EP0657024A1 - Verfahren zur herstellung von kleinbauelementen - Google Patents

Verfahren zur herstellung von kleinbauelementen

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Publication number
EP0657024A1
EP0657024A1 EP94923705A EP94923705A EP0657024A1 EP 0657024 A1 EP0657024 A1 EP 0657024A1 EP 94923705 A EP94923705 A EP 94923705A EP 94923705 A EP94923705 A EP 94923705A EP 0657024 A1 EP0657024 A1 EP 0657024A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
wafer
connection
individual
semiconductor
individual units
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP94923705A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Graham Bailey
Gerhard Flory
Bernhard Klipfel
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Ranco Inc of Delaware
Robertshaw US Holding Corp
Original Assignee
Ranco Inc of Delaware
Ranco Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Ranco Inc of Delaware, Ranco Inc filed Critical Ranco Inc of Delaware
Publication of EP0657024A1 publication Critical patent/EP0657024A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L19/00—Details of, or accessories for, apparatus for measuring steady or quasi-steady pressure of a fluent medium insofar as such details or accessories are not special to particular types of pressure gauges
    • G01L19/0061—Electrical connection means
    • G01L19/0084—Electrical connection means to the outside of the housing
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L19/00—Details of, or accessories for, apparatus for measuring steady or quasi-steady pressure of a fluent medium insofar as such details or accessories are not special to particular types of pressure gauges
    • G01L19/14—Housings
    • G01L19/147—Details about the mounting of the sensor to support or covering means
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L9/00—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
    • G01L9/0041—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms
    • G01L9/0042—Constructional details associated with semiconductive diaphragm sensors, e.g. etching, or constructional details of non-semiconductive diaphragms

Definitions

  • the invention relates to a method for producing small components, in particular pressure sensors or similar sensors, which are constructed from at least two individual units stacked on top of one another.
  • FIGS. 1 a to 1 c show a conventional method for producing small components 1 of this type.
  • a silicon wafer 2 is produced which contains a large number of semiconductor individual units 5 or wafer sub-units 6.
  • FIG. 1 a shows a top view and a perspective view of such a semiconductor individual unit 5, all of the semiconductor individual units 5 produced on the silicon wafer 2 being constructed in an equivalent manner and arranged in a regular manner.
  • On the surface of a single semiconductor unit 5 is one electrical circuit arrangement provided with pads 14.
  • a carrier molding is produced, which contains a plurality of carrier subunits 7.
  • the silicon wafer 2 and the carrier molding together form a composite wafer, wherein the wafer sub-units 6 and the carrier sub-units 7 made of glass together form the semiconductor individual units 5.
  • connection units 8 are produced. These individual connection units 8 have, for example, a projection 8-1 and a bore or cavity 8-2, as shown in FIG. 1b.
  • the silicon wafer 2 and the carrier molding are cut, for example with a diamond saw, in order to produce a large number of individual semiconductor individual units 5 (FIG. 1 a).
  • the object of the present invention is therefore
  • connection fitting which has a plurality of connection individual units. Instead of connecting the individual semiconductor individual units to individual individual connection units, only a single alignment of the wafer and the connection fitting is required in the method according to the invention.
  • This has the essential advantage that only a single work step is required to connect all the individual semiconductor units and individual connection units. This eliminates the need for individual alignment of a single semiconductor unit and a single connection unit.
  • the connection individual units of the connection molding are arranged as regularly as the semiconductor individual units on the wafer, only alignment of the wafer and the connection molding is required, which considerably reduces the production time (approx. 1/300). The workload is thus reduced, the production time is considerably reduced, and thus a much more cost-effective production of such small components is possible.
  • a wafer is produced with a plurality of wafer subunits
  • a carrier molding is produced with a plurality of carrier subunits
  • the wafer and the carrier molding with mutually aligned wafer subunits and carrier subunits are connected to one another to form a composite wafer with a multiplicity of semiconductor subunits from wafer subunits and carrier subunits, and that steps d) and e) are carried out with the assembled wafer.
  • the production via a carrier molding enables only one alignment of the connecting molding, the carrier molding and the wafer to be required.
  • the manufacturing time and the manufacturing costs are thus also reduced for the production of small components which consist of more than two individual units stacked on top of one another.
  • the carrier molding can be connected to the wafer and the connecting molding simultaneously via their respective individual units in one step.
  • the individual units are aligned beforehand.
  • a eutectic or anodic bonding method or another suitable method can be used for the connecting step for connecting the individual units of the wafer and the connecting shaped piece or the carrier shaped piece. This is particularly advantageous because, in this method, it is not necessary to individually access semiconductor individual units located in a central section of the wafer in order to effect their connection. The wafer and the connection molding therefore only have to be aligned with one another and moved towards one another for eutectic or anodic bonding.
  • the wafer, the connection molding and optionally the carrier molding are made of materials which have the same or similar thermal expansion coefficient.
  • the wafer is made of silicon and the connection molding is made of glass, Vacon or Kovar, while the carrier molding is made of glass or Pyrex.
  • further connecting steps can be carried out in order to connect the small components to further holding elements.
  • These further connection steps can include glass soldering, bonding, gluing, electron beam welding or laser welding processes.
  • these further holding elements also have similar thermal expansion coefficients as the small components produced.
  • the small components are advantageously pressure sensors, the semiconductor individual units being produced as pressurized elements and the connecting individual units as connecting elements.
  • a connecting film with conductor tracks leading along webs to individual connections is attached to the semiconductor individual units of the small components in such a way that the individual connections come into contact with connection pads of the semiconductor single units.
  • the connecting film consists of a flexible material, for example polyimide.
  • connecting film it is advantageous for the connecting film to be connected to the individual semiconductor units by gluing, soldering or tape bonding or for contacting it with other suitable connecting methods.
  • the connecting film is designed with the individual connections, for example punched out, in such a way that the least possible application of force to the individual semiconductor units is ensured.
  • Fig. La to lc a conventional manufacturing process for small components, which e.g. three stacked individual units are built up;
  • Connection single unit which is provided in the connection molding shown in Figure 2b;
  • FIG. 5 shows an embodiment of the manufacturing method according to the invention for manufacturing small components, which are made up of more than two stacked individual units, and
  • Fig. 6 shows an embodiment of the manufacturing method according to the invention, in which a connecting film with conductor tracks for connecting the semiconductor individual units via e.g. four connection points with evaluation electronics is applied to the individual semiconductor units.
  • FIG. 2 shows a manufacturing method according to the invention (hereinafter referred to as a full wafer manufacturing method) for small components which are made up of at least two individual units stacked on top of one another. These small components are pressure sensors, for example.
  • a silicon wafer 2 is produced with a multiplicity of individual semiconductor units 5, which are arranged regularly on the wafer 2 (FIG. 2 a).
  • a connection molding 4 is produced, which contains a plurality of interconnected individual connection units or connection elements 8.
  • Figure 2b shows one Top view and a perspective view of the connection elements 8 arranged regularly next to one another in the connection molding 4. The number and size of the connection elements 8 corresponds to the number and size of the individual semiconductor units 5.
  • the wafer processed in this way with any external dimensions (typically 4 ") and the connection fitting are aligned with one another in such a way that each semiconductor unit 5 is opposite a corresponding connection unit 8. Since the connection units 8 and the semiconductor units 5 have the same size , only two semiconductor individual units 5 and two connection individual units 8 have to be aligned with one another, so the number of semiconductor individual units 5 generated on the wafer is exactly the same number of connection individual units 8 with the same dimensions as for the Si wafer compared to the connection fitting, the respective semiconductor individual units and connection individual units being exact are brought into congruence with each other.
  • any external dimensions typically 4
  • connection fitting is aligned with one another in such a way that each semiconductor unit 5 is opposite a corresponding connection unit 8. Since the connection units 8 and the semiconductor units 5 have the same size , only two semiconductor individual units 5 and two connection individual units 8 have to be aligned with one another, so the number of semiconductor individual units 5 generated on the wafer is exactly the same number of connection individual units 8 with the same dimensions as for the Si wafer
  • the silicon wafer and the connection fitting are connected to one another, for example by eutectic connection or another suitable connection technology, all opposite individual units being connected to one another at the same time.
  • all semiconductor individual units are connected to their respective connection individual units in a single work step.
  • FIG. 2d FIG. 2e showing a side view of this layered structure.
  • FIG. 2f To produce the individual small components (FIG. 2f), the layered structure shown in FIG. 2d is cut along dividing lines 9, for example with a diamond saw.
  • the connection molding 4 and the wafer 2 as well as a carrier molding 3 are cut simultaneously.
  • connection molding 4 to be connected to the silicon wafer and the carrier molding 3 consist, for example, of a material which has an expansion coefficient similar to the silicon material (for example glass, Pyrex, Vacon, Kovar etc.). In this way, no unfavorable stress conditions occur when the connection molding, carrier molding and silicon wafer are connected.
  • FIG. 3 shows an exemplary embodiment of a connection single unit 8, which is used in particular for the production of pressure sensors.
  • FIG. 3a shows a perspective view
  • FIG. 3b a side view
  • FIG. 3c a top view.
  • the connection single unit 8 consists of a projecting part 8-1 and a part with a bore 8-2. The part with the bore is provided for connection to the semiconductor individual units 5 (see FIG. 2a).
  • connection method to a larger bracket can be done, for example, by glass soldering, gluing to glass connection elements 8 or by Electron beam or laser welding (with connection elements 8 from Vacon or Kovar) or by a similar method.
  • FIGS. 4a and 4b show how the small components 1 consisting of the semiconductor individual unit 5, consisting of a wafer subunit 6 and a carrier subunit 7, and the connecting individual unit 8 are connected to such further holding elements 10 made of a different material. It is advantageous if the semiconductor single unit 5, the connection element 8 and the further holding element 10 have similar expansion coefficients in order to avoid stresses in the individual connections.
  • FIG. 5 shows an embodiment of the manufacturing method according to the invention for small components.
  • This embodiment is intended in particular for small components which are constructed from more than two individual units stacked one on top of the other.
  • an additional carrier molding 3 is produced.
  • This carrier molding 3 carries a plurality of carrier sub-units 7, the size of the wafer sub-units 6 of the semiconductor individual units 5 and
  • connection individual units 8 correspond.
  • the further support subunits 7 of the support molding 3 can be support pieces, spacers and further electrical circuits etc.
  • the wafer 2, the carrier molding 3 and the connecting molding 4 are aligned with one another so that all of the individual units are opposite one another.
  • the wafer 2 is first connected to the carrier molding 3.
  • the further connection to the connection fitting 4 takes place. This can again be done by eutectic or anodic bonding.
  • the wafer 2, the carrier molding 3 and the connection molding 4 are cut simultaneously, so that a large number of small components are produced which consist of more than two individual units.
  • a further advantageous embodiment of the method according to the invention comprises the attachment, for example gluing or another suitable contacting method, of a connecting film 11 to the semiconductor individual units 5 of the small components 1, as shown in FIG. 6.
  • the connecting film 11 is designed, for example punched out, so that it has individual connections 13, which in each case correspond to connection pads 14 (see also FIG. 2a) on the semiconductor individual units 5 and lie opposite them.
  • the connecting film 11 has conductor tracks 12 along webs 15 which are connected to these individual connections 13.
  • the conductor tracks 12 are connected, for example, to evaluation electronics for the small components 1.
  • the connecting film 11 is provided separately for each small component 1 and has a circular shape with punched-outs.
  • the connecting film 11 is now connected in such a way that only the individual connections 13 come to lie on the respective connection pads 14 of the semiconductor detail 5. By attaching such a connecting film, a particularly stress-free connection is established between the individual semiconductor units and the evaluation electronics. It is advantageous if the connecting film 11 consists of flexible plastic, for example polyimide. The shape of a connecting film 11 with such individual connections 13 ensures the least possible introduction of force onto the small component 1.
  • the full-wafer production method according to the invention is suitable for the production of small components which have extremely small dimensions, for example 2, 3 or 4 mm edge length, since individual alignment of semiconductor individual units and connection individual units is difficult for such small components.
  • the invention advantageously circumvents this problem by producing a wafer and a connecting shaped piece, only the wafer and the connecting shaped piece having to be aligned and connected to one another. The process is therefore inexpensive and enables the production of 200, 400 or 600 similar small components in the shortest possible time.

Abstract

Bei einem Verfahren zur Herstellung von Kleinbauelementen, insbesondere Drucksensoren oder ähnlichen Sensoren, die aus wenigstens zwei aufeinandergeschichteten Einzeleinheiten (5, 8) aufgebaut sind, wird ein Wafer (2) hergestellt, der eine Vielzahl von Halbleitereinzeleinheiten (5) aufweist. Außerdem wird ein Verbindungsformstück (4) hergestellt, das eine Vielzahl von Verbindungseinzeleinheiten (8) aufweist, wobei die Halbleitereinzeleinheiten (5) und die Verbindungseinzeleinheiten (8) einander größenmäßig entsprechen und regulär auf dem Wafer (2) bzw. dem Verbindungsformstück (4) angeordnet sind. In einem einzigen Verfahrensschritt werden alle Einzeleinheiten (5, 8) des Wafers (2) und des Verbindungsformstücks (4) miteinander verbunden. Dieser geschichtete Aufbau wird danach zur Bildung der Kleinbauelemente geschnitten. Zur Kontaktierung der Halbleitereinzeleinheiten (5) kann eine Verbindungsfolie mit Leiterbahnen entlang Stegen auf den Halbleitereinzeleinheiten angebracht werden.

Description

VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG VON KLEINBAUELEMENTEN
BESCHREIBUNG
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Kleinbauelementen, insbesondere Drucksensoren oder ähnlichen Sensoren, die aus wenigstens zwei aufeinandergeschichteten Einzeleinheiten aufgebaut sind.
Figur la bis lc zeigt ein herkömmliches Verfahren zur Herstellung von derartigen Kleinbauelementen 1. Zunächst wird in einem ersten Verfahrensschritt (Figur la) ein Silizium- afer 2 erzeugt, der eine Vielzahl von Halbleitereinzeleinheiten 5 bzw. Waferuntereinheiten 6 enthält. Figur la zeigt eine Draufsicht und eine perspektivische Ansicht einer derartigen Halbleitereinzeleinheit 5, wobei alle auf dem Silizium-Wafer 2 erzeugten Halbleitereinzeleinheiten 5 äquivalent aufgebaut und regulär angeordnet sind. Auf der Oberfläche einer Halbleitereinzeleinheit 5 ist eine elektrische Schaltungsanordnung mit Anschlußflecken 14 vorgesehen. Weiter wird ein Trägerformstück hergestellt, das eine Vielzahl von Trägeruntereinheiten 7 enthält. Der Silizium-Wafer 2 und das Trägerformstück bilden zusammen ein zusammengesetztes Wafer, wobei die Waferuntereinheiten 6 und die Trägeruntereinheiten 7 aus Glas zusammen die Halbleitereinzeleinheiten 5 bilden.
In einem weiteren Verfahrensschritt (Figur lb) werden eine Vielzahl von Verbindungseinzeleinheiten 8 hergestellt. Diese Verbindungseinzeleinheiten 8 weisen beispielsweise einen Vorsprung 8-1 und eine Bohrung oder Aushöhlung 8-2 auf, wie in Figur lb gezeigt. Nach der Herstellung einer Vielzahl von derartigen Verbindungseinzeleinheiten 8 werden der Silizium-Wafer 2 und das Trägerformstück beispielsweise mit einer Diamantsäge geschnitten, um eine Vielzahl von einzelnen Halbleitereinzeleinheiten 5 (Figur la) herzustellen.
In zwei weiteren Verfahrensschritten (Figur lc) werden nun die einzelnen Einzeleinheiten 6, 7 und 8 verbunden, um die Kleinbauelemente 5 herzustellen.
Bei einem derartigen Herstellungsverfahren für Bauelemente sind also soviele einzelne Verbindungsoperationen notwendig, wie Halbleitereinzeleinheiten aus dem Silizium-Wafer 2 erzeugt wurden. In Anbetracht der Tatsache, daß beispielsweise 200, 400 oder 600 einzelne Halbleitereinzeleinheiten auf einem Wafer hergestellt werden können, bedeutet dies die entsprechende Anzahl von einzelnen Verbindungsoperationen, was sehr zeitaufwendig, unwirtschaftlich und kostenaufwendig ist. Zudem besitzen die Halbleitereinzeleinheiten äußerst geringe Abmessungen, beispielsweise 2, 3 oder 4 mm Kantenlänge. Für die in Figur lc angedeuteten Verbindungsoperationen muß also eine Ausrichtung von Waferuntereinheit 6, Trägeruntereinheit 7 und Verbindungseinzeleinheit 8 vorgenommen werden, wobei jedoch das Ergreifen, das Ausrichten und das Verbinden für solche geringen Abmessungen äußerst schwierig und zeitaufwendig ist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es somit,
ein Verfahren zu schaffen, mit welchem eine Vielzahl von Kleinbauelementen bestehend aus wenigstens zwei aufeinandergeschichteten Einzeleinheiten in kurzer Zeit, mit geringem Arbeitsaufwand und geringen Kosten hergestellt werden können.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Herstellung von Kleinbauelementen gelöst, welches durch die folgenden Schritte gekennzeichnet ist:
a) Herstellen eines Wafers mit einer Vielzahl von Halbleitereinzeleinheiten; b) Herstellen eines Verbindungsformstücks mit einer Vielzahl von Verbindungseinzeleinheiten; c) Ausrichten des Wafers und des Verbindungsformstücks derart, daß jeweils eine Halbleitereinzeleinheit gegenüberliegend einer Verbindungseinzeleinheit angeordnet ist; d) gleichzeitiges Verbinden jeder Halbleitereinzeleinheit mit ihrer jeweiligen Verbindungseinzeleinheit, wobei der Wafer und das Verbindungsformstück erhalten bleiben; e) Erzeugen der Kleinbauelemente durch gleichzeitiges
Durchtrennen des Wafers und des Verbindungsformstücks entlang Trennlinien zwischen den einzelnen verbundenen Halbleitereinzeleinheiten und Verbindungseinzeleinheiten.
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, ein
Verbindungsformstück herzustellen, welches eine Vielzahl von Verbindungseinzeleinheiten aufweist. Anstelle der Verbindung der einzelenen Halbleitereinzeleinheiten mit einzelnen Verbindungseinzeleinheiten wird im erfindungsgemäßen Verfahren lediglich eine einzige Ausrichtung des Wafers und des Verbindungsformstücks erforderlich. Dies besitzt den wesentlichen Vorteil, daß nur ein einziger Arbeitsschritt zur Verbindung aller Halbleitereinzeleinheiten und Verbindungseinzeleinheiten erforderlich ist. Somit erübrigt sich eine Einzelausrichtung einer einzelnen Halbleitereinzeleinheit und einer einzelnen Verbindungseinzeleinheit. Solange sichergestellt ist, daß die Verbindungseinzeleinheiten des Verbindungsformstücks so regulär angeordnet sind wie die Halbleitereinzeleinheiten auf dem Wafer, wird lediglich eine Ausrichtung des Wafers und des Verbindungsformstücks erforderlich, welches die Herstellungszeit beträchtlich herabsetzt (ca. 1/300). Somit wird der Arbeitsaufwand reduziert, die Herstellungszeit erheblich verringert und somit wird eine wesentlich kostengünstigere Herstellung von derartigen Kleinbauelementen möglich.
Eine vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann auch auf die Herstellung von Kleinbauelementen angewendet werden, die aus mehr als zwei aufeinandergeschichteten Einzelheiten bestehen, dadurch daß
ein Wafer mit einer Vielzahl von Waferuntereinheiten hergestellt wird, ein Trägerformstück mit einer Vielzahl von Trägeruntereinheiten hergestellt wird, der Wafer und das Trägerformstück mit zueinander ausgerichteten Waferuntereinheiten und Trägeruntereinheiten zur Bildung eines zusammengesetzten Wafers mit einer Vielzahl von Halbleitereinzeleinheiten aus Waferuntereinheiten und Trägeruntereinheiten miteinander verbunden werden, und daß die Schritte d) und e) mit dem zusammengesetzten Wafer durchgeführt werden.
Auch wenn die Kleinbauelemente also aus mehreren aufeinandergeschichteten Einzeleinheiten aufgebaut werden sollen, ermöglicht die Herstellung über ein Trägerformstück, daß lediglich eine Ausrichtung des Verbindungsformstücks, des Trägerformstücks und des Wafers erforderlich ist. Somit werden die Herstellungszeit und die Herstellungskosten auch für die Herstellung von Kleinbauelementen reduziert, die aus mehr als zwei aufeinandergeschichteten Einzeleinheiten bestehen.
Bei dem zuletzt genannten Verfahren zur Herstellung von Kleinbauelementen, die aus mehr als zwei Einzeleinheiten bestehen, kann das Trägerformstück mit dem Wafer und dem Verbindungsformstück über ihre jeweiligen Einzeleinheiten gleichzeitig in einem Schritt verbunden werden. Dabei erfolgt eine vorangehende Ausrichtung der Einzeleinheiten. Es ist jedoch auch möglich, jeweils den Wafer und ein Trägerformstück zueinander auszurichten und diese zunächst zu verbinden, wonach eine'weitere Ausrichtung dieses Stapelaufbaus zu dem Verbindungsformstück vor deren Verbindung ausgeführt wird. Nachdem lediglich eine Ausrichtung eines Wafers, des Trägerformstücks und des Verbindungsformstücks erforderlich ist, wird die Herstellungszeit auch für die Herstellung von Kleinbauelementen aus mehr als zwei Einzeleinheiten wesentlich herabgesetzt.
Für den Verbindungsschritt zur Verbindung der Einzeleinheiten des Wafers und des Verbindungsformstücks, beziehungsweise des Trägerformstücks, kann ein eutektisches oder anodisches Bond-Verfahren oder ein anderes geeignetes Verfahren verwendet werden. Dies ist insbesondere deshalb vorteilhaft, da bei diesem Verfahren nicht einzeln auf in einem mittleren Abschnitt des Wafers liegende Halbleitereinzeleinheiten zugegriffen werden muß, um deren Verbindung zu bewirken. Der Wafer und das Verbindungsformstück müssen also lediglich zueinander ausgerichtet und für das eutektische oder anodische Bonden aufeinander zu bewegt werden.
Um Spannungen in den Kleinbauelementen zu vermeiden, ist es vorteilhaft, daß der Wafer, das Verbindungsformstück und gegebenenfalls das Trägerformstück aus Materialien hergestellt werden, welche einen gleichen oder ähnlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen. Beispielsweise ist der Wafer aus Silizium und das Verbindungsformstück aus Glas, Vacon oder Kovar hergestellt, während das Trägerformstück aus Glas oder Pyrex ist. Nach der Herstellung der Kleinbauelemente können weitere Verbindungsschritte durchgeführt werden, um die Kleinbauelemente mit weiteren Halteelementen zu verbinden. Diese weiteren Verbindungsschritte können Glaslöt-, Bond-, Klebe-, Elektronenstrahlschweiß- oder Laserschweißvorgänge umfassen. In vorteilhafter Weise besitzen diese weiteren Halteleemente ebenfalls ähnliche thermische Ausdehnungskoeffizienten wie die hergestellten Kleinbauelemente.
Vorteilhaft sind die Kleinbauelemente Drucksensoren, wobei die Halbleitereinzeleinheiten als druckbeaufschlagte Elemente und die Verbindungseinzeleinheiten als Anschlußelemente hergestellt werden.
Zur Verbindung der Kleinbauelemente mit einer Auswerteelektronik ist es vorteilhaft, daß in einem weiteren Verfahrensschritt eine Verbindungsfolie mit entlang Stegen zu Einzelanschlüssen führenden Leiterbahnen derart auf den Halbleitereinzeleinheiten der Kleinbauelemente angebracht wird, daß die Einzelanschlüsse kontaktierend auf Anschlußflecken der Halbleitereinzeleinheiten zu liegen kommen.
Die Verbindungsfolie besteht zur Vermeidung von Spannungen in der Verbindung aus einem flexiblen Material, beispielsweise Polyimid.
Es ist vorteilhaft, daß die Verbindungsfolie durch Aufkleben, Löten oder Tape-bonding an die Halbleitereinzeleinheiten angeschlossen oder mit anderen geeigneten Verbindungsverfahren kontaktiert wird. Die Verbindungsfolie ist so mit den Einzelanschlüssen ausgestaltet, beispielsweise ausgestanzt, daß eine geringstmögliche Krafteinleitung auf die Halbleitereinzeleinheiten gewährleistet ist.
Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert.
In den Zeichnungen zeigen:
Fig. la bis lc ein herkömmliches Herstellungsverfahren für Kleinbauelemente, die aus z.B. drei aufeinandergeschichteten Einzeleinheiten aufgebaut sind;
Fig. 2a bis 2f ein erfindungsgemäßes
Herstellungsverfahren für Kleinbauelemente;
Fig. 3a bis 3c eine Ausführungsform einer
Verbindungseinzeleinheit, die in dem in Figur 2b gezeigten Verbindungsformstück vorgesehen ist;
Fig. 4a und 4b ein mit dem erfindungsgemäßen
Herstellungsverfahren hergestelltes Kleinbauelement, welches mit einem weiteren Halteelement verbunden ist;
Fig. 5 eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens zur Herstellung von Kleinbauelementen, die aus mehr als zwei aufeinandergeschichteten Einzeleinheiten aufgebaut sind, und
Fig. 6 eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens, bei dem eine Verbindungsfolie mit Leiterbahnen zur Verbindung der Halbleitereinzeleinheiten über z.B. vier Anschlußpunkte mit einer Auswerteelektronik auf die Halbleitereinzeleinheiten aufgebracht wird.
In der folgenden Beschreibung von vorteilhaften Ausführungsformen der Erfindung bezeichnen die Bezugszeichen gleiche oder entsprechende Teile wie in den Figuren la bis lc.
Figur 2 zeigt ein erfindungsgemaßes Herstellungsverfahren, (im folgenden als Full-Wafer-Herstellungsverfahren bezeichnet) für Kleinbauelemente, die wenigstens aus zwei aufeinandergeschichteten Einzeleinheiten aufgebaut sind. Diese Kleinbauelemente sind beispielsweise Drucksensoren. Zunächst wird wie im herkömmlichen Verfahren (Figur la) eine Silizium-Wafer 2 mit einer Vielzahl von Halbleitereinzeleinheiten 5 hergestellt, welche regulär auf dem Wafer 2 angeordnet sind (Figur 2a) . Außerdem wird ein Verbindungsformstück 4 hergestellt, welches eine Vielzahl von untereinander verbundenen Verbindungseinzeleinheiten beziehungsweise Anschlußelemente 8 beinhaltet. Die Figur 2b zeigt eine Draufsicht und eine perspektivische Ansicht der in dem Verbindungsformstück 4 nebeneinander regulär angeordneten Anschlußelemente 8. Die Anzahl und Größe der Anschlußelemente 8 entspricht der Anzahl und Größe der Halbleitereinzeleinheiten 5.
In einem nächsten Verfahrensschritt (Figur 2c) werden der derart prozessierte Wafer mit beliebiger Außenabmessung (typisch 4") und das Verbindungsformstück zueinander so ausgerichtet, daß jede Halbleitereinzeleinheit 5 einer entsprechenden Verbindungseinzeleinheit 8 gegenüberliegt. Da die Verbindungseinzeleinheiten 8 und die Halbleitereinzeleinheiten 5 die gleiche Größe besitzen, müssen lediglich zwei Halbleitereinzeleinheiten 5 und zwei Verbindungseinzeleinheiten 8 zueinander ausgerichtet werden. Der auf dem Wafer erzeugten Anzahl von Halbleitereinzeleinheiten 5 steht also genau die gleiche Anzahl von Verbindungseinzeleinheiten 8 mit gleichen Abmessungen wie beim Si-Wafer dem Verbindungsformstück gegenüber, wobei jeweilige Halbleitereinzeleinheiten und Verbindungseinzeleinheiten exakt in Deckung miteinander gebracht sind.
Nun werden wie in Figur 2 gezeigt der Silizium-Wafer und das Verbindungsformstück beispielsweise durch eutektisches Verbinden oder eine andere geeignete Verbindungstechnik miteinander verbunden, wobei alle gegenüberliegenden Einzeleinheiten gleichzeitig miteinander verbunden werden. Somit werden also alle Halbleitereinzeleinheiten mit ihren jeweiligen Verbindungseinzeleinheiten in einem einzigen Arbeitsschritt verbunden. Die so erzeugte Struktur ist in Figur 2d gezeigt, wobei Figur 2e eine Seitenansicht dieser geschichteten Struktur zeigt. Zur Herstellung der einzelnen Kleinbauelemente (Figur 2f) wird die in Figur 2d gezeigte geschichtete Struktur entlang von Trennlinien 9, beispielsweise mit einer Diamantsäge, geschnitten. Dabei werden das Verbindungsformstück 4 und der Wafer 2 wie auch ein Trägerformstück 3 gleichzeitig durchtrennt.
Das mit dem Silizium-Wafer zu verbindende Verbindungsformstück 4 und das Trägerformstück 3 bestehen beispielsweise aus einem Material, welches einen dem Siliziummaterial ähnlichen Ausdehnungskoeffizienten besitzt (zum Beispiel Glas, Pyrex, Vacon, Kovar etc.). Somit treten bei der Verbindung von Verbindungsformstück, Trägerformstück und Silizium-Wafer keine ungünstigen Spannungsverhältnisse auf.
Figur 3 zeigt eine beispielhaf e Ausführungsform einer Verbindungseinzeleinheit 8, welche insbesondere für die Herstellung von Drucksensoren verwendet wird. Figur 3a zeigt eine perspektivische Ansicht, Figur 3b eine Seitenansicht und Figur 3c eine Draufsicht. Die Verbindungseinzeleinheit 8 besteht aus einem vorstehenden Teil 8-1 und einem Teil mit einer Bohrung 8-2. Der Teil mit der Bohrung ist zur Verbindung mit den Halbleitereinzeleinheiten 5 (sh. Figur 2a) vorgesehen.
Wie Figur 4 zeigt, wird die Formgestaltung der Verbindungseinzeleinheiten bzw. Anschlußele ente 8 für ein weiteres Verbindungsverfahren entsprechend ausgewählt. Dieses Verbindungsverfahren zu einer größeren Halterung kann zum Beispiel durch Glaslöten, Kleben bei Anschlußelementen 8 aus Glas oder durch Elektronenstrahl- oder Laserschweißen (bei Anschlußelementen 8 aus Vacon bzw. Kovar) oder durch ein ähnliches Verfahren erfolgen. Figur 4a und 4b zeigen, wie die Kleinbauelemente 1 bestehend aus der Halbleitereinzeleinheit 5, bestehend aus einer Waferuntereinheit 6 und einer Trägeruntereinheit 7, und der Verbindungseinzeleinheit 8 mit derartigen weiteren Halteelementen 10 aus einem anderen Material verbunden werden. Dabei ist es vorteilhaft, wenn die Halbleitereinzeleinheit 5, das Anschlußelement 8 und das weitere Halteelement 10 ähnliche Ausdehnungskoeffizienten besitzen, um Spannungen in den einzelnen Verbindungen zu vermeiden.
Figur 5 zeigt eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens für Kleinbauelemente. Diese Ausführungsform ist insbesondere für Kleinbauelemente vorgesehen, die aus mehr als zwei aufeinandergeschichteten Einzeleinheiten aufgebaut sind. Bei diesem Verfahren wird zusätzlich zu der Herstellung des Silizium-Wafers 2 und des Verbindungsformstücks 4 ein zusätzliches Trägerformstück 3 hergestellt. Dieses Trägerformstück 3 trägt eine Vielzahl von Trägeruntereinheiten 7, die größenmäßig den Waferuntereinheiten 6 der Halbleitereinzeleinheiten 5 und den
Verbindungseinzeleinheiten 8 entsprechen. Bei den weiteren Trägeruntereinheiten 7 des Trägerformstücks 3 kann es sich um Trägerstücke, Abstandsstücke und weitere elektrische Schaltungen etc. handeln. Bei dem in Figur 5 gezeigten Verfahren werden der Wafer 2, das Trägerformstück 3 und das Verbindungsformstück 4 zueinander ausgerichtet, so daß alle jeweiligen Einzeleinheiten einander gegenüberliegen. In einem weiteren Schritt wird der Wafer 2 zuerst mit dem Trägerformstück 3 verbunden. Danach erfolgt die weitere Verbindung zum Verbindungsformstück 4. Dies kann wiederum durch eutektisches oder anodisches Bonden geschehen. Danach werden der Wafer 2, das Trägerformstück 3 und das Verbindungsformstück 4 gleichzeitig geschnitten, so daß eine Vielzahl von Kleinbauelementen hergestellt wird, die aus mehr als zwei Einzeleinheiten bestehen.
Obwohl in Figur 5 gleichzeitig eine Ausrichtung des Wafers 2, des Trägerformstücks 3 und des Verbindungsformstücks 4 vorgenommen wird, ist es auch möglich, zunächst den Wafer
2 und das Trägerformstück 3 zueinander auszurichten und miteinander zu verbinden und danach die Verbundschicht 2,
3 zu dem Verbindungsformstück 4 auszurichten und damit zu verbinden.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens umfaßt die Anbringung, z.B. das Aufkleben oder ein anderes geeignetes Kontaktierungsverfahren einer Verbindungsfolie 11 an den Halbleitereinzeleinheiten 5 der Kleinbauelemente 1, wie in Fig. 6 dargestellt. Die Verbindungsfolie 11 ist so ausgestaltet, z.B. ausgestanzt daß sie Einzelanschlüsse 13 aufweist, die jeweils Anschlußflecken 14 (siehe auch Fig. 2a) an den Halbleitereinzeleinheiten 5 entsprechen und diesen gegenüberliegen. Die Verbindungsfolie 11 weist Leiterbahnen 12 entlang Stegen 15 auf, die mit diesen Einzelanschlüssen 13 verbunden sind. Die Leiterbahnen 12 sind z.B. mit einer Auswerteelektronik für die Kleinbauelemente 1 verbunden. Die Verbindungsfolie 11 ist für jedes Kleinbauelement 1 getrennt vorgesehen und weist eine kreisförmige Gestalt mit Ausstanzungen auf. Die Verbindungsfolie 11 wird nun so verbunden, daß nur die Einzelanschlüsse 13 auf den jeweiligen Anschlußflecken 14 der Halbleitereinzelheit 5 zu liegen kommen. Durch die Anbringung einer derartigen Verbindungsfolie wird eine besonders spannungsfreie Verbindung zwischen den Halbleitereinzeleinheiten und der Auswerteelektronik hergestellt. Es ist dabei vorteilhaft, wenn die Verbindungsfolie 11 aus flexiblem Kunststoff, beispielsweise Polyimid, besteht. Die Formgestaltung einer Verbindungsfolie 11 mit derartigen Einzelanschlüssen 13 gewährleistet eine geringstmögliche Krafteinleitung auf das Kleinbauelement 1.
Das erfindungsgemäße Full-Wafer-Herstellungsverfahren wurde oben im Zusammenhang für die Herstellung von Drucksensoren aus Silizium-Wafern beschrieben, jedoch eignet es sich zur Herstellung von beliebigen Kleinbauelementen.
Insbesondere eignet sich das erfindungsgemäße Full-Wafer-Herstellungsverfahren für die Herstellung von Kleinbauelementen, die äußerst geringe Abmessungen beispielsweise 2, 3 oder 4 mm Kantenlänge aufweisen, da eine Einzelausrichtung von Halbleitereinzeleinheiten und Verbindungseinzeleinheiten für derartige Kleinbauelemente schwierig ist. In vorteilhafter Weise umgeht die Erfindung dieses Problem durch Herstellung eines Wafers und eines Verbindungsformstücks, wobei lediglich der Wafer und das Verbindungsformstück zueinander ausgerichtet und verbunden werden müssen. Somit ist das Verfahren preiswert und ermöglicht die Herstellung von 200, 400 oder 600 gleichartigen Kleinbauelementen in kürzester Zeit.

Claims

PATENTANSPRUCHE
1. Verfahren zur Herstellung von Kleinbauelementen (1), insbesondere Drucksensoren oder ähnlichen Sensoren, die aus wenigstens zwei aufeinandergeschichteten Einzeleinheiten (5, 8) aufgebaut sind, umfassend die folgenden Schritte:
a) Herstellen eines Wafers (2) mit einer Vielzahl von Halbleitereinzeleinheiten (5); b) Herstellen zumindest eines Verbindungsformstücks (4) mit einer Vielzahl von Verbindungseinzeleinheiten (8); c) Ausrichten des Wafers (2) und des Verbindungsformstücks (4) derart, daß jeweils eine Halbleitereinzeleinheit (5) gegenüberliegend einer Verbindungseinzeleinheit (8) angeordnet ist, d) gleichzeitiges Verbinden jeder Halbleitereinzeleinheit (5) mit ihrer jeweiligen gegenüberliegenden Verbindungseinzeleinheit (8), wobei der Wafer (2) und das Verbindungεformstück (4) erhalten bleiben; e) Erzeugen der Kleinbauelemente (1) durch gleichzeitiges Durchtrennen des Wafers (2) und des Verbindungsformstücks (4) entlang Trennlinien (9) zwischen den einzelnen verbundenen Halbleitereinzeleinheiten (5) und Verbindungseinzeleinheiten (8) .
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß
ein Wafer (2) mit einer Vielzahl von Waferuntereinheiten (6) hergestellt wird, ein Trägerformstück (3) mit einer Vielzahl von Trägeruntereinheiten (7) hergestellt wird, der Wafer (2) und das Trägerformstück (3) mit zueinander ausgerichteten Waferuntereinheiten (6) und Trägeruntereinheiten (7) zur Bildung eines zusammengesetzten Wafers mit einer Vielzahl von Halbleitereinzeleinheiten (5) aus Waferuntereinheiten (6) und Trägeruntereinheiten (7) miteinander verbunden werden,
und daß die Schritte d) und e) mit dem zusammengesetzten Wafer durchgeführt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß Wafer (2), Trägerformstück (3) und Verbindungsformstück (4) gleichzeitig verbunden werden.
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß Wafer (2), Trägerformstück (3) und Verbindungsformstück (4) nacheinander verbunden werden.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Halbleitereinzeleinheiten (5) und die Verbindungseinzeleinheiten (8) durch eutektisches oder anodisches Bonden oder durch Kleben miteinander verbunden werden.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß nach Schritt e) ein weiterer Verbindungsschritt durchgeführt wird, um die Kleinbauelemente (1) mit weiteren Halteelementen (10) zu verbinden.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß der weitere Verbindungsschritt einen Glaslöt-, Bond-, Klebe-, Elektronenstrahlschweiß- oder Laserschweißvorgang umfaßt.
8. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß der Wafer (2), das Verbindungsformstück (4) und gegebenenfalls das Trägerformstück (3) aus Materialien mit gleichen oder ähnlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten hergestellt werden.
9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß der Wafer (2) aus Silizium und das Verbindungsformstück (4) aus Glas, Vacon oder Kovar hergestellt werden.
10. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß das Trägerformstück (3) aus Glas oder Pyrex hergestellt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Kleinbauelemente (1) Drucksensoren sind, wobei die Halbleitereinzeleinheiten (5) als druckbeaufschlagte Elemente und die Verbindungseinzeleinheiten (8) als Anschlußelemente hergestellt werden.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß in einem weiteren Verfahrensschritt eine Verbindungsfolie (11) mit entlang Stegen (15) zu Einzelanschlüssen (13) führenden Leiterbahnen (12) derart auf den Halbleitereinzeleinheiten (5) der Kleinbauelemente (1) angebracht wird, daß die Einzelanschlüsse (13) kontaktierend auf Anschlußflecken (14) der Halbleitereinzeleinheiten (5) zu liegen kommen.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Verbindungsfolie (11) aus Polyimid oder einem anderen flexiblen Material hergestellt wird.
14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Verbindungsfolie (11) durch Aufkleben, Löten oder Tape-bonding an die Halbleitereinzeleinheiten (5) angeschlossen oder mit anderen geeigneten Verbindungsverfahren kontaktiert wird.
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