WO2017108306A1 - Mems bauelement - Google Patents

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WO2017108306A1
WO2017108306A1 PCT/EP2016/078443 EP2016078443W WO2017108306A1 WO 2017108306 A1 WO2017108306 A1 WO 2017108306A1 EP 2016078443 W EP2016078443 W EP 2016078443W WO 2017108306 A1 WO2017108306 A1 WO 2017108306A1
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WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
layer
mems
frame
polymer layer
mems chip
Prior art date
Application number
PCT/EP2016/078443
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Christian Bauer
Hans Krüger
Jürgen PORTMANN
Alois Stelzl
Original Assignee
Snaptrack, Inc.
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Filing date
Publication date
Application filed by Snaptrack, Inc. filed Critical Snaptrack, Inc.
Publication of WO2017108306A1 publication Critical patent/WO2017108306A1/de

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B7/00—Microstructural systems; Auxiliary parts of microstructural devices or systems
    • B81B7/0032—Packages or encapsulation
    • B81B7/0045—Packages or encapsulation for reducing stress inside of the package structure
    • B81B7/0048—Packages or encapsulation for reducing stress inside of the package structure between the MEMS die and the substrate
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81C—PROCESSES OR APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OR TREATMENT OF MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS
    • B81C2203/00—Forming microstructural systems
    • B81C2203/01—Packaging MEMS
    • B81C2203/0136—Growing or depositing of a covering layer

Definitions

  • DESCRIPTION MEMS component DE 10 2010 056431 B4 discloses a MEMS component in which a frame is arranged on a substrate, on which a MEMS chip is seated. With a metallic sealing layer surrounding the frame, substrate and chip, the enclosed volume is hermetically sealed.
  • the polymer layer can be structured and, for example, a
  • the metal layer comprises copper and terminates at least a portion of its circumference or in its entirety with the frame.
  • the frame is preferably planar, so that the MEMS chip can rest with only a small gap.
  • the polymer layer may have a thickness of 2 to 15 microns. Preferably, it has a thickness of 2 to 10 microns.
  • the MEMS chip can be mounted on the carrier by means of bumps.
  • Too thick a polymer layer can be at
  • the relatively rigid MEMS chip bending less than the carrier comprising a ceramic, since the chip is mounted in a flexible polymer matrix. This would lead to a more or less strong deformation of the outer bumps, which has a negative effect on the number of achievable thermal cycles before it comes to Bumpriss or failure of the device.
  • the polymer layer is chosen to be sufficiently thin, bending of the chip is forced in synchrony with the bending of the ceramic during a thermal cycle. In this way, the number of achievable thermocycles and at the same time the lifetime of the MEMS device increases.
  • a polymer layer is a
  • thermoplastic or at least
  • thermally softening partial film guarantees that it can be applied easily and in conformity with the surface. It can also bring the viscoelastic properties. With a thermoset sublayer sufficient thermomechanical stability can be generated in the laminate film.
  • a laminate film formed for example, as a polyimide film (e.g., a TSA film) as a polymer layer having a thickness of 2-5ym, it is possible to obtain an optimum
  • the metal layer is formed in a multilayer embodiment of several sub-layers in one embodiment. It can be a top layer of a structured black-nickel layer
  • sub-layer e.g. consists of nickel or copper, forms.
  • the directly underlying sub-layer e.g. consists of nickel or copper, forms.
  • the polymer layer has a strip-shaped recess which is annularly closed around the MEMS chip above the frame. In the entire recess, the surface of the frame is exposed in at least one narrow strip. This way you can
  • the polymer layer is applied by means of a layer deposition process.
  • a layer deposition process This can be a plasma process, a spray process or a jet process.
  • a Plasmadust method for applying the polymer layer can be used.
  • the polymer layer is formed by a plasma-assisted deposition process at low substrate temperatures ( ⁇ 100 ° C).
  • the polymer may be sprayed or jetted onto the backside of the MEMS chip, frame and carrier with suitable nozzles.
  • the process can also be electrostatically assisted.
  • the polymer can also be sprayed on in solution or as a suspension of polymer particles. It is also possible, the polymer by spraying or Aufjetten in molten form or by casting in particular
  • curtain coating can be applied.
  • the MEMS chip as a base material quartz, lithium tantalate, lithium niobate or similar substances and carries component structures on the base material, for
  • Example transducer for acoustic surface or bulk waves The base material of the MEMS chip is then a piezo-electric material ⁇ and the component structures comprise electro-acoustic transducers via conductor tracks
  • the MEMS chip can also comprise another micromechanically structurable material, such as silicon.
  • the metallic frame on the support consists of or comprises copper and is preferably made of copper, nickel, silver or a sequence of these metals and connected in a gastight manner to the ceramic support.
  • the MEMS chip rests on the metallic frame.
  • the metallic frame has a planar surface, for example by means of
  • Diamond milling can be generated. This has the advantage that, for example, a bump connections on the
  • Frame is then adjusted to frame heights, bump connection heights and adjusted accordingly
  • the metal layer is selected to include the metal frame and the carrier with the MEMS chip so as to hermetically seal the volume enclosed by the carrier, the MEMS chip, and the metallic frame
  • the behavior of the device in thermal cycling is enhanced by using a corresponding carrier such as HTCC or LTCC. Furthermore, it is possible with the invention to realize a device with unchanged functions and in particular unchanged filter functions in a reduced size. Because the number of required process steps is low, more components per panel can be achieved with the same functionality, or larger MEMS chips can be realized with the same panel occupancy.
  • the thickness of the metal layer can be selected within wide ranges, in particular between 10 and 40 ⁇ m, and thus the metal layer can be assigned further functions.
  • the metal layer when used in mobile communications, the metal layer also takes on shielding properties. With a suitable layer thickness, high-frequency electromagnetic radiation from the component or the component itself can be shielded from external radiation.
  • the metal layer is electrically conductive. When connected to a ground terminal of the device, for example, excess charges such as typically occur on the MEMS chip can be dissipated.
  • the distance between the frame and the MEMS chip is nearly zero. This is achieved with
  • Expansion coefficient of the material of the bump connection is greater than that of the frame material.
  • the bump connection has a coefficient of thermal expansion that is greater than a thermal expansion coefficient of the metallic frame.
  • the MEMS chip is pressed by pressurizing the metallic frame.
  • the MEMS chip is a micro-electro-mechanical system, a micro-electro-optical system or a micro-electro-opto-mechanical system (MEOMS).
  • the metal layer can be exactly one or more
  • Possible starting materials include metal particles, in particular
  • metallic nano- or microparticles a metal foil or a metal alloy.
  • Suitable metals include silver, gold, copper, and tin, but this selection is not
  • the metal layer is preferably made in at least two stages.
  • a base metallization can be sputtered, vapor-deposited, applied by means of CVD processes or be jetted in the form of metallic particles.
  • Base metallization can be galvanically reinforced.
  • Other partial layers can be electrical or magnetic
  • a passivating metal such as nickel may be provided for an upper sub-layer or preferably for the uppermost sub-layer.
  • the metal layer or individual partial layers of the metal layer are the metal layer or individual partial layers of the metal layer.
  • Metal layer can also be applied initially as a film and then melted. But the metal layer or individual sub-layers can also by applying a
  • FIG. 1 shows a plan view of a large-area carrier with slots for a plurality of MEMS chips
  • FIG. 2 shows, in a schematic cross-section, a carrier and a MEMS chip immediately prior to its mounting
  • FIG. 3 shows, in a schematic cross-section, the arrangement of FIG. 2 after mounting by bumping or soldering connections
  • FIG. 4 shows the arrangement in FIG. 3 after the application of a polymer layer
  • FIG. 5 shows the arrangement of FIG. 4 after the production of recesses
  • Figure 6 shows the arrangement after the application of a
  • Figure 7 shows a detail of a layer sequence of Figure 6.
  • For the preparation of the device is preferably from
  • these panels serving as carriers TR typically have between 1000 and 4000 bays EP for chips, here in the example MEMS chips.
  • drawn virtual parting lines TL show the boundaries of the different bays EP or the boundaries the later individual components.
  • surface contact surfaces KF are provided on each slot, which are designed either as a solderable contacts or the upper end of a feedthrough
  • Each slot EP on the support panel TR is surrounded by a frame, for example, a 55 ym high, 150 ym wide and planely milled on the surface copper frame.
  • the frame can be produced by conventional metallization processes, in particular in two stages, by producing a patterned base metallization in a first step and by galvanic reinforcement in a second step.
  • each slot is assigned a record containing accurate geometric data common to each slot
  • FIG. 2 shows a detail of a carrier TR for only one later component, even if the carrier TR is actually still part of the large-area carrier panel during the assembly and encapsulation process. Also on a representation of the exact layer structure of the preferably multilayer carrier TR is here the clarity half omitted. An exact layer structure will be explained in more detail later with reference to FIG.
  • Each MEMS chip MC points to its
  • Main surface component structures BES which in Figure 2 exemplified in the form of metallizations for working with acoustic waves components such. Frequency filters are indicated.
  • the component structures BES are via lines (not shown in the figure) with
  • connection contacts AK connected.
  • the connection contacts AK are provided with bumps BU, for example, via a
  • Solder paste process are printed and remelted.
  • One MEMS chip MC will now face downwards
  • Touchdown is therefore the lower edge of the MEMS chip MC or the main surface of the MEMS chip MC with a small vertical distance over the frame and therefore can not yet rest on this.
  • a reflow soldering is subsequently carried out in which the bump collapses and wets the solder with connection contacts and contact surfaces.
  • the MEMS chip is pulled in the direction of the carrier TR, so that the main surface of the MEMS chip MC comes to rest with an edge region all around on the planar surface of the frame R.
  • the frame R protrudes the MEMS chip circumferentially with a portion of its width under the MEMS chip MC.
  • FIG. 3 shows the arrangement in this process stage.
  • a polymer layer PF is now applied to the surface of the arrangement
  • a method which is edge-covering, so that a polymer layer PF which conforms to all surfaces facing upwards and outwards can be produced.
  • a laminate film is in edge to form the polymer layer and surfaces PF ⁇ compliant laminated.
  • This laminate film is, for example, a two-layered film in which the downwardly facing partial layer thermally softens and at least becomes tacky.
  • the lamination can be assisted by a pressure applied from the top to the laminate film and by raising the temperature.
  • the lamination of the laminate film can be assisted by creating a negative pressure between the film and the surface to be coated.
  • the thickness of the polymer layer PF is crucial for how different expansion forces and real
  • Top of the frame R removed, preferably in the form of a strip following the entire circumference of the frame.
  • laser ablation e.g. with a UV laser can such a
  • Recess AN is required to provide metal-to-metal contact throughout the perimeter around the MEMS chip MC between a later-applied metal layer and the frame R and to allow hermetic closure of the MEMS chip.
  • FIG. 5 shows the arrangement with a generated recess AN.
  • FIG. 6 shows the arrangement with a metal layer MS applied over the polymer layer PF, which is located in the area of the
  • Recesses AN with the surface of the frame R comes into contact all around.
  • FIG. 6 shows by way of example how an interconnection can be formed within the carrier TR.
  • the carrier TR has at least one inner one
  • Terminal surfaces are structured. An electrical contact from the surface of one sub-layer to the next
  • Metallization level ME or to the surface of the adjacent sub-layer and finally to the underside of the carrier TR via via holes DK.
  • Several contacts can be interconnected via the structured metallization level.
  • solderable external contacts LA are preferably applied "over" the through-contacts there opening, so-called connection pads.
  • saw cuts are made for separating the individual component chips.
  • Polymer layer PF can be single-layered or multi-layered and has the already specified low layer thickness.
  • a base metallization GM is initially applied directly to the polymer layer PF, for example by sputtering. However, it is also possible to otherwise apply the base metallization GM, for example to evaporate it or to spray it in the form of fine metal particles.
  • the base metallization GM may include titanium and or copper.
  • a passivation layer PS is applied over the galvanic layer GS, for example a thin nickel layer. Again, this can be done galvanically or de-energized.
  • Passivitations Mrs PS still a structured contrast ⁇ layer applied KS, for example, a black-nickel layer.
  • KS for example, a black-nickel layer.
  • This can be applied in the same metallization as the sub-layer PS of nickel, so that the production differs only by changing the deposition conditions.
  • the contrast layer KS can be subsequently structured so as to produce characters, images, symbols or other markings over the passivation layer.
  • the black-nickel layer of the contrast layer KS results in a good optical contrast to
  • Passivation layer PS made of shiny nickel.
  • Structuring can be done with a laser, with the parts of the contrast layer KS can be lifted. With the finished component are used for testing purposes
  • the device is on electrical functionality and on
  • the optimum layer thickness of the polymer layer PF may, of course, differ from the values given, depending on the size of the component, but is always in the range below 15 ⁇ m and preferably in the range between 2 and 5 ⁇ m. The application of the polymer layer PF therefore takes place
  • the MEMS chips MC can also have a plurality of component functions, for example as 2 in 1 or 3 in 1 filters.
  • the material used for the polymer layer PF may be any desired viscoelastic material or even a layer sequence of polymer materials, of which at least one
  • Partial layer has viscoelastic properties.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Micromachines (AREA)

Abstract

Es wird ein auf einem keramischen Träger montiertes MEMS-Bauelement angegeben. Die Bauelementstrukturen des MEMS-Chips weisen zum keramischen Träger hin und sind hermetisch in einem Hohlraum angeordnet, der durch die Oberfläche des Trägers, eine die Bauelementstrukturen umgebenden Rahmen und den MEMS-Chip MC selbst gebildet wird. Abgedichtet ist der Hohlraum durch eine Polymerschicht, die gleichzeitig eine Polymermatrix für den MEMS-Chip darstellt. Überhalb der Polymerschicht ist eine Metallschicht aufgebracht, die umlaufenden Seite des Rahmens und darüber hinaus mit dem Träger abschließen.

Description

Beschreibung MEMS Bauelement Aus der DE 10 2010 056431 B4 ist ein MEMS Bauelement bekannt, bei dem auf einem Substrat Rahmen angeordnet ist, auf dem ein MEMS Chip aufsitzt. Mit einer metallischen Verschlussschicht, die den Rahmen, das Substrat und den Chip so umschließt, wird das so umschlossene Volumen hermetisch abgedichtet.
Es hat sich jedoch gezeigt, dass ein derartiges Bauelement bei thermischer Belastung insbesondere durch Verbiegen des Substrat starken Stress auf den MEMS Chip und insbesondere auf dessen als Bumps ausgeführten Lötverbindungen zum
Substrat ausübt. Die in Testreihen ermittelte Anzahl der Thermozyklen, die zum Ausfall des Bauelements oder dessen Funktionen führen können, liegt zum Teil unter den für das Bauelement gewünschten Spezifikationen. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein MEMS
Bauelement anzugeben, mit dem der auf das Bauelement wirkende thermomechanische Stress reduziert und so die so die Zahl der erreichbaren Thermozyklen erhöht werden kann. Diese Aufgabe wird durch ein Bauelement nach dem unabhängigen Anspruch 1 sowie durch ein Verfahren zur Herstellung gemäß einem weiteren unabhängigen Anspruch gelöst.
Gegenüber dem aus der DE 10 2010 056431 B4 bekannten
Bauelement ist nun zwischen der nach oben weisende Rückseite des MEMS Chips und der Metallschicht eine dünne
viskoelastische Polymerschicht vorgesehen. Diese deckt die Rückseite und alle Seitenkanten des MEMS Chips ab und schließt über den gesamten Umfang mit dem Rahmen ab. Die Polymerschicht kann strukturiert sein und z.B. einen
elektrisch Anschluss des Rahmens von oben her ermöglichen, Die Metallschicht umfasst Kupfer und schließt zumindest ei Abschnitt dessen Umfangs oder im gesamten Umfang mit dem Rahmen ab .
Der Rahmen ist vorzugsweise plan ausgebildet, so dass der MEMS Chip mit nur geringem Spalt aufliegen kann.
Die Polymerschicht kann eine Dicke von 2 bis 15ym aufweisen Vorzugsweise weist sie eine Dicke von 2 bis 10ym auf.
Der MEMS Chip kann mittels Bumps auf dem Träger montiert sein.
Bei einer zu dicken Polymerschicht kann sich bei
Temperaturbelastung der relativ steife MEMS Chip weniger verbiegen als der eine Keramik umfassende Träger, da der Chip in einer flexiblen Polymermatrix gelagert ist. Dies würde dazu führen, dass eine mehr oder minder starke Deformation der außen liegenden Bumps auftritt, was sich negativ auf die Anzahl der erreichbaren Thermozyklen auswirkt, bevor es zum Bumpriss bzw. bis zum Ausfall des Bauelements kommt. Wird die Polymerschicht dagegen ausreichend dünn gewählt, wird bei einem Thermozyklus eine Verbiegung des Chips synchron zur Verbiegung der Keramik erzwungen. Auf diese Weise erhöht sich die Zahl der erzielbaren Thermozyklen und parallel dazu auch die Lebensdauer des MEMS Bauelements.
In einer Ausführungsform ist als Polymerschicht eine
Laminatfolie aufgebracht. Eine solche kann in ihren
Eigenschaften optimiert werden, wenn sie mehrschichtig ausgeführt ist. Eine thermoplastische oder zumindest
thermisch erweichende Teilfolie garantiert, dass sie leicht und oberflächenkonform aufgebracht werden kann. Sie kann auch die viskoelastischen Eigenschaften mitbringen. Mit einer duroplastischen Teilschicht kann ausreichend thermo- mechanische Stabilität in der Laminatfolie erzeugt werden.
Mit einer solchen beispielsweise als Polyimid-Folie (z.B. eine TSA Folie) ausgebildeten Laminatfolie als Polymerschicht mit einer Dicke von 2-5ym gelingt es, ein optimales
Gleichgewicht im Verzug von Träger und MEMS Chip zu schaffen.
Die Metallschicht ist in einer Ausführungsform mehrschichtig aus mehreren Teilschichten ausgebildet. Sie kann als oberste Teilschicht eine strukturierte Schwarz-Nickelschicht
umfassen, die einen optischen Kontrast zur direkt darunter liegenden Teilschicht, die z.B. aus Nickel oder Kupfer besteht, ausbildet. Durch die Strukturierung der obersten Teilschicht gelingt es dann, ein Schriftzeichen oder eine Markierung zu realisieren. Die Struktur hebt sich dann mit Kontrast gegen freistrukturierte Bereiche der darunter liegenden Teilschicht ab.
In einer weiteren Ausführungsform weist die Polymerschicht über dem Rahmen eine um den MEMS Chip herum ringförmig geschlossene streifenförmige Ausnehmung auf. In der gesamten Ausnehmung ist die Oberfläche des Rahmens in zumindest einem schmalen Streifen freigelegt. Auf diese Weise kann
gewährleistet werden, dass die Metallschicht im gesamten Umfang des Rahmen mit diesem abschließt. Dadurch kann eine Metall-Metallbindung erzeugt werden, die einen hermetischen Verschluss des Hohlraums bewirkt, der zwischen Metallschicht, Rahmen und Träger eingeschlossen ist. In diesem Hohlraum können vorteilhaft auch Bauelementstrukturen des MEMS Chips angeordnet und geschützt sein.
In einer alternativen Ausführungsform ist die Polymerschicht mittels eines Schichtabscheidungsprozesses aufgebracht. Dies kann ein Plasmaprozess , ein Sprühprozess oder ein Jetprozess sein. Beispielsweise kann ein Plasmadust-Verfahren zum Aufbringen der Polymerschicht eingesetzt werden. Dabei wird die Polymerschicht durch ein Plasma-unterstütztes Abscheidever- fahren bei niedrigen Substrattemperaturen (< 100°C)
abgeschieden .
Das Polymer kann mit geeigneten Düsen auf die Rückseite des MEMS Chips, den Rahmen und den Träger aufgesprüht oder aufgejettet werden. Der Prozess kann auch elektrostatisch unterstützt sein. Das Polymer kann auch in Lösung oder als Suspension von Polymerpartikeln aufgesprüht werden. Möglich ist auch, das Polymer durch Aufsprühen oder Aufjetten in aufgeschmolzener Form oder durch Gießen insbesondere
sogenanntes Vorhanggießen aufgebracht werden.
Bevorzugt weist der MEMS Chip als Basismaterial Quarz, Lithiumtantalat , Lithiumniobat oder ähnliche Stoffe auf und trägt Bauelementstrukturen auf dem Basismaterial, zum
Beispiel Wandler für akustische Oberflächen- oder Volumenwellen. Das Basismaterial des MEMS Chips ist dann ein piezo¬ elektrisches Material und die Bauelementstrukturen umfassen elektroakustische Wandler, die über Leiterbahnen
angeschlossen und/oder verschaltet sein können.
Der MEMS Chip kann aber auch ein anderes mikromechanisch strukturierbares Material wie z.B. Silizium umfassen. Der metallische Rahmen auf dem Träger besteht aus oder umfasst Kupfer und ist bevorzugt aus Kupfer, Nickel, Silber oder einer Folge dieser Metalle gefertigt und gasdicht mit dem keramischen Träger verbunden. Der MEMS Chip liegt auf dem metallischen Rahmen auf.
Weiterhin ist es bevorzugt, dass der metallische Rahmen eine plane Oberfläche aufweist, die beispielsweise mittels
Diamantfräsung erzeugt werden kann. Dies hat den Vorteil, dass beispielweise ein mittels Bumpverbindungen auf dem
Träger montierter MEMS Chip nach einer Flip-Chipbeziehungsweise Wende-Montage und Kollabieren (collapsing) der Bumpverbindungen in einem anschließenden Reflowprozess gleichmäßig und vollständig auf dem metallischen Rahmen aufliegt. Der Spalt zwischen MEMS Chip und metallischem
Rahmen ist dann bei entsprechend angepassten Rahmenhöhen, Bumpverbindungshöhen und entsprechend eingestelltem
Kollapsing nahezu Null. Durch Druckbeaufschlagung des MEMS Chips bei geschmolzenen Bumpverbindungen und Abkühlen bis unter den Schmelzpunkt der Bumps bei anhaltender
Druckbeaufschlagung kann der Spalt zwischen MEMS Chip und Rahmen weiter minimiert werden und bei diamantgefrästen Rahmen weniger als 10 nm betragen. Weiterhin ist die Metallschicht so ausgewählt, dass sie mit dem metallischen Rahmen und dem Träger den MEMS Chip so umfasst, dass das von dem Träger, dem MEMS Chip und dem metallischen Rahmen umschlossenes Volumen hermetisch
abgedichtet ist.
Vorteilhafterweise ist das MEMS Bauelement mit seinen empfindlichen Bauelementstrukturen innerhalb des
umschlossenen Volumens beziehungsweise der Kavität durch die Metallschicht hermetisch gegenüber Umwelteinflüssen
verschlossen. Durch das Aufliegen des MEMS Chips auf dem metallischen Rahmen ist es ferner möglich, das hermetische Abschließen der Kavität mit wenigen Prozessschritten zu erreichen. Auf diese Weise können auch unterschiedliche
Funktionen, wie Abschirmung und Abdichtung, in einem
Prozessschritt kombiniert werden. Durch das Aufbringen der Metallschicht wird der Spalt zwischen metallischem Rahmen und dem MEMS Chip geschlossen.
Weiterhin wird das Verhalten des Bauelements bei Thermozyklen durch Verwendung eines entsprechenden Trägers wie HTCC oder LTCC verbessert. Ferner ist es mit der Erfindung möglich, ein Bauelement mit unveränderten Funktionen und insbesondere unveränderten Filterfunktionen in einer reduzierten Baugröße zu realisieren. Weil die Zahl der erforderlichen Prozessschritte gering ist, lassen sich bei gleicher Funktionalität mehr Bauelemente pro Paneele erzielen oder aber bei gleicher Panelbelegung größere MEMS Chips realisieren.
Indem die Metallschicht ganzflächig ausgeführt ist, entfallen weitere strukturelle Maßnahmen, die andernfalls zur
Abdichtung des Spaltes zwischen MEMS Chip und Rahmen benötigt würden. Ferner kann die Dicke der Metallschicht in weiten Bereichen insbesondere zwischen 10 und 40ym gewählt werden und der Metallschicht somit weitere Funktionen zugeordnet werden. Beispielsweise bei Verwendung im Mobilfunk übernimmt die Metallschicht auch Abschirmungseigenschaften. Bei geeigneter Schichtdicke kann hochfrequente elektromagnetische Strahlung aus dem Bauelement oder das Bauelement selbst vor äußerer Strahlung abgeschirmt werden. Weiterhin ist die Metallschicht elektrisch leitend. Bei Verbindung mit einem Masseanschluss des Bauelements können etwa überschüssige Ladungen, wie sie typischerweise auf dem MEMS Chip auftreten, abgeführt werden.
Vorteilhafterweise ist der Abstand zwischen dem Rahmen und dem MEMS Chip nahezu Null. Erreicht wird dies bei
planarisiertem Rahmen durch ein ausreichendes Kollabieren (engl. Kollapsing) der Bumpverbindungen in einem
Reflowprozess , beziehungsweise durch gleichmäßige
Druckbeaufschlagung der MEMS Chips während der Zeit, in der die Bumpverbindungen in geschmolzenen Zustand vorliegen bis nach dem Abkühlen. Hiermit lassen sich Spalte zwischen MEMS Chip und Rahmen kleiner lOnm erzielen. Diese Spalte bleiben auch nach Abkühlen bestehen, wenn der thermische
Ausdehnungskoeffizient des Materials der Bumpverbindung größer ist als derjenige des Rahmenmaterials.
In einer weiteren Ausführungsform weist die Bumpverbindung einen thermischen Ausdehnungskoeffizient auf, der größer als ein thermischer Ausdehnungskoeffizient des metallischen Rahmens ist.
Bevorzugt wird der MEMS Chip durch Druckbeaufschlagung auf den metallischen Rahmen gedrückt. Mittels Verlötens der
Bumpverbindung bei höheren Schmelztemperaturen dehnen sich die beteiligten Materialien des MEMS Chips beziehungsweise des metallischen Rahmens aus. Der MEMS Chip wird beim
Abkühlen auf den metallischen Rahmen gedrückt, wenn die Materialien aufgrund ihrer unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten zusammenziehen. In einer Ausführungsform ist der MEMS Chip ein mikroelektro- mechanisches System, ein mikroelektrooptisches System oder ein mikro-elektro-optisch-mechanisches System (MEOMS) . Die Metallschicht kann genau eines oder mehrere
unterschiedliche Materialien umfassen. Zu möglichen Ausgangsmaterialien zählen dabei Metallpartikel, insbesondere
metallische Nano- oder Mikropartikel , eine Metallfolie oder eine Metalllegierung. Geeignete Metalle umfassen Silber, Gold, Kupfer, und Zinn, wobei diese Auswahl nicht
einschränkend ist.
Die Metallschicht ist vorzugsweise in zumindest zwei Stufen hergestellt. Eine Grundmetallisierung kann aufgesputtert , aufgedampft, mittels CVD Verfahren aufgebracht oder in Form metallischer Partikel aufgejettet sein. Die
Grundmetallisierung kann galvanisch verstärkt sein. Weitere Teilschichten können elektrische oder magnetische
Eigenschaften einbringen. Auch ein passivierendes Metall wie Nickel kann für eine obere Teilschicht oder vorzugsweise für die oberste Teilschicht vorgesehen sein.
Die Metallschicht oder einzelne Teilschichten der
Metallschicht können auch zunächst als Folie aufgebracht und danach aufgeschmolzen werden. Die Metallschicht oder einzelne Teilschichten können aber auch durch Aufbringen eines
flüssigen Metalls erzeugt sein.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbei- spielen und den dazugehörigen Figuren näher erläutert. Die Figuren sind nur schematisch und nicht maßstabsgetreu
ausgeführt. Unterschiedliche Teile können daher verkleinert oder vergrößert dargestellt sein, so dass den Figuren weder absolute noch relative Maßangaben zu entnehmen sind.
Figur 1 zeigt eine Draufsicht auf einen großflächigen Träger mit Einbauplätzen für mehrere MEMS-Chips,
Figur 2 zeigt im schematischen Querschnitt einen Träger und einen MEMS-Chip unmittelbar vor dessen Montage, Figur 3 zeigt im schematischen Querschnitt die Anordnung von Figur 2 nach der Montage durch Bump- oder Lötverbindungen,
Figur 4 zeigt die Anordnung in Figur 3 nach dem Aufbringen einer Polymerschicht,
Figur 5 zeigt die Anordnung von Figur 4 nach dem Herstellen von Ausnehmungen,
Figur 6 zeigt die Anordnung nach dem Aufbringen einer
Metallschicht, und
Figur 7 zeigt ausschnittsweise eine Schichtenfolge aus Figur 6. Zur Herstellung des Bauelements wird vorzugsweise von
großflächigen keramischen Trägern ausgegangen, sogenannten Paneelen. Dies sind zwei- oder mehrlagige Substrate z.B. aus HTCC (High Temperature Co-Fired Ceramic) oder LTCC (Low
Temperature Co-Fired Ceramic) . Auf der Oberseite haben diese als Träger TR dienende Paneele typisch zwischen 1000 und 4000 Einbauplätze EP für Chips, im Beispiel hier MEMS-Chips. In der Figur zeigen eingezeichnete virtuelle Trennlinien TL die Grenzen der verschiedenen Einbauplätze EP bzw. die Grenzen der späteren Einzel-Bauelemente an. Auf der dargestellten Oberfläche sind auf jedem Einbauplatz Kontaktflächen KF vorgesehen, die entweder als lötfähige Kontakte ausgeführt sind oder die das obere Ende einer Durchkontaktierung
darstellen, welche entsprechend lötbar ausgebildet ist.
Jeder Einbauplatz EP auf dem Trägerpaneel TR ist von einem Rahmen umgeben, beispielsweise einem 55 ym hohen, 150 ym breiten und auf der Oberfläche plan gefrästen Kupferrahmen. Der Rahmen kann durch gängige Metallisierungsverfahren hergestellt werden, insbesondere zweistufig durch Erzeugen einer strukturierten Grundmetallisierung in einem ersten Schritt und durch galvanische Verstärkung in einem zweiten Schritt .
Vorzugsweise ist jedem Einbauplatz ein Datensatz zugewiesen, der genaue geometrische Daten umfasst, die für jeden
Einbauplatz individuell vermessen sind. Dies ist
erforderlich, da die Trägerpaneele aufgrund der großen Fläche und der relativ geringen Schichtdicke linear und nicht-linear verzogen sein können. Jedes Trägerpaneel ist somit ein Unikat und bedarf aus diesem Grund zum Ausgleich dieses Verzugs der oben genannten entsprechenden Datensätze, um ein späteres exaktes Einbauen von MEMS-Chips mit möglichst geringer
Verspannung zu ermöglichen.
Figur 2 zeigt ausschnittsweise einen Träger TR für nur ein späteres Bauelement, auch wenn der Träger TR während des Bestückungs- und Verkapselungsverfahrens eigentlich noch Bestandteil des großflächigen Trägerpaneels ist. Auch auf eine Darstellung des genauen Schichtaufbaus des vorzugsweise mehrschichtigen Trägers TR ist hier der Übersichtlichkeit halber verzichtet. Ein genauer Schichtaufbaus wird später anhand von Figur 6 noch näher erläutert.
Zur Montage auf dem Träger TR werden MEMS-Chips MC
vorgesehen. Ein jeder MEMS-Chip MC weist auf seiner
Hauptoberfläche Bauelementstrukturen BES auf, die in Figur 2 beispielhaft in Form von Metallisierungen für mit akustischen Wellen arbeitende Bauelemente wie z.B. Frequenzfilter angedeutet sind. Die Bauelementstrukturen BES sind über Leitungen (in der Figur nicht dargestellt) mit
Anschlusskontakten AK verbunden. Die Anschlusskontakte AK sind mit Bumps BU versehen, die beispielsweise über ein
Lotpastenverfahren aufgedruckt und umgeschmolzen sind. Je ein MEMS-Chip MC wird nun mit nach unten weisenden
Bauelementstrukturen BES auf einen Einbauplatz EP so
aufgesetzt, dass die Unterseite der Bumps BU auf den
Kontaktflächen KF des Trägers TR zu liegen kommen. Wie die Figur zeigt, ist die Höhe der Bumps BU über der Unterseite (Hauptoberfläche) des MEMS Chips größer als die Höhe des Rahmens R über der Oberfläche des Trägers TR. Nach dem
Aufsetzen steht daher die Unterkante des MEMS-Chips MC beziehungsweise die Hauptoberfläche des MEMS-Chips MC mit geringem vertikalen Abstand über dem Rahmen über und kann daher noch nicht auf diesem aufliegen.
Vorzugsweise unter leichtem Druck von oben auf den MEMS Chip MC wird anschließend ein Reflow-Löten durchgeführt, bei dem der Bump kollabiert und das Lot mit Anschlusskontakten und Kontaktflächen benetzt. In der Folge wird der MEMS-Chip in Richtung Träger TR gezogen, so dass die Hauptoberfläche des MEMS-Chips MC mit einem Randbereich rundum auf der planen Oberfläche des Rahmens R zum Aufliegen kommt. Der Rahmens R steht den MEMS Chip umlaufend mit einem Teil seiner Breite unter dem MEMS Chip MC hervor. Figur 3 zeigt die Anordnung in dieser Verfahrensstufe. Zur Herstellung einer flexiblen Polymermatrix wird nun eine Polymerschicht PF auf die Oberfläche der Anordnung
aufgebracht, also auf die Rückseite des MEMS-Chips MC, auf die nicht vom MEMS-Chip MC belegte restliche Oberfläche des Rahmens R sowie auf die verbleibende freie Oberfläche im dem den Rahmen R umlaufenden Randbereich des Trägers TR.
Dazu wird ein Verfahren gewählt, welches kantenbedeckend ist, so dass eine konform auf allen nach oben und außen weisenden Oberflächen aufliegende Polymerschicht PF erzeugt werden kann.
In der einfachsten Ausführung wird zur Erzeugung der Polymerschicht PF eine Laminatfolie kantenbedeckend und oberflächen¬ konform auflaminiert . Diese Laminatfolie ist beispielsweise eine zweischichtige Folie, bei der die nach unten weisende Teilschicht thermisch erweicht und zumindest klebrig wird. Das Auflaminieren kann durch einen von oben auf die Laminatfolie einwirkenden Druck und durch Erhöhen der Temperatur unterstützt werden. Vorzugsweise kann das Auflaminieren der Laminatfolie durch Erzeugen eines Unterdrucks zwischen Folie und zu beschichtender Oberfläche unterstützt werden.
Die Dicke der Polymerschicht PF ist ganz entscheidend dafür, wie sich unterschiedliche Ausdehnungskräfte und reale
Ausdehnungen des Trägers TR und des MEMS-Chips MC auf den MEMS-Chip und insbesondere auf dessen Bump-Verbindungen auswirken. Es hat sich gezeigt, dass eine möglichst dünne Polymerschicht ausreichend ist, im späteren fertigen Bauelement die Kräfte gleichmäßig auf MEMS-Chip MC und Träger TR zu verteilen. Geeignete Schichtdicken liegen zwischen 1 und 15 ym und insbesondere zwischen 2 und 5 ym. Figur 4 zeigt die Anordnung auf dieser Verfahrensstufe.
Im nächsten Schritt wird die Polymerfolie PF auf der
Oberseite des Rahmens R entfernt, vorzugsweise in Form eines dem gesamten Umfang des Rahmens folgenden Streifens. Durch Laserablation, z.B. mit einem UV Laser kann so eine
streifenförmige Ausnehmung AN erzeugt werden, in der die Oberfläche des Rahmens R freigelegt ist. Die umlaufende
Ausnehmung AN ist erforderlich, um im gesamten Umfang um den MEMS Chip MC herum einen Metall-Metall-Kontakt zwischen einer später noch aufzubringenden Metallschicht und dem Rahmen R zu schaffen und einen hermetischen Verschluss des MEMS-Chips zu ermöglichen .
Im Anschluss an die Laserbehandlung können evtl. verbliebene Polymerreste mittels einer Plasmabehandlung entfernt werden, z.B. in einem Sauerstoff haltigen Plasma. Danach kann sich noch ein Vakuumtrocknungsprozess anschließen. Figur 5 zeigt die Anordnung mit erzeugter Ausnehmung AN.
Im nächsten Schritt wird auf die gesamte Oberfläche der
Anordnung eine Metallschicht MS aufgebracht. Es wird ein Schichtabscheidungsverfahren gewählt, welches ganzflächig eine konforme und kantenbedeckende Metallschicht MS erzeugt. Vorteilhaft und wichtig ist es, ein Schichtabscheidungs- verfahren zu wählen, mit dem die Schichtdicken kontrolliert werden können, um die thermomechanischen Eigenschaften des Bauelements optimimal einzustellen. Figur 6 zeigt die Anordnung mit einer über der Polymerschicht PF aufgebrachten Metallschicht MS, die im Bereich der
Ausnehmungen AN mit der Oberfläche des Rahmens R umlaufend in Kontakt tritt.
Weiter ist in der Figur 6 beispielhaft dargestellt, wie eine Verschaltung innerhalb des Trägers TR ausgebildet sein kann. Dazu weist der Träger TR zumindest eine innenliegende
Metallisierungsebene ME auf, in der Leiterbahnen und
Anschlussflächen strukturiert sind. Ein elektrischer Kontakt von der Oberfläche einer Teilschicht zur nächsten
Metallisierungsebene ME bzw. zur Oberfläche der benachbarten Teilschicht und schließlich zur Unterseite des Trägers TR erfolgt über Durchkontaktierungen DK. Über die strukturierte Metallisierungsebene können mehrere Kontakte miteinander verschaltet sein. Möglich ist es jedoch auch, jeden einzelnen elektrischen Anschluss des MEMS-Chips MC separat durch den Träger hindurch über Durchkontaktierungen auf die Unterseite des Trägers hinzuführen. Auf der Unterseite des Trägers TR sind vorzugsweise „über" den dort mündenden Durchkontaktierungen lötbare Außenkontakte LA aufgebracht, so genannte Anschlusspads .
Auch diese Verfahrensstufe kann noch auf dem großflächigen Trägerpaneel TR erreicht werden. Nach dieser Verfahrensstufe werden die einzelnen Bauelemente getrennt, indem
beispielsweise entlang der Trennlinien TL (siehe Figur 1) Sägeschnitte zur Auftrennung der einzelnen Bauelementchips durchgeführt werden.
In der Figur 6 gibt eine gestrichelte Linie einen
kreisförmigen Ausschnitt an, anhand dessen in der Figur 7 nochmals eine beispielhafte Schichtenfolge SF über dem MEMS- Chip MC detaillierter dargestellt und näher spezifiziert ist.
Figur 7: Die direkt auf dem MEMS-Chip MC aufsitzende
Polymerschicht PF kann ein- oder mehrschichtig sein und weist die bereits spezifizierte niedrige Schichtdicke auf.
Zur besseren Haftung einer Metallschicht auf der Polymerschicht PF wird direkt auf die Polymerschicht PF zunächst eine Grundmetallisierung GM aufgebracht, beispielsweise durch Sputtern. Möglich ist es jedoch auch, die Grundmetallisierung GM anderweitig aufzubringen, beispielsweise aufzudampfen oder in Form feiner Metallpartikel aufzusprühen. Die Grundmetallisierung GM kann Titan und oder Kupfer umfassen.
Nach Herstellen einer ganzflächigen und daher durchgehend aufgebrachten Grundmetallisierung GM wird diese mit Hilfe einer galvanischen Schicht GS verstärkt. Kupfer ist ein bevorzugtes Material und kann zur Schichtverstärkung in einer kontrollierten Schichtdicke galvanisch oder stromlos
abgeschieden werden.
Über der galvanischen Schicht GS wird eine Passivierungs- schicht PS aufgebracht, beispielsweise eine dünne Nickel- Schicht. Auch dies kann galvanisch oder stromlos erfolgen.
Vorteilhaft aber nicht zwingend ist oberhalb der
Passivierungsschicht PS noch eine strukturierte Kontrast¬ schicht KS aufgebracht, beispielsweise eine Schwarz-Nickel- Schicht. Diese kann im gleichen Metallisierungsbad wie die Teilschicht PS aus Nickel aufgebracht werden, so dass sich der Erzeugung nur durch Veränderung der Abscheidebedingungen unterscheidet . Die Kontrastschicht KS kann nachträglich strukturiert werden, um auf diese Weise Schriftzeichen, Bilder, Symbole oder sonstige Markierungen über der Passivierungssschicht zu erzeugen. Die Schwarz-Nickel-Schicht der Kontrastschicht KS ergibt dabei einen guten optischen Kontrast zur
Passivierungsschicht PS aus glänzendem Nickel. Die
Strukturierung kann mit einem Laser erfolgen, mit dem Teile der Kontrastschicht KS abgehoben werden können. Mit dem fertigen Bauelement werden zu Testzwecken
Thermozyklen durchgeführt, bei denen die Bauelemente einer Temperaturwechselbelastung zwischen -40° und +125° C
ausgesetzt werden. In regelmäßigen Abständen wird dabei das Bauelement auf elektrische Funktionstüchtigkeit und auf
Ausfälle geprüft.
Mit einer herkömmlichen dicken Polymerschicht PF und
beispielsweise 20 ym Dicke treten erste Ausfälle bei circa 1000 Temperaturzyklen auf. Wird dasselbe Bauelement mit einer nur 2 ym dicken Polymerschicht versehen, die dementsprechend eine um den Faktor 10 verringerte Schichtdicke aufweist, so können nahezu doppelt so viele Temperaturzyklen durchgeführt werden, bevor erste Ausfälle zu beobachten sind. Dies zeigt, dass das erfindungsgemäße Bauelement eine
wesentlich höhere thermomechanische Stabilität aufweist als Bauelement mit herkömmlichem Package und insbesondere mit dickeren Polymerabdeckungen. Die optimale Schichtdicke der Polymerschicht PF kann natürlich in Abhängigkeit von der Bauelementgröße von den angegebenen Werten abweichen, liegt stets jedoch im Bereich unterhalb von 15 ym und vorzugsweise im Bereich zwischen 2 und 5 ym. Die Aufbringung der Polymerschicht PF erfolgt daher
vorzugsweise so, dass eine exakte Prozessführung zu einer gut reproduzierbaren Schichtdicke der Polymerschicht PF und zu einer hohen Schichtdickengleichmäßigkeit führt.
Die Erfindung wurde nur anhand weniger Ausführungsbeispiele erläutert und ist daher nicht auf diese beschränkt. Die
Erfindung wurde für akustisch arbeitende Bauelemente
optimiert, ist aber nicht auf solche beschränkt und kann daher mit allen Arten von MEMS-Chips, also mechanisch
empfindlichen Bauelementen ausgeführt werden. Die MEMS-Chips MC können auch mehrere Bauelementfunktionen aufweisen, beispielsweise als 2 in 1- oder 3 in 1-Filter ausgeführt sein .
Als Material für die Polymerschicht PF kann ein beliebiges viskoelastisches Material oder eben eine Schichtenfolge von Polymermaterialien dienen, von denen zumindest eine
Teilschicht viskoelastische Eigenschaften aufweist.
Bezugs zeichenliste
AK Anschlusskontakte
AN Ausnehmung
BES Bauelementstrukturen
BU Bump
DK Durchkontaktierung
GM Grundmetallisierung
GS Galvanische Schicht
KF Kontaktfläche
KS KontrastSchicht
LA Lötbare Außenkontakte
MC MEMS Chip
ME Metallisierungsebene
MS Metallschicht
PF Polymerfolie
PS PassivierungsSchicht
R Rahmen
SF Schichtenfolge
TL Trennlinie
TR Träger

Claims

Patentansprüche
MEMS Bauelement
- mit einem keramischen Träger, der auf seiner
Oberseite lötbare Kontaktflächen und auf seiner Unterseite Außenkantakte zum Verbinden mit einer Schaltungsumgebung aufweist
- mit einem Kupfer umfassenden metallischen Rahmen auf der Oberseite des Trägers, der die Kontaktflächen umschließt und eine plane Oberfläche aufweist
- mit einem MEMS Chip, der Anschlusskontakte aufweist und in Flipchip Anordnung über seine
Anschlusskontakte elektrisch und mechanisch mit den Kontaktflächen verbunden ist
- wobei der MEMS Chip eine untere Außenkante aufweist, die mit ihrem gesamten Umfang auf dem Rahmen aufliegt
- mit einer strukturierten oder nicht strukturierten viskoelastischen Polymerschicht, die die nach oben weisende Rückseite und alle Seitenkanten des MEMS Chips abdeckt und im gesamten Umfang mit dem Rahmen abschließt
- mit einer Kupfer umfassenden Metallschicht, die über der Polymerschicht aufgebracht ist und mit dem Rahmen in zumindest einem Abschnitt dessen Umfangs
abschließt
- wobei die Polymerschicht eine Dicke von 2 bis 15ym aufweist .
2. MEMS Bauelement nach Anspruch 1,
bei dem als Polymerschicht Laminatfolie
aufgebracht ist.
3. MEMS Bauelement nach Anspruch 2,
bei dem die Laminatfolie eine Polyimidfolie umfasst und in einer Dicke von 2-5ym aufgebracht ist.
4. MEMS Bauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche,
- bei dem die Metallschicht Teilschichten umfasst und als oberste Teilschicht eine strukturierte Schwarz- Nickelschicht aufweist, die einen optischen Kontrast zur direkt darunter liegenden Teilschicht ausbildet - bei dem durch die Strukturierung der obersten
Teilschicht ein Schriftzeichen oder eine Markierung realisiert ist.
5. MEMS Bauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Polymerschicht über dem Rahmen eine den
MEMS Chip ringförmig umschließende, streifenförmige Ausnehmung aufweist, die frei von Polymer ist, und/oder in der die Polymerschicht entfernt ist, bei dem die Metallschicht im gesamten Umfang der Ausnehmung dicht mit dem Rahmen abschließt.
6. MEMS Bauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Polymerschicht in einem plasmagestützten Schichtabscheidungsprozess aufgebracht ist.
7. MEMS Bauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, ausgebildet als mit akustischen Wellen arbeitendes Bauelement .
8. Verfahren zur Herstellung eines MEMS Bauelement nach
Anspruch 1, wobei die Polymerschicht in einem
Vakuumlaminierverfahren auf einen großflächigen, mehrere MEMS Chips tragenden keramischen Träger ganzflächig aufgebracht und anschließend durch ein LASER-Verfahren zur mechanischen und elektrischen Ankontaktierung strukturiert wird.
Verfahren nach Anspruch 8, bei dem die Metallschicht oder einzelne Teilschichten der Metallschicht zunächst als Folie aufgebracht und dann
aufgeschmolzen werden.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, bei dem die
Metallschicht insgesamt oder einzelne Teilschichten davon durch Aufbringen eines flüssigen Metalls erzeugt werden.
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