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Von Mobilkommunikationsgeräten geht ein enormer Miniaturisierungsdruck auf die elektronischen Komponenten aus. In besonderer Weise betrifft dies MEMS-Bauelemente (Micro-Elektro-Mechanical System) wie zum Beispiel Mikrophone, die eine relativ hohe Bauform aufweisen, mit der Folge von Einschränkungen für das Gerätedesign insbesondere von mobilen Kommunikationsgeräten. Die US 2004 / 0 051 181 A1 zeigt ein mikroelektromechanisches System in einer Kavität geformt durch Halbleiterstrukturen. Die
DE 10 2006 022 379 A1 zeigt einen mikromechanischen Druckwandler und ein Verfahren zu seiner Herstellung. Die
DE 10 2005 053 765 A1 beschreibt ein MEMS-Package und ein Verfahren zu seiner Herstellung. Die US 2001 / 0 011 772 A1 zeigt eine Halbleiterschaltungsanordnung, bei der eine Chip auf einem Träger montiert wird; letzterer wird im Herstellungsprozess vereinzelt.
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Verschiedenste mikroelektronische Bauelemente wie Einzelhalbleiter, Speicher, Prozessoren, SAW Bauelemente (Surface accoustic wave), BAW Bauelemente (Bulk accoustic wave), usw. werden auf Waferebene gefertigt. Dabei werden Prozesse, wie Schichtabscheidung, Fotolithographieverfahren, Druckverfahren und andere für eine Vielzahl von Bauelementen parallel durchgeführt. Auf einem Wafer entsteht dabei eine Vielzahl von Chips gleichartigen Typs. Zur Verkapselung der Bauelemente wird häufig auf externe Gehäuse zurückgegriffen. Speziell für Halbleiterbauelemente, meistens auf der Basis von Siliziumwafern, wurden bereits zahlreiche Konzepte für ein so genanntes WLP (wafer level packaging) entwickelt. Bei diesem Verfahren wird die Verkapselung auf Waferebene in einem Flächenprozess realisiert. Die für Halbleiterbauelemente bekannten WLP Konzepte basieren in der Mehrzahl auf Bumpverbindungen, die aus auf dem Wafer aufgedampftem, gedrucktem oder galvanisch abgeschiedenem Lot bestehen. Auf diese Bumpverbindungen wird ein weiterer Wafer als Abdeckung aufgesetzt. Auf Grund der guten thermomechanischen Anpassung wird dazu vorzugsweise das gleiche Material verwendet, wie z.B. ein weiterer Siliziumwafer. Es ist auch bekannt, einen zweiten Wafer direkt aufzusetzen und die elektrische Verbindung durch den zweiten Wafer mittels Durchkontaktieren durch den ersten oder zweiten Wafer herzustellen.
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Ein weiterer Wafer aus Silizium ist jedoch kostspielig und die erforderlichen Justier- und Verbindungsverfahren sind ebenfalls aufwendig und teuer. Außerdem muss beim Vereinzeln eine größere Materialdicke durchtrennt werden und je nach Verbindungsverfahren auch noch ein zusätzliches Material wie Kleber, Lot, Glasfritte usw., was die Bearbeitung erschwert. Des Weiteren weist das Bauteil eine deutlich höhere Bauform auf.
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Da in vielen Fällen zusätzlich zu dieser primären Verkapselung ohnehin noch eine weitere Häusung erfolgt, stellt ein solches WLP oft einen übertriebenen Aufwand zum Erreichen der Ziele dar.
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Eine Aufgabe ist es daher, eine rationelle, miniaturisierte und kostengünstige Lösung für MEMS-Bauelemente anzugeben, welche die genannten Nachteile vermeidet.
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Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß nebengeordneten Anspruch 15 und ein korrespondierendes MEMS-Bauelement gemäß Anspruch 1.
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Das MEMS-Bauelement (Micro-Elektro-Mechanical System) weist ein Substrat auf, in dem wenigstens eine Kavität vorhanden ist. Das Substrat weist eine aktive und eine inaktive Seite auf. Die Kavität ist zu der aktiven Seite hin verschlossen. Die Kavität ist mittels einer Membran verschlossen. Die aktive und inaktive Seite befinden sich auf gegenüber liegenden Seiten des Substrats. Auf der inaktiven Seite des Substrats ist eine Abdeckfolie aufgebracht, die das Substrat bedeckt und die Kavität somit vorzugsweise nach außen hin verschließt.
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Dadurch sind die MEMS-Bauelemente während der Prozessierung vor Beschädigungen oder Zerstörung geschützt. Des Weiteren ermöglicht ein derartiges MEMS-Bauelement die Verwendung bestimmter Häusungsprozesse, die andernfalls zu einer Beschädigung des Bauelements oder zu einer Beeinträchtigung der Bauelementfunktion führen würden. Durch die Abdeckfolie können auch Teilvolumina abgegrenzt werden.
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Im Bereich der Außenkanten des MEMS-Bauelements ist die Abdeckfolie mittels Laserablation entfernt, sodass die Substratoberfläche freigelegt ist. Das MEMS-Bauelement wurde durch Vereinzeln eines Substratwafers mittels Energieeintrag in eine Fokusebene unterhalb der Substratoberfläche hergestellt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Abdeckfolie mittels eines Klebers auf dem Substrat aufgebracht.
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Zwischen dem Substrat und der Abdeckfolie ist in einer Ausführungsform ein Klebefilm aufgebracht der die Abdeckfolie auf dem Substrat fixiert. In einer bevorzugten Ausführungsform bedeckt der Kleber die Abdeckfolie nahezu vollflächig.
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Es ist jedoch auch möglich, dass der Kleber bevorzugt an den Stellen angeordnet ist, an denen die Abdeckfolie in Kontakt mit dem Substrat ist. Die Bereiche der Abdeckfolie, die eine Kavität bedecken, sind somit möglichst frei von Kleber.
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Es ist vorteilhaft, die Verklebung mit einem Kleber durchzuführen, dessen Klebewirkung erst beim Aufbringen bzw. Auflaminieren aktiviert wird. Dies kann beispielsweise durch Druck und/oder Hitze erfolgen. Besonders eignen sich dafür Schmelzkleber oder so genannte „B-stage“ Materialien.
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Die Abdeckfolie besteht vorzugsweise aus einer Polymerfolie. Es ist jedoch auch möglich, eine Metallfolie zu verwenden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Abdeckfolie eine Polyimidfolie. Polyimidfolien haben den Vorteil, dass sie im makroskopischen Maßstab hoch flexibel und daher einfach zu verarbeiten sind, im mikroskopischen Maßstab jedoch ausreichend starr sind, um den relevanten Druckdifferenzen sowohl bei der Herstellung als auch im Betrieb des MEMS-Bauelements ohne größere Verformungen zu widerstehen.
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Die Abdeckfolie überspannt die Kavitäten vorzugsweise in einer flachen horizontalen Form. Es ist jedoch auch möglich, durch unterschiedliche Nachgiebigkeit des verwendeten Laminierwerkzeuges, wie zum Beispiel einer Walz- oder Andruckplatte, die Abdeckung im Bereich der Kavität gegenüber der Oberfläche des Substrates konkav oder konvex zu verformen.
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Auch durch Laminieren oder Nachbehandeln in einem Autoklaven kann durch Wahl geeigneter Druck-, Temperatur-, oder Zeitprofile eine konkave oder auch konvexe Form eingestellt werden, die nach einem anschließenden Durchhärten des Materials fixiert ist.
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In einer weiteren Ausführungsform können auf der Abdeckfolie bzw. im Bereich der Kavität weitere Funktionselemente angeordnet sein. Bei den Funktionselementen kann es sich um eine einfache Abdeckung oder aber auch um aktive oder passive Bauelemente handeln.
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Bevorzugt ist das MEMS-Bauelement als Drucksensor ausgebildet. In einer weiteren Ausführungsform kann das MEMS-Bauelement jedoch auch aus als Mikrophon ausgebildet sein oder eine beliebige weitere Funktion aufweisen.
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Zur Herstellung des MEMS-Bauelements werden auf einem Substrat-Wafer zuerst mehrere Kavitäten erzeugt. Die Kavitäten sind bevorzugt zu einer ersten aktiven Seite hin verschlossen. Die Kavitäten sind auf der aktiven Seite mittels einer Membran verschlossen. Zu einer inaktiven Seite hin weisen die Kavitäten bevorzugt eine Öffnung auf. In einem zweiten Schritt wird auf die inaktive Seite des Substrat-Wafers eine Abdeckfolie aufgebracht, wobei die Abdeckung in den Bereichen des Substrat-Wafers, die keine Kavität bilden, mit dem Substrat-Wafer verklebt ist. Die Abdeckfolie wird entlang den Linien eines vordefinierten Vereinzelungsmusters mit Trennfugen versehen, indem die Abdeckfolie entlang den Linien des Vereinzelungsmusters bis zum Substrat-Wafer mittels Laserablation durchtrennt wird. Der Substrat-Wafer wird mittels Energieeintrag in eine Fokusebene unterhalb der Substratoberfläche vereinzelt.
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In einem bevorzugten Verfahrensschritt wird die Abdeckfolie vollflächig auf der inaktiven Seite des Substrat-Wafers aufgebracht.
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In einem bevorzugten Verfahrensschritt wird die Abdeckung in Form einer Polymerfolie aufgebracht. In einem alternativen Verfahrensschritt kann die Abdeckung auch als Metallfolie aufgebracht werden.
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In einem weiteren Verfahrensschritt wird der Substrat-Wafer bevorzugt mit der aktiven Seite auf eine bereitgestellte Trägerfolie aufgeklebt. Die Trägerfolie dient dazu, die nach dem Vereinzeln des Substrat-Wafers vorhandenen einzelnen Bauelemente auf der Trägerfolie temporär zu fixieren. Besonders geeignet sind dazu so genannte „UV-release-Tapes“. Diese weisen eine hohe Klebkraft auf und sind nach einer UV-Behandlung leicht ablösbar.
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In einem Verfahrensschritt wird die Abdeckfolie entlang der Linien eines Vereinzelungsmusters bis zum Substrat-Wafer hin durchtrennt. Die Durchtrennung erfolgt mittels Laserablation. Die Durchtrennung der Abtrennung kann, bei einer nicht erfindungsgemäßen Ausführung, jedoch auch mittels Sägeverfahrens erfolgen.
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Alternativ kann eine fotolithographisch bearbeitete Folie auflaminiert werden, die nicht erfindungsgemäß mittels scannender Belichtung oder Masken-Belichtung und nachfolgender Entwicklung in entsprechender Weise strukturiert wird.
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In einem weiteren nicht erfindungsgemäßen Verfahrensschritt wird der Substrat-Wafer vorzugsweise mittels eines Sägeverfahrens entsprechend dem Vereinzelungsmuster in einzelne MEMS-Bauelemente zerteilt.
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Alternativ und nicht erfindungsgemäß kann der Substrat-Wafer auch mittels Laserschneidens vereinzelt werden. Ein Anritzen des Substrat-Wafers mit anschließenden kontrollierten Brechen kann als weitere Möglichkeit zum Vereinzeln der Bauelemente verwendet werden.
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Der Substrat-Wafer wird mittels Energieeintrags in eine Fokusebene unterhalb der Substratoberfläche vereinzelt. Durch geeignete Wahl von Laserwellenlänge, Fokusdurchmesser, Leistung, Pulsfrequenz und Scanparametern kann ein Angriff des Substrats vermieden werden. Besonders bei der Verwendung eines Lasers zur Vereinzelung des Substrat-Wafers ist die Freilegung der Substratoberfläche im Bereich der Trennlinie durch Laserablation oder durch ein Sägeverfahren vorteilhaft. Dadurch kann die Abdeckfolie im Bereich der Außenkanten des MEMS-Bauelements zurückgezogen sein.
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Beim Zerteilen des Substrat-Wafers mittels eines nicht erfindungsgemäßen Sägeverfahrens kann die Vorbereitung des Substrats entlang der Trennlinien entfallen. Die Kavität mit sensiblen MEMS-Strukturen ist optimal zwischen der Abdeckfolie einerseits und der Trägerfolie geschützt. Sofern es die MEMS-Strukturen zulassen, kann jedoch auch von der aktiven Seite des Substrats her gesägt werden.
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Zur Positionierung eines MEMS-Bauelements auf einem Montagesubstrat wird das MEMS-Bauelement gegriffen und auf einem Montagesubstrat positioniert. Hierbei werden vorzugsweise Vakuumwerkzeuge verwendet, die bei einem MEMS-Bauelement ohne Abdeckfolie über der Kavität die sensiblen MEMS-Strukturen beschädigen könnten, was mit der Abdeckfolie vermieden wird. Die Positionierung mit der aktiven Seite des MEMS-Bauelements in Richtung Montagesubstrat wird so vorgenommen, dass wenigstens der Bereich unter der Kavität frei von mechanischem Kontakt mit dem Montagesubstrat ist.
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Der Verfahrensschritt des Greifens und die Positionierung des MEMS-Bauelements erfolgt vorzugsweise mittels eines Vakuumgreifers.
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Zur Fixierung und Kontaktierung des MEMS-Bauelements auf dem Montagesubstrat werden bevorzugt so genannte Bumps verwendet, die zwischen Montagesubstrat und MEMS-Bauelement angeordnet sind. Das Montagesubstrat weist bevorzugt im Bereich der Kavität des Substrat-Wafers eine Öffnung auf.
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Es ist jedoch auch möglich, dass das MEMS-Bauelement mittels Verklebung zwischen dem Montagesubstrat und der inaktiven Seite des MEMS-Bauelements fixiert wird. Dabei wird die inaktive Seite des MEMS-Bauelements über eine Klebeschicht auf dem Montagesubstrat fixiert. Da sich auf der inaktiven Seite des MEMS-Bauelements eine Abdeckfolie befindet, wird durch die Abdeckfolie verhindert, dass das Klebematerial der Klebeschicht in den Innenraum der Kavität gelangen kann.
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Als Montagesubstrat kann beispielsweise ein Cavity-Package verwendet werden, das vorzugsweise aus einem keramischen Material besteht. Cavity-Packages lassen sich ohne großen Aufwand mit sehr kleinen Abmessungen, Wandstärken und Maßtoleranzen fertigen.
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Das Montagesubstrat kann externe Lötflächen, die insbesondere für die SMT-Montage geeignet sind und interne Durchkontaktierungen aufweisen, die allgemein bekannt sind, und auf die an dieser Stelle nicht näher eingegangen wird. Des Weiteren kann das Montagesubstrat Öffnungen oder Fenster zum Empfang externer Signale, wie Licht, Schall, Druck, Medien oder Anderes aufweisen.
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In dem Cavity-Package können in einer weiteren Ausführungsform noch weitere Komponenten angeordnet sein. Dabei kann es sich insbesondere um passive Bauelemente und aktive Bauelemente wie Verstärker/ASICs handeln, die untereinander und mit dem MEMS-Chip verschaltet sein können.
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In einer weiteren Ausführungsform, vorzugsweise bei Drucksensoren, kann die Kavität hermetisch verschlossen werden, indem die Abdeckfolie mit einem metallischen Überzug versehen wird, der sie überlappt und bis auf das MEMS-Substrat reichen kann.
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In einer weiteren Ausführungsform können beispielsweise mehrere Mikrofonchips zu einem akustischen Array in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sein. Die Rückvolumina der einzelnen Chips sind vorzugsweise durch die Abdeckfolie voneinander akustisch entkoppelt.
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In einem weiteren möglichen Verfahrensschritt wird auf der aktiven Seite des MEMS-Bauelements nach der Positionierung und Fixierung eine zusätzliche Abdeckung aufgebracht. Dieser Verfahrensschritt kann jedoch auch vor der Positionierung und Fixierung des MEMS-Bauelements auf dem Montagesubstrat erfolgen.
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Anschließend kann das MEMS-Bauelement auf dem Montagesubstrat mit einem weiteren Gehäuse versehen werden.
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Die auf dem MEMS-Bauelement aufgebrachte Abdeckfolie kann in einer weiteren Ausführungsform als Auflage für weitere Gehäuseteile oder Abdeckungen dienen. Bei den weiteren Gehäuseteilen kann es sich um Polymerschichten handeln, die mittels Molding, Verguss oder Laminierung auf das MEMS-Bauelement aufgebracht werden. Die weiteren Gehäuseteile können in einer weiteren Ausführungsform auch aus Metall bestehen. Dabei handelt es sich bevorzugt um außenstromlose Metallisierungen oder galvanische Schichten auf PVD-Seedlayer (physical vapor deposition). Es ist jedoch auch möglich, dass die weiteren Gehäuseteile aus einer Kombination von Polymer- und Metallschichten bestehen.
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In einer weiteren Ausführungsform weist das MEMS-Bauelement eine metallische Schicht auf, die vorzugsweise zur elektromagnetischen Abschirmung dient. Dabei ist die metallische Schicht vorzugsweise mit einem Massepotential oder einem externen elektrischen Anschluss verbunden.
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Bei einer weiteren Ausführungsform des MEMS-Bauelement, bei dem die aktive Seite des MEMS-Bauelements in Richtung Montagesubstrat zeigt, ist das MEMS-Bauelement mit einer Polymer- und/oder Metallschicht versehen, die direkt auf der durch die Abdeckfolie und dem MEMS-Bauelement vorgegebenen Oberfläche aufgebaut wird. Durch die Abdeckfolie ist somit ein Schichtaufbau mit weiteren Verkapselungselementen möglich. Außerdem wird dadurch ein unerwünschtes Eindringen von Verunreinigungen in die Kavität des MEMS-Bauelements verhindert. Montagebedingte Abstände, Luftpolster usw. werden somit vermieden. Dadurch ist ein miniaturisierter Aufbau und eine besonders rationale Herstellung möglich.
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Die metallische Schicht auf dem MEMS-Bauelement kann Aluminium, Kupfer, Nickel, Titan, Gold, Silber oder Chrom oder Legierungen bzw. Schichtfolgen aus diesen Metallen aufweisen. Die Dicke der metallischen Schicht beträgt dabei vorzugsweise 1 - 100 µm.
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Die oben beschriebenen Gegenstände werden anhand der folgenden Figuren und Ausführungsbeispielen näher erläutert.
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Die nachfolgend beschriebenen Zeichnungen sind nicht als maßstabsgetreu aufzufassen. Vielmehr können zur besseren Darstellung einzelne Dimensionen vergrößert, verkleinert oder auch verzerrt dargestellt sein. Elemente die einander gleichen oder die die gleiche Funktion übernehmen sind mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
- 1 zeigt einen Ausschnitt eines Substrat-Wafers mit mehreren Kavitäten.
- 2 zeigt einen Ausschnitt eines Substrat-Wafers, bei dem die Kavitäten mit einer Abdeckung bedeckt sind.
- 3 zeigt einen Ausschnitt eines Substrat-Wafers, bei dem die Abdeckung an bestimmten Stellen entfernt ist.
- 4 zeigt einen Ausschnitt eines Substrat-Wafers, bei dem der Substrat-Wafer mittels eines Sägeverfahrens in einzelne Bauelemente zerteilt wird.
- 5 zeigt einen Ausschnitt eines Substrat-Wafers, bei dem der Substrat-Wafer mittels Laserschneidens in einzelne Bauelemente zerteilt wird.
- 6 zeigt ein MEMS-Bauelement, das in einem Cavity-Package angeordnet ist.
- 7 zeigt ein MEMS-Bauelement, das in einem weiteren Cavity-Package angeordnet ist.
- 8 zeigt ein MEMS-Bauelement, das in einem Cavity-Package angeordnet ist, wobei auf der aktiven Seite des MEMS-Bauelements eine weitere Abdeckung angeordnet ist.
- 9 zeigt ein MEMS-Bauelement, das auf einem Montagesubstrat angeordnet ist.
- 10 zeigt ein MEMS-Bauelement, das auf einem Montagesubstrat angeordnet ist, wobei das MEMS-Bauelement mit einer weiteren Abdeckung versehen ist.
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1 zeigt einen Ausschnitt eines als Substrat 1 dienenden Wafers, in dem mehrere Kavitäten 2 eingebracht sind. Die Kavitäten 2 sind zu einer ersten, der aktiven Seite hin mit einer Membran 21 verschlossen. Zu einer zweiten, der inaktiven Seite hin sind die Kavitäten 2 offen. Die Kavitäten werden vorzugsweise mittels eines Ätzverfahrens in dem Substrat 1 erzeugt. Es ist jedoch auch möglich, die Kavität 2 mittels jedes anderen geeigneten Strukturierungsverfahrens herzustellen. Die Kavitäten 2 sind vorzugsweise zur aktiven Seite des Substrats 1 hin mit einer Membran 21 verschlossen.
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Bei der Herstellung der Kavitäten wird vorzugsweise das Material bis auf die Membran 21 in der Kavität mittels verschiedenster Verfahren entfernt. Die Membran 21 kann eine Restschichtdicke des Substratwafers darstellen oder eine auf der aktiven Seite des MEMS Bauelements aufgebrachte zusätzliche Schicht sein. Dabei ist es möglich, den Strukturierungsschritt bei der Herstellung der Kavität 2 selektiv an einer solchen vom Substratmaterial unterschiedlichen Schicht zu stoppen. Die aktive Seite des MEMS Bauelements zeichnet sich auch dadurch aus, dass im Bereich dieser Oberfläche oder Substratseite weitere funktionelle Elemente des MEMS Bauelements angeordnet sind, vorzugsweise auch die elektrischen Anschlussflächen (Pads) zur Kontaktierung des Bauelements.
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Die 2 zeigt einen Wafer eines Substrats 1, bei dem auf der inaktiven Seite eine Abdeckfolie 3 aufgebracht ist. Die Abdeckfolie 3 ist vorzugsweise mittels einer Klebeschicht 4 auf dem Substrat 1 aufgebracht, sie kann jedoch auch inhärent klebrig sein. Die Abdeckfolie 3 bedeckt den Wafer des Substrats 1 vorzugsweise vollflächig. Die Klebeschicht 4 zwischen dem Substrat 1 und der Abdeckfolie 3 kann auch im Bereich der Kavitäten 2 fehlen. Vorzugsweise ist die Klebeschicht 4 wenigstens im Bereich der Kontaktfläche des Substrats 1 und der Abdeckfolie 3 angeordnet. Bei der Abdeckfolie 3 handelt es sich vorzugsweise um eine Polymerfolie. In einer weiteren Ausführungsform kann auch eine Metallfolie verwendet werden. In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform werden Polyimidfolien verwendet. Diese weisen vorzugsweise eine Stärke zwischen 20 und 100 um auf. Die Klebeschicht 4 weist vorzugsweise eine Stärke zwischen 10 und 25 um auf. Die Klebeschicht 4 weist vorzugsweise eine Klebewirkung auf, die erst beim Auflaminieren der Abdeckfolie 3 auf dem Substrat 1 durch beispielsweise Druck oder Hitze aktiviert wird. Hierzu eigenen sich insbesondere Schmelzkleber oder so genannte „B-stage“-Materialien.
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Die Abdeckfolie 3 kann in einer nicht dargestellten Ausführungsvariante auch eine Form aufweisen, die von der planen, flachen Überspannung der Kavität 2 abweicht. Durch unterschiedliche Nachgiebigkeit des Laminierwerkzeuges, hierbei handelt es sich beispielsweise um eine Walze oder Andruckplatte, kann die Abdeckfolie 3 im Bereich der Kavität 2 beispielsweise konkav gestaltet werden. Des Weiteren ist es auch möglich, durch die Wahl geeigneter Druck-, Temperatur- oder Zeitprofile beim Auflaminieren der Folie auf den Wafer eine konkave oder konvexe Form einzustellen. Diese Form wird bei einem anschließenden Durchhärten der Abdeckfolie fixiert.
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Die 3 zeigt ein Substrat 1 mit mehreren Kavitäten 2. Das Substrat 1 ist mit der aktiven Seite auf einer Trägerfolie 7 aufgebracht. Die Trägerfolie 7 dient vorzugsweise dazu, die aktive Seite des Substrats 1 zu schützen bzw. eine einfachere Handhabung des zerteilten oder zu zerteilenden Substrats 1 zu erreichen. Bei der Trägerfolie 7 handelt es sich vorzugsweise um so genannte „UV-release-Tapes“. Diese „UV-release-Tapes“ zeichnen sich durch eine hohe Klebekraft aus, wobei sich die Trägerfolie 7 nach einer UV-Bestrahlung wieder leicht von dem Substrat 1 ablösen lässt. Zur Vereinzelung des Substrats 1 in einzelne MEMS-Bauelemente wird die Abdeckfolie 3 entlang den Linien eines vordefinierten Vereinzelungsmusters mit Trennfugen 5 versehen. Die Trennfugen 5 werden mittels eines Laserstrahls 6 in die Abdeckfolie 3 und gegebenenfalls in die Klebeschicht 4 eingebracht, wobei das Substrat 1 unversehrt bleiben kann. Durch geeignete Wahl von Laserwellenlänge, Fokusdurchmesser, Leistung, Pulsfrequenz und Scanparametern kann ein Angriff des Substrats 1 vermieden werden.
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In einer weiteren, nicht dargestellten Ausführungsvariante kann eine fotolithographisch bearbeitete Abdeckfolie 3 auf dem Substrat 1 auflaminiert werden, die in nicht beanspruchter Weise mittels scannender- oder Masken-Belichtung und nachfolgender Entwicklung in entsprechender Weise strukturiert werden kann.
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Es ist auch möglich, die Trennfugen 5 in die Abdeckfolie 3 mittels eines Sägeverfahrens einzubringen, was ebenfalls nicht beansprucht ist.
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In der 4 ist ein Substrat 1 dargestellt, das in nicht beanspruchter Weise mittels eines Sägeblattes 8 in einzelne MEMS-Bauelemente zerteilt wird. Beim Zerteilen des Substrats 1 mittels eines Sägeblattes 8 entstehen Schnittkanten 9. Die Schnittkanten 9 reichen vorzugsweise durch das Substrat 1 hindurch. Die Trägerfolie 7 bleibt jedoch größtenteils unbeschädigt, so dass die einzelnen MEMS-Bauelemente weiter auf der Trägerfolie 7 zusammen haften bleiben. Für den Fall, dass das Zersägen des Substrats 1 von der inaktiven Seite her erfolgt, kann der vorherige Schritt, der in 3 dargestellt ist, entfallen. Die Kavität 2 mit den sensiblen MEMS-Strukturen ist optimal zwischen der Abdeckfolie 3 einerseits und der Trägerfolie 7 andererseits geschützt. Sofern es die MEMS-Strukturen zulassen, ist es auch möglich, dass auch von der aktiven Seite des Substrats 1 her gesägt werden kann. Hierfür eignet sich allerdings eher ein schonenderes Trennverfahren.
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Ein solches schonenderes Trennverfahren zum zerteilen des Substrats 1 in einzelne MEMS-Bauelemente ist in 5 dargestellt. Hierbei wird mittels eines Laserstrahls 6 das Substrat 1 von der aktiven Seite her in einzelne MEMS-Bauelemente zerschnitten, was ebenfalls nicht beansprucht ist. Dabei entstehen wie in 4 dargestellt Schnittkanten 9 zwischen den einzelnen MEMS-Bauelementen. Das Substrat 1 ist in dieser Ausführungsvariante mit der inaktiven Seite, auf der sich die Abdeckfolie 3 befindet auf eine Trägerfolie 7 aufgebracht. Die MEMS-Strukturen auf der Membran sind durch dieses schonendere Verfahren ausreichend geschützt. Auf das Einbringen von Trennfugen 5 vor dem Zerteilen des Substrats 1 kann in diesem Verfahrensschritt unter Umständen verzichtet werden.
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Alternativ kann der Substrat-Wafer 1 auch durch Anritzen der Oberfläche des Substrat-Wafers 1 und nachfolgendes kontrolliertes Brechen oder, in einer besonders bevorzugten Ausführungsvariante, durch Energieeintrag in eine Fokusebene unterhalb der Oberfläche des Substrats 1 in einzelne MEMS-Bauelemente zerteilt werden. Auch eine Kombination dieser beiden Verfahren ist möglich.
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In 6 ist eine Ausführungsvariante des MEMS-Bauelements in einem Gehäuse gezeigt, wobei das MEMS-Bauelement auf dem Montagesubstrat 10 mittels Bumps 12 befestigt ist. Über die Bumps 12 kann auch die elektrische Kontaktierung des MEMS-Bauelements erfolgen. Das Cavity-Package weist eine Abdeckung 11 auf, durch die ein abgeschlossenes Volumen gebildet wird. Das durch die Abdeckfolie 3 und das MEMS-Bauelement gebildete abgeschlossene Rückvolumen verhindert einen ungewollt schnellen Druckausgleich zwischen der Vorder- und Rückseite der Membran 21, der sonst seitlich zwischen den Bumps 12 hindurch ungehindert erfolgen könnte.
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Die Membran 21 verschließt die Kavität 2 zur aktiven Seite des Substrats 1 hin. Die Montage des MEMS-Bauelements erfolgt vorzugsweise mittels Vakuum-Saugwerkzeug, das an der mit der Abdeckfolie 3 verschlossenen inaktiven Seite angreifen kann. Durch die Abdeckfolie 3 wird verhindert, dass die Membran 21 des Substrats 1 beschädigt wird. Das Montagesubstrat 10 bildet in der dargestellten Ausführungsform ein Cavity-Package. Diese ist vorzugsweise aus Keramik hergestellt, das sich problemlos mit sehr kleinen Abmessungen, Wandstärken um Maßtoleranzen herstellen lässt. Das Cavity-Package weist eine Öffnung 13 oder Fenster für Medien, Strahlung oder Druck auf. Die Öffnung 13 ist vorzugsweise unter dem MEMS-Bauelement angeordnet.
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In dem Cavity-Package können neben dem MEMS-Bauelement auch noch weitere, nicht dargestellte, Komponenten, insbesondere Passive und Verstärker/ASICs untergebracht und untereinander sowie mit dem MEMS-Sensor verschaltet sein. Insbesondere ist es auch möglich, beispielsweise mehrere Mikrophonchips als akustisches Array in einem wie oben beschriebenen gemeinsamen Gehäuse (Cavity-Package) unterzubringen, wobei die Rückvolumina der einzelnen Mikrophonchips durch die Abdeckfolien 3 voneinander entkoppelt sind. Des Weiteren können Kontaktierungen, externe Lötflächen insbesondere für die SMT-Montage und erforderliche Durchkontaktierungen vorgesehen sein, die allgemein bekannt sind und deshalb hier nicht dargestellt werden.
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Die 7 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Positionierung eines MEMS-Bauelements auf einem Montagesubstrat 10, bzw. wie in der 7 dargestellt in einem Cavity-Package. Das MEMS-Bauelement ist in dieser Ausführungsvariante derart angeordnet, dass die auf dem Substrat 1 mittels einer Klebeschicht 4 aufgebrachte Abdeckfolie 3 in Richtung Montagesubstrat 10 gerichtet ist. Durch die Abdeckfolie 3 ist somit gewährleistet, dass der Kleber 14, mittels dem das MEMS-Bauelement auf dem Montagesubstrat 10 fixiert ist, nicht in die Kavität 2 des Substrats 1 dringt. Das MEMS-Bauelement ist mit Drähten 15 elektrisch kontaktiert. Hierbei handelt es sich vorzugsweise um so genannte Drahtbondverbindungen. Das Gehäuse, das durch das Montagesubstrat 10 oder auf diesem gebildet wird, weist eine Abdeckung 11 auf, die in der dargestellten Ausführungsform eine Öffnung aufweist, die z.B. zum Schalleintritt dienen kann.
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In der 8 ist eine weitere Ausführungsform dargestellt, bei der ein MEMS-Bauelement auf einem Montagesubstrat 10 mit der inaktiven Seite des Substrats 1 angeordnet ist. Auf der aktiven Seite des Substrats 1 ist im Bereich über der Kavität 2 eine weitere Abdeckung 16 angeordnet. Das Montagesubstrat 10 bildet in dieser dargestellten Ausführungsform ein Cavity-Package, wobei das Cavity-Package mit einer Abdeckung 11 verschlossen ist. Das MEMS-Bauelement ist mit Bonddrähten 15 kontaktiert. Zur Befestigung des MEMS-Bauelements auf dem Montagesubstrat 10 ist das MEMS-Bauelement mit der inaktiven Seite, auf der eine Abdeckfolie 3 mittels einer Klebeschicht 4 aufgebracht ist, mit Hilfe einer weiteren Klebeschicht 14 auf dem Montagesubstrat 10 fixiert. Die Abdeckfolie 3 verhindert, dass der Kleber 14 in die Kavität 2 des Substrats 1 eindringen kann. Das Cavity-Package kann auch Öffnungen oder Fenster für Medien, Strahlung oder Druck aufweisen, die hier nicht dargestellt sind.
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Die 9 zeigt eine Ausführungsform, bei dem das MEMS-Bauelement mittels Flipchip Technik auf einem Montagesubstrat 10 montiert wird. Unter der aktiven Seite des Substrats 1 ist im Bereich der Kavität 2 eine weitere Abdeckung 16 angeordnet. Auf der inaktiven Seite des Substrats 1 ist eine Abdeckfolie 3 mittels einer Klebeschicht 4 aufgebracht. Das MEMS-Bauelement ist mittels Flipchip-Montage auf metallischen Bumps 12 montiert.
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In der 10 ist ein MEMS-Bauelement mittels Bumps 12 über die aktive Seite des Substrats 1 auf einem Montagesubstrat 10 aufgebracht. Das Montagesubstrat 10 weist vorzugsweise im Bereich der Kavität 2 des Substrats 1 eine Öffnung auf. Die inaktive Seite des Substrats 1 ist mit einer Abdeckfolie 3 abgedeckt. Die Abdeckfolie 3 ist vorzugsweise mit einer Klebeschicht 4 auf dem Substrat 1 fixiert. Sie kann aber auch aufgeschmolzen bzw. auflaminiert sein. Die Abdeckfolie 3 dient in dieser Ausführungsform als Auflage für dieses und weitere Verkapselungselemente. Die Abdeckfolie 3 überspannt die Kavitäten in der dargestellten Ausführungsform in einer flachen horizontalen Form. Es ist jedoch auch möglich, durch unterschiedliche Nachgiebigkeit des verwendeten Laminierwerkzeuges, wie zum Beispiel einer Walz- oder Andruckplatte, dass die Abdeckfolie 3 im Bereich der Kavität 2 gegenüber der Oberfläche des Substrates 1 konkav oder konvex verformt ist. Auch durch Laminieren oder Nachbehandeln in einem Autoklaven kann durch Wahl geeigneter Druck-/Temperatur-/Zeitprofile eine konkave oder auch konvexe Form eingestellt werden, die nach einem anschließenden Durchhärten des Materials fixiert wird. Durch eine konvexe oder konkave Form der Abdeckfolie 3 kann das Volumen in der Kavität 2 erweitert oder verringert werden.
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Das MEMS-Bauelement ist mit einem Laminat 17 versehen, das das MEMS-Bauelement vollständig überspannt, wobei das Laminat 17 das MEMS-Bauelement vorzugsweise auch im Randbereich mit dem Montagesubstrat 10 abdichtet. Auf dem Laminat 17 ist in der dargestellten Ausführungsform eine Metallschicht 18 aufgebracht. Unter einer Metallschicht kann auch eine Folie verstanden werden. Die Metallschicht 18 kann Aluminium, Kupfer, Nickel, Titan, Gold, Silber oder Chrom oder Legierungen bzw. Schichtfolgen dieser Metalle aufweisen. Die Metallschicht 18 wird vorteilhaft mittels Aufdampfen oder Aufsputtern, sowie auch durch nasschemische oder galvanische Abscheidung erzeugt, oder durch eine Kombination dieser Verfahren. Die Metallschicht 18 weist dabei vorzugsweise eine Stärke von 1 - 100 µm auf. Das Laminat 17 und die Metallschicht 18 verhindern ein unerwünschtes Eindringen von Feuchtigkeit oder Partikeln in den Hohlraum, der durch das MEMS-Bauelement und das Montagesubstrat 10 gebildet wird. Außerdem wird so eine Schirmung gegenüber elektromagnetischen Störungen gebildet. Montagebedingte Abstände, Luftspalte usw., die bei einem externen Gehäuse vorhanden sind, können somit vermieden werden. Dadurch ist ein miniaturisierter Aufbau und eine besonders rationelle Herstellung möglich.
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Durch selektives Entfernen des Laminats 17 am Rande des Bauelements vor Aufbringen der Metallschicht 18, kann die Metallschicht 18 in Kontakt mit dem Substrat 1 gebracht werden. Dadurch ist beispielsweise ein Anbinden der Metallschicht 18 an die Gehäusemasse möglich.
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Obwohl in den Ausführungsbeispielen nur eine beschränkte Anzahl möglicher Weiterbildung der Erfindung beschrieben werden konnte, ist die Erfindung nicht auf diese beschränkt. Es ist prinzipiell möglich, dass die Abdeckfolie eine konkave oder konvexe Form aufweist.
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Die Erfindung ist nicht auf die Anzahl der dargestellten Elemente beschränkt.
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Die Beschreibung der hier angegebenen Gegenstände ist nicht auf die einzelnen speziellen Ausführungsformen beschränkt vielmehr können die Merkmale der einzelnen Ausführungsformen soweit technisch sinnvoll beliebig miteinander kombiniert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Substrat
- 2
- Kavität
- 21
- Membran
- 3
- Abdeckfolie
- 4
- Kleber
- 5
- Einschnitt
- 6
- Laserstrahl
- 7
- Trägerfolie
- 8
- Sägeblatt
- 9
- Bruch- oder Schnittkante
- 10
- Montagesubstrat
- 11
- Abdeckung
- 12
- Bump
- 13
- Öffnung
- 14
- Klebeschicht
- 15
- Elektroden
- 16
- weitere Abdeckung
- 17
- Laminat
- 18
- Metallschicht
