TW202346197A - 微機械構件和相應的生產方法 - Google Patents
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Abstract
本發明提供一種微機械構件及一種相應的生產方法。該微機械構件裝備有：基板（1）；功能晶片（2），其施加於該基板（1）上，其中主表面（2a）具有背對該基板（1）之；一或多個結合襯墊（30），其藉助於各別結合線（3）結合至該基板（1）上，該一或多個結合襯墊設置於該主表面（2a）上；覆蓋晶片（15a；15b；15c；15d；15e），其由對含於模具組成物（4）中之鹵素離子具有擴散抑制效應的晶片材料形成，該覆蓋晶片係作為針對於模具封裝（4）之擴散障壁而施加於該功能晶片（2）之該主表面（2a）上或該主表面（2a）上方，該覆蓋晶片（15a；15b；15c；15d；15e）實質上完全覆蓋該主表面（2a）；及該模具封裝（4），該功能晶片（2）與該覆蓋晶片（15a；15b；15c；15d；15e）一起封裝於該模具封裝中。
Description
本發明係關於一微機械構件及一相應的生產方法。
儘管亦可使用任何所要微機械構件，但本發明及其基本目標係基於微機械感測器裝置（詳言之基於矽之壓力感測器或麥克風）解釋，該等微機械感測器裝置具有感測器晶片及電路晶片。
用於微機械壓力感測器及麥克風之外殼需要至感測器晶片之感測區的開放通路，該感測區例如藉由膜形成。一個可能具體實例為所謂的預模製外殼，或模具預模製外殼（mould-premould housing；MPM）。在後一情況下，ASIC電路晶片經包覆模製且腔體同樣在模製期間產生。微機械感測器晶片經裝配至腔體中。此設計可以小外形積體電路（Small Outline Integrated Circuit；SOIC）及焊盤柵格陣列（Land Grid Array；LGA）封裝兩者實施。模具預模製外殼相比於純預模製外殼的優點在於ASIC電路晶片經包覆模製且因此受較佳保護以免於機械及環境影響。
DE 10 2009 002 376 A1描述例如用於感測器元件及相應的ASIC電路晶片的多晶片感測器模組及相應之生產方法。構件之電接點配置於不同平面中。在嵌入於一囊封組成物中之後或期間，通孔接點提供至含於該囊封組成物中的構件之接點。隨後，構件以電傳導方式接觸。
DE 10 2011 084 582 A1揭示具有以下各者的微機械感測器裝置：一基板；一電路晶片，其施加於該基板上；及一模具封裝，該電路晶片封裝於該模具封裝中，該模具封裝在該電路晶片上方具有一腔體，一感測器晶片設置於該腔體中，且該模具封裝在該腔體內部具有一通孔，該感測器晶片至該基板之一電連接件經由該通孔而導引。本公開案同樣揭示相應的生產方法。
圖7為解釋根據DE 10 2011 084 582 A1之先前技術的微機械感測器裝置及相應生產方法的示意性橫截面圖。
ASIC電路晶片2黏著地結合至基板1 （例如電路板）上，且主表面2a上之結合襯墊30藉由結合線3電連接至電路板1。ASIC電路晶片2隨後以模具組成物4包覆模製，腔體5藉由模製工具形成於模具組成物4中。在此腔體5中，壓力感測器MEMS晶片6隨後運用凝膠7黏著地結合及密封。舉例而言，壓力感測器MEMS晶片6同樣藉助於結合線3a經由腔體5中之通孔結合至電路板1上。
此類壓力感測器用於各種應用（例如柴油粒子過濾器、集管氣壓、安全氣囊等）中。
此類模具封裝之一個已知問題由模具複合物中之雜質組成，該等雜質可在複合物生產期間永不完全被避免。在此情況下特別關鍵的係雜質包含可引起ASIC電路晶片2上之腐蝕的物質，或其反應產物。此之一個相關實例為模具複合物中之CaCl粒子20，其結合柴油粒子過濾器應用中之嚴苛環境條件（高溫及高濕度、運用主動供電之長服務時間）可歸因於具有樹突狀形式之腐蝕而導致現場故障。
可能證實現場故障由在模製程序期間在結合襯墊30之緊鄰空間附近累積的模具組成物中之CaCl雜質（CaCl粒子20）所引起，該等雜質對腐蝕敏感。在主動感測器操作期間，藉由濕氣自CaCl粒子20溶解的Cl離子接著引起具有樹突狀形式之腐蝕，其最終導致構件故障。
圖8為解釋具有根據圖7之先前技術之修改的例示性微機械感測器裝置及相應生產方法的示意性橫截面圖。
在此修改中，嘗試藉由作為擴散障壁保護主表面2a免於鹵素離子影響的頂部塗層10將ASIC電路晶片2之易損壞的主表面2a與模具組成物4在空間上分開（且因此與含有CL之可能雜質分開）。
頂部塗層10為在導線結合程序之後經施配至ASIC電路晶片2之主表面2a上且隨後經熱固化的密封組合物。如同在標準程序流程中，感測器接著經內模製且MPM外殼藉此形成。藉由頂部塗層10，ASIC電路晶片2之主表面2a與包含CaCl粒子20之模具組成物4在空間上分開。
MPM外殼之最大允許總構件高度的約束條件限制在ASIC電路晶片2上方之模具覆蓋（典型地約300 µm）且因此亦限制頂部塗層10之最大可能層厚度（
160 µm），此必須被遵從以便不干擾模製程序。
由於頂部塗層密封組合物之流變性，其不能作為均勻層以恆定厚度在ASIC電路晶片2上方施配，但實際上其典型地形成半球形覆蓋。在此情況下關鍵的係頂部塗層10之層厚度在晶片邊緣處非常薄，其中受保護之結合襯墊30位於主表面2a上。然而，減小層厚度具有對頂部塗層10之保護效應的不利影響。
大量不同密封組合物係針對頂部塗層10評估且關於其對藉由模具雜質形成之腐蝕的保護效應而評定。發現研究的頂部塗層選項中無一者提供對腐蝕的完全保護。
運用最合適之頂部塗層，在誘發性測試（在包覆模製之前故意施加雜質至主表面2a上，繼之以在濕度儲存器中主動操作感測器）中，相比於具有未受保護ASIC電路晶片2之參考群組實現腐蝕故障之發生的時間延遲，但在主動濕度儲存器之1000 h之後頂部塗層群組之故障率與對照組之故障率對應。
藉由頂部塗層10保護之ASIC電路晶片2之故障的原因在此情況下為在存在濕氣情況下，密封組合物不對來自模具雜質之行動CL離子之至主表面2a的擴散進行充分保護。
頂部塗層10作為模具雜質與主表面2a之間的擴散障壁之效應因此係不充分的。對於此之原因很可能在於頂部塗層密封組合物之組成。其典型地主要由在環氧樹脂基質（或其他有機基質）中圍封的二氧化矽填充劑組成。疑似CL離子或其他鹵素離子的樹脂基質擴散未受到充分抑制。
本發明提供一種如申請專利範圍第1項之微機械構件及一種如申請專利範圍第8項之相應生產方法。
各別附屬申請專利範圍係關於較佳發展。
本發明之優勢
本發明基於之概念由在功能晶片上提供晶片擴散障壁組成，該晶片擴散障壁保護功能晶片之主表面以免於來自模具複合物中之雜質粒子的具腐蝕-促進作用之鹵素離子的影響。
為了達成保護效應，功能晶片之主表面因此藉由由合適材料組成之晶片相對於模具組成物覆蓋，此防止來自模具組成物中之雜質粒子之鹵素離子的擴散。合適之晶片材料例如但非獨占式地為矽、玻璃、陶瓷或塑膠晶片，其抑制鹵素離子之擴散。根據本發明之程序因此使得有可能避免前述腐蝕現象。
本發明之方法可運用已知模製工具進行，施加鹵素擴散抑制晶片之僅僅一額外步驟係必需的。換言之，已知程序流程中之實施非常容易可達成。
為了生產所提議配置，自製造及連接技術之僅僅已建立的標準材料及方法經採用（例如矽或玻璃晶圓、藉由研磨使晶圓變薄、藉由機械鋸割單粒化晶片、藉由標準晶粒附接程序運用FOW或FOD安裝晶片）。
覆蓋晶片之施加可例如運用標準晶粒附接系統進行，且因此極高效，此係由於可運用單一系統製造超過1000個感測器/小時。
所提議配置可根據上文關於防護障壁之總構件高度、ASIC模具覆蓋及最小模具覆蓋所描述的例示性要求組態。舉例而言，可使用80 µm厚矽或玻璃覆蓋晶片，其係運用80 µm厚FOW而施加於ASIC上。80 µm FOW厚度足以嵌入結合連接件，且在160 µm下，由覆蓋晶片及FOW組成的防護配置之總厚度可製成足夠小以不負面地影響模製程序。
根據一個較佳發展，功能晶片為一電路晶片，該模具封裝在該功能晶片上方具有其中施加一感測器晶片的一腔體，該感測器晶片特定言之具有一壓力感測器及/或一麥克風及/或一加速度感測器及/或一旋轉速率感測器及/或一光學感測器。此類感測器裝置可藉由本發明製得特別穩固。
根據另一較佳發展，覆蓋晶片藉助於黏著層施加於主表面上。詳言之，FOW或FOD技術可用於此，或替代地運用液體黏著膜之分配技術。
根據另一較佳發展，黏著層係自熱塑性材料生產。因此，功能晶片與覆蓋晶片之間的連接可藉助於熱方法建立。
根據另一較佳發展，黏著層側向地圍封功能晶片，且延伸直至基板。因此，對鹵素離子的防護可實現於全部側面上。
根據另一較佳發展，覆蓋晶片側向地突出超出功能晶片。覆蓋區域因此可經製得較大且可增加障壁效應。
根據另一較佳發展，覆蓋晶片具有一腔室，其圍封功能晶片且其藉助於黏著層施加於基板上。此提供特定防護效應，尤其亦關於模製程序期間的壓力負載。
在諸圖中，相同的參考數字指代相同或在功能上相同的元件。
圖1為解釋根據本發明之第一具體實例的微機械構件及相應生產方法之示意性橫截面圖。
在圖1中，參考數字1指代用於微機械構件（在本發明之情況下壓力感測器裝置）之基板（例如電路板）。
在基板1上，例如藉由黏著性結合施加作為功能晶片之電路晶片2，其中主表面2a背對基板1，一或多個結合襯墊30設置於主表面2a上。結合襯墊30藉助於各別結合線3連接至基板1之相應接點（未表示）。
隨後，覆蓋晶片15a作為針對於未來模具封裝4之擴散障壁施加於電路晶片2之主表面2a上，此晶片由對含於模具組成物4中之鹵素離子具有擴散抑制效應的晶片材料形成。此晶片材料的實例為矽、玻璃、陶瓷、塑膠等。
在此第一具體實例中，自熱塑性材料生產的覆蓋晶片15a藉助於黏著層14a施加於主表面2a上，覆蓋晶片15a已經與位於其上之經熱軟化黏著層14a一起施加至主表面2a上。此可例如藉由使基板1預先達到高溫（例如140℃）而進行。在施加之後，黏著層14a經固化以便形成電路晶片2與覆蓋晶片15a之牢固連接。
最終，具有位於下方之黏著層14a的覆蓋晶片15a完全覆蓋電路晶片2之主表面2a，電路晶片2之側向區經曝露。此類覆蓋亦稱作線上膜（Film over Wire；FOW）覆蓋。
此後為提供模具封裝4，電路晶片2與覆蓋晶片15a一起藉助於相應模製工具而封裝於該模具封裝中。
在此具體實例中，其中施加感測器晶片6的腔體5此外在電路晶片2上方且在距覆蓋晶片15a之一距離處形成於模具封裝4中，該感測器晶片特定言之具有一壓力感測器及/或一麥克風及/或一加速度感測器及/或一旋轉速率感測器及/或一光學感測器。腔體5之大小可由模製工具判定。舉例而言，可使用工具中具有***件之標準LGA模製壓機。
感測器晶片6接著藉助於結合連接件3a經由模具封裝中之通孔連接至基板1上之接點（未表示）。
最終，包含凝膠7之鈍化設置於腔體5內部。視情況，具有允許至感測器晶片6之感測區的外部壓力通路之通孔的蓋可在一另外程序步驟中施加。
施加至電路晶片2上之覆蓋晶片15a對於水溶液中之鹵素離子的擴散為準不滲透的。因此其有效地保護具有結合襯墊30之主表面2a以免於鹵素離子浸出模具複合物中之粒子影響且因此高效地抑制歸因於此類模具雜質之腐蝕。
圖2為解釋根據本發明之第二具體實例的微機械構件及相應生產方法之示意性橫截面圖。
第二具體實例不同於第一具體實例，不同之處在於覆蓋晶片15b側向地突出超出電路晶片2及黏著層14b，其連接至覆蓋晶片15b，側向地圍封電路晶片2且延伸直至基板1。
此可藉由在覆蓋晶片15b與黏著層14b之加熱施加期間電路晶片2壓入至黏著層14b中而進行，以使得此層完全環繞該電路晶片。此類覆蓋亦稱作晶粒上膜（Film over Die；FOD）覆蓋。
在其他方面，第二具體實例與第一具體實例相同。
圖3a至圖3d為形成根據圖1之FOW電路晶片覆蓋之例示性方法步驟序列。
根據圖3a，晶圓W（其在其後側上按表面寬度塗佈有黏著層14a經設置用於覆蓋晶片。鋸割膜50施加至黏著層14a。
覆蓋晶片15a根據圖3b與黏著層14a之對應區一起自晶圓W鋸割，晶圓W可預先接地回至相應目標厚度。
藉助於夾緊工具Z，具有黏著層14a之覆蓋晶片15a自鋸割膜50移除並輸送至待受保護之電路晶片2，如圖3c中所展示。
在圖1中描述之配置中，覆蓋晶片15a藉助於「線上膜」（FOW）黏著地結合於待在結合程序之後受保護之電路晶片2上，且FOW經熱固化，如圖3d）中所展示。
在圖2中描述之配置中，覆蓋晶片15b藉助於「晶粒上膜」（FOD）黏著地結合於待在結合程序之後受保護之電路晶片2上。與根據圖3a至圖3b之方法的唯一差異在於覆蓋晶片15b具有比待受保護之電路晶片2更大之區域，且黏著層14b具有一較大厚度以使得其可嵌入待受保護之電路晶片2，電路晶片2被側向地完全環繞。
圖4為解釋根據本發明之第三具體實例的微機械構件及相應生產方法之示意性橫截面圖。
替代地，根據圖4，亦存在運用液體黏著層14c將覆蓋晶片15c安裝於電路晶片2上之選項。液體黏著層14c為此目的經施配至主表面2a上。
舉例而言，當FOW或FOD出於物流原因不可自供應商購得，或由於基於產品對於其他接地之特定要求，FOW或FOD不能使用時，可採用此選項。然而，應注意，在此方法中，覆蓋晶片附接必須以精確高度控制進行以免損害結合連接件。
在其他方面，第三具體實例與第一具體實例相同。
圖5為解釋根據本發明之第四具體實例的微機械構件及相應生產方法之示意性橫截面圖。
第四具體實例不同於第三具體實例，不同之處在於液體黏著層14d以一種方式施配於主表面上方，該方式使得在覆蓋晶片15d放置在適當的位置之前，電路晶片2藉由該液體黏著層完全側向地圍封。
在其他方面，第四具體實例與第三具體實例相同。
圖6為解釋根據本發明之第五具體實例的微機械構件及相應生產方法之示意性橫截面圖。
與上文所描述的其中平坦覆蓋晶片15a至15d保護主表面2a之具體實例相反，在第五具體實例中，亦可採用具有後側腔室K之經結構化覆蓋晶片15e。
具有此類後側腔室K之覆蓋晶片15e可例如藉由深度反應性離子蝕刻（deep reactive ion etching；DRIE）在晶圓級處經濟地生產。
在圖6中展示之配置中，具有先前經施配於基板1上之液體黏著層14e的此結構化覆蓋晶片15e作為蓋安裝於待保護之電路晶片2上方。以此方式製造之蓋接著針對來自模具複合物中之相應腐蝕性雜質的鹵素離子保護在周圍模製的全部五個側面上之電路晶片2。
儘管已藉助於較佳例示性具體實例來描述本發明，但本發明不限於此。詳言之，材料及所提及之拓樸僅僅為例示性的，且此等材料及拓樸不限於已解釋的實例。
儘管上文參考壓力感測器描述，但本發明亦可尤其用於麥克風、加速度感測器、光學感測器、旋轉速率感測器等，其需要至外部世界之外部通路但必須針對環境影響而被保護。
一般而言，本發明亦可用於具有或不具有感測器晶片、具有不同功能晶片的電路晶片配置，換言之，不僅用於微機械感測器裝置而且用於具有功能晶片之任何所要模具封裝微機械構件。其他功能晶片之實例尤其為電機械或電化學功能晶片。
在上述具體實例中，藉由MPM外殼之實例描述使用覆蓋晶片以生產用於保護特殊應用積體電路（application-specific integrated circuit；ASIC）晶片免於腐蝕介質影響的封裝內矽擴散障壁。然而，用於ASIC保護之配置並不限於MPM外殼而可用於全部模具及開放式腔體封裝（例如麥克風外殼）。
1:基板
2:功能晶片
2a:主表面
3,3a:結合線/結合連接件
4:模具組成物
5:腔體
6:壓力感測器MEMS晶片
7:凝膠
10:頂部塗層
14a,14b,14c,14d,14e:黏著層
15a,15b,15c,15d,15e:覆蓋晶片
20:CaCl粒子
30:結合襯墊
50:鋸割膜
K:後側腔室
W:晶圓
Z:夾緊工具
下文將參考諸圖憑藉具體實例來解釋本發明之另外特徵及優點，在諸圖中：
[圖1]展示解釋根據本發明之第一具體實例的微機械構件及相應生產方法之示意性橫截面圖；
[圖2]展示解釋根據本發明之第二具體實例的微機械構件及相應生產方法之示意性橫截面圖；
[圖3a]至[圖3d]展示形成根據圖1之FOW電路晶片覆蓋之例示性方法步驟序列；
[圖4]展示解釋根據本發明之第三具體實例的微機械構件及相應生產方法之示意性橫截面圖；
[圖5]展示解釋根據本發明之第四具體實例的微機械構件及相應生產方法之示意性橫截面圖；
[圖6]展示解釋根據本發明之第五具體實例的微機械構件及相應生產方法之示意性橫截面圖；
[圖7]展示解釋先前技術的微機械感測器裝置及相應生產方法的示意性橫截面圖；且
[圖8]展示解釋具有根據圖7之先前技術之修改的例示性微機械感測器裝置及相應生產方法的示意性橫截面圖。
1:基板
2:功能晶片
2a:主表面
3,3a:結合線/結合連接件
4:模具組成物
5:腔體
6:壓力感測器MEMS晶片
7:凝膠
14a:黏著層
15a:覆蓋晶片
20:CaCl粒子
30:結合襯墊
Claims (15)
- 一種微機械構件，其具有： 基板（1）； 功能晶片（2），其施加於該基板（1）上，其中主表面（2a）背對該基板（1），藉助於各別結合線（3）結合至該基板（1）上之一或多個結合襯墊（30）設置於該主表面（2a）上； 其中覆蓋晶片（15a；15b；15c；15d；15e）係作為針對於模具封裝（4）之擴散障壁而施加於該功能晶片（2）之該主表面（2a）上或該主表面（2a）上方，該覆蓋晶片由對含於模具組成物（4）中之鹵素離子具有擴散抑制效應的晶片材料所形成； 其中該覆蓋晶片（15a；15b；15c；15d；15e）實質上完全覆蓋該主表面（2a）；及 該模具封裝（4），該功能晶片（2）與該覆蓋晶片（15a；15b；15c；15d；15e）一起封裝於該模具封裝中。
- 如請求項1之微機械構件，其中該功能晶片（2）為電路晶片，該模具封裝（4）在該功能晶片（2）上方具有其中施加感測器晶片（6）的腔體（5），特別是，該感測器晶片具有壓力感測器及/或麥克風及/或加速度感測器及/或旋轉速率感測器及/或光學感測器。
- 如請求項1或2之微機械構件，其中該覆蓋晶片（15a；15b；15c；15d）藉助於黏著層（14a；14b；14c；14d）而被施加於該主表面（2a）上。
- 如請求項3之微機械構件，其中該黏著層（14a；14b）是由熱塑性材料生產的。
- 如請求項3之微機械構件，其中該黏著層（14a；14b；14c；14d）側向地圍封該功能晶片（2），且延伸直至該基板（1）。
- 如請求項1或2之微機械構件，其中該覆蓋晶片（15b）側向地突出超出該功能晶片（2）。
- 如請求項1或2之微機械構件，其中該覆蓋晶片（15e）具有腔室（K），其圍封該功能晶片（2）且藉助於黏著層（14e）而施加於該基板（1）上。
- 一種用於生產微機械構件之方法，其具有以下步驟： 提供基板（1）； 施加功能晶片（2）於該基板（1）上，其中主表面（2a）背對該基板（1），一或多個結合襯墊（30）設置於該主表面（2a）上； 藉助於各別結合線（3）將該結合襯墊（30）結合至該基板（1）上； 將覆蓋晶片（15a；15b；15c；15d；15e）作為針對於模具封裝（4）之擴散障壁施加於該功能晶片（2）之該主表面（2a）上或該主表面（2a）上方，該覆蓋晶片是由對含於模具組成物（4）中之鹵素離子具有擴散抑制效應的晶片材料所形成的，該覆蓋晶片（15a；15b；15c；15d；15e）實質上完全覆蓋該主表面（2a）；及 提供模具封裝（4），該功能晶片（2）與該覆蓋晶片（15a；15b；15c；15d；15e）一起封裝於該模具封裝中。
- 如請求項8之方法，其中腔體（5）形成於該模具封裝（4）中在該功能晶片（2）上方，在該腔體中施加感測器晶片（6），特別是，該感測器晶片具有壓力感測器及/或麥克風及/或加速度感測器及/或旋轉速率感測器及/或光學感測器。
- 如請求項8或9之方法，其中該覆蓋晶片（15a；15b；15c；15d）藉助於黏著層（14a；14b；14c；14d）施加於該主表面（2a）上。
- 如請求項10之方法，其中該黏著層（14a；14b）是由熱塑性材料生產的，且該覆蓋晶片（15a；15b）與位於其上之該經熱軟化黏著層（14a；14b）一起施加於該主表面（2a）上。
- 如請求項10之方法，其中該黏著層（14c；14d）以液體形式施配至該主表面（2a）上，該覆蓋晶片（15c；15d）配置於該黏著層上，且該黏著層（14c；14d）隨後經固化。
- 如請求項11之方法，其中該黏著層（14a；14b；14c；14d）以一種方式組態，該方式使得其側向地圍封該功能晶片（2），且延伸直至該基板（1）。
- 如請求項8或9之方法，其中該覆蓋晶片（15b）以一種方式經組態及施加，該方式使得其側向地突出超出該功能晶片（2）。
- 如請求項8或9之方法，其中該覆蓋晶片（15e）具有一腔室（K），該腔室以一種方式經組態及施加，該方式使得其圍封該功能晶片（2），該功能晶片（2）藉助於黏著層（14e）施加於該基板（1）上。
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| DE102011084582B3 (de) | 2011-10-17 | 2013-02-21 | Robert Bosch Gmbh | Mikromechanische Sensorvorrichtung mit Moldverpackung und entsprechendes Herstellungsverfahren |
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2023
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