DE102005056760A1

DE102005056760A1 - Verfahren zum Montieren von Halbleiterchips und entsprechende Halbleiterchipanordnung

Info

Publication number: DE102005056760A1
Application number: DE200510056760
Authority: DE
Inventors: Hubert Benzel; Markus Lang; Roland Guenschel; Mathias Hain
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2005-11-29
Filing date: 2005-11-29
Publication date: 2007-06-06
Also published as: WO2007062976A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren zum Montieren von Halbleiterchips mit den Schritten: Bereitstellen eines Halbleiterchips (4) mit einer Vorderseite (VS), die einen Membranbereich (4a) und einen Peripheriebereich (5) aufweist, und einer Rückseite (RS), die eine an den Membranbereich (4a) angrenzende Kaverne (4c) aufweist; Vorsehen eines Substrats (1), welches eine Durchgangsöffnung (1a) aufweist; Montieren der Rückseite (RS) des Halbleiterchips (4) auf dem Substrat (1), derart, dass die Kaverne (4c) mit der Durchgangsöffnung (1a) in Fluidverbindung steht; und zumindest teilweises Befüllen der Kaverne (4c) mit einem Passivierungsgel (10) durch die Durchgangsöffnung (1a). Die Erfindung schafft ebenfalls eine entsprechende Halbleiterchipanordnung.

Description

STAND DER TECHNIK
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Montieren von Halbleiterchips und eine entsprechende Halbleiterchipanordnung.
Obwohl auf beliebige Halbleiterchipanordnungen anwendbar, werden die vorliegende Erfindung sowie die ihr zugrundeliegende Problematik in bezug auf eine mikromechanische Halbleiterchipanordnung mit einem Drucksensor erläutert.
Zum Schutz gegen Umwelteinflüsse müssen elektronische Bauelemente üblicherweise beim Montieren mit einer äußeren Passivierungsschicht versehen werden, z. B. mit einem Passivierungsgel. Insbesondere hilft ein derartiges Gel auch bei vereisendem Wasser oder anderweitigen ungewollten Ablagerungen, mechanische Spannungen von dem elektrischen Bauelement fernzuhalten.

Die DE 10 2004 011 203 offenbart verschiedene Beispiele für Verfahren zum Montieren von Halbleiterchips und entsprechende Halbleiterchipanordnungen.

4 zeigt ein Beispiel für ein Verfahren zum Montieren von Halbleiterchips und eine entsprechenden Halbleiterchipanordnung in Querschnittsansicht zur Erläuterung der der vorliegenden Erfindung zugrundeliegenden Problematik.

In 4 bezeichnet Bezugszeichen 1 ein Substrat, beispielsweise einen Keramiksockel, der eine Durchgangsöffnung 1a aufweist. Ein Silizium-Sensorchip 4, hier ein Drucksensorchip, ist auf eine Glasplatte 3 aus natriumhaltigen Glas (Pyrexglas) anodisch mit seiner Rückseite RS gebondet. Die Glasplatte 3 ist mittels einer Klebeschicht 2 auf das Substrat 1 geklebt. Die Glasplatte 3 weist ebenfalls eine Durchgangsöffnung 3a auf, welche zur Durchgangsöffnung 1a ausgerichtet ist, sodass eine Fluidverbindung zu einer Kaverne 4c auf der Rückseite RS des Sensorchips 4 vorhanden ist. Die Glasplatte 3 dient zur Stressentkopplung der Spannungen, die beim Kleben oder Löten des Sensorchips 1 auf das Substrat 1 entstehen.

Die Vorderseite VS des Sensorchips 4 weist einen Membranbereich 4a sowie einen Peripheriebereich 5 auf. Im Membranbereich 4 vorgesehen sind piezoresisistive Widerstände 4b, um die Funktionalität als Drucksensor bereitzustellen. Vorgesehen im Peripheriebereich 5 ist eine nicht näher ausgeführte Auswerteschaltung, die über Bonddrähte 6 mit dem Substrat 1 verbunden ist.

Die Herstellung des Membranbereichs 4a und des Peripheriebereichs 5 erfolgt in einem integrierten üblicher Halbleiterprozess. Der Membranbereich 4a ist insbesondere herstellbar durch ein anisotropes Ätzen der Rückseite RS des Sensorchips, z. B. KOH oder TMAH bzw. Trench-Ätzen (DRIE).

Weiterhin angebracht auf dem Substrat 1 ist ein Ringgehäuse 8, welches den auf dem Substrat 1 montierten Sensorchip 4 umgibt. Das Ringgehäuse 8 ist mit einem Passivierungsgel 7 derart befüllt, dass der Sensorchip 4 vom Passivierungsgel 7 vollständig bedeckt ist. Vorteilhaft bei der Befüllung mit dem Passivierungsgel 7 ist es, dass nicht das gesamte Volumen des Ringgehäuses 8 ausgefüllt ist, sodass eine Volumenänderung des Passivierungsgels 7 über der Temperatur über eine Quellung in verschiedenen flüssigen oder gasförmigen Medien im noch zur Verfügung stehenden Volumen aufgefangen werden kann, ohne dass die Membran- bzw. Sensoreigenschaften beeinflusst werden. Auch kann so die Auswirkung von dem Gel eingeschlossenen Gasblasen, die sich ebenfalls über die Temperatur ausdehnen, abgefangen werden.

Problematisch bei diesem Bespiel ist, dass Verunreinigungen in die Kaverne gelangen und die Sensorfunktion negativ beeinflussen können. Eine mögliche Gegenmassnahme wäre das Vorsehen eines Siebes in den Durchgangsöffnungen. Jedoch könnte dann immer noch störendes Wasser in der Kaverne kondensieren und vereisen.

VORTEILE DER ERFINDUNG

Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee besteht in einem zumindest teilweisen Befüllen der Kaverne mit einem Passivierungsgel durch die Durchgangsöffnung, wobei das Passivierungsgel derart gewählt ist, dass die gewünschte Membranfunktion erhalten bleibt.

Das erfindungsgemässe Verfahren zum Montieren von Halbleiterchips mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und die entsprechende Halbleiterchipanordnung gemäss Anspruch 11 weisen gegenüber den bekannten Lösungsansätzen den Vorteil auf, dass ein einfacher kostengünstiger und Umgebungseinfluss-unempfindlicher Aufbau ermöglicht wird.

Die erfindungsgemäße Passivierungsgelschicht auf der Rückseite des Membranbereichs in der Kaverne bietet folgende weiteren Vorteile:

– Reduzierung der eindringenden Wassermenge bzw. vollständige Vermeidung von eindringendem Wasser;
– Verringerung der mechanischen Spannung bei Eisbildung und damit Verringerung der Wahrscheinlichkeit von einem Membranbruch;
– Vermeidung von Ablagerungen direkt auf der Membran mit der Folge von Kennliniendrift;
– Korrosionsschutz vor basisch oder sauer angreifenden Agenzien;
– Puffer (Feder) bei teilweiser Vereisung; und
– Beliebige Einbaulage des Sensors (es muss nicht darauf geachtet werden, die Durchgangsöffnungen auf der Sensorrückseite nach unten einzubauen, so dass eindringendes oder kondensiertes Wasser nach unten abfließen kann).

In den Unteransprüchen finden sich vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des jeweiligen Gegenstandes der Erfindung.

Gemäss einer bevorzugten Weiterbildung wird zwischen der Rückseite des Halbleiterchips und dem Substrat eine Glasplatte montiert, die eine weitere Durchgangsöffnung aufweist, die eine Fluidverbindung zwischen der Durchgangsöffnung und der Kaverne bildet. Dies ermöglicht einen Spannungsausgleich zwischen Chip und Substrat.

Gemäss einer weiteren bevorzugten Weiterbildung wird ein Teil des Passivierungsgels nach dem Befüllen wieder entfernt, wobei nach dem Entfernen ein dünner Film des Passivierungsgels im Entfernungsbereich verbleibt. Dies schafft eine effiziente Passivierung ohne grossen Einfluss auf den Membranbereich.

Gemäss einer weiteren bevorzugten Weiterbildung wird ein Ringgehäuse auf dem Substrat montiert, welches den auf dem Substrat montierten Halbleiterchip umgibt, wobei das Ringgehäuse zumindest teilweise mit einem weiteren Passivierungsgel befüllt wird derart, dass der Halbleiterchip vom weiteren Passivierungsgel bedeckt ist.

Gemäss einer weiteren bevorzugten Weiterbildung erfolgt das Befüllen der Kaverne mittels einer Kunststoffnadel oder mittels eines Vakuum-Dispensierverfahrens.

ZEICHNUNGEN
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es illustrieren:
1 eine erste Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahren zum Montieren von Halbleiterchips und einer entsprechenden Halbleiterchipanordnung in Querschnittsansicht;
2 eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahren zum Montieren von Halbleiterchips und einer entsprechenden Halbleiterchipanordnung in Querschnittsansicht;
3 eine dritte Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahren zum Montieren von Halbleiterchips und einer entsprechenden Halbleiterchipanordnung in Querschnittsansicht; und
4 ein Beispiel für ein Verfahren zum Montieren von Halbleiterchips und eine entsprechenden Halbleiterchipanordnung in Querschnittsansicht zur Erläuterung der der vorliegenden Erfindung zugrundeliegenden Problematik.
BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Komponenten.
1 zeigt eine erste Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahren zum Montieren von Halbleiterchips und einer entsprechenden Halbleiterchipanordnung in Querschnittsansicht.
Die in 1 dargestellte erste Ausführungsform geht aus von dem bereits mit Bezug auf 4 beschriebenen Beispiel und unterscheidet sich insofern davon, dass die Kaverne 4c des Sensorchips 4 teilweise mit einem Passivierungsgel 10 durch die Durchgangsöffnungen 1a, 3a befüllt worden ist. Dabei kann das Passivierungsgel 10 identisch sein mit dem Passivierungsgel 7, muss es aber nicht unbedingt. Das Gel 7 bzw. 10 muss eine Schutzfunktion aufweisen, darf jedoch die Membranfunktion (Sensoreigenschaft) und/oder die elektronische Schaltung nicht beeinträchtigen.
Die Befüllung der Kaverne 4c erfolgt zweckmäßigerweise von der Rückseite des Substrats 1 her mittels einer weichen Kunststoffnadel 20, welche durch die Durchgangsöffnungen 1a, 3a eingeführt wird. Durch die Verwendung eines weichen Kunststoffs ist gewährleistet, dass die Wände der Bohrung bzw. der Membranbereich 4a nicht beschädigt werden können. Ein Ring 25 wird dabei zwechmässigerweise als Anschlag (Metallring mit Außendurchmesser dicker als Keramikbohrung des Substrats) verwendet, so dass die Nadel 25 nicht auf den Membranbereich 4a auftreffen und diesen beschädigen kann. In der Serienfertigung kann die Positionierung einer derartigen Kunststoffnadel durch optische Erkennung erfolgen. Durch die Kontrolle der Einfüllöffnung ist gleichzeitig eine „lochfrei"-Prüfung möglich. Zu enge oder verschlossene Durchgangslöcher lassen sich kennzeichnen (ausinken).
Eine weitere Möglichkeit, das Gel 10 in die Kaverne 4c einzuführen, besteht darin, ein Vakuum-Dispensierverfahren anzuwenden, bei dem ein oder mehrere Tröpfchen des Gels 10 dispensiert werden.
2 zeigt eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahren zum Montieren von Halbleiterchips und einer entsprechenden Halbleiterchipanordnung in Querschnittsansicht.
Bei der in 2 dargestellten zweiten Ausführungsform werden die Kaverne 4c und das Durchgangsloch 3a vollständig mit dem Passivierungsgel 10 befüllt.
3 zeigt eine dritte Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahren zum Montieren von Halbleiterchips und einer entsprechenden Halbleiterchipanordnung in Querschnittsansicht.
Bei der dritten Ausführungsform ist eine weitere Möglichkeit, das Passivierungsgel 10 einzubinden, dargestellt. Bei dieser Ausführungsform werden nämlich die gesamte Kaverne 4c und auch die gesamten Durchgangslöcher 3a, 1a mit Passivierungsgel befüllt, so dass das Passivierungsgel 10 sämtliche Oberflächen benetzt. Anschließend wird ein Teil des Passivierungsgels 10 wieder entfernt, vorzugsweise durch Absaugen mit der weichen Kunststoffnadel 20, so dass das Passivierungsgel 10 nur in der Kaverne 4c als Füllung zurückbleibt. Im Übrigen Entfernungsbereich verbleibt nach dem Entfernen ein dünner Film 10a des Passivierungsgels 10. Die Schichtdicke des Films 10a kann dabei über die Viskosität des Passivierungsgels 10 eingestellt werden. Besonders vorteilhaft bei dieser Ausfüh rungsform ist, dass die Volumenausdehnung des Gels über der Temperatur oder eine mögliche Quellung in verschiedenen flüssigen oder gasförmigen Medien im Kavernenvolumen abgefangen werden kann, ohne die Membran- oder Sensoreigenschaften zu verändern.
Versuche mit Teil- (halbe Kavernenhöhe), Mittel- (Kaverne voll) und fast vollständiger Befüllung (Kaverne) plus ein Teil der Glasbohrung (z. B. 50 %) wurden durchgeführt. Die so behandelten Sensoren waren mit Rückseitengel innerhalb der Spezifikation abgleichbar. Alterungs- und Vereisungstests lieferten positive Resultate.
Obwohl die vorliegende Erfindung vorstehend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele erläutert worden ist, ist sie nicht darauf beschränkt, sondern auch in anderer Weise ausführbar.
In den obigen Beispielen wurden nur piezoresistive Sensorstrukturen betrachtet. Die Erfindung ist jedoch auch für kapazitive oder sonstige Sensorstrukturen geeignet, bei denen Membranen verwendet werden, wie z. B. einen Massenflusssensor oder ein Mikrofon (dynamischer Drucksensor).

Claims

Verfahren zum Montieren von Halbleiterchips mit den Schritten: Bereitstellen eines Halbleiterchips (4) mit einer Vorderseite (VS), die einen Membranbereich (4a) und einen Peripheriebereich (5) aufweist, und einer Rückseite (RS), die eine an den Membranbereich (4a) angrenzende Kaverne (4c) aufweist; Vorsehen eines Substrats (1), welches eine Durchgangsöffnung (1a) aufweist; Montieren der Rückseite (RS) des Halbleiterchips (4) auf dem Substrat (1) derart, dass die Kaverne (4c) mit der Durchgangsöffnung (1a) in Fluidverbindung steht; und zumindest teilweises Befüllen der Kaverne (4c) mit einem Passivierungsgel (10) durch die Durchgangsöffnung (1a).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Rückseite (RS) des Halbleiterchips (4) und das Substrat (1) eine Glasplatte (3) montiert wird, die eine weitere Durchgangsöffnung (3a) aufweist, die eine Fluidverbindung zwischen der Durchgangsöffnung (1a) und der Kaverne (4c) bildet.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kaverne (4c) vollständig befüllt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kaverne (4c) vollständig befüllt wird und die weitere Durchgangsöffnung (3a) zumindest teilweise befüllt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die weitere Durchgangsöffnung (3a) vollständig befüllt wird und die Durchgangsöffnung (1a) zumindest teilweise befüllt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil des Passivierungsgels (10) nach dem Befüllen wieder entfernt wird und nach dem Entfernen ein dünner Film (10a) des Passivierungsgels (10) im Entfernungsbereich verbleibt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ringgehäuse (8) auf dem Substrat (1) montiert wird, welches den auf dem Substrat (1) montierten Halbleiterchip (4) umgibt, und das Ringgehäuse (8) zumindest teilweise mit einem weiteren Passivierungsgel (7) befüllt wird derart, dass der Halbleiterchip (4) vom weiteren Passivierungsgel (7) bedeckt ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Befüllen der Kaverne (4c) mittels einer Kunststoffnadel erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Befüllen der Kaverne (4c) mittels eines Vakuum-Dispensierverfahrens erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiterchip (4) ein Drucksensorchip ist.
Halbleiterchipanordnung mit: einem Halbleiterchip (4) mit einer Vorderseite (VS), die einen Membranbereich (4a) und einen Peripheriebereich (5) aufweist, und einer Rückseite (RS), die eine an den Membranbereich (4a) angrenzende Kaverne (4c) aufweist; einem Substrat (1), welches eine Durchgangsöffnung (1a) aufweist; wobei die Rückseite (RS) des Halbleiterchips (4) auf dem Substrat (1) derart auf dem Substrat (1) montiert ist, dass die Kaverne (4c) mit der Durchgangsöffnung (1a) in Fluidverbindung steht; und wobei die Kaverne (4c) zumindest mit einem Passivierungsgel (10) befüllt ist.
Halbleiterchipanordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Rückseite (RS) des Halbleiterchips (4) und dem Substrat (1) eine Glasplatte (3) montiert ist, die eine weitere Durchgangsöffnung (3a) aufweist, die eine Fluidverbindung zwischen der Durchgangsöffnung (1a) und der Kaverne (4c) bildet.
Halbleiterchipanordnung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Kaverne (4c) vollständig befüllt ist.
Halbleiterchipanordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Kaverne (4c) vollständig befüllt ist und die weitere Durchgangsöffnung (3a) zumindest teilweise befüllt ist.
Halbleiterchipanordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die weitere Durchgangsöffnung (3a) vollständig befüllt ist und die Durchgangsöffnung (1a) zumindest teilweise befüllt ist.
Halbleiterchipanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil des Passivierungsgels (10) einen dünnen Film (10a) des Passivierungsgels (10) bildet.
Halbleiterchipanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ringgehäuse (8) auf dem Substrat (1) montiert ist, welches den auf dem Substrat (1) montierten Halbleiterchip (4) umgibt, und das Ringgehäuse (8) zumindest teilweise mit einem weiteren Passivierungsgel (7) derart befüllt ist, dass der Halbleiterchip (4) von dem weiteren Passivierungsgel (7) bedeckt ist.