DE19730914B4

DE19730914B4 - Mikroelektronik-Baugruppe

Info

Publication number: DE19730914B4
Application number: DE19730914A
Authority: DE
Inventors: John Redwood City O'Boyle
Original assignee: National Semiconductor Corp
Current assignee: National Semiconductor Corp
Priority date: 1996-07-29
Filing date: 1997-07-18
Publication date: 2006-08-10
Anticipated expiration: 2017-07-19
Also published as: KR980012300A; US5856914A; DE19730914A1; KR100248880B1

Abstract

Mikroelektronik-Baugruppe mit einem Substrat (12, 62, 84), das mit einer Mikrovorrichtung (14, 82) in Flip-Chip-Anordnung bestückt ist,
wobei das Substrat (12, 62, 84) die Mikrovorrichtung (14, 82) trägt und an der der Mikrovorrichtung (14, 82) zugewandten Seite (44, 64) mindestens einen elektrischen Leiter (48) aufweist,
welcher wenigstens ein elektrisches Verbindungsmittel (24, 26) kontaktiert, welches auf einer aktiven Fläche (18) der Mikrovorrichtung (14, 82), die sich auf der dem Substrat (12, 62, 84) zugewandten Seite befindet, angeordnet ist,
wobei das Substrat (12, 62, 84) an der der Mikrovorrichtung (14, 82) zugewandten Seite (44, 64) eine Öffnung (50, 66) aufweist,
wobei sich wenigstens eine von der aktiven Fläche (18) der Mikrovorrichtung (14, 82) nach außen vorstehende und von dieser getragene Komponente (40) wenigstens teilweise in die Öffnung (50, 66) erstreckt,
wobei das elektrische Verbindungsmittel (24, 26) außerhalb der Öffnung (50, 66) angeordnet ist, und wobei sich der...

Description

Die Erfindung betrifft eine Mikroelektronik-Baugruppe.
Zur weiteren Miniaturisierung integrierter Schaltungen werden in neuerer Zeit vermehrt oberflächenmontierte Bauelemente eingesetzt, da diese in einer elektrischen Baugruppe relativ wenig Grundfläche beanspruchen.

Aus "Silizium-Halbleitertechnologie", U. Hilleringmann, Stuttgart, Teubner, 1996, S. 246-248, ist eine Mikroelektronik-Baugruppe bekannt. Bei dieser sogenannten Flip-Chip-Anordnung weist ein Baustein auf einer Seite eine Reihe von Bondfeldern auf, auf welchen leitende Bondhöcker ausgebildet werden, um den Baustein elektrisch mit einem separaten Trageelement zu verbinden. Als Trageelement wird z.B. ein Substrat mit einem Muster elektrischer Anschlüsse zur Kontaktierung der jeweiligen Bondhöcker verwendet. Bei der Kontaktierung der elektrischen Anschlüsse durch die Bondhöcker wird ein Zerfließen der Bondhöcker bewirkt, so daß eine permanente Verbindung zu dem Substrat entsteht. Auf diese Weise wird der Baustein von dem Substrat getragen, ohne dieses zu kontaktieren, denn die Oberfläche des Bausteins, welche die Bondhöcker aufnimmt, ist flach ausgebildet und von dem gegenüberliegenden Trageelement beabstandet.

In neuerer Zeit wurden Bauelemente in Form von Mikrovorrichtungen entwickelt, welche nicht die übliche flache Bauform von Halbleiterbausteinen aufweisen. Solche Bauelemente sind z.B. mikrobearbeitete Halbleitermikrophone (siehe z.B. Sensors and Actuators A 45 (1994, S. 115-124) oder die in der GB 2 194 344 A und der US 5 332 469 A offenbarten Drucksensoren. Ein mikrobearbeitetes Halbleitermikrophon hat eine Brückenstruktur, welche die unbewegliche Platte des Kondensators bildet, während ein dünnes Siliciumdiaphragma als bewegliche Platte vorgesehen ist. Die Brückenstruktur ist auf der selben Oberfläche bzw. Außenseite angeordnet wie die Bondfelder des Mikrophons und steht von dieser deutlich nach außen vor, wodurch sich das Mikrophon und ähnlich aufgebaute Mikrovorrichtungen nur schwer in Flip-Chip-Anordnungen integrieren lassen.

Ferner ist aus der EP 0 718 885 A2 eine Mikroelektronik-Baugruppe mit einem Substrat bekannt, auf dessen Oberfläche Wannen zur Aufnahme von Mikrovorrichtungen vorgesehen sind. Die Mikrovorrichtungen können auf ihrer dem Substrat abgewandten Oberfläche empfindliche Strukturen aufweisen, welche von einer Schutzkappe mit einer Aussparung, die die empfindlichen Strukturen nicht berührt, umgeben sind. Hierbei wird die Schutzkappe mit auf der Oberfläche befindlichen Anschlüssen der Struktur insbesondere über Bondhöcker leitend verbunden, so daß die Anschlüsse durch die Schutzkappe hindurch auf deren mit der Oberfläche des Substrats ausgerichteten Oberfläche durchgeführt werden. Dort können sie über Verbindungseinrichtungen beispielsweise mit anderen, ebenfalls in Wannen eingesetzten Mikrovorrichtungen verbunden werden. Nachteilig ist hierbei die aufwendige Montage der Mikrovorrichtungen auf dem Substrat.

Aus der US 5 406 454 A ist die mechanisch genaue Positionierung eines Funktionsbausteins in Form einer eine elektrische Vorrichtung, z.B. einen Beschleunigungssenor, tragenden Leiterplatte in einem Produkt wie etwa einer Uhr bekannt. Hierzu werden die Leiterplatte in einen Träger eingesetzt und der Träger über Bohrungen mit dem Gehäuse der Uhr verschraubt. Vorsprünge entlang einer Kante der Leiterplatte werden mit einer Kante einer bodenseitigen Ausnehmung im Träger in Anschlag gebracht. Durch den Anschlag wird die Leiterplatte mit dem Träger genau ausgerichtet und in dieser Position mit Klebstoff daran befestigt. Es liegt eine nach außen vorstehende Komponente vor, die sich wenigstens teilweise in eine Öffnung erstreckt.

Aus der JP 0 7212180 A ist ein SMD-Baustein mit durch ein Gehäuse durchgeführten Anschlußbeinchen bekannt. Die Anschlußbeinchen sind im Gehäuse über Kontakthügel elektrisch mit einem Resonator verbunden.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Mikroelektronik-Baugruppe zu schaffen, in die auf einfache Weise Mikrovorrichtungen mit einer Brückenstruktur integrierbar und elektrisch anschließbar sind.

Diese Aufgabe wird entsprechend den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Hierdurch wird erreicht, daß Mikrovorrichtungen mit hervorstehenden Komponenten einfach und kostengünstig in Flip-Chip-Anordnungen integrierbar sind, wodurch Mikroelektronik-Baugruppen, die neben der Mikrovorrichtung weitere elektronische Bauteile beinhalten, durchgängig mit der Flip-Chip-Montagetechnik aufgebaut werden können.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung zu entnehmen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von in den beigefügten Abbildungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.
1 zeigt schematisch im Schnitt eine Mikroelektronik-Baugruppe.
2 zeigt schematisch in Draufsicht einen Teil der Mikroelektronik-Baugruppe aus 1.
3 zeigt schematisch in Draufsicht einen Teil eines Substrats der Mikroelektronik-Baugruppe aus 1.
4 zeigt schematisch im Schnitt ein zweites Ausführungsbeispiel.
5 zeigt schematisch im Schnitt ein drittes Ausführungs beispiel.
Die in 1 dargestellte Mikroelektronik-Baugruppe 10 umfaßt ein Substrat 12, das ein mikrobearbeitetes Kondensatormikrophon 14 trägt. Anstelle des oder in Ergänzung zu dem Kondensatormikrophon 14 können auch andere (Mikro-)Einrichtungen oder Unterbaugruppen, wie z.B. Drucksensoren oder Beschleunigungsmesser, vorgesehen sein.
Das Mikrophon 14 umfaßt nach 1 und 2 einen Chip 16 mit einer aktiven Fläche 18. Der Chip 16 besteht typischerweise aus Halbleitermaterial, z.B. aus kristallinem Silicium. Im Chip 16 kann – angrenzend an die aktive Fläche 18 – eine integrierte Schaltungsanordnung 20 ausgebildet sein, die aktive und/oder passive Komponenten umfassen kann. Alternativ kann die integrierte Schaltungsanordnung 20 in einem separaten, aktiven Chip (nicht dargestellt) ausgebildet sein, der von dem Substrat 12 getragen wird, welches an das Mikrophon 14 angrenzt. Falls aktive Komponenten vorgesehen sind, kann ein von dem Diaphragma abgeleitetes Audiosignal in vorgegebener Weise von der integrierten Schaltungsanordnung 20 verstärkt und/oder verarbeitet werden. Die aktive Fläche 18 weist eine Anordnung elektrischer Leiterbahnen 22 auf, die in einer Anzahl von Bondinseln 24 enden. Auf den Bondinseln 24 ist eine Anzahl elektrisch leitender Bondhöcker 26 ausgebildet. Die Bondhöcker 26 weisen eine vorgegebene Höhe d1 auf und bestehen z.B. aus Gold oder anderen Materialien, die fließfähig und zur Ausbildung einer Bondverbindung mit den Bondinseln 24 und mit geeigneten Komponenten des Substrats 12 geeignet sind.
Der Chip 16 begrenzt ein dünnes und flexibles Siliciumdiaphragma (Membran) 28, das aufgrund einer geeigneten Dotierung, beispielsweise mit Bor 29, leitend ist. Eine Außenseite 30 des Diaphragmas 28 bildet den Grund einer Ausnehmung 32, die beispielsweise durch chemische Bearbeitung von einer Außenseite 34 des Chips 16, welche der aktiven Fläche 18 gegenüberliegt, nach unten hin ausgebildet wird. Die weitere Außenseite 36 des Diaphragmas 28 bildet einen Teil der aktiven Fläche 18 und ist zu dieser koplanar. Auf der aktiven Fläche 18 ist eine Brückenstruktur 40 angeordnet, welche von der aktiven Fläche 18 um eine Distanz d2 nach außen hin vorsteht und mit dem Diaphragma 28 einen Kon densator bildet. Dabei bildet das Diaphragma 28 die bewegliche Platte des Kondensatormikrophons 14. Die Brückenstruktur 40 wird typischerweise durch Elektroplattierung unter Verwendung eines elektrisch leitenden Materials, wie Gold, ausgebildet. Gegenüber dem Diaphragma 28 ist in der Brückenstruktur 40 eine Anzahl von Perforationen 42 ausgebildet, so daß akustische Energie durch die Perforationen 42 hindurchtreten und dadurch auf das Diaphragma 28 auftreffen kann, so daß akustische Energie freigegeben werden kann, die von der gegenüberliegenden Seite des Diaphragmas 28 übertragen wird.
Die Brückenstruktur 40 ist elektrisch mit einem Ende einer Leiterbahn 22a und das elektrisch leitende Diaphragma 28 mit einem Ende einer Leiterbahn 22b verbunden. Das andere Ende der Leiterbahn 22a ist mit einem Bondhöcker 26a verbunden, und das andere Ende der Leiterbahn 22b kann mit der integrierten Schaltungsanordnung 20 verbunden sein. Die Leiterbahn 22a kann über einen Bondhöcker 26a geerdet sein, um einerseits die Brückenstruktur 40 zu erden und um andererseits ein Erdpotential für die Schaltungsanordnung 20 zu schaffen. Ein Bondhöcker 26b kann mit der Schaltungsanordnung 20 über eine Bondinsel 24b elektrisch verbunden sein. Die Leiterbahn 22b wird gegen die Brückenstruktur 40 durch eine Isolierschicht 43 isoliert. Damit ist der Ausgang des Mikrophons 14 durch elektrische Verbindung zwischen den Bondhöckern 26a und 26b abgreifbar. Die Leiterbahnen 22c und 22d können dazu verwendet werden, um den aktiven Komponenten der Schaltungsanordnung 20 Versorgungsspannungen zuzuführen.
Eine Außenseite 44 des Substrats 12 trägt eine Anzahl elektrischer Leiter, im folgenden elektrische Anschlüsse 48a-f genannt, die derart ausgebildet sind, daß ein Ende jedes Anschlusses 48a-f an eine Öffnung 50 angrenzt, welche sich als Durchgangsloch von der Außenseite 44 zur anderen Außenseite 46 erstreckt. Die anderen (nicht dargestellten) Enden der Anschlüsse 48 sind elektrisch entweder an andere (nicht dargestellte) Komponenten angeschlossen, die ebenfalls von dem Substrat 12 getragen werden, oder sie dienen zum externen elektrischen Anschluß der gesamten Mikroelektronik-Baugruppe 10. Im vorliegenden Fall ist der Anschluß 48a geerdet, während über den leitenden Bondhöcker 26b und die zugehörige Leiterbahn 22b am Anschluß 48b das Ausgangssignal des Mikrophons 14 anliegt. Die Anschlüsse 48c und 48d stehen mit den leitenden Bondhöckern 26c bzw. 26d in Vebindung, um einer gegebenenfalls vorgesehenen integrierten Schaltungsanordnung 20 geeignete Versorgungsspannungen zuzuführen. 3 zeigt ferner, daß sich die Anschlüsse 48e und 48f von der Öffnung 50 aus nur über eine kurze Distanz erstrecken. Sie dienen lediglich dazu, mit den leitenden Bondhöckern 26e bzw. 26f eine Bondverbindung einzugehen, um so dem Mikrophon 14 ergänzenden Halt zu geben. Durch optionale weitere Anschlüsse und Bondhöcker kann der Halt des Mikrophons 14 für spezielle Anwendungen weiter erhöht werden. Das Substrat 12 kann aus verschiedensten Materialien bestehen, beispielsweise aus Aluminiumoxid oder einer anderen geeigneten Keramik. Die Anschlüsse 48 können gedruckt oder als Bondinseln ausgebildet sein.
Das in 1 gezeigte Mikrophon 14 wird mit seiner Brückenstruktur 40 oberflächenmontiert Flip-Chip-artig getragen, wobei die aktive Fläche 18 des Mikrophons 14 dem Substrat 12 gegenüberliegt. Der Halt des Mikrophons 14 wird durch die leitenden Bondhöcker 26 sichergestellt, welche sowohl in direktem physikalischen als auch in direktem elektrischen Kontakt mit den Anschlüssen 48 (elektrischen Leiterbahnen) auf dem Substrat 12 stehen. Zwischen zusammengehörigen Bondhöckern 26 und Anschlüssen 48 werden elektrische Verbindungen gebildet, da das Material, aus welchem die Bondhöcker bestehen, bei der Herstellung teilweise zerfließt. In der dargestellten Ausrichtung und Orientierung erstreckt sich die Brückenstruktur 40 von der aktiven Fläche 18 des Chips 16 ungefähr um die Distanz d2 nach unten. Da die Bondhöcker 26 von der aktiven Fläche 18 ungefähr um die Distanz d1 vorstehen, erstreckt sich die Brückenstruktur 40 um etwa die Distanz d3 = d2 – d1in einer Weise in die Öffnung 50, die bisher bei Flip-Chip-Anordnungen nicht realisiert wurde. Bei dem Ausführungsbeispiel der 1 kann die Brückenstruktur 40 vollständig durch die Öffnung 50 des Substrats 12 vorstehen (nicht dargestellt), ohne daß zwischen dem Substrat 12 und der Brückenstruktur 40 eine Verbindung entsteht. Alternativ können die Bondhöcker 26 durch andere elektrische Verbindungen ersetzt werden, bei spielsweise durch Leitersäulen oder andere längliche Leiterelemente. Hier ist die Höhe der Bondhöcker 26 oder entsprechender anderer Verbindungsmittel im Hinblick auf einen zu verhindernden Kontakt zwischen vorstehenden Teilen des Mikrophons 14 und dem Substrat 12 im Vergleich zur herkömmlichen Flip-Chip-Anordnung weniger kritisch, da die Öffnung 50 entsprechend zur Höhe der Bondhöcker 26 ausbildbar ist. Die optimale Höhe der Bondhöcker 26 kann dabei auch durch weitere Auslegungsanforderungen bestimmt sein.
4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Mikroelektronik-Baugruppe 60, die ein mikrobearbeitetes Kondensatormikrophon 14 entsprechend 1 bis 3 mit einem Substrat 62 umfaßt, welches auf einer Außenseite 64 die elektrischen Anschlüsse 48 trägt. Hierbei ist jedoch in dem Substrat 62 eine Öffnung 66 mit einem Boden 68 vorgesehen, der um eine Distanz d4 zur Außenseite 64 beabstandet ist und eine Seitenwand 69 umfaßt. Vom Boden 68 erstreckt sich eine Reihe von Durchtrittslöchern 70 zur gegenüberliegenden Seite 72 des Substrats 62 derart, daß durch die Durchtrittslöcher 70 Schallenergie auf das Diaphragma 28 auftreffen kann. Diese Ausbildung des Substrats 62 bietet im Vergleich zum Ausführungsbeispiel der 1 einen deutlich erhöhten Schutz der Brückenstruktur 40 z.B. für Anwendungen, in welchen die Brückenstruktur 40 Stößen ausgesetzt sein kann. Die Brückenstruktur 40 erstreckt sich wiederum um eine Distanz d3 in die Öffnung 66, so daß die Tiefe d4 der Öffnung 66 um einen Betrag d5 = d4 – d3größer sein muß als d3, damit die Brückenstruktur 40 um den Betrag d5 oberhalb des Bodens 68 liegt. Die Brückenstruktur 40 berührt auf diese Weise weder den Boden 68 noch die Seitenwand 69 des Substrats 62. Alternativ kann die Seitenwand 69 auch geneigt verlaufen, und der Boden 68 kann uneben ausgebildet sein und/oder irgendein geeignetes Profil (nicht dargestellt) haben, das durch die Geometrie der zu tragenden Mikroelektornik-Baugruppe 60 bestimmt wird.
5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Mikroelektronik-Baugruppe 80 mit einem Druckwandler 82, der von einem Substrat 84 getragen wird. Der Aufbau des Druckwandlers 82 ist im wesentlichen mit dem vorstehend beschriebenen Kondensatormikrophonaufbau identisch, und das Substrat 84 entspricht im wesentlichen dem Substrat 62 der 4, wobei aber in der an das Substrat 84 angrenzenden Brückenstruktur 40 keine Durchgangslöcher 70 ausgebildet sein müssen. Um den Druckwandler 82 herum ist ein Dichtring 86 derart angeordnet, daß ein abgedichteter Raum 88 entsteht, um die Außenseite 36 des Diaphragmas 28 vom Umgebungsdruck zu trennen. Der Raum 88 kann entsprechend dem jeweiligen Anwendungszweck geformt sowie evakuiert oder mit Druck beaufschlagt sein. Im Betrieb bewirken Druckänderungen in der Umgebung der Anordnung 80 Auslenkungen des Diaphragmas 28, wodurch sich die Kapazität zwischen dem Diaphragma 28 und der Brückenstruktur 40 ändert, was als Indikator für Druckänderungen nutzbar ist. Die Mikroelektronik-Baugruppe 80 mißt eine absolute Druckdifferenz zwischen der umgebenden Umwelt und dem abgedichteten Raum 88. Für Eich- oder Durchflußmessungen kann der Dichtring 86 auch weggelassen werden. Die Brückenstruktur 40 ragt um eine Distanz d3 in die Öffnung 66, so daß sie das Substrat 84 weder am Öffnungsboden 68, der Seitenwand 69 noch an einer anderen Stelle kontaktiert.

Claims

Mikroelektronik-Baugruppe mit einem Substrat (12, 62, 84), das mit einer Mikrovorrichtung (14, 82) in Flip-Chip-Anordnung bestückt ist, wobei das Substrat (12, 62, 84) die Mikrovorrichtung (14, 82) trägt und an der der Mikrovorrichtung (14, 82) zugewandten Seite (44, 64) mindestens einen elektrischen Leiter (48) aufweist, welcher wenigstens ein elektrisches Verbindungsmittel (24, 26) kontaktiert, welches auf einer aktiven Fläche (18) der Mikrovorrichtung (14, 82), die sich auf der dem Substrat (12, 62, 84) zugewandten Seite befindet, angeordnet ist, wobei das Substrat (12, 62, 84) an der der Mikrovorrichtung (14, 82) zugewandten Seite (44, 64) eine Öffnung (50, 66) aufweist, wobei sich wenigstens eine von der aktiven Fläche (18) der Mikrovorrichtung (14, 82) nach außen vorstehende und von dieser getragene Komponente (40) wenigstens teilweise in die Öffnung (50, 66) erstreckt, wobei das elektrische Verbindungsmittel (24, 26) außerhalb der Öffnung (50, 66) angeordnet ist, und wobei sich der mindestens eine elektrische Leiter (48) auf der der Mikrovorrichtung (14, 82) zugewandten Seite (44, 64) zum Kontaktieren des Verbindungsmittels (24, 26) von der Öffnung (50, 66) weg erstreckt.
Mikroelektronik-Baugruppe nach Anspruch 1, wobei die Öffnung (50) des Substrats (12) durchgehend ausgebildet ist.
Mikroelektronik-Baugruppe nach Anspruch 1, wobei die Öffnung (66) des Substrats (62, 84) einen Boden (68) aufweist, der eine vorgegebene Distanz zur Außenseite (64) hat.
Mikroelektronik-Baugruppe nach Anspruch 3, wobei der Boden (68) mit wenigstens einer, insbesondere einer Vielzahl von Durchtrittsöffnungen (70) versehen ist.
Mikroelektronik-Baugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das wenigstens eine elektrische Verbindungsmittel (24, 26) eine Reihe von Bondinseln (24) umfaßt, die auf der aktiven Fläche (18) angeordnet sind, wobei auf jeder Bondinsel (24) ein Bondhöcker (26) angeordnet ist, der die zugehörige Bondinsel (24) elektrisch kontaktiert.
Mikroelektronik-Baugruppe nach Anspruch 5, wobei die Mikrovorrichtung (14, 82) auf dem Substrat (12, 62, 84) allein durch die Bondhöcker (26) gehalten wird.
Mikroelektronik-Baugruppe nach einem der Ansprüche 5 oder 6, wobei die Bondhöcker (26) wenigstens teilweise aus Gold bestehen.
Mikroelektronik-Baugruppe nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei die Bondhöcker (26) so hoch sind, daß nach dem Anbringen der Mikrovorrichtung (14, 82) auf dem Substrat (12, 62, 84) die in die Öffnung (50, 66) ragende Komponente (40) das Substrat (12, 62, 84) nicht kontaktiert.
Mikroelektronik-Baugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Mikrovorrichtung (14, 82) ein Wandler und die Komponente (40) eine Brücke für den Wandler ist.
Mikroelektronik-Baugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Mikrovorrichtung (14) ein Mikrophon ist.
Mikroelektronik-Baugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Mikrovorrichtung (82) ein Drucksensor ist.