CN102649535A - 构件载体和具有这样的构件载体上的mems构件的部件 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种构件载体,其能够实现具有敏感结构的MEMS构件的成本有利、位置节省且应力较小的封装。构件载体(130)尤其适于应被安装在壳体(120)的空腔中并且被电接通的MEMS构件(10)。根据本发明的构件载体(330)被实现为在一侧敞开的空心体形式的复合件,复合件基本上由在其造型方面柔性的、三维成形的载体膜(331)和包覆材料(332)形成。包覆材料(332)在一侧成型在载体膜(331)上,使得载体膜(331)设置在构件载体(330)的内壁上。在具有载体膜(131)的内壁上构造有用于至少一个构件(10,51)的至少一个安装面。此外,载体膜(331)设有用于所述至少一个构件(10,51)的电接通的接触面和绝缘的印制导线。
Description
技术领域
本发明总体上涉及具有敏感结构的MEMS构件的封装或者具有这种MEMS构件和壳体的部件的结构。尤其是,本发明涉及用于MEMS构件的构件载体,所述MEMS构件应安装在壳体的空腔中并且电接通。
背景技术
以下以MEMS麦克风构件的封装为例探讨现有技术以及本发明,而本发明不限于特定的应用情况。
已知的是,对于MEMS麦克风构件的封装使用基于衬底的壳体。在所述封装变型方案中,麦克风芯片借助板上芯片(Chip-on-Board:COB)技术安装在平的、称作衬底的构件载体上、电接通并且借助盖封装。如果声进口位于壳体的盖中,则背侧容积通常限于芯片腔,由此麦克风性能也受限制。替代地,声进口可以构造在构件载体中麦克风芯片下方。在此情况下,壳体中的整个空腔可供用作背侧容积,由此可以实现性能提升。
与特定于应用的要求无关地,已知的封装方案在两个方面证实是有问题的。
在实践中,在MEMS构件的敏感结构中往往出现机械应力,其由安装决定并且归咎于MEMS构件和构件载体的不同热膨胀系数。这种机械应力无论如何都损害MEMS构件的性能。
因为已知的封装方案设有构件在平的构件载体上的“并排(side byside)”安装,所以部件的“覆盖区域(footprint)”也随着壳体内构件的数量而增大。但部件面积的增大也总是导致制造成本的提高。
发明内容
通过本发明提出了一种构件载体,其能够实现具有敏感结构的MEMS构件的成本有利、位置节省且应力较小的封装。
根据本发明的构件载体被实现为在一侧敞开的空心体形式的复合件并且基本上由在其造型方面柔性的(flexibel)、三维成形的载体膜和包覆材料组成,所述包覆材料在一侧成型在所述载体膜上,使得载体膜设置在构件载体的内壁上。在那里,构造有用于至少一个构件的至少一个安装面。此外,载体膜设有接触膜和绝缘的印制导线,用于至少一个构件的电接通。
因此,根据本发明的构件载体基本上由两个在功能上也不同的组件组成,即在其造型方面柔性的膜和包覆材料,所述膜确定为用于构件的电接通的接触面和绝缘的印制导线的载体,借助所述包覆材料实现形状稳定的三维壳体部件。根据本发明,所述两个可简单且彼此独立地制备的组件整合成一个复合件。在此,载体膜被三维地成形,其中,包覆材料仅仅与载体膜的背侧靠触式接触(Berührungskontakt)而不与其前侧靠触式接触,在所述前侧上或在所述前侧中具有灵敏的印制导线和电接触部。在与硬化的包覆材料的牢固附着地建立的复合中,才在载体膜上形成机械稳定且可电接通的芯片装备区域。
根据本发明的构件载体可以非常简单地借助标准模具和标准方法并且由此成本非常有利地、多用途地制造。
在一个特别有利的方法变型方案中,在一个模制方法步骤中进行载体膜的三维成形和由载体膜与包覆材料构成的复合结构的制造。为此,使用第一模制模具件,其形状相应于构件载体的内壁的所追求的三维形状,以及使用至少一个第二模制模具件,其确定构件载体的外侧的形状。在压入流动的模制材料之前,在此将载体膜简单地置于第一模制模具件中。在最简单的情况下,随后通过流入的模制流使载体膜贴合模具形状。但也可以在压入模制材料之前已经通过吸或者吹或者也通过局部撑开使载体膜贴合模具表面。在硬化模制材料时,在模制材料与载体膜之间形成牢固附着的材料复合,所述载体膜现在至少局部地覆盖构件载体的内壁。可以附加地通过载体膜上的粘接层来改进载体膜与模制材料之间的附着。
在所述方法变型方案中,可以省去第一模制模具中用于公差补偿或者用于防止模具污染的聚合物膜,因为载体膜承担了所述功能。由此简化了模制方法。
同样良好的是,为了制造根据本发明的构件载体,首先例如在一标准模制方法中制造具有在一侧敞开的空心体形式的塑料成形件。然后在一单独的方法步骤中将载体膜施加到这样的塑料件的内壁上。诸如层压或压印的方法尤其适合。在此,载体膜可以在塑料成形件的整个内壁上延伸或者也仅仅在内壁的各区域上延伸。
在此还应注意,根据本发明的构件载体的热材料特性可以非常良好地与MEMS构件的热材料特性匹配,由此可以在很大程度上减小MEMS构件中的机械应力和热机械应力。在根据本发明的构件载体的情况下,作为主导复合方的包覆材料确定复合件的材料特性,而载体膜的影响可以忽略。但通常所使用的包覆材料在热膨胀系数方面已经比刚性的电路板显著更好地匹配于MEMS构件的半导体材料。
基本上,存在用于实现根据本发明的构件载体的多种可行方案,这尤其涉及在一侧敞开的空心体的形式和具有电连接端子的载体膜的设计。在此,首先应考虑需容纳的构件的功能和数量,但也应考虑MEMS封装的使用位置和为此所需的第二级安装。
可以简单地皿状地成形根据本发明的构件载体的内衬有载体膜的内壁,在底部区域中具有用于构件的安装面。因为大部分部件除MEMS构件以外还包括其他构件——例如用于处理传感器信号或麦克风信号的ASIC,所以在根据本发明的构件载体的内壁上除用于MEMS构件的安装面以外通常还具有其他芯片安装区域或者用于安装无源构件的区域,其具有用于电接通的连接盘和印制导线。
在根据本发明的构件载体的一个特别有利的实施方式中,皿状成形的内壁包括至少一个阶梯部(Abstufung),在所述阶梯部上构造有用于构件的安装面。这种阶梯部可以环绕地在整个内壁上延伸,或者也可以仅仅在内壁的部分区段上延伸,所述部分区段是阶梯状成形的并且在内壁的两个相对置的区段上延伸。通过所述方式,在构件载体的不同高度水平上提供芯片装备区域。由此例如可以补偿构件载体上的构件之间的厚度差,以便简化这些构件的电接通。此外,不同高度水平上的芯片装备区域布置能够实现:重叠地或者甚至上下相叠地定位多个构件,而构件表面不形成靠触式接触。这尤其是对于具有敏感结构的MEMS构件而言是重要的,因为通常应使敏感结构暴露,以便保证MEMS构件的性能。通过构件如此堆叠在根据本发明的构件载体上,与经典的“并排”安装相比,可以显著地减小MEMS封装的横向结构大小。
基于根据本发明的构件载体在一侧敞开的空心体形式的三维构型,其可以有利地用作具有用于MEMS构件的空腔的壳体的组成部分。为了封闭壳体,仅仅需要与构件载体的敞开的侧面相连接的盖部件。作为盖部件例如可以简单地使用平的壳体部件。在根据本发明的构件载体的一个有利的变型方案中,在皿状内壁的上部边缘区域中构造有至少一个优选环绕的阶梯部,用作这种盖部件的容纳部。由此简化了安装时盖部件在所装备的构件载体上的定位。此外,由此可以增大构件载体与盖部件之间的连接面,这有利于所述连接的可靠性或密封性。
MEMS构件(如压力传感器、麦克风构件和扬声器构件)需要介质进口。相应地,这种构件的壳体配备有至少一个进入开口。所述进入开口可以位于盖部件中。但根据本发明的构件载体也可以设有通孔。
通过MEMS构件的封装或壳体,给出用于MEMS封装的使用位置上的第二级安装的框架条件。在此,尤其是用于外部接通的电连接端子的布置和构型起重要作用。
如果构件载体的敞开的侧面以平的盖部件封闭并且壳体的所述侧面用作用于第二级安装的安装侧,则证实有利的是:具有印制导线的载体膜不仅在构件载体的皿状成形的内壁上延伸,而且在构件载体的表面区域上在壳体的安装侧上延伸。在此情况下,载体膜除用于构件的印制导线和接触面以外还设有用于外部电接通的连接面,使得部件的构件与外部接通之间的全部重新布线(Umverdrahtung)通过三维成形的构件载体引导。在所述变型方案中,可以使用不具有电功能而仅仅用于封闭壳体的盖部件。因为两个壳体部件在此仅须机械地彼此连接,所以结构与连接技术(AVT)在此特别简单。
替代以上描述的变型方案,根据本发明的构件载体的闭合的侧面也可以用作第二级安装的安装侧。对于所述情况,根据本发明的构件载体的复合件有利地设有电敷镀通孔(Durchkontakten),其从载体膜的接触面或印制导线起穿过包覆材料引导到复合件的外侧上。
关于在一模制方法中制造根据本发明的构件载体,载体膜应是尽可能耐热的并且可以良好地涂覆有导电材料。因此,特别是聚酰亚胺膜适合作为载体膜组成部分。
在某些应用中有意义的是对构件进行电磁屏蔽。在此,使用多层载体膜证实是有利的,其层结构包括至少一个金属层作为电磁屏蔽。
作为包覆材料优选使用模制材料,所述模制材料的热膨胀系数与构件的半导体材料的热膨胀系数相匹配。在此不存在载体膜上的印制导线或接触面的污染危险,因为模制材料在复合件制造期间也不与载体膜的前侧接触,灵敏的印制导线和接触面构造在所述前侧上或所述前侧中。
如已提到的那样,优选结合至少一个另外的壳体部件来使用根据本发明的构件载体,以便为MEMS构件提供闭合的壳体。所述另外的壳体部件可以简单地是由塑料材料构成的、平的盖部件。但如果需要MEMS构件的电磁屏蔽,盖部件也可以由金属涂覆的塑料材料、金属、半导体材料或金属涂覆的半导体材料制成。在许多应用中建议:将盖部件介质密封地与构件载体连接。构件载体与盖部件之间的这种连接例如可以简单地借助合适的粘接剂或者通过焊接连接来建立。但替代盖部件也可以使用用于封闭空腔的膜。
根据本发明的构件载体可以特别有利地应用在MEMS麦克风构件的封装的领域中。麦克风构件例如可以安装在构件载体中的用作声开口的通孔上方。前侧容积在此情况下非常小,这改进了膜片结构的声吸收,而壳体内的整个空腔可供用作背侧容积。两者都有助于良好的麦克风性能。
附图说明
如已经在前面阐述的那样,存在有利地构造和改进本发明的教导的各种可能性。为此一方面参照从属于独立权利要求的权利要求而另一方面参照以下借助附图的本发明多个实施例的描述。尽管所有实施例均涉及麦克风部件,但本发明不限于所述应用。
图1至图4分别示出麦克风部件100、200、300或400的截面图,所述麦克风部件的壳体包括根据本发明的构件载体。
具体实施方式
在图1中示出的麦克风部件100包括MEMS麦克风构件10,在所述MEMS麦克风构件10的前侧中构造有膜片结构11,所述膜片结构覆盖构件背侧中的空洞12。MEMS麦克风构件10设置在壳体120中,所述壳体120包括两个壳体部件,即用于第一级AVT的、具有在一侧敞开的空心体形式的构件载体130以及用于封闭壳体120的、位于麦克风部件100的安装侧上的、平的壳体盖40。构件载体130是复合件,其基本上由在其造型方面柔性的、三维成形的载体膜131和包覆材料132组成,所述包覆材料在一侧成型在载体膜131上,使得载体膜131设置在构件载体130的内壁上。皿状内壁的底部区域用作MEMS麦克风构件10和另一半导体构件(在此为用于处理麦克风信号的ASIC51)的安装面。所述构件10和51的电接通通过引线键合61和通过载体膜131上或载体膜131中的接触面和绝缘的印制导线来实现。
在构件载体130中构造有通孔133,其用作声开口。MEMS麦克风构件10以其背侧压力密封地安装在声开口133上方,从而通过背侧的空洞12向膜片结构11施加声压。构件背侧与构件载体130之间的连接在此通过粘接来建立,但也可以通过平面的焊接产生。也可以考虑:MEMS麦克风构件10以膜片结构11倒装在声开口133上方。
在构件载体130的皿状内壁的上边缘区域中成形环绕的阶梯部作为用于平的壳体盖40的容纳部134。壳体盖40压力密封地与构件载体130连接,使得壳体120内的空腔形成MEMS麦克风构件10的背侧容积70。两个壳体部件130和40的连接例如可以通过粘接或激光焊接来建立。
载体膜131不仅在具有上边缘区域中的阶梯部134的皿状内壁上延伸而且还延伸至构件载体130的表面区域上,所述表面区域与平的壳体盖40一起形成用于部件100的第二级安装的安装面。载体膜131上或载体膜131中的绝缘的印制导线引导至如下表面区域中:在所述表面区域中在载体膜131上具有用于部件10的外部电接通的连接接触部135。根据第二级安装工艺,连接接触部135可以实施为LGA(Land-Grid-Array:接点栅格阵列)接点,或者也可以准备用于BGA(Ball-Grid-Array:球形栅格阵列)AVT。
构件载体130的载体膜131起初在其造型方面应是柔性的并且是热稳定的。例如聚酰亚胺膜满足这些前提条件。当构件应被电磁屏蔽时,则推荐使用具有用于电磁屏蔽的、彼此绝缘的金属层的多层膜和电印制导线或者接触面。优选地,作为包覆材料使用模制材料,例如具有SiO2填充材料的环氧材料。作为用于壳体盖的原料,考虑塑料、金属涂覆的塑料或者金属。当由金属构成或具有金属的壳体盖借助导电粘接或焊接接触连接到麦克风电路上时,其有助于麦克风构件的电磁屏蔽。
在图1示出的麦克风部件100中,尽管存在构件载体130中的介质进口133,但MEMS构件100的灵敏结构受到良好保护以免杂质在部件100的第二级安装时侵入,因为声开口133设置在与壳体120的安装侧相对置的侧面上。这样,在回流焊中产生的蒸汽或沉淀物不能直接到达MEMS构件10的灵敏的微机械结构。
在与图1中所示相同的壳体形状和构件布置中,替换地,声开口也可以构造在麦克风部件的安装侧上的平的壳体盖中。在此情况下,声通过壳体内的空腔到达麦克风膜片上。MEMS麦克风构件的背侧容积限于膜片结构与构件载体的闭合内壁之间的空洞。
在图2中示出的麦克风部件200包括——如在图1中示出的麦克风部件100那样——壳体220中的MEMS麦克风构件10,所述壳体由三维成形的复合件和平的壳体盖40组成,所述复合件作为构件载体230由载体膜231和包覆材料232构成。MEMS麦克风构件10压力密封地安装在构件载体230的皿状内壁的底部区域中的声开口233上方,使得膜片结构11下方的空洞12与构件载体230中的声开口233直接连接。平的壳体盖40平齐地置于构件载体230的皿状内壁的上边缘区域中并且压力密封地与所述上边缘区域连接,以便封闭壳体220并且由此封闭MEMS麦克风构件10的背侧容积。
在构件载体230的皿状内壁中构造有阶梯部236,其——与麦克风部件100不同——不用作壳体盖40的容纳部,而是用作ASIC52的安装面。即ASIC52设置在壳体220内相对于MEMS构件10错开的高度水平上。由此可以补偿构件10与52之间的厚度差,这简化了构件10与52之间的键合连接62的制造。此外,通过构件载体230的载体膜231上的绝缘的印制导线和接触面来实现两个构件10和52的电接通。如同在麦克风部件100的情况中那样,载体膜231不仅在构件载体230的皿状内壁上的芯片安装区域上延伸而且也延伸至构件载体230的表面区域上,所述表面区域与平的壳体盖40一起形成用于部件200的第二级安装的安装面。在此,构件10、52与麦克风部件200的安装侧上的外部电接通之间的重新布线也仅仅通过构件载体230或者构件载体230的设有相应印制导线和连接接触部235的载体膜231来实现。平的壳体盖40在此不起作用。
具有不同高度水平上的芯片安装面的、三维成形的构件载体——如在图2中示出的那样——提供了如下可能性:替代“并排”布置实现了多个构件的重叠的或者甚至堆叠的布置。由此可以显著降低具有多个构件的部件的面积需求。
在图3中示出了具有这种构件布置的麦克风部件300。麦克风部件300也包括壳体320中的MEMS麦克风构件10,所述壳体由作为构件载体330的、三维成形的复合件和平的壳体盖40组成。如同在以上描述的实施例中那样,MEMS麦克风构件10压力密封地安装在构件载体330的皿状内壁的底部区域中的声开口333上方,使得膜片结构11下方的空洞12与构件载体330中的声开口333直接连接。
在MEMS麦克风构件10上面,在构件载体330的皿状内壁中构造有阶梯部336,其用作ASIC53的安装面。阶梯部336可以是环绕的或者仅仅位于内壁的两个相对置的区段上。在任何情况下,仅仅ASIC芯片53的外边缘置于构件载体330的安装面336上,使得ASIC53在此设置在MEMS麦克风构件10上方并且与其间隔开。在构件10和53之间不存在界面接触的情况下,所述堆叠方式不损害MEMS麦克风构件10的性能。
当ASIC芯片53压力密封地安装在环绕的安装面336上时,MEMS麦克风构件10的背侧容积限于MEMS麦克风构件10与ASIC芯片53之间的空间。否则,即当ASIC芯片53安装在构件载体330的内壁中的两个相对置的阶梯部336上时,背侧容积——如在麦克风部件200的情况下那样——由平的壳体盖40封闭,所述壳体盖压力密封地并且齐平地与构件载体330的皿状内壁的上边缘区域连接。
在麦克风部件300的情况下,也仅仅通过构件载体330来实现构件10、53与安装侧上的外部电接通之间的重新布线。相应地,载体膜331不仅设有用于第一级AVT的绝缘的印制导线和接触面而且设有用于第二级AVT的连接接触部335。它在构件载体330的皿状内壁上的芯片安装区域上延伸直至构件载体330的表面区域上,所述表面区域与平的壳体盖40一起形成用于部件300的第二级安装的安装面。
在图4中同样示出了具有MEMS麦克风构件10和ASIC芯片54的堆叠布置的麦克风部件400。所述部件400的壳体420包括作为构件载体430的复合件,其如同麦克风部件300的构件载体330那样皿状地成形有环绕的阶梯部436。在麦克风部件400的情况下,ASIC芯片54位于构件载体430的皿状内壁的闭合的底部区域上。在ASIC芯片54上方并且与其间隔开地,MEMS构件10安装在构件载体430的内壁的阶梯部436上。在此构件背侧环绕地、压力密封地与构件载体430连接。
在此,通过声可穿透的膜440进行声施加,所述膜替代壳体盖施加在所装备的构件载体430的敞开的侧面上。它用作膜片并且有助于改进麦克风性能。此外,它保护构件载体430上的构件10和54以免受外部影响和环境影响。这种膜可以层压、压印、焊接或者也可以粘接在构件载体430上。在所述结构中,背侧容积70限于膜片结构11与构件载体530的内壁的封闭的底部区域之间的空间。
因为麦克风部件400通过构件载体430的闭合的侧面安装在其使用位置上,所以具有用于第一级AVT的绝缘的印制导线和电接触面的载体膜431仅仅在底部区域中的芯片安装区域上以及在构件载体435的内壁的环绕的阶梯部435上延伸。对于第二级安装范畴内的麦克风部件400的电接通,构件载体430设有电敷镀通孔437,其从载体膜431上或载体膜431中的接触面或印制导线起穿过包覆材料432朝着电连接接触部435引导至复合件430的外侧上。
Claims (16)
1.构件载体(130),尤其是用于MEMS构件(10)的构件载体,其被安装在壳体(120)的空腔中并且被电接通,
其特征在于,
所述构件载体(130)被实现为在一侧敞开的空心体形式的复合件,
所述复合件(130)基本上由在其造型方面柔性的、三维成形的载体膜(131)和包覆材料(132)形成,所述包覆材料在一侧成型在所述载体膜(131)上,使得所述载体膜(131)设置在所述构件载体(130)的内壁上,
在具有所述载体膜(131)的内壁上构造有用于至少一个构件(10,51)的至少一个安装面,以及
所述载体膜(131)设有用于所述至少一个构件(10,51)的电接通的接触面和绝缘的印制导线。
2.根据权利要求1所述的构件载体(230),其特征在于,具有所述载体膜(231)的内壁皿状地成形有至少一个阶梯部(236),使得在所述内壁的不同水平上构造有安装面。
3.根据权利要求1或2所述的构件载体(130),其特征在于,所述内壁在上部边缘区域中皿状地成形有至少一个阶梯部(134),所述至少一个阶梯部用作用于容纳一盖部件(40)的容纳部。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的构件载体(130),其特征在于,在所述复合件(130)中构造有一通孔(133),其用作所述MEMS构件(10)的介质进口。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的构件载体(430),其特征在于,所述复合件(430)设有电敷镀通孔(437),所述电敷镀通孔从所述载体膜(431)的接触面或印制导线起穿过所述包覆材料(432)引导到所述复合件(430)的外侧上。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的构件载体(130),其特征在于,所述载体膜(131)包括聚酰亚胺膜。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的构件载体,其特征在于,所述载体膜由多个层组成,并且所述载体膜的层结构包括至少一个金属层,所述至少一个金属层用作所述至少一个构件的电磁屏蔽。
8.用于制造构件载体、尤其是根据权利要求1至7中任一项所述的构件载体的方法,所述构件载体具有在一侧敞开的空心体的形式,
其中,使用至少一个第一模制模具件,其确定所述内壁的形状,并且所述至少一个模制模具件的形状相应于所述构件载体的内壁的所追求的三维形状,以及
其中,使用至少一个第二模制模具件,其确定所述构件载体的外侧的形状,
其特征在于,将一载体膜置于所述第一模制模具件中,以及通过流入的模制流使所述载体膜贴合模具形状,使得所述载体膜在所述模制材料硬化之后至少局部地覆盖所述构件载体的内壁。
9.用于制造构件载体、尤其是根据权利要求1至7中任一项所述的构件载体的方法,所述构件载体具有在一侧敞开的空心体的形式,
其特征在于,
首先产生具有在一侧敞开的空心体形式的塑料成形件,
随后将一载体膜施加到所述内壁上,尤其是粘接到所述内壁上。
10.根据权利要求9所述的方法,其特征在于,通过流体流的作用、尤其是通过吸或吹将所述载体膜成型在所述内壁上。
11.部件(100),其至少包括:
具有至少一个敏感结构(11)的MEMS构件(10),以及
具有空腔的壳体(120),所述MEMS构件(10)设置在所述空腔中,
其特征在于,所述部件具有根据权利要求1至7中任一项所述的构件载体(130),所述构件载体用作壳体部件。
12.根据权利要求11所述的部件(100),其特征在于,所述构件载体(130)的载体膜(131)延伸至所述壳体(120)的安装侧上并且设有用于所述部件(100)的外部接通的电连接端子(135)。
13.根据权利要求11或12所述的部件(300),其特征在于,所述构件载体(330)的内壁皿状地分阶梯并且具有不同水平上的多个安装面,至少一个另外的构件(53)设置在所述MEMS构件(10)的上方或下方,其方式是,所述至少一个另外的构件机械地固定在至少一个相应的安装面上并且电接通。
14.根据权利要求11至13中任一项所述的部件(100),其特征在于,所述壳体(120)包括用于封闭所述空腔的盖部件(40),所述盖部件(40)由塑料材料、金属涂覆的塑料材料、金属、半导体材料或金属涂覆的半导体材料制成,并且所述盖部件(40)与所述构件载体(130)介质密封地连接。
15.根据权利要求11至14中任一项所述的部件(400),其特征在于,所述壳体(420)包括用于封闭所述空腔的膜(440)。
16.根据权利要求11至15中任一项所述的部件(400),所述部件具有至少一个MEMS麦克风构件(10)、MEMS扬声器构件或MEMS压力传感器构件。
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