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Die Anmeldung betrifft ein mit akustischen Wellen arbeitendes- Bauelement, z. B. eine SAW- oder BAW-Vorrichtung, wie ein HF-Filter. Insbesondere wird eine Vorrichtung mit verbesserter Wärmedissipation bereitgestellt.
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Mit akustischen Wellen arbeitende Bauelemente werden üblicherweise mittels einer Flip-Chip-Montagetechnik auf einem Substrat montiert, sodass eine aktive Vorrichtungsoberfläche des Vorrichtungschips mit empfindlichen Vorrichtungsstrukturen darauf dem Substrat zugewandt ist. Montagemittel, wie z. B. Bondhügel fungieren als ein Abstandshalter, sodass ein Spalt zwischen den empfindlichen Vorrichtungsstrukturen und der Substratoberfläche beibehalten wird.
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Oberhalb des Vorrichtungschips ist eine Versiegelung bereitgestellt, um einen abgeschlossenen Hohlraum unter dem Vorrichtungschip zu bilden, wobei die Vorrichtungsstrukturen ungestört arbeiten können, indem das Eindringen jeglicher Teilchen oder von Feuchtigkeit in den Hohlraum vermieden wird.
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Es ist bekannt, unterschiedliche Versiegelungsschichten zu verwenden, von denen wenigstens eine eine Harzlage umfasst, die auf den Chip und das Substrat laminiert wird, um mit dem Vorrichtungschip und dem Substrat abzudichten. Ferner umfassen Versiegelungsschichten üblicherweise ein weiteres Harz, um ein mechanisch robustes Gehäuse mit einer ausreichend Dicke bereitzustellen.
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Eigenschaften wie z. B. der Elastizitätsmodul und der Wärmeausdehnungskoeffizient können in den Versiegelungsschichten durch korrekte Auswahl eines geeigneten Materials unterschiedlich festgelegt werden. Ferner ist es möglich, die gewünschten Eigenschaften durch Verwenden eines Harzes mit einer geeigneten Menge eines geeigneten Füllstoffmaterials einer geeigneten Größe und Form, wie etwa Siliciumdioxid, anzupassen.
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Jedoch produzieren SAW-Vorrichtungen zum Beispiel eine erhebliche Menge an Wärme, die dissipiert werden muss, da insbesondere die Frequenz einer solchen Vorrichtung erheblich durch die Temperatur beeinflusst wird. Üblicherweise wird der Hauptteil der produzierten Wärme über das Substrat dissipiert, das thermische Vias umfassen kann, die die Anordnung mit einem Kühlkörper verbinden. Eine andere Lösung verwendet eine Metallschicht, die auf dem Vorrichtungschip oder auf einer unteren Versiegelungsschicht aus Harz abgeschieden ist. Solche Lösungen erfordern während der Herstellung davon einen hohen Aufwand und sind daher teuer. Außerdem können andere Nachteile, wie ein unebenes Oberflächenprofil auf der Oberseite des Gehäuses und eine lange Prozesszykluszeit entstehen.
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Daher ist es ein Ziel der Erfindung, ein mit akustischen Wellen arbeitendes- Bauelement mit verbesserter Wärmedissipation bereitzustellen.
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Dieses Ziel wird durch ein mit akustischen Wellen arbeitendes- Bauelement gemäß den unabhängigen Ansprüchen erreicht.
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Ausführungsformen und vorteilhafte Merkmale können den abhängigen Ansprüchen entnommen werden.
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Eine Vorrichtung, die mit akustischen Wellen arbeitet, umfasst einen Vorrichtungschip, der in einer Flip-Chip-Technik auf einer Oberfläche eines Substrats montiert ist. Die Flip-Chip-Technik lässt einen Spalt zwischen dem Chip und dem Substrat, was für eine sichere Anordnung von empfindlichen Vorrichtungsstrukturen, wie etwa jenen von Vorrichtungen, die mit akustischen Wellen arbeiten, die empfindlich gegenüber jeglichem mechanischen oder chemischen Einfluss auf die Vorrichtungsstruktur sind, vorteilhaft ist. Ein weiterer Schutz des Vorrichtungschips wird durch ein Versiegelungsmittel erreicht, das mit der Oberfläche des Substrats abdichtet und den Hohlraum abschließt, ohne zu weit in den Hohlraum einzudringen. Das Versiegelungsmittel wird auf die Oberfläche des Substrats und des Vorrichtungschips aufgebracht und umfasst eine untere Schicht aus einem ersten Harz, das dazu eingerichtet ist, an die Oberfläche des Substrats zu versiegeln, um den Hohlraum abzuschließen und um das Eindringen weiteren Materials des Versiegelungsmittels zu verhindern, wenn dasselbe auf die untere Schicht oder eine obere Schicht wiederaufgeschmolzen oder laminiert wird. Ferner weist eine obere Schicht, die auf die mittlere Schicht abgeschieden wird, ein zweites Harz auf, gefüllt mit einem Füllstoff, der so gewählt ist, dass eine thermische Leitfähigkeit zu der oberen Schicht von 2,0 bis 10,0 W/mK bereitgestellt wird.
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Epoxidharz gefüllt mit Siliciumdioxid, das zuvor zum Zweck des Versiegelns von akustischen Vorrichtungsgehäusen verwendet wurde, weist lediglich eine schlechte Wärmeleitfähigkeit von 0,4 bis 1,0 W/mK auf, was keine ausreichende Wärmedissipation ergibt.
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Das vorgeschlagene Versiegelungsmittel liefert eine verbesserte Dissipation von Wärme weg von dem aktiven Teil der versiegelten Vorrichtung und verhindert daher eine übermäßige Selbsterwärmung der Vorrichtung während des Betriebs. Dadurch wird eine temperaturabhängige Variation der Vorrichtungseigenschaften und der Funktion vermieden. Dies führt zu konstanteren Vorrichtungseigenschaften und kleineren Toleranzen.
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Die hohe Wärmeleitfähigkeit der oberen Schicht wird mit einem Füllstoffmaterial mit einer besseren Wärmeleitfähigkeit als Siliciumdioxid erreicht, das zur bisherigen Versiegelung von bekannten Vorrichtungen verwendet wurde. Solche Materialien können aus Materialien wie AlN, BN, Al2O3 und Graphit, Graphen ausgewählt werden. Ein kleines Hindernis dieser Lösung liegt in dem höheren Preis von solchen hoch leitfähigen Materialien begründet. Aber dieses Hindernis wird durch die vorgeschlagene Schichtkonstruktion des Versiegelungsmittels kompensiert, bei der lediglich die obere Schicht mit hoch leitfähigem Material gefüllt wird.
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Zuvor bekannte Vorrichtungen wurden mit mehreren Versiegelungsschichten versehen, die alle mit Siliciumdioxid gefüllt sind. Das Einschränken des Hinzufügens von teurem Material zu lediglich der oberen Schicht spart Material und Kosten. In
JP 2007-124 589 A wird eine Halbleiterkomponente mit zwei Versiegelungsmitteln beschrieben.
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Um eine ausreichende Wärmedissipation mit einer kleineren Gesamtmenge an Füllstoffmaterial in der oberen Harzschicht zu erreichen, wird diese Schicht so dünn wie möglich gemacht und sie wird neben dem Vorrichtungschip aufgebracht.
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Gemäß einer Ausführungsform ist die untere Schicht eine Schicht, die konform auf die Oberfläche des Substrats und des Chips laminiert wird. Eine mittlere Schicht wird als Planarisierungsschicht verwendet und liegt zwischen der unteren Schicht und der oberen Schicht. Die obere Schicht wird direkt auf die mittlere Schicht konstant über die gesamte Oberfläche aufgebracht. Ferner ermöglicht die ebene Oberfläche der mittleren Schicht, die obere Schicht mit einer konstanten Dicke zu produzieren, die kleiner als die Dicke der mittleren Schicht ist. Dies begrenzt die Materialmenge des hoch leitfähigen Füllstoffmaterials auf die unverzichtbare.
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Ferner ist die Dicke der mittleren Schicht so optimiert, dass sie die obere Seite des Vorrichtungschips gerade mit einer Dicke so klein wie möglich bedeckt. Noch vorteilhafter lässt die mittlere Schicht gerade die obere Seite des Chips unbedeckt. Dann ist die Dicke der mittleren Schicht über der Oberfläche des Substrats geringfügig kleiner als die Höhe des Vorrichtungschips über dem Substrat oder ist gerade gleich der Höhe des Vorrichtungschips über dem Substrat. Eine obere Schicht mit konstanter Dicke über die gesamte Oberfläche stellt eine bessere Wärmedissipation bereit als eine Schicht, die die gleiche Füllstoffmenge aufweist, aber nicht eben ist, oder eine variierende Dicke über der Oberfläche aufweist. Bei einer Schichtdicke der mittleren Schicht über dem Chip, die klein oder gleich null ist, ergibt die mittlere Schicht einen geringen thermischen Widerstand oder einen von null zusätzlich zu dem geringen Widerstand der oberen Schicht. Dadurch wird die Wärmedissipation auf das höchste mögliche Niveau optimiert.
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Die untere Schicht ist bevorzugt eine konforme Schicht, die der Topographie der Substratoberfläche und des Vorrichtungschips folgt. Gemäß einer Ausführungsform ist die untere Schicht auf die Oberfläche über den Vorrichtungschip laminiert, sodass sie eine beinahe konstante Dicke über die gesamte Oberfläche aufweist. Die Dicke kann zwischen 15 µm und 40 µm gewählt werden und ist dazu optimiert, zu verhindern, dass Harz der mittleren Schicht in den Spalt eindringt. Eine zu hohe Dicke des reinen und nicht gefüllten Harzes muss wegen des höheren thermischen Widerstands davon vermieden werden.
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Die mittlere Schicht ist ebenfalls bevorzugt ein nicht gefülltes Harz und dient lediglich dem Bedecken der unteren Schicht und dem Bereitstellen einer ebenen Oberfläche so nah wie möglich an der Ebene der oberen Seite des Chips bzw. der unteren Schicht über dem Chip. Daher ist die verbleibende Dicke auf maximal etwa 20 µm begrenzt, wobei eine möglichst niedrige verbleibende Höhe oder eine Höhe von null bevorzugt ist.
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Da die mittlere Schicht eine ebene Oberfläche bereitstellt, ist die darüber aufgebrachte obere Schicht auch eben, unabhängig von dem Material von dieser. Die obere Schicht weist einen Füllstoffanteil auf, der zwischen 20 und 90 Gew.-% gewählt werden kann. Zum Erzielen einer hohen Wärmeleitfähigkeit wird ein hoher Füllstoffanteil bevorzugt.
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Der Füllstoffanteil und die Aufbringbarkeit des gefüllten zweiten Harzes erfordern eine Abwägung, um eine einfache und konforme Aufbringung oder Abscheidung der oberen Schicht zu ermöglichen. Eine Anwendung von Wärme, Druck und Vakuum in einem Laminierungsprozess begünstigt die Abscheidung.
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Alle drei Schichten des Versiegelungsmittels können das gleiche Harz beinhalten, sind aber nicht auf ein spezielles Harzmaterial beschränkt. Die untere Schicht kann ein Polymermaterial beinhalten, wie etwa ein Polyolefin-, Polyimid- oder ein epoxidbasiertes Material. Dieses Material muss eine erhebliche Viskosität aufweisen oder muss bei einer niedrigeren Temperatur verarbeitet werden, um zu verhindern, dass das Material in den Spalt unter dem Vorrichtungschip eindringt.
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Die mittlere Schicht kann ebenfalls ein epoxidbasiertes Material umfassen, das während des Aufbringungsprozesses durch zum Beispiel Laminierung eine gute Flussfähigkeit aufweist. Die gute Flussfähigkeit erleichtert das Erzielen einer ebenen Oberfläche nach der Aufbringung.
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Die obere Schicht kann ebenfalls ein epoxidbasiertes oder ein Polyimid-Material (zweites Harz) umfassen, das mit einem hoch leitfähigen Füllstoff in einem Anteil gefüllt ist, der ausreicht, um eine Wärmeleitfähigkeit von 2 W/mK in der oberen Schicht zu erreichen. Diese Schicht ermöglicht den abschließenden Wärmetransfer zu der Umgebung und dementsprechend von der Vorrichtung weg.
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Alle Materialien können einen Aushärtungsschritt nach der Aufbringung erfordern. Das Aushärten kann separat für jede Schicht vorgenommen werden. Jedoch ist auch ein gemeinsamer Aushärtungsschritt zum Aushärten von zwei oder mehr Schichten parallel möglich. Das Aushärten beinhaltet eine Wärmebehandlung für ein gegebenes Zeitintervall.
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Der Vorrichtungschip kann eine SAW-Vorrichtung oder eine BAW-Vorrichtung sein, die eine Filterfunktion für HF-Frequenzen bereitstellt. Eine SAW-Vorrichtung kann ein piezoelektrisches Volumenmaterial mit einer Dicke von 100 µm bis 300 µm umfassen, auf das eine Wandlerelektrode oder andere metallische Vorrichtungsstrukturen aufgebracht sind.
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Komplexe SAW-Vorrichtungen werden auf einem piezoelektrischen Dünnfilmmaterial mit einer Dicke von lediglich einigen wenigen Wellenlängen der akustischen Welle, mit der die Vorrichtung arbeitet, gebaut. Dieser Dünnfilm muss auf ein Chipsubstrat üblicherweise aus kristallinem Silicium oder einem anderen Si-basierten oder einem beliebigen anderen kristallinen oder starren Material, wie etwa zum Beispiel Saphir, aufgebracht werden. Der piezoelektrische Dünnfilm kann als Wafer auf das Chipsubstrat gebondet werden, wobei dessen Dicke nach dem Bondungsschritt durch Schleifen oder durch Abspalten überschüssiger Dicke reduziert wird.
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Das piezoelektrische Material der SAW-Vorrichtung kann aus Lithiumtantalat oder Lithiumniobat gewählt werden. Die SAW-Vorrichtung kann eine temperaturkompensierte SAW-Vorrichtung (TCSAW) sein, die eine Schicht umfasst, die den Temperaturdrift der Frequenz reduziert, der als TCF (Temperature Coefficient of Frequency - Frequenztemperaturkoeffizient) gemessen wird.
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Eine BAW-Vorrichtung umfasst eine Schichtstruktur aus wenigstens zwei Elektroden und einer piezoelektrischen Schicht, die zwischen diesen angeordnet liegt. Diese Sandwichstruktur wird auf ein BAW-Substrat mit einem dazwischenliegenden akustischen Reflektor aufgebracht. Dieser kann ein Luftspalt sein, der durch eine Vertiefung in dem BAW-Substrat gebildet wird, der durch die Sandwichstruktur überspannt wird, und die Vorrichtung kann als ein FBAR (Thin Film BAW Resonator - Dünnfilm-BAW-Resonator) bezeichnet werden. Eine andere Ausführungsform verwendet einen Bragg-Spiegel, der wenigstens ein Paar von Schichten mit alternierender hoher und niedriger akustischer Impedanz umfasst. Das BAW-Substrat kann gleich jenem sein, das für Dünnfilm-SAW-Vorrichtungen verwendet wird. Eine solche Vorrichtung wird auch als solide montierter Resonator - solidly mounted resonator - bezeichnet.
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Das Substrat der Vorrichtung kann eine beliebige Art von PCB, wie etwa eine aus FR4 gefertigte Mehrschichtplatine, eine Keramik wie HTCC oder LTCC, ein flüssiges kristallines Polymer oder glasbasierte Substrate, die Durch-Glas-Vias (TGV: Through-Glass Via) aufweisen, sein. Das Substrat kann ein integriertes passives Element, wie einen Kondensator, eine Spule oder einen Widerstand, beinhalten. Auf dem Substrat können andere elektronische Vorrichtungen montiert sein, die möglicherweise mit der Vorrichtung zusammenwirken.
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Im Folgenden werden die Vorrichtung und ihre Herstellung ausführlich unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen erklärt.
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Die Zeichnungen sind lediglich schematisch und nicht maßstabsgetreu gezeichnet. Manche Elemente können zur besseren Sichtbarkeit vergrößert dargestellt sein. Andere können mit reduzierter Größe dargestellt sein. Daher können weder absolute noch relative Größenparameter aus den Figuren entnommen werden.
- 1 zeigt eine erste Ausführungsform einer mit akustischen Wellen arbeitenden Vorrichtung in einer Querschnittsansicht;
- 2 zeigt eine zweite Ausführungsform einer mit akustischen Wellen arbeitenden Vorrichtung in einer Querschnittsansicht;
- 3 zeigt eine dritte Ausführungsform einer mit akustischen Wellen arbeitenden Vorrichtung in einer Querschnittsansicht;
- 4 bis 7 zeigen Vergleichsbeispiele für mit akustischen Wellen arbeitende Vorrichtungen gemäß dem Stand der Technik in einer Querschnittsansicht.
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1 zeigt eine mit akustischen Wellen arbeitenden Vorrichtung gemäß der Erfindung in einer Querschnittsansicht als eine erste Ausführungsform. Ein Vorrichtungschip DC einer Akustische-Welle-Vorrichtung ist mittels Zwischenverbindungen IC in einer Flip-Chip-Technik auf der oberen Oberfläche eines Substrats SU montiert, das als ein PCB umgesetzt ist. Das Substrat kann eine Dicke von 80 µm bis 500 µm aufweisen. Bei einer solchen Anordnung sind (nicht gezeigte) auf der Unterseite US des Vorrichtungschips DC Vorrichtungsstrukturen davon dem Substrat SU zugewandt, halten aber einen luftgefüllten Spalt GP zu dem Substrat SU ein.
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Der durch den Spalt GP gebildete Hohlraum wird entlang seines Perimeters durch Aufbringen einer unteren Schicht BL aus einem Versiegelungsmittel konform auf die obere Seite des Vorrichtungschips DC und das Substrat SU durch einen Laminierungsschritt abgeschlossen und dichtet mit der oberen Oberfläche des Substrats SU entlang des Randes des Vorrichtungschips DC ab. Die untere Schicht ist ein nicht gefülltes erstes Harz und weist eine beinahe konstante Dicke auf.
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Auf der unteren Schicht BL wird eine mittlere Schicht aus einem anderen Harz auf die gesamte Oberfläche aufgebracht. Harz und Abscheidungsbedingungen werden gewählt, um einen Fluss des Harzes zu ermöglichen, sodass eine ebene Oberfläche davon gebildet wird. Die Höhe h2 über der Substratoberfläche der Mittelschicht ML ist geringfügig höher als die Höhe h1 der unteren Schicht BL über dem Substrat. Daher wird die obere Seite des Vorrichtungschips DC durch eine verbleibende geringe Dicke der Mittelschicht ML von etwa 0 bis 20 µm bedeckt.
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Schließlich wird die obere Schicht TL des Versiegelungsmittels auf eine solche Weise aufgebracht, dass eine weitere ebene Oberfläche erhalten wird. Die obere Schicht TL umfasst ein zweites Harz, das mit einer hohen Menge eines thermisch leitfähigen Füllstoffs gefüllt ist. Die Höhe der oberen Schicht TL über der mittleren Schicht kann auf etwa 20 µm bis 120 µm festgelegt werden. Ferner zeigt das zweite Harz verbesserte Passivierungseigenschaften und ist mechanisch stabil, um mechanischer oder chemischer Einwirkung aus der Umgebung zu widerstehen. Die Dicke der oberen Schicht TL ist dünner als jene der Mittelschicht ML, die der Höhe h2 entspricht. Zudem kann aufgrund der geringen Dicke der gesamte Anteil des teureren thermisch hoch leitfähigen Füllstoffs minimiert werden.
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Auf der oberen Schicht kann eine Produktmarkierung aufgebracht werden, z. B. durch Laserschreiben oder Tintendruck.
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2 zeigt als eine zweite Ausführungsform eine mit akustischen Wellen arbeitende Vorrichtung, die nur geringfügig von der obigen ersten Ausführungsform abweicht.
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Die Höhe h2 der Mittelschicht ML über der Oberfläche des Substrats SU entspricht der Höhe der oberen Oberfläche der unteren Schicht BL über dem Vorrichtungschip DC. Daher befinden sich die Mittelschicht ML und die untere Schicht BL über dem Vorrichtungschip DC auf dem gleichen Höhenniveau und bilden eine gemeinsame Oberfläche. Die thermisch hoch leitfähige obere Schicht wird daher direkt auf die untere Schicht BL in dem Bereich des Vorrichtungschips aufgebracht. Ein guter thermischer Kontakt zwischen der oberen Schicht TL und dem wärmeproduzierenden Vorrichtungschip DC wird erreicht.
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3 zeigt eine dritte Ausführungsform einer mit akustischen Wellen arbeitenden Vorrichtung, die von der obigen ersten und zweiten Ausführungsform nur geringfügig abweicht. Hier ist die Höhe h2 der Mittelschicht ML über der Oberfläche des Substrats SU niedriger als die Höhe der oberen Oberfläche der Unterschicht BL über dem Vorrichtungschip DC. Diese Anordnung stellt einen sicheren Kontakt zwischen der oberen Oberfläche der unteren Schicht BL und der oberen Schicht TL in dem Gebiet oberhalb des Vorrichtungschips DC bereit. Durch die geringere Dicke der Mittelschicht ML ist die Oberfläche davon nicht so eben wie bei der zweiten Ausführungsform, aber ausreichend eben, um ein einfaches Aufbringen der oberen Schicht auf eine ebene Weise zu ermöglichen.
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4 zeigt eine mit akustischen Wellen arbeitende Vorrichtung gemäß dem Stand der Technik, die durch ein ähnliches, aber weniger vorteilhaftes Versiegelungsmittel versiegelt ist. Eine konforme untere Schicht aus einem Polyolefin- oder einem Polyimid- oder einem epoxidbasierten Material enthält Siliciumdioxid als ein Füllstoff. Eine Mittelschicht ML aus einem anderen epoxidbasierten Material, das Siliciumdioxid als ein Füllstoff enthält, wird auf die gesamte untere Schicht BL aufgebracht. Die Oberfläche dieser Schicht weist immer noch eine Topographie der Schichten darunter auf und ist dementsprechend nicht eben. Eine obere Schicht TL aus einem anderen epoxidbasierten Material, das Siliciumdioxid als ein Füllstoff enthält, wird darauf aufgebracht, um eine ebene und gleichmäßige Oberfläche bereitzustellen. Aufgrund der Topographie darunter weist diese Schicht eine variierende Dicke auf. Aufgrund der niedrigeren thermischen Leitfähigkeit von Siliciumdioxid hinsichtlich des hoch leitenden Füllstoffmaterials der Erfindung ist die thermische Leitfähigkeit des Versiegelungsmittels insgesamt schlechter als jene der Erfindung und erreicht lediglich 1,0 W/Km.
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5 zeigt ein zweites Vergleichsbeispiel gemäß dem Stand der Technik. Hier wird eine gefüllte Unterschicht BL konform auf die Oberfläche des Vorrichtungschips DC und das Substrat SU aufgebracht, um eine nicht ebene Topographie bereitzustellen. Direkt darauf wird eine obere Schicht TL auf eine planarisierende Weise aufgebracht. Beide Schichten sind aus einem epoxidbasierten Harz gefüllt mit Siliciumdioxid gefertigt.
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6 zeigt ein drittes Vergleichsbeispiel gemäß dem Stand der Technik. Hier wird eine Unterschicht BL nicht konform auf die Oberfläche des Vorrichtungschips und das Substrat auf eine versiegelnde Weise auf einer Oberfläche mit einer reduzierten Topographie aufgebracht. Direkt darauf wird eine obere Schicht TL auf eine planarisierende Weise aufgebracht. Beide Schichten sind aus einem epoxidbasierten Harz gefüllt mit Siliciumdioxid gefertigt.
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7 zeigt ein viertes Vergleichsbeispiel gemäß dem Stand der Technik. Hier wird lediglich eine obere Schicht TL auf eine planarisierende Weise auf die Oberfläche des Vorrichtungschips DC und des Substrats SU auf eine versiegelnde Weise aufgebracht. Die Schicht ist ein Harz gefüllt mit Siliciumdioxid. Ersetzen des Füllstoffmaterials mit einem besser leitfähigen Füllstoffmaterial würde zu erhöhten Kosten führen.
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Bezugszeichenliste
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- DC
- Vorrichtungschip
- SU
- Substrat
- BL
- untere Schicht
- ML
- mittlere Schicht
- TL
- obere Schicht
- GP
- Spalt
- h1, h2
- Höhen
- IC
- Zwischenverbindung
