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Die vorliegende Erfindung betrifft eine mikro-elektromechanische Anordnung und ein Verfahren zum Aufbau einer mikro-elektromechanischen Anordnung.
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Es ist bekannt, Baugruppen mit elektronischen Bauteilen in einem Gehäuse einzuschmelzen oder eine Leiterplatte mit elektronischen Bauteilen mit einer Kunststofffolie zu überziehen und diese Kunststofffolie auf die Leiterplatte mit den elektronischen Bauelementen aufzuschmelzen. Hierdurch werden die elektronischen Bauelemente vor Beschädigungen oder Verschmutzungen geschützt. Darüber hinaus ist es auch möglich, eine Leiterplatte mit elektronischen Bauelementen beispielsweise mit einer Metallkappe zu überdecken und somit die elektronischen Bauteile ebenfalls zu schützen.
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Die Druckschrift
DE 10 2005 053 765 A1 offenbart ein Package für ein mikro-elektromechanisches System (MEMS) mit einem MEMS-Chip und einem Steuerchip, welche auf einem Trägersubstrat aufgebracht sind und über eine geschirmte Kappe verkapselt sind.
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Insbesondere bei der Verwendung von MEMS-Bauelementen ist jedoch sehr häufig eine ungehinderte Verbindung zwischen MEMS-Bauelement und Umwelt erforderlich. Beispielsweise ist für eine optische Anwendung, bei der ein Lichtstrahl mittels eines MEMS (Spiegel) abgelenkt wird, ein ungehinderter optischer Zugang zum MEMS notwendig. Auch andere Umweltsensoren, wie beispielsweise ein Feuchtesensor, ein Drucksensor, etc. erfordern ebenfalls einen ungehinderten Kontakt mit der Umgebung.
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Darüber hinaus ist es ferner erforderlich, die Verlustleistung der Komponenten in Form von Wärme möglichst effizient ungehindert abführen zu können.
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Es besteht daher ein Bedarf nach einer mikro-elektromechanischen Anordnung, die eine effiziente Entwärmung (Kühlung) ermöglicht. Darüber hinaus besteht ein Bedarf nach einer mikro-elektromechanischen Anordnung, bei der ein mikro-elektromechanisches System möglichst ungehindert mit der Umwelt in Kontakt treten kann und dabei gleichzeitig die weiteren elektrischen Bauelemente gut geschützt sind. Ferner besteht ein Bedarf nach einer mikro-elektromechanischen Anordnung, die einfach zu realisieren und kostengünstig aufgebaut werden kann.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung schafft gemäß einem ersten Aspekt eine mikro-elektromechanische Anordnung mit einem Interposer, mit einer ersten Seite und einer zweiten Seite, die der ersten Seite gegenüber angeordnet ist, wobei der Interposer eine Durchkontaktierung umfasst, die dazu ausgelegt ist, eine elektrische Verbindung zwischen der ersten Seite und der zweiten Seite bereitzustellen; einem mikro-elektromechanischen System, das auf der ersten Seite des Interposers angeordnet ist und das einen elektrischen Anschluss umfasst, der mit der Durchkontaktierung des Interposers elektrisch verbunden ist; einem elektrischen Bauelement, das auf der zweiten Seite des Interposers angeordnet ist und das einen elektrischen Anschluss umfasst, der mit der Durchkontaktierung des Interposers elektrisch verbunden ist.
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Die vorliegende Erfindung schafft ferner gemäß einem weiteren Aspekt ein Verfahren zum Aufbau einer mikro-elektromechanischen Anordnung mit den Schritten des Bereitstellens eines Interposers mit einer ersten Seite und einer zweiten Seite, die gegenüber der ersten Seite angeordnet ist und mit einer Durchkontaktierung, die dazu ausgelegt ist, eine elektrische Verbindung zwischen der ersten Seite und der zweiten Seite bereitzustellen; des Anordnens eines elektrischen Bauelements auf der zweiten Seite des Interposers, wobei das elektrische Bauelement einen elektrischen Anschluss aufweist, der mit der Durchkontaktierung des Interposers elektrisch verbunden wird; des Anordnens einer Schutzvorrichtung mit Silizium über dem elektrischen Bauelement auf der zweiten Seite des Interposers; des Verbindens der Schutzvorrichtung mit dem Interposer; und des Anordnens eines mikro-elektromechanischen Systems auf der ersten Seite des Interposers, wobei das mikro-elektromechanische System einen elektrischen Anschluss aufweist, der mit der Durchkontaktierung des Interposers elektrisch verbunden wird.
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Vorteile der Erfindung
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Es ist eine Idee der vorliegenden Erfindung, den Aufbau einer mikro-elektromechanischen Anordnung so zu gestalten, dass zunächst die konventionellen Bauelemente, wie Träger, elektrische Komponenten, Anschlüsse und Kontaktierungen, etc. während eines konventionellen Fertigungsprozesses aufgebaut werden können. Nach Abschluss dieser konventionellen Fertigung, die gegebenenfalls auch mit weniger schonenden und zum Teil rauen Fertigungsprozessen einhergehen kann, wird erst zum Abschluss das mikro-elektromechanische System (MEMS) mit dem restlichen Aufbau zusammengeführt. Auf diese Weise kann einerseits ein kostengünstiger, zügiger Fertigungsprozess realisiert werden, und dabei andererseits das MEMS vor Beschädigungen geschützt werden, da dieses erst ganz zum Schluss in einem letzten, schonenden Fertigungsschritt angebracht wird.
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Da das MEMS und die restlichen elektronischen Bauelemente auf verschiedenen Seiten eines Trägerelements (Interposer) angeordnet sind, kann auch eine besonders kompakte Bauform realisiert werden.
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Darüber hinaus ist es bei dieser Bauform auch möglich, die elektronischen Bauelemente auf der dem MEMS gegenüberliegenden Seite durch ein geeignetes Element zu schützen, ohne dabei das MEMS von der Umwelt abzuschirmen. Daher eignet sich dieser erfindungsgemäße Aufbau auch besonders gut für MEMS mit einer optischen Komponente, wie zum Beispiel einem Spiegel, oder auch für Sensoren, insbesondere Umweltsensoren.
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Dabei kann als Schutz der elektrischen Komponenten insbesondere eine mit dem Interposer abgestimmte, gut wärmeleitende Materialkomponente verwendet werden. Dies ermöglicht eine besonders gute Abfuhr der entstehenden thermischen Verlustleistung.
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In einer weiteren Ausführungsform umfasst die mikro-elektromechanische Anordnung eine Kugelgitteranordnung, die dazu ausgelegt ist, den elektrischen Anschluss des mikro-elektromechanischen Systems mit der Durchkontaktierung des Interposers elektrisch zu verbinden. Solche Kugelgitteranordnungen sind auch unter der Bezeichnung „Ball Grid Array“ (BGA) bekannt. Diese Kugelgitteranordnungen eignen sich besonders gut zur elektrischen und mechanischen Verbindung von MEMS und Interposer. Beispielsweise können als solche Kugelgitteranordnungen Anordnungen mit kleinen Zinnkügelchen (Sn Bumps) verwendet werden.
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Eine weitere Ausführungsform umfasst eine Schutzvorrichtung, die auf der zweiten Seite des Interposers angeordnet ist. Eine solche Schutzvorrichtung eignet sich sehr gut für den Schutz der elektrischen Bauelemente auf dem Interposer. Vorzugsweise umfasst die Schutzvorrichtung dabei Silizium, insbesondere hochdotiertes Silizium. Solches hochdotiertes Silizium bietet eine sehr gute Abschirmung der elektrischen Bauelemente und gleichzeitig eine sehr gute Wärmeleitfähigkeit. Somit kann auch die entstehende thermische Verlustleistung der elektrischen Bauelemente gut abgeführt werden.
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In einer weiteren Ausführungsform überdeckt die Schutzvorrichtung das elektrische Bauelement zumindest teilweise. Somit ist das elektrische Bauelement vor mechanischen Beeinflussungen, Verschmutzungen, aber auch vor Störeinflüssen durch elektrische oder elektromechanische Strahlung gut geschützt.
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In einer speziellen Ausführungsform umfasst die Schutzvorrichtung hochdotiertes Silizium, das mit mindestens einem der folgenden Elemente dotiert ist: Phosphor, Arsen, Antimon, Bor, Aluminium, Indium.
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In einer Ausführungsform ist die Schutzvorrichtung mit dem Interposer verbunden. Vorzugsweise ist die Schutzvorrichtung mit dem Interposer eutektisch verbunden. Durch eine solche Verbindung zwischen Interposer und Schutzvorrichtung ist ein besonders guter Wärmeübergang zur Abfuhr der entstehenden thermischen Verlustleistung möglich.
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In einer weiteren Ausführungsform umfasst das mikro-elektromechanische System ein optisches Bauelement oder einen Sensor. Insbesondere bei Baugruppen, die ein solches optisches oder sensorisches mikro-elektromechanisches System umfassen, kommen die Vorteile der vorliegenden Erfindung besonders stark zur Geltung, da in diesem Fall ein besonders schonender Fertigungsprozess für den Aufbau erforderlich ist und darüber hinaus auch das MEMS nicht durch Hindernisse verdeckt werden darf.
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In einer Ausführungsform umfasst die mikro-elektromechanische Anordnung ferner eine Kühlvorrichtung, die mit dem Interposer und/oder der Schutzvorrichtung thermisch gekoppelt ist. Auf diese Weise kann die entstehende Verlustleistung der mikro-elektromechanischen Anordnung besonders gut an die Umgebung abgegeben werden.
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In einer weiteren Ausführungsform umfasst die mikro-elektromechanische Anordnung ferner einen Magneten. Durch einen solchen Magneten kann die mikro-elektromechanische Anordnung mit einer weiteren Anordnung mechanisch gekoppelt werden, bei durch den Magneten die erforderlichen Haltekräfte bereitgestellt werden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere Vorteile und Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung unter Bezug auf die beigefügten Figuren. Dabei zeigen:
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1: eine schematische Darstellung einer mikro-elektromechanischen Anordnung einem Ausführungsbeispiel;
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2: eine schematische Darstellung einer mikro-elektromechanischen Anordnung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel; und
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3: eine schematische Darstellung eines Ablaufs für ein Verfahren zum Aufbau einer mikro-elektromechanischen Anordnung, wie es einem weiteren Ausführungsbeispiel zugrunde liegt.
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Beschreibung von Ausführungsbeispielen
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1 zeigt eine schematische Darstellung des Aufbaus einer mikro-elektromechanischen Anordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die mikro-elektromechanische Anordnung umfasst dabei einen Interposer bzw. Trägerelement 1, ein mikro-elektromechanisches System (MEMS) 2, und ein oder mehrere elektrische Bauelemente 3. Die elektrischen Bauelemente 3 sind dabei von einer Schutzvorrichtung 4, beispielsweise in Form einer Kappe überdeckt. Bei dem elektrischen Bauelement 3 kann es sich beispielsweise um ein aktives elektrisches Bauelement, wie zum Beispiel einen Mikrochip, einen Operationsverstärker, einen ASIC oder ähnliches handeln. Auch passive elektrische Bauelemente 3 wie Widerstände, Kondensatoren, etc. sind möglich. Hierdurch kann auf der zweiten Seite 12 des Interposers 1 eine vollständige Schaltung zur Ansteuerung des MEMS 2 realisiert werden. Die in 1 dargestellten zwei elektrischen Bauelemente 3 stellen dabei ein vereinfachtes Beispiel dar. darüber hinaus ist jede andere Anzahl von elektrischen Bauelementen 3 auf der zweiten Seite 12 des Interposers 1 möglich.
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Bei dem Interposer 1 handelt es sich beispielsweise um einen Silizium-Interposer. Dieser Interposer 1 bildet das Trägersubstrat für die weiteren Bauelemente 3. Der Interposer 1 weist dabei eine erste Seite 11 auf, die in Richtung des MEMS 2 weist. Weiterhin weist der Interposer 1 eine zweite Seite 12 auf, die der ersten Seite 11 gegenüberliegt und in Richtung der weiteren elektrischen Bauelemente 3 weist. Um das MEMS 2 mit den weiteren elektrischen Bauelementen 3 elektrisch zu verbinden, besitzt der Interposer 1 eine oder mehrere Durchkontaktierungen 15. Bei diesen Durchkontaktierungen 15 handelt es sich beispielsweise um Löcher in dem Interposer, die mit einem elektrisch leitfähigen Material gefüllt sind. Auf der ersten Seite 11 und der zweiten Seite 12 des Interposers 1 sind darüber hinaus jeweils Kontaktflächen angeordnet, über die das MEMS 2 und die Bauelemente 3 elektrisch mit den Durchkontaktierungen 15 verbunden werden können. Solche Durchkontaktierungen sind auch unter der Bezeichnung „Through Silicon Via“ (TSV) bekannt.
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Für den Aufbau der mikro-elektromechanischen Anordnung werden dabei zunächst ein Interposer 1 mit den erforderlichen Durchkontaktierungen 15 bereitgestellt. Auf diesem Interposer 1 werden daraufhin in einem konventionellen Verfahren die elektrischen Bauelemente 3 aufgebracht und die erforderlichen elektrischen Kontakte zwischen Bauelementen 3 und Durchkontaktierungen 15 hergestellt. Daraufhin werden die elektrischen Bauelemente 3 mit einer geeigneten, angepassten Schutzkappe 4 überdeckt. Diese Schutzkappe 4 weist dabei Kavitäten 4a auf, die an die elektrischen Bauelemente 3 angepasst sind.
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Vorzugsweise handelt es sich bei der Schutzkappe 4 um eine Schutzkappe aus dotiertem Silizium. Das Silizium kann in diesen Fällen beispielsweise mittels Phosphor, Arsen, Antimon, Bor, Aluminium oder Indium dotiert sein. Darüber hinaus sind auch weitere Materialien, die sich zum Dotieren von Silizium eignen, möglich. Vorzugsweise handelt es sich bei dem dotierten Silizium um hochdotiertes Silizium. Die Dotierung kann dabei eine Konzentration von beispielsweise 1:10.000 bis hin zu 1:1.000 aufweisen.
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Da das dotierte Silizium der Schutzkappe 4 gleiche bis annähernd gleiche Eigenschaften bezüglich der thermischen Ausdehnung wie das Silizium des Interposers 1 aufweist, entstehen bei Temperaturschwankungen der mikro-elektromechanischen Anordnung keine signifikanten Spannungen, die zu mechanischen Beeinträchtigungen des Aufbaus führen könnten. Darüber hinaus wird durch die elektrische Leitfähigkeit des dotierten Siliziums der Schutzkappe 4 auch eine gute elektrische bzw. elektromechanische Abschirmung des Aufbaus gewährleistet.
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Die Schutzkappe 4 ist mit dem Interposer 1 an den Kontaktstellen verbunden. Grundsätzlich ist hierfür jede Verbindungsmethode geeignet, die es ermöglicht, das Silizium des Interposers 1 mit dem hochdotierten Silizium der Schutzkappe 4 zu verbinden. Vorzugsweise handelt es sich bei der Verbindung zwischen Interposer 1 und der Schutzkappe 4 jedoch um eine eutektische Verbindung. Eine solche eutektische Verbindung ermöglicht nicht nur eine sehr gute mechanische Verbindung zwischen Interposer 1 und Schutzkappe 4, sondern gewährleistet darüber hinaus auch noch einen sehr guten Wärmeübergang zwischen den beiden Komponenten.
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Für eine effiziente Wärmeabgabe kann die mikro-elektromechanischen Anordnung und insbesondere der Interposer 1 und/oder die Schutzkappe 4 mit einem weiteren Kühlkörper 8 verbunden werden.
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Nachdem die elektrischen Bauelemente 3 und auch die Schutzkappe 4 auf der zweiten Seite 12 des Interposers 1 angeordnet sind, und gegebenenfalls noch weitere konventionelle Fertigungsschritte ausgeführt wurden, wird auf der den elektrischen Bauelementen 3 gegenüberliegenden ersten Seite 11 des Interposers 1 das MEMS 2 aufgebracht. Dieser Fertigungsschritt muss aufgrund der hohen Empfindlichkeit des MEMS 2 mit größtmöglicher Sorgfalt ausgeführt werden, um eine Beschädigung des MEMS 2 zu vermeiden. Dabei wird das MEMS 2 so auf der ersten Seite 11 des Interposers 1 aufgebracht, dass die elektrischen Anschlüsse des MEMS 2 auf den entsprechenden Durchkontaktierungen 15 des Interposers 1 zu liegen kommen. Daraufhin wird die elektrische Verbindung zwischen MEMS 2 und den Durchkontaktierungen 15 hergestellt und das MEMS 2 auch mechanisch mit dem Interposer 1 verbunden.
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Beispielsweise kann hierzu ein Flipchip-ähnlicher Prozessschritt ausgeführt werden. Dabei wird ein Interposer 1 verwendet, der an den Anschlusspunkten der Durchkontaktierung 15 eine Kugelgitteranordnung 16 (Ball Grid Array = BGA) aufweist. Dabei befinden sich auf den Kontaktflächen der Durchkontaktierung 15 auf der ersten Seite 11, die in Richtung des MEMS 2 weist, beispielsweise kleine Zinnkügelchen (Sn Bumps). Das MEMS 2 weist auf der dem Interposer 1 zugewandten Seite eine Anschlussstruktur auf, die der Kugelgitteranordnung 16 des Interposers 1 entspricht.
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Dabei ist diese Anschlussanordnung auf dem MEMS 2 mit einem lötbaren Finish versehen.
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Wird nun das MEMS 2 auf dem Interposer 1 mit der beschriebenen Kugelgitteranordnung 16 aus Zinnkügelchen aufgebracht, so kann daraufhin durch entsprechendes Erwärmen das MEMS 2 mit dem Interposer 1 verlötet werden. Auf diese Weise wird eine elektrische Verbindung zwischen MEMS 2 und den Durchkontaktierungen 15 hergestellt. Darüber hinaus wird das MEMS 2 mechanisch mit dem Interposer 1 verbunden. Ein solcher Verarbeitungsschritt kann sehr schonend und ohne hohe mechanische Beanspruchung des MEMS 2 durchgeführt werden.
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2 zeigt eine schematische Darstellung einer mikro-elektromechanischen Anordnung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel. Die mikro-elektromechanische Anordnung aus Interposer 1, MEMS 2, elektrischen Bauteilen 3 mit Schutzkappe 4 entspricht dabei im Wesentlichen dem Aufbau aus 1. Darüber hinaus umfasst die mikro-elektromechanische Anordnung in diesem Ausführungsbeispiel ferner einen oder mehrere Magnete 5. Diese Magnete 5 sind vorzugsweise mit dem Interposer 1 und/oder der Schutzkappe 4 verbunden. Weiterhin ist die mikro-elektromechanische Anordnung in diesem Ausführungsbeispiel auf einem weiteren Bauelement 7 angeordnet. Beispielsweise kann es sich bei diesem weiteren Bauelement 7 um ein sogenanntes Second Level Package handeln. In diesem weiteren Bauelement 7 ist ein weiterer Magnet 5a angeordnet. Auf diese Weise üben die Magnete 5 der mikro-elektromechanischen Anordnung und der Magnet 5a der weiteren Anordnung 7 aufeinander anziehende Kräfte aus, so dass die mikro-elektromechanische Anordnung mit der weiteren Anordnung 7 mechanisch gekoppelt wird. Neben dem zuvor beschriebenen Beispiel, in dem die mechanische Kopplung durch das Magnetpaar 5 und 5a mit entsprechend zueinander ausgerichteten Magneten erfolgt, kann in alternativen Ausführungsformen auch der Magnet 5 in der mikro-elektromechanischen Anordnung oder der Magnet 5a in der weiteren Anordnung 7 durch ein magnetisches Material, wie zum Beispiel Eisen o.ä. ersetzt werden, so dass die mechanische Kopplung durch die Anziehungskraft eines Magneten 5 oder 5a mit diesem weiteren magnetischen Material erfolgt.
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Auf diese Weise kann die mikro-elektromechanische Anordnung sehr einfach und auch besonders schonend auf der weiteren Anordnung 7 angeordnet werden, ohne dass dabei insbesondere das MEMS 2 größeren mechanischen oder thermischen Beanspruchungen ausgesetzt wird. Ferner kann dabei in einem Toleranzbereich auch eine sehr einfache Justierung der Anordnung erfolgen.
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Zur elektrischen Kontaktierung der mikro-elektromechanischen Anordnung mit der weiteren Anordnung 7 können dabei elektrische Kontakte 6, beispielsweise geeignete Federkontakte oder ähnliches verwendet werden. Auf diese Weise kann eine sichere elektrische Kontaktierung zur Spannungsversorgung und/oder zum Datenaustausch ermöglicht werden.
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3 zeigt eine schematische Darstellung eines Ablaufdiagramms für ein Herstellungsverfahren 100 zum Aufbau einer mikro-elektromechanischen Anordnung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel. In Schritt 110 wird dabei zunächst ein Interposer 1 mit einer ersten Seite 11 und einer zweiten Seite 12 bereitgestellt, wobei die erste Seite 11 gegenüber der zweiten Seite 12 angeordnet ist. Der Interposer 1 weist darüber hinaus Durchkontaktierungen 15 auf, die dazu ausgelegt sind, eine elektrische Verbindung zwischen der ersten Seite 11 und der zweiten Seite 12 bereitzustellen.
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In Schritt 120 wird ein elektrisches Bauelement 3 auf der zweiten Seite 12 des Interposers 1 angeordnet, wobei das elektrische Bauelement 3 einen elektrischen Anschluss aufweist, der mit der Durchkontaktierung 15 des Interposers elektrisch verbunden wird.
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Weiterhin wird in Schritt 130 eine Schutzvorrichtung 4 mit Silizium über dem elektrischen Bauelement 3 auf der zweiten Seite des Interposers 1 angeordnet. In Schritt 140 wird die Schutzvorrichtung 4 mit dem Interposer 1 verbunden. Bei dieser Verbindung handelt es sich vorzugsweise um eine eutektische Verbindung zwischen Interposer 1 und Schutzvorrichtung 4.
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Abschließend wird in Schritt 150 ein mikro-elektromechanisches System 2 auf der ersten Seite 11 des Interposers 1 angeordnet, wobei das mikro-elektromechanische System 2 einen elektrischen Anschluss aufweist, der mit der Durchkontaktierung 15 des Interposers 1 elektrisch verbunden wird.
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Zusammenfassend betrifft die vorliegende Erfindung eine mikro-elektromechanische Anordnung und ein Verfahren zum Aufbau einer solchen mikro-elektromechanischen Anordnung. Hierzu werden ein mikro-elektromechanisches System und weitere elektrische Bauelemente auf gegenüberliegenden Seiten eines Interposers angeordnet.
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Mittels Durchkontaktierungen in dem Interposer werden das mikro-elektromechanische System und die weiteren elektrischen Bauelemente elektrisch miteinander verbunden. Zum Schutz der elektrischen Bauelemente wird über den elektrischen Bauelementen eine Schutzkappe aus hochdotiertem Silizium angeordnet, die mit dem Interposer verbunden wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102005053765 A1 [0003]
