ITTO20120623A1 - Assemblaggio impilato di un dispositivo integrato mems avente un ridotto spessore - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

del brevetto per invenzione industriale dal titolo:

“ASSEMBLAGGIO IMPILATO DI UN DISPOSITIVO INTEGRATO MEMS AVENTE UN RIDOTTO SPESSOREâ€

La presente invenzione à ̈ relativa ad un assemblaggio impilato (“stacked†) di un dispositivo integrato di tipo microelettromeccanico, nel seguito MEMS – Micro-Electro-Mechanical System (“integrated MEMS device†), avente un ridotto spessore.

Nel campo dei dispostivi integrati à ̈ sicuramente sentita l’esigenza di ridurre le dimensioni, per soddisfare requisiti sempre più stringenti di miniaturizzazione, in particolar modo nel campo degli apparecchi portatili.

In modo noto, un dispositivo integrato MEMS comprende in generale un primo corpo (solitamente definito “piastrina†o “die†) includente materiale semiconduttore (ad esempio silicio), integrante una struttura micromeccanica, operante ad esempio come sensore di una o più grandezze da rilevare (ad esempio per la realizzazione di un accelerometro, un giroscopio, un magnetometro, ecc.) e generante una grandezza elettrica funzione della stessa grandezza da rilevare (ad esempio una variazione capacitiva, una variazione di resistenza elettrica, ecc.); ed almeno una seconda piastrina includente materiale semiconduttore (ad esempio silicio), integrante almeno un componente o circuito elettronico, atto ad essere accoppiato elettricamente alla struttura micromeccanica in modo da cooperare funzionalmente con essa. Tipicamente, la seconda piastrina integra un circuito ASIC (Application Specific Integrated Circuit), accoppiato elettricamente alla struttura micromeccanica, avente ad esempio la funzione di circuito di lettura della grandezza elettrica rilevata dalla struttura micromeccanica, nel caso in cui la stessa operi come un sensore (ad esempio per realizzare operazioni di amplificazione e filtraggio della stessa grandezza elettrica rilevata).

Nel dispositivo integrato MEMS à ̈ inoltre prevista una struttura di copertura, o cappuccio (cap), accoppiata meccanicamente al di sopra della prima piastrina integrante la struttura micromeccanica, con funzioni di protezione per la struttura micromeccanica stessa. Nel caso in cui la struttura micromeccanica presenti elementi mobili, ad esempio una trave, una membrana, atti a deformarsi in funzione della grandezza da rilevare, la struttura di copertura può presentare almeno una cavità, realizzata in corrispondenza di tali elementi mobili, in modo tale da definire uno spazio vuoto che ne assicuri la libertà di movimento e non ne alteri la deformazione. Inoltre, un condotto di accesso à ̈ eventualmente formato attraverso la struttura di copertura, nel caso in cui si richieda un collegamento fluidico con l’esterno (ad esempio per l’ingresso di onde di pressione o acustiche).

Un dispositivo integrato MEMS include generalmente anche un “package†, ovvero un contenitore o involucro che circonda, in tutto o in parte, le piastrine del dispositivo stesso, consentendone il collegamento elettrico dall’esterno; l’assemblaggio del dispositivo integrato MEMS, all’interno del relativo package, viene solitamente definito come “chip†, e può ad esempio essere collegato elettricamente ad un circuito stampato di un apparecchio elettronico in cui lo stesso dispositivo integrato MEMS deve essere utilizzato.

Ad esempio, una struttura nota di package, definito come “wafer-level package†, package a livello di fetta, o “substrate-level package†, package a livello di substrato, prevede la presenza di un substrato di base, a cui vengono accoppiati le piastrine del dispositivo integrato MEMS, e che porta opportuni contatti elettrici per il collegamento elettrico con l’esterno, e di un rivestimento di protezione, cosiddetto “mold compound†formato direttamente al di sopra dello stesso substrato di base e delle stesse piastrine, avente funzione di rivestimento e protezione meccanica.

Tradizionalmente, le piastrine dei dispositivi integrati MEMS, integranti la rispettiva struttura micromeccanica e il rispettivo circuito elettronico ASIC, venivano disposti affiancati al di sopra della superficie interna del substrato di base del package (ovvero, la superficie non rivolta verso l’esterno dello stesso package).

Ai fini del contenimento delle dimensioni laterali (ovvero delle dimensioni in un piano orizzontale, parallelo al piano di estensione principale del substrato di base), à ̈ stato proposto l’impilamento in direzione verticale (ovvero, ortogonalmente allo stesso piano orizzontale) della prima piastrina integrante la struttura micromeccanica (con associata struttura di copertura) e della seconda piastrina integrante il circuito elettronico ASIC.

Tale soluzione, pur consentendo di ottenere la desiderata riduzione dell’ingombro laterale, comporta un aumento dello spessore complessivo in direzione verticale che può risultare non compatibile con alcune applicazioni, in particolare con applicazioni di tipo portatile.

Infatti, considerando dimensioni di spessore tipiche comprese tra 400 Î1⁄4m e 420 Î1⁄4m per l’accoppiamento tra la prima piastrina integrante la struttura micromeccanica e la relativa struttura di copertura, e comprese tra 80 Î1⁄4m e 280 Î1⁄4m per lo spessore della seconda piastrina integrante il circuito elettronico ASIC, e considerando inoltre lo spessore aggiuntivo dato dal package, con le attuali tecniche risulta possibile ottenere un valore minimo di spessore risultante, ancora piuttosto elevato, compreso nell’intervallo 700-1000 Î1⁄4m.

Per ovviare, almeno in parte, a tale problema, à ̈ stato quindi proposto di sfruttare la struttura di copertura come elemento attivo, in cui integrare i componenti elettrici/elettronici da accoppiare elettricamente alla struttura micromeccanica nella prima piastrina (la seconda piastrina essendo in tal caso assente nell’assemblaggio del dispositivo integrato MEMS). Tale soluzione, pur consentendo una riduzione di spessore pari allo spessore della seconda piastrina integrante il circuito elettronico ASIC, non risulta tuttavia esente da inconvenienti.

In particolare, l’utilizzo attivo della struttura di copertura può risultare di difficile implementazione, a causa della scarsa resa (yeld) del processo di integrazione e dei vincoli imposti per quanto riguarda le dimensioni utilizzabili.

È dunque avvertito nel settore il bisogno di perfezionare ulteriormente gli assemblaggi noti dei dispositivi integrati MEMS, in particolare per quanto riguarda l’occupazione di spazio nella direzione verticale dello spessore.

Scopo della presente invenzione à ̈ quello di soddisfare, almeno in parte, tale esigenza.

Secondo la presente invenzione viene pertanto fornito un assemblaggio impilato di un dispositivo integrato MEMS, come definito 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 e con riferimento ai disegni allegati, nei quali:

- le figure 1a-1c mostrano rispettive viste in sezione di varianti di assemblaggio di un dispositivo integrato MEMS secondo una prima forma di realizzazione della presente invenzione;

- le figure 2a-2f mostrano rispettive viste in sezione di varianti di assemblaggio in accordo con una seconda forma di realizzazione della presente invenzione;

- le figure 3a-3e mostrano rispettive viste in sezione di varianti di assemblaggio secondo una ulteriore forma di realizzazione della presente invenzione;

- la figura 4 mostra uno schema a blocchi di un dispositivo elettronico includente l’assemblaggio del dispositivo integrato MEMS; e

- le figure 5-6 mostrano rispettive viste in sezione di ulteriori varianti di assemblaggio secondo ancora un differente aspetto della presente invenzione.

Come sarà chiarito in dettaglio in seguito, un aspetto della presente invenzione prevede che, nell’assemblaggio impilato di un dispositivo integrato MEMS, ed in particolare nell’accoppiamento tra la prima piastrina integrante la struttura micromeccanica (si veda la discussione precedente) e la relativa struttura di copertura con il substrato di base del contenitore, si definisca un recesso, cavità o rientranza, atto ad alloggiare nel senso dello spessore la seconda piastrina integrante il o i componenti elettrici/elettronici che si desidera accoppiare alla stessa struttura micromeccanica. In particolare, tale recesso à ̈ definito dalla conformazione di almeno uno tra il suddetto accoppiamento tra prima piastrina e relativa struttura di copertura, ed il substrato di base del contenitore.

In tal modo, come risulterà comunque evidente dalla discussione seguente, à ̈ possibile ottenere una riduzione di spessore per il dispositivo integrato MEMS, che può essere anche pari a circa lo spessore della suddetta seconda piastrina.

In dettaglio, e facendo riferimento dapprima alla figura 1a, un dispositivo integrato MEMS, indicato in generale con 1, comprende un package 2, al cui interno sono racchiusi: una prima piastrina 4, includente uno strato strutturale di materiale semiconduttore e, in modo noto, ulteriori strati di materiali isolanti e/o conduttivi al di sopra dello stesso strato strutturale, integrante una struttura micromeccanica (ad esempio una struttura di rilevamento di accelerazione, un giroscopio, un magnetometro, ecc.), mostrata schematicamente ed indicata con 4'; una struttura di copertura 5, accoppiata alla prima piastrina 4, al fine di proteggere la struttura micromeccanica (eventuali cavità presenti nella struttura di copertura, in modo di per sé noto, non sono illustrate nella vista semplificata di figura 1a); ed una seconda piastrina 6, includente un rispettivo strato strutturale di materiale semiconduttore (ed eventuali strati di materiale isolante e/o conduttivo), integrante un circuito elettronico ASIC, mostrato schematicamente ed indicato con 6', atto ad essere accoppiato elettricamente alla struttura micromeccanica 4' nella prima piastrina 4 (e formato, in modo noto, da una pluralità di componenti elettronici, attivi e/o passivi, quali transistori, condensatori, induttori, resistenze, amplificatori, ecc.).

La prima piastrina 4 presenta uno spessore nella direzione verticale z ad esempio compreso tra 150 e 300 Î1⁄4m, e la struttura di copertura 5 presenta uno spessore nella stessa direzione verticale z ad esempio anch’esso compreso tra 150 e 300 Î1⁄4m. Inoltre, la prima e la seconda piastrina 4, 6 sono impilate verticalmente (ovvero lungo una direzione verticale z, ortogonale ad un piano orizzontale xy di estensione principale) all’interno del package 2.

Il package 2 include un substrato di base 8, ad esempio costituito da una struttura multistrato, composta da uno o più strati di materiale conduttivo (generalmente metallo) separati da uno o più strati dielettrici (ad esempio costituiti da un laminato BT – Bismaleide Triazina); percorsi elettrici, indicati in generale con 9, sono previsti attraverso il substrato di base 8, ad esempio sotto forma di vie passanti e percorsi metallici a più livelli di profondità, per connettere una sua superficie interna 8a, rivolta verso lo spazio interno al package 2, ad una sua superficie esterna 8b, rivolta verso l’ambiente esterno allo stesso package 2, che porta opportuni elementi di connessione elettrica, indicati in generale con 10, ad esempio sotto forma di una schiera di "sfere" o "protuberanze" (nel caso di contenitori cosiddetti BGA – Ball Grid Array) o "piazzole" (nel caso di contenitori cosiddetti LGA – Land Grid Array, come à ̈ il caso illustrato in Figura 1a).

Il substrato di base 8 presenta un’estensione nel piano orizzontale xy maggiore della corrispondente estensione orizzontale della prima piastrina 4.

La prima piastrina 4 presenta una superficie superiore 4a in corrispondenza della quale viene realizzata, con tecniche di per sé note di microlavorazione, la struttura micromeccanica 4', ed una superficie inferiore 4b accoppiata alla superficie interna 8a del substrato di base 8, ad esempio mediante la tecnica del “bump bonding†, ovvero mediante “bump†o rigonfiamenti 11, almeno in parte di materiale conduttivo; à ̈ inoltre presente una regione di riempimento 12 (cosiddetto “underfill†), interposta tra la superficie interna 8a del substrato di base 8 e la superficie inferiore 4b della prima piastrina 4.

Collegamenti elettrici tra la struttura micromeccanica 4' e prime piazzole di contatto di substrato 13a portate dalla superficie interna 8a del substrato di base 8, in parte esternamente rispetto alla regione di riempimento 12, sono realizzati attraverso vie passanti 14, che attraversano lo spessore della prima piastrina 4 e sono collegate agli stessi rigonfiamenti 11, ed i percorsi elettrici 9 sepolti nel substrato di base 8.

Il package 2 comprende inoltre un rivestimento 15, cosiddetto “mold compound†, ad esempio di resina e realizzato tramite tecniche di stampaggio, che circonda l’assemblaggio impilato della prima piastrina 4 (con relativa struttura di copertura 5) e della seconda piastrina 6, e ricopre superiormente porzioni esterne del substrato di base 8, non coperte dalla stessa prima piastrina 4.

In particolare, la struttura di copertura 5 presenta una superficie superiore 5a ed una superficie inferiore 5b, la quale à ̈ accoppiata alla prima piastrina 4 al di sopra della superficie superiore 4a, ad esempio mediante un anello di bonding (“bonding ring†, qui non illustrato), tale da formare uno spazio vuoto, gap (anch’esso non illustrato), tra le superfici affacciate (ad esempio, per consentire la deformazione di una membrana, o analogo elemento mobile, della struttura micromeccanica 4' in funzione di una grandezza da rilevare).

Secondo un aspetto della presente forma di realizzazione, in corrispondenza della superficie superiore 5a della struttura di copertura 5 à ̈ definito un recesso 16, realizzato ad esempio mediante un attacco chimico a tempo a partire della stessa superficie superiore 5a (ad esempio, eseguito al termine delle fasi di processo cosiddette di “front-end†per la formazione della struttura micromeccanica 4') atto a rimuovere una porzione superficiale della stessa struttura di copertura 5, lasciando un’area vuota, rimossa o asportata. Il recesso 16 presenta ad esempio una profondità nella direzione verticale z compresa tra 80 Î1⁄4m e 100 Î1⁄4m, ed un’estensione nel piano orizzontale xy inferiore rispetto ad una corrispondente estensione orizzontale della struttura di copertura 5.

La struttura di copertura 5 presenta esternamente porzioni sporgenti definenti pareti laterali del recesso 16, e centralmente una porzione rientrata definente una base dello stesso recesso 16; la suddetta base si estende nel piano orizzontale xy, e le suddette pareti laterali si estendono sostanzialmente in verticale a partire dalla stessa base. In altre parole, le porzioni della superficie superiore 5a in corrispondenza delle pareti laterali del recesso 16 giacciono su, o definiscono, una superficie sostanzialmente parallela al piano orizzontale xy, che delimita la struttura di copertura 5, ed il recesso 16 si estende a partire da tale superficie verso l’interno della struttura di copertura 5, con le pareti laterali estenditisi trasversalmente a tale superficie.

La seconda piastrina 6 à ̈ alloggiata in corrispondenza del recesso 16, e presenta una superficie superiore 6a, in corrispondenza della quale à ̈ realizzato il circuito elettronico ASIC 6' ed una superficie inferiore 6b accoppiata meccanicamente alla superficie superiore 5a della struttura di copertura 5, in corrispondenza della base del recesso 16, mediante l’interposizione di una regione di materiale adesivo 17. In particolare, lo spessore della seconda piastrina 6 nella direzione verticale z à ̈ sostanzialmente contenuto all’interno dello stesso recesso 16.

A tal fine, convenientemente, la seconda piastrina 6 à ̈ sottoposta ad una operazione cosiddetta di “backgrinding†(o molatura dal retro), di tipo per sé nota, per un assottigliamento del suo spessore, prima del suo accoppiamento all’interno del recesso 16.

Grazie alla presenza del recesso 16 alloggiante la seconda piastrina 6, lo spessore risultante dell’impilamento verticale tra la prima piastrina 4 (e la relativa struttura di copertura 5) e la seconda piastrina 6 risulta sostanzialmente coincidente con lo spessore dell’assemblaggio tra la stessa prima piastrina 4 e la struttura di copertura 5. Ad esempio, tale spessore risultante à ̈ compreso tra 400 Î1⁄4m e 420 Î1⁄4m.

I collegamenti elettrici tra il circuito elettronico ASIC 6' nella seconda piastrina 6 e la struttura micromeccanica 4' nella prima piastrina 4, ed inoltre tra lo stesso circuito elettronico ASIC 6' e gli elementi di connessione elettrica 10 all’esterno del package 2 sono realizzati con la tecnica del “wire bonding†, ovvero mediante fili elettrici.

In dettaglio, primi fili elettrici 18a collegano prime piazzole di contatto di ASIC 19a, portate dalla superficie superiore 6a della seconda piastrina 6, alle prime piazzole di contatto di substrato 13a, in modo tale da realizzare il collegamento elettrico tra il circuito elettronico ASIC 6' e la struttura micromeccanica 4'; ed inoltre secondi fili elettrici 18b collegano seconde piazzole di contatto di ASIC 19b, portate dalla stessa superficie superiore 6a della seconda piastrina 6, a seconde piazzole di contatto di substrato 13b, portate dalla superficie interna 8a del substrato, esternamente rispetto all’area occupata dalla prima piastrina 4, in modo tale da realizzare il collegamento elettrico tra lo stesso circuito elettronico ASIC 6' e gli elementi di connessione elettrica 10 all’esterno del package 2, attraverso i percorsi elettrici 9 realizzati attraverso il substrato di base 8.

Il rivestimento 15 del package 2 ricopre in tal caso superiormente la seconda piastrina 6, le relative piazzole di contatto 19a, 19b ed i fili elettrici 18a, 18b, definendo inoltre una superficie esterna superiore del package 2 (opposta rispetto alla superficie esterna inferiore portante gli elementi di connessione elettrica 10); lo stesso rivestimento 15 riveste le piazzole di contatto 13a, 13b portate dal substrato di base 8, e le porzioni esterne dello stesso substrato di base 8, non ricoperte dalla prima piastrina 4, definendo inoltre superfici esterne laterali dello stesso package 2.

In una variante di realizzazione, mostrata in figura 1b, la seconda piastrina 6 à ̈ alloggiata capovolta nel recesso 16 definito dalla superficie superiore 5a della struttura di copertura 5, con la tecnica cosiddetta “flipchip†, ovvero con la superficie superiore 6a affacciata alla superficie superiore 5a della stessa struttura di copertura 5, in corrispondenza della base dello stesso recesso 16 ed accoppiata alla stessa base mediante elementi di accoppiamento 21, sotto forma di palline di lega saldante (cosiddette “solder balls†), almeno in parte di materiale conduttivo.

I collegamenti elettrici tra il circuito elettronico ASIC 6', la struttura micromeccanica 4' e gli elementi di connessione elettrica 10 all’esterno del package 2 sono realizzati in tal caso mediante tracce elettriche, depositate, convenientemente mediante la tecnica della nebulizzazione aerosol (cosiddetta “aerosol jetting†), in particolare sulle superficie verticali, o per sputtering/fotolitografia a livello front end sulla superficie superiore 5a della struttura di copertura 5. In particolare, prime tracce conduttive 22a (di cui ne à ̈ mostrata una in figura a titolo di esempio) sono formate tra primi elementi conduttivi 21a, collegati alle prime piazzole di contatto di ASIC 19a portate dalla superficie superiore 6a della seconda piastrina 6, alle prime piazzole di contatto di substrato 13a, in modo tale da realizzare il collegamento elettrico tra il circuito elettronico ASIC 6' e la struttura micromeccanica 4'; ed inoltre seconde tracce conduttive 22b (di cui ne à ̈ mostrata una in figura a titolo di esempio) sono formate tra secondi elementi conduttivi 21b, collegati alle seconde piazzole di contatto di ASIC 19b, portate dalla stessa superficie superiore 6a della seconda piastrina 6, e le seconde piazzole di contatto di substrato 13b, portate dalla superficie interna 8a del substrato di base 8, in modo tale da realizzare il collegamento elettrico tra lo stesso circuito elettronico ASIC 6' e gli elementi di connessione elettrica 10 all’esterno del package 2.

Le tracce conduttive 22a, 22b si estendono sulla superficie superiore 5a della struttura di copertura 5, a partire dalla base del recesso 16, e proseguono a contatto delle pareti laterali dell’assemblaggio della stessa struttura di copertura 5 e della prima piastrina 4, fino a raggiungere la superficie interna 8a della struttura di base 8.

Il rivestimento 15 del package 2 ricopre la superficie posteriore 6b della seconda piastrina 6 ed inoltre ricopre interamente le tracce conduttive 22a, 22b.

Una ulteriore variante di realizzazione, mostrata in figura 1c, differisce da quanto illustrato con riferimento alla figura 1b, per il fatto che la superficie inferiore 6b della seconda piastrina 6 Ã ̈ lasciata scoperta dal rivestimento 15 del package 2, definendo dunque parte della superficie esterna superiore del package 2. Tale soluzione consente in maniera evidente di ridurre ulteriormente lo spessore risultante del dispositivo integrato MEMS 1.

Una seconda forma di realizzazione della presente invenzione, mostrata, in una prima variante, in figura 2a, prevede che il recesso, nuovamente indicato con 16, atto ad alloggiare la seconda piastrina 6 integrante il circuito elettronico ASIC 6', sia definito (in maniera sostanzialmente analoga a quanto discusso in precedenza) dalla superficie inferiore 4b che delimita inferiormente la prima piastrina 4, essendo dunque costituito da uno spazio vuoto interposto tra la superficie interna 8a del substrato di base 8 e la superficie inferiore 4b della stessa prima piastrina 4.

La prima piastrina 4 presenta in tal caso lateralmente porzioni di sostegno attaccate al substrato di base 8 e definenti pareti laterali del recesso 16, e centralmente una porzione sospesa al di sopra del recesso 16 e definente inferiormente la base dello stesso recesso 16.

Nella variante di realizzazione illustrata in figura 2a, la seconda piastrina 6 à ̈ disposta capovolta all’interno del recesso 16, ed à ̈ collegata alla superficie interna 8a del substrato di base 8 mediante gli elementi di accoppiamento 21, con la tecnica del “bump bonding†. Primi percorsi elettrici 9, sepolti nel substrato di base 8, collegano elettricamente i primi elementi conduttivi 21a, collegati alle prime piazzole di contatto di ASIC 19a portate dalla superficie superiore 6a della seconda piastrina 6, alle prime piazzole di contatto di substrato 13a, mentre secondi percorsi elettrici 9 collegano elettricamente i secondi elementi conduttivi 21b, collegati alle seconde piazzole di contatto di ASIC 19b, portate dalla stessa superficie superiore 6a della seconda piastrina 6 agli elementi di connessione elettrica 10 all’esterno del package 2.

Il collegamento elettrico tra la struttura micromeccanica 4' e il circuito elettronico ASIC 6' à ̈ realizzato mediante fili elettrici 23, che si estendono tra le prime piazzole di contatto di substrato 13a e piazzole di contatto di cappuccio 24, portate dalla superficie superiore 5a della struttura di copertura 5 (in tal caso piana ed uniforme nel piano orizzontale xy, ovvero priva di rientranze), e collegate elettricamente alla stessa struttura micromeccanica 4' mediante vie passanti 26, estendentisi attraverso la stessa struttura di copertura 5. Le vie passanti 26 sono collegate a “bump†o elementi conduttivi 27, realizzati internamente rispetto all’anello di bonding, qui indicato con 28, che realizza l’accoppiamento tra la struttura di copertura 5 e la prima piastrina 4; gli elementi conduttivi 27 sono a loro volta collegati elettricamente, in modo non illustrato, ad opportuni elementi della struttura micromeccanica 4'.

Il rivestimento 15 del package 2 riveste in tal caso interamente l’assemblaggio della struttura di copertura 5 e della prima piastrina 4, ed inoltre i fili elettrici 23.

In una variante realizzativa, mostrata in figura 2b, un ulteriore recesso, indicato con 30, à ̈ definito dalla superficie interna 8a del substrato di base 8, in corrispondenza del, ed affacciato al, recesso 16 definito dalla superficie inferiore 4b della prima piastrina 4; i recessi 16, 30 definiscono congiuntamente uno spazio in cui à ̈ alloggiato la seconda piastrina 6. Il recesso 30 viene realizzato per attacco chimico del substrato di base 8, a partire dal fronte, che porta all’asportazione di una sua porzione superficiale, a partire dalla superficie interna 8a.

Tale variante à ̈ vantaggiosa nel caso in cui lo spessore della seconda piastrina 6 sia superiore alla profondità del solo recesso 16 e richieda quindi uno spazio maggiore per il suo alloggiamento.

In una ulteriore variante di realizzazione, mostrata in figura 2c, il recesso 16, definito anche in questo caso dalla superficie inferiore 4b della prima piastrina 4, Ã ̈ aperto lateralmente, ovvero si estende fino a raggiungere una parete laterale della stessa prima piastrina 4, arrivando a filo della stessa parete laterale.

La seconda piastrina 6 à ̈ in tal caso alloggiata in parte nel recesso 16, fuoriuscendo lateralmente dallo stesso recesso 16, in corrispondenza della suddetta parete laterale della prima piastrina 4. La stessa seconda piastrina 6 à ̈ in tal caso disposta con la superficie inferiore 6b accoppiata alla superficie interna 8a del substrato di base 8 mediante lo strato adesivo 17; una porzione laterale della superficie superiore 6a, che non risulta coperta dalla prima piastrina 4, porta piazzole di contatto, qui indicate in generale con 33, che, attraverso fili elettrici 34, sono collegate elettricamente al substrato di base 8 e quindi, attraverso i percorsi elettrici 9, agli elementi di connessione elettrica 10 all’esterno del package 2 e/o alle prime piazzole di contatto di substrato 13a per il collegamento elettrico verso la struttura micromeccanica 4'.

Una variante di realizzazione, mostrata in figura 2d, differisce da quanto illustrato in figura 2c per la presenza dell’ulteriore recesso 30 definito dalla superficie interna 8a del substrato di base 8, alloggiante, congiuntamente con il recesso 16 definito dalla superficie inferiore 4b della prima piastrina 4, la seconda piastrina 6.

Una ulteriore variante di realizzazione, mostrata in figura 2e, differisce da quanto illustrato in figura 2d, in quanto la struttura di copertura 5 non ricopre interamente la prima piastrina 4, lasciando scoperta una porzione laterale della sua superficie superiore 4a. Piazzole di collegamento elettrico, qui indicate con 36, sono collegate a fili elettrici 23 e disposte sulla porzione scoperta della superficie superiore 4a per consentire il collegamento elettrico della struttura micromeccanica 4' (attraverso percorsi sepolti 37, realizzati in una porzione superficiale della prima piastrina 4, anche al di sotto dell’anello di bonding 28). In tale variante realizzativa, la superficie superiore 5a della struttura di copertura 5 non à ̈ coperta dal rivestimento 15 e definisce dunque parte della superficie esterna superiore del package 2.

La variante di realizzazione di figura 2f differisce invece da quanto illustrato in figura 2e solamente per la presenza dell’ulteriore recesso 30, atto ad alloggiare in parte la seconda piastrina 6, in maniera analoga a quanto già illustrato in precedenza.

I vantaggi dell’assemblaggio proposto per un dispositivo integrato MEMS emergono in maniera evidente dalla descrizione precedente.

In particolare, si sottolinea nuovamente il fatto che l’assemblaggio descritto consente di ridurre lo spessore complessivo richiesto all’interno del contenitore nell’impilamento verticale delle piastrine, o corpi di materiale semiconduttore, integranti la struttura micromeccanica e gli associati componenti e/o circuiti elettronici.

Risulta dunque possibile ridurre l’occupazione di spazio pur fornendo un sistema completo, dotato di molteplici funzionalità (cosiddetto SIP – System In Package), all’interno di un singolo contenitore.

La riduzione delle dimensioni che si ottiene rende l’assemblaggio descritto particolarmente adatto per applicazioni portatili.

A questo riguardo, la figura 3 mostra un apparecchio elettronico 40 che utilizza il dispositivo integrato MEMS 1, realizzato come precedentemente illustrato in modo da realizzare un SIP (System in Package); l’apparecchio portatile 40 à ̈ preferibilmente un dispositivo di comunicazione mobile, come ad esempio un telefono cellulare, un PDA (Personal Digital Assistant), un notebook, ma anche un registratore vocale, un riproduttore di file audio con capacità di registrazione vocale, una consolle per videogiochi, una foto-camera o video-camera, essendo generalmente in grado di elaborare, memorizzare, trasmettere e ricevere segnali ed informazioni.

L’apparecchio elettronico 40 comprende, oltre al dispositivo integrato MEMS 1, un microprocessore (CPU) 41, un blocco di memoria 42, collegato al microprocessore 41, ed un’interfaccia di ingresso/uscita 43, ad esempio una tastiera e/o un video, anch’essa collegata con il microprocessore 41.

Il dispositivo integrato MEMS 1 comunica con il microprocessore 41, ed in particolare trasmette i segnali elettrici elaborati dal circuito elettronico ASIC 6' associato alla struttura micromeccanica 4'.

Inoltre, può essere presente un altoparlante 46, per generare suoni su un’uscita audio (non mostrata) dell’apparecchio elettronico 40, eventualmente in funzione dei segnali elettrici provenienti dal dispositivo integrato MEMS 1 (ad esempio, nel caso in cui lo stesso dispositivo integrato MEMS 1 realizzi un microfono).

Come mostrato schematicamente, l’apparecchio elettronico 40 presenta un circuito stampato (PCB – Printed Circuit Board) 40', a cui sono accoppiati elettricamente gli elementi dello stesso apparecchio elettronico 40, ed in particolare il dispositivo integrato MEMS 1, per il tramite degli elementi di connessione elettrica 10.

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, la soluzione descritta può essere vantaggiosamente applicata nel caso in cui all’interno di uno stesso contenitore debbano essere alloggiati la piastrina integrante la struttura micromeccanica (con l’eventuale associata struttura di copertura) ed uno o più componenti elettronici integrati, ad esempio condensatori, induttori, o altro, richiesti per il corretto funzionamento della stessa struttura micromeccanica.

È noto infatti che sensori integrati MEMS richiedono spesso per il loro funzionamento componenti elementari passivi, quali condensatori o induttori, ad esempio per questioni di taratura, filtraggio di disturbi, ecc. In soluzioni tradizionali, tali componenti elementari passivi vengono disposti nel contenitore affiancati alla piastrina della struttura micromeccanica al di sopra del substrato di base.

La soluzione descritta consente dunque, mediante l’opportuno impilamento nella direzione verticale z, di ridurre l’occupazione di spazio, sia nel piano orizzontale xy che nella stessa direzione verticale z.

In dettaglio, e facendo riferimento dapprima alla figura 4a, uno o più componenti elettronici (ad esempio induttori o condensatori), ciascuno integrato in un rispettivo corpo di materiale semiconduttore, possono essere alloggiati nel recesso 16 interposto tra la superficie interna 8a del substrato di base 8 e la superficie inferiore 4b della prima piastrina 4 integrante la struttura micromeccanica 4'. Ad esempio, nel recesso 16 possono essere alloggiati due distinti corpi di materiale semiconduttore 50a, 50b, integranti un rispettivo condensatore integrato, indicato con 50a', 50b' ed un ulteriore corpo di materiale semiconduttore 50c, integrante un induttore integrato, indicato con 50c', ciascuno accoppiato meccanicamente ed elettricamente alla superficie interna 8a del substrato di base 8 (in modo di per sé noto, qui non illustrato). I collegamenti elettrici tra la struttura micromeccanica 4' e i componenti elettronici integrati 50a'-50c' possono essere realizzati in maniera analoga a quanto precedentemente descritto, in particolare mediante percorsi elettrici sepolti 9, realizzati attraverso una porzione superficiale del substrato di base 8.

Nella variante di realizzazione mostrata in figura 4b, il recesso 16 definito dalla superficie inferiore 4a della prima piastrina 4 comprende una pluralità di porzioni di recesso, indicate con 16a-16c, separate tra loro da pareti costituite da sporgenze della prima piastrina 4 estenditisi verso il, ed accoppiate meccanicamente al, substrato di base 8 (originate dall’opportuno attacco chimico dal retro della stessa prima piastrina 4). Ciascun componente elettronico integrato 50a'-50c' à ̈ in questo caso alloggiato da, e contenuto in, una rispettiva porzione di recesso 16a-16c.

Nella variante realizzativa di figura 4c, à ̈ invece presente l’ulteriore recesso 30 definito dalla superficie interna 8a del substrato di base 8, che forma, insieme al recesso 16, la sede di alloggiamento dei componenti elettronici integrati 50a'-50c' (che possono in tal caso avere uno spessore maggiore).

Ancora una ulteriore variante realizzativa, mostrata in figura 4d, prevede la presenza solamente dell’ulteriore recesso 30 definito dalla superficie interna 8a del substrato di base 8, mentre non à ̈ in questo caso previsto il recesso 16 nella prima piastrina 4 (in altre parole, la superficie inferiore 4a della stessa prima piastrina 4 à ̈ in tal caso piana ed uniforme nel piano orizzontale xy. L’ulteriore recesso 30 presenta in tal caso profondità sufficiente, lungo la direzione verticale z, ad accomodare lo spessore dei componenti elettronici integrati 50a'-50c'.

Come mostrato in figura 5, anche nel caso in cui il recesso 16 sia definito dalla superficie superiore 5a della struttura di copertura 5 (in maniera sostanzialmente analoga a quanto precedentemente illustrato), almeno un componente elettrico integrato, indicato con 50a', può essere alloggiato nello stesso recesso 16, con una superficie inferiore del relativo corpo di materiale semiconduttore 50a accoppiata meccanicamente alla suddetta superficie superiore 5a della struttura di copertura 5, in corrispondenza della base del recesso 16, in questo caso mediante almeno un elemento conduttivo 21 (a sua volta collegato ad una traccia conduttiva 22b). Nell’assemblaggio di figura 5, una superficie esterna del corpo di materiale semiconduttore 50a integrante il componente elettronico integrato 50a', à ̈ scoperta e accessibile dall’esterno, definendo parte della superficie superiore esterna del package 2 del dispositivo integrato MEMS 1.

Si sottolinea in generale che quanto descritto in precedenza si applica per qualsiasi struttura integrata nella prima piastrina 4 (ad esempio per qualsiasi struttura di rilevamento MEMS); inoltre, la soluzione descritta può trovare vantaggiosa applicazione anche nel caso in cui il dispositivo integrato MEMS 1 includa un numero maggiore di piastrine o corpi di materiale semiconduttore, per realizzarne l’impilamento in direzione verticale, con ridotta occupazione di spazio.

Ad esempio, in una ulteriore forma di realizzazione, illustrata in figura 6, il dispositivo integrato MEMS 1 comprende, impilati verticalmente, la prima piastrina 4 integrante la struttura micromeccanica 4', la struttura di copertura 5, la seconda piastrina 6 integrante il circuito elettronico ASIC 6', ed il corpo di materiale semiconduttore 50a integrante il componente elettronico integrato 50a', alloggiato nel recesso 16 definito dalla superficie superiore 5 della stessa struttura di copertura 5.

In maniera evidente, una variante (non illustrata) di tale forma di realizzazione può prevedere uno o più ulteriori recessi 30 definiti dalla superficie interna 8a del substrato di base 8 e/o dalla superficie inferiore 4b della prima piastrina 4, per l’ulteriore contenimento degli spazi nella direzione verticale z di impilamento.

Claims (22)

1. RIVENDICAZIONI 1. Assemblaggio di un dispositivo integrato MEMS (1), comprendente: un contenitore (2) avente un substrato di base (8) con una superficie principale (8a; 8b) in un piano orizzontale (xy), ed un rivestimento (15) disposto al di sopra di detto substrato di base (8); un primo corpo (4, 5) includente materiale semiconduttore ed integrante una struttura micromeccanica (4'), alloggiato all’interno di detto contenitore (2) al di sopra di detto substrato di base (8); almeno un secondo corpo (6; 50a) includente materiale semiconduttore ed integrante almeno un componente elettronico (6'; 50a'), atto ad essere funzionalmente accoppiato a detta struttura micromeccanica (4'), detti primo (4, 5) e secondo (6; 50a) corpo essendo disposti all’interno di detto contenitore (2) impilati (stacked) in una direzione verticale (z), trasversale a detto piano orizzontale (xy), caratterizzato dal fatto che almeno uno tra detto primo corpo (4, 5) e detto substrato di base (8) definisce un primo recesso (16; 30), in cui à ̈ alloggiato, almeno in parte, detto secondo corpo (6; 50a).
2. 2. Assemblaggio secondo la rivendicazione 1, in cui detto primo recesso (16; 30) presenta una base con estensione nel piano orizzontale (xy) ed una profondità in detta direzione verticale (z) tale da accomodare uno spessore di detto secondo corpo (6; 50a).
3. 3. Assemblaggio secondo la rivendicazione 2, in cui detto almeno uno tra detto primo corpo (4, 5) e detto substrato di base (8) Ã ̈ delimitato da una rispettiva superficie principale definente detto primo recesso (16; 30); ed in cui detto primo recesso (16; 30) realizza una rientranza in corrispondenza di detta rispettiva superficie principale.
4. 4. Assemblaggio secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detto primo corpo (4, 5) include: una prima piastrina (4) integrante detta struttura micromeccanica (4') in corrispondenza di una superficie superiore (4a) ed avente una superficie inferiore (4b) accoppiata ad una superficie interna (8a) di detto substrato di base (8), opposta ad una superficie esterna (8b) di detto substrato di base (8) rivolta verso l’esterno di detto contenitore (2); ed una struttura di copertura (5) impilata al di sopra di detta prima piastrina (4) con funzione di copertura di detta struttura micromeccanica (4'), ed avente una rispettiva superficie inferiore (5b) accoppiata alla superficie superiore (4a) di detta prima piastrina (4) ed una rispettiva superficie superiore (5a) opposta a detta rispettiva superficie inferiore (5b).
5. 5. Assemblaggio secondo la rivendicazione 4, in cui la rispettiva superficie superiore (5a) di detta struttura di copertura (5) definisce detto primo recesso (16).
6. 6. Assemblaggio secondo la rivendicazione 5, in cui detto secondo corpo (6) presenta una rispettiva superficie superiore (6a) in corrispondenza della quale à ̈ realizzato detto almeno un componente elettronico (6'), ed una rispettiva superficie inferiore (6b) opposta a detta rispettiva superficie superiore (6a); ed in cui detta rispettiva superficie superiore (6a) à ̈ accoppiata ad una base di detto recesso (16), ed elementi conduttivi (21) sono interposti tra piazzole di contatto (19a, 19b) portate da detta rispettiva superficie superiore (6a) di detto secondo corpo (6) e tracce conduttive realizzate in corrispondenza della base di detto recesso (16) ed estendentisi su detta rispettiva superficie superiore (5a) di detta struttura di copertura (5), su una superficie esterna laterale che delimita lateralmente detto primo corpo (4, 5), trasversalmente a detto piano orizzontale (xy), fino a raggiungere la superficie interna (8a) di detto substrato di base (8).
7. 7. Assemblaggio secondo la rivendicazione 6, in cui la rispettiva superficie inferiore (6b) di detto secondo corpo (6) non à ̈ ricoperta da detto rivestimento (15) e definisce parte di una faccia esterna di detto contenitore (2), rivolta verso un ambiente esterno a detto contenitore (2).
8. 8. Assemblaggio secondo la rivendicazione 4, in cui la superficie inferiore (4b) di detta prima piastrina (4), affacciata a detta superficie interna (8a) di detto substrato di base (8), definisce detto primo recesso (16), interposto tra detta prima piastrina (4) e detto substrato di base (8).
9. 9. Assemblaggio secondo la rivendicazione 8, in cui detto secondo corpo (6) presenta una rispettiva superficie superiore (6a) in corrispondenza della quale à ̈ realizzato detto almeno un componente elettronico (6'), ed una rispettiva superficie inferiore (6b) opposta a detta rispettiva superficie superiore (6a); detta rispettiva superficie superiore (6a) essendo accoppiata ad una base di detto recesso (16), in corrispondenza di detto substrato di base (8), ed elementi conduttivi (21) collegando elettricamente piazzole di contatto (19a, 19b) portate da detta rispettiva superficie superiore (6a) di detto secondo corpo (6) e percorsi conduttivi (9) sepolti in detto substrato di base (8).
10. 10. Assemblaggio secondo la rivendicazione 8 o 9, in cui detto primo recesso (16) si estende parallelamente a detto piano orizzontale (xy) fino ad una superficie esterna laterale che delimita detto primo corpo (4, 5); ed in cui detto secondo corpo (6) fuoriesce lateralmente da detto recesso (16), in corrispondenza di detta superficie esterna laterale.
11. 11. Assemblaggio secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 8-10, in cui la superficie interna (8a) di detto substrato di base (8) definisce un secondo recesso (30), affacciato al, ed in comunicazione con, detto primo recesso (16) per definire congiuntamente una sede di alloggiamento per detto secondo corpo (6).
12. 12. Assemblaggio secondo la rivendicazione 4, in cui la superficie interna (8a) di detto substrato di base (8) definisce detto primo recesso (30).
13. 13. Assemblaggio secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detto secondo corpo (6) integra una pluralità di componenti elettronici definendo un circuito elettronico ASIC (6'), atto ad essere funzionalmente accoppiato a detta struttura micromeccanica (4').
14. 14. Assemblaggio secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1-12, in cui detto componente elettronico (50a') Ã ̈ un componente integrato scelto tra: un condensatore integrato, ed un induttore integrato.
15. 15. Assemblaggio secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente inoltre ulteriori corpi (50b-50c) includenti materiale semiconduttore ed integranti almeno un rispettivo ulteriore componente elettronico (50b'-50c'), atto ad essere funzionalmente accoppiato a detta struttura micromeccanica (4'); detti ulteriori corpi (50b-50c) essendo anch’essi alloggiati in detto primo recesso (16).
16. 16. Assemblaggio secondo la rivendicazione 15, in cui detto primo recesso (16) presenta una pluralità di distinte porzioni di recesso (16a-16c), separate da pareti, ciascuna atta ad alloggiare un rispettivo di detti primo (50a') ed ulteriori (50b'-50c') componenti elettronici.
17. 17. Apparecchio elettronico (40), comprendente un assemblaggio di un dispositivo integrato MEMS (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, ed un circuito stampato (40'), a cui detto contenitore (2) Ã ̈ elettricamente accoppiato.
18. 18. Procedimento di assemblaggio di un dispositivo integrato MEMS (1), comprendente le fasi di: predisporre un contenitore (2) avente un substrato di base (8) con una superficie principale in un piano orizzontale (xy); accoppiare al di sopra di detto substrato di base (8) un primo corpo (4, 5) includente materiale semiconduttore ed integrante una struttura micromeccanica (4'); impilare (“stacking†) in una direzione verticale (z) trasversale a detto piano orizzontale (xy), in detto contenitore (2) detto primo corpo (4, 5) ed almeno un secondo corpo (6; 50a) includente materiale semiconduttore ed integrante almeno un componente elettronico (6'; 50a'), atto ad essere funzionalmente accoppiato a detta struttura micromeccanica (4'); e formare un rivestimento (15) di detto contenitore (2) al di sopra di detto substrato di base (8), caratterizzato dal fatto di comprendere la fase di definire in almeno uno tra detto primo corpo (4, 5) e detto substrato di base (8) un primo recesso (16; 30), ed in cui detta fase di impilare comprende alloggiare detto secondo corpo (6; 50a) almeno in parte in detto primo recesso (16; 30).
19. 19. Procedimento secondo la rivendicazione 18, in cui detta fase di definire un primo recesso (16) comprende la fase di attaccare una rispettiva superficie principale di detto almeno uno tra detto primo corpo (4, 5) e detto substrato di base (8) per asportarne una porzione superficiale e formare detto primo recesso (16; 30), definente una rientranza in corrispondenza di detta rispettiva superficie principale.
20. 20. Procedimento secondo la rivendicazione 19, in cui detta fase di definire un primo recesso (16) comprende la fase di attaccare una superficie superiore (5a) di detto primo corpo (4, 5), opposta a detto substrato di base (8); comprendente inoltre, prima di detta fase di alloggiare, la fase di deporre tracce conduttive al di sopra di una base di detto recesso (16) ed estendentisi su detta superficie superiore (5a) di detta struttura di copertura (5), su una superficie esterna laterale che delimita lateralmente detto primo corpo (4, 5), trasversalmente a detto piano orizzontale (xy), fino a raggiungere detto substrato di base (8).
21. 21. Procedimento secondo la rivendicazione 20, in cui detta fase di deporre à ̈ eseguita, almeno in parte, mediante la tecnica della nebulizzazione aerosol (“aerosol jetting†).
22. 22. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 18-21, comprendente, prima di detta fase di impilare, assottigliare detto secondo corpo (6; 50a) tramite una operazione di molatura dal retro (“backgrinding†).