Bei
der Entwicklung von Gehäusen
für Halbleiterchips,
die bewegliche Elemente enthalten, müssen besondere Anforderungen
beachtet werden. Beispielsweise reagieren bewegliche Elemente empfindlich
auf mechanische Verspannungen, die während der Gehäusefertigung
auftreten können
oder die durch bestimmte Eigenschaften der Gehäuse verursacht werden können.at
the development of housings
for semiconductor chips,
The moving elements must have special requirements
get noticed. For example, moving elements are sensitive
on mechanical tension during the case manufacturing
may occur
or which may be caused by certain characteristics of the housing.
Vor
diesem Hintergrund wird ein Modul gemäß der unabhängigen Ansprüche 1, 15
und 26 sowie ein Verfahren gemäß der unabhängigen Ansprüche 11,
21 und 31 angegeben. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen
sind in den Unteransprüchen
angegeben.In front
This background is a module according to the independent claims 1, 15
and 26 and a method according to independent claims 11,
21 and 31 indicated. Advantageous developments and refinements
are in the subclaims
specified.
Gemäß einer
Ausgestaltung umfasst ein Modul einen Halbleiterchip mit mindestens
einem beweglichen Element, ein erstes Substrat und ein zweites Substrat.
Die beiden Substrate sind aus einem Glas- oder Halbleitermaterial
gefertigt. Das erste Substrat bedeckt eine erste Hauptoberfläche des Halbleiterchips,
und das zweite Substrat bedeckt eine zweite Hauptoberfläche des
Halbleiterchips. Ein Teil zumindest des Halbleiterchips oder des
ersten Substrats oder des zweiten Substrats liegt offen.According to one
Embodiment, a module comprises a semiconductor chip with at least
a movable element, a first substrate and a second substrate.
The two substrates are made of a glass or semiconductor material
manufactured. The first substrate covers a first main surface of the semiconductor chip,
and the second substrate covers a second major surface of
Semiconductor chips. A part of at least the semiconductor chip or the
first substrate or the second substrate is open.
Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung umfasst ein Modul einen Halbleiterchip mit
mindestens einem beweglichen Element, ein erstes Substrat und ein
zweites Substrat. Die beiden Substrate weisen jeweils einen thermischen
Ausdehnungskoeffizienten im Bereich von 0,3·10–6/K
bis 8,2·10–6/K
auf. Das erste Substrat bedeckt eine erste Hauptoberfläche des Halbleiterchips,
und das zweite Substrat bedeckt eine zweite Hauptoberfläche des
Halbleiterchips. Ein Teil zumindest des Halbleiterchips oder des
ersten Substrats oder des zweiten Substrats liegt offen.According to a further embodiment, a module comprises a semiconductor chip with at least one movable element, a first substrate and a second substrate. The two substrates each have a thermal expansion coefficient in the range of 0.3 · 10 -6 / K to 8.2 · 10 -6 / K. The first substrate covers a first main surface of the semiconductor chip, and the second substrate covers a second main surface of the semiconductor chip. A part of at least the semiconductor chip or the first substrate or the second substrate is open.
Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung umfasst ein Modul einen Halbleiterchip mit
mindestens einem beweglichen Element, ein erstes Substrat und ein
zweites Substrat. Das erste Substrat bedeckt eine erste Hauptoberfläche des
Halbleiterchips. Das zweite Substrat bedeckt eine zweite Hauptoberfläche des Halbleiterchips
und weist eine dem mindestens einen beweglichen Element zugewandte
Ausnehmung auf. Ein Teil zumindest des Halbleiterchips oder des
ersten Substrats oder des zweiten Substrats liegt offen.According to one
In another embodiment, a module comprises a semiconductor chip
at least one movable element, a first substrate and a
second substrate. The first substrate covers a first major surface of the first substrate
Semiconductor chips. The second substrate covers a second main surface of the semiconductor chip
and has a facing the at least one movable element
Recess on. A part of at least the semiconductor chip or the
first substrate or the second substrate is open.
Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung wird ein Halbleitersubstrat, das mindestens
zwei bewegliche Elemente aufweist, bereitgestellt. Ein erstes Substrat
wird auf eine erste Hauptoberfläche
des Halbleitersubstrats aufgebracht. Nach dem Aufbringen des ersten
Substrats auf die erste Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats
wird das Halbleitersubstrat zu mindestens zwei Halbleitermodulen
mit jeweils mindestens einem beweglichen Element getrennt.According to one
Another embodiment, a semiconductor substrate, the at least
has two movable elements provided. A first substrate
gets on a first main surface
of the semiconductor substrate applied. After applying the first
Substrate on the first main surface of the semiconductor substrate
the semiconductor substrate becomes at least two semiconductor modules
each separated with at least one movable element.
Die
Erfindung wird nachfolgend in beispielhafter Weise unter Bezugnahme
auf die Zeichnungen näher
erläutert.
In diesen zeigen:The
Invention will now be described by way of example with reference to FIG
closer to the drawings
explained.
In these show:
1 eine
schematische Darstellung eines Moduls 100 als Ausführungsbeispiel; 1 a schematic representation of a module 100 as an embodiment;
2 eine
schematische Darstellung eines Moduls 200 als weiteres
Ausführungsbeispiel; 2 a schematic representation of a module 200 as another embodiment;
3 eine
schematische Darstellung eines Moduls 300 als weiteres
Ausführungsbeispiel; 3 a schematic representation of a module 300 as another embodiment;
4 eine
schematische Darstellung eines Verfahrens zur Herstellung des Moduls 300 als
weiteres Ausführungsbeispiel;
und 4 a schematic representation of a method for producing the module 300 as another embodiment; and
5 eine
schematische Darstellung eines Verfahrens zur Herstellung des Moduls 100 als
weiteres Ausführungsbeispiel. 5 a schematic representation of a method for producing the module 100 as another embodiment.
Im
Folgenden werden Module, die Halbleiterchips mit beweglichen Elementen
umfassen, sowie Verfahren zur Herstellung der Module beschrieben. Die
Erfindung ist unabhängig
von der Art der Halbleiterchips und der beweglichen Elemente. Die
beweglichen Elemente können
beispielsweise mechanische Elemente, Sensoren oder Aktoren sein
und können
beispielsweise als Drucksensoren, Beschleunigungssensoren, Rotationssensoren
oder Mikrofone ausgestaltet sein. Die Halbleiterchips, in welche
die beweglichen Elemente eingebettet sind, umfassen elektronische
Schaltungen, die beispielsweise die beweglichen Elemente ansteuern
oder Signale, die von den beweglichen Elementen erzeugt werden, weiterverarbeiten.
Die beweglichen Elemente können
genauso wie die Halbleiterchips aus Halbleitermaterialien, aber
auch aus anderen Materialien, wie z. B. Kunststoffen, hergestellt
sein. In der Literatur werden Kombinationen von mechanischen Elementen,
Sensoren oder Aktoren mit elektronischen Schaltungen in einem Halbleiterchip
häufig
als MEMS (Micro-Electro-Mechanical System; mikroelektromechanisches
System) bezeichnet.in the
Following are modules that use semiconductor chips with moving elements
and methods of making the modules. The
Invention is independent
on the type of semiconductor chips and moving elements. The
movable elements can
For example, be mechanical elements, sensors or actuators
and can
for example, as pressure sensors, acceleration sensors, rotation sensors
or microphones. The semiconductor chips, in which
The moving elements embedded include electronic ones
Circuits that drive, for example, the moving elements
or processing signals generated by the moving elements.
The moving elements can
as well as the semiconductor chips of semiconductor materials, but
also from other materials, such. As plastics
be. In the literature, combinations of mechanical elements,
Sensors or actuators with electronic circuits in a semiconductor chip
often
as MEMS (Micro-Electro-Mechanical System;
System).
In 1 ist
als Ausführungsbeispiel
ein Modul 100 im Querschnitt dargestellt. Das Modul 100 besteht
aus einem Substrat 10, einem auf dem Substrat 10 angeordneten
Halbleiterchip 11 mit einem beweglichen Element 12 und
einem auf dem Halbleiterchip 11 angeordneten Substrat 13.
Die Substrate 10 und 13 bilden zumindest einen
Teil eines Gehäuses
des Halbleiterchips 11. Die Substrate 10 und 13 sowie
der Halbleiterchip 11 sind so übereinander gestapelt, dass
die zwei Hauptoberflächen 14 und 15 des
Halbleiterchips 11 von jeweils einem der Substrate 10 und 13 bedeckt
werden. Die Substrate 10 und 13 dienen dazu, den
Halbleiterchip 11 und das bewegliche Element 12 vor
Umwelteinflüssen,
wie beispielsweise Schmutz, Nässe
oder auch mechanischen Stößen, zu
schützen.
Ein Teil des Halbleiterchips 11 und/oder des Substrats 10 und/oder
des Substrats 13 liegt offen. Beispielsweise kann es sich dabei
um eine Randfläche
des Halbleiterchips 11, des Substrats 10 oder
des Substrats 13 handeln.In 1 is a module as an exemplary embodiment 100 shown in cross section. The module 100 consists of a substrate 10 , one on the substrate 10 arranged semiconductor chip 11 with a moving element 12 and one on the semiconductor chip 11 arranged substrate 13 , The substrates 10 and 13 form at least a part of a housing of the semiconductor chip 11 , The substrates 10 and 13 as well as the semiconductor chip 11 are stacked on top of each other so that the two main surfaces 14 and 15 of the semiconductor chip 11 each one of the substrates 10 and 13 to be covered. The substrates 10 and 13 serve to the semiconductor chip 11 and that be movable element 12 To protect against environmental influences, such as dirt, moisture or mechanical shocks. A part of the semiconductor chip 11 and / or the substrate 10 and / or the substrate 13 is open. For example, this may be an edge surface of the semiconductor chip 11 , the substrate 10 or the substrate 13 act.
Das
bewegliche Element 12 kann beispielsweise eine Membran,
eine Brückenstruktur
oder eine Zungenstruktur sein und beispielsweise als Sensor oder
Aktor eingesetzt werden. Zusammen mit dem beweglichen Element 12 kann
der Halbleiterchip 11 beispielsweise ein MEMS bilden und
als Drucksensor, Beschleunigungssensor, Rotationssensor oder Mikrofon
ausgestaltet sein.The moving element 12 For example, it may be a membrane, a bridge structure or a tongue structure and used, for example, as a sensor or actuator. Together with the moving element 12 can the semiconductor chip 11 For example, form a MEMS and be configured as a pressure sensor, acceleration sensor, rotation sensor or microphone.
Die
beiden Substrate 10 und 13 können z. B. aus einem Glas- oder Halbleitermaterial
hergestellt sein. Die Verwendung von Glas- oder Halbleitermaterialien
für die
Substrate 10 und 13 bringt mehrere Vorteile mit
sich. Ein erster Vorteil dieser Maßnahme ist, dass eine verspannungsfreie
Montage des Halbleiterchips 11 zwischen den Substraten 10 und 13 ermöglicht wird.
Es ist nicht erforderlich, den Halbleiterchip 11 bei der
Gehäusefertigung
mit einer Vergussmasse, z. B. einem Kunststoffmaterial oder Glob-Top oder
anderen polymerhaltigen Vergussmaterialien, zu umspritzen. Das Umspritzen
mit einer Vergussmasse verursacht häufig mechanische Verspannungen
in dem Halbleiterchip 11 und insbesondere in dem beweglichen
Element 12, wodurch deren Funktionsfähigkeit eingeschränkt werden
kann. Ferner besteht beim Umspritzen mit einer Vergussmasse das Risiko,
dass das bewegliche Element 12 mit der Vergussmasse direkt
in Kontakt kommt. Bereits ein Benetzen des beweglichen Elements 12 mit
der Vergussmasse würde
zu einem Funktionsausfall führen.The two substrates 10 and 13 can z. B. be made of a glass or semiconductor material. The use of glass or semiconductor materials for the substrates 10 and 13 brings several advantages. A first advantage of this measure is that a stress-free mounting of the semiconductor chip 11 between the substrates 10 and 13 is possible. It is not necessary to use the semiconductor chip 11 in the case of housing production with a potting compound, eg. As a plastic material or glob-top or other polymer-containing potting materials to overmold. The encapsulation with a potting compound often causes mechanical stresses in the semiconductor chip 11 and in particular in the movable element 12 , whereby their functionality can be restricted. Furthermore, when encapsulating with a potting compound there is a risk that the movable element 12 comes into direct contact with the potting compound. Already wetting the movable element 12 with the potting compound would lead to a malfunction.
Ein
weiterer Vorteil, den die Verwendung von Glas- oder Halbleitermaterialien
für die
Substrate 10 und 13 mit sich bringt, ist dadurch
begründet,
dass die das Gehäuse
des Halbleiterchips 11 bildenden Substrate 10 und 13 die
gleichen oder zumindest ähnliche
thermomechanische Eigenschaften wie der Halbleiterchip 11,
der z. B. zu einem überwiegenden Teil
aus Silizium besteht, aufweisen. Bei Temperaturveränderungen
verhalten sich der Halbleiterchip 10 sowie die Substrate 10 und 13 beispielsweise
hinsichtlich ihrer Ausdehnung daher gleich oder zumindest ähnlich.
Dadurch ist eine spannungsfreie Lagerung des Halbleiterchips 10 in
dem ihn umgebenden Gehäuse
gewährleistet.
Eine solche spannungsfreie Lagerung ist insbesondere für die Funktionsfähigkeit des
beweglichen Elements 12 vorteilhaft, da viele bewegliche
Elemente 12, die in MEMS eingesetzt werden, sehr empfindlich
auf mechanische Verspannungen reagieren.Another advantage that the use of glass or semiconductor materials for the substrates 10 and 13 is due to the fact that the housing of the semiconductor chip 11 forming substrates 10 and 13 the same or at least similar thermomechanical properties as the semiconductor chip 11 , the z. B. consists predominantly of silicon, have. With temperature changes, the semiconductor chip behave 10 as well as the substrates 10 and 13 for example, in terms of their extent, therefore, the same or at least similar. This is a stress-free storage of the semiconductor chip 10 ensured in the surrounding housing. Such a stress-free storage is particularly for the functionality of the movable element 12 advantageous because many moving elements 12 that are used in MEMS, very sensitive to mechanical tension.
Als
Halbleitermaterial für
die Substrate 10 und 13 kommt beispielsweise Silizium
infrage. Sofern auch der Halbleiterchip 11 auf Silizium-Basis
hergestellt worden ist, sind die thermomechanischen Eigenschaften,
z. B. der thermische Ausdehnungskoeffizient, des Halbleiterchips 11 und
der Substrate 10 sowie 13 sehr ähnlich.
Es können
aber auch andere Halbleiter- sowie
Glasmaterialien für
die Herstellung der Substrate 10 und 13 eingesetzt
werden, da das thermomechanische Verhalten dieser Materialien dem
des Halbleiterchips 11 sehr ähnlich ist.As semiconductor material for the substrates 10 and 13 For example, silicon is an option. If also the semiconductor chip 11 Silicon-based, the thermo-mechanical properties, such. As the thermal expansion coefficient of the semiconductor chip 11 and the substrates 10 such as 13 very similar. But there may also be other semiconductor and glass materials for the production of the substrates 10 and 13 be used, since the thermo-mechanical behavior of these materials that of the semiconductor chip 11 is very similar.
Als
Alternative zu Glas- oder Halbleitermaterialien können andere
Materialien für
die Herstellung der beiden Substrate 10 und 13 verwendet
werden, sofern der thermische Ausdehnungskoeffizient dieser Materialien
im Wesentlichen dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Halbleitermaterials entspricht,
aus dem der Halbleiterchip 11 gefertigt wurde. Der thermische
Ausdehnungskoeffizient bestimmt, wie sich ein Material bei einer
Temperaturänderung
ausdehnt. Eine ausreichende Anpassung des thermomechanischen Verhaltens
der das Gehäuse bildenden
Substrate 10 und 13 an das thermomechanische Verhalten
des Halbleiterchips 11 ist gewährleistet, falls die Substrate 10 und 13 einen
thermischen Ausdehnungskoeffizienten im Bereich von 0,3·10–6/K
bis 8,2·10–6/K
aufweisen. Insbesondere können
die Substrate 10 und 13 einen ther mischen Ausdehnungskoeffizienten
im Bereich von 4,0·10–6/K bis
4,5·10–6/K
aufweisen. Ferner kann beispielsweise ein Material für die Substrate 10 und 13 gewählt werden,
dass in etwa den gleichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten wie
Silizium von ca. 4,2·10–6/K aufweist.
Durch die Verwendung von Substraten 10 und 13 mit
den genannten Ausdehnungskoeffizienten werden mechanische Verspannungen
in dem beweglichen Element 12 weitestgehend minimiert.As an alternative to glass or semiconductor materials, other materials may be used to make the two substrates 10 and 13 are used, provided that the thermal expansion coefficient of these materials substantially corresponds to the thermal expansion coefficient of the semiconductor material from which the semiconductor chip 11 was made. The thermal expansion coefficient determines how a material expands when the temperature changes. A sufficient adaptation of the thermo-mechanical behavior of the housing forming substrates 10 and 13 to the thermo-mechanical behavior of the semiconductor chip 11 is guaranteed if the substrates 10 and 13 have a thermal expansion coefficient in the range of 0.3 · 10 -6 / K to 8.2 · 10 -6 / K. In particular, the substrates can 10 and 13 have a thermal expansion coefficient in the range of 4.0 · 10 -6 / K to 4.5 · 10 -6 / K. Further, for example, a material for the substrates 10 and 13 be selected that has approximately the same thermal expansion coefficient as silicon of about 4.2 · 10 -6 / K. Through the use of substrates 10 and 13 with the mentioned coefficients of expansion, mechanical stresses in the movable element 12 minimized as far as possible.
Zur
Herstellung des Moduls 100 wird der Halbleiterchip 11 bereitgestellt
und die Substrate 10 und 13 werden auf die Hauptoberflächen 14 und 15 des
Halbleiterchips 11 aufgebracht. Nach dem Aufbringen der
beiden Substrate 10 und 13 auf die Hauptoberflächen 14 und 15 des
Halbleiterchips 11 liegt ein Teil zumindest des Halbleiterchips 11 oder des
Substrats 10 oder des Substrats 13 offen.For the production of the module 100 becomes the semiconductor chip 11 provided and the substrates 10 and 13 be on the main surfaces 14 and 15 of the semiconductor chip 11 applied. After application of the two substrates 10 and 13 on the main surfaces 14 and 15 of the semiconductor chip 11 is a part of at least the semiconductor chip 11 or the substrate 10 or the substrate 13 open.
In 2 ist
als weiteres Ausführungsbeispiel ein
Modul 200 im Querschnitt dargestellt. Der Aufbau des Moduls 200 ist ähnlich zu
dem Aufbau des Moduls 100. Das Modul 200 besteht
aus einem Substrat 10, einem auf dem Substrat 10 angeordneten
Halbleiterchip 11 mit einem beweglichen Element 12 und einem
auf dem Halbleiterchip 11 angeordneten Substrat 13.
Die Substrate 10 und 13 bilden zumindest einen
Teil eines Gehäuses
des Halbleiterchips 11. Das Substrat 13 weist
eine dem beweglichen Element 12 zugewandte Ausnehmung 16 auf.
Die Ausnehmung 16 bildet im zusammengebauten Zustand des
Moduls 200 einen Hohlraum, der für die Beweglichkeit und/oder
Funktionsfähigkeit
des beweglichen Elements 12 erforderlich sein kann. Ein
Teil des Halbleiterchips 11 und/oder des Substrats 10 und/oder
des Substrats 13 liegt offen. Beispielsweise kann es sich dabei
um eine Randfläche
des Halbleiterchips 11, des Substrats 10 oder
des Substrats 13 handeln.In 2 is a module as another embodiment 200 shown in cross section. The structure of the module 200 is similar to the structure of the module 100 , The module 200 consists of a substrate 10 , one on the substrate 10 arranged semiconductor chip 11 with a moving element 12 and one on the semiconductor chip 11 arranged substrate 13 , The substrates 10 and 13 form at least a part of a housing of the semiconductor chip 11 , The substrate 13 has a movable element 12 facing recess 16 on. The recess 16 forms in the assembled state of the module 200 a cavity responsible for the mobility and / or functionality of the movable element 12 may be required. A part of the semiconductor chip 11 and / or the substrate 10 and / or the substrate 13 is open. For example, this may be an edge surface of the semiconductor chip 11 , the substrate 10 or the substrate 13 act.
Beispielsweise
kann das bewegliche Element 12 als Membran ausgebildet
sein, und der durch die Ausnehmung 16 gebildete Hohlraum
bildet ein Rückvolumen
der Membran 12. Ein Rückvolu men ist
ein eingeschlossener Luftraum, der bei jeder Auslenkung der Membran 12 eine
Rückstellkraft
zusätzlich
zu der durch die elastischen Eigenschaften der Membran 12 verursachten
Rückstellkraft
bewirkt.For example, the movable element 12 be formed as a membrane, and through the recess 16 formed cavity forms a back volume of the membrane 12 , A Rückvolu men is an enclosed air space, at each deflection of the membrane 12 a restoring force in addition to the elastic properties of the membrane 12 caused restoring force causes.
Der
Halbleiterchip 11 kann ferner eine Ausnehmung 17 aufweisen,
in der das bewegliche Element 12 angeordnet ist oder die
von dem beweglichen Element 12 begrenzt ist. Auch die Ausnehmung 17,
die im zusammengebauten Zustand des Moduls 200 einen Hohlraum
ausbilden kann, kann für
die Beweglichkeit und/oder Funktionsfähigkeit des beweglichen Elements 12 erforderlich
sein.The semiconductor chip 11 can also have a recess 17 in which the movable element 12 is arranged or that of the movable element 12 is limited. Also the recess 17 in the assembled state of the module 200 can form a cavity, for the mobility and / or functionality of the movable element 12 to be required.
Die
Ausnehmungen 16 und 17 können beispielsweise durch Ätzschritte,
aber auch durch mechanische Bearbeitungen, wie z. B. Fräsen oder
Bohren, in das Substrat 13 bzw. den Halbleiterchip 11 eingebracht
werden.The recesses 16 and 17 For example, by etching, but also by mechanical processing, such. As milling or drilling, in the substrate 13 or the semiconductor chip 11 be introduced.
Das
bewegliche Element 12 des Moduls 200 kann genauso
wie das oben beschriebene bewegliche Element 12 des Moduls 100 ausgestaltet
sein. Die Substrate 10 und 13 des Moduls 200 können aus einem
Glas- oder Halbleitermaterial oder aus einem Material mit einem
thermischen Ausdehnungskoeffizienten im Bereich von 0,3·10–6/K
bis 8,2·10–6/K
und insbesondere im Bereich von 4,0·10–6/K
bis 4,5·10–6/K
hergestellt sein, sie können
aber auch aus anderen Materialien hergestellt sein.The moving element 12 of the module 200 can be just like the moving element described above 12 of the module 100 be designed. The substrates 10 and 13 of the module 200 may be made of a glass or semiconductor material or of a material having a coefficient of thermal expansion in the range of 0.3 × 10 -6 / K to 8.2 × 10 -6 / K and in particular in the range of 4.0 × 10 -6 / K to 4.5 · 10 -6 / K, but they can also be made of other materials.
Zur
Herstellung des Moduls 200 wird der Halbleiterchip 11 bereitgestellt
und die Substrate 10 und 13 werden auf die Hauptoberflächen 14 und 15 des
Halbleiterchips 11 aufgebracht. Dabei wird das Substrat 13 mit
der Seite, welche die Ausnehmung 16 aufweist, auf den Halbleiterchip 11 aufgebracht. Nach
dem Aufbringen der beiden Substrate 10 und 13 auf
die Hauptoberflächen 14 und 15 des
Halbleiterchips 11 liegt ein Teil zumindest des Halbleiterchips 11 oder
des Substrats 10 oder des Substrats 13 offen.For the production of the module 200 becomes the semiconductor chip 11 provided and the substrates 10 and 13 be on the main surfaces 14 and 15 of the semiconductor chip 11 applied. In the process, the substrate becomes 13 with the side showing the recess 16 has, on the semiconductor chip 11 applied. After application of the two substrates 10 and 13 on the main surfaces 14 and 15 of the semiconductor chip 11 is a part of at least the semiconductor chip 11 or the substrate 10 or the substrate 13 open.
In 3 ist
ein Modul 300 gezeigt, das eine Weiterbildung sowohl des
Moduls 100 als auch des Moduls 200 darstellt.
Bei dem Modul 300 sind die Substrate 10 und 13 aus
einem Glas- oder
Halbleitermaterial oder aus einem Material mit einem thermischen
Ausdehnungskoeffizienten im Bereich von 0,3·10–6/K
bis 8,2·10–6/K
und insbesondere im Bereich von 4,0·10–6/K
bis 4,5·10–6/K
gefertigt. Der Halbleiterchip 11 des Moduls 300 enthält als bewegliche Elemente
eine Zungenstruktur 18 und eine Membranstruktur 19.
Die Zungenstruktur 18 und die Membranstruktur 19 sind
in Hohlräumen,
die durch die Ausnehmungen 16 und 17 gebildet
sind, angeordnet. Das Substrat 10 weist eine Öffnung 20 auf,
die zu der Ausnehmung 17, die an die Membranstruktur 19 angrenzt,
führt.
Zusammen mit den in dem Halbleiterchip 11 integrierten
Schaltungen ist die Zungenstruktur 18 beispielsweise als
Beschleunigungssensor und die Membranstruktur 19 beispielsweise
als Drucksensor ausgebildet. In diesem Fall gewährleistet die Öffnung 20,
dass der Luftdruck in dem durch die Ausnehmung 17 gebildeten
Hohlraum dem Luftdruck außerhalb
des Moduls 300 entspricht.In 3 is a module 300 shown that this is a further development of both the module 100 as well as the module 200 represents. In the module 300 are the substrates 10 and 13 of a glass or semiconductor material or of a material having a coefficient of thermal expansion in the range of 0.3 × 10 -6 / K to 8.2 × 10 -6 / K and in particular in the range of 4.0 × 10 -6 / K manufactured to 4.5 · 10 -6 / K. The semiconductor chip 11 of the module 300 contains a tongue structure as moving elements 18 and a membrane structure 19 , The tongue structure 18 and the membrane structure 19 are in cavities that pass through the recesses 16 and 17 are formed, arranged. The substrate 10 has an opening 20 on, leading to the recess 17 attached to the membrane structure 19 adjoins leads. Together with the in the semiconductor chip 11 Integrated circuits is the tongue structure 18 for example, as an acceleration sensor and the membrane structure 19 For example, designed as a pressure sensor. In this case ensures the opening 20 in that the air pressure in the through the recess 17 formed cavity the air pressure outside the module 300 equivalent.
Das
Substrat 10 ist in 3 auf seiner
Unterseite mit Außenkontaktelementen 21 versehen,
die über
Verbindungsleitungen 22 mit Kontaktflächen 23 des Halbleiterchips 11 elektrisch
verbunden sind. Über
die Außenkontaktelemente 21 kann
der Halbleiterchip 11 von außen elektrisch kontaktiert
werden. Die Verbindungsleitungen 22 führen in 3 durch Durchlässe 24 in
dem Substrat und sind als sogenannte Via(Vertical Interconnect Access)-Verbindungen
ausgestaltet. Alternativ können
die Verbindungsleitungen 22 von den Außenkontaktelementen 21 des
Substrats 10 entlang der Oberfläche und über einen Randbereich 25 des
Substrats 10 zu den Kontaktflächen 23 des Halbleiterchips 11 führen.The substrate 10 is in 3 on its underside with external contact elements 21 provided by connecting lines 22 with contact surfaces 23 of the semiconductor chip 11 are electrically connected. About the external contact elements 21 can the semiconductor chip 11 be electrically contacted from the outside. The connection lines 22 lead in 3 through passages 24 in the substrate and are configured as so-called Via (Vertical Interconnect Access) connections. Alternatively, the connecting lines 22 from the external contact elements 21 of the substrate 10 along the surface and over a border area 25 of the substrate 10 to the contact surfaces 23 of the semiconductor chip 11 to lead.
Die
Verbindungsleitungen 22 können mittels üblicher
Wafer-Prozesse auf
dem Substrat 10 erzeugt werden. Beispielsweise werden Metallschichten
auf das Substrat 10 gesputtert, die anschließend photolithografisch
strukturiert werden. Sofern dickere Schichten benötigt werden,
können
die aufgebrachten Metallschichten galvanisch verstärkt werden (sog.
Elektroplating). Es kann auch vorgesehen sein, dass beide Seiten
des Substrats 10 beschichtet werden. In diesem Fall weist
das Substrat 10 metallische Beschichtungen auf, die dem
Halbleiterchip 11 zugewandt sind und eine zuverlässige elektrische
Kontaktierung mit dem Halbleiterchip 11 gewährleisten.
Beispielhaft ist sind derartige Beschichtungen 28 in 4 dargestellt.The connection lines 22 can by means of usual wafer processes on the substrate 10 be generated. For example, metal layers are applied to the substrate 10 sputtered, which are then photolithographically structured. If thicker layers are required, the applied metal layers can be galvanically reinforced (so-called electroplating). It can also be provided that both sides of the substrate 10 be coated. In this case, the substrate points 10 metallic coatings on the semiconductor chip 11 are facing and a reliable electrical contact with the semiconductor chip 11 guarantee. Exemplary are such coatings 28 in 4 shown.
Die
Außenkontaktelemente 21 und
die Verbindungsleitungen 22 können aus einem Metall, wie z.
B. Aluminium, Gold oder Kupfer, oder einer Legierung hergestellt
sein. Die Kontaktflächen 23 des Halbleiterchips 11 können mit
einer Metallisierungsschicht, z. B. aus Aluminium, Gold, Kupfer
oder einer Legierung, beschichtet sein.The external contact elements 21 and the connection lines 22 can be made of a metal, such as. As aluminum, gold or copper, or an alloy. The contact surfaces 23 of the semiconductor chip 11 can with a metallization layer, for. Example of aluminum, gold, copper or an alloy coated.
Wie
in 3 gezeigt ist, kann das Substrat 10 im
Bereich der Kontaktelemente 21 Erhebungen 26 aufweisen.
Bei einer Montage des Moduls 300 auf eine Leiterplatte
erleichtern die Erhebungen 26 die Kontaktierung der Außenkontaktelemente 21 mit
den entsprechenden Kontaktelementen der Leiterplatte. Zusätzlich können auf
den Außenkontaktelementen 21 Lotdepots
bzw. Lotkugeln 27 aufgebracht sein, die zum Verlöten des
Moduls 300 mit den Kontaktelementen einer Leiterplatte
dienen.As in 3 The substrate can be shown 10 in the area of the contact elements 21 surveys 26 exhibit. When mounting the module 300 on a printed circuit board facilitate the surveys 26 the contacting of the external contact elements 21 with the corresponding contact elements of the circuit board. In addition, on the outer contact elements 21 Lotdepots or solder balls 27 be applied to the soldering of the module 300 serve with the contact elements of a circuit board.
Aufgrund
der thermomechanischen Eigenschaften der Substrate 10 und 13 werden
die bei der Montage des Moduls 300 auf eine Leiterplatte
auftretenden mechanischen Spannungen von den Substraten 10 und 13 aufgenommen,
sodass die Montage für
den Halbleiterchip 11 sowie insbesondere die Zungenstruktur 18 bzw.
die Membranstruktur 19 besonders spannungsarm ist. Besonders
gute Ergebnisse werden erzielt, wenn auch die Leiterplatte, auf die
das Modul 300 montiert wird, in ihren thermomechanischen
Eigenschaften an das für
die Substrate 10 und 13 verwendete Material angepasst
ist. Beispielsweise ist dies für
eine aus einer Keramik gefertigte Leiterplatte der Fall.Due to the thermomechanical properties of the substrates 10 and 13 be the during assembly of the module 300 on a printed circuit board occurring mechanical stresses from the substrates 10 and 13 added, so the assembly for the semiconductor chip 11 and in particular the tongue structure 18 or the membrane structure 19 is particularly tension-free. Particularly good results are achieved, although the printed circuit board on which the module 300 is mounted in their thermo-mechanical properties to that for the substrates 10 and 13 used material is adjusted. For example, this is the case for a circuit board made of a ceramic.
Die
aktive Hauptoberfläche
des Halbleiterchips 11, auf der sich elektrisch betreibbare
Strukturen bzw. Schaltungen befinden, kann eine der beiden Hauptoberflächen 14 und 15 sein.
Folglich kann der Halbleiterchip 11 sowohl derart ausgerichtet
sein, dass seine aktive Hauptoberfläche dem Substrat 10 zugewandt
ist, als auch derart, dass die aktive Hauptoberfläche an das
Substrat 13 angrenzt. Sofern die Hauptoberfläche 15 die
aktive Hauptoberfläche
des Halbleiterchips 11 ist, müssen Verbindungsleitungen von
den Kontaktflächen
der aktiven Hauptoberfläche
zu den Kontaktflächen 23 vorgesehen
sein. Beispielsweise können
zu diesem Zweck Durchkontaktierungen (Via-Verbindungen) durch vertikale
Durchlässe
in dem Halbleiterchip 11 führen.The main active surface of the semiconductor chip 11 , on which electrically operable structures or circuits are located, one of the two main surfaces 14 and 15 be. Consequently, the semiconductor chip 11 be both aligned so that its main active surface of the substrate 10 As well as such that the main active surface to the substrate 13 borders. Unless the main surface 15 the main active surface of the semiconductor chip 11 must be connecting lines from the contact surfaces of the active main surface to the contact surfaces 23 be provided. For example, for this purpose, via holes (via connections) can pass through vertical passages in the semiconductor chip 11 to lead.
Die
aktive Hauptoberfläche
des Halbleiterchips 11 kann mit einer Umverdrahtungslage
versehen sein, in welcher Leiterbahnen von Kontaktflächen des
Halbleiterchips 11 zu den Kontaktflächen 23 geführt sind.The main active surface of the semiconductor chip 11 can be provided with a rewiring, in which traces of contact surfaces of the semiconductor chip 11 to the contact surfaces 23 are guided.
In 4 ist
als weiteres Ausführungsbeispiel ein
Verfahren zum Herstellen des Moduls 300 schematisch dargestellt.
Bei dem Verfahren werden, wie in 4 gezeigt
ist, das Substrat 10, der Halbleiterchip 11 und
das Substrat 13 übereinander
gestapelt. Während
des Stapelns sind sowohl die Substrate 10 und 13 als
auch der Halbleiterchip 11 vorzugsweise noch Teil eines
jeweiligen Wafers. Folglich werden zur Herstellung des Moduls 300 nicht
bereits vereinzelte Substrate 10 und 13 und ein
vereinzelter Halbleiterchip 11 übereinander gestapelt, sondern
es werden drei Wafer oder zumindest Teile von drei Wafern, welche
die in 4 gezeigten Strukturen enthalten, übereinander
gestapelt. Das Stapeln auf Wafer-Ebene ermöglicht eine kostengünstige Herstellung,
die mit dem sogenannten „Wafer-Level-Packaging"-Verfahren kompatibel
ist.In 4 is a further embodiment of a method for manufacturing the module 300 shown schematically. In the method, as in 4 shown is the substrate 10 , the semiconductor chip 11 and the substrate 13 stacked. During stacking, both are the substrates 10 and 13 as well as the semiconductor chip 11 preferably still part of a respective wafer. Consequently, for the production of the module 300 not already isolated substrates 10 and 13 and a singulated semiconductor chip 11 stacked on top of each other, but there are three wafers or at least parts of three wafers, which in 4 structures shown stacked on top of each other. Wafer-level stacking enables cost-effective manufacturing that is compatible with the so-called "wafer-level packaging" process.
Die
Wafer können
beispielsweise durch Löten,
Kleben, anodisches Bonden oder Glas-Frit-Bonden miteinander verbunden
wer den. Beim anodischen Bonden wird ein elektrisches Feld an den
aus den übereinander
geschichteten Wafer gebildeten Stapel angelegt. Der dadurch hervorgerufene
Strom durch den Waferstapel führt
zu einem Verschmelzen der Wafer in den Kontaktbereichen. Beim Glas-Frit-Bonden
wird zwischen die Wafer ein Glaslot oder Glaspulver eingebracht.
Anschließend
wird der Waferstapel bis zum Schmelzpunkt des Glaslots oder Glaspulvers
erhitzt, wodurch sich eine feste Verbindung zwischen den Wafern
ergibt.The
Wafers can
for example, by soldering,
Bonding, anodic bonding or glass-frit bonding connected
become. When anodic bonding an electric field to the
from the one above the other
layered wafer formed stack formed. The thereby caused
Current through the wafer stack leads
to a fusion of the wafers in the contact areas. When glass frit bonding
a glass solder or glass powder is introduced between the wafers.
Subsequently
The wafer stack is up to the melting point of the glass solder or glass powder
heated, resulting in a firm connection between the wafers
results.
Die
Module 300 werden anschließend, beispielsweise durch
Sägen,
vereinzelt.The modules 300 are then separated, for example by sawing, isolated.
Die
Außenkontaktelemente 21 und
die Verbindungsleitungen 22 können entweder vor dem Stapeln
der Wafer oder danach auf das Substrat 10 aufgebracht werden.The external contact elements 21 and the connection lines 22 can be done either before stacking the wafers or afterwards on the substrate 10 be applied.
In 5 ist
als weiteres Ausführungsbeispiel ein
Verfahren zur Herstellung des Moduls 100 dargestellt. Dazu
wird ein Halbleitersubstrat 30 bereitgestellt, das mindestens
zwei bewegliche Elemente 12, z. B. zwei offen liegende
Membrane, enthält.
Beispielsweise kann das Halbleitersubstrat 30 ein Halbleiterwafer
sein, der mindestens zwei Halbleiterchips enthält. Auf eine Hauptoberfläche 14 des
Halbleitersubstrats 30 wird ein Substrat 31 aufgebracht.
Auf eine Hauptoberfläche 15 des
Halbleitersubstrats 30 kann ferner beispielsweise ein Substrat 32 aufgebracht
werden. Nach dem Aufbringen des Substrats 31 auf die Hauptoberfläche 14 des
Halbleitersubstrats 30 und insbesondere nach dem Aufbringen
des Substrats 32 auf die Hauptoberfläche 15 des Halbleitersubstrats 30 wird
das Halbleitersubstrat 30 zu mindestens zwei Modulen 100 mit
jeweils mindestens einem beweglichen Element 12 getrennt.In 5 is a further embodiment of a method for producing the module 100 shown. For this purpose, a semiconductor substrate 30 provided that has at least two movable elements 12 , z. B. two exposed membrane contains. For example, the semiconductor substrate 30 a semiconductor wafer containing at least two semiconductor chips. On a main surface 14 of the semiconductor substrate 30 becomes a substrate 31 applied. On a main surface 15 of the semiconductor substrate 30 For example, a substrate may be used 32 be applied. After application of the substrate 31 on the main surface 14 of the semiconductor substrate 30 and especially after application of the substrate 32 on the main surface 15 of the semiconductor substrate 30 becomes the semiconductor substrate 30 to at least two modules 100 each with at least one movable element 12 separated.
Nach
dem Trennen der Halbleitersubstrats 30, beispielsweise
durch Sägen,
liegen beispielsweise Randbereiche der Module 100 offen.After separating the semiconductor substrate 30 For example, by sawing, are for example edge regions of the modules 100 open.
Durch
das in 5 gezeigte Verfahren können beispielsweise auch die
Module 200 und 300 hergestellt werden.Through the in 5 For example, the methods shown can also be the modules 200 and 300 getting produced.
Die
Substrate 31 und 32 können mit dem Halbleitersubstrat 30 beispielsweise
durch Löten, Kleben,
anodisches Bonden oder Glas-Frit-Bonden verbunden werden.The substrates 31 and 32 can with the semiconductor substrate 30 For example, be connected by soldering, gluing, anodic bonding or glass-frit bonding.
Die
Substrate 31 und 32 können aus einem Glas- oder Halbleitermaterial
oder aus einem Material mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten im
Bereich von 0,3·10–6/K
bis 8,2·10–6/K
und insbesondere im Bereich von 4,0·10–6/K
bis 4,5·10–6/K
hergestellt sein.The substrates 31 and 32 can be made of a glass or semiconductor material or of a material with a thermal expansion coefficient in the range of 0.3 × 10 -6 / K to 8.2 × 10 -6 / K, and more preferably in the range of 4.0 × 10 -6 / K to 4.5 × 10 -6 / K.
Das
Substrat 31 oder 31 kann eine oder mehrere den
beweglichen Elementen 12 zugewandte Ausnehmungen aufweisen,
die ähnlich
wie die Ausnehmungen 16 der Module 200 und 300 ausgestaltet
sein können.The substrate 31 or 31 can be one or more of the moving elements 12 facing recesses, similar to the recesses 16 the modules 200 and 300 can be configured.