DE102016205793A1 - Mikromechanisches System - Google Patents

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Abstract

Ein Mikrosystem umfasst einen Anschlussrahmen, ein Zwischenelement und ein mikromechanisches System. Das Zwischenelement ist mittels einer Lötverbindung mit dem Anschlussrahmen verbunden und das mikromechanische System ist auf dem Zwischenelement angebracht.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein mikromechanisches System. Insbesondere betrifft die Erfindung ein mikromechanisches System zur Bestimmung eines Umfeldparameters.
  • Stand der Technik
  • Ein Mikrosystem umfasst einen Anschlussrahmen („lead-frame“) und ein mikromechanisches System, das auf dem Anschlussrahmen angebracht ist. Üblicherweise ist das mikromechanische System mittels feinen Drähten (Bonddrähte) mit dem Anschlussrahmen verbunden. Ein Gehäuse für das Mikrosystem kann mittels Gießen (molding) bereitgestellt werden. Dabei werden die Elemente des mikromechanischen Systems in eine Form eingelegt, die mit einer flüssigen oder pastösen Masse, häufig ein Epoxidharz oder Polyester, gefüllt wird. Nach dem Abbinden, Vernetzen oder Aushärten der Masse kann das fertige Mikrosystem aus der Form entnommen werden.
  • Erfordert das mikromechanische System einen Zugang zu einem Umfeld, beispielsweise weil ein Luftdruck einer Umgebung des Mikrosystems mittels des mikromechanischen Systems bestimmt werden soll, so wird das Mikrosystem üblicherweise in einem Gehäuseabschnitt in Form einer Schale oder Halbschale (premold package) eingebracht und anschließend vergossen. Eine Aussparung der Halbschale führt dabei zu einem sensitiven Bereich des mikromechanischen Systems. In einer anderen Ausführungsform wird ein Bereich des mikromechanischen Systems freigestellt („exposed die“), zum Beispiels mittels Filmmolden (film molding).
  • Im Allgemeinen ist es schwierig, einerseits für einen guten Abschluss zwischen dem gegossenen oder teilgegossenen Gehäuse und dem mikromechanischen System zu sorgen und andererseits eine mechanische Spannung zwischen dem mikromechanischen System und dem Anschlussrahmen gering zu halten.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Mikrosystem bereitzustellen. Die Erfindung löst diese Aufgabe mittels der Gegenstände der unabhängigen Ansprüche. Unteransprüche geben bevorzugte Ausführungsformen wieder.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Ein Mikrosystem umfasst einen Anschlussrahmen, ein Zwischenelement und ein mikromechanisches System. Das Zwischenelement ist mittels einer Lötverbindung mit dem Anschlussrahmen verbunden und das mikromechanische System ist auf dem Zwischenelement angebracht.
  • Unter einem mikromechanischen System wird hier ein miniaturisiertes Gerät, eine Baugruppe oder ein Bauteil verstanden, dessen Komponenten Abmessungen im Mikrometerbereich haben und als System zusammenwirken. Ein mikromechanisches System kann einen oder mehrere Sensoren, Aktoren und eine Steuerungselektronik umfassen. Häufig umfasst das mikromechanische System eines oder mehrere bewegliche Elemente. Bevorzugterweise ist das mikromechanische System als mikroelektromechanisches System ausgebildet, bei dem Elektronik und Mechanik zusammenwirken.
  • Ein Anschlussrahmen umfasst üblicherweise einen lötbaren metallischen Leitungsträger in Form eines Rahmens oder Kamms, der insbesondere mittels Stanzen oder Laserschneiden aus einem ebenen Blech herstellbar ist. Der Anschlussrahmen dient der elektrischen Kontaktierung eines mikromechanischen Systems oder eines Dies an der Außenseite eines Gehäuses.
  • Ein Die ist in der Halbleitertechnik die Bezeichnung eines einzelnen ungehäusten Stücks eines Halbleiter-Wafers. Der Wafer ist hierbei eine üblicherweise einen Millimeter dicke Scheibe eines Halbleitermaterials. Auf einer Oberfläche des Dies sind üblicherweise Halbleiterstrukturen angeordnet, sodass das Die als elektronische Schaltung genutzt werden kann. Eine Kontaktierung des Dies erfolgt üblicherweise mittels Bonddrähten.
  • Durch die Einführung eines Zwischenelements zwischen dem mikromechanischen System und dem Anschlussrahmen können mechanische Spannungen vom mikromechanischen System ferngehalten werden. Derartige Spannungen können insbesondere beim Herstellen der Lötverbindung mit dem Anschlussrahmen entstehen. Da das mikromechanische System nicht mehr unmittelbar mit dem Anschlussrahmen verlötet wird, können die Spannungen signifikant reduziert werden.
  • Da das mikromechanische System durch das Zwischenelement weiter vom Anschlussrahmen entfernt ist, kann es einfacher sein, einen physikalischen Zugang des mikromechanischen Systems zu einem Umfeld des Mikrosystems bereitzustellen. Ein derartiger Zugang kann insbesondere eine pneumatische oder hydraulische Leitung umfassen.
  • In einer Ausführungsform umfasst das Mikrosystem ferner ein Gussgehäuse. Durch das auf das Zwischenelement gestapelte mikromechanische System kann sich eine Versteifung ergeben, die beim Anbringen des Gussgehäuses dazu beitragen kann, mechanische Spannungen zu reduzieren.
  • In einer besonders bevorzugten Ausführungsform schließt eine Oberfläche des mikromechanischen Systems bündig mit einer Oberfläche des Gussgehäuses ab. Der Zugang des mikromechanischen Systems zum Umfeld des Mikrosystems kann dadurch besonders direkt sein. Eine Form zur Herstellung des Gussgehäuses kann vorteilhaft einfach ausgeprägt sein. Die Herstellung des Mikrosystems kann vereinfacht sein, da das Abdichten des mikromechanischen Systems gegenüber einer Masse, die ausgehärtet zum Gussgehäuse wird, vereinfacht sein kann.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Zwischenelement ein Die auf. Das Die steht bevorzugterweise in einem funktionalen Zusammenhang mit dem mikromechanischen System. Insbesondere kann das Die eine elektronische Schaltung für ein Signal des ersten mikromechanischen Systems realisieren. Beispielsweise kann mittels der Schaltung eine Auswertung eines Ausgangssignals des als Sensor verwendbaren mikromechanischen Systems erfolgen. In einer weiteren Ausführungsform kann mittels der elektronischen Schaltung das mikromechanische System angesteuert werden, beispielsweise indem vorbestimmte Ströme, Spannungen oder Signale bereitgestellt werden. In noch einer weiteren Ausführungsform kann die Schaltung beiden Zwecken dienen.
  • In einer weiter bevorzugten Ausführungsform umfasst das Zwischenelement ein zweites mikromechanisches System. Das zweite mikromechanische System kann gröbere Strukturen als die elektronische Schaltung des Dies aufweisen, sodass es mechanisch robuster sein kann. Die Funktion einer elektronischen Schaltung, die auf einem Die angebracht ist, kann beim Anbringen des ersten mikromechanischen Systems beispielsweise durch ein eingeklemmtes Partikel leichter gestört werden als beim Anbringen des ersten mikromechanischen Systems auf dem zweiten mikromechanischen System.
  • Das zweite mikromechanische System erfordert bevorzugterweise keinen Zugang zu einer Umgebung des Mikrosystems. In einer Variante kann das zweite mikromechanische System auch funktionslos sein. Dabei kann beispielsweise ein mikromechanisches System verwendet werden, das als Ausschuss bei der Herstellung anderer mikromechanischer Systeme anfällt. In einer anderen Ausführungsform kann das zweite mikromechanische System zwar die generellen Strukturen eines funktionierenden mikromechanischen Systems umfassen, jedoch nicht fertiggestellt sein.
  • Ein Verfahren zum Herstellen eines Mikrosystems umfasst Schritte des Befestigens eines Zwischenelements auf einem Anschlussrahmen mittels einer Lötverbindung; des Befestigens eines ersten mikromechanischen Systems auf dem Zwischenelement; und des Gießens eines Gehäuses.
  • Bevorzugterweise wird ferner ein Gehäuse des Mikrosystems um den Anschlussrahmen, das Zwischenelement und das mikromechanische System gegossen. In einer weiter bevorzugten Ausführungsform wird dabei eine Folie zur Abdeckung einer Oberfläche des ersten mikromechanischen Systems eingesetzt. Die Folie kann dazu verwendet werden, eine Form abzudecken, die die Außenmaße des späteren Gehäuses definiert. Ein Anhaften einer Masse, die zum Gehäuse gegossen wird, an der Form kann dadurch vermieden werden.
  • Kurze Beschreibung der Figuren
  • Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die beigefügten Figuren genauer beschrieben, in denen:
  • 1 ein Mikrosystem;
  • 2 eine Draufsicht auf das Mikrosystem von 1; und
  • 3 ein Ablaufdiagramm für ein Verfahren zum Herstellen eines Mikrosystems
    darstellt.
  • 1 zeigt ein Mikrosystem 100 in einer beispielhaften Ausführungsform. Das Mikrosystem 100 umfasst einen Anschlussrahmen 105, ein erstes mikromechanisches System 110, optional ein zweites mikromechanisches System 115 und ebenfalls optional ein Die 120. Ein optionales Gehäuse 125 ist bevorzugterweise mittels Gießen aus einer pastösen oder flüssigen Masse herstellbar.
  • Das erste mikromechanische System 110 erfordert einen physikalischen Zugang 130 zu einer Umgebung 135 des Mikrosystems 100, etwa um die Bestimmung eines Luftdrucks in der Umgebung 135 mittels des Systems 110 bestimmen zu können. Der Zugang 130 kann insbesondere einen pneumatischen oder hydraulischen Kanal umfassen, durch den ein fluides Medium Zugang zum ersten mikromechanischen System 110 haben kann. Es wird vorgeschlagen, das erste mikromechanische System 110 nicht unmittelbar auf dem Anschlussrahmen 105 anzubringen, sondern auf ein Zwischenelement 135 zu stapeln, das seinerseits am Anschlussrahmen 105 befestigt ist, und zwar bevorzugterweise mittels einer Lötverbindung 140. Das Die 120 ist bevorzugt auch mittels einer Lötverbindung 140 am Anschlussrahmen 105 angebracht.
  • Das Zwischenelement 135 ist vorliegend als zweites mikromechanisches System 115 ausgebildet, kann in einer anderen Ausführungsform jedoch auch beispielsweise durch das Die 120 gebildet sein. Das Zwischenelement 135 kann auch mehrere zweite mikromechanische Systeme 115 oder mehrere Dies 120 umfassen, die aufeinandergestapelt sind. Am oberen Ende des Stapels findet sich das erste mikromechanische System 110, das seinerseits auf der Oberseite des Zwischenelements 135, also auf der vom Anschlussrahmen 105 abgewandten Seite, befestigt ist. Die Befestigung kann beispielsweise mittels Löten oder Kleben erfolgen. In der dargestellten Ausführungsform hat das erste mikromechanische System 110 eine größere Oberfläche als das Zwischenelement 135, die beiden Elemente können jedoch auch gleich groß sein oder das Zwischenelement 135 kann größer als das erste mikromechanische System 110 sein.
  • 1A zeigt eine Ausführungsform, bei der der Zugang 130 eine spezielle Aussparung im Gehäuse 125 erfordert. 1B zeigt eine Ausführungsform, bei der eine Oberfläche des ersten mikromechanischen Systems 110 bündig mit einer Oberfläche des Gehäuses 125 ist.
  • Bevorzugterweise realisiert das Die 120 eine elektronische Schaltung, insbesondere zur Versorgung des ersten mikromechanischen Systems 110 oder zur Aufbereitung oder Weiterverarbeitung eines durch das erste mikromechanische System 110 bereitgestellten Signals. Eine Verbindung des Dies 120 mit dem ersten mikromechanischen System 110 und ggf. auch dem zweiten mikromechanischen System 115 erfolgt bevorzugterweise mittels Bonddrähten 145. Weitere Bonddrähte 145 können zur elektrischen Kontaktierung des Dies 120 mit dem Anschlussrahmen 105 vorgesehen sein, wie beispielsweise in 2 sichtbar ist.
  • 2 zeigt eine Draufsicht auf das beispielhafte Mikrosystem 100 von 1. Hier ist zu sehen, wie unterschiedliche Bonddrähte 145 Anschlüsse 205 des Mikrosystems 100 mit dem Die 120, dem ersten mikromechanischen System 110 und dem zweiten mikromechanischen System 115 verbinden können.
  • 3 zeigt ein Ablaufdiagramm für ein Verfahren 300 zum Herstellen eines Mikrosystems 100 wie dem der 1 oder 2. In einem ersten Schritt 305 wird der Anschlussrahmen 105 bereitgestellt. In einem nachfolgenden Schritt 310 wird das Zwischenelement 135, das in unterschiedlichen Ausführungsformen das zweite mikromechanische System 115 oder das Die 120 umfassen kann, am Anschlussrahmen 105 angebracht. Eine Befestigung des Zwischenelements 135 erfolgt bevorzugterweise in einem nachfolgenden Schritt 315, in dem eine Lötverbindung 140 zwischen dem Zwischenelement 135 und dem Anschlussrahmen 105 hergestellt wird.
  • Das Die 120 kann in einem Schritt 320 am Anschlussrahmen 105 angebracht werden. Dient das Die 120 als Zwischenelement 135, so erfolgt der Schritt 320 bevorzugterweise vor dem Schritt 310. Wird als Zwischenelement 135 ein anderes Element verwendet, insbesondere das zweite mikromechanische System 115, so kann der Schritt 320 vor, nach oder gleichzeitig zum Schritt 310 durchgeführt werden. Nach dem Anbringen wird das Die 120 in einem Schritt 325 mit dem Anschlussrahmen 105 verlötet. Dieser Schritt wird bevorzugterweise integriert mit dem Schritt 315 durchgeführt, kann jedoch auch separat erfolgen.
  • In einer Ausführungsform umfasst das Zwischenelement 135 mehrere Elemente 115 oder 120. In diesem Fall können die Schritte 310 und 315 sinngemäß auch mehrfach wiederholt werden.
  • In einem Schritt 330 wird das erste mikromechanische System 110 auf der Oberseite des Zwischenelements 135 angebracht. Dabei kann das erste mikromechanische System 110 insbesondere mit dem Zwischenelement 135 verlötet oder verklebt werden. Falls erforderlich können einer oder mehrere Bonddrähte 145 am Mikrosystem 100 angebracht werden, insbesondere um die mikromechanischen Systeme 110, 115, das Die 120 und den Anschlussrahmen 105 nach entsprechenden Vorgaben elektrisch miteinander zu verbinden.
  • Soll das Mikrosystem 100 ein Gehäuse 125 in Form eines Moldgehäuses erhalten, so kann in einem Schritt 335 eine Form mit einer Folie ausgekleidet werden, in einem Schritt 340 die beschriebenen Elemente des Mikrosystems 100 in die Form eingelegt werden, in einem Schritt 340 das Gehäuse 125 geschlossen und mit einer flüssigen oder pastösen Masse gefüllt werden. Nach dem Aushärten, Vernetzen oder Abbinden der Masse kann die Form in einem Schritt 345 geöffnet werden und das fertige Mikrosystem 100 kann entnommen werden. Üblicherweise wird dann noch die Folie aus der Form entfernt, bevor die Form zur Herstellung eines weiteren Gehäuses 125 für ein weiteres Mikrosystem 100 verwendet werden kann.

Claims (10)

  1. Mikrosystem (100), umfassend: – einen Anschlussrahmen (105); – ein erstes mikromechanisches System (110), das gegenüber dem Anschlussrahmen (105) befestigt ist; gekennzeichnet durch – ein Zwischenelement (135), das mittels einer Lötverbindung (140) mit dem Anschlussrahmen (105) verbunden ist und auf dem das erste mikromechanische System (110) angebracht ist.
  2. Mikrosystem (100) nach Anspruch 1, wobei das Zwischenelement (135) dazu eingerichtet ist, das erste mikromechanische System (110) gegenüber mechanischen Spannungen zu isolieren, die den Anschlussrahmen (105) betreffen.
  3. Mikrosystem (100) nach Anspruch 1 oder 2, ferner umfassend ein Gussgehäuse (125), wobei eine Oberfläche des ersten mikromechanischen Systems (110) bündig mit einer Oberfläche des Gussgehäuses (125) abschließt.
  4. Mikrosystem (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das erste mikromechanische System (110) einen Zugang (130) zu einer Umgebung des Mikrosystems (100) aufweist.
  5. Mikrosystem (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Zwischenelement (135) ein Die (120) umfasst.
  6. Mikrosystem (100) nach Anspruch 4, wobei das Die (120) eine elektronische Schaltung für ein Signal des ersten mikromechanischen Systems (110) realisiert.
  7. Mikrosystem (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Zwischenelement (135) ein zweites mikromechanisches System (115) umfasst.
  8. Mikrosystem (100) nach Anspruch 6, wobei das zweite mikromechanische System (115) funktionslos ist.
  9. Verfahren (300) zum Herstellen eines Mikrosystems (100), folgende Schritte umfassend: – Befestigen (310, 315) eines Zwischenelements (135) auf einem Anschlussrahmen (105) mittels einer Lötverbindung (140); und – Befestigen (320, 325) eines ersten mikromechanischen Systems (110) auf dem Zwischenelement (135).
  10. Verfahren (300) nach Anspruch 9, wobei ferner ein Gehäuse (125) gegossen wird und während des Gießens (340) eine Folie zur Abdeckung einer Oberfläche des ersten mikromechanischen Systems (110) eingesetzt (335) wird.
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DE102022202299A1 (de) 2022-03-08 2023-09-14 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Mikromechanisches Bauelement und entsprechendes Herstellungsverfahren

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