DE102014211190A1 - Micromechanical sound transducer arrangement and a corresponding manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung schafft eine mikromechanische Schallwandleranordnung und ein entsprechendes Herstellungsverfahren. Die mikromechanische Schallwandleranordnung umfasst einen ASIC-Chip (AC) mit einer ersten Vorderseite (VS1) und einer ersten Rückseite (RS1), einen Interposerchip (1a; 1a‘‘; 1a‘‘‘) mit einer zweiten Vorderseite (VS2; VS2‘‘) und einer zweiten Rückseite (RS2; RS2‘‘), welcher einen zumindest von der zweiten Vorderseite (VS2; VS2‘‘) zugänglichen Hohlraum (BV; BV‘‘; BV‘‘‘) aufweist, und einen MEMS-Chip (MC) mit einer dritten Vorderseite (VS3) und einer dritten Rückseite (RS3), welcher eine integrierte Schallwandlungseinrichtung (BE, FE) zum Wandeln von Schallenergie (S) in elektrische Energie oder umgekehrt aufweist. Die erste Vorderseite (VS1) ist auf die zweite Rückseite (RS2; RS2‘‘) und die zweite Vorderseite (VS2; VS2‘‘) ist auf der dritten Rückseite (RS3) angebracht. Die Schallenergie (S) ist somit von der dritten Rückseite (RS3) ausgehend der integrierten Schallwandlungseinrichtung (BE, FE) und dem Hohlraum (BV; BV‘‘; BV‘‘‘) als Teil eines Rückvolumens zuführbar.The present invention provides a micromechanical sound transducer assembly and a corresponding manufacturing method. The micromechanical sound transducer arrangement comprises an ASIC chip (AC) having a first front side (VS1) and a first rear side (RS1), an interposer chip (1a, 1a '', 1a '' ') having a second front side (VS2, VS2' '). ) and a second rear side (RS2; RS2 '') which has a cavity (BV; BV ''; BV '' ') accessible at least from the second front side (VS2; VS2' ') and a MEMS chip (MC ) having a third front side (VS3) and a third rear side (RS3), which has an integrated sound conversion device (BE, FE) for converting sound energy (S) into electrical energy or vice versa. The first face (VS1) is on the second back (RS2; RS2 '') and the second face (VS2; VS2 '') is on the third face (RS3). The sound energy (S) can thus be supplied from the third rear side (RS3) starting from the integrated sound conversion device (BE, FE) and the cavity (BV; BV ", BV" ') as part of a return volume.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine mikromechanische Schallwandleranordnung und ein entsprechendes Herstellungsverfahren.The present invention relates to a micromechanical sound transducer arrangement and a corresponding manufacturing method.
Stand der TechnikState of the art
Obwohl prinzipiell auf beliebige mikromechanische Schallwandleranordnungen, beispielsweise Lautsprecher und Mikrofone, anwendbar, werden die vorliegende Erfindung und die ihr zugrunde liegende Problematik anhand von mikromechanischen Mikrofonanordnungen auf Siliziumbasis erläutert.Although applicable in principle to any micromechanical sound transducer arrangements, for example loudspeakers and microphones, the present invention and the problem on which it is based are explained on the basis of micromechanical microphone arrangements based on silicon.
Mikromechanische Mikrofonanordnungen weisen üblicherweise eine auf einem MEMS-Chip integrierte Schallwandlungseinrichtung zum Wandeln von Schallenergie in elektrische Energie auf, wobei eine durch Schallenergie auslenkbare erste Elektrode und eine feststehende perforierte zweite Elektrode kapazitiv zusammenwirken. Die Auslenkung der ersten Elektrode wird durch die Differenz der Schalldrücke vor und hinter der ersten Elektrode bestimmt. Ändert sich die Auslenkung, wird die Kapazität des durch die erste und zweite Elektrode gebildeten Kondensators verändert, was messtechnisch erfassbar ist. Micromechanical microphone arrangements usually have a sound conversion device integrated on a MEMS chip for converting sound energy into electrical energy, wherein a sound energy deflectable first electrode and a fixed perforated second electrode cooperate capacitively. The deflection of the first electrode is determined by the difference in the sound pressures before and after the first electrode. If the deflection changes, the capacitance of the capacitor formed by the first and second electrodes is changed, which can be detected metrologically.
Auf der Rückseite der ersten Elektrode wird ein sogenanntes Rückvolumen vorgesehen, welches verhindert, dass schnelle Änderungen des Schalldrucks beide Seiten der ersten Elektrode beaufschlagen, was zu Empfindlichkeitsverlusten führen würde. Die Größe des Rückvolumens bestimmt somit die Empfindlichkeit der mikromechanischen Mikrofonanordnung, da eine durch die Auslenkung der ersten Elektrode bewirkte Kompression im Rückvolumen, insbesondere bei kleinen Rückvolumina, dämpfend wirkt. On the back of the first electrode, a so-called back volume is provided, which prevents rapid changes in the sound pressure applied to both sides of the first electrode, which would lead to sensitivity losses. The size of the back volume thus determines the sensitivity of the micromechanical microphone arrangement, since a compression caused by the deflection of the first electrode in the back volume, in particular in the case of small back volumes, has a damping effect.
Mikromechanische Mikrofonanordnungen, wie sie z.B. in mobilen Geräten, wie Smartphones, eingesetzt werden, gibt es grundsätzlich in zwei Aufbauvarianten, wie z.B. aus der
Bei der „Bottom Port“-Variante ist der akustische Zugang von unten über eine Leiterplatte realisiert. Dabei wird der MEMS-Chip mit der Schallwandlungseinrichtung auf die Leiterplatte geklebt und mit einem Deckel verschlossen, um das Rückvolumen zu bilden.In the "bottom port" variant, the acoustic access from below is realized via a printed circuit board. In this case, the MEMS chip is glued to the sound conversion device on the circuit board and sealed with a lid to form the back volume.
Bei der „Top Port“-Variante erfolgt der Zugang von oben, wobei der MEMS-Chip mit der Schallwandlungseinrichtung in einen Deckel geklebt wird, so dass der akustische Zugang durch ein Loch im Deckel erfolgt. In the "top port" variant, the access is from above, wherein the MEMS chip is glued with the sound conversion device in a lid, so that the acoustic access is through a hole in the lid.
Für neuere Anwendungen, z.B. für Headsets oder elektronische Brillen, spielt die Baugröße eine immer entscheidendere Rolle. Dabei gilt es, ein möglichst großes Rückvolumen bei minimaler Grundfläche und Bauhöhe zu erreichen, da dieses entscheidend zur Gesamt-Performance beiträgt.For newer applications, e.g. for headsets or electronic goggles, the size plays an increasingly decisive role. It is important to achieve the largest possible back volume with a minimum footprint and height, as this contributes significantly to the overall performance.
Aufgrund von Fertigungstoleranzen bei bekannten Lösungen für das Gehäuse ist derzeit eine weitere Miniaturisierung unter Beibehaltung der Gesamt-Performance nicht möglich. Zudem werden ebenfalls aufgrund der Toleranzen das maximal mögliche Rückvolumen und die maximale Größe des Zugangslochs nicht erreicht.Due to manufacturing tolerances in known solutions for the housing further miniaturization is currently not possible while maintaining the overall performance. In addition, the maximum possible back volume and the maximum size of the access hole are also not achieved due to the tolerances.
Aus der
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Die vorliegende Erfindung schafft eine mikromechanische Schallwandleranordnung nach Anspruch 1 und ein entsprechendes Herstellungsverfahren nach Anspruch 11.The present invention provides a micromechanical sound transducer arrangement according to claim 1 and a corresponding manufacturing method according to
Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.Preferred developments are subject of the dependent claims.
Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention
Die vorliegende Erfindung ermöglicht einen „Bare-Die“-Ansatz für eine mikromechanische Schallwandleranordnung (d.h. die Schallwandleranordnung muss nicht in ein weiteres Package verpackt werden) zur Realisierung von sehr kleinen Schallwandlern, insbesondere Mikrofonen und Lautsprechern, wobei die minimale Größe nur noch durch den größeren von MEMS- und ASIC-Chip beschränkt wird. Zusätzlich ermöglicht die vorliegende Erfindung eine bessere Ausnutzung des vorhandenen Volumens für das Rückvolumen. Weiterhin besitzt die erfindungsgemäße mikromechanische Schallwandleranordnung eine verringerte Parasitärkapazität und ist unempfindliche gegen Partikel, insbesondere wenn eine optionale Schutzfolie verwendet wird bzw. wenn die auslenkbare erste Elektrode nach außen weisend angeordnet ist.The present invention enables a "bare-die" approach for a micromechanical transducer assembly (ie, the transducer assembly need not be packaged in another package) for realizing very small transducers, particularly microphones and loudspeakers, the minimum size being limited only by the larger one is limited by MEMS and ASIC chip. In addition, the present invention allows better utilization of the existing volume for the back volume. Furthermore, the micromechanical sound transducer arrangement according to the invention has a reduced parasitic capacitance and is insensitive to particles, in particular if an optional protective film is used or if the deflectable first electrode is arranged facing outward.
Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee besteht darin, einen MEMS-Chip und einen ASIC-Chip über einen Wafer-Stack mit einem oder mehreren Interposer-Chips zu verbinden, wodurch man geringere Toleranzen als bei bekannten Standardverfahren erreichen kann. Zudem müssen weniger Teile platziert werden, so dass dadurch die notwendigen Vorhalte deutlich reduzierbar sind.The idea underlying the present invention is to connect a MEMS chip and an ASIC chip via a wafer stack with one or more interposer chips, whereby one can achieve smaller tolerances than in known standard methods. In addition, fewer parts must be placed, so that the necessary provisions are significantly reduced.
Durch die Materialauswahl des oder der Interposer-Chips lässt sich auch ein erhöhter elektrischer Widerstand, also eine bessere elektrische Isolation, zwischen den einzelnen elektrischen Verbindungen zwischen MEMS-Chip und Basic-Chip erzielen, was das Signal-/Rauschverhältnis verbessert. Der oder die Interposer-Chips ermöglichen auch eine größere Flexibilität in der Bauhöhe und damit im Rückvolumen. By selecting the material of the or the interposer chips can also be an increased electrical resistance, ie a better electrical isolation, achieve between the individual electrical connections between the MEMS chip and basic chip, which improves the signal / noise ratio. The one or more interposer chips also allow greater flexibility in the height and thus in the rear volume.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung geht der Hohlraum durch den Interposerchip hindurch. So lässt sich ein großer Gewinn an Rückvolumen erzielen.According to a preferred embodiment, the cavity passes through the interposer chip. This is how you can achieve a big return volume.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist mindestens ein weiterer Interposerchip mit einer weiteren Vorderseite und einer weitere Rückseite vorgesehen, welcher einen weiteren Hohlraum, der durch den weiteren Interposerchip hindurchgeht, aufweist, wobei der weitere Interposerchip zwischen der zweiten Vorderseite und der dritte Vorderseite angebracht ist. So lässt sich das Rückvolumen weiter vergrößern.According to a further preferred development, at least one further interposer chip is provided with a further front side and a further rear side, which has a further hollow space, which passes through the further interposer chip, wherein the further interposer chip is mounted between the second front side and the third front side. This allows the back volume to be further increased.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist der Interposerchip gegenüber dem MEMS-Chip lateral verbreitert. Auch dies erhöht das erzielbare Rückvolumen, da ein lateraler Breitengewinn erzielbar ist.According to a further preferred development, the interposer chip is laterally widened in comparison to the MEMS chip. This also increases the achievable back volume, since a lateral width gain can be achieved.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist der Hohlraum im Innern des Interposerchips eine laterale Verbreiterung auf. Dies ermöglicht einen Interposerchip mit großen Oberflächen und gleichzeitig optimaler Volumennutzung für das Rückvolumen.According to a further preferred development, the cavity in the interior of the interposer chip has a lateral broadening. This allows for an interposer chip with large surface area and, at the same time, optimal volume utilization for the back volume.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist der Interposerchip ein oder mehrere Durchkontaktierungen auf, welche den MEMS-Chips elektrisch mit dem ASIC-Chip verbinden. Dies vereinfacht den Aufbau.According to a further preferred development, the interposer chip has one or more plated-through holes which electrically connect the MEMS chips to the ASIC chip. This simplifies the structure.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist der weitere Interposerchip weitere Durchkontaktierungen auf, welche mit den Durchkontaktierungen elektrisch verbunden sind und welche den MEMS-Chip elektrisch mit dem ASIC-Chip verbinden. Dies lässt eine einfach Stapelmontage zu.According to a further preferred development, the further interposer chip has further plated-through holes, which are electrically connected to the plated-through holes and which electrically connect the MEMS chip to the ASIC chip. This allows for easy stacking.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung besteht der Interposerchip bzw. der weitere Interposerchip aus Glas. Glas hat den Vorteil eines hohen elektrischen Widerstands zur Vermeidung von Leckströmen und parasitären Kapazitäten.According to a further preferred development, the interposer chip or the further interposer chip consists of glass. Glass has the advantage of high electrical resistance to avoid leakage and parasitic capacitances.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist die Schallwandlungseinrichtung eine durch die Schallenergie auslenkbare erste Elektrode und eine feststehende perforierte zweite Elektrode auf. Dies ermöglicht eine einfache Schallwandlung.According to a further preferred development, the sound conversion device has a first electrode deflectable by the sound energy and a fixed perforated second electrode. This allows a simple sound conversion.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist auf der dritten Rückseite eine Schutzfolie aufgebracht. Dies sorgt für Schutz gegenüber Umwelteinflüssen.According to a further preferred development, a protective film is applied to the third rear side. This ensures protection against environmental influences.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnungen angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:The present invention will be explained in more detail with reference to the exemplary embodiments indicated in the schematic figures of the drawings. Show it:
Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente.In the figures, like reference numerals designate the same or functionally identical elements.
In
An der ersten Vorderseite VS1 ist auf dem ASIC-Wafersubstrat
Durchkontaktierungen D1, D2 verbinden die Umverdrahtungseinrichtung L mit Anschlusspads P1, P2, auf denen Lotkügelchen L1, L2 vorgesehen sind, elektrisch. Über die Lotkügelchen L1, L2 kann die Schallwandleranordnung auf ein beliebiges (nicht dargestelltes) Trägersubstrat gelötet werden. Through-contacts D1, D2 connect the rewiring device L with connection pads P1, P2, on which solder balls L1, L2 are provided, electrically. About the solder balls L1, L2, the transducer assembly can be soldered to any (not shown) carrier substrate.
Auf der ersten Vorderseite VS1 durchsetzen mit leitfähigem Material gefüllte Vias V1, V2 die vorderseitige Isolationsschicht IV, um eine elektrische Verbindung zwischen der Umverdrahtungseinrichtung L und an der ersten Vorderseite gebildeten Bondverbindungen B1, B2 zu bilden.Vias V1, V2 filled with conductive material on the first front side VS1 penetrate the front-side insulation layer IV in order to form an electrical connection between the rewiring device L and bonding connections B1, B2 formed on the first front side.
Über die Bondverbindungen B1, B2 ist auf den ASIC-Chip AC ein Interposer-Chip
Weiterhin vorgesehen im Interposer-Chip
Über die Bondverbindungen B3, B4 ist auf der zweiten Vorderseite VS2 ein MEMS-Chip angebracht, welcher eine dritte Vorderseite VS3 und eine dritte Rückseite RS3 aufweist, wobei die dritte Vorderseite VS3 auf der zweiten Vorderseite VS2 angebracht ist.A MEMS chip is mounted on the second front side VS2 via the bonding connections B3, B4, which has a third front side VS3 and a third rear side RS3, the third front side VS3 being mounted on the second front side VS2.
Der MEMS-Chip MC weist eine integrierte Schallwandlungseinrichtung zum Wandeln von Schallenergie S in elektrische Energie auf. Die integrierte Schallwandlungseinrichtung umfasst eine durch die Schallenergie S auslenkbare erste Elektrode BE und eine feststehende perforierte zweite Elektrode FE aus, welche in jeweiligen mikromechanischen Funktionsschichten F1, F2, beispielsweise aus Polysilizium, realisiert sind, welche über einem MEMS-Wafersubstrat
Ein das MEMS-Wafersubstrat
Durch den beschriebenen Aufbau ist die Schallenergie S von der dritten Rückseite RS3 ausgehend durch die Schutzfolie
Durch das Bonden der Chips MC,
Dadurch, dass im Vergleich zu aus der
Bei der zweiten Ausführungsform sind zwei Interposer-Chips
Insbesondere ist ein weiterer Interposerchip
Eine Umverdrahtung an der Grenze zwischen VS2 und RS2‘ ist zusätzlich möglich, um die Lage der Anschlüsse B3 und B4 im Bedarfsfall auf eine andere Lage der Anschlüsse B1 und B2 anzupassen. A rewiring at the boundary between VS2 and RS2 'is possible in addition to the position of the If necessary, adapt connections B3 and B4 to another position of connections B1 and B2.
Generell ist somit eine beliebige Vergrößerung des Rückvolumens durch Stapeln einer entsprechenden Anzahl von Interposer-Chips möglich, wobei die Anzahl der benötigten Interposer-Chips im Wesentlichen von Fertigungsbedingungen und der Materialauswahl der Interposer-Chips beeinflusst wird.In general, an arbitrary enlargement of the back volume is possible by stacking a corresponding number of interposer chips, wherein the number of interposer chips required is essentially influenced by production conditions and the material selection of the interposer chips.
Ansonsten ist die zweite Ausführungsform hinsichtlich des ASIC-Chips AC und des MEMS-Chips MC gleich wie die erste Ausführungsform aufgebaut.Otherwise, the second embodiment is the same as the first embodiment in terms of the ASIC chip AC and the MEMS chip MC.
Bei der dritten Ausführungsform liegt im Vergleich zur ersten Ausführungsform ein modifizierter Interposer-Chip
Ebenfalls weist der Hohlraum BV’’ im Inneren des modifizierten Interposer-Chips
Ansonsten ist die dritte Ausführungsform hinsichtlich des MEMS-Chips MC und des ASIC-Chips AC gleich wie die erste Ausführungsform aufgebaut.Otherwise, the third embodiment is the same as the first embodiment in terms of the MEMS chip MC and the ASIC chip AC.
Bei der vierten Ausführungsform ist der Hohlraum BV’’’, welcher den wesentlichen Teil des Rückvolumens bildet, nur von der zweiten Vorderseite VS2 zugänglich und zur zweiten Rückseite RS2 hin abgeschlossen, ist also in Form einer Wanne gebildet.In the fourth embodiment, the cavity BV '' ', which forms the essential part of the back volume, accessible only from the second front side VS2 and closed to the second back RS2, is thus formed in the form of a trough.
Ansonsten ist die vierte Ausführungsform gleich wie die erste Ausführungsform aufgebaut.Otherwise, the fourth embodiment is the same as the first embodiment.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele vorstehend vollständig beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar.Although the present invention has been fully described above with reference to preferred embodiments, it is not limited thereto but is modifiable in a variety of ways.
Insbesondere sind die gezeigten Geometrien und Materialien nur beispielhaft und können je nach Anwendung nahezu beliebig variiert werden.In particular, the geometries and materials shown are only examples and can be varied almost arbitrarily depending on the application.
Auch sind der Aufbau der Schallwandlungseinrichtung im MEMS-Chip und die Anordnungen im ASIC-Chip nur beispielhaft und können auch je nach Anwendung variiert werden.Also, the structure of the sound conversion device in the MEMS chip and the arrangements in the ASIC chip are only exemplary and can also be varied depending on the application.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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