlusskontakten auf dem zweiten Substrat zu führen. Dies kann dadurch erleichtert werden, wenn auch hier im Bereich der Durchkontaktierung ein Schichtbereich der Zwischenschicht angeordnet wird bzw. die Zwischenschicht entsprechend strukturiert wird. Auch dadurch wird verhindert, dass auch bei Überätzung bzw. zu tief reichendem Bohrloch nicht die Ausnehmung bzw. der Hohlraum zwischen den beiden Substraten mit den Bauelementstrukturen geöffnet wird und das elektrisch leitende Material in einem allseits geschlossenen Bohrloch angeordnet werden kann.
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9 zeigt im schematischen Querschnitt ein Bauelement mit einer dreischichtigen Zwischenschicht, von denen die mittlere Teilschicht ZS2 als durchgehende Ebene für den Masseanschluss ausgebildet ist. Der elektrische Kontakt zu den beiden Bauelementstrukturen erfolgt über Verbindungsleiter VL direkt über den Raum. Die mittlere Teilschicht ZS2 kann leitend sein oder zumindest Leiterbahnstrukturen aufweisen, die nach außen zu den Anschlussleitungen AL führen, die wiederum zu den Außenanschlüssen AA führen. Die übrigen Anschlüsse (nicht dargestellt) können ebenfalls über weitere Anschlussleitungen erfolgen, die in bereits beschriebener Weise mit den Bauelementstrukturen verbunden sein können.
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In 8 ein ausgewähltes Herstellungsverfahrens anhand charakteristischer Verfahrensstufen, die jeweils als schematische Querschnitte durch das oder die Substrate ausgeführt sind, erläutert.
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8A zeigt ein erstes Substrat mit darauf angeordneten Bauelementstrukturen und deren Anschlusskontakten AK. Entsprechend wird ein zweites Substrat mit zweiten Bauelementstrukturen BS2 vorgesehen. Als Substrate werden großflächige Wafer aus dem jeweiligen Substratmaterial verwendet, auf deren Vorderseiten Bauelementstrukturen für eine Vielzahl von Bauelementen angeordnet sind.
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Im nächsten Schritt wird eine Zwischenschicht ZS auf zumindest einem der beiden Substrate aufgebracht und in gewünschter Weise strukturiert. 8B zeigt beispielhaft nur die als Abstandsstrukturen ausgebildeten Bereiche der Zwischenschicht. Vorzugsweise werden bei der Strukturierung rahmenförmige Strukturen ausgebildet, die die Bauelementstrukturen für jeweils ein Bauelement vollständig umschließen. Im beispielhaft dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Zwischenschicht aus elektrisch isolierendem Material gefertigt und besteht beispielsweise aüs einem strukturierbaren Polymer. Die Zwischenschicht kann dabei ganzflächig in flüssiger Form durch Auftropfen, Aufschleudern oder durch Foliengießen aufgebracht sein. Möglich ist es auch, eine Folie aufzulaminieren. Vorteilhaft ist es, wenn die Zwischenschicht lichtempfindlich eingestellt ist, was eine einfache Strukturierung mittels Fotolithographie ermöglicht. Die Zwischenschicht kann aber auch bereits strukturiert aufgebracht werden, beispielsweise durch Aufdrucken.
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Erstes und zweites Substrat werden nun so zusammengefügt, dass einander zugeordnete Bauelementstrukturen ES und gegebenenfalls auch – soweit vorhanden – Teilschichten für die Abstandsstruktur sich jeweils gegenüber liegen.
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8C zeigt die Anordnung nach dem Verbinden der Substrate. Die mechanische Verbindung kann durch Verkleben erfolgen, wobei die Zwischenschicht selbst als Klebstoff fungieren kann oder mit einem Klebstoff versehen wird. Möglich ist es auch, die Zwischenschicht aus einem Thermoplasten zu fertigen und die Verklebung durch Aufschmelzen der Zwischenschicht durchzuführen. Jeweils zwei Bauelementstrukturen BS auf den beiden Substraten S1, S2, die einem Bauelement zugeordnet sind, sind nun innerhalb eines gemeinsamen Hohlraums zwischen den beiden Substraten von der strukturierten Zwischenschicht umschlossen angeordnet.
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8D zeigt eine einfache Möglichkeit, wie die elektrische Kontaktierung der Bauelementstrukturen auf Waferebene in einem Schritt für alle auf dem Wafer realisierten Bauelemente vorgenommen werden kann. Dazu werden von der Rückseite des zweiter. Substrats S2 her durch Einsägen Einschnitte ES erzeugt, die vorteilhaft mit sich verjüngendem und z. B. V-förmigem Querschnitt. Jeder Einschnitt erfolgt im Bereich der strukturierten Zwischenschicht so, dass dabei die Hohlräume mit den Bauelementstrukturen nicht geöffnet werden. In den Einschnitten werden dabei gleichzeitig die Anschlusskontakte auf den jeweiligen Substratoberflächen freigelegt. Die Einschnitte werden vorzugsweise als geradlinige Schnitte geführt, sodass ein schachbrettartiges Muster von Einschnitten entsteht, die einzelne Bauelementbereiche voneinander trennen.
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Im nächsten Schritt wird ganzflächig eine Metallisierung auf der Rückseite des zweiten Substrats S2 und innerhalb der Einschnitte abgeschieden und strukturiert. Die Strukturierung erfolgt so, dass in einem Schritt sowohl die Außenanschlüsse AA als auch die Anschlussleitungen AL innerhalb der Einschnitte strukturiert werden, die jeden Außenanschluss mit einem entsprechenden Anschlusskontakt auf einer Substratvorderseite verbinden. Die Metallisierung erfolgt vorzugsweise in zwei Schritten, wobei eine dünne Grundschicht, vorzugsweise aus der Gasphase, beispielsweise durch Aufdampfen oder Aufsputtern aufgebracht und anschließend stromlos oder galvanisch verstärkt wird. Die Strukturierung kann mit einer Fototechnik erfolgen, die während der galvanischen oder stromlosen Verstärkung der Grundmetallisierung nicht zu verstärkende Bereiche abdeckt. Ist eine ausreichende Schichtdicke erzeugt, werden sowohl die Maske als auch darunter verbleibende Bereiche der Grundmetallisierung entfernt. 8D zeigt die Anordnung nach der Herstellung von Anschlussleitungen und Außenanschlüssen.
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Im nächsten Schritt wird ein Lötstopplack LS aufgebracht und so strukturiert, dass nur die zur Herstellung von Bumps vorgesehenen Bereiche der Außenanschlüsse AA unbedeckt bleiben. Die Bumps können dann in einfacher Weise an diesen Stellen durch Behandlung mit flüssigem Lot erzeugt werden, das nur auf den vom Lötstopplack freien Oberflächen haftet und dort die gewünschten, den Bumps entsprechenden Lotkugeln ausbildet. 8E zeigt die Anordnung auf dieser Verfahrensstufe.
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Im nächsten Schritt wird der bisher erzeugte Verbund über die mit den Bumps versehenen Rückseite des zweiten Substrats mit einem Hilfsträger (hier nicht dargestellt) so verbunden, dass er ausreichend auf dem Hilfsträger abgestützt bzw. sicher gelagert ist. Anschließend wird das in der 8F oben liegende erste Substrat S1 von der Rückseite her gedünnt. Dazu können an sich bekannte Prozesse wie CMP, Fräsen oder Grinden eingesetzt werden. Dabei wird so viel Material abgetragen, dass die V-förmigen Einschnitte im ersten Substrat von der Rückseite her freigelegt werden. Dabei wird auch eine Vereinzelung der durch die Einschnitte definierten Einzelbauelemente erreicht. Diese können in an sich bekannter Weise entweder direkt über, ihre Bumps mit einer Schaltungsumgebung verlötet werden. Möglich ist es jedoch auch, die Einzelbauelemente auf einem mehrschichtigen Träger anzuordnen, in dem Schaltungsstrukturen und gegebenenfalls passive Bauelemente realisiert sind. Der Träger kann auch zur Aufnahme weiterer Bauelemente dienen und stellt dann ein Modulsubstrat dar. Als weitere Bauelemente können diskrete oder integrierte aktive oder passive Bauelemente vorgesehen sein. Möglich ist es auch, auf der Rückseite des ersten Substrats S1 weitere Bauelemente unterschiedlicher Art anzuordnen und mit den durch Bauelementstrukturen des vorliegenden Bauelements definierten Bauelementen zu verbinden.
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Auch die Herstellung von Bauelementen anderer Ausführungsbeispiele gemäß. den 1, 3, 6 und 7 könne auf Waferebene durchgeführt werden, wobei alle Schritte für eine Vielzahl von Bauelementen parallel durchgeführt werden.
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Die Erfindung wurde nur anhand weniger Ausführungsbeispiele dargestellt, ist aber nicht auf diese beschränkt. Sie ist mit allen Bauelementtypen realisierbar, die empfindliche Bauelementstrukturen aufweisen, die in Hohlraumgehäusen anzuordnen sind. Dementsprechend kann auch die Auswahl der Substratmaterialien entsprechend frei erfolgen, unter der Voraussetzung, dass zumindest eines der Substrate anisotrop bezüglich des thermischen Ausdehnungskoeffizienten ist und dass das zweite Substrat diesem Ausdehnungskoeffizienten angepasst und daher in der Regel ebenfalls anisotrop ist. Besonders vorteilhaft sind auf den beiden Substraten zwei mit akustischen Wellen arbeitende Teilbauelemente kombiniert beispielsweise zwei SAW-Filter oder ein SAW-Filter und ein aus FBAR-Resonatoren aufgebautes Filter. Das insgesamt auf den zwei Substraten realisierte Bauelement kann dann beispielsweise ein Diplexer, ein Duplexer oder ein Two-in-one-Filter darstellen, mithin also alles Bauelemente für den Einsatz in Mobilfunkeinrichtungen.
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Die Aufteilung dieser Bauelemente auf zwei Substrate ermöglicht es in einfacher Weise, für jedes Bauelement spezifische Herstellungsschritte einzusetzen und auch das für den jeweiligen Bauelementstrukturen am besten geeignete Substratmaterial weitgehend unabhängig vom zweiten Substrat auszuwählen. So ist es insbesondere möglich, auf einem Substrat im 1 GHz-Bereich arbeitende Bauelemente, auf dem zweiten Substrat im 2 GHz-Bereich arbeitende Bauelemente auszuführen. Auch der jeweilige Bauelementtyp, den die jeweiligen Bauelementstrukturen realisieren, kann dann frei gewählt sein. Dabei kann ein Filter beispielsweise aus Resonatoren als Reaktanzfilter aus DMS-Spuren oder aus Kombinationen dieser Elemente ausgeführt sein. In jedem Fall wird ein kompaktes Bauelement erhalten, welches eine wesentlich geringere Grundfläche als leistungsgleiche bekannte Bauelemente aufweist und welches gegenüber einem auf einem einzigen Substrat ausgebildeten Bauelement eine nur unwesentlich größere Höhe aufweist. Die Herstellung der Bauelemente gelingt kostengünstig auf Waferebene in einem WLP-Prozess (Wafer Level Packaging) und kann daher mit minimiertem Zeit- und Kostenaufwand durchgeführt werden.
