具有受保护的连接件的微电子设备及其制造工艺的制作方法

本申请要求于2017年9月15日提交的意大利专利申请号102017000103511的优先权，该申请通过引用的方式并入于此。

本发明涉及具有受保护的连接件的微电子设备及其制造工艺。

背景技术：

如所知的，最广泛地用于将微电子设备电连接到其它电子设备或装置的技术之一是有线连接。为此，待连接的设备具有焊盘，该焊盘被接合到一个或多个金属线的一端，也被称作“焊线”。通常，特别是当微电子设备在困难的环境状况下操作时，或者在需要对线的端部进行机械保护或化学保护的任何情况下，在接合之后通过施加覆盖和保护块来保护线的端部，保护块例如是热固性树脂块(诸如，环氧树脂，或者所谓的模制化合物)或者凝胶块(诸如，绝缘凝胶，例如灌封胶)，其保护接合端免受湿度的影响。

然而，对于某些应用，很难找到适当的保护材料。例如，一些材料很难以精确的方式定位，并且可能会展开以及甚至覆盖设备的功能部分，从而危及其操作，例如在必须可自由移动用于适当操作(诸如，用于感测物理量或者用于致动微元件)的区域或者允许流体进/出的区域的情况下。在其它情况下，材料与外部环境在化学上不相容，并且可能会受到损害，且不再确保保护。例如，在压力传感器插入腔室中用于制动流体的情况下，制动流体可能会渗透到灌封胶和接触区之间的界面，导致凝胶分层和脱落。在其它情况下，在特别的环境或操作条件下，这些材料不兼容，并且可能会受到损害，且具有不足的性能(例如，当在高压力下操作时，它们可能会变质并不再确保保护)。

技术实现要素：

本发明的实施例提供了克服现有技术的缺点的解决方案。

根据本发明，提供了微电子设备和制造工艺。

例如，微电子设备包括芯片，芯片容纳功能部分并且承载第一电接触区域，第一电接触区域与功能部分通过第一受保护的连接件电连接，第一受保护的连接件在芯片之上或者在芯片中延伸。基板具有第一接触区和第二接触区，第二接触区远离第一接触区。第一接触区承载第二电接触区域，并且第二接触区承载外部连接区域。第二接触区域和外部连接区域通过第二受保护的连接件相互电连接，第二受保护的连接件在基板之上或者在基板中延伸。保护环结构围绕第一电接触区域和第二电接触区域，并且界定相对于外部封闭的第一腔室。第一电接触区域和第二电接触区域相互电接触。

在一个特定的实施例中，微电子设备由两部分组成：芯片，其集成设备的功能部分并且具有用于电连接的接触端子或焊盘；以及基板，其承载受保护的连接件。受保护的连接件具有第一端和第二端，第一端接合到芯片的焊盘，第二端将连接到外界。芯片的焊盘的区域由第一保护环围绕，并且基板的第一端的区域由第二保护环围绕，第二保护环的形状和尺寸与芯片的形状和尺寸一致。芯片和基板被连接在一起；即，芯片的焊盘接合到基板的第一端，并且第一保护环和第二保护环接合在一起。第一环和第二环实际上形成复合环，该复合环在成品设备中围绕和保护芯片的焊盘和基板的第一端。受保护的连接件的第二端布置在远离第一端的区域中，并且可以被连接到外部焊盘。可以形成具有适合于所设想的应用的形状和尺寸的基板。通常，其具有使得能够将第二端接合到装置或另一设备的尺寸，装置或另一设备布置在离芯片一定的距离处，允许使用传统的保护材料，而没有任何损害或危及芯片的操作或保护材料的保护能力的风险。

附图说明

为了更好地理解本发明，现在参照附图，仅以非限制性示例的方式描述其优选的实施例，其中：

图1是在组装之前本设备的一个实施例的第一部分的俯视平面图；

图2是在组装之前从本设备的一个实施例的第二部分的下方的平面图；

图3是在组装图1和图2的部分之后本设备的一个实施例的侧视图；

图4是本设备的第二部分的一个不同实施例的俯视平面图；

图5是本设备的另一个实施例的第一部分的俯视平面图；

图6是从本设备的一个实施例的第二部分的下方的平面图；

图7和8分别是在其组装之前本设备的部分的变型的俯视平面图和从其下方的平面图。

图9是在组装图7和图8的部分之后本设备的一部分的侧视图；

图10是在组装之前本设备的又一实施例的第一部分的俯视平面图；

图11是从图10的设备的实施例的透视图中的第二部分的下方的平面图，该第二部分耦合到第一部分；

图12是本设备的另一实施例的第一部分的俯视平面图；

图13是沿线xiii-xiii截取的图12的第一部分的横截面；

图14以侧视图示出了包括图12和图13的第一部分的组装的应用；

图15是本设备的另一个实施例的侧视图；以及

图16是在组装之前从图15的设备的第二部分的下方的视图。

具体实施方式

图1至图3示出具有受保护的连接件的设备1的一个实施例。设备1包括两部分：芯片2和基板3。芯片2和基板3在安装到使用位置之前被耦合并固定在一起，特别地被接合起来，并且在相互固定之前分别在图1和图2中被图示出。图3示出在芯片2和基板3相互接合之后的设备1。

芯片2可以是半导体材料(诸如，硅)、或陶瓷、玻璃、聚合物(诸如，kapton)，其被耦合到应变仪并且并入功能部分4。功能部分4通常执行设备1的典型功能；例如，它是用于将物理量转换成电量的元件(压力传感器、麦克风、惯性传感器、气体传感器等)、微致动器(微镜、光学选择器、微电机等)、电子电路(能够进行信号处理和/或执行计算等的电子元件或者更复杂的电路)等。

功能部分4连接到芯片2的外部，并通过接触区域(例如，布置在芯片接触区9中的第一焊盘7)在芯片2的表面2a(图3)上交换电信号。如图1和图3中示意性图示的，第一焊盘7通过第一连接线电连接到功能部分4，这里第一连接线由在芯片2中延伸的埋入连接件10形成。第一焊盘7由第一保护环11围绕。第一保护环11可以由与第一焊盘7相同的材料或不同的材料制成。例如，第一焊盘7可以由镀有银或金的铜或铝制成。第一保护环11可以由镀有银、金或镍的铜或铝制成。备选地，第一保护环11可以由未涂覆的铜或耐高温(高于275℃)的聚合物(诸如，尼龙、lcp(液晶聚合物)、kapton、vespel)制成。

除了第一焊盘7之外，结构13也可以布置在由第一保护环16界定的区域内。例如，该区域可以容纳期望在制造芯片2之后可访问的并且在使用期间受保护的结构13(诸如，微调电阻器、温度传感器等)。

基板3具有第一接触区和第二接触区，由18和19指代，其容纳相应的接触区域。例如，可以在第一接触区18上提供第二焊盘15，第一接触区18布置在基板3的第一表面3a(图3)上，第一表面3a在接合之后面向芯片2。第二焊盘15与芯片2的第一焊盘7具有相同的数目，具有相同的布局并且可以具有相似的尺寸，使得它们对齐并且可以接合到芯片2的第一焊盘7上。第二焊盘15可以由镀有银或金的铜或铝制成。

第二焊盘15由第二保护环16围绕，第二保护环16通常与第一保护环11一致(即，具有相同的形状、尺寸和位置)，使得可以将其接合到与第一保护环11。第二保护环16可以是与第一保护环11相同的材料(例如镀有银、金或镍的铜或铝、未涂覆的铜、或耐高温的聚合物(诸如，尼龙或lcp))。

第一保护环11和第二保护环16沿着连接的闭合线(例如具有圆角的矩形、圆形或椭圆形的周界)延伸。然而，其它形状是可能的。

进一步地，在第二接触区19上，基板3具有外部连接件17，这里外部连接件17在第二表面3b上，与第一表面3a相对。备选地，外部连接件17可以布置在基板的第一表面3a上，类似于第二焊盘15。外部连接件17布置成远离芯片2。例如，如果基板3具有条状细长形状，那么第二焊盘15可以布置在第一端，并且外部连接件17可以布置在条带的与第一端相对的第二端。外部连接件17可以由第三焊盘形成，并且具有更大的尺寸和/或布局，以便简化与外部装置或其它电子设备的接合。可选地，外部连接件17可以由外保护环20围绕，外保护环20由图2中的虚线表示。

这里形成埋入连接件14的第二连接线在基板3内延伸并将第二焊盘15连接到外部连接件17。通常，每个第二埋入连接件14具有第一端和第二端，第一端连接到相应第二焊盘15，第二端连接到相应的外部连接件17。然而，如果需要，可以设想更复杂的连接方案。

基板3由复合材料制成，通常是容纳第二埋入连接件14的绝缘材料。例如，它可以由柔性材料(诸如，kapton)制成，或者由刚性材料(诸如，bt(双马来酰亚胺三嗪)层压板、或fr-4，或其它印刷电路板材料)制成。备选地，基板3可以是多层陶瓷(诸如，ltcc(低温共烧陶瓷))。如果需要，第二埋入连接件14可以布置在多个层面上，并且利用已知的多层pcb(印刷电路板)技术，使用铜或其它适当材料的内部层或多层导电/绝缘油墨。

如已提及的，芯片2和基板3通过保护环11、16被接合或焊接在一起，以便形成复合环25，其机械地和化学地保护接触区9。进一步地，焊盘7、15接合在一起，以在第一埋入连接件10和第二埋入连接件14之间提供电连续性。实际上，在接合结束时，复合环25界定并且密封第一腔室26，第一腔室26容纳接合在一起的焊盘7、15(图3)。

可以在单个步骤中通过同时将焊盘7、15彼此焊接以及将保护环11、16彼此焊接，或者在两个单独的步骤中通过将焊盘7、15彼此焊接以及然后将保护环11、16彼此焊接，来执行接合。

例如，如果焊盘7、15和保护环11、16是相同的材料(铜或铝，无论是裸露的还是电镀的)，那么它们可以通过在两个部分之一(芯片2或基板3)上施加焊膏(例如锡基膏(在220℃熔化))，并且在低温(低于300-400℃)下将两个部分压在一起，来在低温下钎焊。也可以使用高引线接合(pb-sn-ag)，其在320℃熔化。例如，可以通过丝网印刷在第一焊盘7上和第一保护环11上施加焊膏，并且可以在290℃进行焊接。

备选地，焊盘7、15和保护环11、16可以经由高功率超声工艺以电子领域中已知的方式结合。

在接合期间和之后，期望防止氧气滞留在复合环25内部的第一腔室26内，因为从长远来看，它可能会导致焊盘7、15的氧化并且因此可能会导致故障和失效。

为此，可以使用气体冲洗技术，在低气压(低至10毫巴)下，特别是使用氮气进行接合，或者在100％氮气环境中的大气压下进行接合，或者在受控环境中的大气压下再次进行接合，例如，在形成气体时(氢气和氮气的混合物，其中至多10％氢气，例如5％h2和95％n2)。

根据一个不同的解决方案，基板3具有排气孔21，排气孔21贯穿基板3的厚度延伸，并且在第二保护环16内通向基板的第一表面3a(图2)。在这种情况下，在接合期间，来自接合过程的任何可能的烟雾都可以通过排气孔21从第一腔室26自由地排出。在接合过程结束时，可以密封排气孔21，例如经由保护性树脂(诸如，环氧树脂)，同时除去腔室中存在的空气。为此，密封可以在低气压(低至10毫巴)下进行，例如，在氮气环境中，或者通过利用受控气氛(100％氮气)来填充第一腔室26或者使用合成气体(例如，5％h2和95％n2)。

在两步焊接的情况下(具有相同材料的焊盘7、15和保护环11、16或者当它们由不同材料制成时)，首先焊接焊盘7、15，例如如上所述，经由通过丝网印刷施加的锡基膏，在低气压(低至10毫巴)或者在受控气氛中的大气压下。

接下来，单独接合保护环11、16。根据上述技术，如果保护环11、16由铝或铜制成，那么可以使用锡基膏或者经由高功率超声工艺来接合保护环11、16。如果保护环11、16由聚合物材料制成，那么可以通过高功率超声来接合保护环11、16。

基板可以具有不同的形状。例如，图4示出一个条形实施例，其具有加宽的端部和第二焊盘，第二焊盘以单行对齐布置。进一步地，在图4的实施例的示例中，外部连接件17被第三保护环20围绕。

图5和图6示出根据不同实施例的芯片102和基板103。

这里，芯片102具有大体上圆形的形状，并且具有四个第一突出部105，四个第一突出部105以90°彼此错开布置，并且从圆形形状的周界径向向外突出。这里每个第一突出部105承载一个或多个第一接触区域107，并且布置在同一第一突出部105上的一个或多个第一接触区域107由相应的第一保护环111围绕。芯片102可以例如是陶瓷材料的压力传感器。

芯片102容纳功能部分104，功能部分104通过在芯片102中延伸的第一埋入连接件110电连接到第一焊盘107，并且仅示意性地表示，类似于针对图1-图3的设备1所描述的。

这里基板103形成为四边形盘(例如矩形或正方形)，其具有比芯片102大得多的面积，并且包括框架部，框架部在内部界定近似十字形形状的通孔106。四个第二突出部108从框架部朝向通孔106的内部延伸，彼此成90°。每个第二突出部108承载一个或多个第二焊盘115，其数目与芯片102的第一焊盘107的数目相同。实际上，这里，第一接触区被分成四个部分，每个部分布置在相应的第二突出部108上。此外，在此，第二焊盘115具有相同的布局并且可以具有与第一焊盘107相同的尺寸，使得它们对齐并且可以接合到芯片102的第一焊盘107。

布置在相同的第二突出部105上的一个或多个第二接触区域115被相应的第二保护环116围绕，第二保护环116通常与相应的第一保护环111一致(即，具有相同的形状、尺寸和位置)，以使它们可以接合在一起。

基板103进一步具有第二接触区119，其布置在基板103的拐角附近，其中可以布置外部连接件117(例如，焊盘)。如示意性图示并且如针对图2的基板3的外部连接件17所述，基板103的外部连接件117通过布置在基板103中的第二埋入连接件114连接到第二接触区域115。

第一接触区域107和第二接触区域115的材料以及第一保护环111和第二保护环116的材料可以与上述相同。

同样在这种情况下，芯片102和基板103通过保护环111、116接合在一起，以便形成复合环，该复合环机械地和化学地保护焊盘107、115的区域。进一步地，焊盘107、115接合在一起。

此外，如参照图1-图3的设备1所述的，基板103可以具有排气孔(未图示出)。

图7-图9示出一个实施例，其中为在设备使用期间不需要连接到外界的其它部件提供单独的保护结构。特别地，图7示出具有圆形形状的芯片202，其容纳功能部分204并且设置有突出部208，这里突出部208具有矩形形状。突出部208承载由第一保护环211围绕的芯片接触区209和由第三保护环231围绕的受保护区230。第一焊盘207布置在第一保护环211内，并且待保护的结构213布置在第三保护环232内。待保护的结构213是例如期望在制造芯片202之后可访问的微调元件，但是微调元件在设备使用期间不需要连接到外界，并且在使用期间需要加以保护。

此外，在此，功能部分204通过第一埋入连接件210电耦合到第一焊盘207。

图8示出基板203的一部分，例如如图2或图4中的条状形状，基板203在其端部处承载由第二保护环216(第一接触区218)围绕的第二焊盘215。第四保护环232布置在第二保护环216附近。第二焊盘215与相应的第一焊盘207一致，第二保护环216与第一保护环211一致，并且第四保护环232与第三保护环231一致。它们也被布置为使得可以接合在一起，如图9的放大详图中所示。在该情况中，同时地并且使用与接合保护环211-216相同的技术来接合第三保护环231和第四保护环232。这样，然后，除了焊盘207-215之间的电连接以及它们在第一腔室215内的机械和化学保护之外，还获得第二复合环231-232，其限定第二腔室227并且还机械地和化学地保护待保护的结构213。

此外，在此，基板203可以在第一腔室26内和第二腔室227内都具有贯穿排气孔(未示出)；进一步地，第二埋入连接件214在基板203内朝向外部连接件(未示出)延伸，外部连接件类似于图2的外部连接件17。

图10-图11示出作为陶瓷传感器的另一个实施例。特别地，图10示出具有大致圆形形状的芯片302，其设置有第一突出部308a和第二突出部308b。突出部308a、308b具有大致矩形的形状并且布置在芯片302的径向相对的位置。

芯片302(例如具有表面302a的多层陶瓷)容纳限定功能部分304的电部件。电部件可以在芯片302的主体内和/或表面302a上形成。功能部分304经由第一埋入连接件310连接到第一焊盘307，第一焊盘307形成在表面302a上并且被布置在第一突出部308a上。焊盘307由第一保护环311围绕。第二突出部308b在芯片302的表面302a上承载由第三保护环331所围绕的待保护的结构313。待保护的结构313可以电连接到功能部分304或经由埋入连接件305直接连接到第一焊盘307。

图11示出待固定到图10的芯片302的支撑件303。在此支撑件303由框架340形成，框架340具有四边形形状，并且四个臂341从框架325的角部向内延伸。详细地，臂341大致沿着框架340的两个对角线延伸，并且在支撑件303的中心附近两两连接起来。在图示的示例中，臂341不完全延伸到支撑件303的中心，而是形成两对邻近的臂341，它们在第一耦合区和第二耦合区中连接在一起，第一耦合区和第二耦合区靠近中心并且由342a，342b指代；耦合区342a、342b大致对应于芯片的突出部308a、308b的位置，它们将被耦合到该位置。

在第一耦合区342a上，支撑件303具有与第一保护环311一致的第二保护环316，使得它可以与第一保护环311接合。第二焊盘315布置在第二保护环316中，第二焊盘315与芯片302的第一焊盘307具有相同的数目和相同的布局。第二焊盘315连接到第二埋入连接件314，第二埋入连接件314沿着臂341中的一个臂341在其内部延伸直到框架340的角部，在此提供外部连接件317。这里，与承载第二保护环316和第二焊盘315的支撑件303在相同的表面上形成的外部连接件317被外保护环320围绕。

此外，在图11的实施例中，容纳第二埋入连接件314的臂341还容纳电子电路350(例如asic)，用于处理由传感器301的功能部分304提供的信号，或者备选地电子电路350可以嵌入臂341中。

在第二耦合区342b上，支撑件303具有与第三保护环331一致的第四保护环332，使得它可以与第三保护环331接合，并且因此紧密地密封(连同第三保护环331一起)待保护的结构313。

以未示出的方式，耦合区342a、342b可以具有类似于图2的排气孔21的排气孔。

例如，芯片302可以具有大约2-3cm的直径，并且基板303可以具有10cm的侧面。

图12-图14涉及形成用于机动车辆的制动系统的压力传感器的设备401的一个实施例。设备401包括芯片402，在此芯片402是半导体材料的并且具有平行六面体形状，具有埋入腔室450，可以在图13中看到埋入腔室450并且埋入腔室450在底部界定芯片402的形成膜451的部分。膜451可以容纳压力换能器元件，例如，压电电阻器(其中只有一个在图12中示意性地示出并且由452指代)或者能够将施加在膜451上的应力转换为电信号的其它元件，例如，如美国专利申请us2005/208696中所述。

芯片402具有承载第一焊盘407的表面402a，第一焊盘407通过第一埋入连接件410接收由压力换能器元件452所产生的电信号。第一焊盘407由第一保护环411围绕。

芯片402耦合到图14中所示的基板403。这里，基板403是柔性类型的(例如由kapton的印刷电路板形成)，条状，具有第一表面403a、第一端403b和第二端403c。基板403可以被配置为类似于图3的基板3，并且在第一端处承载由第二保护环(类似于保护环16)所围绕的第二焊盘(类似于焊盘15并且不可见)，在图14中，第二保护环被接合到芯片402的第一保护环411，并且形成复合环425，类似于图3的放大详图中所图示的复合环25。根据上面所描述的，然后将图12的第一焊盘407接合到对应的第二焊盘(不可见，类似于图2的焊盘15)。

基板403的第二端403c承载外部连接件(不可见)，外部连接件类似于图2的外部连接件17并且被外保护环所包围，该外保护环类似于图2的外保护环20并且被接合到固定到壳体460的另一个保护环上，以便形成外复合环461。

在此，壳体460由c形容器或支撑件形成，该c形容器或支撑件具有固定(例如胶合)到芯片402的底表面462。例如，芯片402可以利用胶层或胶带层465固定。壳体460由刚性材料制成，能够抵抗浸入其中的流体；例如，它可以是多层陶瓷或金属，带有玻璃的一些部分和kovar(玻璃-金属密封技术)销。壳体460在侧视图中可以具有大致管状形状(平行于笛卡尔参考系xyz的轴y)，以便限定具有盘状形状的侧壁463(靠近基板403的第二端403c)，该盘状形状在外围具有螺纹466。进一步地，壳体460容纳外部电连接件467，外部电连接件467将焊盘(不可见，类似于由401所指代的焊盘，在底表面462上形成并由外复合环461保护)连接到外触点468，外触点468从侧壁463突出。外部电连接件467通常嵌入在壳体460中。

实际上，触点468通过外部电连接件467、封装件460的底表面462上的焊盘(不可见)、基板403的第二端403c上的焊盘(不可见)、在基板403中延伸的埋入连接件(不可见)、基板403的第一端403b上的第二焊盘(不可见)、芯片402的第一焊盘407(图12)和第一埋入连接件410连接到图12的压力换能器元件452。

在使用中，具有芯片402和基板403的壳体460插入要利用制动液填充的腔室470中，并经由螺纹466被拧到制动钳472上的对应的内螺纹471。

图15和图16示出类似于图2和图3的设备1的设备501，其中芯片502例如是硅或陶瓷，并且在其表面502a上承载第一连接线510。第一连接线510形成在第一金属层中并且被例如氧化硅的介电层505覆盖，第一金属层也在保护环525的区域之上延伸，介电层505仅部分地在第一腔室526内被去除。这里，介电层505具有一个或多个开口，其暴露第一连接线510的端部并且形成一个或多个突起505a。金属材料的接触部507(针对每个第一连接线510具有一个接触部)部分地在第一连接线510的暴露端部之上延伸，并且部分地在由介电层505形成的突起505a之上延伸，并且面向第二焊盘515。因此，它们形成第一焊盘，类似于图3的第一焊盘7。接触部507可以是与第一保护环511相同的材料并且具有与第一保护环511相同的步骤；例如，它们可以由镀有银或金的铜或铝制成。

对于其余部分，除了焊盘507、515以单行布局之外，图15和图16的设备501与图1-图3的设备1相同。因此，设备501的其它部分由图1-图3的参考标号增加500来指代。

从上面可以明显看出本设备的优点。

特别地，在实际中将焊盘转移到远离芯片的位置的基板的存在使得可以在不太关键的位置提供与外界的电连接件，其中不存在可能损坏触点的材料，或者其中触点材料不会干扰设备的操作。芯片的触点和基板的相应触点之间的连接件由提供机械、化学和物理保护的环保护。

保护环的圆形形状防止存在其中应力集中可能会出现并且可能会导致保护环的失效或破裂的区域。

本文所述的设备可以有利地用作惯性微传感器、磁性微传感器、压力微传感器、湿度微传感器、uv微传感器、微换能器、麦克风、气体微传感器、距离微传感器、微致动器、微镜、光学微选择器、微电机或信号处理电子电路。

最后，清楚的是，可以对本文中所描述和图示的设备进行修改和变化，而不脱离如所附权利要求中限定的本发明的范围。例如，可以组合所描述的各种实施例，以便提供进一步的解决方案。

芯片2甚至可以是复杂的非单片芯片，例如由多个芯片的多个结构形成，该多个芯片堆叠布置并且接合在一起。

在图6和图11的实施例中，基板303的框架部可以沿着由臂341连接的伸展部所形成的闭合线或开放线延伸。

待保护的部件13、213可以布置在第一腔室26内或第二腔室227内或两者内；例如，当存在第二腔室227时，一些部件可以设置在第一腔室26内，而其它部件可以设置在第二腔室227内。

根据需要和所期望的应用，基板的形状可以是任意的；例如，除了所说明的条形和四边形形状之外，基板还可以具有圆形形状或多边形形状，可以是规则的或不规则的。