-
Hintergrund der Erfindung
-
Gebiet der Erfindung
-
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Package, eine elektronische Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung einer elektronischen Vorrichtung.
-
Beschreibung des Standes der Technik
-
Silizium-Mikrofone können aus einem massiven Block aus kristallinem Silizium-Material hergestellt werden, das durch die Anwendung von Techniken wie Ätzen und Verwendung von Opferschichten verarbeitet wird, um zwei gegenüberliegende Membranen auf dem ringförmigen Block zu bilden, die mit metallischen Elektroden verbunden sind. Bei Vorliegen von Schallwellen bewegen sich die Membranen und ändern dadurch die Kapazität der Membran-Elektroden-Anordnung, die über ein elektrisches Signal zwischen den Elektroden elektrisch gemessen werden kann. Derartige Silizium-Mikrofone können zusammen mit einem Logik-Chip in einem Gehäuse einer Halbleitervorrichtung mit einem Eingang oder Port für die Schallwellen montiert werden.
-
Eine ähnliche Struktur kann als Luftdrucksensor eingesetzt werden, der auf einem in einem Hohlraum-Package angeordneten Drucksensor-Chip basieren kann. Bei einigen Anwendungen muss der Drucksensor im System mithilfe von luftdichten Dichtungen montiert werden.
-
Üblicherweise ist eine derartige Dichtung als separater Dichtring bereitgestellt. Die Handhabung eines derartigen Dichtungsrings und eines Packages bei der Montage dieser Komponenten in einem Vorrichtungsgehäuse kann umständlich sein.
-
Zusammenfassung der Erfindung
-
Es kann Bedarf an einem Wandlerpackage bestehen, das eine einfache und kompakte Konstruktion aufweist und beim Zusammenbau benutzerfreundlich ist.
-
Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird ein Package bereitgestellt, das einen Träger und einen auf dem Träger montierten Wandler umfasst und das konfiguriert ist für die Konvertierung zwischen einer packageexternen Eigenschaft (z. B. einem Druck, einer Schallwelle, einer Atmosphäre, elektromagnetischer Strahlung) und einem elektrischen Signal, wobei ein Packagegehäuse mindestens teilweise mindestens einen von dem Träger und dem Wandler aufnimmt und eine Dichtung (insbesondere zum Abdichten zwischen dem Package und einem packageexternen wie z. B. Körper einem Gehäuse einer elektronischen Vorrichtung), die mindestens einen Teil des Packagegehäuses bildet.
-
Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel ist eine elektronische Vorrichtung bereitgestellt, die ein Vorrichtungsgehäuse mit einem Port umfasst (zum Beispiel einem Port, über den eine packageexterne Eigenschaft in funktionalen Zusammenhang mit einem Wandler in der elektronischen Vorrichtung gebracht werden kann), sowie ein Package (insbesondere ein Package mit den oben genannten Merkmalen, zum Beispiel ein Halbleiter-Package) umfassend einen Wandler (z. B. einen Sensor) und eine im Package integrierte Dichtung, wobei das Package im Vorrichtungsgehäuse angebracht ist, sodass der Wandler über den Port mit einem Äußeren des Vorrichtungsgehäuses gekoppelt ist, sodass die Dichtung ein Inneres des Vorrichtungsgehäuses in Bezug auf den Port strömungstechnisch entkoppelt.
-
Gemäß noch eines weiteren Ausführungsbeispiels wird ein Verfahren zur Herstellung eines Packages bereitgestellt, wobei das Verfahren das Bereitstellen eines Wandlers umfasst, der konfiguriert ist für die Konvertierung zwischen einer packageexternen Eigenschaft und einem elektrischen Signal, wobei ein Packagegehäuse mindestens teilweise den Wandler aufnimmt, sowie das Bilden einer Dichtung zumindest als einen Bestandteil des Packagegehäuses (insbesondere zum Abdichten zwischen dem Package und einem packageexternen Körper).
-
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ein Wandlerpackage bereitgestellt, in dem ein Packagegehäuse zum mindestens teilweisen Ummanteln oder Umgeben eines Wandlers und/oder eines Wandlerträgers gleichzeitig als Dichtelement konfiguriert ist. Ein derartiges Dichtelement kann insbesondere zwischen einem Inneren und einem Äußeren einer elektronischen Vorrichtung abdichten, wenn das Package an und/oder in der elektrischen Vorrichtung angebracht ist. Da der Wandler bei Anbringung in der elektronischen Vorrichtung in vorteilhafter Weise das Koppeln mit einer geräteexternen Atmosphäre erfordert, um seine Wandlerfunktion korrekt auszuführen, kann das Erfordernis vorliegen, ein Durchgangsloch oder eine andere Art eines Ports in einem Vorrichtungsgehäuse der elektronischen Vorrichtung bereitzustellen. Dies bringt jedoch das Risiko mit sich, dass unerwünschtes Material – insbesondere eine Flüssigkeit – über den Port in die elektronische Vorrichtung eintritt. Durch das Bereitstellen einer integrierten Dichtung mit dem Wandlerpackage kann eine entsprechende fluiddichte elektronische Vorrichtung bereitgestellt werden. Indem ein Dichtelement nicht als separates Element bereitgestellt ist, sondern dagegen einen Bestandteil des Packagegehäuses bildet, lassen sich ein kompaktes Package und eine leichte Konfiguration erzielen. Die Handhabung vieler Teile beim Zusammenbau einer elektronischen Vorrichtung ist dann entbehrlich. Als wesentliches Merkmal eines Ausführungsbeispiels der Erfindung kann gelten, dass das Package auch die Dichtung darstellt.
-
Beschreibung weiterer Ausführungsbeispiele
-
Im Rahmen der vorliegenden Anmeldung kann der Begriff „elektronische Vorrichtung” insbesondere jedes elektronische Gerät bezeichnen, das einen Wandler implementiert (insbesondere einen elektromechanischen oder elektroakustischen Wandler) sowie mindestens eine weitere elektronische Funktionalität. Insbesondere kann der Begriff eine beliebige portable Vorrichtung einschließen, die Schallwellen in elektrische Signale umwandeln kann, und/oder umgekehrt.
-
Der Begriff „Wandler” kann insbesondere beliebige (z. B. elektromechanische oder elektroakustische) Elemente bezeichnen, die ein sekundäres elektrisches Signal erzeugen können, das den Inhalt eines Primärsignals (z. B. einer Schallwelle) angibt, wie z. B. bei einem Mikrofon. Der Begriff „Wandler” kann jedoch auch ein (z. B. elektromechanisches oder elektroakustisches) Element bezeichnen, das ein sekundäres (z. B. akustisches) Signal erzeugt, das den Inhalt eines primären elektrischen Signals angibt, wie z. B. bei einem Lautsprecher.
-
Der Wandler, der ein elektroakustischer Wandler sein kann, kann insbesondere als mikroelektromechanische Vorrichtung (MEMS) konfiguriert sein, und er kann zum Beispiel in Halbleitertechnologie, insbesondere in Silizium-Technologie hergestellt werden. Ein derartiger Wandler kann eine Membran oder zwei gegenüberliegende und beweglich angebrachte Membranen aufweisen, die mit Elektroden verbunden sind, sodass sich infolge einer Änderung der Kapazität als Reaktion auf eine Bewegung der Membran(en) ein elektrisches Signal zwischen den Elektroden charakteristisch ändert oder sodass sich die Bewegung bei Beaufschlagung eines elektrischen Signals zwischen den Membranen charakteristisch ändert. Auch piezoelektrische Wandler können in Bezug auf das elektromechanische Wandeln implementiert werden. Andere Arten von Wandlern können ebenfalls implementiert werden, z. B. elektrooptische Wandler, die zwischen einem optischen Signal und einem elektrischen Signal umwandeln, oder elektrochemische Wandler, die zwischen einer chemischen Atmosphäre und einem elektrischen Signal konvertieren usw.
-
Der Begriff „Halbleiter-Chip”, insbesondere „Steuer-Chip”, kann insbesondere einen elektronischen Chip bezeichnen, der darin ein oder mehrere integrierte Schaltelemente aufweist. Ein derartiger Chip kann bereitgestellt sein, um elektrische Signale abzuarbeiten, die vom Wandler als Reaktion auf ein anstehendes (insbesondere Schall- oder Druck-)Signal erzeugt werden. Bei einer anderen Ausführungsform kann der Chip jedoch auch konfiguriert sein zum Erzeugen eines elektrischen Primärsignals mit einem Inhalt, der in ein sekundäres Signal (z. B. ein akustisches Signal) umgewandelt wird, indem der Wandler im Sinne eines Lautsprechers mit dem elektrischen Signal beaufschlagt wird.
-
Der Begriff „Träger” kann insbesondere eine physikalische Struktur bezeichnen, die für die Anbringung eines Wandlers, eines elektronischen Chips und/oder von elektronischen Elementen konfiguriert ist. Der Träger kann eine einzelne physikalische Struktur sein (wie z. B. eine einzelne Leiterplatte) oder eine Mehrzahl von physikalischen Strukturen (wie z. B. eine erste Leiterplatte als Hauptplatine und eine zweite Leiterplatte als zusätzliche Struktur zur Anbringung oder zur Bereitstellung zusätzlich zur Hauptplatine). Der Begriff „ein Träger” deckt einen einzelnen Träger oder mehrere Träger oder Trägerteile ab, wobei die Träger oder Trägerteile miteinander verbunden sein können. Auch ein Leadframe oder eine beliebige andere elektrisch leitfähige Struktur kann als Träger verwendet werden.
-
Der Begriff „Packagegehäuse” kann insbesondere eine beliebige physikalische Struktur bezeichnen, die eine Gehäusefunktion auf der Ebene eines Packages bereitstellt, insbesondere eines Halbleiterpackages. Dies kann einen Beitrag zum mechanischen Schutz von Träger, Chip und/oder elektrischer Schaltung durch eine Kapselung oder Bereitstellung eines Beitrags bei der Kapselung einschließen (z. B. räumliches Eingrenzen eines Verkapselungsmaterials). Eine weitere Packagegehäusefunktion kann das Überbrücken eines Verbindungsspalts sein, d. h. die Translation zwischen den kleinen Abmessungen von elektrischen Verbindungsstrukturen der Halbleiterwelt und den großen Abmessungen von elektrischen Verbindungsstrukturen der PCB-Welt.
-
Der Begriff „Vorrichtungsgehäuse” kann insbesondere eine beliebige physikalische Struktur bezeichnen, die mindestens einen Teil des Packages bedeckt oder umgibt und die durch die Dichtung mit dem Package verbunden ist. Ein Beispiel eines derartigen Vorrichtungsgehäuses oder einer Abdeckung ist ein becherförmiges Deckelelement. Ein weiteres Beispiel eines derartigen Vorrichtungsgehäuses oder Deckels ist ein Hohlkörper (oder ein Teil davon), der das Package vollständig umgibt und durch die Dichtung damit verbunden ist. Der Begriff „ein Vorrichtungsgehäuse” deckt einen einzelnen Deckel oder mehrere Deckel oder Deckelteile ab; er deckt aber auch ein einzelnes Vorrichtungsgehäuse ab (z. B. gebildet durch zwei zusammenwirkende Elemente wie zwei Halbschalen), sowie mehrere Vorrichtungsgehäuse oder Deckel-Vorrichtungsgehäuse-Kombinationen.
-
Der Begriff „strömungstechnisch” kann insbesondere „in Bezug auf ein Fluid” bedeuten, wobei ein Fluid eine Flüssigkeit und/oder ein Gas sein kann.
-
Im Folgenden werden weitere Ausführungsbeispiele des Packages, der elektronischen Vorrichtung und des Verfahrens beschrieben.
-
Bei einer Ausführungsform ist die Dichtung konfiguriert zum strömungstechnischen Entkoppeln eines Inneren mit Bezug auf ein Äußeres einer elektronischen Vorrichtung, wenn das Package in der elektronischen Vorrichtung angebracht ist. Dies erfordert die Anpassung der Abmessung und Form der Dichtung an die Dimension und Form des Vorrichtungsgehäuses.
-
Bei einer Ausführungsform umfasst der Träger eine laminatartige Struktur (wie z. B. eine Leiterplatte) oder eine elektrisch leitfähige Struktur (wie z. B. einen Leadframe). Es ist möglich, dass der Träger entweder teilweise oder komplett elektrisch isolierend ist (wie bei einem rein dielektrischen Träger), oder komplett elektrisch leitfähig (wie bei einem Leadframe, der beispielsweise aus Kupfer hergestellt sein kann), oder teilweise elektrisch leitfähig und teilweise elektrisch isolierend (wie bei einem Interposer oder einer Leiterplatte). Ausführungsbeispiele der Erfindung sind daher kompatibel mit sehr unterschiedlichen Trägerarchitekturen. Insbesondere kann der Träger, wenn der Wandler ein oder mehrere Halbleiter-Chips umfasst, auch als Chip-Träger bezeichnet werden.
-
Bei einer Ausführungsform umfasst der Wandler einen Sensor und/oder einen Aktor.
-
Wenn der Wandler ein Sensor ist, kann die packageexterne Eigenschaft (wie z. B. Schallwellen oder ein externer Druck oder eine Beschleunigung) vom Wandler erkannt und in ein elektrisches Signal konvertiert werden (z. B. beim Szenario eines Mikrofons oder eines Drucksensors). Beispielsweise kann der Sensor einen Drucksensor, einen akustischen Sensor, ein zum Konvertieren eines akustischen Signals in ein elektrisches Signal konfiguriertes Mikrofon, einen Gassensor, einen optischen Sensor, einen Radarsensor und/oder eine Kamera umfassen. Andere Arten von Sensoren sind jedoch ebenfalls möglich.
-
Wenn der Wandler ein Aktor ist, kann die packageexterne Eigenschaft durch den Aktor erzeugt werden (beispielsweise kann ein Lautsprecher basierend auf vom oder zum Wandler bereitgestellten elektrischen Signal Schallwellen in einem äußeren Volumen des Packages erzeugen). Beispielsweise umfasst der Aktor einen zum Konvertieren eines elektrischen Signals in ein akustisches Signal konfigurierten Lautsprecher. Andere Arten von Aktoren sind jedoch ebenfalls möglich, beispielsweise Licht emittierende Geräte, die ein elektrisches Signal in ein externes Lichtsignal konvertieren.
-
Bei einer Ausführungsform umfasst der Wandler mindestens einen Halbleiter-Chip. Ein derartiger Halbleiter-Chip kann zum Beispiel in Siliziumtechnologie, Gallium-Arsenid-Technologie oder Silizium-Karbid-Technologie hergestellt werden. Ein Halbleiter-Chip kann eine aktive Oberfläche oder zwei aktive Oberflächen haben. Beispielsweise können ein oder mehrere integrierte Schaltelemente in der entsprechenden aktiven Region des Halbleiter-Chips integriert sein. Beispielsweise kann ein Wandler zwei Halbleiter-Chips umfassen, d. h. einerseits einen eigentlichen Sensor oder Aktor und funktionell damit zusammenwirkend einen Steuer-Chip, Prozessor-Chip oder Logik-Chip. Es ist jedoch auch möglich, dass ein einzelner Halbleiter-Chip sowohl eine Sensor- oder Aktorfunktion als auch eine Signalverarbeitungsfunktion einschließt.
-
Bei einer Ausführungsform ist der Wandler konfiguriert als mikroelektromechanisches System (MEMS). Ein derartiges MEMS kann ein elektronisches Element mit einem beweglichen Element, wie z. B. einer Membran oder einem Ausleger, als funktioneller Struktur sein. Bei einem derartigen MEMS soll das Packagegehäuse des Packages und/oder das Vorrichtungsgehäuse der elektronischen Vorrichtung das bewegliche Element des MEMS gegen mechanische Schäden durch externe mechanische Lasten schützen.
-
Bei einer Ausführungsform umfasst das Packagegehäuse ein elastisches Material, d. h. ein durch eine Kraft reversibel verformbares Material, oder es besteht daraus. Somit kann das Packagegehäuse teilweise oder vollständig aus einem Material hergestellt sein, das durch mäßige externe Kräfte verdichtet oder verschoben werden kann. Diese Eigenschaft lässt sich in vorteilhafter Weise für die Abdichtfunktion einsetzen. Diese Eigenschaft kann jedoch in vorteilhafter Weise auch für die Wandlerfunktion verwendet werden, insbesondere wenn der Wandler ein bewegliches Element wie eine Membran umfasst, da sich ein derartiges bewegliches Element frei bewegen kann, insbesondere wenn seine Umgebung nicht zu steif ist. Die elastische Eigenschaft einer derartigen Kapselung oder eines Packagegehäuses kann synergistisch eingesetzt werden, um einen Dichtungsabschnitt als Bestandteil des elastischen Materials zu bilden.
-
Bei einer Ausführungsform besteht das Packagegehäuse aus der Dichtung. Bei einer derartigen Ausführungsform stellt das gesamte Packagegehäuse eine Abdichtfunktion bereit, insbesondere bei Implementierung in der elektronischen Vorrichtung. Gleichzeitig kann das gleiche Material auch eine weitere Gehäusefunktion wie z. B. eine Kapselung bereitstellen.
-
Bei einer Ausführungsform umfasst das Packagegehäuse ein Kapselungsmaterial, insbesondere eine Formmasse oder eine Auftragsstruktur, das mindestens einen Teil von mindestens einem des Wandlers und des Trägers kapselt und das seitlich (insbesondere am kompletten Umfang) durch die Dichtung umgeben wird. Außer der Abdichtfunktion kann der Packagegehäuse-Abschnitt, insbesondere der elastische Packagegehäuse-Abschnitt, auch als Kapselungsmaterial für eines oder mehrere der erwähnten Elemente des Packages dienen. Es ist auch möglich, dass ein derartiges Packagegehäuse mindestens einen Teil einer elektrischen Schaltung im Packagegehäuse kapselt, z. B. einen oder mehrere Bonddrähte und/oder Bestandteile von Lötverbindungen. Derartige elektrische Verbindungselemente können mechanisch sensibel sein, und sie können daher gleichzeitig durch die integrierte Dichtung geschützt werden.
-
Bei einer Ausführungsform hat die Dichtung eine kreisförmige Form. Mit einer derartigen geschlossenen Ringstruktur kann eine Abdichtfunktion zum Unterdrücken von Fluidaustritt um eine seitlich ununterbrochene Strecke ausgeführt werden. Die Dichtung kann nach oben und/oder nach unten über den Rest des Packages herausragen, um damit den Rest des Packages bezüglich eines Vorrichtungsgehäuses der elektronischen Vorrichtung usw. zu beabstanden. Dies stellt eine zusätzliche mechanische Schutzfunktion bereit und ermöglicht auch die korrekte Ausführung der Abdichtfunktion.
-
Bei einer Ausführungsform steht die Dichtung über eine Kante des Wandlers in vertikaler Richtung (d. h. in der Hauptverdichtungsrichtung der Dichtung während des Abdichtens gegen das Vorrichtungsgehäuse) und/oder in seitlicher Richtung (die eine horizontale Richtung sein kann) hinaus über. Die Dichtung kann daher einen seitlichen und/oder vertikalen Endabschnitt des Packages bilden, der sowohl zu einer Abstandsfunktion zum Schutz des Rests des Packages als auch zu einer Abdichtfunktion beiträgt, da derartige vorspringende Abschnitte leicht mit einer abzudichtenden Gegenfläche in Kontakt gebracht werden können.
-
Bei einer Ausführungsform ist das Package konfiguriert als Premold-Package (siehe z. B. die Ausführungsform von 1 und 2), oder als über dem Chip ausgebildetes Package (siehe z. B. die Ausführungsform von 3), oder als WLB-Package (siehe z. B. die Ausführungsform von 4). Die Ausführungsbeispiele der Erfindung sind jedoch auch mit anderen Package-Architekturen kompatibel.
-
Bei einer Ausführungsform umfasst das Package ein elektrisches Verbindungselement, z. B. mindestens einen Bonddraht und/oder mindestens eine Lötstruktur, konfiguriert zum elektrischen Verbinden des Wandlers mit dem Träger (und/oder zum Aneinanderkoppeln unterschiedlicher Halbleiter-Chips des Wandlers), um mindestens teilweise innerhalb der Dichtung zu verlaufen. Auch andere Arten von elektrischen Verbindungselementen können durch das Packagegehäuse mit Mehrfachfunktion geschützt werden.
-
Bei einer Ausführungsform ist die Dichtung konfiguriert als fluiddichte Dichtung, insbesondere als mindestens eines von einer wasserdichten Dichtung oder einer luftdichten Dichtung. Im Rahmen der vorliegenden Anmeldung kann der Begriff „Fluid” insbesondere ein Gas und/oder eine Flüssigkeit bezeichnen, wahlfrei feste Partikel umfassend.
-
Bei einer Ausführungsform ist die Dichtung mit einem Rest des Packagegehäuses haftend oder mittels materiellem Eingriff verbunden. Bei einer derartigen Ausführungsform haften das Material der Dichtung und das Material des Rests des Packagegehäuses selbsttätig aneinander, statt als separate Komponenten oder auf ähnliche Weise miteinander verklebt zu sein.
-
Bei einer Ausführungsform ist mindestens eines von der Dichtung und eines Rests des Packagegehäuses aus komprimierbarem Material hergestellt. Beispielsweise kann die Dichtung aus Silikon oder Gummi hergestellt sein. Ein Kapselungsmaterial des Packagegehäuses kann ein Gel sein.
-
Bei einer Ausführungsform bildet die Dichtung mindestens einen Teil einer Außenfläche des Packagegehäuses. Bei einer derartigen Ausführungsform führt die Dichtung ihre Abdichtfunktion mit Bezug auf eine Umgebung des Packages aus und nicht oder zumindest nicht nur innerhalb des Packages.
-
Bei einer Ausführungsform ist der Port ein Durchgangsloch im Vorrichtungsgehäuse. Als Alternative zu einem Durchgangsloch, das eine freie Ausbreitung von Schallwellen oder Gasen ermöglicht, ist es auch möglich, dass der Port das Vorrichtungsgehäuse mechanisch schließt, aber es dennoch einer packageexternen Eigenschaft ermöglicht, den Wandler mit einem Inneren der elektronischen Vorrichtung zu beeinflussen. Dies ist beispielsweise möglich, wenn der Port mit einem gaspermeablen Filter o. A. gefüllt ist (hergestellt z. B. aus einem porösen Material), das es Schallwellen und/oder Gas ermöglicht, das Filter im Port zu durchlaufen, um diese Schallwellen bzw. das Gas auch in ein Inneres der elektronischen Vorrichtung zu übertragen. Der Port kann auch ein optisch transparenter Port sein, der die Ausbreitung von Licht zwischen einem Inneren und einem Äußeren des Vorrichtungsgehäuses ermöglicht.
-
Bei einer Ausführungsform ist die elektronische Vorrichtung konfiguriert als ein Element der Gruppe bestehend aus einer portablen Benutzereinrichtung, einem Mobiltelefon, einem Smartphone, einer Armbanduhr und einem Tablet. Jedoch sind auch andere Anwendungen möglich. Beispielsweise kann die elektronische Vorrichtung konfiguriert sein als ein Element der Gruppe bestehend aus einer portablen Vorrichtung, einem Handheld-Gerät, einer Benutzereinrichtung, einem Multimedia-Gerät, einem Mobiltelefon, einem Smartphone, einem Tablet-Computer, einem Laptop, einer Digicam und einem Personal Digital Assistant (PDA). Ausführungsbeispiele können insbesondere mit beliebigen Arten von Handheld-Geräten implementiert sein, sie können aber auch bei anderen elektronischen Vorrichtungen wie Monitoren und Fernsehgeräten angewandt werden.
-
Bei einer Ausführungsform umfasst die elektronische Vorrichtung eine Montagebasis, auf der ein Träger des Packages angebracht wird, und zwar insbesondere des Packages, mit dem der Träger elektrisch verbunden ist. Eine derartige Montagebasis kann beispielsweise eine Baugruppe wie z. B. eine Leiterplatte (PCB) sein. Es sind jedoch Alternativen für die Montagebasis möglich, wie z. B. ein Flex Board, ein Keramiksubstrat oder eine beliebige andere geeignete elektronische Montagebasis.
-
Bei einer Ausführungsform ist die Dichtung konfiguriert zum Abdichten durch Niederpressen zwischen dem Vorrichtungsgehäuse und einem Träger des Packages. Somit kann die Abdichtfunktion durch alleiniges Komprimieren der Dichtung zwischen dem Vorrichtungsgehäuse und dem Träger ausgeführt werden.
-
Bei einer Ausführungsform ist die Dichtung bereitgestellt oder gebildet durch ein Element der Gruppe bestehend aus Formen, Dispensieren, Vulkanisieren und Pick-and-Place-Bestückung der Dichtung. Andere Herstellungsverfahren wie Auftragen oder Laminieren sind jedoch ebenfalls zur Herstellung des Dichtungsteils des Packagegehäuses möglich.
-
Bei einer Ausführungsform umfasst das Verfahren weiter die Montage des Packages in einem Vorrichtungsgehäuse der elektronischen Vorrichtung, sodass der Wandler über einen Port im Vorrichtungsgehäuse mit einem Äußeren des Vorrichtungsgehäuses funktionell gekoppelt ist und die Dichtung zwischen einem Inneren des Gehäusegehäuses und dem Port abdichtet. Die Dichtung kann jedoch auch für andere Abdichtzwecke eingesetzt werden.
-
Bei einer Ausführungsform ist der elektromechanische oder elektroakustische Wandler ein mikroelektromechanisches System (MEMS). Bei einer derartigen Ausführungsform ist es beispielsweise möglich, dass eine Stützstruktur (insbesondere als Hohlrohr oder Kreisring geformt) für Polysiliziummembranen aus kristallinem Silizium gebildet ist. Metallische Elektroden können in die Membranen verbunden werden, sodass gegenseitige Bewegung der Membranen als Reaktion auf zu erkennenden Schall eine Änderung der Kapazität der beschriebenen Struktur bewirkt, die über die Elektroden elektrisch nachweisbar ist. Gemäß anderen Ausführungsbeispielen können jedoch andere Beschaffenheiten des Wandlers implementiert werden, beispielsweise unter Verwendung eines piezoelektrischen Mikrofons. Die Dicke der Membranen kann geringer als 1 μm sein, beispielsweise 300 nm oder 800 nm. Die Elektroden können aus Gold hergestellt sein. Eine Höhe des elektroakustischen Wandlers kann weniger als 1 mm sein, beispielsweise nicht mehr als 800 μm. Luftkanäle in den Membranen können ein bestimmtes Druckgleichgewicht zwischen den Räumen an beiden gegenüberliegenden Seiten der Membranen bereitstellen. Weiter kann ein Klebemittel, das zum Verbinden des Wandlers mit dem Träger eingesetzt wird, Gase erzeugen, die über die Luftkanäle aus dem hinteren Volumen entfernt werden kann.
-
Die vorstehenden und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der folgenden Beschreibung und der angehängten Ansprüche in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen ersichtlich, in denen gleiche Teile oder Elemente mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet sind.
-
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
-
Die begleitenden Zeichnungen, die eingeschlossen sind, um ein weitergehendes Verständnis von Ausführungsbeispielen der Erfindung bereitzustellen, und die einen Anteil der Patentschrift darstellen, veranschaulichen Ausführungsbeispiele der Erfindung.
-
In den Zeichnungen ist Folgendes dargestellt:
-
1 zeigt einen Querschnitt einer elektronischen Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel.
-
2 zeigt eine Draufsicht der elektronischen Vorrichtung entsprechend 1.
-
3 zeigt einen Querschnitt einer elektronischen Vorrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.
-
4 zeigt eine Querschnittsansicht einer elektronischen Vorrichtung gemäß noch einem weiteren Ausführungsbeispiel.
-
Detaillierte Beschreibung von Ausführungsbeispielen
-
Die Veranschaulichung in der Zeichnung ist schematisch und nicht maßstabsgetreu.
-
Bevor Ausführungsbeispiele Bezug nehmend auf die Figuren detaillierter beschrieben werden, werden einige allgemeine Überlegungen kurz zusammengefasst, auf deren Grundlage die Ausführungsbeispiele entwickelt wurden.
-
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist eine Sensorpackage-Baugruppe mit integrierter Abdichtfunktion bereitgestellt. Eine derartige Ausführungsform ermöglicht einen luftdichten oder wassergeschützten Zusammenbau eines Sensorpackages zu einer zweiten Gehäuseebene (wie z. B. einem Vorrichtungsgehäuse einer elektronischen Vorrichtung wie eines Smartphones). Somit ist ein Beispiel einer elektronischen Vorrichtung, die in vorteilhafter Weise mit einem Package entsprechend einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ausgestattet werden kann, ein wassergeschütztes Smartphone, das eine oder mehrere Öffnungen für Sensoren, Lautsprecher und Mikrofon aufweist, die Signale ein- und auslassen, nicht aber Wasser.
-
Üblicherweise werden zusätzliche Dichtungsteile für derartige elektronische Vorrichtungen verwendet, die zwischen dem Vorrichtungsgehäuse der elektronischen Vorrichtung und einer Gegenfläche platziert sein können. Ein typisches Dichtungsteil, das üblicherweise verwendet werden kann, ist ein separater O-Ring. Zusammenbau und Handhabung einer zusätzlichen Komponente in Form eines derartigen O-Rings sind jedoch üblicherweise umständlich.
-
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung kann die Implementierung eines zusätzlichen Dichtungsteils ausgelassen werden. Dagegen ist die Abdichtfunktion gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung bereits in einem Package integriert. Dies macht Herstellung, Handhabung und Zusammenbau einer zusätzlichen Dichtungskomponente entbehrlich und führt zu einer kompakten Gesamtstruktur der elektronischen Vorrichtung infolge der Bereitstellung eines Packages mit integrierter Dichtungsfunktionalität.
-
Ein Kernpunkt eines Ausführungsbeispiels der Erfindung ist die Bereitstellung eines Wandlers, insbesondere eines Sensors (wie z. B. eines Drucksensors, Gassensors, optischen Sensors, Radarsensors, einer Kamera usw.), der ein oder mehrere Chips auf einem mehrschichtigen Substrat oder einem Leadframe umfasst, die in einem elastischen Aushöhlungspackage untergebracht und durch ein Vorrichtungsgehäuse oder einen Deckel abgedeckt sind, das/der Teil eines Systems zweiter Ebene ist, d. h. einer elektronischen Vorrichtung wie z. B. eines Mobiltelefons.
-
In vorteilhafter Weise kann die Dichtung bereits das Sensorpackagegehäuse sein. Anders ausgedrückt, bietet ein Package eines Ausführungsbeispiels der Erfindung neben der Wandlerfunktion (insbesondere Abtasten) weiter bereits die Dichtungsfunktion, ohne ein separates Dichtungsteil handhaben und zusammensetzen zu müssen. Weiter ist es mit Ausführungsbeispielen möglich, das Vorrichtungsgehäuse der elektronischen Vorrichtung als Gegenstück für das Package zu verwenden.
-
Ein beispielhaftes Anwendungsgebiet von Ausführungsbeispielen der Erfindung sind Armbanduhren für den Außeneinsatz mit einerseits barometrischen Luftdrucksensoren und zusätzlicher Unterwassertauglichkeit bis 300 m Wassertiefe.
-
Bei einer Ausführungsform ist ein elastisches Aushöhlungspackage bereitgestellt, das eine integrierte Abdichtfunktion bietet. Ein Package gemäß einem Ausführungsbeispiel kann als Premold-Package bereitgestellt sein (siehe z. B. 1 und 2, die im Folgenden detaillierter beschrieben werden).
-
Insbesondere kann ein Drucksensor bereitgestellt sein, der einen oder mehrere Chips (z. B. einen Sensor und einen Prozessor) umfasst oder daraus besteht, oder ein mehrschichtiges Substrat oder einen Leadframe, ein weiches/elastisches Aushöhlungspackage-Gehäuse, wahlfrei Schutzgel und eine Abdeckung (d. h. Vorrichtungsgehäuse einer elektronischen Vorrichtung wie eines Telefons, einer Armbanduhr oder eines Supersystems).
-
Bei einer anderen Ausführungsform kann das Package konfiguriert sein als übliches geformtes Package, z. B. hergestellt in einer Mold-over-Chip-Architektur (siehe z. B. 3, die im Folgenden ausführlicher beschrieben wird).
-
1 zeigt einen Querschnitt einer elektronischen Vorrichtung 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. 2 zeigt eine Draufsicht der elektronischen Vorrichtung 100 entsprechend 1.
-
Die hier als Mobiltelefon ausgeführte elektronische Vorrichtung 100 umfasst ein äußeres Vorrichtungsgehäuse 102 mit einem Gaseinlass-Port 104, ausgeführt als offenes Durchgangsloch, das durch das äußere Vorrichtungsgehäuse 102 verläuft. Weiter weist die elektronische Vorrichtung 100 ein Package 150 auf, das einen Sensor oder Wandler 154 umfasst, der in einem Inneren 160 des äußeren Vorrichtungsgehäuses 102 angebracht ist.
-
Das Package 150 umfasst eine packageintegrierte ringförmige elastische Dichtung 158. Wie aus 1 hervorgeht, ist das Package 150 im Vorrichtungsgehäuse 102 montiert, sodass der Wandler 154 über den Port 104 und über elastisches Gel eines Kapselungsmaterials 164 mit einem Äußeren 162 des Vorrichtungsgehäuses 102 gekoppelt ist. Anders ausgedrückt, kann ein externer Druck über den Port 104 und über das Druck übertragende Kapselungsmaterial zum Wandler 154 übertragen werden, um diesen Druck zu detektieren. Die Anbringung des Packages 150 im (oder alternativ dazu: am) Vorrichtungsgehäuse 102 ist so, dass die Dichtung 158 das Innere 160 des Vorrichtungsgehäuses 102 in Bezug auf das Äußere 162, das in fluidischer Kommunikation und in Druckaustausch mit dem Port 104 ist, abdichtet oder strömungstechnisch entkoppelt. Anders ausgedrückt, dichtet die Dichtung 158 ab zwischen dem Package 150 (genauer zwischen dessen Träger 152) einerseits und einem packageexternen Körper (genauer dem Vorrichtungsgehäuse 102 der elektronischen Vorrichtung 100) andererseits. Somit können wegen der wasserdichten Funktion der Dichtung 158 keine Flüssigkeiten wie Wasser oder Feuchtigkeit vom Äußeren 162 zum Inneren 160 strömen. Die Dichtung 158 ist somit konfiguriert zum strömungstechnischen Entkoppeln des Inneren 160 mit Bezug auf das Äußere 162 der elektronischen Vorrichtung 100 im dargestellten Bauzustand. Entsprechend 1 bildet die Dichtung 158 einen Bestandteil des elastischen Packagegehäuses 156, statt als separater Körper bereitgestellt zu sein. Anders ausgedrückt, können die Dichtung 158 und der Rest des Packages 150 zusammen gehandhabt werden und einen Körper in einem Stück bilden.
-
Die elektronische Vorrichtung 100 umfasst weiter eine Montagebasis 106, die hier als Leiterplatte (PCB) ausgeführt ist. Die Montagebasis 106 und der Träger 152 des Packages 150 (mit seinem Wandler 154) sind elektrisch verbunden durch eine Lötverbindung 180, elektrisch und mechanisch durch Verbindungsflächen 182 der Montagebasis 106 mit Kontaktflächen 184 des Trägers 152, Durchkontaktierungen 186, die durch den Träger 152 verlaufen, Lötaugen 188 über den Durchkontaktierungen 186, und Bonddrähte 166 vervollständigen den elektrischen Verbindungspfad von der Montagebasis 106 zum Wandler 154. Entsprechend 1 ist der Träger 152 als weitere Leiterplatte (PCB) ausgeführt.
-
Der auf dem Träger 152 angebrachte Wandler 154 ist konfiguriert zum Konvertieren eines packageexternen Drucks (der sich über den Port 104 und über das elastische Kapselungsmaterial 164 zum Wandler 154 ausbreitet) in ein elektrisches Signal, das den zu detektierenden Druckwert angibt. Zu diesem Zweck umfasst der Wandler 154 einen MEMS-Sensor-Chip 190, der als drucksensibles Element wirkt und der durch einen Steuer-Chip 192 gesteuert wird, der beispielsweise vom Sensor-Chip 190 erfasste Sensorsignale abarbeiten kann. Bei der gezeigten Ausführungsform ist der Sensor-Chip 190 über dem Steuer-Chip 192 angebracht, und er ist durch einen Bonddraht 166 mit Letzterem verbunden.
-
Das Package 150 hat ein Packagegehäuse 156 (zusammengesetzt aus der Dichtung 158 und dem vollständig damit verbundenen Kapselungsmaterial 164), das einen Teil des Trägers 152 bedeckt und den Wandler 154 aufnimmt. Das Packagegehäuse 156 umfasst verteiltes gelartiges Kapselungsmaterial 164, das den Wandler 154 einkapselt und einen Teil des Trägers 152 bedeckt und das seitlich durch die Dichtung 158 umgeben und eingegrenzt wird. Auch die Dichtung 158 kann durch Verteilen oder Gießen usw. gebildet werden. Wie 1 und 2 zu entnehmen ist, verläuft die Dichtung 158 über Kanten des Wandlers 154 und selbst des Kapselungsmaterials 164 hinaus sowohl in vertikaler Richtung als auch in horizontaler Richtung.
-
1 zeigt daher die elektronische Vorrichtung 100 mit darin montiertem Premold-Package 150, wobei die flüssigkeitsdichte Dichtung zwischen dem Package 150 und der Abdeckung 102 der elektronischen Vorrichtung 100 ausgeführt wird durch die integrierte Dichtung 158, die einen Teil eines Packagegehäuses 156 des Packages 150 bildet. Somit ist eine Sensoranordnung mit einer integrierten Abdichtfunktion bereitgestellt, die durch das Packagegehäuse 156 des Packages 150 beigetragen wird. Daher ist ein separates und getrennt vom Package 150 bereitgestelltes Abdichtelement entbehrlich, was die Handhabung während eines Herstellungsprozesses der elektronischen Vorrichtung 100 vereinfacht. Weiter stellt eine derartige integrierte Dichtung 158, die einen Teil eines Wandlerpackage-Gehäuses 156 bildet, eine sehr kompakte Konfiguration bereit, und sie begrenzt das Volumen, in dem das weiche Kapselungsmaterial 164 durch Verteilen und Härten ausgebildet werden kann. 1 zeigt daher ein elastisches Aushöhlungspackage 150, das eine integrierte Abdichtfunktion bietet. Der Port 104 des Durchgangslochs im Vorrichtungsgehäuse 102 dient als Druckzugang für das Bereitstellen einer Druckkopplung zwischen dem Inneren 160 und dem Äußeren 162 der elektronischen Vorrichtung 100. Die Montagebasis 106 bezieht sich auf eine PCB zweiter Ebene. Der Träger 152 kann ein mehrschichtiges Substrat oder ein Leadframe sein und den Controller-Chip 192 tragen.
-
2 zeigt eine Draufsicht der Anordnung gemäß 1, und sie zeigt insbesondere die integrierte Dichtung 158, ausgeführt als an ihrem Umfang geschlossene ringförmige Struktur.
-
Entsprechend 1 und 2 ist die Dichtung 158 haftend verbunden und in materiellem Eingriff mit einem Rest des Packagegehäuses 156, sodass der Dichtabschnitt und der Kapselungsabschnitt des Packagegehäuses 156 eine vollständig verbundene und selbsttätig haftende gemeinsame Struktur bilden. Die Dichtung 158 bildet einen Teil einer Außenfläche des Packagegehäuses 156, und sie kann daher eine packageexterne Abdichtfunktion statt nur einer packageinternen Abdichtfunktion bereitstellen. Diese Abdichtfunktion wird gemäß 1 durch Komprimieren der Dichtung 158 zwischen dem Vorrichtungsgehäuse 102 und dem Träger 152 des Packages 150 ausgeführt.
-
Entsprechend 1 und 2 begrenzt die Dichtung 158 seitlich das elastische gelartige Kapselungsmaterial 164 und erfüllt daher auch eine Packagegehäusefunktion, und sie bildet dementsprechend einen Teil des Packagegehäuses 156.
-
Zum Herstellen der elektronischen Vorrichtung 100 gemäß 1 und 2 kann die Dichtung 158 vor dem Verteilen des das Kapselungsmaterial 164 bildenden Gelmaterials gebildet werden. Die den Wandler 154 bildenden Halbleiter-Chips können auf dem Träger 152 und übereinander vor bzw. nach dem Verbinden der Dichtung 158 auf dem Träger 152 angebracht werden.
-
Für die Dichtung 158 sind verschiedene Herstellungsverfahren möglich. Bei einer Ausführungsform kann die Dichtung 158 hergestellt werden durch Verteilen (und, falls erwünscht oder erforderlich: durch Härten) von elastischem Dichtmaterial (zum Beispiel Silikon) auf dem Träger 152. Bei einer anderen Ausführungsform kann die Dichtung 158 durch Gießen, z. B. durch Spritzguss, ausgebildet werden. Es ist auch möglich, die Dichtung 158 durch Vulkanisieren herzustellen. Weiter ist es auch möglich, eine zuvor hergestellte Dichtung 158 zu entnehmen und auf dem Träger 152 zu platzieren und sie dort zu befestigen. Bei einer derartigen Ausführungsform kann die integrierte Verbindung zwischen der Dichtung 158 und dem Träger 152 durch Kleben oder Formschluss ausgeführt werden (z. B. durch Blockieren der Dichtung 158 in einer umgekehrt geformten Aussparung im Träger 152).
-
3 zeigt einen Querschnitt einer elektronischen Vorrichtung 100 mit einem Mold-over-Chip-Package 150 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.
-
Entsprechend 3 besteht das gesamte Packagegehäuse 156 aus der Dichtung 158 oder ist mit der Dichtung 158 identisch.
-
Elektrische Kopplungselemente, hier als Bonddrähte 166 ausgeführt, sind konfiguriert zum elektrischen Koppeln des Wandlers 154 mit dem Träger 152, und sie verlaufen hier vollständig innerhalb der Dichtung 158.
-
In 3 werden die Funktionen des Sensor-Chips 190 und des Steuer-Chips 192 sämtlich durch einen einzelnen Halbleiter-Chip ausgeführt (siehe Bezugsziffer 154). Das Package 150 aus 3 kann eine Drucksensor- oder Mikrofon-Funktionalität bereitstellen.
-
Die in 3 gezeigte Ausführungsform bezieht sich auf ein elastisches Aushöhlungspackage 150, das auch eine integrierte Abdichtfunktion bietet. 3 bezieht sich auf die Architektur eines geformten Packages (in einer Mold-over-Chip-Konfiguration). Bei dieser Ausführungsform bildet die integrierte Dichtung 158 das gesamte Packagegehäuse 156 des Packages 150 und stellt auch eine Kapselung der mechanisch sensiblen Bonddrähte 166 bereit.
-
Gemäß 3 kapselt die Dichtung 158 einen Teil des Wandlers 154, und sie kapselt vollständig die Bonddrähte 166 und erfüllt somit eine Packagegehäusefunktion und bildet dementsprechend einen Teil des Packagegehäuses 156.
-
4 zeigt eine Querschnittsansicht einer elektronischen Vorrichtung 100 gemäß noch einem weiteren Ausführungsbeispiel.
-
Die elektronische Vorrichtung 100 gemäß 4 unterscheidet sich von der elektronischen Vorrichtung 100 gemäß 3 dadurch, dass die Bonddrahtverbindung zwischen dem Wandler 154 und dem Träger 152 durch eine Lötverbindung ersetzt ist, wobei der Wandler 154 in einer Flip-Chip-Konfiguration gemäß 4 angeordnet ist. Dementsprechend ist das Package 150 der elektronischen Vorrichtung 100 aus 4 in WLB-Architektur (Wafer Level Ball Grid Array) ausgeführt. Kontaktflächen 200 des Wandlers 154 sind mit den Lötaugen 188 oberhalb des Trägers 152 durch weitere Lötverbindungen 180 verbunden. Auf Wafer-Level können vor dem Vereinzeln bereits Lötkugeln ausgebildet sein. Die Verbindung mit dem Träger 152 des PCB-Typs kann anschließend durch Löten in einem Reflow-Ofen oder Ähnliches erfolgen.
-
Gemäß 4 kapselt die Dichtung 158 einen Teil des Wandlers 154, und sie kapselt die Elemente 180, 188, 200 der Lötverbindung und erfüllt damit eine Packagegehäusefunktion und bildet dementsprechend einen Teil des Packagegehäuses 156.
-
Abschließend stellen Ausführungsbeispiele der Erfindung einen Sensor bereit (wie z. B. einen Drucksensor, Gassensor, optischen Sensor, Radarsensor oder eine Kamera), der Chips auf einem mehrschichtigen Substrat oder einem Leadframe umfasst, die in einem elastischen Aushöhlungspackage untergebracht und durch einen Deckel abgedeckt sind, der Teil eines Systems zweiter Ebene ist (d. h. einer elektronischen Vorrichtung). Beispielsweise kann der Deckel die Abdeckung eines elektronischen Benutzergeräts wie z. B. eines Mobiltelefons oder eines Supersystems sein.
-
In besonders vorteilhafter Weise kann die Dichtung bereits das Sensorpackagegehäuse selbst oder ein Teil davon sein. Anders ausgedrückt, bietet ein derartiges Package neben der Gehäusefunktion zusätzlich bereits die Abdichtfunktion. Bei einer Ausführungsform kann das Vorrichtungsgehäuse der elektronischen Vorrichtung einen Teil des Packages bilden.
-
Es sollte beachtet werden, dass der Begriff „umfassend” andere Elemente oder Merkmale nicht ausschließt und dass „ein” bzw. „eine” sowie deren Deklinationen die Mehrzahl nicht ausschließen. Es können auch Elemente kombiniert werden, die in Zusammenhang mit unterschiedlichen Ausführungsformen beschrieben werden. Es sollte ebenfalls beachtet werden, dass Bezugszeichen nicht als den Umfang der Ansprüche einschränkend zu betrachten sind. Darüber hinaus soll der Umfang der vorliegenden Anmeldung nicht auf die bestimmten, in der Patentschrift beschriebenen Ausführungsformen des Prozesses, der Maschine, die Herstellungsweise, gegenständliche Zusammensetzung, Mittel, Verfahren und Schritte beschränkt sein. Dementsprechend sollen die angehängten Ansprüche in ihrem Umfang solche Prozesse, Maschinen, Herstellungsweisen, gegenständliche Zusammensetzungen, Mittel, Verfahren oder Schritte einschließen.
