ITTO20130350A1 - Assemblaggio a livello di fetta di un dispositivo sensore mems e relativo dispositivo sensore mems - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

“ASSEMBLAGGIO A LIVELLO DI FETTA DI UN DISPOSITIVO SENSORE MEMS E RELATIVO DISPOSITIVO SENSORE MEMSâ€

La presente invenzione à ̈ relativa ad un assemblaggio a livello di fetta di un dispositivo sensore MEMS; in particolare, la seguente descrizione farà riferimento, senza per questo perdere in generalità, all’assemblaggio di un dispositivo sensore MEMS includente un trasduttore acustico.

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

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

La struttura di rilevamento micromeccanica di un trasduttore acustico MEMS, di tipo capacitivo, comprende generalmente un elettrodo mobile, realizzato come diaframma o membrana, disposto affacciato ad un elettrodo sostanzialmente fisso. L’elettrodo mobile à ̈ generalmente ancorato, mediante una sua porzione perimetrale, ad un substrato, mentre una sua porzione centrale à ̈ libera di muoversi o flettersi in risposta ad onde di pressione acustica incidenti su una sua superficie. L’elettrodo mobile e l’elettrodo fisso realizzano i piatti di un condensatore di rilevamento, e la flessione della membrana che costituisce l’elettrodo mobile causa una variazione di capacità di tale condensatore di rilevamento. In uso, la variazione di capacità viene trasformata da una opportuna elettronica di elaborazione in un segnale elettrico, che viene fornito come segnale di uscita del trasduttore acustico MEMS.

Un trasduttore acustico MEMS di tipo noto à ̈ ad esempio descritto in dettaglio nella domanda di brevetto US 2010/0158279 A1 (a cui si fa qui riferimento), a nome della Richiedente.

In figura 1 viene mostrata, a titolo di esempio, una porzione della struttura di rilevamento micromeccanica del trasduttore acustico, indicata in generale con 1.

La struttura di rilevamento micromeccanica 1 comprende un substrato 2 di materiale semiconduttore, ed una membrana, (o diaframma) 3, mobile; la membrana 3 à ̈ formata di materiale conduttivo ed à ̈ affacciata ad un elettrodo fisso o piastra rigida 4, generalmente nota come piastra posteriore (“back plate†), la quale à ̈ appunto rigida, per lo meno se comparata con la membrana 3, che à ̈ invece flessibile e si deforma in funzione delle onde di pressione acustica incidenti.

La membrana 3 Ã ̈ ancorata al substrato 2 per mezzo di ancoraggi di membrana 5, formati da protuberanze della stessa membrana 3, le quali si estendono, a partire da regioni periferiche della membrana 3 verso lo stesso substrato 2.

Ad esempio, la membrana 3 ha, in pianta, ovvero in un piano orizzontale di estensione principale, una forma genericamente quadrata, e gli ancoraggi di membrana 5, in numero pari a quattro, sono disposti in corrispondenza dei vertici del quadrato.

Gli ancoraggi di membrana 5 assolvono la funzione di sospendere la membrana 3 al di sopra del substrato 2, ad una certa distanza da esso; il valore di tale distanza à ̈ funzione di un compromesso fra la linearità di risposta alle basse frequenze e la rumorosità del trasduttore acustico.

Al fine di consentire il rilascio degli stress (tensili e/o compressivi) residui nella membrana 3, ad esempio derivanti dal processo di fabbricazione, possono essere formate aperture passanti 3' attraverso la membrana 3, in particolare in prossimità di ciascun ancoraggio di membrana 5, al fine di “equalizzare†la pressione statica presente sulle superfici della stessa membrana 3.

La piastra rigida 4 Ã ̈ formata da un primo strato di piastra 4a, di materiale conduttivo e affacciato alla membrana 3, e da un secondo strato di piastra 4b, di materiale isolante.

Il primo strato di piastra 4a forma, insieme alla membrana 3, il condensatore di rilevamento della struttura di rilevamento micromeccanica 1.

In particolare, il secondo strato di piastra 4b à ̈ sovrapposto al primo strato di piastra 4a, ad eccezione di porzioni in cui si estende attraverso il primo strato di piastra 4a, in modo da formare protuberanze 6 della piastra rigida 4, le quali si estendono verso la sottostante membrana 3 ed hanno la funzione di prevenire l’adesione della membrana 3 alla piastra rigida 4, nonché di limitare le oscillazioni della stessa membrana 3.

Ad esempio, lo spessore della membrana 3 à ̈ compreso nell’intervallo 0,3–1,5 µm, ad esempio à ̈ pari a 0,7 µm; lo spessore del primo strato di piastra 4a à ̈ compreso nell’intervallo 0,5-2 µm, ad esempio à ̈ pari a 0,9 µm; e lo spessore del secondo strato di piastra 4b à ̈ compreso nell’intervallo 0,7-2 µm, ad esempio à ̈ pari a 1,2 µm.

La piastra rigida 4 presenta inoltre una pluralità di fori 7, i quali si estendono attraverso il primo ed il secondo strato di piastra 4a, 4b, hanno sezione ad esempio circolare ed assolvono la funzione di favorire, durante le fasi di fabbricazione, la rimozione degli strati sacrificali sottostanti; i fori 7 sono ad esempio disposti a formare un reticolo, in un piano orizzontale, parallelo al substrato. Inoltre, in uso, i fori 7 consentono la libera circolazione di aria tra la piastra rigida 4 e la membrana 3, rendendo di fatto acusticamente trasparente la stessa piastra rigida 4. I fori 7 fungono dunque da porta acustica, per permettere alle onde di pressione acustica di raggiungere e deformare la membrana 3.

La piastra rigida 4 Ã ̈ ancorata al substrato 2 per mezzo di ancoraggi di piastra 8, i quali si raccordano a regioni periferiche della stessa piastra rigida 4.

In particolare, gli ancoraggi di piastra 8 sono formati da pilastri verticali (ovvero estendentisi in direzione ortogonale al piano orizzontale ed al substrato 2), realizzati dello stesso materiale conduttivo del primo strato di piastra 4a, e formanti dunque un unico pezzo con la piastra rigida 4; in altre parole, il primo strato di piastra 4a presenta prolungamenti che si estendono fino ad arrivare al substrato 2, definendo gli ancoraggi della piastra rigida 4.

La membrana 3 à ̈ sospesa e si affaccia direttamente su una prima cavità 9a, formata all’interno del, ed attraverso il substrato 2, mediante uno scavo passante a partire da una sua superficie posteriore 2b, la quale à ̈ opposta ad una superficie anteriore 2a dello stesso substrato 2, sulla quale poggiano gli ancoraggi di membrana 5 (la prima cavità 9a definisce dunque un foro passante che si estende tra la superficie anteriore 2a e la superficie posteriore 2b del substrato 2); in particolare, la superficie anteriore 2a giace nel piano orizzontale.

La prima cavità 9a à ̈ anche nota come camera posteriore (“back chamber†), nel caso in cui le onde di pressione acustica incidano prima sulla piastra rigida 4, e successivamente sulla membrana 3. In tal caso, la camera anteriore (“front chamber†) à ̈ formata da una seconda cavità 9b, delimitata superiormente ed inferiormente, rispettivamente, dal primo strato di piastra 4a e dalla membrana 3.

Alternativamente, à ̈ comunque possibile che le onde di pressione raggiungano la membrana 3 attraverso la prima cavità 9a, la quale in tal caso assolve la funzione di porta di accesso acustico, e, quindi, di camera anteriore.

In maggior dettaglio, la membrana 3 ha una prima ed una seconda superficie principale 3a, 3b, le quali sono tra loro opposte e si affacciano rispettivamente alla prima ed alla seconda cavità 9a, 9b, essendo dunque in comunicazione fluidica con, rispettivamente, la camera posteriore e la camera anteriore del trasduttore acustico.

Inoltre, la prima cavità 9a à ̈ formata da due porzioni di cavità 9a', 9a": una prima porzione di cavità 9a' à ̈ disposta in corrispondenza della superficie anteriore 2a del substrato 2 e presenta una prima estensione nel piano orizzontale; la seconda porzione di cavità 9a" à ̈ disposta in corrispondenza della superficie posteriore 2b del substrato 2 e presenta una seconda estensione nel piano orizzontale, maggiore della prima estensione.

In modo noto, la sensibilità del trasduttore acustico dipende dalle caratteristiche meccaniche della membrana 3, nonché dall’assemblaggio della membrana 3 e della piastra rigida 4 all’interno di un relativo contenitore (package), che costituisce l’interfaccia del trasduttore acustico nei confronti dell’ambiente esterno.

In particolare, le prestazioni del trasduttore acustico dipendono dal volume della camera posteriore e dal volume della camera anteriore. Il volume della camera anteriore determina la frequenza superiore di risonanza del trasduttore acustico, e quindi le sue prestazioni per le alte frequenze; in generale, infatti, minore à ̈ il volume della camera anteriore, maggiore à ̈ la frequenza di taglio superiore del trasduttore acustico. Inoltre, un elevato volume della camera posteriore consente di migliorare la risposta in frequenza e la sensibilità dello stesso trasduttore acustico.

Il package del trasduttore acustico deve essere configurato in modo da alloggiare non soltanto la struttura di rilevamento micromeccanica 1, ma anche l’elettronica di lettura ad essa associata, generalmente realizzata come un circuito elettronico ASIC, accoppiato elettricamente alla struttura di rilevamento micromeccanica 1. In fase di progetto, si deve inoltre considerare il fatto che i trasduttori acustici lavorano tipicamente in ambienti di lavoro sfavorevoli, ad esempio soggetti ad elevate radiazioni RF e disturbi elettromagnetici (quando integrati in telefoni cellulari, o simili dispositivi di comunicazione wireless).

Svariati sono dunque i vincoli imposti all’assemblaggio del trasduttore acustico MEMS ed al relativo package, che ne rendono particolarmente problematica la progettazione, dove siano richieste dimensioni compatte.

Una soluzione di assemblaggio che à ̈ stata proposta prevede la realizzazione di due distinte piastrine (die) di materiale semiconduttore, un primo die per la struttura di rilevamento micromeccanica ed un secondo die per la circuiteria di lettura.

In una soluzione di questo tipo, mostrata schematicamente in figura 2 (e descritta ad esempio nel brevetto US 6,781,231), un primo die 10, integrante la struttura di rilevamento micromeccanica 1 (mostrata qui schematicamente), ed un secondo die 11, integrante un circuito elettronico ASIC 11' dell’elettronica di lettura, sono accoppiati affiancati (side-by-side) su uno strato di supporto 12 di un relativo package 14. Connessioni elettriche 15 tra il primo ed il secondo die 11, 12 sono realizzate mediante fili elettrici con la tecnica del wirebonding, mentre opportuni strati di metallizzazione e vias (non mostrati in dettaglio) sono previsti nello strato di supporto 12 per il routing dei segnali elettrici verso l’esterno del package 14.

Allo strato di supporto 12 à ̈ inoltre accoppiata una copertura 16 del package 14, che racchiude al suo interno il primo ed il secondo die 11, 12; tale copertura 16 può essere metallica o plastica pre-stampata (pre-molded) con strati interni di metallizzazione tali da prevenire il disturbo di segnali elettromagnetici esterni (mediante la realizzazione di una sorta di gabbia di Faraday).

La copertura 16 presenta inoltre un’apertura 18 per consentire l’introduzione di onde di pressione acustica; vantaggiosamente, a tale apertura 18 può essere accoppiato uno schermo per la luce incidente (non illustrato), oppure un filtro (anch’esso non illustrato) per prevenire l’accesso all’interno della copertura 16 di particelle di polvere o altro materiale.

Piazzole (non mostrate) sono previste sulla parte inferiore dello strato di supporto 12 per la saldatura e la connessione elettrica ad un circuito stampato esterno.

Tale soluzione di assemblaggio non à ̈ tuttavia esente da inconvenienti, tra cui il fatto di richiedere dimensioni elevate per accomodare affiancati i due die del trasduttore acustico e per la realizzazione del relativo package. Inoltre, tale soluzione non offre al progettista un’ampia libertà (come invece sarebbe desiderato) nel dimensionamento delle camere del trasduttore acustico, per la determinazione delle sue caratteristiche elettriche.

Sono state pertanto proposte differenti soluzioni di assemblaggio in contenitore per trasduttori acustici MEMS, tra cui ad esempio quelle descritte nei documenti US 6,088,463, US 2007/0189568, WO 2007/112743, EP 2 252 077, EP 2 517 480.

Tuttavia, anche tali soluzioni non risultano ottimizzate per quanto riguarda le dimensioni, i costi di assemblaggio e le caratteristiche elettriche dei sensori.

È pertanto sicuramente sentita nel settore l’esigenza di realizzare un opportuno assemblaggio di un dispositivo sensore MEMS, che consenta di soddisfare le esigenze indicate di bassi costi di realizzazione, elevate prestazioni ed affidabilità, e dimensioni contenute.

Scopo della presente invenzione à ̈ quello di risolvere, almeno in parte, tali problematiche.

Secondo la presente invenzione viene pertanto fornito un assemblaggio di un dispositivo sensore 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:

- la figura 1 Ã ̈ una rappresentazione schematica in sezione di una porzione di una struttura di rilevamento micromeccanica di un dispositivo sensore MEMS, di tipo noto;

- la figura 2 una rappresentazione schematica del dispositivo sensore MEMS, con il relativo contenitore;

- la figura 3 Ã ̈ una sezione schematica di una prima forma di realizzazione di un assemblaggio di un dispositivo sensore MEMS secondo la presente soluzione;

- la figura 4 à ̈ una vista schematica in pianta relativa all’assemblaggio di figura 3;

- la figura 5 à ̈ una sezione schematica di una variante dell’assemblaggio di figura 3;

- la figura 6 à ̈ una sezione schematica di una ulteriore variante dell’assemblaggio di figura 3;

- la figura 7 à ̈ una sezione schematica di una seconda forma di realizzazione dell’assemblaggio del dispositivo sensore MEMS;

- la figura 8 à ̈ una sezione schematica di una variante dell’assemblaggio di figura 7;

- la figura 9 à ̈ una sezione schematica di una ulteriore variante dell’assemblaggio di figura 7;

- la figura 10 Ã ̈ uno schema a blocchi di un apparecchio elettronico includente il dispositivo sensore MEMS; e

- la figura 11 à ̈ una sezione schematica di una ulteriore forma di realizzazione dell’assemblaggio del dispositivo sensore MEMS.

Come sarà descritto in dettaglio in seguito, l’idea generale alla base della presente soluzione prevede di utilizzare gli stessi die che integrano la struttura di rilevamento micromeccanica ed il relativo circuito elettronico ASIC, come interfacce dirette di un dispositivo sensore MEMS nei confronti dell’ambiente esterno, sia per quanto riguarda il collegamento meccanico ed elettrico, ad esempio ad un circuito stampato, sia per quanto riguarda l’accoppiamento con la, o le grandezze meccaniche da rilevare. L’assemblaggio del dispositivo sensore MEMS non prevede dunque la presenza di un contenitore, e superfici esterne di tale assemblaggio, destinate al contatto elettrico e meccanico con l’ambiente esterno, sono costituite da facce esterne dei suddetti die.

La figura 3 mostra una prima forma di realizzazione di un assemblaggio di un dispositivo sensore MEMS, indicato nel suo insieme con 20.

Il dispositivo sensore MEMS 20 comprende un primo die 21, includente materiale semiconduttore, in particolare silicio, integrante una struttura micromeccanica di rilevamento 22.

Ad esempio, la struttura micromeccanica di rilevamento 22, illustrata schematicamente, definisce un trasduttore acustico, essendo realizzata come descritto con riferimento alla figura 1 (per cui verranno nel seguito utilizzati gli stessi numeri di riferimento per indicare elementi analoghi).

La struttura micromeccanica di rilevamento 22 comprende dunque: un substrato 2, attraverso il cui spessore à ̈ realizzata la prima cavità 9a, avente in pianta (ovvero, in un piano orizzontale xy) forma genericamente poligonale, ad esempio quadrata; una membrana 3, sospesa al di sopra della prima cavità 9a ed in grado di deformarsi in funzione delle onde di pressione acustica incidenti; ed una piastra rigida 4, collegata meccanicamente al substrato 2 ed accoppiata capacitivamente alla membrana 3.

In particolare, nella forma di realizzazione descritta, il primo die 21 costituisce una porzione inferiore dell’assemblaggio (rispetto ad un asse verticale z ortogonale al piano orizzontale xy), destinata ad un collegamento meccanico ed elettrico ad un circuito stampato esterno (non illustrato).

Ad esempio, il primo die 21 presenta uno spessore, lungo un asse verticale z, ortogonale al piano orizzontale xy, pari a 200 µm.

Il primo die 21 presenta una faccia principale esterna 21a, giacente nel piano orizzontale xy, destinata ad essere direttamente a contatto con l’ambiente esterno, qui indicato in generale con 100, ed al contatto elettrico e meccanico con il suddetto circuito stampato esterno (fungendo dunque da superficie esterna dell’intero assemblaggio), che porta a tal fine opportuni elementi di collegamento elettrico esterno 26, quali ad esempio piazzole (land) o rigonfiamenti conduttivi (bump), a seconda della particolare tecnologia di collegamento utilizzata (ad esempio, LGA – Land Grid Array, o BGA – Ball Grid Array).

Il primo die 21 presenta inoltre una faccia principale interna 21b, opposta verticalmente rispetto alla faccia principale esterna 21a, in corrispondenza della quale à ̈ realizzata la membrana 3 del trasduttore acustico, ed alla quale à ̈ accoppiato il piatto rigido 4 dello stesso trasduttore acustico.

Il primo die 21 presenta inoltre facce laterali 21c, 21d, disposte parallelamente all’asse verticale z, anche esse in comunicazione con l’ambiente esterno e costituenti superfici esterne dell’intero assemblaggio.

Nell’esempio illustrato, in cui il dispositivo sensore MEMS 20 include un trasduttore acustico, la prima cavità 9a termina in corrispondenza della suddetta faccia principale esterna 21a e costituisce una porta di ingresso per le onde di pressione acustica; in altre parole, la prima cavità 9a costituisce la cosiddetta camera anteriore del trasduttore acustico. Gli elementi di connessione elettrica 26 sono disposti lateralmente rispetto alla prima cavità 9a.

Tale soluzione di assemblaggio si definisce di tipo “bottom port†, con porta di accesso acustico in corrispondenza della porzione inferiore dell’assemblaggio, atta ad essere disposta in prossimità del circuito stampato esterno.

Il dispositivo sensore MEMS 20 comprende inoltre un secondo die 28, includente materiale semiconduttore, in particolare silicio, integrante un circuito elettronico ASIC 29 (mostrato schematicamente), accoppiato alla struttura di rilevamento micromeccanica 22.

In particolare, il secondo die 28 presenta una rispettiva faccia principale esterna 28a, destinata ad essere in comunicazione diretta con l’ambiente esterno (fungendo dunque da superficie esterna dell’intero assemblaggio); ed una rispettiva faccia principale interna 28b, che si affaccia alla faccia principale interna 21b del primo die 21 ed à ̈ ad essa accoppiata meccanicamente ed elettricamente. Il circuito elettronico ASIC 29 à ̈ ad esempio realizzato in corrispondenza di una porzione della faccia principale interna 28b del secondo die 28.

Inoltre, il secondo die 28 presenta facce laterali 28c, 28d, disposte parallelamente all’asse verticale z, anche esse in comunicazione con l’ambiente esterno e costituenti, insieme alle facce laterali 21c, 21d del primo die 21, superfici laterali esterne dell’intero assemblaggio.

Ad esempio, il secondo die 28 presenta uno spessore, lungo l’asse verticale z, pari a 700 µm.

Nel secondo die 28, a partire dalla faccia principale interna 28b, à ̈ presente una seconda cavità 9b, che si posiziona in corrispondenza della struttura micromeccanica di rilevamento 22, e delle relative membrana 3 e piastra rigida 4; in particolare, tale seconda cavità 9b à ̈ delimitata superiormente, parallelamente alla superficie della faccia principale interna 28b ed al piano orizzontale xy, da una parete di fondo 30', che risulta separata dalla faccia principale esterna 28a da una porzione del secondo die 28 avente spessore minore dell’intero spessore dello stesso secondo die 28, e lateralmente da pareti laterali 30". Ad esempio, la seconda cavità 9b ha in pianta forma quadrata o rettangolare.

Nella forma di realizzazione descritta, la seconda cavità 9b rappresenta la cosiddetta camera posteriore del trasduttore acustico MEMS; più in generale, la presenza della seconda cavità 9b può consentire la deformazione di elementi deformabili della struttura micromeccanica di rilevamento 22 (ad esempio una membrana o diaframma).

Primi elementi di collegamento elettrico interno 31 (costituiti da piazzole o piste di materiale conduttivo, mostrate schematicamente), interposti tra le facce principali interne 21b, 28b del primo e del secondo die 21, 28, collegano elettricamente la struttura micromeccanica 22 con il circuito elettronico ASIC 29 (ad esempio collegano opportuni contatti elettrici accoppiati alla membrana 3 ed alla piastra rigida 4 con opportuni elementi circuitali del suddetto circuito elettronico ASIC 29). Inoltre, secondi elementi di collegamento elettrico interno 32, interposti anch’essi tra le facce principali interne 21b, 28b del primo e del secondo die 21, 28, collegano elettricamente il circuito elettronico ASIC 29 con gli elementi di collegamento elettrico esterno 26 tramite vie passanti (TSV – Through Silicon Vias) 33, che attraversano per l’intero spessore il primo die 21.

In maniera di per sé nota, la disposizione delle vie passanti 33 consente di instradare opportunamente i segnali elettrici provenienti dal circuito elettronico ASIC 29 verso gli elementi di collegamento esterno 26.

Una struttura di accoppiamento 35, ad esempio includente un anello di bonding (bonding ring), ad esempio di materiale metallico, accoppia inoltre meccanicamente il primo die 21 al secondo die 28; tale struttura di accoppiamento 35 Ã ̈ disposta esternamente rispetto ai primi e secondi elementi di collegamento elettrico interno 31, 32, e circonda lateralmente la struttura micromeccanica 22 (e le relative membrana 3 e piastra rigida 4).

La struttura di accoppiamento 35 realizza inoltre lateralmente una chiusura a tenuta per l’assemblaggio tra il primo die 21 ed il secondo die 28.

Un possibile layout degli elementi di accoppiamento meccanico ed elettrico precedentemente descritti à ̈ ad esempio illustrato schematicamente in figura 4, in cui sono inoltre illustrati, nuovamente in maniera schematica, i collegamenti elettrici della membrana 3 e della piastra rigida 4 con relativi primi elementi di collegamento elettrico interno 31, e secondi elementi di collegamento elettrico interno 32.

Vantaggiosamente, almeno uno tra, o entrambi, il primo die 21 ed il secondo die 28 possono avere un elevato livello di drogaggio, in modo tale da realizzare una sorta di gabbia di Faraday e ridurre così i disturbi elettromagnetici.

Nella forma di realizzazione descritta, nuovamente in maniera vantaggiosa, il volume della camera anteriore del trasduttore acustico risulta ridotto (rispetto a soluzioni note, quale quella illustrata in figura 2, in cui tale volume non può essere ridotto a causa della conformazione del package), ed il volume della camera posteriore risulta aumentato (nuovamente rispetto a soluzioni note, in cui tale volume à ̈ limitato dalla conformazione del die integrante la struttura di rilevamento micromeccanica).

Come mostrato in figura 5, una variante della forma di realizzazione descritta prevede che il dispositivo sensore MEMS 20 includa almeno un ulteriore trasduttore, ad esempio un trasduttore di pressione o di umidità.

In particolare, il dispositivo sensore MEMS 20 comprende un terzo die 40, integrante una relativa struttura di rilevamento micromeccanica 41, ad esempio atta a rilevare un valore di pressione o di umidità, accoppiato al secondo die 28, all’interno della seconda cavità 9b.

In dettaglio, il terzo die 40 presenta una prima faccia principale 40a, in corrispondenza della quale à ̈ realizzata la struttura di rilevamento micromeccanica 41, ed una seconda faccia principale 40b, accoppiata meccanicamente (ad esempio mediante uno strato di materiale adesivo, non illustrato) alla parete di fondo 30' della seconda cavità 9b.

Si sottolinea che attraverso la prima camera 9a (la camera anteriore del trasduttore acustico), ed i fori realizzati attraverso la membrana 3 ed il piatto rigido 4, si realizza un cammino fluidico tra l’ambiente esterno 100 e la struttura micromeccanica di rilevamento 41 realizzata nel terzo die 40; in altre parole, le onde di pressione acustica, o in generale l’atmosfera proveniente dall’ambiente esterno, che attraversano il trasduttore acustico MEMS investono la struttura micromeccanica di rilevamento 41, consentendo il rilevamento della ulteriore grandezza esterna di interesse.

Opportuni elementi di collegamento elettrico 44, ad esempio sotto forma di fili elettrici, collegano prime piazzole di contatto 45 portate dalla prima faccia principale 40a a seconde piazzole di contatto 46 portate dalla parete di fondo 30' della seconda cavità 9b. Tali seconde piazzole di contatto 46 sono a loro volta collegate, ad esempio mediante piste conduttive 47 (illustrate schematicamente soltanto in questa figura) che corrono sulla stessa parete di fondo 30' e/o su almeno una delle pareti laterali 30", ai primi e/o secondi elementi di collegamento elettrico interno 31, 32, ed al circuito elettronico ASIC 29.

In maniera alternativa, gli elementi di collegamento elettrico 44 potrebbero collegare direttamente le prime piazzole di contatto 45 ai suddetti primi e/o secondi elementi di collegamento elettrico interno 31, 32.

Vantaggiosamente, tale soluzione consente di realizzare un dispositivo sensore MEMS multifunzione integrato, con la tecnologia dei semiconduttori, in grado di rilevare più di una grandezza ambientale, ad esempio le onde acustiche e la pressione e/o l’umidità presente nell’ambiente esterno, utilizzando un unico circuito elettronico ASIC 29 in comune tra i vari trasduttori (il quale a sua volta comunica con il circuito stampato esterno).

Come illustrato in figura 6, una ulteriore variante della forma di realizzazione illustrata prevede la presenza di un quarto die 48, integrante una rispettiva struttura micromeccanica di rilevamento 49 (ad esempio per realizzare un trasduttore di umidità, nel caso in cui il terzo die 40 integri un trasduttore di pressione), accoppiato al secondo die 28, in maniera sostanzialmente analoga a quanto illustrato per il terzo die 40. In particolare, il quarto die 48 presenta una prima faccia principale 48a, in corrispondenza della quale à ̈ realizzata la struttura micromeccanica di rilevamento 49, ed una seconda faccia principale 48b accoppiata alla parete di fondo 30' della seconda cavità 9b; il terzo die 48 risulta affiancato al terzo die 40 all’interno della seconda cavità 9b.

Vantaggiosamente, tale soluzione consente di incrementare ulteriormente la caratteristica di multifunzionalità del dispositivo sensore MEMS 20 per quanto riguarda il rilevamento delle grandezze ambientali.

Con riferimento alla figura 7, viene ora descritta una seconda forma di realizzazione dell’assemblaggio del dispositivo sensore MEMS, qui indicato con 20', di tipo “top port†, ovvero con porta di ingresso acustica posta in corrispondenza della parte superiore dell’assemblaggio (ovvero, a distanza del circuito stampato esterno, a cui lo stesso assemblaggio à ̈ destinato ad accoppiarsi).

Il dispositivo sensore MEMS 20' risulta sostanzialmente capovolto rispetto all’asse verticale z, se confrontato con la prima forma di realizzazione descritta precedentemente.

In particolare, in questo caso, la faccia principale esterna 28a del secondo die 28 Ã ̈ accoppiata meccanicamente ed elettricamente al circuito stampato esterno (anche in questo caso non illustrato), mediante gli elementi di collegamento elettrico esterno 26, qui portati dalla stesa faccia principale esterna 28a.

La prima cavità 9a realizzata nel primo die 21 funge qui da camera anteriore del trasduttore acustico MEMS, per l’ingresso delle onde di pressione acustica, mentre la seconda cavità 9b realizzata nel secondo die 28 funge da camera posteriore; la prima cavità 9a à ̈ posta in comunicazione diretta con l’ambiente esterno 100, in corrispondenza della faccia principale esterna 21a dello stesso primo die 21.

Inoltre, le vie passanti 33 si estendono in tal caso attraverso il secondo die 28.

Varianti di questa forma di realizzazione, illustrate nelle figure 8 e 9, possono nuovamente prevedere che il dispositivo sensore MEMS 20' comprenda ulteriori die (il terzo die 40 ed eventualmente anche il quarto die 48) con le rispettive strutture micromeccaniche di rilevamento 41 e 49, per la realizzazione di un dispositivo di rilevamento ambientale multifunzionale.

In figura 10 viene illustrato schematicamente un apparecchio elettronico 50 che utilizza il dispositivo sensore MEMS 20,20', comprendente una o più strutture di rilevamento micromeccaniche 22,41,49 per il rilevamento di rispettive grandezze (ad esempio di tipo ambientale) ed un unico circuito elettronico ASIC 29 per l’elaborazione dei segnali elettrici trasdotti.

L’apparecchio elettronico 50 comprende, oltre al dispositivo sensore MEMS 20,20' un microprocessore 54, un blocco di memoria 55, collegato al microprocessore 54, ed un’interfaccia di ingresso/uscita 56, ad esempio includente una tastiera ed un video, anch’essa collegata con il microprocessore 54. Inoltre, può essere presente un altoparlante 58, per generare un suono su un’uscita audio (non mostrata) dell’apparecchio elettronico 50.

In particolare, l’apparecchio elettronico 50 comprende un circuito stampato 59, a cui sono accoppiati meccanicamente ed elettricamente il dispositivo sensore MEMS 20,20' e, tra l’altro, il microprocessore 54 ed il blocco di memoria 55.

L’apparecchio elettronico 50 à ̈ preferibilmente un dispositivo di comunicazione mobile, come ad esempio un cellulare, un PDA, un notebook, ma anche un registratore vocale, un lettore di file audio con capacità di registrazione vocale, ecc. In alternativa, il dispositivo elettronico 50 può essere un idrofono, in grado di lavorare sott’acqua.

I vantaggi della soluzione descritta emergono in maniera evidente dalla discussione precedente.

Si sottolinea comunque nuovamente il fatto che risulta possibile ottenere un assemblaggio di un dispositivo sensore MEMS particolarmente compatto, con bassi costi di fabbricazione e con elevate prestazioni elettriche. Il procedimento di fabbricazione risulta semplificato, così come il test elettrico del dispositivo sensore.

In particolare, l’assenza di un contenitore come interfaccia verso l’ambiente esterno consente di ottenere un evidente risparmio nell’occupazione di area e una semplificazione del processo di fabbricazione, dato che lo stesso processo può essere interamente eseguito con fasi cosiddette di “front end†, con tecniche e strumenti tradizionali.

Ad esempio, la presente Richiedente ha verificato la possibilità di realizzare un assemblaggio con dimensioni, nel piano orizzontale xy, pari a 2mm x 2mm, inferiori rispetto a dimensioni di assemblaggi noti (ad esempio del tipo mostrato in figura 2, avente ad esempio, a parità di dimensioni per il primo ed il secondo die 21, 28, dimensioni pari a 2,5mm x 3,35mm).

Inoltre, l’assemblaggio descritto consente vantaggiosamente un incremento delle prestazioni di un associato trasduttore acustico, grazie al vantaggioso dimensionamento delle camere anteriore e posteriore.

Risulta particolarmente vantaggiosa la possibilità di realizzare l’intero assemblaggio del dispositivo sensore MEMS con materiale semiconduttore, ad esempio silicio (senza la presenza di differenti materiali, ad esempio plastici o ceramici, di un relativo contenitore); inoltre, l’opportuno drogaggio di tale materiale semiconduttore può consentire la schermatura dai disturbi elettromagnetici.

Inoltre, i vantaggi sopra menzionati sono ancora più rilevanti nel caso in cui il dispositivo sensore MEMS realizzi un dispositivo di rilevamento multifunzionale, grazie all’integrazione nell’unico assemblaggio di più strutture micromeccaniche di rilevamento accoppiate ad un unico circuito elettronico di lettura.

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, si ribadisce il fatto che la soluzione di assemblaggio descritta può essere vantaggiosamente applicata anche per dispositivi sensori MEMS che non includano un trasduttore acustico, ad esempio per sensori di pressione o di umidità.

Ad esempio, la figura 11 mostra una ulteriore forma di realizzazione, in cui il substrato 2 del primo die 21 comprende una struttura micromeccanica di rilevamento 22 atta a realizzare un sensore di pressione, ed includente in tal caso una membrana, o diaframma, 60, sospesa al di sopra di una cavità 62, sepolta all’interno del substrato 2 e realizzata in corrispondenza della faccia principale interna 21b del primo die 21.

In particolare, la struttura micromeccanica di rilevamento 22 Ã ̈ realizzata qui in una porzione disaccoppiata 64 del substrato 2, che risulta disaccoppiata meccanicamente dalla restante parte dello stesso substrato 2, indicata con 65, secondo le tecniche descritte in dettaglio nella domanda di brevetto US 13/719,103 del 18/12/2012 a nome della stesa Richiedente.

La porzione disaccoppiata 64 à ̈ collegata mediante elementi elastici 66 alla restante parte 65 del substrato 2, ed à ̈ inoltre sospesa al di sopra della prima cavità 9a realizzata nello stesso primo die 21, in modo tale da non risultare direttamente a contatto dell’ambiente esterno 100 e del circuito stampato 59 (la prima cavità 9a risulta dunque interposta tra l’ambiente esterno 100 e la porzione disaccoppiata 64, e la relativa struttura micromeccanica di rilevamento 22 integrata nella stessa).

Vantaggiosamente, come del resto evidenziato nella suddetta domanda di brevetto US 13/719,103, tale configurazione consente di disaccoppiare meccanicamente la struttura micromeccanica di rilevamento 22 dall’ambiente esterno 100, e di eliminare o ridurre notevolmente qualsiasi sollecitazione indotta dallo stesso ambiente esterno (che potrebbe causare ad esempio deformazioni, o in generale stress meccanici indesiderati, nella struttura micromeccanica di rilevamento 22).

Secondo ulteriori varianti, la prima e/o la seconda cavità 9a, 9b possono non essere presenti; ad esempio la seconda cavità 9b nel secondo die 28 (come del resto mostrato nella suddetta figura 11), nel caso in cui non sia richiesto uno spazio vuoto al di sopra della struttura micromeccanica realizzata nel primo die 21.

Inoltre, la forma geometrica delle stesse cavità 9a, 9b può essere differente; ad esempio, le pareti laterali 30" della seconda cavità 9b possono essere inclinate di un angolo non nullo rispetto all’asse verticale z, in funzione del procedimento di attacco chimico utilizzato per la formazione della stessa seconda cavità 9b.

Claims (16)

1. RIVENDICAZIONI 1. Assemblaggio di un dispositivo sensore MEMS (20,20'), comprendente: un primo die (21), integrante, in corrispondenza di una sua faccia principale interna (21b), una struttura di rilevamento micromeccanica (22), ed avente una faccia principale esterna (21a), opposta alla faccia principale interna (21b); un secondo die (28), integrante un circuito elettronico (29) operativamente associato a detta struttura di rilevamento micromeccanica (22), ed avente una rispettiva faccia principale interna (28b), accoppiata alla faccia principale interna (21b) di detto primo die (21), ed una rispettiva faccia principale esterna (28a), opposta alla rispettiva faccia principale interna (28b), caratterizzato dal fatto che entrambe le facce principali esterne (21a, 28a) di detti primo (21) e secondo (28) die sono atte ad essere disposte direttamente a contatto con un ambiente esterno (100), disposto esternamente a detto assemblaggio.
2. 2. Assemblaggio secondo la rivendicazione 1, in cui dette facce principali esterne (21a, 28a) di detti primo (21) e secondo (28) die giacciono in un piano orizzontale (xy), e detti primo (21) e secondo (28) die sono accoppiati in una direzione verticale (z), trasversale a detto piano orizzontale (xy).
3. 3. Assemblaggio secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui detti primo (21) e secondo (28) die sono destinati ad essere accoppiati meccanicamente ed elettricamente all’ambiente esterno (100) senza l’interposizione di un contenitore.
4. 4. Assemblaggio secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui una tra le facce principali esterne (21a; 28a) di detti primo (21) e secondo (28) die à ̈ destinata ad essere direttamente accoppiata ad un circuito stampato esterno (59).
5. 5. Assemblaggio secondo la rivendicazione 4, in cui detta faccia principale esterna (21a; 28a), destinata ad essere direttamente accoppiata ad un circuito stampato esterno (59), porta elementi di connessione elettrica (26) per il collegamento elettrico a detto circuito stampato esterno (59).
6. 6. Assemblaggio secondo la rivendicazione 5, in cui, interposti tra dette facce principali interne (21b, 28b) di detti primo (21) e secondo (28) die, sono presenti: primi elementi di connessione elettrica (31) per il collegamento elettrico di detta struttura di rilevamento micromeccanica (22) a detto circuito elettronico (29); e secondi elementi di connessione elettrica (32), per il collegamento elettrico verso gli elementi di connessione elettrica (26) portati da detta faccia principale esterna (21a; 28a), mediante vie passanti (33) attraversanti detto primo (21), o secondo (28), die.
7. 7. Assemblaggio secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente: un anello di accoppiamento (35), per l’accoppiamento meccanico a tenuta tra detti primo (21) e secondo (28) die, circondante lateralmente detta struttura di rilevamento micromeccanica (22).
8. 8. Assemblaggio secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui una cavità (9b) à ̈ presente in detto secondo die (28), disposta in corrispondenza della struttura di rilevamento micromeccanica (22).
9. 9. Assemblaggio secondo la rivendicazione 8, comprendente inoltre almeno un terzo die (40), integrante una rispettiva struttura di rilevamento micromeccanica (41), alloggiato all’interno di detta cavità (9b) in detto secondo die (28), su una sua parete di fondo (30'), affacciata, a distanza, a detta struttura di rilevamento micromeccanica (22) integrata in detto primo die (21); detta rispettiva struttura di rilevamento micromeccanica (41) essendo collegata elettricamente a detto circuito elettronico (29).
10. 10. Assemblaggio secondo la rivendicazione 9, in cui detta cavità (9b) in detto secondo die (28) presenta pareti laterali (30"), ed in cui detta rispettiva struttura di rilevamento micromeccanica (41) in detto terzo die (40) à ̈ collegata a detto circuito elettronico (29) attraverso piste conduttive (47) disposte, almeno in parte, su dette pareti laterali (30").
11. 11. Assemblaggio secondo la rivendicazione 10 o 11, includente un quarto die (48) integrante una rispettiva struttura di rilevamento micromeccanica (49), alloggiato all’interno di detta cavità (9b) in detto secondo die (28) sulla sua parete di fondo (30'), affiancato a detto terzo die (41); detta rispettiva struttura di rilevamento micromeccanica (48) essendo anch’essa collegata elettricamente a detto circuito elettronico (29).
12. 12. Assemblaggio secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detta struttura di rilevamento micromeccanica (22) realizza un trasduttore acustico, ed include un substrato (2) di materiale semiconduttore in cui à ̈ disposta una rispettiva cavità (9a), una membrana (3) sospesa al di sopra della rispettiva cavità (9a) ed una piastra rigida (4) accoppiata capacitivamente alla membrana (3).
13. 13. Assemblaggio secondo la rivendicazione 12, in cui detta rispettiva cavità (9a) nel primo die (21) à ̈ destinata ad essere a contatto dell’ambiente esterno (100), per l’ingresso di onde di pressione acustica all’interno di detto dispositivo sensore MEMS (20, 20'); ed in cui una cavità (9b) à ̈ presente in detto secondo die (28), disposta in corrispondenza della struttura di rilevamento micromeccanica (22); dette cavità (9a, 9b) in detti primo (21) e secondo (28) die definendo, ciascuna, una rispettiva tra le camere anteriore e posteriore del trasduttore acustico.
14. 14. Assemblaggio secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1-11, in cui detta struttura di rilevamento micromeccanica (22) realizza un sensore di pressione, ed include un substrato (2) di materiale semiconduttore avente una porzione disaccoppiata (64) integrante una membrana (60) sospesa al di sopra di una cavità sepolta (62); in cui detta porzione disaccoppiata (64) à ̈ meccanicamente disaccoppiata da una porzione rimanente (65) di detto substrato (2) mediante elementi elastici (66) ed à ̈ sospesa al di sopra di una rispettiva cavità (9a) realizzata nel primo die (21).
15. 15. Assemblaggio secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detti primo (21) e secondo (28) die presentano facce laterali esterne (21c-21d, 28c-28d), disposte trasversalmente a dette rispettive facce principali esterne (21a, 28a) ed interne (21b, 28b), e disposte direttamente a contatto con detto ambiente esterno (100).
16. 16. Apparecchio elettronico, comprendente un dispositivo sensore MEMS (20, 20') secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, ed un circuito stampato (59) a cui à ̈ collegato elettricamente detto dispositivo sensore MEMS (20, 20'), senza l’interposizione di un contenitore.