DE69837247T2

DE69837247T2 - Mikroelektromechanische Komponente, beispielsweise Mikrosensor oder Mikroaktuator, der auf ein Hybridschaltungssubstrat übertragbar ist

Info

Publication number: DE69837247T2
Application number: DE69837247T
Authority: DE
Inventors: Thierry Legay; Dominique Gilet; Yves Van Campenhout
Original assignee: Ela Medical SAS
Current assignee: Sorin CRM SAS
Priority date: 1997-11-21
Filing date: 1998-11-20
Publication date: 2007-10-31
Anticipated expiration: 2018-11-21
Also published as: US6236111B1; JP4330190B2; ATE356435T1; JPH11312777A; EP0921566B1; FR2771551B1; DE69837247D1; EP0921566A1; FR2771551A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft die Technologie der mikroelektromechanischen Komponenten, das heißt, die einen Chip umfassen, in den ein Mikrosystem integriert ist, das durch Mittel verwirklicht ist, die der Technologie der integrierten Schaltungen eigen ist, das heißt, Auftrag, Photolithographie und Mikro-Verarbeitung von aufeinander folgenden Schichten auf einem Substrat, allgemein aus Silicium (manchmal ein anderes Material, wie beispielsweise Glas oder Quarz).
Der Begriff "Mikrosystem" bezieht sich auf eine Komponente, die es erlaubt, eine physikalische Größe in ein elektrisches Signal umzuwandeln (es handelt sich dann um einen Mikrosensor, zum Beispiel einen Mikrobeschleunigungsmesser), oder die umgekehrt durch Anwendung eines elektrischen Signals eine physikalische Größe verändert, im Allgemeinen in der Form einer Verstellung eines mobilen Elements (es handelt sich dann um einen Mikroaktuator, zum Beispiel eine Mikropumpe, typischerweise für eine Mikrospritze, oder auch einen Mikromotor).
Diese Komponenten umfassen meistens bewegliche Teile, die Mikrobewegungen in der Größenordnung eines Mikrometers ausführen, und folglich von Natur aus sehr sensibel gegenüber den mechanischen Belastungen der Umgebung sind.
Wenn man im typischen Fall eines Mikrobeschleunigungsmessers die Komponente direkt mit einem steifen Klebstoff vom Epoxyharztyp auf das Substrat kleben würde, so könnten die durch dieses Kleben erzeugten bloßen mechanischen Belastungen eine Veränderung der Sensibilität des Mikrosensors bzw. eine Verringerung dessen Fähigkeit, Überbelastungen auszuhalten, bewirken, oder ihn sogar völlig blockieren.
Aus diesem Grund ist beim gegenwärtigen Stand der Technik das direkte Setzen einer solchen Komponente auf ein Substrat einer Hybridschaltung heikel und erfordert die Verwendung von flexiblen Klebstoffen und eines Silicongels, um die elektrischen Verbindungen zu schützen. Eine Variante besteht darin, die Vorrichtung auf einem Chipcarrier zu montieren, der dann auf das Substrat gesetzt wird, aber der Platzverlust ist dann groß.
Um die Unterschiede in den Ausdehnungskoeffizienten zwischen dem Material des Substrats (Keramik, Epoxyglas, usw.) und demjenigen der Komponente (Silicium, Quarz, usw.) zu absorbieren, ist nichtsdestotrotz die Anwesenheit eines Zwischenharzes unerlässlich. Man führt folglich ein erstes Setzen der Komponente auf ein Zwischensubstrat aus Silicium durch (die Silicium/Silicium-Schnittstelle bildet keine Schwierigkeiten), und dann des Zwischensubstrats auf das Substrat der Hybridschaltung, wobei letzteres zum Beispiel aus Keramik besteht, mit Zwischensetzung des Harzes zwischen diesen zwei Substraten.
Eines der Ziele der Erfindung ist es, eine besondere Komponentenstruktur vorzuschlagen, die es erlaubt, diese Schwierigkeiten zu überwinden, und das direkte Setzen der Komponente auf das Substrat der Hybridschaltung ermöglicht, wobei das Mikrosystem vor den mechanischen Belastungen geschützt wird, die durch das Auftragen und das Aushärten eines Harzes erzeugt werden.
Ein anderes Ziel der Erfindung ist es, eine solche Komponente vorzuschlagen, die nach dem Aufsetzen auf das Substrat auf letzterem eine Fläche einnimmt, die identisch zu derjenigen des alleinigen Chips ist; mit anderen Worten erhöht die Hinzufügung von Harz zum Chip zur Umhüllung der Komponente nicht die durch die Komponente auf dem Substrat eingenommene Fläche. Diese Technologie, die unter dem Namen "CSP" (Chip Scale Packaging) bekannt ist, ist in den Gebieten von besonderem Vorteil, wo die Miniaturisierung der Schaltungen ein entscheidender Parameter ist, wie zum Beispiel in demjenigen der Herzschrittmacherschaltungen.
Zu diesem Zweck schlägt die vorliegende Erfindung eine mikroelektromechanische Komponente mit einem Chip vor, der ein Mikrosystem umfasst, welches insbesondere durch Auftrag, Photolithographie und Mikroverarbeitung von aufeinander folgenden Schichten verwirklicht ist, bei welcher das Mikrosystem eine Mehrzahl von Kontakten zur elektrischen Verbindung umfasst. Erfindungsgemäß: ist der Chip mit einer externen Umhüllung versehen, um dessen Anordnung auf einem Substrat zu erlauben, und diese Umhüllung weist an der Oberfläche eine Mehrzahl von äußeren Metallisierungen auf, die durch das Umhüllungsmaterial hindurch elektrisch mit den sich gegenüber befindlichen Kontakten des Chips verbunden sind, die in der Dicke des Umhüllungsmaterials versenkt sind; die umhüllte Komponente hat in Richtung der Länge und der Breite im Wesentlichen dieselben Ausmaße wie diejenigen des Chips vor Umhüllung; und die Umhüllung ist nur auf einem verringerten Teil des Chips ausgebildet, im Wesentlichen im Bereich der Kontakte und der Metallisierungen, wobei der nichtumhüllte Teil ein sensibler Teil des Mikrosystems ist, der vor den durch die Anwendung und Aushärtung des Umhüllungsmaterials erzeugten mechanischen Spannungen bzw. Belastungen geschützt ist.
Mit anderen Worten betrifft die Umhüllung nur die elektrischen Verbindungen des Mikrosystems, die elektrisch und mechanisch mit dem Substrat verbunden sind; der Rest des Sensors, der typischerweise aus Silicium besteht, benötigt keine Umhüllung und kann frei auf dem Substrat aufliegen, ohne steife Verbindung mit letzterem. So ist nur ein kleiner Teil (derjenige, der die elektrischen Verbindungen trägt), der vorzugsweise ein mechanisch inaktiver Teil ist, von Harz umhüllt, um die mechanischen Belastungen zu minimieren, die durch das Aushärten dieses Harzes erzeugt werden.
Inzident muss präzisiert werden, dass der Begriff "Umhüllung" nicht im beschränkten Sinne ausgelegt werden darf, der eine vollständige Einhüllung des Chips der Komponente suggeriert; dieser Begriff bezieht sich nur auf die besondere verwendete Technologie ("Coating"), wo das Harz nur auf einer Seite der Komponente angewandt werden kann, wie es weiter unten erklärt ist.
Gemäß verschiedener nachrangiger vorteilhafter Merkmale:

– umfasst die Komponente in Richtung der Dicke des Chips eine Ausnehmung, die durch das Umhüllungsmaterial ausgefüllt ist, insbesondere eine seitliche Ausnehmung, die auf einer Kante des Chips ausgebildet ist, und ist in besonders vorteilhafter Weise das Umhüllungsmaterial mit der Fläche des nicht umhüllten Teils bündig;
– befinden sich die Kontakte und die Metallisierungen auf einer selben Seite, vorzugsweise einer kleinen Seite, des Chips, wobei die Metallisierungen sich vorzugsweise über eine geneigte Fläche einer abgeschrägten Kante der Komponente erstrecken, so dass die geneigte Fläche stets in einem Winkel zum Substrat steht, unabhängig von der Konfiguration der Anordnung der Komponente auf diesem Substrat, flach oder auf der Seite liegend;
– ist der Chip aus einer Mehrzahl von übereinander liegenden Platten gebildet, mit einer aktiven, das Mikrosystem aufweisenden Platte und wenigstens einer passiven Schutzplatte, die auf der aktiven Platte fixiert ist, und ist die Länge des passiven Teils geringer als diejenige des aktiven Teils, um so einen Bereich zu bilden, wo die Kontakte nicht von der passiven Platte bedeckt sind, und in diesem nichtbedeckten Bereich eine seitliche Ausnehmung zu definieren, die von dem Umhüllungsmaterial ausgefüllt ist;
– ist das Mikrosystem ein Mikrobeschleunigungsmesser.

Die Erfindung betrifft ebenfalls als neues Produkt einen geregelten Herzschrittmacher, der einen Mikrobeschleunigungsmesserumfasst, der in eine Komponente eingebaut ist, wie sie oben ausgeführt ist.
Andere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden beim Lesen der folgenden detaillierten Beschreibung eines Ausführungsbeispiels offensichtlich werden, mit Bezug auf die angefügten Zeichnungen.
Die 1 ist eine perspektivische Ansicht einer Komponente, die gemäß der erfindungsgemäßen Lehre verwirklicht ist.
Die 2 zeigt die Komponente der 1, die gemäß zwei möglicher Konfigurationen auf einem Substrat angeordnet und angeschweißt ist.
In der 1 bezeichnet das Bezugszeichen 10 allgemein die erfindungsgemäße Komponente, bei der es sich zum Beispiel um einen Mikrobeschleunigungsmesser mit einer oder zwei empfindlichen Achsen in der Ebene des Chips handeln kann, eine Komponente, die insbesondere als Sensor einer physischen Aktivität in einem geregelten Herzschrittmacher eingesetzt wird (wobei dieses Beispiel natürlich in keinster Weise beschränkend ist, wie es am Anfang der vorliegenden Beschreibung angegeben wurde).
Bei dem betrachteten Beispiel ist die Komponente 10 aus zwei Platten ("Wafern") aus Silicium 12, 14 verwirklicht – wobei die 1 nur eine individuelle Komponente darstellt, die man nach Zerschneiden der gesamten Platte erhält.
Die Platte 12 wird als "aktiv" bezeichnet und trägt das Mikrosystem, während die Platte 14 als "passiv" bezeichnet wird, insoweit als sie frei von eingebrachten elektronischen oder elektromechanischen Elementen ist und nur eine Rolle als Schutzabdeckung der Elemente der aktiven Platte 12 übernimmt. Diese zwei Platten werden übereinander gelegt und beispielsweise durch eine anodische Verbindung ("Bonding") versiegelt; da die Platten 12 und 14 aus einem selben Material bestehen, bringt diese Verbindung keinerlei mechanische Spannung an der Schnittstelle zwischen den zwei Platten in die Komponente ein.
Die aktive Platte 12 umfasst eine Mehrzahl von Kontakten oder auch "Pads" 16, die bündig anliegende (wie dargestellt) oder sich jeder am Boden einer Vertiefung der Platte 12 befindliche metallisierte Bereiche sind.
Um den Zugang zu diesen Kontakten 16 zu erlauben, umfasst die passive Platte 14 eine Ausnehmung 18 auf der Höhe der Kontakte 16. Diese Ausnehmung ist durch ein entsprechendes Volumen an Umhüllungsharz 20 gefüllt, das an seiner oberen Fläche (die mit der Höhe der passiven Platte 14 bündig ist) eine Serie von Metallisie rungen 22 trägt, in gleicher Anzahl wie die Kontakte 16. Die Metallisierungen 22 und die entsprechenden Kontakte 16 befinden sich gegenüber und sind untereinander durch einen Verbindungsdraht 24 verbunden.
Diese elektrischen Verbindungen können gemäß einer bekannten Technik verwirklicht sein, die in der WO-A-93/24956 ausgeführt ist, deren Mitinhaberin die Anmelderin ist, und wo ein Verfahren zur Herstellung einer Komponente beschrieben ist, deren eine Seite vollständig mit einer Umhüllungsschicht aus Harz bedeckt ist und eine Serie von Metallisierungen trägt, die mit Kontakten eines Chips verbunden sind, wobei diese Kontakte unter die Harzschicht versenkt sind. Das in diesem Dokument beschriebene Verfahren mit seinen verschiedenen Varianten kann vollkommen zur Verwirklichung der Komponente der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden.
Die Ausnehmung 18 kann einfach vor dem Zerschneiden der gestapelten Platten in individuelle Komponenten durch Ausheben von Gräben in der oberen Platte 14 verwirklicht werden, welches es erlaubt, die Kontakte 16 zum Vorschein kommen zu lassen, wobei diese Gräben sich von außen in der Form einer kontinuierlichen Grabenschraffierung (oder eines Rasters, falls die Komponente auf zwei anliegenden Seiten mit Kontakten versehen ist) präsentieren.
Die Umhüllung wird dann auf die Weise durchgeführt, die in der vorzitierten WO-A-93/24956 gelehrt wird, wobei jedoch das Harz nur in die Gräben gegossen wird, die in der Platte ausgehoben wurden. Das Harz ist ein polymerisierbares Material wie zum Beispiel Polyimid, ein Epoxypolymer, usw., das in situ gegossen und ausgehärtet werden kann, zum Beispiel durch Belichtung mit UV-Strahlen oder Temperaturbehandlung. Nach der Polymerisation hat das ausgehärtete Material, auch wenn es steif ist, nichtsdestotrotz eine ausreichende Biegsamkeit, um die Unterschiede in den Ausdehnungskoeffizienten zwischen dem Substrat und der Komponente sowie die eventuellen mechanischen Spannungen, die an der Schnittstelle zwischen diesen zwei Elementen erfahren werden, zu absorbieren.
Nach dem Aushärten dieses Harzes sind die auf der Platte erzeugten Spannungen ausreichend gering, so dass sie diese nicht beschädigen, und die Endetappen dieses Verfahrens (Schleifen, Rillen, Ablage der Metallisierungen 22, usw.) können weiterhin gemäß der Lehre der WO-A-93/24956 erfolgen.
Nach dem Zerschneiden der gestapelten Platten in individuelle Komponenten löst sich die auf der Zusammensetzung lastende schwache Spannung, und die Komponente (umhülltes Mikrosystem) erfährt keinerlei Veränderung der elektromechanischen Eigenschaften, oder nur sehr geringe Veränderungen.
So verfügt man über eine Komponente, die auf einer ihrer Seiten eine von einem metallisierten Harz umhüllte Region umfasst, die zur Anordnung auf einem Aufnahmesubstrat geeignet ist, das aus einem anderen Material als dasjenige der Platten ist. Diese Anordnung erfolgt wie für eine SMD-Komponente, gemäß an sich wohlbekannter Techniken, die nicht weiter im Detail beschrieben werden.
Die 2 veranschaulicht diese Komponente 10, die auf einem Substrat 28 angeordnet ist. Vorzugsweise ist eine abgeschrägte Fläche 26 vorgesehen, die es erlaubt, die durch die Schweißung 30 benetzte Fläche zu erhöhen, und außerdem und vor allem in gleicher Weise eine flache Anordnung (links in der 2) oder eine Anordnung auf der Seite (rechts in der 2) der Komponente auf dem Substrat zu ermöglichen.
Dieser letzte Vorteil ist zum Beispiel im Falle der Mikrobeschleunigungsmesser besonders interessant, wobei die flach angeordnete Komponente zum Beispiel ein Mikrobeschleunigungsmesser mit zwei empfindlichen Achsen in der Ebene des Chips und folglich in der Ebene des Substrats ist, während die auf der Seite angeordnete Komponente ebenfalls ein Mikrobeschleunigungsmesser mit einer empfindlichen Achse in der Ebene des Chips, folglich senkrecht zur Ebene des Substrats, ist: So kann man mit zwei ähnlichen Komponenten, die Seite an Seite angeordnet sind, ein 3D-Sensorsystem in einem orthonormierten Koordinatensystem erhalten.
Die vorliegende Beschreibung, die einer vorteilhaften Konfiguration entspricht, ist natürlich nicht beschränkend.
In der Tat ist es wünschenswert, dass die Verbindungskontakte (die im Falle der Mikrosysteme im Allgemeinen in einer begrenzten Anzahl vorliegen) auf einer selben Seite des Chips zusammengefasst sind, um nur die Umhüllung der elektrischen Verbindungen und nicht der Gesamtheit des Mikrosystems zu erlauben.
Andererseits, wobei ein Mikrosystem im Allgemeinen anhand mehrerer übereinander gelegter Platten verwirklicht ist, ist es zur Begrenzung der Empfindlichkeit der Komponente gegenüber Belastungen wünschenswert, dass der aktive mechanische Teil des Mikrosystems sich auf einer einzigen Platte befindet (die aktive Platte 12 in dem oben beschriebenen Beispiel), eingebracht in die Oberfläche und/oder das Volumen, und dass eine oder zwei andere Platten (drüber und/oder drunter) den mechanischen Schutz der aktiven Platte verwirklichen, mit einer elektrischen Funktion, die zum Beispiel auf eine Abschirmfunktion begrenzt ist. Auf diese Weise erzeugen auf die passiven Platten einwirkende Mikrospannungen weniger Störungen beim Gesamtbetrieb der Komponente.
Weiterhin im Fall (bevorzugt, aber nicht beschränkend) einer Komponente, die anhand einer Mehrplattenstruktur verwirklicht ist, ist es ebenfalls wünschenswert, dass alle Kontakte zur Verbindung mit dem Mikrosystem sich bevorzugt auf der aktiven Platte befinden, um die Umhüllung zu erleichtern.

Claims

Mikroelektromechanische Komponente (10) mit einem Chip (12, 14), der ein Mikrosystem umfasst, welches insbesondere durch Auftrag, Photolithographie und Mikro-Verarbeitung von aufeinander folgenden Schichten verwirklicht ist, bei welcher das Mikrosystem eine Mehrzahl von Kontakten (16) zur elektrischen Verbindung umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass der Chip (12, 14) mit einer externen Umhüllung (20) versehen ist, um dessen Anordnung auf einem Substrat (28) zu erlauben, und dass diese Umhüllung (20) an der Oberfläche eine Mehrzahl von äußeren Metallisierungen (22) aufweist, die durch das Umhüllungsmaterial (20) hindurch elektrisch mit den sich gegenüber befindlichen Kontakten (16) des Chips verbunden sind, die in der Dicke des Umhüllungsmaterials (20) versenkt sind, wobei die umhüllte Komponente (10) in Richtung der Länge und der Breite dieselben Ausmaße wie diejenigen des Chips (12, 14) vor Umhüllung hat, und wobei die Umhüllung (20) nur auf einem verringerten Teil des Chips (12, 14) im Bereich der Kontakte (16) und der Metallisierungen (22) ausgebildet ist, wobei der nicht umhüllte Teil ein sensibler Teil des Mikrosystems ist, der vor den durch die Anwendung und Aushärtung des Umhüllungsmaterials erzeugten mechanischen Spannungen geschützt ist.
Komponente nach Anspruch 1, mit einer Ausnehmung (18) in Richtung der Dicke des Chips (12, 14), die durch das Umhüllungsmaterial ausgefüllt ist.
Komponente nach Anspruch 2, bei welcher das Umhüllungsmaterial (20) mit der Fläche des nicht umhüllten Teils bündig ist.
Komponente nach Anspruch 2, bei welcher die Ausnehmung (18) eine seitliche Ausnehmung ist, die auf einer Kante des Chips (12, 14) ausgebildet ist.
Komponente nach Anspruch 1, bei welcher die Kontakte (16) und die Metallisierungen (22) sich auf einer selben Seite des Chips befinden, vorzugsweise einer kleinen Seite.
Komponente nach Anspruch 5, bei welcher die Metallisierungen (22) sich über eine geneigte Fläche (26) einer abgeschrägten Kante der Komponente erstrecken, so dass die geneigte Fläche (26) stets in einem Winkel zum Substrat (28) steht, unabhängig von der Konfiguration der Anordnung der Komponente (10) auf diesem Substrat (28), flach oder auf der Seite liegend.
Komponente nach Anspruch 1, bei welcher der Chip (12, 14) aus einer Mehrzahl von übereinander liegenden Platten gebildet ist, mit einer das Mikrosystem aufweisenden aktiven Platte (12) und wenigstens einer passiven Schutzplatte (14), die auf der aktiven Platte fixiert ist, und wobei die Länge des passiven Teils geringer als diejenige des aktiven Teils ist, um so einen Bereich zu bilden, wo die Kontakte nicht von der passiven Platte bedeckt sind, und in diesem nicht bedeckten Bereich eine seitliche Ausnehmung (18) zu definieren, die von dem Umhüllungsmaterial (20) ausgefüllt ist.
Komponente nach Anspruch 1, bei welcher das Mikrosystem ein Mikro-Beschleunigungsmesser ist.
Geregelter Herzschrittmacher, dadurch gekennzeichnet, dass er einen Mikro-Beschleunigungsmesser umfasst, der in eine Komponente (10) nach Anspruch 8 eingebaut ist.