DE102014118340B4

DE102014118340B4 - Verfahren zur Herstellung eines Wafer-Level-Package für ein MEMS-Mikrofon

Info

Publication number: DE102014118340B4
Application number: DE102014118340.1A
Authority: DE
Inventors: Gregor Feiertag; Hans Krüger; Anton Leidl; Wolfgang Pahl; Jürgen Portmann; Alois Stelzl
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2014-12-10
Filing date: 2014-12-10
Publication date: 2020-03-12
Anticipated expiration: 2034-12-11
Also published as: DE102014118340A1; WO2016091592A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Package für ein MEMS Mikrofon mit den Schritten:
a) Bereitstellen und Vorbereiten eines Basiswafers (BW), der eine Vielzahl von Basischips (BC) umfasst, bei dem der Schritt a) weiter umfasst:
a1) Vorbereiten oder Herstellen von Durchkontaktierungen (DK) durch jeden Basischip (BC) im Basiswafer (BW)
a2) Erzeugen einer Schallöffnung (SO) in jedem Basischip (BC) des Basiswafers (BW)
a3) Verschließen der Schallöffnungen (SO) durch Verfüllen mit einem Polymer (PFA)
a4) Herstellen von elektrischen Verbindungskontaktflächen (VF) auf der Oberseite jedes Basischips (BC), sowie gegebenenfalls a5) Aufbringen von Verbindungsmitteln (VM) und/oder eines Dichtrahmens auf die Oberseite eines jeden Basischips
b) Bereitstellen und Vorbereiten eines MEMS Wafers (MW), der eine Vielzahl von MEMS Chips (MC) umfasst,
c) gegenseitiges Ausrichten des MEMS Wafers und des Basiswafers so, dass jedem MEMS Chip ein Basischip mit einem ASIC (AS) zugeordnet ist und Kontaktflächen (KF,VF) des MEMS Wafers mit den entsprechenden Verbindungskontaktflächen (VF) gegenseitig ausgerichtet und einander zugewandt sind,
d) miteinander Verbinden von Basiswafer und MEMS Wafer durch Bonden, wobei die Verbindungskontaktflächen (VF) mit den Kontaktflächen(KF) elektrisch verbunden werden und parallel dazu ein aktive Bauelementstrukturen des MEMS Chips umschließender Dichtrahmen zwischen jedem Basischip und dem zugeordneten MEMS Chip vorgesehen und mit Oberflächen der beiden Chips abdichtend verbunden wird,
e) Herstellen von ersten Einschnitten (ES1) im MEMS Wafer (MW) von der Rückseite her entlang von Trennlinien zwischen den einzelnen MEMS Chips (MC) zumindest durch den MEMS Wafer hindurch,
f) Metallisieren des Verbunds aus MEMS Wafer und Basiswafer von der Rückseite des MEMS Wafers her so, dass die Rückseite der MEMS Chips (MC) und die in den ersten Einschnitten (ES1) freigelegten Seitenflächen der MEMS Chip und gegebenenfalls Teile der ebenfalls freigelegten Seitenflächen der ASIS Chips von der Metallisierung bedeckt sind,
g) Herstellen von Anschlusskontakten (AK) auf der Unterseite der Basischips (BC)
h) schonendes Entfernen des Polymers (PFA).

Description

MEMS-Mikrofone sind durch Mikro-Strukturierungstechnik hergestellte miniaturisierte Komponenten, die einen MEMS-Chip und einen auf die Funktion des MEMS-Mikrofons abgestimmten ASIC-Chip umfassen. Insbesondere aufgrund der Miniaturisierung ist das MEMS-Mikrofon gegen elektromagnetische Störeinflüsse aus der Umgebung empfindlich.
Bei bekannten MEMS-Mikrofone sind beispielsweise der Mikrofonchip und der ASIC-Chip auf einem Träger montiert. Auf die Oberfläche des Trägers und über die beiden Chips wird dann eine Abdeckung aufgebracht, die eine zu Schirmungszwecken dienende metallische Schicht umfasst. Bekannt ist es auch, die beiden Chips mit einer Metallkappe abzudecken.
Aus der DE 102013104407 A1 ist ein Package für ein MEMS Mikrofon bekannt, bei dem Bauelementstrukturen des Mikrofons in einem Hohlraum zwischen einem MEMS Chip und einem Basischip eingerhlossen werden. US 2014/0332909 A1 und US 2010/0052082 A1 offenbaren ähnliche MEMS Bauelemente. Aus der US 8,841,738 B2 ist ein weiteres Mikrofonsystem bekannt. Aus US 2015/0001651 A1 und US 2013/0330878 A1 sind Herstellungsverfahren für MEMS Packages bekannt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein integriertes Verfahren zur Herstellung eines Wafer-Level-Packages anzugeben, das eine kostengünstige Herstellung der MEMS-Mikrofone auf Wafer-Level erlaubt.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Herstellung eines Packages für ein MEMS Mikrofon nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind weiteren Ansprüchen zu entnehmen.
Der Grundaufbau des erfindungsgemäßen MEMS-Mikrofons besteht aus einem Basis-Chip und einem oben darauf montierten MEMS-Chip. Im Folgenden wird diese Orientierung beibehalten, sodass der MEMS Chip als oben-, der ASIC dagegen als untenliegend angeordnet bezeichnet wird.
Der Basis-Chip umfasst den ASIC, während der MEMS-Chip ein MEMS-Mikrofon umfasst. Zwischen MEMS-Chip und Basis-Chip ist ein mit beiden zueinander weisenden Oberflächen verbundener Dichtrahmen angeordnet, der dem gesamten Außenumfang einer Außenkante der beiden Chips folgt.
Zwischen MEMS-Mikrofon und ASIC sind zumindest zwei elektrische Verbindungen vorgesehen. Durch den Basis-Chip hindurch sind zumindest zwei Durchkontaktierungen vorgesehen, die eine elektrische MEMS-Kontaktfläche und/oder eine Kontaktfläche des ASIC mit einem Anschlusskontakt auf der nach außen und unten weisenden Anschlussseite des Basis-Chips verbindet. Durch den Basis-Chip oder den MEMS-Chip ist eine Schallöffnung geführt. Zumindest auf der vom Basis-Chip weg nach oben weisenden Rückseite desPackages und an den Seitenflächen zumindest des MEMS-Chips ist eine metallische Abschirmung aufgebracht, die wahlweise auch noch die Seitenflächen des Basis-Chips bedecken kann.
Vorteil dieser Anordnung ist es, dass die empfindliche aktive Seite des MEMS-Chips und die Kontaktflächen des ASIC zueinander weisen und in einem zwischen den beiden Chips und dem Dichtrahmen eingeschlossenen Hohlraum angeordnet sind. Alle extern benötigten Anschlusskontakte sind auf die Unterseite des Basis-Chips geführt und können dort mittels einer Umverdrahtung in einer gewünschten Weise strukturiert und/oder an der gewünschten Stelle angeordnet sein.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung fluchten die Außenkanten von MEMS-Chip und Basis-Chip, sodass alle Seitenflächen des gesamten Packages eine weitgehend ebene Oberfläche darstellen. Eine solche kann besonders einfach mit der Metallisierung für die Abschirmung versehen werden.
Fluchtende Außenkanten von MEMS-Chip und Basis-Chip können dann erhalten werden, wenn MEMS-Mikrofon und ASIC die gleiche Grundfläche aufweisen, sodass sie passend miteinander verbunden werden können und ein kompaktes Bauelement mit den genannten ebenen Seitenflächen ausbilden.
Für den Fall, dass ASIC und MEMS-Mikrofon unterschiedlich große oder unterschiedlich geformte Grundflächen aufweisen, ist der kleinere aus ASIC und MEMS-Mikrofon in eine Kunststoffeinbettung eingebettet. Die Kunststoffeinbettung bildet eine Matrix für den kleineren der beiden Chips, z.B. für den ASIC, wobei die Außenabmessung der Matrix bzw. der Kunststoffeinbettung dann an die Abmessungen des größeren Bauteils angepasst sind und so mit diesem zusammen wieder ein kompaktes Package ausbilden können.
Die Kunststoffeinbettung bzw. die Kunststoffmatrix erstreckt sich zumindest über eine Seitenfläche des ASIC oder des MEMS-Mikrofons und kann den jeweiligen Chip an allen Seitenflächen umschließen.
Die Kunststoffmatrix schließt bündig mit der jeweiligen Ober- und Unterseite des in die Kunststoffmatrix eingebetteten Bauteils ab. Kontaktflächen des Verbundteils aus Bauelement und Kunststoffeinbettung sind daher von der Kunststoffmatrix unbedeckt und bei der Montage frei zugänglich.
Eine solche Kunststoffeinbettung ermöglicht es, das von der Kunststoff- oder Polymermatrix ausgefüllte Volumen zu nutzen. So ist es beispielsweise möglich, einen ASIC mit kleinerer Grundfläche als das MEMS-Mikrofon in eine Kunststoffeinbettung einzubringen und das freie Volumen entweder für Durchkontaktierungen oder Schallöffnungen zu nutzen.
Ein weiterer Vorteil der Kunststoffeinbettung besteht darin, dass die Kunststoffeinbettung bzw. die Polymermatrix um den jeweiligen Chip herum eine einfachere Vereinzelung der einzelnen Packages erlaubt. Die Kunststoffeinbettung ermöglicht es außerdem, mehrere einzelne Chips im gleichen Raster, das dem Raster des Wafers mit den größeren Bauteilen entspricht, anzuordnen und in einen Kunststoff einzubetten. Dabei wird ein waferartiges Gebilde erhalten, das zusammen mit dem entsprechenden Wafer mit den größeren Bauteilen in einem Wafer-Level-Verfahren eingesetzt werden kann. So können die meisten Verfahrensschritte für das Herstellen des Packages auf Wafer-Level und somit für eine Vielzahl von Einzelbauelementen gleichzeitig durchgeführt werden können.
Die Schallöffnungen für das Mikrofon können durch den Basis-Chip hindurch geführt sein. Dies kann durch den ASIC hindurch in einem Bereich desselben erfolgen, in dem keine Schaltungen angeordnet sind. Vorteilhaft ist es jedoch, die Schallöffnung durch die Polymermatrix der Kunststoffeinbettung zu führen, sofern der ASIC in einer solchen vorliegt. Bevorzugt ist es jedoch, die Schallöffnung so durch den ASIC hindurch zu führen, dass diese zentriert zur Membran des MEMS-Mikrofons angeordnet ist, welche sich üblicherweise in der Mitte des Bauteils befindet.
Die elektrischen Verbindungen zwischen MEMS-Mikrofon und Basis-Chip können über einen elektrisch leitfähigen Kleber erfolgen. Gemäß einer Ausführungsform ist der Kleber anisotrop leitend eingestellt, sodass sich ein Stromfluss ausschließlich in der gewünschten Richtung vertikal zu den beiden zu verbindenden Oberflächen ergeben kann. Dies hat den Vorteil, dass sich die Breiten der Strompfade zwischen MEMS-Chip und Basis-Chip weitgehend auf die Grundflächen der entsprechenden Kontaktflächen beschränken. Eine gegenseitige Isolation unterschiedlicher elektrischer Verbindungen aus anisotrop leitendem Klebstoff ist dann nicht erforderlich.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die elektrische Verbindung mittels so genannter Pillars aus Kupfer zu erzeugen. Diese Pillars werden vorzugsweise auf der Oberfläche des Basis-Chips in Form einer strukturierten Metallisierung erzeugt. Von Vorteil ist es dabei, wenn dann auch der Dichtrahmen aus der gleichen Metallisierung hergestellt ist. In entsprechender Weise gilt, dass aus elektrisch leitendem Kunststoff bestehende Verbindungen in vorteilhafter Weise mit einem Dichtrahmen kombiniert sind, der ebenfalls ein Polymer umfasst und im gleichen Verfahrensschritt wie die elektrischen Verbindungen auf der Oberfläche, insbesondere des Basis-Chips, aufgebracht werden kann. Auch metallische Verbindungsmittel werden vorteilhaft gemeinsam mit einem metallischen Dichtrahmen aufgebracht.
Die Erfindung ermöglicht es, das Mikrofon-Package in einem Wafer-Level-Verfahren herzustellen. Dieses Verfahren umfasst die Schritte:

a) Bereitstellen und Vorbereiten eines Basis-Wafers, der eine Vielzahl von Basis-Chips umfasst, bei dem der Schritt a) weiter umfasst:
- a1) Vorbereiten oder Herstellen von Durchkontaktierungen durch jeden Basischip im Basiswafer
- a2) Erzeugen einer Schallöffnung in jedem Basischip des Basiswafers
- a3) Verschließen der Schallöffnungen durch Verfüllen mit einem Polymer
- a4) Herstellen von elektrischen Verbindungskontaktflächen auf der Oberseite jedes Basischips, sowie gegebenenfalls
- a5) Aufbringen von Verbindungsmitteln und/oder eines Dichtrahmens auf die Oberseite eines jeden Basischips
b) Bereitstellen und Vorbereiten eines MEMS-Wafers, der eine Vielzahl von MEMS-Chips umfasst.
c) Gegenseitiges Ausrichten des MEMS-Wafers und des Basis-Wafers, so dass jedem MEMS-Chip ein Basis-Chip mit einem ASIC zugeordnet ist und Kontaktflächen des MEMS Wafers mit den entsprechende Verbindungskontaktflächen gegenseitig ausgerichtet und einander zugewandt sind.
d) Miteinander Verbinden von Basis-Wafer und MEMS-Wafer durch Bonden, wobei die Verbindungskontaktflächen mit den Kontaktflächen elektrisch verbunden werden und parallel dazu ein aktive Bauelementstrukturen des MEMS Chips umschließender Dichtrahmen zwischen jedem Basischip und dem zugeordneten MEMS Chip vorgesehen und mit Oberflächen der beiden Chips abdichtend verbunden wird,
e) Erzeugen von ersten Einschnitten in den MEMS-Wafer von der Rückseite her entlang von Trennlinien zwischen den einzelnen MEMS-Chips, die zumindest durch den MEMS-Wafer hindurch geführt werden.
f) Metallisieren des Verbunds aus MEMS-Wafer und Basis-Wafer von der Rückseite des MEMS-Wafers her so, dass die Rückseite des MEMS-Chips und die in den Einschnitten freigelegten Seitenflächen der MEMS-Chips und gegebenenfalls Teile ebenfalls freigelegter Seitenflächen des ASIC-Chips von der Metallisierung bedeckt sind.
g) Herstellen von Anschlusskontakten auf der Unterseite der Basis-Chips
h) schonendes Entfernen des Polymers.

Das Verfahren kann also für ganze Wafer und damit für eine Vielzahl von Einzelbauelementen gleichzeitig durchgeführt werden, ist daher kostengünstig und gut kontrollierbar. Auch die Erzeugung der Schirmung, die durch Metallisieren des Verbunds aus MEMS-Wafer und Basis-Wafer erzeugt wird, wird auf Wafer-Level-Ebene durchgeführt.
In einer alternativen Ausführung wird auf den Schritt a3) verzichtet.
Die Schallöffnung kann, wie gesagt, durch den ASIC hindurch geführt werden. Möglich ist es auch, bei Verwendung eines in eine Kunststoffeinbettung eingebetteten ASICs, die Schallöffnung durch die Polymermatrix der Kunststoffeinbettung zu führen. Die Schallöffnung wird während der Vorbereitung des Basis-Wafers erzeugt und kann dann ohne Rücksichtnahme auf den MEMS-Wafer, der an diesem Verfahren nicht beteiligt ist, durchgeführt werden. Dies verhindert eine Kontaminierung empfindlicher MEMS-Oberflächen bzw. empfindlicher Bauelementstrukturen auf der MEMS-Oberfläche. Das Wiederverschließen der Schallöffnung mit einem Polymer ermöglicht es dabei, den Hohlraum, der nach Schritt d) zwischen MEMS-Chip und Basis-Chip eingeschlossenen ist, während der weiteren Verfahrensschritte dicht zu halten. Das Polymer in der Schallöffnung kann dann in einem späteren Verfahrensschritt nach weitgehender oder vollständiger Fertigstellung des Packages wieder entfernt werden. Dies kann auf schonende Weise erfolgen, sodass auch hier keine Gefahr einer Kontamination des MEMS-Chips besteht.
In einer weiteren Ausgestaltung kann der Verfahrensschritt a) des erfindungsgemäßen Verfahrens die weiteren Unterschritte umfassen:

a6) Bohren von Sacklöchern für die Durchkontaktierungen in die Oberseite des Basis-Chips und Befüllen derselben mit einem elektrisch leitfähigen Material.
a7) Bohren von Sacklöchern zum Erzeugen der Schallöffnungen.
a8) Erzeugen von zweiten Einschnitten in der Oberseite des Basis-Chips entlang der Trennlinien zwischen den einzelnen Basis-Chips, wobei die Einschnitte bis zur gleichen Tiefe wie die Sacklöcher für die Durchkontaktierungen und die Schallöffnungen geführt werden.
a9) Auffüllen der Sacklöcher und der zweiten Einschnitte mit einem Polymer

Vorteilhaft erfolgt der Materialabtrag auf einer Oberfläche des Basis-Chips zur Erzeugung von Schallöffnungen, Durchkontaktierungen, Einschnitten und anderen gegebenenfalls erforderlichen Vertiefungen und Löchern mittels Plasmaätzens.
Der Verfahrensschritt d) kann die weiteren Unterschritte umfassen:

d1) Abschleifen oder Dünnen des Basis-Wafers von der Unterseite her, bis die Sacklöcher für die Schallöffnungen und Durchkontaktierungen sowie die zweiten Einschnitte von unten her geöffnet sind.

Verfahrensschritt e) kann den weiteren Unterschritt umfassen:

e1) Erzeugen der ersten Einschnitte durch den gesamten MEMS-Wafer hindurch bis in die zweiten Einschnitte in der Oberseite des Basis-Chips hinein.

Die hier aufgeführten Unterschritte führen zu einem Verfahren, bei dem Material abtragende Strukturierungen des Basis-Chips nicht durch den gesamten Basis-Wafer hindurch geführt werden müssen. Es genügt vollständig, sie bis zu einer Tiefe zu strukturieren, die der späteren und endgültigen Dicke des Basis-Chips nach dem Dünnen des Basis-Wafers entspricht. Die Strukturierungen, die in Form von Sacklöchern oder Gräben begrenzter Tiefe (zweite Einschnitte) geführt sind, werden beim Abschleifen von unten geöffnet und sind dann durchgehend. In diesem Zusammenhang wird unter „Freilegen“ verstanden, dass die jeweilige Struktureinheit durch das Dünnen des Basis-Wafers angeschnitten und so geöffnet wird. Sacklöcher und zweite Einschnitte sind mit Polymer gefüllt, sodass beim Abschleifen darin das Polymer und nicht die freie Öffnung freigelegt wird. Durchkontaktierungen sind mit einem elektrisch leitenden Material gefüllt, sodass beim Dünnen des Basis-Wafers dieses Material angeschnitten und freigelegt wird.
Das Dünnen des Wafers erfolgt auf einer Verfahrensstufe, bei der der MEMS-Wafer und der Basis-Wafer fest miteinander verbunden sind, sodass die mechanische Festigkeit des Waferverbunds ausreichend ist, diesen vor einem Bruch des Wafers bei abnehmender Schichtdicke infolge des Schleifens zu bewahren.
Werden im Basis-Wafer zweite Einschnitte vorgesehen, die entlang der Trennlinien geführt sind, so können auch diese beim Abschleifen des Basis-Wafers freigelegt werden. Die einzelnen Bauelemente im Waferverbund werden dann nur noch über das Polymer in den freigelegten Trennlinien zusammengehalten. Die vollständige Vereinzelung der Bauelemente gelingt durch Entfernen des Polymers, welches durch Sägen, thermisch, durch Oxidation, chemisch oder durch Lösungsmittel erfolgen kann.
Das Metallisieren des Verbunds nach dem Herstellen der ersten Einschnitte, die zumindest durch den MEMS-Wafer hindurch geführt werden, kann in zwei Verfahrensschritten erfolgen. Dazu wird zunächst in einem ersten Teilschritt f1) eine Grundmetallisierung aus der Gasphase abgeschieden, beispielsweise durch Aufsputtern. In einem zweiten Schritt f2) wird diese Grundmetallisierung durch galvanische oder stromlose Abscheidung eines Metalls aus der Lösung verstärkt.
Möglich ist es jedoch auch, das Metallisieren des Verbunds nach dem Herstellen der ersten Einschnitte in den MEMS-Wafer ausschließlich nasschemisch durchzuführen.
Eine für einzelne Anwendungen vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, vor dem Aufbringen der Metallisierung für die Abschirmung die freigelegten und zu metallisierenden Oberflächen zu passivieren. Dies kann vorteilhaft durch Behandlung mit einem reaktiven Plasma erfolgen. Im Normalfall umfasst das MEMS-Mikrofon einen Siliziumkörper, dessen Oberflächen beispielsweise mit einem stickstoffhaltigen Plasma passiviert werden können. Möglich ist es auch, die Passivierung durch Abscheidung eines isolierenden Lacks mittels eines CVD Verfahrens vorzunehmen. Allgemein kann mit der Passivierung auch verhindert werden, dass das an der Abschirmung anliegende Potenzial, welches in der Regel ein internes oder externes Massepotenzial ist, das elektrische Potenzial des MEMS Chips beeinflusst.
Eine alternative Möglichkeit zur Aufbringung einer Metallisierung besteht darin, die ersten Einschnitte in die Rückseite des MEMS-Wafers entlang der Trennlinien mit einer relativ hohen Breite auszuführen. Diese ersten Einschnitte werden dann mit einer leitfähigen Masse, insbesondere mit einem elektrisch leitfähigen Polymer, gefüllt. Anschließend werden zentriert zu den ersten Einschnitten weitere Einschnitte an gleicher Stelle, jedoch mit geringerer Schnittbreite, geführt, sodass die verbleibenden Gräbenwände beiderseits von dem leitfähigen Polymer gebildet sind.
Das leitfähige Polymer kann für sich bereits eine ausreichende Schirmung aufweisen, wird vorzugsweise jedoch noch mit einem metallischen Überzug verstärkt, der aufgesputtert oder galvanisch oder stromlos aus der Lösung abgeschieden werden kann.
Zum Verbinden von MEMS-Wafer und Basis-Wafer werden gemäß einer Ausführungsform Verbindungsmittel auf einer der zu verbindenden Oberfläche aufgebracht, insbesondere auf die Oberfläche des Basis-Wafers. Die Verbindungsmittel dienen zum einen zur mechanischen Verbindung und sind vorzugsweise auch elektrisch leitend ausgebildet, sodass in einem Schritt mechanische und elektrische Verbindungen zwischen MEMS-Wafer und Basis-Wafer bzw. den entsprechenden Chips hergestellt werden kann.
Ein geeignetes Verbindungsmittel ist ein leitfähiger Kleber, insbesondere wenn er anisotrop leitfähig eingestellt ist. Weiterhin ist es möglich, als Verbindungsmittel Pillars aus Kupfer aufzubringen oder herkömmliche Stud- oder Lötbumps. Als weiteres Verbindungsmittel kann der Dichtrahmen dienen, der ebenfalls auf dieser Verfahrensstufe erzeugt wird und ein Metall oder ein Polymer bzw. einen zu einem Polymer härtenden Kleber umfasst.
Pillars aus Kupfer können bei ausreichender Co-Planarität der zu verbindenden Oberflächen (Pillar und Gegenkontakt) durch Einwirken von Druck und Hitze direkt miteinander verbunden werden. Alternativ können die Pillars auch mit Lot oder Leitkleber beschichtet werden.
Aus Polymerkleber oder allgemein Kunststoff bestehende Strukturen werden vorzugsweise auf eine der zu verbindenden Oberflächen aufgedruckt. Dazu ist beispielsweise Sieb- oder Stempeldruck geeignet. Ein an geringe Strukturgrößen anpassbares Druckverfahren ist das Jet-Druckverfahren, welches erfindungsgemäß ebenfalls mit Vorteil eingesetzt werden kann. Das Jet-Druckverfahren ist auch dazu geeignet, Einschnitte und Sacklöcher für die Schallöffnung im Basis-Wafer vor dem Verbinden mit dem MEMS-Wafer zu verfüllen. Auch das Verfüllen der ersten Einschnitte von der Rückseite des MEMS-Wafers her mit elektrisch leitfähigem Polymer kann mittels Jet-Druck erfolgen. Aufgrund der planen Oberfläche des MEMS-Wafers können die ersten Einschnitte jedoch auch durch Applizieren, Rakeln oder Aufstreichen von Polymermasse verfüllt werden.
Ein Auftrennen der für sich weitgehend fertiggestellten aber im Waferverbund noch zusammenhängenden Bauelemente erfolgt vorzugsweise mittels Sägen. Dazu wird die noch miteinander verbundenen Wafer mit der Basis-Waferseite auf eine Sägefolie geklebt und von oben, d.h. der Rückseite des MEMS-Wafers her entlang der ersten Einschnitte weiter eingesägt. Für die Ausführung, bei der die ersten Einschnitte bereits durch MEMS- und Basis-Wafer geführt sind, ist kein Sägeschritt mehr erforderlich, da lediglich das Polymer aus den zweiten Einschnitten zu entfernen ist, was aber ebenfalls durch Sägen erfolgen kann.
Auf der Unterseite des Basis-Wafers werden pro Bauelement Anschlusskontakte erzeugt, die jeweils elektrisch mit einer Durchkontaktierung verbunden sind. Jede der Durchkontaktierungen wiederum steht in Kontakt mit einer Kontaktfläche auf der Oberseite des Basis-Chips, die wiederum mit dem ASIC oder z. B. über ein Verbindungsmittel oder direkt mit einer Kontaktfläche auf der aktiven Unterseite des MEMS-Chips in Verbindung stehen kann.
Die Anschlusskontakte können direkt auf der Unterseite des Basis-Wafers bzw. der einzelnen Basis-Chips erzeugt werden. Vorteilhaft ist es jedoch, auf der Unterseite des Basis-Wafers zunächst eine Umverdrahtung vorzusehen, mit deren Hilfe das durch die Durchkontaktierungen definierte Raster der Anordnung der Anschlüsse einer äußeren Schaltungsumgebung angepasst werden kann. Insbesondere kann die Umverdrahtung dazu dienen, ungleichmäßig auf der Unterseite des Basis-Chips verteilte Durchkontaktierungen mit regelmäßig verteilten Anschlusskontakten zu verbinden, sodass auf den Anschlusskontakten beispielsweise ein Ball Grid Array erzeugt werden kann, welches ein vorgegebenes Raster von Anschlusskontakten zur Verfügung stellt.
Eine Umverdrahtung wird erzeugt, indem auf der Unterseite des Basis-Wafers zunächst eine Isolierschicht aufgebracht und strukturiert wird. Dabei verbleiben Lücken in der Isolationsschicht, in denen jeweils eine der zu kontaktierenden Durchkontaktierung freigelegt ist. Darüber wird anschließend eine zweite Metallisierung aufgebracht und strukturiert, sodass Leiterabschnitte und Kontaktflächen entstehen. Vorteilhaft kann es außerdem sein, darüber noch einen Lötstopplack aufzubringen, der ausschließlich die Kontaktflächen unbedeckt lässt und so ein sicheres Aufbringen von Löt-Bumps ermöglicht.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und der dazugehörigen schematischen Figuren erläutert. Die Figuren zeigen erfindungsgemäße Bauelemente in unterschiedlichen Darstellungen während unterschiedlicher Verfahrensschritte der Herstellung. Die Figuren dienen nur zur Erläuterung und sind daher auch nicht maßstabsgetreu ausgeführt. Den Figuren sind weder absolute Bemessungen noch relative Größenverhältnisse zu entnehmen.
Es zeigen:

1 einen schematischen Querschnitt durch ein Mikrofon-Package mit durchgehender Abschirmung,
2 einen schematischen Querschnitt durch ein Package mit einer Schirmung nur am MEMS-Chip,
3A einen MEMS-Chip von der Unterseite,
3B einen Basis-Chip von der Oberseite,
3C Je einen MEMS-Chip und Basis-Chip bei der gegenseitigen Ausrichtung in perspektivischer Draufsicht,
4 ein Package mit einem Basis-Chip, der eine Kunststoffeinbettung umfasst,
5 die Anordnung von 4 in perspektivischer Darstellung mit getrennten Chips,
6 ein Package mit einem MEMS-Chip, der eine Kunststoffeinbettung und eine durch diese hindurch geführte Schallöffnung aufweist,
7 die Anordnung von 6 in perspektivischer Darstellung mit getrennten Chips,
8 einen Basis-Chip mit Einschnitten und Sacklöchern,
9 die Anordnung von 8 mit gefüllten Sacklöchern und Einschnitten nach dem Dünnen des Basis-Chips,
10 ein Package im Waferverbund in schematischer Darstellung vor dem Vereinzeln,
11 die Anordnung von 10 nach dem Vereinzeln.
12-16 Verschiedene Verfahrensstufen im Querschnitt beim Vereinzeln durch erste Einschnitte, Wiederbefüllen und erneutes Einsägen mit geringerer Schnittbreite zum Erzeugen beschichteter Seitenflächen,
17-20 Verschiedene Verfahrensstufen im Querschnitt beim Vereinzeln mittels erster durch beide Wafer geführter Einschnitte, Wiederbefüllen und erneutes Einsägen mit geringerer Schnittbreite zum Erzeugen beschichteter Seitenflächen,
21 ein fertiges Package mit metallischem Überzug als Abchirmung.

1 zeigt eine einfache Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Packages für ein MEMS-Mikrofon. Das MEMS-Mikrofon, das in dieser Ausführung den MEMS Chip MC bildet, weist einen an sich bekannten Aufbau auf und ist ein beispielsweise als kapazitiv arbeitendes und aus einem kristallinen Siliziumkörper strukturiertes Bauelement. Im kristallinen Körper des MEMS-Mikrofons ist eine Ausnehmung BV strukturiert, die auf der aktiven Seite mit einer Membran MB überspannt ist. Auf einer oder beiden Seiten ist der Membran ist je eine Festelektrode in geringem Abstand zur Membran vorgesehen, die ebenfalls die Ausnehmung überspannen. Im Folgenden wird aufgrund der Anordnung in der Figur die aktive Seite auch als Unterseite des MEMS-Mikrofons bzw. des ein MEMS-Mikrofon MM umfassenden MEMS-Chips MC bezeichnet. Äußere elektrische Anschlüsse für Membran MB und Festelektrode FE befinden sich an der Unterseite des kristallinen Grundkörpers des MEMS-Chips MC (in der Figur nicht dargestellt).
Im Package ist der MEMS-Chip MC auf einem Basis-Chip BC montiert, welcher vorzugsweise die gleiche Grundfläche wie der MEMS-Chip MC aufweist, sodass er in montierter Anordnung mit dem MEMS-Chip MC fluchtende Seitenflächen aufweist. Als Verbindungsmittel VM zwischen MEMS-Chip MC und Basis-Chip BC dient eine Bondverbindung, die aus Metall, Klebstoff, elektrisch leitendem Klebstoff oder anisotrop elektrisch leitendem Klebstoff besteht. Das Verbindungsmittel VM dient somit sowohl zur mechanischen Verbindung von MEMS-Chip MC und Basis-Chip BC, als auch zur Herstellung elektrisch leitender Verbindungen zwischen Basis-Chip BC und MEMS-Chip MC. Darüber hinaus kann es auch noch als Dichtrahmen dienen. Der Dichtrahmen kann jedoch auch separat gefertigt sein und gegen die elektrischen Anschlüsse des MEMS-Chips MC elektrisch isoliert sein.
Der Basis-Chip BC umfasst einen ASIC, der in dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel den kompletten Basis-Chip BC bildet. Die aktiven Bauelementstrukturen, also die integrierten Schaltungen, sind nahe der zum MEMS-Chip MC weisenden Oberfläche des ASIC angeordnet, sodass die aktive Seite im Folgenden als Oberseite des ASIC bezeichnet wird. Auf der Oberseite des ASIC können Kontaktflächen zur Kontaktierung des ASIC, Verbindungskontaktflächen zur Kontaktierung des MEMS-Chips MC sowie Leiterabschnitte angeordnet sein, die eine Verschiebung der Kontaktflächen hin zum physikalischen Ort der entsprechenden Schaltung oder Verbindung ermöglichen.
Die Unterseite des ASIC oder Basis-Chips BC weist Anschlusskontakte AK auf. Diese sind über Durchkontaktierungen DK mit den entsprechenden Kontaktflächen und Verbindungskontaktflächen auf der Oberseite des Basis-Chips BC verbunden. Die Durchkontaktierungen sind in der Regel als mit Metall gefüllte Bohrungen ausgeführt. Abhängig vom Material des Basischips kann es erforderlich sein, die Seitenwände der Bohrung elektrisch isolierende auszukleiden. Die Bohrungen können aber auch mit anderen leitfähigen Materialien, insbesondere mit einem elektrisch leitfähigen Polymer oder niederohmigem Silizium gefüllt sein.
Im Basis-Chip BC ist außerdem eine Schallöffnung SOA vorgesehen, die durch den ganzen Basis-Chip BC geführt ist und vorzugsweise zentriert zur Membran MB des MEMS-Chips MC angeordnet ist. Die Schallöffnung SOA kann auf der Oberseite und/ oder auf der Unterseite des Basis-Chips mit einem Schutzgitter versehen sein, um Eindringen von Schmutzpartikeln und anderen störenden Partikeln zur Membran zu verhindern.
Auf der Unterseite des Basis-Chips BC ist außerdem eine ringförmige Metallisierung SR rundum die Schallöffnung SOA vorgesehen. Weiterhin weist die Unterseite Anschlusskontakte KF auf, die mit den entsprechenden Durchkontaktierungen DKA verbunden sind. Möglich ist es jedoch auch, direkt über der Mündung der Durchkontaktierungen DK auf der Unterseite des Basis-Chips BC Kontaktmittel KM, beispielsweise Bumps, aufzubringen, ohne vorher die Unterseite zu metallisieren.
Die Ausnehmung BV im MEMS-Chip MC ist mit einer Abdeckung L verschlossen, die beispielsweise als Glasfolie oder Polymerfolie ausgebildet ist. Die Abdeckung L kann auf den Grundkörper des MEMS-Chips aufgeklebt oder anderweitig aufgebondet sein. In der Ausnehmung ist dadurch ein Volumen eingeschlossen, welches für das Mikrofon das Rückvolumen BV darstellt und einen für die Funktion des Mikrofons erforderlichen Referenzdruck einschließt, der bei äußeren Druckänderungen zu einer Auslenkung der Membran führt.
Das Package ist an sämtlichen Seitenflächen sowie an der Rückseite/Oberseite des MEMS-Chips MC mit einer elektrisch leitenden Abschirmung SD versehen, welche eine Metallschicht oder eine mit elektrisch leitenden Partikeln gefüllte Schicht umfasst. Unterhalb der Abschirmung SD oder unter Teilen davon kann auch eine Isolationsschicht ISO vorgesehen sein, die aber nur für bestimmte Anwendungen vorteilhaft und daher optional ist. Die Abschirmung SD ist vorzugsweise mit einer mit Masse verbindbaren Anschlussfläche auf der Unterseite des Basis-Chips BC verbunden. Im dargestellten Fall kann die Verbindung außen um die untere Kante des Basis-Chips herum erfolgen. Die Abschirmung SD kann jedoch auch anderweitig kotaktiert sein, z.B. über die Oberseite des Basischips BC und eine entsprechende Durchkontatierung DK.
2 zeigt eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Packages, bei dem als wesentlicher Unterschied zu dem in 1 dargestellten die Abschirmung SD nur über die Außenflächen des MEMS-Chips MC aufgebracht ist. Die Seitenflächen des Basis-Chips BC sind frei von der Abschirmung SD. Auch hier kann optional unterhalb der Abschirmung eine Isolationsschicht ISO angeordnet sein.
In der 2 ist außerdem eine Durchkontaktierung DK dargestellt, welche nicht mit dem MEMS-Chip MC bzw. dem MEMS-Mikrofon verbunden ist, sondern allein zur Herstellung eines Kontakts zum ASIC dient. Auf der Unterseite des Basis-Chips BC ist diese Durchkontaktierung DK mit einem Kontaktmittel verbunden, welches hier als Bump dargestellt ist und direkt auf der Mündung der Durchkontaktierung DKA aufsitzt. Möglich ist es jedoch auch, über der Mündung an der Unterseite des Basis-Chips eine Kontaktfläche zu erzeugen und darauf ein Verbindungsmittel aufzutragen oder die Kontaktfläche direkt zum Bonden in eine Schaltungsumgebung zu verwenden.
Die Anzahl der Anschlusskontakte AK ist abhängig von der Funktionalität des MEMS-Mikrofons, welche unter anderem durch die Funktionen des ASIC bestimmt ist. In der 2 sind ebenso wie in 1 unterschiedliche Kontaktflächen KF und Kontaktmittel KM dargestellt, die jedoch nur die Vielfalt möglicher Variationen aufzeigen soll und die daher in der Regel nicht zusammen auf einem Bauelement verwirklicht sind.
Auch hier ist die Abschirmung SD elektrisch mit einer Anschlussfläche verbunden, welche hier über eine Durchkontaktierung DK durch den Basis-Chip BC hindurch kontaktiert ist.
3A zeigt einen MEMS-Chip MC von der Unterseite, also der dem ASIC zugewandten aktiven Seite des MEMS-Chips. Die vorzugsweise rund ausgeführte Ausnehmung im Grundkörper des MEMS-Chips MC ist vollständig von der Membran MB überspannt. Auf der Unterseite des Grundkörpers des MEMS-Chips MC sind zumindest zwei MEMS-Kontaktflächen KF angebracht zur Kontaktierung der Membran MB und der Festelektrode FE. Eine dritte MEMS-Kontaktfläche KF kann für eine zweite Rückelektrode vorgesehen sein, die auf der zur ersten Festelektrode gegenüberliegenden Membranseite angeordnet ist.
3B zeigt schematisch die Oberseite eines Basis-Chips, welcher hier als reiner ASIC ausgeführt ist. Durch den Basis-Chip BC hindurch sind Durchkontaktierungen DK vorgesehen, die vorzugsweise am Rand des Basis-Chips BC angeordnet sind. Deckungsgleich zu den MEMS-Kontaktflächen KF sind auf der Oberseite des Basis-Chips BC Verbindungskontaktflächen VF vorgesehen, die zur Kontaktierung mit den Kontaktflächen des MEMS-Chips MC dienen. Die Verbindungskontaktflächen VF können direkt über weiteren Durchkontaktierungen DKA angeordnet sein. Möglich ist es jedoch auch, auf der Oberseite des Basis-Chips BC eine Verdrahtungsebene vorzusehen, über die elektrische Verbindungen zwischen den Durchkontaktierungen DKA und den Kontaktflächen hin zum MEMS-Chip MC oder zum Basischip BC bzw. dem ASIC hergestellt werden.
Zentriert zur Membran ist eine Schallöffnung SOA durch den Basis-Chip BC hindurch vorgesehen.
3C zeigt in perspektivischer Ansicht die beiden noch nicht vollständig gegeneinander ausgerichteten Teilchips des Packages. Man sieht, dass die Grundflächen von MEMS Chip und Basischip exakt übereinstimmen so dass Verbindungskontaktflächen VF des Basischips und Kontaktflächen KF des MEMS-Chips direkt übereinander zu liegen kommen. In der Figur nicht eingezeichnet ist ein Dichtrahmen, welcher vor dem Verbinden der beiden Chips auf die Oberfläche eines der beiden Chips, vorzugsweise auf die Oberseite des Basis-Chips BC, aufgebracht wird und nach dem Verbinden der beiden Chips den dazwischen eingeschlossenen Hohlraum abdichtet.
4 zeigt anhand eines schematischen Querschnitts ein Package, bei dem der Basis-Chip BC eine Kunststoffeinbettung KMA und einen darin eingebetteten ASIC AS umfasst. Die Kunststoffeinbettung KMA dient im Wesentlichen dazu, die Grundfläche des Basis-Chips BC an die Grundfläche des MEMS-Chips MC anzupassen, wenn der ASIC eine kleinere Grundfläche als der MEMS-Chip aufweist. Weiterhin dient die Kunststoffeinbettung dazu, einen Basis-Wafer zu generieren, bei dem die ASICs so in der Kunststoffmatrix verteilt sind, dass sie dem Raster der noch nicht vereinzelten MEMS-Chips im MEMS-Wafer entsprechen. Auf diese Weise ist es möglich, auch einen flächenmäßig kleineren ASIC in einem Wafer-Level-Verfahren mit dem flächenmäßig größeren MEMS-Chips auf Wafer-Ebene zu verbinden.
Die Kunststoffeinbettung KMA kann dazu genutzt werden, dort Bohrungen für eine oder mehrere Schallöffnungen SO_K sowie für die Durchkontaktierungen DK vorzusehen. Auf diese Weise kann ein kompakter ASIC-Chip AS mit hoher Integrationsdichte eingesetzt werden, der keine von ASIC Strukturen freie Oberfläche für das Vorsehen von Durchkontaktierungen oder anderen Bohrungen mehr aufweisen muss. Die Kunststoffeinbettung KMA hat weiterhin den Vorteil, dass sich in ihr in einfacher Weise sämtliche erforderlichen Bohrungen und andere Einschnitte erzeugen lassen, da dort keinerlei Bruchgefahr für den ASIC AS selbst besteht.
Vorzugsweise ist der ASIC zur Membran zentriert und die Schallöffnungen SO_K sind in gewünschter Anzahl um den ASIC AS herum verteilt. Im Übrigen entspricht der Aufbau des in 4 dargestellten Packages demjenigen von 1. Auch hier ist eine Abschirmung SD über sämtliche Seitenflächen des Packages sowie über die Rückseite des MEMS-Chips MC aufgebracht und kann wahlweise gegen den MEMS-Chip MC noch durch eine Isolationsschicht ISO isoliert sein. Je nachdem, ob die Isolationsschicht ISO reaktiv auf Siliziumoberflächen oder als separate Schicht durch Abscheidung erzeugt ist, kann im letztgenannten Fall auch die Abdeckung L von der Isolationsschicht ISO bedeckt sein.
In der 4 sind der Übersichtlichkeit halber weder ausreichend Kontaktflächen KF an der Unterseite noch Metallisierungsringe um die Schallöffnungen SO dargestellt, die im realen Bauelement natürlich vorhanden sind.
5 zeigt in perspektivischer Darstellung die beiden Chips vor dem Verbinden zu einer Anordnung wie in 4. In dieser Ausführung ist die Kunststoffeinbettung KMA nur an zwei Seiten des ASICs vorgesehen, der ASIC selbst aber symmetrisch zwischen zwei Streifen einer Kunststoffeinbettung KMA eingebettet. Die Oberfläche des ASIC ist frei von der Kunststoffeinbettung. In der Figur sind zwei Schallöffnungen SO_K dargestellt, die durch die Kunststoffeinbettung KMA geführt sind, ebenso sechs Mündungsflächen von Durchkontaktierungen, die mit MEMS-Kontaktflächen KF oder mit elektrischen Anschlüssen des ASICs verbunden sein können.
In dieser Ausführung wird unter dem Begriff Basis-Chip BC die Gesamtheit aus ASIC AS und Kunststoffeinbettung KMA verstanden, die zusammen wie ein normaler Chip gehandhabt werden können, ohne dass zwischen den Materialien der Kunststoffeinbettung oder des ASICs differenziert werden muss.
6 zeigt anhand eines schematischen Querschnitts eine Anordnung, bei der der MEMS-Chip MC aus dem MEMS-Mikrofon MM selbst und einer Kunststoffeinbettung KMM besteht, in die das MEMS-Mikrofon MM eingebettet ist. So gelingt es, einen gegenüber dem Basis-Chip BC flächenkleineren MEMS-Grundkörper mit Hilfe der Kunststoffeinbettung KMM zu einem MEMS-Chip MC zu kombinieren, der flächengleich mit dem Basis-Chip BC ist. Auch hier kann die Kunststoffeinbettung KM_M dazu genutzt werden, funktionelle Teile des Packages aufzunehmen. Hier ist die Schallöffnung SO_K durch die Kunststoffeinbettung KM_M des MEMS-Chips MC geführt, sodass der Basis-Chip BC frei von Schallöffnungen ist. Sämtliche Kontaktflächen des Packages sind jedoch nach wie vor auf der Unterseite des Basis-Chips vorgesehen und mit den entsprechenden Anschlüssen auf Unterseite von MEMS-Chips bzw. Oberseite von Basis-Chips über Durchkontaktierungen DKA verbunden, so dass hier ein sogenanntes Top-Port-Mikrofon erhalten wird.
Die Seitenflächen der Anordnung sind mit einer Abschirmung SD versehen, welche direkt auf den Seitenflächen von MEMS-Chip und Basis-Chip aufsetzt oder durch eine Isolationsschicht ISO gegen diese isoliert ist. In einer nicht dargestellten Ausführungsform ist die Abschirmung SD nur auf Höhe des MEMS-Chips MC vorgesehen und lässt die Seitenflächen des Basis-Chips BC unbedeckt.
7 zeigt in perspektivischer Anordnung die beiden zum Bauelement nach 6 verbindbaren Chips vor der Montage. Der Basis-Chip BC ist ein einheitlicher Chip, beispielsweise ein ASIC, während der MEMS-Chip MC aus dem MEMS-Mikrofon MM und der Kunststoffeinbettung KM_M besteht. Die Kunststoffeinbettung KM_M ist hier nur an einer Seite des MEMS-Mikrofons MM vorgesehen, kann jedoch auch mehrere Seiten einschließen oder das MEMS-Mikrofon MM von allen Seiten außer von der Unterseite her umschließen und so vollständig einbetten.
8 zeigt in schematischer Darstellung anhand eines Querschnitts durch einen Basis-Chip BC eine Möglichkeit, wie verschiedene funktionelle Strukturen des Basis-Chips durch einseitige Behandlung des Basis-Chips oder Basis-Wafers hergestellt werden können. So können beispielsweise zweite Einschnitte ES2 entlang von Trennlinien rund um die einzelnen Basis-Chips herum z.B. durch Ätzen zu erzeugt werden. Die Breite der zweiten Einschnitte ES2 wird mindestens so groß gewählt wie die Sägebreite bei der späteren Vereinzelung, damit das entsprechende Vereinzelungswerkzeug, vorzugsweise eine Säge, einfacher auf die zweiten Einschnitte ES2 zentriert werden kann.
Weiterhin können in der Oberfläche des Basis-Chips BC bzw. des Basis-Wafers Sacklöcher für die späteren Schallöffnungen SOA oder für die mit elektrisch leitfähigem Material zu füllenden Durchkontaktierung DK erzeugt werden. Die Sacklöcher weisen vorzugsweise runden Querschnitt auf. Vor der Weiterverarbeitung werden die zweiten Einschnitte ES2 sowie die Sacklöcher für die Schallöffnungen SO_A mit einem Polymer verfüllt, um eine plane Oberfläche für den Basis-Chip BC zu schaffen und um eine Kontamination, also das Eindringen von störenden Partikeln in die Öffnungen während des weiteren Herstellungsverfahrens, zu vermeiden.
Der Basis-Chip BC bzw. der Basis-Wafer mit den Basis-Chips weist eine Dicke d1 auf, die der herkömmlichen Dicke von Halbleiterchips oder des ASIC entsprechen. Die Dicke d1 kann sogar größer gewählt sein, um eine sichere Handhabung des Basis-Wafers, der eine größere Grundfläche als ein einzelner Basis-Chip aufweist, zu gewährleisten. Eine geeignete Schichtdicke d1 des Basis-Wafers liegt bei ca. 700 µm.
Die zweiten Einschnitte ES2 und die Sacklöcher für Durchkontaktierungen und Schallöffnungen werden bis zu einer Tiefe d3 geführt, wobei d3 < d1 ist. In der Figur sind lediglich die unterschiedlichen Vertiefungen dargestellt, ohne dass sie in einer realen relativen Anordnung zueinander gezeigt sind.
Nach gegenseitigem Verbinden von MEMS-Chips und Basis-Chips ist der Basis-Wafer mechanisch durch den MEMS-Wafer stabilisiert und kann gedünnt werden. Dabei wird die Schichtdicke des Basis-Wafers beispielsweise durch Abschleifen auf eine Dicke d2 reduziert. Es gilt: d2 < d3. d2 ist nun die endgültige Dicke des Basis-Chips und für mechanische Stabilität und eine störungsfreie Funktion des Basis-Chips bzw. des gesamten Packages ausreichend gewählt. Eine geeignete Schichtdicke d2 liegt beispielsweise bei 200 µm und weniger.
Wie aus der 9 gut ersichtlich, werden beim Dünnen des Basis-Wafers zweite Einschnitte, Durchkontaktierungen und Schallöffnungen von unten her angeschliffen, sodass sie vorzugsweise auf Oberseite und Unterseite den gleichen Querschnitt aufweisen. Auf diese Weise werden die bisherigen Sacklöcher zu durchgehenden Öffnungen oder Durchkontaktierungen, ohne dass die Bohrungen durch den gesamten Basis-Wafer geführt werden müssen. Der Verschluss der zweiten Einschnitte ES2 und Schallöffnungen SOA mit Polymer gewährleistet, dass die Stabilität des Basis-Wafers während der Verarbeitung erhalten bleibt und dass beim Abschleifen entstehende Abriebpartikel nicht in die Öffnungen oder Einschnitte gelangen.
10 zeigt andeutungsweise, wie die im Waferverbund zusammengefügten MEMS-Wafer MW und Basis-Wafer in einfacher Weise aufgetrennt und in die einzelnen Packages vereinzelt werden können. Zur Vereinzelung wird vorzugsweise von der Oberseite des MEMS-Wafers durch die Abdeckung L hindurch ein Sägeschnitt so gesetzt, dass der Grundkörper der MEMS-Mikrofone bzw. der massive Teil des MEMS-Chips MC entlang von Trennlinien symmetrisch durchtrennt wird. Als Werkzeug W kann beispielsweise ein Sägeblatt dienen. Mit dem Werkzeug W werden nun erste Einschnitte ES1 entlang der Trennlinien in den MEMS-Wafer gesetzt und so tief geführt, dass zumindest der gesamte MEMS-Wafer durchtrennt ist.
Wie in 11 gezeigt, wird die Anordnung von ersten Einschnitten ES1 im MEMS-Wafer und zweiten Einschnitten ES2 im Basis-Wafer deckungsgleich oder zumindest zentriert zueinander vorgenommen, sodass eine vollständige Vereinzelung der einzelnen Packages entlang von ersten und zweiten Einschnitten ES1, ES2 möglich ist.
Die 12 bis 16 zeigen anhand schematischer Querschnitte eine Verfahrensvariante, bei der beim Vereinzeln der einzelnen Packages durch Sägen und Setzen eines erneuten Einschnitts mit geringerer Spurbreite eine Beschichtung der Seitenwände des Packages erhalten werden kann.
12 zeigt ausschnittsweise und schematisch einen Waferverbund aus einem MEMS-Wafer MW und einem Basis-Wafer BW, an dem das Verfahren ausschnittsweise für eine Trennlinie erläutert werden soll.
13 zeigt den Waferverbund nach dem Setzen erster Einschnitte ES1, die von der Rückseite des MEMS-Wafers bis hin zur Oberfläche des Basis-Wafers BW zwischen zwei MEMS Chips geführt werden. Die MEMS-Chips MC werden dabei vereinzelt, während die Basischips BC noch im Verbund des Basis-Wafers BW stabilisiert sind.
14 zeigt die Anordnung, nachdem die ersten Einschnitte ES1 mit einer Polymerfüllung PFM gefüllt sind. Diese Beschichtungsmasse kann ein elektrisch isolierendes Polymer sein oder auch eine elektrisch leitfähige Masse, beispielsweise ein elektrisch leitfähig eingestelltes Polymer.
Nach dem Aushärten der Polymerfüllung PFM wird erneut ein Einschnitt ES1' in den ersten Einschnitt ES1 geführt, jedoch mit geringerer Spurbreite und zentriert zu dem ersten Einschnitt ES1, sodass beidseitig die Schnittkanten mit einer Seitenflächenbeschichtung SFB versehen bleiben, wie in 15 dargestellt.
Im letzten Schritt wird auch der Basis-Wafer BW mittels einer Auftrennungsmethode vereinzelt. Die Auftrennung des Basis-Wafers BW in die einzelnen Basis-Chips BC und gleichzeitig in die einzelnen Packages bzw. Bauelemente erfolgt dabei entlang der gleichen Trennlinien wie die ersten Einschnitte ES1 und die weiteren ersten Einschnitts ES' im MEMS-Wafer MW.
16 zeigt als Ergebnis vereinzelte Packages, bei denen die Seitenwände des MEMS-Chips mit einer Seitenflächenbeschichtung SFB versehen sind. Da die Trennlinien jeweils um den gesamten Chip herum geführt sind, sind sämtliche Seitenflächen mit der Seitenflächenbeschichtung SFB versehen. Die Seitenflächenbeschichtung kann so aufgebracht sein, dass sie bündig mit dem Basis-Chip BC abschließt.
In weiteren Schritten kann nun eine Abschirmung SD aufgebracht werden, beispielsweise eine Metallisierung. Ist die Seitenflächenbeschichtung elektrisch leitend eingestellt, so genügt eine anisotrope Beschichtung. Ist die Seitenfläche elektrisch isolierend eingestellt, so wird ein isotropes Abscheidungsverfahren gewählt, beispielsweise ein Sputterprozess, gefolgt von einer galvanischen oder stromlosen Metallabscheidung.
Gemäß einer weiteren Verfahrensvariante, die in den 17 bis 21 anhand schematischer Querschnitte dargestellt ist, gelingt eine Seitenflächenbeschichtung für das gesamte Package. Der Waferverbund aus 17 wird dabei mit der Unterseite auf eine Sägefolie aufgeklebt und in die einzelnen Bauelemente aufgetrennt, wobei die Einschnitte durch MEMS-Wafer MW und Basis-Wafer BW hindurch geführt werden. Die Einschnitte werden anschließend mit einer Polymerfüllung PF befüllt, die wiederum elektrisch leitend oder elektrisch isolierend eingestellt sein kann. Weitere Einschnitte werden mit geringerer Schnittbreite und zentriert zu den bestehenden Einschnitten bzw. zur Polymerfüllung geführt. Es werden wie in 20 dargestellt Packages erhalten, deren Seitenflächen vollständig mit der Seitenflächenbeschichtung SFB bedeckt sind. Auch die so vereinzelten Packages mit den MEMS-Mikrofonen können nun auf den nach außen weisenden Oberflächen, d. h. auf allen Flächen außer der Unterseite, mit einer weiteren schirmenden Beschichtung, also einer Abschirmung SD versehen werden. Diese kann wie beschrieben mittels einer geeigneten Metallisierung erzeugt werden.
Die Einschnitte oder Durchschnitte können dann mit einer fest vorgegebenen Einschnitttiefe oder mit einer Endpunkterkennung durchgeführt werden. Für eine teilweise Durchtrennung des Waferverbunds, bei dem der Schnitt nur durch den MEMS-Wafer geführt wird, ist ein teilweises Anschneiden des Basis-Wafers ohne Probleme möglich und sogar bevorzugt.
Die mit einer Polymerfüllung PFA (in den 17 - 21 nicht extra dargestellt, siehe dafür z.B. 9) gefüllte Schallöffnung im Basis-Wafer BW kann unmittelbar vor dem Sägeschritt geöffnet werden. Sofern vorhanden, können bei dem Schritt auch die zweiten Einschnitte im Basis-Wafer von der Polymerfüllung befreit werden. Zum Vereinzeln werden die Verbundwafer mit dem Basis-Wafer nach unten auf eine Sägefolie geklebt, die für einen sicheren Halt der dann vereinzelten Bauelemente sorgt und gleichzeitig die Schallöffnung von unten temporär verschließt.
Nach dem Einbringen der Einschnitte, die durch den MEMS-Wafer oder durch MEMS-Wafer und Basis-Wafer hindurch geführt werden, wie in 20 darrgestellt, kann die Metallisierung für die Abschirmung aufgebracht werden, während die einzelnen Bauelemente noch auf der Sägefolie aufgeklebt sind. Beim vollständigen Durchtrennen des Waferverbunds kann zur Erleichterung des Aufbringens der Metallisierung die Folie auch in der Aufbringebene gestretcht werden, wodurch sich die Abstände zwischen den einzelnen Bauelementen erhöhen und ein leichteres Aufbringen der Metallisierung auf die Seitenflächen möglich ist.
21 zeigt ausschnittsweise zwei MEMS Chips MC1,MC2 mit an sämtlichen Seitenflächen aufgebrachter Metallisierung, die als Abschirmung SD dient.
Die Anschlusskontakte AK auf der Unterseite des Basis-Wafers werden unmittelbar nach dem Abschleifen aufgebracht. Zur Metallisierung eignet sich eine Grundschicht, beispielsweise eine gesputterte Titan/Kupfer-Leitschicht, die gegebenenfalls noch aus der Lösung durch Abscheidung verstärkt werden kann. Die Strukturierung der Kontaktflächen erfolgt wie beschrieben, wobei die Kontaktflächen direkt auf der Unterseite des Basis-Wafers bzw. des einzelnen Basis-Chips aufgebracht werden können, vorzugsweise jedoch mittels einer Umverdrahtungsebene oberhalb einer Isolationsschicht, die eine beliebige Positionierung der Kontaktflächen relativ zu den Durchkontaktierungen ermöglicht.
Die Erfindung ist nicht auf die in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt. So ist die Erfindung sowohl für MEMS-Mikrofone auf der Basis von mikrostrukturierten Siliziumkondensatoren, als auch auf der Basis anderer MEMS-Techniken einsetzbar. Der ASIC dient zur Steuerung der Mikrofonfunktionen, mithin zur Spannungsversorgung des Mikrofons, zur Detektion und Verstärkung des Mikrofonsignals zur Adaption des Mikrofons an einen gegebenen Schalldruck oder zur Einstellung von verschiedenen Mikrofon-Betriebsverfahren, die sich durch unterschiedliche Empfindlichkeiten, unterschiedlich starke Dämpfung oder die Breite des erfassten Frequenzspektrums unterscheiden können. Der ASIC kann weiterhin eine variierbare BIAS-Spannung zwischen Membran und Festelektrode erzeugen. Der ASIC kann außerdem eine Überbelastung der Membran detektieren, um zu starke Auslenkung bis zur Festelektrode und eine dabei mögliche Beschädigung des Mikrofons zu vermeiden. Die Funktionsvielfalt des ASIC und damit des Mikrofons ist jedoch nicht auf diese Beispiele beschränkt.
Das Mikrofon im erfindungsgemäßen Package kann mit der Unterseite des ASIC in eine beliebige Schaltungsumgebung eingebunden werden. Ist das Schallloch durch den ASIC bzw. den Basis-Chip geführt, so wird das Mikrofon-Package vorteilhaft auf einem Schaltungsträger mit einer weiteren Schallöffnung montiert, um einen Schallzutritt von unten zu ermöglichen. Ist die Schallöffnung durch den MEMS-Chip geführt, so erübrigt sich das Vorsehen von Schallöffnungen im Leitungs- und Schaltungsträger.
Im MEMS-Wafer und dementsprechend im Basis-Wafer sind die Mikrofone und die dazugehörigen ASICs in einem vorzugsweise quadratischen Raster angeordnet. Dabei ist es nicht erforderlich, dass Mikrofonchips oder die ASICs selbst zentriert in dem jeweiligen Rasterfeld für ein einzelnes Package angeordnet sind. Die Verbindungskontaktflächen auf der Oberseite eines jeden Basis-Chips sowie die MEMS-Kontakte auf der Unterseite der MEMS-Chips sind passgenau und einander entsprechend strukturiert. Dabei können die Verbindungskontaktflächen auf der Oberseite des Basis-Wafers mit einer größeren Strukturbreite ausgeführt sein als die entsprechenden MEMS-Kontakte, um eine Justierungstoleranz für das Aufsetzen des MEMS-Wafers bereitzustellen. Auch zum Setzen der Einschnitte, insbesondere der ersten und zweiten Einschnitte, kann eine Toleranz vorgesehen werden, die zwar zu einer Vergrößerung des Bauelements, dafür aber zu einer höheren Ausbeute beim Herstellungsverfahren führt.
Bezugszeichenliste

BW: Basiswafer mit
BC: Basischips, jeweils umfassend einen
AS: ASIC, und ggfs. eine
KMA: ASIC Einbettung, Kunststoffmatrix an zumindest einer Seite des ASIC
SOK: Schallöffnung durch Kunststoffeinbettung KMA oder KMM
SOA: Schallöffnung in Basischip (in ASIC oder Einbettung)
SR: Metallisierungsring auf Unterseite Basischip um Schallöffnung SOA
DK: Durchkontaktierung durch Basischip (ASIC oder Einbettung)
AK: Anschlusskontakte, auf Anschlussseite des Basischip
KM: Kontaktmittel, insb. Bump auf Unterseite Basischip
VF: Verbindungskontaktflächen, auf Oberseite Basischip
KF: Kontaktflächen auf Oberseite Basischip
SFB: Beschichtung auf Seitenflächen
MW: MEMS Wafer mit
MC: MEMS Chips, jeweils umfassend ein
MM: MEMS Mikrofon und ggfs. eine
KMM: MEMS Einbettung, = Kunststoffmatrix an zumindest einer Seite des MEMS Mikrofons
MB: Membran
FE: Festelektrode
BV: Rückvolumen
L: Obere Abdeckung über Rückvolumen
VM: Elektrisches Verbindungsmittel, zwischen MEMS und ASIC
ISO: Passivierung, erzeugt durch reaktives Plasma unter
SD: Abschirmung
SO_M: MEMS integrierte Schallöffnung durch MEMS Chip
ES1: Erste Einschnitte in Rückseite MEMS Wafer entlang von
ES2: Zweite Einschnitte, im Basischip
ES3: dritte Einschnitte, zentriert geführt in wiederbefüllten ersten Einschnitten ES1
PFM: Polymerfüllung im MEMS Chip
PFA: Polymerfüllung im Basischip

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Package für ein MEMS Mikrofon mit den Schritten: a) Bereitstellen und Vorbereiten eines Basiswafers (BW), der eine Vielzahl von Basischips (BC) umfasst, bei dem der Schritt a) weiter umfasst: a1) Vorbereiten oder Herstellen von Durchkontaktierungen (DK) durch jeden Basischip (BC) im Basiswafer (BW) a2) Erzeugen einer Schallöffnung (SO) in jedem Basischip (BC) des Basiswafers (BW) a3) Verschließen der Schallöffnungen (SO) durch Verfüllen mit einem Polymer (PFA) a4) Herstellen von elektrischen Verbindungskontaktflächen (VF) auf der Oberseite jedes Basischips (BC), sowie gegebenenfalls a5) Aufbringen von Verbindungsmitteln (VM) und/oder eines Dichtrahmens auf die Oberseite eines jeden Basischips b) Bereitstellen und Vorbereiten eines MEMS Wafers (MW), der eine Vielzahl von MEMS Chips (MC) umfasst, c) gegenseitiges Ausrichten des MEMS Wafers und des Basiswafers so, dass jedem MEMS Chip ein Basischip mit einem ASIC (AS) zugeordnet ist und Kontaktflächen (KF,VF) des MEMS Wafers mit den entsprechenden Verbindungskontaktflächen (VF) gegenseitig ausgerichtet und einander zugewandt sind, d) miteinander Verbinden von Basiswafer und MEMS Wafer durch Bonden, wobei die Verbindungskontaktflächen (VF) mit den Kontaktflächen(KF) elektrisch verbunden werden und parallel dazu ein aktive Bauelementstrukturen des MEMS Chips umschließender Dichtrahmen zwischen jedem Basischip und dem zugeordneten MEMS Chip vorgesehen und mit Oberflächen der beiden Chips abdichtend verbunden wird, e) Herstellen von ersten Einschnitten (ES1) im MEMS Wafer (MW) von der Rückseite her entlang von Trennlinien zwischen den einzelnen MEMS Chips (MC) zumindest durch den MEMS Wafer hindurch, f) Metallisieren des Verbunds aus MEMS Wafer und Basiswafer von der Rückseite des MEMS Wafers her so, dass die Rückseite der MEMS Chips (MC) und die in den ersten Einschnitten (ES1) freigelegten Seitenflächen der MEMS Chip und gegebenenfalls Teile der ebenfalls freigelegten Seitenflächen der ASIS Chips von der Metallisierung bedeckt sind, g) Herstellen von Anschlusskontakten (AK) auf der Unterseite der Basischips (BC) h) schonendes Entfernen des Polymers (PFA).
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Schritt a) weiter umfasst a6) Bohren von Sacklöchern für die Durchkontaktierungen (DK) in der Oberseite der Basischips (BC) und Befüllen derselben mit einem elektrisch leitfähigen Material a7) Bohren von Sacklöchern zum Erzeugen der Schallöffnung (SO) in jedem Basischip (BC) a8) Erzeugen von zweiten Einschnitten (ES2) in der Oberseite des Basiswafers (BW) entlang der Trennlinien zwischen den einzelnen Basischips (BC), wobei die Einschnitte bis zur gleichen Tiefe wie die Sacklöcher für die Durchkontaktierungen (DK) und die Schallöffnungen (SO) geführt werden a9) Auffüllen der Sacklöcher und der zweiten Einschnitte mit einem Polymer (PFA) wobei Schritt d) weiter umfasst: d1) Abschleifen oder Dünnen des Basiswafers (BW) von der Unterseite her bis die Sacklöcher für die Schallöffnungen und Durchkontaktierungen und die zweiten Einschnitte von unten her geöffnet sind wobei Schritt e) weiter umfasst: e1) Erzeugen der ersten Einschnitte (ES1) durch den gesamten MEMS Wafer (MW) hindurch bis in die zweiten Einschnitte (ES2) in der Oberseite der Basiswafers (BW) hinein.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem in Verfahrensschritt f) eine Abschirmung (SD) hergestellt wird durch f1) Abscheiden einer Grundmetallisierung aus der Gasphase f2) Verstärken der Grundmetallisierung durch galvanische oder stromlose Abscheidung eines Metalles aus einer Lösung.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem vor Verfahrensschritt d) Verbindungsmittel und/oder Dichtrahmen auf der Oberseite von Basiswafer (BW) oder MEMS Wafer (MW) aufgebracht werden, wobei die Verbindungsmittel leitfähigen Kleber, isotrop leitfähigen Kleber, Cu-Pillars oder Bumps, und der Dichtrahmen ein Metall oder Polymer umfassen, wobei der Kleber und/oder das Polymer aufgedruckt werden, wobei die Cu-Pillars und/oder der metallische Dichtrahmen durch strukturiertes Aufbringen eines Metalls erzeugt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem nach Schritt e) die ersten Einschnitte (ES1) mit einem elektrisch leitenden Polymer (PFM) gefüllt werden und anschließend dritte Einschnitte (ES3) mit geringerer Breite so in den gefüllten ersten Einschnitten (ES1) erzeugt werden, dass die Seitenwände der dritten Einschnitte von dem elektrisch leitenden Polymer bedeckt sind.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem nach dem Erzeugen der ersten Einschnitte (ES1) darin freigelegte Siliziumoberflächen mittels eines reaktiven Plamas passiviert werden.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der in Verfahrensschritt d) erzeugte Verbund aus MEMS Wafer (MW) und Basiswafer (BW) mit der Basiswaferseite auf eine Sägefolie geklebt wird und anschließend in Schritt e) die ersten Einschnitte (ES1) bis zur Sägefolie geführt werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem in Schritt g) auf der Unterseite des Basiswafers (BW) eine Umverdrahtung erzeugt wird, indem eine erste Isolationsschicht erzeugt und strukturiert wird und dann darüber eine leitfähige Schicht erzeugt und strukturiert wird.
Verfahren nach Anspruch 8, bei dem die Strukturierung der leitfähigen Schicht so erfolgt, dass ein Raster von Anschlusskontakten entsteht, über denen dann ein Ball Grid Array von Bumps erzeugt wird.