DE102017206744B9 - Mems package mit hoher wärmekapazität und verfahren zum herstellen selbiger - Google Patents

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Abstract

Vorrichtung (10, 20, 30, 40) mit:einem Substrat (11), wobei auf einer ersten Seite (11A) des Substrats (11) ein MEMS-Baustein (12) angeordnet ist, dessen Ausgangssignal sich bei einer Temperaturänderung verändert, wobei ein Loch (18) in dem Substrat (11) vorgesehen ist, das zum Austausch von Luft mit der Umgebung dient und wobei der MEMS-Baustein (12) ein MEMS-Mikrofon ist,eine auf der ersten Seite (11A) des Substrats (11) angeordnete Gehäusestruktur (13) mit einer Ausnehmung (14) in der der MEMS-Baustein (12) angeordnet ist, wobei die Gehäusestruktur (13) Metall aufweist und eine Abschirmung gegen externe elektromagnetische Strahlung bereitstellt, undeine an zumindest der oberen Außenseite (19) der Gehäusestruktur (13) angebrachte thermisch aktive Schicht (15), die die Wärmekapazität der Vorrichtung (10, 20, 30, 40) erhöht, wobei die Schicht (15) eine Temperaturleitfähigkeit von weniger als1,0⋅10−6m2s,oder von weniger als0,5⋅10−6m2s,oder von weniger als0,2⋅10−6m2saufweist.

Description

  • Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Vorrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 1 sowie ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 12.
  • Gattungsgemäße Vorrichtungen sind in Form unterschiedlicher MEMS-Packages bekannt. Ein auf einem Substrat angeordnetes elektronisches Bauteil, z.B. ein MEMS-Baustein (Micro-Electro-Mechanical-System), ist hierbei von einem Gehäuse umgeben, das den MEMS-Baustein vor äußeren Einflüssen, wie zum Beispiel Staub und Schmutz schützt. Manche Gehäuse schirmen den MEMS-Baustein auch vor externer elektromagnetischer Strahlung ab. Häufig werden hierfür Gehäuse aus Metall eingesetzt.
  • Weitere gattungsgemäße Bauteile sind bspw. aus der DE 10 2017 109 821 A1 , der US 2009 / 0 085 191 A1 , der DE 10 2013 102 213 A1 , der DE 10 2010 026 519 A1 , der US 2004 / 0 061 207 A1 und der US 2016 / 157 023 A1 bekannt.
  • Bekannte Hochfrequenzschirmungen nutzen beispielsweise ein Absorptionsprinzip, bei dem das Gehäuse und das Substrat elektrisch geerdet sind. Somit kann eine direkte Bestrahlung des elektronischen Bauteils mit einer externen Hochfrequenzstrahlung deutlich gedämpft beziehungsweise vermieden werden.
  • Derartige Metallgehäuse stellen also eine sehr gute Abschirmung gegen externe elektromagnetische Strahlung bereit. Allerdings wurde ein bisher unbekannter Effekt beobachtet, der im Folgenden als Hochfrequenz-Thermokopplung bezeichnet werden soll. Hierbei handelt es sich um eine bei der Abschirmung auftretende Erwärmung des Gehäuses.
  • Im Falle dieser Hochfrequenz-Thermokopplung wird die Hochfrequenzenergie, die von dem Gehäuse absorbiert wird, in thermische Energie umgewandelt. Infolgedessen steigt die Temperatur innerhalb des Gehäuses sprunghaft um einige Mikrokelvin an. Bei elektronischen Bauteilen, die auf Temperaturänderungen mit einer Änderung ihres Systemverhaltens reagieren, führt dies zu ungewollten Effekten. So kann sich beispielsweise bei MEMS-Mikrophonen das Signal-Rausch-Verhältnis (engl. Signal to Noise Ratio - SNR) dadurch verschlechtern.
  • Es ist demnach wünschenswert, Packages sowie Verfahren zum Herstellen solcher Packages bereitzustellen, die einen Schutz gegen derartige Hochfrequenz-Thermokopplung bieten.
  • Die vorliegende Offenbarung schlägt hierfür vor, eine Vorrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 1 sowie ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 12 bereitzustellen. Weitere vorteilhafte Beispiele sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
  • Die hierin offenbarte Vorrichtung weist, unter anderem, ein Substrat auf, wobei auf einer ersten Seite des Substrats ein MEMS-Baustein angeordnet ist, dessen Ausgangssignal sich bei einer Temperaturänderung verändert wobei ein Loch in dem Substrat vorgesehen ist, das zum Austausch von Luft mit der Umgebung dient und wobei der MEMS-Baustein ein MEMS-Mikrofon ist. Außerdem weist die Vorrichtung eine auf der ersten Seite des Substrats angeordnete Gehäusestruktur mit einer Ausnehmung auf, in der der MEMS-Baustein angeordnet ist, wobei die Gehäusestruktur Metall aufweist und eine Abschirmung gegen externe elektromagnetische Strahlung bereitstellt. An zumindest der oberen Außerseite der Gehäusestruktur ist eine thermisch aktive Schicht angebracht, die die Wärmekapazität der gesamten Vorrichtung, oder zumindest die Wärmekapazität der Gehäusestruktur, erhöht wobei die Schichteine Temperaturleitfähigkeit von weniger als 1,0 ⋅ 10 − 6 m 2 s ,
    Figure DE102017206744B9_0004
    oder von weniger als 0,5 ⋅ 10 − 6 m 2 s ,
    Figure DE102017206744B9_0005
    oder von weniger als 0,2 ⋅ 10 − 6 m 2 s
    Figure DE102017206744B9_0006
    aufweist.
  • Diese Vorrichtungen können beispielsweise als einzelne Chips hergestellt werden. Es können aber auch mehrere solcher Vorrichtungen gemeinsam, zum Beispiel auf Wafer-Ebene, hergestellt werden. Hierfür schlägt die vorliegende Offenbarung vor ein Wafersubstrat mit einer Vielzahl von auf einer ersten Seite des Substrats angeordneten MEMS-Bausteinen bereitzustellen, wobei die MEMS-Bausteine MEMS-Mikrofone sind, und wobei sich ein Ausgangssignal jedes MEMS-Bausteins bei einer Temperaturänderung verändert und wobei unter jedem MEMS-Baustein ein Loch in dem Wafersubstrat vorgesehen ist, das zum Austausch von Luft mit der Umgebung dient. Ferner soll das bereitgestellte Wafersubstrat eine Vielzahl von auf der ersten Seite des Wafersubstrats angeordneten Gehäusestrukturen aufweisen, wobei jede Gehäusestruktur jeweils eine Ausnehmung aufweist, in der jeweils einer der MEMS-Bausteine angeordnet ist, sodass ein Package gebildet wird, wobei die Gehäusestrukturen Metall aufweisen und eine Abschirmung gegen externe elektromagnetische Strahlung bereitstellen,. Bei dem Verfahren wird außerdem eine thermisch aktive Schicht auf zumindest die obere Außenseite jeder Gehäusestruktur eines Packages aufgebracht, wobei die Schicht die Wärmekapazität des gesamten Packages erhöht und eine Temperaturleitfähigkeit von weniger als 1,0 ⋅ 10 − 6 m 2 s ,
    Figure DE102017206744B9_0007
    oder von weniger als 0,5 ⋅ 10 − 6 m 2 s ,
    Figure DE102017206744B9_0008
    oder von weniger als 0,2 ⋅ 10 − 6 m 2 s
    Figure DE102017206744B9_0009
    aufweist. Die Packages, das heißt die Gehäusestrukturen mitsamt dem darin angeordneten MEMS-Baustein sowie dem Substrat können anschließend vereinzelt werden.
  • Ausführungsbeispiele der vorliegenden Offenbarung sind in der Zeichnung dargestellt und werden nachstehend erläutert. Es zeigen:
    • 1 eine Seitenansicht eines Beispiels einer Vorrichtung
    • 2 eine Seitenansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung,
    • 3 eine Seitenansicht eines Beispiels einer Vorrichtung,
    • 4 eine Seitenansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung,
    • 5A - 5F einen beispielhaften Verfahrensablauf für die Herstellung einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung,
    • 6 ein Blockdiagramm zur Darstellung einzelner Verfahrensschritte eines Verfahrens,
    • 7 eine Prinzipskizze zur Erläuterung des Effekts der HF-Thermokopplung, und
    • 8 Messergebnisse zum Nachweis des Effekts der HF-Thermokopplung.
  • Im Folgenden werden einige Ausführungsbeispiele mit Bezug auf die Figuren näher beschrieben, wobei Elemente mit derselben oder ähnlichen Funktion mit denselben Bezugszeichen versehen sind.
  • Eingangs soll zum besseren Verständnis der nachfolgenden Beschreibung die erwähnte Hochfrequenz-Thermokopplung näher erläutert werden. 7 zeigt beispielhaft eine Vorrichtung 1000, die keine Schicht gemäß der vorliegenden Offenbarung aufweist.
  • Die Vorrichtung 1000 weist ein Substrat 1010, einen darauf angeordneten MEMS-Baustein 1020 sowie ein Gehäuse 1030 auf. Eine externe HF-Quelle 1040 sendet elektromagnetische Strahlung 1050 aus, die von dem Gehäuse 1030 absorbiert wird. Hierbei treten sich in dem Gehäuse 1030 ausbreitende Wirbelströme 1060 auf, die zu einer Erwärmung des Gehäuses 1030 führen. Diese Erwärmung beziehungsweise die dabei erzeugte Wärmeenergie ist schematisch mit den Pfeilen 1070 dargestellt.
  • Die Wärmestrahlung 1070 wird sowohl nach außen als auch nach innen abgegeben. Die in das Innere des Gehäuses 1030 abgegebene Wärmestrahlung 1070 erwärmt den Innenraum des Gehäuses 1030 entsprechend. Sofern der MEMS-Baustein 1020 ein temperatursensitives Verhalten aufweist, wird sich dessen Ausgangssignal entsprechend des Betrags der Temperaturänderung verändern. Bei einigen MEMS-Bausteinen 1020, wie z.B. bei MEMS-Mikrophonen aktueller Bauart, reicht hierfür bereits eine Schwankung von wenigen Mikrokelvin aus.
  • 8 zeigt Messergebnisse eines derartigen thermosensitiven MEMS-Bausteins. Die schematisch dargestellte HF-Quelle 1040 verursacht sowohl ein thermo-mechanisches Übersprechen 1080 sowie ein elektro-magnetisches Übersprechen 1090 auf dem Ausgangssignal des MEMS-Bausteins. Es ist allerdings in den Diagrammen 1081, 1091 zu erkennen, dass der Anteil des thermo-mechanischen Übersprechens überwiegt.
  • Mit diesem Hintergrundwissen sollen nun die Vorrichtung sowie das Verfahren gemäß der vorliegenden Offenbarung unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben werden.
  • 1 zeigt ein Beispiel einer Vorrichtung 10. Die Vorrichtung 10 weist ein Substrat 11 auf. Auf einer ersten Seite 11A des Substrats 11 ist ein MEMS-Baustein 12 angeordnet. Der MEMS-Baustein 12 weist ein thermosensitives Verhalten auf, das heißt das Ausgangssignal des MEMS-Bausteins 12 verändert sich in Reaktion auf eine Temperaturänderung des den MEMS-Baustein 12 umgebenden Mediums.
  • Auf der ersten Seite 11A des Substrats 11 ist ferner eine Gehäusestruktur 13 angeordnet. Die Gehäusestruktur 13 weist eine Ausnehmung 14 auf. Im Inneren der Gehäusestruktur 13, beziehungsweise in der Ausnehmung 14, ist der MEMS-Baustein 12 angeordnet. Die Gehäusestruktur 13 umgibt also den MEMS-Baustein 12 und bildet ein Gehäuse für den auf dem Substrat 11 angeordneten MEMS-Baustein 12.
  • Diese Anordnung der Vorrichtung 10 bildet ein sogenanntes Package und wird im Folgenden auch als ein OCP (Open Cavity Package, dt.: Package mit offener Kavität) bezeichnet.
  • Die Vorrichtung 10 weist außerdem eine an der Gehäusestruktur 13 angebrachte Schicht 15 auf. Die Schicht 15 ist dazu vorgesehen, um die Wärmekapazität der gesamten Vorrichtung 10, beziehungsweise des Packages 10, zu erhöhen, und zwar gegenüber einer Vorrichtung 10 ohne dieser Schicht 15.
  • Die Schicht 15 kann unmittelbar an der Gehäusestruktur 13 angeordnet sein. Demnach können sich, wie abgebildet, keine weiteren Teile zwischen der Gehäusestruktur 13 und der Schicht 15 befinden. Somit erhöht die Schicht 15 zu einem überwiegenden Teil die Wärmekapazität der Gehäusestruktur 13. Da die Gehäusestruktur 13 unmittelbar an dem Substrat 11 angeordnet sein kann, kann somit gleichzeitig auch die Wärmekapazität des Substrats 11 und somit die Wärmekapazität des gesamten Packages 10 erhöht werden.
  • Die Wärmekapazität wird auch als thermische Masse bezeichnet. Sie stellt die Wärmemenge dar, die ein Bauteil bei einer bestimmten Temperaturänderung aufnehmen kann. Je größer die Wärmekapazität ist, desto mehr Energie wird benötigt um das Bauteil zu erwärmen.
  • Durch die Erhöhung der Wärmekapazität der Vorrichtung 10 mittels der Schicht 15 wird also mehr Energie benötigt, um die Vorrichtung 10 zu erwärmen. Oder anders ausgedrückt wird bei einer Erhöhung der Wärmekapazität der Vorrichtung 10 mehr Zeit benötigt, um die Vorrichtung 10 bei gleicher Energie zu erwärmen.
  • Der Vorteil der Vorrichtung 10 liegt also darin, dass bei gleich hoher Intensität der Bestrahlung einer HF-Quelle die Vorrichtung 10 deutlich länger braucht, um sich bei Absorption der Strahlung zu erwärmen. Dadurch dauert es auch entsprechend länger bis sich der Innenraum 14 der Gehäusestruktur 13 erwärmt. Die Temperatur im Innenraum 14 der Gehäusestruktur 13 kann also über einen längeren Zeitraum konstant gehalten werden. Bei zeitkritischen Messungen, beispielsweise im Bereich von Millisekunden, wird das Ausgangssignal des thermosensitiven MEMS-Bausteins 12 dadurch wesentlich weniger beeinträchtigt als bei Packages ohne eine solche Schicht 15 bzw. mit niedrigerer Wärmekapazität.
  • Allgemein ist die Wärmekapazität C eines Körpers definiert als das Verhältnis der dem Körper zugeführten Wärme ΔQ zu der dadurch bewirkten Temperaturänderung ΔT, gemäß der Formel: C = d Q d T
    Figure DE102017206744B9_0010
  • Gemäß einem Beispiel kann die Schicht 15 eine Wärmekapazität aufweisen, die größer ist als die Wärmekapazität der Gehäusestruktur 13.
  • Beispielsweise kann die Wärmekapazität der Schicht 15 um mindestens den Faktor eineinhalb, oder um mindestens den Faktor zwei größer sein als die Wärmekapazität der Gehäusestruktur 13.
  • Außerdem ist es denkbar, dass die Schicht 15 eine Temperaturleitfähigkeit von weniger als 1,0 ⋅ 10 − 6 m 2 s ,
    Figure DE102017206744B9_0011
    oder von weniger als 0,5 ⋅ 10 − 6 m 2 s ,
    Figure DE102017206744B9_0012
    oder von weniger als 0,2 ⋅ 10 − 6 m 2 s
    Figure DE102017206744B9_0013
    aufweist.
  • Die Schicht 15 kann, wie abgebildet, beispielsweise an zumindest einer Außenseite 19 der Gehäusestruktur 13 angeordnet sein. Die Außenseiten der Gehäusestruktur 13 sind die dem Innenraum 14 gegenüberliegend angeordneten Außenseiten bzw. Oberflächen der Gehäusestruktur 13. In dem in 1 abgebildeten Beispiel ist die Schicht 15 an einer Oberseite 19 der Gehäusestruktur 13 angeordnet. Die Oberseite 19 der Gehäusestruktur 13 ist die am weitesten beabstandete Seite der Gehäusestruktur 13, die beispielsweise parallel zu der ersten Substratseite 11A verlaufen kann.
  • 2 zeigt ein Beispiel einer Vorrichtung 20 gemäß der vorliegenden Offenbarung.
  • 2 zeigt im Wesentlichen eine Vorrichtung 20 ähnlich zu der in 1 abgebildeten Vorrichtung 10, mit dem Unterschied, dass die Schicht 15 alle Außenseiten der Gehäusestruktur 13 vollständig bedeckt. Außerdem ist der MEMS-Baustein 12 hier als ein MEMS-Mikrofon dargestellt und ein auf der ersten Seite 11 A des Substrats 11 angeordneter optionaler ASIC 17 ist mittels Bonddrähten 16 elektrisch leitend mit dem MEMS-Baustein 12 gekoppelt.
  • Unterhalb des MEMS-Mikrofons 12 ist ein Loch 18 in dem Substrat 11 angeordnet. Dieses Loch 18 dient dem Austausch von Luft bzw. akustischen Schwingungen mit der Umgebung und wird auch als Soundport bezeichnet.
  • Sowohl bei der in 1 abgebildeten Vorrichtung 10 als auch bei der in 2 abgebildeten Vorrichtung 20 kann die Schicht 15 beispielsweise eine an die Gehäusestruktur 13 angegossene Vergussmasse sein. Es ist aber auch denkbar, dass die Schicht 15 ein an der Gehäusestruktur 13 angeordnetes Formteil ist. Ein solches Formteil kann beispielsweise in einem separaten Formprozess hergestellt sein und an dem Package 10 angeordnet werden.
  • Zum Beispiel kann bei der in 2 abgebildeten Vorrichtung 20 die Schicht 15 die Form eines Deckels bilden, der über der Gehäusestruktur 13 angeordnet wird, um diese abzudecken. Ein solcher Deckel 15 kann beispielsweise als ein vorgefertigtes Formteil ausgebildet sein.
  • Die Schicht 15 kann, beispielsweise auf der oberen Außenseite 19 beziehungsweise der Oberseite 19 der Gehäusestruktur 13, eine parallel zur Substratoberfläche 11A zu bemessende Schichtdicke d1 zwischen 20 µm und 200 µm aufweisen.
  • Die Schicht 15 kann beispielsweise auf lateralen Außenseiten 21, 22 der Gehäusestruktur 13 eine laterale Schichtdicke d2 zwischen 20 µm und 200 µm aufweisen.
  • Die Schicht 15 kann zumindest einen Bestandteil von der Gruppe aus Silikaten, Polyimiden oder Epoxiden aufweisen. Die Schicht 15 kann hierbei entweder vollständig aus einem dieser Materialien bestehen oder zumindest eines dieser Materialien aufweisen.
  • Die Gehäusestruktur 13 selbst weist Metall auf beziehungsweise kann aus Metall gefertigt sein. Somit kann eine Abschirmung von HF-Strahlung gut gewährleistet werden, selbst wenn die Gehäusestruktur 13 abschnittsweise oder vollständig mit der Schicht 15 bedeckt ist.
  • Des Weiteren kann die Schicht 15 magnetische Partikel beinhalten. Alternativ oder zusätzlich kann die Schicht 15 metallische Partikel beinhalten. Beispielsweise können Aluminiumpartikel in der Schicht 15 enthalten sein, um Wirbelströme zu reduzieren.
  • Außerdem kann ein zusätzliches magnetisches Gehäuse und ein Mittel zum Blockieren von Wirbelströmen vorgesehen sein.
  • 3 zeigt ein weiteres Beispiel einer Vorrichtung 30. 3 zeigt im Wesentlichen eine Vorrichtung 30 ähnlich zu der in 1 abgebildeten Vorrichtung 10, mit dem Unterschied, dass die Schicht 15 nicht an einer Außenseite 19, 21, 22 sondern an zumindest einer Innenseite 31, 32, 33 der Gehäusestruktur 13 angeordnet ist.
  • Dabei kann die Schicht 15 auf zumindest der der ersten Substratseite 11A gegenüberliegend angeordneten oberen Innenseite 31 der Gehäusestruktur 13 angeordnet sein. Alternativ oder zusätzlich kann die Schicht 15 an den lateralen Innenseiten 32, 33 der Gehäusestruktur 13 angeordnet sein.
  • Im den in 3 abgebildeten Beispiel bedeckt die Schicht 15 alle Innenseiten 31, 32, 33 der Gehäusestruktur 13 vollständig.
  • 4 zeigt ein weiteres Beispiel einer Vorrichtung 40 gemäß der vorliegenden Offenbarung. 4 zeigt im Wesentlichen eine Vorrichtung 40 ähnlich zu der in 2 abgebildeten Vorrichtung 20, mit dem Unterschied, dass die Schicht 15 sowohl an zumindest einer Außenseite 19, 21, 22 als auch an zumindest einer Innenseite 31, 32, 33 der Gehäusestruktur 13 angeordnet ist.
  • Die 5A bis 5F zeigen schematisch ein Verfahren zum Herstellen einer oben beschriebenen Vorrichtung 10, 20, 30, 40.
  • In 5A wird ein Wafersubstrat 51 bereitgestellt. Auf einer ersten Seite des Wafersubstrats 51 sind mehrere MEMS-Bausteine 12A, 12B, 12C angeordnet. Die MEMS-Bausteine 12A, 12B, 12C weisen ein temperatursensitives Verhalten auf. Das heißt, bei jedem dieser MEMS-Bausteine 12A, 12B, 12C ändert sich deren jeweiliges Ausgangssignal in Abhängigkeit von einer Temperaturänderung des den MEMS-Baustein 12A, 12B, 12C jeweils umgebenden Mediums.
  • Optional kann, wie abgebildet, eine Steuerelektronik 55A, 55B, 55C für den Betrieb des MEMS-Bausteins 12A, 12B, 12C vorgesehen sein. Zum Beispiel kann es sich bei der Steuerelektronik um einen optionalen ASIC 55A, 55B, 55C handeln, wobei jedem MEMS-Baustein 12A, 12B, 12C jeweils ein ASIC 55A, 55B, 55C zugeordnet sein kann.
  • In einem solchen Fall kann, wie in 5B gezeigt ist, jeweils ein solcher ASIC 55A, 55B, 55C mit dem zugehörigen MEMS-Baustein 12A, 12B, 12C elektrisch verbunden werden. Hierfür können beispielsweise Bonddrähte 56 verwendet werden.
  • Das bereitgestellte Wafersubstrat 51 weist ferner eine Vielzahl von auf der ersten Seite des Wafersubstrats 51 angeordneten Gehäusestrukturen 13A, 13B, 13C auf. Jede dieser Gehäusestrukturen 13A, 13B, 13C weist eine Ausnehmung 14A, 14B, 14C auf, in der jeweils einer der MEMS-Bausteine 12A, 12B, 12C angeordnet ist.
  • Somit wird eine Vielzahl von Packages 57A, 57B, 57C bereitgestellt. Die hier beispielhaft abgebildeten Packages 57A, 57B, 57C können sogenannte Open Cavity Packages, kurz OCP, sein. Es kann sich aber zum Beispiel auch um sogenannte embedded Wafer Level Ballgrid Array Packages, kurz eWLB, handeln.
  • Ein Package 57A, 57B, 57C gemäß der vorliegenden Offenbarung weist also zumindest ein Substrat, einen auf einer ersten Seite des Substrats angeordneten MEMS-Baustein und eine ebenfalls auf der ersten Seite des Substrats angeordnete Gehäusestruktur auf, in der der MEMS-Baustein angeordnet ist.
  • Bei dem Verfahren gemäß der vorliegenden Offenbarung wird nun, wie in 5D abgebildet ist, eine Schicht 15 auf zumindest eine Seite eines jeden Packages 57A, 57B, 57C aufgebracht. Die Schicht 15 wird dabei auf zumindest eine Seite einer jeden Gehäusestruktur 13A, 13B, 13C aufgebracht und kann optional, wie in 5D zu erkennen ist, auch zumindest teilweise auf dem Wafersubstrat 51 angeordnet sein. Diese Schicht 15 ist derart ausgebildet, dass sie die Wärmekapazität der einzelnen Packages 57A, 57B, 57C erhöht.
  • Wie in 5E abgebildet ist, können die jeweiligen Packages 57A, 57B, 57C, zum Beispiel mittels Sägen, vereinzelt werden.
  • 5F zeigt ein solches vereinzeltes Package 57A, das mit dem Verfahren gemäß der vorliegenden Offenbarung erhältlich ist. Ein Vorteil hierbei besteht darin, dass der sogenannte Footprint des Packages 57A gleich bleibt wie bei einem Package ohne der Schicht 15.
  • Folgende Abwandlungen und Varianten des Verfahrens gemäß der vorliegenden Offenbarung sind denkbar.
  • Zum Beispiel kann der in 5D gezeigte Schritt des Aufbringens der Schicht 15 beinhalten, dass die Schicht 15 in Form einer Vergussmasse über die jeweiligen Gehäusestrukturen 13A, 13B ,13C der Packages 57A, 57B, 57C gegossen wird.
  • Denkbar wäre aber auch, dass der Schritt des Aufbringens der Schicht 15 beinhaltet, dass die Schicht 15 in Form eines Formteils an der jeweiligen Gehäusestruktur 13A, 13B, 13C des jeweiligen Packages 57A, 57B, 57C angeordnet wird. So könnte beispielsweise eine Schicht 15 in Form eines vorgefertigten Deckels über eine Gehäusestruktur 13A, 13B, 13C angeordnet werden.
  • Der Schritt des Aufbringens der Schicht 15 beinhaltet ferner, dass die Schicht 15 an zumindest einer oberen Außenseite der Gehäusestruktur 13A, 13B, 13C eines jeweiligen Packages 57A, 57B, 57C angeordnet wird. Wie in 5E gezeigt ist, kann es sich dabei beispielsweise um die dem Wafersubstrat 51 abgewandte Oberseite 19A, 19B, 19C der jeweiligen Gehäusestruktur 13A, 13B, 13C handeln.
  • Alternativ kann der Schritt des Aufbringens der Schicht 15 aber auch beinhalten, dass die Schicht 15 auf allen Außenseiten 19A, 21A, 22A; 19B, 21B, 22B; 19C, 21C, 22C der Gehäusestruktur 13A, 13B, 13C des jeweiligen Packages 57A, 57B, 57C angeordnet wird, sodass alle Außenseiten 19A, 21A, 22A; 19B, 21B, 22B; 19C, 21C, 22C der jeweiligen Gehäusestruktur 13A, 13B, 13C vollständig mit der Schicht 15 bedeckt sind, wie in den 5D, 5E und 5F dargestellt ist.
  • Alternativ oder zusätzlich kann der Schritt des Aufbringens der Schicht 15 beinhalten, dass die Schicht 15 auf zumindest einer Innenseite der Gehäusestruktur 13A, 13B, 13C eines jeweiligen Packages 57A, 57B, 57C angeordnet wird. Eine dadurch erhaltbare Anordnung wurde bereits unter Bezugnahme auf 2 beschrieben.
  • Wie ebenfalls unter Bezugnahme auf 2 erläutert wurde, kann der Schritt des Aufbringens der Schicht 15 auch beinhalten, dass die Schicht 15 auf allen Innenseiten 31, 32, 33 der Gehäusestruktur 13A, 13B, 13C eines jeweiligen Packages 57A, 57B, 57C angeordnet wird, sodass die Schicht 15 alle Innenseiten 31, 32, 33 der Gehäusestruktur 13A, 13B, 13C eines jeweiligen Packages 57A, 57B, 57C vollständig bedeckt.
  • Zusammenfassend ist also die Schicht 15 auf einer oberen oder mehreren Außenseiten 19A, 21A, 22A; 19B, 21B, 22B; 19C, 21C, 22C der Gehäusestruktur 13A, 13B, 13C eines jeweiligen Packages 57A, 57B, 57C angeordnet. Die Schicht 15 kann auf einer oder mehreren Innenseiten 31, 32, 33 der Gehäusestruktur 13A, 13B, 13C eines jeweiligen Packages 57A, 57B, 57C angeordnet sein. Und die Schicht 15 kann sowohl auf einer oder mehreren Innenseiten 31, 32, 33 als auch auf einer mehreren Außenseiten 19A, 21A, 22A; 19B, 21B, 22B; 19C, 21C, 22C der Gehäusestruktur 13A, 13B, 13C eines jeweiligen Packages 57A, 57B, 57C angeordnet sein.
  • 6 zeigt zusammenfassend nochmal ein schematisches Blockdiagramm eines Verfahrens.
  • In Block 601 wird ein Wafersubstrat 51 mit einer Vielzahl von auf einer ersten Seite des Wafersubstrats 51 angeordneten MEMS-Bausteinen 12A, 12B, 12C bereitgestellt, wobei sich ein Ausgangssignal eines jeden MEMS-Bausteins 12A, 12B, 12C bei einer Temperaturänderung verändert. Das bereitgestellte Wafersubstrat 51 weist außerdem eine Vielzahl von auf der ersten Seite des Wafersubstrats 51 angeordneten Gehäusestrukturen 13A, 13B, 13C auf, wobei jede Gehäusestruktur 13A, 13B, 13C jeweils eine Ausnehmung 14A, 14B, 14C aufweist, in der jeweils einer der MEMS-Bausteine 12A, 12B, 12C angeordnet ist, wobei je eine Gehäusestruktur 13A, 13B, 13C zusammen mit dem jeweiligen MEMS-Baustein 12A, 12B, 12C je ein Package 57A, 57B, 57C bildet.
  • In Block 602 wird eine Schicht 15 auf zumindest eine Seite 19A, 19B, 19C der Gehäusestruktur 13A, 13B, 13C eines Packages 57A, 57B, 57C aufgebracht, wobei die Schicht 15 die Wärmekapazität des jeweiligen Packages 57A, 57B, 57C erhöht.
  • In Block 603 werden die jeweiligen Packages 57A, 57B, 57C vereinzelt.
  • Die in den 5A bis 5F und in 6 dargestellten Verfahrensschritte können auch in einer anderen als der abgebildeten Reihenfolge durchführbar sein.
  • Die vorliegende Offenbarung betrifft außerdem nicht nur einzelne Packages 57A, 57B, 57C sondern auch einen unter Bezugnahme auf die 5A bis 5F beschriebenen Wafer mit einem Wafersubstrat 51 und einer Vielzahl von Vorrichtungen bzw. Packages 57A, 57B, 57C. Die einzelnen Vorrichtungen beziehungsweise Packages 57A, 57B, 57C, die unter Anwendung des mit Bezug auf die 5A bis 5F beschriebenen Verfahrens herstellbar sind, können identisch sein zu den Packages 57A, 57B, 57C wie Sie mit Bezug auf die 1 bis 4 beschrieben wurden.
  • Nachfolgend sollen denkbare Ausführungsbeispiele sowie Vorteile und Eigenschaften der vorliegenden Offenbarung nochmals in anderen Worten zusammengefasst werden. Dies wird an als MEMS-Mikrofonen ausgebildeten MEMS-Bausteinen beschrieben,.
  • So wird beispielsweise bei derartigen MEMS-Mikrofonen 12A, 12B, 12C der Schutz gegenüber der Außenwelt mittels der Packages 57A, 57B, 57C garantiert, was unter anderem auch den Schutz vor durch externe HF-Strahlung bedingte HF-Interferenzen und anderen sich negativ auf die Performance des MEMS-Bausteins auswirkenden Einflüsse beinhaltet.
  • Da sich die Performanz von MEMS-Mikrofonen, insbesondere der Signalrauschabstand (SNR), in den letzten Jahren stark erhöht hat, rücken die Abschirmungsfähigkeiten der Packages 57A, 57B, 57C immer mehr in den Fokus heutiger Entwicklungen. Um heutzutage höchste SNR-Werte zu erreichen, muss ein bis dato unbekannter und komplett neuer Effekt berücksichtigt werden, der die SNR-Performanz von MEMS-Mikrofonen 12A, 12B, 12C beeinträchtigt und limitiert. Dieser Effekt wird als HF-Thermokopplung bezeichnet.
  • Standard HF-Interferenz Abschirmungen nutzen ein Absorptionsprinzip, wobei der Deckel und das Substrat elektrisch geerdet sind. Dadurch ist ein direkter HF-Einfluss auf das empfindliche MEMS-Bauteil 12A, 12B, 12C und einem optionalen ASIC nicht möglich. Jedoch wird im Falle des Auftretens von HF-Thermokopplung die HF-Energie, die von der Abschirmung (Deckel, Substrat) absorbiert wird, in thermische Energie umgewandelt. Dadurch steigt die Temperatur im Inneren des Packages 57A, 57B, 57C abrupt um einige Mikrokelvin an. Die daraus resultierende Luftexpansion beeinträchtigt die Membran und limitiert so letztendlich die SNR-Performanz des MEMS-Mikrofons.
  • Wie bereits eingangs unter Verweis auf 8 beschrieben wurde, handelt es sich hierbei nicht um bloße Theorie. Der vorgenannte Effekt der RF-Thermokopplung kann durch geeignete Messungen nachgewiesen werden und bildet somit eine große Herausforderung für Hersteller von temperatursensitiven MEMS-Bausteinen, wie eben zum Beispiel MEMS-Mikrofonen.
  • Eine Vorrichtung beziehungsweise ein Package 57A, 57B, 57C gemäß der vorliegenden Offenbarung, basiert auf einem Laminatsubstrat 11 und einer Gehäusestruktur 13. Diese Gehäusestruktur 13 kann beispielsweise ein Metalldeckel sein. Die Gehäusestruktur 13 bildet eine Kavität 14 und ein rückseitiges Volumen bzw. ein Rückvolumen (engl. back volume). Es sind unterschiedliche Varianten derartiger Packages denkbar, wobei die Kavität 14 manchmal mittels eines vorgefertigten Substrats oder mittels spezieller Laminierungstechniken gebildet wird.
  • Die Kavität 14 bildet einerseits einen Raum für den MEMS-Baustein 12 und ein optionales ASIC 17 (2) und dient aber gleichzeitig auch als systemrelevantes Rückvolumen (engl. back volume). Das Rückvolumen (engl. back volume) ist ein wichtiger Faktor für die zu erreichenden SNR-Werte. Als elektrische Verbindungen können beispielsweise Bonddraht-Verbindungen (wire bonding) zum Einsatz kommen. Bei MEMS-Mikrofonen ist der sogenannte Soundport 18 (2) ebenfalls ein wichtiger Bestandteil des Packages. Im einfachsten Fall kann dies ein Loch in der Gehäusestruktur 13 sein. In den meisten Fällen wird dies jedoch ein, wie in 2 abgebildetes, Loch in dem Substrat 11 sein. Der Soundport 18 ist wichtig, um hohe SNR-Werte zu erzielen.
  • In diesem Package kann die HF-Abschirmung beispielsweise mittels einer Masse-Schicht (ground layer) im Substrat 11 sowie einem geerdeten Metallgehäuse 13, das mit der Masse-Schicht mittels eines ringförmigen Masserings elektrisch verbunden ist, bereitgestellt werden.
  • Wie eingangs erwähnt wurde, ist die HF-Thermokopplung bisher noch nicht sehr im Fokus. Wenn jedoch der Signalrauschabstand (SNR) mehr als 70 dB beträgt, dann wird die HF-Thermokopplung die theoretisch mögliche SNR-Performanz limitieren. Dies ist insbesondere bei mobilen Anwendungen kritisch, da dieser Effekt zu verringerten SNR-Werten während eines Anrufs führt, oder sogar dann, wenn ein Mobiltelefon mit einer Basisstation verbunden ist. Bisher bekannte Mikrofon Packages stellen keine zufriedenstellende Abschirmung gegenüber einer HF-Thermokopplung bereit.
  • Die vorliegende Offenbarung nutzt eine erforschte und laborerprobte Methode, um die Abschirmungseigenschaften der Vorrichtungen bzw. Packages 57A, 57B, 57C gegenüber HF-Thermokopplung zu erhöhen. Gemäß der vorliegenden Offenbarung wird die thermische Masse der Gehäusestruktur 13 beziehungsweise des gesamten Packages 57A, 57B, 57C erhöht. Die thermische Masse wird auch als thermische Kapazität bzw. als Wärmekapazität bezeichnet. Ein zusätzliches magnetisches Gehäuse und Mittel zum Unterdrücken von Wirbelströmen wären ebenfalls denkbar und hilfreich.
  • Die Idee der vorliegenden Offenbarung kann zusammengefasst werden als ein mit funktionaler Vergussmasse vergossenes Package. Die funktionelle Vergussmasse kann ein thermisch aktives Material beinhalten. Ein thermisch aktives Material kann die Wärmekapazität der jeweiligen Vorrichtung bzw. Packages 57A, 57B, 57C erhöhen.
  • Andere Optionen, wie beispielsweise ein Bereitstellen von thermisch aktivem Material im Inneren der Kavität 14 wären denkbar. Im Falle von MEMS-Mikrofonen kann dies aber die Performanz eines Mikrofons beeinträchtigen, zum Beispiel aufgrund von verringertem Rückvolumen (engl. back volume).
  • Das Anbringen des thermisch aktiven Materials erfolgt in Form eines Auftragens einer Schicht 15 dieses Materials auf zumindest eine obere Außenseite der Gehäusestruktur 13. Hierfür kann beispielsweise ein herkömmliches Vergussverfahren genutzt werden. Eine der Hauptideen der vorliegenden Offenbarung liegt darin, die thermische Masse bzw. Wärmekapazität der gesamten Gehäusestruktur 13 mittels der Schicht 15 (z.B. Vergussmasse) zu erhöhen.
  • Zusätzlich kann es hilfreich sein spezielle Zusammensetzungen für die Schicht 15 zu verwenden. Beispielsweise kann die Schicht 15 magnetische Füllpartikel oder Aluminiumpartikel gegen Wirbelströme aufweisen. Im Fokus stehen allerdings Partikel mit hoher thermischer Masse.
  • Eine weitere Charakteristik des hierin offenbarten Konzepts sieht vor, dass alle bekannten und wichtigen Funktionen des Packages 57A, 57B, 57C weiterhin erhalten bleiben. Das heißt, die elektrische HF-Abschirmung ist weiterhin gewährleistet durch, z.B. eine metallische Gehäusestruktur 13. Auch der Abschirmungspfad, das Substrat 11 und das Rückvolumen können unverändert bleiben.
  • Die 5A bis 5F zeigen einen beispielhaften Ablauf eines Verfahrens gemäß der vorliegenden Offenbarung. Für OCP-Packages beispielsweise sind mehrere unterschiedliche Verfahren verfügbar, die hilfreich sein können, um derartige Vorrichtungen bzw. Packages 57A, 57B, 57C herzustellen. Daher kann der finale Verfahrensablauf etwas von der Reihenfolge des in den 5A bis 5F dargestellten Verfahrensablaufs abweichen, ohne den Hauptcharakter der beanspruchten Packagevariante zu ändern.
  • Obwohl manche Aspekte im Zusammenhang mit einer Vorrichtung beschrieben wurden, versteht es sich, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens darstellen, sodass ein Block oder ein Bauelement einer Vorrichtung auch als ein entsprechender Verfahrensschritt oder als ein Merkmal eines Verfahrensschrittes zu verstehen ist. Analog dazu stellen Aspekte, die im Zusammenhang mit einem oder als ein Verfahrensschritt beschrieben wurden, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Details oder Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung dar.

Claims (17)

  1. Vorrichtung (10, 20, 30, 40) mit: einem Substrat (11), wobei auf einer ersten Seite (11A) des Substrats (11) ein MEMS-Baustein (12) angeordnet ist, dessen Ausgangssignal sich bei einer Temperaturänderung verändert, wobei ein Loch (18) in dem Substrat (11) vorgesehen ist, das zum Austausch von Luft mit der Umgebung dient und wobei der MEMS-Baustein (12) ein MEMS-Mikrofon ist, eine auf der ersten Seite (11A) des Substrats (11) angeordnete Gehäusestruktur (13) mit einer Ausnehmung (14) in der der MEMS-Baustein (12) angeordnet ist, wobei die Gehäusestruktur (13) Metall aufweist und eine Abschirmung gegen externe elektromagnetische Strahlung bereitstellt, und eine an zumindest der oberen Außenseite (19) der Gehäusestruktur (13) angebrachte thermisch aktive Schicht (15), die die Wärmekapazität der Vorrichtung (10, 20, 30, 40) erhöht, wobei die Schicht (15) eine Temperaturleitfähigkeit von weniger als 1,0 ⋅ 10 − 6 m 2 s ,
    Figure DE102017206744B9_0014
    oder von weniger als 0,5 ⋅ 10 − 6 m 2 s ,
    Figure DE102017206744B9_0015
    oder von weniger als 0,2 ⋅ 10 − 6 m 2 s
    Figure DE102017206744B9_0016
    aufweist.
  2. Vorrichtung (10, 20, 30, 40) nach Anspruch 1, wobei die Schicht (15) eine Wärmekapazität aufweist, die größer ist als die Wärmekapazität der Gehäusestruktur (13).
  3. Vorrichtung (10, 20, 30, 40) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Wärmekapazität der Schicht (15) um mindestens den Faktor eineinhalb, oder um mindestens den Faktor zwei größer ist als die Wärmekapazität der Gehäusestruktur (13).
  4. Vorrichtung (10, 20, 30, 40) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schicht (15) als eine an die Gehäusestruktur (13) angegossene Vergussmasse ausgebildet ist, oder wobei die Schicht (15) als ein an der Gehäusestruktur (13) angeordnetes Formteil ausgebildet ist.
  5. Vorrichtung (10, 20, 30, 40) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schicht (15) zumindest einen Bestandteil von der Gruppe aus Silikaten, Polyimiden oder Epoxiden aufweist.
  6. Vorrichtung (10, 20, 30, 40) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schicht (15) alle Außenseiten (19, 21, 22) der Gehäusestruktur (13) vollständig bedeckt.
  7. Vorrichtung (10, 20, 30, 40) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schicht (15) auf zumindest einer Innenseite (31, 32, 33) der Gehäusestruktur (13) angeordnet ist.
  8. Vorrichtung (10, 20, 30, 40) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schicht (15) alle Innenseiten (31, 32, 33) der Gehäusestruktur (13) vollständig bedeckt.
  9. Vorrichtung (10, 20, 30, 40) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schicht (15) magnetische Partikel beinhaltet.
  10. Vorrichtung (10, 20, 30, 40) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schicht (15) metallische Partikel beinhaltet.
  11. Wafer (51) mit einer Vielzahl von Vorrichtungen (10, 20, 30, 40) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
  12. Verfahren mit den folgenden Schritten: Bereitstellen eines Wafersubstrats (51) mit einer Vielzahl von auf einer ersten Seite des Wafersubstrats (51) angeordneten MEMS-Bausteinen (12A, 12B, 12C), wobei die MEMS-Bausteine (12A, 12B, 12C) MEMS-Mikrofone sind, und wobei sich ein Ausgangssignal jedes MEMS-Bausteins (12A, 12B, 12C) bei einer Temperaturänderung verändert, und wobei unter jedem MEMS-Baustein (12A, 12B, 12C) ein Loch (18) in dem Wafersubstrat (51) vorgesehen ist, das zum Austausch von Luft mit der Umgebung dient, und mit einer Vielzahl von auf der ersten Seite des Wafersubstrats (51) angeordneten Gehäusestrukturen (13A, 13B, 13C), wobei jede Gehäusestruktur (13A, 13B, 13C) jeweils eine Ausnehmung (14A, 14B, 14C) aufweist, in der jeweils einer der MEMS-Bausteine (12A, 12B, 12C) angeordnet ist, wobei je eine Gehäusestruktur (13A, 13B, 13C) zusammen mit dem jeweiligen MEMS-Baustein (12A, 12B, 12C) je ein Package (57A, 57B, 57C) bildet, wobei die Gehäusestrukturen (13A, 13B, 13C) Metall aufweisen und eine Abschirmung gegen externe elektromagnetische Strahlung bereitstellen, Aufbringen einer thermisch aktiven Schicht (15) auf zumindest die obere Außenseite (19A, 19B, 19C) jeder Gehäusestruktur (13A, 13B, 13C) eines Packages (57A, 57B, 57C), wobei die Schicht (15) die Wärmekapazität des jeweiligen Packages (57A, 57B, 57C) erhöht und eine Temperaturleitfähigkeit von weniger als 1,0 ⋅ 10 − 6 m 2 s ,
    Figure DE102017206744B9_0017
    oder von weniger als 0,5 ⋅ 10 − 6 m 2 s ,
    Figure DE102017206744B9_0018
    oder von weniger als 0,2 ⋅ 10 − 6 m 2 s
    Figure DE102017206744B9_0019
    aufweist, und Vereinzeln der Packages (57A, 57B, 57C).
  13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei der Schritt des Aufbringens der Schicht (15) beinhaltet, dass die Schicht (15) in Form einer Vergussmasse über die Gehäusestruktur (13A, 13B, 13C) eines jeweiligen Packages (57A, 57B, 57C) gegossen wird.
  14. Verfahren nach Anspruch 12, wobei der Schritt des Aufbringens der Schicht (15) beinhaltet, dass die Schicht (15) in Form eines Formteils an der Gehäusestruktur (13A, 13B, 13C) eines jeweiligen Packages (57A, 57B, 57C) angeordnet wird.
  15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei der Schritt des Aufbringens der Schicht beinhaltet, dass die Schicht auf allen Außenseiten (19A, 21A, 22A; 19B, 21B, 22B; 19C, 21C, 22C) der Gehäusestruktur (13A, 13B, 13C) eines jeweiligen Packages (57A, 57B, 57C) angeordnet wird, sodass alle Außenseiten (19A, 21A, 22A; 19B, 21B, 22B; 19C, 21C, 22C) der Gehäusestruktur (13A, 13B, 13C des jeweiligen Packages (57A, 57B, 57C) vollständig mit der Schicht (15) bedeckt sind.
  16. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, wobei der Schritt des Aufbringens der Schicht (15) beinhaltet, dass die Schicht (15) auf zumindest einer Innenseite der Gehäusestruktur (13A, 13B, 13C) eines jeweiligen Packages (57A, 57B, 57C) angeordnet wird.
  17. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, wobei der Schritt des Aufbringens der Schicht (15) beinhaltet, dass die Schicht (15) auf allen Innenseiten der Gehäusestruktur (13A, 13B, 13C) eines jeweiligen Packages (57A, 57B, 57C) angeordnet wird, sodass die Schicht (15) alle Innenseiten der Gehäusestruktur (13A, 13B, 13C) eines jeweiligen Packages (57A, 57B, 57C) vollständig bedeckt.
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