ITTO20010086A1 - Procedimento per sigillare e connettere parti di microsistemi elettromeccanici, fluidi, ottici e dispositivo cosi' ottenuto. - Google Patents

Procedimento per sigillare e connettere parti di microsistemi elettromeccanici, fluidi, ottici e dispositivo cosi' ottenuto. Download PDF

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electromechanical
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Ubaldo Mastromatteo
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St Microelectronics Srl
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Description

D E S C R I Z I O N E
del brevetto per invenzione industriale
La presente invenzione è relativa ad un procedimen-to per sigillare e connettere parti di microsistemi elettromeccanici, fluidici, ottici e ad un dispositivo così ottenuto.
Sono note diverse soluzioni per connettere fra di loro dispositivi formati in piastrine ("chip") diverse. Una soluzione nota (indicata come "flip chip") prevede la connessione di due o più piastrine, montate su una stessa scheda a circuito stampato, tramite connessioni formate dallo stesso circuito stampato. In un'altra soluzione, indicata come "chip-to-chip wire bonding" due o più piastrine sono collegate elettricamente tramite fili volanti estendentesi fra coppie di piastrine; in un'al-tra soluzione ancora, indicata come "chip-on-chip wire bonding", una prima piastrina è montata su una seconda piastrina, generalmente dì dimensioni maggiori, e le due piastrine sono collegate elettricamente tramite fili volanti.
D'altra parte, è sempre più sentita la necessità di un processo di saldatura e sigillatura tra parti di uno stesso microsistema, dato che l'aumentare della complessità dei sistemi impone la realizzazione delle singole parti dello stesso dispositivo in fette diverse.
Scopo della presente invenzione è quello di mettere a disposizione un procedimento che consenta di connettere e sigillare parti di un dispositivo formate su fette diverse .
Secondo la presente invenzione viene realizzato un procedimento per connettere due corpi costituenti parti di un microsistema elettromeccanico, fluidico ed ottico, caratterizzato dal fatto di comprendere le fasi di:
formare, su un primo corpo, almeno una regione elettricamente conduttrice avente una prima altezza;
formare, su detto primo corpo, almeno una regione spaziatrice, in prossimità di detta regione elettricamente conduttrice, detta regione spaziatrice avendo una seconda altezza, inferiore a detta prima altezza;
formare, su un secondo corpo, almeno una regione di saldatura;
ribaltare uno di detti primo e secondo corpo sull'altro di detti primo e secondo corpo;
saldare detta regione elettricamente conduttrice a detta regione di saldatura, facendo rifluire e collassae detta regione elettricamente conduttrice in modo che detta prima altezza diventi pari a detta seconda altezza.
Inoltre, secondo l'invenzione, viene realizzato un dispositivo formante un microsistema elettromeccanico, fluidico ed ottico formato da almeno un primo ed un se-condo corpo saldati fra loro tramite una struttura di connessione meccanica ed elettrica, caratterizzato dal fatto che detta struttura di connessione meccanica ed elettrica comprende una regione elettricamente conduttrice saldata fra detti due corpi ed una regione spaziatrice disposta in prossimità di detta regione elettrica-mente conduttrice e circondante una regione attiva di detto microsistema elettromeccanico.
Per una migliore comprensione della presente inven-zione, 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 sezione trasversale di un dispositivo formato su due fette, prima del loro incollaggio con il procedimento secondo l'invenzione;
- la figura 2 mostra il dispositivo di figura 1·, dopo l'incollaggio;
- la figura 3 mostra una vista prospettica, sezionata, del dispositivo di figura 3;
- la figura 4 mostra una sezione trasversale di una struttura di connessione secondo l'invenzione durante 1'autoallineamento di due parti;
- la figura 5 mostra la sezione trasversale di figura 4, dopo l'incollaggio delle due parti;
- la figura 6 mostra una sezione trasversale di un dispositivo di tipo ottico formato in due fette incolla-te con procedimento secondo l'invenzione; e
- la figura 7 mostra una vista dall'alto su una delle due fette di figura 6.
La figura 1 mostra un dettaglio di un dispositivo 1 costituente un microsistema elettromeccanico integrato e formato da due parti, e precisamente una prima parte formata in una prima fetta 2 ed una seconda parte formata in una seconda fetta 3. Delle due fette 2, 3 è mo-strata solo una porzione in cui è formata una struttura di connessione meccanica ed elettrica 4 secondo l'inven-zione .
In dettaglio, la prima fetta 2 comprende un primo strato isolante 5 avente una superficie 5a ed alloggien-te una prima linea di connessione 6 collegata con la su-perficie 5a dello strato isolante 5 tramite una prima via 7 ed una prima piazzola di contatto 8. Al di sopra della superficie 5a del primo strato isolante 5 si estende una prima regione di metallizzazione 9 sovrapposta e in contatto elettrico diretto con la prima piazzola di contatto 8.
La seconda fetta 3 comprende un secondo strato isolante 13 avente una superficie 13a ed alloggiente una seconda linea di connessione 14 collegata con la superficie 13a del secondo strato isolante 13 tramite una se-conda via 15 ed una seconda piazzola di contatto 16. Al di sopra della superficie 13a del secondo strato isolante 13 si estende una seconda regione di metallizzazione 19 sovrapposta e in contatto elettrico diretto con la seconda piazzola di contatto 16.
Inoltre, sopra la superficie 13a del secondo strato isolante 13 si estendono una regione di "plug" 20 e re-gioni spaziatrici 21. In dettaglio, la regione di "plug" 20 è formata al di sopra e in contatto elettrico diretto con la seconda regione di metallizzazione 19 e presenta altezza maggiore rispetto alle regioni spaziatrici 21. La regione di "plug" 20 ha lo scopo di connettere elettricamente la prima e la seconda regione di metallizzazione 9, 19 e deve rifluire durante la fase di incollag-gio ("bonding") delle due fette 2, 3. A tale scopo, il materiale della regione di "plug" 20 deve potere riflui-re a temperatura sufficientemente bassa e in atmosfera inerte, riducente o sotto vuoto. Ad esempio, il materiale della regione di "plug" 20 è un eutettico bassofondente formato da strati alternati (tipicamente di oro e di stagno) per un'altezza complessiva di ad esempio 10 μm.
Le regioni spaziatrici 21 hanno la funzione di di-stanziare le fette 2, 3 dopo l'incollaggio, di sigillare eventuali parti attive o micromeccaniche e di confinare la regione di "plug" 20. A tale scopo, le regioni spa-ziatrici 21 sono realizzate preferibilmente di materiale dielettrico con caratteristiche tali da resistere alla temperatura di incollaggio, essere perfettamente plana-re, essere isolante elettrico per poter attraversare eventuali regioni di metallizzazione senza creare corto-circuiti. Ad esempio, le regioni spaziatrici 21 possono essere fatte di polimeri "spinnati" come il materiale noto con la sigla SU8 (Shell Upon 8), prodotto dalla SOTEC MICROSYSTEMS, o poliimmide, di strati di <' >polimeri laminati come i fogli adesivi ("stick foils") fotosensi-bili, quali il Riston, oppure strati di ossinitruri de-posti a bassa temperatura.
Le regioni spaziatrici 21 possono fare parte di una unica regione presentante un'apertura formante una cavi-tà di confinamento 22 in corrispondenza della regione di "plug" 20 oppure essere due regioni distinte adiacenti delimitanti fra loro la cavità di confinamento 22; in entrambi i casi, il volume della cavità di confinamento 22 deve essere maggiore di quello della regione di "plug" 20 in modo da consentire il collasso della regione di "plug" 20 stessa durante l'incollaggio così che le forze di adesione dell'eutettico al metallo delle regioni di metallizzazione 9, 19 e le forze di coesione del-l'eutettico garantiscano una sigillatura stabile della cavità di confinamento 22.
Le due fette 2, 3 vengono fabbricate in modo noto, a seconda dei dispositivi che si vogliono realizzare. In particolare, su entrambe le superfici 5a e 13a degli strati isolanti 5 e 13 vengono formate le regioni di me-tallizzazione 9, 19, ad esempio di titanio, nichel o oro. Quindi, mediante opportune fasi di deposizione e mascheratura di per sé note, su una delle due fette, quella più conveniente dal punto di vista del processo (nell'esempio mostrato in figura 1, la seconda fetta 3), vengono realizzate dapprima le regioni spaziatrici 21 e quindi la regione di "plug" 20.
L'incollaggio avviene quindi avvicinando le due fette 2, 3 e applicando una leggera pressione a bassa temperatura (ad esempio 200°C) in modo da provocare un debole "bonding" della regione di "plug" 20 che aderisce alla prima regione di metallizzazione 9, in misura suf-ficiente ad immobilizzare le due parti. Aumentando poi la temperatura a quella di fusione ("reflow") del materiale della regione di "plug" 20 (ad esempio fino a 300°C), si ottiene il collasso della stessa. Di conseguenza, la superficie 5a del primo strato isolante 5 ap-partenente alla prima fetta 2 viene portata a contatto con le regioni spaziatrici 21, la cui altezza determina quindi la spaziatura fra le due fette 2, 3, come mostra-to in figura 2.
Al termine, la prima regione di connessione 6 è collegata elettricamente alla seconda regione di connessione 14; la regione di "plug" 20 è confinata all'inter-no della cavità di confinamento 22. Di conseguenza, la regione di "plug" 20 e le regioni spaziatrici 21 formano la struttura di connessione meccanica ed elettrica 4.
Grazie alla struttura di connessione meccanica ed elettrica 4 sopra descritta, è possibile sigillare ri-spetto all'esterno una parte attiva di un dispositivo elettronico e/o una struttura micromeccanica, come mo-strato in figura 3, nella quale una prima fetta 25 comprende un substrato 26 di materiale semiconduttore, ad esempio silicio, sovrastato parzialmente da uno strato di ossido di silicio 27, rimosso in una porzione centrale, a sua volta sovrastato da uno strato epitassiale 28 la cui porzione centrale definisce una microstruttura 29 che è sospesa tramite bracci non mostrati. Nella zona periferica, al di sopra di uno strato isolante non mostrato, nel quale sono formate linee di connessione, pure non mostrate, è presente una regione spaziatrice 21 che circonda completamente la microstruttura 29 (come mostrato solo per metà del dispositivo, l'altra metà essendo simmetrica alla metà mostrata in figura 3). La regione spaziatrice 21 forma inoltre due cavità di confi-namento 22 all'interno delle quali sono presenti due re-gioni di "plug" 20. Una seconda fetta 30 (mostrata in trasparenza) si estende al di sopra della prima fetta 25, a contatto con la regione spaziatrice 21 e le regioni di "plug" 20; in particolare, la seconda fetta 30 comprende regioni di metallizzazione 31 estendentisi al di sopra di e in contatto elettrico diretto con le re-gioni di "plug" 20, nonché linee di connessione elettrica (pure non mostrate) collegate alle regioni di metal-lizzazione .
Configurando opportunamente la regione di "plug" 20 in modo che questa circondi completamente parti attive o micromeccaniche, è possibile garantire una perfetta sigillatura (anche sottovuoto o in ambiente controllato) di tali parti.
La struttura di connessione meccanica ed elettrica 4 descritta consente 1'autoallineamento fra due fette durante l'incollaggio, come mostrato nelle figure 4 e 5. Infatti, quando l'eutettico viene fuso, esso è liquido; in questa condizione, da un lato si generano forze di adesione fra il materiale eutettico delle regioni di "plug" 20 e le rispettive prime regioni di metallizzazione 9 e, dall'altro lato, la tensione superficiale del liquido tende a portarlo in una condizione di minimo volume. Spstando lateralmente una delle due fette 2, 3 ri-spetto all'altra, come mostrato dalla freccia in figura 5, le regioni di "plug" 20 tendono automaticamentead as-sumere una forma all'incirca parallelepipeda (o cilindrica, se le prime e seconde regioni di metallizzazione 9, 19, sono circolari) ad asse verticale, ovvero con le regioni di metallizzazione 9, 19 reciprocamente allinea-te.
Con la presente struttura di connessione meccanica ed elettrica 4 descritta è possibile ottenere un alli-neamento ottico fra diverse parti nel caso di dispositivi ottici (cosiddetti MOEMS, dall'inglese MicroOpticalE-lectroMechanical Systems), come mostrato nelle figure 6 e 7.
In dettaglio, le figure 6 e 7 mostrano un modulo ottico formato da un primo corpo 35 di vetro (quarzo) portante, su una sua superficie inferiore 35a, uno spec-chio 36 e una lente diffrattiva 48 e, su una sua superficie superiore 35b, una pluralità di strutture di connessione meccanica ed elettrica 37 secondo l'invenzione.
Ciascuna struttura di connessione meccanica ed elettrica 41 comprende, analogamente a quanto sopra descritto, una regione di "plug" 38 estendentesi in una cavità di confinamento 40 formata da regioni spaziatrici 39. Nell'esempio illustrato, sulla superficie superiore 35b del primo corpo 35 sono formate prime regioni di metallizzazione 37 che si estendono lateralmente a partire da rispettive regioni di "plug" 38 passando al di sotto delle regioni spaziatrici 39 che le circondano fino ad zone esterne accessibili, in modo da connettere elettricamente ciascuna regione di "plug" 38 con l'esterno. Sulla superficie superiore 35b del primo corpo 35 è inoltre presente una regione metallica 49 dello stesso materiale delle regioni di metallizzazione 37 e operante come specchio di allineamento.
Un secondo corpo 44, di dimensioni inferiori rispetto al primo corpo 35 e di silicio/germanio, porta, su una sua superficie inferiore 44a, seconde regioni di metallizzazione 45 destinate ad essere incollate ad altrettante regioni di "plug" 38 e collegate elettricamente a regioni di connessione elettrica 46. Inoltre, sulla superficie inferiore 44a del secondo corpo 44 è presente un diodo emettitore di luce 47, realizzato in modo noto.
Un terzo corpo 50, di dimensioni inferiori rispetto al primo corpo 35 e di materiale semiconduttore, forma un componente ottico e porta, su una sua superficie inferiore 50a, una terza regione di metallizzazione 51, con forma ad U, destinata ad essere incollate ad una regione di "plug" 38 di forma corrispondente (si veda la figura 7).
Il secondo corpo 44 deve essere incollato in modo da essere verticalmente allineato allo specchio 36; il terzo corpo 50 deve essere incollato in modo da essere verticalmente allineato alla lente diffrattiva 48.
L'incollaggio del secondo e del terzo corpo 44, 50 avviene nel modo sopra descritto.
Con la struttura di connessione meccanica ed elettrica secondo l'invenzione è dunque possibile collegare fra loro due fette o una fetta ed una piastrina garantendo la sigillatura della parte attiva o micromeccanica rispetto all'ambiente esterno. Inoltre, la presente struttura di connessione meccanica ed elettrica consente 1'autoallineamento fra le due parti da connettere, come sopra spiegato; consente la connessione elettrica fra le due parti e, nel caso di strutture ottiche, permette di ottenere un allineamento ottico.
Risulta infine chiaro che al procedimento e al dispositivo qui descritti ed illustrati possono essere apportate modifiche e varianti senza per questo uscire dall'ambito protettivo della presente invenzione. In particolare, si sottolinea il fatto che essi consentono la connessione anche solo meccanica fra due parti, qualora sia necessario connettere le due parti anche in punti in cui non è necessario avere connessioni elettriche. In questo caso, le regioni di metallizzazione su cui è formato o a cui vengono saldate le relativa regioni di "plug" possono non essere collegate elettricamente ad altre strutture. In alternativa, la connessione elettrica alle regioni di metallizzazione può essere ottenuta attraverso regioni dì interconnessione formate all'interno o al di sopra delle due parti, a seconda delle esigenze e del materiale di tali parti. L'isolamento delle regioni di "plug" all'interno di cavità di confinamento chiuse non è indispensabile, qualora non ci sia il rischio di contaminazione del materiale eutettico delle regioni di "plug".

Claims (21)

  1. R IV E N D ICA Z IO N I 1. Procedimento connettere due corpi costituenti parti di un microsistema elettromeccanico, fluidico ed ottico, caratterizzato dal fatto di comprendere le fasi di: formare, su un primo corpo (2; 44, 50), almeno una regione di saldatura (9; 45, 51); formare, su un secondo corpo (3; 35), almeno una regione elettricamente conduttrice (20; 38) avente una prima altezza; formare, su detto secondo corpo, almeno una regione spaziatrice (21; 39), in prossimità di detta regione elettricamente conduttrice, detta regione spaziatrice avendo una seconda altezza, inferiore a detta prima altezza; ribaltare uno di detti primo e secondo corpo sull'altro di detti primo e secondo corpo; saldare detta regione elettricamente conduttrice (20; 38) a detta regione di saldatura (9; 45, 51), facendo collassare e rifluire detta regione elettricamente conduttrice in modo che detta prima altezza diventi pari a detta seconda altezza.
  2. 2. Procedimento secondo la rivendicazione 1, in cui detta regione elettricamente conduttrice (20; 38) è fatta di un materiale eutettico basso-fondente.
  3. 3. Procedimento secondo la rivendicazione 2, in cui detto materiale eutettico basso-fondente è formato da strati alternati di oro e stagno.
  4. 4. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1-3, in cui detta regione spaziatrice (21; 39) è di materiale dielettrico.
  5. 5. Procedimento secondo la rivendicazione 4, in cui detto materiale dielettrico è scelto fra un polimero "spinnato", quale SU8, poliimmide, un materiale composito formato da strati di polimero laminati, quale uno stick foil fotosensibile, e ossinitruri.
  6. 6. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1-5, in cui detta fase di realizzare una regione spaziatrice (21; 39) comprende formare, in detta regione spaziatrice, una cavità di confinamento (22; 40) circondante detta regione elettricamente conduttrice (21; 38) e presentante volume maggiore di detta regione elettricamente conduttrice.
  7. 7. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1-6, in cui detta regione spaziatrice (21) circonda una regione attiva di detto microsistema elettromeccanico.
  8. 8. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1-7, comprendente inoltre la fase di realizzare almeno una regione di metallizzazione (19; 37) fra detto secondo corpo e detta regione elettricamente conduttrice (21; 38).
  9. 9. Procedimento secondo la rivendicazione 8, in cui detta regione di saldatura (9; 45) e detta regione di metallizzazione (19; 37) sono fatte di un materiale scelto fra titanio, oro e nichel.
  10. 10. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1-9, in cui detta fase di saldare detta regione elettricamente conduttrice (21; 38) viene eseguita ad una temperatura compresa fra 200 e 300°C.
  11. 11. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1-10, comprendente inoltre la fase di realizzare prime regioni di interconnessione elettrica (14-16;) in contatto elettrico con detta regione elettricamente conduttrice (21) e all'interno di detto secondo corpo.
  12. 12. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1-11, comprendente inoltre la fase di realizzare seconde regioni di interconnessione elettrica (6-8; 46) in contatto elettrico con detta regione di saldatura (9; 45, 51) e all'interno in detto primo corpo.
  13. 13. Dispositivo (1) formante un microsistema elettromeccanico, fluidico ed ottico formato da almeno un primo ed un secondo corpo (2, 39 saldati fra loro tramite una struttura di connessione meccanica ed elettrica (4; 41), caratterizzato dal fatto che detta struttura di connessione meccanica ed elettrica comprende una regione elettricamente conduttrice (20; 38) saldata fra detti primo e secondo corpo ed una regione spaziatrice (21; 39) disposta in prossimità di detta regione elettricamente conduttrice e circondante una regione attiva (29); 47) di detto microsistema elettromeccanico.
  14. 14. Dispositivo secondo la rivendicazione 13, in cui detta regione elettricamente conduttrice (20; 38) è fatta di un materiale eutettico basso-fondente.
  15. 15. Dispositivo secondo la rivendicazione 14, in cui detto materiale eutettico basso-fondente è formato da strati alternati di oro e stagno fusi.
  16. 16. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 13-15, in cui detta regione spaziatrice (21; 39) è di materiale dielettrico.
  17. 17. Dispositivo secondo la rivendicazione 16, in cui detto materiale dielettrico è scelto fra un polimero "spinnato", quale SU8, poliimmide, un materiale composito formato da strati di polimero laminati, quale uno stick foil fotosensibile, e ossinitruri.
  18. 18. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 13-17, in cui detta regione spaziatrice (21; 39) forma una cavità di confinamento (22; 40) circondante detta regione elettricamente conduttrice.
  19. 19. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 13-18, comprendente inoltre almeno una regione di metallizzazione (19; 37) estendentesi al di sopra di detto secondo corpo (3; 35) e al di sotto di detta regione elettricamente conduttrice (20; 38).
  20. 20. Dispositivo secondo la rivendicazione 19, in cui detta regione di saldatura (9; 45, 51) e detta re-gione di metallizzazione (19; 37) sono fatte di un mate-riale scelto fra titanio, oro e nichel.
  21. 21. Procedimento per connettere due corpi costi-tuenti parti di un microsistema elettromeccanico, fluidìco ed ottico e dispositivo così ottenuto, sostanzialmente come descritti con riferimento ai disegni allega-ti.
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