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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft ein Bauteil mit mindestens einem MEMS-Bauelement, in dessen Oberseite mindestens eine Membranstruktur ausgebildet ist, und mit einem Gehäuse für das MEMS-Bauelement. Dieses Gehäuse umfasst zumindest einen im wesentlichen flächigen Gehäuseboden auf der Montageseite des Bauteils und einen Gehäusedeckel mit mindestens einer Öffnung. Das MEMS-Bauelement ist auf der Innenseite des Gehäusedeckels über der Öffnung montiert und elektrisch kontaktiert.
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In der
US 7,166,910 B2 wird ein derartiges Mikrofon-Bauteil beschrieben. Es umfasst ein MEMS-Mikrofonbauelement mit einer Membranstruktur, die in der Bauelementoberseite ausgebildet ist und eine Kaverne in der Bauelementrückseite überspannt. Das MEMS-Mikrofonbauelement ist innerhalb eines Gehäuses angeordnet, das einen Gehäuseboden und einen Gehäusedeckel umfasst. Gehäuseboden und Gehäusedeckel sind über Seitenteile druckdicht miteinander verbunden. Der Gehäuseboden ist für die Montage und elektrische Kontaktierung des Mikrofongehäuses auf der 2nd-Level-Ebene, also beispielsweise auf der Platine eines Endgeräts, ausgelegt. Die Schallöffnung des Gehäuses befindet sich im Gehäusedeckel. Das MEMS-Mikrofonbauelement ist auf der Innenseite des Gehäusedeckels, druckdicht über der Schallöffnung montiert, so dass die Membranstruktur über die rückseitige Kaverne mit Schalldruck beaufschlagt wird und der gesamte Raum innerhalb des Gehäuses als Rückseitenvolumen für das Mikrofonbauelement fungiert.
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Bei dem bekannten Mikrofon-Bauteil sind sowohl der Gehäuseboden als auch der Gehäusedeckel in Form von mehrlagigen Leiterplatten realisiert. Die Leiterplatte des Gehäusedeckels ist über die Seitenteile elektrisch leitend mit der Leiterplatte des Gehäusebodens verbunden, so dass die externe Kontaktierung des bekannten Bauteils über den Gehäuseboden erfolgt. Die Umverdrahtung des Mikrofonbauelements wird hier also über den Gehäusedeckel, mindestens ein Seitenteil und auch den Gehäuseboden geführt. Dies erfordert eine relativ aufwändige Konfigurierung der Seitenteile und des Gehäusebodens.
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Offenbarung der Erfindung
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Mit der vorliegenden Erfindung werden Maßnahmen vorgeschlagen, die den Aufbau eines Bauteils der hier in Rede stehenden Art und insbesondere die Umverdrahtung zur Ankontaktierung des MEMS-Bauelements deutlich vereinfachen.
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Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass der Gehäusedeckel in Form eines dreidimensionalen Schaltungsträgers realisiert ist und dass die Umverdrahtung zwischen dem MEMS-Bauelement und der externen Kontaktierung auf der Montageseite des Bauteils ausschließlich über den Gehäusedeckel geführt wird.
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Das erfindungsgemäße Verpackungs-Konzepts lässt sich beispielsweise vorteilhaft auf ein MEMS-Mikrofonbauelement anwenden. Die erfindungsgemäße Anordnung des MEMS-Bauelements über der Schallöffnung im Gehäusedeckel trägt wesentlich zu einer guten Mikrofonperformance bei. Dadurch ist das Vorderseitenvolumen nämlich sehr klein, was die Schallaufnahme der Membranstrukturverbessert. Außerdem ist das Rückseitenvolumen des Mikrofonbauelements im Vergleich zur Baugröße des Packages relativ groß, da der gesamte Raum innerhalb des Gehäuses als Rückseitenvolumen genutzt werden kann. Trotz Medienzugangs ist die empfindliche Struktur des MEMS-Bauelements innerhalb des erfindungsgemäßen Bauteils gut gegen das Eindringen von Fremdstoffen bei der 2nd-Level-Montage des Bauteils geschützt, da die Öffnung auf der der Montageseite gegenüberliegenden Seite angeordnet ist und ggfs. während der Montage mit einer Schutzfolie versehen werden kann. Deshalb können beispielsweise Dämpfe oder Niederschläge, die beim Reflow-Löten entstehen, nicht an die empfindliche mikromechanische Struktur des MEMS-Bauelements dringen.
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Erfindungsgemäß ist erkannt worden, dass sich der Aufbau des bekannten Bauteils deutlich vereinfachen lässt, wenn der Gehäusedeckel in Form eines dreidimensionalen Schaltungsträgers realisiert wird und die externe Kontaktierung des MEMS-Bauelements nicht über den Gehäuseboden sondern ausschließlich über den Gehäusedeckel erfolgt. Dann kann als Gehäuseboden nämlich ein flächiger Träger verwendet werden, der keinerlei elektrische Funktionalität besitzt und ausschließlich dazu dient, das Gehäuse zu verschließen. Dementsprechend müssen die beiden Gehäuseteile lediglich mechanisch miteinander verbunden werden, was die Aufbau- und Verbindungstechnik (AVT) deutlich vereinfacht.
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In der Regel umfassen Bauteile der hier in Rede stehenden Art neben dem MEMS-Bauelement noch weitere Bauelemente, wie z. B. einen ASIC zur Verarbeitung des Sensor- oder Mikrofonsignals. Gemäß dem der Erfindung zugrunde liegenden Konzept werden auch diese weiteren Bauelemente auf der Innenseite des Gehäusedeckels montiert und elektrisch kontaktiert. In diesem Zusammenhang erweist es sich als vorteilhaft, wenn in der dreidimensionalen Form des Gehäusedeckels neben der Montagefläche für das MEMS-Bauelement noch weitere Chip-Montagebereiche mit Chip-Anschlusspads oder Bereiche für die Montage von passiven Bauelementen und Leiterbahnen zur dreidimensionalen Umverdrahtung ausgebildet sind, so dass alle Bauelemente des Bauteils – also das Bauteil insgesamt – im Rahmen der 2nd-Level-Montage über den Gehäusedeckel kontaktierbar sind.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist im Gehäusedeckel eine Aufnahme für den flächigen Gehäuseboden ausgeformt. Dies vereinfacht zum einen die Positionierung des Gehäusebodens am bestückten Gehäusedeckel. Zum anderen kann auf diese Weise die Verbindungsfläche zwischen dem Gehäusedeckel und dem Gehäuseboden vergrößert werden, was sich günstig auf die Zuverlässigkeit bzw. Dichtigkeit dieser Verbindung auswirkt.
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Grundsätzlich gibt es verschiedene Möglichkeiten für die Realisierung eines erfindungsgemäßen Bauteils, sowohl was die einzelnen Gehäusekomponenten betrifft als auch was die Art der Verbindung zwischen Gehäusedeckel und Gehäuseboden betrifft.
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Für den Gehäusedeckel werden bevorzugt dreidimensionale Schaltungsträger verwendet, die sich mit Hilfe von Standardverfahren bestücken lassen, wie z. B. der COB(chip-on-board)-Technologie.
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Eine Gehäusedeckelvariante, die diese Voraussetzung erfüllt, besteht aus einem spritzgegossenen, tiefgezogenen oder gemoldeten Kunststoffteil, auf dem Chip-Anschlusspads mit einer dreidimensionalen Umverdrahtung aufgebracht sind. Für die Metallisierung und Strukturierung der Umverdrahtung, Anschlusspads oder weiterer funktionaler elektrischer Strukturen, wie z. B. Spulen und EMV-Abschirmung, können Standardverfahren der MID-Technologie, Jet-Technologien, Druckverfahren oder Verfahren der Dünnfilmumverdrahtung verwendet werden.
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Bei dem Gehäusedeckel kann es sich um ein 3D-MID(Molded Interconnect Device)-Gehäuseteil handeln, das beispielsweise mittels Zweikomponenten-Spritzguss hergestellt wird. Die Umverdrahtung wird dann in Form einer Metallisierung auf der metallisierbaren Kunststoffkomponente realisiert. Ein 3D-MID-Schaltungsträger kann aber auch in einem Laserdirektstrukturierungsverfahren (LDS-Verfahren) oder in einem Heißprägeverfahren hergestellt werden.
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Im Hinblick auf eine gute elektromagnetische Abschirmung des Mikrofonbauelements erweist es sich als vorteilhaft, möglichst große Bereiche der Deckeloberfläche, die nicht für die Chipmontage und die Umverdrahtung genutzt werden, mit einer Metallisierung zu versehen.
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Der Gehäusedeckel kann aber auch aus einem Halbleitermaterial, insbesondere aus Silizium, gefertigt werden. Dazu kann die dreidimensionale Struktur des Gehäusedeckels beispielsweise mit Verfahren der Bulk-Mikromechanik in einem Si-Wafer erzeugt werden. Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Deckelstruktur aus mehreren Teilen zusammenzufügen. Die Umverdrahtung für das Mikrofonbauelement und etwaige weitere Bauelemente kann im Falle eines Halbleiter-Gehäusedeckels mit Verfahren der Halbleitertechnologie realisiert werden.
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Vorteilhafterweise werden die Materialien des Gehäusedeckels und des Gehäusebodens, zumindest was den thermischen Ausdehnungskoeffizienten betrifft, aufeinander abgestimmt, um thermisch bedingte Verspannungen im Aufbau des Bauteils zu vermeiden. Dementsprechend kann der Gehäuseboden ebenfalls aus einem Kunststoffmaterial, einem metallbeschichteten Kunststoffmaterial, oder einem Halbleitermaterial gefertigt sein. Auch die Verwendung eines metallischen Gehäusebodens kann sinnvoll sein, beispielsweise wenn das MEMS-Bauelement elektromagnetisch abgeschirmt werden soll.
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Wie bereits angedeutet, erfordert die Montage des Gehäusebodens lediglich die Herstellung einer mechanischen druckdichten Verbindung zwischen Gehäusedeckel und Gehäuseboden. Diese kann beispielsweise einfach mit Hilfe eines geeigneten Klebstoffs oder mit einer Schweißverbindung hergestellt werden.
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Da das Gehäuse des erfindungsgemäßen Bauteils mit einer Medienzugangsöffnung ausgestattet ist, eignet es sich insbesondere für die Verpackung von MEMS-Mikrofonbauelementen, MEMS-Lautsprecherbauelementen und auch von MEMS-Drucksensorbauelementen, wobei deren Membranstruktur dann jeweils druckdicht über der Öffnung im Gehäusedeckels montiert wird.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Wie bereits voranstehend erörtert, gibt es verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird einerseits auf die dem unabhängigen Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche verwiesen und andererseits auf die nachfolgende Beschreibung zweier Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren. Obwohl sich diese Ausführungsbeispiele auf Mikrofon-Bauteile beziehen, ist die Erfindung nicht auf diese Art von Bauteilen beschränkt sondern umfasst ganz allgemein Bauteile mit MEMS-Bauelementen, die mit einer fragilen Membranstruktur ausgestattet sind und einen Medienzugang im Gehäuse erfordern.
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1 zeigt eine Schnittdarstellung eines ersten erfindungsgemäßen Mikrofon-Bauteils 10 und
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2 zeigt eine Schnittdarstellung eines zweiten erfindungsgemäßen Mikrofon-Bauteils 20.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Das in 1 dargestellte Mikrofon-Bauteil 10 umfasst ein MEMS-Mikrofonbauelement 1, das in einem Gehäuse 2 angeordnet ist. In der Vorderseite des Mikrofonbauelements 1 ist eine Membranstruktur 11 ausgebildet, die eine Kaverne 12 in der Bauelementrückseite überspannt. Das Gehäuse 2 besteht im Wesentlichen aus einem flächigen Gehäuseboden 21 auf der Montageseite des Mikrofon-Bauteils 10 und einem Gehäusedeckel 22, in dem eine Schallöffnung 23 ausgebildet ist. Der Gehäusedeckel 22 ist erfindungsgemäß in Form eines dreidimensionalen Schaltungsträgers realisiert. Das Mikrofonbauelement 1 ist auf der Innenseite des Gehäusedeckels 22 druckdicht über der Schallöffnung 23 montiert. Im hier dargestellten Ausführungsbeispiel wurde das Mikrofonbauelement 1 mit der Bauelementrückseite auf der Innenseite des Gehäusedeckels 22 angeordnet, so dass die Schallöffnung 23 in die rückseitige Kaverne 12 unter der Membranstruktur 11 mündet. Die Membranstruktur 11 wird hier also über die rückseitige Kaverne 12 mit dem Schalldruck beaufschlagt.
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Ebenfalls auf der Innenseite des Gehäusedeckels 22, neben dem Mikrofonbauelement 1 ist ein weiteres Halbleiterbauelement 3 angeordnet, beispielsweise ein ASIC zur Verarbeitung des Mikrofonsignals. Diese beiden Bauelemente 1 und 3 sind über Drahtbonds 4 miteinander verbunden und an Leiterbahnen 5 auf der Innenseite des Gehäusedeckels 22 angeschlossen.
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Der äußere Randbereich des Gehäusedeckels 22 ist flanschartig ausgeformt, so dass im äußeren Randbereich eine umlaufende Aufnahme 24 für den flächigen Gehäuseboden 21 ausgebildet ist und eine umlaufende Montagefläche 25 für das Mikrofon-Bauteil 10. Die Leiterbahnen 5 sind von den Chipmontagebereichen 51 auf der Innenseite des Gehäusedeckels 22 über die Aufnahme 24 für den Gehäuseboden 21 bis auf die Montagefläche 25 geführt, wo sie Anschlusskontakte 52 für die 2nd-Level-Montage des Mikrofon-Bauteils 10 bilden. Die Anschlusskontakte 52 können als LGA(Land-Grid-Array)-Lands ausgeführt werden oder auch für eine BGA(Ball-Grid-Array)-AVT vorbereitet werden. Die Art der Metallisierung der Anschlusskontakte wird in Abhängigkeit vom 2nd-Level-Montageprozess gewählt.
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Bei dem Gehäuseboden 21 handelt es sich um einen Träger, dem im hier dargestellten Ausführungsbeispiel keine Schaltungsfunktion zukommt. Der Gehäuseboden 21 dient lediglich zum Abschluss des Gehäuses 2, das als Rückseitenvolumen 6 für das Mikrofonbauelement 1 fungiert. Dazu wurde der Gehäuseboden 21 druckdicht in die Aufnahme 24 des Gehäusedeckels 22 geklebt oder geschweißt.
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Mit der dreidimensionalen Form des Gehäusedeckels 22 werden im Wesentlichen drei Ebenen definiert: eine erste Ebene mit Chip-Montagebereichen und Chip-Anschlusspads, in der sich auch die Schallöffnung 23 befindet, eine zweite Ebene im Bereich der Aufnahme 24 für die Montage des Gehäusebodens 21 und die Ebene der Montagefläche 25 für die 2nd-Level-AVT. Die Umverdrahtung zwischen den Bauelementen 1 und 3 und der externen Kontaktierung auf der Montageseite des Mikrofon-Bauteils 10 erstreckt sich erfindungsgemäß von der ersten bis zur dritten Ebene des Gehäusedeckels 22.
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Bei dem Gehäusedeckel 22 kann es sich um ein spritzgegossenes, heißgeprägtes oder tiefgezogenes Kunststoffgehäuseteil handeln oder auch um ein Premoldgehäuseteil, das mit einem entsprechenden Werkzeug geformt wurde. Die Leiterbahnstruktur der Umverdrahtung kann als Dünnfilmumverdrahtung realisiert werden, mittels eines Heißprägeverfahrens, mittels Jet- oder Druckverfahren. Alternativ kann als Gehäusedeckel 22 auch ein 3D-MID(molded-interconnect-device)-Bauteil verwendet werden, das mittels Zweikomponenten-Spritzguss und einer anschließenden Metallisierung, in einem Laserdirektstrukturierungsverfahren oder einem Heißprägeverfahren hergestellt worden ist. Die Umverdrahtung kann in mindestens einer leitfähigen Lage ausgebildet werden.
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Als Werkstoffe für den Gehäuseboden kommen Kunststoff, ein metallbeschichteter Kunststoff oder auch Metall in Frage. Ein Gehäuseboden aus oder mit Metall kann zur elektromagnetischen Abschirmung des Mikrofonbauelements dienen, wenn er mittels einer Leitklebung oder eines Lötkontakts an die Mikrofonschaltung angeschlossen wird.
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2 zeigt ein weiteres Mikrofon-Bauteil 20 mit einem MEMS-Mikrofonbauelement 1 und einem Halbleiterbauelement 3, die in einem Gehäuse 7 angeordnet sind. Wie im Fall des Bauteils 10 besteht das Gehäuse 7 aus einem flächigen Gehäuseboden 71 auf der Montageseite des Bauteils 20 und einem dreidimensional geformten Gehäusedeckel 72, in dem eine Schallöffnung 73 ausgebildet ist. Auch hier ist das Mikrofonbauelement 1 auf der Innenseite des Gehäusedeckels 72 druckdicht über der Schallöffnung 73 montiert, so dass die Membranstruktur 11 des Mikrofonbauelements 1 über die Kaverne 12 in der Bauelementrückseite an die Schallöffnung 73 angeschlossen ist. Das Halbleiterbauelement 3 ist neben dem Mikrofonbauelement 1 auf der Innenseite des Gehäusedeckels 72 angeordnet. Diese beiden Bauelemente 1 und 3 sind über Drahtbonds 4 miteinander verbunden und an Leiterbahnen 5 auf der Innenseite des Gehäusedeckels 72 angeschlossen.
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Im Unterschied zum Bauteil 10 handelt es sich bei dem hier dargestellten Gehäusedeckel 72 um ein vorgefertigtes Siliziumbauteil, das aus einem flächigen Träger 721 und Seitenteilen 722 zusammengefügt wurde. Im unteren Rand des Gehäusedeckels 72 ist eine umlaufende Aufnahme 74 für den flächigen Gehäuseboden 71 ausgebildet sowie eine umlaufende Montagefläche 75 für die 2nd-Level-Montage des Bauteils 20. Die Leiterbahnen 5 sind von den Chipmontagebereichen 51 auf der nach innen weisenden Oberfläche des Trägers 721 bis unter die Seitenteile 722 geführt. Die elektrische Verbindung zu den Anschlusskontakten 52 auf der Montagefläche 75 wird hier über Durchkontakte 76 in den Seitenteilen 722 hergestellt. Dies ist besonders platzsparend im Hinblick auf die lateralen Abmessungen des Bauteils 20.
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Die Verwendung eines aus mehreren Teilen zusammengefügten, vorgefertigten Gehäusedeckels 72 bietet zudem eine hohe Designfreiheit.
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Als Gehäuseboden 71 wird hier vorteilhafterweise ebenfalls ein Siliziumträger verwendet. Es kann aber auch ein anderes Material für den Gehäuseboden 71 gewählt werden. Etwaige Unterschiede im thermischen Verhalten der für die Gehäuseteile 71 und 72 verwendeten Materialien können dann durch eine geeignete Fügetechnik ausgeglichen werden. Wesentlich ist, dass der Gehäuseboden 71 druckdicht in die Aufnahme 74 des Gehäusedeckels 72 gefügt wird, um das Rückseitenvolumen 6 des Mikrofonbauelements 1 abzuschließen.
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Abschließend sei noch erwähnt, dass sich das erfindungsgemäße Aufbaukonzept auch für eine Fertigung im Großnutzen eignet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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