WO2016091592A1 - Geschirmtes wafer-level-package für ein mems-mikrofon und verfahren zur herstellung - Google Patents

Geschirmtes wafer-level-package für ein mems-mikrofon und verfahren zur herstellung Download PDF

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WO2016091592A1
WO2016091592A1 PCT/EP2015/077656 EP2015077656W WO2016091592A1 WO 2016091592 A1 WO2016091592 A1 WO 2016091592A1 EP 2015077656 W EP2015077656 W EP 2015077656W WO 2016091592 A1 WO2016091592 A1 WO 2016091592A1
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mems
base
chip
wafer
chips
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PCT/EP2015/077656
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Gregor Feiertag
Hans Krüger
Anton Leidl
Wolfgang Pahl
Jürgen PORTMANN
Alois Stelzl
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Epcos Ag
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Publication date
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    • B81B7/0064—Packages or encapsulation for protecting against electromagnetic or electrostatic interferences
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
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    • B81C2203/0785—Transfer and j oin technology, i.e. forming the electronic processing unit and the micromechanical structure on separate substrates and joining the substrates
    • B81C2203/0792—Forming interconnections between the electronic processing unit and the micromechanical structure

Definitions

  • MEMS microphones are miniaturized components made by micropatterning technology that include a MEMS chip and an ASIC chip tuned to the function of the MEMS microphone. In particular, due to the miniaturization, the MEMS microphone is against electromagnetic
  • Microphone chip and the ASIC chip mounted on a support.
  • a cover is then applied, which comprises a serving for Schirmungs ⁇ purpose metallic layer. It is also known to cover the two chips with a metal cap.
  • the object of the present invention is to specify a MEMS microphone with an electromagnetic shield which acts effectively and can be integrated well into the manufacturing process of the MEMS microphone. Another object is an integrated wafer level package method
  • the basic structure of the MEMS microphone according to the invention consists of a base chip and a MEMS chip mounted on top of it. In the following, this orientation is retained, so that the MEMS chip as the top, the ASIC as
  • the base chip includes the ASIC, while the MEMS chip comprises a MEMS microphone. Between the MEMS chip and the base chip, a sealing frame connected to both mutually facing surfaces is arranged, which follows the entire outer circumference of an outer edge of the two chips.
  • the ASIC and the MEMS microphone have different sized base areas. For mutual resizing of MEMS chip and base chip, the smaller is made up of ASIC and
  • At least two plated-through holes are provided, which have an electrical MEMS contact area and / or a
  • Led bottom of the base chip and can be structured there by means of a rewiring in a desired manner and / or arranged at the desired location.
  • the outer edges of MEMS chip and base chip are aligned, so that all side surfaces of the entire package has a substantially flat surface
  • Metallization be provided for the shield. Escaping outer edges of the MEMS chip and base chip can then be obtained when the MEMS microphone and ASIC have the same footprint so that they can be mated together to form a compact device with said planar side surfaces.
  • ASIC and MEMS microphone have different sized or differently shaped bases, the smaller of ASIC and MEMS microphone is in one
  • the plastic embedding forms a matrix for the smaller of the two chips, for example, for the ASIC, wherein the outer dimension of the matrix or the plastic embedding then to the dimensions of the larger Component are adapted and so together with this form a compact package again.
  • the plastic embedding or the plastic matrix extends over at least one side surface of the ASIC or the MEMS microphone and can enclose the respective chip on all side surfaces.
  • the plastic matrix is flush with the respective top and bottom of the embedded in the plastic matrix
  • Plastic or polymer matrix filled volumes to use So it is possible, for example, to introduce an ASIC with a smaller footprint than the MEMS microphone in a plastic embedding and the free volume for either
  • plastic embedding Another advantage of the plastic embedding is that the plastic embedding or the polymer matrix around the respective chip allows a simpler separation of the individual packages.
  • the sound holes for the microphone are passed through the base chip. This can be done through the ASIC in a region thereof where no circuits are arranged. It is advantageous, however, the sound opening through the polymer matrix of the
  • Kunststoffeinbettung lead if the ASIC is present in such. However, it is preferred to guide the sound opening through the ASIC so that it is centered on the membrane of the MEMS microphone, which is usually located in the center of the component.
  • Base chip can be made via an electrically conductive adhesive.
  • the adhesive is
  • These pillars are preferably on the
  • electrically conductive plastic existing connections are combined in an advantageous manner with a sealing frame, which also comprises a polymer and in the same process ⁇ step as the electrical connections on the surface, in particular of the base chip, can be applied.
  • metallic connecting means are advantageously applied together with a metallic sealing frame.
  • the invention makes it possible to produce the microphone package in a wafer-level method.
  • This method comprises the steps:
  • the method can therefore be carried out simultaneously for entire wafers and thus for a plurality of individual components, is therefore inexpensive and easy to control. Also, the generation of the shield by metallizing the
  • Composite of MEMS wafer and base wafer is performed at the wafer level level.
  • the step a) providing and preparing a base wafer further comprises the following sub-steps:
  • step a3) is dispensed with.
  • the sound aperture can be passed through the ASIC. It is also possible, when using one in one
  • Plastic embedding embedded ASICs to guide the sound opening through the polymer matrix of the plastic embedding.
  • the sound opening is made during the preparation of the Wafers generated and can then be performed without regard to the MEMS wafer, which is not involved in this process. This prevents contamination of sensitive MEMS surfaces or sensitive component structures on the MEMS surface. Resealing the sound aperture with a polymer makes it possible to keep the cavity, which is enclosed between the MEMS chip and the base chip after step d), tight during the further method steps.
  • the polymer in the sound aperture may then be retarded in a later step
  • method step a) of the method according to the invention may comprise the further sub-steps:
  • the removal of material takes place on a surface of the base chip for generating sound openings
  • Process step d) may comprise the further substeps:
  • Method step e) may comprise the further sub-step: el) generating the first incisions through the entire MEMS wafer into the second incisions in the top side of the base chip.
  • blind holes or trenches of limited depth are guided, are opened during grinding from below and are then continuous.
  • "uncovering” means that the respective structural unit is cut and opened by thinning the base wafer, and blind holes and second recesses are filled with polymer, so that when polished, the polymer is exposed, not the free opening.
  • ⁇ contacts are filled with an electrically conductive material, so that when thinning the base wafer, this material is cut and exposed. The thinning of the wafer takes place at a process stage in which the MEMS wafer and the base wafer are firmly joined together, so that the mechanical strength of the wafer
  • Wafer composite is sufficient to protect it from breakage of the wafer with decreasing layer thickness due to the grinding.
  • second cuts are made in the base wafer, which are guided along the parting lines, these can also be exposed during the grinding of the base wafer.
  • the individual components in the wafer composite are then held together only through the polymer in the exposed separation lines.
  • the complete separation of the components is achieved by removing the polymer, which can be done by sawing, thermally, by oxidation, chemically or by solvents.
  • the metallization of the composite after the production of the first cuts, which are guided at least through the MEMS wafer, can be carried out in two process steps. For this purpose, first in a first substep fl) a
  • this base metallization is reinforced by galvanic or electroless deposition of a metal from the solution.
  • An embodiment of the invention which is advantageous for individual applications provides for the exposed and to be metallized before the application of the metallization for the shield Passivate surfaces. This can be beneficial
  • the MEMS microphone comprises a silicon body whose
  • Plasma can be passivated. It is also possible to carry out the passivation by depositing an insulating varnish by means of a CVD method. In general, passivation can also prevent the potential applied to the shield, which is typically an internal or external ground potential, from affecting the electrical potential of the MEMS chip.
  • Metallization is to make the first cuts in the backside of the MEMS wafer along the parting lines with a relatively high width. These first incisions are then filled with a conductive mass, in particular with an electrically conductive polymer. Additional inputs are then centered with respect to the first cuts cuts at the same place, but ⁇ wide lower section, performed so that the remaining walls of trenches
  • the conductive polymer may already have sufficient shielding per se, but is preferably reinforced with a metallic coating which can be sputtered on or galvanically or electrolessly deposited from the solution.
  • connecting means are applied to one of the surfaces to be joined, in particular to the surface of the base wafer.
  • the connecting means are used for one for mechanical connection and are preferably also electrically conductive, so that mechanical and electrical connections between MEMS wafer and base wafer or the corresponding chips can be produced in one step.
  • a suitable bonding agent is a conductive adhesive, especially when anisotropically conductive. Furthermore, it is possible to apply as connecting means Pillars made of copper or conventional Stud or Lötbumps. As a further connecting means may serve the sealing frame, which is also produced at this stage of the process and comprises a metal or a polymer or a polymer-curing adhesive.
  • Pillars made of copper can be directly connected to each other with sufficient co-planarity of the surfaces to be joined (Pillar and mating contact) by the action of pressure and heat.
  • the pillars can also be used with solder or
  • Conductive adhesive are coated.
  • Structures are preferably printed on one of the surfaces to be joined.
  • screen or stamp printing is suitable.
  • Customizable printing process is the jet printing process, which according to the invention can also be used with advantage.
  • the jet printing process is also capable of filling recesses and blind holes for the sound aperture in the base wafer prior to bonding to the MEMS wafer.
  • the filling of the first incisions from the back side of the MEMS wafer with electrically conductive polymer can also take place by means of jet printing. Due to the flat surface However, the MEMS wafer, the first incisions can also be filled by applying, doctoring or spreading of polymer compound.
  • a splitting of the largely completed but still in the wafer composite contiguous components is preferably carried out by means of sawing.
  • the wafers which are still connected to one another, are glued to a sawing film with the base wafer side and are further sawn in from above, ie, behind the MEMS wafer, along the first incisions.
  • the first cuts are already passed through MEMS and base wafers, no sawing step is required, since only the polymer of the second
  • connection contacts are generated per component, each of which is electrically connected to a feedthrough.
  • Each of the through-contacts in turn is in contact with a contact surface on the top of the base chip, which in turn with the ASIC or z. B. can be connected via a connecting means or directly with a contact surface on the active bottom of the MEMS chip.
  • connection contacts can be generated directly on the underside of the base wafer or the individual base chips.
  • the rewiring can serve unevenly on the underside of the base chip To distribute distributed vias with regularly distributed connection contacts, so that for example a ball grid array can be generated on the connection contacts, which provides a predetermined grid of connection contacts available.
  • a rewiring is created by first applying and patterning an insulating layer on the underside of the base wafer. This leaves gaps in the insulation layer, in each of which one of the through-contacts to be contacted is exposed.
  • a second metallization is subsequently applied and structured so that conductor sections and contact surfaces are formed. It may also be advantageous to apply a solder mask over it, which leaves only the contact surfaces uncovered and thus a secure application of solder bumps
  • FIG. 1 shows a schematic cross section through a microphone package with continuous shielding
  • FIG. 2 shows a schematic cross section through a package with a shielding only on the MEMS chip
  • FIG. 3A shows a MEMS chip from the underside
  • FIG. 3B shows a base chip from the top
  • Figure 4 shows a package with a base chip, the one
  • Plastic embedding comprises,
  • FIG. 5 shows the arrangement of FIG. 4 in perspective view with separate chips
  • Figure 6 shows a package with a MEMS chip, the one
  • FIG. 7 shows the arrangement of FIG. 6 in perspective view with separate chips
  • FIG. 8 shows a base chip with cuts and blind holes
  • FIG. 9 shows the arrangement of FIG. 8 with filled blind holes and cuts after the thinning of the base chip
  • FIG. 11 shows the arrangement of FIG. 10 after singulation.
  • FIG. 12-16 different process steps in cross-section during singulation by first cuts, refilling and re-sawing with a smaller cutting width to produce coated side surfaces,
  • FIG. 21 shows a finished package with a metallic coating as a shield.
  • Figure 1 shows a simple embodiment of a fiction, modern ⁇ packages for a MEMS microphone.
  • the MEMS microphone which in this embodiment forms the MEMS chip MC, has a structure which is known per se and is a component which operates, for example, as a capacitive component and is structured from a crystalline silicon body.
  • a recess BV is structured, which is spanned on the active side with a membrane MB. On one or both sides of the membrane is ever one
  • the active side is also referred to as the underside of the MEMS microphone or of the MEMS chip MM comprising a MEMS microphone MM.
  • External electrical connections for membrane MB and fixed electrode FE are located on the underside of the crystalline base body of the MEMS chip MC (not shown in the figure).
  • the MEMS chip MC is mounted on a base chip BC, which preferably has the same base area as the MEMS chip MC, so that it has in alignment with the MEMS chip MC aligned side surfaces.
  • connection means VM between the MEMS chip MC and the base chip BC is a bonding compound, which consists of metal, adhesive, electrically conductive adhesive or anisotropic electrically conductive adhesive.
  • the connection means VM thus serves both for the mechanical connection of the MEMS chip MC and the base chip BC, as well as for the production of electrically conductive connections between the base chip BC and the MEMS chip MC. In addition, it can also serve as a sealing frame.
  • sealing frame can also be made separately and be electrically isolated from the electrical connections of the MEMS chip MC.
  • the base chip BC comprises an ASIC, which forms the complete base chip BC in the embodiment shown in FIG.
  • the active component structures ie the
  • integrated circuits are arranged near the surface of the ASIC facing the MEMS chip MC, so that the active side is referred to below as the top side of the ASIC.
  • the top side of the ASIC On the top of the ASIC can contact surfaces for
  • connection contact surfaces for the ASIC connection contact surfaces for the ASIC
  • the MEMS chip MC and conductor sections may be arranged, which allow a shift of the contact surfaces towards the physical location of the corresponding circuit or connection.
  • the bottom of the ASIC or the base chip BC includes terminal contacts ⁇ AK. These are connected via plated-through holes DK with the corresponding contact surfaces and connection pads on the top side of the base chip BC.
  • the Vias are usually considered to be metal
  • the holes can also be filled with other conductive materials, in particular with an electrically conductive polymer or low-resistance silicon.
  • the base chip BC further comprising a sound opening SO A is seen upstream, which is guided through the entire base chip BC and preferably centered on the membrane MB of the MEMS chip MC is arranged ⁇ is.
  • the sound opening SO A can be provided on the upper side and / or on the underside of the base chip with a protective ⁇ lattice to prevent ingress of dirt particles and other interfering particles to the membrane.
  • an annular metallization SR is also provided around the sound opening SO A. Furthermore, the underside connection contacts KF, which are connected to the corresponding vias DKA. However, it is also possible to apply directly above the mouth of the plated-through holes DK on the underside of the base chip BC contact means KM, for example bumps, without first metallizing the underside.
  • the recess BV in the MEMS chip MC is closed with a cover L, for example, as a glass sheet or
  • the cover L may be glued or otherwise bonded to the main body of the MEMS chip. In the recess thereby a volume is included, which represents the back volume BV for the microphone and one for the function of the microphone required reference pressure, which results in external pressure changes to a deflection of the membrane.
  • the package is provided on all side surfaces as well as on the back / top side of the MEMS chip MC with an electrically conductive shield SD, which comprises a metal layer or a layer filled with electrically conductive particles.
  • an insulating layer ISO can be provided below the shield SD or under parts thereof, which is advantageous only for certain applications and therefore optional.
  • the shield SD is preferably connected to a ground connectable pad on the underside of the base chip BC. In the illustrated case, the connection can be made around the outside edge of the base chip.
  • the shield SD may be otherwise cotactivated, e.g. over the top of the base chip BC and a corresponding through DK.
  • FIG. 2 shows a further embodiment of the package according to the invention, in which the shield SD is applied only over the outer surfaces of the MEMS chip MC as an essential difference from that shown in FIG.
  • the shield SD is applied only over the outer surfaces of the MEMS chip MC as an essential difference from that shown in FIG.
  • Shielding an insulation layer ISO be arranged.
  • FIG. 2 also shows a plated-through hole DK, which is not connected to the MEMS chip MC or the MEMS microphone, but serves solely for establishing a contact with the ASIC.
  • this feedthrough DK is connected to a contact means, which is shown here as a bump and is seated directly on the mouth of the feedthrough DKA.
  • a contact means which is shown here as a bump and is seated directly on the mouth of the feedthrough DKA.
  • connection contacts AK depends on the functionality of the MEMS microphone, which is determined inter alia by the functions of the ASIC.
  • FIG. 2 as well as in FIG. 1, different contact surfaces KF and contact means KM are shown, which, however, should only show the variety of possible variations and are therefore generally not realized together on a component.
  • the shield SD is electrically with a
  • FIG. 3A shows a MEMS chip MC from the underside, that is to say the active side of the MEMS chip facing the ASIC.
  • the preferably round recess in the main body of the MEMS chip MC is completely covered by the membrane MB.
  • On the underside of the main body of the MEMS chip MC at least two MEMS contact surfaces KF are attached to
  • a third MEMS contact surface KF can be used for a second
  • FIG. 3B schematically shows the top side of a base chip, which is embodied here as a pure ASIC.
  • a base chip BC Through the base chip BC through plated holes DK are provided, which are preferably arranged on the edge of the base chip BC.
  • connection contact surfaces VF can be arranged directly via further plated-through holes DKA. It is also possible, however, on top of the
  • Base chips BC to provide a wiring level are made via the electrical connections between the vias DKA and the contact surfaces to the MEMS chip MC or the base chip BC or the ASIC.
  • a sound opening SO A is provided through the base chip BC.
  • FIG. 3C shows a perspective view of the two partial chips of the package which are not yet completely aligned with each other. It is seen that the base surfaces of MEMS chip and the base chip match exactly so that connection ⁇ contact surfaces VF of the base chip and contact surfaces KF of the MEMS chip come to lie directly above one another. Not shown in the figure is a sealing frame, which is applied to the surface of one of the two chips, preferably on top of the base chip BC before connecting the two chips and seals the cavity enclosed therebetween after connecting the two chips.
  • FIG. 4 shows, on the basis of a schematic cross section, a package in which the base chip BC comprises a plastic embedding KMA and an ASIC AS embedded therein.
  • Plastic embedding KMA essentially serves to adapt the base area of the base chip BC to the base area of the MEMS chip MC if the ASIC has a smaller base area than the MEMS chip. Furthermore, the plastic embedding serves to generate a base wafer in which the ASICs are distributed in the plastic matrix so that they correspond to the grid of the not yet isolated MEMS chips in the MEMS wafer. In this way, it is possible to connect even an areal smaller ASIC in a wafer-level method with the larger area wafer-level MEMS chips.
  • the plastic embedding KMA can be used to provide bores there for one or more sound openings SO K as well as for the plated-through holes DK. In this way, a compact ASIC chip AS with high integration density can be used, which does not free of ASIC structures
  • the plastic embedding KMA has the further advantage that it can easily generate all required holes and other cuts, since there is no risk of breakage for the ASIC AS itself.
  • the ASIC is centered on the membrane and the
  • Sound openings SO K are distributed in the desired number around the ASIC AS. Otherwise, the structure of the package shown in FIG. 4 corresponds to that of FIG. 1. Here too, a shield SD is present over all side faces of the package as well as over the back side of the MEMS chip MC
  • FIG. 5 shows a perspective view of the two chips prior to connection to an arrangement as in FIG. 4.
  • the plastic embedding KMA is provided only on two sides of the ASIC, but the ASIC itself is embedded symmetrically between two strips of a plastic embedding KMA.
  • the surface of the ASIC is free from the plastic embedding.
  • two sound openings SO K are shown, which are guided by the plastic embedding KMA, as well as six mouth surfaces of
  • base chip BC is the entirety of ASIC AS and KMA plastic embedding
  • Figure 6 shows a schematic cross-section of a
  • the MEMS chip MC consists of the MEMS microphone MM itself and a Kunststoffeinbettung KMM, in which the MEMS microphone MM is embedded. It is thus possible to combine a MEMS base body which is smaller in area compared to the base chip BC with the aid of the plastic embedding KMM to form a MEMS chip MC which is coextensive with the base chip BC.
  • the plastic embedment KM M can be used to accommodate functional parts of the package.
  • the sound opening SO K is guided through the plastic embedding KM M of the MEMS chip MC, so that the base chip BC is free of sound openings.
  • all contact surfaces of the package are still provided on the underside of the base chip and with the corresponding terminals on
  • top-port microphone is obtained.
  • the side surfaces of the arrangement are provided with a shield SD, which sits directly on the side surfaces of MEMS chip and base chip or is isolated by an insulating layer ISO against them.
  • a shield SD which sits directly on the side surfaces of MEMS chip and base chip or is isolated by an insulating layer ISO against them.
  • the shield SD is provided only at the level of the MEMS chip MC and leaves the side surfaces of the base chip BC uncovered.
  • FIG. 7 shows, in a perspective arrangement, the two chips which can be connected to the component according to FIG. 6 before assembly.
  • the base chip BC is a unitary chip, for example an ASIC, while the MEMS chip MC consists of the MEMS microphone MM and the plastic embedment KM M.
  • the Kunststoffeinbettung KM M is provided here only on one side of the MEMS microphone MM, but may also include several pages or the MEMS microphone MM from all sides except the
  • Figure 8 shows a schematic representation of a
  • Second cuts ES2 along lines around the individual Base chips are generated for example by etching.
  • the width of the second cuts ES2 is selected to be at least as large as the saw width in the subsequent singulation, so that the corresponding singling tool, preferably a saw, is easier on the second cuts ES2
  • blind holes for the later sound openings SOA or for the via DK to be filled with electrically conductive material can be produced in the surface of the base chip BC or of the base wafer.
  • Blind holes preferably have a round cross-section.
  • the second cuts ES2 and the blind holes for the sound openings SO A are filled with a polymer to create a planar surface for the base chip BC and contamination, ie the penetration of interfering particles into the openings during the rest Production process, to avoid.
  • the base chip BC or the base wafer with the base chips has a thickness d 1 corresponding to the conventional thickness of semiconductor chips or the ASIC.
  • the thickness d1 may even be chosen to be larger in order to ensure safe handling of the base wafer, which has a greater base area than a single base chip.
  • Layer thickness dl of the base wafer is about 700 ym.
  • the second cuts ES2 and the blind holes for through-holes and sound openings are led to a depth d3, where d3 ⁇ d1.
  • d3 ⁇ d1.
  • the base wafer is mechanically stabilized by the MEMS wafer and can be thinned.
  • the layer thickness of the base wafer is reduced, for example, by grinding to a thickness d2.
  • d2 is now the end ⁇ valid thickness of the base chip and sufficiently selected for mechanical stability and trouble-free operation of the base chip or the entire package.
  • Layer thickness d2 is for example 200 ym and less.
  • FIG. 10 shows, in a hinted manner, how the MEMS wafers MW and basic wafers assembled in the wafer composite can be separated in a simple manner and singulated into the individual packages.
  • a saw cut is preferably set from the upper side of the MEMS wafer through the cover L such that the main body of the MEMS wafer
  • Microphones or the massive part of the MEMS chip MC is severed symmetrically along dividing lines.
  • a tool W for example, serve a saw blade.
  • first incisions ESI are placed along the parting lines in the MEMS wafer and guided so deep that at least the entire MEMS wafer is severed. As shown in Figure 11, the arrangement of the first
  • FIGS. 12 to 16 show schematically
  • Figure 12 shows a detail and schematically a
  • Wafer composite of a MEMS wafer MW and a base wafer BW where the process is to be explained in detail for a dividing line.
  • FIG. 13 shows the wafer composite after setting first
  • Sections ESI which are guided from the back of the MEMS wafer to the surface of the base wafer BW between two MEMS chips.
  • the MEMS chips MC are included
  • FIG. 14 shows the arrangement after the first cuts ESI are filled with a polymer filling PFM.
  • Coating compound may be an electrically insulating polymer be or an electrically conductive material, for example, ⁇ an electrically conductive polymer.
  • an incision ESI ⁇ is again guided in the first cut ESI, but with a smaller track width and centered to the first
  • the base wafer BW is also separated by means of a separation method.
  • the separation of the base wafer BW into the individual base chips BC and simultaneously into the individual packages or components takes place along the same separating lines as the first cuts ESI and the further first cuts ES ⁇ in the MEMS wafer MW.
  • FIG. 16 shows isolated packages in which the side walls of the MEMS chip are provided with a side surface coating SFB. Since the dividing lines are each guided around the entire chip, all are
  • the side surface coating may be applied to terminate flush with the base chip BC.
  • the side surface coating is set to be electrically conductive, an anisotropic coating is sufficient. If the side surface is electrically insulating, then an isotropic
  • Abscheidungsmycin selected, for example, a sputtering process, followed by a galvanic or de-energized
  • Shielding SD be provided. This can be generated as described by means of a suitable metallization.
  • the cuts or averages can then be made with a fixed incision depth or with an end point detection.
  • Wafer composite in which the cut is guided only by the MEMS wafer, a partial cutting of the base wafer without problems is possible and even preferred.
  • the sound opening in the base wafer BW filled with a polymer filling PFA (not shown separately in FIGS. 17-21, see eg FIG. 9) can be opened immediately before the sawing step. If available, can at the Step also the second cuts in the base wafer are freed from the polymer filling. For singling, the composite wafers are placed with the base wafer down on one
  • the metallization for the shield can be applied while the individual components are still glued to the sawing film , When completely cutting the wafer composite can for
  • the film are also stretched in the application plane, whereby the distances between the individual components increase and easier application of the metallization on the
  • FIG. 21 shows a detail of two MEMS chips MC1, MC2 with metallization applied on all side surfaces, which serves as a shield SD.
  • the terminal contacts AK on the underside of the base wafer are applied immediately after the grinding.
  • Metallization is a base layer, such as a sputtered titanium / copper conductive layer, which may optionally be further enhanced from the solution by deposition.
  • the structuring of the contact surfaces is as
  • the invention is not limited to the exemplary embodiments illustrated in the figures. Thus, the invention can be used both for MEMS microphones based on microstructured silicon capacitors, as well as on the basis of other MEMS techniques.
  • the ASIC is used to control the
  • Microphones for the detection and amplification of the microphone signal for adapting the microphone to a given sound pressure or for the adjustment of different microphone operating methods, which are different
  • the ASIC can also generate a variable bias voltage between the membrane and the fixed electrode.
  • the ASIC can also detect overload on the diaphragm to avoid excessive deflection to the solid electrode and possible damage to the microphone.
  • the microphone in the package according to the invention can with the
  • Underside of the ASIC can be integrated into any circuit environment. If the sound hole is passed through the ASIC or the base chip, then the microphone package becomes
  • the microphones and the associated ASICs are arranged in a preferably square grid. It is not
  • connection pads on the top of each base chip and the MEMS contacts on the bottom of the MEMS chips are precisely matched and structured accordingly.
  • the connection ⁇ contact surfaces can be executed on top of the base wafer with a larger structure width than the
  • BC Basic Chips each comprising one
  • KMM MEMS embedding, plastic matrix on at least

Abstract

Es wird ein verbessertes Package für ein MEMS-Mikrofon (MM) und ein erleichtertes Verfahren zur Herstellung vorgeschlagen, bei dem ein MEMS Wafer und ein Basiswafer, in denen jeweils eine Vielzal von MEMS Chips bzw. Basischips mit MEMS Mikrofonen (MM) und ASICs (AS) realisiert sind, miteinander verbunden werden. In zum Vereinzeln der Bauelemente geführten Einschnitten (ES1) in MEMS- und ggfs. Basiswafer wird in einem integrierten Verfahren eine schirmende Metallsisierung (SD) erzeugt. Die Anschlusskontakte (AK) des Packages werden abschließend auf der Unterseite des Basiswafers erzeugt.

Description

Beschreibung
GESCHIRMTES WAFER-LEVEL-PACKAGE FÜR EIN MEMS-MIKROFON UND VERFAHREN ZUR
HERSTELLUNG
MEMS-Mikrofone sind durch Mikro-Strukturierungstechnik hergestellte miniaturisierte Komponenten, die einen MEMS-Chip und einen auf die Funktion des MEMS-Mikrofons abgestimmten ASIC-Chip umfassen. Insbesondere aufgrund der Miniaturisierung ist das MEMS-Mikrofon gegen elektromagnetische
Störeinflüsse aus der Umgebung empfindlich.
Bei bekannten MEMS-Mikrofone sind beispielsweise der
Mikrofonchip und der ASIC-Chip auf einem Träger montiert. Auf die Oberfläche des Trägers und über die beiden Chips wird dann eine Abdeckung aufgebracht, die eine zu Schirmungs¬ zwecken dienende metallische Schicht umfasst. Bekannt ist es auch, die beiden Chips mit einer Metallkappe abzudecken.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein MEMS-Mikrofon mit einer elektromagnetischen Schirmung anzugeben, die effektiv wirkt und in den Herstellungsprozess des MEMS- Mikrofons gut integrierbar ist. Eine weitere Aufgabe besteht darin, ein integriertes Wafer-Level-Package-Verfahren
anzugeben, das eine kostengünstiger Herstellung der MEMS- Mikrofone auf Wafer-Level erlaubt.
Diese Aufgabe wird durch ein Wafer-Level-Package nach
Anspruch 1 sowie durch ein Verfahren zur Herstellung eines Wafer-Level-Packages nach Anspruch 7 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind weiteren Ansprüchen zu entnehmen . Der Grundaufbau des erfindungsgemäßen MEMS-Mikrofons besteht aus einem Basis-Chip und einem oben darauf montierten MEMS- Chip. Im Folgenden wird diese Orientierung beibehalten, sodass der MEMS Chip als oben-, der ASIC dagegen als
untenliegend angeordnet bezeichnet wird.
Der Basis-Chip umfasst den ASIC, während der MEMS-Chip ein MEMS-Mikrofon umfasst. Zwischen MEMS-Chip und Basis-Chip ist ein mit beiden zueinander weisenden Oberflächen verbundener Dichtrahmen angeordnet, der dem gesamten Außenumfang einer Außenkante der beiden Chips folgt.
Der ASIC und das MEMS Mikrofon weisen unterschiedlich große Grundflächen auf. Zur gegenseitigen größenmäßigen Anpassung von MEMS Chip und Basischip ist der kleinere aus ASIC und
MEMS Mikrofon in eine Kunststoffeinbettung eingebettet, mit deren Hilfe die die Grundfläche bestimmenden Außenabmessungen des kleineren Bauteils derjenigen des größeren Bauteils angepasst sind, wobei die Kunststoffeinbettung bündig mit der Oberseite von eingebettetem ASIC oder MEMS Mikrofon
abschließt und die genannte Oberseite von Basischip oder die Unterseite von MEMS Chip, auf der sich elektrische
Kontaktflächen befinden, unbedeckt lässt. Zwischen MEMS-Mikrofon und ASIC sind zumindest zwei
elektrische Verbindungen vorgesehen. Durch den Basis-Chip hindurch sind zumindest zwei Durchkontaktierungen vorgesehen, die eine elektrische MEMS-Kontaktfläche und/oder eine
Kontaktfläche des ASIC mit einem Anschlusskontakt auf der nach außen und unten weisenden Anschlussseite des Basis-Chips verbindet. Durch den Basis-Chip oder den MEMS-Chip ist eine Schallöffnung geführt. Zumindest auf der vom Basis-Chip weg nach oben weisenden Rückseite desPackages und an den Seitenflächen zumindest des MEMS-Chips ist eine metallische Abschirmung aufgebracht, die wahlweise auch noch die
Seitenflächen des Basis-Chips bedecken kann. Vorteil dieser Anordnung ist es, dass die empfindliche aktive Seite des MEMS-Chips und die Kontaktflächen des ASIC
zueinander weisen und in einem zwischen den beiden Chips und dem Dichtrahmen eingeschlossenen Hohlraum angeordnet sind. Alle extern benötigten Anschlusskontakte sind auf die
Unterseite des Basis-Chips geführt und können dort mittels einer Umverdrahtung in einer gewünschten Weise strukturiert und/oder an der gewünschten Stelle angeordnet sein.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung fluchten die Außenkanten von MEMS-Chip und Basis-Chip, sodass alle Seitenflächen des gesamten Packages eine weitgehend ebene Oberfläche
darstellen. Eine solche kann besonders einfach mit der
Metallisierung für die Abschirmung versehen werden. Fluchtende Außenkanten von MEMS-Chip und Basis-Chip können dann erhalten werden, wenn MEMS-Mikrofon und ASIC die gleiche Grundfläche aufweisen, sodass sie passend miteinander verbunden werden können und ein kompaktes Bauelement mit den genannten ebenen Seitenflächen ausbilden.
Für den Fall, dass ASIC und MEMS-Mikrofon unterschiedlich große oder unterschiedlich geformte Grundflächen aufweisen, ist der kleinere aus ASIC und MEMS-Mikrofon in eine
Kunststoffeinbettung eingebettet. Die Kunststoffeinbettung bildet eine Matrix für den kleineren der beiden Chips, z.B. für den ASIC, wobei die Außenabmessung der Matrix bzw. der Kunststoffeinbettung dann an die Abmessungen des größeren Bauteils angepasst sind und so mit diesem zusammen wieder ein kompaktes Package ausbilden können.
Die Kunststoffeinbettung bzw. die Kunststoffmatrix erstreckt sich zumindest über eine Seitenfläche des ASIC oder des MEMS- Mikrofons und kann den jeweiligen Chip an allen Seitenflächen umschließen .
Die Kunststoffmatrix schließt bündig mit der jeweiligen Ober- und Unterseite des in die Kunststoffmatrix eingebetteten
Bauteils ab. Kontaktflächen des Verbundteils aus Bauelement und Kunststoffeinbettung sind daher von der Kunststoffmatrix unbedeckt und bei der Montage frei zugänglich. Eine solche Kunststoffeinbettung ermöglicht es, das von der
Kunststoff- oder Polymermatrix ausgefüllte Volumen zu nutzen. So ist es beispielsweise möglich, einen ASIC mit kleinerer Grundfläche als das MEMS-Mikrofon in eine Kunststoffeinbettung einzubringen und das freie Volumen entweder für
Durchkontaktierungen oder Schallöffnungen zu nutzen.
Ein weiterer Vorteil der Kunststoffeinbettung besteht darin, dass die Kunststoffeinbettung bzw. die Polymermatrix um den jeweiligen Chip herum eine einfachere Vereinzelung der einzelnen Packages erlaubt. Die Kunststoffeinbettung
ermöglicht es außerdem, mehrere einzelne Chips im gleichen Raster, das dem Raster des Wafers mit den größeren Bauteilen entspricht, anzuordnen und in einen Kunststoff einzubetten. Dabei wird ein waferartiges Gebilde erhalten, das zusammen mit dem entsprechenden Wafer mit den größeren Bauteilen in einem Wafer-Level-Verfahren eingesetzt werden kann. So können die meisten Verfahrensschritte für das Herstellen des Packages auf Wafer-Level und somit für eine Vielzahl von Einzelbauelementen gleichzeitig durchgeführt werden können.
Gemäß einer Ausführungsform sind die Schallöffnungen für das Mikrofon durch den Basis-Chip hindurch geführt. Dies kann durch den ASIC hindurch in einem Bereich desselben erfolgen, in dem keine Schaltungen angeordnet sind. Vorteilhaft ist es jedoch, die Schallöffnung durch die Polymermatrix der
Kunststoffeinbettung zu führen, sofern der ASIC in einer solchen vorliegt. Bevorzugt ist es jedoch, die Schallöffnung so durch den ASIC hindurch zu führen, dass diese zentriert zur Membran des MEMS-Mikrofons angeordnet ist, welche sich üblicherweise in der Mitte des Bauteils befindet. Die elektrischen Verbindungen zwischen MEMS-Mikrofon und
Basis-Chip können über einen elektrisch leitfähigen Kleber erfolgen. Gemäß einer Ausführungsform ist der Kleber
anisotrop leitend eingestellt, sodass sich ein Stromfluss ausschließlich in der gewünschten Richtung vertikal zu den beiden zu verbindenden Oberflächen ergeben kann. Dies hat den Vorteil, dass sich die Breiten der Strompfade zwischen MEMS- Chip und Basis-Chip weitgehend auf die Grundflächen der entsprechenden Kontaktflächen beschränken. Eine gegenseitige Isolation unterschiedlicher elektrischer Verbindungen aus anisotrop leitendem Klebstoff ist dann nicht erforderlich.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die elektrische
Verbindung mittels so genannter Pillars aus Kupfer zu
erzeugen. Diese Pillars werden vorzugsweise auf der
Oberfläche des Basis-Chips in Form einer strukturierten
Metallisierung erzeugt. Von Vorteil ist es dabei, wenn dann auch der Dichtrahmen aus der gleichen Metallisierung
hergestellt ist. In entsprechender Weise gilt, dass aus elektrisch leitendem Kunststoff bestehende Verbindungen in vorteilhafter Weise mit einem Dichtrahmen kombiniert sind, der ebenfalls ein Polymer umfasst und im gleichen Verfahrens¬ schritt wie die elektrischen Verbindungen auf der Oberfläche, insbesondere des Basis-Chips, aufgebracht werden kann. Auch metallische Verbindungsmittel werden vorteilhaft gemeinsam mit einem metallischen Dichtrahmen aufgebracht.
Die Erfindung ermöglicht es, das Mikrofon-Package in einem Wafer-Level-Verfahren herzustellen. Dieses Verfahren umfasst die Schritte:
a) Bereitstellen und Vorbereiten eines Basis-Wafers , der eine Vielzahl von Basis-Chips umfasst
b) Bereitstellen und Vorbereiten eines MEMS-Wafers, der eine Vielzahl von MEMS-Chips umfasst.
c) Gegenseitiges Ausrichten des MEMS-Wafers und des Basis- Wafers, so dass jedem MEMS-Chip ein Basis-Chip mit einem ASIC zugeordnet ist und einander entsprechende Kontakte der beiden Wafer gegenseitig ausgerichtet und einander zugewandt sind. d) Miteinander Verbinden von Basis-Wafer und MEMS-Wafer durch Bonden. Dabei werden auf unterschiedlichen Wafern angeordnete einander zugeordnete Kontaktflächen elektrisch miteinander verbunden. Parallel dazu wird ein aktive Bauelementstrukturen des MEMS-Chips umschließender Dichtrahmen zwischen jedem Basis-Chip und dem zugeordneten MEMS-Chip vorgesehen und mit den Oberflächen der beiden Chips abdichtend verbunden.
e) Erzeugen von ersten Einschnitten in den MEMS-Wafer von der Rückseite her entlang von Trennlinien zwischen den einzelnen MEMS-Chips, die zumindest durch den MEMS-Wafer hindurch geführt werden.
f) Metallisieren des Verbunds aus MEMS-Wafer und Basis-Wafer von der Rückseite des MEMS-Wafers her so, dass die Rückseite des MEMS-Chips und die in den Einschnitten freigelegten Seitenflächen der MEMS-Chips und gegebenenfalls Teile ebenfalls freigelegter Seitenflächen des ASIC-Chips von der Metallisierung bedeckt sind.
g) Herstellen von Anschlusskontakten auf der Unterseite der Basis-Chips.
Das Verfahren kann also für ganze Wafer und damit für eine Vielzahl von Einzelbauelementen gleichzeitig durchgeführt werden, ist daher kostengünstig und gut kontrollierbar. Auch die Erzeugung der Schirmung, die durch Metallisieren des
Verbunds aus MEMS-Wafer und Basis-Wafer erzeugt wird, wird auf Wafer-Level-Ebene durchgeführt.
Der Schritt a) Bereitstellen und Vorbereiten eines Basis- Wafers umfasst weiterhin die folgenden Unterschritte:
al) Vorbereiten oder Herstellen von Durchkontaktierungen durch jeden Basis-Chip im Basis-Wafer.
a2) Vorbereiten oder Erzeugen einer Schallöffnung in jedem Basis-Chip des Basis-Wafers .
a3) Verschließen der Schallöffnungen mit einem Polymer.
a4) Herstellen von elektrischen Verbindungsflächen auf der Oberseite jedes Basis-Chips sowie gegebenenfalls
a5) Aufbringen von Verbindungsmitteln und/oder eines
Dichtrahmens auf die Oberseite eines jeden Basis-Chips.
In einer alternativen Ausführung wird auf den Schritt a3) verzichtet .
Die Schallöffnung kann durch den ASIC hindurch geführt werden. Möglich ist es auch, bei Verwendung eines in eine
Kunststoffeinbettung eingebetteten ASICs, die Schallöffnung durch die Polymermatrix der Kunststoffeinbettung zu führen. Die Schallöffnung wird während der Vorbereitung des Basis- Wafers erzeugt und kann dann ohne Rücksichtnahme auf den MEMS-Wafer, der an diesem Verfahren nicht beteiligt ist, durchgeführt werden. Dies verhindert eine Kontaminierung empfindlicher MEMS-Oberflachen bzw. empfindlicher Bauelement- strukturen auf der MEMS-Oberflache . Das Wiederverschließen der Schallöffnung mit einem Polymer ermöglicht es dabei, den Hohlraum, der nach Schritt d) zwischen MEMS-Chip und Basis- Chip eingeschlossenen ist, während der weiteren Verfahrensschritte dicht zu halten. Das Polymer in der Schallöffnung kann dann in einem späteren Verfahrensschritt nach
weitgehender oder vollständiger Fertigstellung des Packages wieder entfernt werden. Dies kann auf schonende Weise
erfolgen, sodass auch hier keine Gefahr einer Kontamination des MEMS-Chips besteht.
In einer weiteren Ausgestaltung kann der Verfahrensschritt a) des erfindungsgemäßen Verfahrens die weiteren Unterschritte umfassen :
a6) Bohren von Sacklöchern für Durchkontaktierungen in die Oberseite des Basis-Chips und Befüllen derselben mit einem elektrisch leitfähigen Material.
a7) Erzeugen von zweiten Einschnitten in der Oberseite des Basis-Chips entlang von Trennlinien zwischen den einzelnen Basis-Chips, wobei die Einschnitte bis zur gleichen Tiefe wie die Sacklöcher für die Durchkontaktierungen und die
Schallöffnungen geführt werden.
a8) Auffüllen der Sacklöcher und der zweiten Einschnitte mit einem Polymer. Vorteilhaft erfolgt der Materialabtrag auf einer Oberfläche des Basis-Chips zur Erzeugung von Schallöffnungen,
Durchkontaktierungen, Einschnitten und anderen gegebenenfalls erforderlichen Vertiefungen und Löchern mittels Plasmaätzens. Der Verfahrensschritt d) kann die weiteren Unterschritte umfassen :
dl) Abschleifen oder Dünnen des Basis-Wafers von der Unter- seite her, bis die Sacklöcher für die Schallöffnungen und
Durchkontaktierungen sowie die zweiten Einschnitte von unten her geöffnet sind.
Verfahrensschritt e) kann den weiteren Unterschritt umfassen: el) Erzeugen der ersten Einschnitte durch den gesamten MEMS- Wafer hindurch bis in die zweiten Einschnitte in der Oberseite des Basis-Chips hinein.
Die hier aufgeführten Unterschritte führen zu einem
Verfahren, bei dem Material abtragende Strukturierungen des Basis-Chips nicht durch den gesamten Basis-Wafer hindurch geführt werden müssen. Es genügt vollständig, sie bis zu einer Tiefe zu strukturieren, die der späteren und
endgültigen Dicke des Basis-Chips nach dem Dünnen des Basis- Wafers entspricht. Die Strukturierungen, die in Form von
Sacklöchern oder Gräben begrenzter Tiefe (zweite Einschnitte) geführt sind, werden beim Abschleifen von unten geöffnet und sind dann durchgehend. In diesem Zusammenhang wird unter „Freilegen" verstanden, dass die jeweilige Struktureinheit durch das Dünnen des Basis-Wafers angeschnitten und so geöffnet wird. Sacklöcher und zweite Einschnitte sind mit Polymer gefüllt, sodass beim Abschleifen darin das Polymer und nicht die freie Öffnung freigelegt wird. Durch¬ kontaktierungen sind mit einem elektrisch leitenden Material gefüllt, sodass beim Dünnen des Basis-Wafers dieses Material angeschnitten und freigelegt wird. Das Dünnen des Wafers erfolgt auf einer Verfahrensstufe, bei der der MEMS-Wafer und der Basis-Wafer fest miteinander verbunden sind, sodass die mechanische Festigkeit des
Waferverbunds ausreichend ist, diesen vor einem Bruch des Wafers bei abnehmender Schichtdicke infolge des Schleifens zu bewahren .
Werden im Basis-Wafer zweite Einschnitte vorgesehen, die entlang der Trennlinien geführt sind, so können auch diese beim Abschleifen des Basis-Wafers freigelegt werden. Die einzelnen Bauelemente im Waferverbund werden dann nur noch über das Polymer in den freigelegten Trennlinien zusammengehalten. Die vollständige Vereinzelung der Bauelemente gelingt durch Entfernen des Polymers, welches durch Sägen, thermisch, durch Oxidation, chemisch oder durch Lösungsmittel erfolgen kann.
Das Metallisieren des Verbunds nach dem Herstellen der ersten Einschnitte, die zumindest durch den MEMS-Wafer hindurch geführt werden, kann in zwei Verfahrensschritten erfolgen. Dazu wird zunächst in einem ersten Teilschritt fl) eine
Grundmetallisierung aus der Gasphase abgeschieden,
beispielsweise durch Aufsputtern. In einem zweiten Schritt f2) wird diese Grundmetallisierung durch galvanische oder stromlose Abscheidung eines Metalls aus der Lösung verstärkt.
Möglich ist es jedoch auch, das Metallisieren des Verbunds nach dem Herstellen der ersten Einschnitte in den MEMS-Wafer ausschließlich nasschemisch durchzuführen.
Eine für einzelne Anwendungen vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, vor dem Aufbringen der Metallisierung für die Abschirmung die freigelegten und zu metallisierenden Oberflächen zu passivieren. Dies kann vorteilhaft durch
Behandlung mit einem reaktiven Plasma erfolgen. Im Normalfall umfasst das MEMS-Mikrofon einen Siliziumkörper, dessen
Oberflächen beispielsweise mit einem stickstoffhaltigen
Plasma passiviert werden können. Möglich ist es auch, die Passivierung durch Abscheidung eines isolierenden Lacks mittels eines CVD Verfahrens vorzunehmen. Allgemein kann mit der Passivierung auch verhindert werden, dass das an der Abschirmung anliegende Potenzial, welches in der Regel ein internes oder externes Massepotenzial ist, das elektrische Potenzial des MEMS Chips beeinflusst.
Eine alternative Möglichkeit zur Aufbringung einer
Metallisierung besteht darin, die ersten Einschnitte in die Rückseite des MEMS-Wafers entlang der Trennlinien mit einer relativ hohen Breite auszuführen. Diese ersten Einschnitte werden dann mit einer leitfähigen Masse, insbesondere mit einem elektrisch leitfähigen Polymer, gefüllt. Anschließend werden zentriert zu den ersten Einschnitten weitere Ein- schnitte an gleicher Stelle, jedoch mit geringerer Schnitt¬ breite, geführt, sodass die verbleibenden Gräbenwände
beiderseits von dem leitfähigen Polymer gebildet sind.
Das leitfähige Polymer kann für sich bereits eine aus- reichende Schirmung aufweisen, wird vorzugsweise jedoch noch mit einem metallischen Überzug verstärkt, der aufgesputtert oder galvanisch oder stromlos aus der Lösung abgeschieden werden kann. Zum Verbinden von MEMS-Wafer und Basis-Wafer werden gemäß einer Ausführungsform Verbindungsmittel auf einer der zu verbindenden Oberfläche aufgebracht, insbesondere auf die Oberfläche des Basis-Wafers . Die Verbindungsmittel dienen zum einen zur mechanischen Verbindung und sind vorzugsweise auch elektrisch leitend ausgebildet, sodass in einem Schritt mechanische und elektrische Verbindungen zwischen MEMS-Wafer und Basis-Wafer bzw. den entsprechenden Chips hergestellt werden kann.
Ein geeignetes Verbindungsmittel ist ein leitfähiger Kleber, insbesondere wenn er anisotrop leitfähig eingestellt ist. Weiterhin ist es möglich, als Verbindungsmittel Pillars aus Kupfer aufzubringen oder herkömmliche Stud- oder Lötbumps . Als weiteres Verbindungsmittel kann der Dichtrahmen dienen, der ebenfalls auf dieser Verfahrensstufe erzeugt wird und ein Metall oder ein Polymer bzw. einen zu einem Polymer härtenden Kleber umfasst.
Pillars aus Kupfer können bei ausreichender Co-Planarität der zu verbindenden Oberflächen (Pillar und Gegenkontakt) durch Einwirken von Druck und Hitze direkt miteinander verbunden werden. Alternativ können die Pillars auch mit Lot oder
Leitkleber beschichtet werden.
Aus Polymerkleber oder allgemein Kunststoff bestehende
Strukturen werden vorzugsweise auf eine der zu verbindenden Oberflächen aufgedruckt. Dazu ist beispielsweise Sieb- oder Stempeldruck geeignet. Ein an geringe Strukturgrößen
anpassbares Druckverfahren ist das Jet-Druckverfahren, welches erfindungsgemäß ebenfalls mit Vorteil eingesetzt werden kann. Das Jet-Druckverfahren ist auch dazu geeignet, Einschnitte und Sacklöcher für die Schallöffnung im Basis- Wafer vor dem Verbinden mit dem MEMS-Wafer zu verfüllen. Auch das Verfüllen der ersten Einschnitte von der Rückseite des MEMS-Wafers her mit elektrisch leitfähigem Polymer kann mittels Jet-Druck erfolgen. Aufgrund der planen Oberfläche des MEMS-Wafers können die ersten Einschnitte jedoch auch durch Applizieren, Rakeln oder Aufstreichen von Polymermasse verfüllt werden. Ein Auftrennen der für sich weitgehend fertiggestellten aber im Waferverbund noch zusammenhängenden Bauelemente erfolgt vorzugsweise mittels Sägen. Dazu wird die noch miteinander verbundenen Wafer mit der Basis-Waferseite auf eine Sägefolie geklebt und von oben, d.h. der Rückseite des MEMS-Wafers her entlang der ersten Einschnitte weiter eingesägt. Für die Ausführung, bei der die ersten Einschnitte bereits durch MEMS- und Basis-Wafer geführt sind, ist kein Sägeschritt mehr erforderlich, da lediglich das Polymer aus den zweiten
Einschnitten zu entfernen ist, was aber ebenfalls durch Sägen erfolgen kann.
Auf der Unterseite des Basis-Wafers werden pro Bauelement Anschlusskontakte erzeugt, die jeweils elektrisch mit einer Durchkontaktierung verbunden sind. Jede der Durch- kontaktierungen wiederum steht in Kontakt mit einer Kontaktfläche auf der Oberseite des Basis-Chips, die wiederum mit dem ASIC oder z. B. über ein Verbindungsmittel oder direkt mit einer Kontaktfläche auf der aktiven Unterseite des MEMS- Chips in Verbindung stehen kann.
Die Anschlusskontakte können direkt auf der Unterseite des Basis-Wafers bzw. der einzelnen Basis-Chips erzeugt werden. Vorteilhaft ist es jedoch, auf der Unterseite des Basis- Wafers zunächst eine Umverdrahtung vorzusehen, mit deren Hilfe das durch die Durchkontaktierungen definierte Raster der Anordnung der Anschlüsse einer äußeren Schaltungsumgebung angepasst werden kann. Insbesondere kann die Umverdrahtung dazu dienen, ungleichmäßig auf der Unterseite des Basis-Chips verteilte Durchkontaktierungen mit regelmäßig verteilten Anschlusskontakten zu verbinden, sodass auf den Anschlusskontakten beispielsweise ein Ball Grid Array erzeugt werden kann, welches ein vorgegebenes Raster von Anschlusskontakten zur Verfügung stellt.
Eine Umverdrahtung wird erzeugt, indem auf der Unterseite des Basis-Wafers zunächst eine Isolierschicht aufgebracht und strukturiert wird. Dabei verbleiben Lücken in der Isolations- Schicht, in denen jeweils eine der zu kontaktierenden Durch- kontaktierung freigelegt ist. Darüber wird anschließend eine zweite Metallisierung aufgebracht und strukturiert, sodass Leiterabschnitte und Kontaktflächen entstehen. Vorteilhaft kann es außerdem sein, darüber noch einen Lötstopplack aufzubringen, der ausschließlich die Kontaktflächen unbedeckt lässt und so ein sicheres Aufbringen von Löt-Bumps
ermöglicht .
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungs- beispielen und der dazugehörigen schematischen Figuren erläutert. Die Figuren zeigen erfindungsgemäße Bauelemente in unterschiedlichen Darstellungen während unterschiedlicher Verfahrensschritte der Herstellung. Die Figuren dienen nur zur Erläuterung und sind daher auch nicht maßstabsgetreu ausgeführt. Den Figuren sind weder absolute Bemessungen noch relative Größenverhältnisse zu entnehmen.
Es zeigen: Figur 1 einen schematischen Querschnitt durch ein Mikrofon- Package mit durchgehender Abschirmung, Figur 2 einen schematischen Querschnitt durch ein Package mit einer Schirmung nur am MEMS-Chip,
Figur 3A einen MEMS-Chip von der Unterseite,
Figur 3B einen Basis-Chip von der Oberseite,
Figur 3C Je einen MEMS-Chip und Basis-Chip bei der
gegenseitigen Ausrichtung in perspektivischer Draufsicht,
Figur 4 ein Package mit einem Basis-Chip, der eine
Kunststoffeinbettung umfasst,
Figur 5 die Anordnung von Figur 4 in perspektivischer Darstellung mit getrennten Chips,
Figur 6 ein Package mit einem MEMS-Chip, der eine
Kunststoffeinbettung und eine durch diese hindurch geführte Schallöffnung aufweist,
Figur 7 die Anordnung von Figur 6 in perspektivischer Darstellung mit getrennten Chips,
Figur 8 einen Basis-Chip mit Einschnitten und Sacklöchern,
Figur 9 die Anordnung von Figur 8 mit gefüllten Sacklöchern und Einschnitten nach dem Dünnen des Basis-Chips,
Figur 10 ein Package im Waferverbund in schematischer
Darstellung vor dem Vereinzeln,
Figur 11 die Anordnung von Figur 10 nach dem Vereinzeln. Figur 12-16 Verschiedene Verfahrensstufen im Querschnitt beim Vereinzeln durch erste Einschnitte, Wiederbefüllen und erneutes Einsägen mit geringerer Schnittbreite zum Erzeugen beschichteter Seitenflächen,
Figur 17-20 Verschiedene Verfahrensstufen im Querschnitt beim Vereinzeln mittels erster durch beide Wafer geführter Einschnitte, Wiederbefüllen und erneutes Einsägen mit
geringerer Schnittbreite zum Erzeugen beschichteter
Seitenflächen,
Figur 21 ein fertiges Package mit metallischem Überzug als Abchirmung . Figur 1 zeigt eine einfache Ausführungsform eines erfindungs¬ gemäßen Packages für ein MEMS-Mikrofon . Das MEMS-Mikrofon, das in dieser Ausführung den MEMS Chip MC bildet, weist einen an sich bekannten Aufbau auf und ist ein beispielsweise als kapazitiv arbeitendes und aus einem kristallinen Silizium- körper strukturiertes Bauelement. Im kristallinen Körper des MEMS-Mikrofons ist eine Ausnehmung BV strukturiert, die auf der aktiven Seite mit einer Membran MB überspannt ist. Auf einer oder beiden Seiten ist der Membran ist je eine
Festelektrode in geringem Abstand ur Membran vorgesehen, die ebenfalls die Ausnehmung überspannen. Im Folgenden wird aufgrund der Anordnung in der Figur die aktive Seite auch als Unterseite des MEMS-Mikrofons bzw. des ein MEMS-Mikrofon MM umfassenden MEMS-Chips MC bezeichnet. Äußere elektrische Anschlüsse für Membran MB und Festelektrode FE befinden sich an der Unterseite des kristallinen Grundkörpers des MEMS- Chips MC (in der Figur ncht dargestellt) . Im Package ist der MEMS-Chip MC auf einem Basis-Chip BC montiert, welcher vorzugsweise die gleiche Grundfläche wie der MEMS-Chip MC aufweist, sodass er in montierter Anordnung mit dem MEMS-Chip MC fluchtende Seitenflächen aufweist. Als Verbindungsmittel VM zwischen MEMS-Chip MC und Basis-Chip BC dient eine Bondverbindung, die aus Metall, Klebstoff, elektrisch leitendem Klebstoff oder anisotrop elektrisch leitendem Klebstoff besteht. Das Verbindungsmittel VM dient somit sowohl zur mechanischen Verbindung von MEMS-Chip MC und Basis-Chip BC, als auch zur Herstellung elektrisch leitender Verbindungen zwischen Basis-Chip BC und MEMS-Chip MC. Darüber hinaus kann es auch noch als Dichtrahmen dienen. Der
Dichtrahmen kann jedoch auch separat gefertigt sein und gegen die elektrischen Anschlüsse des MEMS-Chips MC elektrisch isoliert sein.
Der Basis-Chip BC umfasst einen ASIC, der in dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel den kompletten Basis-Chip BC bildet. Die aktiven Bauelementstrukturen, also die
integrierten Schaltungen, sind nahe der zum MEMS-Chip MC weisenden Oberfläche des ASIC angeordnet, sodass die aktive Seite im Folgenden als Oberseite des ASIC bezeichnet wird. Auf der Oberseite des ASIC können Kontaktflächen zur
Kontaktierung des ASIC, Verbindungskontaktflächen zur
Kontaktierung des MEMS-Chips MC sowie Leiterabschnitte angeordnet sein, die eine Verschiebung der Kontaktflächen hin zum physikalischen Ort der entsprechenden Schaltung oder Verbindung ermöglichen. Die Unterseite des ASIC oder Basis-Chips BC weist Anschluss¬ kontakte AK auf. Diese sind über Durchkontaktierungen DK mit den entsprechenden Kontaktflächen und Verbindungskontaktflächen auf der Oberseite des Basis-Chips BC verbunden. Die Durchkontaktierungen sind in der Regel als mit Metall
gefüllte Bohrungen ausgeführt. Abhängig vom Material des Basischips kann es erforderlich sein, die Seitenwände der Bohrung elektrisch isolierende auszukleiden. Die Bohrungen können aber auch mit anderen leitfähigen Materialien, insbesondere mit einem elektrisch leitfähigen Polymer oder niederohmigem Silizium gefüllt sein.
Im Basis-Chip BC ist außerdem eine Schallöffnung SOA vor- gesehen, die durch den ganzen Basis-Chip BC geführt ist und vorzugsweise zentriert zur Membran MB des MEMS-Chips MC ange¬ ordnet ist. Die Schallöffnung SOA kann auf der Oberseite und/ oder auf der Unterseite des Basis-Chips mit einem Schutz¬ gitter versehen sein, um Eindringen von Schmutzpartikeln und anderen störenden Partikeln zur Membran zu verhindern.
Auf der Unterseite des Basis-Chips BC ist außerdem eine ringförmige Metallisierung SR rundum die Schallöffnung SOA vorgesehen. Weiterhin weist die Unterseite Anschlusskontakte KF auf, die mit den entsprechenden Durchkontaktierungen DKA verbunden sind. Möglich ist es jedoch auch, direkt über der Mündung der Durchkontaktierungen DK auf der Unterseite des Basis-Chips BC Kontaktmittel KM, beispielsweise Bumps, aufzubringen, ohne vorher die Unterseite zu metallisieren.
Die Ausnehmung BV im MEMS-Chip MC ist mit einer Abdeckung L verschlossen, die beispielsweise als Glasfolie oder
Polymerfolie ausgebildet ist. Die Abdeckung L kann auf den Grundkörper des MEMS-Chips aufgeklebt oder anderweitig aufgebondet sein. In der Ausnehmung ist dadurch ein Volumen eingeschlossen, welches für das Mikrofon das Rückvolumen BV darstellt und einen für die Funktion des Mikrofons erforderlichen Referenzdruck einschließt, der bei äußeren Druckänderungen zu einer Auslenkung der Membran führt.
Das Package ist an sämtlichen Seitenflächen sowie an der Rückseite/Oberseite des MEMS-Chips MC mit einer elektrisch leitenden Abschirmung SD versehen, welche eine Metallschicht oder eine mit elektrisch leitenden Partikeln gefüllte Schicht umfasst. Unterhalb der Abschirmung SD oder unter Teilen davon kann auch eine Isolationsschicht ISO vorgesehen sein, die aber nur für bestimmte Anwendungen vorteilhaft und daher optional ist. Die Abschirmung SD ist vorzugsweise mit einer mit Masse verbindbaren Anschlussfläche auf der Unterseite des Basis-Chips BC verbunden. Im dargestellten Fall kann die Verbindung außen um die untere Kante des Basis-Chips herum erfolgen. Die Abschirmung SD kann jedoch auch anderweitig kotaktiert sein, z.B. über die Oberseite des Basischips BC und eine entsprechende Durchkontatierung DK.
Figur 2 zeigt eine weitere Ausführungsform des erfindungs- gemäßen Packages, bei dem als wesentlicher Unterschied zu dem in Figur 1 dargestellten die Abschirmung SD nur über die Außenflächen des MEMS-Chips MC aufgebracht ist. Die
Seitenflächen des Basis-Chips BC sind frei von der
Abschirmung SD. Auch hier kann optional unterhalb der
Abschirmung eine Isolationsschicht ISO angeordnet sein.
In der Figur 2 ist außerdem eine Durchkontaktierung DK dargestellt, welche nicht mit dem MEMS-Chip MC bzw. dem MEMS- Mikrofon verbunden ist, sondern allein zur Herstellung eines Kontakts zum ASIC dient. Auf der Unterseite des Basis-Chips BC ist diese Durchkontaktierung DK mit einem Kontaktmittel verbunden, welches hier als Bump dargestellt ist und direkt auf der Mündung der Durchkontaktierung DKA aufsitzt. Möglich ist es jedoch auch, über der Mündung an der Unterseite des Basis-Chips eine Kontaktfläche zu erzeugen und darauf ein Verbindungsmittel aufzutragen oder die Kontaktfläche direkt zum Bonden in eine Schaltungsumgebung zu verwenden.
Die Anzahl der Anschlusskontakte AK ist abhängig von der Funktionalität des MEMS-Mikrofons , welche unter anderem durch die Funktionen des ASIC bestimmt ist. In der Figur 2 sind ebenso wie in Figur 1 unterschiedliche Kontaktflächen KF und Kontaktmittel KM dargestellt, die jedoch nur die Vielfalt möglicher Variationen aufzeigen soll und die daher in der Regel nicht zusammen auf einem Bauelement verwirklicht sind. Auch hier ist die Abschirmung SD elektrisch mit einer
Anschlussfläche verbunden, welche hier über eine Durch- kontaktierung DK durch den Basis-Chip BC hindurch kontaktiert ist .
Figur 3A zeigt einen MEMS-Chip MC von der Unterseite, also der dem ASIC zugewandten aktiven Seite des MEMS-Chips. Die vorzugsweise rund ausgeführte Ausnehmung im Grundkörper des MEMS-Chips MC ist vollständig von der Membran MB überspannt. Auf der Unterseite des Grundkörpers des MEMS-Chips MC sind zumindest zwei MEMS-Kontaktflächen KF angebracht zur
Kontaktierung der Membran MB und der Festelektrode FE. Eine dritte MEMS-Kontaktfläche KF kann für eine zweite
Rückelektrode vorgesehen sein, die auf der zur ersten
Festelektrode gegenüberliegenden Membranseite angeordnet ist.
Figur 3B zeigt schematisch die Oberseite eines Basis-Chips, welcher hier als reiner ASIC ausgeführt ist. Durch den Basis- Chip BC hindurch sind Durchkontaktierungen DK vorgesehen, die vorzugsweise am Rand des Basis-Chips BC angeordnet sind.
Deckungsgleich zu den MEMS-Kontaktflächen KF sind auf der Oberseite des Basis-Chips BC Verbindungskontaktflächen VF vorgesehen, die zur Kontaktierung mit den Kontaktflächen des MEMS-Chips MC dienen. Die Verbindungskontaktflächen VF können direkt über weiteren Durchkontaktierungen DKA angeordnet sein. Möglich ist es jedoch auch, auf der Oberseite des
Basis-Chips BC eine Verdrahtungsebene vorzusehen, über die elektrische Verbindungen zwischen den Durchkontaktierungen DKA und den Kontaktflächen hin zum MEMS-Chip MC oder zum Basischip BC bzw. dem ASIC hergestellt werden.
Zentriert zur Membran ist eine Schallöffnung SOA durch den Basis-Chip BC hindurch vorgesehen.
Figur 3C zeigt in perspektivischer Ansicht die beiden noch nicht vollständig gegeneinander ausgerichteten Teilchips des Packages. Man sieht, dass die Grundflächen von MEMS Chip und Basischip exakt übereinstimmen so dass Verbindungs¬ kontaktflächen VF des Basischips und Kontaktflächen KF des MEMS-Chips direkt übereinander zu liegen kommen. In der Figur nicht eingezeichnet ist ein Dichtrahmen, welcher vor dem Verbinden der beiden Chips auf die Oberfläche eines der beiden Chips, vorzugsweise auf die Oberseite des Basis-Chips BC, aufgebracht wird und nach dem Verbinden der beiden Chips den dazwischen eingeschlossenen Hohlraum abdichtet.
Figur 4 zeigt anhand eines schematischen Querschnitts ein Package, bei dem der Basis-Chip BC eine Kunststoffeinbettung KMA und einen darin eingebetteten ASIC AS umfasst. Die
Kunststoffeinbettung KMA dient im Wesentlichen dazu, die Grundfläche des Basis-Chips BC an die Grundfläche des MEMS- Chips MC anzupassen, wenn der ASIC eine kleinere Grundfläche als der MEMS-Chip aufweist. Weiterhin dient die Kunststoff- einbettung dazu, einen Basis-Wafer zu generieren, bei dem die ASICs so in der Kunststoffmatrix verteilt sind, dass sie dem Raster der noch nicht vereinzelten MEMS-Chips im MEMS-Wafer entsprechen. Auf diese Weise ist es möglich, auch einen flächenmäßig kleineren ASIC in einem Wafer-Level-Verfahren mit dem flächenmäßig größeren MEMS-Chips auf Wafer-Ebene zu verbinden .
Die Kunststoffeinbettung KMA kann dazu genutzt werden, dort Bohrungen für eine oder mehrere Schallöffnungen SOK sowie für die Durchkontaktierungen DK vorzusehen. Auf diese Weise kann ein kompakter ASIC-Chip AS mit hoher Integrationsdichte eingesetzt werden, der keine von ASIC Strukturen freie
Oberfläche für das Vorsehen von Durchkontaktierungen oder anderen Bohrungen mehr aufweisen muss. Die Kunststoff- einbettung KMA hat weiterhin den Vorteil, dass sich in ihr in einfacher Weise sämtliche erforderlichen Bohrungen und andere Einschnitte erzeugen lassen, da dort keinerlei Bruchgefahr für den ASIC AS selbst besteht. Vorzugsweise ist der ASIC zur Membran zentriert und die
Schallöffnungen SOK sind in gewünschter Anzahl um den ASIC AS herum verteilt. Im Übrigen entspricht der Aufbau des in Figur 4 dargestellten Packages demjenigen von Figur 1. Auch hier ist eine Abschirmung SD über sämtliche Seitenflächen des Packages sowie über die Rückseite des MEMS-Chips MC
aufgebracht und kann wahlweise gegen den MEMS-Chip MC noch durch eine Isolationsschicht ISO isoliert sein. Je nachdem, ob die Isolationsschicht ISO reaktiv auf Siliziumoberflächen oder als separate Schicht durch Abscheidung erzeugt ist, kann im letztgenannten Fall auch die Abdeckung L von der
Isolationsschicht ISO bedeckt sein. In der Figur 4 sind der Übersichtlichkeit halber weder ausreichend Kontaktflächen KF an der Unterseite noch
Metallisierungsringe um die Schallöffnungen SO dargestellt, die im realen Bauelement natürlich vorhanden sind.
Figur 5 zeigt in perspektivischer Darstellung die beiden Chips vor dem Verbinden zu einer Anordnung wie in Figur 4. In dieser Ausführung ist die Kunststoffeinbettung KMA nur an zwei Seiten des ASICs vorgesehen, der ASIC selbst aber symmetrisch zwischen zwei Streifen einer Kunststoffeinbettung KMA eingebettet. Die Oberfläche des ASIC ist frei von der Kunststoffeinbettung . In der Figur sind zwei Schallöffnungen SOK dargestellt, die durch die Kunststoffeinbettung KMA geführt sind, ebenso sechs Mündungsflächen von
Durchkontaktierungen, die mit MEMS-Kontaktflächen KF oder mit elektrischen Anschlüssen des ASICs verbunden sein können.
In dieser Ausführung wird unter dem Begriff Basis-Chip BC die Gesamtheit aus ASIC AS und Kunststoffeinbettung KMA
verstanden, die zusammen wie ein normaler Chip gehandhabt werden können, ohne dass zwischen den Materialien der
Kunststoffeinbettung oder des ASICs differenziert werden muss . Figur 6 zeigt anhand eines schematischen Querschnitts eine
Anordnung, bei der der MEMS-Chip MC aus dem MEMS-Mikrofon MM selbst und einer Kunststoffeinbettung KMM besteht, in die das MEMS-Mikrofon MM eingebettet ist. So gelingt es, einen gegenüber dem Basis-Chip BC flächenkleineren MEMS-Grundkörper mit Hilfe der Kunststoffeinbettung KMM zu einem MEMS-Chip MC zu kombinieren, der flächengleich mit dem Basis-Chip BC ist. Auch hier kann die Kunststoffeinbettung KMM dazu genutzt werden, funktionelle Teile des Packages aufzunehmen. Hier ist die Schallöffnung SOK durch die Kunststoffeinbettung KMM des MEMS-Chips MC geführt, sodass der Basis-Chip BC frei von Schallöffnungen ist. Sämtliche Kontaktflächen des Packages sind jedoch nach wie vor auf der Unterseite des Basis-Chips vorgesehen und mit den entsprechenden Anschlüssen auf
Unterseite von MEMS-Chips bzw. Oberseite von Basis-Chips über Durchkontaktierungen DKA verbunden, so dass hier ein
sogenanntes Top-Port-Mikrofon erhalten wird. Die Seitenflächen der Anordnung sind mit einer Abschirmung SD versehen, welche direkt auf den Seitenflächen von MEMS-Chip und Basis-Chip aufsetzt oder durch eine Isolationsschicht ISO gegen diese isoliert ist. In einer nicht dargestellten
Ausführungsform ist die Abschirmung SD nur auf Höhe des MEMS- Chips MC vorgesehen und lässt die Seitenflächen des Basis- Chips BC unbedeckt.
Figur 7 zeigt in perspektivischer Anordnung die beiden zum Bauelement nach Figur 6 verbindbaren Chips vor der Montage. Der Basis-Chip BC ist ein einheitlicher Chip, beispielsweise ein ASIC, während der MEMS-Chip MC aus dem MEMS-Mikrofon MM und der Kunststoffeinbettung KMM besteht. Die Kunststoffeinbettung KMM ist hier nur an einer Seite des MEMS-Mikrofons MM vorgesehen, kann jedoch auch mehrere Seiten einschließen oder das MEMS-Mikrofon MM von allen Seiten außer von der
Unterseite her umschließen und so vollständig einbetten.
Figur 8 zeigt in schematischer Darstellung anhand eines
Querschnitts durch einen Basis-Chip BC eine Möglichkeit, wie verschiedene funktionelle Strukturen des Basis-Chips durch einseitige Behandlung des Basis-Chips oder Basis-Wafers hergestellt werden können. So können beispielsweise zweite Einschnitte ES2 entlang von Trennlinien rund um die einzelnen Basis-Chips herum z.B. durch Ätzen zu erzeugt werden. Die Breite der zweiten Einschnitte ES2 wird mindestens so groß gewählt wie die Sägebreite bei der späteren Vereinzelung, damit das entsprechende Vereinzelungswerkzeug, vorzugsweise eine Säge, einfacher auf die zweiten Einschnitte ES2
zentriert werden kann.
Weiterhin können in der Oberfläche des Basis-Chips BC bzw. des Basis-Wafers Sacklöcher für die späteren Schallöffnungen SOA oder für die mit elektrisch leitfähigem Material zu füllenden Durchkontaktierung DK erzeugt werden. Die
Sacklöcher weisen vorzugsweise runden Querschnitt auf. Vor der Weiterverarbeitung werden die zweiten Einschnitte ES2 sowie die Sacklöcher für die Schallöffnungen SOA mit einem Polymer verfüllt, um eine plane Oberfläche für den Basis-Chip BC zu schaffen und um eine Kontamination, also das Eindringen von störenden Partikeln in die Öffnungen während des weiteren Herstellungsverfahrens, zu vermeiden. Der Basis-Chip BC bzw. der Basis-Wafer mit den Basis-Chips weist eine Dicke dl auf, die der herkömmlichen Dicke von Halbleiterchips oder des ASIC entsprechen. Die Dicke dl kann sogar größer gewählt sein, um eine sichere Handhabung des Basis-Wafers, der eine größere Grundfläche als ein einzelner Basis-Chip aufweist, zu gewährleisten. Eine geeignete
Schichtdicke dl des Basis-Wafers liegt bei ca. 700 ym.
Die zweiten Einschnitte ES2 und die Sacklöcher für Durch- kontaktierungen und Schallöffnungen werden bis zu einer Tiefe d3 geführt, wobei d3 < dl ist. In der Figur sind lediglich die unterschiedlichen Vertiefungen dargestellt, ohne dass sie in einer realen relativen Anordnung zueinander gezeigt sind. Nach gegenseitigem Verbinden von MEMS-Chips und Basis-Chips ist der Basis-Wafer mechanisch durch den MEMS-Wafer stabilisiert und kann gedünnt werden. Dabei wird die Schichtdicke des Basis-Wafers beispielsweise durch Abschleifen auf eine Dicke d2 reduziert. Es gilt: d2 < d3. d2 ist nun die end¬ gültige Dicke des Basis-Chips und für mechanische Stabilität und eine störungsfreie Funktion des Basis-Chips bzw. des gesamten Packages ausreichend gewählt. Eine geeignete
Schichtdicke d2 liegt beispielsweise bei 200 ym und weniger.
Wie aus der Figur 9 gut ersichtlich, werden beim Dünnen des Basis-Wafers zweite Einschnitte, Durchkontaktierungen und Schallöffnungen von unten her angeschliffen, sodass sie vorzugsweise auf Oberseite und Unterseite den gleichen Quer- schnitt aufweisen. Auf diese Weise werden die bisherigen
Sacklöcher zu durchgehenden Öffnungen oder Durchkontaktierungen, ohne dass die Bohrungen durch den gesamten Basis-Wafer geführt werden müssen. Der Verschluss der zweiten Einschnitte ES2 und Schallöffnungen SOA mit Polymer gewährleistet, dass die Stabilität des Basis-Wafers während der Verarbeitung erhalten bleibt und dass beim Abschleifen entstehende
Abriebpartikel nicht in die Öffnungen oder Einschnitte gelangen . Figur 10 zeigt andeutungsweise, wie die im Waferverbund zusammengefügten MEMS-Wafer MW und Basis-Wafer in einfacher Weise aufgetrennt und in die einzelnen Packages vereinzelt werden können. Zur Vereinzelung wird vorzugsweise von der Oberseite des MEMS-Wafers durch die Abdeckung L hindurch ein Sägeschnitt so gesetzt, dass der Grundkörper der MEMS-
Mikrofone bzw. der massive Teil des MEMS-Chips MC entlang von Trennlinien symmetrisch durchtrennt wird. Als Werkzeug W kann beispielsweise ein Sägeblatt dienen. Mit dem Werkzeug W werden nun erste Einschnitte ESI entlang der Trennlinien in den MEMS-Wafer gesetzt und so tief geführt, dass zumindest der gesamte MEMS-Wafer durchtrennt ist. Wie in Figur 11 gezeigt, wird die Anordnung von ersten
Einschnitten ESI im MEMS-Wafer und zweiten Einschnitten ES2 im Basis-Wafer deckungsgleich oder zumindest zentriert zueinander vorgenommen, sodass eine vollständige Vereinzelung der einzelnen Packages entlang von ersten und zweiten
Einschnitten ESI, ES2 möglich ist.
Die Figuren 12 bis 16 zeigen anhand schematischer
Querschnitte eine Verfahrensvariante, bei der beim Vereinzeln der einzelnen Packages durch Sägen und Setzen eines erneuten Einschnitts mit geringerer Spurbreite eine Beschichtung der Seitenwände des Packages erhalten werden kann.
Figur 12 zeigt ausschnittsweise und schematisch einen
Waferverbund aus einem MEMS-Wafer MW und einem Basis-Wafer BW, an dem das Verfahren ausschnittsweise für eine Trennlinie erläutert werden soll.
Figur 13 zeigt den Waferverbund nach dem Setzen erster
Einschnitte ESI, die von der Rückseite des MEMS-Wafers bis hin zur Oberfläche des Basis-Wafers BW zwischen zwei MEMS Chips geführt werden. Die MEMS-Chips MC werden dabei
vereinzelt, während die Basischips BC noch im Verbund des Basis-Wafers BW stabilisiert sind. Figur 14 zeigt die Anordnung, nachdem die ersten Einschnitte ESI mit einer Polymerfüllung PFM gefüllt sind. Diese
Beschichtungsmasse kann ein elektrisch isolierendes Polymer sein oder auch eine elektrisch leitfähige Masse, beispiels¬ weise ein elektrisch leitfähig eingestelltes Polymer.
Nach dem Aushärten der Polymerfüllung PFM wird erneut ein Einschnitt ESI λ in den ersten Einschnitt ESI geführt, jedoch mit geringerer Spurbreite und zentriert zu dem ersten
Einschnitt ESI, sodass beidseitig die Schnittkanten mit einer Seitenflächenbeschichtung SFB versehen bleiben, wie in Figur 15 dargestellt.
Im letzten Schritt wird auch der Basis-Wafer BW mittels einer Auftrennungsmethode vereinzelt. Die Auftrennung des Basis- Wafers BW in die einzelnen Basis-Chips BC und gleichzeitig in die einzelnen Packages bzw. Bauelemente erfolgt dabei entlang der gleichen Trennlinien wie die ersten Einschnitte ESI und die weiteren ersten Einschnitts ES λ im MEMS-Wafer MW.
Figur 16 zeigt als Ergebnis vereinzelte Packages, bei denen die Seitenwände des MEMS-Chips mit einer Seitenflächen- beschichtung SFB versehen sind. Da die Trennlinien jeweils um den gesamten Chip herum geführt sind, sind sämtliche
Seitenflächen mit der Seitenflächenbeschichtung SFB versehen. Die Seitenflächenbeschichtung kann so aufgebracht sein, dass sie bündig mit dem Basis-Chip BC abschließt.
In weiteren Schritten kann nun eine Abschirmung SD
aufgebracht werden, beispielsweise eine Metallisierung. Ist die Seitenflächenbeschichtung elektrisch leitend eingestellt, so genügt eine anisotrope Beschichtung. Ist die Seitenfläche elektrisch isolierend eingestellt, so wird ein isotropes
Abscheidungsverfahren gewählt, beispielsweise ein Sputter- prozess, gefolgt von einer galvanischen oder stromlosen
Metallabscheidung . Gemäß einer weiteren Verfahrensvariante, die in den Figuren 17 bis 21 anhand schematischer Querschnitte dargestellt ist, gelingt eine Seitenflächenbeschichtung für das gesamte
Package. Der Waferverbund aus Figur 17 wird dabei mit der
Unterseite auf eine Sägefolie aufgeklebt und in die einzelnen Bauelemente aufgetrennt, wobei die Einschnitte durch MEMS- Wafer MW und Basis-Wafer BW hindurch geführt werden. Die Einschnitte werden anschließend mit einer Polymerfüllung PF befüllt, die wiederum elektrisch leitend oder elektrisch isolierend eingestellt sein kann. Weitere Einschnitte werden mit geringerer Schnittbreite und zentriert zu den bestehenden Einschnitten bzw. zur Polymerfüllung geführt. Es werden wie in Figur 20 dargestellt Packages erhalten, deren Seiten- flächen vollständig mit der Seitenflächenbeschichtung SFB bedeckt sind. Auch die so vereinzelten Packages mit den MEMS- Mikrofonen können nun auf den nach außen weisenden
Oberflächen, d. h. auf allen Flächen außer der Unterseite, mit einer weiteren schirmenden Beschichtung, also einer
Abschirmung SD versehen werden. Diese kann wie beschrieben mittels einer geeigneten Metallisierung erzeugt werden.
Die Einschnitte oder Durchschnitte können dann mit einer fest vorgegebenen Einschnitttiefe oder mit einer Endpunkterkennung durchgeführt werden. Für eine teilweise Durchtrennung des
Waferverbunds , bei dem der Schnitt nur durch den MEMS-Wafer geführt wird, ist ein teilweises Anschneiden des Basis-Wafers ohne Probleme möglich und sogar bevorzugt. Die mit einer Polymerfüllung PFA (in den Figuren 17 - 21 nicht extra dargestellt, siehe dafür z.B. Figur 9) gefüllte Schallöffnung im Basis-Wafer BW kann unmittelbar vor dem Sägeschritt geöffnet werden. Sofern vorhanden, können bei dem Schritt auch die zweiten Einschnitte im Basis-Wafer von der Polymerfüllung befreit werden. Zum Vereinzeln werden die Verbundwafer mit dem Basis-Wafer nach unten auf eine
Sägefolie geklebt, die für einen sicheren Halt der dann vereinzelten Bauelemente sorgt und gleichzeitig die
Schallöffnung von unten temporär verschließt.
Nach dem Einbringen der Einschnitte, die durch den MEMS-Wafer oder durch MEMS-Wafer und Basis-Wafer hindurch geführt werden, wie in Figur 20 darrgestellt, kann die Metallisierung für die Abschirmung aufgebracht werden, während die einzelnen Bauelemente noch auf der Sägefolie aufgeklebt sind. Beim vollständigen Durchtrennen des Waferverbunds kann zur
Erleichterung des Aufbringens der Metallisierung die Folie auch in der Aufbringebene gestretcht werden, wodurch sich die Abstände zwischen den einzelnen Bauelementen erhöhen und ein leichteres Aufbringen der Metallisierung auf die
Seitenflächen möglich ist. Figur 21 zeigt ausschnittsweise zwei MEMS Chips MC1,MC2 mit an sämtlichen Seitenflächen aufgebrachter Metallisierung, die als Abschirmung SD dient.
Die Anschlusskontakte AK auf der Unterseite des Basis-Wafers werden unmittelbar nach dem Abschleifen aufgebracht. Zur
Metallisierung eignet sich eine Grundschicht, beispielsweise eine gesputterte Titan/Kupfer-Leitschicht, die gegebenenfalls noch aus der Lösung durch Abscheidung verstärkt werden kann. Die Strukturierung der Kontaktflächen erfolgt wie
beschrieben, wobei die Kontaktflächen direkt auf der
Unterseite des Basis-Wafers bzw. des einzelnen Basis-Chips aufgebracht werden können, vorzugsweise jedoch mittels einer Umverdrahtungsebene oberhalb einer Isolationsschicht, die eine beliebige Positionierung der Kontaktflächen relativ zu den Durchkontaktierungen ermöglicht.
Die Erfindung ist nicht auf die in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt. So ist die Erfindung sowohl für MEMS-Mikrofone auf der Basis von mikrostrukturierten Siliziumkondensatoren, als auch auf der Basis anderer MEMS- Techniken einsetzbar. Der ASIC dient zur Steuerung der
Mikrofonfunktionen, mithin zur Spannungsversorgung des
Mikrofons, zur Detektion und Verstärkung des Mikrofonsignals zur Adaption des Mikrofons an einen gegebenen Schalldruck oder zur Einstellung von verschiedenen Mikrofon- Betriebsverfahren, die sich durch unterschiedliche
Empfindlichkeiten, unterschiedlich starke Dämpfung oder die Breite des erfassten Frequenzspektrums unterscheiden können. Der ASIC kann weiterhin eine variierbare BIAS-Spannung zwischen Membran und Festelektrode erzeugen. Der ASIC kann außerdem eine Überbelastung der Membran detektieren, um zu starke Auslenkung bis zur Festelektrode und eine dabei mögliche Beschädigung des Mikrofons zu vermeiden. Die
Funktionsvielfalt des ASIC und damit des Mikrofons ist jedoch nicht auf diese Beispiele beschränkt.
Das Mikrofon im erfindungsgemäßen Package kann mit der
Unterseite des ASIC in eine beliebige Schaltungsumgebung eingebunden werden. Ist das Schallloch durch den ASIC bzw. den Basis-Chip geführt, so wird das Mikrofon-Package
vorteilhaft auf einem Schaltungsträger mit einer weiteren
Schallöffnung montiert, um einen Schallzutritt von unten zu ermöglichen. Ist die Schallöffnung durch den MEMS-Chip geführt, so erübrigt sich das Vorsehen von Schallöffnungen im
Leitungs- und Schaltungsträger. Im MEMS-Wafer und dementsprechend im Basis-Wafer sind die Mikrofone und die dazugehörigen ASICs in einem vorzugsweise quadratischen Raster angeordnet. Dabei ist es nicht
erforderlich, dass Mikrofonchips oder die ASICs selbst zentriert in dem jeweiligen Rasterfeld für ein einzelnes Package angeordnet sind. Die Verbindungskontaktflächen auf der Oberseite eines jeden Basis-Chips sowie die MEMS-Kontakte auf der Unterseite der MEMS-Chips sind passgenau und einander entsprechend strukturiert. Dabei können die Verbindungs¬ kontaktflächen auf der Oberseite des Basis-Wafers mit einer größeren Strukturbreite ausgeführt sein als die
entsprechenden MEMS-Kontakte, um eine Justierungstoleranz für das Aufsetzen des MEMS-Wafers bereitzustellen. Auch zum
Setzen der Einschnitte, insbesondere der ersten und zweiten Einschnitte, kann eine Toleranz vorgesehen werden, die zwar zu einer Vergrößerung des Bauelements, dafür aber zu einer höheren Ausbeute beim Herstellungsverfahren führt.
Bezugzeichenliste
BW Basiswafer mit
BC Basischips, jeweils umfassend einen
AS ASIC, und ggfs. eine
KMA ASIC Einbettung, Kunststoffmatrix an zumindest einer
Seite des ASIC
SOK Schallöffnung durch Kunststoffeinbettung KMA oder
KMM
SOA Schallöffnung in Basischip (in ASIC oder Einbettung)
SR Metallisierungsring auf Unterseite Basischip um
Schallöffnung SOA
DK Durchkontaktierung durch Basischip (ASIC oder
Einbettung)
AK Anschlusskontakte, auf Anschlussseite des Basischip
KM Kontaktmittel, insb. Bump auf Unterseite Basischip
VF Verbindungskontaktflächen, auf Oberseite Basischip
KF Kontaktflächen auf Oberseite Basischip
SFB Beschichtung auf Seitenflächen
MW MEMS Wafer mit
MC MEMS Chips, jeweils umfassend ein
MM MEMS Mikrofon und ggfs. eine
KMM MEMS Einbettung, = Kunststoffmatrix an zumindest
einer Seite des MEMS Mikrofons
MB Membran
FE Festelektrode
BV Rückvolumen
L Obere Abdeckung über Rückvolumen
VM Elektrisches Verbindungsmittel, zwischen MEMS und
ASIC
ISO Passivierung, erzeugt durch reaktives Plasma unter
SD Abschirmung
SOM MEMS integrierte Schallöffnung durch MEMS Chip ESI Erste Einschnitte in Rückseite MEMS Wafer entlang von
ES2 Zweite Einschnitte, im Basischip
ES3 dritte Einschnitte, zentriert geführt in
wiederbefüllten ersten Einschnitten ESI PFM Polymerfüllung im MEMS Chip
PFA Polymerfüllung im Basischip

Claims

Package für ein MEMS Mikrofon
- mit einem Basischip (BC) , der einen ASIC (AS) umfasst
- mit einem auf dem Basischip montierten MEMS Chip (MC) , umfassend ein MEMS Mikrofon (MM)
- bei dem der ASIC (AS) und das MEMS Mikrofon (MM)
unterschiedlich große Grundflächen aufweisen,
- bei dem der kleinere aus ASIC und MEMS Mikrofon in eine Kunststoffeinbettung (KMM, A) eingebettet ist, mit deren Hilfe die die Grundfläche bestimmenden Außenabmessungen des kleineren Bauteils derjenigen des größeren Bauteils angepasst sind, wobei die Kunststoffeinbettung (KM) bündig mit der Oberseite von eingebettetem ASIC (AS) oder MEMS Mikrofon (MM) abschließt und die genannte Oberseite von Basischip oder die Unterseite von MEMS Chip, auf der sich elektrische Kontaktflächen befinden, unbedeckt lässt
- mit einem Dichtrahmen zwischen Basischip und MEMS Chip, der einer Außenkante eines der beiden Chips folgt
- mit zumindest zwei elektrischen Verbindungen zwischen MEMS Mikrofon und ASIC
- mit zumindest zwei Durchkontaktierungen (DK) durch den Basischip (BC) , die jeweils eine elektrische MEMS
Kontaktfläche (KF) und/oder eine
Verbindungskontaktfläche (VF) des Basischips (BC) mit einem Anschlusskontakt (AK) auf einer nach außen weisenden Anschlussseite des Basischips verbinden
- mit einer Schallöffnung (SO) durch Basischip oder MEMS Chip
- mit einer metallischen Abschirmung (SD) , die zumindest die nach oben und vom Basischip weg weisende Oberfläche des Packages und die Seitenflächen zumindest des MEMS Chips bedeckt.
Package nach Anspruch 1,
bei dem die Außenkanten von MEMS Chip (MC) und Basischip (BC) fluchten.
Package nach einem der vorangehenden Ansprüche,
bei dem die Schallöffnungen (SOA) durch den Basischip 8bc9 hindurch geführt sind.
Package nach einem der vorangehenden Ansprüche,
bei dem die elektrische Verbindung zwischen MEMS Mikrofon (MM) und Basischip (BC) über elektrisch leitfähigen Kleber oder über Cu-Pillars erfolgt.
Package nach einem der vorangehenden Ansprüche,
bei dem der Dichtrahmen aus Polymer oder Metall besteht.
Verfahren zur Herstellung eines Package für ein MEMS
Mikrofon mit den Schritten:
a) Bereitstellen und Vorbereiten eines Basiswafers (BW) , der eine Vielzahl von Basischips (BC) umfasst, al) Vorbereiten oder Herstellen von
Durchkontaktierungen (DK) durch jeden Basischip (BC) im Basiswafer (BW)
a2) Erzeugen eines Sacklochs für eine Schallöffnung (SO) in der Oberseite eines jeden Basischips (BC) auf dem Basiswafer (BW)
a3) Verschließen der Schallöffnungen (SO) mit einem Polymer (PFA)
a4) Herstellen von elektrischen Verbindungsflächen auf der Oberseite jedes Basischips (BC) , b) Bereitstellen und Vorbereiten eines MEMS Wafers (MW) , der eine Vielzahl von MEMS Chips (MC) umfasst, c) gegenseitiges Ausrichten des MEMS Wafers und des
Basiswafers so, dass jedem MEMS Chip ein Basischip mit einem ASIC (AS) zugeordnet ist und einander entsprechende Kontaktflächen (KF,VF) der beiden Wafer gegenseitig ausgerichtet und einander zugewandt sind, d) miteinander Verbinden von Basiswafer und MEMS Wafer durch Bonden, wobei auf unterschiedlichen Wafern angeordnete elektrisch einander zugeordnete
Kontaktflächen (KF,VF) elektrisch verbunden werden und parallel dazu ein aktive Bauelementstrukturen des MEMS Chips umschließender Dichtrahmen zwischen jedem Basischip und dem zugeordneten MEMS Chip vorgesehen und mit Oberflächen der beiden Chips abdichtend verbunden wird,
e) Herstellen von ersten Einschnitten (ESI) im MEMS
Wafer (MW) von der Rückseite her entlang von
Trennlinien zwischen den einzelnen MEMS Chips (MC) zumindest durch den MEMS Wafer hindurch,
f) Metallisieren des Verbunds aus MEMS Wafer und
Basiswafer von der Rückseite des MEMS Wafers her so, dass die Rückseite der MEMS Chips (MC) und die in den ersten Einschnitten (ESI) freigelegten Seitenflächen der MEMS Chip und gegebenenfalls Teile der ebenfalls freigelegten Seitenflächen der ASIS Chips von der Metallisierung bedeckt sind,
g) Herstellen von Anschlusskontakten (AK) auf der
Unterseite der Basischips (BC) .
7. Verfahren nach Anspruch 6,
bei dem der Schritt a) weiter umfasst: a5) Aufbringen von Verbindungsmitteln (VM) und/oder eines Dichtrahmens auf die Oberseite eines jeden Basischips. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7,
bei dem der Schritt a) weiter umfasst
a6) Bohren von Sacklöchern für Durchkontaktierungen (DK) in der Oberseite der Basischips (BC) und Befüllen derselben mit einem elektrisch leitfähigen Material a7) Erzeugen von zweiten Einschnitten (ES2) in der
Oberseite des Basiswafers (BW) entlang von Trennlinien zwischen den einzelnen Basischips (BC) , wobei die
Einschnitte bis zur gleichen Tiefe wie die Sacklöcher für die Durchkontaktierungen (DK) und die
Schallöffnungen (SO) geführt werden
a8) Auffüllen der der zweiten Einschnitte und der
Sacklöcher mit einem Polymer (PFA)
wobei Schritt d) weiter umfasst:
dl) Abschleifen oder Dünnen des Basiswafers (BW) von der Unterseite her bis die Sacklöcher für die
Schallöffnungen und Durchkontaktierungen und die zweiten Einschnitte von unten her geöffnet sind
wobei Schritt e) weiter umfasst:
el) Erzeugen der ersten Einschnitte (ESI) durch den gesamten MEMS Wafer (MW) hindurch bis in die zweiten Einschnitte (ES2) in der Oberseite der Basiswafers (BW) hinein .
Verfahren nach einem der Ansprüche 6-8,
bei dem in Verfahrensschritt f) eine Abschirmung (SD) hergestellt wird durch
fl) Abscheiden einer Grundmetallisierung aus der
Gasphase f2) Verstärken der Grundmetallisierung durch galvanische oder stromlose Abscheidung eines Metalles aus einer Lösung . 10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6-9,
bei dem vor Verfahrensschritt d) Verbindungsmittel
und/oder Dichtrahmen auf der Oberseite von Basiswafer (BW) oder MEMS Wafer (MW) aufgebracht werden, wobei die
Verbindungsmittel leitfähigen Kleber, isotrop leitfähigen Kleber, Cu-Pillars oder Bumps, und der Dichtrahmen ein
Metall oder Polymer umfassen, wobei der Kleber und/oder das Polymer aufgedruckt werden, wobei die Cu-Pillars und/oder der metallische Dichtrahmen durch strukturiertes Aufbringen eines Metalls erzeugt wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 6-10,
bei dem nach Schritt e) die ersten Einschnitte (ESI) mit einem elektrisch leitenden Polymer (PFM) gefüllt werden und anschließend dritte Einschnitte (ES3) mit geringerer Breite so in den gefüllten ersten Einschnitten (ESI) erzeugt werden, dass die Seitenwände der dritten
Einschnitte von dem elektrisch leitenden Polymer bedeckt sind . 12. Verfahren nach einem der Ansprüche 6-11,
bei dem nach dem Erzeugen der ersten Einschnitte (ESI) darin freigelegte Siliziumoberflächen mittels eines reaktiven Piamas passiviert werden. 13. Verfahren nach Anspruch 6,
bei dem der in Verfahrensschritt d) erzeugte Verbund aus MEMS Wafer (MW) und Basiswafer (BW) mit der
Basiswaferseite auf eine Sägefolie geklebt wird und anschließend in Schritt e) die ersten Einschnitte (ESI) bis zur Sägefolie geführt werden.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 6-13,
bei dem in Schritt g) auf der Unterseite des Basiswafers (BW) eine Umverdrahtung erzeugt wird, indem eine erste Isolationsschicht erzeugt und strukturiert wird und dann darüber eine leitfähige Schicht erzeugt und strukturiert wird .
15. Verfahren nach Anspruch 14,
bei dem die Strukturierung der leitfähigen Schicht so erfolgt, dass ein Raster von Anschlusskontakten entsteht, über denen dann ein Ball Grid Array von Bumps erezugt wird .
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