ITMI20070099A1

ITMI20070099A1 - Dispositivo elettronico comprendente dispositivi sensori differenziali mems e substrati bucati

Info

Publication number: ITMI20070099A1
Application number: IT000099A
Authority: IT
Inventors: Lorenzo Baldo; Chantal Combi; Mario Francesco Cortese
Original assignee: St Microelectronics Srl
Priority date: 2007-01-24
Filing date: 2007-01-24
Publication date: 2008-07-25
Also published as: JP2010517021A; US8134214B2; CN101616863A; EP2644563A2; US20130264662A1; EP2644563A3; US8796059B2; WO2008089969A2; EP2121513B1; WO2008089969A3; US20120164775A1; CN101616863B; JP5619425B2; EP2121513A2; US8847340B2; US20090278215A1

Description

Domanda di brevetto per invenzione industriale dal titolo:

"Dispositivo elettronico comprendente dispositivi sensori differenziali MEMS e substrati bucati"

DESCRIZIONE

Campo di applicazione

La presente invenzione fa riferimento ad un dispositivo elettronico comprendente dispositivi MEMS e substrati bucati, in particolare di tipo LGA o BGA.

L'invenzione riguarda in particolare, ma non esclusivamente, un dispositivo elettronico comprendente sensori differenziali MEMS montati su un substrato LGA, in cui il sensore differenziale MEMS necessita di una doppia interfaccia fisica di comunicazione con l’ambiente esterno al dispositivo elettronico e la descrizione che segue è fatta con riferimento a questo campo di applicazione con il solo scopo di semplificarne l'esposizione.

Arte nota

Come è ben noto, un dispositivo MEMS (sistema micro-elettromeccanico) è un micro dispositivo che integra le funzioni meccaniche ed elettriche in una piastrina (chip o die) di silicio usando le tecniche litografiche di micro fabbricazione.

In particolare, con riferimento a figura 1 è descritto un sensore 100 di pressione differenziale MEMS che comprende una piastrina 101 di silicio formata da una porzione anulare 102 ed una membrana 103 circolare o quadrata connessa al bordo superiore della porzione anulare 102.

Il bordo inferiore della porzione anulare 102 è connesso ad un involucro protettivo 104 di materiale plastico, metallico o ceramico mediante uno strato adesivo 105.

L’involucro protettivo 104 è formato da un alloggiamento, sostanzialmente a forma di bicchiere, che presenta una cavità 106 all’interno della quale è montata la piastrina 101. L’involucro protettivo 104 è inoltre provvisto di una apertura 107 passante. Quando la piastrina 101 è montata nella cavità 106, la porzione anulare 102 circonda l’apertura 107 passante, per cui l’apertura 107 passante realizza una prima porta d’accesso di una prima pressione PI alla superficie inferiore della membrana 103.

In modo convenzionale, l’involucro protettivo 104 è realizzato mediante stampaggio prima che la piastrina 101 venga incollata all 'interno della cavità 106.

La cavità 106 viene quindi chiusa superiormente da un coperchio 108 metallico o plastico provvisto di un’apertura 109 per mettere in comunicazione la cavità 106 con l’esterno nell’involucro protettivo 104.

In particolare, questa apertura 109 realizza una seconda porta d’accesso per una seconda pressione P2 alla superficie superiore della membrana 103. Il sensore 100 di pressione differenziale MEMS è quindi in grado di misurare differenze di pressione tra la prima e la seconda pressione PI, P2.

Inoltre piedini 110 metallici sono aggettanti dall’involucro protettivo 104 per consentire la connessione elettrica del sensore 100 di pressione differenziale MEMS con l’esterno dell’involucro protettivo 104.

Connessioni 111 per connettere elettricamente la piastrina 101 con i piedini 110 metallici della cavità 106 sono realizzate mediante wire bonding, dopo che la piastrina 101 è stata fissata nella cavità 106.

Uno strato di rivestimento protettivo 112 generalmente gel siliconico riempie quasi completamente la cavità 106.

In altre forme di realizzazione note, anche il coperchio 108 viene formato per stampaggio e connesso all’involucro protettivo 104 dopo che il sensore 100 di pressione differenziale MEMS è stato fissato nella cavità 106 ed elettricamente connesso ai piedini 111.

Pur vantaggiose sotto vari aspetti, queste forme di realizzazione dei dispositivi elettronici assemblati comprendenti sensori differenziali MEMS presentano l’inconveniente di essere ingombranti in quanto la cavità 106 deve essere sufficientemente ampia per poter alloggiare la piastrina 101 e consentire le operazioni di connessione alternative mediante wire bonding.

Per cui la fabbricazione di tali dispositivi prevede le seguenti fasi:

- fabbricazione dell’involucro protettivo 104 e del coperchio 108,

- montaggio e connessione elettrica della piastrina 101 all’interno dell’involucro protettivo 104,

- montaggio del coperchio 108 sull’involucro protettivo 104.

Tali fasi di processo non essendo previste nel flusso di processo convenzionale per la realizzazione dei circuiti integrati provocano un considerevole aumento dei costi del dispositivo finale.

ΙΓ problema tecnico che sta alla base della presente invenzione è quello di escogitare un dispositivo elettronico comprendente dispositivi sensori differenziali MEMS, avente caratteristiche strutturali tali da consentire di realizzare tale dispositivo elettronico con processi di fabbricazione dei circuiti integrati convenzionali superando le limitazioni e/o gli inconvenienti che tuttora limitano i dispositivi elettronici realizzati secondo l'arte nota.

Sommario dell'invenzione

L'idea di soluzione che sta alla base della presente invenzione è quella di realizzare un dispositivo elettronico comprendente un dispositivo sensore differenziale MEMS inglobato in un unico involucro protettivo realizzato mediante stampaggio.

Sulla base di tale idea di soluzione il problema tecnico è risolto da un dispositivo elettronico che comprende:

- un substrato provvisto di almeno un’apertura passante, - un dispositivo MEMS con funzione di sensore differenziale dotato di una prima ed una seconda superficie e del tipo comprendente almeno una porzione sensibile a variazioni chimiche e/o fisiche di fluidi presenti in corrispondenza di una sua prima ed una seconda opposta superficie attiva, detta prima superficie di detto dispositivo MEMS lasciando esposta detta prima superficie attiva e detta seconda superficie essendo provvista di un’ulteriore apertura che espone detta seconda opposta superfìcie attiva, il dispositivo elettronico essendo caratterizzato dal fatto che detta prima superficie di detto dispositivo MEMS è affacciata a detto substrato ed è con esso in prefissata relazione distanziata, detta porzione sensibile essendo allineata a detta apertura passante di detto substrato, ed dal fatto di comprendere inoltre

- un involucro protettivo, che ingloba almeno parzialmente detto dispositivo MEMS e detto substrato, in modo tale da lasciare esposte dette prima e seconda opposta superficie attiva rispettivamente attraverso detta apertura passante di detto substrato e detta ulteriore apertura di detta seconda superficie.

Le caratteristiche ed i vantaggi del dispositivo elettronico secondo l’invenzione risulteranno dalla descrizione, fatta qui di seguito, di un suo esempio di realizzazione dato a titolo indicativo e non limitativo con riferimento ai disegni allegati.

Breve descrizione dei disegni

In tali disegni:

- la figura 1 è una vista in sezione di una forma di realizzazione di un dispositivo elettronico comprendente dispositivi sensori di pressione differenziali MEMS realizzato secondo l’atre nota, - la figura 2- è una vista in sezione di ima prima forma di realizzazione di un dispositivo elettronico comprendente dispositivi MEMS secondo l’invenzione,

- la figura 3 è una vista in sezione di una prima variante del dispositivo elettronico di figura 2,

- la figura 4 è una vista in sezione di una seconda variante del dispositivo di figura 2,

- la figura 5 è una vista in sezione di una terza variante del dispositivo di figura 2,

- la figura 6 è una vista in sezione di una seconda forma di realizzazione di un dispositivo elettronico comprendente dispositivi MEMS secondo l’invenzione,

- la figura 7 è una vista in sezione di una terza forma di realizzazione di un dispositivo elettronico comprendente dispositivi MEMS secondo l’invenzione,

- le figure 8 e 9 mostrano una vista in sezione di applicazioni dei dispositivi elettronici comprendenti dispositivi MEMS realizzati secondo l’invenzione,

- le figure 10 e 11 sono viste in sezione di sensori di pressione differenziale MEMS noti.

Descrizione dettagliata

Con riferimento alla figura 2, viene mostrata una prima forma di realizzazione di un dispositivo elettronico 1 per dispositivi sensori differenziali MEMS secondo dell’invenzione che comprende un substrato 2, ad esempio di tipo LGA/BGA, avente una superficie superiore 3 ed una superficie inferiore 4 opposta alla superficie superiore 3, provvisto di un’apertura 5 passante tra queste due superfici 3, 4.

In modo noto un substrato di tipo LGA/BGA è formato da strati conduttivi tra loro isolati mediante strati di materiale isolante o dielettrico. Gli strati conduttivi sono conformati in piste conduttive tra loro isolate- da strati di materiale isolante o dielettrico. Fori conduttivi, chiamati "vias", tipicamente sono realizzati attraverso gli strati isolanti secondo un orientamento verticale rispetto agli strati, per formare percorsi conduttivi fra piste conduttive appartenenti a strati conduttivi diversi.

Inoltre piazzole δ, connesse a piste conduttive presenti sulla superficie inferiore 4, sono presenti sulla superficie inferiore 4 del substrato 2.

Il dispositivo elettronico 1 comprende inoltre un dispositivo sensore differenziale MEMS 7 comprendente una piastrina 8, ad esempio di silicio, avente una prima superficie 9 ed una seconda superficie 10 opposta alla prima superficie 9. Sulla prima superficie 9 è integrata una porzione sensibile 1 1 del dispositivo sensore differenziale MEMS 7 che lascia esposta una prima superficie attiva 1 la della porzione sensibile 11, mentre la seconda superficie 10 è provvista di una apertura 12 che espone una seconda superficie attiva 1 lb, opposta alla prima superficie attiva I la, della porzione sensibile 11.

Secondo l’invenzione, la prima superficie 9 del dispositivo sensore differenziale MEMS 7 c affacciata alla superficie superiore 3 del substrato 2 e con essa in prefissata relazione distanziata e la porzione sensibile 1 1 è allineata alla apertura 5.

Inoltre la porzione perimetrale della prima superficie 9 del dispositivo sensore differenziale MEMS 7 è provvista di piazzole di connessione per la connessione elettrica a piste conduttrici presenti sulla superficie superiore 3 del substrato 2, mediante connessioni elettriche 13, ad esempio bump.

Vantaggiosamente, il dispositivo sensore differenziale MEMS- 7 è montato elettricamente sul substrato 2 mediante il noto metodo di assemblaggio “Hip-chip”.

Ancora secondo l’invenzione, il dispositivo elettronico 1 comprende un involucro protettivo 14, realizzato per stampaggio, che ingloba il dispositivo sensore differenziale MEMS 7, le connessioni elettriche 13 e il substrato 2, lasciando esposta la prima superficie attiva I la della porzione sensibile 11 del dispositivo sensore differenziale MEMS 7 attraverso l’apertura 5 passante e la seconda superficie attiva l lb della porzione sensibile 11 attraverso l’apertura 12 della seconda superficie 10.

Vantaggiosamente, l’involucro protettivo 14 lascia esposta anche la superficie inferiore 4 del substrato 2.

Vantaggiosamente, la seconda superficie 10 del dispositivo sensore differenziale MEMS 7 è a filo con una superficie superiore dell’involucro protettivo 14.

Secondo l’invenzione, la porzione sensibile 1 1 è sensibile a variazioni chimiche e/o fisiche di due fluidi presenti sulle due superfici attive I la, l lb della porzione sensibile 11, in cui un primo fluido interagisce con la prima superficie attiva I la della porzione sensibile 1 1 del dispositivo sensore differenziale MEMS 7 attraverso l’apertura 5 passante, ed il secondo fluido interagisce con la seconda superficie attiva l lb della porzione sensibile 11 del dispositivo sensore differenziale MEMS 7 attraverso l’apertura 12 prevista sulla seconda superficie 10.

Vantaggiosamente,, un elemento barriera 15 è posizionato tra la prima superficie 9 del dispositivo sensore differenziale ΜΕΜΊ3 7 e la superficie superiore 3 del substrato 2 in modo da circondare detta porzione sensibile 11.

Vantaggiosamente secondo rinvenzione, la presenza di questo elemento barriera 15 protegge la porzione sensibile 11 durante la fase di fabbricazione dell'involucro protettivo 14, mediante stampaggio, in modo che questa porzione sensibile 1 1 rimanga libera.

Infatti, in modo noto la formazione dell’involucro protettivo 14 prevede l’introduzione, all’interno di una cavità di uno stampo, del substrato 2 sul quale è montato il dispositivo sensore differenziale MEMS 7.

Nella cavità di stampo quindi è prevista l'iniezione in pressione e ad alta temperatura di un materiale elettricamente isolante allo stato fuso, che costituirà il corpo plastico dell’involucro protettivo 14. Questo materiale è tipicamente una resina sintetica, ad esempio resina epossidica.

La fase di stampaggio propriamente detta comporta l'iniezione della resina nella cavità dello stampo. A tale fase viene quindi fatta seguire una fase di raffreddamento per completare l’involucro protettivo 14.

Per evitare che la resina danneggi la porzione sensibile 1 1 del dispositivo sensore differenziale MEMS 7 durante la fase di iniezione della resina, secondo l’invenzione, viene previsto, tra la superficie superiore 3 del substrato 2 e la prima superficie 9, l’elemento barriera 15 che circonda completamente almeno la porzione sensibile 11 del dispositivo sensore differenziale MEMS 7.

Vantaggiosamente, l’elemento barriera 15 è un anello che circonda completamente la porzione sensibile 11 del dispositivo MEMS 7, quando il dispositivo MEMS 7 è montato sul substrato 2, e contatta la superficie superiore 3 del substrato 2 e la prima superficie 9 del dispositivo sensore differenziale MEMS 7.

Vantaggiosamente, l’elemento barriera 15 è formato da pasta saldante, per cui, in questa forma di realizzazione, la fase di collegamento elettrico e la fase di incollaggio del dispositivo sensore differenziale MEMS 7 al substrato 2 vengono eseguite nello stesso istante, dando luogo ad una struttura particolarmente compatta e di semplice realizzazione, non necessitando di allineamenti critici tra strutture differenti.

Inoltre il bordo esterno di questo elemento barriera 15 è, ad esempio, completamente inglobato dall’involucro protettivo 14.

Con riferimento alla figura 3, viene mostrata una prima variante della forma di realizzazione di un dispositivo elettronico la secondo dell’invenzione.

Ad elementi strutturalmente e funzionalmente uguali rispetto al dispositivo descritto con riferimento alla figura 2 verranno attribuiti gli stessi riferimenti numerali.

Vantaggiosamente, un elemento barriera 15a è posizionato almeno in un’area che circonda la porzione sensibile 1 1.

In questa prima variante, l’elemento barriera 15a è area irregolare 15a formata sulla superficie superiore 3 del substrato 2.

Vantaggiosamente, tale area irregolare 15a presenta una superficie<->corrugata.

Vantaggiosamente, questa area irregolare 15a si estende sulla superficie superiore 3 del substrato 2 in corrispondenza di tutta area libera centrale 3c.

Vantaggiosamente, secondo l’invenzione questa area irregolare 15a si ottiene modificando le proprietà chimiche della superficie superiore 3 del substrato 2, come mostrato in figura 3 .

Vantaggiosamente, l’area irregolare 15a è formata da materiale non bagnabiìe.

Nulla vieta che questo strato 15a di materiale bagnabiìe sia formato sulla superficie superiore 3 del substrato 2.

Con riferimento alla figura 4, viene mostrata una seconda variante della forma di realizzazione di un dispositivo elettronico lb secondo dell’invenzione.

Ad elementi strutturalmente e funzionalmente uguali rispetto al dispositivo 1 descritto con riferimento alla figura 2 verranno attribuiti gli stessi riferimenti numerali.

Vantaggiosamente, un elemento barriera 15b è posizionato almeno in un’area che circonda la porzione sensibile 1 1.

In questa seconda variante, l’elemento barriera 15b è area irregolare 15b formata sulla prima superficie 9 del dispositivo sensore differenziale MEMS 7 e si ottiene modificando le proprietà chimiche della prima superficie 9 del dispositivo sensore differenziale MEMS 7.Vantaggiosamente, questa area irregolare 15b si estende sulla prima superficie 9 del dispositivo sensore differenziale MEMS 7 in corrispondenza di tutta la porzione sensibile 1 1 del dispositivo sensore differenziale MEMS 7.

E' noto infatti che una piastrina 8 dì silicio, almeno in corrispondenza della prima superficie 9 di un dispositivo sensore differenziale MEMS 7, è ricoperta da uno strato isolante 9b di tipo non bagnabile rivestito da uno strato 9a di protezione comprendente materiale bagnabile ad esempio un strato plastico, ad esempio comprendente materiale organico come il Polyìmmide.

Vantaggiosamente, almeno in corrispondenza della porzione sensibile 11 del dispositivo sensore differenziale MEMS 7, è rimosso lo strato di materiale bagnabile 9a lasciando esposto lo strato isolante 9b, ad esempio formato da ossido di silicio.

Vantaggiosamente dopo la fase dì rimozione dalla porzione sensibile 1 1 del dispositivo sensore differenziale MEMS 7 dello strato 9a di materiale bagnabile, il dispositivo sensore differenziale MEMS 7 viene saldato sul substrato 2 e viene sottoposto ad una operazione di pulizia ad esempio in Plasma, utilizzando una miscela di gas argon e ossigeno.

Vantaggiosamente, l’ossigeno della miscela di pulizia reagisce chimicamente con lo strato 9a di materiale bagnabile aumentandone la bagnabilità, mentre lo strato 9b dielettrico che ricopre la porzione sensibile 1 1 risulta inerte al trattamento.

Pertanto, come risultato dopo il trattamento, si ottiene una un accresciuta bagnabilità dello strato 9a di materiale bagnatile, comparabile a quella della superficie superiore 3 del substrato 2 ed una ridotta bagnabilità della superficie dello strato 9b dielettrico che ricopre la porzione sensibile 11.

Questa differenza di bagnabilità comporta un brusco rallentamento del flusso di resina durante la fase di stampaggio delTinvolucro protettivo 14 per cui la tensione superficiale della resina porta alla formazione di un menisco attorno alla superficie perimetrale dello strato 9b dielettrico che ricopre la porzione sensibile 11 .

Nulla vieta che uno strato 9b di barriera di materiale non bagnabile venga formato solo sulla prima superficie 9 del dispositivo MEMS, ma anche sullo strato superiore 3 del substrato 2 allineato alla porzione sensibile 11.

In una ulteriore variante di questa due ultime forme di realizzazione deirinvenzione l’area irregolare 15a, 15b presenta dei corrugamenti.

Vantaggiosamente, nell’area irregolare 15a, 15b sono formati dei trench, scavati nel substrato o nel dispositivo sensore differenziale MEMS 7, in modo da realizzare un cammino preferenziale definito nel substrato 2 o sul dispositivo sensore differenziale MEMS 7 per la resina durante la fase di stampaggio.

Vantaggiosamente, questi trench circondano completamente la porzione sensibile 11 del dispositivo 7 MEMS, come mostrato ad esempio nel dispositivo le di figura 5, in cui ad elementi strutturalmente e funzionalmente uguali rispetto al dispositivo 1 descritto con riferimento alla figura 2 sono stati attribuiti gli stessi riferimenti numerati.

Vantaggiosamente, in quest’ultima forma di realizzazione uno strato di materiale non bagnabile può essere presente in corrispondenza della porzione sensibile 1 1 del dispositivo sensore differenziale MEMS 7 in corrispondenza dell’area racchiusa dai<'>trench, sia sul substrato 2 che sul dispositivo sensore differenziale MEMS 7.

Secondo l’invenzione, la presenza di questa area irregolare 15a, 15b protegge la porzione sensibile 11 durante la fase di fabbricazione dell’involucro protettivo 14, mediante stampaggio, facendo si che la resina liquida si distribuisca uniformemente attorno alle connessioni elettriche senza raggiungere la porzione sensibile 11 .

Con riferimento alla figura 6, viene mostrata una seconda variante della forma di realizzazione di un dispositivo elettronico ld secondo dell’invenzione.

In particolare in tale forma di realizzazione uno strato di riempimento 16 (underfiller) ingloba le connessioni elettriche 13 per irrobustire meccanicamente il dispositivo elettronico 1 nella zona di connessione tra il dispositivo sensore differenziale MEMS 7 e il substrato 2.

Vantaggiosamente, lo strato di riempimento 16 è formato da composti epossidici, ad esempio resina epossidica.

Vantaggiosamente, un elemento barriera 15 può essere previsto tra il dispositivo sensore differenziale MEMS 7 e il substrato 2.

Vantaggiosamente, lo strato di riempimento 16 presenta un prof<i>lo rastremato verso l’esterno del dispositivo sensore differenziale MEMS 7, mentre presenta un profilo sostanzialmente verticale in corrispondenza dell’elemento barriera 15.

In altre parole la sezione trasversale dello strato di riempimento 15 aumenta avvicinandosi alla superfìcie superiore 3 del substrato 2 .

Il dispositivo elettronico Id comprende inoltre un involucro protettivo 14d, realizzato per stampaggio, che ingloba il dispositivo sensore differenziale MEMS 7, lo strato di riempimento 16 e il substrato 2, lasciando esposta la prima superficie attiva I la della porzione sensibile 11 del dispositivo sensore differenziale MEMS 7 attraverso l’apertura 5 passante del substrato 2 e la seconda superficie attiva 1 lb attraverso l’apertura 12 della seconda superficie 10.

Vantaggiosamente, l’involucro protettivo 14d lascia esposta anche la superficie inferiore 4 del substrato 2.

Vantaggiosamente, la seconda superficie 10 è a filo con una superficie superiore dell’involucro protettivo 14d.

La presenza dell’elemento barriera 15 consente di mantenere libera dallo strato di riempimento 16 la porzione sensibile 11 del dispositivo sensore differenziale MEMS 7.

Inoltre lo strato di riempimento 16 proteggere la prima superficie 9 del dispositivo sensore differenziale MEMS 7 durante la fase di fabbricazione dell’involucro plastico 14d.

Vantaggiosamente, lo strato di riempimento 16- (underfiller) è presente all’esterno dell’elemento barriera 15a, 15b delle forme di realizzazione descritte con riferimento alle figure 3, 4 e 5, almeno nell’area compresa tra la superficie superiore 3 del substrato 2 e la prima superficie 9 del dispositivo sensore differenziale MEMS 7 in modo da inglobare le connessioni elettriche 13 per irrobustire meccanicamente il dispositivo elettronico 1 nella zona di connessione tra il dispositivo sensore differenziale MEMS 7 e il substrato 2.

Con riferimento alla figura 7, viene mostrata una terza forma di realizzazione di un dispositivo elettronico le secondo dell’invenzione.

Il dispositivo elettronico le comprende inoltre un involucro protettivo 14e, realizzato per stampaggio, che ingloba il dispositivo sensore differenziale MEMS 7 ed il substrato 2, lasciando esposta la prima superficie attiva I la della porzione sensibile 11 del dispositivo sensore differenziale MEMS 7 attraverso l’apertura 5 passante, e vantaggiosamente, la superficie inferiore 4 del substrato 2. L’involucro protettivo 14e riveste anche la seconda superficie 10 del dispositivo sensore differenziale MEMS 7 ed è provvisto di una ulteriore apertura passante 17 allineata all’apertura 12 presente sulla seconda superficie 10 del dispositivo sensore differenziale MEMS 7.

Vantaggiosamente, una protuberanza cilindrica 1S viene formata sulla apertura passante 17 dell’involucro protettivo 14e per facilitare all accesso alla porzione sensibile 1 1 del dispositivo sensore differenziale MEMS 7.

Vantaggiosamente, tale protuberanza cilindrica 18 è realizzata contemporaneamente all’involucro protettivo 14e nella stessa fase di stampaggio in cui viene formato tale involucro.

Vantaggiosamente, anche in questa forma di realizzazione dell’invenzione possono essere previsti gli elemend barriera 15a e 15b mostrati con riferimento alle figure da 3 a 5 oppure uno strato di riempimento 16 come quello mostrato con riferimento alla figura 6.

Con riferimento alla figura 8, viene mostrato il dispositivo 1 di figura 2 in cui un circuito integrato 19 è montato sul substrato 2 affiancato al dispositivo sensore differenziale MEMS 7, e fissato al substrato 2 ad esempio mediante uno strato saldante 20.

Il circuito integrato 19 è connesso elettricamente al substrato 2 mediante ulteriori connessioni elettriche 2 1.

L’involucro protettivo 14, realizzato per stampaggio, ingloba il dispositivo sensore differenziale MEMS 7 con le connessioni elettriche 13, il circuito integrato 19 con le ulteriori connessioni elettriche 21 e il substrato 2, lasciando esposta la prima superficie attiva I la della porzione sensibile 1 1 del dispositivo sensore differenziale MEMS 7 attraverso l’apertura 5 passante e la seconda superficie attiva 1 lb della porzione sensibile 11 attraverso l’apertura 12 della seconda superficie 10.

Vantaggio samen te, la seconda superficie 10 del dispositivo sensore differenziale MEMS 7 è a filo con una superficie superiore dell’involucro protettivo 14.

Con riferimento alla figura 9, viene mostrato fi dispositivo ld di figura 6 in cui un circuito integrato 19 è montato sul substrato 2 affiancato al dispositivo sensore differenziale MEMS 7, e fissato al substrato 2 ad esempio mediante uno strato saldante 20.

L’involucro protettivo 14d, realizzato per stampaggio, ingloba il dispositivo sensore differenziale MEMS 7, lo strato di riempimento 16, il circuito integrato 19 con le ulteriori connessioni elettriche 21 e il substrato 2, lasciando esposta la prima superficie attiva Ila della porzione sensibile 1 1 del dispositivo sensore differenziale MEMS 7 attraverso Tapertura 5 passante e la seconda superficie attiva l lb della porzione sensibile 11 attraverso l’apertura 12 della seconda superficie 10.

Vantaggiosamente, la seconda superficie 10 del dispositivo sensore differenziale MEMS 7 è a filo con una superficie superiore dell’involucro protettivo 14d.

Vantaggiosamente,<Q>dispositivo sensore differenziale MEMS 7 utilizzato nei dispositivi secondo l’invenzione è un dispositivo sensore di pressione differenziale mostrato nelle figure 10 e 11.

In particolare con riferimento tali figure è mostrato un sensore di pressione differenziale 7a formato in una piastrina 8a a semiconduttore ad esempio di silicio.

Nella piastrina 8a a semiconduttore è realizzata una cavità 3a in prossimità di una prima superficie 9c della piastrina 8a a semiconduttore.

La porzione della piastrina 8a a semiconduttore compresa tra la cavità 3a e la prima superficie 9c forma una membrana I le, cioè Lelemento sensibile del sensore 7a di pressione.

Elementi resistivi 6a sono formati nella porzione perimetrale della membrana 1 le in prossimità della prima superficie 9c.

Uno strato isolante 4a ad esempio ossido riveste la prima superficie attiva 9c della piastrina 2a, lasciando esposta una prima superficie attiva lld della membrana I le, compresa tra gli elementi resistivi 6a. Inoltre aperture sono previste nello strato isolante 4a in corrispondenza di questi elementi resistivi 6a per consentire la connessione elettrica con uno strato conduttivo 2a che viene formato sullo strato 4 a isolante.

Nulla vieta che lo strato isolante rivesta tutta la superficie attiva 9c della piastrina 2a.

Vantaggiosamente, uno strato di passivazione riveste la prima superficie attiva 9c della piastrina 2a.

In particolare, lo strato conduttivo 2a comprende- due porzioni 2b e 2c tra loro separate ed elettricamente connesse attraverso gli elementi resistivi 6 a.

Un’apertura 12a, 12b è prevista in una seconda superficie IOa del sensore 7a, opposta alla prima superficie 9c, che mette in comunicazione la cavità 3a con l’esterno del sensore 7a. In questo modo l’apertura 12a, 12b realizza una porta d’accesso per una seconda pressione che agisce seconda superficie attiva I le della membrana I le che si affaccia nella cavità 3a.

Come mostrato in figura 10, se l’apertura 12a è realizzata mediante un attacco di tipo diy, le pareti dell’apertura 12a sono sostanzialmente perpendicolari rispetto alla seconda superficie IOa, cioè le dimensioni trasversali dell’apertura 12a sono sostanzialmente costanti.

Come mostrato in figura 1 1 invece, se l’apertura 12b è realizzata mediante un attacco di tipo wet le pareti dell’apertura 12b sono rastremate, cioè le dimensioni trasversali dell’apertura 12b diminuiscono allontanandosi dalla seconda superficie IOa.

In conclusione, con il dispositivo secondo l’invenzione è possibile realizzare microfoni, sensori differenziali di pressione, di gas, chimici, che sono incapsulati in un involucro protettivo realizzato mediante stampaggio.

Secondo l’invenzione è possibile inoltre integrare più sensori (accelerometri e sensori di pressione) nello stesso involucro protettivo 14.

Vantaggiosamente, in una forma di realizzazione preferita, il dispositivo elettronico 1, la, lb, le, ld, le, le complessivo ha un ingombro compreso tra 3x3x1 mm<A>3, mentre il dispositivo sensore differenziale MEMS 7 ha una larghezza di 1500 pm ima lunghezza di 1500 μτ<η>ed uno spessore 700 pm e presenta una apertura 12 sulla seconda superficie 10 compresa tra 100 e 500 μτη.

La porzione sensibile 11 del dispositivo sensore differenzia le MEMS 7 è di forma circolare o quadrata ed ha un diametro / lato compreso tra 100 pm e 1000 pm.

La distanza tra la prima superficie 9 del dispositivo sensore differenziale MEMS 7 e la superficie superiore 3 del substrato è compresa tra 50 e 500 pm, mentre lo spessore del substrato 2 è compreso tra 150 e 300 pm, mentre l'ampiezza dell’apertura 5 è compresa tra 100 a 700um.

Se l’elemento barriera 15 è realizzato da un anello di pasta saldante ha uno spessore di una sezione trasversale compreso tra 60 e 300 pm.

Se l’elemento barriera 15a, 15b è realizzato da un’area irregolare, essa ha una ampiezza di una sezione trasversale compresa tra 10 e 50 pm ed ad esempio una profondità compresa tra 20 e 80 pm.

in conclusione, il dispositivo elettronico secondo rinvenzione risulta particolarmente compatto e utilizza soluzioni tecniche che non prevedono allineamenti critici.

Vantaggiosamente, la presenza dell’elemento barriera 15, 15a, 15b consente di proteggere la porzione sensibile 11 del dispositivo sensore differenzialo MEMS 7 durante le fasi di fabbricazione dell’involucro protettivo 14 o durante la fase di dispensazione dello strato di riempimento 16 nel dispositivo elettronico 1 secondo l’invenzione.

Vantaggiosamente, tale elemento barriera 15, 15a, 15b può essere di natura fisica o chimica o una combinazione delle due e possono essere realizzati sia sul substrato 2 sia sul dispositivo sensore differenziale MEMS 7.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Dispositivo elettronico (1, la, lb, le, ld, le) che comprende: - un substrato (2) provvisto di almeno un’apertura (5) passante, - un dispositivo MEMS (7) con funzione di sensore differenziale dotato di una prima ed una seconda superficie (9, 10) e del tipo comprendente almeno una porzione sensibile (11) a variazioni chimiche e/o fisiche di fluidi presenti in corrispondenza di una sua prima e seconda opposta superficie attiva (I la, l lb), detta prima superficie (9) di detto dispositivo MEMS (7) lasciando esposta detta prima superficie attiva (I la) e detta seconda superficie (10) essendo provvista di un’ulteriore apertura (12) che espone detta seconda opposta superficie attiva (llb), il dispositivo elettronico (1, ld, le) essendo caratterizzato dal fatto che detta prima superficie (9) di detto dispositivo MEMS (7) è affacciata a detto substrato (2) ed è con esso in prefissata relazione distanziata, detta porzione sensibile (11) essendo allineata a detta apertura (5) passante di detto substrato (2), ed dal fatto di comprendere inoltre - un involucro protettivo (14, 14 a, 14b), che ingloba almeno parzialmente detto dispositivo MEMS (7) e detto substrato (2) in modo tale da lasciare esposte dette prima e seconda opposta superficie attiva (I la, l lb) rispettivamente attraverso detta apertura (5) passante di detto substrato (2) e detta ulteriore apertura (12) di detta seconda superficie (10).
2. Dispositiva elettronico (1) secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto di comprendere un elemento barriera (15, 15a, 15b) che circonda detta- porzione sensibile (11) per realizzare una struttura di protezione per detto dispositivo sensore differenziale MEMS (7), in modo che detta prima superficie attiva (I la) di detta porzione sensibile (11) sia libera.
3. Dispositivo elettronico (1) secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che detto elemento barriera (15) è anello che è in contatto con detta superficie superiore (3) di detto substrato (2) e detta prima superficie (9) di detto dispositivo MENS (6), ed il cui il suo bordo esterno è completamente rivestito da detto involucro protettivo (14).
4. Dispositivo elettronico (1) secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che detto elemento barriera (15) è di pasta saldante.
5. Dispositivo elettronico (1) secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che detto elemento barriera (15a) è area irregolare (15a) formata sulla superficie superiore (3) del substrato (2).
6. Dispositivo elettronico (1) secondo la rivendicazione 5, caratterizzato dal fatto che questa area irregolare (15a), si estende sulla superficie superiore (3) di detto substrato (2) in corrispondenza di detta porzione sensibile (11).
7. Dispositivo elettronico (1) secondo la rivendicazione 5 o 6, caratterizzato dal fatto che questa arca irregolare (15a) si ottiene modificando le proprietà chimiche della superficie superiore (3) del substrato (2). &.
Dispositivo elettronico (1) secondo la rivendicazione 5 o 6, caratterizzato dal fatto che detta, area irregolare (15a) è formata da materiale non bagnabile.
9. Dispositivo elettronica (1) secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che detto elemento barriera (15b) è area irregolare (15b) formata su detta prima superficie (9) del dispositivo sensore differenziale MEMS (7).
10. Dispositivo elettronico (1) secondo la rivendicazione 9, caratterizzato dal fatto che questa area irregolare (15b), si estende sulla porzione sensibile (11) del dispositivo sensore differenziale MEMS (7).
1 1. Dispositivo elettronico (1) secondo la rivendicazione 9 o 10, caratterizzato dal fatto che questa area irregolare (15b) si ottiene modificando le proprietà chimiche attorno detta prima superficie (9) del dispositivo sensore differenziale MEMS (7).
12. Dispositivo elettronico (1) secondo la rivendicazione 9 o 10, caratterizzato dal fatto che detta arca irregolare (15b) è formata da materiale non bagnabile.
13. Dispositivo elettronico (1) secondo la rivendicazione 12, in cui detta prima superficie attiva (I la) di detta porzione sensibile (11) è rivestita da uno strato isolante (9b) non bagnabile ed uno strato (9a) di protezione caratterizzato dal fatto che detta area irregolare (15b) è formata mediante rimozione di detto strato di protezione (9a) da detta prima superficie (9) del dispositivo sensore differenziale MEMS (7) per esporre detto strato (9b) di materiale non bagnabile.
14. Dispositivo elettronico (1) secondo la rivendicazione 13, caratterizzato dal fatto che detto strato (9a) ,di protezione è Polyimmide e detto strato (9b) di materiale non bagnabile è ossido.
15. Dispositivo elettronico (1) secondo la rivendicazione 5 o 9, caratterizzato daHatto che detta area irregolare (15a, 15b) comprende trench che formano dei cammini preferenziali durante le fasi di formazione dell’involucro protettivo.
16. Dispositivo elettronico (1) secondo la rivendicazione 15, caratterizzato dal fatto che uno strato di materiale non bagnabile è formato in corrispondenza di detta porzione sensibile (11) di detto dispositivo sensore differenziale MEMS (7).
17. Dispositivo elettronico (1) secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detta seconda superficie (10) è a filo con una superficie superiore di detto involucro protettivo (14).
18. Dispositivo elettronico (1) secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto involucro protettivo (14e) riveste anche detta seconda superficie (10) ed è provvisto di una apertura passante (17) allineata all’apertura (12) presente su detta seconda superficie (10) di detto dispositivo sensore differenziale MEMS (7).
19. Dispositivo elettronico (1) secondo la rivendicazione 18, caratterizzato dal fatto che una protuberanza cilindrica (18) è formata su detta apertura passante (17) di detto involucro protettivo (14e) per facilitare all’accesso a detta porzione sensibile (11) di detto dispositivo sensore differenziale MEMS (7).
20. Dispositivo elettronico (1) secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che connessioni elettriche (13) che accoppiano elettricamente detto dispositivo sensore differenziale MEMS (7) a detto substrato (2) sono presenti all’esterno di detto elemento barriera (15, 15a) rispetto a detta porzione sensibile (11).
21. Dispositivo elettronico (1) secondo la rivendicazione _20, caratterizzato dal fatto che una strato di riempimento (16) ingloba dette connessioni elettriche (-13).
22. Dispositivo elettronico (1) secondo la rivendicazione 21, caratterizzato dal fatto che un elemento barriera (15, 15a, 15b) protegge la porzione sensibile (11) durante la formazione di detto strato di riempimento (16)
23. Dispositivo elettronico (1) secondo la rivendicazione 21, caratterizzato dal fatto che detto strato di riempimento (16) presenta un profilo rastremato airestemo di detta area perimetrale, mentre presenta un profilo sostanzialmente verticale in corrispondenza di detta area che circonda detta porzione sensibile (11).
24. Dispositivo elettronico (1) secondo la rivendicazione 9, caratterizzato dal fatto che dette connessioni elettriche (13) comprendono bumps.
25. Dispositivo elettronico (1) secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto dispositivo sensore differenziale MEMS (7) è montato su detto substrato (2) mediante il noto metodo di assemblaggio “flìp-chip”.
26. Dispositivo elettronico (1) secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto di comprendere circuiti integrati (19) montati affiancati al dispositivo sensore differenziale MEMS (7).
27. Dispositivo elettronico (1) secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detti circuiti<·>integrati (19) sono elettricamente connessi a piste conduttive presenti, su detto substrato (2), mediante ulteriori connessioni elettriche (21).
28. Dispositivo elettronico (1) secondo la rivendicazione 25, caratterizzato dal fatto che detto involucro protettivo (14) ingloba detti circuiti integrati (19) e dette ulteriori connessioni elettriche (21).
29. Dispositivo elettronico ( 1 ) secondo la rivendicazione 1 , caratterizzato dal fatto che detto substrato è di tipo LGA.
30. Dispositivo elettronico (1) secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto substrato è di tipo BGA.
31. Dispositivo elettronico (1) secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto dispositivo sensore differenziale MEMS (7) è un sensore di pressione.
32. Dispositivo elettronico (1) secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto dispositivo MEMS è un sensore di gas.
33. Dispositivo elettronico (1) secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto dispositivo MEMS è un sensore chimico.
34. Dispositivo elettronico (1) secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che involucro protettivo (14) è realizzato mediante stampaggio.