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EP2326592A2 - Verkapselung, mems sowie verfahren zum verkapseln - Google Patents

Verkapselung, mems sowie verfahren zum verkapseln

Info

Publication number
EP2326592A2
EP2326592A2 EP09780584A EP09780584A EP2326592A2 EP 2326592 A2 EP2326592 A2 EP 2326592A2 EP 09780584 A EP09780584 A EP 09780584A EP 09780584 A EP09780584 A EP 09780584A EP 2326592 A2 EP2326592 A2 EP 2326592A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
film
semiconductor substrate
encapsulation
layer
component structure
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP09780584A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Peter Rothacher
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP2326592A2 publication Critical patent/EP2326592A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • 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
    • B81B7/0035—Packages or encapsulation for maintaining a controlled atmosphere inside of the chamber containing the MEMS
    • B81B7/0041—Packages or encapsulation for maintaining a controlled atmosphere inside of the chamber containing the MEMS maintaining a controlled atmosphere with techniques not provided for in B81B7/0038
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L24/00—Arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies; Methods or apparatus related thereto
    • H01L24/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L24/02—Bonding areas ; Manufacturing methods related thereto
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B2207/00—Microstructural systems or auxiliary parts thereof
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    • B81B2207/091—Arrangements for connecting external electrical signals to mechanical structures inside the package
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • H01L2924/10—Details of semiconductor or other solid state devices to be connected
    • H01L2924/146—Mixed devices
    • H01L2924/1461—MEMS

Definitions

  • the invention relates to an encapsulation according to the preamble of claim 1, a micro-electro-mechanical system (MEMS) according to claim 11 and a method for encapsulating a sensitive component structure on a semiconductor substrate according to claim 12.
  • MEMS micro-electro-mechanical system
  • Inertial sensors such as acceleration sensors or yaw rate sensors
  • KOH-etched silicon caps the caps being fixed by means of a seal-glass connection to the semiconductor substrate having the sensitive component structure.
  • Another established method for encapsulating sensitive device structures on semiconductor substrates is anodic bonding of three-dimensionally patterned glass wafers.
  • structured silicon wafers are fixed as encapsulation with different bonding methods on semiconductor substrates. All the aforementioned methods have in common that a cost-intensive, three-dimensionally structured cap made of silicon or glass is used.
  • the well-known encapsulation comprises a A frame structure surrounding a component structure of a cured reaction resin and a planar, the frame structure covering and with this a cavity forming cap, consisting of a flat (two-dimensional) plastic film and a hardened reaction resin layer arranged above.
  • a disadvantage of the known encapsulation is its complex manufacturing process using an auxiliary film to be applied first and then to be removed again.
  • US 2002/0121701 A1 describes an encapsulation method for encapsulating a non-MEMS wafer, wherein to encapsulate the semiconductor substrate, it is coated with an initially liquid polymer layer.
  • the known encapsulation is not suitable for MEMS due to the lack of cavities.
  • the invention has for its object to propose an alternative, simple and inexpensive encapsulation for a mechanical component structure on a semiconductor substrate. Furthermore, the object is to provide a MEMS with at least one such encapsulation and a manufacturing method for producing an encapsulated component structure.
  • the invention is based on the idea of using a film comprising at least one polymer layer instead of a costly silicon wafer for encapsulating a sensitive mechanical component structure of a MEMS.
  • the film is to be formed and / or arranged such that it covers the mechanical component structure at a distance.
  • photolithographic steps and PVD (Physical Vapor Deposition) steps as used in KOH etched silicon caps, may be used come, be waived.
  • a trained according to the concept of the invention encapsulation is characterized by at least one, the film passing through contact.
  • a, in particular three-dimensionally structured, preferably having a plurality of cavities, film is already used in the wafer stage in the production of MEMS, thus a plurality of sensitive, mechanical component structures of a plurality of MEMS simultaneously in one to encapsulate the so-called wafer level process.
  • the component structure is a component of an inertial sensor, in particular an acceleration sensor, or a yaw rate sensor, a microphone or a pressure sensor.
  • the proposed encapsulation is due to the significantly reduced manufacturing costs optimal for consumer inertial sensors for use in handheld devices, so-called handhelds, such as mobile phones, Pocket PCs, etc.
  • a trained according to the concept of the invention encapsulation has great potentials in terms of thicknesses - and size reduction in comparison with the known from the prior art encapsulation.
  • the film has a dimensional stability at the temperatures occurring during the bonding of the film.
  • the film has a dimensional stability at the temperatures occurring during the bonding of the film.
  • Heat distortion temperature at temperatures of about 230 ° C still be guaranteed.
  • the film should be at least largely dimensionally stable with advantage.
  • the film as possible low expansion coefficient, in order to avoid an inadmissible deformation of the encapsulation and thus of the MEMS in subsequent use, even with strong temperature fluctuations.
  • the expansion coefficient is less than 20 ppm / K, most preferably less than 17 ppm / K, more preferably less than 10 ppm / K.
  • the polymer layer of the film which is preferably in the form of a multilayer film, very particularly preferably the entire film, behaves isotropically with respect to its coefficient of expansion in the x and y directions. For this purpose, the polymer layer and / or the entire film can be biaxially stretched.
  • Polymer layer of the film of liquid crystal polymer (LCP) consists or at least comprises this compound.
  • Liquid crystalline polymer has in the melt
  • Reaction resin as used in the encapsulation of the prior art.
  • LCP low-density polyethylene
  • PEEK polyetheretherketone
  • PEEK polyetheretherketone
  • PES polyvenylene sulfide
  • PAS polyarylsulfone
  • the at least one cavity can be introduced, for example, by injection molding, stamping, in particular injection-compression molding, thermoforming, deep drawing or casting. During the casting this will be
  • Foil polymer poured into a mold and then cured thermally or by UV irradiation.
  • the cavity can also be closed by a two-dimensionally shaped film, in which case a spacer (frame), in particular galvanically constructed, has to be provided between the semiconductor substrate and the film.
  • a spacer in particular galvanically constructed
  • This framework can be realized simultaneously with the electroplating of the vias, if necessary, in particular by established punching, drilling, photolithography / etching and / or laser drilling processes.
  • the film to ensure sufficient hermidity of the film with respect to moisture and / or gas, in particular oxygen at least one metal layer.
  • the metal layer is preferably formed from ductile copper. It is, however Additionally or alternatively, a variety of other metals such as nickel, aluminum, stainless steel, etc. can be used as a metal layer (s).
  • the metal should be selected to have high ductility (elongation at break), a low coefficient of expansion, preferably less than 17 ppm / K, and a melting point well above 280 ° C.
  • a metal layer possibly directly contacting another bonding layer, is provided for encapsulation with the semiconductor substrate, preferably with a metallization of the semiconductor substrate to be able to bond in a simplified manner.
  • a thermocompression bonding method is advantageously used for bonding, wherein it is particularly preferred to match the bonding system, ie all layers involved in the soil and the pressure used, so that bonding temperatures below 280 ° C., preferably around 260 ° C., can be realized.
  • SLID solid-liquid-inter-diffusion soldering process
  • Metallization semiconductor substrate
  • the SLID bonding technique is characterized by depositing a layer of low melting metal, such as tin, between upper and lower layers of higher melting metal, such as copper, and melting at low temperatures. The melting at higher temperatures metal now diffuses into the upper and the lower layer, forming a higher melting alloy and solidifies. With further bonding / soldering processes, a re-melting of the connection is thus reliably prevented.
  • the film thickness is less than 200 ⁇ m. Most preferably, the film thickness is less than 180 ⁇ m, most preferably less than 160 ⁇ m. Preferably, the film thickness is about 120 ⁇ m or below.
  • the stiffening layer preferably made of metal, very particularly preferably of electrodeposited copper.
  • the stiffening layer can be realized as a sandwich layer (for example: Cu-Ni-Cu).
  • stiffening layer it is possible to stiffen the film by a corresponding three-dimensional shaping.
  • a curvature and / or at least one waveform and / or a polygonal sawtooth shape and / or at least one contoured, preferably polygonal contoured, indentation (bead) can be realized in the direction of the semiconductor substrate.
  • a stop is to be understood as a small-area elevation projecting in the direction of the component structure, which prevents excessive deflection of the component structure or adhesion of the component structure to the foil lid.
  • At least one rewiring plane in addition to at least one through-contact in the foil, at least one rewiring plane, in particular made of electrically conductive metal, is integrated over the at least two terminal regions of the semiconductor substrate and / or two external contacts can be electrically connected to each other.
  • the invention also leads to a MEMS (microelectromechanical system) with a previously described encapsulation which has at least one polymer layer and at least one through-contact penetrating the polymer layer.
  • MEMS microelectromechanical system
  • the invention leads to a method for encapsulating a sensitive mechanical component structure on a semiconductor substrate with the steps: providing at least one, preferably having a cavity, film having at least one polymer layer and at least one via; Relatively positioning the film (relative) to the semiconductor substrate and bonding the film to the semiconductor substrate or a coating, preferably a bonding frame, in particular a metallization, of the semiconductor substrate.
  • a coating preferably a bonding frame, in particular a metallization
  • a film which is preferred in terms of its areal extent, at least approximately, corresponding to the wafer areal extent, is positioned relative to the wafer, more precisely to the component structures provided on the wafer, whereupon the film is bonded to the wafer.
  • FIG. 1 shows a first embodiment of an encapsulated mechanical structure with a two-dimensional
  • Fig. 2 shows a second, alternative embodiment of an encapsulation with a three-dimensionally structured film.
  • a MEMS 1 micro-electro-mechanical system
  • the MEMS 1 comprises a semiconductor substrate 2 with a sensitive, mechanical component structure 3 formed thereon, which is formed from semiconductor material.
  • the component structure 3 is protected by an encapsulation 4 from mechanical and other environmental influences, such as temperature and humidity, as well as gas.
  • the encapsulation 4 comprises a film 5 formed as a multilayer film.
  • the film 5 is formed in two dimensions and forms, together with one on the Semiconductor substrate 2 provided, designed as a bonding frame, spacer 6 a cavity 7, which gives the device structure 3 sufficient freedom of movement.
  • the film 5 comprises a polymer layer 8, in the illustrated embodiment of LCP.
  • the polymer layer 8 is coated on both flat sides with a first metal layer 9.
  • This is formed from a copper foil laminated on the polymer layer and serves to optimize the hermiticity of the cavity 7 closed by the foil 5.
  • the first metal layers 9 are in each case in turn a further, namely second, metal layer 10, which is formed in the embodiment shown from galvanically reinforced copper.
  • the film 5 on the side facing the semiconductor substrate 2 is connected directly to the semiconductor substrate 2 via a bonding layer 11.
  • On the side facing away from the semiconductor substrate 2 side of the film 5 are located on the second metal layer 10 in electrically isolated regions solder balls 12 for a flip-chip application.
  • solder resist 13 on the side of the foil 5 facing away from the semiconductor substrate 2, which is applied partly on the second metal layer 10 and partly directly on the polymer layer 8.
  • the direct contacting of the polymer layer 8 with solder resist 13 results from a structuring of the first and the second metal layer 9, 10 for the production of electrically isolated regions.
  • spacers 14 are provided on the first metal layer 9, which limit a deflection movement of the mechanical component structure 3.
  • the polymer layer 8 of the film 5 is penetrated by through contacts 15 which extend perpendicular to the semiconductor substrate 2 and are each formed from galvanically reinforced copper.
  • the vias 15 directly connect the metal layers 9, 10 on both sides of the polymer layer 8 with each other and in electrically isolated areas.
  • the semiconductor substrate 2 or electrical and / or electronically effective regions or elements of the semiconductor substrate 2, not shown, are electrically connected to a respective solder ball 12.
  • FIG. 2 shows an alternatively constructed MEMS.
  • the semiconductor substrate 2 with its sensitive, mechanical component structure 3.
  • a film 5 realized as a multilayer film is fixedly connected to the semiconductor substrate 2 while forming a cavity 7.
  • the film 5 is shaped in three dimensions, for example, by thermoforming or injection molding.
  • the film 5 comprises a polymer layer 8 which is provided on both flat sides with a first metal layer 9.
  • the first metal layer 9 is fixed directly to the semiconductor substrate 2 via a bonding layer 11. Also in the embodiment of FIG.
  • the polymer layer 8 is penetrated by two perpendicular to the semiconductor substrate 2 extending through contacts 15, each having a solder ball 12 electrically connected to the
  • the semiconductor substrate 2 or not shown electrical and / or electronic regions or elements of the semiconductor substrate 2 are electrically conductively connected via the electrically conductive bonding layer 11 with the first metal layer 9 contacted by the through contacts 15 ,
  • the regions of the first metal layer 9 contacted by the through contacts 15 are electrically insulated from one another by a corresponding structuring of the first metal layer 9, both on the side facing the semiconductor substrate 2 and on the opposite side.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
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  • Power Engineering (AREA)
  • Micromachines (AREA)
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  • Measuring Fluid Pressure (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Verkapselung (4) einer empfindlichen mechanischen Bauelementstruktur (3) auf einem Halbleitersubstrat (2) mit einer die Bauelementstruktur (3) überdeckenden Folie (5), die mindestens eine Polymerschicht (8) aufweist, wobei zwischen der Bauelementstruktur (3) und der Folie (5) mindestens eine Kavität (7) ausgebildet ist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Folie (5) von mindestens einem Durchkontakt (15) durchsetzt ist.

Description

Beschreibung
Titel
Verkapselung, MEMS sowie Verfahren zum Verkapseln
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Verkapselung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, ein mikro-elektro-mechanisches System (MEMS) gemäß Anspruch 11 sowie ein Verfahren zum Verkapseln einer empfindlichen Bauelementstruktur auf einem Halbleitersubstrat gemäß Anspruch 12.
Empfindliche, meist mechanische Bauelementstrukturen von MEMS müssen zum Schutz vor Beschädigung verkapselt werden. Inertialsensoren, wie Beschleunigungssensoren oder Drehratensensoren werden derzeit mit KOH-geätzten Siliziumkappen gedeckelt, wobei die Kappen mit Hilfe einer Seal-Glas-Verbindung auf dem die empfindliche Bauelementstruktur aufweisenden Halbleitersubstrat festgelegt werden. Ein weiteres etabliertes Verfahren zum Verkapseln von empfindlichen Bauelementstrukturen auf Halbleitersubstraten ist das anodische Bonden von dreidimensional-strukturierten Glas-Wafern. Daneben werden strukturierte Silizium-Wafer als Verkapselung mit unterschiedlichen Bondverfahren an Halbleitersubstraten fixiert. Allen vorgenannten Verfahren ist gemeinsam, dass eine kostenintensive, dreidimensional-strukturierte Kappe aus Silizium oder Glas zum Einsatz kommt.
Die DE 100 06 446 Al beschreibt ein Verfahren zum Verkapseln empfindlicher Bauelementstrukturen im Wafer- Stadium. Die bekannte Verkapselung umfasst eine die Bauelementstruktur umschließende Rahmenstruktur aus einem gehärteten Reaktionsharz sowie eine ebene, die Rahmenstruktur abdeckende und mit dieser einen Hohlraum ausbildende Kappe, bestehend aus einer flachen (zwei- dimensionalen) Kunststofffolie und einer darüber angeordneten, gehärteten Reaktionsharzschicht. Nachteilig bei der bekannten Verkapselung ist deren aufwändiges Herstellungsverfahren unter Einsatz einer zunächst aufzubringenden und dann wieder zu entfernenden Hilfsfolie.
Die US 2002/0121701 Al beschreibt ein Verkapselungs- verfahren, zum Verkapseln eines Nicht-MEMS-Wafers, wobei zum Verkapseln des Halbleitersubstrates dieses mit einer zunächst flüssigen Polymerschicht überzogen wird. Die bekannte Verkapselung eignet sich mangels Kavitäten nicht für MEMS.
Offenbarung der Erfindung Technische Aufgabe
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine alternative, einfache und kostengünstige Verkapselung für eine mechanische Bauelementstruktur auf einem Halbleitersubstrat vorzuschlagen. Ferner besteht die Aufgabe darin, ein MEMS mit mindestens einer derartigen Verkapselung sowie ein Herstellungsverfahren zum Herstellen einer verkapselten Bauelementstruktur anzugeben.
Technische Lösung
Diese Aufgabe wird hinsichtlich der Verkapselung mit den Merkmalen des Anspruchs 1, hinsichtlich des MEMS mit den Merkmalen des Anspruchs 11 und hinsichtlich des Verfahrens mit den Merkmalen des Anspruchs 12 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. In den Rahmen der Erfindung fallen sämtliche Kombinationen aus zumindest zwei von in der Beschreibung, den Ansprüchen und/oder den Figuren offenbarten Merkmalen. Zur Vermeidung von Wiederholungen sollen verfahrensgemäß offenbarte Merkmale als vorrichtungsgemäß offenbart gelten und beanspruchbar sein. Ebenso sollen vorrichtungsgemäß offenbarte Merkmale als verfahrensgemäß offenbart gelten und beanspruchbar sein.
Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, anstelle eines kostenintensiven Silizium-Wafers zum Verkapseln einer empfindlichen mechanischen Bauelementstruktur eines MEMS eine Folie einzusetzen, die mindestens eine Polymerschicht umfasst. Dabei ist die Folie derart auszubilden und/oder anzuordnen, dass sie die mechanische Bauelementstruktur mit Abstand überdeckt. Insbesondere dann, wenn die Folie, wie später noch erläutert werden wird, durch Thermoformen und/oder Prägen dreidimensional ausgeformt wird, kann auf photolithographische Schritte sowie PVD-Schritte (PVD = physikalische Gasphasenabscheidung) , wie sie bei KOH- geätzten Silizium-Kappen zur Anwendung kommen, verzichtet werden. Eine nach dem Konzept der Erfindung ausgebildete Verkapselung zeichnet sich durch mindestens einen, die Folie durchsetzenden Durchkontakt aus. Durch das erfindungsgemäße Vorsehen mindestens eines Durchkontaktes zur elektrischen Kontaktierung des Halbleitersbustrates, bzw. eines elektronischen und/oder elektrischen Elementes/Bereichs des Halbleitersubstrates kann auf im Stand der Technik notwendige Prozessschritte wie Drahtbonden oder Transfer-Molden verzichtet werden. Zur Schaffung der Durchkontakte können in der Leiterplattentechnologie etablierte kostengünstige Prozesse und Anlagen eingesetzt werden.
Besonders bevorzugt ist es, wenn eine, insbesondere dreidimensional-strukturierte, vorzugsweise eine Vielzahl von Kavitäten aufweisende, Folie bereits im Wafer-Stadium bei der Herstellung von MEMS eingesetzt wird, um somit eine Vielzahl von empfindlichen, mechanischen Bauelementstrukturen einer Vielzahl von MEMS gleichzeitig in einem sogenannten Waferlevelprozeß zu verkapseln. Von besonderem Vorteil ist dabei eine Ausführungsform der Verkapselung, bei der es sich bei der Bauelementstruktur um einen Bestandteil eines Inertialsensors, insbesondere eines Beschleunigungssensors, oder eines Drehratensensors, eines Mikrophons oder eines Drucksensors handelt. Die vorgeschlagene Verkapselung eignet sich aufgrund der deutlich reduzierten Herstellungskosten optimal für Verbraucher-Inertialsensoren zum Einsatz in Handgeräten, sogenannten Handhelds, wie Mobiltelefonen, Pocket-PCs, etc. Darüber hinaus hat eine nach dem Konzept der Erfindung ausgebildete Verkapselung große Potentiale im Hinblick auf eine Dicken- und Größenreduzierung im Vergleich mit den aus dem Stand der Technik bekannten Verkapselungen.
In Weiterbildung der Erfindung ist mit Vorteil vorgesehen, dass die Folie eine Formbeständigkeit bei den beim Bonden der Folie auftretenden Temperaturen hat. Bevorzugt soll die
Warmformbeständigkeit bei Temperaturen von über 230 °C noch gewährleistet sein. Bei kurzfristiger Temperaturbelastung bis beispielsweise 260°C oder 280°C sollte die Folie mit Vorteil zumindest weitgehend formbeständig sein.
Zusätzlich oder alternativ zu den vorgenannten Merkmalen ist es von Vorteil, wenn die Folie einen möglichst niedrigen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, um eine unzulässige Verformung der Verkapselung und damit des MEMS im späteren Einsatz auch bei starken Temperaturschwankungen zu vermeiden. Bevorzugt beträgt der Ausdehnungskoeffizient weniger als 20 ppm/K, ganz besonders bevorzugt weniger als 17 ppm/K, besonders bevorzugt weniger als 10 ppm/K. Idealerweise verhält sich die Polymerschicht der vorzugsweise als Mehrschichtfolie ausgebildeten Folie, ganz besonders bevorzugt die gesamte Folie, im Hinblick auf ihren Ausdehnungskoeffizienten in x- als auch in y-Richtung isotrop. Hierzu kann die Polymerschicht und/oder die gesamte Folie biaxial gereckt werden. Polymere zur Herstellung von Folien mit den vorgenannten Eigenschaften werden beispielsweise unter der Bezeichnung „Vectra 54Oi" von der Firma Ticona oder unter „Zenite 6330 NC" von der Firma Dupont vertrieben. Darüber hinaus sind biaxial gereckte Polymerfolien des Vectra-Typs (Hersteller Kuraray oder Rogers) mit in x- und y-Richtung isotropen Ausdehnungskoeffizienten von sogar unter 5 ppm/K erhältlich. Besonders zweckmäßig ist, wenn die
Polymerschicht der Folie aus Flüssigkristallpolymer (LCP) besteht oder diese Verbindung zumindest umfasst.
Flüssigkristallines Polymer weist in der Schmelze
(thermophob) oder gelöst (lysotrop) flüssigkristalline Eigenschaften auf. LCP ist äußerst temperaturstabil
(formbeständig) und weist zudem einen sehr niedrigen
Ausdehnungskoeffizienten auf. Ein weiterer Vorteil von LCP besteht darin, dass dieses wesentlich dichter ist als ein
Reaktionsharz, wie dieses bei Verkapselungen aus dem Stand der Technik zum Einsatz kommt. Neben der Ausbildung aus LCP ist es möglich, die Polymerschicht der Folie aus einem Ormocer auszubilden. Weiterhin kann es vorteilhaft sein die Polymerschicht aus Polyetheretherketon (PEEK) auszubilden. Dessen Schmelztemperatur beträgt 343°C. Polyetheretherketon zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass es gegen fast alle organischen oder anorganischen Chemikalien beständig ist. Auch ist es möglich, die Polymerschicht aus folgenden chemischen Polymerverbindungen auszubilden: Polyamidimid (PAI) oder Polybenzimidazol (PBI), oder Polyvenylensulfid (PPS) oder Polyarylsulfon (PAS) .
Ganz besonders bevorzugt ist, wie eingangs erwähnt, eine Ausführungsform, bei der die Folie dreidimensional ausgeformt ist, um somit die Kavität zur Abdeckung der
Bauelementstruktur zu bilden. Die mindestens eine Kavität kann beispielsweise durch Spritzgießen, Prägen, insbesondere Spritzprägen, Thermoformen, Tiefziehen oder Casting eingebracht werden. Beim Casting wird das
Folienpolymer in eine Form eingegossen und daraufhin thermisch oder durch UV-Bestrahlung gehärtet.
Alternativ kann die Kavität auch von einer zweidimensional ausgeformten Folie verschlossen werden, wobei in diesem Fall zwischen Halbleitersubstrat und Folie ein, insbesondere galvanisch aufgebauter, Abstandhalter (Rahmen) vorgesehen werden muss. Dieser Rahmen lässt sich bei Bedarf gleichzeitig mit der Galvanik der Durchkontakte realisieren, insbesondere durch etablierte Stanz-, Bohr-, Photolitographie/Ätz- und/oder Laserbohrprozesse.
In Weiterbildung der Erfindung ist mit Vorteil vorgesehen, dass die Folie zur Gewährleistung einer ausreichenden Hermitizität der Folie im Hinblick auf Feuchtigkeit und/oder Gas, insbesondere Sauerstoff, mindestens eine Metallschicht aufweist. Bevorzugt ist die Metallschicht dabei aus duktilem Kupfer ausgebildet. Es sind allerdings auch zusätzlich oder alternativ eine Vielzahl weiterer Metalle wie Nickel, Aluminium, Edelstahl, etc. als Metallschicht (en) einsetzbar. Das Metall sollte derart ausgewählt werden, dass es eine hohe Duktilität (Bruchdehnung) aufweist, einen niedrigen Ausdehnungskoeffizienten, von vorzugsweise geringer als 17 ppm/K und einen Schmelzpunkt von deutlich über 280°C. Besonders bevorzugt ist es zur Gewährleistung einer optimalen Hermitizität mindestens zwei Metallschichten vorzusehen, die bevorzugt die Polymerschicht sandwichartig zwischen sich aufnehmen. Ganz besonders bevorzugt sind die beiden Metallschichten dabei unmittelbar auf die Polymerschicht aufgebracht .
In Weiterbildung der Erfindung ist mit Vorteil vorgesehen, dass, vorzugsweise zusätzlich zu der mindestens einen, die Hermitizität der Folie verbessernden, Metallschicht eine, ggf. eine weitere Bondschicht unmittelbar kontaktierende, Metallschicht vorgesehen ist, um die Verkapselung mit dem Halbleitersubstrat, vorzugsweise mit einer Metallisierung des Halbleitersubstrates, auf eine vereinfachte Weise bonden zu können. Mit Vorteil kommt zum Bonden ein Thermokompressionsbondverfahren zum Einsatz, wobei es besonders bevorzugt ist, das Bondsystem, also sämtliche zum Boden beteiligte Schichten sowie den zum Einsatz kommenden Druck so abzustimmen, dass Bondtemperaturen von unter 280°C, vorzugsweise um 260°C realisierbar sind.
Ganz besonders bevorzugt erfolgt die Anbindung der Folie an das Halbleitersubstrat mit Hilfe eines sogenannten SLID- Bondprozesses (SLID = Solid-Liquid-Inter-Diffusion- Lötverfahren) . Hierdurch kann ein auf dem Halbleitersubstrat vorzusehender Bondrahmen (Metallisierung) sehr klein ausgestaltet werden. Die SLID- Bondtechnik zeichnet sich dadurch aus, dass sie eine Schicht aus niedrig schmelzendem Metall, beispielsweise Zinn, zwischen einer oberen und einer unteren Schicht aus höher schmelzendem Metall, beispielsweise Kupfer, aufgebracht und bei niedrigen Temperaturen aufgeschmolzen wird. Das bei höheren Temperaturen schmelzende Metall diffundiert nun in die obere und die untere Schicht, wobei sich eine höher schmelzende Legierung bildet und erstarrt. Bei weiteren Bond-/Lötprozessen wird somit ein Wiederaufschmelzen der Verbindung sicher verhindert.
Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei der die Foliendicke weniger als 200μm beträgt. Ganz besonders bevorzugt beträgt die Foliendicke weniger als 180μm, ganz besonders bevorzugt weniger als 160μm. Bevorzugt beträgt die Foliendicke etwa 120μm, oder darunter.
Zur Erhöhung der Steifigkeit der Folie ist es möglich, mindestens eine Versteifungsschicht, vorzugsweise aus Metall, ganz besonders bevorzugt aus galvanisch aufgebrachtem, Kupfer vorzusehen. Zusätzlich oder alternativ kann die Versteifungsschicht als Sandwich- Schicht (z.B.: Cu-Ni-Cu) realisiert werden.
Zusätzlich oder alternativ zu dem Vorsehen einer Versteifungsschicht ist es möglich, die Folie durch eine entsprechende dreidimensionale Formgebung zu versteifen. Hierzu kann/können beispielsweise mindestens eine Wölbung und/oder mindestens eine Wellenform und/oder eine eckige Sägezahnform und/oder mindestens eine in Richtung Halbleitersubstrat weisende, vorzugsweise polygonförmige konturierte, Einstülpung (Sicke) realisiert werden. Aus Montagegründen ist es vorteilhaft, die von den MEMS weg zeigende Seite der Verkapselung planar auszuführen. Auch ist es möglich, mindestens einen Anschlag für das Halbleitersubstrat vorzusehen, wobei unter einem Anschlag eine in Richtung Bauelementstruktur vorstehende, kleinflächige Erhebung zu verstehen ist, die ein zu großes Auslenken der Bauelementstruktur oder ein Anhaften der Bauelementstruktur am Foliedeckel verhindert.
In Weiterbildung der Erfindung ist mit Vorteil vorgesehen, dass zusätzlich zu mindestens einem Durchkontakt in die Folie mindestens eine, insbesondere als Zwischenschicht ausgebildete, Umverdrahtungsebene, vorzugsweise aus elektrisch leitendem Metall, integriert ist, über die mindestens zwei Anschlussbereiche des Halbleitersubstrates und/oder zwei äußere Kontakte elektrisch leitend miteinander verbunden werden können.
Die Erfindung führt auch auf ein MEMS (mikro-elektro- mechanisches-System) mit einer zuvor beschriebenen Verkapselung, die mindestens eine Polymerschicht und mindestens einen die Polymerschicht durchsetzenden Durchkontakt aufweist.
Ferner führt die Erfindung auf ein Verfahren zur Verkapselung einer empfindlichen mechanischen Bauelementstruktur auf einem Halbleitersubstrat mit den Schritten: Bereitstellen mindestens einer, vorzugsweise eine Kavität aufweisenden, Folie mit mindestens einer Polymerschicht und mindestens einem Durchkontakt; Relativpositionieren der Folie (relativ) zu dem Halbleitersubstrat und Bonden der Folie mit dem Halbleitersubstrat oder einer Beschichtung, vorzugsweise einem Bondrahmen, insbesondere einer Metallisierung, des Halbleitersubstrates. Als vorgelagerten Schritt ist vorzugsweise vorzusehen, die Kavität in die Folie einzuformen. Dies kann beispielsweise unmittelbar bei dem Herstellungsprozess der Folie, beispielsweise im Spritzgussverfahren, erfolgen, oder in einem nachgelagerten Verformungsschritt, insbesondere durch Tiefziehen und/oder Thermoumformen .
Ganz besonders bevorzugt ist es, wenn die Verkapselung bereits im Wafer-Stadium von MEMS durchgeführt wird, sodass eine Vielzahl von empfindlichen, mechanischen Bauelementstrukturen gleichzeitig verkapselt werden kann. Hierzu wird eine in ihrer Flächenerstreckung bevorzugt, zumindest näherungsweise, der Wafer-Flächenerstreckung entsprechende, Folie relativ zu dem Wafer, genauer zu den auf dem Wafer vorgesehenen Bauelementstrukturen, positioniert, woraufhin die Folie mit dem Wafer gebondet wird.
Nach dem Bondprozess erfolgt mit Vorteil die Aufteilung (Separierung) des Wafers (mit Folie) in eine Vielzahl von separaten MEMS, insbesondere Initialsensoren, wobei es realisierbar ist, die Folie und das Halbleitersubstrat gleichzeitig, beispielsweise durch Laserschneiden oder Sägen, zu durchtrennen, oder die Folie und den Wafer nacheinander, beispielsweise, indem die Folie mit Hilfe einer Säge oder eines Laserstrahls vorgeschnitten und in einem darauffolgenden Schritt das freigelegte Halbleitersubstrat durchtrennt wird. Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen. Diese zeigen in:
Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer verkapselten mechanischen Struktur mit einer zweidimensionalen
Folie, und
Fig. 2 ein zweites, alternatives Ausführungsbeispiel einer Verkapselung mit einer dreidimensional strukturierten Folie.
Ausführungsformen der Erfindung
In den Figuren sind gleiche Elemente und Elemente mit der gleichen Funktion mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet .
In Fig. 1 ist ein MEMS 1 (mikro-elektro-mechanisches- System) gezeigt. Das MEMS 1 umfasst ein Halbleitersubstrat 2 mit einer darauf ausgebildeten, empfindlichen, mechanischen Bauelementstruktur 3, die aus Halbleitermaterial ausgebildet ist. Die Bauelementstruktur 3 ist mit einer Verkapselung 4 vor mechanischen und sonstigen Umwelteinflüssen, wie Temperatur und Feuchtigkeit sowie Gas, geschützt. Die Verkapselung 4 umfasst eine als Mehrschichtfolie ausgebildete Folie 5. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Folie 5 zweidimensional ausgeformt und bildet zusammen mit einem auf dem Halbleitersubstrat 2 vorgesehenen, als Bondrahmen ausgebildeten, Abstandhalter 6 eine Kavität 7, die der Bauelementstruktur 3 ausreichend Bewegungsfreiraum gibt.
Die Folie 5 umfasst eine Polymerschicht 8, in dem gezeigten Ausführungsbeispiel aus LCP. Die Polymerschicht 8 ist auf beiden Flachseiten beschichtet mit einer ersten Metallschicht 9. Diese ist aus einer auf die Polymerschicht laminierten Kupfer-Folie ausgebildet und dient zum Optimieren der Hermitizität der von der Folie 5 verschlossenen Kavität 7. Auf den ersten Metallschichten 9 wiederum befindet sich jeweils eine weitere, nämlich zweite, Metallschicht 10, die in dem gezeigten Ausführungsbeispiel aus galvanisch verstärktem Kupfer ausgebildet ist. Mit Hilfe dieser zweiten Metallschicht 10 ist die Folie 5 auf der dem Halbleitersubstrat 2 zugewandten Seite unmittelbar über eine Bondschicht 11 mit dem Halbleitersubstrat 2 verbunden. Auf der von dem Halbleitersubstrat 2 abgewandten Seite der Folie 5 befinden sich auf der zweiten Metallschicht 10 in elektrisch voneinander isolierten Bereichen Lötkugeln 12 für eine FlipChip-Applikation . Zu erkennen ist, dass sich auf der von dem Halbleitersubstrat 2 abgewandten Seite der Folie 5 ein Lötstopplack 13 befindet, der teilweise auf der zweiten Metallschicht 10 und teilweise unmittelbar auf der Polymerschicht 8 aufgebracht ist. Die unmittelbare Kontaktierung der Polymerschicht 8 mit Lötstopplack 13 ergibt sich durch eine Strukturierung der ersten und der zweiten Metallschicht 9, 10 zum Herstellen elektrisch voneinander isolierter Bereiche. Innerhalb der Kavität 7 sind an der ersten Metallschicht 9 Abstandhalter 14 vorgesehen, die eine Auslenkbewegung der mechanischen Bauelementstruktur 3 begrenzen.
Wie sich aus Fig. 1 weiter ergibt, ist die Polymerschicht 8 der Folie 5 durchsetzt von sich senkrecht zum Halbleitersubstrat 2 erstreckenden Durchkontakten 15, die jeweils aus galvanisch verstärktem Kupfer ausgebildet sind. Die Durchkontakte 15 verbinden unmittelbar die Metallschichten 9, 10 auf beiden Seiten der Polymerschicht 8 miteinander und zwar in elektrisch voneinander isolierten Bereichen. Über die Bondschicht 11 sowie die Durchkontakte 15 ist das Halbleitersubstrat 2 bzw. sind nicht gezeigte elektrische und/oder elektronisch wirksame Bereiche bzw. Elemente des Halbleitersubstrates 2 elektrisch mit jeweils einer Lötkugel 12 verbunden.
In Fig. 2 ist ein alternativ aufgebautes MEMS gezeigt. Zu erkennen ist das Halbleitersubstrat 2 mit seiner empfindlichen, mechanischen Bauelementstruktur 3. Mit Abstand zu der Bauelementstruktur 3 ist unter Ausbildung einer Kavität 7 eine als Mehrschichtfolie realisierte Folie 5 fest mit dem Halbleitersubstrat 2 verbunden. Die Folie 5 ist beispielsweise durch Thermoformen oder Spritzgießen dreidimensional ausgeformt. Die Folie 5 umfasst wie in dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 eine Polymerschicht 8, die auf beiden Flachseiten mit einer ersten Metallschicht 9 versehen ist. Die erste Metallschicht 9 ist über eine Bondschicht 11 unmittelbar an dem Halbleitersubstrat 2 festgelegt. Auch bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 ist die Polymerschicht 8 durchsetzt von zwei senkrecht zum Halbleitersubstrat 2 verlaufenden Durchkontakten 15, die jeweils eine Lötkugel 12 elektrisch mit der dem Halbleitersubstrat 2 zugewandten ersten Metallschicht 9 elektrisch leitend verbinden, wobei das Halbleitersubstrat 2 bzw. nicht gezeigte elektrische und/oder elektronische Bereiche bzw. Elemente des Halbleitersubstrates 2 über die elektrisch leitende Bondschicht 11 mit der von dem Durchkontakten 15 kontaktierten erste Metallschicht 9 elektrisch leitend verbunden sind. Auch bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 sind die von den Durchkontakten 15 kontaktierten Bereiche der ersten Metallschicht 9 sowohl auf der dem Halbleitersubstrat 2 zugewandten Seite als auch auf der abgewandten Seite elektrisch durch eine entsprechende Strukturierung der ersten Metallschicht 9 voneinander isoliert.

Claims

Ansprüche
1. Verkapselung einer empfindlichen mechanischen Bauelementstruktur (3) auf einem Halbleitersubstrat (2) , mit einer die Bauelementstruktur (3) überdeckenden Folie (5) , die mindestens eine Polymerschicht (8) aufweist, wobei zwischen der Bauelementstruktur (3) und der Folie (5) mindestens eine Kavität (7) ausgebildet ist,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Folie (5) von mindestens einem Durchkontakt (15) durchsetzt ist.
2. Verkapselung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Folie (5) dreidimensional, die mindestens eine Kavität (7) für die Bauelementstruktur (3) bildend, ausgeformt ist.
3. Verkapselung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Folie (5) zweidimensional ausgeformt ist und vorzugsweise zusammen mit einem, insbesondere galvanisch aufgebauten, Abstandhalter (6, 14) die Kavität (7) bildet.
4. Verkapselung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Folie (5) mindestens eine erste, vorzugsweise unmittelbar eine Bondschicht (11) auf dem Halbleitersubstrat (2) kontaktierende, Metallschicht (9) , vorzugsweise zwei die Polymerschicht (8) sandwichartig einschließende erste Metallschichten (9) , zur Gewährleistung einer verbesserten Hermetizität der Folie (5) aufweist.
5. Verkapselung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Folie (5) mindestens eine, vorzugsweise unmittelbar eine Bondschicht (11) auf dem Halbleitersubstrat (2) oder unmittelbar das Halbleitersubstrat (2) kontaktierende, zweite Metallschicht (10) aufweist.
6. Verkapselung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Metallschicht (10) unmittelbar auf der dem Halbleitersubstrat (2) zugewandten Seite des Durchkontaktes (15) angeordnet ist.
7. Verkapselung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Folie (5) geringer als 200μm, vorzugsweise geringer als 180μm, bevorzugt geringer als 160μm ist.
8. Verkapselung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine die Steifigkeit der Folie (5) erhöhende, vorzugsweise als Metall- und/oder Sandwichschicht, ausgebildete Versteifungsschicht vorgesehen ist.
9. Verkapselung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Folie (5) mindestens eine die Steifigkeit erhöhende dreidimensionale Ausformung, insbesondere eine Wölbung und/oder eine Wellenform und/oder eine Einstülpung und/oder eine Sägezahnform und/oder einen Anschlag für das Halbleitersubstrat (2) aufweist .
10. Verkapselung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Folie (5) eine, insbesondere als Zwischenebene ausgebildete, Umverdrahtungsebene aufweist .
11. MEMS, insbesondere Inertialsensor, Drucksensor, Mikrospiegel oder Mikrophon, mit einer Verkapselung
(4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
12. Verfahren zum Verkapseln einer empfindlichen Bauelementstruktur (3) auf einem Halbleitersubstrat (2) mit den Schritten:
• Bereitstellen einer mindestens eine Polymerschicht (8) und mindestens einen die Folie
(5) durchsetzenden Durchkontakt (15) aufweisenden Folie (5) , • Relativpositionieren von Folie (5) und Halbleitersubstrat (2),
• Bonden der Folie (5) mit dem Halbleitersubstrat
(2) oder einer Beschichtung, insbesondere einer Metallisierung, des Halbleitersubstrates (2) .
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleitersubstrat (2) im Waferstadium mit der Folie (5) beschichtet wird.
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