WO2003106328A2 - Mikromechanisches bauelement und entsprechendes herstellungsverfahren - Google Patents

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WO2003106328A2
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    • H01L23/495—Lead-frames or other flat leads
    • H01L23/49575—Assemblies of semiconductor devices on lead frames

Definitions

  • the present invention relates to a micromechanical component with a chip mounted on a base, which has a capped chip area that is higher than its surroundings and a mounting area provided in the area around the capped chip area, and a corresponding manufacturing method.
  • the present invention and the problem underlying it are related to a micromechanical component that can be produced in the technology of silicon surface micromechanics, e.g. an acceleration sensor explained.
  • An alternative capping technique is proposed in EP 0 721 587 B.
  • a layer structure is described in which the structural trenches of a micromechanical component, such as a capacitive acceleration sensor, are covered or filled with an insulating material.
  • a membrane layer is applied to this insulating material layer and structured in such a way that window openings are introduced above the movable elements of the component structure.
  • window openings Through these window openings, the insulating material and a lower sacrificial layer located under the functional layer of the component structure are selectively etched against the perforated membrane layer and the functional layer. Then the window openings in the membrane layer are closed with a cover layer, so that a hermetically sealed cavity results above the movable elements.
  • This cavity can be improved Mechanical stability can be supported on fixed sensor areas.
  • a disadvantage of the capping processes, which form a thin cap layer, is the low stability of the cap against loads during assembly in plastic housings. For example, When overmolding the sensors using transfer molding, the material is subjected to an overpressure, which can damage the thin cap layer.
  • the present invention provides a micromechanical component according to claim 1 and a corresponding manufacturing method according to claim 9, wherein a micromechanical component structure can be hermetically sealed by a cap structure, for which only relatively thin cover layers can be used. Furthermore, the component can be used in very small Standard plastic housings, such as PLCC, SOIC, QFN, MLF, CSP, are packed.
  • the invention enables better functionality of micromechanical sensors, since parasitic capacitances are reduced and thus more freedom is provided for the evaluation circuit.
  • a further advantage of the invention lies in the provision of a simple route for “system-in-package” integration, the system function being able to be tested at the wafer level.
  • the core of this invention is the production of a chip with a Kappenst 'stru ctu re via a chip structure with per se known methods, nikelles- in the prior tech a thin covering layer is sufficient, since the hermetically capped chip according to the invention with a chip-on- Wafer flip-chip assembly is brought with the contact side down onto a base, for example an evaluation IC.
  • an "underfill” underfill with plastic compound / adhesive
  • the thin cap structure of the encapsulated chip underfill After curing, the thin cap structure of the encapsulated chip underfill, so that the sensor structure is hermetically protected with a high degree of security against environmental influences and, above all, against the high injection pressure during the subsequent mold packaging.
  • the system chip / underlay can be premeasured via metal contacts which are located on the underlay or the chip.
  • the chips are protected by the preferably thick substrate, while the back is hermetically embedded in the underfill.
  • the chip / underlay system is packed in plastic as standard.
  • the high stability despite the thin-film capping of the sensor saves costs in the sensor process, that is, it makes the sensor technology easier.
  • a dense support structure of the cap layer can be dispensed with or the density of the supports can be significantly reduced and thus higher basic capacities can be generated on the same chip area.
  • the system can be pre-measured at the wafer level. Low parasitic capacitances of the electrical connection improve the functionality.
  • the wafer thickness of the sensor wafer can be reduced almost arbitrarily after capping, for example by precision grinding or chemical. Mechanical polishing, since the cap is stable during the CMP step.
  • the housing can be made small. There is a compatibility with the 'customers as standard plastic housings are used. The slightly increased costs for the more complex flip-chip assembly are offset by savings in sensor production.
  • the assembly area is a metallization area, the assembly device consisting of solder bumps for flip-chip assembly.
  • the base is an IC chip.
  • the chip is a sensor and / or actuator chip which has a sensor and / or actuator structure under the masked chip area.
  • the base is mounted on a lead frame, the component being encased in a plastic packaging.
  • the capped chip area has a cap-shaped cover for covering a functional area provided on a substrate, the cap-shaped cover having at least one perforated cover layer and the cover layer being closed by at least one closure layer.
  • FIG. 1 shows a sensor chip in the form of a micromechanical acceleration sensor which is used in one embodiment of the invention
  • FIG. 2 shows an illustration of an IC wafer and sensor chips to be mounted thereon according to the embodiment of the present invention
  • FIG. 4 shows the packaging of the isolated sensor chip / IC chip pairs in a plastic housing according to the embodiment of the invention.
  • Fig. 1 shows a sensor chip in the form of a micromechanical acceleration sensor, 'which, in a first. From ⁇ embodiment of the invention is used.
  • 1 denotes a relatively thick silicon substrate wafer, which, however, is not drawn to scale in FIG. 1.
  • 2 is a silicon dioxide sacrificial layer, 3 a functional layer made of epi-polysilicon, 4 a movable structure, for example electrode fingers, 5 a perforated cap layer, for example made of epi-polysilicon or LPCVD silicon with a thickness of typically 2 ⁇ to 10 ⁇ m, which closes a cavern 11 in which the sensor structure is embedded.
  • 6 is a sealing layer, for example made of silicon dioxide, silicon nitride, BPSG, PSG, inter alia with a thickness of typically 2 ⁇ m to 8 ⁇ m.
  • 7 denotes a metallization layer which has an open metal contact surface 9 for solder bumps (solder bumps) for flip-chip bonding.
  • 8 denotes a passivation layer, for example made of silicon dioxide or silicon nitride, with a thickness of typically 200 nm to 1.5 ⁇ m.
  • 10 denotes contact stamps with contact to a conductor track plane, not shown, which in turn connects the electrode fingers 4.
  • reference numeral 18 designates the sensor chip as a whole and 19 the capped chip area, which is elevated compared to its surroundings.
  • FIG. 2 shows an illustration of an IC wafer and sensor chips to be mounted thereon in accordance with the embodiment of the present invention.
  • reference numeral 15 designates the IC wafer in general.
  • the IC wafer 15 includes a plurality of IC chips 15a to 15e.
  • IC chips 15a to 15e On the IC chips 15a to 15e, conventional solder bumps 16 are prepared in advance for a standard flip-chip process.
  • solder bumps 16 are prepared in advance for a standard flip-chip process.
  • the IC chips 15a to 15e solder bumps
  • contact pads 17 can be arranged on the IC chips 15a to 15e outside the area with the solder bumps 16, which will later be used for pre-measuring or wire bonding during packaging.
  • FIG. 2 shows the placement of the sensor chips 18a, 18b,... Which can otherwise be separately measured in the usual way, on the IC chips 15a to 15e, which are still present in the wafer assembly, and also can be pre-checked separately to accomplish the flip-chip assembly.
  • the sensor chips are mounted in such a way that the respective capped chip area 19a, 19b, ... is surrounded by the solder bumps 16 and is spaced from the surface of the IC chips 15a to 15e.
  • Fig. 3 shows a later process stage in the embodiment of the invention.
  • all sensor chips 18a to 18e are now flip-chip bonded to the corresponding IC chips 15a to 15e.
  • an underfill 20 is introduced into the gap between a respective sensor chip 18a to 18e and associated IC chips 15a to 15e, which consists of a plastic compound or a plastic adhesive. This is usually done by a dispensing step in which capillary forces pull the underfill between the sensor chips 18a to 18e and the IC chips 15a to 15e.
  • the underfill 20 is then cured and on the one hand increases the stability of the flip chip connection. Furthermore, the underfill 20 stabilizes the thin cap membrane when it is later installed in the plastic housing. After the underfill 20 has hardened, the system can be premeasured at the wafer level, since the electrical contacts 17 are freely accessible.
  • the main advantage of the underfill 20 is' that it can be fitted substantially without pressure and therefore does not exert any stress on the capping. After hardening, the underfill stabilizes the capping in such a way that it is supported against the mold pressure on the fixed sensor areas or the surrounding area during the encapsulation.
  • all materials can be used for this purpose, which can first be applied without pressure and then hardened by a subsequent crosslinking step (curing at temperature, crosslinking by moisture, ...) can be.
  • the thermal expansion coefficient of the underfill 20 is advantageously matched to the silicon of the sensor chip or IC chip.
  • the sensor chip / IC chip pairs are separated by a sawing process.
  • FIG. 4 shows the packaging of the individual sensor chip / IC chip pairs in a plastic housing according to the embodiment of the invention.
  • reference numeral 22 denotes a lead frame on which the IC chip / sensor chip pair is mounted, for example by soldering.
  • 25 are bonds from the inner region of the leadframe 22 to the outer region.
  • 30 denotes the plastic housing with which the composite thus constructed is pressed. Pressing creates very high hydrostatic pressures of up to 100 bar.
  • the underfill 20 protects the thin sensor cap and absorbs the pressure.
  • the upper side of the sensor structure is protected by the substrate wafer 1.
  • the substrate deflection is low and determines the maximum elongation of the thin sensor cap.
  • the solder bumps 16 act as rigid spacers and reduce the deflection of the sensor chip and thus the thin sensor cap.
  • the solder bumps 16 are arranged in such a way that optimum stability is achieved with a given structure of the sensor chip.
  • the sensor structure is hermetic protected against environmental influences and high pressures.
  • the underfill and the plastic packaging 30 are matched to one another in their thermal expansion coefficients as well as possible. Therefore, there are no critical ' tensions later when the temperature changes.
  • any desired micromechanical base materials can be used, and not just the exemplary silicon substrate.
  • the method according to the invention can be used in particular for all sensor and actuator components in surface micromechanics or bulk micromechanics. It is e.g. it is also possible to apply sensor or actuator structures with an integrated evaluation circuit on a chip and to package this with another ASIC.
  • the mounting area is a metallization region and there is a 'mounting means of solder bumps for a flip chip
  • other mounting methods such as anisotropic or isotropic bonding or thermo-compression welding, etc. are possible ..

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Abstract

Die Erfindung schafft ein mikromechanisches Bauelement mit einem auf eine Unterlage (15a-e) montierten Chip (18;18a­e), welcher einen gegenüber seiner Umgebung erhöhten, ver­kappten Chipbereich (19; 19a-e) und einen in der Umgebung des verkappten Chipbereichs (19; 19a-e) vorgesehenen Monta­gebereich (9) aufweist; wobei der Chip (18;18a-e) mittels einer Montageeinrichtung (16), welche mit dem Montagebe­reich (9) verbunden ist, derart auf der Unterlage (15a-e) montiert ist, dass der verkappte Chipbereich (19; 19a-e) zur Unterlage (15a-e) weist und davon beabstandet ist; und der verkappte Chipbereich (19; 19a-e) von einer Unterfül­lung (20) unter dem Chip (18;18a-e) umgeben ist. Die Erfin­dung schafft ebenfalls ein entsprechendes Herstellungsver­fahren.

Description

Mikromechanisches Bauelement und entsprechendes Herstellungsverfahren
STAND DER TECHNIK
Die vorliegende Erfindu g betrifft ein mikromechanisches Bauelement mit einem auf eine Unterlage montierten Chip, welcher einen gegenüber seiner Umgebung erhöhten, verkappten Chipbereich und einen in der Umgebung des verkappten Chipbereichs vorgesehenen Montagebereich aufweist, sowie ein entsprechendes Herstellungsverfahren. • '
Obwohl auf beliebige mikromechanische Bauelemente und Strukturen, insbesondere Sensoren und Aktuatoren, anwendbar, werden die vorliegende Erfindung sowie die ihr zugrundeliegende Problematik in bezug auf ein in der Technologie der Silizium-Oberflächenmikromechanik herstellbares mikromechanisches Bauelement, z.B. einen Beschleunigungssensor, erläutert.
In der DE 195 37 814 AI werden der Aufbau eines funktiona- len Schichtsystems und ein Verfahren zur hermetischen Ver- kappung von Sensoren in Oberflächenmikromechanik beschrieben. Hierbei wird die Herstellung der Sensorstruktur mit bekannten technologischen Verfahren erläutert. Die besagte hermetische Verkappung erfolgt mit einem separaten Kappen- Wafer aus Silizium, der mit aufwendigen Strukturierungspro- zessen, wie beispielsweise KHO-Ätzen, strukturiert wird. Der Kappen- afer wird mit einem Glas-Lot (Seal-Glas) auf dem Substrat mit dem Sensor (Sensor- afer) aufgebracht. Hierfür ist um jeden Sensorchip ein breiter Bond-Rahmen notwendig, um eine ausreichende Haftung und Dichtheit der Kappe zu gewährleisten. Dies begrenzt die Anzahl der Sensor-Chips pro Sensor- afer erheblich. Auf Grund des großen Platzbedarfs und der aufwendigen Herstellung des Kappen- Wafers entfallen erhebliche Kosten auf die Sensor- Verkappung.
Eine alternative Verkappungstechnik ist in der EP 0 721 587 B vorgeschlagen. Dort wird ein Schichtaufbau beschrieben, bei dem die Strukturgräben eines mikromechanischen Bauelements, wie beispielsweise eines kapazitiven Beschleunigungssensors, mit einem Isolierstoff abgedeckt bzw. aufgefüllt werden. Auf dieser IsolierstoffSchicht wird eine Membranschicht aufgebracht und derart strukturiert, daß über den beweglichen Elementen der Bauelementstruktur Fensteröffnungen eingebracht werden. Durch diese Fensteröffnungen wird der Isolierstoff und eine unter der Funktionsschicht der Bauelementstruktur befindliche untere Opferschicht selektiv gegen die perforierte Membränschicht und die Funkti- onsschicht geätzt. Anschließend werden die Fensteröffnungen in der Membranschicht mit einer Deckschicht verschlossen, so daß sich ein hermetisch dichter Hohlraum über den beweglichen Elementen ergibt. Dieser Hohlraum kann zur Verbesse- rung der mechanischen Stabilität auf feststehenden Sensorbereichen abgestützt werden.
Eine weitere- alternative Verkappungstechnik wird in der US- A-5,919,364 vorgestellt. Bei diesem Verfahren kommt eine dünne, gas-permeable Poly-Silizium-Membran als Membranschicht zum Einsatz, die die Reaktanden beim Opferschichtätzen durchdringen können.
Alle genannten Verfahren basieren auf dem einfachen Prinzip, daß die Funktlonselemente des Sensors mit einer weiteren, oberen Opferschicht abgedeckt werden, die nach dem Aufbringen einer strukturierten Membranschicht selektiv gegen die Funktionselemente geätzt wird. Dabei werden die be- weglichen Teile des Sensors frei gelegt. Dieses Prinzip wurde bereits in abgewandelter Form beispielsweise in „Electrostatically Driven Vacuum-Encapsulated Polysilicon Resonators: Part I. Design and Fabrication" , R. Legtenberg et al . , Sensors and Actuators A 45 (1994), ι57, „The Appli- cation of Fine-Grained, Tensile Polysilicon to Mechanically Resonant Transducers" , H. Guckel et al . , Sensors and Actuators A 21-23 (1990) , 346, und den darin zitierten Veröffentlichungen vorgestellt.
'Weiterhin wurden in der DE 100 05 555 AI, der DE 100 06 035 AI und der DE 100 17 422 AI Verkappungsve'rfahren vorgestellt, bei denen eine dicke, stabile Silizium-Schicht als Kappen- oder Deckschicht eingesetzt wird. Ziel der Verfahren, die in diesen Offenlegungsschriften beschrieben sind, war es, die Stabilität der Deckschicht durch die Verwendung eines geeigneten Materials (in allen drei Fällen Epi-Poly- silizium) mit ausreichender Schichtdicke sicherzustellen. Nachteilig bei allen Verfahren ist jedoch, daß ausreichend dicke Abdeckschichten nur mit hohem Kostenaufwand und mit tiefgreifenden technischen Schwierigkeiten fertigungssicher produziert werden können (beispielsweise Topographie, Mas- kenjustage bei Photolithographie, vertikale Bahnwiderstände aufgrund von Dotierungsprofilen, Inhomogenitäten bei der Tiefenstrukturierung der dicken Membranschicht (Taschenbildung bei Trenchen) , etc.).
Nachteilig bei den Verkappungsverfahren, die eine dünne Kappenschicht ausbilden, ist die geringe Stabilität der Kappe gegenüber Belastungen bei der Montage in Plastikgehäusen. So wird z.B. beim Umspritzen der Sensoren im Spritzpreßverfahren (Transfer-Molding) das Material mit einem Überdruck beaufschlagt, welcher zur Beschädigung der dünnen Kappenschicht führen kann.
VORTEILE DER ERFINDUNG
Durch die vorliegende Erfindung werden ein mikromechanisches Bauelement nach Anspruch 1 und ein entsprechendes Herstellungsverfahren nach Anspruch 9 bereitgestellt, wobei eine mikromechanische Bauelementstruktur durch eine Kappenstruktur hermetisch dicht abgeschlossen werden kann, für die nur relativ dünne Abdeckschichten eingesetzt werden können. Weiterhin kann das Bauelement in sehr kleinen Stan- dardplastikgehäusen, wie z.B. PLCC, SOIC, QFN, MLF, CSP, verpackt werden.
Die Erfindung ermöglicht eine bessere Funktionalität von mikromechanischen Sensoren, da parasitäre Kapazitäten verringert und damit mehr Freiheit für die Auswerteschaltung vorgesehen werden. Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt in der Bereitstellung eines einfachen Weges zur „system-in- package" -Integration, wobei die Systemfunktion bereits auf Wafer-Ebene getestet werden kann.
Kern dieser Erfindung ist die Herstellung eines Chips mit einer Kappenst'ruktur über einer Chipstruktur mit an sich bekannten Verfahren, wobei im Gegensatz- zum Stand der Tech- nik eine dünne Abdeckschicht ausreichend ist, da der hermetisch verkappte Chip erfindungsgemäß mit einer Chip-on- Wafer Flip-Chip-Montage mit der Kontaktseite nach unten auf eine Unterlage, z.B. einen Auswerte-IC, gebracht wird. Bei der Flip-Chip-Montage wird nach dem Bonden ein „Underfill" (Unterfüllung durch Kunststoffmasse/-kleber) zwischen dem Chip und der Unterlage vorgesehen, der in bekannter Weise die Verbindung zwischen den Flip-Chips und der Unterlage festlegt. Zudem stabilisiert der Underfill nach seinem Aushärten die dünne Kappenstruktur des verkappten Chips, so daß die Sensorstruktur hermetisch mit hoher Sicherheit gegen Umwelteinflüsse und vor allem gegenüber dem hohen Einpreßdruck bei der anschließenden Mold-Verpackung geschützt wird. Nach der- Chip-on-Wafer Flip-Chip-Montage kann das System Chip/Unterlage über Metallkontakte vorgemessen werden, die sich auf der Unterlage bzw. dem Chip befinden. Beim anschließenden Sägen werden die Chips durch das vorzugsweise dicke Substrat geschützt, während die Rückseite hermetisch im Underfill eingebettet ist. In der weiteren Verarbeitung wird das Chip/Unterlage-System standardmäßig in Plastik verpackt.
Die hohe Stabilität trotz Dünnschichtverkappung des Sensors sorgt für eine Kostenersparnis im Sensorprozeß, also für eine Erleichterung der Sensortechnologie. Dadurch kann auf eine dichte Stützstruktur der Kappenschicht verzichtet werden bzw. die Dichte der Stützen kann deutlich reduziert werden und damit auf gleicher Chip-Fläche höhere Grundkapazitäten erzeugt werden. Das System kann auf Wafer-Ebene vorgemessen werden. Geringe parasitäre Kapazitäten der elektrischen Verbindung sorgen für eine Verbesserung der Funktionalität .
Die Wafer-Dicke des Sensor-Wafers kann nach der Verkappung nahezu beliebig verkleinert werden, beispielsweise durch precision grinding oder chemical .mechanical polishing, da die Kappe beim CMP-Schritt stabil ist. Das Gehäuse kann klein gestaltet werden. Es gibt eine Kompatibilität zum' Kunden, da Standardplastikgehäuse verwendbar sind. Die leicht erhöhten Kosten für die aufwendigere Flip-Chip- Montage werden durch Einsparungen bei der Sensorfertigung ausgeglichen. In den Unteransprüchen finden sich vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des jeweiligen Gegenstandes der Erfindung.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist der Montagebereich ein Metallisierungsbereich, wobei die Montageeinrichtung aus Solder-Bumps für eine Flip-Chip-Montage besteht.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist die Unterlage ein IC-Chip.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist der Chip ein Sensor- und/oder Aktorchip, der unter dem verkappten Chipbereich eine Sensor- und/oder Aktorstruktur aufweist.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist die Unterlage auf einem Leadframe montiert, wobei das Bauelement mit einer Plastikverpackung umhüllt ist.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist der verkappte Chipbereich eine kappenförmige Abdeckung zum Abdecken eines auf einem Substrat vorgesehenen Funktionsbe- reichs auf, wobei die kappenförmige Abdeckung mindestens eine perforierte Deckschicht aufweist und die Deckschicht durch mindestens eine Verschlußschicht verschlossen ist.
ZEICHNUNGEN Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. -
Es zeigen:
Fig. 1 einen Sensorchip in Form eines mikromechanischen Beschleunigungssensors, welcher bei einer Ausführungsform der Erfindung verwendet wird;
Fig. 2 eine Darstellung eines IC-Wafers und darauf zu montierender Sensor-Chips gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 3 ein späteres Prozeßstadium bei der Ausführungsform der Erfindung; und
Fig. 4 die Verpackung der vereinzelten Sensor-Chip/IC- Chip-Paare in einem Plastikgehäuse gemäß der Aus- führungsform der Erfindung.
BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Komponenten.
Fig. 1 zeigt einen Sensorchip in Form eines mikromechanischen Beschleunigungssensors,' welcher bei einer ersten. Aus¬ führungsform der Erfindung verwendet wird. In Fig. 1 bezeichnet 1 einen relativ dicken Silizium~Sub- strat-Wafer, der allerdings in Fig. 1 nicht maßstabsgerecht gezeichnet ist. 2 ist eine Siliziumdio-xid-Opferschicht, 3 eine Funktionsschicht aus Epi-Polysilizium, 4 eine bewegliche Struktur, beispielsweise Elektrodenfinger, 5 eine perforierte Kappenschicht, z.B. aus Epi-Polysilizium oder LPCVD-Silizium mit einer Dicke von typischerweise 2 μ bis 10 μm, welche eine Kaverne 11, in der die Sensorstruktur eingebettet ist, verschließt. 6 ist eine Verschlußschicht, beispielsweise aus Siliziumdioxid, Siliziumnitrid, BPSG, PSG, u.a. mit einer Dicke von typischerweise 2 μm bis 8 μm. 7 bezeichnet eine Metallisierungsschicht, welche eine offene Metallkontaktfläche 9 für Solder-Bumps (Lothügel) zum Flip-Chip-Bonden aufweist. 8 bezeichnet eine Passivierungs- schicht, z.B. aus Siiiziumdioxid oder Siliziumnitrid, mit einer Dicke von typischerweise 200 nm bis 1,5 μm. 10 bezeichnet KontaktStempel mit Kontakt zu einer nicht gezeigten Leiterbahnebene, welche wiederum die Elektrodenfinger 4 anschließt.
In Fig. 1 bezeichnet Bezugszeichen 18 'den Sensor-Chip als Ganzes und 19 den verkappten Chipbereich, welcher gegenüber seiner Umgebung erhöht ist.
Fig. 2 zeigt eine Darstellung eines IC-Wafers und darauf zu montierender Sensor-Chips gemäß der Ausführungsfor der vorliegenden Erfindung. In Fig. 2 bezeichnet Bezugszeichen 15 den IC-Wafer allgemein. Der IC-Wafer 15 enthält eine Mehrzahl von IC-Chips 15a bis 15e. Auf den IC-Chips 15a bis 15e sind im voraus in üblicher Weise Solder-Bumps 16 für einen Standard-Flip- Chip-Prozeß vorbereitet. Üblicherweise sind die IC-Chips
15a bis 15e etwas größer als die Sensor-Chips 18a, 18b, ... mit den verkappten Bereichen 19a, 19b, ... . Daher können Kontakt-Pads 17 auf den IC-Chips 15a bis 15e außerhalb des Bereichs mit den Solder-Bumps 16 angeordnet werden, welche später zum Vormessen bzw. zum Draht-Bonden bei der Verpak- kung dienen.
Die Darstellung von Fig. 2 zeigt das Aufsetzen der Sensor- Chips 18a, 18b, ..., die im übrigen separat in gewohnter Weise vorgemessen werden könen, auf die IC-Chips 15a bis 15e, welche noch im Wafer-Verbund vorliegen und ebenfalls separat vorgeprüft werden können, um so die Flip-Chip- Montage zu bewerkstelligen. Bei dieser Flip-Chip-Montage der Sensor-Chips 18a, 18b, ... werden die Sensor-Chips der- art montiert, daß der jeweilige verkappte Chip-Bereich 19a, 19b, ... von den Solder-Bumps 16 umgeben ist und von der Oberfläche der IC-Chips 15a bis 15e beabstandet ist. In diesem Zusammenhang sollte bemerkt werden, daß es selbstverständlich auch möglich ist, die Solder-Bumps 16 nicht auf den IC-Chips 15a bis 15e vorzusehen, sondern auf den Sensor-Chips 18a, 18b, ... .
Fig. 3 zeigt ein späteres Prozeßstadium bei der Ausführungsform der Erfindung. Gemäß Fig. 3 sind nunmehr alle Sensor-Chips 18a bis 18e auf die entsprechenden IC-Chips 15a bis 15e Flip-Chip-gebondet . Nach dem Flip-Chip-Bonden wird eine Unterfüllung 20 in den Spalt zwischen einem jeweiligen Sensor-Chip 18a bis 18e und zugehörigem IC-Chips 15a bis 15e eingebracht, welcher aus einer Kunststoffmasse bzw. einem Kunststoffkleber besteht. Dies geschieht üblicherweise durch einen Dispensierschritt, bei dem Kapillarkräfte die Unterfüllung zwischen die Sen- sor-Chips 18a bis 18e und die IC-Chips 15a bis 15e ziehen. Die Unterfüllung 20 wird anschließend ausgehärtet und erhöht einerseits die Stabilität der Flip-Chip-Verbindung. Weiterhin stabilisiert die Unterfüllung 20 die dünne Kappenmembran bei der späteren Montage im Plastikgehäuse. Nach dem Aushärten der Unterfüllung 20 kann das Systen auf Wa- fer-Ebene vorgemessen werden, da die elektrischen Kontakte 17 frei zugänglich sind.
Der wesentliche Vorteil der Unterfüllung 20 besteht' darin, daß sie im wesentlichen ohne Überdruck angebracht werden kann und damit keine Belastung auf die Verkappung ausübt. Nach dem Aushärten stabilisiert die Unterfüllung die Verkappung in der Form, daß sie sich beim Umspritzen gegen den Mold-Druck auf den feststehenden Sensorbereichen bzw. dem Umgebungsbereich abstützt. Außer klassischen Unterfüllungs- materialien können hierzu alle Materialien eingesetzt werden, die zunächst druckfrei eingebracht werden können und dann durch einen nachfolgenden Vernetzungsschritt (Aushärten bei Temperatur, Vernetzung durch Feuchte, ... ) gehärtet werden können. Vorteilhafterweise ist der thermische Ausdehnungskoeffizient der Unterfüllung 20 an das Silizium des Sensor-Chips bzw. IC-Chips angepaßt.
Schließlich erfolgt in einem nicht illustrierten Verfahrensschritt das Vereinzeln der Sensor-Chip/IC-Chip-Paare durch einen Sägeprozeß.
Fig. 4 zeigt die Verpackung der vereinzelten Sensor-Chip / IC-Chip-Paare in einem Plastikgehäuse gemäß der Ausführungsform der Erfindung.
In Fig. 4 bezeichnet Bezugszeichen 22 einen Leadframe, auf dem das IC-Chip/Sensor-Chip-Paar montiert wird, beispiels- weise durch Löten. 25 sind Bondierungen vom inneren Bereich des Leadframe 22 zum äußeren Bereich. 30 bezeichnet das Plastikgehäuse, mit dem der derart aufgebaute Verbund umpreßt wird. Beim Umpressen entstehen sehr hohe hydrostatische Drucke von bis zu 100 bar. Dabei schützt die Unterfül- lung 20 die dünne Sensorverkappung und nimmt den Druck auf. Oberseitig wird die Sensorstruktur vom Substrat-Wafer 1 geschützt. Die Substratdurchbiegung ist gering und bestimmt die maximale Dehnung der dünnen Sensorverkappung. Zusätzlich wirken die Solder-Bumps 16 wie steife Abstandshalter und verringern die Durchbiegung des Sensor-Chips und damit der dünnen Sensorverkappung. Vorteilhafterweise werden die Solder-Bumps 16 derart angeordnet, daß bei vorgegebener Struktur des Sensor-Chips eine optimale Stabilität entsteht. In diesem Verbund ist die Sensorstruktur hermetisch gegen Umwelteinflüsse und hohe Drucke geschützt. Darüber hinaus sind die Unterfüllung und die Plastikverpackung 30 in ihren thermischen Ausdehnungskoeffizienten so gut wie möglich aneinander angepaßt. Daher entstehen später keine kritischen' Verspannungen bei Temperaturwechseln.
Obwohl die vorliegende Erfindung vorstehend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Weise mo- difizierbar.
Es können .insbesondere beliebige mikromechanische Grundmaterialien verwendet werden, und nicht nur das exemplarisch angeführte Siliziumsubstrat.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere für alle Sensor- und Aktorbauelemente in Oberflächenmikromechänik bzw. Bulk-Mikromechanik einsetzbar. Es ist z.B. auch möglich, Sensor- bzw. Aktorstrukturen mit einer integrierten Auswerteschaltung auf einem Chip aufzubringen und diesen mit einem weiteren ASIC zu verpacken.
Obwohl bei dem obigen Beispiel der Montagebereich ein Metallisierungsbereich ist und die 'Montageeinrichtung aus Solder-Bumps für eine Flip-Chip-Montage besteht, sind auch andere Montagearten, wie z.B. anisotropes oder isotropes Kleben oder Thermokompressionsverschweissen etc. möglich..
BEZÜGSZEICHENLISTE :
1 Substratwa er
2 Opferschicht
3 PolySilizium-Funktionsschicht
4 Elektrodenfinger
5 Kappenschicht
6 VerschlussSchicht
7 Kontaktpad
8 Passivierungsschicht
9 Metallkontaktfläche
10 KontaktStempel
11 Kaverne
15; 15a-e Unterlage, IC-Wafer
16 Solderbumps
17 ' Kontaktpads
18; 18a-e Sensorchips
19; 19a-e Verkappungsbereich
20 Unterfüllung
22 Leadframe
25 Bonddraht
30 Plastikverpackung

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Mikromechanisches Bauelement mit
einem auf eine Unterlage (15a-e) montierten- Chip (18;18a- e), welcher einen gegenüber seiner Umgebung erhöhten, verkappten Chipbereich (19; 19a-e) und einen in der Umgebung des verkappten Chipbereichs (19; 19a-e) vorgesehenen Monta- gebereich (9) aufweist;
wobei
der Chip (18;18a-e) mittels einer Montageeinrichtung (16), welche mit dem Montagebereich (9) verbunden ist, derart auf der Unterlage (15a-e) montiert ist, dass der verkappte Chipbereich (19; 19a-e) zur Unterlage (15a-e) weist und davon beabstandet ist; und
der verkappte Chipbereich (19; 19a-e) von einer Unterfüllung (20) unter dem Chip (18;18a-e) umgeben ist.
2. Mikromechanisches Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Montagebereich (9) ein Metallisie- rungsbereich ist und die Montageeinrichtung (16) ' aus Solder-Bumps für eine Flip-Chip-Montage- besteht .
3. Mikromechanisches Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Montagebereich (9) ein Klebebereich ist und die Montageeinrichtung (16) aus einer Klebeeinrichtung besteht.
4. Mikromechanisches Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Montagebereich (9). ein Schweissbe- reich ist und die Montageeinrichtung (16) aus einer Schweisszone besteht.
5. Mikromechanisches Bauelement nach einem der vorherge- henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterlage
(15a-e) ein IC-Chip ist.
6. Mikromechanisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Chip (18;18a-e) ein Sensor- und/oder Aktorchip ist, der unter dem verkappten Chipbereich (19; 19a-e) eine Sensor- 'und/oder Aktorstruktur aufweist.
7. Mikromechanisches Bauelement nach einem der vorherge- henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterlage
(15a-e) auf einem Leadframe (22) montiert ist- und das Bauelement mit einer Plastikverpackung (30) umhüllt ist.
8. Mikromechanisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der verkappte Chipbereich (19; 19a-e) eine kappenförmige Abdeckung (5, 6, 8) zum Abdecken eines auf einem Substrat (1) vorgesehenen Funktionsbereichs (4) aufweist; die kappenförmige Abdeckung (5, 6, 8) mindestens eine perforierte Deckschicht (5) aufweist; und die Deckschicht' (5) durch mindestens eine Verschlußschicht (6) verschlossen ist.
9-. Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Bauelementes mit den Schritten:
Bereitstellen eines Chips (18;18a-e), welcher einen gegen- über seiner Umgebung erhöhten, verkappten Chipbereich (19; 19a-e) und einen in der Umgebung des verkappten Chipbereichs (19; 19a-e) vorgesehenen Montagebe eich (9) aufweist;
Montieren des Chips (18;18a-e) auf einer Unterlage (15a-e) mittels einer Montageeinrichtung (16), welche mit dem Montagebereich (9) verbunden wird, derart, dass der verkappte Chipbereich (19; 19a~e) zur Unterlage (15a-e) weist und davon beabstandet ist; und
Unterfüllen des Chips (18;18a-e) derart, dass der verkappte Chipbereich (19; 19a-e) ' von einer Unterfüllung (20) unter dem Chip- (18;18a-e) umgeben ist. •
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Montagebereich (9) ein Metallisierungsbereich ist und die Montageeinrichtung (16) aus Solder-Bumps für eine Flip- Chip-Montage besteht.
11. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, . daß der Montagebereich (9) ein Klebebereich ist und die Montageeinrichtung (16) aus einer Klebeeinrichtung besteht.
12. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Montagebereich (9) ein Schweissbereich ist und die Montageeinrichtung (16) aus einer Schweisszone besteht.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterlage (15a-e) ein IC-Chip ist.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl von Chips (18a-e) auf eine Mehtzahl von IC-Chips (15a-e) im Waferverbund montiert wird und an- schließend die Bauelemente vereinzelt werden.
15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Chip (18;18a-e) ein
■ Sensor- und/oder Aktorchip ist, der unter dem verkappten Chipbereich (19; 19a-e) eine Sensor- und/oder Aktorstruktur aufweist .
16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterlage (15a-e) auf einem Leadframe (22) montiert wird und das Bauelement mit einer Plastikverpackung (30) umhüllt wird.
17. -Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 9 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der verkappte Chipbereich (19; 19a-e) eine kappenförmige Abdeckung (5, 6, 8) zum Abdecken eines auf einem Substrat (1) vorgesehenen Funktionsbereichs (4) aufweist; die kappenförmige Abdeckung (5, 6-, 8) mindestens eine perforierte Deckschicht (5) auf- weist; und die Deckschicht (5) durch mindestens eine Verschlußschicht (6) verschlossen ist.
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