DE102005054177B4 - Verfahren zum Herstellen einer Vielzahl von gehäusten Sensormodulen - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum Herstellen einer Vielzahl von gehäusten Sensormodulen (11, 51), mit folgenden Schritten: Anordnen einer Mehrzahl von Sensorchips (21, 57), von denen jeder eine druckempfindliche aktive Fläche (26, 61) aufweist, und einer Mehrzahl von Signalverarbeitungs-Chips (23, 59) jeweils nebeneinander auf einer Oberseite eines Trägersubstrats (13, 53); Herstellen einer elektrischen Verbindung jeweils von einem der Mehrzahl von Signalverarbeitungs-Chips (23, 59) zu einem Kontakt (55a) an einer Unterseite des Trägersubstrats (55); Anbringen einer Mehrzahl von Trennelementen (69) zum Freihalten jeweils eines Ausnehmungsbereichs (17) der druckempfindlichen aktive Flächen (26, 61) von dem Verguss-Material (15, 71); Aufbringen des Verguss-Materials (15, 71) jeweils auf der Oberseite des Trägersubstrats (13, 53), wobei die Höhe des Verguss-Materials (15, 71) die des Trennelements (69) nicht übersteigt, um ein durchgehendes Verguss-Material (15, 71) zu erhalten, das die Oberseite des Trägersubstrats (13, 53) und den Signalverarbeitungs-Chip (23, 59) bedeckt und mit den beiden in mechanischem Kontakt...

Description

  • Immer häufiger werden Sensoren, wie z. B. optische Sensoren, die z. B. LEDs oder Photodioden aufweisen, in speziellen Gehäusetechnologien ausgeführt, um einer Lichtwelle bzw. einem Lichtstrahl einen einfachen Zugang zu einem Sensorelement in dem Gehäuse zu ermöglichen. Auch akustische Sensoren, wie z. B. Mikrophone, bei denen eine Schallwelle möglichst ungehindert auf einem Sensorelement auftreffen soll, oder Drucksensoren, bei denen sich ein Druck bzw. eine Druckänderung möglichst ungehindert zu einem Sensorelement in einem Gehäuse ausbreiten soll, werden ebenfalls in speziellen Gehäusetechnologien ausgeführt.
  • Ein Artikel von M. Müllenborn et. al. auf der EUROSENSORS XIV, 27.–30. August, 2000, Kopenhagen, Dänemark erläutert einen Aufbau von gestapelten Silizium-Mikrophonen. Bei den gestapelten Silizium-Mikrophonen wird ein Mikrophon-Chip „kopfüber” auf einem Trägerchip aufgebracht, der als Substrat dient. Die Kontakte des Mikrophon-Chips sind hierbei auf einer dem Trägerchip abgewandten Oberfläche des Mikrophon-Chips angeordnet. Anschließend wird mittels eines Chip-to-Wafer-Bondings (Chip-to-Wafer-Bonding = Chip-zu-Wafer-Verbinden) oder eines Wafer-to-Wafer-Bondings (Wafer-to-Wafer-Bonding = Wafer-zu-Wafer-Verbinden) ein Interconnect-Chip (Interconnect-Chip = Durchverbindungs-Chip) auf dem Mikrophon-Chip aufgebracht. Der Interconnect-Chip weist dabei eine Ausnehmung auf, durch die sich eine Schallwelle ausbreiten kann. Danach wird auf dem Interconnect-Chip ein ASIC (ASIC = application specific integrated circuit = Applikations-Spezifischer-Integrierter-Schaltkreis) z. B. mittels eines Chip-to-Wafer-Bondings aufgebracht, der die Signale von dem Mikrophon-Chip verarbeitet. Ebenfalls wird auf dem Interconnect-Chip ein Schalleinlassrohr aufgebracht, so dass sich eine Schallwelle von der Umgebung durch die Ausnehmung in dem Interconnect-Chip zu einer Membran auf dem Mikrophon-Chip ausbreiten kann. Der so erzeugte Aufbau wird abschließend mit einem leitfähigen Polymer besprüht, so dass die dabei gebildete Ummantelung einen mechanischen Schutz und eine elektromagnetische Abschirmung bildet.
  • Nachteilhaft ist jedoch an diesem Herstellungsverfahren, bei dem die Silizium-Chips „kopfüber” so auf einem Trägersubstrat aufgebracht werden, dass ihre Kontakte auf einer dem Trägerchip abgewandten Oberfläche angeordnet sind, dass damit die Herstellungskosten sehr hoch sind. Denn bei diesen sogenannten Chip-Size-Packages (Chip-Size-Package = Chip-Größe-Gehäuse), die mittels eines Chip-Bondens hergestellt werden, bilden die Silizium-Chips selbst das Gehäuse, und die Positionen der Kontakte an den Chips sowie die Positionen der Durchkontaktierungen in dem Interconnect-Chip und somit das Layout müssen individuell für jeden so implementierten Mikrophontyp angepasst werden.
  • Daher sind auch die Entwicklungskosten für ein gestapeltes Silizium-Mikrophon sehr hoch und ein so implementiertes Mikrophon weist eine sehr geringe Flexibilität in seinem Gehäusedesign bzw. der Auslegung der Gehäuseabmessungen auf. Denn für jedes elektrische Gerät, das ein derartiges Mikrophon einsetzt, und spezielle Anforderungen an die Abmessungen des Mikrophons stellt, müssen jeweils der Mikrophon-Chip und der Interconnect-Chip hinsichtlich des Layouts angepasst werden.
  • Die WO 02/45463/A2 zeigt ein mikromechanisches Silizium-Mikrophon, dessen Package (Package = Gehäuse) unter Verwendung eines Substrats in Kombination mit einem Deckel hergestellt ist. Das Substrat dient dabei als Träger bzw. Trägersubstrat für einen oder mehrere Silizium-Chips, während der Deckel das Bauteil von der Umwelt abschirmt. In dem Substrat oder im Deckel wird dabei als Schalleinlass eine Öffnung vorgesehen. In dem so gebildeten Gehäuse werden ein Silizium-Kondensator-Mikrophon und ein Verstärker-Chip angeordnet.
  • Ein Artikel von J. Bergqvist, und F. Rudolf auf der Sensors and Actuators, A45, 1994 beschäftigt sich auf den Seiten 115–124 mit Silizium-Kondensator-Mikrophonen, die Bond-Technologien und Rückseiten-Ätz-Technologien einsetzen. Dabei ist ein Mikrophon-Chip mit einer druckempfindlichen Membran und einer akustisch transparenten Rückplatte in einem Gehäuse angeordnet. Das Gehäuse besteht aus einer Leiterplatte mit einem Druckeinlass und einer Metallkappe.
  • Nachteilhaft ist an den so implementierten Silizium-Kondensator-Mikrophonen der erhöhte Materialbedarf für den Deckel und das Trägersubstrat bzw. die Leiterplatte sowie der erhöhte Platzbedarf, der einen flexiblen Einsatz des Mikrophons in platzkritischen Anwendungen erschwert. Zwar können bei diesem Konzept mehrere Prozessschritte parallel ausgeführt werden, dennoch ist der Schutz der Silizium-Chips bzw. des Silizium-Mikrophons mit einem erhöhten Aufwand und Kosten verbunden, da dieser häufig in zwei Verfahrenschritten ausgeführt wird. Dabei werden nämlich zuerst die korrosionsanfälligen Strukturen vergossen, und anschließend ein Deckel als Schutz gegen mechanische Einflüsse aufgebracht
  • Die DE 103 03 263 A1 zeigt ein Sensormodul. Das Sensormodul besteht aus einem Mikrophon-Chip, der in einem Gehäuse angeordnet ist, das aus einem Gehäusedeckel und einem Trägermaterial gebildet ist. Das Gehäuse ist mittels einer Lotverbindung auf einer Leiterplatte aufgebracht. Das Gehäuse weist in dem Trägermaterial eine Schalleintrittsöffnung auf, die einem Loch in der Leiterplatte gegenüberliegt.
  • Auch dieser Aufbau eines Sensormoduls weist die Nachteile eines hohen Materialbedarfs für die Leiterplatte und den Deckel, eines erhöhten Prozessierungsaufwands und eines hohen Platzbedarfs für das so implementierte Mikrophon auf.
  • Ein Artikel von Dr. M. Füldner und Dr. A. Dehè auf der zwölften GNA/ITG-Fachtagung Sensoren und Messsysteme 2004, Ludwigsburg, März 2004 mit dem Titel Mikromechanische Silizium-Mikrophone beschäftigt sich mit Silizium-Mikrophonen. Die dort erläuterten herkömmlichen Sensormodule bzw. Silizium-Mikrophone zeigen SMD-Demonstratoren, die auf einem durchkontaktierten FR4-Substrat mit einer gemoldeten bzw. mittels eines Spritzgussverfahrens hergestellten Kappe oder in einem Premold-Hohl-Gehäuse untergebracht sind. Der Schalleinlass erfolgt dabei über ein Loch auf der Unterseite bzw. in dem FR4-Substrat.
  • Nachteilhaft an diesem Aufbau des herkömmlichen Sensormoduls ist wiederum, dass das Aufbringen von Materialien, wie z. B. Verbindungsmaterialien, Vergussmassen oder dem Deckel für jedes Bauelement bzw. jedes Sensormodul während der Fertigung einzeln ausgeführt wird, was zu erhöhten Herstellungskosten führt. Auch wird das Gehäuse in aufwändiger Art und Weise hergestellt, indem ein Deckel auf einem Substrat bzw. einer Leiterplatte aufgebracht wird.
  • Gehäuse mit einem Deckel mit Schall-Loch weisen darüber hinaus den Nachteil auf, dass sich ein akustischer Resonator ausbildet. Ähnlich dem Feder-Masse-Prinzip in der Mechanik kann das Schallloch als eine akustische Masse angesehen werden und das dahinter befindliche Volumen, also das Volumen in dem Gehäuse zwischen dem Substrat und dem Deckel als akustische Feder angesehen werden. Durch die Ausbildung dieses Resonators ist die Bandbreite des Mikrophons reduziert bzw. eingeschränkt. Zugleich ist der Platzbedarf für ein derart ausgeführtes Mikrophon erhöht, da eine minimale Baugröße durch Vorhalte bzw. Toleranzen bzw. einen Abstand der Chips zu dem Deckel und eine minimale Deckelstärke bzw. Deckeldicke bestimmt ist.
  • Die DE 10005536 A1 zeigt einen Drucksensor auf einem p-Halbleitersubstrat mit einer Membran aus Polysilizium, einem CVD-Oxidfilm aus Polysilizium, das als Abschirmelektrode dient, sowie einem weiteren CVD-Oxidfilm. Des Weiteren in dem p-Halbleitersubstrat ein Schaltungsabschnitt gebildet, der u. a. einen PMOS-Transistor und einen NMOS-Transistor, die über eine Metallverdrahtung miteinander verbunden sind, aufweist. Auf dem Schaltungsabschnitt sowie auf einem Teil eines Druckwandlers, der die Membran umfasst, ist ein Passivierungsfilm ausgebildet, so dass der Passivierungsfilm nicht mit der Membran in Kontakt ist. Der Passivierungsfilm weist eine gute Beständigkeit gegenüber Feuchtigkeit und gegenüber beweglichen Ionen auf.
  • Des Weiteren lehrt die DE 10005536 A1 einen Druckdetektor mit einer Verdrahtungsplatte, einem Drucksensorchip und einem Signalverarbeitungschip. Der Sensorchip und der Signalverarbeitungschip sind in einem Kunststoffgehäuse fest angebracht, wobei sich ein Druckeinleitungsloch in dem Kunststoffgehäuse bis zu dem Drucksensor-Chip erstreckt. Auf dem Drucksensorchip und dem Signalverarbeitungschip ist ein Siliziumgel aufgebracht, um eine Oberfläche des Chips zu schützen und ein Eintreten von Verunreinigungen in den Chip zu verhindern. Zwischen dem Siliziumgel auf dem Signalverarbeitungschip und dem Siliziumgel auf dem Drucksensor-Chip ist eine Wand des Kunststoffgehäuses angeordnet. Das Siliziumgel bedeckt den Drucksensor-Chip vollständig.
  • Die US 6 534 711 B1 bezieht sich auf ein Verkapselungsgehäuse und ein Verfahren zur Häusung eines elektronischen Schaltungsmoduls. Es ist dort dargestellt, dass ein elektronisches Bauteil auf der vorderen (oberen) Oberfläche der gedruckten Schaltungsplatine angeordnet ist. Dabei ist das elektronische Bauteil beispielsweise ein Drucksensor, wobei das elektronische Bauteil nicht durch die Vergussmasse bedeckt werden soll, die die innere Kammer füllt. Zu diesem Zweck ist ein zylindrischer Damm, z. B. ein Kunststoffzylinder, um das elektronische Bauteil herum angeordnet, dessen Mittelachse senkrecht zur Oberfläche der PCB (und senkrecht zur Innenfläche des Basisabschnitts des Verkapselungsgehäuses) ausgerichtet ist und der sich nach oben bis zu einer Position erstreckt, die annähernd coplanar zum oberen Rand der inneren Seitenwand ist. Die innere und die äußere Kammer 10 werden nun anschließend mit einem Verkapselungsmaterial gefüllt, um das Verkapselungsgehäuse zu bilden.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen einer Vielzahl von gehäusten Sensormodulen zu schaffen, das eine einfachere und kostengünstigere Herstellung von Sensormodulen ermöglicht.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Herstellen gemäß Anspruch 1 gelöst.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass bei einem Sensormodul, bei dem ein Sensorchip, der eine druckempfindliche aktive Fläche aufweist, und ein Signalverarbeitungschip nebeneinander auf einer Oberseite eines Trägersubstrats angeordnet sind, ein durchgehendes Verguss-Material, das eine Oberseite des Trägersubstrats und den Signalverarbeitungs-Chip so bedeckt, dass es mit den beiden in mechanischem Kontakt ist, eine Ausnehmung aufweisen kann, so dass das Verguss-Material zumindest einen Teil der aktiven Fläche des Sensorchips nicht bedeckt.
  • Somit lassen sich Sensormodule schaffen, bei denen die auf einem Substrat fixierten Bauteile, wie z. B. Silizium-Chips oder diskrete Bauelemente auf einfache und kostengünstige Art und Weise durch ein Verguss-Material bedeckt bzw. vergossen werden, das als Korrosionsschutz und gleichzeitig als mechanischer Schutz dient. Zugleich wird jedoch eine druckempfindliche Fläche eines Sensorchips von dem Verguss-Material nicht bedeckt, so dass das Sensormodul mittels des freigelegten druckempfindlichen Bereichs weiterhin einen Druck ermitteln kann. Das erfindungsgemäß hergestellte Sensormodul ist somit einfacher und kostengünstiger zu fertigen als das herkömmliche Sensormodul. Das Verguss-Material schützt dann das Bauteil gegen Umwelteinflüsse, so dass das Verguss-Material die selben Funktionen wie ein Gehäuse übernimmt.
  • Zugleich ist ein Platzbedarf des erfindungsgemäß hergestellten Sensormoduls, das nur von einem Verguss-Material bedeckt ist, gegenüber dem herkömmlichen Sensormodul, das in einem Gehäuse aus einem Substrat und einem Deckel ausgeführt ist, reduziert. Das erfindungsgemäß hergestellte Sensormodul kann somit flexibler in elektrischen Geräten, in denen Sensormodule mit kleinen Gehäuseformen eingesetzt werden sollen, zum Einsatz kommen.
  • Darüber hinaus weist das erfindungsgemäß hergestellte Sensormodul aufgrund des geringen Gehäusevolumens eine erhöhte Bandbreite auf. Denn aufgrund des geringen Gehäusevolumens bzw. der kleinen Hohlräume bildet sich kein akustischer Resonator an dem erfindungsgemäßen Sensormodul aus, so dass die akustische Bandbreite des Sensormoduls erhöht ist.
  • Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
  • 1a ein erfindungsgemäß hergestelltes Mikrophon-Modul;
  • 1b eine Schnittansicht des in 1a gezeigten erfindungsgemäß hergestellten Mikrophon-Moduls;
  • 2a–e schematische Ansichten eines erfindungsgemäß hergestellten Mikrophon-Moduls, das nach einem Verfahren zum Herstellen gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung hergestellt wird; und
  • 3 einen Ablauf eines Verfahrens zum Herstellen eines Sensor-Moduls gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
  • 1a zeigt ein erfindungsgemäß hergestelltes Mikrophon-Modul 11 gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Mikrophon-Modul 11 weist eine Leiterplatte 13, ein Verguss-Material 15 und ein Loch 17 auf. Das Verguss-Material 15 ist auf der Oberfläche der Leiterplatte 13 angeordnet. Dabei bedeckt das Verguss-Material 13 in dem Mikrophon-Modul 11 gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung nur eine Oberseite der Leiterplatte 13, während die Seitenflächen der Leiterplatte 13 und die Unterseite von dem Verguss-Material 15 nicht bedeckt werden. Das Verguss-Material 15 steht dabei in einem mechanischen Kontakt mit der Leiterplatte 13 und haftet dabei an der Oberfläche der Leiterplatte 13.
  • In dem Verguss-Material 15 ist ein Loch 17 gebildet, das hier kreisförmig ist. Das Loch 17 ist dabei so angeordnet, dass es einer hier nicht gezeigten Membran eines hier nicht gezeigten Mikrophon-Chips gegenüberliegt. Somit können Schallwellen aus der Umgebung des Mikrophon-Moduls 11 durch das Loch 17 hindurchtreten und von der Membran des Mikrophon-Chips empfangen werden.
  • 1b erläutert eine Schnittansicht des Mikrophon-Moduls 11 hergestellt gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Auf der Leiterplatte 13 sind ein Mikrophon-Chip 21, ein Verstärker-Chip 23 und drei elektrische Kontakte 25a–c angeordnet. Der Verstärker-Chip 23 und der Mikrophon-Chip 21 sind dabei nebeneinander auf einer Oberseite der Leiterplatte 13 angeordnet.
  • Der Mikrophon-Chip 21 weist eine Membran 26 auf, die hier kreisförmig ist. Des weiteren sind zwei Bonddrähte 27a–b jeweils an einem Pad an einer Oberfläche des Verstärker-Chips 23 und des Mikrophon-Chips 21 befestigt, so dass sich die Bonddrähte von dem Mikrophon-Chip 21 zu dem Verstärker-Chip 23 erstrecken. Über die Bonddrähte 27a–b wird eine elektrische Verbindung zwischen dem Mikrophon-Chip 21 und dem Verstärker-Chip 23 erzeugt. Zugleich sind drei Bonddrähte 27c–e an den Kontakten 25a–c auf der Leiterplatte 13 und an hier nicht gezeigten Kontakt-Pads auf dem Verstärker-Chip 23 befestigt, so dass sich die Bonddrähte 27c–e von den Kontakten 25a–c auf der Leiterplatte 13 zu den Kontakt-Pads auf dem Verstärker-Chip 23 erstrecken. Über die Bonddrähte 27c–e wird jeweils eine elektrische Verbindung zwischen den Kontakten 25a–c auf der Leiterplatte 13 und den Kontakt-Pads auf dem Verstärker-Chip 23 erzeugt. Die Bonddrähte 27a–e sind dabei vollständig von dem Verguss-Material 15 umhüllt, wobei das Verguss-Material 15 mit den Bonddrähten in mechanischem Kontakt steht. Darüber hinaus bedeckt das Verguss-Material 15 die Kontakte 25a–c auf der Leiterplatte 13 und ist mit diesen ebenfalls in mechanischem Kontakt.
  • Durch das in 1a gezeigte Loch 17 in dem Verguss-Material 15 tritt eine Schallwelle ein und trifft auf die Membran 26 des Mikrophon-Chips 21. In Abhängigkeit von der Intensität der Schallwelle wird in dem Mikrophon-Chip 21 ein elektrisches Signal erzeugt, das über die Bonddrähte 27a, b an den Verstärker-Chip 23 übertragen wird. In dem Verstärker-Chip 23 wird das elektrische Signal verarbeitet bzw. gefiltert oder verstärkt und anschließend über die Bonddrähte 27c–e zu den Kontakten 25a–c auf der Leiterplatte übertragen. Zugleich kann über die Bonddrähte 27c–e eine Spannungsversorgung des Verstärker-Chips hergestellt werden.
  • Die elektrischen Kontakte 25a–c auf der Leiterplatte 13 können dabei mit weiteren hier nicht gezeigten Verstärkerstufen oder Schaltungselementen elektrisch verbunden sein, so dass das elektrische Signal, das von der Intensität des Schalls abhängt, in einem elektrischen Gerät weiterverarbeitet werden kann.
  • Dabei sind der Signalverarbeitungs-Chip 23, das Trägersubstrat 13 bzw. die Kontakte 25a–c auf dem Trägersubstrat und die Banddrähte 27a–b sowie hier nicht gezeigte Bondpads auf den Chips durch das Verguss-Material 13 gegen Umwelteinflüsse, die beispielsweise zu einer Korrosion der Kontakte führen könnten, geschützt. Ein Deckel, der den Signalverarbeitungs-Chip und das Trägersubstrat und insbesondere die Kontakte auf dem Trägersubstrat vor Umwelteinflüssen oder mechanischen Beschädigungen schützt, ist damit im Gegensatz zu dem herkömmlichen Sensormodul nicht mehr erforderlich.
  • Im Folgenden wird in den 2a–e ein Verfahren zum Herstellen eines Mikrophon-Moduls gemäß des bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung erläutert. In 2a ist dabei ein Substrat 53 mit einem Kontaktloch 55 durch das Substrat 53 hindurch gezeigt. Das Kontaktloch 55 verbindet einen Kontakt 55a an der Unterseite des Substrats 53 mit einem Kontakt 55b an der Oberseite des Substrats. Auf dem in 2a gezeigten Substrat 53 werden durch beliebige Drucktechniken Verbindungsmaterialien aufgebracht. Mittels der aufgebrachten Verbindungsmaterialien werden der Mikrophon-Chip 57 und der Verstärker-Chip 59 nebeneinander auf einer Oberseite auf dem Substrat 53 aufgebracht. Das Aufbringen kann hierbei beispielsweise mittels eines Klebens oder Lötens erfolgen. Der Mikrophon-Chip 57 weist dabei ein Substrat 60, eine Membran 61 und einen Mikrophon-Chip-Anschluss 63 auf. Der Verstärker-Chip 59 weist an seiner Oberseite elektrische Anschlüsse 65 auf. Somit entsteht der in 2b gezeigte Aufbau.
  • Anschließend werden mittels Drahtbondens elektrische Verbindungen erzeugt. Hierzu wird ein Bonddraht 67a an dem Mikrophon-Chip-Anschluss 63 und an dem Verstärker-Chip-Anschluss 65 angebracht, so dass zwischen dem Mikrophon-Chip 57 und dem Verstärker-Chip 59 über die Anschlüsse 63, 65 und den Bonddraht 67a eine elektrische Verbindung erzeugt wird. Ebenso wird ein Bonddraht 67b an dem Anschluss 65 des Verstärker-Chips 59 und an dem Kontakt 55b an der Oberseite des Substrats 53 befestigt. Somit wird eine leitende Verbindung zwischen dem Kontaktloch 55 und dem Verstärker-Chip 59 über den Anschluss 65, den Bonddraht 67b und den Kontakt 55b erzeugt. Hierdurch entsteht der in 2c gezeigte Aufbau.
  • Danach wird auf dem Substrat des Mikrophons 60 ein viskoses, dispensiertes Schutzdamm-Material aufgebracht. Das Schutzdamm-Material wird anschließend im Rahmen eines Temperaturschritts bzw. eines Aushärtens verfestigt. Somit entsteht ein Schutzdamm, der die Membran 61 bzw. die Sensorfläche des Mikrophon-Chips 60 lateral einfasst. Der so erzeugte Aufbau ist in 2d gezeigt.
  • Anschließend wird auf dem Substrat 53, dem Verstärker-Chip 59 und dem Mikrophon-Chip 57 ein Verguss-Material 71 aufgebracht. Das Verguss-Material 71 wird dabei so aufgebracht, dass es den von dem Schutzdamm 69 eingefassten Bereich, in dem die Membran 61 angeordnet ist, nicht bedeckt. Beim Aufbringen des Verguss-Materials 71 wird dabei das Substrat 53 vorzugsweise bis zu der Höhe des Damms mit einem bevorzugt niedrig viskosen Material bzw. dem Verguss-Material 71 aufgegossen, so dass das Verguss-Material 71 mit der Oberseite des Substrats 53 und dem Verstärker-Chip 59 in mechanischem Kontakt steht. Dabei bedeckt das Verguss-Material 71 die Oberseite des Substrats 53, den Verstärker-Chip 59 und den Mikrophon-Chip 57 mit Ausnahme der aktiven Fläche 61.
  • Anschließend wird das Verguss-Material 71 in einem Temperaturschritt bzw. einem Schritt des Aushärtens bei erhöhter Temperatur verfestigt. Das Verguss-Material 71 schützt somit die Silizium-Chips 57, 59, also den Mikrophon-Chip 57 und den Verstärker-Chip 59, lässt aber zugleich infolge der lateralen Eindämmung durch den Schutzdamm 69 die Membran 61 frei. Der so erzeugte Aufbau des Mikrophon-Moduls 51 ist in 2e gezeigt.
  • Durch das hier verwendete Herstellungsverfahren gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung werden gegenüber den herkömmlichen Mikrophonen geringere bzw. minimale Baugrößen erreicht, da sowohl lateral als auch in der Höhe die in den herkömmlichen Mikrophonen vorhandenen Vorbehalte eingespart werden können. Darüber hinaus kann das in den 2a–e gezeigte Herstellungsverfahren gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kostengünstig mit den Techniken der sogenannten COB-Technik (COB-Technik = Chip-on-Board-Technik = Chip-auf-Leiterplatte-Technik) parallel an mehreren Bauelementen durchgeführt werden, wodurch sich die Herstellungskosten senken lassen.
  • 3 erläutert ein Herstellungsverfahren für ein Sensormodul gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. In einem Schritt S11 werden dabei ein Sensorchip mit einer druckempfindlichen aktiven Fläche, wie z. B. einer Membran, und ein Signalverarbeitungs-Chip nebeneinander auf einer Oberseite eines Trägersubstrats angeordnet. Anschließend wird in einem Schritt S13 ein Trennelement auf dem Sensorchip, dem Signalverarbeitungschip oder dem Substrat bzw. dem Trägersubstrat aufgebracht. Das Trennelement wird dabei so angeordnet, dass es einen Ausnehmungsbereich, der in einem anschließenden Schritt nicht mit einem Verguss-Material bedeckt werden soll, und die druckempfindliche aktive Fläche aufweist, von einem Bereich trennt, der mit dem Verguss-Material bedeckt werden soll.
  • Danach wird in einem Schritt S15 das Verguss-Material auf der Oberseite des Trägersubstrats und dem Signalverarbeitungs-Chip aufgebracht, wobei in dem Ausnehmungsbereich der ja durch das Trennelement separiert bzw. abgetrennt wird, kein Verguss-Material aufgebracht wird. Das Verguss-Material kann dabei auch eine Oberfläche des Sensor-Chips bedecken. Dann wird in einem Schritt S17 das Verguss-Material ausgehärtet. Der Schritt des Aushärtens kann hierbei z. B. durch einen Temperaturschritt durchgeführt werden.
  • In obigen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung ist in 1b ein Sensor-Modul als ein Mikrophon-Modul ausgeführt. Jedoch sind beliebige druckempfindliche Sensormodule hierzu Alternativen. Des weiteren ist in dem Mikrophon-Modul 11 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ein Mikrophon-Chip mit einer Membran 26 angeordnet. Jedoch sind hierzu beliebige druckempfindliche Chips mit einer druckempfindlichen aktiven Fläche Alternativen. In dem Mikrophon-Modul 11 gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beträgt die Zahl der Bonddrähte zwischen dem Verstärker und dem Mikrophon 2, jedoch sind beliebige Anzahlen der Bonddrähte zwischen dem Verstärker-Chip und dem Mikrophon-Chip hierzu Alternativen. Auch könnte in dem Mikrophon-Modul gemäß der vorliegenden Erfindung der Verstärker-Chip 23 ein beliebiger Signalverarbeitungs-Chip sein. Des weiteren könnte der Verstärker-Chip 23 in dem Mikrophon-Modul gemäß der vorliegenden Erfindung über eine beliebige Anzahl an Bonddrähten mit einer beliebigen Anzahl an Kontakten auf der Leiterplatte 13 verbunden sein.
  • In dem Mikrophon-Modul 11 gemäß der vorliegenden Erfindung beträgt die Anzahl der Kontakte der Leiterplatte 13 drei und die Anzahl der Banddrähte zwischen den Kontakten auf der Leiterplatte und dem Verstärker-Chip 23 ebenfalls drei. Jedoch sind beliebige Anzahlen der Kontakte auf der Leiterplatte und der Banddrähte zwischen den Kontakten auf der Leiterplatte und dem Verstärker-Chip 23 hierzu Alternativen.
  • In dem Herstellungsverfahren gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung werden bevorzugt bei großflächigen Substraten mit vielen Bauelementen Verbindungsmaterialien mittels sogenannter Drucktechniken aufgebracht. Jedoch sind beliebige Verfahren zum Aufbringen der Verbindungsmaterialien hierzu Alternativen. Auch könnten in dem Herstellungsverfahren gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung alternativ zu dem Mikrophon-Chip ein beliebiger druckempfindlicher Sensor-Chip und alternativ zu dem Verstärker-Chip ein beliebiger Signalverarbeitungs-Chip aufgebracht werden.
  • Des weiteren könnte in dem Mikrophon-Modul 11 gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung alternativ hierzu noch eine beliebige Anzahl an weiteren Chips oder diskreten Bauelementen auf dem Substrat 53 aufgebracht werden. Außerdem könnte in dem Mikrophon-Modul 11 gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung auch der Mikrophon-Chip bzw. der Sensor-Chip weggelassen werden, und statt dessen z. B. auf dem Verstärker-Chip 23 oder auf der Leiterplatte 13 ein Sensorbereich angeordnet werden.
  • Auch könnten in dem Herstellungsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung der Mikrophon-Chip und der Verstärker-Chip nicht durch ein Kleben oder Löten mittels Verbindungsmaterialien auf dem Substrat 53 aufgebracht werden, sondern z. B. mittels einer Flip-Chip-Technik z. B. an einem Lothügel auf dem Substrat 53 mechanisch fixiert werden. Anschließend könnten dann an den Anschlüssen 63, 65 wiederum Bonddrähte angebracht werden, um den Verstärker-Chip mit dem Kontaktloch elektrisch zu verbinden, oder die Kontaktierung der Chips 57, 59 könnte ebenfalls über die in der Flip-Chip-Technik realisierten Verbindungen zwischen dem Substrat 53 und den Chips 57, 59 erfolgen. Vorzugsweise wird dann bei einem anschließenden Aufbringen des Verguss-Materials 71 der Flip-Chip-Kontakt auf dem Substrat 53 bzw. der Lötkontakt auf dem Trägersubstrat durch das Verguss-Material bedeckt, so dass das Verguss-Material 71 mit dem Flip-Chip-Kontakt in mechanischem Kontakt steht.
  • Bei dem Herstellungsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung ist der Schutzdamm 69 vorzugsweise aus einem anderen Material ausgeführt als das Verguss-Material 71. Jedoch könnten der Schutzdamm 69 und das Verguss-Material 71 aus dem selben Material ausgeführt sein, wobei zuerst das Material des Schutzdamms 69 aufgebracht werden würde, anschließend ausgehärtet würde, und dann das Verguss-Material 71 aufgebracht werden würde. Der Schutzdamm 69 kann dabei z. B. aus einem Silikon-Material bestehen, jedoch sind beliebige Materialien hierzu Alternativen. Als Verguss-Materialien können vorzugsweise Silikone oder Epoxidharze eingesetzt werden, jedoch sind beliebige Materialien hierzu Alternativen.
  • Das Verguss-Material in dem Mikrophon-Modul gemäß der vorliegenden Erfindung weist vorzugsweise einen Viskositätswert auf, der unterhalb einer Viskosität von 100 Pa·sec bzw. 100 Pascal mal Sekunde liegt, jedoch sind beliebige Werte der Viskosität des Verguss-Materials hierzu Alternativen.
  • In den in 2c–d dargestellten Verfahrensschritten eines Herstellungsverfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung wird der Schutzdamm 69 aufgebracht, um die Sensorfläche bzw. die Membran 61 vor einem Bedecken durch das Verguss-Material 71 zu schützen. Jedoch könnte alternativ hierzu eine aufgeklebte oder angedrückte Hohlform oder ein Stempel mit dem in 2c gezeigten Aufbau so in Kontakt gebracht werden, dass die Sensorfläche nicht durch das Verguss-Material bedeckt wird. Der Stempel würde dann nach dem Aufbringen des Verguss-Materials oder nach dem Aushärten wieder abgezogen werden. Eine mit dem in 2c gezeigten Aufbau in Kontakt gebrachte Hohlform könnte auch alternativ anschließend als Stutzen auf dem Sensor verbleiben, um die Grenzen des Schalleinlasses in dem Mikrophon-Modul 51 zu bilden.
  • In dem Herstellungsverfahren gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird ein einziges druckempfindliches Sensormodul gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung hergestellt. Jedoch könnten alternativ hierzu auch auf einem großflächigen Substrat eine beliebige Anzahl von Mikrophon-Chips 57 und Verstärker-Chips 59 nebeneinander ausgeführt sein, so dass sich in mehreren nebeneinander angeordneten Abschnitten des Substrats 53 der in 2a gezeigte Aufbau ergibt. Die in 2a–e gezeigten Verfahrensschritte könnten dann an den auf dem großflächigen Substrat nebeneinander angeordneten Bereichen bzw. Abschnitten parallel ausgeführt werden, wobei auch das in den 2d–e gezeigte Aufbringen des Verguss-Materials parallel an mehreren Bauelementen durchgeführt werden könnte.
  • In diesem Fall würde in einem abschließenden Fertigungsschritt das Substrat entsprechend den Bauteilabmessungen bzw. den Abmessungen der jeweiligen Sensor-Module vereinzelt werden. Das Vereinzeln könnte dabei über ein Sägen oder Fräsen erfolgen. Jedoch sind beliebige Verfahren zum Vereinzeln von elektrischen Bauteilen hierzu Alternativen. Vorzugsweise wird dabei das Substrat 53 bei dem Vereinzeln der Bauteile, wenn dies durch ein Sägen des Wafers erfolgt, „kopfüber” auf einer Sägefolie aufgebracht, so dass die Sensorfläche beim Sägen geschützt ist.
  • Auf dem in 2e gezeigten Sensor-Modul 51 gemäß der vorliegenden Erfindung könnte alternativ nach dem Verguss bzw. dem Aufbringen des Verguss-Materials 71 noch eine schalldurchlässige Schicht über der Membran 61 bzw. eine durchlässige Schicht, wie z. B. eine gelochte Platte, eine Folie oder ein Filz aufgebracht werden. Somit wäre die Membran 61 in dem Mikrophon-Modul 51 gemäß der vorliegenden Erfindung gegen äußere Einflüsse geschützt.
  • In dem in 1a gezeigten Mikrophon-Modul 11 gemäß der vorliegenden Erfindung ist die Leiterplatte 13 vorzugsweise aus einem Kunststoff-Material ausgeführt. Hoch bevorzugter wird dabei ein kostengünstiges organisches Leiterplattensubstrat mit z. B. einem FR4-Material eingesetzt. Jedoch sind beliebige Materialien, aus denen die Leiterplatte bzw. das Trägersubstrat ausgeführt werden kann, hierzu Alternativen. Das in 1a gezeigte Mikrophon-Modul gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung weist vorzugsweise eine obere Grenzfrequenz auf, die in einem Bereich von 25 kHz bis 100 kHz liegt. Jedoch sind beliebige obere Grenzfrequenzen des Mikrophon-Moduls 11 hierzu Alternativen.
  • Bezugszeichenliste
    • 11
    Mikrophon-Modul
    13
    Leiterplatte
    15
    Verguss-Material
    17
    Loch
    21
    Mikrophon-Chip
    23
    Verstärker-Chip
    25a–c
    elektrische Kontakte auf der Leiterplatte
    26
    Membran
    27a–b
    Bonddraht zwischen Verstärker-Chip und Mikrophon-Chip
    27c–e
    Bonddrähte zwischen Kontakten auf der Leiterplatte und dem Verstärker-Chip
    51
    Mikrophon-Modul
    53
    Substrat
    55a
    Kontakt an der Unterseite
    55
    Kontaktloch
    55b
    Kontakt an der Oberseite
    57
    Mikrophon-Chip
    59
    Verstärker-Chip
    60
    Substrat des Mikrophon-Chips
    61
    Membran
    63
    Anschluss an dem Mikrophon-Chip
    65
    Anschluss des Verstärker-Chips
    67a
    Bonddraht zwischen Mikrophon-Chip und Verstärker-Chip
    67b
    Bonddraht zwischen Kontakt und Verstärker-Chip-Anschluss
    69
    Schutzdamm
    71
    Verguss-Material

Claims (13)

  1. Verfahren zum Herstellen einer Vielzahl von gehäusten Sensormodulen (11, 51), mit folgenden Schritten: Anordnen einer Mehrzahl von Sensorchips (21, 57), von denen jeder eine druckempfindliche aktive Fläche (26, 61) aufweist, und einer Mehrzahl von Signalverarbeitungs-Chips (23, 59) jeweils nebeneinander auf einer Oberseite eines Trägersubstrats (13, 53); Herstellen einer elektrischen Verbindung jeweils von einem der Mehrzahl von Signalverarbeitungs-Chips (23, 59) zu einem Kontakt (55a) an einer Unterseite des Trägersubstrats (55); Anbringen einer Mehrzahl von Trennelementen (69) zum Freihalten jeweils eines Ausnehmungsbereichs (17) der druckempfindlichen aktive Flächen (26, 61) von dem Verguss-Material (15, 71); Aufbringen des Verguss-Materials (15, 71) jeweils auf der Oberseite des Trägersubstrats (13, 53), wobei die Höhe des Verguss-Materials (15, 71) die des Trennelements (69) nicht übersteigt, um ein durchgehendes Verguss-Material (15, 71) zu erhalten, das die Oberseite des Trägersubstrats (13, 53) und den Signalverarbeitungs-Chip (23, 59) bedeckt und mit den beiden in mechanischem Kontakt ist, und zumindest einen Teil der aktiven Fläche (26, 61) des Sensorbereichs freilässt, Aushärten des Verguss-Materials (15, 71); und Vereinzeln des Trägersubstrats (13, 53) in eine Mehrzahl von Sensormodulen (11, 51), wobei jedes Sensormodul (11, 51) einen Signalverarbeitungs-Chip (23, 59) und einen Sensorchip (21, 57) aufweist.
  2. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei das Verguss-Material (15, 71) so aufgebracht wird, dass die Unterseite des Trägersubstrats (13, 53) nicht bedeckt ist.
  3. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei das Verguss-Material (15, 71) so aufgebracht wird, dass alle Seitenflächen des Substrats (13, 53) nicht bedeckt sind.
  4. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem das Trennelement (69) ein zu dem Verguss-Material (15, 71) unterschiedliches Damm-Material aufweist.
  5. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verguss-Material (15, 71) so aufgebracht wird, dass der Sensorchip (21, 57) zumindest teilweise bedeckt ist.
  6. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Sensorchip (21, 57) einen elektrischen Kontakt (63) aufweist, und wobei das Verguss-Material (15, 71) so aufgebracht wird, dass das Verguss-Material (15, 71) den elektrischen Kontakt (63) bedeckt und mit dem elektrischen Kontakt (63) in mechanischem Kontakt ist.
  7. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verguss-Material (15, 71) so aufgebracht wird, dass das Verguss-Material (15, 71) die gesamte Fläche der Oberseite des Trägersubstrats (13, 53), die gesamte Oberfläche des Signalverarbeitungs-Chips (23, 59) und die gesamte Oberfläche des Sensorchips (21, 57) bis auf einen Teil der druckempfindlichen aktiven Fläche (26, 61) bedeckt und mit diesen Flächen und Oberflächen jeweils in mechanischem Kontakt ist.
  8. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Bonddraht (27a, b, 67a) zwischen einem elektrischen Kontakt (65) an einer Oberfläche des Signalverarbeitungs-Chips (23, 59) und einem elektrischen Kontakt (63) an der Oberfläche des Sensorchips (21, 57) angeordnet ist, um eine elektrische Verbindung zwischen dem Signalverarbeitungs-Chip (23, 59) und dem Sensorchip (21, 57) zu erzeugen, und wobei das Verguss-Material (15, 71) so aufgebracht wird, dass das Verguss-Material (15, 71) den gesamten Bonddraht (27a, b, 67a) umhüllt und mit dem Bonddraht (27a, b, 67a) in mechanischem Kontakt steht.
  9. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Lötkontakt auf dem Trägersubstrat (13, 53) aufgebracht ist, und der Sensorchip (21, 57) über den Lötkontakt auf dem Trägersubstrat (13, 53) befestigt ist, und wobei das Verguss-Material (15, 71) so aufgebracht wird, dass das Verguss-Material (15, 71) den Lötkontakt bedeckt und mit dem Lötkontakt in mechanischem Kontakt ist.
  10. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Sensorchip (21, 57) über einen Flip-Chip-Kontakt an dem Trägersubstrat (13, 53) befestigt wird.
  11. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine Mehrzahl von den Signalverarbeitungs-Chips (23, 59) und eine Mehrzahl von den Sensorchips (21, 57) jeweils nebeneinander auf dem Trägersubstrat (13, 53) angeordnet sind, und wobei das Verguss-Material (15, 71) so aufgebracht wird, dass das Verguss-Material (15, 71) jeweils einen Oberflächenbereich des Trägersubstrats (13, 53) in der Nähe des Signalverarbeitungs-Chips (23, 59) bedeckt.
  12. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Sensorchip (21, 57) ein Mikrophon aufweist, und das Sensor-Modul (11, 51) als ein Mikrophon-Modul ausgeführt ist.
  13. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Trägersubstrat (13, 53) ein Kunststoff-Material aufweist.
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