WO2008148736A2 - Verfahren zur herstellung eines mems-packages - Google Patents

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WO2008148736A2
WO2008148736A2 PCT/EP2008/056787 EP2008056787W WO2008148736A2 WO 2008148736 A2 WO2008148736 A2 WO 2008148736A2 EP 2008056787 W EP2008056787 W EP 2008056787W WO 2008148736 A2 WO2008148736 A2 WO 2008148736A2
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Gregor Feiertag
Hans Krüger
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Epcos Ag
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    • H01L2924/35—Mechanical effects
    • H01L2924/351—Thermal stress

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a
  • MEMS device micro-electro-mechanical system
  • SAW component surface acoustic wave
  • FBAR component thin film bulk acoustic resonator
  • sensors for pressure, yaw rates and MEOMS microelectro opto-mechanical system
  • MEMS component micro-electro-mechanical system
  • SAW component surface acoustic wave
  • FBAR component thin film bulk acoustic resonator
  • sensors for pressure, yaw rates MEOMS
  • MEOMS microelectro opto-mechanical system
  • These and similar components have mechanically sensitive component structures on the surface of the MEMS component comprising a chip which have to be encapsulated in the package with a cavity above the chip surface.
  • an electrical connection between electrical contacts on the MEMS chip and e.g. a printed circuit board required.
  • a preferred assembly of such MEMS chips therefore takes place in a flip-chip arrangement on a substrate, which comprises electrical connections and in particular a wiring.
  • the electrical connection between the chip and substrate may comprise bumps, which may be made of solder or gold, for example.
  • the gap between the chip and the substrate is closed at the bottom edge of the chip facing the substrate.
  • different techniques have already been proposed.
  • Another possibility is to cover the component under a laminated cover.
  • a disadvantage of the known encapsulation methods is that the mounting of the chip and its encapsulation requires a large number of processing steps, which make the method complex and therefore expensive.
  • the object of the present invention is therefore to provide a method for producing a MEMS package, which leads in a simple manner to a secure encapsulation of the MEMS component.
  • a particular large-area support substrate having a plurality ⁇ number of slots for the MEMS chip.
  • Each slot on the carrier substrate has a number of the chip contacts corresponding number of electrical Anschlußflä ⁇ chen on the top. Electrically connected to these are external contacts on the underside of the carrier substrate.
  • the connection may be pure resistive, inductive, or capacitive, or may comprise several different of the mentioned possibilities in parallel.
  • Each slot has a metal frame with a flat surface that surrounds the pads.
  • a MEMS chip which has electrical contacts on its underside carrying the MEMS structures, is then placed on the carrier substrate in such a way that it rests on the metal frame with an edge region of its underside.
  • the placement of the MEMS chips can take place individually or in use or in the chip network. In this case, a larger number of MEMS chip can be placed simultaneously on the corresponding bays. This is particularly successful if the carrier substrate has a flat surface and is particularly low in distortion, so that a larger number of bays is arranged regularly and in a common plane.
  • Ver ⁇ carrier substrate and MEMS chip in a single flip-chip process in which the with ultrasound (US) of typically 60 kHz - 100 kHz acted MEMS chip having a typical compressive force of 2.5N - 5N per mm 2 chip area is applied.
  • US ultrasound
  • the desired connection of the bumps and the metal frame with the respectively provided connection surfaces then arises already at room temperature.
  • an elevated temperature may be advantageous.
  • the pressurized US flip-chip process can also take place in a second step (virtually in partial use) if the relative position of the MEMS chip and carrier substrate has already been fixed by a preceding first purely thermal or US-supported flip-chip process.
  • the two bonding processes can either be done together directly in a single joint step or be made immediately in succession in two sub-steps of a common connection process. No further action is necessary or sensible between the substeps.
  • a procedure is possible, which includes a fixation of the chip by a pressurized US flip-chip process, between MEMS chip and metal frame may well still be a gap.
  • the carrier substrate (panel) fully occupied with fixed MEMS chips can then be pressed together in a vacuum press or in a vacuum lamination unit in such a way that the MEMS chips are firmly connected to the metal frame.
  • the temperatures are chosen so that in the case of polymers on the metal frame adhesive bonds or in the case of melting solder solder joints arise.
  • the proposed method makes it possible to produce both the sealing of the MEMS package as well as the electrical and mechanical connection between the MEMS chip and the carrier substrate in a common step or the two sub-steps that follow one after the other. Additional steps to seal are no longer required.
  • An easy way to connect the metal frame with the MEMS chip is to apply a connecting means on the metal frame and / or on an edge region on the underside of the MEMS chip prior to mounting the MEMS chip.
  • This connection means establishes a firm connection between metal frame and MEMS chip in the thermal connection process.
  • a plastic ⁇ layer is suitable, which generates a Verschwei ⁇ tion and / or bonding of the two surfaces to be joined in the thermal process.
  • Welding is possible with a thermoplastic or polymer. Bonding can also take place with an uncured or partially cured reaction resin which cures during the thermal process or initiated by it and forms an adhesive bond between the MEMS chip and the metal frame.
  • solder layer as connecting means.
  • This is advantageous insbeson ⁇ particular in combination with a likewise frame-shaped structure which is formed in the connection area, so on an edge region on the underside of the MEMS chip and is dimensioned so that it when placed on the metal frame with this round in connection can occur.
  • the US-supported and possibly under Druckbeier ⁇ impact carried out thermal process then leads to the formation of a solder connection between the frame-shaped structure and metal frame.
  • the electrical connection between the MEMS chip and Stromsub ⁇ strat or the formed on the respective surfaces of electrical contacts and pads ER- follows by means of bumps, which may be formed for example as a stud or solder bumps. These may be pre-formed on the electrical contacts on the underside of the MEMS chip prior to connection. In principle, however, it is also possible form the bumps on the electrical pads of the carrier substrate.
  • the metal frame on the surface of the carrier substrate has a planar surface.
  • it can be planarized in a separate step before placing the MEMS chip, so that a seamless and air-gap-free placement of the home-level MEMS chip on the metal frame is possible.
  • it is also to planarize the surface of the Suspend ⁇ strats before producing the metal frame. With uniform growth of the metal layer or the metal layers have a plane surface of the metal frame will also ⁇ so guaranteed.
  • a carrier substrate with sufficient glat ⁇ ter surface requires no additional planarization.
  • connection process it is advantageous to support the connection process by applying a pressure, wherein the metallic and / or plastic surfaces to be joined are pressed against each other.
  • the metal frame has a relatively soft surface coating, for example a solder layer, and this is combined with a frame-shaped structure on the MEMS chip whose material is harder selected than the solder. In this way it is possible to press the frame-shaped structure into the relatively soft solder layer by applying a pressure, thus enabling a simpler and secure connection of the two surfaces. It is advantageous if the frame-shaped structure has a relatively small cross-sectional or support surface ⁇ which is small compared to the bearing surface formed by the metal frame.
  • nano-particles are in particular made of a material which has a higher hardness than the metal frame ⁇ and the frame-shaped structure. This makes it possible to press the nano-particles into the metal frame and / or the frame-shaped structure when applying a pressure after placing the MEMS chip on the metal frame and thereby to create a more intimate connection by enlarging the surfaces to be joined. This also ensures that the lateral relative positions of substrate and MEMS chip to each other are maintained and do not change during the thermal process by slipping.
  • the nano-particles with a typical size of 0.1-3.0 ⁇ m are in particular made of a ceramic material with high hardness and are advantageously electrically conductive. Suitable examples are aluminum nitride, boron nitride, carbides and in particular the electrically conductive SiC.
  • a structure for the metal frame includes, for example, an adhesive layer (eg made of Ti or Cr) followed by a layer of Cu, Ni, Au, Ag, Pt or Pd. It is also possible over the adhesive layer but a layer sequence consisting of mindes ⁇ least two of the aforementioned sequence histories.
  • the adhesive layer can also be omitted if the substrates are pretreated for example HTCC or LTCC accordingly.
  • the following layers can be applied without current or galvanic in the presence of a seed layer.
  • a preferred material for the metal frame is copper, which can be applied and patterned in a simple manner in a galvanic process on the carrier substrate. After applying a base metallization then the recess can be filled with metal by galvanic or electroless method in a simple manner.
  • the end of the process before removing the resist
  • Mask performed a planarization process, in particular a milling process, which ensures a flat surface of the metal frame. This can be created even on uneven surface of the carrier substrate even later required for the secure and tight connection plane surface on the metal frame.
  • the resist mask protects the rest of the carrier substrate from damage and contamination by the milling process. Subsequently, the resist mask is removed.
  • the surface of a copper-containing metal frame can be protected against corrosion and oxidation by a passivation layer to maintain the bondability or solderability of the copper layer.
  • a passivation layer to maintain the bondability or solderability of the copper layer.
  • layers of noble metals in particular of Au, Pd,
  • Pt and Ag applied in a thin layer on the copper frame. This can in particular be done directly after milling, in which case only the surface of the metal frame serving for connection formation is passivated.
  • connection formation between the MEMS chip and the carrier substrate requires at least one US-supported and possibly pressurized flip-chip process. Will the electric Connection made via solder bumps, a reflow soldering is sufficient and well suited.
  • An electrical Verbin ⁇ dung on stud bumps can be made in a thermosonic process by which a friction-welded joint is formed. In principle, however, other methods are also suitable which can provide a sufficient thermal budget without requiring too long a thermal exposure of the MEMS chip and carrier substrate.
  • the component structures are included on the underside of the MEMS chip in a hollow ⁇ space in which they are protected when another possible encapsulation of damage or functional impairment.
  • a metal layer For electromagnetic shielding and also for mechanical stabilization of the composite of MEMS chip and carrier substrate, it may be advantageous to cover the MEMS chip on the backside with a metal layer. This can be blanket deposited on the exposed surfaces of the carrier substrate, metal ⁇ frame, frame-shaped structure and MEMS chip.
  • a two-part process is advantageous in which in a first step, first a base metallization in a thin layer thickness is applied, for example by vapor deposition, sputtering, a CVD method or another example, plasma-assisted process. This base metallization can then be galvanically or electrolessly amplified.
  • Stabilization is obtained, for example, with a metal layer having a thickness of approximately ten ⁇ m.
  • thinner metal layers can also be applied.
  • a two-part process for producing the metallic layer consists, for example, in the application of a titanium-containing base layer, for example, which can subsequently be reinforced with copper and / or nickel. It is furthermore advantageous to contact this metallic layer with an additional electrical connection surface on the surface of the carrier substrate, which can be arranged outside the chip installation location and, in particular, connected to a ground connection.
  • the mechanical stability of the encapsulated MEMS device can also be increased by a cover with a sufficiently thick plastic layer.
  • a cover with a sufficiently thick plastic layer Such an art ⁇ material layer can be applied and cured, for example, in a drip or pouring process. However, it is also to coat the back of the MEMS chip with a synthetic material in ⁇ MoId- or Umpressvon.
  • the plastic cover may be doped with conductive particles so that it is also suitable as electromagnetic shielding. This or a similar metallic or electrically conductive doping can also serve as a seed layer for electroless applied as shielding metallization after appropriate pretreatment.
  • the plastic cover can also be combined with a metallic layer and overmoulded with the plastic layer.
  • a low-stress encapsulation is made possible by a suitable choice of materials for metal frame and frame-shaped structure.
  • frame-shaped structure and metal frames consist of two different materials it is possible to the thermal coefficient of expan ⁇ coefficients to be selected so that the whole connection structure of metal frame and frame-shaped structure in the region between MEMS chip and carrier substrate in the direction perpendicular to the chip surface has the same thermal expansion as the electrical connection via the bumps.
  • the thermal coefficient of expan ⁇ coefficients to be selected so that the whole connection structure of metal frame and frame-shaped structure in the region between MEMS chip and carrier substrate in the direction perpendicular to the chip surface has the same thermal expansion as the electrical connection via the bumps.
  • a matching effective total expansion coefficient perpendicular to the chip area can be achieved. In this way it is achieved that electrical connection and encapsulation no thermal stresses between even in temperature changes
  • Carrier substrate and MEMS chip can produce. It is furthermore advantageous if the material of MEMS chip and carrier substrate are adapted to one another in the thermal expansion and are preferably identical.
  • LT42 lithium tantalate with a 42 ° red XY section and a thermal expansion ⁇ coefficient CTE in chip level 7 ppm / ° K and 14 ppm / 0 K
  • LTCC carrier substrates it may be advantageous, to select an LTCC with a CTE value approximately equal to the average of the two CTE values in the xy plane of LT42, ie LTCC with an expansion coefficient of approximately or equal to 10.5 ppm / ° K.
  • FIG. 1 shows an arrangement of MEMS chip and carrier substrate shortly before the connection according to a first exemplary embodiment in schematic cross section.
  • FIG. 2 shows the carrier substrate in a schematic plan view.
  • Figure 3 shows an arrangement in cross section according to a second embodiment.
  • Figure 4 shows an arrangement in cross section according to a third embodiment.
  • Figure 5 shows an arrangement in cross section according to a fourth embodiment.
  • Figure 6 shows an arrangement in cross section according to a fifth embodiment.
  • FIG. 7 shows an arrangement after the connection of carrier substrate and MEMS chip.
  • Figure 8 shows an arrangement after joining and applying a metal layer in a schematic cross section.
  • Figure 9 shows an arrangement after the additional application of a plastic cover in the schematic cross section.
  • FIG. 1 shows an arrangement of a carrier substrate TS and a MEMS chip MC in a schematic cross-section before connecting the two components.
  • the MEMS chip MC is a component in the form of a chip, which has electrical contacts K for the electrical component structures (not shown in the figure) on its underside. These component structures are preferably also arranged in the region of the underside of the MEMS chip, but may also be provided in the interior of the MEMS chip.
  • the MEMS chip is shown in two parts in order to illustrate the different electrical contacting methods via stud bumps as in the left part of the illustration or via solder bumps BU "as in the right-hand part of the illustration
  • the bumps BU are on the MEMS chip prefabricated and applied directly over the electrical contacts K. For this purpose, conventional bump generating methods can be used.
  • a cost-effective and easy to implement method for producing solder bumps BU is, for example, a printing method, for example by means of a template.
  • Stud-bumps can be applied, for example in the form of gold bumps individually by means of a wire bonder.However, it is also possible to use columns (FIG. Pillars), for example, made of Cu and / or Ni and / or gold or from Sn, SnAg, etc. in a galvanic process directly on the underside of the MEMS chip.
  • solder bump having a height h before collapse of ⁇ 75 ⁇ m
  • height h 50 ⁇ m
  • typical heights for studbumps are ahead of the US flip Chip process at 35 microns, after bonding at 20 microns.
  • the carrier substrate TS is preferably a ceramic substrate on or in which an interconnection can be realized.
  • the carrier substrate is multi-layered, wherein it may have at least one internal wiring plane, which in the figure by a dashed
  • Each of the layers may e.g. 75 ⁇ m thick, so that a two-layer carrier substrate then has a total thickness of about 150 ⁇ m.
  • the carrier substrate TS can also be a foil e.g. Kapton film or LCP film, which may have a typical thickness of 50 microns in the case of a single-layer structure of the carrier substrate.
  • the carrier substrate TS electrical connection pads AF which is connected to the unillustrated electrical wiring in the interior of the carrier substrate.
  • the interconnection opens on the bottom in external contacts AK, with which the finished device can be attached and contacted in a circuit environment.
  • the carrier substrate TS has on the surface a closed metal frame MR which encloses a mounting location for the MEMS chip MC and in particular the electrical connection areas AF provided for contacting the MEMS chip on the surface of the carrier substrate.
  • the metal frame MR is characterized in particular by a flat surface.
  • the metal frame MR is planarized by a planarization process in order to obtain a particularly flat surface
  • the height of the metal frame corresponds to the height of the bumps BU after bonding of carrier substrate and MEMS chip, so for Studbumps about 20 ⁇ m, for solder bumps about 50 ⁇ m. It is an aspect ratio of about one or less, set, so that the frame, for example, 20 ⁇ m and 50 ⁇ m wide.
  • the connecting means VM is applied in a ge relative to the frame height ⁇ ringeren layer thickness.
  • the connecting means is likewise structured in the form of a frame and is arranged at least in the region of the chip edge of the MEMS chip. But it can also cover the entire metal frame or its surface.
  • the connecting means is thus shaped so that it can come into contact with the edge region of the MEMS chip when placing it.
  • a polymer layer or a polymer-curable layer is used as the bonding agent VM.
  • Reaction resins are preferably used in a pre-cured modification, which allows a simple application and structuring whose structure still has a certain deformability.
  • the pre-cured reaction resins is sufficiently dimensionally stable, so that it can be applied in a structured manner, for example by printing, and yet no undesired tiling occurs during the thermal loading when connecting the MEMS chip and carrier substrate.
  • a suitable layer thickness for such a polymer comprising bonding agent is l-10 ⁇ m. The structuring of the polymer layer takes place such that parts of the metal frame MR stay free and then metallized in a later step.
  • a material suitable for producing a solder connection in particular a solder and, for example, a tin layer, can be applied as connecting means VM.
  • a polymer-containing bonding agent is for the variant with the solder in the edge region of the MEMS chip MC a corresponding metallic surface on the MEMS chip is required, which is suitable for connection to the solder layer.
  • the underside of the MEMS chip MC a for example, is also frame-shaped, the chip edge extending along Metalli ⁇ tion comprise, for example, in composition and thickness as a UBM (under bump metalization) is formed. This may be single or multi-layered and has a solderable surface, in particular a nickel or gold surface.
  • the application of a sufficient thermal budget may be necessary.
  • This is preferably provided in the two variants using a connection means via a reflow process.
  • a solder-weld connection of the bump BU designed as a stud bump with the corresponding connection surface AF can be produced.
  • the reflow method is sufficient to simultaneously produce both the bump connection and the connection of the chip edge to the metal frame via the connection means VM.
  • FIG. 2 schematically shows a possible structuring of the surface of the carrier substrate TS.
  • This is preferably a large area and formed for example as a wafer and has a number of slots CA for MEMS chips.
  • a number of electrical pads in the form of solderable metallizations are provided, the number and arrangement of which depends on the MEMS chip MC and corresponds to the arrangement of the electrical contacts K on the MEMS chip.
  • the pads AF of each slot are surrounded by a metal frame MR, which preferably follows the shape of the MEMS chip MC or its outer edge and is here for example rectangular.
  • the MEMS chip MC deviates from the rectangular shape or the metal frame does not completely follow the chip edge of the MEMS chip and has, for example, rounded "corners.”
  • Each chip insertion location CA is separated from the adjacent one by one
  • different MEMS chips MC to be applied to a common carrier substrate TS in the proposed method along which the separation of the finished components is possible
  • a comprising a polymer or curable to a polymer resin layer may be applied directly to the edge ⁇ area of the MEMS chip, the surface of which comprises a single crystal, a semiconductor material, an oxide, a metallization or other material.
  • a solder comprising solder is applied to a solderable metallization provided in the edge region of the MEMS chip.
  • An exemplary material useful as a bonding agent is BCB (benzocyclobutene) which is thermally curable to a polymer. This can be applied in a layer thickness of, for example 1 micron - 5 microns.
  • a BCB layer applied to the edge region of the MEMS chip can be combined with a further polymer, which is applied as a bonding agent VM on the metal frame and has, for example, a thickness of approximately five ⁇ m.
  • the metal frame MR is preferably made of a material which is easy to apply and in particular planarizable. Well suited are, for example, Cu or Ni or Au, which are sufficiently soft and can be easily leveled by a milling process.
  • the height of the metal frame MR is preferably adapted to the height of the bumps after the Her ⁇ position of the bump connection. Of course, the height of the layer of the bonding agent VM before joining is also included in the height measurement.
  • the width of the frame is such that a sufficient tole ⁇ tolerance when placing the MEMS chip is adhered to the frame.
  • the outer edge of the frame may be congruent with the outer edge of the MEMS chip, but is preferably extended beyond the outer edge of the MEMS chip, thus enclosing a larger footprint than the outer edge of the MEMS chip.
  • a well-suited typical frame width is ⁇ example, at about 50 microns.
  • FIG. 3 shows, in a schematic cross-section, a further variant of how a MEMS chip MC can be securely and simply connected to the carrier substrate TS.
  • the pre-fabricated on the MEMS chip bumps BU are only shown as stud bumps, in which, as well as in all other versions, of course, also solder bumps are suitable, which are also more cost-effective to manufacture.
  • the one shown in Figure 3 differs by the connection means VM applied in the edge region of the MEMS chip and formed in the form of a metallic frame.
  • This metallic frame has a surface which is weldable to the surface of the metal frame MR, for example in a thermosonic method.
  • the metallic frame is formed narrow on the underside of the MEMS chip relative to the width of the metal frame MR and has for example a cross section of about 5x5 ⁇ m 2 .
  • This has the advantage that in the thermosonic method used to make the connection, the mechanical energy introduced by means of ultrasound is concentrated on the small area of the metallic frame-shaped structure which here serves as connecting means VM. This makes it possible to produce a weld with less force than with a larger contact surface.
  • the height of the frame-shaped structure can be chosen arbitrarily small, but sufficient material must be present in order to enable the desired friction-welding connection with the metal frame MR.
  • materials for the metallic frame-shaped and serving as connecting means VM structure are metals that the corresponding oxide ⁇ free surfaces for producing the friction welding connection have suitable surface, in particular copper, nickel, gold, palladium or platinum.
  • the metallic frame-shaped structure is produced in particular in a galvanic process, wherein a resist mask, in which the structure of the frame-shaped structure is recessed, is used. Via a previously applied base metallization, a metal in the desired layer thickness with sufficient layer thickness uniformity can be deposited by the galvanic method. Opposite the metal frame is the planarity of the frame-shaped
  • FIG. 4 shows a further variant of the proposed connection method, whereby again the two parts to be joined are shown separated from each other.
  • the MEMS chip is equipped with the same frame-shaped structure as in FIG.
  • a layer WS of a particularly metallic material which is soft in comparison to the frame-shaped structure is applied, for example a solder layer.
  • This has a relatively small layer thickness and has a greater width than the frame-shaped structure on the MEMS chip.
  • This embodiment has the advantage that when the MEMS chip is placed on the metal frame and as a consequence of a pressure exerted on the MEMS chip, the frame-shaped structure is inserted into the soft metal layer WS can impress.
  • the soft metal layer is formed as a solder layer, soldering to the frame-shaped structure is achieved.
  • An otherwise selected soft metal layer WS can be welded to the frame-shaped structure in the thermosonic process.
  • the thickness of the solder layer can be chosen so that at about 275 0 C at least partially forms a non-fusible SnCu alloy with the frame material, which no longer flows during subsequent reflow soldering and so the interior remains closed as a permanently dense cavity.
  • FIG. 5 shows a further variant in schematic cross-section ⁇ , in which the metal frame on the height of an under- bump metallization (UBM) is reduced.
  • UBM under- bump metallization
  • the UBM can have a multilayer structure and, for example, comprise an adhesive layer and a solderable or bondable layer or a layer with a bondable or solderable surface. Accordingly ⁇ speaking the height of the metal frame MR, in this Design significantly lower than that in the above embodiments.
  • Metal formed frame-shaped structure RS generated This may consist of the materials as described above. Because of the greater height, it also has a higher width than the variants described in FIGS. 3 and 4 while maintaining a favorable aspect ratio.
  • Embodiment is particularly advantageous when a planar or subsequently planarized carrier substrate, for example, when a post-planarized LTCC is used as the carrier substrate.
  • it is also favorable additional Liehe support structures, so-called Pillars on the underside of the MEMS chip which has already inherently a planar upper surface ⁇ to generate. Pillars and frame-shaped structure RS can then lie flush when placed on the formed as a UBM metal frame MR because of the plan surfaces on both sides and with a minimal gap.
  • a thin tin layer is applied at least on the surface of the metal frame MR or the surface of the frame-shaped structure RS, which enables soldering.
  • Metal frames MR and pads AF can be made of the same material or the same material combination.
  • the UBM may then have a Sn or SnAgCu surface.
  • the compound formation by means of a Thermo sonic method, a reflow process or by a Combination of both methods done.
  • the pillars on the carrier substrate can provide solder layer on the metal frame.
  • corresponding contact surfaces on the MEMS chip can then also solder layers are applied. Lot harshen on metal frame and the contact surfaces can then be designed differently, so that when optimizing the corresponding thermal expansion coefficients can be adjusted normal to the surface of the carrier substrate. It is also possible for the connection on the
  • Metal frame to use a different solder than for the preparation of the electrical connection through the pillars, which may differ in hardness, melting point or strength.
  • a SnCu solder is formed through the Cu interface of the pillar and / or the UBM during the reflow process.
  • FIG. 6 shows an arrangement prior to connection, which in principle resembles the arrangement already described in FIG.
  • this arrangement comprises a metal frame MR on the carrier substrate TS and a metallic frame-shaped structure RS in the edge ⁇ area at the bottom of the MEMS chip MC.
  • the metal frame MR with the height h 2 and the frame-shaped structure RS with the height hl can consist of the same or different materials and have approximately the same height.
  • the materials are selected so that they can be combined in a thermosonic process.
  • preferred material is copper, which can be planarized well and by mistake with a bondable Surface is made of gold, for example, in Thermosonic method with a similar surface connectable.
  • a further metal layer or a partial layer is produced on the metal surface of either the metal frame or the metallic frame-shaped structure, in which small-particle particles of hard materials such as diamond grains are embedded.
  • this layer is applied in particular after the planarization. Then it is ensured that these hard finely divided particles protrude partially from the surface of the layer or sub-layer in which they are embedded.
  • these protruding hard particles can now press into the respective opposite metallic surface. In this way it is achieved that an optionally formed oxide layer is broken or pierced, wherein the underlying metal is exposed and is available for a bonding process.
  • this also called “nano-piercing” process provides a firmer connection by the mutual entanglement on the drilling hard particles.
  • metal frames MR and frame-shaped structure RS consist of different materials, it is advantageous to set their heights above the carrier substrate or above the MEMS chip in a suitable ratio in order to achieve a desired thermal expansion coefficient. It is optimal if the composite of metal frame and frame-shaped structure in the sum has the same thermal expansion behavior as the bump BU. this will achieved when the corresponding heights and expansion coefficient CTE ⁇ be set in the following relationship:
  • FIG. 7 shows a cross section of an arrangement after the connection of MEMS chip and carrier substrate.
  • the bumps now connect the electrical contacts K with the pads AF, while sealed between the MEMS chip and the carrier substrate by metal ⁇ frame and frame-shaped structure RS creates a cavity HR and is enclosed. This is independent of the chosen materials for metal frame, frame-shaped structure or optionally connecting means.
  • FIG. 8 shows, in schematic cross-section, a first possibility in which a full-area metallization is provided on the rear side of the MEMS chip, metal frame and carrier substrate.
  • This metallization which can be applied in a thickness of, for example, 20 to 50 microns, can be produced in a two-stage process. For this purpose, a thin metal layer is first applied over the entire surface of the gas phase, for example in a sputtering process.
  • the metal layer GM may, for example, essentially comprise copper, which is easy to apply in the galvanic process. As passivation layer, it is possible to apply even a nickel or gold layer, but not required.
  • a plastic film is applied over the entire back side in such a way that it is a MEMS chip prior to application of the full-area metallization MC, metal frame MR and surface of the carrier substrate TS covered. Subsequently, at least in the region of the metal frame, part of the plastic film is removed and the metal frame is exposed there. Preferably, the exposure takes place along a line enclosing the MEMS chip. If a photosensitive film is used for the plastic film, it can be patterned directly with light or a laser. However, photo-structuring with the aid of an additionally applied photoresist or exposure by means of the thermal alone is also possible
  • the full-surface metallization can be applied, which can then complete in the exposed area with the metal frame, thus enabling a hermetic seal.
  • the plastic film can be structured directly or indirectly in such a way that acoustically damping structures on the back side of the MEMS chip are formed at the same time.
  • An example regular or irregular in the plastic film on the back side of the MEMS chip textured pattern produced in the closing of a corresponding metallization metallization ⁇ in the interfering acoustic wave PelN einkop- and then die out there or be attenuated there.
  • a metallization thickness of approx. 10-30 ⁇ m is suitable for this purpose.
  • the metal Cu or Ni or a layer combination of Ni and Cu can be applied.
  • FIG. 9 illustrates in cross-section a further component which, in addition to the whole-area metallization, is covered by a plastic cover GT.
  • a plastic cover GT This can be done by injection molding, for example by injection molding or by dropping reaction resin as globules. Top mass be applied.
  • This plastic envelope GT can be produced additionally or alternatively to the metallization.
  • the plastic sheath can be applied in a substantially higher thickness than the metal layer, for example in a thickness of 50 ⁇ m to 500 ⁇ m.
  • the manufacturing processes for the MEMS components are completed. Subsequently, the individual components, if several are generated on a large-area carrier substrate, can be isolated. This can be done for example by means of sawing along the separation lines TL shown in Figure 2.
  • the separation on the chip side when a plurality of arranged on a MEMS wafer MEMS chips used at the wafer level, and thus placed a plurality ⁇ number on a wafer realized MEMS chips together on the plurality of metal frame and with connected to this.
  • the singulation of the MEMS chips can be performed in a DBG process (dicing before grinding), in which the MEMS wafer initially (prior to placement on the carrier substrate) from the upper side (corresponds in mounted state of the underside) incisions along the
  • Dividing lines are made to a depth corresponding to the later desired thickness of the chip. Then, the MEMS wafer is draw ⁇ ground from the rear until the cuts made by the other side are free ground and the components are so isolated. Such chip isolation is then carried out before the application of the metal layer and / or the plastic cover.
  • the invention is not limited to the variants described in the figures and the exemplary embodiments. Rather, it is possible to combine individual measures of the connection method with each other. However, it is always important and advantageous for both the electrical connection and the sealing of the cavity between the MEMS chip and the carrier substrate to take place in a common or two similar successive steps, which is at least sufficient for the component to follow through further processes Covers with metal and / or plastic can be further encapsulated.

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Abstract

Zur Verkapselung eines MEMS-Chips wird vorgeschlagen, diesen auf einen planarisierten Metallrahmen aufzusetzen, der auf einem keramischen Trägersubstrat angeordnet ist. In einem thermischen Schritt wird dazu sowohl die elektrische Verbindung zwischen dem MEMS-Chip und Kontakten auf dem Trägersubstrat über Bumps vorgenommen, als auch eine ausreichend dichte und mechanisch stabile Verbindung zwischen Metallrahmen und MEMS-Chip hergestellt.

Description

Beschreibung
Verfahren zur Herstellung eines MEMS-Packages
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines
Packages für ein MEMS-Bauelement (= mikroelektro-mechanisches System) , insbesondere für ein SAW-Bauelement (= surface acoustic wave) , ein FBAR-Bauelement (= thin film bulk acoustic resonator) und Sensoren für Druck, Drehraten und MEOMS (= mikroelektro-opto-mechanisches System) . Diese und ähnliche Bauelemente weisen an der Oberfläche des einen Chip umfassenden MEMS-Bauelements mechanisch empfindliche Bauelementstrukturen auf, die im Package mit einem Hohlraum über der Chipoberfläche verkapselt werden müssen. Neben oder zusammen mit der Verkapselung ist eine elektrische Verbindung zwischen elektrischen Kontakten auf dem MEMS-Chip und z.B. einer Leiterplatte erforderlich.
Eine bevorzugte Montage solcher MEMS-Chips erfolgt deshalb in Flipchip-Anordnung auf einem Substrat, welches elektrische Anschlüsse und insbesondere eine Verdrahtung umfasst. Die elektrische Verbindung zwischen Chip und Substrat kann Bumps umfassen, die beispielsweise aus Lot oder Gold bestehen können .
Vorzugsweise wird an der zum Substrat weisenden Unterkante des Chips der Spalt zwischen Chip und Substrat geschlossen. Dazu wurden bereits unterschiedliche Techniken vorgeschlagen.
Aus der WO2005/102910 Al ist beispielsweise ein Verfahren bekannt, bei dem der Chip auf einer über dem Substrat überstehenden Auflage aufliegt und der verbleibende Spalt über ein Jetdruck-Verfahren mit einem Polymer oder einer elektrisch leitfähigen Masse verschlossen wird.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, das Bauelement unter einer auflaminierten Abdeckfolie abzudecken.
Ein Nachteil der bekannten Verkapselungsverfahren ist es, dass die Montage des Chips und dessen Verkapselung eine Vielzahl von Bearbeitungsschritten erfordert, die das Verfahren aufwändig und damit kostspielig machen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Herstellung eines MEMS-Packages anzugeben, welches in einfacher Weise zu einer sicheren Verkapselung des MEMS-Bauelements führt.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind weiteren Ansprüchen zu entnehmen.
Es wird ein Verfahren vorgeschlagen, welches insbesondere im Nutzen durchführbar ist. Dazu wird von einem insbesondere großflächigen Trägersubstrat ausgegangen, welches eine Viel¬ zahl von Einbauplätzen für MEMS-Chips aufweist. Ein jeder Einbauplatz auf dem Trägersubstrat weist eine der Anzahl der Chip-Kontakte entsprechende Anzahl elektrischer Anschlussflä¬ chen auf der Oberseite auf. Elektrisch mit diesen verbunden sind Außenkontakte auf der Unterseite des Trägersubstrats. Die Verbindung kann rein ohmscher Natur, induktiv, oder kapazitiv sein oder parallel mehrere unterschiedliche der genannten Möglichkeiten umfassen. Ein jeder Einbauplatz weist einen Metallrahmen mit planer Oberfläche auf, der die Anschlussflächen umschließt. Pro Einbauplatz wird nun ein MEMS-Chip, welcher elektrische Kontakte auf seiner die MEMS-Strukturen tragende Unterseite aufweist, so auf das Trägersubstrat aufgesetzt, dass er mit einem Randbereich seiner Unterseite auf dem Metallrahmen aufsitzt .
Das Aufsetzen der MEMS-Chips kann einzeln oder im Nutzen bzw. im Chipverbund erfolgen. Dabei kann eine größere Anzahl von MEMS-Chip gleichzeitig auf die entsprechenden Einbauplätze aufgesetzt werden. Dies dann besonders gut gelingen, wenn das Trägersubstrat eine plane Oberfläche aufweist und besonders verzugsarm ist, so dass eine größere Anzahl von Einbauplätzen regelmäßig und in einer gemeinsamen Ebene angeordnet ist.
Generell ist vorgesehen, die elektrische und mechanische Ver¬ bindung zwischen Trägersubstrat und MEMS-Chip in einem einzigen Flip-Chip-Prozess zu realisieren, bei dem der mit Ultra- schall (US) von typisch 60 kHz - 100 kHz beaufschlagte MEMS- Chip mit einer typischen Druckkraft von 2,5N - 5N pro mm2 Chipfläche beaufschlagt wird. Die gewünschte Verbindung der Bumps und des Metallrahmens mit den jeweils vorgesehenen Ver¬ bindungsflächen entsteht dann bereits bei Zimmertemperatur. Eine erhöhte Temperatur kann jedoch vorteilhaft sein.
Der druckbeaufschlagte US Flip-Chip-Prozess kann auch in einem zweiten Schritt (quasi im Teilnutzen) erfolgen, wenn die Relativposition von MEMS-Chip und Trägersubstrat durch einen vorangegangenen ersten rein thermischen oder mit US unterstützten Flip-Chip-Prozess bereits fixiert ist. Auf jeden Fall können die beiden Bondprozesse entweder direkt zusammen in einem einzigen gemeinsamen Schritt oder unmittelbar hintereinander in zwei Teilschritten eines gemeinsamen Verbindungsprozesses vorgenommen werden. Zwischen den Teilschritten ist keine weitere Maßnahme erforderlich oder sinnvoll. Im Fall von Lotverbindungen ist auch eine Vorgehensweise möglich, die eine Fixierung des Chips durch einen druckbeaufschlagten US Flip-Chip-Prozess beinhaltet, wobei zwischen MEMS-Chip und Metallrahmen durchaus noch ein Spalt sein darf. Das mit fixierten MEMS-Chips voll belegte Trägersubstrat (Panel) kann dann in einer Vakuumpresse oder in einer Vakuumlaminiereinheit so zusammengepresst werden, dass die MEMS-Chips fest mit dem Metallrahmen verbunden werden. Die Temperaturen werden hierbei so gewählt, dass um Fall von Polymeren auf den Metallrahmen Klebeverbindungen bzw. im Fall von aufschmelzendem Lot Lötverbindungen entstehen .
Auf diese Weise bildet sich bereits beim Verbindungsprozess zwischen MEMS-Chip und Trägersubstrat ein vom Metallrahmen umschlossener, geschlossener Hohlraum aus.
Mit dem vorgeschlagenem Verfahren ist es möglich, sowohl die Abdichtung des MEMS-Packages als auch die elektrische und mechanische Verbindung zwischen MEMS-Chip und Trägersubstrat in einem gemeinsamen Schritt oder den zwei unmittelbar hintereinander folgenden ähnlichen Teilschritten herzustellen. Zusätzliche Schritte zur Abdichtung sind nicht mehr erforderlich.
Eine einfache Möglichkeit, den Metallrahmen mit dem MEMS-Chip zu verbinden liegt darin, vor dem Aufsetzen des MEMS-Chip ein Verbindungsmittel auf dem Metallrahmen und/oder auf einem Randbereich auf der Unterseite des MEMS-Chip aufzubringen. Dieses Verbindungsmittel stellt im thermischen Verbindungs- prozess eine feste Verbindung zwischen Metallrahmen und MEMS- Chip her.
Als Verbindungsmittel ist beispielsweise eine Kunststoff¬ schicht geeignet, die im thermischen Prozess eine Verschwei¬ ßung und/oder eine Verklebung der beiden zu verbindenden Oberflächen erzeugt. Eine Verschweißung ist mit einem thermoplastischen Kunststoff oder Polymer möglich. Eine Verklebung kann auch mit einem un- oder teilgehärtetem Reaktionsharz erfolgen, welches während des thermischen Prozess oder durch diesen initiiert aushärtet und eine Klebeverbindung zwischen MEMS Chip und Metallrahmen ausbildet.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, als Verbindungsmittel eine Lot-Schicht aufzubringen. Von Vorteil ist dies insbeson¬ dere in Kombination mit einer ebenfalls rahmenförmig ausgebildeten Struktur, die im Verbindungsbereich, also auf einem Randbereich auf der Unterseite des MEMS-Chips ausgebildet wird und so dimensioniert ist, dass sie beim Aufsetzen auf dem Metallrahmen mit diesem rundum in Verbindung treten kann. Der mit US unterstützte und gegebenenfalls unter Druckbeauf¬ schlagung durchgeführte thermische Prozess führt dann zum Ausbilden einer Lot-Verbindung zwischen rahmenförmiger Struktur und Metallrahmen.
Die elektrische Verbindung zwischen MEMS-Chip und Trägersub¬ strat beziehungsweise den auf den entsprechenden Oberflächen ausgebildeten elektrischen Kontakten und Anschlussflächen er- folgt über Bumps, die beispielsweise als Stud- oder Lot-Bumps ausgebildet sein können. Diese können vor dem Verbinden auf den elektrischen Kontakten auf der Unterseite des MEMS-Chips vorgebildet werden. Prinzipiell ist es jedoch auch möglich, die Bumps auf den elektrischen Anschlussflächen des Trägersubstrats auszubilden.
Wegen der engeren einzuhaltenden Toleranzen und der besseren Strukturierbarkeit beim Aufbringen der Bumps ist jedoch das Aufbringen der Bumps auf dem MEMS-Chip bevorzugt.
Der Metallrahmen auf der Oberfläche des Trägersubstrats weist eine plane Oberfläche auf. Dazu kann er in einem separaten Schritt vor dem Aufsetzen des MEMS Chips planarisiert sein, so dass ein nahtloses und Luft-Spalt-freies Aufsetzen des von hause aus ebenen MEMS-Chips auf dem Metallrahmen möglich ist. Möglich ist es jedoch auch, die Oberfläche des Trägersub¬ strats vor dem Erzeugen des Metallrahmens zu planarisieren . Bei gleichmäßigem Aufwachsen der Metallschicht oder der Metallschichten wird auch so eine plane Oberfläche des Metall¬ rahmens garantiert. Ein Trägersubstrat mit ausreichend glat¬ ter Oberfläche erfordert keine zusätzliche Planarisierung.
Vorteilhaft ist es, den Verbindungsprozess durch Ausüben eines Drucks zu unterstützen, wobei die zu verbindenden metallischen und/oder Kunststoff aufweisenden Oberflächen aufeinander gepresst werden.
Vorteilhaft ist es, wenn der Metallrahmen eine relativ weiche Oberflächenbeschichtung aufweist, beispielsweise eine Lot- Schicht, und diese mit einer rahmenförmigen Struktur auf dem MEMS-Chip kombiniert wird, deren Material härter gewählt wird als das Lot. Auf diese Weise ist es möglich, durch Ausüben eines Drucks die rahmenförmige Struktur in die relativ weiche Lot-Schicht einzudrücken und so eine einfachere und sichere Verbindung der beiden Oberflächen zu ermöglichen. Dabei ist es von Vorteil, wenn die rahmenförmige Struktur eine relativ geringe Querschnitts- beziehungsweise Auflage¬ fläche aufweist, die klein ist gegenüber der durch den Metallrahmen gebildeten Auflagefläche.
Möglich ist es auch, auf der Oberfläche der rahmenförmigen Struktur, die insbesondere aus Metall besteht, kleinteilige Partikel und insbesondere Nano-Partikel in feiner Verteilung aufzubringen. Diese Nano-Partikel sind insbesondere aus einem Material gefertigt, welches eine höhere Härte als der Metall¬ rahmen und die rahmenförmige Struktur aufweist. Dadurch ist es möglich, beim Ausüben eines Drucks nach dem Aufsetzen des MEMS-Chips auf den Metallrahmen die Nano-Partikel in den Metallrahmen und/oder die rahmenförmige Struktur einzudrücken und dabei eine innigere Verbindung durch eine Vergrößerung der zur verbindenden Oberflächen zu schaffen. So wird auch erreicht, dass die lateralen Relativpositionen von Substrat und MEMS Chip zueinander erhalten bleiben und sich während des thermischen Prozesses nicht durch Verrutschen verändern.
Die Nano-Teilchen mit einer typischen Größe von 0,1 - 3,0 μm sind insbesondere aus einem keramischen Material mit hoher Härte gefertigt und sind vorteilhaft elektrisch leitfähig. Geeignet sind beispielsweise Aluminiumnitrid, Bornitrid, Carbide und insbesondere das elektrisch leitfähige SiC.
Ein Aufbau für den Metallrahmen umfasst beispielsweise eine Haftschicht (z. B. aus Ti oder Cr) gefolgt von einer Schicht aus Cu, Ni, Au, Ag, Pt oder Pd. Möglich ist über der Haft- schicht auch aber eine Schichtenfolge bestehend aus mindes¬ tens zwei der vorher genannten Folgeschichten. Die Haftschicht kann auch entfallen, wenn die Substrate z.B. HTCC bzw. LTCC entsprechend vorbehandelt werden. Die Folge- schichten können stromlos aufgebracht werden oder aber bei Vorhandensein einer Seedlayer auch galvanisch.
Ein bevorzugtes Material für den Metallrahmen ist Kupfer, welches sich in einfacher Weise in einem galvanischen Prozess auf dem Trägersubstrat aufbringen und strukturieren lässt. Nach Aufbringen einer Grundmetallisierung kann dann in einfacher Weise die Aussparung durch galvanische oder stromlose Verfahren mit Metall aufgefüllt werden. Vorteilhaft wird am Ende des Verfahrens vor dem Entfernen der Resist-
Maske ein Planarisierungsprozess durchgeführt, insbesondere ein Fräs-Verfahren, welches für eine plane Oberfläche des Metallrahmens sorgt. Damit kann auch bei unebener Oberfläche des Trägersubstrats noch nachträglich eine für die sichere und dichte Verbindung erforderliche plane Oberfläche auf dem Metallrahmen geschaffen werden. Die Resist-Maske schützt dabei den Rest des Trägersubstrats vor Beschädigung und Verunreinigung durch das Fräs-Verfahren . Anschließend wird die Resist-Maske entfernt.
Die Oberfläche eines kupferhaltigen Metallrahmens kann gegen Korrosion und Oxidation durch eine Passivierungsschicht geschützt werden, um die Bondbarkeit oder Lötbarkeit der Kupfer-Schicht aufrecht zu erhalten. Dazu können Schichten von Edelmetallen, insbesondere von insbesondere von Au, Pd,
Pt und Ag, in dünner Schicht auf dem Kupferrahmen aufgebracht werden. Dies kann insbesondere direkt nach dem Fräsen erfolgen, wobei dann nur die zur Verbindungsbildung dienende Oberfläche des Metallrahmens passiviert wird.
Die Verbindungsbildung zwischen MEMS-Chip und Trägersubstrat erfordert zumindest einen US unterstützten und gegebenenfalls druckbeaufschlagten Flip-Chip-Prozess . Wird die elektrische Verbindung über Lot-Bumps hergestellt, ist dazu ein Reflow- Löten ausreichend und gut geeignet. Eine elektrische Verbin¬ dung über Stud-Bumps kann in einem Thermosonic-Verfahren erfolgen, mit dem eine Reibschweißverbindung gebildet wird. Prinzipiell sind jedoch auch andere Verfahren geeignet, die ein ausreichendes thermisches Budget zur Verfügung stellen können, ohne dass dazu eine zu lange thermische Exposition von MEMS-Chip und Trägersubstrat erforderlich ist.
Mit dem eben beschriebenen Verfahren sind die Bauelementstrukturen auf der Unterseite des MEMS-Chips in einen Hohl¬ raum eingeschlossen, in dem sie bei der weiteren möglichen Verkapselung von Beschädigung oder funktioneller Beeinträchtigung geschützt sind.
Zur elektromagnetischen Abschirmung und auch zur mechanischen Stabilisierung des Verbunds aus MEMS-Chip und Trägersubstrat kann es vorteilhaft sein, den MEMS-Chip auf der Rückseite mit einer Metallschicht abzudecken. Diese kann ganzflächig auf die freiliegenden Oberflächen von Trägersubstrat, Metall¬ rahmen, rahmenförmiger Struktur und MEMS-Chip aufgebracht werden. Dazu ist insbesondere ein zweiteiliges Verfahren von Vorteil, bei dem in einem ersten Schritt zunächst eine Grundmetallisierung in dünner Schichtdicke aufgebracht wird, beispielsweise durch Aufdampfen, Aufsputtern, ein CVD- Verfahren oder einen anderen z.B. Plasma-unterstützten Prozess. Diese Grundmetallisierung kann anschließend galvanisch oder stromlos verstärkt werden.
Eine gute Abschirmung und eine ausreichende mechanische
Stabilisierung wird beispielsweise mit einer Metallschicht mit einer Dicke ab zirka zehn μm erhalten. Jedoch können auch dünnere Metallschichten aufgebracht werden. Ein zweiteiliges Verfahren zur Herstellung der metallischen Schicht besteht beispielsweise in dem Aufbringen einer zum Beispiel Titan-haltigen Grundschicht, die anschließend mit Kupfer und/oder Nickel verstärkt werden kann. Von Vorteil ist es weiterhin, diese metallische Schicht mit einer zusätzlichen elektrischen Anschlussfläche auf der Oberfläche des Trägersubstrat zu kontaktieren, die außerhalb des Chipeinbauplatzes angeordnet und insbesondere mit einem Masseanschluss verbunden sein kann.
Die mechanische Stabilität des verkapselten MEMS-Bauelements kann außerdem durch eine Abdeckung mit einer ausreichend dicken KunststoffSchicht erhöht werden. Eine solche Kunst¬ stoffschicht kann beispielsweise in einem Tropf- oder Gieß- verfahren aufgebracht und gehärtet werden. Möglich ist es jedoch auch, die Rückseite des MEMS Chips mit einem Kunst¬ stoff im MoId- oder Umpressverfahren zu umhüllen. Die Kunststoffabdeckung kann mit leitfähigen Partikeln so dotiert sein, dass sie sich auch als elektromagnetisches Shielding eignet. Diese odereine ähnliche metallische oder elektrisch leitfähige Dotierung kann aber auch nach entsprechender Vorbehandlung als Keimschicht für eine stromlos aufgebrachte als Shielding genutzte Metallisierung dienen. Die Kunststoffabdeckung kann auch mit einer metallischen Schicht kombiniert und mit der KunststoffSchicht umspritzt werden.
Eine spannungsarme Verkapselung wird durch eine geeignete Wahl der Materialien für Metallrahmen und rahmenförmige Struktur ermöglicht. Insbesondere wenn rahmenförmige Struktur und Metallrahmen aus zwei unterschiedlichen Materialien bestehen ist es möglich, deren thermische Ausdehnungskoeffi¬ zienten so zu wählen, dass die gesamte Verbindungstruktur aus Metallrahmen und rahmenförmiger Struktur im Bereich zwischen MEMS-Chip und Trägersubstrat in Richtung senkrecht zur Chipfläche die gleiche thermische Ausdehnung aufweist wie die elektrische Verbindung über die Bumps . Bei einer gegebenen Auswahl an Materialien kann dann durch entsprechende Einstellung eines passenden Verhältnisses der Höhen von Metallrahmen und rahmenförmiger Struktur in der Summe ein passender effektiver Gesamtausdehnungskoeffizient senkrecht zur Chipfläche erzielt werden. Auf diese Weise wird erreicht, dass elektrische Verbindung und Verkapselung auch bei Temperaturwechseln keine thermischen Verspannungen zwischen
Trägersubstrat und MEMS-Chip erzeugen können. Vorteilhaft ist es weiterhin wenn Material von MEMS-Chip und Trägersubstrat in der thermischen Ausdehnung einander angepasst und vorzugsweise identisch sind.
Bei der Kombination von 42 °-LT-Chips (LT42 = Lithiumtantalat mit 42°rot xy Schnitt und einem thermischen Ausdehnungs¬ koeffizienten CTE in Chipebene 7 ppm/°K bzw. 14 ppm /0K) mit LTTC Trägersubstraten kann es vorteilhaft sein, eine LTCC mit einem CTE Wert auszuwählen, der in etwa dem Mittelwert aus den beiden CTE-Werten in der xy Ebene von LT42 entspricht, d.h. LTCC mit einem Ausdehnungskoeffizienten von ungefähr oder gleich 10,5 ppm/°K.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbei¬ spielen und der dazugehörigen Figuren näher erläutert. Die Figuren dienen alleine der Veranschaulichung der Erfindung und sind daher nur rein schematisch und nicht maßstabsgetreu ausgeführt, so dass den Figuren weder relative noch absolute Maßangaben entnehmbar sind. Figur 1 zeigt eine Anordnung von MEMS-Chip und Trägersubstrat kurz vor dem Verbinden gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel im schematischen Querschnitt.
Figur 2 zeigt das Trägersubstrat in schematischer Draufsicht.
Figur 3 zeigt eine Anordnung im Querschnitt gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.
Figur 4 zeigt eine Anordnung im Querschnitt gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel.
Figur 5 zeigt eine Anordnung im Querschnitt gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel.
Figur 6 zeigt eine Anordnung im Querschnitt gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel.
Figur 7 zeigt eine Anordnung nach dem Verbinden von Trägersubstrat und MEMS-Chip.
Figur 8 zeigt eine Anordnung nach dem Verbinden und dem Aufbringen einer Metallschicht im schematischem Querschnitt.
Figur 9 zeigt eine Anordnung nach dem zusätzlichen Aufbringen einer Kunststoffabdeckung im schematischen Querschnitt.
Figur 1 zeigt eine Anordnung aus einem Trägersubstrat TS und einem MEMS-Chip MC im schematischen Querschnitt vor dem Verbinden der beiden Komponenten. Der MEMS-Chip MC ist ein in Form eines Chips vorliegendes Bauelement, welches an seiner Unterseite elektrische Kontakte K für die elektrischen in der Figur nicht dargestellten Bauelementstrukturen aufweist. Diese Bauelementstrukturen sind vorzugsweise auch im Bereich der Unterseite des MEMS-Chip angeordnet, können aber auch im Inneren des MEMS-Chip vorgesehen sein. Der MEMS-Chip ist zweigeteilt dargestellt, um die unterschiedlichen elektri- sehen Kontaktierungsverfahren über Stud-Bumps wie im linken Teil der Darstellung oder über Lot-Bumps BU" wie im rechten Teil der Darstellung zu veranschaulichen. Die Bumps BU sind auf dem MEMS-Chip vorgefertigt und direkt über den elektrischen Kontakten K aufgebracht. Dazu können herkömm- liehe Bump-Erzeugungsverfahren eingesetzt werden.
Ein kostengünstiges und einfach durchzuführendes Verfahren zur Herstellung von Lot-Bumps BU" ist beispielsweise ein Druckverfahren, beispielsweise mittels Schablone. Stud-Bumps können beispielsweise in Form von Gold-Bumps einzeln mittels eines Drahtbonders aufgebracht sein. .Möglich ist es jedoch auch, Säulen (Pillars) z.B. aus Cu und/oder Ni und/oder Gold oder aus Sn, SnAg etc. in einem galvanischen Verfahren direkt auf der Unterseite des MEMS-Chips zu erzeugen.
Während ein Lotbump (mit einer Höhe h vor dem Kollabieren von ~ 75 μm) nach dem Kollabieren typischerweise eine Höhe h von 50 μm aufweist, die dann dem Abstand zwischen MEMS-Chip und Trägersubstrat entspricht, liegen typische Höhen für Studbumps vor den US-Flip-Chip-Prozess bei 35 μm, nach dem Bonden bei 20 μm.
Während ein Lotbump nach dem Kollabieren typischerweise eine Höhe von ca. 50μm aufweist, die dann auch dem Abstand zwischen MEMS-Chip und Trägersubstrat entspricht, liegen typische Höhen für Studbumps bei ca. 20μm. Das Trägersubstrat TS ist vorzugsweise ein keramisches Substrat, auf oder in dem eine Verschaltung realisiert sein kann. Vorzugsweise ist das Trägersubstrat mehrschichtig, wobei es zumindest eine im Inneren gelegene Verdrahtungsebene aufweisen kann, die in der Figur durch eine gestrichelte
Linie angedeutet ist. Jede der Schichten kann z.B. 75μm dick sein, sodass ein zweischichtiges Trägersubstrat dann eine Gesamtdicke von etwa 150μm aufweist. Das Trägersubstrat TS kann auch eine Folie z.B. Kaptonfolie oder LCP-Folie sein, die im Fall eines einlagigen Aufbaus des Trägersubstrats eine typische Dicke von 50 μm aufweisen kann.
Auf der Oberseite weist das Trägersubstrat TS elektrische Anschlussflächen AF auf, die mit der nicht dargestellten elektrischen Verdrahtung im Inneren des Trägersubstrat verbunden ist. Die Verschaltung mündet auf der Unterseite in Außenkontakte AK, mit denen das fertige Bauelement in einer Schaltungsumgebung befestigt und kontaktiert werden kann.
Weiterhin weist das Trägersubstrat TS auf der Oberfläche einen geschlossenen Metallrahmen MR auf, der einen Einbauplatz für den MEMS-Chip MC und insbesondere die zur Kontaktierung des MEMS-Chips vorgesehenen elektrischen Anschlussflächen AF auf der Oberfläche des Trägersubstrats umschließt. Der Metallrahmen MR zeichnet sich insbesondere durch eine plane Oberfläche aus. Da eine mehrschichtige für das Trägersubstrat TS eingesetzte Keramik, insbesondere wenn sie großflächig ausgebildet ist, infolge eines Verzugs während des Sinterns eine unebene Oberfläche aufweisen kann, wird vorzugsweise der Metallrahmen MR mit einem Planari- sierungs-Verfahren eingeebnet, um eine besonders plane Oberfläche zu erhalten. Die Höhe des Metallrahmens entspricht der Höhe der Bumps BU nach dem Verbinden von Trägersubstrat und MEMS-Chip, bei Studbumps also etwa 20μm, bei Lot-Bumps etwa 50μm. Es wird ein Aspektverhältnis von etwa eins oder weniger, eingestellt, so dass der Rahmen z.B. 20μm bzw. 50μm breit ist.
Zumindest auf Teilen der Oberfläche des Metallrahmens MR ist ein Verbindungsmittel VM in einer relativ zur Rahmenhöhe ge¬ ringeren Schichtdicke aufgebracht. Das Verbindungsmittel ist ebenfall rahmenförmig strukturiert und zumindest im Bereich der Chipkante des MEMS-Chips angeordnet. Es kann aber auch den gesamten Metallrahmen bzw. dessen Oberfläche bedecken. Das Verbindungsmittel ist also so geformt, dass es mit dem Randbereich des MEMS-Chip beim Aufsetzen desselben in Kontakt treten kann.
In einem ersten Ausführungsbeispiel wird als Verbindungsmit¬ tel VM eine Polymer-Schicht beziehungsweise zu einem Polymer härtbare Schicht eingesetzt. Bevorzugt werden Reaktionsharze in einer vorgehärteten Modifikation eingesetzt, die ein ein- faches Aufbringen und Strukturieren ermöglicht, deren Struktur noch eine gewisse Verformbarkeit aufweist. So ist das vorgehärtete Reaktionsharze ausreichend formbeständig, so dass es z.B. durch Aufdrucken strukturiert aufgebracht werden kann und dennoch kein unerwünschtes Verfliesen während der thermischen Beaufschlagung beim Verbinden von MEMS-Chip und Trägersubstrat auftritt. Möglich ist es jedoch auch, als Verbindungsmittel VM ein thermoplastisches Polymer großflächig aufzubringen und anschließend entsprechend zu strukturieren, z.B. in einem Photoprozess oder durch direkte Strukturierung mittels eines Lasers. Eine geeignete Schichtdicke für ein solches ein Polymer umfassendes Verbindungsmittel liegt bei l-10μm. Die Strukturierung der Polymer-Schicht erfolgt so, dass Teile des Metallrahmens MR frei bleiben und dann in einem späteren Schritt metallisiert werden können.
In einer Variante kann als Verbindungsmittel VM ein zum Herstellen einer Lot-Verbindung geeignetes Material, insbesondere ein Lot und beispielsweise eine Zinn-Schicht aufgebracht werden. Im Unterschied zur Variante mit einem polymerhaltigen Verbindungsmittel ist für die Variante mit dem Lot im Randbereich des MEMS-Chip MC eine entsprechende metallische Oberfläche am MEMS-Chip erforderlich, die zur Verbindung mit der Lot-Schicht geeignet ist. Dazu kann die Unterseite des MEMS-Chips MC eine zum Beispiel ebenfalls rahmenförmige, der Chipkante entlang verlaufende Metalli¬ sierung aufweisen, die z.B. in der Zusammensetzung und Dicke wie eine UBM (Under bump metalization) ausgebildet ist. Diese kann ein- oder mehrschichtig sein und weist eine lötbare Oberfläche, insbesondere eine Nickel- oder Gold-Oberfläche auf. Zur Herstellung der elektrischen Verbindung zwischen den elektrischen Kontakten auf dem MEMS-Chip und den Anschluss- flächen auf dem Trägersubstrat sowie der mechanischen Verbindung zwischen Metallrahmen und MEMS-Chip kann das Einwirken eines ausreichenden thermischen Budgets erforderlich sein. Dieses wird in den beiden ein Verbindungsmittel nutzenden Varianten vorzugsweise über einen Reflow-Prozess zur Verfügung gestellt. Zusätzlich kann vor oder nach dem Reflow- Prozess oder gegebenenfalls gleichzeitig über ein Thermosonic-Verfahren eine Löt-Schweiß-Verbindung des als Stud-Bump ausgeführten Bumps BU mit der entsprechenden Anschlussfläche AF hergestellt werden. Für die Variante mit den Lot-Bumps BU" ist das Reflow-Verfahren ausreichend, um damit gleichzeitig sowohl die Bump-Verbindung als auch die Verbindung der Chipkante mit dem Metallrahmen über das Verbindungsmittel VM herzustellen. Figur 2 zeigt schematisch eine mögliche Strukturierung der Oberfläche des Trägersubstrat TS. Dieses ist vorzugsweise großflächig und beispielsweise als Wafer ausgebildet und weist eine Reihe von Einbauplätzen CA für MEMS-Chips auf. An jedem Einbauplatz sind eine Reihe von elektrischen Anschlussflächen in Form von lötbaren Metallisierungen vorgesehen, deren Anzahl und Anordnung vom MEMS-Chip MC abhängig ist und der Anordnung der elektrischen Kontakte K auf dem MEMS-Chip entspricht. Die Anschlussflächen AF eines jeden Einbauplatzes sind von einem Metallrahmen MR umgeben, der vorzugsweise der Form des MEMS-Chip MC bzw. dessen Außenkante folgt und hier beispielsweise rechteckig ausgebildet ist. Prinzipiell ist es jedoch auch möglich, dass entweder der MEMS-Chip MC von der rechteckigen Form abweicht oder der Metallrahmen nicht durch- gehend der Chipkante des MEMS-Chips folgt und beispielsweise abgerundete „Ecken" aufweist. Jeder Chipeinbauplatz CA ist vom jeweils benachbarten durch eine virtuelle Trennlinie TL getrennt, entlang der später ein Vereinzeln der fertigen Bauelemente möglich ist. Möglich ist es auch, unterschied- liehe MEMS-Chips MC in dem vorgeschlagenen Verfahren auf einem gemeinsamen Trägersubstrat TS aufzubringen
In einer weiteren Variante des in Figur 1 dargestellten Verfahrens ist es möglich, alternativ oder zusätzlich das Ver- bindungsmittel im Randbereich auf der Unterseite des MEMS- Chips aufzubringen. Eine ein Polymer umfassende oder zu einem Polymer härtbare KunststoffSchicht kann direkt auf dem Rand¬ bereich des MEMS-Chips aufgebracht sein, dessen Oberfläche einen Einkristall, ein Halbleitermaterial, ein Oxid, eine Metallisierung oder ein anderes Material umfasst. Ein Lot umfassendes Verbindungsmittel wird auf einer im Randbereich des MEMS-Chips vorgesehenen lötbaren Metallisierung aufgebracht . Ein beispielhaftes als Verbindungsmittel einsetzbares Material ist BCB (Benzocyclobuten) welches thermisch zu einem Polymer aushärtbar ist. Dieses kann in einer Schichtdicke von beispielsweise 1 μm - 5 μm aufgebracht werden. In einer Variante kann eine auf dem Randbereich des MEMS-Chips aufgebrachte BCB-Schicht mit einem weiteren Polymer, welches als Verbindungsmittel VM auf dem Metallrahmen aufgebracht ist und beispielsweise eine Dicke von zirka fünf μm aufweist, kombiniert werden.
Der Metallrahmen MR besteht vorzugsweise aus einem Material, welches einfach aufzubringen und insbesondere planarisierbar ist. Gut geeignet sind beispielsweise Cu oder Ni oder Au, welche ausreichend weich sind und gut mit einem Fräs- Verfahren eingeebnet werden können. Die Höhe des Metallrahmen MR ist vorzugsweise an die Höhe der Bumps nach der Her¬ stellung der Bump-Verbindung angepasst. In die Höhenbemessung einbezogen ist dabei natürlich auch die Höhe der Schicht des Verbindungsmittels VM vor dem Verbinden einbezogen.
Die Breite des Rahmens ist so, dass eine ausreichende Tole¬ ranz beim Aufsetzen des MEMS-Chips auf den Rahmen eingehalten wird. Die Außenkante des Rahmens kann deckungsgleich mit der Außenkante des MEMS-Chips sein, ist vorzugsweise jedoch über die Außenkante des MEMS-Chip hin verlängert und umschließt somit eine größere Grundfläche als die Außenkante des MEMS- Chips. Eine gut geeignete typische Rahmenbreite liegt bei¬ spielsweise bei ca. 50 μm. Möglich ist es jedoch auch, die Breite des Metallrahmens nach dem herstellungsbedingt mög- liehen Aspektverhältnis auszuwählen, wobei jedoch Aspektverhältnisse von mehr als eins wegen mangelnder mechanischer Stabilität Nachteile aufweisen können. Figur 3 zeigt im schematischen Querschnitt eine weitere Variante, wie ein MEMS-Chip MC sicher und einfach mit dem Trägersubstrat TS verbunden werden kann. In dieser Variante sind die auf dem MEMS-Chip vorgefertigten Bumps BU nur noch als Stud-Bumps dargestellt, wobei in dieser wie auch in allen anderen Ausführungen natürlich auch Lot-Bumps geeignet sind, die darüber hinaus kostengünstiger herzustellen sind. Gegenüber der bisherigen Variante unterscheidet sich die in Figur 3 dargestellte durch das im Randbereich des MEMS-Chips aufge- brachte und in Form eines metallischen Rahmens ausgebildete Verbindungsmittel VM. Dieser metallische Rahmen weist eine Oberfläche auf, die mit der Oberfläche des Metallrahmen MR verschweißbar ist, beispielsweise in einem Thermosonic- Verfahren .
Vorzugsweise ist der metallische Rahmen auf der Unterseite des MEMS-Chips relativ zur Breite des Metallrahmens MR schmal ausgebildet und weist beispielsweise einen Querschnitt von ca. 5x5 μm2 auf. Dies hat den Vorteil, das bei dem zum Herstellen der Verbindung eingesetzten Thermosonic-Verfahren die mittels Ultraschall eingebrachte mechanische Energie auf die geringe Fläche der metallischen rahmenförmigen Struktur, die hier als Verbindungsmittel VM dient, konzentriert wird. Damit lässt sich eine Verschweißung mit geringerer Kraft als mit einer größeren Kontaktfläche erzeugen.
Die Höhe der rahmenförmigen Struktur kann beliebig klein gewählt werden, wobei jedoch ausreichend Material vorhanden sein muss, um die gewünschte Reib-Schweiß-Verbindung mit dem Metallrahmen MR zu ermöglichen. Als Materialien für die metallische rahmenförmige und als Verbindungsmittel VM dienende Struktur sind Metalle, die die entsprechenden Oxid¬ freien Oberflächen zum Herstellen der Schweiß-Reib-Verbindung geeigneten Oberfläche aufweisen, insbesondere Kupfer, Nickel, Gold, Palladium oder Platin. Möglich ist es jedoch auch, die rahmenförmige metallische Struktur mehrschichtig auszubilden und beispielsweise ausschließlich die Oberfläche als löt- und schweißbare Oberfläche auszubilden, beispielsweise in Form einer dünnen Gold-Schicht.
Die metallische rahmenförmige Struktur wird insbesondere in einem galvanischen Prozess hergestellt, wobei eine Resist- Maske, in der die Struktur der rahmenförmigen Struktur ausgespart ist, eingesetzt wird. Über eine vorher aufgebrachte Grundmetallisierung kann mit dem galvanischen Verfahren ein Metall in der gewünschten Schichtdicke mit ausreichender Schichtdickengleichmäßigkeit abgeschieden werden. Gegenüber dem Metallrahmen ist die Planarität der rahmenförmigen
Struktur auf der Chip-Unterseite durch die plane Unterseite des MEMS-Chips vorgegeben.
In Figur 4 ist eine weitere Variante des vorgeschlagenen Verbindungsverfahren dargestellt, wobei auch hier wieder die beiden zu verbindenden Teilen noch getrennt voneinander dargestellt sind. In dieser Variante ist der MEMS-Chip mit der gleichen rahmenförmigen Struktur wie in Figur 3 ausgestattet. Im Unterschied zu diesem Beispiel ist in Figur 4 jedoch zusätzlich auf dem Metallrahmen MR eine im Vergleich zur rahmenförmigen Struktur weiche Schicht WS eines insbesondere metallischen Materials aufgebracht, beispielsweise eine Lot-Schicht. Diese besitzt eine relativ geringe Schichtdicke und weist eine größere Breite auf als die rahmenförmige Struktur auf dem MEMS-Chip. Diese Ausführung hat den Vorteil, dass beim Aufsetzen des MEMS-Chips auf den Metallrahmen und in der Folge eines auf den MEMS-Chip ausgeübten Drucks sich die rahmenförmige Struktur in die weiche Metallschicht WS eindrücken kann. Damit sind bezüglich der Planarität größere Toleranzen erlaubt, da sich eventuelle Höhenunterschiede durch tieferes oder weniger tiefes Eindrücken der rahmen- förmigen Struktur in die weiche Metallschicht WS ausgleichen. Das Eindrücken wird z.B. bei einer Temperatur von 150-200° durchgeführt. Dies hat den Vorteil, dass sich beim späteren festen Verbinden und den dazu erforderlichen hohen Temperaturen dann kein unzulässiger Überdruck im eingeschlossenen Hohlraum mehr aufbauen kann.
Durch das Eindrücken der rahmenförmigen Struktur in die weiche Schicht wird auch ein inniger Kontakt zwischen den zu verbindenden Materialien hergestellt, der die endgültige Verbindung zwischen rahmenförmiger Struktur und Metallrahmen beziehungsweise darauf aufgebrachter weicher Metallschicht WS erleichtert. Ist die weiche Metallschicht als Lot-Schicht ausgebildet, wird eine Verlötung mit der rahmenförmigen Struktur erreicht. Eine anderweitig ausgewählte weiche Metallschicht WS kann mit der rahmenförmigen Struktur im Thermosonic-Verfahren verschweißt werden. Vorteilhaft kann die Dicke der Lotschicht so gewählt werden, dass sich bei ca. 2750C zumindest partiell eine nicht aufschmelzbare SnCu Legierung mit dem Rahmenmaterial ausbildet, die beim späteren Reflowlöten nicht mehr verfließt und so der Innenraum als permanent dichter Hohlraum verschlossen bleibt.
Figur 5 zeigt eine weitere Variante im schematischen Quer¬ schnitt, bei der der Metallrahmen auf die Höhe einer Under- Bump-Metallisierung (UBM) reduziert ist. Die UBM kann mehr- schichtig aufgebaut sein und beispielsweise eine Haftschicht und eine löt- oder bondbare Schicht beziehungsweise eine Schicht mit bond- oder lötbarer Oberfläche umfassen. Dement¬ sprechend ist die Höhe des Metallrahmens MR in dieser Ausführung wesentlich geringer als die in den oben genannten Ausführungen .
Im Gegensatz dazu wird im Randbereich auf der Unterseite des MEMS-Chips MC eine entsprechend hohe und insbesondere aus
Metall ausgebildete rahmenförmige Struktur RS erzeugt. Diese kann aus den wie oben beschriebenen Materialien bestehen. Wegen der größeren Höhe weist sie unter Einhaltung eines günstigen Aspektverhältnisses auch eine höhere Breite als die in den Figuren 3 und 4 beschriebenen Varianten auf. Diese
Ausführung ist insbesondere dann von Vorteil, wenn ein planes oder nachträglich planarisiertes Trägersubstrat, z.B. wenn eine nachträglich planarisierte LTCC als Trägersubstrat verwendet wird. In diesem Fall ist es auch günstig, zusätz- liehe Stützstrukturen, so genannte Pillars auf der Unterseite der MEMS-Chips, die bereits von Haus aus eine plane Ober¬ fläche aufweist, mit zu erzeugen. Pillars und rahmenförmige Struktur RS können dann beim Aufsetzen auf dem als UBM ausgebildeten Metallrahmen MR wegen der beidseitig planen Oberflächen bündig und mit minimalem Spalt aufliegen.
In einer Abwandlung dieses Verfahrens ist zumindest auf der Oberfläche des Metallrahmens MR oder der Oberfläche der rahmenförmigen Struktur RS eine dünne Zinn-Schicht aufge- bracht, die ein Verlöten ermöglicht. Metallrahmen MR und Anschlussflächen AF können aus dem gleichen Material oder der gleichen Materialkombination gefertigt sein. Möglich ist es jedoch auch, für die Anschlussflächen AF ausschließlich eine UBM zu erzeugen, für den Metallrahmen MR dagegen eine UBM und eine darauf angeordnete Zinn-Schicht. Die UBM kann dann eine Sn oder SnAgCu Oberfläche aufweisen. In diesem Ausführungs¬ beispiel kann die Verbindungsbildung mittels eines Thermo- sonic-Verfahrens, eines Reflow-Prozesses oder durch eine Kombination beider Verfahren erfolgen. Weiterhin ist es möglich, die Pillars auf dem Trägersubstrat aufzubringen Lotschicht auf dem Metallrahmen vorzusehen. Auf den Pillars entsprechenden Kontaktflächen auf dem MEMS-Chip können dann ebenfalls Lotschichten aufgebracht werden. Lotschichten auf Metallrahmen und den Kontaktflächen können dann unterschiedlich gestalten werden, so dass bei Optimierung die entsprechenden thermischen Ausdehnungskoeffizienten normal zur Oberfläche des Trägersubstrats angepasst werden können. Möglich ist es auch, für die Verbindungsbildung am
Metallrahmen ein anderes Lot zu verwenden als für die Herstellung der elektrischen Verbindung über die Pillars, die sich bezüglich Härte, Schmelzpunkt oder Festigkeit unterscheiden können.
Im Falle eines als verzinnte UBM ausgebildeten Metallrahmens entsteht dann mit der Cu umfassenden rahmenförmigen Struktur RS und gegebenenfalls den Pillars ein SnCu Lot durch die Cu- Grenzflache des Pillars und/oder der UBM beim Reflowprozess .
Figur 6 zeigt eine Anordnung vor dem Verbinden, die im Prinzip der in Figur 3 bereits beschriebenen Anordnung ähnelt. Neben den Bumps BU zur elektrischen Verbindung umfasst diese Anordnung einen Metallrahmen MR auf dem Trägersubstrat TS sowie eine metallische rahmenförmige Struktur RS im Rand¬ bereich an der Unterseite des MEMS-Chips MC. Der Metallrahmen MR mit der Höhe h2 sowie die rahmenförmige Struktur RS mit der Höhe hl können aus gleichen oder unterschiedlichen Materialien bestehen und die annähernd gleiche Höhe auf- weisen. Die Materialien sind so ausgewählt, dass sie sich in einem Thermosonic-Verfahren verbinden lassen. Bevorzugtes Material ist dafür wiederum Kupfer, welches sich gut Planarisieren lässt und durch Versehen mit einer bondbaren Oberfläche beispielsweise aus Gold auch im Thermosonic- Verfahren mit einer ähnlichen Oberfläche verbindbar ist.
In einer Variante dieses Verfahrens wird auf die Metallober- fläche entweder des Metallrahmens oder der metallischen rahmenförmigen Struktur eine weitere Metallschicht oder eine Teilschicht erzeugt, in die kleinteilige Partikel harter Materialien wie beispielsweise Diamantkörner eingelagert sind. Auf dem Metallrahmen wird diese Schicht insbesondere nach der Planarisierung aufgebracht. Dann ist gewährleistet, dass diese harten feinteiligen Partikel teilweise aus der Oberfläche der Schicht oder Teilschicht herausragen, in die sie eingelagert sind. Beim Verbinden von Trägersubstrat und MEMS-Chip beziehungsweise beim Aufsetzen der rahmenförmigen Struktur auf den Metallrahmen können diese hervorstehenden harten Partikel sich nun in die jeweils gegenüberliegende metallische Oberfläche eindrücken. Auf diese Weise wird erreicht, dass eine gegebenenfalls gebildete Oxid-Schicht aufgebrochen beziehungsweise durchbohrt wird, wobei das darunter liegende Metall freigelegt wird und für einen Bond- prozess zur Verfügung steht. Darüber hinaus sorgt dieses auch „Nano-Piercing" genannte Verfahren zu einer festeren Verbindung durch die gegenseitige Verschränkung über die sich einbohrenden harten Partikel.
Wenn Metallrahmen MR und rahmenförmige Struktur RS aus unterschiedlichen Materialien bestehen, so ist es von Vorteil, deren Höhen über dem Trägersubstrat beziehungsweise über dem MEMS-Chip in ein geeignetes Verhältnis zu setzen, um einen gewünschten thermischen Ausdehnungskoeffizienten zu erreichen. Optimal ist es, wenn der Verbund aus Metallrahmen und rahmenförmige Struktur in der Summe das gleiche thermische Ausdehnungsverhalten aufweist wie der Bump BU. Dies wird erreicht, wenn die entsprechenden Höhen und Ausdehnungs¬ koeffizienten CTE in das folgende Verhältnis gesetzt werden:
h2 x CTE(MR) + hl x CTE(RS) = (hl + h2) x CTE(BU)
Diese Bemessungsregel bezüglich der Ausdehnungskoeffizienten und der dementsprechend einzuhaltenden Höhen zur Erzeugung eines spannungsfreien Verbundes ist auch insbesondere bei Ausführungen nach Figur 1 interessant, wenn das Verbindungs- mittel einen stark von dem Bump-Material abweichenden Ausdehnungskoeffizienten aufweist. Dies ist insbesondere bei Polymeren der Fall, die einen gegenüber Metall zirka zehnfach erhöhten Ausdehnungskoeffizienten aufweisen. Dies kann nur mit einem entsprechend kleinen Verhältnis hl:h2 ausgeglichen werden.
Figur 7 zeigt im Querschnitt eine Anordnung nach dem Verbinden von MEMS-Chip und Trägersubstrat. Die Bumps verbinden nun die elektrischen Kontakte K mit den Anschlussflächen AF, während zwischen MEMS-Chip und Trägersubstrat durch Metall¬ rahmen und rahmenförmige Struktur RS abgedichtet ein Hohlraum HR erzeugt und umschlossen ist. Dies ist unabhängig von den gewählten Materialien für Metallrahmen, rahmenförmige Struktur oder gegebenenfalls Verbindungsmittel.
Insbesondere bei unterschiedlichen Materialien, die für MEMS- Chip MC und Trägersubstrat TS verwendet werden, kann es erforderlich sein, die mechanische Festigkeit der Verbindung in der Ebene (xy-Richtung) zu erhöhen, um ein Abscheren des MEMS-Chips in der Ebene zu verhindern. Dazu bieten sich prinzipiell zwei Möglichkeiten an, die zusätzlich auch miteinander kombiniert werden können. Figur 8 zeigt dazu im schematischen Querschnitt eine erste Möglichkeit, bei der eine ganzflächige Metallisierung auf der Rückseite von MEMS-Chip, Metallrahmen und Trägersubstrat vorgesehen wird. Diese Metallisierung, die in einer Stärke von beispielsweise 20 bis 50 μm aufgebracht werden kann, kann in einem zweistufigen Verfahren erzeugt werden. Dazu wird zunächst ganzflächig eine dünne Metallschicht über die Gasphase aufgebracht, beispielsweise in einem Sputter- Verfahren. Gut geeignet sind dazu Titan- und/oder Nickel- haltige Schichten. Die Verstärkung zur gewünschten Dicke kann dann in einem galvanischen Verfahren erfolgen. Hier erweist es sich als vorteilhaft, dass der unter dem MEMS-Chip eingeschlossene Hohlraum und die darin angeordneten Bauelementstrukturen des MEMS-Chips ausreichend dicht abge- schlössen sind, so dass weder beim Sputter-Verfahren noch im anschließenden galvanischen Prozess ein Eindringen von unerwünschten Materialien und insbesondere von Flüssigkeiten zu befürchten ist und damit eine Beschädigung der empfindlichen Bauelementstrukturen ausgeschlossen ist.
Mit der in Figur 8 dargestellten ganzflächigen Metallisierung wird der MEMS-Chip in xy-Richtung stabilisiert und am Trägersubstrat fixiert. Auf diese Weise ist die Festigkeit der Verbindung erhöht und ein Ablösen oder eine Beschädigung der Verbindung praktisch unmöglich. Die Metallschicht GM kann beispielsweise im Wesentlichen Kupfer umfassen, welches im galvanischen Verfahren einfach aufzubringen ist. Als Passi- vierungsschicht ist es möglich, noch eine Nickel- oder Gold- Schicht aufzubringen, aber nicht erforderlich.
In einer weiteren Ausführung wird vor der Aufbringung der ganzflächigen Metallisierung zunächst eine Kunststofffolie über die gesamte Rückseite so aufgebracht, dass sie MEMS-Chip MC, Metallrahmen MR und Oberfläche des Trägersubstrats TS bedeckt. Anschließend wird zumindest im Bereich des Metallrahmens ein Teil der Kunststofffolie entfernt und dort der Metallrahmen frei gelegt. Vorzugsweise erfolgt die Freilegung entlang einer den MEMS-Chip umschließenden Linie. Wenn für die Kunststofffolie eine lichtempfindliche Folie verwendet wird, kann sie direkt mit Licht oder einem Laser strukturiert werden. Möglich ist jedoch auch eine Photo- strukturierung mit Hilfe eines zusätzlich aufgebrachten Photolacks oder eine Freilegung allein über die thermische
Einwirkung des Lasers. Anschließend kann wie oben beschrieben die ganzflächige Metallisierung aufgebracht werden, die dann im frei gelegten Bereich mit dem Metallrahmen abschließen kann und so ein hermetische Abdichtung ermöglicht.
Die Kunststofffolie kann direkt oder indirekt so strukturiert werden, dass gleichzeitig auch akustisch dämpfende Strukturen auf der Rückseite des MEMS-Chips entstehen. Ein z.B. regel- oder unregelmäßiges in die Kunststofffolie auf der Rückseite des MEMS-Chips strukturiertes Muster erzeugt bei der an¬ schließenden Metallisierung ein entsprechendes Metallisierungsmuster, in das störende akustische Volumenwellen einkop- peln und sich dann dort totlaufen bzw. dort gedämpft werden. In der Kombination mit einer bis ca. 26O0C Reflow-stabilen Kunststofffolie einer Dicke von 2μm bis 20μm bietet sich für diesen Zweck eine Metallisierungsdicke von ca. 10-30μm an. Als Metall kann Cu oder Ni oder eine Schichtkombination aus Ni und Cu aufgebracht werden. In Figur 9 ist im Querschnitt ein weiteres Bauelement darge- stellt, welches hier zusätzlich zu der ganzflächigen Metallisierung noch mit einer Kunststoffabdeckung GT abgedeckt ist. Diese kann mit einem Spritzverfahren, beispielsweise mittels Spritzguss oder durch Auftropfen von Reaktionsharz als Glob- Top-Masse aufgebracht sein. Diese KunststoffUmhüllung GT kann zusätzlich oder alternativ zur Metallisierung erzeugt sein. Die Kunststoffumhüllung kann in einer wesentlich höheren Dicke als die Metallschicht aufgebracht werden, beispiels- weise in einer Dicke von 50μm bis 500 μm.
Nach dem Verbinden von MEMS-Chip und Trägersubstrat, Metallisieren der Rückseite und/oder Abdeckung mit einer Kunststoffumhüllung sind die Fertigungsprozesse für die MEMS-Bauele- mente beendet. Anschließend können die einzelnen Bauelemente, sofern mehrere auf einem großflächigen Trägersubstrat erzeugt sind, vereinzelt werden. Dies kann beispielsweise mittels Sägen entlang der in Figur 2 dargestellten Trennungslinien TL erfolgen .
Möglich ist es jedoch auch, die Vereinzelung auch auf der Chipseite vorzunehmen, wenn mehrere auf einem MEMS-Wafer angeordnete MEMS-Chips auf Waferebene eingesetzt und eine Viel¬ zahl auf einem Wafer realisierte MEMS-Chips daher gemeinsam auf die Vielzahl von Metallrahmen aufgesetzt und mit diesem verbunden werden. Die Vereinzelung der MEMS-Chips kann in einem DBG-Verfahren (Dicing before grinding) vorgenommen werden, bei dem im MEMS-Wafer zunächst (vor dem Aufsetzen auf das Trägersubstrat) von der Oberseite her (entspricht in mon- tiertem Zustand der Unterseite) Einschnitte entlang der
Trennlinien bis zu einer Tiefe vorgenommen werden, die der späteren gewünschten Schichtdicke des Chips entspricht. Anschließend wird der MEMS-Wafer von der Rückseite her abge¬ schliffen, bis die von der anderen Seite her vorgenommenen Einschnitte frei geschliffen sind und die Bauelemente so vereinzelt sind. Ein solche Chip-Vereinzelung wird dann vor dem Aufbringen der Metallschicht und/oder der Kunststoffab- deckung vorgenommen. Die Erfindung ist nicht auf die in den Figuren und den Aus¬ führungsbeispielen beschriebenen Varianten beschränkt. Vielmehr ist es möglich, einzelne Maßnahmen der Verbindungsver- fahren miteinander zu kombinieren. Wichtig und vorteilhaft ist dabei jedoch stets, dass in einem gemeinsamen oder zwei kurz aufeinander folgenden ähnlichen Schritten sowohl die elektrische Verbindung als auch die Abdichtung des Hohlraums zwischen MEMS-Chip und Trägersubstrat erfolgt, die zumindest ausreichend dafür ist, dass das Bauelement über Folgeprozesse durch weitere Abdeckungen mit Metall und/oder Kunststoff weiter verkapselt werden kann.
Bezugszeichenliste
TS Trägersubstrat
MC MEMS Chip
CA Einbauplatz
AF elektrischer Anschlussflächen auf Trägersubstrat
MR Metallrahmen auf TS
RS Rahmenförmige Struktur auf MC
AK Außenkontakte auf Trägersubstrat
VM Verbindungsmittel
BU Bump
K Kontakt auf MEMS Chip
TL Trennlinien hBu Höhe der Bumps hl Höhe der rahmenförmigen Struktur h2 Höhe des Metallrahmens
HR Hohlraum
GT Kunststoffabdeckung
GM Metallschicht
WS weiche Schicht

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung eines Packages für MEMS Bauelemente - bei dem auf einem großflächigen Trägersubstrat für jeden MEMS Chip ein Einbauplatz mit einer entsprechenden Anzahl elektrischer Anschlussflächen auf der Oberseite und mit diesen verbundener Außenkontakte auf der Unterseite vorgesehen wird, - bei dem pro Einbauplatz ein die Anschlussflächen umschließender Metallrahmen mit planer Oberfläche vorgesehen wird bei dem ein MEMS Chip mit elektrischen Kontakten auf einer MEMS Strukturen tragenden Unterseite vorgesehen wird, bei dem pro Einbauplatz je ein MEMS Chip so auf das Trägersubstrat aufgesetzt wird, dass er mit dem Randbereich seiner Unterseite auf dem Metallrahmen aufsitzt, - bei dem mittels eines Flip-Chip-Prozesses in einem Schritt sowohl die Kontakte über Bumps mit den Anschlussflächen als auch der Metallrahmen mit dem MEMS Chip verbunden werden, wobei sich zwischen MEMS Chip und Trägersubstrat ein geschlossener Hohlraum ausbildet.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem vor dem Aufsetzen des MEMS Chips auf dem Metallrahmen und/oder auf einem Randbereich an der Unterseite des MEMS Chips ein Verbindungsmittel aufgebracht wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem als Verbindungsmittel eine Polymerschicht aufgebracht wird, mit deren Hilfe der MEMS Chip und der Metallrahmen verklebt oder verschweißt werden.
4. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem als Verbindungsmittel eine Lotschicht aufgebracht wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-4, bei dem im Randbereich auf der Unterseite jedes MEMS Chips eine rahmenförmige Struktur aufgebracht wird und bei dem der MEMS Chip mit der rahmenförmigen Struktur auf den Metallrahmen aufgesetzt wird bei dem rahmenförmige Struktur und Metallrahmen direkt oder mit Hilfe eines Verbindungsmittels miteinander verbunden werden.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-5, bei dem vor dem vor dem Aufsetzen des MEMS Chips Lot- oder Stud-Bumps auf den Kontakten des MEMS Chips erzeugt werden.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-6, bei dem zum Verbinden von MEMS Chip und Trägersubstrat eine erste Lotschicht auf dem Metallrahmen (MR) und eine weitere Lotschicht auf den Kontakten (K) erzeugt wird, bei dem zusammen mit dem Metallrahmen über den Anschlussflächen (AF) auf dem Trägersubstrat (TS) Pillars erzeugt werden, bei dem die erste und die zweite Lotschicht zumindest in einem
Parameter unterschiedlich ausgebildet sind, ausgewählt aus Lotmaterial und Dicke der Lotschicht.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-7, bei dem zum Verbinden von MEMS Chip und Trägersubstrat ein Thermosonicverfahren eingesetzt wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-8, bei dem vor oder während der Erzeugung der Verbindung MEMS Chip und Trägersubstrat mit Druck gegeneinander gedrückt werden .
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-9, bei dem nach dem Verbinden von MEMS Chip und Trägersubstrat ganzflächig auf freiliegende Oberflächen von Trägersubstrat, Metallrahmen, MEMS Chip und - wenn vorhanden - auf die rahmenförmige Struktur eine Metallisierung aufgebracht wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem die Metallisierung zweistufig erzeugt wird, wobei zunächst eine Grundmetallisierung aufgesputtert und diese anschließend galvanisch oder stromlos verstärkt wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-11, bei dem nach dem Verbinden von MEMS Chip und Trägersubstrat die so erzeugte Anordnung auf dem Trägersubstrat mit einer Kunststoffmasse vergossen oder umspritzt wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-12, bei dem der Metallrahmen im Wesentlichen aus Kupfer gefertigt wird, bei dem der Metallrahmen vor dem Verbinden von MEMS Chip und Trägersubstrat durch Fräsen mit einer planen Oberfläche versehen wird.
14. Verfahren nach Anspruch 13, bei dem die Oberfläche des Metallrahmens nach dem Fräsen passiviert und so gegen Korrosion geschützt wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-14, bei dem auf der MEMS Chip Unterseite eine rahmenförmige Struktur erzeugt wird, bei dem auf die Oberfläche des Metallrahmens oder der rahmenförmigen Struktur Nanoteilchen aus einem Material aufgebracht werden, das eine größere Härte als der Metallrahmen und die rahmenförmige Struktur aufweist, bei dem die Nanoteilchen beim Aufsetzen des MEMS Chips unter Druck in die rahmenförmige Struktur und/oder den Metallrahmen eingedrückt werden.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-15, bei dem die MEMS Chips nach dem Verbinden mit dem Trägersubstrat entlang von Trennlinien, die zwischen den Einbauplätzen verlaufen, vereinzelt werden.
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