DE102011084393A1

DE102011084393A1 - Mikromechanische Funktionsvorrichtung, insbesondere Lautsprechervorrichtung, und entsprechendes Herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE102011084393A1
Application number: DE102011084393A
Authority: DE
Inventors: Ricardo Ehrenpfordt; Mathias Bruendel; Ando Feyh; Ulrike Scholz; Andre Gerlach; Christina Leinenbach; Sonja Knies
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2011-10-13
Filing date: 2011-10-13
Publication date: 2013-04-18
Also published as: US9517928B2; CN103052011B; CN103052011A; US20130094684A1

Abstract

Die Erfindung schafft eine mikromechanische Funktionsvorrichtung, insbesondere Lautsprechervorrichtung, und ein entsprechendes Herstellungsverfahren. Die Funktionsvorrichtung, insbesondere Lautsprechervorrichtung, umfasst ein Substrat (5), mindestens einen auf dem Substrat (1) angebrachten Schaltungschip (30, 31), eine Umhüllverpackung (15), in welcher der Schaltungschip (30, 31) verpackt ist, eine mikromechanische Funktionsanordnung, insbesondere Lautsprecheranordnung (19) mit einer Mehrzahl von mikromechanischen Lautsprechern (9a, 9b, 9c), welche auf der Umhüllverpackung (15) angebracht ist, und einer oberhalb der mikromechanischen Funktionsanordnung, insbesondere Lautsprecheranordnung (10), gegenüberliegend der Umhüllverpackung (15) angebrachten Abdeckeinrichtung (20).

Description

Die Erfindung betrifft eine mikromechanische Funktionsvorrichtung, insbesondere eine Lautsprechervorrichtung, und ein entsprechendes Herstellungsverfahren.
Stand der Technik
Obwohl auch beliebige mikromechanische Funktionsvorrichtungen anwendbar sind, werden die vorliegende Erfindung und die ihr zugrundeliegende Problematik anhand von mikromechanischen Lautsprechervorrichtungen auf Siliziumbasis erläutert.
Im Vergleich zu Mikrofon- oder Drucksensorverpackungen, die einen Medienzugang zur Membran, ein Frontvolumen und ggf. ein Rückvolumen auf geringem Bauraum bereitstellen müssen, sollte eine Verpackung für MEMS-Lautsprechervorrichtungen insbesondere ein geeignetes akustisches Fenster bereitstellen.
Lautsprecher auf MEMS-Basis bestehen in der Regel aus einem verhältnismäßig großen MEMS-Chip, welcher eine Anordnung von Einzellautsprechern mit jeweiligen Membranen aufweist, wobei die jeweiligen Membranen durch benachbart angeordnete perforierte Elektroden beidseitig auslenkbar sind.
Die DE 10 2005 055 478 A1 offenbart eine mikromechanische Struktur zum Empfang und/oder zur Erzeugung von akustischen Signalen in einem die Struktur zumindest teilweise umgebenden Medium. Die Struktur weist eine im Wesentlichen geschlossene und im Wesentlichen eine erste Seite der Struktur bildenden Membran auf, sowie ein Gegenelement und ein an einer zweiten Seite der ersten Seite gegenüberliegenden Seite vorgesehenes geschlossenes Substrat. Das Gegenelement ist zwischen der Membran und dem Substrat vorgesehen.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung schafft eine mikromechanische Funktionsvorrichtung, insbesondere Lautsprechervorrichtung, nach Anspruch 1 und ein entsprechendes Herstellungsverfahren nach Anspruch 11.
Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
Vorteile der Erfindung
Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee ist die Anwendung einer Aufbau- und Verbindungstechnik (AVT), die auf dem Einbetten mindestens eines Schaltungschips in einer Umhüllmasse, insbesondere Moldmasse, auf einem Substrat basiert. Die Funktionsanordnung wird auf der Umhüllmasse mit dem eingebetteten Schaltungschip montiert, und auf der der Umhüllmasse gegenüberliegenden Seite wird auf der Funktionsanordnung eine Abdeckeinrichtung, z.B. eine Folie, angebracht. Die dadurch entstehende Bauform zeichnet sich dadurch aus, dass die benötigten Bauelemente kompakt und kostengünstig verbunden werden können.
Die Erfindung ermöglicht eine ökonomische Integration von Funktionsanordnung und Auswerteschaltung (Schaltungschip) und eventuell weiteren für die Funktion wichtigen Bauteilen, wie z.B. passiven Bauelementen in Form von Kondensatoren, Widerständen usw. auf einem gemeinsamen Substrat.
Als Einbett-Technologien können sowohl an die Leiterplattenfertigung angelehnte Verfahren verwendet werden als auch ein Umhüllen mit gefüllten oder ungefüllten Polymerwerkstoffen, z.B. im Verguss-, Spritz- oder Spritz-Press-Verfahren.
Die bevorzugten Ausführungsformen beruhen auf dem Umhüllen der Schaltungschips mit einer geeigneten Polymermasse, z.B. Moldmasse, in einem Batchprozess. In Kombination mit dem Herstellen von leitfähigen Strukturen entstehen großformatige Substrate, die in Standardprozessen mit der Funktionsanordnung bestückt und kontaktiert werden können. Im Anschluss daran lässt sich die Funktionsanordnung mit einer für eine bestimmte physikalische Größe, z.B. Schall oder Licht, durchlässigen Abdeckeinrichtung abdecken.
In der Umhüllmasse können im Formungsprozess Kavitäten bzw. Ausnehmungen gebildet werden, die beispielsweise das akustisch notwendige Rückvolumen für die akustisch wirksame Fläche eines jeweiligen Lautsprechers einer MEMS-Lautsprecheranordnung ausbilden, oder die ein in der MEMS-Lautsprecheranordnung ausgebildetes jeweiliges Rückvolumen ergänzen. Dadurch ist auch eine Einsparung von Prozesskosten bei der MEMS-Fertigung der Lautsprecheranordnung möglich.
Die folgenden Vorteile lassen sich durch die vorliegende Erfindung realisieren.
Da der Schaltungschip unterhalb der Funktionsanordnung montiert wird, reduziert sich der Footprint gegenüber einem klassischem Side-by-Side-Aufbau deutlich.
Bei Einsatz eines Leiterplattensubstrats ist insbesondere ein Deckeln der Gehäuse durch Auflaminieren der Folie im Batch-Verfahren möglich, so dass kein serieller Deckelprozess (Platzieren der einzelnen Rahmen und Auflaminieren der Folie) durchgeführt werden muss. Eine Vereinzelung erfolgt beispielsweise durch einen Sägeprozeß. Dies reduziert deutlich die Herstellungskosten.
Indem, im Falle einer MEMS-Lautsprechervorrichtung, ein großer Teil der Rückvolumina im Gehäuse bereitgestellt wird, kann die Chipdicke im Falle der MEMS-Lautsprecheranordnung reduziert werden. Dies reduziert die Herstellkosten der MEMS-Lautsprecheranordnung, da der Trenchprozess durch eine Chipdicke von beispielsweise 400 µm teurer ist als durch eine Chipdicke von beispielsweise 200 µm.
Alternativ dazu kann bei unveränderter MEMS-Chipdicke der Lautsprecheranordnung das Rückvolumen kostengünstig vergrößert werden. Weiterhin ist eine sehr geringe Bauhöhe bei zugleich minimalem möglichen Footprint möglich, da eine Stapelung ohne Einsatz von Spacerchips möglich ist.
Die Erfindung kann für eine große Anzahl von Funktionsanordnungen, z.B. Lautsprecher für CE-Anwendungen (Mobilfunkanwendungen, PDAs, Laptops usw.) eingesetzt werden, wo eine extrem kostengünstige Verpackung mit zugleich geringer Bauhöhe erforderlich ist. Weitere Einsatzbereiche sind Mikrofone, Kamerachips, Infrarotsensoren, optische Sensoren und generell mikromechanische Bauelemente mit empfindlichen Strukturen, welche ein für eine bestimmte physikalische Größe transparentes Fenster benötigen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand von Ausführungsformen mit Bezug auf die Figuren erläutert.
Es zeigen:
1a), b) schematische Querschnittsansichten zur Erläuterung einer mikromechanischen Lautsprechervorrichtung und eines entsprechenden Herstellungsverfahrens gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 eine schematische Querschnittsansicht zur Erläuterung einer mikromechanischen Lautsprechervorrichtung und eines entsprechenden Herstellungsverfahrens gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
3 eine schematische Querschnittsansicht zur Erläuterung einer mikromechanischen Lautsprechervorrichtung und eines entsprechenden Herstellungsverfahrens gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Ausführungsformen der Erfindung
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente.
1a), b) sind schematische Querschnittsansichten zur Erläuterung einer mikromechanischen Lautsprechervorrichtung und eines entsprechendes Herstellungsverfahrens gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
In 1a ist eine MEMS-Lautsprecheranordnung 10 dargestellt, welche eine Mehrzahl von zwischen einen jeweiligen Rahmen 100 eingespannte Lautsprecher 9a, 9b, 9c aufweist. Bezugszeichen 10a, 10b bezeichnen elektrische Anschlüsse der MEMS-Lautsprecheranordnung 10.
Es sei erwähnt, dass 1a nur den Querschnitt eines kleinen Ausschnitts einer derartigen MEMS-Lautsprecheranordnung 10 zeigt und dass tatsächlich eine derartige Lautsprecheranordnung aus einer großen Anzahl von Hunderten bis Tausenden von Einzellautsprechern besteht.
Weiter mit Bezug auf 1b wird bei der Herstellung der Lautsprechervorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform zunächst ein Substrat 5, beispielsweise ein dünnes Leiterplattensubstrat, bereitgestellt, auf dem auf der Oberseite eine Umverdrahtungseinrichtung 13a, 13b, 13c aufgebracht ist. Das Substrat 5 weist zudem Durchbrüche 7a, 7b auf, welche die Oberseite O des Substrats mit der Unterseite U des Substrats verbinden, wobei in den Durchbrüchen 7a, 7b jeweilige elektrische Kontaktierungseinrichtungen 17a, 17b, beispielsweise Lotkugeln, vorgesehen sind, über die die Lautsprechervorrichtung von der Unterseite U her kontaktierbar ist.
Ein Schaltungschip 30 mit Anschlussflächen 30a, 30b wird anschließend auf der Oberseite O des Substrats 5 mit der Umverdrahtungseinrichtung 13a, 13b elektrisch und mechanisch verbunden. Ebenso wird ein Schaltungschip 31 mit nicht dargestellten Kontaktflächen mit der Umverdrahtungseinrichtung 13b, 13c elektrisch und mechanisch verbunden.
Anschließend erfolgt ein Ummolden der Schaltungschips 30, 31 auf der Oberseite O des Substrats 5 mittels einer Moldmasse 15, wobei die Aussparungen 12a, 12b, 12c auf der dem Substrat gegenüberliegenden Seite der Moldmasse 15 gebildet werden, welche Rückvolumina für die Lautsprecheranordnung 10 bilden.
In der Moldmasse 15 werden durch elektrische Durchkontaktierungen 11a, 11b gebildet, welche mit der Umverdrahtungseinrichtung 13a bzw. 13c in elektrischer Verbindung stehen.
Die MEMS-Lautsprecheranordnung 10 wird anschließend mit den Anschlussbereichen 10a, 10b nach unten weisend mit der Moldmasse 15 derart verbunden, dass die Aussparungen 12a, 12b, 12c die Rückvolumina der Lautsprecher 9a, 9b, 9c bilden. Im gleichen Schritt werden die Anschlussflächen 10a, 10b mit den Durchkontaktierungen 11a, 11b verbunden, beispielsweise durch Vorsehen eines entsprechenden elektrisch leitfähigen Klebers. Auch die Rahmen 100 werden mit der Moldmasse 15 verklebt, um die Lautsprecheranordnung 10 mit der Moldmasse 15 zu verbinden.
In einem abschließenden Prozessschritt erfolgt dann das Vorsehen einer schalldurchlässigen Folie 20 als Abdeckeinrichtung für die Schallabstrahlungsseite der Lautsprecheranordnung 10.
Die derart hergestellte Lautsprechervorrichtung lässt sich anschließend mittels der elektrischen Kontaktierungseinrichtung 17a, 17b auf ein weiteres Substrat zusammen mit anderen elektronischen Komponenten bonden.
2 ist eine schematische Querschnittsansicht zur Erläuterung einer mikromechanischen Lautsprechervorrichtung und eines entsprechendes Herstellungsverfahrens gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Bei der zweiten Ausführungsform gemäß 2 wird die Lautsprecheranordnung 10 mit den elektrischen Anschlüssen 10a, 10b von der Moldmasse 15 nach oben wegweisend auf die Moldmasse 15 montiert, beispielsweise durch einen entsprechenden Klebprozess. Nach Ausbildung der Durchkontaktierungen 11a, 11b werden an der Oberseite der Moldmasse 15, welche dem Substrat 5 gegenüberliegt, Bondflächen 16a, 16b gebildet. Die Verbindung der elektrischen Anschlüsse 10a, 10b mit den Bondflächen 16a, 16b erfolgt über Bonddrähte 14a bzw. 14b.
Nach dem Bonden der Bonddrähte 14a, 14b erfolgt ein weiterer Moldprozess, bei dem die Bonddrähte 14a, 14b und die elektrischen Anschlüsse 10a, 10b sowie die Bondflächen 16a, 16b vollständig ummoldet werden. Oberhalb der Lautsprecheranordnung 10 sieht der zweite Moldprozess eine Kaverne der weiteren Moldverpackung 15' vor, damit eine ungehinderte Schallabstrahlung möglich ist. Anschließend wird bei diesem Ausführungsbeispiel die Abdeckeinrichtung 20 in Form der Folie auf die weitere Moldverpackung 15' geklebt.
3 ist eine schematische Querschnittsansicht zur Erläuterung einer mikromechanischen Lautsprechervorrichtung und eines entsprechendes Herstellungsverfahrens gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Bei der dritten Ausführungsform wird nach dem Vorsehen der Bonddrähte 14a, 14b zwischen den elektrischen Anschlüssen 10a, 10b und den Bondflächen 16a bzw. 16b, wie bereits im Zusammenhang mit 2 beschrieben, keine weitere Moldverpackung vorgesehen, sondern ein nach oben offener Deckel 21 auf die Moldmasse 15 geklebt. Ein derartiger Deckel 21 kann entweder aus Kunststoff und/oder Metall bestehen. An der Oberseite des Deckels wird abschließend die Abdeckeinrichtung 20 in Form der Folie 20 aufgeklebt.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt. Insbesondere sind die genannten Materialien und Topologien nur beispielhaft und nicht auf die erläuterten Beispiele beschränkt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102005055478 A1 [0005]

Claims

Mikromechanische Funktionsvorrichtung, insbesondere Lautsprechervorrichtung, mit: einem Substrat (5); mindestens einem auf dem Substrat (1) angebrachten Schaltungschip (30, 31); einer Umhüllverpackung (15), in welcher der Schaltungschip (30, 31) verpackt ist; einer mikromechanischen Funktionsanordnung, insbesondere Lautsprecheranordnung (19) mit einer Mehrzahl von mikromechanischen Lautsprechern (9a, 9b, 9c), welche auf der Umhüllverpackung (15) angebracht ist; und einer oberhalb der Funktionsanordnung, insbesondere mikromechanischen Lautsprecheranordnung (10), gegenüberliegend der Umhüllverpackung (15) angebrachten Abdeckeinrichtung (20).
Mikromechanische Funktionsvorrichtung nach Anspruch 1, welche eine Lautsprecheranordnung mit einer Mehrzahl von mikromechanischen Lautsprechern (9a, 9b, 9c) umfasst, wobei die Umhüllverpackung (15) eine der Mehrzahl von Lautsprechern (9a, 9b, 9c) entsprechende Mehrzahl von Aussparungen (12a, 12b, 12c) aufweist und wobei die mikromechanische Lautsprecheranordnung (19) derart auf der Umhüllverpackung (15) angebracht ist, dass die Aussparungen (12a, 12b, 12c) jeweilige Rückseitenvolumen der Lautsprecher (9a, 9b, 9c) bilden.
Mikromechanische Funktionsvorrichtung, insbesondere Lautsprechervorrichtung, nach Anspruch 1 oder 2, wobei auf dem Substrat (5) auf der Seite des Schaltungschips (30, 31) eine Umverdrahtungseinrichtung (13a, 13b, 13c) vorgesehen ist, welche in elektrischem Kontakt mit dem Schaltungschip (30, 31) steht, und wobei die Umhüllverpackung (15) eine oder mehrere elektrische Durchkontaktierungen (11a, 11b) aufweist, welche die Umverdrahtungseinrichtung (13a, 13b, 13c) mit entsprechenden Anschlüssen (10a, 10b) der Funktionsanordnung, insbesondere Lautsprecheranordnung (10), elektrisch verbinden.
Mikromechanische Funktionsvorrichtung, insbesondere Lautsprechervorrichtung, nach Anspruch 3, wobei die Anschlüsse (10a, 10b) der Funktionsanordnung, insbesondere Lautsprecheranordnung (10), direkt auf die Durchkontaktierungen (11a, 11b) gebondet sind.
Mikromechanische Funktionsvorrichtung, insbesondere Lautsprechervorrichtung, nach Anspruch 3, wobei die Anschlüsse (10a, 10b) der Funktionsanordnung, insbesondere Lautsprecheranordnung (10), über jeweilige Bonddrähte (14a, 14b) auf Bondflächen (16a, 16b) gebondet sind, welche auf der Umhüllverpackung (15) in elektrischem Kontakt mit den jeweiligen Durchkontaktierungen (11a, 11b) vorgesehen sind.
Mikromechanische Funktionsvorrichtung, insbesondere Lautsprechervorrichtung, nach Anspruch 5, wobei auf der Umhüllverpackung (15) eine weitere Umhüllverpackung (15') vorgesehen ist, in der die Bonddrähte und Bondflächen (16a, 16b) verpackt sind.
Mikromechanische Funktionsvorrichtung, insbesondere Lautsprechervorrichtung, nach Anspruch 6, wobei die Abdeckeinrichtung (20) auf der weiteren Umhüllverpackung (15') angebracht ist.
Mikromechanische Funktionsvorrichtung, insbesondere Lautsprechervorrichtung, nach Anspruch 5, wobei auf der Umhüllverpackung (15) eine offene Deckeleinrichtung (21) angebracht ist, auf der die Abdeckeinrichtung (20) angebracht ist.
Mikromechanische Funktionsvorrichtung, insbesondere Lautsprechervorrichtung, nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Substrat (5) Durchbrüche (7a, 7b) aufweist, welche die Seite der Umhüllverpackung mit der gegenüberliegenden Seite verbinden, und wobei in den Durchbrüchen (7a, 7b) jeweilige elektrische Kontaktierungseinrichtungen (17a, 17b) vorgesehen sind, über die die Funktionsvorrichtung, insbesondere Lautsprechervorrichtung, von der der Umhüllverpackung gegenüberliegenden Seite kontaktierbar ist.
Mikromechanische Funktionsvorrichtung, insbesondere Lautsprechervorrichtung, nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Abdeckeinrichtung (20) eine Folie ist.
Verfahren zum Herstellen einer mikromechanische Funktionsvorrichtung, insbesondere Lautsprechervorrichtung, mit den Schritten: Bereitstellen von einem Substrat (5); Anbringen von mindestens einem Schaltungschip (30, 31) auf dem Substrat; Verpacken des Schaltungschips (30, 31) in einer Umhüllverpackung (15); Anbringen einer mikromechanischen Funktionsanordnung, insbesondere Lautsprecheranordnung (19) mit einer Mehrzahl von mikromechanischen Lautsprechern (9a, 9b, 9c), auf der Umhüllverpackung (15); und Anbringen einer Abdeckeinrichtung (20) oberhalb der mikromechanischen Funktionsanordnung, insbesondere Lautsprecheranordnung (10), gegenüberliegend der Umhüllverpackung (15).
Verfahren nach Anspruch 11, wobei die Funktionsanordnung eine Lautsprecheranordnung (10) mit einer Mehrzahl von Lautsprechern (9a, 9b, 9c) aufweist, wobei die Umhüllverpackung (15) eine der Mehrzahl von Lautsprechern (9a, 9b, 9c) entsprechende Mehrzahl von Aussparungen (12a, 12b, 12c) aufweist und wobei die mikromechanischen Lautsprecheranordnung (19) derart auf der Umhüllverpackung (15) angebracht werden, dass die Aussparungen (12a, 12b, 12c) jeweilige Rückseitenvolumen der Lautsprecher (9a, 9b, 9c) bilden.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, auf dem Substrat (5) auf der Seite des Schaltungschips (30, 31) eine Umverdrahtungseinrichtung (13a, 13b, 13c) vorgesehen wird, welche in elektrischem Kontakt mit dem Schaltungschip (30, 31) steht, und wobei die Umhüllverpackung (15) eine oder mehrere elektrische Durchkontaktierungen (11a, 11b) vorgesehen werden, welche die Umverdrahtungseinrichtung (13a, 13b, 13c) mit entsprechenden Anschlüssen (10a, 10b) der Funktionsanordnung, insbesondere Lautsprecheranordnung (10), elektrisch verbinden.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei die Anschlüsse (10a, 10b) der Funktionsanordnung, insbesondere Lautsprecheranordnung (10), direkt auf die Durchkontaktierungen (11a, 11b) gebondet werden.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei wobei die Anschlüsse (10a, 10b) der Funktionsanordnung, insbesondere Lautsprecheranordnung (10), über jeweilige Bonddrähte (14a, 14b) auf Bondflächen (16a, 16b) gebondet werden, welche auf der Umhüllverpackung (15) in elektrischem Kontakt mit den jeweiligen Durchkontaktierungen (11a, 11b) vorgesehen werden, und wobei auf der Umhüllverpackung (15) eine weitere Umhüllverpackung (15') vorgesehen wird, in der die Bonddrähte und Bondflächen (16a, 16b) verpackt sind.