DE102010030457B4

DE102010030457B4 - Verfahren zur Herstellung von gehäusten mikromechanischen Bauelementen und entsprechendes gehäustes mikromechanisches Bauelement

Info

Publication number: DE102010030457B4
Application number: DE102010030457.3A
Authority: DE
Inventors: Ricardo Ehrenpfordt; Ulrike Scholz
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2010-06-24
Filing date: 2010-06-24
Publication date: 2019-09-05
Anticipated expiration: 2030-06-25
Also published as: DE102010030457A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung von zu schützende Strukturen (13) aufweisenden gehäusten mikromechanischen Bauelementen (10) mit folgenden Schritten:
Aufbringen einer Schutzschicht (30) auf zu schützende Strukturen (13) aufweisende Halbleiterchips (12), wobei jeweils eine mindestens eine zu schützende Struktur (13) aufweisende Oberfläche der Halbleiterchips (12) mit der Schutzschicht (30) versehen wird;
Strukturieren der Schutzschicht (30), so dass zumindest die zu schützenden Strukturen (13) sowie jeweils ein an die jeweilige zu schützende Struktur (13) angrenzender Oberflächenbereich (34), der selbst keine zu schützenden Strukturen (13) enthält, mit der Schutzschicht (30) überzogen bleiben;
Befestigen mindestens eines mit der Schutzschicht (30) überzogenen Halbleiterchips (12) auf einem Substrat (16);
Umhüllen des auf dem Substrat (16) befestigten mindestens einen Halbleiterchips (12) mit einer Kunststoffmasse zum Herstellen einer Chipverpackung (36), wobei die Chipverpackung (36) die mit der Schutzschicht (30) überzogenen zu schützenden Strukturen (13) in ihrer lateralen Ausdehnung vollständig abdeckt;
wobei das Umhüllen durch ein Übermolden erfolgt und während des Übermoldens ein stempelförmiges Moldwerkzeug auf der Schutzschicht (30) im an die zu schützende Strukturen (13) angrenzenden Oberflächenbereich (34) der Schutzschicht (30) aufgesetzt wird, so dass ein Medienzugang (42) zur zu schützenden Struktur (13) bereitgestellt wird; und
selektives Entfernen der Schutzschicht (30) über den Medienzugang (42), so dass ein Hohlraum (40) über der zu schützenden Struktur (13) entsteht.

Description

Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von zu schützende Strukturen enthaltenden gehäusten mikromechanischen Bauelementen und ein durch ein solches Verfahren erhältliches gehäustes mikromechanisches Bauelement.
Die US 6 379 988 B1 und die US 2007/0222008A1 offenbaren ein Verfahren von zu schützende Strukturen aufweisenden gehäusten mikromechanischen Bauelementen, wobei eine Schutzschicht auf die zu schützenden Strukturen vor dem Verpacken aufgebracht wird. Die Schutzschicht wird zu einem späteren Prozessstadium von den zu schützenden Strukturen selektiv entfernt.
Die Handhabung von mikromechanischen Bauelementen (MEMS) mit offen liegenden fragilen Strukturen ist schwierig beziehungsweise aufwändig. Dies betrifft die ganze Packaging-Prozesskette vom Sägen der Wafer bis zum Verpacken der Chips.
Das Sägen von Wafern mit empfindlichen offen liegenden Strukturen wird in der Regel mit einem, Mahoh-Dicing genannten, Verfahren der Laser-Vereinzelung durchgeführt, welches voraussetzt, dass in der Schnittebene nur reines Silizium vorliegt. In seltenen Fällen werden an Stelle des Mahoh-Dicings auch spezielle Schutzfolien oder sogar vorstrukturierte Folien-Laminate für sogenanntes Tent-Dicing eingesetzt.
Beim so genannten Pick-and-Place der Chips müssen das Die-Handlingtool und das MEMS-Design aufeinander abgestimmt sein. Bei sehr empfindlichen Strukturen, wie beispielsweise Membranen, wird das Die-Handlingtool in der Regel so gestaltet, dass weder das Tool auf der Membran aufsetzt noch Vakuum an der Membran anliegt.
Für die Verpackung von mikromechanischen Bauteilen mit fragilen Strukturen wird typischer Weise Nacktchipmontage (Chip-On-Board COB) eingesetzt und der Chip dann in einem Deckel gehäust. In 4 sind Beispiele für Verpackungen von mikromechanischen Bauelementen, wie Drucksensoren oder Mikrofonen, dargestellt. 4A zeigt ein gehäustes mikromechanisches Bauelement 10A mit einem eine fragile Struktur 13 enthaltenden Halbleiterchip 12 und einem Auswertechip 14, die auf einem Substrat 16A angeordnet und über Bonddrähte 18 miteinander und mit dem Substrat 16A verbunden sind. Das Substrat 16A ist mittels Lotkontakten 22 auf einer Leiterplatte 20A befestigt. Die Halbleiterchips sind durch einen Deckel 24A geschützt, der auf dem Substrat 16A aufsitzt und eine Öffnung 26 oberhalb der fragilen Struktur 13 des Chips 12 für den Schallzugang aufweist.
4B zeigt ein alternatives Beispiel eines mikromechanischen Bauelements 10B. Hier ist der Deckel 24B durchgehend. Dafür weisen das Substrat 16B und die Leiterplatte 20B Öffnungen 27 und 28 für den Schallzugang zu der fragilen Struktur 13 des Chips 12 auf.
Ein ähnliches Beispiel für ein mikromechanisches Bauelement ist in der WO 02/45463 A2 beschrieben, die ein Mikrofon mit einem Miniatursiliziumkondensator offenbart, wobei die Öffnung für den Schallzugang in dem Deckel vorgesehen ist.
Offenbarung der Erfindung
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von gehäusten mikromechanischen Bauelementen nach Anspruch 1 und das durch ein solches Verfahren erhältliche gehäuste mikromechanische Bauelement nach Anspruch 6 bieten einen kostengünstigen Schutz für offene fragile Strukturen von mikromechanischen Bauelementen, der sowohl während der Herstellung als auch bei der Anwendung der Bauelemente zum Tragen kommt.
Kern der Erfindung sind die Verwendung und die Dimensionierung einer mechanischen Schutzschicht auf zu schützenden empfindlichen MEMS-Strukturen. Bei zu schützenden Strukturen handelt es sich insbesondere um sogenannte fragile Strukturen, welche im Vergleich zu den sie umgebenden Strukturen fragil ausgebildet sind, wie beispielsweise Membranen von Drucksensoren oder Mikrofonen. Die Schutzschicht schützt die fragilen Strukturen während der Herstellung von fragile Strukturen aufweisenden gehäusten mikromechanischen Bauelementen und wird als abschließender Prozessschritt nach dem Verpacken von mit fragilen Strukturen versehenen Halbleiterchips in einer Moldverpackung entfernt.
Zum einen dient die Schutzschicht dem Schutz der fragilen MEMS-Strukturen beim Aufbringen der diese enthaltenden Halbleiterchips auf die Substrate. Somit wird beim Aufbringen der Halbleiterchips, dem so genannten Die-Attach, keine zusätzliche Chipfläche und auch kein Spezialwerkzeug benötigt. Es ist daher möglich, Standardbestücker beziehungsweise -bestückköpfe zu verwenden. Außerdem werden die fragilen Strukturen beim, auch Übermolden genannten, Umhüllen der mit den Chips bestückten Substrate durch Spritzpressen mit Pressmasse vor dem Kontakt mit der Moldmasse sowie vor aufsetzenden Moldwerkzeugen geschützt. Dadurch kann auf aufwändige und teure Verfahren verzichtet werden. Es ist keine Verkappung auf Waferlevel und/oder kein Vorsehen von zusätzlicher Chipfläche, beispielsweise für das Aufsetzen eines Moldwerkzeugs beim Filmmolden, nötig oder keine COB-AVT mit Deckel notwendig, sondern es kann eine kostengünstige Standardeinhäusung über Vielfachsubstrate, auch Multi-Panel-Substrate genannt, und Spritzpresstechnik angewendet werden.
Die Dimensionierung der mechanischen Schutzschicht dergestalt, dass diese sich über die fragile Struktur hinaus in einen angrenzenden Bereich, der selbst keine fragile Struktur enthält, erstreckt, bewirkt, dass ein Medienzugang, der eine Verbindung der fragilen Struktur zu einem das mikromechanische Bauteil umgebenden Medium herstellt, so angeordnet werden kann, dass er nicht direkt über der fragilen Struktur liegt, sondern über einem an diese angrenzenden Bereich der Chipoberfläche, welcher selbst keine fragile Struktur aufweist. Die laterale Ausdehnung des angrenzenden Bereichs, der selbst keine fragilen Strukturen enthält, kann beispielsweise 10 bis 500 µm betragen. Durch diese Bauform mit in ihrer lateralen Ausdehnung vollständig mit Moldmasse abgedeckten fragilen MEMS-Strukturen werden die fragilen Strukturen bei der Handhabung der gehäusten Bauelemente und beim Auflöten der Bauteile auf Second-Level-Leiterplatten geschützt. Es ergibt sich außerdem auch ein Schutz der gehäusten mikromechanischen Bauteile in der Anwendung beim Endverbraucher. Die durch die sich ergebende Bauform der mikromechanischen Bauelemente vollständig mit Pressmasse abgedeckten fragilen Strukturen werden unter anderem vor Partikeln und Lichteinfall geschützt.
Diese Schutzfunktionen lassen sich durch wenige zusätzliche Prozessschritte innerhalb einer kostengünstigen Standard-Prozesskette in der Aufbau- und Verbindungstechnik beispielsweise von Laminatsubstrat-Packages (LGA-Packages) erzielen.
In den Unteransprüchen finden sich vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des jeweiligen Gegenstandes der Erfindung.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Schutzschicht auf Waferlevel auf die fragile Strukturen enthaltenden Halbleiterchips aufgebracht und strukturiert. Dadurch ergibt sich ein Schutz der fragilen MEMS-Strukturen innerhalb der gesamten Prozesskette der Aufbau- und Verbindungstechnik, angefangen vom Sägen der Wafer und bei der Handhabung der Wafer beispielsweise beim Transport zwischen den einzelnen Prozessschritten, wodurch sich die Ausschussquote verringert. Aufgrund der Schutzschicht kann ein kostengünstiger Standard-Sägeprozess mit Sägeabrieb und Kühl-Schmierwasser verwendet werden. Neben Kostenvorteilen resultiert daraus auch eine hohe Gestaltungsfreiheit im Design, da keine besonderen Voraussetzungen hinsichtlich der Topographie erfüllt werden müssen.
Die Schutzschicht kann lackartig, das heißt flüssig, ausgeführt sein und über Belackung auf einer Lackschleuder auf die mit fragilen MEMS-Strukturen versehene Waferseite aufgebracht und anschließend ausgehärtet und, beispielsweise lithografisch, strukturiert werden. Beispielsweise kann es sich bei der Schutzschicht um einen Thermoplasten aus der Gruppe der polyzyklischen Olefine handeln. Alternativ dazu kann die Schutzschicht als Festresist ausgeführt sein und auf die mit fragilen Strukturen versehene Waferseite aufgedruckt oder laminiert werden. In diesem Fall kann das Strukturieren bereits während des Aufbringens der Schutzschicht durchgeführt werden. Beim Strukturieren der Schutzschicht werden vorzugsweise Anschlusskontakte der Halbleiterchips, auch Drahtbondpads genannt, und Sägestraßen für die spätere Vereinzelung des Wafers freigestellt.
Das Befestigen der mit der strukturierten Schutzschicht versehenen Halbleiterchips auf Substraten kann durch Kleben erfolgen. Vorzugsweise kommen dabei automatische Bestücker zum Einsatz.
Je nachdem auf welcher Seite der Halbleiterchips die Anschlusskontakte angeordnet sind, kann eine leitende Verbindung der Halbleiterchips mit dem Substrat mittels Drahtbond- oder Flip-Chip-Technik hergestellt werden.
Das selektive Entfernen der mechanischen Schutzschicht kann thermisch, beispielsweise bei 140 bis 250 °C, chemisch oder physikalisch-chemisch erfolgen, und zwar vorzugsweise über den Medienzugang.
Figurenliste
Es zeigen:

1 ein Prozessstadium der Herstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen gehäusten mikromechanischen Bauelements in Querschnittsansicht;
2 einen Ausschnitt aus 1 in vergrößerter Form;
3 eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen gehäusten mikromechanischen Bauelements in Querschnittsansicht; und
4a und 4b beispielhafte gehäuste mikromechanische Bauelemente in Querschnittsansicht.

Ausführungsformen der Erfindung
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Komponenten.
1 ist eine Querschnittsansicht eines Prozessstadiums bei einem Herstellungsverfahren für fragile Strukturen 13 aufweisende gehäuste mikromechanische Bauelemente 19 gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird zuerst eine Schutzschicht 30 auf eine mit fragilen MEMS-Strukturen 13 versehene Seite eines nicht dargestellten Wafers aufgebracht. Handelt es sich bei dem für die Schutzschicht 30 verwendeten Material um einen Lack, kann dieser mittels einer Lackschleuder aufgeschleudert werden. Anschließend wird die Schutzschicht 30 ausgehärtet, beispielsweise mittels eines thermischen Aushärteschrittes. Danach wird die Schutzschicht 30 zur Freistellung insbesondere von Anschlusskontakten 19 von die fragilen Strukturen 13 aufweisenden Halbleiterchips 12 des Wafers oder von Sägestraßen strukturiert. Die Strukturierung wird so durchgeführt, dass die fragilen Strukturen 13 und für jeden Chip 12 ein weiterer an die fragilen Strukturen 13 angrenzender Oberflächenbereich des Chips 12, der selbst keine fragilen Strukturen enthält, mit der Schutzschicht 30 überzogen bleiben. Nach dem Strukturieren wird der mit der strukturierten Schutzschicht 30 versehene Wafer mittels einer Standard-Sägetechnik vereinzelt, so dass separierte, mit der Schutzschicht 30 versehene MEMS-Chips 12 entstehen.
Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung werden diese MEMS-Chips 12 zusammen mit anderen Chips 14 auf Vielfachsubstrate 16, beispielsweise mittels Kleben, aufgebracht Dabei sind Anschlusskontakte 19 oder fragile Strukturen 13 aufweisende Oberflächen der Chips 12 und 14 vom Substrat 16 abgewandt. Schließlich werden die Chips 12 und 14 kontaktiert, indem mittels Drahtbondverbindungen 18 elektrisch leitende Verbindungen zwischen den Anschlusskontakten oder Drahtbondpads 19 der Chips 12 und 14 sowie zwischen den Anschlusskontakten 19 der Chips 14 und dem Substrat 16 hergestellt werden. Dieses Stadium ist in 1 dargestellt.
Alternativ dazu ist es auch denkbar, Chips, deren Anschlusskontakte auf der den fragilen Strukturen gegenüberliegenden Seite angeordnet sind, mittels Flip-Chip-Technik leitend mit dem Substrat und über das Substrat mit anderen Chips zu verbinden.
2 stellt den Ausschnitt A aus 1 vergrößert dar.
In 2 ist die strukturierte Schutzschicht 30 auf der Oberfläche des Chips 12 zu sehen. Dabei bezeichnet das Bezugszeichen 32 die laterale Ausdehnung der fragilen Struktur 13 beziehungsweise des Anteils der Schutzschicht 30, welche die die fragile Struktur 13 enthaltende Chipoberfläche bedeckt. Das Bezugszeichen 34 bezeichnet den Überhang der Schutzschicht 30, also den lateralen Bereich, der an die fragile Struktur 13 angrenzt, aber selbst keine fragile Struktur enthält und von der Schutzschicht 30 bedeckt wird.
Nach dem Drahtbonden der Chips 12 und 14 werden diese in einer Moldverpackung 36 verpackt, indem gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel das Substrat 16 mittels Spritzpresstechnik mit einer Pressmasse genannten Kunststoffmasse so übermoldet wird, dass an der Oberfläche des mit der Schutzschicht 30 belegten MEMS-Chips 12 mindestens die offenen fragilen Strukturen 13, welche mit der Schutzschicht 30 belegt sind, in ihrer lateralen Ausdehnung vollständig von der Pressmasse abgedeckt werden und die Unterseite der Pressmassen-Abdeckung über einer jeweiligen fragilen Struktur 13 weitestgehend parallel zu der Chipoberfläche, welche diese fragile Struktur trägt, liegt. Um einen Medienzugang 42 zu der fragilen Struktur 13 bereitzustellen, wird während des Übermoldens ein stempelförmiges Moldwerkzeug auf der Schutzschicht 30 aufgesetzt. Dieses Moldwerkzeug wird dabei im Bereich des Überhangs 34 positioniert, damit erreicht wird, dass der gesamte Bereich 32 oberhalb der fragilen Struktur 13 mit Pressmasse abgedeckt ist.
Schließlich wird die mechanische Schutzschicht 30 über den Medienzugang 42 entfernt, so dass ein Hohlraum 40 entsteht. Das Entfernen der Schutzschicht 30 kann thermisch, chemisch oder physikalisch-chemisch erfolgen.
3 ist eine Querschnittsansicht eines mikromechanischen Bauelements gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung, das einen eine fragile Struktur 13 enthaltenden Chip 12 und einen anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis (ASIC) 14 auf einem Substrat 16 in einer Moldverpackung 36 enthält. Über der fragilen Struktur 13 befindet sich ein Hohlraum 40 der über einen Medienzugang 42 mit dem das mikromechanische Bauelement 10 umgebenden Medium verbunden ist.
Obwohl die vorliegende Erfindung vorstehend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels erläutert worden ist, ist sie nicht darauf beschränkt, sondern auch in anderer Weise ausführbar.
Die vorliegende Erfindung lässt sich besonders vorteilhaft für Mikrofone, beispielsweise für Mobilfunkanwendungen, Personal Digital Assistants (PDA), Laptops etc. einsetzen, bei denen eine extrem kostengünstige Verpackung mit zugleich geringer Baugröße erforderlich ist. Allerdings ist die Erfindung nicht auf Mikrofone beschränkt, sondern lässt sich prinzipiell auf beliebige MEMS-Chips anwenden.

Claims

Verfahren zur Herstellung von zu schützende Strukturen (13) aufweisenden gehäusten mikromechanischen Bauelementen (10) mit folgenden Schritten: Aufbringen einer Schutzschicht (30) auf zu schützende Strukturen (13) aufweisende Halbleiterchips (12), wobei jeweils eine mindestens eine zu schützende Struktur (13) aufweisende Oberfläche der Halbleiterchips (12) mit der Schutzschicht (30) versehen wird; Strukturieren der Schutzschicht (30), so dass zumindest die zu schützenden Strukturen (13) sowie jeweils ein an die jeweilige zu schützende Struktur (13) angrenzender Oberflächenbereich (34), der selbst keine zu schützenden Strukturen (13) enthält, mit der Schutzschicht (30) überzogen bleiben; Befestigen mindestens eines mit der Schutzschicht (30) überzogenen Halbleiterchips (12) auf einem Substrat (16); Umhüllen des auf dem Substrat (16) befestigten mindestens einen Halbleiterchips (12) mit einer Kunststoffmasse zum Herstellen einer Chipverpackung (36), wobei die Chipverpackung (36) die mit der Schutzschicht (30) überzogenen zu schützenden Strukturen (13) in ihrer lateralen Ausdehnung vollständig abdeckt; wobei das Umhüllen durch ein Übermolden erfolgt und während des Übermoldens ein stempelförmiges Moldwerkzeug auf der Schutzschicht (30) im an die zu schützende Strukturen (13) angrenzenden Oberflächenbereich (34) der Schutzschicht (30) aufgesetzt wird, so dass ein Medienzugang (42) zur zu schützenden Struktur (13) bereitgestellt wird; und selektives Entfernen der Schutzschicht (30) über den Medienzugang (42), so dass ein Hohlraum (40) über der zu schützenden Struktur (13) entsteht.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Aufbringen und Strukturieren der Schutzschicht (30) auf Waferlevel erfolgt und der mit der strukturierten Schutzschicht (30) versehene Wafer zur Bildung von separierten mit der Schutzschicht (30) versehenen Halbleiterchips (12) vereinzelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei es sich bei dem Substrat (16) um ein Vielfachsubstrat handelt.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei vor dem Umhüllen leitende Verbindungen (18) zwischen Anschlusskontakten (19) des mindestens einen auf dem Substrat (16) befestigten Halbleiterchips (12) und dem Substrat (16) und/oder weiteren Halbleiterchips hergestellt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei es sich bei den zu schützenden Strukturen (13) um Strukturen handelt, die im Vergleich zu ihrer Umgebung fragil ausgebildet sind.
Gehäustes mikromechanisches Bauelement (10), hergestellt nach dem Verfahren gemäß Anspruch 1, mit: einem Substrat (16); mindestens einem Halbleiterchip (12) auf dem Substrat (16), wobei der mindestens eine Halbleiterchip (12) mindestens eine zu schützende Struktur (13) enthält, die sich auf der vom Substrat (16) weggewandten Seite des Halbleiterchips (12) befindet; einer Kunststoffumhüllung (36); einem Hohlraum (40) über der mindestens einen zu schützenden Struktur (13) in der Kunststoffumhüllung (36); und einem Medienzugang (42), der den Hohlraum (40) mit einem die Kunststoffumhüllung (36) umgebenden Medium verbindet; wobei der Hohlraum (40) sich in einen Bereich (34) erstreckt, der über einem an die mindestens eine zu schützende Struktur (13) angrenzenden und selbst keine zu schützenden Strukturen enthaltenden Oberflächenbereich des Halbleiterchips (12) liegt, und der Medienzugang (42) sich in diesem Bereich (34) befindet, so dass die Kunststoffumhüllung (36) die mindestens eine zu schützende Struktur (13) in ihrer lateralen Ausdehnung vollständig abdeckt.
Gehäustes mikromechanisches Bauelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine der mindestens einen zu schützenden Struktur (13) gegenüber liegende Wand des Hohlraums (40) zu einer die mindestens eine zu schützende Struktur (13) tragenden Oberfläche des mindestens einen Halbleiterchips (12) im Wesentlichen parallel ist.
Gehäustes mikromechanisches Bauelement nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der zu schützenden Struktur (13) um eine Struktur, die im Vergleich zu ihrer Umgebung fragil ausgebildet ist, und insbesondere um eine Membran eines Drucksensors oder eines Mikrofons handelt.
Gehäustes mikromechanisches Bauelement nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass in der Kunststoffumhüllung (36) mindestens ein weiterer Halbleiterchip (14) vorgesehen ist, der mit dem Substrat (16) und mit dem die mindestens eine zu schützende Struktur (13) enthaltenden Halbleiterchip (12) elektrisch verbunden ist.