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Die
Erfindung betrifft ein Gehäuse
mit einem darin eingebauten MEMS Mikrofon und ein Verfahren zur
Herstellung.
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Miniaturisierte
Mikrofone können
in MEMS Bauweise hergestellt werden. Ein bekanntes Funktionsprinzip
besteht dabei aus der Messung einer Kapazität zwischen einer durch den
Schall zum Schwingen angeregten Membran und einer benachbarten festen
Gegenelektrode.
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In
der Regel besteht ein MEMS-Mikrofon aus einem MEMS-Chip einer Dicke
von einigen 100 μm, der
eine oder mehrere Membranen einer Dicke von einigen 100 nm aufweist.
Normalerweise sind die Membranstrukturen weitgehend bündig mit
einer Oberfläche
des MEMS-Chip ausgebildet. Die gegenüberliegende Oberfläche weist
dann im Membranbereich eine Ausnehmung auf. Diese kann das für die Mikrofonfunktion
erforderliche abgeschlossene Rückvolumen
zur Verfügung
stellen, das als statische Referenz für die Detektion des veränderliche Schalldrucks
dient.
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Der
allgemeine Trend zur Miniaturisierung und Kostengründe erfordern
geringere Flächen
für den
MEMS-Chip. Verbunden damit ist aber gleichzeitig auch eine Verminderung
des allein durch die Ausnehmung erzielbaren Rückvolumens. Dies führt aber bei
Auslenkung der Membran zu einem erhöhten Gegendruck, der wiederum
die Auslenkung behindert und eine reduzierte Empfindlichkeit und
verschlechterte Rauscheigenschaften zur Folge hat.
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Aus
der veröffentlichten
amerikanischen Patentanmeldung
US 2005/0185812A1 ist ein Mikrofongehäuse bekannt,
bei dem ein als MEMS-Bauelement ausgebildetes Mikrofon zusammen
mit einem Halbleiterchip auf einer Basisplatte angeordnet ist. Das
MEMS Package umfasst eine gemeinsame Kappe, mit der das MEMS-Bauelement gegen
die Basisplatte abgedeckt ist.
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Nachteilig
an dieser Ausführung
ist jedoch das relativ große
Bauelementvolumen und der geringe davon akustisch genutzte Volumenanteil.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Bauelement mit einem
Mikrofon in MEMS Bauweise anzugeben, das verringerte Abmessungen aufweist,
ohne dass darunter dessen akustische Eigenschaften und Empfindlichkeit
leiden.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein
Bauelement mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen
der Erfindung sowie ein Verfahren zur Herstellung des Bauelements
gehen aus weiteren Ansprüchen
hervor.
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Es
wird ein Bauelement vorgeschlagen, bei dem ein MEMS-Chip so in ein
verschlossenes Gehäuse
eingebaut ist, dass er den durch das Gehäuse gebildeten Hohlraum zu
einem vergleichsweise großen
Teil als Rückvolumen
nutzen kann. Dazu ist der MEMS-Chip im Gehäuse über einer Schalleintrittsöffnung angeordnet
und verschließt
diese von innen. Über
elektrisch leitende Verbindungen ist er mit den Anschlüssen des
Gehäuses
im Inneren verbunden. Mit der Gehäuseinnenseite gegenüber den
elektrisch leitenden Verbindungen steht der MEMS-Chip in mechanisch
innigem Kontakt mit dem Gehäuse.
Auf der der Schalleintrittsöffnung
abgewandten Gehäuseinnenseite
wird außerdem
ein ausreichender Durchlass zwischen MEMS-Chip und Gehäuseinnenwand eingehalten,
die eine Verbindung zwischen Membran des Mikrofons und dem Hohlraum
im Gehäuse
seitlich des MEMS-Chips zur Verfügung
steht und sich ein gemeinsames Rückvolumen
ausbilden kann.
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Auf
seiner Unterseite weist das Gehäuse SMT-Kontakte
(Surface Mounting Technologie) auf, über die das Bauelement auf
einer Leiterplatte montiert und elektrisch angeschlossen werden
kann. Die SMT-Kontakte sind durch Durchführungen oder Durchkontaktierungen
durch das Gehäuse
mit den innen angeordneten Anschlüssen für den MEMS-Chip verbunden.
Im Folgenden wird die Außenseite
mit den SMT-Kontakten unabhängig
von der Ausführungsform
als Unterseite bezeichnet.
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Die
Schalleintrittsöffnung
kann auf der Unterseite neben bzw. zwischen den SMT-Kontakten angeordnet
sein und erfordert dann eine entsprechende Bohrung in der Leiterplatte,
für den
Schalleintritt. Die Schalleintrittsöffnung kann aber auch in der
Oberseite des Gehäuses
angeordnet sein.
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Vorteilhaft
ist es, wenn der MEMS-Chip so im Gehäuse angeordnet ist, dass die
elektrischen Kontakte des MEMS-Chips zur Unterseite weisen und mit den
dort vorhandenen Anschlüssen
nahe den SMT-Kontakten über
elektrisch leitende Verbindungen angeschlossen sind. In diesem Fall
kann der mechanisch innige Kontakt an der Rückseite des MEMS-Chips rein
mechanisch erfolgen, ohne dass dabei auf dieser Seite elektrische
Verbindungen erforderlich sind. Der mechanisch innige Kontakt kann beispielsweise über eine
elastische Masse erfolgen, die zwischen der Rückseite des MEMS-Chips und dem
Gehäuse
angeordnet ist. Eine elastische Masse hat den Vorteil, dass sich
damit keine zu starken mechanischen Verspannungen zwischen MEMS-Chips und
der oberen Innenseite des Gehäuses
ausbilden können.
Die elastische Masse ist dabei an den Stellen ausgespart, an denen
eine Verbindung zum seitlich des MEMS-Chips verbleibenden Innenvolumen des
Gehäuses
verbleibt.
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Auf
dem inneren Gehäuseboden
ist der MEMS-Chip vorteilhaft über
eine Flip-Chip ähnliche elektrische
Verbindung befestigt. Diese umfasst ein einander gegenüber Anordnen
der Kontakte des MEMS-Chips und der Anschlüsse des Gehäuses und Herstellen einer geeigneten
elektrisch leitenden Verbindung dazwischen. In einfacher Weise kann
dies über
Lot- oder Stud-Bumps
erfolgen. Während
mit Lotmaterial ein Verlöten
stattfindet, kann mittels der Stud-Bumps der MEMS-Chips auch aufgebondet sein,
z.B. mittels Ultrasonic Bonding. Neben Bonden und Löten ist
auch ein Aufkleben des MEMS-Chips mit einem elektrisch leitfähigen Kleber
möglich,
da ein Mikrofon nur relativ geringe Anforderungen an die Stromtragfähigkeit
und Leitfähigkeit
der elektrischen Verbindung stellt. Der Kleber kann dabei anisotrop leitfähig eingestellt
sein, sodass keine Strukturierung der Kleberschicht erforderlich
ist, um einen Kurzschluss zwischen den unterschiedlichen Kontakten und
Anschlüssen
zu vermeiden.
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Die
elektrische Verbindung kann aber auch über einen Druckkontakt hergestellt
sein. Die Dauerhaftigkeit des elektrischen Kontakts allein durch
Aufdrücken
kann dann durch elastische Schichten unterstützt sein, die entweder auf
der gegenüberliegender. Rückseite
des MEMS-Chips für
einen elastischen Andruck sorgen. Möglich ist es jedoch auch, direkt
im Bereich des Druckkontakts Zwischenlagen aus leitfähigen elastischen
Schichten vorzusehen.
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Der
Kontakt beziehungsweise die elektrisch leitende Verbindung kann
auch über
ein- oder beidseitig verschweißte metallische
Strukturen beliebiger Ausformung hergestellt werden. Der Anschluss
innerhalb des Gehäuses
kann dabei eine Kontaktfläche
oder ein Pad sein. Möglich
ist es jedoch auch, die nach innen weisende Oberfläche eines
mit einem elektrisch leitenden Material befüllten Kontaktlochs (Durchkontaktierung)
direkt als Anschluss einzusetzen. Möglich ist es jedoch auch, dass
Durchkontaktierungen und Anschlüsse
nicht deckungsgleich anzuordnen bzw. seitlich gegeneinander zu versetzen und
durch Leiterbahnen auf der inneren Oberfläche des Gehäuses miteinander zu verbinden.
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In
einer weiteren Ausführungsform
weist die Schalleintrittsöffnung
des Gehäuses
nach oben, während
der MEMS-Chip unten am Gehäuseboden über die
elektrisch leitenden Verbindungen mit den dortigen Anschlüssen verbunden
ist. Dabei ist es möglich,
die nach oben weisende Rückseite
des MEMS-Chips mit dem „Deckel" des Gehäuses zu verkleben
oder anderweitig dicht zu verbinden, so dass die Klebe- oder Verbindungsstelle
das zwischen MEMS-Chip und Schalleintrittsöffnung eingeschlossene Teilvolumen
von dem übrigen
Volumen innerhalb des Gehäuses
abschließt.
Auf der nach unten weisenden Seite des MEMS-Chips sorgen die dort angebrachten
elektrisch leitenden Verbindungen für einen ausreichenden Abstand
der Membran zum Boden des Gehäuses
und so gleichzeitig für
eine Verbindung des unter dem MEMS-Chip befindlichen Teilvolumens
mit dem übrigen
Gehäusevolumen.
Der Verschluss zwischen MEMS-Chip und dem „Deckel" kann dann dicht sein.
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Unabhängig davon
ist jedoch bei allen Ausführungen
eine definierte Bohrung vorgesehen, die den Gehäuseinnenraum mit der äußeren Umgebung des
Gehäuses
verbindet, um ein Anpassen des als Referenz dienenden Innendrucks
an einen veränderten
Außendruck
zu ermöglichen.
Diese Bohrung ist so dimension iert, dass der Druckausgleich mit
einer ausreichend langsamen Zeitkonstante von etwa 0,01 bis 1,0
s erfolgen kann, die gegenüber
der zu bestimmenden Tonfrequenz langsam ist. Vorteilhaft ist die Bohrung
durch den MEMS-Chip selbst geführt
und beispielsweise mittels Mikrostrukturierungstechniken erzeugt.
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Vorteilhaft
ist das Gehäuse
aus einem metallischen Material gefertigt oder weist zumindest eine metallische
Beschichtung auf. Dies ermöglicht
eine elektrostatische Abschirmung und verhindert beispielsweise
die Einkopplung externer Störsignale.
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In
einer Ausführungsform
weist das Gehäuse
ein Unterteil und eine Abdeckung auf, wobei im Unterteil eine den
Hohlraum definierende Ausnehmung vorgesehen ist. Die Abdeckung kann
dann aus einem plan aufliegenden flächigen Material und insbesondere
aus einer Folie bestehen.
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Vorteilhaft
kann zur Abdeckung eine Metallfolie oder eine mit Metall beschichtete
Kunststofffolie eingesetzt werden. Insbesondere ist in der Abdeckung
die Schalleintrittsöffnung
strukturiert, die dort beispielsweise eingestanzt sein kann. Eine
metallische Folie als Abdeckung hat weiterhin den Vorteil, dass
sie auf einem metallischen oder metallisch beschichteten Unterteil
aufgelötet,
aufgeschweißt
oder aufgebondet werden kann. Möglich
ist es jedoch auch, die Abdeckung auf dem Unterteil aufzukleben.
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Die
Schalleintrittsöffnung
kann eine einzige Öffnung
mit ausreichender Fläche
umfassen. Sie kann aber auch einen Bereich mit einer Vielzahl darin angeordneter
kleinerer Weiterhin ist es möglich,
als Abdeckung eine vollständig über die
gesamte Fläche perforierte
Folie zu verwenden, und erst nach dem Verbinden mit dem Unterteil
zum Beispiel durch ein Auftragverfahren eine Abdichtung der nicht
für die Schalleintrittsöffnung benötigten kleinen Öffnungen vorzunehmen.
Mit einer solchen vollständig
perforierten Folie ist es auch möglich,
durch die Perforationen hindurch lokal einen Kleber oder eine Abdichtmasse aufzubringen,
um eine mechanisch feste und gegebenenfalls zum Innenraum des Gehäuses dichte
Verbindung zwischen Abdeckung und Unterteil rund um die Schalleintrittsöffnung herum
und an den Fügestellen
zum Unterteil vorzunehmen.
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Im
Falle einer Verklebung ist es vorteilhaft, auch die metallische
oder metallisch beschichtete Abdeckung und das metallische oder
metallisch beschichtete Unterteil zur Verbesserung der Schirmungswirkung
elektrisch leitend miteinander zu verbinden. Dies kann beispielsweise
mit einer Durchkontaktierung durch die Abdeckung hindurch hin zur Gehäuseseitenwand
oder durch einen leitfähigem Klebstoff
erfolgen.
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In
einer vorteilhaften Ausführung
des Bauelements sind die elektrisch leitenden Verbindungen als Federelemente
ausgeführt.
Diese können
Metallstrukturen umfassen, die elastisch oder plastisch verformbar
sind. Diese Metallstrukturen sind in einem ersten Bereich mit den
Anschlüssen
und in einem zweiten Bereich mit den Kontakten des MEMS-Chips befestigt.
Der zweite Bereich weist dabei einen lichten Abstand zum Gehäuseboden
auf, welcher als Raum für
die elastische Verformung der Federelemente und damit zur Abfederung
des MEMS-Chips innerhalb
des Gehäuses
dienen kann.
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Die
Federelemente haben den Vorteil, dass der MEMS-Chip elastisch im
Bauelement gehalten wird, wobei im Belastungsfall maximal die Federkraft auf
den Chip einwirken kann, die das Federelement einer Verformung entgegensetzt.
Dies garantiert, dass der MEMS-Chip weitgehend spannungsfrei in dem
Gehäuse
eingebaut ist und auch bei mechanischer Belastung des Gehäuses oder
bei thermischer Verspannung zwischen Gehäuse und Chip keine zu großen Kräfte auftreten
können.
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Zur
Aufnahme von Zug- und Druckspannungen weisen die Federelemente vorzugsweise
eine nicht linear verlaufende, ein- oder mehrfach in eine oder mehrere
Raumrichtungen gebogene oder abgewinkelte Form auf. Sie können mäandrierend
verlaufen und unabhängig
davon aus einem bandförmigen Material
bestehen und längs
und/oder quer verlaufende Schlitze aufweisen. Die Federelemente
können
auch spiralförmig
mit einer oder mehreren Windungen ausgeführt sein. Vorzugsweise sind
sie aus Metall ausgebildet, um die Funktion als elektrisch leitende
Verbindung zu gewährleisten.
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Das
Gehäuse
und insbesondere das Unterteil kann aus einem beliebigen mechanisch
ausreichend stabilen Material gefertigt sein. Es kann aus Metall,
Silizium, Glas, Kunststoff oder Keramik bestehen. Das Unterteil
des Gehäuses
mit der Ausnehmung kann ein einheitliches Material sein, einstückig mit
einer Ausnehmung aufgebaut oder aus mehreren entsprechend strukturierten
gegebenenfalls unterschiedlichen Schichten zusammengesetzt sein.
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In
einfacher Weise wird ein Unterteil mit einer Ausnehmung erhalten,
indem auf einer planen Bodenplatte ein ringförmig geschossener Rahmen aufgesetzt
oder aufgebaut wird, der das Innenvolumen des Gehäuses umschließt.
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Die
Ausnehmung im Unterteil kann vorgebildet sein, oder nachträglich erzeugt
sein, beispielsweise durch das genannte Aufbringen des Rahmens. Unabhängig vom
Material der Bodenplatte kann der Rahmen beispielsweise ein Polymer-Material
umfassen, welches zum Beispiel aufgedruckt werden kann. Der Rahmen
kann auch aus einem keramischen Material oder einer Paste hergestellt
werden, die keramische und/oder metallische Partikel enthält beziehungsweise
mit diesen gefüllt
ist. Der Rahmen kann auch galvanisch auf der Bodenplatte erzeugt
sein. Möglich
ist es auch, den Rahmen fotolithographisch aus einer Resistschicht,
einer Resistfolie und insbesondere aus einem direkt strukturierbaren
Fotoresist zu erzeugen. Die Resist-Schicht kann als Lack durch Schleudern,
Gießen,
Tauchen oder Sprühen
aufgebracht werden. Vorteilhaft ist es auch, die Resist-Schicht
als Trockenfilm beispielsweise durch Laminieren aufzubringen und
anschließend
zu strukturieren.
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Die
Strukturierung einer Resist-Schicht zum Aufbau einer Rahmenstruktur
zur Definition des Hohlraums im Gehäuseunterteil kann durch Fototechnik
oder Direktstrukturierung wie Laserablation erfolgen. Vorteilhaft
wird die Rahmenstruktur zumindest an den Innenwänden und vorteilhaft auch auf den
nach oben weisenden Kanten oder Fügeflächen metallisiert, um einerseits
eine Schirmung des Gehäuses
zu gewährleisten
und andererseits eine metallische Fügefläche zum Verbinden mit der Abdeckung
zu schaffen.
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Das
Aufbringen der Metallisierung kann gleichzeitig auch zum Erzeugen
der Federelemente genutzt werden. Dazu wird vorteilhaft eine Opferschicht
aufgebracht und hinterher strukturiert oder direkt strukturiert
aufgebracht, so dass sie eine Stufe ausbildet, über die später eine Metallstruktur zur
Ausbildung des Federelements verlaufen kann. Nach dem Entfernen
der Opferschicht weist der ursprünglich
auf der Opferschicht aufliegende zweite Bereich der Metallstruktur
einen lichten Abstand zum Gehäuseboden
auf.
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Die
Abscheidung oder Erzeugung einer Metallschicht zur Innenmetallisierung
des Gehäuses und
gegebenenfalls gleichzeitig zur Herstellung von Metallstrukturen
für Anschlüsse, elektrisch
leitende Verbindungen und/oder Federelemente kann auch mehrschichtig
beziehungsweise in mehreren Stufen erfolgen, wobei für unterschiedliche
Gehäuseteile unterschiedliche
Metallisierungsschichten bzw. Mehrschichtaufbauten eingesetzt werden
können.
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Vorteilhaft
umfasst das Gehäuse
eine Leiterplatte, die auf der Unterseite die SMT-Kontakte und über Durchkontaktierungen
mit diesen verbundene Anschlüsse
im Innenraum des Gehäuses
aufweist. Die Leiterplatte kann ein- oder mehrschichtig aufgebaut
sein und umfasst zumindest eine dielektrische Schicht oder einen
Halbleiter, insbesondere Silizium, Kunststoff oder Keramik. Die
Leiterplatte kann auch ein Leiterplattenlaminat sein.
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Das
Unterteil mit der vorgebildeten Ausnehmung kann auch ein MID-Formteil
(Molded Interconnect Device) sein. Prinzipiell ist es natürlich auch möglich, eine
Leiterplatte als Bodenplatte zu verwenden und den Hohlraum mit einem
zweiten kappenförmig
ausgebildeten, also bereits die Ausnehmung aufweisenden Oberteil
zum vollständigen
Gehäuse
zu verbinden.
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Im
Folgenden wird die Erfindung und das Verfahren zur Herstellung des
Bauelements anhand von Ausführungsbeispielen
und der dazugehörigen Figuren
näher erläutert. Diese
rein schematisch und nicht maßstabsgetreu
ausgeführt,
sodass ihnen weder absolute noch relative Maßangaben oder Größenverhältnisse
zu entnehmen sind.
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1 zeigt ein Bauelement mit oben liegender
Schalleintrittsöffnung
im schematischen Querschnitt,
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2 zeigt ein Bauelement mit unten liegender
Schalleintrittsöffnung,
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3 zeigt verschiedene Arten, eine elektrische
Verbindung herzustellen,
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4 zeigt verschiedene Abdeckungen eines
zweiteiligen Gehäuses,
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5 zeigt die Herstellung eines Bauelements,
bei der die elektrischen Verbindungen als Federelemente ausgeführt sind,
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6 zeigt
ein Bauteil mit Innenmetallisierung im Gehäuse,
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7 zeigt
ein Bauelemente mit mehrschichtiger Basisplatte.
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1 zeigt zwei Varianten eines Bauelements
mit oben liegender Schalleintrittsöffnung OE. Als Oberseite des
Bauelements wird die Seite betrachtet, die der (Außen-)Seite
gegenüber
liegt, auf der die SMT-Kontakte K angeordnet sind. Der MEMS-Chip
CH selbst besteht üblicherweise
aus einer aus einem massiven Körper
herausgearbeiteten Basis, auf dem zum Beispiel in Dünnschichttechnik ein
Schichtaufbau aufgebracht ist, der auch die Membran (in der Figur
nur angedeutet) umfasst. Unterhalb der Membran weist die Basis des
MEMS-Chips CH eine Ausnehmung auf, um ein freies Schwingen der Membran zu
ermöglichen,
beziehungsweise um ein akustisches Rückvolumen für die Funktion des Mikrofons
zur Verfügung
zu haben.
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1A:
Auf der Oberseite mit der Membran kann der MEMS-Chips mittels elektrisch leitender Verbindung
EC mit den Anschlüssen
verbunden sein, die sich an der oberen Innenseite des Gehäuses befinden
(in der 1A nicht dargestellt). Auf der
Unterseite steht der MEMS-Chip in mechanisch innigem Kontakt mit
der unteren Innenseite des Gehäuses
G und ist dort entweder über
einen Druckkontakt, eine elastische Schicht, einen Kleber oder ein
sonstiges Verbindungsverfahren verbunden. Der MEMS-Chip ist also
oben und unten in das Gehäuse
G eingespannt.
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Unterhalb
der Membran bildet der zwischen Membran und Unterseite des Gehäuses eingeschlossene
und der Ausnehmung des MEMS-Chips entsprechende Raum ein erstes
Teilvolumen TV1 des als Rückvolumen
fungierenden Gesamtvolumens. Ein zweites Teilvolumen TV2 wird durch
den Raum zur Verfügung
gestellt, der seitlich des MEMS-Chips CH zwischen diesem und dem
Gehäuse
G verbleibt.
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Um
als gemeinsames Rückvolumen
zu dienen, sind die beiden Teilvolumen TV1 und TV2 über einen
oder mehrere Durchlässe
verbunden, die beispielsweise in der Unterseite des MEMS-Chips vorgebildet
sind oder zwischen Unterseite des MEMS-Chips und Gehäuse G verbleiben.
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Durch
den innen über
der Schalleintrittsöffnung
OE aufsitzenden MEMS-Chips ist das zweite Teilvolumen TV2 gegen
die Schalleintrittsöffnung
OE abgedichtet. Dies kann durch eine Dichtmasse erfolgen, die beispielsweise
ringförmig
auf der Oberseite des MEMS-Chips aufgebracht ist und diesen gegen die
obere Innenseite des Gehäuses
G abdichtet.
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In
einer nicht dargestellten Variante von 1A ist
der MEMS-Chip zwar in gleicher Ausrichtung innerhalb des Gehäuses G angeordnet,
jedoch an seiner Unterseite über
elektrisch leitende Verbindungen mit Anschlüssen auf der unteren Innenseite des
Gehäuses
verbunden. Dies wird möglich,
wenn an der Unterseite des MEMS-Chips entsprechende Kontakte vorgesehen
werden, die über
geeignete Leitungen mit dem elektrischen Teil des MEMS-Bauelements
verbunden sind, beispielsweise mittels einer Durchkontaktierung
durch den MEMS-Chip. In diesem Fall kann eine die Schalleintrittsöffnung OE umschließende Abdichtung
zwischen der Oberseite des MEMS-Chips
und der oberen Innenseite des Gehäuses vorgesehen sein, beispielsweise
ein Kleber und insbesondere Silikonkautschuk.
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1B zeigt
eine verbesserte Variante, die sich durch eine einfachere Herstellbarkeit
auszeichnet. Hier ist der MEMS-Chip
kopfüber
eingebaut, so dass er mit der Membranseite zur Unterseite des Gehäuses weist.
Dies hat den Vorteil, dass sich die elektrischen Kontakte des MEMS-Chips,
die sich üblicherweise
auf der Membranseite befinden, direkt gegenüber den SMT-Kontakten auf der
Außenseite
des Gehäuses
G befinden. Über
die elektrisch leitenden Verbindungen EC mit den auf der unteren
Innenseite des Gehäuses
G angeordneten Anschlüssen
(nicht dargestellt) kann so in einfacher Weise eine Flip-Chip ähnliche
Verbindung hergestellt werden, die gleichzeitig zur mechanischen
Verbindung und zum elektrischen Kontaktieren des MEMS-Chips und
der Anschlüsse
dient. Während
in 1A die elektrischen Verbindungen entfernt von
den SMT-Kontakten angeordnet sind und über zusätzliche Leiterbahnen mit den
SMT-Kontakten K verbunden werden müssen, kann dies in der Variante
gemäß 1B entfallen und
eine direkte face-to-face
Verbindung hergestellt werden. Zwischen den Anschlüssen auf
der Innenseite und den SMT-Kontakten K auf der Außenseite kann
eine Durchkontaktierung vorgesehen sein.
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2 zeigt Varianten des Bauelements mit im
Gehäuse
unten liegender Schalleintrittsöffnung OE. 2A zeigt
eine Variante, bei der der MEMS-Chip mit der Membran nach oben weist.
Die elektrisch leitenden Verbindungen EC können wie dargestellt an der
Oberseite des MEMS-Chips zur oberen Innenseite des Gehäuses, wo
Anschlüsse vorgesehen
sind, vorgenommen sein. Möglich
ist es aber auch, die elektrisch leitenden Verbindungen an der Unterseite
direkt gegenüber
den SMT-Kontakten K vorzusehen, wobei an der Unterseite des MEMS-Chips
entsprechende Kontakte vorhanden sind, die mit dem elektrischen
Teil und insbesondere mit der Membran Kontakt stehen.
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In
der Variante gemäß 2A schließt der auf
der unteren Innenseite des Gehäuses
aufliegende MEMS-Chip die Schalleintrittsöffnung OE ab. Das erste Teilvolumen
TV1 ist zwischen der oberen Innenseite des Gehäuses und der Membran angeordnet
ist, steht z.B. über
Durchlässe
zwischen den elektrisch leitfähigen
Verbindungen in Verbindung mit dem zweiten Teilvolumen TV2, welches
zwischen Chip und Seitenwänden
des Gehäuses
verbleibt. Beide Teilvolumina TV1 und TV2 bilden zusammen das Rückvolumen.
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2B zeigt
eine ähnliche
Anordnung, bei der lediglich die die Membranseite des MEMS-Chips nach
unten weist. Auch hier gilt, dass die Schalleintrittsöffnung durch
den MEMS-Chip verschlossen wird, was durch die elektrisch leitenden
Verbindungen oder durch zusätzliche
Abdichtschichten gewährleistet
wird. Erstes und zweites Teilvolumen TV1, TV2 sind durch Durchführungen
miteinander verbunden, die sich zwischen der Oberseite des MEMS-Chips
und der Gehäuseinnenwand
befinden.
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3 zeigt verschiedene Möglichkeiten, den MEMS-Chip über elektrisch
leitende Verbindungen mit dem Gehäuse zu verbinden. Dargestellt
sind diese für
eine Anordnung gemäß 1B.
Möglich
ist es jedoch auch, diese verschiedenen elektrisch leitenden Verbindungen
auch in Verbindung mit anderen in den 1 und 2 dargestellten Varianten einzusetzen.
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In 3A ist
die elektrische Verbindung als Bump BU oder als ähnliche Struktur ausgeführt. Sie kann
ein Löt-Bump,
ein Stud-Bump oder eine anderweitig gefertigte metallische Pfostenstruktur
sein, auf die der Chip mit seinen Kontakten aufgebondet oder aufgelötet ist.
Der Bump BU verbindet die Kontakte (nicht dargestellt) des MEMS-Chips
CH mit den elektrischen Anschlüssen
des Gehäuses,
die sich hier an der unteren Innenseite des Gehäuses befinden. Dargestellt
sind hier auch Durchkontaktierungen DK, die den Bump beziehungsweise
die Anschlüsse
mit den außen
liegenden SMT-Kontakten K verbinden.
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In 3B ist
die elektrisch leitende Verbindung über eine elektrisch leitende
Schicht, z.B. eine Klebstoffschicht KL ausgeführt. Die Klebstoffschicht KL
ist entweder strukturiert, um einen Kurzschluss zwischen den beiden
Kontakten zu vermeiden oder ist als anisotrop leitende Klebeschicht
ausgebildet, bei der eine Flächenleitung
innerhalb der Klebstoffschicht praktisch nicht stattfindet und nur
eine elektrische Leitfähigkeit
vertikal durch die Klebstoffschicht hindurch stattfindet.
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In 3C ist
jede elektrisch leitende Verbindung als Federelement E ausgeführt. Diese
gewährleistet
eine elastische Befestigung des MEMS-Chips CH innerhalb des Gehäuses E.
Beim Einbau kann der Chip dann unter Druck auf die Federelemente eingebaut
werden, wobei eine auf den MEMS-Chip einwirkende
Vorspannung eingestellt werden kann.
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4A zeigt
mehrere Möglichkeiten,
wie eine mit einer Schalleintrittsöffnung OE versehene Abdeckung
des Gehäuses
ausgestaltet sein kann. Auch hier gilt, dass die dargestellten Abdeckungen mit
allen Ausführungen
gemäß der 1 und 3 kompatibel
sind, obwohl sie nur für
eine Ausführung
gemäß 1B dargestellt
sind.
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4A zeigt
eine Abdeckung AB, die als Folie ausgeführt ist, die eine zentrale
Schalleintrittsöffnung
OE aufweist. Diese ist so ausgerichtet, dass sie zentral über den
MEMS-Chip CH angeordnet
ist und von diesem gegen das zweite Teilvolumen des Gehäuses verschlossen
wird. Die Abdeckung AB liegt auf einem Gehäuseunterteil UT auf, welches
zumindest eine den Gehäuseinnenraum
definierende Ausnehmung aufweist.
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In 4B ist
eine Abdeckung AB dargestellt, die in einem Öffnungsbereich OB eine Vielzahl
kleinerer Durchbrechungen aufweist, die zusammen die Schalleintrittsöffnung OE
bilden. Die Öffnungen
können
gestanzt, gebohrt, gelasert oder geätzt sein. Ein bevorzugtes Verfahren
zur Herstellung der Öffnungen
ergibt sich aus dem Material der Abdeckung AB, welche insbesondere
eine Metallfolie oder eine mit Metall beschichtete Kunststofffolie
ist.
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4C zeigt
eine Variante, bei der die Abdeckung aus einer durchgehend perforierten
Folie besteht. Die nicht dem Öffnungsbereich
OB zugeordneten Öffnungen
sind mit einer Abdichtschicht AD versiegelt, die beispielsweise
oben auf die Folie lokal aufgebracht ist. Möglich ist es auch, diese Abdichtschicht
AD auf der Unterseite der Abdeckung aufzubringen und beispielsweise
gleichzeitig zum Verbinden der Abdeckung AB mit Unterteil UT des
Gehäuses
G und der Oberseite des MEMS-Chips CH zu verwenden.
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4D zeigt
eine Abdeckung, die mit Hilfe einer Verbindungsschicht VS mit der
Oberseite des MEMS-Chips und dem Unterteil des Gehäuses G verbunden
ist.
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Die
Verbindungsschicht VS ist vorzugsweise eine elastische Schicht und
insbesondere eine elastische Kleberschicht, die einen ausreichend
dichten Verschluss des Gehäuses
durch die Abdeckung und insbesondere einen Verschluss des zweiten
Teilvolumens TV2 gegen die Schalleintrittsöffnung ermöglicht. Die Verbindungsschicht
VS kann großflächig auf
der Unterseite der Abdeckung AB in den Bereich aufgebracht werden,
der nicht dem Öffnungsbereich OB
entspricht. Möglich
ist es jedoch auch, die Verbindungsschicht VS ausschließlich an
den Fügestellen zwischen
Abdeckung und Unterteil entweder auf das Unterteil UT oder auf die
Abdeckung AB aufzubringen.
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4E zeigt
eine weitere Variante, bei der eine über die ganze Fläche perforierte
Abdeckung eingesetzt ist. Die Perforierung ist so vorgenommen, dass
kleine Öffnungen
in einem dichten Raster so angeordnet sind, dass die mechanische
Stabilität
der Abdeckung nicht gefährdet
ist. Diese perforierte Abdeckschicht kann bei der Herstellung zunächst auf das
Unterteil und den MEMS-Chip aufgesetzt werden. Anschließend wird
von der Oberseite der Abdeckung her ein Verbindungsmaterial und
insbesondere ein Kleber lokal über den
Fügestellen
und den abzudichtenden weil nicht dem Öffnungsbereich OB zuzurechnenden
Verbindungsbereichen VB aufgebracht und durch die Öffnungen
der Perforation gedrückt,
sodass diese verschlossen werden. Durch an der Unterseite der Perforation
austretendes Verbindungsmaterial wird im Bereich der Fügestellen
eine mechanisch stabile und ausreichend abdichtende Verbindungsschicht
erzeugt.
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5 zeigt beispielhaft anhand verschiedener
Verfahrensstufen, wie als Federelemente FE ausgebildete, elektrisch
leitende Verbindungen innerhalb des Gehäuses erzeugt werden können. 5A zeigt
als Ausgangspunkt ein Unterteil des Gehäuses, welches hier eine Basisplatte
BP und eine Rahmenstruktur RS umfasst. Die Basisplatte weist an
der Unterseite SMT-Kontakte K auf, die über Durchkontaktierungen DK
mit Anschlüssen
auf der Innenseite des Unterteils verbunden sind. Als Anschlüsse können wie
hier dargestellt die Oberseiten, also die zum Innenraum weisenden
Oberflächen
der Durchkontaktierungen DK dienen.
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Rahmenstruktur
RS und Basisplatte BP können
aus gleichen oder unterschiedlichen Materialien gefertigt sein.
Vorteilhaft ist die Basisplatte eine Leiterplatte, auf die eine
Rahmenstruktur aufgebracht wird, beispielsweise durch Aufdrucken,
Fotostrukturieren oder galvanische Abscheidung oder eine beliebige
andere zur Strukturerzeugung geeignete Methode.
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Im
nächsten
Schritt wird im Inneren des Unterteils eine Opferschicht CS aufgebracht
und strukturiert. Es ist ausreichend, wenn bei der Strukturierung
der Opferschicht die Anschlüsse
am Boden des Unterteils freigelegt werden. 5B zeigt
die Anordnung mit der strukturierten Opferschicht OS.
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Im
nächsten
Schritt wird im Inneren des Unterteils eine Metallisierung aufgebracht
und so strukturiert, dass Metallstrukturen MS elektrisch
voneinander getrennt jeweils mit einem Anschluss verbunden und mit
einem anderen Strukturbereich auf der Oberfläche der strukturierten Opferschicht
OS zu liegen kommen. Die Metallstrukturen MS können sich
dabei linear erstrecken, sind vorteilhaft jedoch gebogen oder gegebenenfalls
mehrfach abgewinkelt, um eine spätere
elastische Verformbarkeit der daraus hergestellten Federelemente
in mehrere Raumrichtungen zu gewährleisten.
Möglich
ist es auch, die Metallstrukturen MS als
brückenartige
Strukturen auszuführen,
bei denen ein erstes und ein zweites Ende direkt auf der Bodenplatte
oder einem Anschluss im Inneren des Unterteils aufliegen, dazwischen
jedoch ein mittlerer Bereich über
die Opferschicht OS verläuft. 5C zeigt
die Anordnung mit beispielhaft strukturierten Metallstrukturen MS.
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Im
nächsten
Schritt wird ein MEMS-Chip in das Unterteil UT eingesetzt und elektrisch
leitend mit den Metallstrukturen MS verbunden.
Dies kann durch Löten,
Bonden, Verschweißen
oder Kleben erfolgen. 5D zeigt eine beispielhafte
Ausführung
eines auf diese Art und Weise elektrisch und mechanisch mit den
Metallstrukturen verbundenen MEMS-Chips.
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Im
nächsten
Schritt wird die strukturierte Opferschicht OS entfernt, sodass
die auf der Opferschicht aufliegenden Teile der Metallstruktur in
einem lichten Abstand zur Oberseite der Bodenplatte BP verbleiben,
sich also ein Freiraum FR zwischen den höher angeordneten Abschnitten
der Metallstruktur und der Bodenplatte ergibt.
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Das
Entfernen der Opferschicht kann auf eine geeignete Weise erfolgen,
die dem Material der Opferschicht angepasst ist.
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Eine
besonders einfache Ausführung
verwendet ein thermisch zersetzbares Material, insbesondere ein
bereits bei mäßigen Temperaturen
von z.B. unter 300°C
zersetzliches Polymer, welches in einem thermischen Schritt vollständig in
gasförmige Zersetzungsprodukte überführt werden
kann. Möglich
ist es jedoch auch, die Opferschicht OS in einem selektiven Prozess
in einer flüssigen
Phase aufzulösen
und so zu entfernen. 5E zeigt die Anordnung nach
dem Entfernen der Opferschicht.
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Prinzipiell
ist es jedoch auch möglich,
die Opferschicht direkt nach dem Herstellen der Metallstrukturen
MS zu entfernen, da das elektrische und
mechanische Verbinden des MEMS-Chips mit den nach Entfernen der
Opferschicht zu den Federelementen FE gewordenen Metallstrukturen
in einfache Weise möglich
ist, in dem die Federelemente beim Aufsetzen, Aufbonden oder Aufkleben
beliebig gegen die Oberseite der Basisplatte BP gedrückt werden
können,
ohne dass dabei die Federfunktion der Federelemente verloren geht,
und die Federkraft daher zur Wiederherstellung der ursprünglichen
Anordnung mit dem Freiraum FR führt.
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6 zeigt
eine mögliche
Ausgestaltung des Verfahrens, bei der eine weitere innere Metallisierung MI auf den seitlichen Innenwänden des
Gehäuseunterteils
UT aufgebracht wird, mithin also auf die Innenwände der Rahmenstruktur. Diese
innere Metallisierung MI kann gleichzeitig
mit der Metallstruktur MS für die späteren Federelemente
erzeugt werden. Vorteilhaft ist es, auch auf der Oberkante der Rahmenstruktur
RS eine Rahmenmetallisierung MR mitzuerzeugen
beziehungsweise bei der Strukturierung einer ganzflächig abgeschiedenen
Metallschicht eine Rahmenmetallisierung MR zu
belassen. Die innere Metallisierung MI dient
zur Schirmung des MEMS-Chips, während
die Rahmenmetallisierung MR ein einfacheres
Aufbonden, Aufschweißen
oder Auflöten
einer metallischen oder mit Metall beschichteten Abdeckung AB ermöglicht.
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7 zeigt
eine Anordnung, bei der die Abdeckung AB mit der Oberseite des MEMS-Chips
und der Rahmenmetallisierung MR verbunden
ist. Zusätzlich
weist das Gehäuse
hier eine mehrschichtige Basisplatte BP auf, die für ein Unterteil
des Gehäuses Verwendung
finden kann. Dargestellt ist in 7 eine Basisplatte
mit zwei dielektrischen Schichten und einer dazwischen eingebetteten
Metallisierungsstruktur. Die im Gehäuse angeordneten Anschlüsse sind über je zwei
Durchkontaktierungen durch jeweils eine Schicht und die innere Metallisierungsebene
mit jeweils einem SMT-Kontakt K verbunden.
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Eine
beispielhafte Metallisierung M, die zur Herstellung sowohl der Innenmetallisierung
MI, der Rahmenmetallisierung MR und der
Metallstrukturen MS geeignet ist, kann wie
folgt hergestellt werden. Zunächst
wird ganzflächig
auf den zu beschichtenden Oberflächen
eine Haftschicht aufgebracht, die beispielsweise aus 50 Nanometer
Ti und 200 Nanometer Cu besteht, beispielsweise durch Sputtern.
Darüber
wird zur Strukturierung anschließend ein Fotoresist aufgebracht,
beispielsweise mittels Spray Coating oder durch Auflaminieren eines
Trockenresistfilms. Der Fotolack oder Trockenresistfilm folgt dabei der
Topographie der Ausnehmung und der Opferschicht. Dies kann zum Beispiel
durch Vakuumlamination erreicht werden, die ein Aufbringen ohne
Hohlräume
unterstützt.
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Die
Belichtung des Fotoresists kann mit Masken erfolgen. Großflächige, nicht
verzugsfreie Basisplatten, wie beispielsweiss Basisplatten aus Keramik können auch
mittels einer scannenden Vorrichtung und insbesondere mit einem
Laser belichter belichtet werden. Besonders vorteilhaft wird ein
negativ arbeitender Fotoresist eingesetzt, da dann die senkrechte Flanke,
also die Innenwand der Rahmenstruktur RS nicht belichtet zu werden
braucht. Es kann auf diese Weise eine Resiststruktur erzeugt werden,
die unbedeckte Bereiche der weiteren Metallabscheidung in einem
galvanischen Verfahren zugänglich
macht. Über
eine Belichtung mittels Laser ist es jedoch auch möglich, Resiststruktur
und Metallstrukturen auf beliebig geneigten Innenwänden aufzubringen.
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Im
anschließenden
Galvanikprozess werden Metallstrukturen MS,
Innenmetallisierung MI und Rahmenmetallisierung
MR galvanisch auf die nicht vom Fotoresist
bedeckten Bereiche abgeschieden. Vorzugsweise werden in diesem Prozess
Kupfer, Nickel oder Chrom in einer Dicke bis insgesamt zwei bis
50 μm abgeschieden.
Die Metallisierung kann darüber hinaus
weitere selektiv aufgetragene Schichten umfassen, die zum Beispiel
dem Oxidationsschutz (mittels einer Gold- oder Palladiumschicht),
der Bondbarkeit (zum Beispiel mittels einer Nickel- oder Goldschicht),
der Lotbenetzung (zum Beispiel mittels einer Gold-, Palladium- oder
Silberschicht) oder der Lotentnetzung (zum Beispiel mittels einer
Titan-, Chrom- oder Aluminiumschicht) dienen. Diese weiteren Schichten
können
vor oder nach dem Entfernen der Resiststruktur erzeugt werden.
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Das
Aufsetzen des MEMS-Chips beziehungsweise das elektrische und mechanische
Verbinden kann über
Goldstudbumps im Thermosonic-Bondverfahren auf die Metallstrukturen
MS oder die frei gelegten Federelemente
FE erfolgen. Bei galvanischer Erzeugung der verschiedenen Metallisierungen
wird im letzten Schritt nach dem Entfernen der Opferschicht die
dünne freiliegende
Haftschicht ebenfalls weggeätzt.
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Zur
Herstellung der Metallisierungen sind zahlreiche Varianten möglich. So
können
die Metallstrukturen auch durch Strukturierung großflächig aufgebrachter
Metallschichten herausgeätzt
werden. Möglich
ist es auch, für
Metallbeschichtung vorzusehende Bereiche insbesondere auf Kunststoffoberflächen zu
aktivieren und anschließend
eine nasschemische Metallisierung vorzunehmen. Dazu bietet sich
die MID-(Molded Interconnect Device) Technik an.
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Für alle Ausführungsformen
gilt, dass die Größenbemessung
des Gehäuses
so erfolgt, dass ein ausreichend großes Rückvolumen zur Verfügung steht.
Für Ausführungsformen
mit oben liegender Schalleintrittsöffnung ist die Größe so gewählt, dass mindestens
75 Prozent des nicht von dem MEMS-Chip verdrängten Innenvolumens als akustisches
Rückvolumen
verfügbar
sind.
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Mit
der Erfindung wird ein gekapseltes MEMS-Mikrofon angegeben, welches
bei minimaler Bauhöhe
ein optimiertes Rückvolumen
für die
akustische Mikrofonfunktion garantiert. Auch die Grundfläche des
Gehäuses
ist minimiert und kleiner als bekannte Ausführungsformen gekapselter MEMS-Mikrofon-Chips.
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Mit
dem vorgeschlagenen Bauelement und dem Herstellungsverfahren gelingt
es auch, den MEMS-Chips CH stressfrei in das Gehäuse G einzubauen, was auch
bei mechanischer oder Temperaturwechselbelastung des Bauelements
eine weitgehend ungestörte
Mikrofonfunktion gewährleistet.
Das Gehäuse
kann bezüglich
der dafür
verwendeten Materialien und dem genauen geometrischen Aufbau beliebig
variiert werden. Für
Unterteil, Rahmenstruktur und Abdeckung können gleiche oder unterschiedliche
Materialien eingesetzt werden. Vorzugsweise umfasst zumindest die
Bodenplatte aber ein Schicht eines dielektri schen Materials, um
die unterschiedlichen Anschlüsse
und SMT-Kontakte
gegeneinander zu isolieren.
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Für das Bauelement
können
beliebige MEMS-Chips mit Mikrofonfunktion eingesetzt werden, die
gegebenenfalls nach unterschiedlichen Prinzipien funktionieren.
Bevorzugt werden MEMS-Chips mit
Membran eingesetzt. Prinzipiell ist es jedoch auch möglich, MEMS-Chip
mit anders aufgebauter beziehungsweise realisierter Mikrofonfunktion
zu verwenden. Diejenigen mit Membran und über einer Ausnehmung können wie
dargestellt eine konische Ausnehmung aufweisen, die aufgrund kristallachsenorientierter Ätzung oder überhaupt
infolge isotroper Ätzung
automatisch entstehen. Prinzipiell sind natürlich auch Ausnehmungen mit
vertikalen oder anders ausgebildeten Seitenwänden für MEMS-Chips geeignet, was
bezüglich
eingesparter Grundfläche
eine weitere Reduzierung des Flächenbedarfs
des Bauelements ermöglicht.