Zur Miniaturisierung geeignetes elektrisches Bauelement mit verringerter Verkopplung

Die Erfindung betrifft elektrisehe Bauelemente , die mit klei- nen Abmessungen hergestellt werden können aber trotzdem ge- ringe Verkopplungen zwischen Schaltungselementen aufweisen.

Elektrische Bauelemente, z. B. HF-Filter, die mit akustischen Wellen arbeiten oder MEMS-Komponenten (MEMS = Micro-Electro- Mechanical System) aufweisen, unterliegen einem anhaltenden Trend zur Miniaturisierung. Problematisch bei immer kleiner gebauten elektrischen Bauelementen sind Verkopplungen, z. B. elektromagnetische Verkopplungen unterschiedlicher Schaltungselemente, die die Signalqualität verringern.

Problematisch an elektrischen Bauelementen mit empfindlichen funktionalen Strukturen ist, dass diese Strukturen vor schädlichen Umwelteinflüssen, z. B. Feuchtigkeit in der Atmosphäre oder Staub, geschützt sein müssen. Mit akustischen Wellen arbeitende Bauelemente, z. B. SAW-Bauelemente (SAW = Surface Acoustic Wave = akustische Oberflächenwelle) , BAW-Bauelemente (BAW = Bulk Acoustic Wave = akustische Volumenwelle) oder GBAW-Bauelemente (GBAW = Guided Bulk Acoustic Wave = geführte akustische Volumenwelle) , benötigen funktionale Strukturen, in denen die akustischen Wellen ungestört ausbreitungsfähig sind. Üblicherweise bedürfen solche Bauelemente deshalb eines abgekapselten Hohlraums, in dem die funktionalen Strukturen angeordnet sind. Die entsprechenden Abkapselungen der funktionalen Strukturen verteuern nun einerseits die Herstellung der Bauelemente. Andererseits benötigen die Abkapselungen zu ^¬ sätzlichen Platz, was der Miniaturisierung entgegensteht. Es ist bekannt, funktionale Strukturen durch Deckel-Wafer oder durch TFP- (Thin-Film Package = Dünnschicht-Abdeckung) Abdeckungen abzudecken. Elektrische Bauelemente mit funktio ^¬ nalen Strukturen, bei denen die Abdeckung die lateralen Ab- messungen der Bauelemente nicht wesentlich vergrößert, werden als WLP (Wafer Level Packages) bezeichnet.

Problematisch bei solchen Bauelementen ist die durch die Verkleinerung erzwungene räumliche Nähe verschiedener Schal- tungselemente . So ist es bei vielen klein bauenden elektrischen Bauelementen unerwünscht aber nicht zu verhindern, dass elektromagnetische Verkopplungen, z. B. zwischen induktiven Elementen und funktionalen Strukturen, die Signalqualität verschlechtern. Insbesondere funktionale Strukturen in Emp- fangspfaden mobiler Kommunikationsgeräte leiden übermäßig un ^¬ ter der Verkleinerung, sodass die elektromagnetische Verkopp- lung eines der wichtigsten Hindernisse für eine weitere Ver ^¬ kleinerung darstellt. Es ist deshalb eine Aufgabe, ein elektrisches Bauelement an ^¬ zugeben, das durch eine Verringerung von Verkopplungen zu weiterer Miniaturisierung geeignet ist.

Diese Aufgabe wird durch das Bauelement gemäß dem unabhängi- gen Anspruch gelöst. Abhängige Ansprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung an.

Ein elektrisches Bauelement umfasst dazu eine elektrische Schaltung mit einer funktionalen Struktur und einem Schal- tungselement . Das Bauelement umfasst ferner einen Chip. Der Chip ist zwischen der funktionalen Struktur und dem Schaltungselement angeordnet. Die Isolation zwischen der funktio ^¬ nalen Struktur und dem Schaltungselement ist durch das Anord- nen des Chips dazwischen erhöht und deshalb eine Verkopplung verringert .

Insbesondere die Isolation zwischen elektromagnetisch emp- findlichen Strukturen und auf der anderen Seite des Chips angeordneten Impedanzelementen ist verbessert. Der Begriff elektrische Schaltung kann jede Art von elektrischer Ver- schaltung eines elektrischen Bauelements betreffen. Die funktionale Struktur kann eine mit akustischen Wellen arbeitende funktionale Struktur, z. B. eine SAW-, BAW- oder GBAW-Struk- tur mit elektroakustischem Wandler, sein. Der Chip kann ein Trägerchip für die funktionale Struktur sein und z. B. ein piezoelektrisches Material umfassen. Dann kann die funktio ^¬ nale Struktur strukturierte Elektrodenfinger auf dem piezo- elektrischen Material des Chips umfassen. Von der funktiona ^¬ len Struktur aus gesehen jenseits des Chips ist dann das Schaltungselement angeordnet. Das Material des Chips dient als räumlicher Abstandshalter zwischen der funktionalen

Struktur und dem Schaltungselement.

In einer Ausführungsform ist die funktionale Struktur zwischen dem Chip und einer Abdeckung angeordnet.

Die Anordnung kann dabei eine hermetische Abkapselung der funktionalen Struktur auf dem Chip ermöglichen oder Löcher umfassen und dem Chip Zugang zur umgebenden Atmosphäre gewähren und ihn gleichzeitig vor mechanischer Beschädigung durch größere Partikel schützen. In einer Ausführungsform ist die Abdeckung eine Dünnschicht- Abdeckung wie z. B. eine TFP-Abdeckung, eine Wafer-Level-Pa- ckage-Abdeckung, ein Deckel-Chip, eine Kunststoffkappe oder eine Metallkappe. Die Abdeckung kann dabei unterschiedliche Materialien, z. B. elektrische Leiter oder Nichtleiter, und verschiedene Kunst ^¬ stoffe oder Metalle umfassen. Die Abdeckung kann insbesondere aus einer einzigen oder aus einer Vielzahl unterschiedlicher Schichten bestehen. Es ist auch möglich, eine Kunststoffabde- ckung mit aufgedampfter Metallschicht zum Schutz der funktionalen Struktur auf dem Chip vorzusehen.

In einer Ausführungsform weist die Abdeckung deshalb eine oder mehrere Schichten auf. Es ist möglich, dass die Abde ^¬ ckung eine ebene Oberseite aufweist.

Die Oberseite kann somit planarisiert sein, was vorteilhaft für die Weiterverarbeitung des Bauelements ist. Insbesondere kann die Abdeckung eine Planarisierungsschicht, die wiederum S1O ₂ (Siliziumdioxid) oder S1 ₃ N ₄ (Siliziumnitrid) umfasst, aufweisen .

In einer Ausführungsform ist die funktionale Struktur ausge- wählt aus einer SAW-Struktur, einer BAW-Struktur, einer GBAW- Struktur oder einer anderen MEMS-Struktur .

Als eine mögliche MEMS-Struktur kommen z. B. MEMS-Kondensa- torschalter (MEMS capacitor Switches) mit einem dielektri- sehen Material zwischen einer festen und einer beweglichen Elektrode oder anderen mechanisch beweglichen Strukturen in Frage .

In einer Ausführungsform ist das Schaltungselement ein induk- tives Element, ein kapazitives Element oder ein resistives Element. Neben passiven Schaltungselementen kann das Schaltungselement auch ein aktives Schaltungselement, z. B. ein Halbleiterschalter, sein. Das Schaltungselement kann insbesondere ein Impedanzelement zur Impedanzanpassung der elektrischen Schaltung des Bauelements oder ein ESD-Schutzelement (ESD = Electro-Static Di- scharge = elektrostatische Entladung) sein.

In einer Ausführungsform umfasst die elektrische Schaltung des Bauelements eine direkte Verschaltung der funktionalen Struktur mit dem Schaltungselement, d. h. die funktionale Struktur ist unmittelbar an das Schaltungselement angeschlos- sen, wobei kein weiteres Schaltungselement - bis auf eine

Signalleitung zwischen dem Schaltungselement und der funktio ^¬ nalen Struktur - elektrisch leitend zwischen den beiden Elementen angeordnet ist. In einer Ausführungsform umfasst die elektrische Schaltung eine Durchkontaktierung durch den Chip. Die funktionale

Struktur ist durch die Durchkontaktierung mit dem Schaltungselement verschaltet. Eine solche Durchkontaktierung kann z. B. eine Möglichkeit sein, eine direkte Verschaltung zwischen der funktionalen Struktur und dem Schaltungselement herzustellen. Als Durchkontaktierung kann dabei insbesondere ein so genannter TSV (Through-Silicon-Via) , vorgesehen sein, wenn der Chip

Silizium umfasst. Die Verwendung von Silizium-Chips und die Verarbeitung von Silizium-Chips ist aus der Halbleiter- Industrie wohlbekannt und leicht beherrschbar. Umfasst der Chip ein piezoelektrisches Material, z. B. LiTa03 (Lithium- tantalat) , Li b03 (Lithiumniobat ) , Quarz oder ein anderes piezoelektrisches Material, ist die Implementierung der

Durchkontaktierung als TMV (TMV = Through -Material-Via) möglich. In einer Ausführungsform umfasst das Bauelement ferner ein weiteres Substrat, das über eine Verschaltung, z. B. eine Bump-Verbindung, mit dem Chip verbunden und mit der Verschaltung des Bauelements verschaltet ist.

Als Bump-Verbindung können insbesondere säulenförmige verti- kale Verbindungen, sog. Pillars, Verwendung finden, die Ag (Silber) , Au (Gold) , SnAg (eine Legierung mit Zinn und Silber) oder Cu (Kupfer) umfassen können. Ein Vorteil von Bump- Verbindungen mit Kupfer-Pillars ist neben der relativ hohen Leitfähigkeit von Kupfer die mechanische Stabilität, die z. B. gegenüber SnAg-Pillars verbessert ist. Auf oder in dem weiteren Substrat oder an der Unterseite des weiteren Sub ^¬ strats können weitere Schaltungselemente, z. B. aktive oder passive Schaltungselemente, angeordnet sein. Insbesondere ist es möglich, Impedanz-Anpasselemente, z. B. induktive, kapazi- tive oder resistive Elemente, in, auf oder unter dem Substrat anzuordnen .

In einer Ausführungsform ist das weitere Substrat ein Trägersubstrat mit mehreren isolierenden Schichten aus einem iso- lierenden Material. In Metallisierungsebenen zwischen den isolierenden Schichten sind Impedanzelemente strukturiert.

Das weitere Substrat kann dabei ein keramisches Mehrlagensub ^¬ strat, z. B. aus HTCC (High-Temperature Co-Fired Ceramics) oder LTCC (Low-Temperature Co-Fired Ceramics) sein. Andere Laminate als Trägersubstrat sind ebenfalls möglich.

So ist es möglich, weitere Anpasselemente oder ESD-Schutzele- mente auf, in oder unter dem weiteren Substrat anzuordnen, wodurch der räumliche Abstand zwischen der funktionalen

Struktur auf der Oberseite des Chips und eben diesen Anpass ^¬ elementen unter der Unterseite des Chips vergrößert ist. In einer Ausführungsform ist die Verschaltung zumindest ein Teil einer HF-Schaltung. So kann die funktionale Struktur zumindest einen Teil eines mit akustischen Wellen arbeitenden Filters, z. B. eines TX- oder RX-Filters, sein. Es ist auch möglich, dass die funktionale Struktur ein Teil eines Duple ^¬ xers ist, der dafür vorgesehen sein kann, innerhalb einer Frontend-Schaltung eines mobilen Kommunikationsgeräts verschaltet zu werden. Mit einem solchen Bauelement ist ein klein bauender Duplexer mit verbesserten elektrischen Eigenschaften möglich, da eine Verschlechterung der Eigenschaften aufgrund von elektromagnetischer Verkopplung, insbesondere zwischen induktiven Elementen und einer Filterstruktur als funktionaler Struktur, auf- gehoben oder zumindest vermindert ist. Insbesondere die räum ^¬ liche Distanz zwischen induktiven Elementen, die im Bauelement angeordnet sind, und BAW-Resonatorflächen, die leitende Schichten, z. B. als Elektrodenschichten oder als Spiegelschichten umfassen, ist vergrößert, ohne die lateralen Abmes- sungen des Bauelements insgesamt zu vergrößern.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbei ^¬ spielen und schematischen Figuren näher erläutert. Es zeigen: FIG. 1: ein elektrisches Bauelement, das die grundsätzliche

Idee der vorliegenden Erfindung verdeutlicht,

FIG. 2: ein elektrisches Bauelement mit einer

Durchkontaktierung,

FIG. 3: ein elektrisches Bauelement mit einer Abdeckung

über der funktionalen Struktur, ein Bauelement mit einer deckeiförmigen Abdeckung, ein Bauelement mit einer metallischen Abdeckung, ein Bauelement mit Durchkontaktierungen und Löt- Bumps , ein Bauelement, bei dem die Abdeckung eine weitere Schicht umfasst, ein Bauelement mit mehreren funktionalen Strukturen unter individuellen Abdeckungen, ein Bauelement mit einem weiteren Substrat als Trä ^¬ gersubstrat, ein Bauelement mit einer Vielzahl an individuelle abgedeckten funktionalen Strukturen mit einer gemeinsamen weiteren Schicht als Teil einer gemeinsa ^¬ men Abdeckung, ein Bauelement mit einer gemeinsamen Abdeckung und einem weiteren Substrat, ein Bauelement mit Schaltungselementen an der

Unterseite des Chips und an der Oberseite eines weiteren Substrats, ein Bauelement mit im Inneren eines Mehrlagensub ^¬ strats angeordneten Schaltungselementen,

FIG. 14: ein Bauelement mit abgedeckten funktionalen

Strukturen, mit einer gemeinsamen weiteren Schicht als Teil einer gemeinsamen Abdeckung und weiteren Komponenten auf der gemeinsamen Abdeckung.

Figur 1 zeigt ein elektrisches Bauelement EB, bei dem eine funktionale Struktur FS auf der Oberseite eines Chips CH an ^¬ geordnet ist. Auf der Unterseite des Chips ist ein Schal ^¬ tungselement SE, hier in der Form eines in Spulenform ausgestalteten induktiven Elements, angeordnet und über eine Zulei ^¬ tung als elektrische Signalleitung Z mit der funktionalen Struktur FS auf der Oberseite des Chips CH verschaltet. Die räumliche Trennung des Schaltungselements SE von der funktio ^¬ nalen Struktur FS durch die Anordnung des Chips CH dazwischen vergrößert den räumlichen Abstand und verringert dadurch eine mögliche Verkopplung zwischen der funktionalen Struktur FS und dem Schaltungselement SE . Im Allgemeinen benötigen funktionale Strukturen, z. B. mit akustischen Wellen arbeitende Strukturen oder MEMS-Strukturen, ein Trägersubstrat, z. B. einen Chip. Weitere Schaltungselemente, hier das Schaltungs ^¬ element SE, sind notwendig, damit die funktionale Struktur ordnungsgemäß arbeiten kann. Ein elektrisches Bauelement EB umfasst deshalb ohnehin die in Figur 1 gezeigten Elemente. Das elektrische Bauelement EB ist deshalb in seinen lateralen Abmessungen nicht vergrößert. Durch die Anordnung des Chips CH zwischen der funktionalen Struktur FS und dem Schaltungs- element SE ist die Verkopplung trotz kleiner Bauform verringert .

Figur 2 zeigt eine Ausführungsform des Bauelements EB, wobei das Schaltungselement SE und die funktionale Struktur FS über eine Durchkontaktierung DK verschaltet sind. Eine Durchkon- taktierung DK eignet sich im Allgemeinen besser zur Verschal- tung der Schaltungskomponenten, da die Länge der Zuleitung Z im Vergleich zur Zuleitung der Figur 1, in der sie um den Chip herum geführt ist, verkürzt ist.

Figur 3 zeigt eine Ausführungsform des elektrischen Bauelements EB, in der die funktionale Struktur FS durch eine Abde ^¬ ckung A eingekapselt ist und deshalb, z. B. hermetisch, von der Umgebung isoliert ist. Die Abdeckung A kann dabei einen Hohlraum zur Verfügung stellen, in dem die funktionale Struktur angeordnet ist, ohne die Wände des Hohlraums zu berühren. Arbeitet die funktionale Struktur z. B. mit akustisch aktiven Bereichen, so ist üblicherweise gewünscht, dass die akusti ^¬ sche Energie die funktionale Struktur FS nicht verlässt. Ein Nichtberühren der funktionalen Struktur mit der Abdeckung A ermöglicht deshalb eine gute akustische Isolation der funkti ^¬ onalen Struktur FS. Auf der Unterseite des Chips CH ist das weitere Schaltungselement, hier beispielhaft in Form eines kapazitiven Elements mit zwei leitenden Elektroden und einem dielektrischen Material dazwischen, angeordnet.

Figur 4 zeigt eine Ausführungsform des Bauelements EB, bei der die Abdeckung A durch einen Deckel, der ein Kunststoffma terial, z. B. ein Polymer, umfassen kann oder der als Deckel Chip ausgestaltet ist. Figur 5 zeigt eine Ausführungsform des Bauelements EB, bei dem die Abdeckung A durch einen Metall umfassenden Deckel ausgeführt ist. Ein Deckel mit Metall ermöglicht eine gute elektromagnetische Abschirmung insbesondere gegen elektrische Felder .

Figur 6 zeigt eine Ausführungsform, bei der Durchkontaktie- rungen DK durch den Chip CH geführt sind. Die Durchkontaktie- rungen DK sind mit Bump-Verbindungen BU auf der Unterseite des Chips verbunden und verschaltet. Über die Bump-Verbindun- gen BU kann das elektrische Bauelement mit einem weiteren Substrat verbunden und verschaltet werden. Figur 7 zeigt ein elektrisches Bauelement EB, bei dem die Ab ^¬ deckung eine weitere Schicht WS umfasst. Die weitere Schicht WS kann dabei eine mechanische Verstärkung der ersten Abde ^¬ ckungsschicht, auf der die weitere Schicht WS angeordnet ist, realisieren. Ferner kann die weitere Schicht WS auch eine Verbesserung der hermetischen Abkapselung darstellen und/oder als Planarisierungsschicht dienen. Es ist auch möglich, dass die weitere Schicht WS eine Mold-Schicht aus einem Mold-Mate- rial ist, das in einem flüssigen oder viskosen Zustand auf die erste Schicht der Abdeckung aufgebracht und anschließend ausgehärtet wird.

Figur 8 zeigt eine Ausführungsform, bei der eine Vielzahl, z. B. drei, funktionale Strukturen auf der Oberseite eines Chips angeordnet sind. Es ist möglich, dass jede der funktionalen Strukturen von einer eigenen Abdeckung A bedeckt ist. Es ist jedoch auch möglich, dass verschiedene funktionale Strukturen unter einer gemeinsamen Abdeckung A angeordnet sind. Auf der Unterseite des Chips CH ist ein Schaltungselement SE und ein weiteres, zweites Schaltungselement SE2, hier in Form von spulenförmigen induktiven Elementen, angeordnet. Es ist vorteilhaft, wenn die weiteren Schaltungselemente SE auf der Un ^¬ terseite des Chips an solchen Stellen angeordnet sind, über denen sich direkt keine funktionale Struktur FS befindet. Die Schaltungselemente auf der Unterseite sind dann „auf Lücke" bezüglich der funktionalen Strukturen angeordnet, sodass die elektromagnetische Verkopplung zwischen Schaltungselementen auf der Unterseite und funktionalen Strukturen FS auf der Oberseite des Chips weiter verringert ist. Figur 9 zeigt eine Ausführungsform, wobei der Chip CH mit funktionalen Strukturen FS auf einem weiteren Substrat, einem Trägersubstrat TS, angeordnet und mit dem Trägersubstrat TS verschaltet ist. Das Trägersubstrat TS kann weitere Schal- tungselemente WSE auf seiner Oberseite, d. h. auf der dem

Chip CH zugewandten Seite, oder auf der Unterseite, d. h. der dem Chip abgewandten Seite, aufweisen. Die weiteren Schaltungselemente können Impedanzelemente wie kapazitive oder in ^¬ duktive Elemente sein.

Figur 10 zeigt ein Bauelement EB, bei dem eine Vielzahl von individuellen ersten Abdeckungsschichten zusammen von einer weiteren Abdeckungsschicht WS bedeckt sind. Die weitere

Schicht WS kann zur Herstellung einer ebenen Oberfläche des gesamten Bauelements verwendet werden und die mechanische

Stabilität und/oder die hermetische bzw. elektromagnetische Abkapselung der funktionalen Strukturen verbessern.

Figur 11 zeigt ein Bauelement, bei dem das Schaltungselement SE nicht auf der Unterseite des Chips CH, sondern auf der

Oberseite eines Trägersubstrats TS angeordnet ist. Verglichen mit Ausführungsformen mit Schaltungselementen SE direkt an der Unterseite des Chips CH ist der räumliche Abstand zwi ^¬ schen der funktionalen Struktur und dem Schaltungselement SE weiter vergrößert und dadurch die Kopplung verringert.

Figur 12 zeigt ein Bauelement EB, bei dem Schaltungselemente sowohl auf der Unterseite des Chips CH als auch an der Oberseite des Trägersubstrats TS angeordnet sind. Gleichzeitig sind individuelle erste Abdeckungsschichten durch eine ge ^¬ meinsame weitere Abdeckungsschicht WS bedeckt. Figur 13 zeigt ein elektrisches Bauelement EB, bei dem induk ^¬ tive Elemente IE und ein kapazitives Element KE in Metalli ^¬ sierungsebenen eines Mehrlagensubstrats als Trägersubstrat TS angeordnet und mit der Schaltung des elektrischen Bauelements verschaltet sind. Auf der Unterseite des Trägersubstrats TS sind Anschlusspads AP angeordnet und mit der Verschaltung des Bauelements verschaltet, über die das Bauelement mit seiner Verschaltung in einer externen Schaltungsumgebung integriert werden kann.

Figur 14 zeigt ein elektrisches Bauelement EB, bei dem auf der weiteren Schicht WS weitere Komponenten WK angeordnet und gegebenenfalls mit Schaltungen des Bauelements verschaltet sind. Jede weitere Komponente WK kann ein SMD-Bauelement , eine Leiterstruktur, ein kapazitives oder induktives

Schaltungselement, ein anderes passives Schaltungselement oder ein aktives Schaltungselement sein. Eine Verschaltung mit übrigen Schaltungselementen ist via eine über den Rand geführte Leitung (wie in Figur 1 skizziert) oder via eine Durchkontaktierung, z. B. eine TMV, durch die weitere Schicht WS möglich.

Das elektrische Bauelement ist nicht auf eine der gezeigten Ausführungsformen beschränkt. Weitere Ausführungsformen mit zusätzlichen Schaltungselementen, zusätzlichen Schichten der Abdeckung und zusätzlichen Substraten oder funktionalen

Strukturen und Kombinationen derer stellen ebenso erfindungsgemäße Ausführungsbeispiele dar. Bezugs zeichenliste

A: Abdeckung

AP: Anschlusspad

BU: Bump-Verbindung

CH: Chip

DK: Durchkontaktierung

EB: elektrisches Bauelement

FS : funktionale Struktur

IE : induktives Element

KE : kapazitives Element

SE: Schaltungselement

SE2 : weiteres Schaltungselement

TS : Trägersubstrat

WK: weitere Komponente

WS : weitere (Abdeckungs- ) Schicht

WSE : weiteres Schaltungselement

Z : elektrische Zuleitung