Электронный компонент и применение содержащейся в нем защитной структуры

 

Изобретение относится к электротехнике, в частности предназначено для защиты электронных компонентов, в которых значительная часть не закрыта корпусом. Электронный компонент содержит диэлектрический слой, выполненный на подложке, токопроводящие поверхности, выполненные на диэлектрическом слое, и токопроводящую защитную структуру, размещенную в плоскости над токоподводящими поверхностями таким образом, что токопроводящие поверхности не закрыты полностью защитной структурой, причем защитная структура размещена вдоль промежуточных участков (Z), которые выполнены между токопроводящими поверхностями. Техническим результатом изобретения является усиление защиты от статического разряда. 6 з.п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к электронному компоненту и применению выполненной в электронном компоненте структуры в качестве защиты от электростатического разряда. До настоящего времени обычно применялись электронные компоненты в корпусе, из которого выводятся провода для подачи электроэнергии и подачи и/или отвода сигналов. Среди этих электронных компонентов особенно чувствительны к электростатическому разряду те компоненты, которые содержат в корпусе чип, изготовленный по так называемой технологии КМОП. При этом в компоненте, вследствие действующей на него извне разности потенциалов, происходят переносы заряда, которые затем приводят к перенапряжению в одном или нескольких так называемых вентильных конденсаторах таким образом, что происходит прямой разряд между отдельными пластинами, так называемого, вентильного конденсатора, что, как правило, приводит к разрушению компонента. Такой электростатический заряд, который затем разряжается с разрушением, может произойти в результате соприкосновения, и в электронной лаборатории от этого защищаются, например, тем, что компоненты размещают на губчатой резине. Кроме того, персонал, который в электронной лаборатории соприкасается с этими компонентами, носит соответствующие заземляющие полосы, поэтому при соприкосновении он не получает заряда. Для изготовления на монтажных устройствах, при котором компоненты монтируются на печатные платы, предусмотрены соответствующие меры.

Когда компоненты встроены в схему, то, как правило, существует лишь небольшая опасность разрушения компонента, вследствие электростатического разряда. Но это может произойти в результате ошибки при коммутации или вследствие неисправностей других компонентов. Во избежание этого электронные компоненты, как правило, снабжены дополнительными коммутационными защитными структурами, поэтому защита имеется как от электростатических разрядов (защита по схеме ESD), так и от введенных перенапряжений. Как правило, речь идет о перенапряжениях в отводящих схемах.

Основным недостатком такой защиты по схеме ESD является то, что она "стоит площади чипов", которая не служит функции электронного компонента. Другим недостатком такой защиты по схеме ESD является то, что она зачастую изменяет функцию компонента без этой защиты по схеме ESD. Часто защита по схеме ESD вызывает обратное действие на чувствительность и/или динамику компонента.

В настоящее время новые электронные компоненты не имеют закрытого корпуса, поэтому детали чипа открыты наружу. Этими новыми электронными компонентами являются, например, так называемые "Chip sizes packages" (CSP), в которых чип своими контактами соединен непосредственно с печатной платой. Кроме того, различные датчики все чаще выполняются как полупроводниковые компоненты. Как в CSP, так и при использовании в качестве датчика, компонент имеет как в целом, так и, по меньшей мере, частично относительно большую поверхность контакта с окружающей средой.

В таких случаях необходимы усиленные меры защиты от статического разряда. Такие компоненты являются также дактилоскопическими датчиками, которые состоят из матрицы из большого количества отдельных емкостей. Предусмотрено, что палец, у которого необходимо снять отпечаток, прикасается непосредственно к компоненту. Особенно в таком случае легко может возникнуть статический заряд, так как при обычном использовании такого датчика недопустимо, когда палец перед применением был заземлен для разряда. В переносных приборах, в которых предусмотрен дактилоскопический датчик, например в приборе, удобном для пользования, остается опасность, что переноска прибора вызывает электростатический разряд.

В основу изобретения положена задача создания электронного компонента, в котором даже тогда, когда значительная часть не закрыта корпусом, предусмотрена защита по схеме ESD.

За счет того, что предусмотрена токопроводящая защитная структура, которая расположена в плоскости над токопроводящими поверхностями и оставляет токопроводящие поверхности свободными, обеспечивается то, что благодаря соответствующему присоединению защитной структуры она имеет действие клетки Фарадея. Тем самым простым образом обеспечивается защита от электростатического разряда.

Другие предпочтительные варианты выполнения указаны в зависимых пунктах формулы изобретения.

За счет того, что предусмотрен промежуточный участок, не токопроводящие поверхности не закрываются защитной структурой. Выполнение защитной структуры в виде ленты наклонно создает направленные к промежуточному участку концы, выполненные не плоскостными, которые действуют как молниеотвод.

Применение вольфрама для изготовления защитной структуры обеспечивает ее стойкость.

Выполнение защитной структуры шириной 1-5 мкм особенно удобно. Кроме того, выполнение защитной структуры в виде решетки объединяет в себе простоту изготовления и высокую эффективность как защиты по схеме ESD при минимальных затратах материала.

Изобретение поясняется ниже со ссылкой на чертежи с помощью примеров выполнения. Показано: Фиг.1 - первый пример выполнения в соответствии с изобретением, Фиг.2 - второй пример выполнения в соответствии с изобретением, Фиг.3 - примеры выполнения, изображенные на фиг.1 и 2, вид сверху, Фиг. 4 - предпочтительный вариант выполнения изображенного на фиг.1 примера выполнения, Фиг. 5 - еще один предпочтительный вариант выполнения изобретения примера, представленного на фиг.1, и Фиг. 6 - существенные технологические процессы изготовления электронного компонента согласно изобретению.

В нижеследующем описании одинаковые позиции означают одинаковую деталь.

На фиг.1 схематически представлен электронный компонент в соответствии с изобретением. На ней на поверхности 1 чипа находится диэлектрический слой 2, который предназначен для разделения активных или токопроводящих структур контактных поверхностей и расположенных над ними проводящих поверхностей. Такая токопроводящая поверхность 4 и 4' в изображенном примере выполнена непосредственно на диэлектрическом слое 2, причем промежутки между токопроводящими поверхностями 4 и 4' заполнены оксидом 3, который отделяет токопроводящие поверхности от расположенного выше слоя нитрида 5.

В представленном примере выполнения токопроводящие поверхности 4 представляют собой отдельные компоненты дактилографического датчика. При этом каждая токопроводящая поверхность 4 представляет собой поверхность конденсатора, в то время как палец образует противолежащую поверхность конденсатора. Токопроводящие поверхности 4' представляют собой, например, проводники, причем подсоединения не изображены. На оксиде 3 выполнен также слой нитрида 5, который может состоять из нескольких слоев. В слое нитрида 5 выполнены канавки, заполненные вольфрамом. Система выполнена таким образом, что палец F, отпечаток которого необходимо снять и который должен быть приложен на поверхность этой структуры, образует с токопроводящими поверхностями 4 конденсатор, так как структура из вольфрама 6 на промежуточных участках Z расположена между токопроводящими поверхностями 4. Если палец заряжен электрически, то он будет разряжен, когда структура вольфрама 6 будет заземлена, как это указано на фиг.1.

В представленном примере выполнения дактилографический датчик имеет соответствующую структуру, в которой оксид, окружающий токопроводящие поверхности 4, имеет толщину около 250 нанометров, нитрид - 1500 нанометров, глубина канавок для вольфрамовой структуры 6 составляет приблизительно 370-700 нанометров и ширина канавок приблизительно 2 мкм.

На фиг.2 представлено применение вольфрамовой структуры 6 в электронном компоненте для монтажа на поверхности, как это изображено в СSР. В данном случае токопроводящая поверхность 14, выполненная из оксида, свободна в направлении к поверхности от защитного нитрида 5. Образующееся тем самым свободное пространство 7 служит для контакта токопроводящих поверхностей 14, служащих в качестве контактных площадок, при монтаже поверхности на печатной плате. При этом свободное пространство 7 заполнено припоем или токопроводящим клеем. И в данном случае на поверхности выполнена вольфрамовая структура 6, к которой при принятом применении в монтированном положении не будет приближаться заряженный палец, но и в обычном применении компонента, смонтированного как CSP, вполне возможно, что на поверхности печатной платы будет электростатический заряд. Токопроводящая защитная структура 6, выполненная и в данном случае как вольфрамовая структура, если она заряжена, и здесь служит в качестве защиты от электростатического разряда. Она действует на компонент, так сказать, как клетка Фарадея. Применение вольфрама не обязательно, но по сравнению с другими применяемыми в настоящее время в полупроводниковой технике соединениями алюминия вольфрам обладает умноженной на коэффициент 6 максимальной плотностью тока, и точка плавления вольфрама, составляющая 3410^oС, значительно выше точки плавления принятого сплава алюминия (AlSiCu/660^oC).

Как на фиг.1, так и на фиг.2, вольфрамовая структура 6 выполнена над токопроводящими поверхностями 4', расположенными в одной плоскости с токопроводящими поверхностями 4. Это выбрано так потому, что токопроводящие поверхности 4' не должны быть доступны снаружи.

Это еще раз показано на фиг.3 в виде сверху. В данном случае изображены токопроводящие поверхности 4 и 14. В данном чертеже отказались от маскирующих слоев. Иными словами, токопроводящие поверхности 4 изображены в виде контактных площадок 14, как это описано со ссылкой на фиг.2, также как и пластина конденсатора 4 со ссылкой на фиг.1. Между этими токопроводящими поверхностями 4 и 14, если смотреть сверху, выполнена токопроводящая вольфрамовая структура 6 в виде решетки, причем она направлена наклонно к боковым поверхностям токопроводящих поверхностей 4 и 14. Благодаря решетке и тем самым благодаря тому, что решетка не закрывает токопроводящие поверхности, на кромках в структуре образуются выступы или острия, которые очень хорошо пригодны для защиты от электростатического разряда. Данная решетчатая структура имеет тем самым на кромках к токопроводящим поверхностям 4 такой же эффект, как молниеотводы. Между токопроводящими поверхностями 4 и 14 изображены, как и показанные на фиг.1 и 2, токопроводящие поверхности 4', которые покрыты вольфрамовой решеткой, так как токопроводящие поверхности 4' не должны быть доступны в верхнем направлении.

На фиг.4 и 5 изображен предпочтительный вариант выполнения изобретения, в частности в качестве дактилографического датчика. При этом одинаковые компоненты снабжены одинаковыми позициями. Дактилографический датчик, показанный в вырезе, состоит из подложки 10, на поверхности которой может быть выполнена активная структура в форме интегрированной схемы, но для настоящего изобретения она не обязательно должна присутствовать. Над ней находится на части поверхности подложки структура из поликристаллического кремния 9, которая со своей стороны покрыта слоем бора-фосфора-кремния-оксида-стекла 8. Над ним находится первый слой металлизации с необозначенными более подробно дорожками металлизации, который покрыт диэлектрическим слоем 2. Это тот же самый диэлектрический слой, который известен из фиг. 1 и 2. Расположенная выше структура соответствует структуре на фиг.1 и 2. Весь компонент окружен корпусом 11, который оставляет свободным одну поверхность компонента, но при этом так загнут на кромке, что лежит также на поверхности.

Согласно фиг. 4 от поверхности выполнены сквозные соединения через все вышеописанные слои до подложки, которая соединена с землей. Часть сквозного соединения, находящаяся на поверхности, электрически соединена также с вольфрамовой структурой 6. Таким образом, также выполнена система, которая соответствует клетке Фарадея. Окружающая свободную поверхность чипа рамка корпуса 11 снабжена рамкой заземления 12.

В отличие от этого, согласно фиг.5 сквозное соединение через все слои не предусмотрено. В изображенном здесь примере выполнения вольфрамовая структура 6 электрически соединена с рамкой заземления 12. В остальном расположенные ниже структуры соединены между собой на краевом участке сквозным соединением, и осуществлено соединение с землей через подложку. И в данном изображенном примере, таким образом, выполнена клетка Фарадея.

В варианте изображенного на фиг.5 примера выполнения соединение между рамкой заземления и вольфрамовой структурой 6 можно осуществить с помощью токопроводящего клея. Для этого не требуется, как это изображено на фиг.5, заводить рамку заземления 12 настолько, чтобы она прилегала к вольфрамовой структуре 6. Достаточно подобно изображению на фиг.4 соединить систему рамки заземления 12 с вольфрамовой структурой 6 через токопроводящее клеевое соединение (см. фиг.5а).

Согласно фиг.6 схематически изображено выполнение вольфрамовой структуры. Вначале осуществляется планаризация структуры, образующаяся из токопроводящих поверхностей 4 и 14 и 4' и окружающего эти поверхности оксида 3. На эту структуру наносится нитрид, обработанный литографическим способом, после чего производится травление нитрида для получения вышеописанных канавок. Затем методом CVD (Chemical Vapor Deposition) наносится вольфрам. Нанесенный таким образом по всей поверхности вольфрам снова удаляется до высоты слоя нитрида. При этом изображенные в I и II различные методы удаления приводят к разной волнистости структуры. В нижней части фиг.6 в отличие от верхней части исходная структура из токопроводящих поверхностей и окружающего токопроводящие поверхности оксида настолько плоская, что образуется также плоский слой нитрида.

Для вольфрамовой структуры в зависимости от примененной технологии можно предусмотреть ширину 1-10 мкм. В компонентах CSP, которые не подвержены экстремальному случаю, когда электростатически заряженный палец приближается к поверхности, может быть целесообразным не создавать решетку, а просто покрыть часть поверхности полностью вольфрамом.

Однако вышеописанное изобретение не ограничивается только полупроводниковыми компонентами. Оно может быть применено в равной степени и в будущих технологиях, например в электронных схемах полимерных выключателей. Изобретение имеет особое преимущество в том случае, когда компоненты свободно доступны, как, например, датчики, причем дактилографические датчики представляют собой только один пример. Такое применение можно предсказать уже сегодня, например, для использования в карточках со встроенной микросхемой, в которых требуются прочные, гибкие и защищенные от влияния окружающей среды дактилографические датчики с целью надежного установления личности пользователя.

Формула изобретения

1. Электронный компонент, содержащий диэлектрический слой (2), выполненный на подложке (10), токопроводящие поверхности (4; 14), выполненные на диэлектрическом слое, и токопроводящую защитную структуру (6), размещенную в плоскости над токопроводящими поверхностями (4; 14) таким образом, что токопроводящие поверхности (4; 14) не закрыты полностью защитной структурой (6), причем защитная структура (6) размещена вдоль промежуточных участков (Z), которые выполнены между токопроводящими поверхностями (4; 14).

2. Электронный компонент по п.1, в котором защитная структура (6) в виде ленты расположена наклонно к направлению расширения промежуточного участка (Z) и на краю промежуточного участка (Z) изменяет свое направление так, что она не выходит за пределы промежуточного участка (Z), или просто изменяет свое направление на краю промежуточного участка (Z).

3. Электронный компонент по п.1 или 2, в котором защитная структура (6) выполнена из вольфрама.

4. Электронный компонент по одному из пп.1-3, в котором защитная структура (6) имеет ширину 1-5 мкм.

5. Электронный компонент по одному из пп.1-4, в котором защитная структура (6) выполнена в виде решетки.

6. Электронный компонент по одному из пп.1-5, в котором одна из токопроводящих поверхностей (4; 14) является частью одного отдельного чувствительного элемента.

7. Электронный компонент по одному из пп.1-6, в котором защитная структура (6) выполнена с возможностью использования в качестве защитного устройства от электростатического разряда.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6