DE102011012295B4 - MEMS microphone and method for manufacturing the MEMS microphone - Google Patents
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Abstract
Mikrofon- mit einem Träger (TR),- mit einem auf dem Träger (TR) montierten Wandlerelement (WE),- mit einer Abdeckung, wobei das Wandlerelement (WE) zwischen dem Träger (TR) und der Abdeckung eingeschlossen ist,- mit einer ersten Schalleintrittsöffnung (SO1), die im Träger (TR) vorbereitet aber verschlossen ist, und- mit einer zweiten Schalleintrittsöffnung (SO2) in der Abdeckung, wobei das Wandlerelement (WE) ein Rückvolumen (RV) aufweist, das gegenüber der ersten und der zweiten Schalleintrittsöffnung (SO1, SO2) verkapselt ist.Microphone- with a carrier (TR), - with a transducer element (WE) mounted on the carrier (TR), - with a cover, the transducer element (WE) being enclosed between the carrier (TR) and the cover, - with a first sound entry opening (SO1), which is prepared but closed in the carrier (TR), and - with a second sound entry opening (SO2) in the cover, the transducer element (WE) having a back volume (RV) that is opposite the first and the second Sound inlet opening (SO1, SO2) is encapsulated.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Mikrofon, bei dem ein Wandlerelement zwischen einem Träger und einer Abdeckung eingeschlossen ist. Das Wandlerelement kann akustische Signale, die durch eine Schalleintrittsöffnung eintreten, in elektrische Signale umwandeln.The present invention relates to a microphone in which a transducer element is enclosed between a carrier and a cover. The transducer element can convert acoustic signals that enter through a sound inlet opening into electrical signals.
Aus der
Weit verbreitet sind Mikrofone mit unten liegender, also im Träger vorgesehener Schallöffnung. Der MEMS-Chip kann dabei die Schallöffnung von innen verschließen und somit das gesamte Gehäusevolumen als akustisches Referenz- oder Rückvolumen nutzen.Microphones with a sound opening at the bottom, i.e. provided in the carrier, are widespread. The MEMS chip can close the sound opening from the inside and thus use the entire housing volume as an acoustic reference or back volume.
Die elektrische Kontaktierung eines MEMS-Chips auf einem Trägersubstrat kann an der Unterseite des Mikrofons erfolgen, d. h. an der Seite des MEMS-Chips, die dem Trägersubstrat zugewandt ist. Externe Lötanschlüsse sind dann in der Regel mittels Durchkontaktierungen im Trägersubstrat an dessen Unterseite geführt. Ist auch die Schalleintrittsöffnung an der Unterseite des Mikrofons angeordnet, so lassen sich Funktionstests des Mikrofons einfach und effektiv durchführen, da ein elektrischer und ein akustischer Kontakt zu einer Testeinrichtung von der gleichen Seite her erstellt werden können.The electrical contacting of a MEMS chip on a carrier substrate can take place on the underside of the microphone, i. H. on the side of the MEMS chip that faces the carrier substrate. External solder connections are then usually made by means of plated-through holes in the carrier substrate on its underside. If the sound inlet opening is also arranged on the underside of the microphone, functional tests of the microphone can be carried out simply and effectively, since electrical and acoustic contact with a test device can be established from the same side.
Oftmals werden jedoch an die Akustik eines MEMS-Mikrofons Anforderungen gestellt, die eine Schalleintrittsöffnung an einer anderen Stelle verlangen. Insbesondere bei MEMS-Mikrofonen mit Schalleintrittsöffnungen an ungewöhnlicher Stelle besteht das Problem, dass die Funktionstests nunmehr deutlich aufwändiger sind. Ein elektrischer und ein akustischer Kontakt zu einer Testvorrichtung müssen hier von zwei verschiedenen Seiten aufgebaut werden. Alternativ kann auch eine Einzelhandhabung des Mikrofons in Funktionstests notwendig sein.However, the acoustics of a MEMS microphone are often subject to requirements that require a sound inlet opening at another point. Especially with MEMS microphones with sound entry openings at an unusual location, there is the problem that the functional tests are now significantly more complex. An electrical and an acoustic contact to a test device must be established from two different sides. Alternatively, it may also be necessary to handle the microphone individually in functional tests.
Ferner ist aus
Aus
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein MEMS-Mikrofon anzugeben, welches eine Schalleintrittsöffnung an einer beliebigen Stelle aufweisen kann und welches dabei einfach zu testen ist.The object of the present invention is therefore to provide a MEMS microphone which can have a sound inlet opening at any point and which is easy to test.
Diese Aufgabe wird durch ein Mikrofon mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sowie ein Verfahren zur Herstellung des Mikrofons sind weiteren Ansprüchen zu entnehmen.This object is achieved by a microphone with the features of claim 1. Advantageous refinements and a method for producing the microphone can be found in further claims.
Es wird ein Mikrofon vorgeschlagen, das einen Träger, eine Abdeckung, ein auf dem Träger montiertes Wandlerelement, das zwischen dem Träger und der Abdeckung eingeschlossen ist, eine erste Schalleintrittsöffnung, die im Träger vorbereitet, aber verschlossen ist, und eine zweite Schalleintrittsöffnung in der Abdeckung aufweist.A microphone is proposed which has a carrier, a cover, a transducer element mounted on the carrier and enclosed between the carrier and the cover, a first sound inlet opening which is prepared in the carrier but is closed, and a second sound inlet opening in the cover having.
Ferner weist das Wandlerelement ein Rückvolumen auf, das gegenüber der ersten und der zweiten Schalleintrittsöffnung verkapselt ist.Furthermore, the transducer element has a back volume which is encapsulated with respect to the first and the second sound inlet opening.
Die erste Schalleintrittsöffnung, die im Träger ausgebildet ist, wird während der Herstellung zum Testen des Mikrofons verwendet. Dadurch wird ein einfaches und automatisiertes Testverfahren ermöglicht, bei dem vorzugsweise elektrische und akustische Kontaktierung von der Unterseite des Mikrofons her vorgenommen werden kann. Danach wird die erste Schalleintrittsöffnung verschlossen und es wird eine zweite Schalleintrittsöffnung an einer beliebigen Stelle ausgebildet. Dementsprechend ermöglicht das erfindungsgemäße Mikrofon ein einfaches und automatisiertes Testen und bietet gleichzeitig die Möglichkeit, die zweite Schalleintrittsöffnung an einer beliebigen Stelle anzuordnen, sodass eine größere Designfreiheit erreicht wird.The first sound entry opening formed in the carrier is used to test the microphone during manufacture. This enables a simple and automated test method in which electrical and acoustic contacting can preferably be carried out from the underside of the microphone. The first sound entry opening is then closed and a second sound entry opening is formed at any point. Accordingly, the microphone according to the invention enables simple and automated testing and at the same time offers the possibility of arranging the second sound inlet opening at any point, so that greater design freedom is achieved.
In einer Ausführung ist die erste Schalleintrittsöffnung mit einer kunststoffhaltigen Masse verschlossen. Bei dieser Masse kann es sich um einen Polymer handeln, der vorzugsweise durch ein Jetdruckverfahren aufgetragen wird. Bei einem Jetdruckverfahren wird ein flüssiges oder zähflüssiges Material über eine Düse ortsgenau und kontaktlos aufgebracht. Das Verfahren ermöglicht es, kleine Tröpfchen des kunststoffhaltigen Materials gezielt auf die erste Schalleintrittsöffnung „aufzuschießen“.In one embodiment, the first sound inlet opening is closed with a plastic-containing mass. This mass can be a polymer, which is preferably applied by a jet printing process. In a jet printing process, a liquid or viscous material is applied precisely and contactlessly via a nozzle. The process makes it possible to “shoot” small droplets of the plastic-containing material into the first sound inlet.
Alternativ kann die erste Schalleintrittsöffnung auch durch selektives Aufbringen (Dispensen) verschlossen werden. Hierbei sind Thermoplaste und Reaktionsharzmassen, gegebenenfalls in Mischung mit anderen Materialien wie Füllstoffen, geeignet.Alternatively, the first sound entry opening can also be closed by selective application (dispensing). Thermoplastics and reactive resin compositions, optionally in a mixture with other materials such as fillers, are suitable here.
Wird im Bereich der ersten Schalleintrittsöffnung eine geeignete lötbare Metallisierung, z. B. eine Lochwandauskleidung oder ein Ring um die Schalleintrittsöffnung, vorgesehen, so ist ein Verschluss auch durch Aufbringen und Umschmelzen von Lotpaste oder durch einen Jetdruck des geschmolzenen Lots möglich. Die erste Schalleintrittsöffnung kann somit auch durch lötbares Material, wie etwa Lotpaste oder geschmolzenes Lot, verschlossen werden.If a suitable solderable metallization, z. B. a perforated wall lining or a ring around the sound inlet opening is provided, so is a closure also possible by applying and remelting solder paste or by jet printing the melted solder. The first sound entry opening can thus also be closed by solderable material, such as solder paste or molten solder.
Es ist ferner auch möglich, die erste Schalleintrittsöffnung mit einem Formteil in der Art eines Stöpsels oder Aufklebers zu verschließen.It is also possible to close the first sound inlet opening with a molded part in the manner of a stopper or sticker.
In einer Ausführung sind Mittel zur elektrischen Kontaktierung des Wandlerelements auf der Seite des Wandlerelements vorgesehen, die dem Träger zugewandt ist. Dazu kann der Träger auf seiner dem Wandlerelement zugewandten Seite Anschlussflächen aufweisen und auf seiner dem Wandlerelement abgewandten Seite Kontaktpads. Ferner können die Anschlussflächen und Kontaktpads elektrisch über Durchkontaktierungen verbunden sein. Das Wandlerelement kann in Flip-Chip-Technik auf dem Träger montiert sein und über Bumps mit den Anschlussflächen des Trägers kontaktiert sein.In one embodiment, means for making electrical contact with the transducer element are provided on the side of the transducer element which faces the carrier. For this purpose, the carrier can have connection surfaces on its side facing the transducer element and contact pads on its side facing away from the transducer element. Furthermore, the connection areas and contact pads can be electrically connected via vias. The transducer element can be mounted on the carrier using flip-chip technology and can be contacted with the connection surfaces of the carrier via bumps.
Es ist aber auch möglich, das Wandlerelement konventionell mit Chipkleber zu befestigen und die elektrischen Verbindungen mit Bonddrähten herzustellen. Die Abdeckung kann dann beispielsweise aus einer Kappe oder einem Deckel bestehen.However, it is also possible to attach the converter element conventionally with chip adhesive and to make the electrical connections with bond wires. The cover can then consist, for example, of a cap or a lid.
In einer Ausführung weist das Mikrofon zumindest ein weiteres Bauelement auf, wobei das weitere Bauelement ebenfalls von der Abdeckung bedeckt ist. Bei dem weiteren Bauelement kann es sich um einen ASIC-Chip handeln. Alternativ können das Wandlerelement und der ASIC-Chip zu einem gemeinsamen Bauelement auf einem einzigen Chip kombiniert sein.In one embodiment, the microphone has at least one further component, the further component also being covered by the cover. The further component can be an ASIC chip. Alternatively, the converter element and the ASIC chip can be combined to form a common component on a single chip.
In einer Ausführung sind in dem Wandlerelement und in dem weiteren Bauelement jeweils ein Hohlraum ausgebildet. Die beiden Hohlräume können über einen Kanal oder anderweitig miteinander verbunden sein. Bei dem Hohlraum in dem Wandlerelement handelt es sich vorzugsweise um das Rückvolumen des Wandlerelements. Durch die Verbindung dieses Rückvolumens mit einem weiteren Hohlraum, der in dem ASIC-Chip ausgebildet ist, wird das Rückvolumen des Wandlerelements vergrößert und somit die Empfindlichkeit des Mikrofons verbessert.In one embodiment, a cavity is formed in the converter element and in the further component. The two cavities can be connected to one another via a channel or in some other way. The cavity in the transducer element is preferably the back volume of the transducer element. By connecting this back volume to a further cavity which is formed in the ASIC chip, the back volume of the transducer element is increased and thus the sensitivity of the microphone is improved.
In einer Ausführung werden das Wandlerelement und das weitere Bauelement aus zwei Wafern gebildet, die jeweils auf einer ihrer Flachseiten Ausnehmungen aufweisen und deren Flachseiten derart zusammengesetzt werden, dass die Ausnehmungen bei zusammengesetzten Wafern zusammen einen Hohlraum ausbilden. Einer der beiden Wafer kann dabei als Pressglas- oder Spritzgusswafer in einem Heißpräge- bzw. Spritzgussverfahren hergestellt werden. Die Ausnehmungen der beiden Wafer können genau aufeinander angepasst werden. Das Zusammensetzen von zwei Wafern erlaubt es, die Prozesszeiten für das Einbringen der Kavitäten zu reduzieren und ferner die Wanddicken zu minimieren.In one embodiment, the transducer element and the further component are formed from two wafers, each of which has recesses on one of its flat sides and whose flat sides are assembled in such a way that the recesses together form a cavity when wafers are assembled. One of the two wafers can be produced as a pressed glass or injection molding wafer in a hot stamping or injection molding process. The recesses of the two wafers can be exactly matched to one another. The combination of two wafers makes it possible to reduce the process times for inserting the cavities and also to minimize the wall thicknesses.
In einer Ausführung umfasst die Abdeckung des Mikrofons eine Abdeckfolie und zumindest eine Metallisierungsschicht.In one embodiment, the cover of the microphone comprises a cover film and at least one metallization layer.
In einem Verfahren zur Herstellung des Mikrofons wird ein Wandlerelement auf einem Träger montiert. Anschließend wird eine Abdeckung so über das Wandlerelement und den Träger angeordnet, dass das Wandlerelement zwischen Abdeckung und Träger eingeschlossen wird. Eine erste Schalleintrittsöffnung wird vorab in dem Träger vorgesehen oder wird nachträglich nach dem Anbringen der Abdeckung erzeugt. Nun wird ein Funktionstest des Mikrofons durchgeführt. Anschließend wird die erste Schalleintrittsöffnung verschlossen und eine zweite Schalleintrittsöffnung wird in der Abdeckung erzeugt. Hierbei können das Verschließen der ersten Schalleintrittsöffnung und das Erzeugen der zweiten Schalleintrittsöffnung in beliebiger Reihenfolge erfolgen.In a method for producing the microphone, a transducer element is mounted on a carrier. A cover is then placed over the transducer element and the carrier such that the transducer element is enclosed between the cover and the carrier. A first sound entry opening is provided in advance in the carrier or is created after the cover has been attached. Now a function test of the microphone is carried out. The first sound entry opening is then closed and a second sound entry opening is created in the cover. The first sound entry opening and the second sound entry opening can be closed in any order.
Ferner weist das Wandlerelement ein Rückvolumen auf, das gegenüber der ersten und der zweiten Schalleintrittsöffnung verkapselt ist.Furthermore, the transducer element has a back volume which is encapsulated with respect to the first and the second sound inlet opening.
Die erste Schalleintrittsöffnung wird durch eine kunststoffhaltige Masse verschlossen. Dabei kann es sich insbesondere um ein Polymer bzw. ein polymer-haltiges Material handeln, das durch ein Jetdruckverfahren auf die erste Schalleintrittsöffnung aufgebracht wird und das ferner bei Bedarf durch Belichtung und/oder thermisch ausgehärtet werden kann. Es kann auch ein geschmolzener Thermoplast in die erste Schalleintrittsöffnung eingespritzt werden, der beim Abkühlen erstarrt bzw. aushärtet.The first sound inlet opening is closed by a plastic-containing mass. This can be, in particular, a polymer or a polymer-containing material which is applied to the first sound inlet opening by a jet printing process and which, if required, can also be cured by exposure and / or thermally. A melted thermoplastic can also be injected into the first sound inlet opening, which solidifies or hardens on cooling.
Ein Jetdruckverfahren ist ein Verfahren zum gezielten kontaktlosen Aufbringen eines flüssigen oder zähflüssigen Materials. Es ermöglicht es, kleine Tröpfchen des kunststoffhaltigen Materials gezielt auf die erste Schalleintrittsöffnung „aufzuschießen“.A jet printing process is a process for the targeted contactless application of a liquid or viscous material. It makes it possible to "shoot" small droplets of the plastic-containing material in a targeted manner onto the first sound inlet.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und den dazugehörigen Figuren näher erläutert. Die Figuren sind dabei nur schematisch und nicht maßstabsgetreu ausgeführt, sodass den Figuren weder absolute noch relative Maßangaben entnehmbar sind.
-
1A bis1E zeigen verschiedene Verfahrensstufen bei der Herstellung eines MEMS-Mikrofons mit zwei Schalleintrittsöffnungen, -
2 zeigt einen Funktionstest der MEMS-Mikrofone, -
3A und3B zeigen ein zweites Ausführungsbeispiel eines MEMS-Mikrofons, -
4A und4B zeigen ein drittes Ausführungsbeispiel eines MEMS-Mikrofons.
-
1A to1E show different process stages in the production of a MEMS microphone with two sound inlet openings, -
2nd shows a function test of the MEMS microphones, -
3A and3B show a second embodiment of a MEMS microphone, -
4A and4B show a third embodiment of a MEMS microphone.
Die
Eine Abdeckfolie
Das Wandlerelement
Dementsprechend befinden sich nun die elektrischen Kontaktierungen und der akustische Zugang des Mikrofons auf der Unterseite des Trägers
Auch das weitere Bauelement (
Nach den Funktionstests wird ein weiterer Verfahrensschritt durchgeführt, der in
Dabei wird die erste Schalleintrittsöffnung
Anschließend wird auf der Abdeckfolie
Alternativ kann die Grundmetallisierung
Die galvanische Verstärkung der Grundmetallisierung
In einer Variante des Verfahrens kann die Resist-Struktur
Ferner kann in einem weiteren Schritt eine Dichtstruktur rund um die zweite Schalleintrittsöffnung
Alternativ kann auf die Resiststruktur
Ferner kann der Häusungsprozess auch grundsätzlich anders erfolgen, etwa durch Befestigung einer vorgeformten Kappe oder eines Deckels über dem Chip. Entscheidend ist die Ausgestaltung der ersten Schalleintrittsöffnung SOl auf der Bauteilkontaktseite, der Wiederverschluss der ersten Schalleintrittsöffnung
Ferner weist die Testapparatur
Bei dem in den
Der in den
Auf der vom Träger
Die erste Abdeckung
Hier sind das weitere Bauelement
Der erste Wafer
Der zweite Wafer
Ferner werden in der Fügefläche mindestens eines der Wafer
Neben der Fertigung des Mikrofons auf Waferlevel ist es natürlich auch möglich, zuerst die beiden Wafer zu verbinden, die Mikrofone zu vereinzeln und dann auf den Träger zu montieren. Ebenfalls möglich ist es, aus dem ersten Wafer vereinzelte Chips zu montieren und erst danach mit einem zweiten Chip zu verbinden und abzudecken. Die Abdeckung von erstem und zweiten Chip z.B. mittels einer über dem Chip (erster und zweiter Chip) aufgebrachten Abdeckfolie erfolgt in allen Fällen auf dem Träger.In addition to manufacturing the microphone at wafer level, it is of course also possible to first connect the two wafers, separate the microphones and then mount them on the carrier. It is also possible to assemble individual chips from the first wafer and only then to connect and cover them with a second chip. Covering the first and second chip e.g. in all cases by means of a cover film applied over the chip (first and second chip) on the carrier.
Es zeigt sich, dass mit der beschriebenen Anordnung von Wandlerelement
BezugszeichenlisteReference symbol list
- WE -WE -
- WandlerelementConverter element
- BE -BE -
- weiteres Bauelementanother component
- TR -TR -
- Trägercarrier
- MEM -MEM -
- Membranmembrane
- RV -RV -
- RückvolumenBack volume
- SO1 -SO1 -
- erste Schalleintrittsöffnungfirst sound inlet
- AF -AF -
- AbdeckfolieCover film
- BU -BU -
- BumpBump
- ANF -ANF -
- AnschlussflächePad
- KP -KP -
- KontaktpadContact pad
- DK -DK -
- DurchkontaktierungPlated-through hole
- GM -GM -
- GrundmetallisierungBase metallization
- SO2 -SO2 -
- zweite Schalleintrittsöffnungsecond sound inlet
- RS -RS -
- Resist-StrukturResist structure
- VS -VS -
- Verstärker-SchichtAmplifier layer
- MIK -MIK -
- Mikrofonmicrophone
- TA -TA -
- TestapperaturTest equipment
- LS -LS -
- Lautsprecherspeaker
- SAO -SAO -
- SchallaustrittsöffnungSound outlet opening
- RM -RM -
- ReferenzmikrofonReference microphone
- CAM -CAM -
- Kameracamera
- EKV -EKV -
- elektrische Kontaktvorrichtungelectrical contact device
- BA -BA -
- Bandtape
- CH -CH -
- Chipchip
- KA -KA -
- Kanalchannel
- HO -HO -
- Hohlraumcavity
- WF1, WF2 -WF1, WF2 -
- erster bzw. zweiter Waferfirst and second wafers
- BES -BES -
- BauelementstrukturenDevice structures
- AD -AD -
- erste Abdeckungfirst cover
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