DE102012202421A1 - Mikroelektromechanische-Systeme-Gehäuse (MEMS-Package) - Google Patents

Mikroelektromechanische-Systeme-Gehäuse (MEMS-Package) Download PDF

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Steve Martin
Timothy Leclair
David Martin
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Abstract

Es wird eine Mikroelektromechanische-Systeme-(MEMS-)Wandlervorrichtung beschrieben, die folgendes aufweist: ein Gehäusesubstrat, das einen ersten thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, und ein Wandlersubstrat mit einem Wandler. Das Wandlersubstrat ist über dem Gehäusesubstrat angeordnet. Das Wandlersubstrat weist einen zweiten thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf, der dem ersten thermischen Ausdehnungskoeffizienten im Wesentlichen gleichkommt.

Description

  • Querverweis auf verwandte Anmeldungen
  • Die vorliegende Anmeldung nimmt die Priorität der US-Patentanmeldung Nr. 13/029,314 in Anspruch, die eine Teilfortsetzung gemäß 37 C.F.R. §1.53(b) ist und gemäß 35 U.S.C. §120 die Priorität der US-Patentanmeldung Nr. 12/844,857 beansprucht, die in gemeinsamen Besitz ist, die „MEMS Transducer Device having Stress Mitigation Structure and Method of Fabricating the Same“ betitelt ist und am 28. Juli 2010 für Timothy LeClair et al. eingereicht wurde. Die Offenbarung dieser Anmeldungen ist ausdrücklich durch Bezugnahme hierin aufgenommen.
  • Hintergrund
  • Wandler bzw. Transducers wandeln im Allgemeinen elektrische Signale in mechanische Signale oder Vibrationen, und/oder mechanische Signale oder Vibrationen in elektrische Signale um. Insbesondere akustische Wandler wandeln – in einem Transmissionsmodus (zum Beispiel bei einer Anwendung als Lautsprecher) – elektrische Signale in akustische Signale (Schallwellen) um, und/oder sie wandeln – in einem Empfangsmodus (zum Beispiel bei einer Anwendung als Mikrofon) – empfangene akustische Wellen in elektrische Signale um. Wandler, wie zum Beispiel Ultraschallwandler, sind in einer umfangreichen Vielfalt von elektronischen Anwendungen, einschließlich Filter, vorgesehen. Da das Bedürfnis, die Größe von vielen Bauteilen zu reduzieren, weitergeht, steigt auch die Nachfrage nach verkleinerten Wandlern weiterhin an. Dies hat zu vergleichsweise kleinen Wandlern geführt, die gemäß verschiedenen Technologien, wie zum Beispiel Mikroelektromechanische-Systeme (micro-electromechanical systems bzw. MEMS), mikrobearbeitet werden können.
  • Verschiedene Arten bzw. Typen von MEMS-Wandlern, wie zum Beispiel piezoelektrische Ultraschallwandler (PMUTs), weisen einen Resonator-Stapel bzw. Resonator-Stack auf, der eine Schicht von piezoelektrischem Material zwischen zwei leitenden Platten (Elektroden) hat und auf einer dünnen Membran geformt ist. Die Membran kann auf einem Substrat über einem durch das Substrat gehenden Hohlraum gebildet sein. Das Substrat ist typischerweise aus einem Material gebildet, das mit Halbleiterprozessen kompatibel ist, wie zum Beispiel Silizium (Si). Die Wandler können mittels Polierens der Rückseite des Wandlersubstrates und Anbringens des polierten Wandlersubstrates direkt auf einem Package- bzw. Gehäuse-Substrat eingehäust (packaged) werden. Falls der Wandler zum Beispiel in einem Gehäuserahmen-Gehäuse (lead frame package) aufgenommen werden soll, wird das Wandlersubstrat typischerweise auf einem Gehäusesubstrat aus Metall (metal package substrate) montiert.
  • Bei der bekannten Verkapselung bzw. Gehäusung (packaging) unterscheidet sich ein thermischer Ausdehnungskoeffizient (CTE bzw. coefficient of thermal expansion) des Wandlers erheblich von dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Gehäuses, in welchem der Wandler montiert wird bzw. ist. Der thermische Ausdehnungskoeffizient gibt im Allgemeinen die Rate oder das Verhältnis von Material- oder Strukturveränderungen in Bezug auf Temperaturänderungen an. Der Unterschied zwischen dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Wandlers und dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Gehäuses hat unterschiedliche Reaktionen auf Temperaturänderungen zur Folge, sowohl während Verkapselungs- bzw. Gehäusungs-Prozesse (packaging processes) als auch im laufenden Betrieb, was dem Wandler physikalische Belastungen (bzw. Stress) auferlegt. Die Ursache der Parameterverschiebungen in MEMS-Biegemodus- und/oder MEMS-Dickenschwingungsmodus-Wandlern aufgrund von zum Beispiel Chipmontage (die mounting) und Betriebstemperaturvariation ist mit anderen Worten die Fehlanpassung der thermischen Eigenschaften zwischen den Materialen des Wandlers und des Gehäuses. Die Belastungen (bzw. der Stress) treten (bzw. tritt) wegen des engen physikalischen Kontaktes und der erheblichen Fehlanpassung der thermischen Ausdehnungskoeffizienten der jeweiligen Materialen am deutlichsten zwischen dem Wandlersubstrat und dem Gehäusesubstrat, an dem das Wandlersubstrat angebracht ist, hervor.
  • Nachdem der MEMS-Wandler verkapselt bzw. gehäust worden ist, wird das Gehäuse an eine Systemebene-Platine angepasst bzw. ausgerichtet und auf derselben montiert. Bei der bekannten MEMS-Verkapselung erhöht der Ausrichtungsprozess den Aufwand des Herstellungsprozesses und liefert häufig keine brauchbare Ausrichtung bzw. Anpassung des MEMS-Wandlers.
  • Es wird ein MEMS-Gehäuse bzw. MEMS-Package benötigt, das zumindest die Mängel der oben beschriebenen bekannten MEMS-Gehäuse beseitigen.
  • Zusammenfassung
  • In einer beispielhaften Ausführungsform ist eine Mikro-Elektromechanische-Systeme-Wandlervorrichtung bzw. MEMS-Wandlervorrichtung auf einem Substrat angebracht. Die MEMS-Wandlervorrichtung aufweist: ein Gehäusesubstrat bzw. Packagesubstrat, das einen ersten thermischen Ausdehnungskoeffizienten (CTE) aufweist, und ein Wandlersubstrat mit einem Wandler, wobei das Wandlersubstrat über dem bzw. das Gehäusesubstrat angeordnet ist, und wobei das Wandlersubstrat einen zweiten thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, der dem ersten thermischen Ausdehnungskoeffizienten im Wesentlichen gleich ist.
  • In einer anderen beispielhaften Ausführungsform beinhaltet eine Mikro-Elektromechanische-Systeme-Wandlervorrichtung bzw. MEMS-Wandlervorrichtung: ein Gehäusesubstrat bzw. Packagesubstrat, das einen ersten thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, und ein Wandlersubstrat mit einem Wandler, wobei das Wandlersubstrat über dem bzw. das Gehäusesubstrat angeordnet ist, und wobei das Wandlersubstrat einen zweiten thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, der dem ersten thermischen Ausdehnungskoeffizienten im Wesentlichen gleich ist.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Die Beispiele von Ausführungsformen werden am besten durch die folgende detaillierte Beschreibung verstanden, wenn diese zusammen mit den begleitenden Figuren bzw. Zeichnungen gelesen wird. Es wird hervorgehoben, dass die verschiedenen Merkmale nicht unbedingt maßstabgerecht gezeichnet sind. Die Dimensionen mögen zwecks Klarheit der Diskussion tatsächlich willkürlich vergrößert oder verkleinert sein. Identische Bezugszeichen verweisen, insofern dies möglich und praktisch ist, auf identische Elemente.
  • Die 1A und 1B sind isometrische Explosionsansichten eines MEMS-Gehäuses gemäß einer beispielhaften Ausführungsform.
  • Die 2A und 2B sind isometrische Explosionsansichten eines MEMS-Gehäuses gemäß einer beispielhaften Ausführungsform.
  • Die 3 ist eine Schnittdarstellung eines auf einem Substrat angebrachten MEMS-Gehäuses gemäß einer beispielhaften Ausführungsform.
  • Detaillierte Beschreibung
  • In der folgenden detaillierten Beschreibung werden – zwecks der Erläuterung und nicht der Begrenzung – beispielhafte Ausführungsformen, die spezifische Details offenbaren, dargestellt, um ein eingehendes Verständnis der vorliegenden Lehre zu gewährleisten. Es wird aber einem durchschnittlichen Fachmann, der die vorliegende Offenbarung genutzt hat, klar sein, dass auch andere Ausführungsformen, die zwar der vorliegenden Lehre entsprechen aber von den hierein offenbarten spezifischen Details abweichen, innerhalb des Umfangs bzw. Bereichs der angehängten Patentansprüche bleiben. Des Weiteren mögen Beschreibungen von wohl bekannten Vorrichtungen und Verfahren ausgelassen sein, um die Beschreibung der beispielhaften Ausführungsformen nicht zu verschleiern. Solche Verfahren und Vorrichtungen sind ohne Frage innerhalb des Umfangs der vorliegenden Lehren.
  • Es versteht sich im Allgemeinen, dass die Zeichnungen sowie die darin dargestellten Elemente nicht maßstabgerecht gezeichnet sind. Des Weiteren werden relative Begriffe herangezogen, wie zum Beispiel „über“, „unter“, „Top“, „Boden“, „obere“, „untere“, „links“, „rechts“, „vertikal“ und „horizontal“, um die Verhältnisse zwischen den verschiedenen Elementen untereinander – wie sie in den beigefügten Zeichnungen illustriert sind – zu beschreiben. Es versteht sich, dass diese relativen Begriffe bezwecken, auch andere Orientierungen der Vorrichtung und/oder Elemente zusätzlich zu den in den Zeichnungen dargestellten Orientierungen zu umfassen. Wäre die Vorrichtung zum Beispiel hinsichtlich der Ansicht in der Zeichnung umgedreht, dann würde ein Element, das zum Beispiel als „über“ einem anderen Element beschrieben ist, jetzt „unter“ diesem Element sein. In ähnlicher Weise wäre die Vorrichtung hinsichtlich der Ansicht in der Zeichnung um 90 Grad rotiert, dann würde ein Element, dass zum Beispiel als „vertikal“ beschrieben ist, jetzt „horizontal“ sein.
  • Gemäß verschiedener Ausführungsformen weist eine Wandlervorrichtung, wie zum Beispiel ein MEMS-Ultraschallwandler oder ein PMUT, ein Gehäusesubstrat bzw. ein Packagesubstrat, das einen ersten thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, einen Wandler, der einen aktiven Bereich aufweist und über einem Wandlersubstrat angeordnet ist, wobei das Wandlersubstrat einen zweiten thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, der im Wesentlichen der gleiche ist wie der erste thermische Ausdehnungskoeffizient, und eine Öffnung in dem Gehäusesubstrat auf, die zum Empfangen und zum Transmittieren mechanischer Wellen von dem Wandler konfiguriert ist.
  • 1A ist eine isometrische Explosionsansicht einer MEMS-Wandlervorrichtung 100 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform. Die MEMS-Wandlervorrichtung 100 weist ein Gehäusesubstrat 101, ein Wandlersubstrat 102, eine Abdeckung 103 und eine Abschirmung 104 auf. Wie unten genauer beschrieben, ist eine Öffnung 105 in dem Gehäusesubstrat 101 konfiguriert zum Empfangen und zum Transmittieren mechanischer Wellen (zum Beispiel Ultraschallwellen) von und zu einer Vielzahl von Wandlern 106, die über dem Wandlersubstrat 102 vorgesehen sind.
  • In der an dieser Stelle dargestellten Ausführungsform gibt es drei (3) Wandler 106. Es wird hervorgehoben, dass dies lediglich illustrativ ist, und dass eine kleinere oder größere Anzahl von Wandlern 106 über dem Wandlersubstrat 102 vorgesehen sein kann. Die Wandler 106 können zum Beispiel Ultraschall-MEMS-Wandler sein, obwohl es verstanden wird, dass andere Arten von Wandlern mit einbezogen werden können, ohne den Umfang der vorliegenden Lehren zu verlassen. Die Wandler 106 sind als ringförmige Resonatoren dargestellt, bei denen der Querschnitt quer durch die Mitte genommen ist. Die Wandler 106 können zum Beispiel im Wesentlichen kreisförmig gestaltet sein, obwohl auch andere Formen vorgesehen sein können, einschließlich, aber nicht beschränkt auf, Ovale, Quadrate, Rechtecke, oder ähnliches, ohne den Umfang der vorliegenden Lehren zu verlassen.
  • Das Wandlersubstrat 102 weist Silizium (Si), oder Silizium-Germanium (SiGe), oder Silizium-auf-Isolator (SOI bzw. silicon-on-insulator), oder Gallium-Arsenid (GaAs), oder Indium-Phosphid (InP), oder Saphir, oder Aluminiumoxid bzw. Tonerde (alumina), oder dotiertes SiO2 (zum Beispiel Borsilikatglas (BSG) oder Pyrex®) auf. Neben anderen Erwägungen ist das für das Wandlersubstrat 102 ausgesuchte Material nützlich für die Integration von elektrischen Verbindungen bzw. Kontakten und der Elektronik, so dass Größe und Kosten reduziert werden können. In beispielhaften Ausführungsformen kann das Gehäusesubstrat 101 Aluminiumoxid, Saphir oder ein keramisches Material mit hoher vergleichsweise Dichte sein, das innerhalb des Griffbereichs eines durchschnittlichen Fachmannes, der den Vorteil der Durchsicht der vorliegenden Offenbarung genutzt hat, ist. Das für das Gehäusesubstrat 101 ausgewählte Material wird ausgesucht, um einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten bereitzustellen, der im Wesentlichen zu dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Wandlersubstrats 102 passt bzw. im Wesentlichen dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Wandlersubstrats 102 gleichkommt. Insbesondere ist der thermische Ausdehnungskoeffizient des Gehäusesubstrats 101 ausgesucht, um so nahe wie möglich an den thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Wandlersubstrats 102 zu sein, während auch andere gewünschten Materialeigenschaften in Betracht gezogen werden, wie zum Beispiel die Einfachheit der Fertigung zweckmäßiger Merkmale (zum Beispiel Metallbeschichtung, Kontakte, Öffnungen) auf dem Material, die Einfachheit der Integration von elektrischen Verbindungen und der Elektronik, sowie die Zuverlässigkeit und Kosten. In einer beispielhaften Ausführungsform ist das Wandlersubstrat 102 zum Beispiel Silizium (Si), das einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von ungefähr 3,0 ppm/°C hat, und das Gehäusesubstrat 101 ist Aluminiumoxid, das einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von ungefähr 6,0 ppm/°C hat.
  • In beispielhaften Ausführungsformen mögen die Wandler 106 PMUTs sein, die unter Verwendung von MEMS-Technologie hergestellt worden sind. Weitere Details bezüglich der Bauteile und Konfigurationen der Wandler 106 können in der US-Patentanmeldung Nr. 12/844,857 gefunden werden, die in gemeinsamen Besitz ist, die „MEMS Transducer Device having Stress Mitigation Structure and Method of Fabricating the Same“ betitelt ist und am 28. Juli 2010 für Timothy LeClair et al. eingereicht wurde. Die Offenbarung dieser Anmeldung ist ausdrücklich durch Bezugnahme hierin aufgenommen. Im Allgemeinen sind Beispiele von Verfahren, Materialen und Strukturen für die Herstellung von Wandlern 106 beschrieben in den US-Patenten mit den jeweiligen Nummern 5,587,620, 5,873,153, 6,384,697 und 7,275,292 von Ruby, et al.; in dem US-Patent Nr. 6,828,713 von Bradley; in den US-Patentanmeldungen mit den jeweiligen Veröffentlichungsnummern 2008/0122320 und 2008/0122317 von Fazzio, et al.; in der US-Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer 2007/0205850 von Jamneala, et al.; in der US-Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer 2008/0258842 von Ruby, et al.; in der US-Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer 2006/0103492 von Feng, et al.; und in der US-Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 12/495,443 von Martin, et al. Die Offenbarungen dieser Patente, dieser veröffentlichten Patentanmeldungen (Offenlegungsschriften) und dieser Patentanmeldungen, die alle im gemeinsamen Besitz sind, sind ausdrücklich durch Bezugnahme hierin aufgenommen.
  • Falls die Wandler 106 zum Beispiel PMUTs sind, wird die Umsetzung bzw. Wandlung durch ein piezoelektrisches Material (nicht gezeigt) erzeugt. In verschiedenen alternativen Ausführungsformen mag die MEMS-Wandlervorrichtung 100 jede Art von Wandler sein, der durch Mikrobearbeitung hergestellt worden ist und eine Membrane aufweist, die Belastung bzw. Stress als einen wesentlichen Parameter hat, wie zum Beispiel ein durch Mikrobearbeitung hergestellten kapazitiven Ultraschallwandler (CMUT, capacitive micro-machined ultrasonic transducer), in welchem Falle die Umsetzung bzw. Wandlung durch eine Variation der Kapazität erzeugt wird. Es wird verstanden, dass auch andere Typen bzw. Arten von Wandlern sowie Anordnungen von Wandlern mit einbezogen werden können, ohne den Umfang der vorliegenden Lehren zu verlassen.
  • Die Abdeckung 103 ist über dem bzw. das Gehäusesubstrat 101 angebracht und umgibt das Wandlersubstrat 102. Die Abdeckung 103 gewährleistet – neben anderen Funktionen – Schutz dagegen, dass Fremdkörper die Wandler 106 Kontaktieren bzw. Berühren. In einer beispielhaften Ausführungsform weist die Abdeckung 103 Plastik, Aluminium, Stahl, Kupfer, Messing oder ein anderes geeignetes Material auf. Wie hierin näher beschrieben, ist die Abdeckung derart abgemessen, dass sie durch eine Öffnung in einer Leiterplatte (die in 1A nicht gezeigt ist) oder in einem anderen Substrat, auf der bzw. dem die MEMS-Wandlervorrichtung 100 montiert ist, passt.
  • In dem Gehäusesubstrat 101 sind Öffnungen 108 vorgesehen, und zum Empfangen eines entsprechenden Stabs 109 (nur ein Stab 109 ist in der 1A zu sehen) positioniert, um die Abdeckung 103 über dem Wandlersubstrat 102 und an dem Gehäusesubstrat 101 zu befestigen. Die Öffnungen 108 können sich durch das Gehäusesubstrat 101 erstrecken, und sind mittels Laserbohrens oder anderer bekannten Techniken bzw. Verfahren gebildet. Ein geeignetes Klebemittel mag zum Befestigen der Stäbe 109 an dem Gehäusesubstrat 101 benutzt werden.
  • Eine Abschirmung 104 ist über der Öffnung 105 in dem Gehäusesubstrat 101 vorgesehen. Die Abschirmung 104 weist eine Vielzahl von Löchern 107 auf, so dass mechanische Wellen, die von den Wandlern 106 ausgestrahlt werden oder auf den Wandlern 106 einfallen, die Abschirmung 104 durchqueren können, ohne wesentliche Störung bzw. Interferenz oder Impedanz. Die Abschirmung 104 schützt die Wandler 106 gegen Fremdkörper oder andere Objekte, die die Leistung der Wandler 106 auf schädlicher Weise beeinflussen können. Die Abdeckung 104 kann zum Beispiel das gleiche Material wie das Gehäusesubstrat 101 aufweisen. Die Löcher 107 sind durch maschinelle Verarbeitung eines rohen Substrats mittels eines bekannten Laserbohrverfahrens hergestellt. Die Löcher 107 weisen zum Beispiel einen Durchmesser von 0,38 mm (0,015 Zoll bzw. 15 mils) auf. Wenn Laserbohrverfahren zum Bilden der Löcher 107 verwendet werden, ist der Durchmesser der Löcher 107 üblicherweise im Wesentlichen gleich der Dicke des Gehäusesubstrats 101.
  • In einer beispielhaften Ausführungsform sind elektrische Verbindungen zu den Wandlern 106 mittels Drahtbonds bzw. Wirebonds 110 hergestellt, die Kontakte 111 auf dem Wandlersubstrat mit Kontakten 112 auf dem Gehäusesubstrat verbinden. Wie weiter unten näher beschrieben wird, stellen die Kontakte 112 elektrische Verbindungen zu elektrischen Schaltungen und Bauteilen, die für das Transmittieren und Empfangen von Signalen mit den Wandlern 106 nützlich sind, bereit. Die Kontakte 111, 112 sind mittels bekannter Metallisierungstechniken jeweils über dem Wandlersubstrat 102 bzw. dem Gehäusesubstrat 101 angeordnet. Die Kontakte können ein geeignetes leitfähiges Material aufweisen, wie zum Beispiel Gold (Au), Kupfer (Cu) oder Aluminium (Al) oder eine geeignete leitfähige Legierung, wie zum Beispiel eine Gold-Zinn-Legierung. Insbesondere sind die Kontakte 112, wie es der 1A entnommen werden kann, teilweise von der Abdeckung 103 abgedeckt.
  • Verbindungspads 113 sind über dem Gehäusesubstrat 101 bereitgestellt, und Durchgänge 114 (bzw. Vias) sind durch das Gehäusesubstrat hindurch bereitgestellt. Wie unten näher beschrieben wird, kontaktieren die Verbindungspads 113 Verbindungspads auf einem (nicht in 1A dargestellten) Schaltungssubstrat, um die MEMS-Wandlervorrichtung 100 darauf bzw. daran zu befestigen (zu bonden, zum Beispiel). In einer Ausführungsform ist die Abdeckung 103 mindestens teilweise über den bzw. die Verbindungspads 113 und Durchgängen 114 angeordnet. Erläuternd können eine oder beide Verbindungspads 113 mittels der Durchgänge 114 mit einer Bezugserde (die unten als ein Schild 117 beschrieben wird) verbunden sein, um ein einwandfreies Erden sicherzustellen, und „floatende“ Erden zu vermeiden.
  • 1B ist eine isometrische Explosionsansicht einer MEMS-Wandlervorrichtung 100 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform. Da 1B eine andere Perspektive der oben beschriebenen MEMS-Wandlervorrichtung 100 darstellt, werden Details vieler gemeinsamen Aspekte, die in der Beschreibung von 1A gegeben sind, nicht wiederholt.
  • Das Wandlersubstrat 102 weist Hohlräume bzw. Kavitäten 115 auf, die auf jeweilige (in 1B nicht sichtbare) Wandler 106 ausgerichtet sind. Die Hohlräume 115 stellen für mechanische Wellen einen Pfad zu und von den Wandlern 106 bereit. Die Hohlräume 115 sind auch über die Öffnung 105 in dem Gehäusesubstrat 101 und der Abschirmung 104 ausgerichtet. Die Hohlräume 115 weisen ein vergleichsweise großes Seitenverhältnis bzw. Aspektverhältnis auf und sind mittels eines bekannten Verfahrens, wie zum Beispiel reaktives Ionentrockenätzen (DRIE, dry reactive ion etching), das sogenannte „Bosch-Verfahren“, gebildet. Viele der oben durch Bezugnahme hierin aufgenommenen Dokumente, die alle im gemeinsamen Besitz sind, liefern Details bezüglich der Fertigung der Hohlräume 115 und werden hier nicht allgemein wiederholt.
  • Die Abdeckung 103 weist einen Hohlraum bzw. eine Kavität 116 auf, in dem bzw. der das Wandlersubstrat 102 angeordnet ist. Nach dem Zusammenbauen umschließt die Abdeckung 103 als solche das Wandlersubstrat 102. Die Abdeckung 103 gewährleistet Schutz für die Wandler 106 gegen Fremdkörper und Feuchtigkeit. Des Weiteren ist die Tiefe des Hohlraums 116 ausgewählt, um eine akustische Rückwand bzw. Backplane für die Wandler 106 bereitzustellen. Die akustische Rückwand unterstützt vorteilhafterweise die Frequenzstabilisierung von mechanischen Wellen, die von den Wandlern 106 ausgehen.
  • In einer beispielhaften Ausführungsform ist ein Schild 117 über einer bzw. eine erste Seite 118 des Gehäusesubstrats 101 und gegenüberliegend einer zweiten Seite 119 des Gehäusesubstrats 101 angebracht, über der bzw. die das Wandlersubstrat 102 angeordnet ist. Der Schild 117 mag zum Beispiel ein Metall oder eine Metalllegierung aufweisen, und ist mittels einer bekannten Technik auf das Gehäusesubstrat 101 gedruckt. Der Schild 117 stellt eine Massefläche dar und verhindert, dass elektromagnetische Streusignale (wie zum Beispiel RF-Signale) die Funktion der Wandler 106 nachteilig stören bzw. mit dieser interferieren.
  • 2A ist eine isometrische explosionsansicht einer MEMS-Wandlervorrichtung 200 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform. Die MEMS-Wandlervorrichtung 200 weist ein Gehäusesubstrat 101, ein Wandlersubstrat 102 und eine Abdeckung 103 auf, wie es in Verbindung mit den beispielhaften Ausführungsformen der 1A beschrieben ist. Die MEMS-Wandlervorrichtung 200 weist ferner eine integrierte Abschirmung 201 auf. Die integrierte Abschirmung 204 weist eine Vielzahl von Löchern 202 auf, die sich durch die Dicke des Gehäusesubstrats von einer ersten Seite 203 zu einer zweiten Seite 204 erstrecken.
  • In der an dieser Stelle dargestellten Ausführungsform gibt es drei (3) Wandler 106. Es wird hervorgehoben, dass dies lediglich illustrativ ist, und dass eine kleinere oder größere Anzahl von Wandlern 106 über dem bzw. das Wandlersubstrat 102 vorgesehen sein kann. Die Wandler 106 können zum Beispiel Ultraschall-MEMS-Wandler sein, obwohl es verstanden wird, dass andere Arten von Wandlern mit einbezogen werden können, ohne den Umfang der vorliegenden Lehren zu verlassen. Die Wandler 106 sind als ringförmige Resonatoren dargestellt, bei denen der Querschnitt quer durch die Mitte genommen ist. Die Wandler 106 können zum Beispiel im Wesentlichen kreisförmig gestaltet sein, obwohl auch andere Formen vorgesehen sein können, einschließlich, aber nicht beschränkt auf, Ovale, Quadrate, Rechtecke, oder ähnliches, ohne den Umfang der vorliegenden Lehren zu verlassen.
  • Das Wandlersubstrat 102 weist Silizium (Si), Silizium-Germanium (SiGe), Silizium-auf-Isolator (SOI bzw. silicon-on-insulator), Gallium-Arsenid (GaAs), Indium-Phosphid (InP), Saphir, Aluminiumoxid bzw. Tonerde (alumina), dotiertes SiO2 (zum Beispiel Borsilikatglas (BSG) oder Pyrex®) auf. Neben anderen Erwägungen ist das für das Wandlersubstrat 102 ausgesuchte Material nützlich für die Integration von elektrischen Verbindungen bzw. Kontakten und der Elektronik, so dass Größe und Kosten reduziert werden können. Das für das Gehäusesubstrat 101 ausgewählte Material wird ausgesucht, um einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten bereitzustellen, der im Wesentlichen zu dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Wandlersubstrats 102 passt bzw. im Wesentlichen dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Wandlersubstrats 102 gleichkommt. Insbesondere ist der thermische Ausdehnungskoeffizient des Gehäusesubstrats 101 ausgesucht, um so nahe wie möglich an den thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Wandlersubstrats 102 zu sein, während auch andere gewünschten Materialeigenschaften in Betracht gezogen werden, wie zum Beispiel die Einfachheit der Fertigung zweckmäßiger Merkmale (zum Beispiel Metallbeschichtung, Kontakte, Öffnungen) auf dem Material, die Einfachheit der Integration von elektrischen Verbindungen und der Elektronik, sowie die Zuverlässigkeit und Kosten. In einer beispielhaften Ausführungsform ist das Wandlersubstrat 102 zum Beispiel Silizium (Si), das einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von ungefähr 3,0 ppm/°C hat, und das Gehäusesubstrat 101 ist Aluminiumoxid, das einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von ungefähr 6,0 ppm/°C hat.
  • In beispielhaften Ausführungsformen mögen die Wandler 106 PMUTs sein, die unter Verwendung von MEMS-Technologie hergestellt worden sind. Weitere Details bezüglich der Bauteile und Konfigurationen der Wandler 106 können in den durch Bezugnahme hierin aufgenommenen Patenten, veröffentlichten Patentanmeldungen (Offenlegungsschriften) und Patentanmeldungen, die alle im gemeinsamen Besitz sind, gefunden werden.
  • Falls die Wandler 106 zum Beispiel PMUTs sind, wird die Umsetzung bzw. Wandlung durch ein piezoelektrisches Material (nicht gezeigt) erzeugt. In verschiedenen alternativen Ausführungsformen mag die MEMS-Wandlervorrichtung 100 jede Art von Wandler sein, der durch Mikrobearbeitung hergestellt worden ist, und eine Membrane aufweist, die Belastung bzw. Stress als einen wesentlichen Parameter hat, wie zum Beispiel ein durch Mikrobearbeitung hergestellten kapazitiven Ultraschallwandler (CMUT, capacitive micro-machined ultrasonic transducer), in welchem Falle die Umsetzung bzw. Wandlung durch eine Variation der Kapazität erzeugt wird. Es wird verstanden, dass auch andere Typen bzw. Arten von Wandlern sowie Anordnungen von Wandlern mit einbezogen werden können, ohne den Bereich der vorliegenden Lehren zu verlassen.
  • Die Abdeckung 103 ist über dem bzw. das Gehäusesubstrat 101 angebracht und umgibt das Wandlersubstrat 102. Die Abdeckung 103 gewährleistet – neben anderen Funktionen – Schutz dagegen, dass Fremdkörper die Wandler 106 Kontaktieren bzw. Berühren. In einer beispielhaften Ausführungsform weist die Abdeckung 103 Plastik, Aluminium, Stahl, Kupfer, Messing oder ein anderes geeignetes Material auf. Wie hierin näher beschrieben, ist die Abdeckung derart abgemessen, dass sie durch eine Öffnung in einer Leiterplatte (die in 1A nicht gezeigt ist) oder in einem anderen Substrat, auf der bzw. dem die MEMS-Wandlervorrichtung 100 montiert ist, passt.
  • In dem Gehäusesubstrat 101 sind Öffnungen 108 vorgesehen, und zum Empfangen eines entsprechenden Stabs 109 (nur ein Stab 109 ist in der 2A zu sehen) positioniert, um die Abdeckung 103 über dem Wandlersubstrat 102 und an dem Gehäusesubstrat 101 zu befestigen. Die Öffnungen 108 können sich durch das Gehäusesubstrat 101 von einer ersten Seite 203 zu einer zweiten Seite 204 erstrecken und sind mittels Laserbohrens oder anderer bekannten Techniken bzw. Verfahren gebildet. Ein geeignetes Klebemittel mag zum Befestigen der Stäbe 109 an dem Gehäusesubstrat 101 benutzt werden.
  • Das Wandlersubstrat 102 ist über der integrierten bzw. über die integrierte Abschirmung 201 angeordnet. Die integrierte Abschirmung 201 weist ein Loch 202 bzw. eine Vielzahl von Löchern 202 auf, die sich von der ersten Seite 203 zu der zweiten Seite 204 erstrecken, so dass mechanische Wellen, die von den Wandlern 106 ausgestrahlt werden oder auf den Wandlern 106 einfallen, die integrierte Abschirmung 201 ohne wesentliche Störung bzw. Interferenz oder Impedanz durchqueren können. Die integrierte Abschirmung 201 schützt die Wandler 106 gegen Fremdkörper oder andere Objekte, die die Leistung der Wandler 106 auf schädlicher Weise beeinflussen können. Die Abdeckung 104 kann zum Beispiel das gleiche Material wie das Gehäusesubstrat 101 aufweisen. Die Löcher 202 sind durch maschinelle Verarbeitung des Gehäusesubstrats 101 mittels eines bekannten Laserbohrverfahrens hergestellt. Die Löcher 202 weisen zum Beispiel einen Durchmesser von 0,38 mm (0,015 Zoll bzw. 15 mils) auf. Wenn Laserbohrverfahren zum Bilden der Löcher 107 bzw. 202 verwendet werden, ist der Durchmesser der Löcher 107 bzw. 202 üblicherweise im Wesentlichen gleich der Dicke des Gehäusesubstrats 101. Die Löcher 202 haben den gleichen Durchmesser wie die Löcher 107 in der Abschirmung 104, die in Verbindung mit den beispielhaften Ausführungsbeispielen der 1A und 1B oben beschrieben ist.
  • In einer beispielhaften Ausführungsform sind elektrische Verbindungen zu den Wandlern 106 mittels Drahtbonds bzw. Wirebonds 110 hergestellt, die Kontakte 111 auf dem Wandlersubstrat 102 mit Kontakten 112 auf dem Gehäusesubstrat verbinden. Wie weiter unten näher beschrieben wird, stellen die Kontakte 112 elektrische Verbindungen zu elektrischen Schaltungen und Bauteilen, die für das Transmittieren und Empfangen von Signalen mit den Wandlern 106 nützlich sind, bereit. Die Kontakte 111, 112 sind mittels bekannter Metallisierungstechniken jeweils über dem Wandlersubstrat 102 bzw. dem Gehäusesubstrat 101 angeordnet. Die Kontakte können ein geeignetes leitfähiges Material aufweisen, wie zum Beispiel Gold (Au), Kupfer (Cu) oder Aluminium (Al) oder eine geeignete leitfähige Legierung, wie zum Beispiel eine Gold-Zinn-Legierung. Insbesondere sind die Kontakte 112, wie es der 1A entnommen werden kann, teilweise von der Abdeckung 103 abgedeckt.
  • Verbindungspads 113 sind über dem Gehäusesubstrat 101 bereitgestellt, und Durchgänge 114 (bzw. Vias) sind durch das Gehäusesubstrat hindurch bereitgestellt. Wie unten näher beschrieben wird, kontaktieren die Verbindungspads 113 Verbindungspads auf einem (nicht in 2A dargestellten) Schaltungssubstrat, um die MEMS-Wandlervorrichtung 100 darauf bzw. daran zu befestigen (zu bonden, zum Beispiel). In einer Ausführungsform ist die Abdeckung 103 mindestens teilweise über den bzw. die Verbindungspads 113 und Durchgängen 114 angeordnet. Erläuternd können eine oder beide Verbindungspads 113 mittels der Durchgänge 114 mit einem Schild 117 verbunden sein, um ein einwandfreies Erden sicherzustellen und „floatende“ Erden zu vermeiden.
  • 2B ist eine isometrische explosionsansicht einer MEMS-Wandlervorrichtung 200 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform. Da 2B eine andere Perspektive der oben beschriebenen MEMS-Wandlervorrichtung 200 darstellt, werden Details vieler gemeinsamen Aspekte, die in der Beschreibung von 2A gegeben sind, nicht wiederholt.
  • Das Wandlersubstrat 102 weist Hohlräume bzw. Kavitäten 115 auf, die auf jeweilige (in 2B nicht sichtbare) Wandler 106 ausgerichtet sind. Die Hohlräume 115 stellen für mechanische Wellen einen Pfad zu und von den Wandlern 106 bereit. Die Hohlräume 115 sind auch über die Öffnung 105 in dem Gehäusesubstrat 101 und der Abschirmung 104 ausgerichtet. Die Hohlräume 115 weisen ein vergleichsweise großes Seitenverhältnis bzw. Aspektverhältnis auf und sind mittels eines bekannten Verfahrens, wie zum Beispiel reaktives Ionentrockenätzen (DRIE, dry reactive ion etching), das sogenannte „Bosch-Verfahren“, gebildet. Viele der oben hierin aufgenommenen Dokumente, die alle im gemeinsamen Besitz sind, liefern Details bezüglich der Fertigung der Hohlräume 115 und werden hier nicht allgemein wiederholt.
  • Die Abdeckung 103 weist einen Hohlraum bzw. Aussparung 116 auf, in dem bzw. der das Wandlersubstrat 102 angeordnet ist. Nach dem Zusammenbauen umschließt die Abdeckung 103 als solche das Wandlersubstrat 102. Die Abdeckung 103 gewährleistet Schutz für die Wandler 106 gegen Fremdkörper und Feuchtigkeit. Des Weiteren ist die Tiefe des Hohlraums 116 ausgewählt, um eine akustische Rückwand bzw. Backplane für die Wandler 106 bereitzustellen. Die akustische Rückwand unterstützt vorteilhafterweise die Frequenzstabilisierung von mechanischen Wellen, die von den Wandlern 106 ausgehen.
  • In einer beispielhaften Ausführungsform ist der Schild 117 über der ersten bzw. die erste Seite 203 des Gehäusesubstrats 101 angebracht. Der Schild 117 mag zum Beispiel ein Metall oder eine Metalllegierung aufweisen und ist mittels einer bekannten Technik auf das Gehäusesubstrat 101 gedruckt. Der Schild 117 stellt eine Massefläche dar und verhindert, dass elektromagnetische Streusignale (wie zum Beispiel RF-Signale) die Funktion der Wandler 106 nachteilig stören bzw. mit dieser interferieren.
  • 3 ist eine Schnittdarstellung der MEMS-Wandlervorrichtung 100, die in einem Substrat 301 montiert ist, gemäß einer beispielhaften Ausführungsform. Wie es einem Durchschnittsfachmann ersichtlich ist, könnte die MEMS-Wandlervorrichtung 200, die in den 2A und 2B dargestellt ist, mittels gegenwärtig beschriebener Techniken in dem Substrat 301 montiert werden.
  • Das Substrat 301 weist eine Öffnung mit einer Breite „w“ auf, wie es in der 3 dargestellt ist. Die Schaltungsleiterbahnen 302 sind elektrisch verbunden mit den Kontakten 112 des Gehäusesubstrats 101, so dass elektrische Signale zu und von den Wandlern 106 transmittiert werden können. Die Kontakte 112 sind normalerweise auf den Schaltungsleiterbahnen auf dem Substrat 301 gelötet. Die Verbindungspads 113 sind auch auf dem Substrat 301 gelötet, um die MEMS-Wandlervorrichtung 100 mechanisch auf dem Gehäusesubstrat 101 zu befestigen.
  • In einer beispielhaften Ausführungsform ist das Substrat 301 eine Leiterplatte (zum Beispiel eine FR4), die Schaltungsleiterbahnen 302 aufweist, die über einer ersten Seite 303 des Substrats 301 angeordnet sind. Zusätzlich sind elektronische Bauteile (nicht gezeigt) und elektrische Schaltkreise (nicht gezeigt), die beim Transmittieren und Empfangen von Signalen mittels der Wandler 106 nützlich sind, über der ersten Seite 303 und/oder über einer zweiten Seite 304 des Substrats 301 vorgesehen. In Betrieb können mechanische Wellen von den Wandlern 106 durch die Abschirmung 104, die entlang einer zweiten Seite 303 des Substrats 301 angeordnet ist, transmittiert werden. Ebenso können mechanische Wellen von den Wandlern 106 empfangen werden, nachdem die mechanischen Wellen durch die Abschirmung 104 gewandert sind bzw. sich durch die Abschirmung 104 fortgepflanzt haben.
  • Die Breite „w“ der Öffnung ist so ausgewählt, dass es der Abdeckung 103 möglich ist, die Öffnung zu durchqueren, aber nicht groß genug, dass es dem Gehäusesubstrat 101 gestattet wird, die Öffnung zu durchqueren. Des Weiteren sind die Kontakte 112 so positioniert, dass die Ausrichtung mit den Schaltungsleiterbahnen 302 nach Bedarf gesichert wird. Die Kontakte 112 und die Verbindungspads 113 ermöglichen eine Oberflächenmontage der MEMS-Wandlervorrichtung 100 mit allen elektrischen und mechanischen Verbindungen zu der Platine bzw. der Leiterplatte des Endproduktes. Vorteilhafterweise sind keine Verbindungsdrähte notwendig, um die MEMS-Wandlervorrichtung 100 zu montieren, so dass bei der Herstellung auf teure Drahtbildungsprozesse (sogenannte „trimm und form“ bzw. „trim and form“) verzichtet werden kann. Da die MEMS-Wandlervorrichtung 100 oberflächenmontierbar ist, ist sie des Weiteren ohne weiteres geeignet für Großserienbestückungsmontage bzw. Großserien-Pick-and-Place-Montage (zum Beispiel mittels Roboter), die zum Montieren von „massen-reflow-lötfähigen“ („mass-reflowable“) elektronischen Produkte benutzt werden. Die wiederaufgeschmolzene Lötpaste wird vorteilhafterweise die elektrischen Leiterbahnen sowohl auf dem Substrat 301 als auch auf dem Gehäusesubstrat 101 benetzen, um dabei benötigte elektrische Verbindungen zu bilden.
  • In alternativen Ausführungsformen, bei denen eine Vielzahl von Wandlersubstraten 102 über einem gemeinsamen Gehäusesubstrat 101 angeordnet ist, würde die Breite „w“ der Öffnung ausreichend groß sein, dass die gemeinsame Abdeckung oder die individuellen Abdeckungen durch die Öffnung in dem Substrat 301 passieren könnten, aber nicht so groß sein, dass das gemeinsame Gehäusesubstrat 101 durch die Öffnung passieren könnte. Die MEMS-Wandlervorrichtung 100 wird folglich selbst-justiert bzw. -angepasst zu dem Substrat 301 und darauf oberflächenmontiert.
  • Die verschiedene Komponente bzw. Bauteile, Materialien, Strukturen bzw. Anordnungen, und Parameter dienen nur zur Veranschaulichung und als Beispiele, ohne jegliche begrenzende bzw. einschränkende Bedeutung zu haben. Die Fachleute können anhand dieser Offenbarung die vorliegenden Lehren zur Anwendung bringen, indem sie ihre eigenen Anwendungen und die dafür benötigten Bauelemente, Materialien, Strukturen und Ausrüstung festlegen, und dabei innerhalb des Umfangs der angehängten Patentansprüche verbleiben.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • US 6828713 [0019]

Claims (11)

  1. Mikroelektromechanische-Systeme-(MEMS-)Wandlervorrichtung aufweisend: ein Gehäusesubstrat, das einen ersten thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, und ein Wandlersubstrat mit einem Wandler, wobei das Wandlersubstrat über dem Gehäusesubstrat angeordnet ist, und wobei das Wandlersubstrat einen zweiten thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, der dem ersten thermischen Ausdehnungskoeffizienten im Wesentlichen gleichkommt.
  2. MEMS-Wandlervorrichtung nach Anspruch 1, die auf einem Substrat montiert ist.
  3. MEMS-Wandlervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, die ferner eine Öffnung in dem Gehäusesubstrat aufweist, die zum Empfangen und zum Transmittieren mechanischer Wellen des Wandlers konfiguriert ist.
  4. MEMS-Wandlervorrichtung nach Anspruch 3, die ferner eine Abschirmung aufweist, die über die Öffnung in dem Gehäusesubstrat angeordnet ist.
  5. MEMS-Wandlervorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, die ferner in dem Gehäusesubstrat eine integrierte Abschirmung aufweist, wobei das Wandlersubstrat über die integrierte Abschirmung angeordnet ist.
  6. MEMS-Wandlervorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der das Wandlersubstrat Silizium aufweist und das Gehäusesubstrat Aluminiumoxid oder Saphir aufweist.
  7. MEMS-Wandlervorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, die ferner eine Abdeckung aufweist, die über das Wandlersubstrat angeordnet ist und das Wandlersubstrat über dem Gehäusesubstrat im Wesentlichen umschließt.
  8. MEMS-Wandlervorrichtung nach Anspruch 7, bei der die Abdeckung derart konfiguriert ist, dass sie sich durch eine Öffnung in dem Substrat erstreckt, und/oder die Abdeckung Stäbe aufweist, die zum Befestigen der Abdeckung an dem Gehäusesubstrat konfiguriert sind.
  9. MEMS-Wandlervorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, die ferner Verbindungspads aufweist, die über dem Gehäusesubstrat angeordnet und zum Kontaktieren entsprechender Verbindungspads über dem Substrat konfiguriert sind.
  10. MEMS-Wandlervorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der das Gehäusesubstrat eine erste Seite und eine zweite Seite aufweist und das Wandlersubstrat über der ersten Seite angeordnet ist.
  11. MEMS-Wandlervorrichtung nach Anspruch 10, bei der ein Schild über der zweiten Seite angeordnet ist, wobei der Schild wahlweise elektrisch an Erde gelegt ist.
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