ITTO20120753A1 - Dispositivo incapsulato esposto all'aria ambiente e a liquidi e relativo processo di fabbricazione - Google Patents
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Description
DESCRIZIONE
del brevetto per invenzione industriale dal titolo:
"DISPOSITIVO INCAPSULATO ESPOSTO ALL'ARIA AMBIENTE E A LIQUIDI E RELATIVO PROCESSO DI FABBRICAZIONE"
La presente invenzione è relativa ad un dispositivo incapsulato esposto all'aria ambiente e a liquidi e al relativo processo di fabbricazione. In particolare, la presente invenzione trova vantaggiosa applicazione in dispositivi micro-elettromeccanici (MEMS), quali sensori realizzati in piastrine di materiale semiconduttore dotate di una zona sensibile. Ad esempio, l'invenzione è utilizzabile in sensori di pressione, sensori di gas, microfoni e simili, che devono essere esposti all'aria ambiente per la loro operatività ma nei quali è richiesta una barriera nei confronti dell'acqua o altri liquidi, ad esempio all'acqua contenuta in goccioline presenti nell'aria ambiente ma anche a masse di liquidi in cui il dispositivo possa essere immerso per errore.
Come è noto, in alcune applicazioni la funzionalità dei dispositivi MEMS può essere pregiudicata o comunque limitata in presenza di umidità. Infatti, le goccioline d'acqua possono essere adsorbite dal materiale dei dispositivi che conseguentemente possono gonfiarsi, generando stress meccanici e/o elettrici, possono subire una modifica delle proprie caratteristiche elettriche (ad esempio la sensibilità) con conseguenti letture erronee, possono essere soggetti a corto-circuiti che ne impediscono il funzionamento o possono addirittura danneggiarsi, ad esempio per corrosione di parti. In tutti questi casi, il dispositivo diventa inaffidabile o addirittura inutilizzabile .
A tale scopo, oltre che per motivi di protezione meccanica, in talune applicazioni i dispositivi MEMS sono dotati di cappucci ("cap") di protezione che circondano e proteggono ciascun dispositivo e/o gruppo di dispositivi fissati ad una base comune dall'ambiente esterno.
In alcune soluzioni note, il cappuccio di protezione è di materiale completamente impermeabile e viene incollato oppure saldato alla base cui è fissato il MEMS o stampato su tale base. Tuttavia, tale soluzione non è sempre applicabile. Infatti, in alcune applicazioni, il sensore (ad esempio un sensore di pressione atmosferica) deve essere esposto all'ambiente esterno per cui non è possibile usare un cappuccio impermeabile all'aria.
Nel caso in cui il dispositivo MEMS debba essere a diretto contatto con l'ambiente esterno, è possibile praticare dei fori nel cappuccio; tuttavia questi costituiscono vie di diffusione di liquidi, quali acqua, vapore condensato, olio, flussanti impieqati nel processo di saldatura del MEMS sulle schede elettroniche o altri liquidi che quindi possono venire a contatto con il MEMS.
D'altra parte i dispositivi MEMS devono soddisfare requisiti sempre più strinqenti per quanto riquarda la resistenza all'acqua e altri liquidi. Ad esempio, nei cellulari di tipo avanzato, dotati di funzioni barometriche, è richiesto di qarantire la funzionalità anche in caso di caduta nell'acqua fino a 2 metri per mezz'ora, in caso di pioqqia o di spruzzi causati da onde. Requisiti simili sono richiesti a dispositivi dotati di GSM con misura dell'asse Z. Nelle lavatrici, è stato proposto di utilizzare dei sensori del livello dell'acqua che quindi devono essere in qrado di resistere ai vapori caldi sviluppati; e qli oroloqi dotati di funzioni di misura della profondità, e quindi operanti in condizione di immersione, devono essere in qrado di operare correttamente .
Scopo della presente invenzione è quindi mettere a disposizione un sistema di incapsulamento che superi qli inconvenienti della tecnica nota e in particolare garantisca l'impermeabilità ai liquidi ma la permeabilità all'aria, mantenendo la funzionalità del dispositivo incapsulato.
Secondo la presente invenzione vengono realizzati un dispositivo incapsulato e il relativo processo di fabbricazione, come definiti rispettivamente nelle rivendicazioni 1 e 11.
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 è una sezione trasversale di una forma di realizzazione del presente dispositivo incapsulato;
- la figura 2a mostra un dettaglio ingrandito della figura 1;
- la figura 2b mostra una variante del dettaglio ingrandito di fig. 2a;
- la figura 3 è una sezione trasversale di un'altra forma di realizzazione del presente dispositivo incapsulato;
- la figura 4 mostra una vista prospettica e ingrandita di un dettaglio di una diversa forma di realizzazione dell'incapsulamento;
- la figura 5 è una vista dall'alto del dettaglio di fig. 4;
- la figura 6 mostra il comportamento repellente dell'incapsulamento di figura 4;
- la figura 7 è una sezione trasversale di una differente forma di realizzazione del presente dispositivo incapsulato; e
- le figure 8-10 mostrano altre forme di realizzazione del presente dispositivo.
In figura 1, un dispositivo incapsulato 1 comprende una base 2 ed un cappuccio 3. Il cappuccio 3 ha qui forma a semiguscio, generalmente parallelepipeda, includente una parete superiore 3a ed una parete laterale 3b, ed è fissato, tipicamente incollato, alla base 2, in modo da formare un incapsulamento ("package") . Il cappuccio di protezione 3 e la base 2 formano un incapsulamento circondante una camera 4. Nella forma di realizzazione di fig. 1 sulla base 2, all'interno della camera 4, è fissato, ad esempio incollato, un circuito integrato 5, e su questo è fissata, ad esempio incollata, una piastrina 6. In alternativa, sia il circuito integrato 5 sia la piastrina 6 potrebbero essere fissati alla base 2, affiancati reciprocamente. La parete superiore 3a presenta una superficie esterna 9.
Ad esempio, la base 2 può essere formata da un substrato organico mono- o multi-strato, di resina epossidica, quale un laminato di BT (Bismaleimide Triazina) 0 FR-4 o altro materiale analogo con cui vengono realizzati 1 circuiti stampati, oppure da un substrato di ceramica, e ha forma parallelepipeda piastriforme.
Il cappuccio 3 può essere realizzato ad esempio di silicio, metallo, ceramica, teflon o altro materiale plastico, in particolare polimerico, ad es. un materiale simile a quello usato per la fabbricazione del nucleo ("core") dei substrati tipo FR4 o BT (Bismaleimide Triazina).
La piastrina 6 forma un MEMS (Micro-Electro-Mechanical System), ad es. un sensore di pressione. In questo caso, la piastrina 6 può avere una membrana 7 delimitata da una cavità sepolta 8. Il circuito integrato 5 può formare un circuito di elaborazione del segnale della piastrina 4, ad esempio un circuito di lettura realizzato come ASIC ("Application Specific Integrated Circuit") per l'amplificazione e il trattamento del segnale fornito dalla piastrina 6. Fili conduttivi 10 collegano la piastrina 6 al circuito integrato 5 e fili conduttivi 11 collegano il circuito integrato 5 ad aree conduttive (tipicamente piazzole di contatto o "pad" e linee di connessione non mostrate, presenti sulla superficie e/o integrate nel substrato 2), per lo scambio di segnali elettrici e alimentazioni, in modo di per sé noto.
Il cappuccio 3 comprende una zona permeabile 17 disposta preferibilmente in posizione sovrastante la piastrina 6 e portante una struttura repellente ai liquidi, idrofobica, oleofobica o lipofobica. Nella zona permeabile 17 è presente una pluralità di fori 15.
Nella forma di realizzazione di fig. 1, la struttura repellente ai liquidi è costituita da una nanostruttura rugosa 16 formata dalla superficie esterna 9 della parete superiore 3a del cappuccio 3, come mostrato nel dettaglio ingrandito delle figg. 2a e 2b.
In fig. 2a, la superficie esterna 9 è dotata di microrilievi 20 aventi caratteristiche geometriche tali da impartire alla superficie esterna 9 un valore di rugosità desiderata. Qui, i microrilievi 20 sono costituiti da pilastrini a base circolare, quadrata o poliedrica, di forma tronco-conica, parallelepipeda, tronco-piramidale o simili. Ad esempio, i microrilievi o pilastrini 20 possono avere lato di base o diametro compreso fra 0,5 e 20 gm, altezza compresa fra 1 e 50 pm ed essere posti a distanza compresa fra 2 e 150 pm (pitch). I microrilievi 20 possono inoltre essere distribuiti diversamente, ad esempio avere maggiore larghezza in modo che un singolo micro rilievo 20 sia disposto fra una coppia di fori 15 adiacenti (analogamente a quanto mostrato nelle figg. 4 e 9, discussa più avanti)
I fori 15 possono avere qualunque forma, ad esempio circolare, quadranqolare, poliqonale reqolare o irreqolare ed essere realizzati prima o dopo la realizzazione della nanostruttura ruqosa 16, ad es. mediante attacco chimico mascherato, in modo noto. In alternativa, i fori 15 possono essere realizzati tramite foratura laser.
Ad esempio, con una superficie superiore 3a del cappuccio 3 avente spessore compreso fra 20 e 100 pm nella zona dei fori 15, questi possono avere larqhezza compresa fra 0,1 e 100 pm ed essere disposti a distanza reciproca compresa fra 0,3 e 300 pm, con un rapporto larqhezza/distanza di ad es. almeno 1/3. Nel caso di sinqoli microrilievi 20 fra due fori 15 adiacenti (fiqq. 4 e 9), il rapporto larqhezza/distanza può però essere anche pari o maqqiore di 1.
In fiq. 2b, la nanostruttura ruqosa 16 è di tipo irreqolare e i microrilievi 20' tipicamente differiscono per forma, disposizione, area di base, altezza e altre caratteristiche qeometriche. I fori 15 possono avere le dimensioni sopra indicate.
In entrambi i casi, ad esempio, la nanostruttura ruqosa 16 può avere valore Ra (definito come valore medio aritmetico deqli scostamenti in valore assoluto del profilo reale della superficie rispetto alla linea media) compreso fra 0,5 e 3 pm, Rmax (definito come scostamento massimo ovvero distanza fra picco più alto e punto più basso della superficie 9) compreso tra 2 e 20 pm.
La nanostruttura rugosa 16 della fig. 2a può essere ottenuta tramite nanolitografia su silicio.
Viceversa, la nanostruttura rugosa 16 irregolare di fig. 2b può essere ottenuta tramite una fase di attacco chimico ("etching"). Nel caso che il cappuccio 3 sia realizzato di metallo, l'attacco chimico può essere eseguito con acido fluoridrico.
In alternativa, la nanostruttura rugosa 16 di fig. 2b può anche essere ottenuta tramite irradiazione laser su cappuccio 3 qualora realizzato di silicio, oppure goffratura a caldo o "hot embossing" o irradiazione laser su cappuccio 3 qualora realizzato di materiale plastico.
Variando il livello di irradiazione laser, è possibile modificare la rugosità e quindi la bagnabilità della superficie superiore 3a del cappuccio 3 di silicio in modo da aumentare il valore dell'angolo di contatto oltre i 90°.
Dopo la realizzazione della nanostruttura rugosal6, il cappuccio di protezione 3 viene fissato alla base 2 sulla quale sono stati già fissati il circuito integrato 5 e la piastrina 6, in modo che la camera 4 li circondi.
L'idrofobicità di superfici di silicio rugose è dimostrata in numerosi studi. Si veda, ad esempio, "Making Silicon hydrophobic: wettability control by two-length scale simultaneous patterning with femtosecond laser irradiation", V Zorbal et al.,2 Nanotechnology 17 (2006) 3234-3238, IP address for downloading: 77.242.201.53.
In questo modo, i fori 15 consentono l'ingresso di aria ambiente all'interno della camera 4 ma la nanostruttura rugosa 16 impedisce a goccioline d'acqua o altri liquidi di penetrare nella camera 4 attraverso i fori 15, come mostrato nel dettaglio delle figg. 2a e 2b. Di conseguenza, la piastrina 6 è in grado di lavorare correttamente, ad esempio misurare la pressione atmosferica, senza essere danneggiata da umidità esterna, acqua o altri liquidi in cui dovesse cadere il dispositivo incapsulato 1.
In figura 3, la struttura repellente è formata da uno strato repellente 30, idro/lipofobico, estendentesi al di sopra del cappuccio 33, almeno al di sopra della zona dei fori 15. Nell'esempio mostrato, lo strato repellente 30 copre la superficie esterna dell'intero cappuccio 33.
Lo strato repellente 30 può essere uno strato di un materiale scelto fra teflon, carburo di silicio, resist quale SU-8 (si veda ad es.: "The use of high aspect ratio photoresist (SU-8) for super-hydrophobic pattern prototyping", Neil J Shirtcliffe et al., JOURNAL OF MICROMECHANICS AND MICROENGINEERING, J. Micromech. Microeng. 14 (2004) 1384-1389, ip address for downloading: 77.242.201.53), polimeri (veda ad es: "Ultrahydrophobic Polymer Surfaces Prepared by Simultaneous Ablation of Polypropylene and Sputtering of Poly(tetrafluoroethylene) Using Radio Frequency Plasma", Jeffrey P. Youngblood et al, Macromolecules 1999, 32, 6800-6806, 1999 American Chemical Society), organometalli , o complessi metallici di transizione, quali i materiali prodotti dalla Aculon.
Lo strato repellente 30 può essere ottenuto per immersione del cappuccio di protezione 33 in una soluzione opportuna o per deposizione meccanica tramite "spinning" oppure per deposizione termo-chimica.
In alternativa, il materiale dello strato repellente 30 può essere il materiale descritto nella domanda di brevetto: "Processo per la fabbricazione di un microdispositivo con regioni a bagnabilità differenziata e microdispositivo" depositata in pari data dalla richiedente, e ottenuto disponendo il cappuccio 3 in un plasma di gas precursore C4F8in una apparecchiatura per processi di Reactive Ion Etching in modo da ottenere un polimero di C4F8avente angolo di contatto statico superiore a 100°, con picco spettrale di assorbimento a numero d'onda compreso fra 1200 e 1300, in particolare 1250.
Dopo il rivestimento del cappuccio 33 con lo strato repellente 30, vengono realizzati i fori 15, con le tecniche indicate sopra (attacco chimico e/o foratura laser).
Le figg. 4 e 5 mostrano un dettaglio di una forma di realizzazione in cui la nanostruttura rugosa 16 è formata da una pluralità di pilastrini 50, di silicio, formati sulla superficie esterna 9, sporgenti dalla parete superiore 3a e monolitici con il cappuccio 3. I pilastrini 50 presentano qui larghezza ridotta rispetto alla distanza fra due fori 15 adiacenti e possono avere forma più o meno squadrata.
Inoltre, nel'esempio mostrato, i pilastrini 50 sono ricoperti da calotte 53 appartenenti ad uno strato idro/lipofobico 54, ad es. metallo o non metallo quale teflon). Lo strato idro/lipofobico 54 è dotato di aperture 55 (si veda in particolare la fig. 5) al di sopra dei fori 15 in modo da consentire il passaggio di aria attraverso le aperture 55 e i fori 15, fino alla camera sottostane 4 (non visibile nelle figg. 4 e 5).
Qui, i fori 15 possono posti a distanza reciproca massima compresa fra 300 nm e 20 pm, ad es. 400 nm, avere larghezza massima compresa fra 50 nm e 10 pm, ad es. 60 nm, e i pilastrini 50 possono avere larghezza compresa fra 150 nm e 15 pm, ad es. 200 nm. Lo strato idro/lipofobico 54 può avere spessore compreso fra 100 nm e 1 pm, ad es. 300 nm.
In fig. 6, la nanostruttura rugosa 16 sulla superficie esterna 9 del cappuccio 3 è formata da strutture sferoidali assimilabili ai pilastrini 50. Come si nota, la nanostruttura rugosa 16 (pilastrini 50) e lo strato idro/lipofobico 54 costituiscono anche qui una struttura repellente 56 per i liquidi che impedisce l'ingresso di liquidi nei fori 15. In pratica, a causa della tensione superficiale dei liquidi, la struttura repellente 56 non consente a una goccia di liquido 57 di bagnarne l'intera superficie, ma si formano sacche d'aria al di sotto delle gocce, che impediscono a queste di entrare nei fori 15.
La fig. 7 mostra una variante in cui il cappuccio 63 è formato da una parete piana ed è incollato tramite porzioni adesive 60 ad una base 62 con forma a semiguscio, generalmente parallelepipeda, che definisce, insieme al cappuccio di protezione 63, la camera 4. Qui, la piastrina 6 è incollata direttamente alla base 62. Come in fig. 1, il cappuccio 63 presenta fori 15 ed una nanostruttura rugosa 16 tali da consentire l'ingresso di aria ma non dei liquidi, grazie alla propria struttura idrofobica o lipofobica.
La figura 8 mostra una forma di realizzazione in cui il cappuccio 73 è fissato al di sopra della piastrina 6 e quindi la camera 74 non circonda quest'ultima ma solamente la membrana 77 (zona sensibile della piastrina 6; cappuccio 73 fatto a livello chip scale). Qui, una regione stampata 70 circonda lateralmente il cappuccio 73, la piastrina 6 e il circuito integrato 5 in modo allineato lateralmente alla base 2 e superiormente al cappuccio 73. La regione stampata 70 è ad esempio di materiale plastico, e può comprendere resina.
Il cappuccio 73 è anche qui dotato di una struttura repellente, realizzata secondo quanto mostrato nelle figure 1-6.
In fig. 9, il cappuccio 73 è fissato direttamente alla piastrina 6, analogamente a quanto mostrato in fig. 8, ma la piastrina 6 è fissata direttamente alla base 2 e presenta apposite connessioni passanti 80. Qui, non è presente la regione stampata 70 e la struttura repellente 56 è formata da pilastrini 50 non ricoperti, come evidenziato nel dettaglio ingrandito. In alternativa, anche in questo caso i pilastrini 50 possono essere rivestiti da uno strato idro/lipofobico, quale lo strato 54 delle figg.
4-5 oppure possono essere sostituiti dalla nanostruttura rugosa 16 di fig. 6, con strutture sferoidali.
In fig. 10, il cappuccio 73 è fissato ancora direttamente alla piastrina 6, ma la connessione elettrica fra la piastrina 6 e la base 2 avviene tramite piazzole di contatto 81 e filo 82, in modo noto. Qui, è presente la regione stampata 70.
Ovviamente sono possibili altre combinazioni intermedie e la struttura repellente 56 può essere realizzata in qualunque modo sopra discusso con riferimento alle fiqure 1-9.
Risulta infine chiaro che al dispositivo incapsulato qui descritto ed illustrato possono essere apportate modifiche e varianti senza per questo uscire dall'ambito protettivo della presente invenzione, come definito nelle rivendicazioni alleqate.
Ad esempio, nella forma di realizzazione delle fiq. 4-6, i pilastri possono avere delle porzioni di testa di forma diversa, ad esempio a semisfera o irreqolare, in modo da formare una superficie superiore non piana.
Claims (16)
- RIVENDICAZIONI 1. Dispositivo incapsulato, comprendente una piastrina (6) ed un incapsulamento (3, 2; 33; 62, 63; 70, 73) delimitante una camera (4; 64; 74) circondante almeno una porzione sensibile (7) della piastrina e dotato di una zona permeabile all'aria (17) avente una pluralità di fori (15) e una struttura repellente ai liquidi (16; 30; 56) in modo da consentire il passaggio di aria fra un ambiente esterno e la camera e bloccare il passaggio di liquidi.
- 2. Dispositivo incapsulato secondo la rivendicazione 1, in cui i fori (15) hanno larghezza massima compresa fra 0,1 e 100 gm e sono disposti a distanza reciproca compresa fra 0,3 e 300 μm, con un rapporto larghezza/distanza di almeno 1/3.
- 3. Dispositivo incapsulato secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui l'incapsulamento comprende un cappuccio di protezione (7; 33; 63; 73) delimitante la camera (4; 64; 74) e definente una superficie esterna (9).
- 4. Dispositivo incapsulato secondo la rivendicazione 3, in cui la struttura repellente ai liquidi comprende una nanostruttura rugosa (16) formata dalla superficie esterna (9) del cappuccio di protezione (7; 63; 73) almeno in corrispondenza della zona permeabile all'aria (17) e presenta una pluralità di microrilievi (20, 20').
- 5. Dispositivo incapsulato secondo la rivendicazione 4, in cui la nanostruttura rugosa (16), in corrispondenza della zona permeabile all'aria (17), ha un valore di rugosità compreso fra 1 e 3 μm e scostamento massimo compreso tra 2 e 20 μm.
- 6. Dispositivo incapsulato secondo la rivendicazione 4 o 5, in cui i microrilievi (20; 50) hanno struttura regolare e sono disposti uniformemente sulla superficie esterna (9) o hanno conformazione e disposizione irregolare (20').
- 7. Dispositivo incapsulato secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 3-6, in cui la struttura repellente ai liquidi comprende uno strato idro/lipofobico (30; 53) coprente il cappuccio di protezione (3; 33; 73), almeno nella zona permeabile all'aria (17), e dotato di aperture (55) sovrastanti i fori (15).
- 8. Dispositivo incapsulato la rivendicazione 7, in cui lo strato idro/lipofobico (30; 53) è di un materiale scelto fra teflon, carburo di silicio, resist quale SU-8, metallo, polimero, quale un polimero di C4F8avente angolo di contatto statico superiore a 100°, picco spettrale di assorbimento a numero d'onda compreso fra 1200 e 1300, organometallo, complesso metallici di transizione.
- 9. Dispositivo incapsulato secondo una delle rivendicazioni 3-8, in cui il cappuccio di protezione (7; 63; 73) è di un materiale scelto fra silicio, metallo, materiale plastico, quale un polimero e teflon, ceramica.
- 10. Dispositivo incapsulato secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui la piastrina (6) inteqra un MEMS, in particolare un sensore di pressione.
- 11. Processo di fabbricazione di un dispositivo incapsulato, comprendente le fasi di: formare un incapsulamento (3, 2; 33; 62, 63; 70, 73) delimitante una camera (4; 64; 74); racchiudere una piastrina (6) nell'incapsulamento in modo che la camera circondi almeno una porzione sensibile (7) della piastrina, formare una zona permeabile all'aria (17) nell'incapsulamento includente formare una pluralità di fori (15), e formare una struttura repellente ai liquidi (16; 30; 56) sulla zona permeabile all'aria.
- 12. Processo secondo la rivendicazione 11, in cui la fase di formare una struttura repellente ai liquidi comprende realizzare una struttura ruqosa (16) dotata di microrilievi (20; 20'; 50) su una superficie esterna (9) della zona permeabile all'aria (17), ad esempio tramite attacco chimico o nanolitoqrafia.
- 13. Processo secondo la rivendicazione 11 o 12, in cui la fase di formare una struttura repellente ai liquidi comprende formare uno strato idro/lipofobico (30; 53) al di sopra della superficie esterna (9) della zona permeabile all'aria (17).
- 14. Processo secondo la rivendicazione 13, in cui la fase di formare un incapsulamento comprende prevedere un cappuccio di protezione (7; 33; 63; 73).
- 15. Processo secondo la rivendicazione 14, in cui la fase di formare uno strato idro/lipoidrofobico (30; 53) comprende immergere un cappuccio di protezione (33) in una soluzione o deporre tramite "spinning" di materiale avente caratteristiche idro/lipoidrofobiche.
- 16. Processo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 11-15, in cui la fase di formare una pluralità di fori (15) viene eseguita prima o dopo la fase di formare una struttura repellente ai liquidi.
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