Verkapselung für elektronische Bauelemente

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verkapselung für elektronische Bauelemente, insbesondere für mit akustischen Oberflächenwellen arbeitende Bauelemente -OFW-Bauelemente - nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Verkapselungen bzw. Gehäuse für elektronische Bauelemente, insbesondere auch für OFW-B uelemente für Hochfrequenzanwen¬ dungen, sind vorzugsweise hermetisch dicht ausgeführt und bestehen beispielsweise aus iner metallischen Kappe und einer metallischen Bodenplatte oder auch einem teilweise metallisierten Träger für das Bauelementesystem. Im Falle von OFW-Bauelementen ist unter Biuelementesystem generell ein piezoelektrisches Substrat mit darauf aufgebrachten bei- spielsweise Wandler, Resonatoren oder Reflektoren bildenden metallischen Strukturen sowie elektrischen Anschlüssen für diese metallischen Strukturen zu verstehen. Die metallischen Strukturen sind in der Regel nicht passivierbare Aluminium¬ strukturen. Nach dem Einbau in Metall- oder Metall/Keramik- gehäuse oder -verkapselung können auf den metallischen Struk¬ turen Kurzschlüsse auftreten, die von elektrisch leitenden metallischen Partikeln hervorgerufen werden. Diese Partikel können sich von der Innenseite der Kappe oder von den metal¬ lisierten Bereichen des Bauelementesystemträgers lösen. Weiterhin kann auch das Verlöten oder Verschweißen von Kappe und Bodenplatte oder Bauelementesystemträger eine Quelle für derartige leitfähige metallische Partikel sein, weil nicht vollständig zu vermeidende Löt- oder Schweißspritzer zu Kurzschlüssen auf den metallischen Bauelementestrukturen führen können. Schließlich können auch bei der Drahtkontak- tierung an den elektrischen Anschlüssen der metallischen Bauelementestrukturen metallische Partikel entstehen.

Das Problem von Kurzschlüssen durch leitfähige metallische Partikel der vorstehend erläuterten Art kann beispielsweise dadurch vermieden werden, daß entweder die Entstehung der Partikel vermieden wird, vorhandene Partikel entfernt werden oder solche Partikel an unschädlichen Stellen zuverlässig fixiert werden.

An Kappen und metallischen Bodenplatten werden die Partikel überwiegend bei der Herstellung der Kappen, etwa durch Abrieb beim Walzen oder im Tiefzieh- und Stanzwerkzeug gebildet. Mittels intensiver Reinigungsverfahren kann versucht werden, die Partikelzahl möglichst niedrig zu halten oder die Innen¬ seite der Kappen vor der Montage z. B. mit einem Polymer zu beschichten, das die Partikel bindet und fixiert. Polymerbe- schichtungen sind jedoch insofern nachteilig, als ihr Auf¬ bringen auf definierte Bereiche, z. B. bei eckigen Kappen, fertigungstechnisch schwierig ist, eine vollständige Be¬ schichtung der Innenoberfläche nicht möglich ist, weil Löt- oder Schweißränder und Bereiche der Wärmeeinflußzone beim Löten oder Schweißen frei bleiben müssen und Platzprobleme durch relativ dicke Schichten sowie Ausgasungen aus dem Polymer die Langzeitfunktionstüchtigkeit der Bauelemente beeinträchtigen.

Weiterhin können metallische Überzüge, beispielsweise aus Nickel, galvanisch oder stromlos (chemisch) aufgebracht werden, um Partikel in Kappen oder auf metallischen Boden¬ platten zu fixieren. Auch damit ist jedoch keine vollständige Partikelfreiheit zu realisieren.

Bei keramischen Bauelementesystemträgern ist vor allem an relativ scharfen Kanten ein Abbrechen oder Ablösen von Teil¬ chen der Metallisierung nicht vollständig zu vermeiden, selbst wenn der Bauelementesystemträger in dieser Hinsicht etwa durch Verrundung von Kanten oder ein Enden der Metalli¬ sierung vor den Kanten optimal ausgelegt wird.

Weiterhin ist auch eine Drahtkontaktierung nach heutigem Standard nicht vollständig abriebfrei zu realisieren.

Eine Passivierung der Bauelementestrukturen auf dem Substrat durch isolierende ausreichend dicke Schichten unmittelbar auf den Strukturen ist bei hochgenauen Bauelementen in der Regel nicht möglich, da selbst durch sehr dünne Schichten die Bauelementeeigenschaften ungünstig beeinflußt werden. Bei- spielsweise bei OFW-Bauelementen in Form von Bandpaßfiltern kann dies beispielsweise zu einer Verschiebung der Mittenfre¬ quenz oder einer Erhöhung der Bandbreite führen. Eine Kompen¬ sation der Eigenschaftsveränderung von Bauelementen durch unter diesen Gesichtspunkten angepaßte Strukturen ist nicht immer möglich, da nach heutigem Standard das Aufbringen von dünnen Schichten mit ausreichender Reproduzierbarkeit der Schichtdicke nur schwer gelingt.

Da - wie oben ausgeführt - Kurzschlüsse hervorrufende leitfähige metallische Partikel mit wirtschaftlich vertretba¬ rem Aufwand nicht vollständig zu vermeiden sind und eine direkte Passivierung der Bauelementestrukturen nur in Ausnahmefällen möglich ist, liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, bei elektronischen Bauelementen, insbesondere bei OFW-Bauelementen, die metallischen Bauelementestrukturen zuverlässig so gegen leitfähige metallische Partikel abzuschirmen, daß die elektrischen - und bei OFW-Bauelementen auch die akustischen - Eigenschaften nicht unzulässig beeinflußt werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Kappe durch eine auf dem Substrat vorgesehene Abdeckung gebildet ist, welche in Bereichen der Bauelementestrukturen diese aufnehmende Ausnehmungen besitzt. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteran¬ sprüchen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in den Figuren der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigt:

Figur l in schematischer Draufsicht einen Teil einer erfin¬ dungsgemäßen Verkapselung für ein OFW-Bauelement; Figur 2 eine schematische Schnittansicht des Bauelementes nach Figur 1; und

Figur 3 in schematischer Draufsicht ein Bauelement nach den Figuren 1 und 2 mit einer speziell für eine elektrische Kontaktierung strukturierten Abdeckschicht.

Bei dem in Figur 1 in schematischer Draufsicht dargestellten elektronischen Bauelement handelt es sich um ein OFW-Bauele- ment mit einem piezoelektrischen Substrat 1, auf dem metalli¬ sche Bauelementestrukturen 10 und 11 vorgesehen sind, wobei es sich beispielsweise um einen Interdigitalwandler 10 sowie Reflektoren 11 handelt. Derartige Strukturen sind an sich bekannt und werden daher hier nicht näher erläutert. Weiter- hin können in bestimmten Bereichen auf dem piezoelektrischen Substrat 1 in an sich bekannter Weise akustische Dämpfungs- massen 12 - sogenannte Besumpfungen - vorgesehen sein. Die vorstehend erläuterte Anordnung wird im eingangs beschriebe¬ nen Sinne hier als Bauelementesystem bezeichnet.

Zur Vermeidung der eingangs erläuterten schädlichen Einflüsse von elektrisch leitenden metallischen Partikeln ist erfin- dungsgemäß auf dem Bauelementesubstrat 1 eine Verkapselung vorgesehen, die gemäß dem Kern der Erfindung durch eine Abdeckung 13, 14, 15 (siehe dazu auch Figur 2) gebildet ist, welche in Bereichen der Bauelementestrukturen 10 bis 12 diese aufnehmende Ausnehmungen 16 ( siehe Figur 2) besitzt. Im Ausführungsbeispiel nach Figur 1 ist zwar der Träger 13 so ausgebildet, daß er sich am Außenrand des Substrats 1 befin- det. Dies ist jedoch erfindungsgemäß nicht zwingend erforder¬ lich. Beispielsweise kann der Träger 13 auch so ausgebildet

sein, daß die Besumpfungen 12 auch ganz oder teilweise außer¬ halb des Trägers 13 liegen.

In Weiterbildung der Erfindung ist diese Abdeckung (13, 14, 15) durch einen die Bauelementestrukturen 10 bis 12 umgeben¬ den Träger 13 auf dem Bauelementesubstrat 1 und eine auf den Träger aufgebrachte Abdeckschicht 15 gebildet, wobei der Träger 13 vorzugsweise als geschlossener Rahmen ausgebildet ist, so daß in vorteilhafter Weise eine geschlossene herme- tisch dichte Verkapselung entsteht. Der Abstand zwischen der Abdeckschicht 15 und den Strukturen 10 und 11 sollte so bemessen sein, daß die bestimmungsgemäße Funktion des Bauele¬ mentes im Gebrauch zu keinem Zeitpunkt beeinflußt wird. Der Träger 13 muß jedoch nicht notwendigerweise die Form eines geschlossenen Rahmens besitzen, sondern kann gegebenenfalls auch Durchbrüche enthalten, wodurch Teile der Substratober¬ fläche zugänglich werden.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung können zusätzlich zu dem aufrechten rahmenformigen Träger 13 auch noch Stützen 14 vorgesehen sein, welche zu mechanischen Lagerung der Abdeck¬ schicht 15 beitragen. Die Abdeckung 13, 14, 15 kann gemäß einer Ausführungsform der Erfindung durch eine Folie gebildet werden, die auf der Seite des Bauelementesubstrates 1 die Bauelementestrukturen 11, 12, 13 überspannende Vertiefungen 16 enthält. Dies kann durch Prägen, Tiefziehen oder partiel¬ len Materialabtrag der für die Abdeckung vorgesehenen Folie realisiert werden. Die so bearbeitete Folie kann dann bei¬ spielsweise durch Kleben, Schweißen oder Laminieren auf das Bauelementesubstrat 1 aufgebracht werden.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann die Abdeckung 13, 14, 15 durch einen mehrlagigen Verbund gebildet werden. Dazu kann zunächst ganzflächig eine erste Folie auf das Bauelementesubstrat ausgebildet werden, die durch mecha¬ nische Bearbeitung, beispielsweise Stanzen oder anderweitige Durchbrechung die Ausnehmungen 16 erhält. Damit entstehen

dann der aufrechte rahmenförmige Träger 13 sowie gegebenen¬ falls die Stützen 14. Die Abdeckschicht 15 kann dann in Form einer vorstrukturierten Folie oder eines Dünnglases bei¬ spielsweise durch Kleben oder Aufschmelzen auf den Träger 13 und die Stützen 14 aufgebracht werden.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird jedoch für den Träger 15, die Abdeckschicht 15 und gegebenen¬ falls die Stützen 14 ein durch Fototechnik strukturierbares Material verwendet. Dies kann beispielsweise ein Fotolack oder ein durch UV-Licht strukturierbares Material sein. Dieses Material wird dann sc belichtet, daß nach einem Ent¬ wicklungsschritt nur die Bauelementestrukturen 10, 11, 12 und weiterhin auch für die elektrische Kontaktierung dieser Bauelementestrukturen vorgesehene Flächen (siehe Figur 3) freiliegen.

Sodann wird auf den so hergestellten Träger 13 und gegebenen¬ falls die Stützen 14 eine Abdeckschicht 15 aufgebracht, die ebenfalls aus einem durch Fototechnik strukturierbaren Mate¬ rial der vorstehend genannten Art besteht. Dieses Material kann in Form einer festen Folie aufgebracht werden, die bei ausreichender Dicke der den Träger 13 und gegebenenfalls die Stützen 14 bildenden ersten Lage zusammen mit dieser die Auεnehmungen 16 bilden.

Durch Fotostrukturierung der Abdeckschicht 15 können zur Kontaktierung der Bauelementestrukturen 10 und 11 Bereiche 20 freigelegt werden, wie dies in der Draufsicht nach Figur 3 schematisch dargestellt ist. In diesen Bereichen 20 werden damit für eine Kontaktierung durch Bonden Kontaktierungspads 21 freigelegt.

Nach Fertigstellung der vorstehend erläuterten Abdeckung kann die Weiterverarbeitung des Bauelementes in an sich bekannter Weise erfolgen.

Weiterhin ist es für bestimmte Anwendungen von Vorteil, wenn über der Abdeckung eine KunststoffUmhüllung angeordnet ist, die bevorzugt aus einer Kunststoffolie besteht.

Das Verfahren zum Herstellen einer derartigen Verkapselung besteht darin, daß die Umhüllung des abgedeckten Substrats durch Tauchen, Sintern, Vergießen, Umspritzen oder Umpressen unter Verwendung von Kunststoffmassen auf der Grundlage von Reaktionsharzen oder geschmolzenen Thermoplasten hergestellt wird, wobei bevorzugt Werkstoffe für Abdeckung und Umhüllung verwendet werden, die aufgrund ihrer mechanischen Eigenschaf¬ ten, vorzugsweise ihres Ausdehnungs- und SchrumpfungsVerhal¬ tens nach Fertigstellung der Verkapselung die erforderliche Ausnehmung sicherstellen.

Die Herstellung eines Bauelements nach der Erfindung kann in folgender Weise geschehen.

Im Anschluß an die Waferfertigung erfolgt das Abdecken der Substrate (Chips) mit einer geeigneten Kunststoffolie, die im Bereich der Bauelementestrukturen Ausnehmungen aufweist. Daran schließt sich das Vereinzeln der Chips durch Sägen, Brechen o. dgl. an.

Anschließend erfolgt das Montieren der Chips und die Herstel- lung der elektrischen Zuführungen in bekannter Weise, indem die Chips auf Trägerstreifen oder Gehäuseteilen befestigt und z.B. mittels Bonddrähten kontaktiert werden. Die Kontaktie¬ rung mit Bonddrähten kann auch entfallen, wenn Kontaktfelder auf den Chips zugänglich gehalten werden (z.B. für eine spätere "Chip on Board"-Montage) oder wenn eine berührungslo- se Signalübertragung (z.B. Induktion) angewandt werden soll.

Nach diesen Verfahrensschritten erfolgt das (vollständige oder teilweise) Umhüllen der Chips durch übliche Verfahren wie Tauchen, Sintern, Vergießen, Umspritzen oder Umpressen mit Werkstoffen auf der Grundlage von Reaktionsharzen oder geschmolzenen Thermoplasten. Durch die Abdeckung, Vorzugs-

weise mit einer Kunststoffolie, wird dabei gewährleistet, daß die Flächen des Chips mit den Bauelementestrukturen mit der Umhüllmasse überhaupt nicht und mit der Abdeckung zumindest nicht bleibend in Kontakt kommen.

Wird die Umhüllmasse bei hinreichend kleinen Drücken verar¬ beitet, so erfährt die Abdeckung keine oder nur eine gering¬ fügige Verformung; hierbei wirkt das eingeschlossene Gaspol¬ ster zwischen Chip und Abdeckung unterstützend, da durch die Komprimierung dem Niederdrücken der Abdeckung entgegengewirkt wird.

Bei höheren Verarbeitungsdrücken ist ein Niederdrücken der Abdeckung bis auf die Chipoberfläche nicht mehr auszuschlie- ßen. Durch Verwendung geeigneter Werkstoffe für Abdeckung und Umhüllung sowie geeigneter Steuerung der Prozeßbedingungen wird jedoch erreicht, daß nach dem Erhärten der Umhüllmasse ein kleiner definierter Abstand (vorzugsweise im μm-Bereich) zwischen Chipoberfläche und Abdeckung ausgebildet wird. Dies ist insbesondere durch geeignete Variation und Kombination der mechanischen Eigenschaften der verwendeten Werkstoffe (unterschiedliche Längenausdehnungen bzw. -Schrumpfungen hervorgerufen beispielsweise durch Temperaturunterschiede und/oder chemische Reaktionen) möglich.

Die einzelnen Verfahrensschritte bei der Herstellung eines OFW-Bauelementes werden im folgenden Ausführungsbeispiel aufgezeigt.

• Metallisierung und Strukturierung des Wafers,

• Laminieren des Wafers mit einer UV-strukturierbaren Resistfolie,

• Belichten und Entwickeln zum Freilegen der späteren Hohl¬ räume und gegebenenfalls. Kontaktierflächen usw., • Laminieren der Abdecklage aus der gleichen Resistfolie auf die so erzeugte Basislage,

• Belichten und Entwickeln derart, daß der Hohlraum abge¬ deckt bleibt, aber gegebenenfalls, andere Stellen (Bondpadε, Sägelinien, Justiermarken) freiliegen

• Umpressen der auf ein "Leadframe" (Träger) geklebten Chips mittels eines üblichen Verfahrens.

Beim letzten Verfahrensschritt wird durch den Druck der heißen Preßmasse (ca. lOObar) die Abdeckfolie zunächst fast ganzflächig auf die Chipoberfläche niedergedrückt. Entschei- dend ist es nun, daß nach der Erfindung die Preßmasse beim Abkühlen von der Prozeßtemperatur weit weniger zur Chipober¬ fläche hin- als die Abdeckfolie von ihr wegschrumpft. In Verbindung mit einer guten Haftung der Preßmasse an der Abdeckfolie bildet sich so der gewünschte Hohlraum von eini- gen μm Höhe über der Chipoberfläche aus.

Es sei schließlich noch darauf hingewiesen, daß in der Ab¬ deckschicht 15 weiterhin Öffnungen 17 vorgesehen werden können, durch die Besumpfungen 12 der obengenannten und in Figur 1 dargestellten Art direkt eingegossen werden können.