DE19730914A1

DE19730914A1 - Mikroelektronik-Baugruppe

Info

Publication number: DE19730914A1
Application number: DE19730914A
Authority: DE
Inventors: John O'boyle
Original assignee: National Semiconductor Corp
Current assignee: National Semiconductor Corp
Priority date: 1996-07-29
Filing date: 1997-07-18
Publication date: 1998-02-05
Anticipated expiration: 2017-07-19
Also published as: KR980012300A; DE19730914B4; KR100248880B1; US5856914A

Description

Die Erfindung betrifft eine Mikroelektronik-Baugruppe nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Zur weiteren Miniaturisierung integrierter Schaltungen werden in neuerer Zeit vermehrt oberflächenmontierte Bauelemente eingesetzt, da diese in einer elektrischen Baugruppe relativ wenig Grundfläche bean spruchen.

Eine besonders vorteilhafte Oberflächen-Montagetechnik bildet die Flip-Chip-Anordnung, bei der ein Chip oder Baustein auf einer Seite eine Reihe von Bondfeldern aufweist. Auf den Bondfeldern werden leitende Bondhöcker ausgebildet, um den Baustein elektrisch mit einem separaten Tragelement zu verbinden. Als Tragelement wird z. B. ein Substrat mit ei nem 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 kontaktie ren, denn die Oberfläche des Bausteins, welche die Bondhöcker aufnimmt, ist im allgemeinen flach ausgebildet und bleibt von dem gegenüberliegen den Tragelement beabstandet.

In neuerer Zeit wurden Bauelemente in Form von Mikrovorrich tungen - z. B. mikrobearbeitete Halbleitermikrophone - entwickelt, welche nicht die übliche flache Bauform von Halbleiterbausteinen aufweisen. Das mikrobearbeitete Halbleitermikrophon hat vielmehr eine Brückenstruktur, welche die unbewegliche Platte des Kondensators bildet, während ein dün nes Siliciumdiaphragma als bewegliche Platte vorgesehen ist. Die Brückenstruktur ist auf derselben Oberfläche bzw. Außenseite angeordnet wie die Bondfelder des Mikrophones und steht von dieser deutlich nach außen vor, wodurch sich das Mikrophon und ähnlich aufgebaute Mikrovorrichtun gen nur schwer in Flip-Chip-Anordnungen integrieren lassen.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Mikroelektronik-Baugruppe nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zu schaffen, in die auf einfache Weise Mikrovorrichtungen mit einer Brückenstruktur integrierbar sind.

Diese Aufgabe wird entsprechend dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst.

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.

Fig. 1 zeigt schematisch im Schnitt eine Mikroelektronik-Bau gruppe.

Fig. 2 zeigt schematisch in Draufsicht einen Teil der Mikro elektronik-Baugruppe aus Fig. 1.

Fig. 3 zeigt schematisch in Draufsicht einen Teil eines Sub strats der Mikroelektronik-Baugruppe aus Fig. 1.

Fig. 4 zeigt schematisch im Schnitt ein zweites Ausführungs beispiel.

Fig. 5 zeigt schematisch im Schnitt ein drittes Ausführungs beispiel.

Die in Fig. 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 Fig. 1 und 2 einen Chip 16 mit ei ner aktiven Fläche 18. Der Chip 16 besteht typischerweise aus Halblei termaterial, z. B. aus kristallinem Silicium. Im Chip 16 kann - angren zend 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 separa ten, aktiven Chip (nicht dargestellt) ausgebildet sein, der von dem Sub strat 12 getragen wird, welches an das Mikrophon 14 angrenzt. Falls ak tive Komponenten vorgesehen sind, kann ein von dem Diaphragma abgeleite tes Audiosignal in vorgegebener Weise von der integrierten Schaltungsan ordnung 20 verstärkt und/oder verarbeitet werden. Die aktive Fläche 18 weist eine Anordnung elektrischer Leiterbahnen 22 auf, die in einer An zahl 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 Ma terialien, die fließfähig und zur Ausbildung einer Bondverbindung mit den Bondinseln 24 und mit geeigneten Komponenten des Substrats 12 geeig net sind.

Der Chip 16 begrenzt ein dünnes und flexibles Siliciumdi aphragma (Membran) 28, das aufgrund einer geeigneten Dotierung, bei spielsweise mit Bor 29, leitend ist. Eine Außenseite 30 des Diaphragmas 28 bildet den Grund einer Ausnehmung 32, die beispielsweise durch chemi sche Bearbeitung von einer Außenseite 34 des Chips 16, welche der akti ven Fläche 18 gegenüberliegt, nach unten hin ausgebildet wird. Die wei tere Außenseite 36 des Diaphragmas 28 bildet einen Teil der aktiven Flä che 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 Ma terials, 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 freige geben 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 22a 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 einer seits die Brückenstruktur 40 zu erden und um andererseits ein Erdpoten tial für die Schaltungsanordnung 20 zu schaffen. Ein Bondhöcker 26b kann mit der Schaltungsanordnung 20 über eine Bondinsel 24b elektrisch ver bunden 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 ab greifbar. 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 elektri scher Anschlüsse 48a-f, die derart ausgebildet sind, daß ein Ende jedes Anschlusses 48a-f an eine Öffnung 50 angrenzt, welche sich als Durch gangsloch 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 ex ternen elektrischen Anschluß der gesamten Mikroelektronik-Baugruppe 10. Im vorliegenden Fall ist der Anschluß 48a geerdet, während über den lei tenden 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 Verbindung, um einer gegebenenfalls vorgesehenen integrierten Schaltungsanordnung 20 geeigne te Versorgungsspannungen zuzuführen. Fig. 3 zeigt ferner, daß sich die Anschlüsse 48e und 48f von der Öffnung 50 aus nur über eine kurze Di stanz erstrecken. Sie dienen lediglich dazu, mit den leitenden Bond höckern 26e bzw. 26f eine Bondverbindung einzugehen, um so dem Mikrophon 14 ergänzenden Halt zu geben. Durch optionale weitere Anschlüsse und Bond höcker kann der Halt des Mikrophons 14 für spezielle Anwendungen weiter erhöht werden. Das Substrat 12 kann aus verschiedensten Materialien be stehen, beispielsweise aus Aluminiumoxid oder einer anderen geeigneten Keramik. Die Anschlüsse 48 können gedruckt oder als Bondinseln ausgebil det sein.

Das in Fig. 1 gezeigte Mikrophon 14 wird mit seiner Brücken struktur 40 oberflächenmontiert Flip-Chip-artig getragen, wobei die ak tive Fläche 18 des Mikrophons 14 dem Substrat 12 gegenüberliegt. Der Halt des Mikrophons 14 wird durch die leitenden Bondhöcker 26 sicherge stellt, 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 Ma terial, aus welchem die Bondhöcker bestehen, bei der Herstellung teil weise zerfließt. In der dargestellten Ausrichtung und Orientierung er streckt 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 - d1

in einer Weise in die Öffnung 46, die bisher bei Flip-Chip-Anordnungen nicht realisiert wurde. Bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 kann die Brückenstruktur 40 vollständig durch die Öffnung 46 des Substrats 12 vorstehen (nicht dargestellt), ohne daß zwischen dem Substrat 12 und der Brückenstruktur 40 eine Verbindung entsteht. Alternativ können die Bond höcker 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 Verbin dungsmittel im Hinblick auf einen zu verhindernden Kontakt zwischen vor stehenden 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 Hö he der Bondhöcker 26 kann dabei auch durch weitere Auslegungsanforderun gen bestimmt sein.

Fig. 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Mikroelek tronik-Baugruppe 60, die ein mikrobearbeitetes Kondensatormikrophon 14 entsprechend Fig. 1 bis 3 mit einem Substrat 62 umfaßt, welches auf ei ner Außenseite 64 die elektrischen Anschlüsse 48 trägt. Hierbei ist je doch in dem Substrat 62 eine Öffnung 66 mit einem Boden 68 vorgesehen, der um eine Distanz d4 zur Außenseite 64 beabstandet ist und eine Sei tenwand 69 umfaßt. Vom Boden 68 erstreckt sich eine Reihe von Durch trittslöchern 70 zur gegenüberliegenden Seite 72 des Substrats 62 der art, daß durch die Durchtrittslöcher 70 Schallenergie auf das Diaphragma 28 auftreffen kann. Diese Ausbildung des Substrats 62 bietet im Ver gleich zum Ausführungsbeispiel der Fig. 1 einen deutlich erhöhten Schutz der Brückenstruktur 40 z. B. für Anwendungen, in welchen die Brücken struktur 40 Stößen ausgesetzt sein kann. Die Brückenstruktur 40 er streckt sich wiederum um eine Distanz d3 in die Öffnung 66, so daß die Tiefe d4 der Öffnung 66 um einen Betrag

d5 = d4 - d3

größer 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. Alter nativ 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 Mikroelek tronik-Baugruppe 60 bestimmt wird.

Fig. 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Mikroelek tronik-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 Fig. 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 Umgebungs druck zu trennen. Der Raum 88 kann entsprechend dem jeweiligen Anwen dungszweck geformt sowie evakuiert oder mit Druck beaufschlagt sein. Im Betrieb bewirken Druckänderungen in der Umgebung der Anordnung 80 Aus lenkungen 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 abgedich teten 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

1. Mikroelektronik-Baugruppe mit einem Substrat (12, 62, 84), auf welchem eine Mikrovorrichtung (14, 82) angeordnet ist, dadurch ge kennzeichnet, daß das Substrat (12, 62, 84) an einer Außenseite (44, 64) eine Öffnung (50, 66) und wenigstens einen elektrischen Leiter (48) auf weist sowie die Mikrovorrichtung (14, 82) trägt, wobei sich wenigstens eine von einer aktiven Fläche (18) der Mikrovorrichtung (14, 82) nach außen vorstehende und von dieser getragene Komponente (40) wenigstens teilweise in die Öffnung (50, 66) erstreckt und der wenigstens eine elektrische Leiter (48) wenigstens ein elektrisches Verbindungsmittel (24, 26) kontaktiert, welches auf der aktiven Fläche (18) der Mikrovor richtung (14, 82) angeordnet ist.

2. Mikroelektronik-Baugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Öffnung (50) des Substrats (12) durchgehend ausgebil det ist.

3. Mikroelektronik-Baugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Öffnung (66) des Substrats (62, 84) einen Boden (68) aufweist, der eine vorgegebene Distanz zur Außenseite (64) hat.

4. Mikroelektronik-Baugruppe nach Anspruch 3, dadurch gekenn zeichnet, daß der Boden (68) mit wenigstens einer, insbesondere einer Vielzahl von Durchtrittsöffnungen (70) versehen ist.

5. Mikroelektronik-Baugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Verbindungsmittel eine Rei he von Bondinseln (24) umfassen, die auf der aktiven Fläche (18) ange ordnet sind, wobei auf jede Bondinsel (24) ein Bondhöcker (26) angeord net ist, der die zugehörige Bondinsel (24) elektrisch kontaktiert.

6. Mikroelektronik-Baugruppe nach Anspruch 5, dadurch gekenn zeichnet, daß als elektrische Leiter des Substrats (12, 62, 84) eine Mehrzahl von Anschlüssen (48) auf der Außenseite (44, 64) des Substrats (12, 62, 84) die Bondhöcker (26) leitend kontaktieren.

7. Mikroelektronik-Baugruppe nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikrovorrichtung (14, 82) auf dem Substrat (12, 62, 84) allein durch die Bondhöcker (26) gehalten wird.

8. Mikroelektronik-Baugruppe nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Bondhöcker (26) wenigstens teilweise aus Gold bestehen.

9. Mikroelektronik-Baugruppe nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß 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.

10. Mikroelektronik-Baugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikrovorrichtung (14, 82) ein Wandler und die Komponente (40) eine Brücke für den Wandler ist.

11. Mikroelektronik-Baugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikrovorrichtung (14) ein Mikrophon ist.

12. Mikroelektronik-Baugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikrovorrichtung (82) ein Drucksen sor ist.