用于在元器件載體上裝配垂直混合集成的元器件的內插器的制作方法

本發明涉及一種內插器，該內插器尤其適用于在元器件載體上裝配垂直混合集成的元器件。

背景技術：

內插器包括面狀的載體襯底，該載體襯底具有至少一個正面布線平面和至少一個背面布線平面。在正面布線平面中構造用于在內插器上裝配元器件的連接墊，并且在背面布線平面中構造用于在元器件載體上的裝配的背面連接墊。正面連接墊和背面連接墊相互錯開地布置。在載體襯底中構造電鍍通孔(Durchkontakte)，通過這些電鍍通孔使正面和背面布線平面電連接。此外在載體襯底中構造應力去耦結構。

垂直混合集成的元器件通常包括至少一個具有微機械的傳感器或促動器功能的MEMS元件，并且包括至少一個具有用于MEMS功能的信號處理的電路功能的ASIC元件。垂直混合集成的元器件的元件布置在芯片堆疊中，該芯片堆疊可以作為沒有其它外包裝的芯片級封裝被裝配在元器件載體上。在此通常使用倒裝芯片技術。

來自汽車和消費電子領域的垂直混合集成元器件的重要應用是檢測加速度、轉速率、磁場或者壓力。在此借助于MEMS元件檢測各個測量參數并且將它們轉換成電信號。然后借助于ASIS電路功能處理并評價這些電信號。

垂直混合集成元器件的元器件方案能夠在高度功能集成的情況下實現高度微型化級，因為各個元件部分被堆疊，使得總體上可以省去各個芯片和元器件的封裝。

但是直接裝配這些芯片級封裝導致，元器件載體的彎曲直接耦合入MEMS元件和MEMS結構中。應用電路板的彎曲可能在設備老化過程中產生，但是也可能源于溫度和/或壓力變化、由于濕度引起或者由裝配引起。它們在任何情況下通常都導致元器件構造中的機械應力，這些應力可能極為不利地影響MEMS功能。這在傳感器元器件中可能導致不希望和不被限定的傳感器特性。這樣可能例如改變傳感器靈敏性或者也可能在傳感器信號中產生漂移。

US 6,050,832研究了在相對較大的芯片的倒裝芯片裝配時產生的問題。在此，芯片以有源的正面通過所謂的“球柵陣列”、即多個在柵欄中布置的釬焊球裝配在載體上，其中，釬焊球同時用作芯片的機械固定和電接通。釬焊球柵欄通常延伸經過整個芯片面，以便一方面盡可能全表面地固定芯片，另一方面實現盡可能大量的電芯片接頭。這種釬焊連接處于強大的機械應力下。這此外源于載體材料、芯片材料和釬焊材料的不同熱膨脹系數。

在US 6,050,832 A中提出，借助于開始提到的種類的內插器來改善這種“球柵陣列”的釬焊連接的可靠性和使用壽命(焊點可靠性)，但是其中，要堅持全表面連接柵欄的方案。按照US 6,050,832 A，這種柵欄的每個單個的連接位置均應力去耦。為此，在每個單個連接位置的內插器中構造彈性舌片作為應力去耦結構。在每個舌片結構上，用于芯片的正面連接墊和用于裝配的背面連接墊布置在載體上，而且相互錯開，使得彈性舌片結構可以承受連接區域中的機械應力。

技術實現要素：

通過本發明提出一種用于在垂直混合集成元器件的構造中減小由裝配引起的機械應力的內插器方案，該內插器方案能夠實現元器件在元器件載體上的可靠的機械固定，并且能夠節省空間地實現電接通元器件。

根據本發明，這通過下述方式來實現：內插器的載體襯底包括至少一個邊緣區段和至少一個中間區段，它們通過應力去耦結構至少很大程度地機械去耦，并且用于裝配元器件的正面連接墊僅布置在中間區段上，而用于在元器件載體上的裝配的背面連接墊僅布置在邊緣區段上。

因此，根據本發明的內插器的中間區段設置成僅用于元器件的中心機械固定和電接通。這里，元器件不是整面地與內插器連接，而是僅在明顯小于元器件“腳印”的表面區域中連接。在元器件載體上的裝配僅通過內插器的邊緣區段進行。在元器件載體中的機械應力雖被傳遞到該邊緣區段上，但不被導入到內插器的中間區段中，因為易彎的應力去耦結構承受應力。根據本發明，該應力去耦結構在內插器的中間區段與邊緣區段之間建立空間分隔和機械去耦。與現有技術不同，元器件-內插器和內插器-元器件載體的連接在這里不是逐點地、而是按照芯片區域來機械去耦。即，根據本發明通過兩個共同作用的措施阻止元器件載體中的機械應力傳遞到元器件上或至少使該傳遞變難，即，一方面通過在元器件與內插器之間的中心的較小連接面，另一方面通過內插器的易彎的應力去耦結構來阻止傳遞或使該傳遞變難，該去耦結構使元器件與內插器之間的連接區域與內插器與元器件載體之間的連接區域去耦。

原則上對于實現根據本發明的內插器存在不同的可能性，這涉及例如具有用于元器件和在元器件載體上的裝配的連接墊的正面及背面布線平面的布置。最后在此總是要考慮元器件的功能和“腳印”，為了這些元器件而確定內插器。一方面用于在內插器上裝配元器件并且另一方面用于在元器件載體上裝配元器件而被使用的連接技術作用到實現根據本發明的內插器上。此外有意義的是，在選擇用于內插器載體襯底的材料時考慮元器件載體的種類，例如在相似的熱膨脹系數方面。也存在不同的可能性，用于在內插器的載體襯底中構造應力去耦結構。

在本發明的一個有利實施方式中，內插器的應力去耦結構以溝槽結構的形式實現。因為內插器的載體襯底在溝槽區域中變薄，變形優選在該區域中出現。這樣，在元器件載體中的機械應力可以有針對性地導入到內插器中，并且遠離元器件的連接區域。應力接收主要與溝槽結構的幾何形狀有關。包括不僅一個而且多個基本平行延伸的溝槽的溝槽結構是特別有利的。這些溝槽可以構造在載體襯底的正面和/或背面中。用于應力去耦的溝槽結構的另一優點是，所述內插器的中間區域可以從所有方向均勻地與邊緣區域去耦，因為溝槽結構可以圍繞中間區域環繞封閉地來構造。

在本發明的另一有利實施方式中，內插器的應力去耦結構包括具有一個或多個單個縫槽的縫槽結構，它們在載體襯底的整個厚度上從載體襯底的正面一直延伸到載體襯底的背面。縫槽在這里圍繞中間區域環繞地排列，以便使該中間區域與邊緣區域機械去耦。這里，應力去耦結構也可以包括縫槽的多個基本平行延伸的列，它們有利地相互錯開地布置。

根據本發明的內插器的應力去耦結構，例如對于縫槽結構補充地也可以包括彈簧元件，它們在載體襯底中構造在至少一個邊緣區段與至少一個中間區段之間，以便接收元器件載體的機械應力。

根據本發明的內插器方案也可以擴展到其它裝配變型方案或元器件變型方案上。這樣，在本發明的擴展方案中，在內插器的載體襯底中構造至少一個用于元件的槽口，該元件裝配在垂直混合集成元器件的底面上。在這種情況下，在槽口的至少一個邊框區段上僅構造用于裝配該元器件的正面連接墊，而在槽口的至少另一個邊框區段上僅構造用于在元器件載體上的裝配的背面連接墊。這里，元器件-內插器和內插器-元器件載體的連接按照芯片區域、即按照邊框區段來分開。根據邊框的幾何形狀也或多或少地使各個邊框區段機械去耦。不管怎樣，該內插器變型方案都有助于提高在元器件載體上的功能密度，因為元器件的芯片面不僅用于元器件功能，而且也用于在元器件底面上的其它元件的功能。

如上所述，可考慮不同的材料作為載體襯底用于根據本發明的內插器。除了材料特性要與元器件載體的特性相一致以外，在選擇材料時也要考慮制造費用。在該觀點中，硅襯底和由介電材料制成的載體被證實是特別適合的。硅載體能夠簡單地通過半導體技術的標準工藝構造并且設置有電鍍通孔、布線平面、導體軌和連接墊。介電載體襯底同樣能夠簡單地通過標準工藝來構造。除了材料以外，這里也較低成本地實現了電鍍通孔和布線平面。

附圖說明

如上所述存在以有利的方式構型并擴展本發明的不同可能性。為此，一方面參閱后權利要求1的從屬權利要求，另一方面根據附圖參閱下面的本發明的多個實施例的描述。

圖1a，1b分別示出垂直混合集成元器件100的示意剖面圖，該元器件

通過根據本發明的內插器301或302裝配在元器件載體110上。

圖2a示出垂直混合集成元器件100的示意剖面圖，該元器件通過根據

本發明的第三內插器303裝配在元器件載體110上，和

圖2b示出該內插器303的俯視圖。

圖3a示出具有背面裝配的附加元件30的垂直混合集成元器件100的

示意剖面圖，該元器件布置在根據本發明的內插器304的槽口中，和

圖3b示出通過內插器表面區域中的構造的剖面圖。

具體實施方式

在所有這里示出的實施例中，垂直混合集成元器件100包括MEMS元件10和ASIC元件20。兩個元件部分10和20這里僅示意性示出。MEMS元件10可以例如是具有用于檢測加速度的可偏轉傳感器結構的慣性傳感器元件。ASIC元件20的電路功能有利地用于處理和評價MEMS元件10的傳感器信號。MEMS元件10和ASIC元件20通過結構化的連接層21相互不僅機械連接而且電連接，并且形成芯片堆疊或者說芯片級封裝。兩個元件部分10和20的外部電接通通過ASIC元件20中的電鍍通孔22實現，這些電鍍通孔連接到ASIC元件20背面上的布線平面23上。在該布線平面23中構造用于釬焊球25的連接墊24，通過這些釬焊球使元器件100與根據本發明的用于在元器件載體10上裝配的內插器不僅機械連接而且電連接。元器件載體110例如可以是應用電路板。

所有在附圖中示出的內插器301至304包括平面的載體襯底310。在此例如是硅襯底或者也可以是由介電材料制成的載體。載體襯底310配備有正面布線平面320，在該布線平面中構造有用于在相應內插器上裝配元器件100的正面連接墊321。在內插器背面上也存在具有用于在元器件載體110上的裝配的背面連接墊331的布線平面330。布線平面320和330通過絕緣層311與載體襯底310電絕緣。正面連接墊321明顯小于背面連接墊331，因為也可以使用比用于在元器件載體110上的外部裝配明顯更小的釬焊球25或銅柱，用于在內插器301,302或303上裝配元器件100。即，在內部接通時，使用與在應用電路板上的外部接通時不同的布置規則用于釬焊球26。此外，正面連接墊321和背面連接墊331相互錯開地布置。在正面布線平面320與背面布線平面330之間的電連接通過載體襯底310中的電鍍通孔340來建立。在此例如可以是與載體襯底310絕緣的銅TSVs。

在內插器301至303的載體襯底中分別構造有應力去耦結構，該應力去耦結構根據本發明引起載體襯底310的中間區段350與載體襯底310的邊緣區段360的機械去耦。此外根據本發明，用于裝配元器件100的正面連接墊321僅布置在中間區段350上，而用于在元器件載體110上的裝配的背面連接墊331僅布置在邊緣區段360上。

在圖1a中所示的內插器301的情況下，應力去耦結構以溝槽371的形式在載體襯底310的正面中實現，該溝槽限定中間區段350并且與邊框形的邊緣區段360分開。該溝槽結構371以有利的方式環繞地封閉，呈矩形、圓環或橢圓形形狀。在硅襯底的情況下，該溝槽結構可以例如通過溝道蝕刻在載體表面中產生。對此，在其它載體材料的情況下也可以考慮激光構造法。根據本發明正面連接墊321僅布置在中間區段350上。因為溝槽371環繞地封閉，電鍍通孔340也構造在載體襯底310的中間區段中并且通過導體軌區段在背面布線平面330中連接到背面連接墊331上，這些連接墊根據本發明僅布置在載體襯底310的邊緣區段360上。

在圖1b中所示的內插器302的情況下，應力去耦結構也以溝槽372的形式來實現，該溝槽限定中間區段350并且與邊緣區段360分開。但是該溝槽結構372這里構造在載體襯底310的背面中。正面連接墊321又僅布置在中間區段350上，而背面連接墊331僅位于邊緣區段360上。在正面連接墊321與背面連接墊331之間的電連接這里通過導體軌區段在正面布線平面320和電鍍通孔340中建立，這些電鍍通孔在載體襯底310的邊緣區段中構造。

不僅在圖1a的情況下而且在圖1b的情況下，元器件載體110的變形通過釬焊球26首先傳遞到內插器310或302的邊緣區段360上，并且在那里引起易彎的應力去耦結構371或372、即在溝槽區域中的變形。由于中間區段350與邊緣區段360的機械去耦，在元器件載體110中的機械應力也僅有條件地傳遞到內插器301或302的中間區段350中。在中間區段350上的元器件100的中心裝配還減小到元器件100中的應力導入，因為連接面越小，即釬焊球25的固定面越小，變形能量則傳遞得越少。

在圖2a中所示的構造包括內插器303，其應力去耦結構以縫槽373和薄膜式彈簧元件374的形式來實現。縫槽373在載體襯底310的整個厚度上延伸，并且將載體襯底310的中間區段350圈圍，這可通過圖2b的俯視圖看出。中間區段350僅通過兩個相互對置的彈簧元件374連接到邊緣區段360上。借助于該應力去耦結構可以在載體襯底310的中間區段350與邊緣區段360之間實現特別寬范圍的機械去耦。

在這里所示的實施例中，在正面布線平面320中不僅構造正面連接墊321，而且也構造導體軌322，這些導體軌將該連接墊321與布置在邊緣區段360中的電鍍通孔340在載體襯底310中連接。這些導體軌322通過彈簧元件374從中間區段350引導到邊緣區段360中。這里，背面導體軌332和連接墊331的布置用虛線表示。

在圖3a，3b中所示的內插器304中，在載體襯底310中構造有槽口380，該槽口在載體襯底310的整個厚度上延伸。該槽口380用作另一元件30的接收部，該元件以倒轉芯片技術通過連接墊31和釬焊球裝配在元器件100的底面上。在此例如可以是另一MEMS元件、另一ASIC元件或者也可以是另一集成傳感器或者促動器。該元件30在其厚度方面能夠在相對較大的范圍上確定尺寸，并且在這里甚至比內插器304的載體襯底310更厚，這通過釬焊球26來平衡。圖3b示出，這里在槽口380的兩個對置的邊框區段381上僅構造用于裝配元器件100的正面連接墊321，而在槽口380的另兩個對置的邊框區段382上僅構造用于在元器件載體110上的裝配的背面連接墊331。

上述實施例示出，根據本發明的內插器方案是極為靈活的并且也是可擴展。該布置能夠以較少的開發費用匹配于不同的芯片面和釬焊球變型方案，以便滿足在腳印和/或插針方面的專門要求。