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Dokumentenidentifikation DE102004051442A1 09.03.2006
Titel Wafer-Level-Package-Herstellungsverfahren unter Verwendung von Laserbestrahlung
Anmelder Samsung Electro-Mechanics Co., Ltd., Suwon, Kyonggi, KR
Erfinder Sunwoo, Kook Hyun, Taean, Choongchungnam, KR;
Kwon, Jong Oh, Suwon, Kyonggi, KR;
Lee, Joo Ho, Seoul/Soul, KR
Vertreter Lindner Blaumeier & Kollegen Patent- und Rechtsanwälte, 90402 Nürnberg
DE-Anmeldedatum 22.10.2004
DE-Aktenzeichen 102004051442
Offenlegungstag 09.03.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 09.03.2006
IPC-Hauptklasse H01L 21/56(2006.01)A, F, I, ,  ,  ,   
Zusammenfassung Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein WLP-Herstellungsverfahren, das dazu geeignet ist, einen Deckel-Wafer mit einem Vorrichtungs-Wafer durch die Verwendung von Laser-Beleuchtung zu verschweißen. Das WLP-Herstellungsverfahren kann schnell verbindende Metallstreifen von Vorrichtungs- und Deckel-Wafern miteinander verschweißen, um den Deckel-Wafer mit dem Vorrichtungs-Wafer zu verbinden, während ein innerer Hohlraum gegenüber der Außenseite versiegelt wird, ohne dass eine thermische Einwirkung auf eine Antriebseinheit in dem Vorrichtungs-Wafer ausgeübt wird.

Beschreibung[de]
Hintergrund der Erfindung Bereich der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Package-Herstellungsverfahren unter Verwendung von Laserbestrahlung. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Wafer-Level-Package-Herstellungsverfahren (WLP-Verfahren), das es ermöglicht, einen Deckel-Wafer mit einem Vorrichtungs-Wafer unter Verwendung von Laserbeleuchtung oder -bestrahlung zu verschweißen.

Beschreibung des Standes der Technik

Wie im Stand der Technik bekannt ist, werden gegenwärtig elektronische Vorrichtungen wie ein Film-Bulk-Akustik-Resonator (FBAR) und ein Oberflächen-Akustik-Wellen-Filter (SAW-Filter) rasch in ihrer Größe reduziert und es ist auch erforderlich, dass sie eine hohe Zuverlässigkeit aufweisen.

Heutzutage werden elektronische Vorrichtungen schnell hinsichtlich ihrer Größe und Dicke gemäß verschiedenen Anforderungen wie einer funktionellen Verbesserung und einer Reduzierung des Energieverbrauchs und der Vorrichtungsgröße verkleinert. FBARs, die hauptsächlich in Mobiltelefonen verwendet werden, folgen auch diesem Trend. In den FBARs ziehen dementsprechend Chip-Size-Packages (CSPs) mehr und mehr Aufmerksamkeit auf sich, und auch Wafer-Level-Packages (WLP) werden unter verschiedenen Aspekten ausprobiert, um die Produktivität zu verbessern, während gleichzeitig die Herstellungskosten reduziert werden. Solch ein WLP wird im Allgemeinen als ein bedeutender Entscheidungsfaktor hinsichtlich der Wettbewerbsfähigkeit eines Produkts auf dem Markt betrachtet.

Ein WLP-FBAR wie oben beschrieben umfasst einen Vorrichtungs-Wafer mit einer Mikroantriebseinheit wie einem Schaltkreis, die darauf befestigt ist, einen Deckel- oder Kappen-Wafer, der mit der Oberseite des Vorrichtungs-Wafers und einer Seitenwand verbunden ist, die aus einem Metallstreifen besteht und der Verbindung des Randbereichs des Vorrichtungs-Wafers mit dem des Deckel-Wafers dient, während sie einen Lufthohlraum oder inneren Raum zum Verschließen der Antriebseinheit vor der Umgebung versiegelt. Der Hohlraum dient als Schutz der inneren Elektrodenstrukturen gegen nachteilige Einwirkungen feindlicher Umgebungen und fremder Materialien.

Elektronische WLP-Vorrichtungen werden wie folgt gemäß einem herkömmlichen Herstellungsverfahren hergestellt: Zunächst wird eine Antriebseinheit auf einem Wafer ausgebildet, ein Hohlraum, der die Antriebseinheit umgibt, wird ausgebildet, und dann wird eine Kappe oder ein Deckel auf den Hohlraum über Klebstoff oder andere geeignete Verbundtechniken gesetzt, um den Hohlraum zu verschließen. Da jegliche Materialien, die auf der Oberseite der Antriebseinheit gelagert sind, die Leistungsfähigkeit einer Vorrichtung vermindern, ist es wichtig, den Deckel von der Antriebseinheit um einen vorbestimmten Spalt zu trennen.

Im Allgemeinen werden im herkömmlichen Herstellungsverfahren eine Mehrzahl von Antriebseinheiten und Hohlräumen im Allgemeinen auf einem Bulk-Wafer ausgebildet, und der Bulk-Wafer wird in eine Mehrzahl von Einheitswafern in einer Package-Größe aufgeschnitten, die jeweils eine Antriebseinheit und einen Hohlraum aufweisen, bevor der Deckel über Klebstoff auf jedem einzelnen der Einheitswafer aufgesetzt wird usw.

Bei diesem Verfahren besteht jedoch ein Problem dahingehend, dass folgende Verfahrensschritte schwierig sind, da der Bulk-Wafer in kleine Einheitsbereiche von Package-Größe aufgeschnitten wird. Zusätzlich gibt es, da der Deckel über Klebstoff usw. mit dem Wafer verbunden ist, einen Nachteil dahingehend, dass die Verbindung bei externen thermischen Stößen zerbrechlich ist.

Als Verbesserung kann eine solche Wafer-Level-Elektronikvorrichtung zu einem WLP gefertigt werden, wobei dies basierend auf einer Technik zum Entwurf von RF-Vorrichtungs-Packages geschieht, insbesondere eutektischer Metallbindung.

Die eutektische Metallbindung verbindet hermetisch eine Kappe oder einen Deckel unter Verwendung einer Niedrigtemperatur-Wärmerückfluss-Technik oder einer Ultraviolett-Lampen-Technik mit einem Wafer. Detaillierter wird ein verbindender Metallstreifen um eine Antriebseinheit auf einem Vorrichtungs-Wafer herum ausgebildet, wodurch ein Hohlraum gebildet wird, ein Deckel wird auf den Streifen gedeckt, und der Verbindungs-Metallstreifen wird mittels der Niedrigtemperatur-Wärmerückfluss-Technik oder der Ultraviolett-Technik geschmolzen, um den Deckel mit dem Vorrichtungs-Wafer zu verbinden. Alternativ kann ein entsprechender Metallstreifen auf dem Deckel ausgebildet werden, um eine Verbindung mit dem Metallstreifen auf dem Vorrichtungs-Wafer herzustellen.

Die oben stehende Niedrigtemperatur- oder Ultraviolett-Lampen-Technik hat jedoch die folgenden Nachteile. Zunächst wird, da diese Verbundtechniken bei einer vergleichsweise niedrigen Temperatur durchgeführt werden, der der Verbindung dienende Metallstreifen für eine lange Zeit erwärmt, wobei er einer Wärmequelle ausgesetzt ist, und so wird die Antriebseinheit des Vorrichtungs-Wafers zusammen mit dem Verbindungs-Metall auch erhitzt. Daraus folgt, dass die Antriebseinheit der Wärmequelle für eine lange Zeit ausgesetzt wird, wodurch die Temperatur der Antriebseinheit unangemessen erhöht wird, so dass eine thermische Belastung auf die Antriebseinheit ausgeübt wird, wodurch ihre Eigenschaften verschlechtert werden. Insbesondere benötigen diese Verbundtechniken eine vergleichsweise lange Arbeitszeit (d. h., einige Minuten), und deshalb verursachen sie in höheres Risiko der Verschlechterung der Antriebseinheit. Zusätzlich erhöht der lange Verbundprozess des Standes der Technik die Gesamtverfahrenszeit und erniedrigt so die Produktivität eines Packaging-Verfahrens.

Um die vorstehenden Nachteile zu überwinden ist es erforderlich, dass der verbindende Metallstreifen den oberen Deckel-Wafer und den unteren Vorrichtungs-Wafer für eine kurze Zeitspanne in einem vergleichsweise niedrigen Temperaturbereich miteinander verbindet, woraus sich keine thermischen Belastungen oder Wirkungen auf die Antriebseinheit der Vorrichtung ergeben. Da jedoch die Antriebseinheit aus wärmesensitivem Material wie z. B. Au besteht, sind jene Metalle, die schnell mittels des thermischen Rückflusses in einem Temperaturbereich schmelzen können, der niedrig genug ist, keinerlei thermischen Belastungen auf das wärmesensitive Material auszuüben, sehr selten.

Zusammenfassung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung wurde gemacht, um die vorstehenden Probleme des Standes der Technik zu lösen, und der Gegenstand der vorliegenden Erfindung betrifft daher ein WLP-Herstellungsverfahren, das schnell verbindende Metallstreifen von Vorrichtungs- und Deckel-Wafern miteinander verschweißen kann, um den Deckel-Wafer mit dem Vorrichtungs-Wafer zu verbinden, während ein innerer Hohlraum gegenüber der Außenseite versiegelt wird, ohne dass irgendeine thermische Einwirkung auf eine Antriebseinheit im Vorrichtungs-Wafer übertragen wird.

Es ist ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung, den Vorrichtungs- und Deckel-Wafer des WLP schnell zu verbinden, indem der Laser verwendet wird, um das gesamte WLP-Herstellungsverfahren zu verkürzen und die Verarbeitung zu verbessern.

Es ist ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung, Metalle oder Legierungen mit dem Laser miteinander zu verbinden, indem im Vergleich zu einem herkömmlichen Wärmerückfluss eine niedrigere Last auf die Wafer ausgeübt wird, um jegliche Verschlechterung hinsichtlich der Verbindungs-Gleichmäßigkeit und -Zuverlässigkeit, induziert durch die repulsive Kraft der Metallatome, zu verhindern.

Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist es, einen Bulk-Deckel-Wafer mit einem Bulk-Vorrichtungs-Wafer zu verbinden, bevor ein sich ergebendes Bulk-Package in WLP-Einheiten geschnitten wird, um hohe Fehlerraten zu verhindern, die durch Verfahren wie die Deckelmontage und das Metallstreifen-Schweißen auf Wafern kleiner Größe induziert werden.

Darüber hinaus ist es ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung, den Verbindungsschritt bei den Bulk-Wafern durchzuführen, um die gesamte Arbeitszeit zu verringern und dadurch die Betriebsfähigkeit zu verbessern.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung zur Realisierung des Gegenstands wird ein Verfahren zur Herstellung von Wafer-Level-Packages vorgeschlagen, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst.

  • (a) Herstellen eines Vorrichtungs-Wafers mit einer Mikroantriebseinheit, angeordnet in wenigstens einem Package-Bereich, und einem zugeordneten Metallstreifen, angeordnet entlang der Peripherie des Package-Bereichs, beabstandet von der Antriebseinheit;
  • (b) Herstellen eines Deckel-Wafers mit einem zugehörigen Metallstreifen, der darauf ausgebildet ist, entsprechend dem Metallstreifen auf dem Vorrichtungs-Wafer;
  • (c) Befestigen des Vorrichtungs-Wafers auf einem Trägerelement derart, dass der Metallstreifen nach oben zeigt, und Befestigen des Deckel-Wafers auf dem Vorrichtungs-Wafer, wobei der Metallstreifen des Deckel-Wafers auf dem Metallstreifen des Vorrichtungs-Wafers aufliegt;
  • (d) Bestrahlen des gesamten Package-Bereichs mit einem Laserstrahl einer Laserquelle, um die Metallstreifen ohne thermische Einwirkung auf die Antriebseinheit miteinander zu verschweißen, um so einen inneren Raum zu versiegeln, der durch die Metallstreifen zwischen den Wafern begrenzt ist; und
  • (e) Aufschneiden einer sich ergebenden Struktur entlang der äußeren Peripherie des sich ergebenden verschweißten Metallstreifens.

Bevorzugterweise umfasst der Befestigungsschritt (c) die Befestigung einer oberen Vorrichtung auf dem Deckel-Wafer, wobei die Vorrichtung dazu geeignet ist, den Laserstrahl auf den Package-Bereich weiterzuleiten.

Bevorzugterweise bestehen die Metallstreifen aus wenigstens einem Bestandteil ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Sn, eutektischem SnPb, Sn-Ag-Cu, Sn-Ag-Bi, Ag-Sn-Bi-In, Sn-Zn-Bi, An-Cu-Ni und AuSn-Legierungen.

In dem Bestrahlungsschritt (d) bestrahlt der Laserstrahl bevorzugterweise für ungefähr 0,01 bis 10 Sekunden und insbesondere für ungefähr 1 bis 10 Sekunden.

Bevorzugterweise wird in dem Bestrahlungsschritt (d) eine Mehrzahl von Package-Bereichen gleichzeitig bestrahlt.

Bevorzugterweise ist die Laserquelle ein YAG-Laser (1064 nm), ein TAG-Laser oder eine Laserdiode (808 nm).

Bevorzugterweise bestehen die Vorrichtungs- und Deckel-Wafer aus Si oder Glas.

Bevorzugterweise besteht der Deckel-Wafer aus einem transparentem Material.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

1 zeigt ein Flussdiagramm, das ein Wafer-Level-Package-Herstellungsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt;

2A bis 2E sind geschnittene Ansichten, die das Wafer-Level-Package-Herstellungsverfahren der vorliegenden Erfindung darstellen;

3 ist eine geschnittene Ansicht eines beispielhaften Wafer-Level-Package, hergestellt gemäß dem Wafer-Level-Package-Herstellungsverfahren der vorliegenden Erfindung;

4 zeigt eine Draufsicht, die schematisch die selektive Laser-Beleuchtung im Wafer-Level-Package-Herstellungsverfahren der vorliegenden Erfindung darstellt;

5 zeigt eine geschnittene Ansicht, die den gebundenen Zustand des Verbindungs-Metalls in einem Wafer-Level-Package, hergestellt gemäß der vorliegenden Erfindung, zeigt; und

6 ist ein Graph, der die mechanische Stärke von beispielhaftem Verbindungs-Metall, das in einem Experiment wie in 5 gezeigt verwendet wurde, zeigt.

Detaillierte Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird nun im Detail unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.

Ein WLP-Herstellungsverfahren gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im Allgemeinen unter Bezugnahme auf 1 beschrieben, die ein Flussdiagramm ist, das das Wafer-Level-Package-Herstellungsverfahren der Erfindung darstellt.

Zunächst wird ein Bulk-Vorrichtungs-Wafer vorbestimmter Dicke und Fläche vorbereitet, und eine Mehrzahl von Antriebseinheiten und zugehörigen Verbindungs-Metallstreifen, die die jeweiligen Antriebseinheiten umgeben, werden auf einer Seite des Bulk-Vorrichtungs-Wafers im Schnitt S102 ausgebildet. Hierbei werden Teile des Bulk-Wafers, auf denen sich die Antriebseinheiten und die Metallstreifen befinden, als „Package-Bereiche" bezeichnet, aus Gründen einer einfacheren Beschreibung. Dann wird ein Bulk-Deckel-Wafer vorbestimmter Dicke und Fläche hergestellt, und eine Mehrzahl von eingeschlossenen Verbindungs-Metallstreifen wird auf einer Seite des Bulk-Deckel-Wafers ausgebildet, um den Verbindungs-Metallstreifen auf dem Bulk-Vorrichtungs-Wafer gemäß dem Verfahrensschritt S104 zu entsprechen. Im Schritt S106 wird der Bulk-Vorrichtungs-Wafer auf einem Träger befestigt, der Bulk-Deckel-Wafer wird auf dem Vorrichtungs-Wafer befestigt, so dass die Metallstreifen des Bulk-Deckel-Wafers mit den Metallstreifen des Bulk-Vorrichtungs-Wafers ausgerichtet sind, und eine obere Vorrichtung (jig) wird weiterhin auf dem Bulk-Vorrichtungs-Wafer befestigt. Dann wird ein Laserstrahl von oben auf die Bulk-Wafer gerichtet, um die Metallstreifen der Bulk-Wafer zu verschweißen, die aufeinander aufgeschichtet sind, um ein Bulk-Package im Schritt S108 herzustellen.

In der Folge wird das Bulk-Package, das durch die Laser-Beleuchtung hergestellt wurde, gemäß den Package-Bereichen im Schritt S110 aufgeschnitten, um eine Mehrzahl von Wafer-Level-Packages (WLPs) im Schritt S112 herzustellen.

Die 2A bis 2E sind geschnittene Ansichten, die das Wafer-Level-Package-Herstellungsverfahren der vorliegenden Erfindung darstellen, wobei 2A den Schritt der Ausbildung von Antriebseinheiten und verbindenden Metallstreifen auf einem Bulk-Vorrichtungs-Wafer zeigt, 2B stellt den Schritt der Ausbildung von Verbindungs-Metallstreifen auf einem Bulk-Deckel-Wafer dar, 2C stellt den Schritt der Befestigung des Bulk-Vorrichtungs- und Deckel-Wafers zwischen einem Träger und einer Vorrichtung dar, 2D stellt den Schritt der Beleuchtung mit einem Laserstrahl dar, und 2E stellt den Schritt des Aufschneidens eines sich ergebenden Bulk-Packages dar.

Wie in 2A gezeigt wird ein Bulk-Vorrichtungs-Wafer 12 in Plattenform ausgebildet, der eine geeignete Dicke und Fläche aufweist, und eine Mehrzahl von Antriebseinheiten 14 werden auf einer Seite des Bulk-Vorrichtungs-Wafers 12 ausgebildet, und es werden jeweils Verbindungs-Metallstreifen 16 um die Antriebseinheiten 14 herum ausgebildet.

Der Bulk-Vorrichtungs-Wafer 12 besteht z. B. aus Si oder Glas und weist bevorzugterweise eine Dicke von ungefähr 1000 &mgr;m oder weniger auf, insbesondere von 700 &mgr;m oder weniger. Jeder der Package-Bereiche erstreckt sich horizontal und in Längsrichtung ungefähr 1 mm oder weniger, und jede einzelne der Antriebseinheiten 14 weist eine Schaltung auf, die z. B. aus einer Metall-Struktur ausgebildet ist.

Die Metall-Struktur besteht im Allgemeinen aus wenigstens einem Material, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Au, Cu, Mo, Pt, Ti und Legierungen davon, wobei die Schmelzpunkte von Au, Cu, Mo, Pt und Ti jeweils 1064, 1084, 2610, 1772 und 1675 °C betragen. Bevorzugterweise weist jeder einzelne der Verbindungs-Metallstreifen 16 eine Dicke von 50 &mgr;m oder weniger auf und besteht aus einem Material, das einen Schmelzpunkt aufweist, der signifikant niedriger ist als jene der oben angegebenen Elemente oder ihrer Legierungen, bestehend aus dem Metall-Muster. Geeignete Beispiele für die verbindenden Metallstreifen 16 können reines Sn umfassen, eutektisches SnPb (63/37), Sn-Ag-Cu, Sn-Ag-Bi, Ag-Sn-Bi-In, Sn-Zn-Bi, An-Cu-Ni, eine AuSn-Legierung, AuSn (80/20) usw., wobei z. B. reines Sn einen Schmelzpunkt von 231,79 °C aufweist, eutektisches SnPb (63/37) weist einen Schmelzpunkt von 162,8 °C auf, und AuSn (80/20) hat einen Schmelzpunkt von 280 °C.

Dann wird, wie in 2B gezeigt, ein Bulk-Deckel-Wafer 18 mit einer Plattenform ausgebildet, der eine geeignete Dicke und Fläche aufweist, und eine Mehrzahl von Verbindungs-Metallstreifen 20 werden ausgebildet, angepasst an die verbindenden Metallstreifen 16 auf dem Bulk-Vorrichtungs-Wafer 12, wie in 2 gezeigt. Der Bulk-Deckel-Wafer 18 besteht z. B. aus Si oder Glas und weist bevorzugterweise eine Dicke von ungefähr 1000 &mgr;m oder weniger auf, insbesondere eine Dicke von 700 &mgr;m oder weniger. Die verbindenden Metallstreifen 20 können aus jedem beliebigen jener Materialien bestehen, die für die Verbindungs-Metallstreifen 16 auf dem Bulk-Vorrichtungs-Wafer 12 verwendet wurden. Alternativ können die Verbindungs-Metallstreifen 20 aus jedem beliebigen Material bestehen, das geeignet ist, hervorragend mit den verbindenden Metallstreifen 16 auf dem Bulk-Vorrichtungs-Wafer 12 verschweißt zu werden.

Nach der Herstellung des Bulk-Vorrichtungs- und des Deckel-Wafers 12 und 18 wie oben beschrieben wurde, wird, wie in 2C gezeigt, der Bulk-Vorrichtungs-Wafer 12 auf einem Träger 30 befestigt, so dass die Antriebseinheiten 14 und die Verbindungs-Metallstreifen 16 nach oben zeigen, wie in 2C gezeigt, der Bulk-Deckel-Wafer 18 wird auf dem Bulk-Vorrichtungs-Wafer 12 angeordnet, so dass die Metallstreifen 20 des Deckel-Wafers mit den Metallstreifen 16 des Vorrichtungs-Wafers ausgerichtet sind und jeweils an diese angrenzen, und dann wird eine obere Vorrichtung 32 (angedeutet mit einer gestrichelten Linie) auf dem Bulk-Deckel-Wafer 18 befestigt.

Die obere Vorrichtung 32 dient dazu, den Bulk-Deckel-Wafer 18 in seiner Position bezüglich des Bulk-Vorrichtungs-Wafers 12 zu fixieren. Die obere Vorrichtung 32 besteht aus einem transparenten Material wie z. B. Glas. Alternativ können jene Teile der oberen Vorrichtung 32, die den Package-Bereichen entsprechen, so entworfen sein, dass sie den Laserstrahl übertragen.

Anstelle der oberen Vorrichtung 32 können unterschiedliche Typen von Vorrichtungen oder Einbaustücken verwendet werden, die laterale Teile des Bulk-Deckel-Wafers 18 fassen können, um den Bulk-Deckel-Wafer 18 in seiner Position bezüglich des Bulk-Vorrichtungs-Wafers 12 festzulegen, so dass die obere Seite des Bulk-Deckel-Wafers 18 nach oben freiliegt.

Unterdessen kann, wenn der Bulk-Deckel.-Wafer 18 auf dem Bulk-Vorrichtungs-Wafer 12 montiert wird, ein geeignetes Detektionsmittel verwendet werden, um zu erfassen, ob die Metallstreifen 20 des Deckel-Wafers entsprechend den Metallstreifen 16 des Vorrichtungs-Wafers angeordnet sind und auf diese stoßen, um die Position des Bulk-Deckel-Wafers 18 in Antwort auf ein Detektionsergebnis anzupassen.

Ein geeignetes Lage-Detektionsmittel kann auch dazu verwendet werden, die Position des Bulk-Vorrichtungs-Wafers 12 und der oberen Vorrichtung 32 präziser anzupassen, wenn der Bulk-Vorrichtungs-Wafer 12 und die obere Vorrichtung 32 montiert werden.

Zusätzlich können diese Detektionsmittel mit einer Steuerungseinheit verbunden sein, wie z. B. einem Computer, um sowohl die Verfahrensgenauigkeit zu erhöhen als auch die Produktivität zu verbessern.

Dann wird, wie in 2D gezeigt, ein Laserstrahl (oder Strahlen) von oben auf die Bulk-Wafer 12 und 18 geschickt, so dass die verbindenden Metallstreifen 16 und 20 der Bulk-Wafer 12 und 18 Verbindungen 22 ausbilden und vollständig miteinander verbunden werden, so dass die Bulk-Wafer ein Bulk-Package bilden. In 2D ist die obere Vorrichtung 32 zur Vereinfachung nicht gezeigt.

In diesem Fall können die Quellen des Laserstrahls einen Yttrium-Aluminium-Garnet-Laser (YAG-Laser) und einen Terbium-Aluminium-Garnet-Laser (TAG-Laser) umfassen. Beispielsweise ist ein Laser-Schweißer von der PacTech GmbH aus Deutschland erhältlich, unter dem Modellnamen Laplace. In diesem Fall können die Bulk-Wafer (z. B. 4-Zoll-Wafer) mit einem Laserstrahl oder Laserstrahlen mit einer Wellenlänge von ungefähr 1064 nm (YAG) oder 808 nm (TAG) mit einer maximalen Leistung von 1,5 kW für ungefähr 0,01 bis 10 Sekunden bestrahlt werden, bevorzugterweise für ungefähr 0,1 bis 1 Sekunde. Dann kann die Laser-Beleuchtung die verbindenden Metallstreifen 16 und 20 miteinander verschweißen, ohne dass irgendeine thermische Einwirkung auf die Metall-Strukturen wie z. B. die Antriebseinheiten 14 entsteht, da die Metall-Strukturen einen Schmelzpunkt aufweisen, der signifikant höher ist als der der Verbindungs-Metallstreifen, und deshalb werden die Metall-Strukturen durch die Laser-Beleuchtung nicht beeinflusst, die nur für eine kurze Zeitperiode durchgeführt wird, um die verbindenden Metallstreifen zu verschmelzen. Zusätzlich findet, da jene Metall-Strukturen eine geschichtete Struktur aufweisen, die keinerlei Legierung zwischen den Metall-Schichten verwendet, um den Schmelzpunkt herabzusetzen, keinerlei thermische Verschlechterung statt. Dadurch kann der Vorteil der Erfindung erzielt werden, die in der Lage ist, die Antriebseinheiten gegen thermische Belastungen zu schützen, die gemäß dem Stand der Technik ein Problem beim thermischen Rückfluss dargestellt haben.

Andererseits kann, obwohl es in 2D beschrieben wurde, dass die Laser-Beleuchtung durchgeführt wird, um zwei Package-Bereiche zu illuminieren, die Laser-Illumination so durchgeführt werden, dass ein Package-Bereich oder wenigstens drei Package-Bereiche beleuchtet werden. Da ein typisches Wafer-Level-Package Dimensionen von ungefähr 3 × 3 mm aufweist und der Laser wie oben beschrieben einen Laserstrahl mit einem Durchmesser von ungefähr 100 mm ausschickt, kann der Laser mehrere Package-Bereiche gleichzeitig beleuchten.

Es ist erforderlich, die Ausrichtung der Bulk-Wafer 12 und 18 (vgl. 2C) und die Laser-Beleuchtung (2D) für ungefähr 10 Minuten oder weniger durchzuführen, und die vorliegende Erfindung kann eine Arbeitszeit innerhalb des Bereichs von ungefähr 7 Minuten ermöglichen.

Dann verursacht die Laser-Beleuchtung wie oben beschrieben die vollständige Verbindung der Verbindungs-Metallstreifen 16 und 22 miteinander, wodurch ein Bulk-Package mit Seitenwänden 24 wie in 2E gezeigt hergestellt wird. In der Folge wird das Bulk-Package entlang von Schnittlinien Lc aufgeschnitten, um eine Mehrzahl von Wafer-Level-Packages oder WLPs gemäß den Package-Bereichen wie in 3 gezeigt herzustellen. Das Bulk-Package kann durch mehrere bekannte Schnitttechniken aufgeschnitten werden. Z. B. kann das Bulk-Package in eine Mehrzahl von WLPs durch Laser-Anreißen (Laser-Scribing) aufgeschnitten werden.

Zusätzlich können die vorerwähnten Verfahrensschritte unter der Steuerung einer geeigneten Steuerungseinheit wie z. B. einem Computer durchgeführt werden, um die Durchführbarkeit und die Präzision des Betriebs zu verbessern.

Wie oben beschrieben können, da das Herstellungsverfahren der Erfindung den Schritt der Verbindung des Bulk-Vorrichtungs-Wafers 12 mit dem Bulk-Deckel-Wafer 18 vor dem Aufschneiden des Bulk-Packages in die jeweiligen WLP-Einheiten umfasst, hohe Fehlerraten, die durch Verfahrensschritte wie die Deckel-Montage und das Metallstreifen-Verschweißen auf den kleinen Wafern induziert werden, verhindert werden. Es ist auch möglich, da der Verbindungs-Schritt auf die Bulk-Wafer angewandt wird, die gesamte Arbeitszeit herabzusetzen und dadurch die Durchführbarkeit zu verbessern.

3 zeigt eine geschnittene Ansicht, die ein beispielhaftes Wafer-Level-Package darstellt, das gemäß dem Wafer-Level-Package-Herstellungsverfahren der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde.

Wie in 3 gezeigt, umfasst ein Wafer-Level-Package oder WLP 10, das gemäß dem Herstellungsverfahren der Erfindung hergestellt wurde, einen flachen Vorrichtungs-Wafer 12a mit einer Antriebseinheit 14, die auf der Oberseite davon ausgebildet ist, eine Seitenwand 24, die mit dem oberen Rand des Vorrichtungs-Wafers 12a verbunden ist und als Metallstreifen geformt ist, um einen Hohlraum um die Antriebseinheit 14 herauszubilden, und einen Deckel-Wafer 18a mit einem unteren Rand, der mit der Oberseite der Seitenwand 24 verbunden ist, um den Hohlraum zu versiegeln. Der Deckel-Wafer 18a und der Vorrichtungs-Wafer 12a haben die gleiche ebene Fläche, aber sie können die gleiche oder unterschiedliche Dicken haben.

4 zeigt eine Draufsicht, die schematisch die selektive Laser-Beleuchtung bei dem Wafer-Level-Package-Herstellungsverfahren der vorliegenden Erfindung darstellt.

Wie in 4 gezeigt, können N × N Package-Bereiche P11, ... und Pnn an der Unterseite eines Bulk-Deckel-Wafers 18 vorgesehen sein. In diesem Fall können die Package-Bereiche zur gleichzeitigen Beleuchtung mit einem Laser gruppiert sein. Z. B. können vier Package-Bereiche P11, P12, P21 und P22 zu einer Gruppe G1 wie in 4 gezeigt zusammengebracht werden, um mit einem Laserstrahl beleuchtet zu werden. In diesem Fall können die gesamten Package-Bereiche P11, ... und Pnn mit einem Laser beleuchtet werden, indem zunächst die Gruppe G1 der Bestrahlung ausgesetzt wird und dann die nächste Gruppe, umfassend die Package-Bereiche P13, P14, P23 und P24, dem Laserstrahl ausgesetzt wird. Selbstverständlich wird die Laser-Beleuchtung so durchgeführt, dass ein Package-Bereich mit einem einzigen Laserstrahl gleichzeitig abgedeckt wird.

Ein WLP wurde gemäß dem WLP-Herstellungsverfahren der vorliegenden Erfindung wie oben beschrieben hergestellt, und der gebundene Zustand des sich ergebenden WLP wird unter Bezugnahme auf 5 beschrieben.

Vier-Zoll-BuIk-Wafer (4 in) mit einer Dicke von 700 &mgr;m wurden verwendet, und verbindende Metallstreifen wurden aus eutektischem Au/Sn (80/20) mit einer Dicke von 50 &mgr;m hergestellt. Die Laserquelle war ein TAG-Laserschweißer, der kommerziell von der Pac Tech GmbH aus Deutschland erhältlich ist, mit dem Modellnamen Laplace. Ein Laserstrahl mit einer Wellenlänge von ungefähr 808 nm wurde mit einer Ausgangsleistung von ungefähr 400 W für ungefähr 0,1 Sekunden ausgesandt.

Durch die Beleuchtung wie oben beschrieben wurden die Verbindungs-Metallstreifen 24 wie in 5 gezeigt miteinander verschweißt, wodurch der obere Deckel-Wafer 18 mit dem unteren Vorrichtungs-Wafer 12 verbunden wurde, während der Hohlraum in dem Deckel- und Vorrichtungs-Wafer 18 und 12 gegen die Außenseite versiegelt wurde.

Das oben beschriebene Herstellungsverfahren wird im Vergleich zu dem herkömmlichen thermischen Rückfluss-Verfahren in einer deutlich kurzen Zeitperiode durchgeführt, und deshalb ist es möglich, thermische Einwirkungen oder Belastungen zu minimieren oder zu vermeiden, die auf die Antriebseinheit mit den Metall-Strukturen wirken könnten.

6 zeigt zusammen mit der unten stehenden Tabelle 1 EDS-Analyseergebnisse hinsichtlich der mechanischen Festigkeit von Au/Sn wie in 4 verwendet. Unter Bezugnahme auf 6 und die unten stehende Tabelle 1 ist es verständlich, dass Au/Sn die allerbeste mechanische Festigkeit bei einem Verhältnis von ungefähr 8 : 2 (Gewichtsprozent) aufweist.

Tabelle 1

Da Au/Sn beim oben angegebenen Verhältnis einen Schmelzpunkt von 280 °C aufweist, kann es geeigneterweise als ein Verbund-Material für die Erfindung verwendet werden.

Wie oben beschrieben kann das WLP-Herstellungsverfahren der Erfindung die Verbindungs-Metallstreifen des Vorrichtungs- und Deckel-Wafers schnell miteinander verschweißen, um den Deckel-Wafer mit dem Vorrichtungs-Wafer zu verbinden, während der innere Hohlraum gegen die Außenseite versiegelt wird, ohne dass irgendeine thermische Einwirkung auf die Antriebseinheit in dem Vorrichtungs-Wafer wirkt.

Zusätzlich kann die Erfindung schnell den Vorrichtungs- und den Deckel-Wafer des WLP durch die Verwendung des Lasers verbinden, um das gesamte WLP-Herstellungsverfahren zu verkürzen, wodurch die Durchführbarkeit verbessert wird.

Es werden auch, da der Bulk-Deckel-Wafer mit dem Bulk-Vorrichtungs-Wafer verbunden wird, bevor das Bulk-Package in die WLP-Einheiten aufgeschnitten wird, hohe Fehlerraten, die durch Bearbeitungsschritte wie die Deckel-Befestigung und das Metallstreifen-Verschweißen auf den eine kleine Größe aufweisenden Wafern induziert werden, verhindert. Es ist auch, da der Verbund-Schritt mit den Bulk-Wafern durchgeführt wird, möglich, die gesamte Arbeitszeit herabzusetzen und dadurch die Durchführbarkeit zu verbessern.

Darüber hinaus verbindet die Erfindung Metalle oder Legierungen mit dem Laser miteinander, wodurch eine niedrige Belastung im Vergleich zu einem herkömmlichen thermischen Rückfluss auf die Wafer wirkt, und deswegen kann sie jegliche Verschlechterung in der Verbindung hinsichtlich der Gleichförmigkeit und Zuverlässigkeit, induziert durch die repulsive Kraft der Metallatome, verhindern.

Während die vorliegende Erfindung im Zusammenhang mit den bevorzugten Ausführungsbeispielen gezeigt und beschrieben wurde, ist es für Fachleute offensichtlich, dass Veränderungen und Variationen vorgenommen werden können, ohne dass der Geist und der Bereich der Erfindung, wie sie in den beigefügten Ansprüchen beschrieben ist, verlassen wird.

Zusätzlich kann die Erfindung auf alle Typen von Wafer-Level-Elektronikvorrichtungen angewendet werden, die zu versiegelnde Luft-Hohlräume aufweisen, obwohl nur FBARs und SAW-Filter als technische Bereiche der Erfindung offengelegt wurden.


Anspruch[de]
  1. Verfahren zur Herstellung von Wafer-Level-Packages, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:

    (a) Herstellen eines Vorrichtungs-Wafers (12, 12a) mit einer Mikro-Antriebseinheit (14), angeordnet in wenigstens einem Package-Bereich (P), und einem umfassten Metallstreifen (16), angeordnet entlang des Randes des Package-Bereichs, beabstandet von der Antriebseinheit (14);

    (b) Herstellen eines Deckel-Wafers (18, 18a) mit einem umfassten Metallstreifen (20), der darauf ausgebildet ist und mit dem Metallstreifen (16) auf dem Vorrichtungs-Wafer (12, 12a) zusammenpasst;

    (c) Befestigen des Vorrichtungs-Wafers (12, 12a) auf einem Träger-Element (30), wobei der Metallstreifen (16) nach oben zeigt, und Befestigen des Deckel-Wafers (18, 18a) auf dem Vorrichtungs-Wafer (12, 12a), wobei der Metallstreifen (20) des Deckel-Wafers (18) an den Metallstreifen (20) des Vorrichtungs-Wafers (12) stößt;

    (d) Bestrahlen des gesamten Package-Bereichs (P) mit einem Laserstrahl von einer Laserquelle, um die Metallstreifen (16, 20) ohne thermische Einwirkung auf die Antriebseinheit (14) miteinander zu verschweißen, um so einen inneren Raum, gekennzeichnet durch die Metallstreifen (16, 20) zwischen den Wafern (12, 12a, 18, 18a), zu versiegeln; und

    (e) Aufschneiden der sich ergebenden Struktur entlang des äußeren Rands des sich ergebenden verschweißten Metallstreifens (24).
  2. Verfahren zur Herstellung von Wafer-Level-Packages gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Befestigungsschritt (c) die Befestigung einer oberen Vorrichtung (32) auf dem Deckel-Wafer (18, 18a) umfasst, wobei die Vorrichtung (32) dazu geeignet ist, den Laserstrahl auf den Package-Bereich (P) weiterzuleiten.
  3. Verfahren zur Herstellung von Wafer-Level-Packages gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallstreifen (16, 20) aus wenigstens einem Material, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Sn, eutektischem SnPb, Sn-Ag-Cu, Sn-Ag-Bi, Ag-Sn-Bi-In, Sn-Zn-Bi, An-Cu-Ni und AuSn-Legierungen, bestehen.
  4. Verfahren zur Herstellung von Wafer-Level-Packages gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Bestrahlungsschritt (d) der Laserstrahl für ungefähr 0,01 bis 10 Sekunden ausgesendet wird.
  5. Verfahren zur Herstellung von Wafer-Level-Packages gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass im Bestrahlungsschritt (d) der Laserstrahl für ungefähr 1 bis 10 Sekunden ausgesendet wird.
  6. Verfahren zur Herstellung von Wafer-Level-Packages gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Bestrahlungsschritt (d) eine Mehrzahl von Package-Bereichen (P) gleichzeitig beleuchtet wird.
  7. Verfahren zur Herstellung von Wafer-Level-Packages gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Laserquelle ein YAG- oder TAG-Laser verwendet wird.
  8. Verfahren zur Herstellung von Wafer-Level-Packages gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtungs- und Deckel-Wafer (12, 12a, 18, 18a) aus Si oder Glas bestehen.
  9. Verfahren zur Herstellung von Wafer-Level-Packages gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Deckel-Wafer (18, 18a) aus einem transparenten Material besteht.
Es folgen 6 Blatt Zeichnungen






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