HUESGEN, Marc (78 Lorong K Telok, Kurau #05-01, Singapore 1, 42570, SG)
LEE, Kim Choong (686D Choa Chu, Kang Crescent #12-270, Singapore 6, 68468, SG)
HUESGEN, Marc (78 Lorong K Telok, Kurau #05-01, Singapore 1, 42570, SG)
| Modul mit • einem Trägersubstrat (6), das eine elektrische Verdrahtung aufweist, und • einem in Flip-Chip-Technik auf dem Trägersubstrat (6) montierten Bauelementchip (1), der auf seiner zum Trägersubstrat (6) weisenden Oberfläche (2) Bauelementstrukturen (3), einen Stützrahmen (4) und Stützelemente (5) aufweist, wobei die Stützelemente (5) eine elektrische Verbindung zwischen den Bauelementstrukturen (3) und der elektrischen Verdrahtung des Trägersubstrats (6) herstellen und wobei die Höhe der Stützelemente (5) und die Höhe des Stützrahmens (4) übereinstimmen. Modul gemäß Anspruch 1, bei dem der Stützrahmen (4) mit dem Trägersubstrat (6) verlötet ist. Modul gemäß einem der Anspruch 1 oder 2, bei dem eine Verkapselungsschicht (10) den Bauelementchip (1) und das Trägersubstrat (6) bedeckt. Modul gemäß einem der Ansprüche 1-3, bei dem ein Hohlraum (11) zwischen Stützrahmen (4), Bauelementchip (1) und Trägersubstrat (6) eingeschlossen ist . Modul gemäß einem der Ansprüche 1-4, bei dem der Stützrahmen (4) und die Stützelemente (5) im Wesentlichen aus Metall bestehen. 6. Modul gemäß einem der Ansprüche 1-5, bei dem es sich bei dem Bauelementchip (1) um einen SAW- Filter-Chip oder einen MEMS-Chip handelt. Verfahren zur Herstellung eines Moduls, • bei dem ein Trägersubstrat (6) mit einer elektrische Verdrahtung vorgesehen wird, • bei dem zumindest ein Bauelementchip (1), der auf seiner zum Trägersubstrat (6) weisenden Oberfläche (2) Bauelementstrukturen (3) aufweist, vorgesehen wird, • bei dem auf der zum Trägersubstrat (6) weisenden Oberfläche (2) des Bauelementchips (1) in einem gemeinsamen Verfahrensschritt ein Stützrahmen (4) und Stützelemente (5) erzeugt werden, die in ihrer Höhen übereinstimmen, und • bei dem der Bauelementchip (1) im Flip-Chip- Verfahren auf das Trägersubstrat (6) montiert wird, wobei über die Stützelemente (5) eine elektrische Verbindung zwischen den Bauelementstrukturen (3) und der elektrischen Verdrahtung des Trägersubstrats (6) hergestellt wird. Verfahren gemäß Anspruch 7, bei dem auf das Trägersubstrat (6) eine Metallisierungsschicht aufgebracht ist und Bereiche der Metallisierungsschicht zu Anschluss- oder Kontaktflächen (8) strukturiert werden. 9. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 7 oder 8, bei dem auf dem Bauelementchip (1) eine metallische Wachstumsschicht aufgebracht wird. 10. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 7 oder 8, bei dem auf dem Bauelementchip (1) zur Herstellung des Stützrahmens (4) und der Stützelemente (5) eine den Stützrahmen (4) und die Stützelemente (5) aussparende Abformmaske - Galvanikresist - lithographisch erzeugt wird, bei dem die metallische Wachstumsschicht galvanisch verstärkt wird, und bei dem die Abformmaske entfernt wird. 11. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 7-10, bei dem die Stützelemente (5) und der Stützrahmen (4) durch ein mechanisches Verfahren planarisiert werden. 12. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 7-11, bei dem der Stützrahmen (4) mit dem Trägersubstrat (6) verlötet wird, wobei ein Hohlraum (11) zwischen Stützrahmen (4), Bauelementchip (1) und Trägersubstrat (6) eingeschlossen wird. 13. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 7-12, bei dem eine Verkapselungsschicht (10) auf den Bauelementchip (1) und das Trägersubstrat (6) großflächig aufgebracht wird. 14. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 7-12, bei dem auf dem Trägersubstrat (6) weitere elektrische Bauelemente aufgebracht werden und bei dem eine Verkapselungsschicht (10) auf den Bauelementchip (1), den weiteren elektrischen Bauelementen und das Trägersubstrat (6) großflächig aufgebracht wird. 15. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 7-14, bei dem es sich bei dem Bauelementchip (1) um einen SAW- Filter-Chip handelt. |
Modul und Herstellungsverfahren Die Erfindung betrifft ein Modul, bei dem ein Bauelementchip im Flip-Chip-Verfahren auf einem Trägersubstrat aufgebracht ist .
Bei dem Bauelementchip handelt es sich insbesondere um einen SAW-Filter-Chip, der auf seiner Oberfläche empfindliche
Bauelementstrukturen aufweist. Diese Bauelementstrukturen sind mechanisch empfindlich und können beispielsweise durch einen Hohlraum geschützt werden. Dazu könnte beispielsweise ein Gehäuse des Bauelementchips dienen.
Für solche Bauelemente ist beispielsweise aus
DE 10 2006 025 162 B3 eine Bauelementverkapselung bekannt, bei der ein die Bauelementstrukturen tragender Bauelementchip in Flip-Chip-Technik mit Hilfe von Bump-Verbindungen auf einem Trägersubstrat montiert und im Abstand zum
Trägersubstrat über diesem angeordnet ist. Dabei wird auf der Oberfläche des Trägersubstrats ein Rahmen ausgebildet, der auf der Oberfläche des Bauelementchips aufliegt oder einen schmalen Spalt belässt und so einen die Bauelementstrukturen aufnehmenden Hohlraum ausbildet. Der Hohlraum ist nach außen durch ein Dichtmaterial abgedichtet. Zusätzlich sind
Stützelemente vorgesehen, die den Bauelementchip mechanisch stützen und auch elektrische Verbindungen zwischen
Bauelementchip und Trägersubstrat herstellen.
Des Weiteren ist aus DE 10 2007 025 992 AI ein MEMS-Package bekannt, bei dem auf einem Substrat ein Stützrahmen
aufgebracht ist. In einem alternativen Ausführungsbeispiel wird diese Rahmenstruktur auf dem Chip selbst aufgebracht. Die elektrischen Verbindungen zwischen Bauelementchip und Trägersubstrat erfolgen über Bumps .
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Modul
anzugeben, das einfach herzustellen ist und bei dem auf
Chip angeordnete Bauelemente nicht durch ein separates
Gehäuse geschützt werden müssen . Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Modul mit dem Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Anspruch 8 betrifft ein Herstellungsverfahren für ein erfindungsgemäßes Modul.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der weiteren Ansprüche.
Es wird ein Modul vorgeschlagen, welches einen in Flip-Chip- Technik auf einem ein- oder mehrschichtigen Trägersubstrat aufgebrachten Bauelementchip umfasst. Auf seiner zum
Trägersubstrat weisenden Oberfläche weist dieser
Bauelementchip Bauelementstrukturen, einen Stützrahmen und Stützelemente auf. Ferner wird durch die Stützelemente und/oder den Stützrahmen eine elektrische Verbindung zwischen den Bauelementstrukturen des Bauelementchips und dem
Trägersubstrat hergestellt. Die Stützelemente und der
Stützrahmen werden in einem gemeinsamen Verfahrensschritt auf der Oberfläche des Bauelementchips hergestellt, so dass sich bei der Herstellung die Höhen der Stützelemente und des
Stützrahmens leicht so einrichten lassen, das sie
übereinstimmen .
Bei dem erfindungsgemäßen Modul ist es möglich, in einem einzigen oder mehreren Verfahrensschritten einen oder mehrere Bauelementchips in Flip-Chip-Technik auf dem Trägersubstrat aufzubringen, diese mit dem Trägersubstrat elektrisch zu verbinden und zwischen Chip und Oberfläche des
Trägersubstrats einen abgeschlossenen Hohlraum auszubilden, Auf dem Trägersubstrat können neben dem in Flip-Chip-Technik aufgebrachten Bauelementchip noch weitere Bauelemente
angeordnet sein.
Die elektrische Verbindung zwischen dem Bauelementchip und dem Trägersubstrat erfolgt durch Stützelemente, die auf der Oberfläche des Chips aufgebracht sind.
In einer Ausgestaltung der Erfindung ist auch der Stützrahmen mit dem Trägersubstrat mechanisch fest verbunden und z. B. verlötet. Das Verlöten des Stützrahmens mit dem
Trägersubstrat dient hauptsächlich einer mechanischen
Befestigung des Stützrahmens. Dabei ist es aber in der Regel auch möglich, dass der Rahmen mit Masse verbunden ist.
Ist der Bauelementchip mit dem Trägersubstrat verbunden, so bildet der Stützrahmen einen Hohlraum aus, in dem die
Bauelementstrukturen gegen äußere Einflüsse geschützt sind. Unter einer Bauelementstruktur versteht man im Sinne dieser Anmeldung insbesondere eine mikroelektromechanische
Komponente (MEMS Bauelement) und/oder mit akustischen Wellen arbeitende elektroakustische Bauelementstrukturen,
beispielsweise einen mit akustischen Volumenwellen
arbeitenden Resonator oder einen mit akustischen
Oberflächenwellen arbeitenden Wandler - SAW Wandler.
Mikroelektromechanische Komponenten können Sensoren und
Aktoren umfassen, die in der Regel mechanisch empfindlich sind oder für ihre Funktion im verkapselten Zustand beweglich bleiben müssen. Um die Bauelemente noch besser zu schützen, sind der
Bauelementchip sowie der Modulträger großflächig mit einer Verkapselungsschicht bedeckt. Bei dieser Verkapselungsschicht handelt es sich beispielsweise um eine Glob Top-Masse. Diese kann ein flüssig verarbeitbares und thermisch härtbares Harz umfassen, z. B. auf Epoxidbasis.
Vorzugsweise bestehen die Stützelemente sowie der Stützrahmen im Wesentlichen aus Metall, insbesondere aus Kupfer. An ihren dem Trägersubstrat zugewandten Enden kann zusätzlich
Lötmaterial aufgebracht sein.
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines oben beschriebenen Moduls. Erfindungsgemäß werden dabei ein Stützrahmen und Stützelemente auf der zum Trägersubstrat weisenden Oberfläche des Bauelementchips in einem gemeinsamen Verfahrensschritt erzeugt, sodass ihre Höhen übereinstimmen. Da Stützrahmen und Stützelemente in ihren Höhen aufeinander abgestimmt sind, kann sich bei der Verbindung mit der planen Oberfläche des Trägersubstrats ein hermetisch abgedichteter Hohlraum ausbilden. Der
Bauelementchip wird im Flip-Chip-Verfahren auf das
Trägersubstrat montiert, wobei über die Stützelemente eine elektrische Verbindung zwischen den Bauelementstrukturen und der elektrischen Verdrahtung des Trägersubstrats hergestellt wird .
Das Trägersubstrat weist eine integrierte elektrische
Verdrahtung auf. Dazu kann es mehrlagig ausgebildet sein, wobei auf zwischen und unter einzelnen Lagen eines mechanisch stabilen und elektrisch isolierenden Materials strukturierte Metallisierungsebenen vorgesehen sind, die eine entsprechende Verdrahtung realisieren. Die einzelnen Metallisierungsebenen sind über vorzugsweise gegeneinander versetzte
Durchkontaktierungen miteinander verbunden, so dass ein elektrischer Kontakt für auf der Oberfläche des
Trägersubstrats aufgebrachte metallische Anschlussflächen und auf der Unterseite des Trägersubstrats angeordnete
Außenkontakte hergestellt ist.
In den Metallisierungsebenen kann die Metallisierung zudem zu passiven elektrischen Komponenten wie Widerständen,
Induktivitäten und Kapazitäten strukturiert sein, die
zusammen eine Schaltung oder einen Teil einer Schaltung realisieren. Die Schaltung ist vorzugsweise mit dem
Bauelementchip verbunden und wirkt mit diesem zusammen. Als mechanisch stabiles Material ist ein insbesondere
hochgefülltes Kunststoffmaterial mit geringer Wasseraufnahme, geringer Gaspermeabilität und einem anpassbaren thermischen Ausdehnungskoeffizienten (z. B. LCP (liquid crystal polymer) ) oder eine Keramik, wie insbesondere eine HTCC (high
temperature cofired ceramic) oder eine LTCC (low temperature cofired ceramic) geeignet.
Die Anschlussmetallisierungen auf der Oberseite des
Trägersubstrats weisen eine löt- oder bondbare Oberfläche auf, insbesondere eine UBM-Metallisierung (under bump
metallization) . Bereiche dieser Metallisierungsschicht werden zu Anschluss- oder Kontaktflächen strukturiert.
In einer Ausgestaltung des Verfahrens wird auf der Oberfläche des Trägersubstrats eine metallische Wachstumsschicht oder Seedlayer für eine spätere Metallisierung aufgebracht, beispielsweise stromlos oder in einem PVD-Verfahren . Über dieser Wachstumsschicht wird ein galvanostabiler Resist aufgebracht und entsprechend der gewünschten Struktur des Stützrahmens und der Stützelemente strukturiert, z. B.
mittels Laserlithographie. Bei nicht verzogenem
Trägersubstrat kann auch über eine Maske photolithographisch belichtet werden.
Im nächsten Schritt wird die Wachstumsschicht galvanisch verstärkt, beispielsweise durch galvanisches Abscheiden von Kupfer. Als Deckschicht kann noch eine Passivierungsschicht auf das Kupfer aufgebracht werden, beispielsweise aus Nickel.
Anschließend kann ein Planarisierungsverfahren durchgeführt werden, bei dem die Oberflächen des Galvanikresists und der verstärkten Wachstumsschicht so weit abgetragen werden, bis eine insgesamt plane Oberfläche erzeugt ist. Anschließend wird der Galvanikresist entfernt und die darunter liegenden Reste der Wachstumsschicht weggeätzt.
Durch die Planarisierung entsteht auf dem Bauelementchip ein Stützrahmen und Stützelemente mit einer planen Oberfläche, so dass diese bündig oder nahezu bündig mit der ebenso planen Oberfläche des Trägersubstrats abschließen können.
Anschließend werden die Stützelemente mit dem Trägersubstrat elektrisch verbunden. In einer Ausführung der vorliegenden Erfindung wird im gleichen Schritt auch der Stützrahmen mit dem Trägersubstrat verlötet. Der Bauelementchip und das
Trägersubstrat können elektrisch über die Stützelemente miteinander verbunden sein, wobei gleichzeitig eine
mechanische Stabilität erzielt und ferner ein Hohlraum zwischen Stützrahmen, Bauelementchip und Trägersubstrat eingeschlossen wird. In diesem Hohlraum sind die Bauelementstrukturen geschützt und haben genügend Freiraum für funktionsbedingte Auslenkungen oder Schwingungen.
Es ist möglich auf dem Trägersubstrat neben dem hier
beschriebenen Bauelementchip weitere Bauelemente
aufzubringen. Zur Verbesserung des mechanischen Schutzes kan nun noch eine Verkapselungsschicht gemeinsam über den
Bauelementchip und die weiteren Bauelemente aufgebracht werden. Dabei kann es sich beispielsweise um eine Glob Top- Abdeckung handeln.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbei ¬ spielen und der dazugehörigen Figuren näher erläutert. Die Figuren zeigen anhand schematischer und nicht maßstabsgetreuer Darstellungen verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung .
Es zeigen:
Figur 1 einen Bauelementchip mit Stützelementen und einem
Stützrahmen,
Figur 2 das erfindungsgemäße Modul in unverbundenem
Zustand,
Figur 3 das erfindungsgemäße Modul, bei dem der
Bauelementchip mit dem Trägersubstrat verbunden wurde und eine Verkapselungsschicht aufgebracht wurde .
Figur 1 zeigt einen Bauelementchip 1 als nackten Chip, sogenannten bare die. Bei dem in Figur 1 dargestellten
Bauelementchip 1 handelt es sich hier um ein SAW-Filter, das auf seiner Oberseite 2 Bauelementstrukturen 3 aufweist. Die Oberseite 2 des Bauelementchips 1 weist ferner einen
Stützrahmen 4 sowie Stützelemente 5 auf. Die Stützelemente können auf Anschlussflächen der Bauelementstrukturen aufsitzen oder elektrisch mit diesen verbunden sein.
Stützrahmen 4 und Stützelemente 5 sind in ihrer Höhe aufeinander abgestimmt, da sie in einem gemeinsamen
Verfahrensschritt hergestellt werden und gegebenenfalls noch planarisiert wurden. Stützrahmen 4 und Stützelemente 5 überragen die Bauelementstrukturen 3 in der Höhe. Die
Bauelementstrukturen 3 sind innerhalb des Rahmens 4
angeordnet . Figur 2 zeigt das erfindungsgemäße Modul im Querschnitt in einem Verfahrensschritt vor dem Aufbonden bzw. Auflöten des Bauelementchips. Der Bauelementchip 1 wird auf einem
Trägersubstrat 6 aufgebondet bzw. aufgelötet. Das
Trägersubstrat 6 kann ein- oder mehrschichtig ausgebildet sein. Auf der Oberfläche 7 des Trägersubstrats 6 sind
Anschluss- oder Kontaktflächen 8 strukturiert.
Die Stützelemente 5 sowie der Stützrahmen 4 auf dem
Bauelementchip 1 sind derart angeordnet, dass sie sich mit den Anschluss- oder Kontaktflächen 8 des Trägersubstrats 6 verbinden lassen.
Die Stützelemente 5 sowie der Stützrahmen 4 bestehen im Wesentlichen aus Metall, insbesondere aus Kupfer. An ihren den Trägersubstrat 6 zugewandten Enden befindet sich in dieser Ausführung Lötmaterial 9. Figur 3 zeigt das Modul m einem späteren Verfahrensschritt, bei dem der Bauelementchip 1 mit dem Trägersubstrat 6 verlötet ist und bei dem ferner eine Verkapselungsschicht 10 über dem Bauelementchip aufgebracht wurde. Durch das Verlöten der Stützelemente 5 sowie des Stützrahmens 4 mit dem
Trägersubstrat 6 wird eine elektrische Verbindung zwischen den Bauelementstrukturen 3 des Bauelementchips 1 und dem Trägersubstrat 6 hergestellt. Im gleichen Schritt wird ferner ein Hohlraum 11 ausgebildet zwischen Stützrahmen 4,
Bauelementchip 1 und Trägersubstrat 6. In diesen Hohlraum 11 sind die Bauelementstrukturen 3 vor äußeren Einflüssen geschützt. Es ist somit für ein Modul möglich, den
mechanischen Schutz der Bauelementstrukturen 3 sowie die elektrische Verbindung zu den Bauelementstrukturen 3 in einem gemeinsamen Verfahrensschritt zu gewährleisten.
Bei dem erfindungsgemäßen Modul können ein oder mehrere bare dies in Flip-Chip Verfahren auf dem Trägersubstrat 6
aufgebracht werden. Auf diese Weise können unnötige Gehäuse für die nackten Bauelementchips 1 eingespart werden.
Dementsprechend ist es möglich, die Bauelemente mit einer höheren Packdichte auf den Modulträger anzuordnen. Des
Weiteren kann die Höhe des Moduls reduziert werden. Darüber hinaus können aber dennoch diskrete Bauelemente im SMD
Verfahren auf dem Trägersubstrat aufgebracht werden.
Als mechanischer Schutz wird zusätzlich eine
Verkapselungsschicht 10 auf das Modul aufgebracht. Dabei kann es sich um eine Polymerverbindung, eine Folie oder ein Harz handeln, beispielsweise eine Glob Top-Schicht. Bezugs zeichenliste
1 Bauelementchip
2 Oberseite des Bauelementchips 1
3 Bauelementstrukturen
4 Stützrahmen
5 Stützelemente
6 Trägersubstrat
7 Oberfläche des Trägersubstrats 6
8 Anschluss- oder Kontaktfläche
9 Lötmaterial
10 VerkapselungsSchicht
11 Hohlraum