Encapsulado de MEMS en base a tecnologías FC y LTCC
Malatto, L.; Fraigi, L.; Lupi, D.
Centro de Investigación y Desarrollo en Telecomunicaciones, Electrónica e Informática (CITEI)
RESUMEN
Como es bien sabido, el encapsulado de un dispositivo microelectrónico no solo provee conexión eléctrica con el mundo exterior, si no además se lo utiliza como soporte y protección mecánica, y en la distribución y disipación de potencia.
El encapsulado de un MEMS (Micro Electro Mechanical System) es aún mucho más complejo. Por un lado debe proteger de influencias no deseadas del medio ambiente, y por otro, asegurar un contacto controlado con el exterior.
Muchas veces, un encapsulado tradicional redunda en perder todos los esfuerzos logrados en la miniaturización. Existen muchas técnicas y materiales que optimizan esta reducción en área y/o volumen del encapsulado, sin deterioro de propiedades como la confiabilidad, pero no siempre se ha logrado una integración de ellas [1].
Presentamos aquí el diseño del encapsulado de un MEMS, utilizando los principios de estructura de la tecnología MCM (Multichip Module), con materiales cerámicos de baja temperatura, poliméricos, vidrio y de película gruesa.
La finalidad de este diseño es estudiar compatibilidades de las diferentes técnicas y materiales de encapsulado.
Diseño del encapsulado
El die a encapsular es una matriz de microrelays, diseñada por CITEI (Argentina) en conjunto con IMEC (Bélgica), con tecnología SOI y utilizando un sistema de fabricación del tipo MPW (Multi Project Wafer).
La dimensión total del die es de 4600 x 4900 µm2, mientras que el área activa de los microrelay es de 2800 x 2950 µm2.
Se concibió el encapsulado en dos niveles: el cero como primera protección del área activa y el nivel uno de unión del die al sustrato (ver Fig. 1).
El encapsulado de nivel cero consiste en realizar una cavidad, formada por un anillo de BCB (Benzocyclobutene) y una cubierta protectora de Pyrex. El BCB, aplicado al vidrio por spin coating y fotolitografía, actúa como pared lateral de la cavidad y a su vez de separador, con un espesor estimado de unos 10µm [2]. En esta etapa los dies ya pueden ser caracterizados eléctrica, mecánica y funcionalmente sin riesgo de dañar la estructura de los microrelay.
En el siguiente nivel de encapsulado, los pads con una configuración perimetral, poseen un pitch de 240 µm. Para la interconexión eléctrica se utiliza la tecnología de FC (Flip Chip), con la técnica de SBB (Stud Bump Bonding) [3]. Este proceso se realiza con una ball wirebonder tradicional, con alambre de Au de 25µm de diámetro como material del bump. La unión se completa con adhesivo conductor y temperaturas de curado por debajo de los 150°C.
Como sustrato se propuso una estructura multicapa de LTCC (Low Temperature Cofired Ceramic - Green Tape), cuyas interconexiones se realizan con tecnología convencional de película gruesa ó screen printing.
El encapsulado finaliza con un dispensado lateral de material polimérico (underfill) de baja capilaridad, para evitar escurrimientos.
4º Jornadas de Desarrollo e Innovación, Noviembre 2002
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Pads Au SBB
BCB
Área activa
SOI MEMS Underfill
LTCC
Pyrex
Interconexión de PG
Fig. 1: Diseño del encapsulado de la matriz de microrelays
CONCLUSIONES
Con el diseño del encapsulado de MEMS propuesto se logra compatibilizar, en solo dos etapas, micro y macro-sistemas. Además, los procesos involucrados son libres de plomo, con los beneficios que ello implica. Las técnicas empleadas son aptas tanto para realizar prototipos como también en escala de mediana producción.
REFERENCIAS
[1] Tai-Ran Hsu, “Packaging Design of Microsystems and MesoScale Devices” IEEE Transactions on Advanced Packaging, Vol. 23, No. 24, pp. 596-601, November 2000.
[2] H. A. C. Tilmans, H. Ziad, H. Jansen, O. Di Monaco, A. Jourdain, W. De Raedt, X. Rottenberg, E. De Backer and K. Baert, “Wafer –level packaged RF-MEMS switches fabricated in a CMOS fab”, IEEE International Electron Devices Meeting, Washington, DC, December 2001.
[3] John H. Lau, Flip Chip Technologies, McGraw-Hill, 1995.
Para mayor información contactarse con: Laura Malatto – laura@inti.gov.ar
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4º Jornadas de Desarrollo e Innovación, Noviembre 2002
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