DE102014106503A1 - Mikrofon und Verfahren zur Herstellung eines Mikrofons - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Mikrofon (1), das ein Substrat (8), ein Federelement (14), das plastisch in eine Richtung senkrecht zu dem Substrat (8) gedehnt ist, ein Wandlerelement (2), das über das Federelement (14) elektrisch mit dem Substrat (8) kontaktiert ist, und eine Abdeckung (25), an der das Wandlerelement (2) befestigt ist und die derart angeordnet ist, dass das Wandlerelement (2) zwischen der Abdeckung (25) und dem Substrat (8) angeordnet ist, aufweist. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Mikrofons.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Mikrofon sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Mikrofons. Dabei kann es sich insbesondere um ein Kondensatormikrofon handeln.
  • Ein solches Mikrofon weist ein Wandlerelement auf, das in einem Package verkapselt werden muss. Um bei einem solchen Mikrofon eine gute Aufnahmequalität zu ermöglichen, ist ein möglichst großes Rückvolumen erforderlich, da durch ein großes Rückvolumen die Sensibilität des Mikrofons für die Aufzeichnung von Druckschwankungen verbessert wird. Ferner sollte bei dem Mikrofon der Aufwand für die interne elektrische Verschaltung gering gehalten werden und das Wandlerelement vor mechanischen Stress geschützt werden.
  • Aus DE 10 2004 011 148 B3 ist ein Mikrofon bekannt, bei dem ein Mikrofonchip mittels eines Deckels und einer Schalldichtung verkapselt wird. Der Mikrofonchip ist ferner über eine starre Befestigungseinrichtung auf einem Substrat befestigt. Bei diesem Mikrofon treten starke mechanische Kopplungen sowohl zwischen dem Deckel und dem Mikrofonchip als auch zwischen dem Mikrofonchip und dem Substrat auf. Die Kopplungen können die Funktionsweise des Mikrofonchips beeinträchtigen und ferner zu einem temperaturabhängigen Verhalten des Systems führen.
  • Ein weiteres Mikrofon ist aus US 8,218,794 B2 bekannt. Bei diesem Mikrofon ist der Mikrofonchip über eine Feder auf dem Substrat befestigt, wobei die Feder fotolithografisch durch das Entfernen einer Opferschicht gefertigt wird. Das Abscheiden und das spätere Entschichten der Opferschicht sind sehr zeit- und materialaufwendig, so dass die Opferschicht in wirtschaftlich sinnvoller Weise nur mit einer geringen Höhe gefertigt werden kann.
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein verbessertes Mikrofon bereitzustellen, das zumindest einen der oben genannten Nachteile überwindet. Ferner ist es eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Mikrofons anzugeben.
  • Die Aufgabe wird durch ein Mikrofon gemäß dem vorliegenden Anspruch 1 gelöst. Die weitere Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß dem zweiten unabhängigen Anspruch gelöst.
  • Es wird ein Mikrofon vorgeschlagen, das ein Substrat, ein Federelement, das plastisch in eine Richtung senkrecht zu dem Substrat gedehnt ist, ein Wandlerelement, das über das Federelement elektrisch mit dem Substrat kontaktiert ist, und eine Abdeckung, an der das Wandlerelement befestigt ist und die derart angeordnet ist, dass das Wandlerelement zwischen der Abdeckung und dem Substrat angeordnet ist, aufweist.
  • Durch die plastische Dehnung des Federelements kann dieses eine große lichte Höhe aufweisen. Die lichte Höhe gibt den maximalen Abstand zwischen einer dem Substrat zugewandten Unterseite des Federelements und einer dem Wandlerelement zugewandten Oberseite des Substrats an. In diesem Abstand befindet sich zwischen der Unterseite des Federelements und der Oberseite des Substrats ein freier Raum.
  • Ein Federelement mit einer großen lichten Höhe ist dazu geeignet, große Fertigungstoleranzen auszugleichen. Bei dem vorliegenden Mikrofon treten Fertigungstoleranzen in verschiedenen Parametern auf. Hierzu zählen beispielsweise die Höhe des Wandlerelements, die Höhe der Abdeckung sowie die Höhe des Federelements. Ferner können ein Durchbiegen und ein Verzug der Abdeckung zu weiteren Toleranzen führen. Die hier genannten Fertigungstoleranzen addieren sich auf und führen insgesamt zu einer nicht unerheblichen Unsicherheit bezüglich der Lage des Wandlerelements.
  • Das Federelement ist jedoch in der Lage dazu, diese Fertigungstoleranzen auszugleichen, da es Bewegungen des Wandlerelements relativ zu dem Substrat zulässt, wodurch die Fertigungstoleranzen ausgeglichen werden können. Für eine Bewegung des Wandlerelements relativ zu dem Substrat muss lediglich eine Federkraft des Federelements überwunden werden. Diese Federkraft ist bei kleinen Wegstrecken der Relativbewegung gering.
  • Das Wandlerelement ist hier insbesondere derart zwischen Abdeckung und dem Substrat angeordnet, dass die Abdeckung, das Wandlerelement und das Substrat einen Raum einschließen, der ein Rückvolumen des Wandlerelementes ausbildet. Dementsprechend weist das Wandlerelement ein großes Rückvolumen auf, wodurch eine hohe Sensibilität des Wandlerelements gewährleistet werden kann.
  • Das Federelement, über das das Wandlerelement mit dem Substrat elektrisch kontaktiert ist, stellt eine mechanische Befestigung des Wandlerelementes an dem Substrat dar. Diese Befestigung ist jedoch federnd ausgestaltet und dementsprechend nahezu kräftefrei. Sie unterscheidet sich damit entscheidend von der starren Befestigung des Wandlerelements an der Abdeckung, da sie es dem Wandlerelement erlaubt, einer Bewegung der Abdeckung zu folgen, ohne dabei großen mechanischen Stress ausgesetzt zu sein.
  • Das vorliegende Mikrofon ermöglicht es dementsprechend, das Wandlerelement vor mechanischem Stress zu schützen. Mechanischer Stress tritt beispielsweise auf, wenn die Abdeckung sich relativ zu dem Substrat bewegt. Dazu kann es beispielsweise infolge einer Temperaturänderung kommen, wenn Substrat und Abdeckung einen unterschiedlich starken thermischen Verzug erfahren. Auch bei dem Einbau des Mikrofons in ein externes Gehäuse können Kräfte auf die Abdeckung ausgeübt werden, die zu einer Verformung der Abdeckung führen, beispielsweise wenn die Abdeckung gegen einen Dichtungsring gepresst wird.
  • Das Federelement ermöglicht es das Wandlerelement vor mechanischem Stress zu schützen, da es für eine gewisse mechanische Entkopplung zwischen Wandlerelement und Substrat sorgt, indem es Bewegungen des Wandlerelements relativ zu dem Substrat in einem gewissen Rahmen zulässt. Ferner sorgt das Federelement dafür, dass die elektrische Verbindung zwischen dem Wandlerelement und dem Substrat mit geringem Aufwand realisiert werden kann.
  • Das Wandlerelement kann mit dem Federelement mechanisch verbunden sein, wobei die Befestigung des Wandlerelements an der Abdeckung starrer sein kann als die mechanische Verbindung zwischen dem Wandlerelement und dem Substrat, die durch das Federelement gebildet wird.
  • Die Kraft, die erforderlich ist, um das Wandlerelement relativ zu dem Substrat zu bewegen, kann dementsprechend geringer sein als die Kraft, die erforderlich ist, um das Wandlerelement um die gleiche Strecke relativ zu der Abdeckung zu bewegen. Bei der Kraft kann es sich um eine Druck-, Zug- oder Scherkraft handeln.
  • Insbesondere kann die Befestigung des Wandlerelementes an der Abdeckung um das Zehnfache starrer sein als die mechanische Verbindung zwischen dem Wandlerelement und dem Substrat, die durch das Federelement gebildet wird. In diesem Fall beträgt die Kraft, die erforderlich ist, um das Wandlerelement relativ zu der Abdeckung zu bewegen, mindestens das Zehnfache der Kraft, die erforderlich ist, um das Wandlerelement um die gleiche Strecke relativ zu dem Substrat zu bewegen.
  • Die Befestigung des Wandlerelementes an der Abdeckung kann auch um das Hundertfache starrer sein als die mechanische Verbindung zwischen dem Wandlerelement und dem Substrat, die durch das Federelement gebildet wird.
  • Das Federelement dient dementsprechend in erster Linie lediglich der elektrischen Kontaktierung des Wandlerelements mit dem Substrat und stellt keine stabile mechanische Befestigung im eigentlichen Sinne dar. Vielmehr ist die mechanische Verbindung federnd ausgestaltet und kann so für eine mechanische Entkopplung von Wandlerelement und Substrat sorgen. Wie oben beschrieben, können dadurch sowohl Fertigungstoleranzen ausgeglichen werden als auch Kräfte, die durch die Abdeckung auf das Wandlerelement übertragen werden, absorbiert werden.
  • Das Federelement kann eine lichte Höhe von zumindest 50 µm aufweisen. Bei einem Federelement mit einer solchen lichten Höhe werden die üblicherweise auftretenden Fertigungstoleranzen hinreichend gut ausgeglichen, so dass bei der Herstellung des Mikrofons nur ein sehr geringer Anteil von Mikrofonen außerhalb von vorgegebenen Spezifikationsgrenzen gefertigt wird.
  • Je größer die lichte Höhe des Federelementes gewählt wird, desto besser können die Fertigungstoleranzen ausgeglichen werden und desto besser kann das Wandlerelement mechanisch von dem Substrat entkoppelt werden. Auf der anderen Seite sollte die Gesamthöhe des Mikrofons nicht zu groß gewählt werden, um die Gesamthöhe des Mikrofons nicht unnötig zu erhöhen. Das Mikrofon könnte für den Einbau in mobilen Kommunikationsgeräten eingesetzt werden, wobei eine vorgegebene Gesamthöhe des Mikrofons nicht überschritten werden sollte. Ferner ist zu beachten, dass mit zunehmender lichten Höhe des Federelements auch die Toleranzen des Federelements selbst zunehmen.
  • Die lichte Höhe des Federelements kann einen Bereich von 30 bis 250µm, vorzugsweise 50 bis 200µm, im entspannten Zustand aufweisen.
  • Bei dem Zusammenbau des Mikrofons kann sich die maximale lichte Höhe des Federelements durch eine elastische Vorspannung des Federelements reduzieren, z.B. auf 200 µm oder auf 150 µm. Im fertigen Mikrofon, d.h. im zusammengebauten Zustand kann die lichte Höhe des Federelements dementsprechend einen Bereich von 30 bis 200 µm, vorzugsweise 50 bis 200µm, oder einen Bereich von 30 bis 150 µm, vorzugsweise 50 bis 150µm, aufweisen. Federelemente mit einer lichten Höhe in diesen Bereichen stellen einen guten Kompromiss zwischen den oben genannten Anforderungen dar.
  • Das Federelement kann eine Oberseite aufweisen, die dem Wandlerelement zugewandt ist, wobei ein Abstandhalter derart zwischen dem Federelement und dem Wandlerelement angeordnet sein kann, dass zwischen dem Wandlerelement und der Oberseite des Federelements ein Spalt ausgebildet wird, dessen Höhe zumindest der Höhe des Abstandhalters entspricht.
  • Durch den Abstandhalter kann insbesondere das spätere Weiterverarbeiten des Mikrofons deutlich vereinfacht werden. Sind beispielsweise das Wandlerelement und das Federelement durch eine Lötverbindung miteinander kontaktiert, so kann es während eines nachfolgenden Auflötens des Mikrofons auf eine Leiterplatine erforderlich sein, das Mikrofon auf eine Temperatur oberhalb der Schmelztemperatur der Lötverbindung zu erhitzen. In diesem Fall sorgt der Abstandhalter dafür, dass die Lötverbindung nicht zwischen dem Federelement und dem Wandlerelement zerdrückt wird. Der Abstandhalter kann dementsprechend sicherstellen, dass eine temporär aufgeschmolzene Lötverbindung später wieder zu einer verlässlichen Verbindung erstarren kann.
  • Insbesondere kann das Wandlerelement mit der Oberseite des Federelements durch eine Lötverbindung kontaktiert sein und ein Material des Abstandhalters einen höheren Schmelzpunkt aufweist als die Lötverbindung. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass der Abstandhalter bei Temperaturen, die zu einem Schmelzen der Lötverbindung führen, unbeeinträchtigt bleibt und dementsprechend auch bei diesen Temperaturen sicherstellen kann, das Wandlerelement und das Federelement richtig zueinander ausgerichtet bleiben und in dem vorgesehenen Abstand zueinander angeordnet verbleiben.
  • Das Federelement kann einen ersten Bereich aufweisen, in dem es plastisch gedehnt ist und einen zweiten Bereich aufweisen, der weitgehend frei von einer plastischen Dehnung ist. Der Begriff „weitgehend frei“ bedeutet hier, dass der zweite Bereich im Vergleich zu dem ersten Bereich zumindest um einen Faktor 10 weniger stark gedehnt ist, vorzugsweise zumindest um einen Faktor 100 weniger stark. Beispielsweise kann das Federelement derart ausgestaltet sein, dass eine auf das Federelement ausgeübte Kraft, die senkrecht zu dem Substrat und vom Substrat wegweisend wirkt, zu einer Verformung des ersten Bereichs führt und der zweite Bereich unter Einwirkung der Kraft unverformt bleibt.
  • Vorzugsweise sind die Lötverbindung und/oder der Abstandhalter in dem zweiten Bereich angeordnet. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass die Ausrichtung zwischen Federelement und Wandlerelement durch die plastische Dehnung des Federelements nicht beeinflusst wird. Das Federelement ist dementsprechend derart ausgestaltet, dass es sich an bestimmten Stellen gezielt unter Einwirkung der Kraft plastisch verformt.
  • Das Federelement kann eine lokale Verengung eines Querschnitts aufweisen. Dementsprechend kann das Federelement einen Bereich mit der lokalen Verengung aufweisen, wobei dieser Bereich einen kleineren Querschnitt hat als die angrenzenden Bereiche des Federelementes. Dementsprechend wird sich dieser Bereich unter Einwirkung einer äußeren Kraft eher plastisch verformen. Der Bereich der lokalen Querschnittsverengung ermöglicht es daher gezielt zu steuern, wie und in welchen Bereichen das Federelement plastisch verformt wird.
  • Das Federelement kann ferner einen mäanderförmigen Bereich, einen gefalteten Bereich oder einen bogenförmigen Bereich aufweisen. Auch andere nicht-geradlinige Bereiche sind möglich. All diesen Bereichen ist gemein, dass sie sich unter Einwirkung einer äußeren Kraft leichter plastisch verformen. Ferner kann das Federelement zweite Bereiche aufweisen, die geradlinig ausgestaltet sind.
  • Ferner kann die Befestigung des Wandlerelements an der Abdeckung derart ausgestaltet sein, dass sie ein Vordervolumen des Wandlerelements gegen ein Rückvolumen des Wandlerelements akustisch abdichtet. Dementsprechend werden in diesem Fall keine weiteren Abdichtelemente zwischen dem Vorder- und dem Rückvolumen benötigt.
  • Ferner betrifft die vorliegende Erfindung gemäß einem weiteren Aspekt ein Verfahren zur Herstellung eines Mikrofons. Das gemäß diesem Verfahren hergestellte Mikrofon kann das oben beschriebene Mikrofon sein. Dementsprechend kann das Verfahren jedes funktionelle und strukturelle Merkmal, das zusammen mit dem Mikrofon offenbart ist, aufweisen. Umgekehrt kann das Mikrofon jedes strukturelle und funktionale Merkmal aufweisen, das hier im Zusammenhang mit dem Verfahren offenbart ist.
  • Das Verfahren weist die Schritte auf:
    • – Erzeugen eines Federelements auf einem Substrat,
    • – Elektrisches Kontaktieren eines Wandlerelements mit dem Federelement,
    • – Ziehen des Wandlerelements in eine Richtung weg von dem Substrat, wobei das Federelement in diese Richtung gedehnt wird, und
    • – Anbringen einer Abdeckung auf dem Substrat, wobei das Wandlerelement an der Abdeckung befestigt wird.
  • Dadurch, dass das Federelement und die Abdeckung gemeinsam vom Substrat weggezogen werden, kann die lichte Höhe des Federelementes entscheidend vergrößert werden, so dass dieses Verfahren es ermöglicht, Federelemente mit einer großen lichten Höhe herzustellen, ohne dabei den Materialbedarf für das Herstellungsverfahren zu erhöhen. Darüber hinaus kann der Verfahrensschritt des Dehnens sehr schnell erfolgen, so dass die Dauer des Verfahrens bei Herstellung eines Federelements mit großer lichter Höhe nur unwesentlich zunimmt.
  • Das Federelement kann durch das Ziehen an dem Wandlerelement plastisch gedehnt werden. Dementsprechend bleibt eine Dehnung des Federelementes auch dann erhalten, wenn eine Zugvorrichtung von dem Wandlerelement getrennt wird.
  • Das Federelement kann insbesondere durch folgende Schritte erzeugt werden:
    • – Aufbringen einer strukturierten Opferschicht auf dem Substrat,
    • – Aufbringen einer strukturierten Schicht auf der Opferschicht, und
    • – Entfernen der Opferschicht, wodurch die strukturierte Schicht zu dem Federelement ausgebildet wird.
  • Die strukturierte Schicht kann beispielsweise aus Metall bestehen. Das Federelement wird dementsprechend fotolithografisch hergestellt.
  • Das Federelement kann derart gedehnt werden, dass nach dem Dehnen eine lichte Höhe des Federelementes mindestens das 1,5-fache der lichten Höhe des Federelements vor dem Dehnen beträgt. Die lichte Höhe des Federelementes kann vorzugsweise mindestens das Doppelte der lichten Höhe des Federelementes vor dem Dehnen betragen. Das Dehnen des Federelementes ermöglicht es dementsprechend die lichte Höhe des Federelementes erheblich zu vergrößern. Das Dehnen des Federelementes ist deutlich gegenüber dem fotolithografischen Herstellen des Federelements mit einer großen lichten Höhe deutlich vorteilhaft, da das Dehnen nur eine kurze Verfahrensdauer in Anspruch nimmt und die Vergrößerung der lichten Höhe durch Dehnen den Materialbedarf nicht erhöht.
  • Das Ziehen des Wandlerelementes kann folgende Teilschritte aufweisen:
    • – Befestigen einer Zugvorrichtung an einer vom Substrat wegweisenden Rückseite des Wandlerelements mittels eines lösbaren Klebemittels,
    • – Ziehen an der Zugvorrichtung in einer Richtung weg von dem Substrat, und
    • – Trennen der Zugvorrichtung von dem Wandlerelement durch Lösen des lösbaren Klebemittels.
  • Das lösbare Klebemittel kann durch Erwärmen und/oder durch Bestrahlung mit UV-Strahlung gelöst werden. Diese Art des Ziehens an dem Wandlerelement bietet den Vorteil, dass die Zugvorrichtung rückstandsfrei von dem Wandlerelement getrennt werden kann. Außerdem kann mit einer einzigen Zugvorrichtung eine Vielzahl von Wandlerelementen gleichzeitig behandelt werden, was insbesondere bei der Herstellung einer Vielzahl von Mikrofonen aus einem Wafer das Herstellungsverfahren vereinfacht und die Verfahrensdauer reduziert.
  • Das Wandlerelement kann über eine Länge in Richtung weg von dem Substrat gezogen werden, die auf Basis einer Weg- oder Kraftmessung festgelegt wird. Im Gegensatz zu einer fest vorgegebenen Zuglänge ermöglicht es ein auf Basis einer Weg- oder Kraftmessung festgelegt Länge besser auf unterschiedliche Fertigungstoleranzen einzugehen und diese auszugleichen.
  • Im Folgenden wird das Mikrofon und bevorzugte Ausführungsbeispiele anhand der Figuren näher erläutert.
  • Es zeigen:
  • 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Mikrofons.
  • 2 bis 6 verschiedene Schritte eines Verfahrens zur Herstellung des Mikrofons gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel.
  • 7 ein zweites Ausführungsbeispiel des Mikrofons.
  • 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines Mikrofons 1. Das Mikrofon 1 weist ein Wandlerelement 2 auf. Das Wandlerelement 2 weist eine Membran 3 und eine feste Rückplatte 4 auf. Zwischen der Membran 3 und der Rückplatte 4 ist eine Spannung angelegt, sodass die Membran 3 und die Rückplatte 4 einen Kondensator bilden. Die Kapazität dieses Kondensators ist abhängig von einem erfassten Schall veränderbar.
  • Das Wandlerelement 2 bildet ein Vordervolumen 5 und ein Rückvolumen 6 aus. Das Vordervolumen 5 ist dazu geeignet, mit einer Umgebung des Mikrofons 1 druckmäßig zu kommunizieren.
  • Das Mikrofons 1 weist dementsprechend eine Schalleintrittsöffnung 7 auf, über die das Vordervolumen 5 mit der Umgebung druckmäßig kommunizieren kann und über die Schall zur Membran 3 gelangen kann.
  • Das Rückvolumen 6 des Wandlerelements 2 ist ein abgekapselter Raum, in dem ein konstanter unveränderlicher Druck vorliegt. Das Wandlerelement 2 ist dazu geeignet, eine Differenz zwischen dem Druck im Vordervolumen 5 und dem Druck im Rückvolumen 6 zu messen.
  • Ferner weist das Mikrofon 1 ein Substrat 8 auf. Das Substrat 8 weist auf einer vom Wandlerelement 2 wegweisenden Unterseite 9 Anschlüsse 10 zur elektrischen Kontaktierung auf. Auf einer zum Wandlerelement 2 hinweisenden Oberseite 11 weist das Substrat 8 ebenfalls Anschlüsse 12 zur elektrischen Kontaktierung auf. Ferner weist das Substrat 8 Durchkontaktierungen 13 auf, über die die Anschlüsse 12 auf der Oberseite 11 mit den Anschlüssen 10 auf der Unterseite 9 elektrisch verbunden sind. Es ist auch möglich, dass das Wandlerelement 2 intern nur mit einem weiteren Chipbauelement (nicht gezeigt), beispielsweise einem ASIC, verschaltet ist, und dieser mit den Anschlüssen 12 verbunden ist.
  • Das Mikrofon 1 weist ein Federelement 14 auf. Das Federelement 14 weist mindestens zwei Federn auf. Das Federelement 14 ist elektrisch mit dem Substrat 8 kontaktiert. Ein erstes Ende 15 des Federelements 14 ist auf den Anschlüssen 12 auf der Oberseite 11 des Substrats 8 angeordnet.
  • Das Federelement 14 ist ferner mit dem Wandlerelement 2 elektrisch kontaktiert. Ein zweites Ende 16 des Federelements 14 ist hierzu mit dem Wandlerelement 2 elektrisch kontaktiert. In dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Federelement 14 mit dem Wandlerelement 2 über eine Lötverbindung 17 elektrisch kontaktiert, die an dem zweiten Ende 16 des Federelements 14 aufgebracht ist. In alternativen Ausführungsformen kann das Federelement 14 mit dem Wandlerelement 2 beispielsweise über Stud-Bumps oder mittels eines Leitklebers elektrisch kontaktiert werden.
  • Insbesondere weist das Wandlerelement 2 auf einer dem Substrat 8 zugewandten Unterseite 23 Anschlussflächen 24 auf, die elektrisch mit dem Federelement 14 kontaktiert sind.
  • Ferner ist zwischen dem zweiten Ende 16 des Federelements 14 und dem Wandlerelement 2 ein Abstandhalter 18 angeordnet. Der Abstandhalter 18 und die Lötverbindung 17 sind auf einer Oberseite 19 des Federelements 14 aufgebracht, die dem Wandlerelement 2 zugewandt ist. Zwischen der Oberseite 19 des Federelements 14 und dem Wandlerelement 2 ist ein Spalt 20 ausgebildet. Der Spalt 20 weist eine Höhe auf, die zumindest der Höhe des Abstandhalters 18 entspricht. Dementsprechend sorgt der Abstandhalter 18 dafür, dass die Oberseite 19 des Federelements 14 und das Wandlerelement 2 stets zumindest um die Höhe des Abstandhalters 18 voneinander beabstandet sind.
  • Wird das Mikrofon 1 später auf eine Leiterplatte (nicht gezeigt) gelötet, um beispielsweise in einem Mobiltelefon verbaut zu werden, wird es dabei hohen Temperaturen ausgesetzt, die zum Aufschmelzen der Lötverbindung 17 führen. Der Abstandhalter 18 sorgt nunmehr dafür, dass auch in diesem Fall das Wandlerelement 2 und das Federelement 14 in einem festen Abstand zueinander verbleiben und somit das nunmehr flüssige Lot nicht beeinträchtigen. Insbesondere ist der Abstandhalter 18 nahe der Lötverbindung 17 angeordnet. Somit verhindert der Abstandhalter 18, dass das Federelement 14 beim Aufschmelzen der Lötverbindung 17 diese unzulässig stark zusammendrückt, falls das Federelement 14 elastisch vorgespannt ist.
  • Bei dem Abstandhalter 18 kann es sich um ein entsprechend strukturiertes Element aus Metall oder Kunststoff, beispielsweise dispenste oder gejettete Polymerstrukturen, handeln. Der Abstandhalter 18 kann auch unmittelbar beim Strukturierprozess des Federelements 14 erzeugt werden und dementsprechend einteilig mit dem Federelement 14 ausgestaltet sein.
  • Das Wandlerelement 2 ist über das Federelement 14 elektrisch mit dem Substrat 8 kontaktiert. Dementsprechend weist das Federelement 14 ein leitfähiges Material auf. Das Federelement 14 kann beispielsweise durch eine strukturierte Metallschicht ausgebildet sein. Das Federelement 14 weist erste Bereiche 21a, 21b auf, in denen es plastisch verformt ist. Bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel weist das Federelement 14 einen ersten ersten Bereich 21a und einen zweiten ersten Bereich 21b auf. Der erste erste Bereich 21a weist eine lokale Querschnittsverengung auf. Hier weist das Federelement 14 dementsprechend einen Querschnitt auf, der gegenüber dem Querschnitt in den benachbarten Bereichen reduziert ist. Ferner weist das Federelement 14 den zweiten ersten Bereich 21b auf, der durch eine Stufe des Federelements 14 gebildet ist. Die Stufe ist nahe dem ersten Ende 15 des Federelements 14 angeordnet und sorgt dafür, dass das Federelement 14 in diesem Bereich senkrecht vom Substrat 8 weg steht.
  • Das Federelement 14 weist einen zweiten Bereiche 22 auf, in dem es nicht plastisch verformt ist. Das Federelement 14 weist insbesondere mehrere zweite Bereiche 22 auf. Der Abstandhalter 18 und die Lötverbindung 17 sind in einem der zweiten Bereiche 22 angeordnet. Der zweite Bereich 22, in dem der Abstandhalter 18 und die Lötverbindung 17 angeordnet sind, ist parallel zu dem Substrat 8 und parallel zu der Anschlussfläche 24 des Wandlerelements 2 angeordnet. Selbst beim Aufschmelzen der Lötverbindung 17 wird das Lot also nicht aus diesem zweiten Bereich 22 wegfließen.
  • Ferner weist das Mikrofon 1 eine Abdeckung 25 auf. Das Wandlerelement 2 ist an der Abdeckung 25 befestigt. Das Wandlerelement 2 ist zwischen der Abdeckung 25 und dem Substrat 8 angeordnet. Das Mikrofon 1 weist ferner eine Schallabdichtung 26 auf, über die das Wandlerelement 2 mit der Abdeckung 25 verbunden ist und die das Vordervolumen 5 des Wandlerelements 2 akustische von dem Rückvolumen 6 des Wandlerelements 2 trennt. Das Rückvolumen 6 des Wandlerelements 2 wird durch die Abdeckung 25, die Schallabdichtung 26, das Wandlerelement 2 und das Substrat 8 eingeschlossen.
  • Ferner weist die Abdeckung 25 eine Öffnung auf, über die das Vordervolumen 5 des Wandlerelements 2 druckmäßig mit der Umgebung kommunizieren kann und die die Schalleintrittsöffnung 7 des Mikrofons 1 bildet.
  • Die Abdeckung 25 ist durchgängig oder zumindest in Teilschichten elektrisch leitfähig. Die Abdeckung 25 ist dazu ausgestaltet, an eine Schirmung des Substrats 8 kontaktiert zu werden. Somit ist die Abdeckung 25 geeignet, elektromagnetische Einstrahlungen von außen von dem Wandlerelement 2 fernzuhalten. Zu diesem Zweck ist die Abdeckung 25 mittels eines Befestigungsmittels 27, z.B. mittels Lot, Klebstoff oder einer Kombination aus beiden, an dem Substrat 8 befestigt. Der Klebstoff kann leitfähig sein.
  • Das Wandlerelement 2 ist an einer zum Substrat 8 hinweisenden Innenseite 28 der Abdeckung 25 befestigt. Das Wandlerelement 2 ist durch die Schallabdichtung 26 unmittelbar an der Innenseite 28 der Abdeckung 2 befestigt.
  • Die Schallabdichtung 26 weist einen flexiblen Klebstoff auf, der das Wandlerelement 2 unmittelbar an der Abdeckung 25 befestigt. Alternativ oder ergänzend kann die Schallabdichtung 26 ein plastisches Material aufweisen, das das Wandlerelement 2 unmittelbar an der Abdeckung 25 befestigt. Die Schallabdichtung 26 umgibt die Schalleintrittsöffnung 7 lückenlos und bildet somit die akustische Abdichtung zwischen Vordervolumen 5 und Rückvolumen 6.
  • Das Wandlerelement 2 ist an dem Federelement 14 auch mechanisch befestigt. Die mechanische Befestigung von dem Wandlerelement 2 an dem Federelement 14 ist jedoch praktisch kräftefrei. Insbesondere ist die mechanische Befestigung des Wandlerelements 2 an der Abdeckung 25 starrer als die mechanische Befestigung des Wandlerelements 2 an dem Federelement 14. Die Befestigung des Wandlerelements 2 an dem Federelement 14 stellt somit keine Befestigung im eigentlichen Sinne dar, sondern bildet lediglich eine elektrische Kontaktierung aus.
  • In den 2 bis 6 ist ein Herstellungsverfahren zur Herstellung eines Mikrofons 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel gezeigt. In den 2 bis 6 dabei ist jeweils nur ein einziges Mikrofon 1 zu verschiedenen Zeitpunkten des Herstellungsverfahrens gezeigt. Das hier beschriebene Verfahren ermöglicht es jedoch, auf einem Wafer eine Vielzahl von Mikrofonen 1 gleichzeitig herzustellen, wobei die jeweiligen Verfahrensschritte für jedes Mikrofon 1 gleichzeitig durchgeführt werden.
  • 2 zeigt das Mikrofon 1 nach einem ersten Verfahrensschritt, bei dem das Federelement 14 auf dem Substrat 8 in einem fotolithografischen Verfahren erzeugt wurden.
  • Das Federelement 14 wird dabei erzeugt, indem zunächst eine strukturierte Opferschicht (nicht gezeigt) auf dem Substrat 8 aufgebracht wird. Die Dicke der strukturierten Opferschicht entspricht der lichten Höhe des später erzeugten Federelements 14. Die Opferschicht kann eine Dicke im Bereich von 1 bis 30 µm aufweisen.
  • Anschließend wird eine strukturierte Schicht, beispielsweise eine strukturierte Metallschicht, über der Opferschicht aufgebracht. Nunmehr wird die Opferschicht wieder entfernt, wobei die strukturierte Schicht bestehen bleibt. Nunmehr wird durch die strukturierte Schicht das Federelement 14 ausgebildet.
  • 3 zeigt das Mikrofon 1 während eines weiteren Verfahrensschritts, bei dem das Wandlerelement 2 auf dem Federelement 14 aufgesetzt wird.
  • Vor diesem Verfahrensschritt wurde das Wandlerelement 2 ferner mit Lötbumps versehen, die später die Lötverbindung 17 ausbilden. Alternativ könnten die Lötbumps, die später die Lötverbindung 17 ausbilden, auf der Oberseite 19 des Federelements 14 aufgebracht werden. Ferner wurden Abstandhalter 18 auf der Oberseite 19 des Federelements 14 aufgebracht, die im fertiggestellten Mikrofon 1 nahe der Lötverbindung 17 angeordnet sind, um eine minimale Höhe des Spaltes 20 zwischen Wandlerelement 2 und der Oberseite 19 des Federelementes 14 sicherzustellen. Alternativ könnte der Abstandhalter 18 auf der Unterseite des Wandlerelements 2 aufgebracht werden.
  • 4 zeigt das Mikrofon 1 in einem Zustand, bei dem das Wandlerelement 2 auf dem Federelement 14 aufgesetzt ist und mit diesem verlötet ist. Dementsprechend ist eine elektrische Verbindung zwischen Wandlerelement 2 und Federelement 14 hergestellt. Die Lötbumps bilden nun die Lötverbindung 17.
  • 5 zeigt das Mikrofon 1 nach einem weiteren Verfahrensschritt. Hierbei wird eine Zugvorrichtung 29 mit dem Wandlerelement 2 verbunden. Die Zugvorrichtung 29 weist eine ebene Platte 30 auf. Die dem Wandlerelement 2 zugewandte Unterseite der ebenen Platte 30 ist mit einem lösbaren Klebemittel 31 beschichtet, beispielsweise mit einem Thermal Release Tape, zum Beispiel REVALPHA von Nitto Denko.
  • Die Zugvorrichtung 29 wird zunächst so auf das Mikrofon 1 gedrückt, dass das lösbare Klebemittel 31 auf einer vom Substrat 8 weg weisenden Oberseite des Wandlerelements 2 anhaftet. Anschließend wird die Zugvorrichtung 31 mit einer bestimmten Zugkraft in eine vom Substrat 8 wegweisend Richtung gezogen. Dabei zieht die Zugvorrichtung 29 das Wandlerelement 2 von dem Substrat 8 weg. Auch das Federelement 14, das mit dem Wandlerelement 2 über die Lötverbindung 17 mechanisch verbunden ist, folgt dieser Zugkraft und wird dabei in die vom Substrat 8 wegweisende Richtung gedehnt. Das Federelement 14 ist derart ausgestaltet, dass es sich dabei plastisch dehnt.
  • Durch die plastische Dehnung des Federelements 14 wird seine lichte Höhe vergrößert. Insbesondere wird die lichte Höhe des Federelementes 14 auf mindestens 30 µm erhöht. Durch das Ziehen in die Richtung vom Substrat weg kann die lichte Höhe des Federelementes 14 derart erhöht werden, das sie nunmehr in einem Bereich von 30 bis 250 µm, vorzugsweise von 50 bis 200 µm, liegt. Insbesondere wird die lichte Höhe gegenüber der lichten Höhe vor dem Dehnen um mindestens das 1,5-Fache, vorzugsweise mindestens das Doppelte, erhöht.
  • Wird in einem weiteren Verfahrensschritt die Abdeckung 25 über dem Wandlerelement 2 angeordnet, so wird dabei das Federelement 14 zusammengedrückt und elastisch verformt. Dadurch reduziert sich die maximale lichte Höhe des Federelements 14 auf 150µm.
  • Bei dem Ziehen in die vom Substrat 8 wegweisende Richtung wird das Federelement 14 plastisch verformt. Diese plastische Verformung erfolgt nahezu ausschließlich in den ersten Bereichen 21a, 21b des Federelements 14. Sowohl der erste Bereich 21b, der die Stufe aufweist, als auch der erste Bereich 21a, der die lokalen Querschnittsverjüngung aufweist, werden bei dem Ziehen des Federelements 14 stark verformt. Das Federelement 14 wird jeweils an der Stufe und in dem Bereich der Querschnittsverengung abgeknickt. Das zweite Ende 16 des Federelements 14, in dessen Nähe die Lötverbindung 17 angeordnet ist, bleibt dagegen im Wesentlichen parallel zu dem Wandlerelement 2.
  • Die Zugvorrichtung 29 verfügt über eine Steuereinheit (nicht gezeigt), die auf Basis einer Weg- oder Kraftmessung die Auslenkung festlegt, um die das Federelement 14 gedehnt wird. Die Zugvorrichtung 29 zieht das zweite Ende 16 des Federelements 14 in Richtung der Flächennormalen von dem Substrat 8 weg und sorgt für eine plastische Dehnung des Federelements 14 auf ein erforderliches Maß. Bei dem Einstellen der Dehnung durch die Zugvorrichtung 29 ist ferner zu berücksichtigen, dass das Federelement 14 neben der plastischen Dehnung auch eine teilweise elastische Dehnung erfährt, um die es nach dem Lösen der Zugvorrichtung 29 zurückfedert.
  • 6 zeigt das Mikrofon 1 nach einem weiteren Verfahrensschritt. In diesem weiteren Verfahrensschritt wurde die Zugvorrichtung 29 von dem Wandlerelement 2 getrennt. Dieses kann durch Erwärmung der Zugvorrichtung 29 auf eine Temperatur über der Release Temperatur erfolgen, wodurch die Haftung des lösbaren Klebemittels 31 aufgehoben wird. Die Release Temperatur kann beispielsweise 150° betragen. In alternativen Ausführungsformen kann das lösbare Klebemittel 31 durch Bestrahlung mit UV-Strahlung gelöst werden.
  • Ferner wurde auf der zu dem Wandlerelement 2 hinweisenden Oberseite 11 des Substrats 8 das Befestigungsmittel 27 angeordnet, mittels dem die Abdeckung 25 später mit dem Substrat 8 verbunden wird.
  • 6 zeigt ferner, dass ein Dichtmittel auf dem Wandlerelement 2 aufgebracht ist, das im fertiggestellten Mikrofon 1 die Schallabdichtung 26 bildet. Das Dichtmittel kann alternativ auch an der Innenseite 28 der Abdeckung 25 angeordnet sein. Letzteres ist unter Umständen einfacher, da das Wandlerelement 2 zu dem in 6 gezeigten Verfahrenszeitpunkt nicht befestigt ist, sondern nur von den Federelementen 14 getragen wird.
  • In einem letzten Verfahrensschritt wird nunmehr die Abdeckung 25 aufgebracht und in ihren Randbereichen mit dem Substrat 8 verbunden. Dabei wird ferner die Schallabdichtung 26 zwischen dem Wandlerelement 2 und der Abdeckung 25 um die Schalleintrittsöffnung 7 hergestellt. Es ergibt sich somit nunmehr das in 1 gezeigte Mikrofon 1.
  • Bei dem Aufsetzen der Abdeckung 25 kann ferner das Federelement 14 elastisch zusammengedrückt werden. Dementsprechend kann bei dem fertiggestellten Mikrofon 1 das Federelement 14 eine elastische Spannung in eine vom Substrat 8 Richtung wegweisende Richtung aufweisen.
  • 7 zeigt ein Mikrofon 1 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel, bei dem das Federelement 14 einen mäanderförmigen ersten Bereich 21 aufweist, in dem es plastisch gedehnt ist. Die Länge des Federelements 14 kann derart ausgestaltet sein, dass sie mindestens das Doppelte der kürzesten Verbindung zwischen dem ersten und dem zweiten Ende 15, 16 des Federelements 14 beträgt.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Mikrofon
    2
    Wandlerelement
    3
    Membran
    4
    Rückplatte
    5
    Vordervolumen
    6
    Rückvolumen
    7
    Schalleintrittsöffnung
    8
    Substrat
    9
    Unterseite des Substrats
    10
    Anschluss
    11
    Oberseite des Substrats
    12
    Anschluss
    13
    Durchkontaktierung
    14
    Federelement
    15
    erste Ende
    16
    zweite Ende
    17
    Lötverbindung
    18
    Abstandhalter
    19
    Oberseite des Federelements
    20
    Spalt
    21, 21a, 21b
    erster Bereich
    22
    zweiter Bereich
    23
    Unterseite des Wandlerelements
    24
    Anschlussfläche
    25
    Abdeckung
    26
    Schallabdichtung
    27
    Befestigungsmittel
    28
    Innenseite der Abdeckung
    29
    Zugvorrichtung
    30
    Platte
    31
    Klebemittel
  • 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
    • DE 102004011148 B3 [0003]
    • US 8218794 B2 [0004]

Claims (15)

  1. Mikrofon (1), aufweisend ein Substrat (8), ein Federelement (14), das plastisch in eine Richtung senkrecht zu dem Substrat (8) gedehnt ist, ein Wandlerelement (2), das über das Federelement (14) elektrisch mit dem Substrat (8) kontaktiert ist, und eine Abdeckung (25), an der das Wandlerelement (2) befestigt ist und die derart angeordnet ist, dass das Wandlerelement (2) zwischen der Abdeckung (25) und dem Substrat (8) angeordnet ist.
  2. Mikrofon (1) gemäß Anspruch 1, wobei das Wandlerelement (2) mit dem Federelement (14) mechanisch verbunden ist, und wobei die Befestigung des Wandlerelements (2) an der Abdeckung (25) starrer ist als die mechanische Verbindung zwischen dem Wandlerelement (2) und dem Federelement (14).
  3. Mikrofon (1) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Federelement (14) eine lichte Höhe von zumindest 30 µm aufweist.
  4. Mikrofon (1) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Federelement (14) eine lichte Höhe im Bereich von 30 µm bis 250 µm aufweist.
  5. Mikrofon (1) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Federelement (14) eine Oberseite (19) aufweist, die dem Wandlerelement (2) zugewandt ist, und wobei ein Abstandhalter (18) derart zwischen (19) dem Federelement (14) und dem Wandlerelement (2) angeordnet ist, dass zwischen dem Wandlerelement (2) und der Oberseite (19) des Federelements (14) ein Spalt (20) ausgebildet wird, dessen Höhe zumindest der Höhe des Abstandhalters (18) entspricht.
  6. Mikrofon (1) gemäß Anspruch 5, wobei das Wandlerelement (2) mit der Oberseite (19) des Federelements (14) durch eine Lötverbindung (17) kontaktiert ist, und wobei ein Material des Abstandhalters (18) einen höheren Schmelzpunkt aufweist als die Lötverbindung (17).
  7. Mikrofon (1) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Federelement (14) einen ersten Bereich (21, 21a, 21b) aufweist, in dem es plastisch gedehnt ist, und einen zweiten Bereich (22) aufweist, der weitgehend frei von einer plastischen Dehnung ist.
  8. Mikrofon (1) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Federelement (14) eine lokale Verengung eines Querschnitts aufweist, und/oder wobei das Federelement (14) einen mäanderförmigen Bereich, einen gefalteten Bereich oder einen bogenförmigen Bereich aufweist.
  9. Mikrofon (1) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Befestigung des Wandlerelements (2) an der Abdeckung (25) derart ausgestaltet ist, dass sie ein Vordervolumen (5) des Wandlerelements (2) gegen ein Rückvolumen (6) des Wandlerelements (2) akustisch abdichtet.
  10. Verfahren zur Herstellung eines Mikrofons (1), aufweisend die Schritte: – Erzeugen eines Federelements (14) auf einem Substrat (8), – Elektrisches Kontaktieren eines Wandlerelements (2) mit dem Federelement (14), – Ziehen des Wandlerelements (2) in eine Richtung weg von dem Substrat (8), wobei das Federelement (14) in diese Richtung gedehnt wird, und – Anbringen einer Abdeckung (25) auf dem Substrat (8), wobei das Wandlerelement (2) an der Abdeckung (25) befestigt wird.
  11. Verfahren gemäß Anspruch 10, wobei das Federelement (14) durch das Ziehen an dem Wandlerelement (2) plastisch gedehnt wird.
  12. Verfahren gemäß Anspruch 10 oder 11, wobei das Federelement (14) durch die folgenden Schritte erzeugt wird: – Aufbringen einer strukturierten Opferschicht auf dem Substrat (8), – Aufbringen einer strukturierten Schicht auf der Opferschicht, und – Entfernen der Opferschicht, wodurch die strukturierte Schicht zu dem Federelement (14) ausgebildet wird.
  13. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei das Federelement (14) derart gedehnt wird, dass nach dem Dehnen eine lichte Höhe des Federelements (14) mindestens das 1,5-fache der lichten Höhe des Federelements (14) vor dem Dehnen beträgt.
  14. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 10 bis 13, wobei das Ziehen des Wandlerelements (2) folgende Teilschritte aufweist: – Befestigen einer Zugvorrichtung (29) an einer vom Substrat (8) wegweisenden Rückseite des Wandlerelements (2) mittels einem lösbaren Klebemittel (31), – Ziehen an der Zugvorrichtung (29) in einer Richtung weg von dem Substrat (8), und – Trennen der Zugvorrichtung (29) von dem Wandlerelement (2) durch Lösen des lösbaren Klebemittels (31).
  15. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 10 bis 14, wobei das Wandlerelement (2) über eine Länge in Richtung weg von dem Substrat (8) gezogen wird, die auf Basis einer Weg- oder Kraftmessung festgelegt wird.
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