DE102010064120A1

DE102010064120A1 - Bauteil und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE102010064120A1
Application number: DE102010064120A
Authority: DE
Inventors: Ricardo Ehrenpfordt; Ulrike Scholz
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2010-12-23
Filing date: 2010-12-23
Publication date: 2012-06-28
Anticipated expiration: 2030-12-24
Also published as: CN102659069B; US20120181639A1; CN102659069A; DE102010064120B4

Abstract

Es werden Maßnahmen vorgeschlagen, die eine kostengünstige und platzsparende Realisierung eines Bauteils mit einem MEMS-Bauelement (1) und einem Zugangskanal zur Membranstruktur (11) dieses MEMS-Bauelements ermöglichen.Ein derartiges Bauteil (10) umfasst ein MEMS-Bauelement (1), dessen Membranstruktur (11) in der Bauelementoberseite ausgebildet ist. Das MEMS-Bauelement (1) ist mit der Bauelementrückseite auf einem Träger (2) montiert und zumindest teilweise in eine Moldmasse (6) eingebettet. In der Moldmasse (6) ist eine Zugangsöffnung (7) ausgebildet.Erfindungsgemäßumfasst das Bauteil (10) ferner mindestens ein weiteres Halb-leiter-Bauelement (3) mit mindestens einer Durchgangsöffnung (4), dasüber dem MEMS-Bauelement (1) und mit Abstand zur Membranstruktur (11) in die Moldmasse (6) eingebunden ist, so dass sich ein Hohlraum (8) zwischen dem Halbleiter-Bauelement (3) und der Membranstruktur (11) befindet. Die Zugangsöffnung (7) in der Moldmasse (6) mündet in die Durchgangsöffnung (4) des Halbleiter-Bauelements (3) und bildet zusammen mit dieser und dem Hohlraum (8) zwischen dem Halbleiter-Bauelement (3) und der Membranstruktur (11) den Zugangskanal zur Membranstruktur (11).

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Bauteil sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung. Das hier in Rede stehende Bauteil umfasst mindestens ein MEMS-Bauelement mit mindestens einer Membranstruktur, die in der Oberseite des MEMS-Bauelements ausgebildet ist. Das MEMS-Bauelement ist mit der Bauelementrückseite auf einem Träger montiert. Außerdem ist das MEMS-Bauelement zumindest teilweise in eine Moldmasse eingebettet, in der mindestens eine Zugangsöffnung ausgebildet ist.
In der Offenlegungsschrift DE 199 29 026 A1 wird die Verpackung eines MEMS-Drucksensorelements mit einem Moldgehäuse beschrieben. In der Oberseite des Drucksensorelements ist eine Sensormembran ausgebildet, die eine Kaverne in der Bauelementrückseite überspannt. Die Kaverne wird mit Hilfe eines Sockelträgers druckdicht verschlossen und dient als Referenzvolumen für die Druckerfassung. Dieser Aufbau wird auf einem Leadframe montiert und elektrisch kontaktiert. Der so bestückte Leadframe-Träger wird dann in ein Moldwerkzeug eingesetzt und in einem Spritzpressverfahren in eine Kunststoffmasse eingebettet, die das Moldgehäuse bildet. Zur Ausformung einer Druckzugangsöffnung im Moldgehäuse umfasst das. Spritzwerkzeug neben einem Oberteil und einem Unterteil auch einen Stempel, mit dem die Sensormembran von Moldmasse freigehalten wird. Um die empfindliche Membranstruktur nicht zu beschädigen, wird der Stempel nicht direkt auf die Oberseite des Sensorelements aufgesetzt, sondern in einem geringen Abstand zur Membranoberfläche gehalten. Durch eine spezielle Kühlung des Stempels wird die Fließfähigkeit der Moldmasse in der Umgebung des Stempels herabgesetzt. Dadurch soll verhindert werden, dass die Moldmasse in den Spalt zwischen dem Stempel und der Sensormembran eindringt und sich im Membranbereich festsetzt.
Dieses Verfahren erweist sich in der Praxis in mehrerlei Hinsicht als problematisch. Zunächst ist die Verfahrensführung, relativ aufwändig und fehleranfällig, da die Kühlung des Stempels auf die Stempelgeometrie, die Spaltbreite zwischen Stempel und Sensormembran und auf die Viskositätseigenschaften der Moldmasse abgestimmt werden muss. Ein Untermolden des Stempels kann so jedenfalls nicht prozesssicher unterbunden werden. Demnach muss der Stempelquerschnitt größer als die Membranfläche ausgelegt werden, um zu verhindern, dass der beim Untermolden entstehende Moldflash die Funktion der aktiven Sensormembran beeinträchtigt. Dies erfordert aber einen Flächenvorhalt auf der Bauelementoberseite, der ansonsten nicht nutzbar ist.
Ein Moldwerkzeug, das zuverlässig abdichtend auf die MEMS-Struktur eines Drucksensorelements aufgesetzt werden kann, steht bisher nicht zur Verfügung. Zudem sind die Membranen von MEMS-Bauelementen, wie z. B. Mikrofonen, häufig deutlich dünner und fragiler ausgelegt als die von Drucksensorelementen. Die entsprechenden MEMS-Strukturen sind nicht für mechanische Belastungen der Stärke ausgelegt, wie sie beim abdichtenden Aufsetzen eines Moldwerkzeugs auftreten.
Schließlich sei noch angemerkt, dass die aus der DE 199 29 026 A1 bekannte Moldverpackung für eine side-by-side-Anordnung von MEMS-Bauelement und etwaigen ASICs auf dem Träger ausgelegt ist. Die Einbindung eines ASIC in das Mikrofonpackage führt demnach zwangsläufig zu einer Vergrößerung der Packagefläche. Da sich mit der Packagefläche auch die Herstellungskosten erhöhen, sind derartige Mikrofonpackages relativ teuer.
Offenbarung der Erfindung
Mit der vorliegenden Erfindung werden Maßnahmen vorgeschlagen, die eine kostengünstige und platzsparende Realisierung eines Bauelementpackages der eingangs genannten Art mit Zugangskanal zur Membranstruktur ermöglichen.
Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass mindestens ein weiteres Halbleiter-Bauelement mit mindestens einer Durchgangsöffnung über dem MEMS-Bauelement und mit Abstand zur Membranstruktur in die Moldmasse eingebunden wird, so dass sich ein Hohlraum zwischen dem Halbleiter-Bauelement und der Membranstruktur befindet, und dass die Zugangsöffnung in der Moldmasse in die Durchgangsöffnung des Halbleiter-Bauelements mündet und zusammen mit dieser und dem Hohlraum zwischen dem Halbleiter-Bauelement und der Membranstruktur einen Zugangskanal zur Membranstruktur bildet.
Abweichend von dem aus dem Stand der Technik bekannten side-by-side-Aufbau des Drucksensorpackages beruht das erfindungsgemäße Verpackungskonzept auf einer gestapelten Anordnung mindestens eines Halbleiter-Bauelements über dem MEMS-Bauelement. Es ist nämlich erkannt worden, dass eine gestapelte Anordnung nicht nur eine Reduzierung der lateralen Packagegröße ermöglicht, sondern auch eine prozesssichere Realisierung des Zugangskanals zur Membranstruktur, und zwar mit Standardverfahren der Halbleiterprozessierung, der Aufbau- und Verbindungstechnik (AVT) und der Moldtechnik, d. h. der Spritzpresstechnik.
Erfindungsgemäß wird dazu bereits im Rahmen der Prozessierung des weiteren Halbleiter-Bauelements auf Waferlevel mindestens eine Durchgangsöffnung im Halbleiter-Bauelement erzeugt. Hierfür stehen Verfahren, wie z. B. das Trenchen, zur Verfügung, mit denen die Abmessungen und auch die Position der Durchgangsöffnungen sehr genau vorgegeben werden können. Damit lassen sich auch sehr kleine Durchgangsöffnungen mit einem Durchmesser im μm-Bereich realisieren.
Das so präparierte Halbleiter-Bauelement wird dann auf der Oberseite des MEMS-Bauelements mit Abstand zur Membranstruktur montiert. Dazu wird ein in der AVT gebräuchliches Verbindungsmaterial verwendet, das die Erzeugung eines an die Durchgangsöffnung angeschlossenen Hohlraums zwischen dem Halbleiter-Bauelement und der Membranstruktur ermöglicht.
Schließlich wird das MEMS-Bauelement zusammen mit dem Halbleiter-Bauelement in einem Standard-Moldprozess in eine Moldmasse eingebunden. Dabei wird eine Zugangsöffnung freigehalten, die in die Durchgangsöffnung des Halbleiter-Bauelements mündet. Das entsprechende Werkzeug kann in diesem Fall direkt auf das Halbleiter-Bauelement aufgesetzt werden, da dieser keine fragilen Strukturen umfasst. Auch das Auftreten eines Moldflashs ist in diesem Fall unkritisch, solange die Zugangsöffnung und die Durchgangsöffnung im Halbleiter-Bauelement frei bleiben. Die Empfindlichkeit der Membranstruktur wird dadurch jedenfalls nicht beeinträchtigt. Da die Auslegung der Moldwerkzeuge und des Moldprozesses hier nicht in dem Maße vom MEMS-Design abhängen, wie bei dem voranstehend erörterten Stand der Technik, ist die Ausbeute im Herstellungsprozess deutlich höher.
Außerdem lässt sich das erfindungsgemäße Bauelementpackage kostengünstige auf Multi-Panel-Substraten, also im Großnutzen, herstellen.
Der erfindungsgemäße Packageaufbau ermöglicht zudem eine weitgehende Stressentkopplung zwischen dem Halbleiter-Bauelement und dem Träger. Zum einen ist der Abstand zwischen Halbleiter-Bauelement und Träger relativ groß. Zum anderen steht das Halbleiter-Bauelement im. Wesentlichen nur mit der Moldmasse im Verbund, deren thermischer Ausdehnungskoeffizient sehr gut an das Material des Halbleiter-Bauelements angepasst werden kann. Dadurch lassen sich thermomechanisch bedingte Verspannungen des Halbleiter-Bauelements und ein dadurch hervorgerufener Signaldrift weitgehend unterbinden.
Obwohl das Halbleiter-Bauelement erfindungsgemäß über dem MEMS-Bauelement angeordnet ist und die Membranstruktur gegen äußere Einflüsse schützt wie eine Kappe, müssen die lateralen Abmessungen des Halbleiter-Bauelements nur sehr bedingt auf die des MEMS-Bauelements abgestimmt sein. Durch die Kopplung von Halbleiter-Bauelement und MEMS-Bauelement über eine Verbindungsschicht können auch laterale Größenunterschiede zwischen dem Halbleiter-Bauelement und dem MEMS-Bauelement sehr einfach kompensiert werden. Der erfindungsgemäße Packageaufbau erlaubt sowohl die Kombination eines lateral größeren Halbleiter-Bauelements mit einem kleineren MEMS-Bauelement als auch die Kombination eines kleineren Halbleiter-Bauelements mit einem lateral größeren MEMS-Bauelement.
Grundsätzlich gibt es verschiedene Möglichkeiten für die Realisierung eines erfindungsgemäßen Bauelementpackages, insbesondere was die Anordnung und Einbindung des Halbleiter-Bauelements betrifft.
In einer ersten Ausführungsform der Erfindung erfolgt die Montage des Halbleiter-Bauelements-auf der Oberseite des MEMS-Bauelements über eine strukturierte Verbindungsschicht, die dauerhaft im Aufbau des Packages verbleibt. In diesem Fall wird als Verbindungsmaterial ein strukturierbarer Klebstoff verwendet, der entweder auf die Oberseite des MEMS-Bauelements oder auch auf die Montageseite des Halbleiter-Bauelements aufgebracht und beispielsweise lithographisch strukturiert wird, um einen Abstand zwischen Halbleiter-Bauelement und Membranstruktur zu realisieren. Dazu wird der Membranbereich frei von Verbindungsmaterial gehalten. Bei dieser Aufbauvariante muss der Rahmenbereich der Membranstruktur umlaufend mit dem Halbleiter-Bauelement verbunden werden, um das Eindringen von Moldmasse beim nachfolgenden Moldprozess zu verhindern.
In einer weiteren, besonders vorteilhaften. Variante der Erfindung wird das Halbleiter-Bauelement mit Hilfe einer temporären Klebeschicht auf dem MEMS-Bauelement montiert. Die temporäre Klebeschicht wird entweder auf die Oberseite des MEMS-Bauelements oder auf die Montageseite des Halbleiter-Bauelements aufgetragen, und zwar zumindest im Bereich der Membranstruktur. Nach dem Moldprozess, bei dem das Halbleiter-Bauelement zusammen mit dem MEMS-Bauelement in die Moldmasse eingebunden wird, wird die temporäre Klebeschicht wieder entfernt, wobei ein Hohlraum zwischen dem Halbleiterbauelement und der Membranstruktur entsteht. Die temporäre Klebeschicht dient hier also nicht nur zur Fixierung des Stapels aus MEMS-Bauelement und Halbleiter-Bauelement sondern definiert auch den Hohlraum und hat insofern eine Opferschichtfunktion.
Diese Aufbauvariante eignet sich insbesondere auch für Packages, die ein MEMS-Bauelement und ein Halbleiter-Bauelement mit unterschiedlichen lateralen Abmessungen umfassen.
Als Material für die temporäre Klebeschicht kommt beispielsweise ein Polymerlack auf der Basis eines Thermoplasts aus der Gruppe der polyzyklischen Olefine in Frage, der photo-, nasschemisch oder trocken strukturierbar ist und eine hohe Adhäsionskraft gegenüber Silizium. und Metall aufweist. Die Erweichungstemperatur eines derartigen thermoplastischen Polymerlacks liegt in einem Bereich von 100°C und darüber. Typische Zersetzungstemperaturen liegen in einem Bereich zwischen 200°C und 260°C. Auch niedrigere Zersetzungstemperaturen sind möglich. Als Zersetzungsprodukte treten Kohlenmonoxid, Kohlendioxid und Wasserstoff auf.
In einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Bauelementpackages wird die Lage des Halbleiter-Bauelements innerhalb des Package zusätzlich. mit Hilfe einer Klebernaht stabilisiert, über die das Halbleiter-Bauelement zumindest an einer Seite dauerhaft mit dem MEMS-Bauelement verbunden wird.
Das Halbleiter-Bauelement kann sowohl face-up als auch face-down in die Moldmasse des erfindungsgemäßen Bauelementpackages eingebunden werden. Dabei kann das Halbleiter-Bauelement so angeordnet werden, dass die Durchgangsöffnung direkt über der Membranstruktur positioniert ist. Für bestimmte Anwendungen kann es jedoch auch von Vorteil sein, die Durchgangsöffnung des Halbleiter-Bauelements seitlich über der Membranstruktur zu positionieren, beispielsweise um die Membranstruktur gegen Umwelteinflüsse zu schützen. In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist im Bereich der Durchgangsöffnung im Halbleiter-Bauelement eine geformte Filterstruktur ausgebildet, die das Vordringen von Schmutzpartikeln bis zur Membranstruktur verhindert. Dies kann beispielsweise eine gitterartige, poröse, membranartige oder folienartige Struktur sein.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Wie bereits voranstehend erörtert, gibt es verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird einerseits auf die den unabhängigen Patentansprüchen nachgeordneten Patentansprüche verwiesen und andererseits auf die nachfolgende Beschreibung mehrerer Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren. Obwohl sich diese Ausführungsbeispiele auf Mikrofonpackages beziehen, ist die Erfindung nicht auf dies Art von Bauteilen beschränkt sondern umfasst ganz allgemein auf die Bauteile mit MEMS-Bauelementen, die mit einer fragilen Membranstruktur ausgestattet sind und einen Medienzugang im Gehäuse erfordern.
1a–1f veranschaulichen die einzelnen Verfahrensschritte bei der Herstellung eines ersten erfindungsgemäßen Mikrofonpackages 10 anhand von Schnittdarstellungen des Aufbaus,
2a–2c veranschaulichen eine weitere Herstellungsvariante anhand von Schnittdarstellungen des Aufbaus,
3 zeigt die Schnittdarstellung eines Mikrofonpackages 30 mit Klebernaht zwischen ASIC und Mikrofonbauelement,
4a, 4b zeigen Schnittdarstellungen von Mikrofonpackages 41, 42 mit ASICs, die im Vergleich zum Mikrofonbauelement relativ klein und relativ groß sind, und
5 zeigt die Schnittdarstellung eines Mikrofonpackages 50, bei dem der ASIC face-down auf dem Mikrofonbauelement montiert ist.
Ausführungsformen der Erfindung
In den 1a und 1b ist ein MEMS-Mikrofonbauelement 1 dargestellt, in dessen Oberseite eine Membranstruktur 11 mit Mitteln zur Signalerfassung ausgebildet ist. Diese können über ein Anschlusspad 13 auf der Oberseite des Mikrofonbauelements 1 kontaktiert werden. Die Membranstruktur 11 überspannt eine Kaverne 12 in der Bauelementrückseite. Das Mikrofonbauelement 1 ist mit der Bauelementrückseite auf einem flächigen Träger 2 montiert, so dass die Kaverne 12 zusammen mit dem Träger 2 das Rückseitenvolumen des Mikrofonbauelements 1 begrenzt. In der Membranstruktur können auch akustische Öffnungen zum Rückseitenvolumen ausgebildet sein. Als Träger 2 dient hier ein Leiterplattensubstrat, auf dem das Mikrofonbauelement 1 mit Hilfe eines Klebstoffs 14 fixiert worden ist. Bei dem Leiterplattensubstrat handelt es sich vorteilhafterweise um ein Multi-Panel-Substrat.
Über dem Mikrofonbauelement 1 ist jeweils ein ASIC 3 mit einer Durchgangsöffnung 4 dargestellt, der auf dem. Mikrofonbauelement 1 und mit Abstand zur Membranstruktur 11 angeordnet werden soll. Im hier dargestellten Ausführungsbeispiel soll der ASIC 3 über eine temporäre Klebeschicht 5 mit dem Mikrofonbauelement 1 verbunden werden. Im Fall der 1a wurde diese temporäre Klebeschicht 5 auf die Oberseite des Mikrofonbauelements 1 aufgebracht, so dass sich die Klebeschicht 5 über den gesamten Membranbereich erstreckt, nicht aber über das Anschlusspad 13. Im Fall der 1b wurde die temporäre Klebeschicht 5 ganzflächig auf die Montageseite des ASIC 3 aufgebracht. Die temporäre Klebeschicht 5 kann in beiden Fällen bereits auf Waferlevel, d. h. im Rahmen der Chipherstellung, beispielsweise durch Aufschleudern aufgebracht und ggf. auch strukturiert werden.
Die Verbindung zwischen dem ASIC 3 und dem Mikrofonbauelement 1 wird dann in einem Bondschritt hergestellt, bei dem die Klebeschicht 5 aufgeschmolzen wird. Die Prozessparameter, Temperatur, Haltezeit und Haltekraft, werden in Abhängigkeit vom Material der Klebeschicht 5 geregelt. Das Ergebnis dieses Bondschritts ist in 1c dargestellt.
Die so gestapelten Bauelemente – Mikrofonbauelement 1 und ASIC 3 – werden nun mit Hilfe von Drahtbonds 15 untereinander und mit dem Leiterplattensubstrat 2 elektrisch kontaktiert, wie in 1d dargestellt.
Das Mikrofonbauelement 1 und der ASIC 3 werden dann zusammen mit den Drahtbonds 15 in einem Spritzpressverfahren mit Moldmasse 6 umhüllt, was in 1e dargestellt ist. Dabei wird ein stempelartiges Moldwerkzeug 17 auf die Oberseite des ASIC 3 dichtend über die Durchgangsöffnung 4 gesetzt, um diese frei von Moldmasse 6 zu halten. Zum Toleranzausgleich zwischen dem Werkzeug 17 und der ASIC-Oberfläche können eine spezielle Folie oder auch eine flexible Werkzeugbeschichtung eingesetzt werden. Auf diese Weise entsteht eine Schallzugangsöffnung 7 im Moldgehäuse 6, die in die Durchgangsöffnung 4 des ASIC 3 mündet. Als Moldmasse 6 wird eine geeignete Kunststoffmasse verwendet, wie z. B. eine mit Siliziumoxid-Partikeln gefüllte Epoxidmasse.
Erst nachdem der ASIC 3 zusammen mit dem Mikrofonbauelement 1 in das Moldgehäuse 6 eingebunden worden ist, wird die temporäre Klebeschicht 5 entfernt. Je nach Material der temporären Klebeschicht 5 kann dies chemisch, thermisch oder auch trockenchemisch erfolgen. Jedenfalls entsteht dabei ein Hohlraum 8 zwischen dem ASIC 3 und der Membranstruktur 11, der an die Durchgangsöffnung 4 im ASIC 3 und damit auch an die Schallzugangsöffnung 7 im Moldgehäuse 6 angeschlossen ist und seitlich ausschließlich durch die Moldmasse 6 begrenzt wird.
In 1f ist das Ergebnis des voranstehend beschriebenen Verfahrens in Form des Mikrofonpackages 10 dargestellt. Die Schallzugangsöffnung 7 ist in der Oberseite des Packages 10 und seitlich versetzt zur Membranstruktur 11 angeordnet. Sie bildet zusammen mit der Durchgangsöffnung 4 im ASIC 3 und dem Hohlraum 8 zwischen ASIC 3 und Membranstruktur 11 den Schallzugangskanal des Mikrofonpackage 10.
Wie im Fall der 1a und 1b, ist in den 2a und 2b ein MEMS-Mikrofonbauelement 1 mit einer Membranstruktur 11 in der Bauelementoberseite und einem Anschlusspad 13 auf der Bauelementoberseite dargestellt, das mit der Bauelementrückseite auf einem flächigen Träger 2 montiert ist, so dass die Kaverne 12 unter der Membranstruktur 11 zusammen mit dem Träger 2 das Rückseitenvolumen des Mikrofonbauelements 1 bildet.
Über dem Mikrofonbauelement 1 ist jeweils ein ASIC 3 mit einer Durchgangsöffnung 4 dargestellt, der auf dem Mikrofonbauelement 1 und mit Abstand zur Membranstruktur 11 angeordnet werden soll. Im hier dargestellten Ausführungsbeispiel wird der ASIC 3 über eine strukturierte Klebeschicht 25 mit dem Mikrofonbauelement 1 verbunden, die dauerhaft im Mikrofonpackage 20 verbleibt. Im Fall der 2a wurde diese Klebeschicht 25 auf die Oberseite des Mikrofonbauelements 1 aufgebracht und so strukturiert, dass sie sich lediglich über den Rahmenbereich der Membranstruktur 11 erstreckt. Im Fall der 2b wurde die Klebeschicht 25 auf die Montageseite des ASIC 3 aufgebracht und entsprechend strukturiert. Auch hier kann die Klebeschicht 25 in beiden Fällen bereits auf Waferlevel, d. h. im Rahmen der Chipherstellung, aufgebracht und beispielsweise in einem lithographischen Verfahren strukturiert werden.. In jedem Fall wird dabei der Bereich der Membranstruktur 11 freigestellt sowie das bzw. die Anschlusspads 13. Aufgrund dieser Strukturierung der Klebeschicht 25 besteht zwischen dem ASIC 3 und der Membranstruktur 11 ein Hohlraum 28, der seitlich durch die Klebeschicht 25 abgeschlossen ist.
Wie im voranstehend beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel werden die so gestapelten Bauelemente – Mikrofonbauelement 1 und ASIC 3 – nun mit Hilfe von Drahtbonds 15 untereinander und mit dem Leiterplattensubstrat 2 elektrisch kontaktiert. Im dann folgenden Moldprozess werden das Mikrofonbauelement 1 und der ASIC 3 zusammen mit den Drahtbonds 15 in die Moldmasse 6 eingebettet. Die Durchgangsöffnung 4 im ASIC 3 wird dabei mit Hilfe eines stempelartigen Moldwerkzeugs abgedeckt, so dass eine Schallzugangsöffnung 7 in der Oberseite des Moldgehäuses 6 entsteht.
In 2c ist das so gefertigte Mikrofonpackages 20 dargestellt. Auch hier ist die Schallzugangsöffnung 7 in der Oberseite des Packages 20 und seitlich versetzt. zur Membranstruktur 11 angeordnet und bildet zusammen mit der Durchgangsöffnung 4 im ASIC 3 und dem Hohlraum 28 zwischen ASIC 3 und Membranstruktur 11 den Schallzugangskanal des Mikrofonpackage 20. Im Unterschied zum Mikrofonpackage 10 (1f) wird der Hohlraum 28 seitlich durch die strukturierte Klebeschicht 25 begrenzt, die dauerhaft im Aufbau des Mikrofonpackages 20 verbleibt.
In 3 ist ein Mikrofonpackage 30 dargestellt, dessen Aufbau im Wesentlichen dem des Mikrofonpackage 10 der 1f entspricht. Zur Steigerung der Robustheit und Zuverlässigkeit wurde dieser Aufbau lediglich durch zusätzliche Klebernähte 35 ergänzt, die mindestens eine der Flanken des ASIC 3 mit der Oberfläche des Mikrofonbauelements 1 verbinden und den Chip-Stapel so mechanisch stabilisieren.
Über die Dicke der temporären Klebeschicht zwischen dem ASIC und dem Mikrofonbauelement und über die Parameter, Temperatur, Haltezeit und Haltekraft, des Bondschritts kann zum einen die Bondtiefe beeinflusst werden, d. h. wie weit. der ASIC in die Klebeschicht einsinkt, und zum anderen die Ausprägung der Menisken an den ASIC-Flanken. Je höher die Bondtemperatur ist, umso stärker wird die temporäre Klebeschicht erweicht und umso weiter sinkt der ASIC bei gleicher Haltekraft in die Klebeschicht ein. Dies erweist sich beim anschließenden Spritzpressverfahren als vorteilhaft, da der so in die Klebeschicht eingebettete ASIC einen geringeren Strömungswiderstand darstellt als ein aufgesetzter Chip mit seiner steilen Flanke. Aus diesem Grund werden auch bevorzugt stark abgedünnte ASICs in ein erfindungsgemäßes Mikrofonpackage eingebunden.
In 4a und 4b sind zwei Mikrofonpackages 41 und 42 dargestellt, bei denen die lateralen Abmessungen von Mikrofonbauelement 1 und ASIC 31 bzw. 32 deutlich voneinander abweichen. In beiden Fällen werden diese Größenunterschiede durch eine geeignete Strukturierung der temporären Klebeschicht kompensiert.
Im Fall des Mikrofonpackages 41 ist der ASIC 31 nicht nur deutlich kleiner als das Mikrofonbauelement 1 sondern auch als die lateralen Abmessungen der Membranstruktur 11. Dennoch wurde die gesamte Membranoberfläche von der temporären Klebeschicht abgedeckt, um diesen Bereich beim Moldprozess zu schützten und von der Moldmasse freizuhalten. Die Form des Hohlraums 8, der nach dem Moldprozess durch Entfernen der temporären Klebeschicht entstanden ist, lässt außerdem darauf schließen, dass der ASIC 31 beim Bondprozess zu ca. 70% seiner Tiefe in die temporäre Klebeschicht eingesunken ist.
Im Fall des Mikrofonpackages 42 ragt der ASIC 32 seitlich deutlich über das Mikrofonbauelement 1 heraus. Auch der ASIC 32 wurde mit Hilfe einer temporären Klebeschicht auf das Mikrofonbauelement 1 aufgebracht, in die er während des Bondprozesses zu ca. 70% seiner Tiefe eingesunken ist.
5 zeigt eine weitere Ausführungsform 50 des erfindungsgemäßen Mikrofonpackages mit einem MEMS-Mikrofonbauelement 1, das mit der Bauelementrückseite auf einem flächigen Träger 2 montiert ist, so dass die Kaverne 12 unter der Membranstruktur 11 zusammen mit dem Träger 2 das Rückseitenvolumen des Mikrofonbauelements 1 bildet. Im hier dargestellten Ausführungsbeispiel wird das Mikrofonbauelement 1 nicht mit Hilfe von Drahtbonds kontaktiert, sondern über Anschlüsse 53 in der Bauelementrückseite. Des Weiteren umfasst das Mikrofonpackage 50 einen ASIC 3 mit einer Durchgangsöffnung 4, der hier in Flip-Chip-Technik, also face-down, auf dem Mikrofonbauelement 1 und mit Abstand zur Membranstruktur 11 angeordnet ist. Im hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist der ASIC 3 über eine strukturierte Klebeschicht 25 mit dem Mikrofonbauelement 1 verbunden, die dauerhaft im Mikrofonpackage 50 verbleibt und sich lediglich über den Rahmenbereich der Membranstruktur 11 erstreckt. Aufgrund dieser Strukturierung der Klebeschicht 25 besteht zwischen dem ASIC 3 und der Membranstruktur 11 ein Hohlraum 28, der seitlich durch die Klebeschicht 25 abgeschlossen ist. Die elektrische Verbindung 55 zwischen dem ASIC 3 und dem Mikrofonbauelement 1 wurde hier über Studbumps, Cupper-Pillars Lotkugeln hergestellt. Das Mikrofonbauelement 1 und der ASIC 3 sind in die Kunststoffmasse des Moldgehäuses 6 eingebettet. In der Oberseite des Moldgehäuses 6 ist eine Schallzugangsöffnung 7 ausgebildet, die in die Durchgangsöffnung 4 im ASIC 3 mündet. Diese Durchgangsöffnung 4 ist an den Hohlraum 28 zwischen ASIC 3 und Membranstruktur 11 angeschlossen, so dass das Mikrofonpackage 50 mit einem durchgehenden Schallzugangskanal von der Packageoberseite bis zur Membranstruktur 11 ausgestattet ist.
Da die Bauelemente 1 und 3 im Falle des Mikrofonpackages 50 nicht über Drahtbonds kontaktiert werden und die Rückseite des ASIC 3 in der Regel unempfindlich ist gegen äußere Einflüsse, kann das Moldgehäuse 6 auch bündig mit der Rückseite des ASIC 3 abschließen. In diesem Fall wird beim Moldprozess die gesamte Bauelementrückseite des ASIC 3 zusammen mit der Durchgangsöffnung 4 von Moldmasse 6 freigehalten. Demnach kann hier auf die Verwendung eines speziellen stempelartigen Moldwerkzeugs zum Freihalten der Durchgangsöffnung 4 verzichtet werden.
Um den akustischen Widerstand möglichst klein zu halten, ist in einem weiteren Ausführungsbeispiel vorgesehen, als Abstand zwischen dem ASIC 3 und dem MEMS-Bauelement 1 bzw. dem Mikrofon 1 mindestens 100 μm zu wählen. Ein derartiger Abstand kann bei allen vorstehend gezeigten Ausführungsbeispielen eingehalten werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19929026 A1 [0002, 0005]

Claims

Bauteil (10) mit mindestens einem MEMS-Bauelement (1), • wobei mindestens eine Membranstruktur (11) in der Oberseite des MEMS-Bauelements (1) ausgebildet ist, • wobei das MEMS-Bauelement (1) mit der Bauelementrückseite auf einem. Träger (2) montiert ist, • wobei das MEMS-Bauelement (1) zumindest teilweise in eine Moldmasse (6) eingebettet ist, und • wobei in der Moldmasse (6) mindestens eine Zugangsöffnung (7) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein weiteres Halbleiter-Bauelement (3) mit mindestens einer Durchgangsöffnung (4) über dem ersten MEMS-Bauelement (1) und mit Abstand zur Membranstruktur (11) in die Moldmasse (6) eingebunden ist, so dass sich ein Hohlraum (8) zwischen dem weiteren Halbleiter-Bauelement (3) und der Membranstruktur (11) befindet, und dass die Zugangsöffnung (7) in der Moldmasse (6) in die Durchgangsöffnung (4) des weiteren Halbleiter-Bauelements (3) mündet und zusammen mit dieser und dem Hohlraum (8) zwischen dem weiteren Halbleiter-Bauelement (3) und der Membranstruktur (11) einen Zugangskanal zur Membranstruktur (11) bildet.
Bauteil (20) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine weitere Halbleiter-Bauelement (3) über eine strukturierte Klebeschicht (25) zumindest im Rahmenbereich der Membranstruktur (11) mit dem ersten MEMS-Bauelement (1) verbunden ist.
Bauteil (30) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine weitere Halbleiter-Bauelement (3) zumindest an einer Seite über eine Klebernaht (35) mit dem ersten MEMS-Bauelement (1) verbunden ist.
Bauteil (10; 50) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine weitere Halbleiter-Bauelement (3) face-up oder face-down über dem ersten MEMS-Bauelement (1) in die Moldmasse (6) eingebunden ist.
Bauteil (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine weitere Halbleiter-Bauelement (3) so angeordnet ist, dass die Durchgangsöffnung (4) direkt oder seitlich über der Membranstruktur (11) positioniert ist.
Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich des Zugangskanals, insbesondere im Bereich der Durchgangsöffnung, des mindestens einen weiteren Halbleiter-Bauelements, eine geformte Filterstruktur ausgebildet ist.
Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen MEMS-Bauelement (1) und Halbleiterbauelement (3) mindestens 100 μm beträgt.
Mikrofonpackage (10) mit mindestens einem MEMS-Mikrofonbauelement (1), nach einem der Ansprüche 1 bis 7, • wobei mindestens eine Membranstruktur (11) in der Oberseite des Mikrofonbauelements (1) ausgebildet ist und eine Kaverne (12) in der Bauelementrückseite überspannt, • wobei das Mikrofonbauelement (1) mit der Bauelementrückseite auf einem Träger (2) montiert ist, so dass die Kaverne (12) zusammen mit dem Träger (2) das Rückseitenvolumen des Mikrofonbauelements (1) begrenzt, • wobei das Mikrofonbauelement (1) zumindest teilweise in eine Moldmasse (6) eingebettet ist, und • wobei in der Moldmasse (6) mindestens eine Schallzugangsöffnung (7) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein weiteres Halbleiter-Bauelement (3) mit mindestens einer Durchgangsöffnung (4) über dem Mikrofonbauelement (1) und mit Abstand zur Membranstruktur (11) in die Moldmasse (6) eingebunden ist, so dass sich ein Hohlraum (8) zwischen dem Halbleiter-Bauelement (3) und der Membranstruktur (11) befindet, und dass die Schallzugangsöffnung (7) in der Moldmasse (6) in. die Durchgangsöffnung (4) des Halbleiter-Bauelements (3) mündet und zusammen mit dieser und dem Hohlraum (8) zwischen dem Halbleiter-Bauelement (3) und der Membranstruktur (11) einen akustischen Zugangskanal zur Membranstruktur (11) bildet.
Verfahren zur Herstellung eines Bauteils (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, • bei dem ein erstes MEMS-Bauelement (1) mit mindestens einer Membranstruktur (11) mit der Bauteilrückseite auf einem Träger (2) montiert wird, • bei dem auf dem MEMS-Bauelement (1) und mit Abstand zur Membranstruktur (11) mindestens ein weiteres Halbleiter-Bauelement (3) mit mindestens einer Durchgangsöffnung (4) montiert wird, wobei ein Verbindungsmaterial (5) verwendet wird, das die Erzeugung eines an die Durchgangsöffnung (4) angeschlossenen Hohlraums (8) zwischen dem weiteren Halbleiter-Bauelement (3) und der Membranstruktur (11) ermöglicht, • bei dem das erste MEMS-Bauelement (1) und das mindestens eine weitere Halbleiter-Bauelement (3) untereinander und/oder mit dem Träger (2) elektrisch verbunden werden, und • bei dem zumindest das erste MEMS-Bauelement (1) und das mindestens eine weitere Halbleiter-Bauelement (3) zusammen mit den elektrischen Verbindungen (15) in einem Moldprozess in eine Moldmasse (6) eingebunden werden, wobei eine in die Durchgangsöffnung (4) des mindestens einem weiteren Halbleiter-Bauelements (3) mündende Zugangsöffnung (7) von Moldmasse (6) freigehalten wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass als Verbindungsmaterial zwischen dem mindestens einen weiteren Halbleiter-Bauelement (3) und dem ersten MEMS-Bauelement (1) ein strukturierbarer Klebstoff (25) verwendet wird, der auf die Oberseite des ersten MEMS-Bauelements (1) oder auf die Montageseite des mindestens einen weiteren Halbleiter-Bauelements (3) aufgetragen wird und so strukturiert wird, dass der Membranbereich vom Klebstoff (25) befreit wird und zumindest der Rahmenbereich der Membranstruktur (11) umlaufend mit Klebstoff (25) versehen ist.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass als Verbindungsmaterial zwischen dem mindesten einen weiteren Halbleiter-Bauelement (3) und dem ersten MEMS-Bauelement (1) eine temporäre Klebeschicht (5) verwendet wird, die zumindest im Bereich der Membranstruktur (11) auf die Oberseite des ersten MEMS-Bauelements (1) oder auf die Montageseite des mindestens einen weiteren Halbleiter-Bauelements (3) aufgetragen wird und nach dem Moldprozess wieder entfernt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass im Rahmen des Moldprozesses ein stempelförmiges Moldwerkzeug (17) über der Durchgangsöffnung (4) auf des mindestens einen weiteren Halbleiter-Bauelements (3) aufgesetzt wird, um die Durchgangsöffnung (4) von Moldmasse (6) freizuhalten.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass beim Moldprozess eine Ausgleichsfolie und/oder Moldwerkzeuge mit flexibler Beschichtung zum Einsatz kommen.