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Die Erfindung betrifft ein mit akustischen Wellen arbeitendes Bauelement, insbesondere ein mit akustischen Oberflächenwellen oder Volumenwellen arbeitendes Bauelement, auch SAW- bzw. BAW-Bauelement genannt (SAW = Surface Acoustic Wave, BAW = Bulk Acoustic Wave).
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Solche Bauelemente werden vor allem als Bandpaßfilter in den Geräten der mobilen Kommunikation eingesetzt.
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Ein SAW-Bauelement umfaßt einen Chip mit elektrisch leitenden Strukturen, die insbesondere akustisch aktive Strukturen eines Filters realisieren und auf einem piezoelektrischen Substrat angeordnet sind.
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Ein BAW-Bauelement umfaßt einen Chip mit BAW-Resonatoren, die auf einem Substrat angeordnet sind und zusammen z. B. eine Filterschaltung realisieren. Die BAW-Resonatoren enthalten jeweils zwei Elektroden und eine dazwischen angeordnete piezoelektrische Schicht.
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Es ist bekannt, daß die Chips mit SAW- und/oder BAW-Komponenten auf einem Trägersubstrat in Flip-Chip-Bauweise angeordnet und mit diesem elektrisch und mechanisch verbunden sein können. Der Gesamtaufbau kann in einem Gehäuse untergebracht werden.
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Die elektrisch leitenden Strukturen werden meist als eine strukturierte Aluminium-Schicht realisiert. Es ist bekannt, daß die Lötflächen (Außenkontakte), also die mit den elektrisch leitenden Strukturen verbundenen Flächen, die zum elektrischen und mechanischen Verbinden des Chips mit einem Trägersubstrat über Lötverbindungen vorgesehen sind, durch weitere Metallschichten verstärkt werden können.
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Es ist möglich, daß die elektrisch leitenden Strukturen, die auf dem Chip angeordnet sind, aus den Druckschriften bestehen. Es ist beispielsweise aus Druckschriften
JP 2001 119259 A bzw.
US 5 774 962 A bekannt, daß die Schichtkombination Al/Cu/Al/Mg/Al/Cu bzw. ein Mehrschichtaufbau aus alternierenden Al- und Cu-Schichten die Leistungsverträglichkeit eine SAW-Bauelements verglichen mit einer einfachen Al-Schicht verbessern kann. Dabei haben akustisch aktive Strukturen und diese Strukturen verbindende Zuleitungen den gleichen Schichtaufbau.
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Aufgrund der geringen Schichtdicken der Metallstrukturen von z. B. nur 150 nm weisen die Zuleitungen in einem mit akustischen Wellen arbeitenden Bauelement einen hohen Widerstand auf. Die Zuleitungswiderstände auf einem piezoelektrischen Substrat erhöhen die Einfügedämpfung von z. B. Reaktanz-Filtern um bis zu 0,7 dB. Vergleichbare Verluste weisen auch Zwischenfrequenz-Filter mit Metallstrukturen einer geringen Schichtdicke auf.
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Es ist möglich, den Zuleitungswiderstand zu reduzieren, indem eine höhere Breite der Zuleitung ausgewählt wird. Diese Lösung hat den Nachteil eines größeren Platzbedarfes. Außerdem führt eine Verbreitung der Zuleitungen zu einer erhöhten parasitären Kapazität, z. B. gegen eine Chiprückseite-Metallisierung oder in der Nähe angeordnete Metallstrukturen. Dies ist insbesondere bei signalführenden Zuleitungen von großem Nachteil.
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Ferner ist es möglich, die Zuleitungslängen durch angepaßtes Design des Trägersubstrats oder des Gehäuses zu verringern. Diese Lösung schränkt jedoch das Design des Bauteils stark ein und erhöht die Entwicklungszeit des Bauelements.
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Möglich ist es auch, die Schichtdicke der Metallstrukturen zu erhöhen. Dabei werden u. a. auch die Elektroden der akustisch aktiven Strukturen aufgedickt, was insbesondere die Geschwindigkeit der zwischen den Elektroden angeregten akustischen Wellen beeinflußt und die Reflexion der akustischen Wellen an den Elektroden erhöht.
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Möglich ist es auch, eine zusätzliche Schicht selektiv auf den Zuleitungen anzuordnen, wobei die zusätzliche Schicht nicht auf akustisch aktiven Strukturen angeordnet ist. Eine selektive Verstärkung der Zuleitungen kann z. B. im Wafer-Stadium mit Hilfe fototechnischer Prozesse erfolgen. Es ist möglich, zuerst eine entsprechend strukturierte Fotolack-Schicht auf der Oberfläche des Chips mit Metallstrukturen zu erzeugen, wobei die Fotolack-Aussparungen auf den zu verdickenden Zuleitungsabschnitten vorgesehen sind, und anschließend eine zusätzliche Metallschicht auf den vorgesehenen Stellen aufzutragen. Das auf dem Fotolack aufliegende Metall wird mit Lift-Off-Technik entfernt, und der Fotolack wird anschließend weggeätzt. Alternativ dazu kann zuerst die zusätzliche Metallschicht aufgetragen werden, welche anschließend mit einem Fotolack und Ätztechnik wie erforderlich strukturiert wird.
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Es ist beispielsweise bekannt, daß für alle elektrisch leitenden Strukturen eines Bauelements auf einer ersten Aluminium-Schicht eine zweite Aluminium-Schicht vorgesehen sein kann, um durch die Aufdickung der Metallstrukturen die ohmschen Verluste des Bauelements (insbesondere der Zuleitungen) zu verringern. Der Nachteil eines solchen Schichtaufbaus besteht darin, daß zwischen zwei übereinander abgeschiedenen Al-Schichten immer eine Oxidationsschicht existiert, die einen relativ großen Übergangswiderstand hat. Dadurch wird insbesondere die Einfügedämpfung der Schaltung beeinträchtigt.
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Ein weiterer Nachteil der zuletzt genannten Lösung besteht darin, daß die Aufbringung einer zusätzlichen Metallisierungsschicht zusätzliche Prozeßschritte (z. B. Erstellung einer Maske, Aufdampfung einer Metallschicht und Ätzen) erfordert.
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Aus der
US 2002/0024271 A1 ist eine mehrschichtige Metallisierung bekannt, die sich von einem Kontaktpad bis auf die damit verbundene Zuleitung erstreckt.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein mit akustischen Wellen arbeitendes Bauelement mit lötbaren Kontakten anzugeben, das eine geringe Einfügedämpfung aufweist.
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Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Bauelement nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungen sowie ein Verfahren zur Verbesserung der ohmschen Verluste eines Bauelements sind weiteren Ansprüchen zu entnehmen.
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Die Erfindung gibt ein mit akustischen Wellen arbeitendes Bauelement an, das einen Chip enthält, der mittels Lötverbindungen mit einem Trägersubstrat elektrisch und mechanisch verbunden ist. Der Chip ist vorzugsweise in Flip-Chip-Bauweise auf dem Trägersubstrat angeordnet. Das Trägersubstrat kann eine oder mehrere dielektrische Lagen und zumindest zwei zu den dielektrischen Lagen alternierend angeordnete Metallisierungsebenen umfassen, wobei die Metallisierungsebenen mittels Durchkontaktierungen miteinander verbunden sein können. Auf dem Chip sind elektrisch leitende Strukturen angeordnet, wobei ein Teil der elektrisch leitenden Strukturen akustisch aktive Elemente und insbesondere zumindest einen mit akustischen Oberflächenwellen arbeitenden Wandler und/oder (teilweise) einen mit akustischen Volumenwellen arbeitenden Resonator realisiert. Die elektrisch leitenden Strukturen umfassen ferner zumindest zwei Außenkontakte sowie die erforderlichen Zuleitungen. Auf den zumindest zwei Außenkontakten und zumindest einem Teil der Zuleitungen ist ein erster bzw. zweiter lötfähiger strukturierter Mehrschichtaufbau aus zumindest zwei Metallschichten vorgesehen. Erste, zweite und gegebenenfalls weitere Strukturen des Mehrschichtaufbaus, die auf verschiedenen Zuleitungen und verschiedenen Außenkontakten angeordnet sind, sind im selben Verfahrensschritt hergestellt und weisen daher die gleiche Höhe und den gleichen Aufbau auf. Erste und zweite Struktur des Mehrschichtaufbaus weisen eine Unterbrechung auf und sind nicht verbunden.
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Die Zuleitungen haben in der Regel eine Dicke zwischen 40 und 600 nm. Der Mehrschichtaufbau ist insgesamt vorzugsweise zwischen 100 und 2000 nm dick. Es gelingt beispielsweise, durch die erfindungsgemäße Aufdickung der Zuleitungen deren Widerstand um Faktor 2 zu reduzieren.
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Mit dem ohmschen Widerstand der Zuleitungen wird auch die Einfügedämpfung des Bauelements reduziert.
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Eine deutliche Minderung dissipativer Verluste wird insbesondere bei Bauelementen mit langen Zuleitungen auf dem Chip in erfindungsgemäßer Weise erzielt.
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Durch erfindungsgemäß aufgedickte Zuleitungen erreicht man insbesondere, daß die Leitfähigkeit solcher Zuleitungen verglichen mit Zuleitungen, die aus nur einer Metallschicht bestehen, wesentlich verbessert wird, ohne die Eigenschaften der akustisch aktiven Strukturen, wie z. B. Geschwindigkeit akustischer Wellen zu beeinflussen.
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Die Erfindung bietet insbesondere den Vorteil, daß der bei der Erzeugung der Lötflächen verwendete bekannte Mehrschichtaufbau zusätzlich auch auf den Zuleitungen, und zwar gleichzeitig und im gleichen Prozeßschritt erzeugt wird, was einen zusätzlichen Prozeßschritt der Aufdickung der Zuleitungen und damit Kosten spart.
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Im folgenden wird die Erfindung anhand von schematischen und daher nicht maßstabsgetreuen Figuren näher erläutert.
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1 zeigt eine Zuleitung eines Bauelements mit erfindungsgemäßem Mehrschichtaufbau in Draufsicht (a) und im schematischen Querschnitt (b)
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2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Zuleitung des Bauelements mit erfindungsgemäßem Mehrschichtaufbau im schematischen Querschnitt
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3 zeigt eine nicht erfindungsgemäße Zuleitung eines Bauelements in Draufsicht
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4 und 5 zeigen weitere Ausführungsbeispiele einer Zuleitung eines Bauelements mit erfindungsgemäßem Mehrschichtaufbau in Draufsicht
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1a zeigt eine Zuleitung ZL eines mit akustischen Oberflächenwellen arbeitenden Bauelements mit erfindungsgemäßen Mehrschichtaufbau-Strukturen MS in Draufsicht. Dabei verbindet die Zuleitung einen elektroakustischen Wandler RE mit einem Außenkontakt AK. Der strukturierte Mehrschichtaufbau besteht hier aus zwei Strukturen. Die erste Struktur ist auf dem Außenkontakt AK angeordnet. Die zweite Struktur ist auf der Zuleitung ZL angeordnet. In diesem Ausführungsbeispiel sind die genannten Strukturen nicht verbunden, um die spätere Lötstelle auf die Fläche des Außenkontakts zu begrenzen. Es ist auch möglich, zwischen den genannten Strukturen eine Lötstopp-Struktur anzuordnen.
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1b zeigt den genannten Aufbau im schematischen Querschnitt. Im diesem Beispiel ist die Breite der Mehrschichtaufbau-Struktur MS kleiner als die Breite der darunter angeordneten Zuleitung ZL. Möglich ist es auch, daß die Breite der Mehrschichtaufbau-Struktur MS gleich groß oder, wie in 2 gezeigt, größer als die Breite der darunter angeordneten Zuleitung ZL oder des darunter angeordneten Außenkontaktes AK ist. Die Schichten des Mehrschichtaufbaus können auch jeweils voneinander unterschiedliche Breiten aufweisen.
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Der Mehrschichtaufbau besteht, beginnend bei den vorzugsweise Aluminium umfassenden, elektrisch leitenden Strukturen auf dem Chip, also von unten nach oben aus folgenden Schichten: a) Ti, Pt, Au, b) Al, Ti, Pt, Au, oder c) Ti, Al, Ti, Pt, Au. Die Gesamtdicke der Schichten beträgt vorzugsweise zwischen 100 und 2000 nm.
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Die Schichten des Mehrschichtaufbaus können beispielsweise durch Aufdampfen oder Sputtern erzeugt werden. In diesem Fall wird vorzugsweise eine Maske z. B. aus Fotolack verwendet, welche Aussparungen an den Stellen, an welchen die Mehrschichtaufbau-Strukturen vorgesehen sind, aufweist. Diese Maske wird auf der Chipoberfläche mit den elektrisch leitenden Strukturen erzeugt. Anschließend werden die Schichten des Mehrschichtaufbaus (durch Aufdampfen oder Sputtern) aufgebracht. Die Schichten des Mehrschichtaufbaus werden vorzugsweise analog zum Verlauf der elektrisch leitenden Strukturen strukturiert. Danach wird die auf dem Fotolack abgeschiedene Metallisierung mit Abhebetechnik entfernt. Des weiteren wird auch der Fotolack von der Chipoberfläche entfernt.
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Die Abschnitte der elektrisch leitenden Strukturen, über denen keine lötfähigen Mehrschichtaufbau-Strukturen vorgesehen sind, können vor dem Aufbringen des Mehrschichtaufbaus abgedeckt werden. Zur Abdeckung der genannten Abschnitte werden die elektrisch leitenden Strukturen an den entsprechenden Stellen vorzugsweise mit einer Passivierungsschicht versehen. Die Passivierungsschicht ist eine elektrisch nicht leitende Schicht, die auf elektrisch leitenden Strukturen angeordnet ist. Als Passivierungsschicht kann beispielsweise eine SiO2-Schicht oder eine Oxidschicht des Materials der elektrisch leitenden Strukturen dienen, wobei die zuletzt genannte Oxidschicht beispielsweise durch eine anodische Oxidation erzeugt werden kann.
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Vor der Erzeugung der Passivierungsschicht-Strukturen werden die Stellen der späteren Außenkontakte und Abschnitte der Zuleitungen, auf welchen später die Mehrschichtaufbau-Strukturen erzeugt werden, vorzugsweise mit einem Fotolack abgedeckt. Nach der Erzeugung der Passivierungsschicht-Strukturen wird der Fotolack entfernt.
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Die Schichten der lötfähigen Mehrschichtaufbau-Strukturen können unter Verwendung der Passivierungsschicht-Strukturen jeweils galvanisch oder auch stromlos aus einer Lösung abgeschieden werden.
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Die Verwendung der Passivierungsschicht als Maske beim Abscheiden der Schichten des Mehrschichtaufbaus hat den Vorteil, daß in diesem Fall Lift-Off-Technik, insbesondere das selektive Entfernen (Abheben) der Metallisierung wegfällt, da die Passivierungsschicht-Strukturen die Funktion eines Fotolacks zur Strukturierung des lötfähigen Mehrschichtaufbaus übernehmen.
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Es ist beispielsweise möglich, folgende Schichtsysteme als lötfähigen Mehrschichtaufbau (jeweils) galvanisch oder ohne einen von außen angelegten Strom aufzubringen: Cu/Ni/Au, Ni/Au, Cu/Ni/Pd, Ni/Pd, Cu/Ni/Sn, Ni/Sn, Cu/Ni/Ag, Ni/Ag oder Cu/Ag.
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3 zeigt ein nicht erfindungsgemäßes Beispiel einer Zuleitung ZL eines mit akustischen Oberflächenwellen arbeitenden Bauelements mit einem strukturierten Mehrschichtaufbau in Draufsicht. In diesem Ausführungsbeispiel liegt die Mehrschichtaufbau-Struktur MS auf der Zuleitung ZL und auf dem Außenkontakt AK, wobei die Mehrschichtaufbau-Struktur Struktur keine Unterbrechung aufweist.
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Es ist möglich, alle Mehrschichtaufbau-Strukturen bei der Herstellung der Lötverbindungen zusätzlich mit Lot zu benetzen, welches dort verbleibt und die Mehrschichtaufbau-Strukturen niederohmiger macht.
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4 zeigt eine Zuleitung ZL eines mit akustischen Oberflächenwellen arbeitenden Bauelements mit einer erfindungsgemäßen Mehrschichtaufbau-Struktur MS in Draufsicht. Dabei verbindet die Zuleitung ZL einen elektroakustischen Wandler RE mit einem weiteren Wandler RE'.
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Die Mehrschichtaufbau-Struktur, die auf einer zwei oder mehrere Wandler oder andere Elemente verbindenden Zuleitung angeordnet ist, kann durchgehend oder mit Unterbrechungen ausgeführt sein.
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Es ist möglich, auch auf den Zuleitungen, die keinen direkten Kontakt zu den Wandlern haben (z. B. Zuleitungen, die beispielsweise zwei Masse-Anschlüsse miteinander verbinden), die erfindungsgemäßen Mehrschichtaufbau-Strukturen anzuordnen. Dabei kann die Mehrschichtaufbau-Struktur durchgehend oder mit Unterbrechungen ausgeführt sein.
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In 5 ist eine beispielhafte Anordnung elektrisch leitender Strukturen und insbesondere erfindungsgemäß aufgedickter Zuleitungen ZL auf der Chipoberfläche CF dargestellt. Die elektrisch leitenden Strukturen umfassen insbesondere elektroakustische Wandler RE, Außenkontakte AK, Zuleitungen ZL und hier einen Rahmen RA, der vorzugsweise mit Masse verbunden ist und vor allem zum Schutz akustisch aktiver Strukturen vor elektrischen Überschlägen bei hoher Temperatur oder auch als eine Verbindung, vorzugsweise eine Masse-Verbindung von Anschlüssen der Schaltung dient. Zwei elektroakustische Wandler RE sind miteinander und mit den Außenkontakten AK mittels der Zuleitungen ZL verbunden. Auf den Zuleitungen und auf den Außenkontakten sind Mehrschichtaufbau-Strukturen MS angeordnet.
