DE102013102223B4

DE102013102223B4 - Miniaturisiertes Mehrkomponentenbauelement und Verfahren zur Herstellung

Info

Publication number: DE102013102223B4
Application number: DE102013102223.5A
Authority: DE
Inventors: Gudrun Henn; Marcel Giesen
Original assignee: Epcos AG
Current assignee: SnapTrack Inc
Priority date: 2013-03-06
Filing date: 2013-03-06
Publication date: 2014-09-18
Anticipated expiration: 2033-03-07
Also published as: US10076035B2; KR101709885B1; US20160014902A1; KR20150122784A; JP2016510959A; WO2014135311A1; DE102013102223A1; JP6158959B2

Abstract

Es wird ein miniaturisiertes Bauelement, das zur Verwendung mit verschiedenen Schaltungstechnologien kompatibel ist, angegeben. Das Bauelement umfasst einen Träger und eine funktionale Struktur auf dem Träger. Eine Dünnschicht-Abdeckung bedeckt die funktionale Struktur und dient als Montagebasis für eine Schaltungskomponente, die über der Dünnschicht-Abdeckung angeordnet ist. Die Schaltungskomponente ist über eine Zuleitung mit der funktionalen Struktur verschaltet.

Description

Die Erfindung betrifft Bauelemente mit mehr als einer Schaltungskomponente, die kleine Bauformen ermöglichen, sowie Verfahren zur Herstellung solcher Bauelemente.
Elektrische Geräte, z. B. mobile Kommunikationsgeräte, unterliegen einem anhaltenden Trend zur Miniaturisierung, damit mehr Funktionen bei kleineren Abmessungen zur Verfügung stehen. Folglich unterliegen auch Bauelemente, die in diesen Geräten verbaut sind, dem Trend zur Miniaturisierung.
Problematisch ist die Verkleinerung von Bauelementen, die Schaltungskomponenten verschiedenen Typs beinhalten. MEMS-Komponenten, wie z. B. mit akustischen Wellen arbeitende Filter, umfassen funktionale Strukturen und benötigen im Allgemeinen einen hermetisch mehr oder weniger abgedichteten Hohlraum, in dem die funktionalen Strukturen verkapselt sind.
Es ist bekannt, Strukturen von akustisch aktiven Filtern auf einem Chip anzuordnen und diesen in Flip-Chip Anordnung mit einem Mehrlagensubstrat zu verbinden und zu verschalten. In dem Mehrlagensubstrat können weitere Schaltungskomponenten anderen Typs enthalten und mit den Strukturen auf dem Chip verschaltet sein. Eine Abdeckung über dem Chip schließt den Chip auf dem Mehrlagensubstrat ein, wobei gegebenenfalls ein Hohlraum zwischen Chip und Substrat geschaffen wird.
Aus der Offenlegungsschrift JP 59091719 A sind Oszillator-Schaltungen und entsprechende Bauelemente, bei denen Schaltungskomponenten in einer Moldmasse vergossen sind, bekannt.
Aus der Offenlegungsschrift DE 102009014068 A1 sind Filterschaltungen und entsprechende Bauelemente, bei denen Schaltungskomponenten in einer Sandwich-Struktur angeordnet sind, bekannt.
Eine weitere Möglichkeit zur Abkapselung von MEMS-Strukturen besteht in TFPs (TFP = Thin Film Package) mit einer dünnen Schicht eines Deckelmaterials als Abdeckung.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Bauelement anzugeben, das Schaltungskomponenten verschiedenen Typs umfasst, kleine Abmessungen aufweist, günstig herstellbar ist und eine optimal geschützte Umgebung für empfindliche funktionale Strukturen zur Verfügung stellt. Es ist ferner eine Aufgabe, ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Bauelements anzugeben.
Diese Aufgaben werden durch das Bauelement bzw. durch das Verfahren gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Abhängige Ansprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung an.
Ein Bauelement umfasst einen Träger und eine erste funktionale Struktur auf dem Träger. Das Bauelemente umfasst weiterhin eine erste Dünnschicht-Abdeckung über der funktionalen Struktur und eine erste Schaltungskomponente über der ersten Dünnschicht-Abdeckung. Die erste Schaltungskomponente ist über eine Zuleitung mit der ersten funktionalen Struktur verschaltet.
Der Träger kann dabei ein Chip, z. B. aus Silizium oder aus einem keramischen Substrat, sein. Ist die erste funktionale Struktur direkt auf dem Träger angeordnet und sie berührt den Träger mit einem leitenden Material, kann der Träger ein hochohmiges Material umfassen.
Die Dünnschicht-Abdeckung kann eine Schicht eines TFP umfassen. Je nach Wahl des Materials und der Dicke der Dünnschicht-Abdeckung kann eine optimale Hermetizität eingestellt werden. Die Dünnschicht-Abdeckung kann dazu dicht mit dem Träger abschließen und so geformt sein, dass zwischen der Dünnschicht-Abdeckung und dem Träger ein Hohlraum existiert, in dem die erste funktionale Struktur angeordnet ist.
Die erste funktionale Struktur kann z. B. eine MEMS-Struktur sein, die eine Abkapselung von der Umgebung benötigt. Es ist möglich, dass die erste funktionale Struktur so im Hohlraum angeordnet ist, dass sie die Dünnschicht-Abdeckung nicht berührt. Ist die erste funktionale Struktur akustisch aktiv, so würde ein Kontakt mit der Dünnschicht-Abdeckung die Funktion der Struktur stören.
Die erste Schaltungskomponente ist nicht zusammen mit der funktionalen Struktur durch die Dünnschicht-Abdeckung verkapselt sondern befindet sich außerhalb des Hohlraumes. Dadurch ist es nicht zwingend erforderlich, dass die funktionale Struktur und die erste Schaltungskomponente ähnlich Größenabmessungen haben oder dass der Hohlraum so groß ausgestaltet ist, dass auch die erste Schaltungskomponente darin untergebracht sein kann. Ist die erste Schaltungskomponente deutlich größer als die erste funktionale Struktur, dann kann der Hohlraum passend zur ersten funktionalen Struktur so klein gestaltet sein, dass eine gute mechanische Stabilität der Dünnschicht-Abdeckung erhalten wird, wobei die Stabilität i. A. mit kleiner werdendem Hohlraum zunimmt. Dadurch kann die Dünnschicht-Abdeckung auch eine stabile Basis für die darauf angeordnete Schaltungskomponente bilden.
Die Zuleitung aus einem elektrisch leitenden Material kann unter der Dünnschicht-Abdeckung durchgeführt sein, ohne die Hermetizität zu beeinträchtigen.
Das Bauelement kann zusätzlich zur ersten funktionalen Struktur noch weitere funktionale Strukturen und zusätzlich zur ersten Schaltungskomponente noch weitere Schaltungskomponenten umfassen.
In einer Ausführungsform ist die erste funktionale Struktur ausgewählt aus einer MEMS-Struktur, einer mikroakustischen Struktur, einer SAW-Struktur (SAW = Surface Acoustic Wave = akustische Oberflächenwelle), einer BAW-Struktur (BAW = Bulk Acoustic Wave = akustische Volumenwelle), einer GBAW-Struktur (GBAW = Guided Bulk Acoustic Wave = geführte akustische Volumenwelle). Die erste Schaltungskomponente ist ausgewählt ist aus einem induktiven Element, einem kapazitiven Element, einem resistiven Element, einem SMD (SMD = Surface Mounted Device = oberflächenmontiertes Bauelement) mit einem aktiven Schaltungselement. Das aktive Schaltungselement kann Halbleiterschalter wie Transistoren umfassen. Andere aktive oder passive Schaltungselemente sind ebenfalls möglich.
Es wird somit ein Bauelement erhalten, in dem Schaltungstechnologien unterschiedlichen Typs zusammen integriert sind. Im Wesentlichen bestimmt die größte Schaltungskomponente die äußeren Abmessungen des Bauelements, während die kleineren Komponenten leicht untergebracht werden können, ohne die Abmessungen deutlich zu vergrößern.
In einer Ausführungsform umfasst das Bauelement ferner ein Anschlusspad auf dem Träger, das mit der Zuleitung verschaltet ist und über das die erste funktionale Struktur mit der ersten Schaltungskomponente verschaltet ist. Das Anschlusspad ermöglicht eine konventionelle Möglichkeit einer elektrisch leitenden Verschaltung der funktionalen Struktur mit der Schaltungskomponente.
In einer Ausführungsform umfasst das Bauelement ferner eine weitere oder mehrere weitere mit der ersten funktionalen Struktur verschaltete Schaltungskomponenten oberhalb der ersten funktionalen Struktur. Schaltungskomponenten des Bauelements können Impedanzanpassungen zwischen verschiedenen Schaltungsgruppen des Bauelements vornehmen oder als ESD-Schutzelemente (ESD = Electrostatic Discharge = Elektrostatische Entladung) eingesetzt und z. B. mit einem gemeinsamen Antennenanschluss eines Duplexers zur verschaltet sein. Es ist auch möglich, dass die Schaltungskomponenten oder einige der Schaltungskomponenten eine Impedanzanpassung zwischen Sende- und Empfangsfilterstufen vornehmen.
In einer Ausführungsform umfasst das Bauelement ferner weitere funktionale Strukturen auf dem Träger. Es ist möglich, dass die erste Dünnschicht-Abdeckung die weiteren funktionalen Strukturen zusammen mit der ersten funktionalen Struktur abdeckt. Es ist auch möglich, dass eine oder mehrere weitere Dünnschicht-Abdeckungen die weiteren funktionalen Strukturen abdecken.
So kann das Bauelement eine Vielzahl unterschiedlicher funktionaler Strukturen enthalten, die zusammen in einem Hohlraum angeordnet sind oder denen jeweils einzeln oder in Gruppen ein speziell angepasster Hohlraum zur Verfügung gestellt wird.
In einer Ausführungsform sind eine Vielzahl von mit akustischen Wellen arbeitende funktionalen Strukturen jeweils von einer eigenen Dünnschicht-Abdeckung abgedeckt und zu einem HF-Filter verschaltet. Die erste Schaltungskomponente ist ein Impedanzanpasselement für das HF-Filter.
In einer Ausführungsform ist das Bauelement ein Sendefilter, ein Empfangsfilter oder ein Duplexer zur Verwendung in einem mobilen Kommunikationsgerät.
Das mobile Kommunikationsgerät profitiert von der Verkleinerung der Bauform des Bauelements insofern, wie das Gerät selbst kleiner gebaut werden kann und/oder eine größere Anzahl an Funktionen durch die Möglichkeit des Einbaus einer größeren Anzahl an Bauelementen anbieten kann.
In einer Ausführungsform ist die erste Schaltungskomponente ein Dünnschicht-Widerstand aus Titannitrid oder Tantalnitrid oder ein Dünnschicht-Kondensator mit zumindest einer dielektrischen Schicht zwischen zwei leitenden Schichten.
Im Wesentlichen können alle Materialien, die zur Verwendung mit lithographischer Strukturierung verwendet werden können, zur Ausbildung der funktionalen Strukturen, der Dünnschicht-Abdeckung und/oder der Schaltungskomponenten benutzt werden.
Ein Verfahren zur Herstellung eines Bauelements umfasst die Schritte:

– Bereitstellen eines Trägers,
– Anordnen einer ersten funktionalen Struktur auf dem Träger,
– Abdecken der ersten funktionalen Struktur mit einer Dünnschicht-Abdeckung,
– Ausbilden einer ersten Schaltungskomponente auf der Dünnschicht-Abdeckung,
– Verschalten der ersten Schaltungskomponente mit der ersten funktionalen Struktur.

In einer Ausführungsform des Verfahrens wird zum Ausbilden der ersten Schaltungskomponenten eine Metallschicht auf der Dünnschicht-Abdeckung abgeschieden und strukturiert. Das Abscheiden der Metallschicht stellt gleichzeitig mit dem Ausbilden einen leitenden Kontakt zwischen dem Material der ersten Schaltungskomponente und einer Zuleitung zur ersten funktionalen Struktur her.
Im Folgenden wird das Bauelement anhand von Ausführungsbeispielen und schematischen Figuren näher erläutert. Es zeigen:
1 ein Bauelement B mit einer funktionalen Struktur FS in einem Hohlraum unter einer Schaltungskomponente SK,
2 ein Bauelement B mit einem kapazitiven Element als Schaltungskomponente,
3 ein Bauelement mit einem induktiven Element als Schaltungskomponente,
4 eine Draufsicht auf ein Bauelement, das als Duplexer ausgestaltet ist,
5 ein Bauelement mit mehreren funktionalen Strukturen mit jeweils eigener Dünnschicht-Abdeckung.
1 zeigt einen Querschnitt durch ein Bauelement B, bei dem eine funktionale Struktur FS auf einem Träger TR angeordnet ist. Die funktionale Struktur FS kann mittels elektrischer Kontakte oder Halteelemente oder direkt auf dem Träger TR befestigt sein. Insbesondere ist es möglich, dass die funktionale Struktur FS direkt auf dem Träger erzeugt, z. B. direkt aufgewachsen, ist. Oberhalb der funktionalen Struktur FS ist eine Dünnschicht-Abdeckung DSA angeordnet, die die funktionale Struktur FS in einem Hohlraum H einschließt. Oberhalt der Dünnschicht-Abdeckung DSA ist eine Schaltungskomponente oder zumindest ein Teil einer Schaltungskomponente SK angeordnet. Die Verwendung von Dünnschicht-Abdeckungen in TFP-Technologie ermöglicht kleine, aber stabile Hohlräume, in denen funktionale Strukturen von MEMS (MEMS: Micro-Electro-Mechanical System = mikro-elektro-mechanisches System) hermetisch von der Umwelt isoliert und geschützt untergebracht sein können.
2 zeigt eine Ausführungsform des Bauelements B, bei dem die Schaltungskomponente SK als kapazitives Element mit einem dielektrischen Material zwischen zwei elektrisch leitenden Flächen ausgestaltet ist.
3 zeigt ein Bauelement B, bei dem die Schaltungskomponente SK als induktives Element, z. B. als Spule, ausgeführt ist. Die Schaltungskomponente SK ist dabei oberhalb der Dünnschicht-Abdeckung DSA und lateral gesehen neben der funktionalen Struktur FS oberhalb des Trägers TR angeordnet. Eine elektrische Verbindung zwischen der Schaltungskomponente SK und der funktionalen Struktur FS kann mittels einer Zuleitung Z hergestellt werden, die einen elektrischen Kontakt der funktionalen Struktur FS mit einer leitenden Struktur der Schaltungskomponente SK verschaltet. Die Zuleitung Z kann dabei zumindest teilweise unter der Dünnschicht-Abdeckung und direkt auf dem Träger TR verlaufen. Es ist möglich, dass die Zuleitung Z durch eine Durchkontaktierung durch die Dünnschicht-Abdeckung DSA geführt ist.
4 zeigt eine Draufsicht auf ein Bauelement B, das als Duplexer ausgestaltet ist. Der Duplexer DU umfasst ein Sendefilter TX und ein Empfangsfilter RX. Jeweils ein Anschlusspad AP des Sendefilters TX und des Empfangsfilters RX ist mit der Schaltungskomponente SK verschaltet. Die Schaltungskomponente SK ist im vorliegenden Fall als induktives Element in quasi Spulenform mit einer Windungszahl von etwa 1,5 ausgestaltet.
Sowohl das Sendefilter TX als auch das Empfangsfilter RX umfasst eine Vielzahl an Parallelresonatoren PR und Serienresonatoren SR. Die Serienresonatoren SR sind jeweils in Serie miteinander im Signalpfad verschaltet. Parallelresonatoren PR verschalten den Signalpfad mit Masse. Es wird eine Laddertype-Filterstruktur erhalten, die als Bandpassfilter oder als Bandsperrfilter arbeiten kann. Jeder Resonator ist in einem Hohlraum unter einer Dünnschicht-Abdeckung DSA von der Umgebung abgekapselt. Die Dünnschicht-Abdeckung DSA ist durch eine Schraffierung gekennzeichnet. Die Serienresonatoren haben dabei zusammen eine einzige Dünnschicht-Abdeckung DSA, in der die Resonatoren zusammen in einem Hohlraum oder in verschiedenen Hohlräumen unterhalb der gemeinsamen Schicht angeordnet sein können. Parallelresonatoren PR haben jeweils ihre eigene Dünnschicht-Abdeckung DSA mit einem eigenen Hohlraum. Über Anschlusspads AP ist der Duplexer DU mit einer externen Schaltungsumgebung, z. B. einer Front-End-Schaltung eines mobilen Kommunikationsgeräts, verschaltbar.
5 zeigt ein Bauelement B mit vier Hohlräumen unter jeweils einer Dünnschicht-Abdeckung DSA. In jedem Hohlraum ist eine funktionale Struktur angeordnet. Ein Hohlraum umfasst eine BAW-Struktur BAWS, ein zweiter Hohlraum beinhaltet eine SAW-Struktur SAWS, ein dritter Hohlraum umfasst eine GBAW-Struktur GBAWS und ein vierter Hohlraum umfasst eine MEMS-Struktur MEMSS. Die BAW-Struktur, die SAW-Struktur und die MEMS-Struktur sind im Hohlraum angeordnet, ohne die Dünnschicht-Abdeckung DSA zu berühren. Die GBAW-Struktur GBAWS kann die Dünnschicht-Abdeckung DSA berühren, da der Bereich der Wellenleitung ohnehin durch ein Material abgedeckt ist, sodass der Bereich der Wellenleitung akustisch von der Dünnschicht-Abdeckung DSA entkoppelt ist, auch wenn die Dünnschicht-Abdeckung komplett auf der GBAW-Struktur GBAWS aufliegen würde, was möglich ist, um eine stabilere Basis für die Schaltungskomponente, hier in Form einer Wicklung W, zu bilden. Über Lotverbindungen, die z. B. aus Lotkugeln SB als Bump-Verbindung implementiert werden können, kann das Bauelement B mit einer externen Schaltungsumgebung verschaltet werden.
Das Bauelement und Verfahren zur Herstellung des Bauelements sind nicht auf die beschriebenen oder gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt, deren Merkmale in beliebiger Weise miteinander kombiniert werden können, um spezifische Anforderungen zu erfüllen. Ausführungsformen mit weiteren Schichten und Maßnahmen zur Verkapselung von Strukturen und die Verwendung mit Mehrlagensubstraten als Träger ist ebenfalls möglich.
Bezugszeichenliste

AP:

Anschlusspad

B:

Bauelement

BAWS:

BAW-Struktur

DK:

Durchkontaktierung

DSA:

Dünnschicht-Abdeckung

DU:

Duplexer

ES:

funktionale Struktur

GBAWS:

GBAW-Struktur

H:

Hohlraum

MEMSS:

MEMS-Struktur

PR:

Parallelresonator

RX:

Empfangsfilter

SAWS:

SAW-Struktur

SB:

Lotkugel

SK:

Schaltungskomponente

SR:

Serienresonator

TR:

Träger

TX:

Sendefilter

W:

Spulenwindung

Z:

Zuleitung

Claims

Bauelement (B), umfassend – einen Träger (TR), – eine erste funktionale Struktur (FS) auf dem Träger (TR), – eine erste Dünnschicht-Abdeckung (DSA) über der funktionalen Struktur (FS), – eine erste Schaltungskomponente (SK) über der ersten Dünnschicht-Abdeckung (DSA), wobei – die erste Schaltungskomponente (SK) über eine Zuleitung (Z) mit der ersten funktionalen Struktur (FS) verschaltet ist.
Bauelement (B) nach dem vorherigen Anspruch, wobei – die erste funktionale Struktur (FS) ausgewählt ist aus: einer MEMS-Struktur (MEMSS), einer mikroakustischen Struktur, einer SAW-Struktur (SAWS), einer BAW-Struktur (BAWS), einer GBAW-Struktur (GBAWS) und – die erste Schaltungskomponente (SK) ausgewählt ist aus: einem induktiven Element, einem kapazitiven Element, einem resistiven Element, einem SMD mit einem aktiven Schaltungselement.
Bauelement (B) nach einem der vorherigen Ansprüche, ferner umfassend ein Anschlusspad (AP) auf dem Träger (TR), das mit der Zuleitung (Z) verschaltet ist und über das die erste funktionale Struktur (FS) mit der ersten Schaltungskomponente (SK) verschaltet ist.
Bauelement (B) nach einem der vorherigen Ansprüche, ferner umfassend eine oder mehrere weitere mit der ersten funktionalen Struktur (FS) verschaltete Schaltungskomponenten oberhalb der ersten funktionalen Struktur (FS).
Bauelement (B) nach einem der vorherigen Ansprüche, ferner umfassend – weitere funktionale Strukturen auf dem Träger (TR), wobei – die erste Dünnschicht-Abdeckung (DSA) die weiteren funktionalen Strukturen (FS) zusammen mit der ersten funktionalen Struktur (FS) abdeckt oder eine oder mehrere weitere Dünnschicht-Abdeckungen (B) die weiteren funktionalen Strukturen abdecken.
Bauelement (B) nach dem vorherigen Anspruch, wobei – eine Vielzahl von mit akustischen Wellen arbeitende funktionale Strukturen (FS) jeweils von einer eigenen Dünnschicht-Abdeckung (DSA) abgedeckt und zu einem HF-Filter verschaltet sind und – die erste Schaltungskomponente (SK) ein Impedanzanpasselement für das HF-Filter ist.
Bauelement (B) nach dem vorherigen Anspruch, das ein Sendefilter, ein Empfangsfilter oder ein Duplexer zur Verwendung in einem mobilen Kommunikationsgerät ist.
Bauelement (B) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die erste Schaltungskomponente (SK) – ein Dünnschicht-Widerstand aus Titannitrid oder Tantalnitrid oder – ein Dünnschicht-Kondensator mit zumindest einer dielektrischen Schicht zwischen zwei leitenden Schichten ist.
Verfahren zur Herstellung eines Bauelements (B), umfassend die Schritte: – Bereitstellen eines Trägers (TR), – Anordnen einer ersten funktionalen Struktur (FS) auf dem Träger (TR), – Abdecken der ersten funktionalen Struktur (FS) mit einer Dünnschicht-Abdeckung (DSA), – Ausbilden einer ersten Schaltungskomponente (SK) auf der Dünnschicht-Abdeckung (DSA) – Verschalten der ersten Schaltungskomponente (SK) mit der ersten funktionalen Struktur (FS).
Verfahren nach dem vorherigen Anspruch, wobei – zum Ausbilden der ersten Schaltungskomponenten (SK) eine Metallschicht auf der Dünnschicht-Abdeckung (DSA) abgeschieden und strukturiert wird und – das Abscheiden der Metallschicht gleichzeitig mit dem Ausbilden einen leitenden Kontakt zwischen dem Material der ersten Schaltungskomponente (SK) und einer Zuleitung (Z) zur ersten funktionalen Struktur (FS) herstellt.