可简单制造的电子元器件和制造电子元器件的方法与流程

说明书

可简单制造的电子元器件和制造电子元器件的方法

本发明涉及一种可简单制造的电子元器件以及这种元器件的制造方法。

电子元器件(例如电气或电子模块或所谓的元器件封装或模块封装)通常包含一个或多个芯片、一个或多个在机械上足够稳定的载体衬底以及导体电路，该导体电路用于各芯片之间或芯片和载体衬底之间的导电布线。一些电子元器件在此具有应该满足机械或电机功能的芯片。包含有只以半导体技术为基础的集成电路的芯片相对于外部影响并不敏感，而在机械上活跃的芯片由于敏感的元器件结构在集成时会出现问题。

由公开文献us8,227,904b2、us2009/0101998a1或de102010006132a1已知一种电子元器件，其具有彼此互连的芯片。这种元器件的制造是很昂贵的，其表现在制造成本高且耐久性不佳。

因此本发明的目的是，说明一种电子元器件，其能够包含多个芯片，尤其是在机械上活跃的芯片以及位于它们之间的导电布线，其给芯片提供合适的且保护性的环境，并且其能够通过简单的方式制成且具有长的使用寿命。相应地还说明了一种用来制造这种元器件的简单方法。

这些目的通过根据独立权利要求所述的元器件或方法得以实现。从属权利要求说明了该元器件或方法的有利的构造方案。

该电子元器件包含具有至少一个聚合层的载体衬底。该元器件还包含第一芯片，其具有连接结构和金属布线结构。连接结构以及金属布线结构均被排布在芯片的下侧面上。第一芯片被排布在载体衬底上。连接结构平放在聚合层上或者嵌入聚合层中，但并不完全穿透聚合层。布线结构穿透聚合层。

上文内容即说明了一种在芯片的下侧面上具有不同结构的电子元器件。连接结构通常具有比布线结构更低的高度，该高度从芯片的下侧面开始测量。因此，布线结构能够穿透芯片下方的载体衬底的聚合层，并且用于导电布线，而连接结构在芯片和载体衬底之间建立机械连接。

因为聚合层作为载体衬底的一部分在制造过程中相对较软或根本是液态的，所以能够通过载体衬底的该聚合层获得导电的内层连接，其方式是：芯片使其下侧面上的结构以仅仅够用的强度压在载体衬底上，载体衬底具有软态聚合层作为最上层，并且聚合层随后硬化。如果随后去除载体衬底的位于聚合层下方的另外的层，则可能在载体衬底的下侧面上已经存在与芯片相接的导电接口。

视连接结构的拓扑结构而定，还能够以简单的方式在第一芯片和载体衬底之间的间隙中获得一个封闭的中空腔，例如如果当连接结构构成了四周封闭的框架结构时。

在此可行的是，第一芯片是mems芯片(mems＝micro-electro-mechanicalsystem，微机电系统)、nems芯片(nems＝na-no-electro-mechanicalsystem，纳米机电系统)、ic芯片、光电芯片、执行器芯片或只包含有无源电路元件的芯片。此外，第一芯片也能够是组合芯片，其具有由以上芯片清单中的不同芯片构成的电路结构或元器件。

由于元器件的单一性，其带有通过衬底层实现的接触，降低了制造时的错误率，从而提高了元器件的使用寿命。

该元器件在此并不局限只包含一个或少量芯片的情况。元器件能够具有第二芯片或多个另外的芯片，它们例如能够是上述清单中敏感的、需要保护的芯片。

还可行的是，载体衬底除上面提到的载体衬底(ts)以外，还包含排布在聚合层下方的分层结构。该分层结构在此能够由一个或多个层构成，并且能够是sesub(semi-conductorembeddingsubstrate，半导体嵌入衬底)、电路板、ltcc衬底(ltcc＝low-temperatureco-firedceramics，低温共烧陶瓷)、htcc玻璃衬底(htcc＝high-temperatureco-firedceramics，高温公烧陶瓷)、有机承载箔、无机承载箔、金属箔、单晶衬底、多晶衬底、半导体衬底、陶瓷衬底或玻璃衬底。这些原则上适合作为承载材料的材料的分层结构组合至少在制造元器件时也能排布在聚合层下方。

还可行的是，元器件具有在第一芯片和载体衬底之间的间隙。在第一芯片的下侧面上排布有敏感结构、例如mems元器件结构，但不接触载体衬底。在此，如果连接结构优选平坦地平放在聚合层上，则连接结构的结构高度基本上规定了第一芯片的下侧面和聚合层的上侧面之间的间距。因为连接结构尤其能够用来构成芯片和载体衬底之间的中空腔，并且因为在许多应用情况下严密密封的中空腔是优选的，所以连接结构能够略微伸入聚合层中，以便即使在聚合层出现一定的波纹时也能确保紧密的封闭。因此，聚合层的波纹度决定了芯片和载体衬底之间的尽可能小的均匀的间距。该间距例如能够是5μm。聚合层的厚度在此能够在10μm和50μm之间。相应地，得出连接结构的结构高度为5μm或超过5μm的百分之几。芯片和载体衬底之间的间距加上聚合层的厚度(基本上)就是布线结构的结构高度。

第一芯片的下侧面上的(敏感的)元器件结构能够例如是saw结构(saw＝surfaceacousticwave＝声表面波)、baw结构(baw＝体声波＝akustischevolumenwelle)或麦克风芯片的电声转换结构。这种结构通常距离相邻的表面需要一定的间距，以便能够自由震荡。

因此还可行的是，第一芯片和载体衬底之间的间隙在侧面通过在芯片下侧面上构成框架的连接结构限定。该框架包围着芯片和载体衬底，因此围成一个中空腔。该框架能够具有长方形形状。其他形状，例如具有三个、五个、六个、七个或多个角的聚合层，其通过框架的笔直连接元件连接起来，或者具有弯曲弯节段的框架同样是可行的。

除了框架以外，该连接结构还能够具有其他元件，其例如作为间隔片被排布在框架之内或框架之外，并且即使在芯片上施力，也能确保芯片和载体衬底之间的均匀间距。这种间隔片尤其能够是所谓的柱体。

可行的是，连接结构在第一芯片的下侧面上具有聚合物、cu(铜)、al(铝)、ag(银)、au(金)或其他金属，作为主要组成部分。布线结构同样能够具有例如cu、al、ag或au作为金属主要组成部分，或者作为聚合物，其带有由上述金属组成的导电的金属纳米颗粒。

在作为主要组成部分的金属中，尤其cu既用于连接结构也用于布线结构，因为cu能够与标准的cmos处理器兼容，并且具有良好的导电能力、良好的刚性数值，并且能够在制造过程中足够长时间地经受氧化的大气环境。

在非金属的主要组成部分中，聚合物的优点是，借助侧面分辨率高的聚合物印刷机的喷射来精确定位聚合物并且能够以足够的厚度制成。如果待喷射的聚合材料包含金属，其形式例如是金属纳米颗粒，则甚至能够印制出具有三维轮廓的导电结构。

可行的是，布线结构在芯片和载体衬底之间包含一个或多个隆起的连接结构或金属柱体，或者包含穿透芯片和/或载体衬底的内层连接。

还可行的是，连接结构包含具有圆形或长方形横截面的支管(柱体)或支撑性框架。

尤其是如果载体衬底上的芯片在制造过程中被模制材料包围，则能够在芯片上施加更高的压力。通过将支撑元件设置为芯片和载体衬底之间的连接结构的一部分，能够使芯片的位置稳定并且尤其使敏感的导电布线结构稳定。

芯片和载体衬底之间的支撑性连接结构还能够降低甚至补偿由于芯片和载体衬底之间的材料的不同膨胀系数而引起的负面影响。

可行的是，元器件包含第二芯片。第二芯片能够排布在第一芯片上方或直接排布第一芯片上。还可行的是，第二芯片被排布在载体衬底上第一芯片的旁边。

这种元器件因此包含两个芯片。这两个芯片之一能够包含在机械上活跃的元器件结构，而另一芯片则容纳集成电路，在此集成电路中例如实现asic(asic＝application-specificintegratedcircuit＝专用集成电路)。因此，承载着机械元器件结构的芯片例如能够是麦克风芯片，其具有自由震荡的导电薄膜和导电背板，而另一芯片包含模拟或数字的评估逻辑电路，以便发出接收到的声学信号的电编码输出信号。

可行的是，元器件还包含封装物，其具有薄板、模制材料、通过挤压方法布置的材料或第一芯片ch1上方的箔片和/或填充材料，其直接排布在载体衬底的区域上。填充材料(例如所谓的底部填充剂)在此能够填充例如第一或另外的芯片的芯片材料和载体衬底之间的间隙，从而在芯片和载体衬底之间建立起稳定的连接或封闭芯片下方的中空腔。

还可行的是，元器件包含位于第一芯片或其他芯片上方的由金属构成的覆盖分层结构。由金属构成的覆盖分层结构在此能够与芯片直接接触。同样可行的是，覆盖分层结构的金属是元器件的最上层之一，并且在电磁方面屏蔽所有位于下面的层。

如果并排排布的芯片具有例如大于200μm的间距，则可行的是，覆盖的箔片一直下拉至衬底的表面。

如果并排排布的芯片具有例如小于50μm的间距，则在中空腔并未一直下拉至衬底时，该箔片能够是中空腔的内在环境的一部分。

如果覆盖分层结构包含一个或多个带有高声学反差的层，则能够通过选择性地去除对元器件做标记。

可行的是，第一芯片或另外的芯片是传感器芯片。该芯片能够被排布在盖子下方。为了使传感器芯片与元器件的周围环境能够发生通讯，并且为了例如能够分析压力比或不同的气体成份，该传感器芯片通过盖子中的洞口与周围环境连接。

可行的是，元器件是麦克风。那么，传感器芯片包含电声转换结构，例如薄膜和背板。在盖子下方形成背部体积。

麦克风能够提供的信号质量还取决于所谓的背部体积。背部体积是指沿声音方向位于薄膜之后的空间体积。背部体积越小，反压力就越高，反压力沿声音传播方向对薄膜的偏转发挥作用。因此，大的背部体积是优选的。因为微型化趋势与大的背部体积正好矛盾，所以具有大的背部体积、但整体尺寸较小的麦克风总是优选的。如果电子元器件除了第一芯片以外还具有另外的电路元件，则它们能够被排布在共同的盖子下方，并且盖子下方芯片之间的空间被当作扩大的背部体积。

在载体衬底中设置凹口也能够用来扩大背部体积。

可行的是，该元器件除了第一芯片以外还包含至少一个另外的芯片。另外的芯片同样被排布在载体衬底的上侧面上。在载体衬底的上侧面上延伸的连接路段在芯片之间应采用这样的长度，即使得载体衬底能够在芯片之间延伸的弯曲线上弯曲，而不会与芯片相互接触或以其他方式干扰芯片。如果设置有多个这样的弯曲线，则具有原始更大表面的元器件能够折叠成紧凑的元器件。该折叠的元器件随后能够借助铸造材料铸造，因此能够得到在机械上稳定的铸造元器件，其在不同的电路元件之间具有精确定义的间距。

还可行的是，该元器件具有在载体衬底的上侧面上暴露出来的电路导体和/或接触面，它们采用这样的设置，即通过接插连接与外部电路环境相连和互连。电路导体优选在载体衬底的边缘上终止。电路导体在此处优选加宽为接触垫。因此，该元器件形成插头，其能够轻易地插入相应匹配的托座中。这种接插连接的优点在于，它们同时是导电布线和机械连接，并且容易松开。因此能够容易地更换损坏的元器件。

用来制造电子元器件的方法包含准备第一芯片。在第一芯片的下侧面上构成金属的连接结构和金属的布线结构。连接结构和布线结构具有两个不同的高度。

此外，提供带有足够软的聚合层的载体衬底。

第一芯片和载体衬底相连。在此，布线结构穿透对此足够软的聚合层。布线结构接触聚合层或者略微嵌入其中，但并不完全穿透聚合层。

可行的是，并且视聚合层的粘性而定必要的是，在第一芯片安放在形成载体衬底主要组成部分的聚合层上之后，需要将聚合层硬化。聚合层在此能够通过照射或加热硬化。

如果聚合层通过加热硬化，则在第一芯片的下方存在连接结构是有利的，因为能够存在不同的热膨胀系数。

可行的是，载体衬底在聚合层下方包含有分层结构，其在适当的光学波长范围内呈现为透明。在此优选借助波长范围内的光线进行照射，来使聚合层硬化。在此，所谓合适的光学波长范围是指聚合层能够有效硬化的范围。尤其通过uv辐射能够使聚合层轻易硬化。

在第一芯片旁边或上面还能够排布有另外的芯片或多个另外的芯片。

可行的是，填充材料，例如底部填充剂被排布在芯片材料和载体衬底之间的区域中。

由于连接结构能够构成中空腔周围的框架，所以填充材料能够被大面积地布置在载体衬底的上侧面上，而不会出现中空腔被淹没的危险。

可行的是，模制材料和/或箔片被布置在第一芯片上。

还可行的是，金属覆盖分层结构被布置在第一芯片上或第一芯片上方。

可行的是，载体衬底在聚合层下方包含另外的分层结构，并且另外的分层结构在聚合层硬化之后完全或选择性地在布线结构的区域中被去除并且在此使布线结构暴露出来。

在此，能够借助激光来暴露布线结构。

布线结构能够包含触点。布线结构的触点在暴露之后通过在载体衬底的下侧面上构成导体结构来建立接触。

为了构成导体结构，能够使用常规的光刻工艺。

可行的是，多个元器件同时以多重应用的方式制成。在针对所有元器件的所有组件都组接在一起之后，这些单个的元器件能够通过分离隔开。

可行的是，在元器件的上侧面上沉淀出具有高光学反差的分层结构组合。这种分层结构组合例如能够是包含铜、镍和黑镍的分层结构或层。接着，通过选择性地去除含镍的材料来对元器件做标记。

可行的是，在芯片上和/或载体衬底的表面上通过金属或合金的沉淀或通过包含金属的颗粒，例如纳米颗粒的喷射来实现导电结构。导电结构能够这样通过电镀或无电流的工艺或者通过合适的印刷机产生。

芯片能够相互堆叠并且通过内层连接彼此互连或与衬底互连。为此在芯片表面上还能够布置有转接布线层，通过该转接布线层将不同侧面位置上的触点互连。

例如芯片和衬底之间或芯片相互之间的导电焊接连接能够例如借助钎焊产生。

下面借助示意性的非限定性的附图详细地阐述了此元器件和方法的重要特征。

其中：

图1示出了下方的载体衬底层tsu，其用作聚合层的基础；

图2示出了具有上载体衬底层tso的载体衬底；

图3示出了第一芯片ch1，其在其下侧面上带有元器件结构bes；

图4示出了第一芯片，此图中在其下侧面上构成布线结构vss；

图5示出了芯片的类型，在其下侧面上还排布有连接结构vbs；

图6示出了第一芯片ch1在载体衬底ts上的排布；

图7示出了第二芯片ch2在载体衬底ts上的排布；

图8示出了载体衬底的一个节段，第一芯片ch1和第二芯片ch2并排排布在此节段上；

图9示出了第二芯片ch2和载体衬底之间的间隙中的填充材料uf；

图10示出了载体衬底，在其下层tsu中形成了洞口l的结构；

图11示出了载体衬底的上侧面上的金属化物m，其实现了芯片的不同导电触点之间的接触垫kp和信号路径；

图12示出了载体衬底的构造，其在聚合层硬化之后在聚合层之外不再包含其他分层结构；

图13示出了第二芯片ch2在无其他填充材料的聚合层上的直接排布；

图14示出了载体衬底，其未通过第二芯片ch2下方的填充材料加固；

图15示出了箔片f，其被布置在载体衬底上侧面上的芯片上方；

图16示出了元器件的俯视图，其展示出框架状的连接结构作为填充材料的障碍物的效果。

图17示出了在载体衬底的上侧面上用来形成接插连接的信号导线和接触垫；

图18示出了具有铸造材料vm的元器件；

图19示出了构造成麦克风的元器件，其在盖子下方具有背部体积；

图20示出了构造成麦克风的元器件，其在第一芯片下方的凹口中具有背部体积；

图21示出了构造成麦克风的元器件，其中凹口中的大部分背部体积被排布在电声转换芯片旁边。

图6示出了连接结构vbs和布线结构vss相对于载体衬底tso的包含有聚合物的上层的厚度的主要几何尺寸或结构高度。连接结构vbs以及布线结构vss均被排布在第一芯片ch1的下侧面上。布线结构vss的高度高于连接结构vbs的高度。连接结构vbs的作用主要是，保持第一芯片ch1的下侧面和载体衬底ts的上侧面之间的间距。在此，连接结构vbs接触载体衬底ts的最上层tso，其基本上由聚合材料构成。可行的是，连接结构vbs基本上位于上层tso的上侧面上，或者还可能被略微压入上层tso中。

布线结构vss由于其更高的高度穿透载体衬底ts的含聚合物的上层tso。随后如果要与布线结构vss的元件形成电接触，则只穿透载体衬底tsu的下层。在此，上层tso能够基本上得以保留，并且确保了机械稳定性。

图1至5示出了用来制造这种元器件的主要步骤：

图1示出了载体衬底的底层，即载体衬底的下层tsu。

其上布置含聚合物的上层tso(图2)。该上层在此呈软态，使布线结构vss随后能够轻易穿透该上层。尤其可行的，该上层tso呈液态。

图3示出了第一芯片ch1，其在下侧面上承载着敏感的元器件结构bes、例如saw结构、baw结构或薄膜或背板。这些元器件结构的特征在于，它们应该以自由震荡的形式排布在第一芯片ch1的下侧面上，以确保功能正常。

图4示出了布线结构vss能够被如何排布在第一芯片ch1的下侧面上，以使得例如元器件结构与外部的电路环境或与元器件的其他电路元件互连。

图5额外地示出了第一芯片ch1的下侧面上的连接结构vbs。对此，为了使元器件结构bes和为此设置的载体衬底ts之间保持足够的间距，连接结构vbs优选具有比元器件结构bes更高的结构高度。

在第一芯片ch1通过其下侧面上的结构与载体衬底ts相连之后，得到图6所示的元器件，其中元器件结构与载体衬底ts具有足够的间距。如果连接结构vbs自身是闭合的，则尤其获得了封闭的中空腔，在其中排布有元器件结构。

图7还示出了载体衬底ts的一个节段，第二芯片ch2被排布在此节段上。第二芯片ch2在其表面上具有不敏感的元器件结构。因此，其下侧面与载体衬底ts的直接接触是无害的。第二芯片ch2和载体衬底ts之间的连接结构是可行的，但不是必要的。

图8现在示出了元器件b，其中第一芯片ch1，其在下侧面上具有机械敏感的元器件结构，与没那么敏感的第二芯片ch2一起，被排布在载体衬底上。这两个芯片在其下侧面上包含导电接触结构，该结构引导通过载体衬底ts的最上方的含聚合物的层。

图9示出了第二芯片ch2不与载体衬底直接接触的实施例。如果第二芯片ch2和载体衬底ts之间的自由空间是不希望出现的，则第二芯片ch2下方的体积能够通过填充材料，例如底部填充剂uf进行填充。

因为第一芯片ch1的连接结构vbs能够构造成环形闭合的框架r，所以敏感的元器件结构在第一芯片ch1的下侧面上不会被底部填充剂uf损坏。而且填充材料uf还能够改善第一芯片ch1下方的中空腔的严密封闭。

图10示出了，在布线结构vss应该导电接触的情况下，本结构相对于常规元器件的主要优点。载体衬底的上层优选在此期间硬化，并且能够提供足够的机械稳定性。那么只需穿透位于下方的分层结构tsu并从而使布线结构vss暴露出来，就能通过构成信号导线来实现布线结构的互连。因此，能够借助例如激光在载体衬底ts的排布于聚合层下方的分层结构tsu中钻出洞口l。

图11示出了这样的金属化物m，其通过常见的光刻工艺被排布在载体衬底的下侧面上并且使芯片的导电触点彼此互连或使芯片的触点和外部接触垫kp互连。

图12示出了一个实施例，其中单个洞口l并非选择性地钻在布线结构vss的多个位置上，而是在金属化物m为形成信号路径被布置在下侧面上之前，完全去除载体衬底ts的下层tsu。

图13和14示出了载体衬底的下侧面上的相应导电连接，其中载体衬底和第二芯片ch2之间未排布填充材料。视聚合层的厚度和稳定性而定，聚合层已提供了足够的机械稳定性(图14)。

图15示出了另一方案，元器件的上侧面通过箔片f遮盖。视芯片在载体衬底的上侧面上相互隔开的距离而定，可行的是，箔片f与载体衬底的上侧面相连或者在箔片下方围住芯片之间的中空腔。如果该箔片接触载体衬底的上侧面，则该箔片能够与电势互连，例如通过穿透载体衬底的内层连接。还可行的是，将相应地以多重应用方式制造的载体衬底分离开来，以获得多个不同的元器件，其中箔片的密封不会由于所述分离而出现差错。如果该箔片与载体衬底和芯片的侧面一起构成中空腔，则其能够形成用于麦克风的背部体积。

图16示出了构成框架的连接结构vbs的保护效果，其通过填充材料uf有效地阻止了第一芯片ch1下方的中空腔h被淹没。元器件结构bes因此被可靠地布置在中空腔h中。

除了第一芯片ch1以外，还在载体衬底的上侧面上布置有另外的芯片ch2和第三芯片ch3。

图17示出了通过载体衬底表面上的金属化物来构成信号导线sl的方案。这些信号导线在此能够从这些芯片之一的触点朝元器件的边缘延伸并且在接触垫kp中终止。因此能够以简单的方式实现与外部电路环境相接的接插连接。

弯曲线kn能够这样选择，即当载体衬底在弯曲边缘kn上弯曲之后，芯片或其他电路元件在载体衬底上侧面上仍然还有足够的位置。在弯曲之后，载体衬底连带其表面上的元器件通过铸造材料如聚合物或人造树脂铸造而成。

在图18中示出了这种铸造材料。铸造材料在此覆盖着元器件的整个上侧面。

图19示出了作为麦克风的元器件的实施例。第一芯片ch1承载着薄膜mb和背板rp，作为元器件结构。载体衬底的上侧面通过盖子d遮盖。在盖子d中形成了洞口的结构，作为声音进入孔。盖子d还包含第一芯片ch1旁边的背部体积rv。为了避免声音短路，在声音进入孔和背部体积rv之间形成声音密封ad。连接结构在这种情况下不是完全闭合的，因此在第一芯片ch1的薄膜mb后方的体积和背部体积rv之间能够进行换气。

图20示出的方案是，薄膜后方的背部体积通过载体衬底中或其最上层tso中的凹口设置而成。

载体衬底的最上层tso越厚，则背部体积rv越大。布线结构在此应足够长，以完全穿透最上层tso。

图21示出了作为麦克风的元器件的另一实施例，其中一部分背部体积通过载体衬底中的凹口au在第一芯片旁边形成。其他穿透载体衬底的洞口l是声音进入孔。在此实施例中，连接结构是呈环形闭合的，以避免声音短路。

不管是元器件还是用来制造元器件的方法都不局限于所示或所述的实施例。

附图标记列表

au：凹口

b：元器件

bes：元器件结构

ch1：第一芯片

ch2：第二芯片

ch3：第三芯片

d：盖子

f：箔片

f：中空腔

ln：弯曲线

kp：接触垫

l：孔眼

m：金属化物

mb：薄膜

r：框架

rp：背板

rv：背部体积

sl：信号传导线

ts：载体衬底

tso：载体衬底的最上层

tsu：载体衬底的最上层之下的层

uf：填充材料或底部填充剂

vbs：连接结构

vm：铸造材料

vss：布线结构