DE102017106055A1 - Trägersubstrat für stressempflindliches Bauelement und Verfahren zur Herstellung - Google Patents
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Abstract
Description
- Wenn ein stressempfindlicher Chip auf einem Substrat angebracht wird, das einen anderen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, verursacht jede Temperaturschwankung im Chip Spannungen. Eine erste Spannung tritt im Chip bereits auf, nachdem der Chip auf ein Substrat gelötet und der Chip auf Raumtemperatur abgekühlt wurde. Jeder weitere Temperaturwechsel führt zu unterschiedlichen Spannungen, die den Chip und besonders den Verbindungspunkt, der ein Lötbondhügel sein kann, belasten können. Eine steigende Anzahl solcher Temperaturwechsel kann die Verbindungen ermüden und zu Schäden bis hin zur totalen Zerstörung des Bauelements führen. Um eine solche thermische Belastung zu minimieren, müssen die Ausdehnungskoeffizienten abgestimmt werden. Eine Abstimmung ist vielleicht möglich, beschränkt aber den Hersteller auf die Verwendung von Materialien, die hinsichtlich der gewünschten Funktion als Chipmaterial oder Substratmaterial nicht optimal sind.
- Gemäß einer weiteren bekannten Lösung wird eine dielektrische Polymerschicht über der Kontaktfläche eines Chip-Bauelements aufgebracht. Die Polymerschicht dient als Planarisierungsschicht, auf der eine Umverteilungsschicht gebildet wird. Auf der Umverteilungsschicht werden Lötbondhügel gebildet. Aufgrund der elastischen Eigenschaften der Polymerschicht, die üblicherweise aus BCB, PI oder PBO besteht, kann die Belastung auf eine gewisse Menge reduziert werden.
- Einige hochempfindliche Chips, zum Beispiel Sensoren, die bewegliche Bauteile oder Strukturen umfassen, sind jedoch nicht für die Anwendung dieser Technologie geeignet. Für solche Sensoren, wie etwa Mikrofone und Drucksensoren, die mit einer Membran arbeiten, hat jede Belastung, die auf die Membran wirkt, Auswirkungen auf die Sensorcharakteristik des Bauelements. Diese Auswirkung führt nicht zu einem Schaden, hat aber auf einer sehr niedrigen Belastungsebene zur Folge, dass die charakteristischen Parameter des Sensors mit der Belastung variieren. Somit wird jede Messung mit einem solchen durch Belastung beeinflussten Sensor Werte liefern, die von mit einem nicht beeinflussten Sensor gemessenen Werten abweichen können.
- Eine andere Folge ist, dass die Messwerte eine große Streuung aufweisen, die für die Sensoranwendung nicht akzeptabel ist. Außerdem weisen allgemein verwendete Lötmaterialien einen gemäßigten Schmelzpunkt bei etwa 180°C bis 230°C auf. Solche Lötmaterialien sind vom metallurgischen Standpunkt aus gesehen bereits bei Raumtemperatur in einem Hochtemperaturbetriebszustand. Das bedeutet, dass jede fehlabstimmungsbedingte Belastung schnell zu plastischer Verformung der Lötverbindung führt. Eine solche Verformung weist eine typische Zeitkonstante von nur ein paar Tagen auf. Nachdem ein solcher Chip auf ein Substrat oder in ein Bauelement gelötet wurde und auch noch nach der Kalibrierung des Sensors kann eine erhebliche Abweichung der Sensorcharakteristik auftreten. Weitere Probleme ergeben sich, wenn die empfindliche Membran einigen in diesem belastungsreduzierenden Verfahren verwendeten Prozessschritten nicht standhält. Bei den sehr empfindlichen und beweglichen Strukturen und Membranen der Sensor-Bauelemente können die erforderlichen Abscheidungs- und Strukturierungsschritte für die Polymerschicht gemäß dem vorgeschlagenen Prozess nicht verwendet werden.
- Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen belastungsreduzierenden Prozess und eine Anordnung bereitzustellen, die eine Anbringung von stressempfindlichen Chip-Bauelementen wie Sensorchips auf einem Substrat unter reduzierter Gesamtbelastung erlauben.
- Diese und andere Aufgaben werden von einem Trägersubstrat gemäß Anspruch 1 der Erfindung erfüllt. Ausführungsformen des Trägersubstrats sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Trägersubstrats werden durch weitere Ansprüche angegeben.
- Der Grundgedanke der Erfindung ist es, eine stressabbauende Anordnung bereitzustellen, die keine Beschränkungen im Hinblick auf irgendwelche prozessempfindlichen Strukturen auf einem Bauelement aufweist. Daher sind die stressabbauenden Mittel auf dem Substrat eingerichtet, auf dem das stressempfindliche Bauelement angebracht ist. Der Vorteil besteht darin, dass alle Prozessschritte, die notwendig sind, um die stressabbauenden Mittel bereitzustellen, an dem Substrat vorgenommen werden können, das selbst nicht stressempfindlich ist.
- Das Trägersubstrat gemäß der Erfindung umfasst einen eine Mehrschichtstruktur aufweisenden Substratkörper. Auf der Oberseite des Substratkörpers gibt es elektrische Anschlussinseln. Ferner ist eine organische Dämpfungsschicht auf der Oberseite des Substratkörpers eingerichtet. Oben auf der Dämpfungsschicht sind Lötinseln zur Anbringung eines elektrischen Bauelements darauf eingerichtet. Elektrisch leitende längliche Bauteile verbinden eine Anschlussinsel auf der Oberseite des Substratkörpers mit einer Lötinsel oben auf der Dämpfungsschicht. Aufgrund des länglichen Bauteils können Anschlussinseln und entsprechende Lötinseln in einem Abstand voneinander so gefertigt sein, dass ein erheblicher Anteil des länglichen stabförmigen Teils oben auf der Dämpfungsschicht geführt wird. Infolgedessen benötigt das längliche Bauteil eine Länge in Längungsrichtung, die mindestens so lang wie der Abstand zwischen der jeweiligen Anschlussinsel und der entsprechenden Lötinsel ist. Vorzugsweise, aber nicht notwendigerweise, stimmt die Längungsrichtung mit der Achse überein, entlang der das längliche Bauteil seine größte Ausdehnung aufweist. Daher kann die Form des länglichen Bauteils willkürlich gewählt werden.
- Die Dämpfungsschicht selbst weist einige elastische Eigenschaften auf, die auf dem niedrigen E-Modul der organischen Dämpfungsschicht beruhen. Deshalb kann die Dämpfungsschicht als belastungsabbauende Schicht dienen, die einen Teil der Belastung kompensiert, die zwischen der Anschlussinsel und der Lötinsel aufgebaut werden könnte. Ferner ist die belastungsmindernde Wirkung bei jeder Temperaturschwankung, der das Bauelement ausgesetzt ist, wirksam.
- Gemäß einer Ausführungsform sind die länglichen Bauteile auf der Oberseite der Dämpfungsschicht entlang ihrem Verlauf gebogen oder abgewinkelt, um entlang ihrem Verlauf eine Länge bereitzustellen, die größer ist als der kürzeste Abstand zwischen der jeweiligen Lötinsel und der jeweiligen Anschlussinsel. Ein solches gebogenes oder abgewinkeltes längliches Bauteil kann eine Verringerung oder Vergrößerung von geometrischen Dimensionen kompensieren, selbst wenn eine unterschiedliche Wärmeausdehnung von verbundenen Bauteilen stattfindet.
- Die Dämpfungsschicht benötigt ein niedriges E-Modul von etwa 1 GPa oder weniger. Dies bedeutet, dass bereits geringe Kräfte, die auf die Dämpfungsschicht einwirken, eine Verformung zur Folge haben, die eine Kompensation der Kräfte durch die Dämpfungsschicht ist. Ein noch geringeres E-Modul von etwa 0,1 GPa (gemessen bei 25°C) oder weniger wird bevorzugt.
- Ein weiterer Parameter, der für die kompensierende Funktion der Dämpfungsschicht wichtig ist, ist die Schichtdicke der Dämpfungsschicht, die vorzugsweise so gewählt ist, dass sie 10 µm oder mehr beträgt. Ein bevorzugter Bereich liegt zwischen 20 und 50 µm Schichtdicke der Dämpfungsschicht. Die relativ hohe Dicke der Dämpfungsschicht stellt eine ausreichend hohe Verformungsreserve bereit, wenn jeweilige Kräfte auf die Dämpfungsschicht einwirken.
- Das leitende längliche Bauteil wird aus einer oben auf der Dämpfungsschicht abgeschiedenen Metallschicht strukturiert. Bei der Strukturierung der Metallschicht kann ein Prozess verwendet werden, der die Metallschicht und die Dämpfungsschicht darunter so strukturiert, dass das längliche Bauteil und die Dämpfungsschicht einen gemeinsamen Strukturrand aufweisen. Die Strukturierung kann dadurch erfolgen, dass Einschnitte entlang der gewünschten Strukturränder der länglichen Bauteile gebildet werden, wodurch mindestens ein Teil der Dämpfungsschicht entfernt wird. In diesen Einschnitten kann die Dämpfungsschicht zumindest teilweise entfernt werden, aber am meisten bevorzugt wird sie entlang der Einschnittlinien bis hinunter zur Oberfläche des Substratkörpers vollständig entfernt. Durch die Einschnitte wird das längliche Bauteil von der verbliebenen Metallschicht elektrisch isoliert, die ursprünglich über der gesamten Oberfläche der Dämpfungsschicht aufgebracht wurde. In einigen Fällen ist es daher nicht notwendig, diese verbliebenen Bauteile der Metallschicht zu entfernen. Aber es ist möglich, die Metallschicht zu entfernen, so dass nur die länglichen Bauteile nach der Strukturierung verbleiben.
- Wenn die verbliebene Metallschicht entfernt wird, kann die darunter liegende Dämpfungsschicht gleichzeitig entfernt werden. Das Entfernen kann einfach durch ein Abreißen der Metallschicht zusammen mit der darunter liegenden Dämpfungsschicht wie ein Film von der Oberfläche des Substratkörpers erfolgen.
- Nach der gemeinsamen Strukturierung der Metallschicht und der Dämpfungsschicht und dem Entfernen der verbliebenen Metallschicht und verbliebenen Dämpfungsschicht bildet die strukturierte Dämpfungsschicht eine Art Mesastruktur. Die Oberfläche dieser Mesastruktur wird durch die länglichen Bauteile komplett bedeckt.
- Wenn die verbliebenen Teile der Metallschicht und der darunter liegenden Dämpfungsschicht, die nicht die länglichen Bauteile bilden, auf dem Substratkörper verbleiben, können diese als Tragstrukturen ohne irgendeine weitere elektrische Funktion und einfach zur Verbesserung der mechanischen Stabilität einer späteren Anordnung, wenn ein elektrisches Bauelement auf der Oberfläche des Trägersubstrats angebracht ist, verwendet werden. In diesem Fall weisen nur die länglichen Bauteile einen elektrischen Kontakt mit den Anschlussinseln auf der Oberfläche des Substratkörpers auf, wohingegen der Substratkörper keinen weiteren elektrischen Kontakt auf seiner oberen Oberfläche aufweist.
- Das Trägersubstrat kann vorzugsweise für die Anbringung eines stressempfindlichen elektrischen Bauelements darauf, wie etwa eines MEMS-Mikrofons, verwendet werden. Das MEMS-Mikrofon kann in einer Flip-Chip-Anordnung auf den Lötinseln auf der oberen Oberfläche der Dämpfungsschicht gebondet werden.
- Im Folgenden wird die Erfindung anhand von repräsentativen Ausführungsformen und der begleitenden Figuren erläutert. Die Figuren sind lediglich schematisch und nicht maßstabsgetreu gezeichnet. Aus den Figuren können keine absoluten oder relativen Dimensionen entnommen werden, da einige Teile zum besseren Verständnis vergrößert dargestellt sein können.
-
1 zeigt einen Substratkörper in einer Draufsicht sowie in einer Querschnittsansicht. -
2 zeigt zwei Ansichten desselben Substratkörpers nach dem Aufbringen einer Dämpfungsschicht. -
3 zeigt die Anordnung, nachdem Löcher gebohrt wurden, um Anschlussinseln zu exponieren. -
4 zeigt die Anordnung nach dem Abscheiden einer Metallschicht oben auf der Dämpfungsschicht. -
5 zeigt die Anordnung, nachdem Einschnitte zur Strukturierung von länglichen Bauteilen innerhalb der Dämpfungsschicht und der Metallschicht vorgenommen wurden. -
6 zeigt die Anordnung, nachdem die verbliebene Metallschicht und Dämpfungsschicht entfernt wurden. -
7 zeigt die Anordnung nach dem Aufbringen einer Lötmaske. -
8 zeigt die Anordnung mit auf Lötinseln eingerichteten Lötkugeln. -
9 zeigt eine Querschnittsansicht eines elektrischen Bauelements, das in Flip-Chip-Technik auf einem Substratkörper angebracht ist. -
10 zeigt eine Querschnittsansicht eines elektronischen Bauelements, das auf einer Lötinsel über einer Dämpfungsschicht gemäß der Erfindung auf einem Trägersubstrat angebracht ist. -
11 zeigt eine andere Ausführungsform der Erfindung mit nicht entfernten verbliebenen Teilen der Dämpfungsschicht und des Metalls. -
12 zeigt ein gebrauchsfertiges elektronisches Bauelement, das als Sensor-Bauelement ausgeführt ist. -
1 bis8 zeigen unterschiedliche Prozessschritte eines Verfahrens zum Bilden eines Trägersubstrats gemäß der Erfindung. Auf der oberen Seite einer jeden Figur ist eine Draufsicht auf das Substrat dargestellt. Ebenso ist ein Querschnitt durch dasselbe Substrat auf der unteren Seite der Figur gezeigt. Beide Teilfiguren heben dieselbe Prozessstufe hervor. -
1 zeigt einen vereinfachten SubstratkörperSUB eines Trägersubstrats in einer Draufsicht und in einer Querschnittsansicht entlang der im oberen Teil der Figur gezeigten punktierten Linie. Der SubstratkörperSUB kann mehrschichtig sein, zum Beispiel ein organisches Laminat oder ein keramisches Mehrschichtsubstrat. - Besonders bevorzugt sind keramische Multischichten der Art HTCC (High Temperature Co-fired Ceramic, dt. Hochtemperatur-Einbrand-Keramik). Innerhalb des Substratkörpers
SUB kann eine Verdrahtungsstruktur vorliegen, wodurch elektrische Kontakte auf oder an einer gewünschten Position oben auf dem SubstratkörperSUB platziert oder ersetzt werden können. Eine oder mehrere solcher Verdrahtungsschichten sind innerhalb des Substratkörpers eingerichtet und mit einer jeweiligen Kontaktinsel CPD (Contact Pad) auf einer Oberfläche des SubstratkörpersSUB durch eine Durchkontaktierung verbunden. Die Figur zeigt einen Substratkörper mit vier Anschlussinseln CPD, die die oberen Enden der oberen Durchkontaktierung darstellen können, oder die aus einer Metallschicht strukturiert werden können, die über den oberen Durchkontaktierungen aufgebracht ist, die auf der oberen Oberfläche des SubstratkörpersSUB enden. - Unabhängig von der Frage, ob zusätzliche Kontaktflächen gebildet werden oder ob der Kontakt nur durch die obere Oberfläche der Durchkontaktierungen bereitgestellt wird, werden diese Kontakte Kontaktinseln CPD genannt.
- Auf der unteren Oberfläche des Substratkörpers
SUB können äußere KontakteOUC (Outer Contact) eingerichtet werden, um den Substratkörper mit einer externen Beschaltung zu verbinden. Diese äußeren KontakteOUC können auch durch Durchkontaktierungen mit der Verdrahtungsschicht verbunden werden. - In einem ersten Schritt wird eine Dämpfungsschicht
CUL (Cushion Layer) oben auf der Oberfläche des Substratkörpers aufgebracht, um dessen gesamte Oberfläche zu bedecken. Eine bevorzugte Dämpfungsschicht ist aus einer Polymerfolie mit einer Dicke von etwa 20 µm. Eine solche Folie ist vorzugsweise in einem B-Zustand, was bedeutet, dass das Polymer nicht völlig vernetzt ist und in einem späteren Schritt bis zur Endstufe ausgehärtet werden kann. - Im B-Zustand können Polymerfolien durch Wärme oder ein Lösungsmittel weich gemacht werden. Daher können solche weich gemachten Folien auflaminiert werden und weisen gute Hafteigenschaften auf. Die Hafteigenschaft ist eine wesentliche Eigenschaft der Folie im B-Zustand, die durch Aufbringen einer zusätzlichen Haftschicht zwischen Dämpfungsschicht
CUL und SubstratkörperSUB verbessert werden kann. - Die Polymerfolie kann durch Heißpressen, Rollenlaminieren oder in einem Autoklav aufgebracht werden. In einigen Fällen kann vor dem Aufbringen der Polymerfolie als Dämpfungsschicht ein Haftungsverbesserer oben auf dem Substratkörper aufgebracht werden.
2 zeigt die Anordnung nach diesem Schritt. - Im nächsten Schritt werden Öffnungen
HOL in der DämpfungsschichtCUL gebildet, um darin die Kontaktinseln CPD oben auf dem SubstratkörperSUB zu exponieren. Diese ÖffnungenHOL können durch Laserbohren oder durch Fotolithographie unter Verwendung eines Lösungsmittel oder eines Ätzverfahrens gebildet werden. Die metallische Anschlussinsel CPD stellt einen guten Anschlag für den Strukturierungsschritt durch Ätzen oder Bohren bereit. Es ist wichtig, dass die DämpfungsschichtCUL in den ÖffnungenHOL vollständig entfernt wird, um die Anschlussinsel CPD mindestens teilweise zu exponieren. Die Anschlussinsel kann einen Durchmesser aufweisen, der größer oder kleiner als der Durchmesser der ÖffnungenHOL ist oder diesem entspricht.3 zeigt die Anordnung nach diesem Schritt. - Im nächsten Schritt wird eine Metallschicht
MET auf der gesamten oberen Oberfläche der DämpfungsschichtCUL aufgebracht. Die MetallschichtMET wird so aufgebracht, dass sie mit den Anschlussinseln CPD in den ÖffnungenHOL in Kontakt steht. Die MetallschichtMET wird als eine durchgehende Schicht aufgebracht, die die Oberseite der Anordnung einschließlich Seitenwände der Öffnung vollständig bedeckt. - Die Metallschicht
MET kann in einem nasschemischen Schritt durch stromlose Metallabscheidung abgeschieden werden. Eine gute Haftung der MetallschichtMET kann bei Verwendung eines CVD- oder PVD-Prozesses (chemische Gasphasenabscheidung/physische Gasphasenabscheidung) bereitgestellt werden. In einem bevorzugten Verfahren wird mindestens eine Teilschicht der Metallschicht durch Sputtern aufgebracht. Die MetallschichtMET kann als gleichförmige Schicht oder als zwei oder mehr Teilschichten umfassende Schicht aufgebracht werden. Somit ist es möglich, zuerst eine dünne Teilschicht mit einem CVD- oder PVD-Prozess aufzubringen und die Schichtdicke durch nasschemische Abscheidung zu verstärken. Daher kann die Metallschicht unterschiedliche Teilschichten aus unterschiedlichen Materialien umfassen. - In einer Ausführungsform kann eine Titan enthaltende Haftschicht mit einer Dicke von 50 nm als eine erste Teilschicht aufgebracht werden. Eine zweite Teilschicht aus einem gesputterten Kupferfilm kann mit einer Dicke von etwa 1 µm folgen. Es ist möglich, diese gesputterte Kupferschicht durch eine galvanische Abscheidung eines Metalls wie Kupfer mit einer Dicke von etwa 10 µm zu verstärken, wodurch der Abscheidungsschritt der Metallschicht
MET abgeschlossen wird. Alternativ ist es ebenso möglich, anstatt der galvanischen Abscheidung eine dicke Schicht ausreichender Dicke zu sputtern. Gemäß einer weiteren Variante kann eine Metallschicht in einem katalytischen stromlosen Abscheidungsverfahren, wie aus der Leiterplattenproduktionstechnologie bekannt, abgeschieden werden. - Als Zwischenstufe vor dem Aufbringen der Metallschicht kann die Oberfläche der Dämpfungsschicht und der exponierten Anschlussinseln CPD in einem mechanischen oder chemischen Prozess oder Plasmaprozess gereinigt werden. Bei Verwendung eines Gasphasenabscheidungsverfahrens für die Abscheidung der Metallschicht ist eine Reinigung mit einem Plasmaprozess oder durch Sputterätzen vorteilhaft.
4 zeigt die Anordnung nach dem Aufbringen der MetallschichtMET . Aus dem unteren Teil der Figur geht klar hervor, dass die Metallschicht mit den Anschlussinseln innerhalb der LöcherHOL in Kontakt steht. - Im nächsten Schritt wird die Metallschicht
MET strukturiert, um die länglichen BauteileELP (Elongated Parts) zu definieren. An einer Strukturierungslinie, die eine geschlossene, die länglichen BauteileELP umgebende Schleife bildet, werden EinschnitteINC (Incision) durch die MetallschichtMET vorgenommen. Vorzugsweise wird Laserschneiden verwendet, um EinschnitteINC durch die Metallschicht entlang dem Strukturrand der länglichen Bauteile zu bilden. Dadurch werden die länglichen Bauteile vom verbliebenen Bereich der MetallschichtMET elektrisch isoliert. - UV-Laser mit einer Wellenlänge von zum Beispiel 365 nm werden für die Bildung der Einschnitte
INC bevorzugt. Der Laser kann auf eine Schnittbreite von etwa 10 µm oder mehr fokussiert werden. Ein breiterer EinschnittINC kann bevorzugt werden, um parasitäre Kapazitäten zwischen den länglichen Bauteilen und der verbliebenen MetallschichtMET zu reduzieren.5 zeigt die Anordnung nach dem Formen der Einschnitte. - In einem nächsten Schritt, der ein optionaler Schritt ist, kann der verbliebene Teil der Metallschicht
MET entfernt werden. Dies kann durch mechanisches Abreißen der Metallschicht vom SubstratkörperSUB erfolgen. Das Abreißen kann erleichtert werden, wenn die Parameter während des Auflaminierens der DämpfungsschichtCUL so gewählt werden, dass die Haftung nicht bei deren Endfestigkeit liegt und das Entfernen der Dämpfungsschicht vom SubstratkörperSUB möglich ist. - Um die Haftung niedrig zu halten, ist es ferner notwendig, eine zu hohe Temperatur während der Abscheidung der Metallschicht
MET zu vermeiden. Andernfalls verlässt die DämpfungsschichtCUL den B-Zustand und härtet zu Endhaftfestigkeit aus.6 zeigt die Anordnung nach dem Schritt des Entfernens des verbliebenen Bereichs der MetallschichtMET . Die länglichen BauteileELP stehen als verbliebener Abschnitt der Metallschicht und erstrecken sich über einen jeweiligen strukturierten Abschnitt der DämpfungsschichtCUL . Im Bereich der vormaligen LöcherHOL stehen die länglichen BauteileELP im direkten Kontakt mit den AnschlussinselnCOP (Connection Pad). - Im nächsten Schritt werden Lötinseln
SOP (Solder Pad) auf dem Ende des länglichen BauteilsELP definiert, das von der AnschlussinselCOP am weitesten entfernt liegt. Ein LötmaskeSOM (Solder Mask) wird in einer strukturierten Form aufgebracht, damit das Ende des länglichen BauteilsELP , das die LötinselSOP bildet, exponiert werden kann. Die LötmaskeSOM definiert den Bereich, in dem der spätere Lötbondhügel oder die spätere Lötkugel benetzt wird und das Metall des länglichen BauteilsELP berührt, um übermäßige Ausbreitung des geschmolzenen Lötmittels zu vermeiden. - Die Lötmaske kann durch herkömmliche Verfahren, wie etwa Siebdruck aufgebracht werden. Alternativ ist eine lithographische Strukturierung einer aufgebrachten Harzschicht oder einer Harzfolie möglich. Zum Bilden einer nur geringen Anzahl von Lötinseln kann ein Seriendruckverfahren wie Strahldruck bevorzugt werden.
7 zeigt die Anordnung nach dem Bilden der LötmaskeSOM . - Aus der Querschnittsansicht im unteren Teil der Figur ist ersichtlich, dass die Lötmaske
SOM die Ränder der Mesastruktur, die durch die DämpfungsschichtCUL und die Metallisierung des länglichen Bauteils gebildet ist, bedeckt. In anderen Fällen, in denen der optionale Schritt des Entfernens des verbliebenen Bereichs der MetallschichtMET weggelassen wird und die LötmaskeSOM direkt auf eine wie in5 gezeigte Anordnung aufgebracht wird, kann sich die LötmaskeSOM dann über einen Bereich der verbliebenen MetallschichtMET erstrecken. Daher muss die LötmaskeSOM die Seitenwände der DämpfungsschichtCUL und der MetallschichtMET nicht unbedingt bedecken. - Im nächsten Schritt werden Lötkugeln
SOB (Solder Ball) auf den LötinselnSOP erzeugt. Bekannte Prozesse können verwendet werden, um die LötkugelnSOB zu bilden. Ein bevorzugtes Verfahren ist das Drucken einer Lötpaste oben auf die LötinselSOP gefolgt von einem Schmelzen der Lötpaste, so dass sich eine LötkugelSOB bildet. Alternativ kann eine Einzelbondhügelherstellung verwendet werden. In diesem Verfahren werden vorgefertigte Lötkugeln selektiv abgeschieden und auf den LötinselnSOP angebracht. - Bei Verwendung eines Druckverfahrens wie Siebdruck oder Schablonendruck, kann es bevorzugt werden, die Lötmaske
SOM direkt nach dem Bilden der Einschnitte, wie in5 gezeigt, aufzubringen. In diesem Fall ist die Oberfläche, auf der der Druck erfolgt, ebener und erleichtert den Druckprozess, da nur kleine Höhenunterschiede überdeckt werden müssen. Dann kann die verbliebene Metallschicht entfernt werden oder nicht. Es ist sogar möglich, die Lötmaske vor dem Bilden der Einschnitte aufzubringen. In diesem Fall definieren die Einschnitte die äußeren Formen der Lötmaske, des Metalls und des Dämpfungsmusters in einem Schritt. - Im Gegensatz zum Aufbringen der Lötkugeln
SOB auf das Trägersubstrat ist es auch möglich, die LötkugelnSOB an den jeweiligen Anschlussseiten eines elektrischen oder elektronischen Bauelements zu bilden, das auf dem Trägersubstrat angebracht werden muss. - Abhängig vom Materialsystem der/des verwendeten Lötinsel
SOP und Lötmaterials, kann es nützlich sein, weitere Metallschichten zumindest direkt unter der Lötkugel aufzubringen, um eine jeweilige lötfähige Metallisierung UBM (Under Bump Metallization) zu bilden. Eine solche UBM kann die Oxidation der LötinselSOP verhindern und verbessert die Benetzung der LötinselSOP durch das Lötmittel und kann als Diffusionsbarriere dienen. Bevorzugte Materialien zur Bildung der UBM können aus Gold, Palladium, Kupfer, Nickel oder Nickel/Vanadium ausgewählt werden. Neben diesen beispielhaft genannten Materialien können auch andere zweckmäßige Materialien verwendet werden. -
8 zeigt die Anordnung nach dem Bilden der LötkugelnSOB oben auf den LötinselnSOP . Das Trägersubstrat ist nun für die Anbringung eines elektrischen Bauelements darauf bereit. -
9 zeigt in einer schematischen Zeichnung ein elektrisches Bauelement ELD (Electric Device), das gemäß dem Stand der Technik durch Bondhügel mit der Oberfläche eines TrägersubstratsSUB verbunden ist. Das elektrische Bauelement ELD und der SubstratkörperSUB des Trägersubstrats werden durch den aus Lötmittel gebildeten LötbondhügelSOB verbunden. Wenn der SubstratkörperSUB und das elektrische Bauelement ELD, das zum Beispiel ein Chip ist, unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen, erzeugt jede Temperaturänderung eine mechanische Belastung in der Verbindung und im Chip. Dies kann eine Sensorcharakteristik verändern, wenn das elektrische Bauelement ein Sensor ist. -
10 zeigt eine Querschnittsansicht eines elektronischen Bauelements ELD, das oben auf einem Trägersubstrat gemäß der Erfindung angebracht ist. Jede Belastung aufgrund unterschiedlicher Ausdehnung von SubstratkörperSUB und Chip des elektronischen Bauelements ELD wird durch die DämpfungsschichtCUL , die zwischen dem Lötbondhügel-Anschluss auf der LötinselSOP und dem SubstratkörperSUB eingerichtet ist, kompensiert und abgebaut. Diese Figur zeigt die Ausführungsform, in der die verbliebene Metallschicht und die verbliebene Dämpfungsschicht entfernt sind. - Im Gegensatz dazu zeigt
11 eine Ausführungsform, in der die verbliebene MetallschichtMET nur durch Einschnitte von den länglichen BauteilenELP isoliert ist und auch nach dem Anbringen des elektrischen Bauelements ELD verbleiben kann. -
12 zeigt die Anordnung der10 nach dem Aufbringen einer DichtungsschichtSLL (Sealing Layer) über dem elektrischen Bauelement ELD und der umschließenden Oberfläche des SubstratkörpersSUB . Die DichtungsschichtSLL kann eine laminierte Folie sein, kann eine Mehrschichtstruktur aufweisen oder kann einfach durch eine starre, oben auf dem Substratkörper angebrachte Kappe gebildet werden, um darunter das elektrische Bauelement ELD einzukapseln. Eine SchallöffnungOPG (Opening) ist durch den SubstratkörperSUB in den unter der DichtungsschichtSLL gekapselten Hohlraum geführt. Die SchallöffnungOPG kann zweckmäßig sein, wenn das elektrische Bauelement ELD ein Drucksensor oder ein Mikrofon ist. Vorzugsweise ist das elektrische Bauelement ELD ein MEMS-Mikrofon. - Die Erfindung wurde anhand einer begrenzten Anzahl von Ausführungsbeispielen und begleitenden Figuren erläutert. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die beispielhaft gezeigten Ausführungsformen begrenzt und kann viele Variationen umfassen, ohne dass der Schutzbereich der Erfindung verlassen wird. Zum Beispiel kann die Dämpfungsschicht
CUL aus einem anderen als dem oben erörterten Material in einem anderen als dem erörterten Schritt erzeugt werden. Zum Beispiel kann eine Harzschicht auf die gesamte Oberfläche aufgebracht und in einem additiven oder subtraktiven Vorgang strukturiert werden. Die Dämpfungsschicht kann alternativ in einem Druckprozess abgeschieden werden und kann einen Silikongummi umfassen. Die Mesastrukturen der Dämpfungsschicht, die die länglichen Bauteile tragen, können Seitenwände aufweisen, die vertikal sind oder die mit der Oberfläche des SubstratkörpersSUB einen Winkel einschließen, der von 90° abweicht. Die Flanken oder Seitenwände können auch in einer leicht abgerundeten Form gebildet werden. Eine nichtvertikale Seitenwand der Mesastruktur hat den Vorteil, dass eine Oberflächenbedeckung der Seitenwand während der Abscheidung der MetallschichtMET unterstützt und erleichtert wird. - Ferner ist es möglich, die Metallschicht
MET in einem photolithographischen Verfahren zu strukturieren und die EinschnitteINC durch Ätzen zu bilden. - Die Idee, ein längliches Bauteil
ELP oben auf einer DämpfungsschichtCUL auf einem Trägersubstrat zu bilden, kann auch dazu verwendet werden, eine planare Leiterbahn zu bilden, um eine Art von Verdrahtung zu erzeugen, die eine Anschlussinsel auf der Oberfläche des Substratkörpers und eine Lötinsel nicht zu verbinden braucht. Daher kann jede notwendige Art von Verdrahtung durch längliche Bauteile vorgenommen werden, die gemäß der Erfindung auf einer Dämpfungsschicht erzeugt werden. - In einer weiteren Ausführungsform kann die Dämpfungsschicht dazu verwendet werden, ein elektrisches Bauelement nur auf mechanische Weise zu tragen, ohne eine elektrische Verbindung bereitzustellen. Solche mechanischen Tragstrukturen können ferner die Belastung reduzieren, die nach dem Anbringen eines elektrischen Bauelements am Trägersubstrat verbleiben kann.
- Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird das Trägersubstrat abgetastet und gemessen und die Messwerte werden numerisch gespeichert, um alle Prozessschritte zu steuern, die bezüglich der Höhe der Struktur oder des Bereichs der Struktur strukturell durchgeführt werden. Ein solches numerisch gesteuertes Verfahren wird bei Verwendung eines keramischen Trägersubstrats aus einem HTCC-Material bevorzugt.
- Bezugszeichenliste
-
- SUB
- Substratkörper
- COP
- Anschlussinsel
- CUL
- Dämpfungsschicht
- SOP
- Lötinsel
- ELP
- leitendes längliches Bauteil
- INC
- Einschnitt
- OUC
- äußerer Kontakt
- HOL
- Öffnung in CUL
- MET
- Metallschicht
- SLL
- Dichtungsschicht
- SOM
- Lötmaske
- SOB
- Lötkugel/Lötbondhügel
- OPG
- Tonöffnung in SUB
Claims (15)
- Trägersubstrat, umfassend - einen Substratkörper (SUB), der eine Mehrschichtstruktur aufweist - elektrische Anschlussinseln (COP) auf der oberen Oberfläche des Substratkörpers (SUB) - eine organische Dämpfungsschicht (CUL) auf der Oberseite des Substratkörpers - elektrisch leitende längliche Bauteile (ELP), die oben auf der Dämpfungsschicht angeordnet sind und jeweils mit einer elektrischen Anschlussinsel (COP) in Kontakt stehen - Lötinseln (SOP), die an einem Ende eines länglichen Bauteils gebildet sind, das von einer jeweiligen Anschlussinsel entfernt liegt.
- Trägersubstrat nach
Anspruch 1 , wobei die länglichen Bauteile (ELP), die oben auf der Dämpfungsschicht (CUL) geführt sind, gebogen oder angewinkelt sind, so dass infolgedessen die länglichen Bauteile (ELP) entlang ihrem Verlauf gemessen eine Länge aufweisen, die länger ist als der kürzeste Abstand zwischen der jeweiligen Lötinsel und dem durch das längliche Bauteil verbundenen Anschlussbauteil. - Trägersubstrat nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die organische Dämpfungsschicht (CUL) ein Polymer ist, das ein E-Modul von 1 GPa oder weniger aufweist.
- Trägersubstrat nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Dämpfungsschicht (CUL) eine Dicke von 10 bis 50 µm aufweist.
- Trägersubstrat nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Dämpfungsschicht (CUL) und die leitenden länglichen Bauteile (ELP) gemeinsam strukturiert werden, um einen gemeinsamen Strukturrand bereitzustellen.
- Trägersubstrat nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die länglichen Bauteile (ELP) aus einer großflächigen Metallschicht (MET) strukturiert werden, wobei Einschnitte (INC), die in die Metallschicht geschnitten werden, die länglichen Bauteile von der verbliebenen Metallschicht trennen und isolieren.
- Trägersubstrat nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Dämpfungsschicht (CUL) strukturiert ist, um Mesastrukturen zu bilden, wobei die obere Oberfläche der Mesastrukturen durch eine Metallschicht (MET) vollständig bedeckt ist, wobei die leitenden länglichen Bauteile in oder aus der Metallschicht (MET) gebildet sind.
- Trägersubstrat nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die verbliebene Metallschicht, die von den länglichen leitenden Bauteilen (ELP) verschieden und getrennt ist, Tragstrukturen bildet, die keine elektrische Verbindung zu einer Anschlussinsel oben auf dem Substratkörper (SUB) aufweisen, wobei die Metallschicht oben auf den Tragstrukturen Lötinseln (SOP) bereitstellt.
- MEMS-Mikrofon, das auf die Lötinseln (SOP) des Trägersubstrats nach einem der vorstehenden Ansprüche gebondet ist.
- Verfahren zur Herstellung eines Trägersubstrats, das die folgenden Schritte umfasst: - Bereitstellen eines Substratkörpers (SUB), der eine Mehrschichtstruktur aufweist und eine integrierte Verdrahtungsstruktur aufweist, die mit elektrischen Anschlussinseln (COP) auf der oberen Oberfläche des Substratkörpers (SUB) verbunden ist, - Aufbringen einer strukturierten Dämpfungsschicht (CUL) auf der oberen Oberfläche des Substratkörpers (SUB) oder Aufbringen einer Dämpfungsschicht (CUL) auf der gesamten Oberfläche und Strukturieren der Dämpfungsschicht, um die Anschlussinseln auf der Oberfläche des Substratkörpers zu exponieren, - Aufbringen einer Metallschicht (MET) oben auf der Dämpfungsschicht, um die obere Oberfläche der Dämpfungsschicht (CUL) vollständig zu bedecken und dabei Kontaktieren der exponierten Anschlussinseln (COP) auf der oberen Oberfläche des Substratkörpers (SUB), - Strukturieren der Metallschicht (MET) durch Bilden von Einschnitten (INC) in der Metallschicht, um elektrisch leitende längliche Bauteile (ELP) zu bilden, - Bilden einer Lötinsel (SOP) an einem jeweiligen Ende des länglichen Bauteils (ELP), das von der Anschlussinsel (COP) entfernt liegt, so dass jedes längliche Bauteil eine Anschlussinsel (COP) und eine Lötinsel (SOP) verbindet.
- Verfahren nach dem vorstehenden Anspruch, wobei das Strukturieren der Dämpfungsschicht (CUL) Fotolithographie oder Laserbohren umfasst.
- Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Aufbringen der Dämpfungsschicht (CUL) das Aufbringen einer laminierten Folie oder einer Harzschicht in einer Schichtdicke von etwa 10 bis 50 µm umfasst, und wobei die Dämpfungsschicht (CUL) ein organisches Material umfasst, das ein E-Modul von 1 GPa oder weniger, wie etwa 0,1 GPa oder weniger, aufweist.
- Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Aufbringen der Dämpfungsschicht (CUL) das Aufbringen der Dämpfungsschicht auf der gesamten Oberfläche und das Halten des organischen Materials in einem nicht ausgehärteten B-Zustand umfasst, wobei das Verfahren das Bilden von Ausnehmungen oder Löchern in der Dämpfungsschicht (CUL) zum Exponieren der Anschlussinseln (COP) darin umfasst, wobei eine Metallschicht (MET) auf die gesamte Oberfläche der Dämpfungsschicht (CUL) aufgebracht wird, so dass die Metallschicht mit exponierten Anschlussinseln (COP) in den Ausnehmungen oder Löchern in Kontakt steht, wobei das Strukturieren der Metallschicht (MET) das Bilden von Einschnitten (INC) entlang den Rändern der länglichen Bauteile (ELP) umfasst, wobei längliche Bauteile und verbliebene Metallschicht durch die Einschnitte voneinander elektrisch isoliert werden.
- Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, umfassend den Schritt des Entfernens der Metallschicht zusammen mit einem jeweiligen Teil der Dämpfungsschicht (CUL), der direkt darunter liegt in einem Bereich außerhalb des Bereiches, der von den Einschnitten umgeben ist und die länglichen Bauteile definiert, vollständiges Aushärten der Dämpfungsschicht in einem Aushärtungsprozess.
- Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, welches das Bilden von Lötkugeln (SOB) oben auf den Lötinseln (SOP) umfasst.
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