IT201600121003A1

IT201600121003A1 - Dispositivo integrato a semiconduttore con contatti elettrici tra piastrine impilate e relativo procedimento di realizzazione

Info

Publication number: IT201600121003A1
Application number: IT102016000121003A
Authority: IT
Inventors: Enri Duqi; Lorenzo Baldo; Domenico Giusti
Original assignee: St Microelectronics Srl
Priority date: 2016-11-29
Filing date: 2016-11-29
Publication date: 2018-05-29
Also published as: US20210147222A1; CN108117035A; US10392245B2; US10906801B2; US20180148325A1; EP3326964B1; US20190330056A1; EP3326964A1; CN207596460U

Description

“DISPOSITIVO INTEGRATO A SEMICONDUTTORE CON CONTATTI ELETTRICI TRA PIASTRINE IMPILATE E RELATIVO PROCEDIMENTO DI REALIZZAZIONE”

La presente invenzione è relativa ad un dispositivo integrato a semiconduttore con contatti elettrici tra piastrine (cosiddette “die”) impilate e ad un relativo procedimento di realizzazione.

Come noto, nell’ambito della realizzazione di dispositivi integrati è frequente l’esigenza di accoppiare tra loro, da un punto di vista meccanico ed elettrico, piastrine di materiale semiconduttore, ad esempio includenti silicio, ottenute dal taglio di rispettive fette (cosiddette “wafer”).

In particolare, sono noti dispositivi sensori includenti strutture di rilevamento micromeccaniche realizzate, almeno in parte, con materiali semiconduttori e con la tecnologia dei MEMS (Micro Electro Mechanical Systems). Tali dispositivi sensori vengono impiegati in apparecchi elettronici portatili, quali ad esempio computer portatili, laptop o ultrabook, PDA, tablet, telefoni cellulari, smartphone, riproduttori di audio digitale, fotoo videocamere, consolle per videogames, consentendo di ottenere importanti vantaggi per quanto riguarda l’occupazione di spazio, in termini di area e spessore.

Un dispositivo sensore MEMS comprende generalmente: una struttura di rilevamento micromeccanica, atta a trasdurre una grandezza meccanica da rilevare (ad esempio una pressione, un’accelerazione o una velocità angolare) in una grandezza elettrica (ad esempio una variazione capacitiva); ed un circuito elettronico, solitamente realizzato come ASIC (Application Specific Integrated Circuit), atto ad effettuare opportune operazioni di elaborazione (tra cui operazioni di amplificazione e filtraggio) di tale grandezza elettrica in modo da fornire un segnale elettrico di uscita, analogico (ad esempio una tensione elettrica), o digitale (ad esempio un segnale PDM, Pulse Density Modulation, in modulazione a densità di impulsi). Tale segnale elettrico, eventualmente elaborato ulteriormente da un circuito elettronico di interfaccia, viene quindi reso disponibile per un sistema elettronico esterno, ad esempio un circuito di controllo a microprocessore di un apparecchio elettronico incorporante il dispositivo sensore.

Il procedimento di fabbricazione di un dispositivo sensore MEMS prevede dunque in generale di realizzare la struttura di rilevamento micromeccanica in una prima fetta ed il circuito elettronico ASIC in una seconda fetta, e quindi di accoppiare tra loro la prima e la seconda fetta, dal punto di vista meccanico ed elettrico (in modo da garantire il trasferimento di segnali elettrici tra le stesse fette); successivamente, le fette vengono tagliate per la definizione delle piastrine impilate (in alternativa, il taglio delle fette può avvenire prima del loro accoppiamento).

Una tecnica nota prevede per realizzare tale accoppiamento l’utilizzo di “bonding” metallico tra le due fette (o piastrine) di materiale semiconduttore, mediante regioni di materiale metallico, ad esempio rame, oro o alluminio, che vengono formate sulle facce delle due fette, allineate e successivamente fatte aderire, ad esempio mediante termocompressione, in modo da dare origine all’accoppiamento desiderato.

A tali regioni metalliche sono elettricamente collegati elementi circuitali del circuito elettronico ASIC e piazzole di contatto della struttura di rilevamento micromeccanica, così che il bonding tra le due fette determina non solo l’accoppiamento meccanico, ma anche l’accoppiamento elettrico tra lo stesso circuito elettronico ASIC e la stessa struttura di rilevamento micromeccanica.

Tale tecnica di accoppiamento, se pur vantaggiosa, può risultare di difficile e costosa implementazione, ad esempio per la difficoltà di allineamento ed accoppiamento delle regioni metalliche formate sulle superfici delle fette. A causa di difetti di accoppiamento tra le stesse regioni metalliche, possono inoltre verificarsi problemi e difettosità nel collegamento elettrico tra i circuiti e/o le strutture micromeccaniche nelle fette accoppiate.

Nel caso in cui l’impiego della tecnica del bonding metallico non risulti dunque consigliabile, una differente soluzione può prevedere l’accoppiamento meccanico delle fette mediante tecniche di bonding con materiale nonconduttivo, ad esempio con pasta vetrosa (cosiddetta “glassfrit”), e la realizzazione, in maniera distinta e separata, dei collegamenti elettrici mediante contatti elettrici di tipo ohmico (ad esempio, tramite saldatura tra elementi di contatto portati dalle facce accoppiate delle fette).

Pur risultando sicuramente meno costosa ed in generale avendo una minore complessità, tale soluzione non è tuttavia esente da problemi.

In particolare, la presente Richiedente ha verificato che la regione di bonding può presentare una non uniformità di spessore tra le superfici accoppiate delle fette, con una conseguente non uniformità del gap che si forma tra le stesse superfici delle fette accoppiate (ad esempio, tale gap può essere variabile in un intervallo compreso tra 5 e 10 µm). Inoltre le stesse fette possono avere non uniformità di spessore, ad esempio di valore compreso tra 1 e 4 µm. Queste non uniformità possono compromettere il corretto contatto elettrico tra gli elementi di contatto previsti in corrispondenza delle stesse superfici accoppiate, per il contatto elettrico tra i circuiti e/o le strutture micromeccaniche nelle fette.

Scopo della presente invenzione è quello di risolvere, almeno in parte, i problemi precedentemente evidenziati, al fine di fornire una soluzione di accoppiamento meccanico ed elettrico tra fette di materiale semiconduttore, che risulti di più semplice realizzazione ed al contempo presenti una elevata affidabilità.

Secondo la presente invenzione vengono quindi forniti un dispositivo integrato ed un relativo procedimento di realizzazione, come definiti nelle rivendicazioni allegate.

Per una migliore comprensione della presente invenzione, ne vengono ora descritte forme di realizzazione preferite, a puro titolo di esempio non limitativo, con riferimento ai disegni allegati, nei quali:

- la figura 1 mostra una vista in sezione schematica di un dispositivo integrato con piastrine accoppiate, secondo una forma di realizzazione della presente soluzione;

- la figura 2 è una vista schematica in pianta del dispositivo integrato di figura 1;

- le figure 3A-3F sono viste schematiche in sezione del dispositivo integrato di figura 1, in successive fasi di un relativo procedimento di fabbricazione;

- la figura 4 mostra una vista in sezione schematica di un dispositivo integrato con piastrine accoppiate, secondo una ulteriore forma di realizzazione della presente soluzione;

- la figura 5 è una vista schematica in pianta del dispositivo integrato di figura 4;

- le figure 6A-6D sono viste schematiche in sezione del dispositivo integrato di figura 4, in successive fasi di un relativo procedimento di fabbricazione;

- la figura 7 mostra una vista prospettica schematica di un elemento di supporto elastico nel dispositivo integrato secondo la presente soluzione;

- la figura 8 mostra grafici elettrici relativi a caratteristiche di flessibilità dell’elemento di supporto di figura 7; e

- la figura 9 è uno schema a blocchi di massima di un apparecchio elettronico incorporante il dispositivo integrato secondo la presente soluzione.

Come sarà evidenziato in dettaglio in seguito, un aspetto della presente soluzione prevede in generale la realizzazione, in corrispondenza della superficie di accoppiamento di almeno una delle due fette (o piastrine) da accoppiare, di elementi di contatto elettrico aventi caratteristiche di flessibilità, in modo tale da adattarsi alle eventuali variazioni di spessore della regione di bonding ed alle corrispondenti variazioni di gap tra le superfici affacciate delle fette accoppiate.

In dettaglio, la figura 1 mostra un dispositivo integrato, indicato nel suo insieme con 1, realizzato secondo la presente soluzione; in particolare, il dispositivo integrato 1 realizza un dispositivo sensore, nell’esempio un sensore di pressione, atto cioè a rilevare onde di pressione provenienti dall’ambiente esterno e a generare un corrispondente segnale elettrico di rilevamento.

Il dispositivo integrato 1 comprende una prima piastrina (o, in generale, corpo) 2 includente materiale semiconduttore, in cui è ad esempio realizzata una struttura di rilevamento micromeccanica 4; ed una seconda piastrina 6 includente materiale semiconduttore, in cui è ad esempio realizzato un circuito elettronico ASIC 7 (illustrato in maniera schematica in figura 1).

In particolare, la prima piastrina 2 presenta una prima superficie 2a, avente estensione in un piano orizzontale xy e destinata all’accoppiamento alla seconda piastrina 6, ed una seconda superficie 2b, opposta rispetto alla prima superficie 2a lungo un asse verticale z, ortogonale al suddetto piano orizzontale xy, e destinata al contatto con l’ambiente esterno.

La struttura di rilevamento micromeccanica 4 comprende una membrana 10, realizzata in corrispondenza della prima superficie 2a in una porzione attiva 2' della prima piastrina 2, ed è sospesa al di sopra di una prima cavità di sensore 11, realizzata in maniera sepolta all’interno della stessa prima piastrina 2 (come sarà descritto in dettaglio in seguito).

La suddetta porzione attiva 2' della prima piastrina 2 è inoltre disposta sospesa al di sopra di una seconda cavità di sensore 13, sottostante la prima cavità di sensore 11 (che risulta pertanto interposta tra la stessa seconda cavità di sensore 13 e la membrana 10 lungo l’asse verticale z), ed è collegata elasticamente ad una porzione di bulk della stessa prima piastrina 2 mediante un elemento elastico di sospensione 14.

In particolare, la porzione attiva 2' (e, di conseguenza, la membrana 10) è circondata esternamente da una trincea 15, che si estende a partire dalla prima superficie 2a della prima piastrina 2 fino a raggiungere la seconda cavità di sensore 13.

Ad esempio, nella forma di realizzazione mostrata, la trincea 15 ha forma a spirale quadrata. In questo modo, come visibile nella vista dall’alto di figura 2, la trincea 15 è costituita da cinque lati che delimitano la porzione attiva 2' della prima piastrina 2 ed inoltre l’elemento elastico di sospensione 14 (avente in questo caso conformazione lineare, a braccio, e collegante la porzione attiva 2' alla porzione di bulk della stessa prima piastrina 2).

La seconda cavità di sensore 13 è in comunicazione fluidica con l’ambiente esterno in corrispondenza della seconda faccia 2b della prima piastrina, mediante un canale di accesso 15', che si estende dalla suddetta seconda faccia 2b fino alla stessa seconda cavità di sensore 13, lungo l’asse verticale z.

La seconda piastrina 6 presenta una rispettiva prima superficie 6a, avente estensione nel piano orizzontale xy e destinata all’accoppiamento alla prima piastrina 2, ed una seconda superficie 6b, opposta rispetto alla prima superficie 6a lungo l’asse verticale z.

Il circuito elettronico ASIC 7 è realizzato, in maniera di per sé nota, qui non discussa in dettaglio, in una porzione superficiale della seconda piastrina 6, in corrispondenza della prima superficie 6a della stessa seconda piastrina 6.

Il dispositivo integrato 1 comprende inoltre una regione di accoppiamento 16, interposta fra la prima superficie 2a della prima piastrina e la rispettiva prima superficie 6a della seconda piastrina 6, avente conformazione ad anello, nell’esempio sostanzialmente quadrato (come visibile in figura 2).

In particolare, la regione di accoppiamento 16 è costituita da un materiale elettricamente non conduttivo, che si può pertanto definire “dummy”, in questa forma di realizzazione includente una base di paste vetrose (cosiddetta “glass-frit”), e circonda esternamente la porzione attiva 2' della prima piastrina 2 e la trincea 15.

In maniera di per sé nota, l’accoppiamento della prima e della seconda piastrina 2, 6 mediante la regione di accoppiamento 16 prevede la formazione e la definizione del glass-frit al di sopra di una o di entrambe le prime superfici 2a, 6a della prima e della seconda piastrina 2, 6, con la conformazione desiderata; e successivamente la disposizione sovrapposta della prima e della seconda piastrina 2, 6 e l’applicazione di una termocompressione tra gli stessi corpi, ad esempio con valori dell’ordine di 10 kN ad una temperatura elevata, ad esempio compresa tra 300 e 400 °C, in modo tale da definire la regione di accoppiamento 16.

Vantaggiosamente, e come descritto in dettaglio nella domanda di brevetto italiano numero 102015000074520 depositata il 19/11/2015 a nome della stessa Richiedente, durante la fase di accoppiamento della prima e della seconda piastrina 2, 6, la disposizione sospesa e l’accoppiamento elastico della porzione attiva 2' rispetto alla porzione di bulk della prima piastrina 2 consentono di svincolare elasticamente la stessa porzione attiva 2' (e la relativa membrana 10), che non risente così di sollecitazioni o deformazioni che potrebbero modificarne le caratteristiche meccaniche ed elettriche (generando ad esempio uno scostamento, offset, del valore della grandezza elettrica di uscita a riposo, ovvero in assenza di una pressione incidente sulla membrana 10).

Il dispositivo integrato 1 comprende inoltre una pluralità di piazzole di contatto 17, di materiale conduttore, ad esempio stagno, oro o rame, portate dalle rispettive prime superfici 2a, 6a della prima e della seconda piastrina 2, 6, allineate a coppie lungo l’asse verticale z e collegate meccanicamente ed elettricamente da regioni conduttive 18, ad esempio costituite da pasta saldante (cosiddetta “solder paste”), ad esempio realizzate di leghe di oro e stagno.

Le piazzole di contatto 17 sono disposte internamente rispetto alla regione di accoppiamento 16; in particolare, le piazzole di contatto 17 portate dalla prima superficie 2a della prima piastrina 2 sono interposte tra la stessa regione di accoppiamento 16 e la porzione attiva 2' della stessa prima piastrina 2.

Inoltre, il dispositivo integrato 1 comprende, in questa forma di realizzazione, vie passanti 19 (cosiddette “through vias”), includenti materiale conduttivo, che attraversano la seconda piastrina 6 per il suo intero spessore lungo l’asse verticale z, a partire dalle piazzole di contatto 17 realizzate sulla rispettiva prima superficie 6a fino a raggiungere la seconda superficie 6b, in corrispondenza della quale possono essere realizzati, in maniera di per sé nota, elementi di contatto elettrico (qui non illustrati), quali piazzole (cosiddette “land”) o rigonfiamenti conduttivi (cosiddetti “bump”), destinati ad esempio all’accoppiamento elettrico con un circuito stampato (PCB – Printed Circuit Board) di un apparecchio elettronico che incorpora il dispositivo integrato 1.

Il dispositivo integrato 1 presenta dunque, in questa forma di realizzazione un “package” cosiddetto “a livello di fetta” (“wafer-level”), ovvero realizzato dalle stesse piastrine di materiale semiconduttore in cui sono integrati il circuito elettronico ASIC 7 e la struttura di rilevamento micromeccanica 4.

Come sarà discusso in dettaglio in seguito, il procedimento di realizzazione del dispositivo integrato 1 prevede quindi la formazione delle piazzole di contatto 17 sulla prima superficie 2a, 6a della prima e della seconda piastrina 2, 6 e successivamente l’accoppiamento a coppie delle stesse piazzole di contatto 17 mediante la formazione delle regioni conduttive 18 mediante un processo termico di saldatura. Vantaggiosamente, tale processo termico può avvenire simultaneamente all’accoppiamento meccanico della prima e della seconda piastrina 2, 6 mediante la regione di accoppiamento 16, sfruttando lo stesso procedimento di termocompressione.

Secondo un aspetto particolare della presente soluzione, il dispositivo integrato 1 comprende inoltre una pluralità di elementi di supporto 20, aventi caratteristiche di flessibilità, in particolare in grado di deformarsi lungo l’asse verticale z, ciascuno atto a supportare una rispettiva piazzola di contatto 17 tra le piazzole di contatto portate dalla prima superficie 2a della prima piastrina 2.

Ciascun elemento di supporto 20 è sospeso a sbalzo al di sopra di una rispettiva cavità di sospensione 21, realizzata nella porzione di bulk della prima piastrina 2, in corrispondenza della prima superficie 2a, lateralmente e a distanza rispetto alla membrana 10 della struttura di rilevamento micromeccanica 4.

In dettaglio, ciascun elemento di supporto 20 comprende una base 22, avente ad esempio una forma sostanzialmente quadrata nel piano orizzontale xy, su cui è realizzata la rispettiva piazzola di contatto 17, ed un braccio flessibile 23 che collega la base 22 alla porzione di bulk della prima piastrina 2 in modo che la stessa base 22 sia sospesa a sbalzo al di sopra della cavità di sospensione 21. Una trincea di sospensione 24 circonda la base 22 ed il rispettivo braccio flessibile 23, e si estende a partire dalla prima superficie 2a della prima piastrina 2 fino alla cavità di sospensione 21.

Come mostrato in figura 2, gli elementi di supporto 20 possono essere disposti in maniera sostanzialmente allineata lungo un primo asse orizzontale y del piano orizzontale xy, a due a due avendo i bracci flessibili 23 disposti da parte opposta rispetto ad un secondo asse orizzontale x dello stesso piano orizzontale xy, realizzando un’efficace occupazione di area.

Vantaggiosamente, e come illustrato schematicamente nella suddetta figura 1, in seguito all’operazione di accoppiamento tra la prima e la seconda piastrina 2, 6 e di contatto elettrico tra le piazzole di contatto 17 portate dalle relative prime superfici 2a, 6a, gli elementi di supporto 20 possono deformarsi elasticamente nella direzione dell’asse verticale z, in modo tale da adattarsi all’eventuale variabilità di spessore della regione di accoppiamento 16 e/o a non uniformità di spessore delle stesse piastrine 3, 6 o di strati di materiale realizzati sulle relative prime superfici 2a, 6°, o ancora a relativi imbarcamenti o deformazioni.

In particolare, i bracci flessibili 23 possono deformarsi lungo l’asse verticale z, così che la base 22 si avvicini ad una superficie inferiore (o di base) della rispettiva cavità di sospensione 21.

Piste di contatto elettrico 29 contattano le piazzole di contatto 17 portate dagli elementi di supporto 20 e la struttura di rilevamento micromeccanica 4, in particolare la relativa membrana 10 ed eventuali componenti elettronici realizzati nella stessa membrana 10 (come discusso in seguito); come mostrato schematicamente nella figura 2 (per una sola delle piazzole di contatto 17), tali piste di contatto elettrico 29 si estendono sui bracci flessibili 23 e sull’elemento elastico di sospensione 14, per raggiungere la membrana 10 e gli eventuali componenti elettronici.

Secondo un aspetto particolare della presente soluzione, vantaggiosamente, le cavità di sospensione 21 possono essere realizzate (e gli elementi di supporto 20 definiti) con le stesse fasi di processo che, nella forma di realizzazione illustrata, portano alla realizzazione della prima cavità di sensore 11 e della membrana 10 della struttura di rilevamento micromeccanica 4.

A questo riguardo, viene ora descritto, in sintesi, il procedimento di realizzazione del dispositivo integrato 1.

Inizialmente, figura 3A, in una prima fetta 30 di materiale semiconduttore, in particolare silicio, viene realizzata una cavità sepolta. Ad esempio, allo scopo può essere utilizzato il processo di fabbricazione descritto in dettaglio nel brevetto europeo EP 1 577 656 (e nel corrispondente brevetto US 8,173,513).

Si noti che all’interno della stessa prima fetta 30 vengono realizzate una pluralità di analoghe strutture micromeccaniche (come risulterà evidente ad un tecnico del settore), e che al termine del procedimento di fabbricazione, il taglio (“sawing” o “dicing”) della prima fetta 30 porta alla definizione della prima piastrina 2 (e di analoghi corpi di materiale semiconduttore).

In sintesi, al di sopra della prima fetta 30, viene realizzata una maschera 31 di resist presentante aperture a reticolo, ad esempio a nido d’ape. Usando la maschera 31, viene eseguito un attacco chimico anisotropo della prima fetta 30, in modo da formare una pluralità di trincee 32, comunicanti tra loro e delimitanti una pluralità di colonne 33, di silicio.

Successivamente, figura 3B, la maschera 31 viene rimossa e viene eseguita una crescita epitassiale in ambiente riducente. Di conseguenza, uno strato epitassiale cresce al di sopra delle colonne 33, chiudendo superiormente le trincee 32.

Viene quindi eseguita una fase di trattamento termico (annealing), ad esempio per 30 minuti a 1190°C, preferibilmente in atmosfera di idrogeno, o, in alternativa, di azoto. Come discusso nei brevetti sopra citati, la fase di annealing provoca una migrazione degli atomi di silicio che tendono a portarsi in una posizione di minore energia. Di conseguenza, e anche grazie alla distanza ravvicinata fra le colonne 33, gli atomi di silicio di queste migrano completamente e si forma una cavità sepolta, destinata a costituire (come sarà chiaro in seguito) la seconda cavità di sensore 13.

Al di sopra di tale seconda cavità di sensore 13 rimane uno strato di silicio, costituito in parte da atomi di silicio cresciuti epitassialmente ed in parte da atomi di silicio migrati e formante uno strato di chiusura 35.

Quindi, figura 3C, viene eseguita un’ulteriore crescita epitassiale, di spessore di qualche decina di micrometri, ad esempio 50 µm, a partire dallo strato di chiusura 35. Si forma in questo modo una regione spessa di silicio che sovrasta la seconda cavità di sensore 13 ed è destinata a formare la porzione attiva 2' della prima piastrina 2.

Successivamente, figura 3D, in tale porzione attiva 2' viene realizzata una ulteriore cavità sepolta, destinata a definire la prima cavità di sensore 11, ad esempio ripetendo lo stesso procedimento di realizzazione descritto nel suddetto brevetto europeo EP 1 577 656 (descritto in precedenza con riferimento alle figure 3A e 3B).

Tale procedimento definisce inoltre la prima e la seconda superficie 2a, 2b della prima fetta 30 (si noti che tali superfici vengono indicate con gli stessi riferimenti delle superfici della prima piastrina 2, dato che, come indicato, tale prima piastrina 2 è il risultato del taglio della prima fetta 30).

Si forma inoltre la membrana 10, sospesa al di sopra della prima cavità di sensore 11; la membrana 10 risulta così delimitata inferiormente dalla prima cavità di sensore 11 ed affacciata alla prima superficie 2a. Se l’applicazione lo prevede, nella membrana 10 possono essere realizzati componenti elettronici 37, ad esempio piezoresistori, tramite fasi di diffusione o impianto di specie ioniche droganti, in modo noto e qui non mostrato. Inoltre, in modo per sé noto, al di sopra della prima superficie 2a della prima fetta 30 possono essere realizzate interconnessioni elettriche, anch’esse non illustrate.

Secondo un aspetto particolare della presente soluzione, durante le fasi di processo che portano alla formazione della prima cavità di sensore 11, si formano inoltre le cavità di sospensione 21 degli elementi di supporto 20, lateralmente rispetto alla membrana 10, nuovamente utilizzando lo stesso procedimento descritto in precedenza.

In seguito, vengono formate le piazzole di contatto 17 al di sopra della prima superficie 2a, in corrispondenza delle cavità di sospensione (e di quella che sarà successivamente la base 22 degli elementi di supporto 20), ad esempio per deposizione di materiale, ad esempio un metallo quale stagno, oro o rame.

Quindi, figura 3E, utilizzando uno strato di mascheratura, qui non mostrato, viene eseguito un attacco profondo del silicio fino a raggiungere la seconda cavità di sensore 13, formando la trincea 15, esterna e circondante la membrana 10.

Vantaggiosamente, in questa fase del processo, viene eseguito un ulteriore attacco, a partire dalla prima superficie 2a fino a raggiungere la cavità di sospensione 21 degli elementi di supporto 20, per realizzare la trincea di sospensione 24, che definisce la rispettiva base 22 ed il rispettivo braccio flessibile 23.

Successivamente, figura 3F, sulle piazzole di contatto 17 vengono formate le regioni conduttive 18, ad esempio di pasta saldante; inoltre, lateralmente alla porzione attiva 2', viene formata la regione di accoppiamento 16, di materiale polimerico o, come nell’esempio, a base di paste vetrose (glass-frit).

In questa fase (o, eventualmente, in una fase precedente del procedimento) viene inoltre realizzato il canale di accesso 15', a partire dalla seconda superficie 2b della prima fetta 30, fino a raggiungere la seconda cavità di sensore 13.

In seguito, una seconda fetta 39 di materiale semiconduttore, in particolare silicio, viene accoppiata meccanicamente ed elettricamente alla prima fetta 30, ad esempio applicando una opportuna pressione ad una elevata temperatura operativa.

Nella seconda fetta 39, destinata, in seguito all’operazione di taglio, alla definizione della seconda piastrina 6 del dispositivo integrato 1, è stato precedentemente realizzato il circuito elettronico ASIC 7, in corrispondenza della rispettiva prima superficie 6a, destinata all’accoppiamento con la prima fetta 30. Sulla stessa prima superficie 6a sono state inoltre realizzate rispettive piazzole di contatto 17, destinate all’accoppiamento con le piazzole di contatto 17 portate dagli elementi di supporto 20.

In particolare, la suddetta operazione di accoppiamento prevede, in una stessa fase, l’adesione della regione di accoppiamento 16 alle superfici affacciate della prima e della seconda fetta 30, 39, ed inoltre l’adesione delle regioni conduttive 18 alle piazzole di contatto 17 portate dalla prima e dalla seconda fetta 30, 39.

Come discusso in precedenza, vantaggiosamente, in questa fase del procedimento, le caratteristiche di elasticità degli elementi di supporto 20 consentono di realizzare i collegamenti meccanici ed elettrici in maniera più accurata ed affidabile.

La seconda fetta 39 costituisce così un cappuccio di protezione per la struttura di rilevamento micromeccanica 4, e vengono inoltre definite le connessioni elettriche tra la stessa struttura di rilevamento micromeccanica 4 ed il circuito elettronico ASIC 7.

Si noti che la regione di accoppiamento 16 costituisce inoltre uno spaziatore fra la prima superficie 2a della prima fetta 30 e l’affacciata prima superficie 6a della seconda fetta 39, delimitando uno spazio vuoto tra le superfici di accoppiamento affacciate (tale spazio vuoto consente alle onde di pressione la deformazione della membrana 10 della struttura micromeccanica di rilevamento 4).

Con riferimento alla figura 4 viene ora descritta una ulteriore forma di realizzazione del dispositivo integrato, nuovamente indicato con 1.

La struttura di rilevamento micromeccanica 4 realizza in questo caso nella prima piastrina 2 un sensore inerziale (ad esempio un accelerometro o un giroscopio), comprendente una massa inerziale 42, sospesa al di sopra di una prima cavità di sensore, indicata nuovamente con 11.

La massa inerziale 42 presenta una pluralità di fori passanti 43, che vengono utilizzati, durante il procedimento di fabbricazione per il rilascio da un sottostante substrato 44, mediante rimozione di uno strato sacrificale.

In maniera non illustrata in dettaglio, la massa inerziale 42 è ancorata lateralmente allo stesso substrato 44, e sono inoltre previsti elementi di contatto elettrico accoppiati alla massa inerziale 42, in corrispondenza dei suoi ancoraggi al substrato 44.

Sulla faccia superiore 2a della prima piastrina 2 sono presenti le piazzole di contatto 17, lateralmente a distanza rispetto alla massa inerziale 42, ed inoltre, esternamente rispetto alla massa inerziale 42 ed alle piazzole di contatto 17, è presente la regione di accoppiamento 16, che anche in questo caso presente una conformazione ad anello, ad esempio quadrato.

In particolare, in questa forma di realizzazione, gli elementi di supporto 20 sono realizzati nella seconda piastrina 6 (che nuovamente integra il circuito elettronico ASIC 7), in corrispondenza della relativa prima superficie 6a, anziché essere realizzati nella prima piastrina 2.

In particolare, la cavità di sospensione 21 degli elementi di supporto 20 è in tal caso realizzata in corrispondenza della prima superficie 6a della seconda piastrina 6, e la trincea di sospensione 24, che circonda la base 22 ed il rispettivo braccio flessibile 23, si estende a partire dalla stessa prima superficie 6a della seconda piastrina 6 fino alla cavità di sospensione 21.

Come mostrato nella vista in pianta di figura 5, gli elementi di supporto 20 sono in questo caso disposti in maniera allineata lungo il primo asse orizzontale y del piano orizzontale xy, lateralmente rispetto alla massa inerziale 42.

Anche in questa forma di realizzazione, le piazzole di contatto 17 portate dagli elementi di supporto 20 sono tutte disposte internamente rispetto alla regione di accoppiamento 16, disposta ad anello intorno alla massa inerziale 42.

Il procedimento di realizzazione prevede in questo caso, figura 6A, dapprima la realizzazione delle cavità di sospensione 21 all’interno di una porzione superficiale della seconda fetta 39 (dal cui taglio avrà origine la seconda piastrina 6), ad esempio con le stesse modalità discusse in precedenza (e come descritto in dettaglio nel suddetto brevetto EP 1 577 656).

Quindi, figura 6B, vengono realizzate opportune fasi di processo (di tipo per sé noto, qui non descritte in dettaglio) per la realizzazione del circuito elettronico ASIC 7 in corrispondenza della prima superficie 6a della seconda fetta 39.

Vengono inoltre formate le piazzole di contatto 17 sulla prima superficie 6a, verticalmente in corrispondenza delle cavità di sospensione 21 (e di quella che sarà la base 22 degli elementi di supporto 20), ad esempio per deposizione di materiale, ad esempio un metallo quale stagno, oro, o rame.

In seguito, figura 6C, viene eseguito un attacco a partire dalla prima superficie 6a fino a raggiungere la cavità di sospensione 21, per realizzare la trincea di sospensione 24, che definisce la base 22 ed il braccio flessibile 23 degli elementi di supporto 20.

Successivamente, figura 6D, sulle piazzole di contatto 17 vengono formate le regioni conduttive 18, ad esempio di pasta saldante; inoltre, viene formata la regione di accoppiamento 16, di materiale polimerico o, come nell’esempio, a base di paste vetrose (glass-frit).

In seguito, la prima fetta 30 (in cui è stata realizzata in modo di per sé noto la struttura di rilevamento micromeccanica 4) viene accoppiata alla seconda fetta 39 meccanicamente ed elettricamente, come discusso in precedenza (in particolare, con l’accoppiamento meccanico tramite la regione di accoppiamento 16 che avviene in maniera sostanzialmente contestuale con l’accoppiamento elettrico mediante le piazzole di contatto 17 e le regioni conduttive 18). Anche in questo caso, vantaggiosamente, la flessibilità degli elementi di supporto 20 consente di adattarsi alla eventuale mancanza di uniformità di spessore della regione di accoppiamento 16.

In maniera non illustrata, il procedimento termina, con il taglio delle fette 30, 39, per la definizione della prima e della seconda piastrina 2, 6 del dispositivo integrato 1.

La presente Richiedente ha effettuato numerosi test e simulazioni, per verificare l’efficacia della soluzione descritta.

In particolare, la figura 7 mostra una rappresentazione schematica di un elemento di supporto 20, in cui si indica con L la lunghezza (estensione principale nel piano orizzontale xy) del braccio flessibile 23; nella stessa figura 7 si mostrano inoltre la base 22 e la piazzola di contatto 17 realizzata sulla stessa base 22.

La figura 8 mostra un grafico che riporta lo stress massimo agente sul braccio flessibile 23 in funzione della lunghezza L, nell’ipotesi in cui la deformazione applicata lungo l’asse verticale z sia pari a 5 µm (linea continua) o a 10 µm (linea tratteggiata).

Considerando che il silicio è generalmente in grado di sopportare stress dell’ordine dei 4000 MPa, è evidente come la struttura proposta sia in grado di operare in sicurezza, in tutto l’intervallo operativo mostrato dai suddetti grafici. In particolare, nell’esempio illustrato, può risultare vantaggioso dimensionare il braccio flessibile 23 in modo che la sua lunghezza L sia compresa nell’intervallo tra 100 e 150 µm.

I vantaggi della soluzione proposta emergono in maniera evidente dalla descrizione precedente.

In ogni caso, si sottolinea nuovamente che la soluzione di accoppiamento che è stata descritta consente in generale di usufruire della semplicità e dell’economicità dell’accoppiamento meccanico tramite una regione di accoppiamento non conduttiva (cosiddetta “dummy”), ad esempio di pasta vetrosa, al contempo fornendo una soluzione altrettanto vantaggiosa per l’accoppiamento elettrico, per il tramite degli elementi di supporto, flessibili, che portano le piazzole di contatto elettrico.

In particolare, l’elasticità di tali elementi di supporto consente vantaggiosamente di compensare le possibili variazioni di spessore della regione di accoppiamento meccanico, non uniformità di spessore delle piastrine accoppiate o di strati realizzati sulla loro superfici, o imbarcamenti o deformazioni, garantendo in ogni situazione un corretto contatto elettrico.

In generale, la soluzione descritta consente un risparmio nell’occupazione di area ed una riduzione dei costi di realizzazione.

Il dispositivo integrato 1 può vantaggiosamente essere impiegato in un apparecchio elettronico 50, come illustrato schematicamente in figura 9.

L’apparecchio elettronico 50 comprende, oltre al dispositivo integrato 1, un’unità a microprocessore 51, un blocco di memoria 52, collegato all’unità a microprocessore 51, ed un’interfaccia di ingresso/uscita 53, anch’essa collegata all’unità a microprocessore 51. Inoltre, può essere presente un altoparlante 54, per generare un suono su un’uscita audio (non mostrata) dell’apparecchio elettronico 50.

L’apparecchio elettronico 50 è ad esempio un dispositivo di comunicazione mobile (uno smartphone, un tablet, un telefono cellulare, un PDA - Personal Digital Assistant, un notebook, o simile) o un apparecchio di misura utilizzabile in campo automobilistico o in campo industriale.

Risulta infine chiaro che a quanto qui descritto ed illustrato possono essere apportate modifiche e varianti, senza per questo uscire dall’ambito di protezione della presente invenzione, come definito nelle rivendicazioni allegate.

In particolare, una differente forma di realizzazione potrebbe prevedere l’accoppiamento di una prima piastrina 2, in cui è nuovamente realizzata una struttura di rilevamento micromeccanica con una seconda piastrina 6, di tipo “dummy”, ovvero priva di elementi circuitali o elementi funzionali/strutturali. Tale seconda piastrina 6 potrebbe avere semplici funzioni di instradamento dei segnali elettrici provenienti dalla struttura di rilevamento micromeccanica 4 verso l’esterno del dispositivo integrato 1.

In alternativa, sia la prima piastrina 2 sia la seconda piastrina 6 potrebbero integrare una rispettiva struttura micromeccanica, di tipo MEMS, oppure integrare entrambe un rispettivo circuito elettronico ASIC.

Come evidenziato in precedenza, la regione di accoppiamento 16 potrebbe essere realizzata mediante differenti materiali (diversi dalla pasta vetrosa), di tipo non conduttivo.

Secondo una ulteriore forma di realizzazione, sia la prima piastrina 2 che la seconda piastrina 6 potrebbero essere dotate di rispettivi elementi di contatto, di tipo flessibile, per assicurare una ancora maggiore adattabilità alle variazioni di spessore della regione di accoppiamento 16.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Dispositivo integrato (1), comprendente: una prima piastrina (2); una seconda piastrina (6) accoppiata in modo impilato alla prima piastrina (2) lungo un asse verticale (z); una regione di accoppiamento (16) interposta tra superfici di affaccio (2a, 6a) della prima (2) e della seconda (6) piastrina, tra loro affacciate lungo l’asse verticale (z) e giacenti in un piano orizzontale (xy) ortogonale a detto asse verticale (z), per l’accoppiamento meccanico di dette prima (2) e seconda (6) piastrina; elementi di contatto elettrico (17) portati dalle superfici affacciate (2a, 6a) della prima (2) e della seconda (6) piastrina, a coppie allineati lungo l’asse verticale (z); e regioni conduttive (18) interposte tra le coppie di detti elementi di contatto elettrico (17) portati dalle superfici di affaccio (2a, 6a) della prima (2) e della seconda piastrina (6), per l’accoppiamento elettrico di dette prima (2) e seconda (6) piastrina, caratterizzato dal fatto di comprendere elementi di supporto (20), disposti in corrispondenza della superficie di affaccio (2a; 6a) di almeno una tra la prima (2) e la seconda (6) piastrina e configurati in modo da supportare elasticamente rispettivi elementi di contatto elettrico.
2. Dispositivo secondo la rivendicazione 1, in cui detti elementi di supporto (20) sono flessibili e configurati in modo da subire deformazioni lungo detto asse verticale (z).
3. Dispositivo secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui ciascuno di detti elementi di supporto (20) si estende a sbalzo al di sopra di una rispettiva cavità di sospensione (21) realizzata in corrispondenza della superficie di affaccio (2a; 6a) di detta almeno una tra la prima (2) e la seconda (6) piastrina e comprende: una porzione di base (22), sospesa al di sopra di detta cavità di sospensione (21) e portante il rispettivo elemento di contatto elettrico (17); ed un braccio flessibile (23), che collega elasticamente detta porzione di base (22) ad una porzione di corpo di detta almeno una tra la prima (2) e la seconda (6) piastrina.
4. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detti elementi di supporto (20) sono allineati lungo un primo asse orizzontale (y) di detto piano orizzontale (xy), lateralmente a distanza rispetto ad una porzione attiva di detta almeno una tra la prima (2) e la seconda piastrina (6), integrante una struttura di rilevamento micromeccanica (4) o un circuito elettronico (7).
5. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detta regione di accoppiamento (16) è realizzata con un materiale non conduttivo.
6. Dispositivo secondo la rivendicazione 5, in cui detta regione di accoppiamento (16) è realizzata di pasta vetrosa, “glass frit”.
7. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detta regione di accoppiamento (16) ha una conformazione ad anello, e detti elementi di supporto (20) sono disposti internamente a detta regione di accoppiamento (16) in detto piano orizzontale (xy).
8. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detta prima piastrina (2) integra una struttura di rilevamento micromeccanica (4) comprendente almeno una prima cavità di sensore (11); e detta seconda piastrina (6) integra un circuito elettronico (7) elettricamente accoppiato a detta struttura di rilevamento micromeccanica (4) mediante detti elementi di contatto elettrico (17) e dette regioni conduttive (18).
9. Dispositivo secondo la rivendicazione 8, in cui detta struttura di rilevamento micromeccanica (4) comprende una membrana (10) sospesa al di sopra di detta prima cavità di sensore (11); ed in cui detti elementi di supporto (20) sono disposti in corrispondenza della superficie di affaccio (2a) di detta prima piastrina (2), lateralmente a distanza rispetto a detta membrana (10) in detto piano orizzontale (xy).
10. Dispositivo secondo la rivendicazione 9, in cui detta struttura di rilevamento micromeccanica (10) comprende inoltre una seconda cavità di sensore (13), ed in cui detta membrana (10) e detta prima cavità di sensore (11) sono integrate in una porzione attiva (2') di detta prima piastrina (2), sospesa al di sopra di detta seconda cavità di sensore (13) e accoppiata elasticamente ad una porzione di corpo di detta prima piastrina (2) mediante elementi elastici di sospensione (14), detta porzione attiva (2') essendo circondata da una trincea di sospensione (15) che si estende a partire da detta prima superficie (2a) fino a detta seconda cavità sepolta (13).
11. Dispositivo secondo la rivendicazione 8, in cui detto circuito elettronico (7) è integrato in una porzione superficiale di detta seconda piastrina (6); ed in cui detti elementi di supporto (20) sono disposti in corrispondenza della superficie di affaccio (6a) di detta seconda piastrina (6), lateralmente a distanza rispetto a detta porzione superficiale in detto piano orizzontale (xy).
12. Apparecchio elettronico (50), comprendente il dispositivo integrato (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, ed un’unità a microprocessore (51) operativamente accoppiata a detto dispositivo integrato (1).
13. Procedimento di fabbricazione di un dispositivo integrato (1) comprendente: predisporre una prima fetta (30); predisporre una seconda fetta (39); accoppiare meccanicamente detta seconda fetta (39) alla prima fetta (30) in modo impilato lungo un asse verticale (z), mediante una regione di accoppiamento (16) interposta tra superfici di affaccio (2a, 6a) della prima (30) e della seconda (39) fetta, tra loro affacciate lungo l’asse verticale (z) e giacenti in un piano orizzontale (xy) ortogonale a detto asse verticale (z); accoppiare elettricamente detta seconda fetta (39) alla prima fetta (30) mediante elementi di contatto elettrico (17) portati dalle superfici affacciate (2a, 6a) della prima (30) e della seconda (39) fetta, a coppie allineati lungo l’asse verticale (z), e regioni conduttive (18) interposte tra le coppie di detti elementi di contatto elettrico (17), caratterizzato dal fatto di comprendere la fase di realizzare elementi di supporto (20), disposti in corrispondenza della superficie di affaccio (2a; 6a) di almeno una tra la prima (30) e la seconda (39) fetta e configurati in modo da supportare elasticamente rispettivi elementi di contatto elettrico (17).
14. Procedimento secondo la rivendicazione 13, in cui le fasi di accoppiare meccanicamente ed accoppiare elettricamente comprendono una fase comune di accoppiamento per termocompressione di dette prima (30) e seconda (39) fetta.
15. Procedimento secondo la rivendicazione 14, in cui in cui detta regione di accoppiamento (16) è realizzata con un materiale non conduttivo, quale la pasta vetrosa, “glassfrit”.
16. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 13-15, in cui la fase di realizzare ciascuno di detti elementi di supporto (20) comprende formare una cavità di sospensione (21) sepolta in detta almeno una tra la prima (30) e la seconda (39) fetta in corrispondenza della superficie di affaccio (2a; 6a); e realizzare una trincea di sospensione (24) a partire da detta superficie di affaccio (2a; 6a) fino a detta cavità di sospensione (21), in modo da definire una porzione di base (22) di detto elemento di supporto (20), sospesa al di sopra di detta cavità di sospensione (21); ed un braccio flessibile (23), che collega elasticamente detta porzione di base (22) ad una porzione di corpo di detta almeno una tra la prima (30) e la seconda (39) fetta; ed in cui la fase di accoppiare elettricamente comprende formare rispettivi elementi di contatto elettrico (17) sulle porzioni di base (22) di detti elementi di supporto (20).
17. Procedimento secondo la rivendicazione 16, in cui la fase di predisporre detta prima fetta (30) comprende realizzare una struttura di rilevamento micromeccanica (4), in cui realizzare detta struttura di rilevamento micromeccanica (4) comprende formare una prima cavità di sensore (11) sepolta in detta prima fetta (30), separata da detta superficie di affaccio (2a) da una membrana (10); ed in cui la fase di formare detta cavità di sospensione (21) è eseguita in uno stesso processo con la fase di formare detta prima cavità di sensore (11).
18. Procedimento secondo la rivendicazione 17, in cui la fase di realizzare detti elementi di supporto (20) comprende formare detti elementi di supporto (20) lateralmente a distanza da detta membrana (10), internamente a detta regione di accoppiamento, in detto piano orizzontale (xy).
19. Procedimento secondo la rivendicazione 16, in cui la fase di predisporre detta seconda fetta (39) comprende formare un circuito elettronico (7) in una porzione superficiale di detta seconda fetta (39); ed in cui la fase di formare detta cavità di sospensione (21) comprende formare detta cavità di sospensione (21) sepolta in detta seconda fetta (39) in corrispondenza della superficie di affaccio (6a), lateralmente a distanza rispetto a detta porzione superficiale in detto piano orizzontale (xy).