DE102007057492A1

DE102007057492A1 - Mikroelektromechanisches System

Info

Publication number: DE102007057492A1
Application number: DE102007057492A
Authority: DE
Inventors: Heinrich Dr. Heiss; Michael Mauer
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2007-11-29
Filing date: 2007-11-29
Publication date: 2009-06-18
Also published as: US20090141913A1

Abstract

Ein mikroelektromechanisches System weist ein Trägersubstrat auf. Ein Halbleiterchip ist in dem Trägersubstrat oder auf dem Trägersubstrat angebracht. Außerdem ist ein mikroelektromechanisches Bauteil an dem Trägersubstrat angebracht. Dabei ist das mikroelektromechanische Bauteil zumindest teilweise über dem Halbleiterchip angeordnet.

Description

Ausführungsbeispiele der Erfindung beziehen sich auf ein mikroelektromechanisches System und Verfahren zum Herstellen eines solchen Systems.
Mikroelektromechanische Bauelemente, wie z. B. Sensoren/Aktoren, werden häufig in Kombination mit elektronischen Schaltungen nebeneinander auf einem Substrat zu mikroelektromechanischen Systemen (MEMS) zusammengebaut. Anwendungen für MEMS sind beispielsweise Drucksensoren, Beschleunigungssensoren, Mikrofone oder Licht erzeugende Elemente. Durch die nebeneinander angeordneten Bauteile sind MEMS bisher sehr platzraubend.
Ausführungsbeispiele der Erfindung behandeln im Folgenden mikroelektromechanische Systeme, die weniger Platz als herkömmliche Bauteile beanspruchen.
Die Erfindung wird charakterisiert durch die unabhängigen Ansprüche. Weiterbildungen der Erfindung finden sich in den abhängigen Ansprüchen.
Ausführungsformen der Erfindung beziehen sich im Allgemeinen auf ein mikroelektromechanisches System, das ein Trägersubstrat, einen Halbleiterchip, der in dem Trägersubstrat oder auf dem Trägersubstrat angebracht ist und ein mikroelektromechanisches Bauteil, das an dem Trägersubstrat angebracht ist, aufweist, wobei das mikroelektromechanische Bauteil zumindest teilweise über dem Halbleiterchip angeordnet ist.
Im speziellen beziehen sich Ausführungsformen der Erfindung auf ein Mikrofonmodul, das ein Trägersubstrat, einen Halbleiterchip mit einer integrierten Schaltung zur Verarbeitung eines elektrischen Signals und ein Mikrofon zur Umwandlung von akustischen Signalen in elektrische Signale aufweist, wobei der Halbleiterchip in dem Trägersubstrat oder an dem Trägersubstrat angebracht ist und wobei das Mikrofon an dem Trägersubstrat zumindest teilweise über dem Halbleiterchip angebracht und mit dem Halbleiterchip elektrisch verbunden ist.
Weiterhin beziehen sich Ausführungsformen der Erfindung auf Verfahren zum Herstellen eines mikroelektromechanischen Systems.
Dabei wird in einem Verfahren ein Trägersubstrat bereitgestellt, an dem Trägersubstrat ein Halbleiterchip angebracht und zumindest teilweise über dem Halbleiterchip ein mikroelektromechanisches Bauteil an dem Trägersubstrat angebracht.
In einem anderen Verfahren wird ein erster Teil eines Trägersubstrats bereitgestellt, ein Halbleiterchip an dem ersten Teil des Trägersubstrats angebracht, ein zweiter Teil des Trägersubstrats an dem ersten Teil und über dem Halbleiterchip angebracht und ein mikroelektromechanisches Bauteil an dem Trägersubstrat zumindest teilweise über dem Halbleiterchip angebracht.
Kurze Beschreibung der Figuren
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend, bezugnehmend auf die beiliegenden Figuren, näher erläutert. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die konkret beschriebenen Ausführungsformen beschränkt, sondern kann in geeigneter Weise modifiziert und abgewandelt werden. Es liegt im Rahmen der Erfindung, einzelne Merkmale und Merkmalskombinationen einer Ausführungsform mit Merkmalen und Merkmalskombinationen einer anderen Ausführungsform geeignet zu kombinieren, um zu weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsformen zu gelangen.
Bevor im Folgenden die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung anhand der Figuren näher erläutert werden, wird darauf hingewiesen, dass gleiche Elemente in den Figuren mit den gleichen oder ähnlichen Bezugszeichen versehen sind und dass eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente weggelassen wird.
1 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines MEMS.
2 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines Mikrofonmoduls.
3 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines weiteren Mikrofonmoduls.
4 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines weiteren Mikrofonmoduls.
5 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines weiteren Mikrofonmoduls.
6 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines weiteren Mikrofonmoduls.
In 1 ist als Ausführungsbeispiel der Erfindung ein mikroelektromechanisches System (MEMS) 100 im Querschnitt dargestellt. Das mikroelektromechanische System 100 kann z. B. ein kapazitiver Wandler (Beschleunigungssensor, Drucksensor, Mikrofon etc.) oder ein Lichterzeugungselement sein.
Das mikroelektromechanische System 100 weist ein Trägersubstrat 10 auf. Das Trägersubstrat 10 kann z. B. auf Halbleiterbasis hergestellt sein oder aus einem sonstigen Material, z. B. Keramik, Glas oder Polymer bestehen. Das Trägersubstrat 10 kann auch ein PCB (Printed Circuit Board) oder ein aus Kupfer hergestellter Leiterbahnrahmen (Leadframe) sein. Das Trägersubstrat 10 kann außerdem aus mehreren Schichten, insbesondere aus mehreren Schichten aus unterschiedlichen Materialien, zusammengesetzt sein.
Auf dem Trägersubstrat 10 ist ein Halbleiterchip 11 angebracht. Alternativ kann der Halbleiterchip 11 auch in dem Trägersubstrat 10 angebracht sein.
In einer Ausführungsform kann der Halbleiterchip 11 z. B. in einer erzeugten Ausnehmung des Trägersubstrats 10 angeordnet sein. Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass der Halbleiterchip 11 über einer Ausnehmung des Trägersubstrats 10 angeordnet ist und mit dem Trägersubstrat 10 durch Kontaktelemente in der Ausnehmung verbunden ist. Noch eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass der Halbleiterchip 11 in einem Hohlraum in dem Trägersubstrat 10 angeordnet ist. Im Falle eines mehrschichtigen Trägersubstrats 10 kann der Halbleiterchip 11 beispielsweise zwischen zwei Schichten eingebettet werden.
Außerdem ist ein mikroelektromechanisches Bauteil 12 an dem Trägersubstrat 10 angebracht. Das mikroelektromechanische Bauteil 12 wird dabei zumindest teilweise über dem Halbleiterchip 11 angeordnet.
Das mikroelektromechanische Bauteil 12 kann in einer Ausführungsform mit dem Halbleiterchip 11 elektrisch verbunden sein.
Der Halbleiterchip 11 weist eine integrierte Schaltung auf und kann beispielsweise dazu dienen, von dem mikroelektromechanischen Bauteil 12 erzeugte elektrische Signale aufzunehmen und weiter zu verarbeiten bzw. das mikroelektromechanische Bauteil 12 zu steuern. Der Halbleiterchip 11 kann ein ASIC (Application Specific Integrated Circuit) sein, der speziell für seine Anwendung hinsichtlich der Weiterverarbeitung der elektrischen Signale und/oder der Ansteuerung des mikroelektromechanischen Bauteils 12 ausgebildet ist.
In einer Ausführungsform der Erfindung kann das mikroelektromechanische Bauteil 12 mit dem Trägersubstrat 10 ein Volumen 14 begrenzen. Dieses Volumen 14 kann z. B. bei einem Mikrofon ein abgeschlossenes Rückvolumen bilden, mit dem ein akustischer Kurzschluss, d. h. ein ungewollter Druckausgleich zwischen Vorderseite und Rückseite einer schwingenden Membran, verhindert wird. Dieses Rückvolumen bewirkt bei jeder Auslenkung der Membran eine Rückstellkraft zusätzlich zu der durch die elastischen Membraneigenschaften verursachten Rückstellkraft.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass der Halbleiterchip 11 zumindest teilweise in dem Volumen 14 angeordnet ist.
Weitere Ausführungsbeispiele können eine Schutzvorrichtung vorsehen, die auf dem Trägersubstrat 10 angeordnet ist, wobei die Schutzvorrichtung mit dem Trägersubstrat 10 ein Volumen abgrenzt, in dem zumindest das mikroelektromechanische Bauelement 11 wenigstens teilweise angeordnet ist.
In 2 ist eine MEMS 200 gezeigt, das eine Weiterbildung des in 1 gezeigten MEMS 100 darstellt. Das mikroelektromechanische Bauteil 12 ist bei dem MEMS 200 als Mikrofon, beispielhaft für einen kapazitiven Wandler, ausgebildet. Das Mikrofon 12 weist eine bewegliche Membran 20 als eine erste Elektrode und eine perforierte Gegenelektrode 21 auf. Das Mikrofon 12 dient zur Umwandlung von akustischen Signalen in elektrische Signale. Das Mikrofon 12, in der Regel ein aus Siliziumgrundmaterial hergestelltes Siliziummikrofon, ist auf dem Trägersubstrat 10 angebracht. Das Trägersubstrat 10 weist beispielsweise Leiterbahnstrukturen an seiner Oberfläche auf. An Kontaktstellen dieser Leiterbahnstrukturen ist das Mikrofon mit Bonddrähten oder in Flip-Chip-Technologie mit dem Trägersubstrat elektrisch kontaktiert (nicht dargestellt).
Das Mikrofon 12 bildet zusammen mit dem Trägersubstrat 10 einen Volumen 14 aus, das als Rückvolumen für das Mikrofon dient. In diesem Volumen ist ein Halbleiterchip 11 auf dem Trägersubstrat 10 angeordnet, der über Bonddrähte 25 mit weiteren Kontaktstellen 22 der Leiterbahnstrukturen an der Oberfläche des Trägersubstrats 10 elektrisch verbunden ist. Der Halbleiterchip 11 ist somit mit dem Mikrofon 12 über die Leiterbahnstrukturen elektrisch verbunden und übernimmt beispielsweise die bereits zu 1 erläuterten Aufgaben.
Über die Anordnung aus Mikrofon 12 und Halbleiterchip 11 ist eine Schutzvorrichtung 23 an dem Trägersubstrat 10 angebracht. Die Schutzvorrichtung 23 weist eine akustisch durchlässige Öffnung 24 auf, die es einer Schalldruckwelle ermöglicht, bis zum Mikrofon 12 zu gelangen.
In 3 ist ein MEMS 300 gezeigt, das ebenfalls eine Weiterbildung des in 1 gezeigten MEMS 100 darstellt. Im Unterschied zum MEMS 200 aus 2 weist das MEMS 300 einen Halbleiterchip 11 in dem vom Mikrofon 12 und dem Trägersubstrat 10 gebildeten Volumen 14 auf, wobei der Halbleiterchip 11 mittels Kontaktelemente 30 in Flip-Chip-Technologie auf dem Trägersubstrat 10 angebracht ist.
In 4 ist eine MEMS 400 dargestellt, das eine Weiterbildung des in 2 gezeigten MEMS 200 darstellt. Der Halbleiterchip 11 wird in dieser Ausführungsform in einer Ausnehmung 40 des Trägersubstrats 10 angeordnet und mit Bonddrähten 25 mit den weiteren Kontaktstellen 22 der Leiterbahnstrukturen an der Oberfläche des Trägersubstrats 10 elektrisch verbunden. Das Trägersubstrat 10 ist dabei aus 2 Schichten 10a und 10b aufgebaut, wobei die zweite Schicht 10b eine Unterbrechung aufweist und die Ausnehmung 40 des Trägersubstrats 10 bildet. Durch diese Ausnehmung 40 wird die Oberfläche 41 der ersten Schicht 10a offengelegt. An dieser Oberfläche 41 ist der Halbleiterchip 11 angebracht.
In 5 ist eine MEMS 500 dargestellt, das eine Weiterbildung des in 3 gezeigten MEMS 300 darstellt. Der Halbleiterchip 11 wird in diesem Ausführungsbeispiel über der Ausnehmung 40 des Trägersubstrats 10 angeordnet und in der Ausnehmung 40 mit dem Trägersubstrat 10 durch Kontaktelemente 30 verbunden. Das Trägersubstrat 10 ist dabei, wie in 4 bereits dargestellt, aus 2 Schichten 10a und 10b aufgebaut, wobei die zweite Schicht 10b eine Unterbrechung aufweist und die Ausnehmung 40 des Trägersubstrats 10 bildet. Durch diese Ausnehmung 40 wird die Oberfläche 41 der ersten Schicht 10a offengelegt. An dieser Oberfläche 41 ist der Halbleiterchip 11 angebracht.
In 6 ist ein MEMS 600 dargestellt, das eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen MEMS zeigt. Das MEMS 600 weist einen Halbleiterchip 11, ein Mikrofon 12, ein aus drei Schichten 10a, 10b und 10c aufgebautes Trägersubstrat 10 und eine Schutzvorrichtung 23 mit einer akustisch durchlässigen Öffnung 24 auf. Im Unterschied zu den vorherbeschriebenen Ausführungsformen der Erfindung ist der Halbleiterchip 11 in dieser Ausführungsform zwischen den zwei Schichten 10a und 10c im Trägersubstrat 10 eingebettet. Der Halbleiterchip 11 wird dabei in einem vorgefertigten ersten Teil des Trägersubstrats 10, bestehend aus den Schichten 10a und 10b, in der Ausnehmung der Schicht 10b angebracht. Anschließend wird ein zweiter Teil des Trägersubstrats 10, in diesem Fall die Schicht 10c, an dem ersten Teil und über dem Halbleiterchip 11 angebracht.
Der Halbleiterchip 11 (mit eventuell vorhandenen Kontaktelementen) weist maximal die gleiche Dicke als die Schicht 10b auf, damit er in der Ausnehmung der Schicht 10b vollständig versenkt ist und die dritte Schicht 10c planar über den Halbleiterchip 11 gelegt werden kann.
Die beschriebenen Ausführungsformen sollen lediglich beispielhaft die Erfindung erläutern. Insbesondere können statt eines Mikrofons auch andere MEMS verwendet werden. Außerdem lassen sich Anordnungen aus einem Ausführungsbeispiel auch auf andere Ausführungsbeispiele übertragen.

Claims

Mikroelektromechanisches System (100, 200, 300, 400, 500, 600), aufweisend – ein Trägersubstrat (10) – einen Halbleiterchip (11), der in dem Trägersubstrat (10) oder auf dem Trägersubstrat (10) angebracht ist und – ein mikroelektromechanisches Bauteil (12), das an dem Trägersubstrat (10) angebracht ist, wobei das mikroelektromechanische Bauteil (12) zumindest teilweise über dem Halbleiterchip (11) angeordnet ist.
Mikroelektromechanisches System (100, 200, 300, 400, 500, 600) nach Anspruch 1, bei dem der Halbleiterchip (11) in einer Ausnehmung (40) des Trägersubstrats (10) angeordnet ist.
Mikroelektromechanisches System (100, 200, 300, 400, 500, 600) nach Anspruch 1, bei dem der Halbleiterchip (11) über einer Ausnehmung (40) des Trägersubstrats (10) angeordnet ist und mit dem Trägersubstrat (10) durch Kontaktelemente (30) in der Ausnehmung (40) verbunden ist.
Mikroelektromechanisches System (100, 200, 300, 400, 500, 600) nach Anspruch 1, bei dem der Halbleiterchip (11) in einem Hohlraum in dem Trägersubstrat (10) angeordnet ist.
Mikroelektromechanisches System (100, 200, 300, 400, 500, 600) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Trägersubstrat (10) aus mehreren Schichten (10a, 10b, 10c) zusammengesetzt ist.
Mikroelektromechanisches System (100, 200, 300, 400, 500, 600) nach Anspruch 5, bei dem der Halbleiterchip (11) zwischen zwei Schichten (10a, 10c) eingebettet ist.
Mikroelektromechanisches System (100, 200, 300, 400, 500, 600) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das mikroelektromechanische Bauteil (12) mit dem Trägersubstrat (10) ein Volumen (14) ausbildet.
Mikroelektromechanisches System (100, 200, 300, 400, 500, 600) nach Anspruch 7, bei dem der Halbleiterchip (12) zumindest teilweise in dem Hohlraum (14) angeordnet ist.
Mikroelektromechanisches System (100, 200, 300, 400, 500, 600) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das mikroelektromechanische Bauteil (12) ein kapazitiver Wandler ist.
Mikroelektromechanisches System (100, 200, 300, 400, 500, 600) nach Anspruch 9, bei dem der kapazitive Wandler (12) ein Mikrofon ist.
Mikroelektromechanisches System (100, 200, 300, 400, 500, 600) nach Anspruch 9, bei dem der kapazitive Wandler (12) ein Drucksensor ist.
Mikroelektromechanisches System (100, 200, 300, 400, 500, 600) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Halbleiterchip (11) mit dem mikroelektromechanischen Bauteil (12) elektrisch verbunden ist.
Mikroelektromechanisches System (100, 200, 300, 400, 500, 600) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem auf dem Trägersubstrat (10) eine Schutzvorrichtung (23) angeordnet ist, wobei die Schutzvorrichtung (23) mit dem Trägersubstrat (10) ein Volumen (26) abgrenzt, in dem zumindest das mikroelektromechanische Bauelement (11) wenigstens teilweise angeordnet ist.
Mikroelektromechanisches System (100, 200, 300, 400, 500, 600) nach Anspruch 13, bei dem die Schutzvorrichtung (23) zumindest eine Öffnung (24) aufweist.
Verfahren zum Herstellen eines mikroelektromechanischen Systems (100, 200, 300, 400, 500, 600), wobei das Verfahren folgende Merkmale aufweist: – Bereitstellen eines Trägersubstrats (10), – Anbringen eines Halbleiterchips (11) an dem Trägersubstrats (10), – Anbringen eines mikroelektromechanischen Bauteils (12) an dem Trägersubstrat (10), zumindest teilweise über dem Halbleiterchip (11).
Verfahren nach Anspruch 15, bei dem in dem Trägersubstrat (10) eine Ausnehmung (40) erzeugt wird, in der der Halbleiterchip (11) an das Trägersubstrat (10) angebracht ist.
Verfahren zum Herstellen eines mikroelektromechanischen Systems (100, 200, 300, 400, 500, 600), wobei das Verfahren folgende Merkmale aufweist: – Bereitstellen eines ersten Teils (10a, 10b) eines Trägersubstrats (10) – Anbringung eines Halbleiterchips (11) an dem ersten Teil (10a, 10b) des Trägersubstrats 10, – Anbringen eines zweiten Teils (10c) des Trägersubstrats (10) an dem ersten Teil (10a, 10b) und über dem Halbleiterchip (11), – Anbringen eines mikroelektromechanischen Bauteils (12) an dem Trägersubstrat (10) zumindest teilweise über dem Halbleiterchip (11).
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17, bei dem eine Schutzvorrichtung (23) zumindest teilweise über dem mikroelektromechanischen Bauteil (12) an dem Trägersubstrat (10) angebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 18, bei dem der Halbleiterchip (11) und das mikroelektromechanische Bauteil (12) elektrisch verbunden werden.
Mikrofonmodul (100, 200, 300, 400, 500, 600), aufweisend – ein Trägersubstrat (10), – einen Halbleiterchip (11) mit einer integrierten Schaltung zur Verarbeitung von elektrischen Signalen, wobei der Halbleiterchip (11) in dem Trägersubstrat (10) oder an dem Trägersubstrat (10) angeordnet ist. – ein Mikrofon (12) zur Umwandlung von akustischen Signalen in elektrische Signale, wobei das Mikrofon (12) an dem Trägersubstrat (10) zumindest teilweise über dem Halbleiterchip (11) angebracht und mit dem Halbleiterchip (11) elektrisch verbunden ist.