ITTO20110408A1 - Dispositivo elettronico mems comprendente una piastrina incollata ad un substrato e dotata di cavita' e relativo processo di fabbricazione - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

“DISPOSITIVO ELETTRONICO MEMS COMPRENDENTE UNA PIASTRINA INCOLLATA AD UN SUBSTRATO E DOTATA DI CAVITA' E RELATIVO PROCESSO DI FABBRICAZIONEâ€

La presente invenzione à ̈ relativa ad un dispositivo elettronico MEMS comprendente una piastrina incollata ad un substrato e dotata di cavità e al relativo processo di fabbricazione. In particolare, la presente invenzione si applica a sensori chimici di sostanze odorose.

Come à ̈ noto, nei dispositivi per il riconoscimento di sostanze odorose (quale quello descritto ad esempio in EP 2 204 641 dal titolo ″Microbilancia elettronica integrata, in particolare sensore chimico integrato per il rilevamento di sostanze odorose″) la piastrina di materiale semiconduttore alloggia una o più cavità che delimitano corrispondenti membrane su cui sono presenti, fra l’altro, rispettivi strati adsorbenti. Ciascuna membrana e il rispettivo strato adsorbente fanno parte di un circuito oscillante le cui caratteristiche elettriche variano con la massa dell’insieme membrana+strato adsorbente+eventuale materiale adsorbito, consentendo di rilevare la presenza ed eventualmente la quantità del materiale adsorbito.

Esistono varie tecniche per la realizzazione della membrana, alcune delle quali prevedono la formazione delle cavità estendentisi da un lato della piastrina. In questo caso, quando la piastrina viene incollata su un substrato, le cavità devono essere mantenute pulite senza contaminazione di colla o altro materiale.

Le figure 1-3 mostrano ad esempio una piastrina 1 fissata ad un substrato 10. La piastrina 1 à ̈ dotata di una pluralità di cavità 2, ciascuna delimitante superiormente una propria membrana 4 formata nello stesso materiale semiconduttore monolitico della piastrina 1. Nel caso in cui la piastrina 1 costituisca un sensore di sostanze odorose o in generale di un dispositivo di rilevamento di sostanze chimiche, ciascuna cavità può presentare ad esempio una larghezza di 250-300 µm e una profondità di 500 µm, e le cavità possono essere poste ad una distanza reciproca di 150-400 µm. In questo caso, la zona delle membrane costituisce una regione sensibile 5 e al di sopra delle membrane 3 sono formati elettrodi e altri strati sensibili, quali strati adsorbenti (non mostrati), mentre lateralmente alla zona sensibile 5 à ̈ presente una zona di circuiteria 6, mostrata solo schematicamente in figura 1, includente componenti elettronici, secondo quanto descritto ad esempio in EP 2204 641.

Uno strato o pellicola adesiva 7, ad esempio un ″die attach film″, à ̈ applicato al lato posteriore della piastrina 1, allo scopo di chiudere inferiormente le cavità 2 ed evitarne la contaminazione. La pellicola adesiva 7 può essere laminata sul retro e polimerizzata (“cured†) mediante un processo termico, in modo da sigillare e proteggere le cavità.

Uno strato di colla 8 fissa la piastrina 2, attraverso la pellicola adesiva 7, al substrato 10. Il substrato 10 può essere di qualunque tipo, ad esempio può essere formato da una scheda a circuito stampato, comprendente una regione di nucleo (″core″) 11 sovrastata da almeno uno strato conduttivo 12, tipicamente di rame, coperto da uno strato dielettrico 13, tipicamente uno strato di solder mask. Lo strato conduttivo 12 à ̈ sagomato in modo da formare regioni e connessioni conduttive, come mostrato ad esempio nella vista dall’alto di figura 2. Qui, lo strato conduttivo comprende una regione quadrangolare 12a di area leggermente maggiore di quella della piastrina, e regioni di connessione 12b.

Tale tipo di fissaggio comporta tuttavia dei problemi. Infatti, durante l’incollaggio, quando la struttura subisce trattamenti termici, ad esempio durante la fase di polimerizzazione della colla (eseguita tipicamente a 100-190°C), l’aria presente nelle cavità 2, non potendo uscire e aumentando di volume, esercita una pressione sulla pellicola adesiva 7 e lo strato di colla 8, che sono cedevoli. Si creano quindi dei rigonfiamenti che tendono a sollevare la piastrina e, soprattutto in presenza di disuniformità, possono provocare una rotazione (″tilt″) della piastrina 1 e una delaminazione dello strato di colla.

Questo problema fa sì che la resa del processo di assemblaggio sia bassa, anche inferiore al 50%.

Lo stesso problema esiste per altri tipi di dispositivi MEMS, dotati di cavità chiuse da strati di sigillatura di materiale cedevole e/o incollati su zone di materiale cedevole.

Scopo della presente invenzione à ̈ quindi fornire un dispositivo e un metodo che superino gli inconvenienti della tecnica nota.

Secondo la presente invenzione vengono realizzati un dispositivo elettronico e il relativo procedimento di fabbricazione, come definiti nelle rivendicazioni 1 e 12, rispettivamente.

In pratica, nel supporto, al di sotto della zona della piastrina in cui sono presenti le cavità, à ̈ presente una porzione ribassata che contiene parte della colla; durante i trattamenti termici la colla, essendo cedevole, consente l’espansione dell’aria presente nelle cavità all’interno della zona ribassata, evitando il sollevamento e/o la rotazione della piastrina rispetto al substrato. Tipicamente, la porzione ribassata à ̈ costituita da un recesso formato dagli strati superficiali del supporto. All’interno dello strato di colla possono inoltre essere presenti elementi spaziatori in modo da garantire che lo spessore del rigonfiamento sia sempre inferiore alla distanza fra la piastrina e il piano sottostante la piastrina stessa e da garantire la planarità della piastrina.

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 à ̈ una sezione trasversale attraverso una piastrina dotata di cavità e incollata ad un substrato;

- la figura 2 à ̈ una vista dall’alto del substrato di figura 1;

- la figura 3 mostra la piastrina di figura 1 in caso di inclinazione e delaminazione;

- la figura 4 mostra una sezione trasversale del presente dispositivo;

- la figura 5 una vista dall’alto del dispositivo di figura 4;

- la figura 6 mostra una sezione trasversale, presa lungo la linea di sezione VI-VI di fig. 5; e

- la figura 7 mostra un sensore chimico integrato per il rilevamento di sostanze odorose, inglobante il presente dispositivo.

Le figure 4-6 mostrano un dispositivo elettronico 20 includente una piastrina 21 fissata ad un substrato 22 attraverso uno strato di colla 40. La piastrina 21 ha cavità 23 estendentisi dalla superficie posteriore della piastrina 21 e delimitanti inferiormente membrane 24. Nel caso che il dispositivo elettronico 20 faccia parte di un sensore chimico, sulle membrane 24 possono essere previsti degli strati adsorbenti (non mostrati) di materiale tale da legarsi con la sostanza chimica di cui si vuole rivelare la presenza come descritto in dettaglio nella summenzionata pubblicazione EP 2 204 641. Ad esempio, gli strati adsorbenti possono contenere metallo-porfirine aventi affinità con le sostanze chimiche da rilevare e formano, insieme alle membrane 24, una zona sensibile 26. Per il resto, la piastrina 21 può comprendere una zona di circuiteria 25 includente componenti elettronici mostrati schematicamente in modo da formare, con la zona sensibile 26, un dispositivo di rilevamento di sostanze chimiche, ad esempio odorose.

Una pellicola adesiva 30 copre la superficie posteriore 21a della piastrina 21 e chiude inferiormente una o più cavità 23. La pellicola adesiva 30 può essere costituita da un ″die attach film″, ad esempio di materiale epossidico avente spessore di 10-50 µm, laminata sulla superficie posteriore 21a.

Il substrato 22 comprende uno strato di base 33 avente una superficie 33a coperta da uno strato conduttivo 34 e da uno strato protettivo 35, ad esempio di materiale isolante, sovrapposto allo strato conduttivo. Ad esempio, il substrato 22 può essere formato da una scheda a circuito stampato, e in questo caso lo strato di base 33 può essere uno strato di nucleo, lo strato conduttivo 34 può essere uno strato di materiale metallico quale rame e lo strato protettivo 35 può essere uno strato di solder mask. Lo strato di nucleo 33 à ̈ formato ad materiale organico, ad esempio BT (bis-malesimide triazina), resina epossidica, FR-4 (Flame Retardant 4), LCP (Liquid Crystal Polymer) o poliimmide.

Nell’esempio mostrato, parte dello strato conduttivo 34 e parte dello strato protettivo 35 sono rimossi in modo da formare un recesso 45 estendentesi almeno al di sotto della zona della o delle cavità 23, come mostrato in figura 4, ed avente area inferiore all’area della piastrina 21, in vista dall’alto. In pratica, qui lo strato conduttivo 34 à ̈ sagomato in modo da formare, fra l’altro, una regione anulare 34a e la sua larghezza de (distanza fra il bordo interno e il bordo esterno dell’anello) à ̈ tale per cui la superficie laterale della piastrina 21 cada, in vista dall’alto, all’interno della regione anulare 34a. In altre parole, il bordo esterno della regione anulare 34a delimita un’area maggiore dell’area della faccia principale della piastrina, in vista dall’alto.

Nella forma di realizzazione di figura 4, inoltre, lo strato di colla 40 ingloba elementi spaziatori 41, ad esempio sferette di materiale isolante o conduttivo. Ad esempio, gli elementi spaziatori 41 possono essere di materiale polimerico, quale politetrafluoroetilene (PTFE), oppure di vetro, di materiale metallico, quale argento, e simili, e la colla può essere costituita da materiale polimerico, quale una resina epossidica o un materiale siliconico o comunque di materiale più cedevole rispetto agli elementi distanziatori 41, al supporto 22 e alla piastrina 21.

Gli elementi spaziatori 41 hanno preferibilmente spessore prefissato sostanzialmente uguale per tutti, in modo da garantire un appoggio piano della piastrina 21.

In particolare, indicando con A la profondità del recesso 45 (somma dello spessore degli strati conduttivo 34 e protettivo 35), con S il diametro o spessore degli elementi spaziatori 41, con C lo spessore atteso del rigonfiamento che si forma sotto alle cavità 23 per effetto termico e con B la distanza fra la superficie inferiore 21a della piastrina 21 e la superficie 33a dello strato di base 33 (trascurando lo spessore della pellicola adesiva 30), le dimensioni vengono scelte in modo che:

B = A S > C (1)

Generalmente, con le tecniche di fabbricazione attuali, C à ̈ pari all’incirca il 10% della profondità delle cavità 23. Con cavità 23 aventi profondità di 500 µm, C à ̈ quindi normalmente compreso fra 40 e 60 µm, e mediamente à ̈ pari a circa 50 µm.

Nel caso di scheda a circuito stampato, con lo strato conduttivo 34 di rame pari a 15-20 µm e lo strato protettivo 35 pari a 30-50 µm, lo spessore A Ã ̈ tipicamente compreso fra 45 e 70 µm, ad esempio 50 µm.

Per soddisfare l’equazione (1) à ̈ quindi sufficiente utilizzare elementi spaziatori 41 aventi diametro di 25 µm. A seconda dell’applicazione, dei materiali e delle dimensioni delle varie parti, gli elementi spaziatori 41 possono tuttavia avere spessori tipici di 10, 15, 20, 25, 30, 50 o anche 100 µm.

Il recesso 45 può essere collegato a trincee 46 che si estendono perifericamente dal recesso 45 stesso per tutta la larghezza dell’anello 34. In pratica, come visibile in figura 6, nella zona delle trincee 46 lo strato conduttivo 34 à ̈ rimosso. Ad esempio, le trincee 46 possono avere una larghezza 100-200 µm e distare fra loro 300-500 µm.

In questo modo, durante la fabbricazione, dopo l’applicazione della colla alla piastrina 21 o al substrato 20, grazie anche al fatto che la colla 40 à ̈ morbida, à ̈ possibile fare uscire eventuale aria intrappolata sotto la piastrina 21, eliminando quindi una sorgente di disturbo durante l’incollaggio. In pratica, le trincee 46 costituiscono canali di sfiato.

Il recesso 45 e le trincee 46 possono essere realizzati durante la fase di definizione dello strato conduttivo 34 e dello strato protettivo 35, con una tecnica fotolitografica standard, in modo semplice e poco costoso. In alternativa, essi possono essere ricavati al termine della fase di fabbricazione del substrato 22, prima dell’incollaggio, mediante un’apposita fresatura. In quest’ultimo caso, à ̈ possibile asportare solo parte dello strato conduttivo 34 o, se lo strato protettivo 35 à ̈ sufficientemente profondo, asportando solamente lo strato protettivo 35.

Il dispositivo qui descritto presenta numerosi vantaggi.

Grazie alla presenza di una zona ribassata o recesso al di sotto della piastrina 21, almeno nella zona delle cavità 23, l’aria può espandersi durante i cicli termici e formare rigonfiamenti senza provocare il sollevamento della piastrina rispetto alla posizione nominale. Infatti, la piastrina rimane appoggiata su un piano di spessore costante, garantito dagli elementi spaziatori 41. L’aria eventualmente intrappolata può uscire dalle trincee 46.

In questo modo, vengono evitate rotazioni delle piastrine e delaminazioni dello strato di colla o della pellicola 30 e si ottiene una resa del processo di assemblaggio superiore all’80%.

Inoltre, il recesso 45 costituisce una delimitazione laterale alla zona soggetta a deformazione, garantendo una buona stabilità strutturale e di conformazione al dispositivo finito.

La fabbricazione e l’incollaggio possono essere ottenuti senza costi aggiuntivi rispetto al dispositivo delle figure 1-3 nel caso che il recesso venga realizzato in fase di realizzazione del substrato 22, mediante semplice modifica del disegno delle strutture, senza richiedere operazioni apposite in fase di fabbricazione del substrato o nel processo di assemblaggio.

Le prestazioni del dispositivo non vengono influenzate dall’assemblaggio.

La figura 7 mostra un sensore chimico integrato 50 per il rilevamento di sostanze odorose che può incorporare il dispositivo 20. Il sensore chimico 50 à ̈ realizzato ad esempio come descritto nella domanda di brevetto europeo N. 11152632.3 depositata il 29 gennaio 2011 e comprende un involucro formato da una base 51 e da un coperchio 52, racchiudenti la scheda a circuito stampato formante il supporto 22.

Il coperchio 52 (rappresentato in trasparenza) presenta una porta di ingresso (“input port†) 53 per l’ingresso di gas da analizzare e definisce un canale 54 estendentesi dalla porta di ingresso 53 ad una ventola di aspirazione 55, collegata a sua volta ad una porta di uscita 56.

Il canale 54 si estende al di sopra della piastrina 21, fissata sul lato del supporto 22 rivolto verso il coperchio 52, in modo che i gas entranti nel canale 54 per effetto dell’aspirazione della ventola 55 lambiscano la piastrina 21 stessa e le sostanze odorose da riconoscere vengano catturate nella zona sensibile 26.

Il supporto 22, sul lato opposto a quello della piastrina 21, porta altri componenti, come ad esempio un dispositivo di controllo ventola 60, collegato tramite conduttori non mostrati alla ventola 55, ed una piastrina ausiliaria 61, ad esempio un controllore con memoria, un circuito di elaborazione di segnale o simili. A sua volta, la piastrina ausiliaria 61 può essere collegata ad un apparecchio esterno di elaborazione dei dati, non mostrato.

La base 51, destinata ad accoppiarsi con il coperchio 52 in modo da racchiudere fra loro il supporto 22, presenta un ingresso 63 ed un’uscita 64 per aria di raffreddamento.

Risulta infine chiaro che al dispositivo e al metodo di fabbricazione qui descritti ed illustrati possono essere apportate modifiche e varianti senza per questo uscire dall’ambito protettivo della presente invenzione, come definito nelle rivendicazioni allegate.

In particolare, la zona ribassata può essere formata in uno strato superficiale del substrato, creando un recesso o zona ribassata locale dove si può accumulare uno strato di colla di maggiore spessore rispetto alle zone limitrofe in modo da contenere la dilatazione e il gonfiamento dell’aria presente nelle cavità.

Gli elementi spaziatori 41 possono avere forma differente da quella sferica, ad esempio sferoidale, anche irregolare, con sporgenze, ad esempio forma a “flakes†, ma comunque preferibilmente tale da consentire una distanza costante dallo strato sottostante della piastrina, ad esempio per effetto di una posizione di giacitura preferenziale raggiungibile in fase di applicazione dello strato di colla o per compressione durante l’applicazione della piastrina.

La regione conduttiva 34 al di sotto della piastrina 21 può avere forma diversa da quella ad anello mostrata, ad esempio essere costituita da porzioni di forma qualsiasi affiancate, oppure delimitare internamente una pluralità di recessi, uno per ogni cavità 23 della piastrina 21 o addirittura può mancare.

Infine, il sensore chimico può essere realizzato differentemente, ad esempio per l’analisi di sostanze in un liquido, come descritto nella domanda di brevetto italiana N. TO2010A000552 depositata il 28 giugno 2010 e in cui il supporto non à ̈ completamente contenuto nell’involucro del sensore chimico.

Claims (14)

1. RIVENDICAZIONI 1. Dispositivo elettronico MEMS (20) comprendente: una piastrina (21) dotata di una faccia principale (21a), almeno una cavità (23) estendentesi all’interno della piastrina a partire dalla faccia principale; una pellicola flessibile (30) coprente la faccia principale della piastrina (21) almeno nella zona della cavità (23); un supporto (22); uno strato adesivo (40) interposto fra la pellicola flessibile (30) e il supporto (22) per il fissaggio della piastrina al supporto, in cui il supporto (22) presenta una porzione ribassata (45) rivolta verso la cavità (23) e delimitata da una porzione sporgente (34a, 35) affacciata alla faccia principale della piastrina, in cui lo strato adesivo (40) ha uno spessore maggiore all’interno della porzione ribassata rispetto che sulla porzione sporgente.
2. 2. Dispositivo secondo la rivendicazione 1, in cui il supporto (22) comprende un corpo di base (33) avente una superficie (33a), ed una struttura stratiforme (34-35) formata al di sopra della superficie del corpo di base, in cui la porzione ribassata à ̈ formata da un recesso (45) nella struttura stratiforme, il recesso accogliendo parte dello strato adesivo (40).
3. 3. Dispositivo secondo la rivendicazione 2, in cui il supporto (22) comprende una scheda a circuito stampato, in cui il corpo di base à ̈ costituito da uno strato di nucleo (33), e la struttura stratiforme (34-35) comprende uno strato metallico sagomato (34), estendentesi al di sopra della superficie (34a) del corpo di base, ed uno strato protettivo (35), quale solder mask, coprente lo strato metallico sagomato, lo strato metallico sagomato e lo strato protettivo formando la porzione sporgente delimitante la porzione ribassata.
4. 4. Dispositivo secondo la rivendicazione 3, in cui lo strato metallico sagomato (35) comprende una regione generalmente anulare (34a) avente un bordo interno delimitante il recesso (45) e un bordo esterno delimitante un’area maggiore dell’area della faccia principale (21a) della piastrina (21).
5. 5. Dispositivo secondo la rivendicazione 4, in cui la regione generalmente anulare (34a) presenta una pluralità di trincee o canali (46) estendentisi fra il bordo interno e il bordo esterno.
6. 6. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui lo strato adesivo (40) ingloba elementi distanziatori (41).
7. 7. Dispositivo secondo la rivendicazione 6, in cui lo strato adesivo (40) à ̈ di materiale più cedevole degli elementi distanziatori (41), del supporto (22) e della piastrina (21).
8. 8. Dispositivo secondo la rivendicazione 6 o 7, in cui lo strato adesivo (40) Ã ̈ costituito da una colla epossidica o siliconica e gli elementi distanziatori (41) sono di materiale polimerico, vetro o metallico.
9. 9. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 6-8, in cui gli elementi distanziatori (41) hanno forma sferica o sferoidale.
10. 10. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 2-5, in cui lo strato adesivo (40) ingloba elementi distanziatori (41) e la distanza della piastrina (21) dalla superficie (33a) del corpo di base (33) Ã ̈ pari alla somma dello spessore della struttura stratiforme (34-35) e dello spessore degli elementi distanziatori (41).
11. 11. Dispositivo di rilevamento di sostanze odorose comprendente: un involucro (51, 52) dotato di un canale (54) per un gas da analizzare e di un motore (55) di movimentazione del gas da analizzare; e il dispositivo elettronico MEMS (20) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1-10, portato dall'involucro; in cui la piastrina (21) include una regione sensibile (26) di materiale tale da legarsi con sostanze chimiche bersaglio nel gas da analizzare.
12. 12. Processo di fabbricazione di un dispositivo elettronico MEMS, comprendente le fasi di: realizzare una piastrina (21) dotata di una faccia principale (21a) e di almeno una cavità (23) estendentesi a partire dalla faccia principale; coprire la faccia principale della piastrina, almeno nella zona della cavità, con una pellicola flessibile (30); provvedere un supporto (22) avente una porzione ribassata (45) delimitata da una porzione sporgente (34a, 35); applicare uno strato adesivo (40) alla pellicola flessibile (30) o al supporto (22), disporre la piastrina (21) sul supporto (22) in modo che la porzione ribassata (45) sia rivolta verso la cavità (23) e la porzione sporgente (34a, 35) sia affacciata alla faccia principale (21a) della piastrina (21).
13. 13. Processo secondo la rivendicazione 12, in cui provvedere un supporto (22) comprende realizzare una scheda a circuito stampato, includente formare uno strato di nucleo (33), realizzare uno strato metallico (34) al di sopra dello strato di nucleo, e formare uno strato protettivo (35), quale solder mask, coprente lo strato metallico, e includente rimuovere porzioni selettive dello strato metallico (34) e dello strato protettivo (35) per formare un recesso (45).
14. 14. Processo secondo la rivendicazione 12 o 13, in cui lo strato adesivo (40) Ã ̈ formato da una colla inglobante elementi distanziatori (41).