DE102018213465A1

DE102018213465A1 - Geneigte Chip-Anordnung für optische Bauelemente

Info

Publication number: DE102018213465A1
Application number: DE102018213465.0A
Authority: DE
Inventors: Ludwig Heitzer; Derek DEBIE; Klaus Elian; Cyrus Ghahremani; Johannes Lodermeyer; Oskar Neuhoff; Johann Strasser
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2017-08-10
Filing date: 2018-08-10
Publication date: 2019-02-14
Also published as: US10571682B2; CN109384193B; CN109384193A; US20190049716A1

Abstract

Eine Mikroelektromechaniksystem(MEMS)-Package-Anordnung und ein Verfahren zum Herstellen derselben sind bereitgestellt. Die MEMS-Package-Anordnung umfasst ein Substrat, ein Gehäuse, das mit dem Substrat dahingehend gekoppelt ist, einen Hohlraum zu bilden, wobei das Gehäuse eine transparente Platte umfasst, die über und parallel zu dem Substrat angeordnet ist und dazu ausgebildet ist, eine Übertragung von Licht dort hindurch zu ermöglichen, und einen MEMS-Chip, der in dem Hohlraum angeordnet ist und eine erste Hauptoberfläche, die sich in der Nähe der transparenten Platte befindet, und eine zweite Hauptoberfläche aufweist, die der ersten Hauptoberfläche gegenüberliegt und mit dem Substrat gekoppelt ist. Der MEMS-Chip ist derart ausgerichtet, dass die erste Hauptoberfläche mit einem Neigungswinkel in Bezug auf die transparente Platte geneigt ist.

Description

Die vorliegende Offenbarung bezieht sich im Allgemeinen auf Bauelemente und Verfahren, die sich auf integrierte optische Systeme beziehen, und insbesondere auf eine geneigte Chip-Anordnung, die in optischen Systemen verwendet wird.
Lichtdetektion und -entfernungsmessung (Light Detection and Ranging, LIDAR) ist ein Fernerfassungsverfahren, das Licht in der Form eines gepulsten Lasers verwendet, um Entfernungen (variable Abstände) zu einem Objekt zu messen. Im Einzelnen wird Licht zu dem Objekt ausgesendet und die Zeit, die es zurück zu seiner Quelle benötigt, wird gemessen. Dies wird auch als das Messen einer Flugzeit (Time-Of-Flight, TOF) bezeichnet.
LIDAR-Sensoren sind wichtige Bauelemente in zukünftigen vollautonomen oder semiautonomen selbstfahrenden Fahrzeugen. Das System arbeitet nach dem Prinzip der TOF-Messung. Ein sehr kurzer Laserpuls wird ausgesendet, trifft ein Objekt, wird reflektiert und von einem Sensor detektiert. Es ist möglich, aus der Flugzeit des Laserstrahls den Abstand zu dem Objekt zu berechnen. Abtastende (scannende) LIDAR-Systeme tasten die Umgebung des Fahrzeuges horizontal mit einem Laserstrahl über ein bestimmtes Winkelsegment hinweg ab und erzeugen eine dreidimensionale (3D) Abbildung der Umgebung. In den meisten Fällen werden die Laserstrahlen in aktuellen abtastenden LIDAR-Systemen mittels mechanisch bewegbarer Spiegel (d. h. MEMS-Mikrospiegel (MEMS = mikroelektromechanische Systeme (MEMS)) abgelenkt. Einige Lösungen nutzen mehrere Laserdioden, die aufeinander angebracht sind, um das vertikale Sichtfeld zu erweitern.
Bei aktuellen LIDAR-Systemen kann eine Chip-Anordnung verwendet werden, bei der ein geneigtes Schutzglas über einem MEMS-Mikrospiegel angeordnet ist. Das Glas ist geneigt, um die Lichtmenge zu reduzieren, die von der Rückseite des Glases zurück auf den MEMS-Mikrospiegel reflektiert wird, was als statische Reflexion bezeichnet wird. Die statische Reflexion zurück auf den MEMS-Mikrospiegel würde Ungenauigkeiten verursachen, einschließlich einer „Unschärfe“ in dem Rücklaufbild. Dieses Verfahren hat jedoch den Nachteil, dass es zu einer planaren Package-Kontur führt, die einen vollautomatischen Platinenmontageprozess erschwert.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Mikroelektromechaniksystem(MEMS)-Package-Anordnung und ein Verfahren zum Herstellen einer geneigten Chip-Package-Anordnung mit verbesserten Charakteristika zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch eine Mikroelektromechaniksystem(MEMS)-Package-Anordnung gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren zum Herstellen einer geneigten Chip-Package-Anordnung gemäß Anspruch 15 gelöst.
Eine Mikroelektromechaniksystem(MEMS)-Package-Anordnung und ein Verfahren zum Herstellen derselben sind bereitgestellt.
Gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen umfasst eine MEMS-Package-Anordnung ein Substrat, ein Gehäuse, das mit dem Substrat dahingehend gekoppelt ist, einen Hohlraum zu bilden, wobei das Gehäuse eine transparente Platte umfasst, die über und parallel zu dem Substrat angeordnet ist und dazu ausgebildet ist, eine Übertragung von Licht dort hindurch zu ermöglichen, und einen MEMS-Chip, der in dem Hohlraum angeordnet ist und eine erste Hauptoberfläche, die sich in der Nähe der transparenten Platte befindet, und eine zweite Hauptoberfläche umfasst, die der ersten Hauptoberfläche gegenüberliegt und mit dem Substrat gekoppelt ist. Der MEMS-Chip ist derart ausgerichtet, dass die erste Hauptoberfläche mit einem Neigungswinkel in Bezug auf die transparente Platte geneigt ist.
Gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen umfasst ein Verfahren zum Herstellen einer geneigten Chip-Package-Anordnung folgende Schritte: Anbringen eines Mikroelektromechaniksystem(MEMS)-Chips, der eine erste Hauptoberfläche aufweist, an einem Substrat, bei dem sich eine planare Hauptoberfläche in der Nähe des MEMS-Chips befindet, wobei der MEMS-Chip derart ausgerichtet ist, dass die erste Hauptoberfläche des MEMS-Chips mit einem Neigungswinkel in Bezug auf die planare Hauptoberfläche des Substrates geneigt ist; und Anbringen eines Gehäuses an der planaren Hauptoberfläche des Substrates dahingehend, einen Hohlraum zu bilden, in dem der MEMS-Chip untergebracht ist, wobei das Gehäuse eine transparente Platte umfasst, die über und parallel zu der planaren Hauptoberfläche des Substrates angeordnet ist und dazu ausgebildet ist, eine Übertragung von Licht dort hindurch zu ermöglichen. Das Verfahren zum Herstellen kann ferner folgenden Schritt umfassen: Anordnen einer Halbleiterchipanbringungsschicht auf der planaren Hauptoberfläche des Substrates, wobei die Halbleiterchipanbringungsschicht dazu ausgebildet ist, den MEMS-Chip an einer ersten Oberfläche der Halbleiterchipanbringungsschicht zu empfangen, um den MEMS-Chip an dem Substrat anzubringen, wobei die Halbleiterchipanbringungsschicht eine Keilform aufweist, so dass die erste Oberfläche der Halbleiterchipanbringungsschicht mit dem Neigungswinkel geneigt ist.
Die transparente Platte kann eine erste planare Oberfläche und eine zweite planare Oberfläche umfassen, die eine Dicke der transparenten Platte definieren und zu der planaren Hauptoberfläche des Substrates parallel sind.
Die erste Hauptoberfläche des MEMS-Chips kann eine planare Oberfläche sein, die eine Neigungsebene definiert, die gemäß dem Neigungswinkel schräg ist, wobei der Neigungswinkel kongruent zu einem Innenwinkel ist, der durch einen Schnitt der Neigungsebene und einer Ebene gebildet ist, die durch die transparente Platte definiert ist, und der Neigungswinkel beträgt zumindest 10°.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Ansicht eines Abtastsystems zur Lichtdetektion und -entfernungsmessung (Light Detection and Ranging, LIDAR) gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen;
2 eine schematische Querschnittsansicht eines Chip-Packages gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen;
3A und 3B Schnittansichten eines Chip-Packages gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen;
4 ein Querschnittsdiagramm, das einen Montageprozess eines geneigten Chips gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen veranschaulicht;
5 ein Querschnittsdiagramm, das ein weiteres Ausführungsbeispiel einer geneigten Chip-Anordnung gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen veranschaulicht;
6 ein Querschnittsdiagramm, das ein weiteres Ausführungsbeispiel einer geneigten Chip-Anordnung gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen veranschaulicht; und
7 ein Querschnittsdiagramm, das ein weiteres Ausführungsbeispiel einer geneigten Chip-Anordnung gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen veranschaulicht.

Im Folgenden werden verschiedene Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen detailliert beschrieben. Es ist zu beachten, dass diese Ausführungsbeispiele lediglich veranschaulichenden Zwecken dienen und nicht als einschränkend aufgefasst werden sollen. Während Ausführungsbeispiele z. B. dahingehend beschrieben werden, eine Vielzahl von Merkmalen oder Elementen aufzuweisen, ist dies nicht dahingehend aufzufassen, dass angezeigt wird, dass all diese Merkmale oder Elemente zum Implementieren von Ausführungsbeispielen erforderlich sind. Stattdessen können in anderen Ausführungsbeispielen einige der Merkmale oder Elemente ausgelassen werden oder durch alternative Merkmale oder Elemente ersetzt werden. Zusätzlich dazu können weitere Merkmale oder Elemente zusätzlich zu den explizit gezeigten und beschriebenen bereitgestellt werden, beispielsweise herkömmliche Komponenten von Sensorbauelementen.
Merkmale aus unterschiedlichen Ausführungsbeispielen können dahingehend kombiniert werden, weitere Ausführungsbeispiele zu bilden, sofern nicht explizit anders angegeben. Variationen oder Modifikationen, die in Bezug auf eines der Ausführungsbeispiele beschrieben werden, können auch auf andere Ausführungsbeispiele anwendbar sein. In einigen Fällen werden bekannte Strukturen und Bauelemente in Blockdiagrammform anstatt im Detail angezeigt, um die undeutliche Darstellung der Ausführungsbeispiele zu vermeiden.
Verbindungen oder Kopplungen zwischen in den Zeichnungen gezeigten oder hierin beschriebenen Elementen können drahtbasierte Verbindungen oder drahtlose Verbindungen sein, sofern nicht anders angegeben. Ferner können solche Verbindungen oder Kopplungen direkte Verbindungen oder Kopplungen ohne zusätzliche eingreifende Elemente oder indirekte Verbindungen oder Kopplungen mit einem oder mehreren zusätzlichen eingreifenden Elementen sein, solange der allgemeine Zweck der Verbindung oder Kopplung, z. B. eine bestimmte Art von Signal zu übertragen oder eine bestimmte Art von Information zu übertragen, im Wesentlichen aufrechterhalten wird.
Ausführungsbeispiele beziehen sich auf optische Sensoren und optische Sensorsysteme und darauf, Informationen über optische Sensoren und optische Sensorsysteme zu erhalten. Ein Sensor kann sich auf eine Komponente beziehen, die eine zu messende physikalische Größe in ein elektrisches Signal umwandelt, beispielsweise ein Stromsignal oder ein Spannungssignal. Die physikalische Größe kann beispielsweise eine elektromagnetische Strahlung wie etwa sichtbares Licht, Infrarot(IR)-Strahlung oder eine andere Art von Beleuchtungssignal, einen Strom oder eine Spannung aufweisen, ist jedoch nicht darauf beschränkt. Beispielsweise kann ein Bildsensor ein Silizium-Chip in einer Kamera sein, der Fotos von aus einer Linse kommendem Licht in Spannungen umwandelt. Je größer die aktive Fläche des Sensors, desto mehr Licht kann gesammelt werden, um ein Bild zu erzeugen.
Ein Sensorbauelement, wie hierin verwendet, kann sich auf ein Bauelement beziehen, das einen Sensor und weitere Komponenten aufweist, beispielsweise eine Vorspannschaltungsanordnung, einen Analog-Digital-Wandler oder ein Filter. Ein Sensorbauelement kann auf einem einzelnen Chip integriert sein, obwohl bei anderen Ausführungsbeispielen eine Mehrzahl von Chips oder auch Komponenten außerhalb eines Chips zum Implementieren eines Sensorbauelementes verwendet werden.
Gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen ist ein integriertes optisches System mit einer geneigten (tilted) Chip-Anordnung versehen. Die geneigte Chip-Anordnung kann in einem Chip-Package enthalten sein und kann bei Anwendungen zur Lichtdetektion und -entfernungsmessung (Light Detection and Ranging, LIDAR) verwendet werden. Beispielsweise kann die geneigte Chip-Anordnung dahingehend bereitgestellt werden, optische Effekte (z. B. statische Reflexion) in dem Package zu reduzieren, die sonst dadurch verursacht werden würden, dass Licht durch einen in dem Package angeordneten Mikroelektromechaniksystem(MEMS)-Mikrospiegel, der mit dem Chip integriert ist, reflektiert wird. Im Einzelnen kann der Chip derart ausgerichtet sein, dass seine obere Hauptoberfläche einen definierten Winkel (z. B. zumindest 10°) in Bezug auf ein Substrat aufweist, so dass dieselbe zu dem Substrat nicht ebenen-parallel ist. Unterdessen ist ein Schutzglas, das über dem Chip angebracht ist, parallel zu dem Substrat angeordnet.
1 veranschaulicht ein LIDAR-Abtastsystem 100 gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen. Das LIDAR-Abtastsystem 100 umfasst einen Sender, der Laserquellen 10, eine erste optische Komponente 11 und einen eindimensionalen (1D) MEMS-Spiegel 12 aufweist, und einen Empfänger, der eine zweite optische Komponente 14 und ein zweidimensionales (2D) Detektor-Array 15 umfasst.
Die Laserquellen 10 sind linear in einer Einzelstabformation ausgerichtet und dazu ausgebildet, zum Abtasten eines Objektes verwendetes Licht auszusenden. Das aus den Laserquellen 10 gesendete Licht wird zu der ersten optischen Komponente 11 geleitet, die dazu ausgebildet ist, jeden Laser auf einen eindimensionalen MEMS-Spiegel 12 zu fokussieren. Die erste optische Komponente 11 kann beispielsweise eine Linse sein. Wenn von dem MEMS-Spiegel 12 reflektiert, wird das Licht aus den Laserquellen 10 vertikal ausgerichtet, um eine vertikale Abtastlinie zu bilden. Der MEMS-Spiegel 12 ist dazu ausgebildet, „von Seite zu Seite“ um eine Abtastachse 13 zu oszillieren, so dass das von dem MEMS-Spiegel 12 reflektierte Licht (d. h. die vertikale Abtastlinie) in einer horizontalen Abtastrichtung hin und her oszilliert.
Nach dem Auftreffen auf ein oder auf mehrere Objekte wird das ausgesendete Licht zurück in Richtung des LIDAR-Abtastsystems 100 reflektiert, wo die zweite optische Komponente 14 (z. B. eine Linse) das reflektierte Licht empfängt. Die zweite optische Komponente 14 leitet das reflektierte Licht auf das Detektor-Array 15, das dazu ausgebildet ist, Messsignale zu erzeugen, die zum Erzeugen einer 3D-Abbildung der Umgebung auf der Basis des reflektierten Lichtes verwendet werden (z. B. über TOF-Berechnungen und -Verarbeitung). Beispielsweise kann das Detektor-Array 15 ein Array von Fotodioden oder anderen Lichtdetektionskomponenten sein, die dazu in der Lage sind, Licht zu detektieren und zu messen und elektrische Signale daraus zu erzeugen.
2 veranschaulicht ein Chip-Package 200 gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen. Im Einzelnen kann das Chip-Package 200 als optisches Package bezeichnet werden und umfasst ein Substrat 201, eine Einkapselungskomponente 202 und ein Glassubstrat 203, die die Packung (Packaging) des Sensor-Package 200 ausbilden, wobei das Glassubstrat 203 eine Glasabdeckung, ein Glasdeckel oder dergleichen sein kann. Das Substrat 201 und das Glassubstrat 203 sind parallel oder im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet, was einen Montageprozess vereinfachen kann.
In der Packung ist in einem Hohlraum 204 ein MEMS-Bauelement 205 durch eine Halbleiterchipanbringungsschicht 206 an das Substrat 201 gebondet. Das MEMS-Bauelement 205 kann als Halbleiterchip (Die) oder Chip mit einem integrierten MEMS bezeichnet werden. Die Packung selbst kann als Chip-Träger bezeichnet werden.
Das Substrat 201 kann beispielsweise ein Leitungsrahmen, ein Laminatsubstrat (z. B. eine gedruckte Schaltungsplatine (Printed Circuit Board, PCB) oder dergleichen) oder eine keramische Basisplatte sein, die elektrisch leitfähige Anschlussflächen (nicht gezeigt) auf einer oberen und einer unteren Oberfläche derselben umfasst, die über dazwischen bereitgestellte elektrisch leitfähige Bahnen verbunden sind. Die leitfähigen Anschlussflächen auf der oberen und der unteren Oberfläche stellen elektrische Verbindungen zu Bonddrähten 207 bzw. Lötkugeln 208 bereit. Die Lötkugeln 208 sind an die Anschlussflächen auf der Unterseite des Chip-Packages 200 zum Verbinden des Chip-Packages 200 mit einer Schaltungsplatine (z. B. einer PCB) oder dergleichen gebondet. Die Lötkugeln 208 können ein Kugelrasterarray (Ball Grid Array, BGA) bilden. Somit tragen die Bonddrähte 207 und die Lötkugeln 208 elektrische Signale zwischen der integrierten Schaltung auf einem Chip und einem externen Bauelement (über die PCB).
Obwohl Ausführungsbeispiele hierin eine oder mehrere Arten von Chip-Packungen beschreiben, ist zu beachten, dass diese lediglich als Beispiele zu verstehen sind und die Ausführungsbeispiele nicht darauf beschränkt sind. Somit können andere Arten von Integrierte-Schaltung(IS)-Gehäusen, -Materialien und -Konfigurationen verwendet werden. Beispielsweise kann zum Verbinden des Chip-Packages 200 mit einer PCB ein Leitungsrahmen anstelle von Lötkugeln verwendet werden. In anderen Fällen kann der Rahmen anschlussleitungslos sein oder eine Kontaktflächenrasterarray(Land Grid Array, LGA)-Anbringung kann verwendet werden.
Die Einkapselungskomponente 202 bildet einen Teil eines Schutzgehäuses um zumindest einen Teil des MEMS-Bauelementes 205 und kann eine Ummantelung aus Metall, Plastik (z. B. Formharz), Glas oder Keramik sein. Die Einkapselungskomponente 202 kann auch als Package-Gehäuse bezeichnet werden.
Das Glassubstrat 203 ist eine Ebene aus Glas, z. B. eine Glasabdeckung oder ein Glasdeckel, die auf der Einkapselungskomponente 202 angeordnet ist und durch ein Haftmittel oder Lötmittel darauf angehaftet ist, beispielsweise in dem Fall eines hermetischen Packages. Das Glassubstrat 203 bildet einen oberen Abschnitt des Schutzgehäuses und ist über dem MEMS-Bauelement 205 derart angeordnet, dass das MEMS-Bauelement 205 in der Packung in dem Hohlraum 204 umschlossen ist. Das Glassubstrat 203 sowie das Package als Ganzes schützen das MEMS-Bauelement 205 von der Außenumgebung und können bei der Montage des Chip-Packages 200 in einem Endprodukt helfen.
Obwohl bei diesem Beispiel ein Glassubstrat 203 verwendet wird, können auch andere transparente Materialien verwendet werden, die die Übertragung von Licht dort hindurch ermöglichen. Somit kann das Glassubstrat 203 im Allgemeinen als transparente Platte bezeichnet werden. Ferner kann das Glassubstrat 203 auf beiden Seiten mit einer Antireflexionsbeschichtung beschichtet sein, um Lichtreflexionen (z. B. Licht aus den Laserquellen) zu reduzieren und Licht in unerwünschten Spektren (z. B. Licht aus der Umgebung) herauszufiltern.
Das MEMS-Bauelement 205 kann ein Halbleiterchip bzw. Die sein, mit dem eine MEMS-Komponente wie etwa ein MEMS-Spiegel 209 integriert ist. Der MEMS-Spiegel 209 kann ein siliziumbasierter Festkörper-MEMS-Mikrospiegel sein, der auf dem Chip integriert ist. Der MEMS-Spiegel 209 ist an einer oberen Oberfläche 210 des Chips derart angeordnet, dass derselbe durch die Glasplatte 203 hindurch empfangenes Licht empfangen und reflektieren kann. Der MEMS-Spiegel 209 ist an Schwenkpunkten 211, die auf einer Abtastachse 213 ausgerichtet sind, gekoppelt, so dass der MEMS-Spiegel 209 dazu ausgebildet ist, sich um die Abtastachse 213 zu bewegen, die sich parallel zu einer Neigungsebene des MEMS-Bauelementes 205 erstreckt (d. h. parallel zu der oberen Oberfläche 210). Beispielsweise kann der MEMS-Spiegel 209 dahingehend gesteuert werden, hin und her um die Abtastachse zu oszillieren, um eine horizontalte Abtastoperation auszuführen.
Das MEMS-Bauelement 205 umfasst ferner eine integrierte Schaltung zum Steuern der Bewegung (d. h. der Oszillation) des MEMS-Spiegels 209 und kann elektrische Signale über die Bonddrähte 207 empfangen oder senden. Beispielsweise kann die integrierte Schaltung einen Mikroprozessor umfassen, der dazu ausgebildet ist, einen Treiber des MEMS-Spiegels 209 gemäß einem Protokoll und/oder gemäß Steuersignalen zu steuern, die von einem externen Bauelement über die Bonddrähte 207 empfangen werden. Beispielsweise können gemäß einer Anwendung durch den Mikroprozessor ein An-/AusZustand, ein Bewegungsbereich (z. B. ein Oszillationsbereich zwischen +/-30° um die Achse) und eine Oszillationsfrequenz des MEMS-Spiegels 209 gesteuert und variiert werden. Bei einem Beispiel kann die Oszillationsfrequenz 20 kHz betragen, ist jedoch nicht darauf beschränkt.
Das MEMS-Bauelement 205 ist an dem Substrat 201 mit einem Neigungswinkel θ durch eine Halbleiterchipanbringungsschicht 206, z. B. ein Haftmittel, ein Film, eine Paste, ein Epoxid, ein spannungsfreier Leim (z. B. Silizium) oder dergleichen, Halbleiterchipangebracht oder gebondet. Das MEMS-Bauelement 205 ist auf der Halbleiterchipanbringungsschicht 206 mit einem vordefinierten Neigungswinkel θ platziert, der dahingehend ausreichend ist, statische Reflexionen von Licht zu reduzieren, die ansonsten an der Rückseite des Glassubstrates 203 auftreten können, wenn das Licht durch den MEMS-Spiegel 209 nach außen reflektiert wird. Beispielsweise kann der Neigungswinkel θ in Bezug auf die Ebene des Glassubstrates 203 10° oder größer sein. Der Neigungswinkel θ ist kongruent zu einem Innenwinkel, der durch einen Schnitt der Neigungsebene, die durch die obere Oberfläche 210 definiert ist, und einer Ebene, die durch die Hauptoberfläche(n) des Glassubstrates 203 definiert ist, gebildet ist. Es ist ferner zu beachten, dass die Abtastachse in Bezug auf die Ebene des Glassubstrates 203 den gleichen Neigungswinkel θ aufweist, da die Abtastachse parallel zu der oberen Oberfläche 210 des MEMS-Bauelementes 205 ausgerichtet ist. Hier ist der MEMS-Spiegel 209 dazu ausgebildet, orthogonal zu der Blickebene aus 2 um die Abtastachse zu oszillieren.
Die obere Oberfläche 210 des MEMS-Bauelementes 205 kann als erste Hauptoberfläche bezeichnet werden. Die obere Oberfläche 210 kann eine planare Oberfläche sein, die eine Neigungsebene definiert, die gemäß dem Neigungswinkel schräggestellt ist. Zusätzlich dazu umfasst das Substrat eine planare Hauptoberfläche 214, die sich in der Nähe des MEMS-Bauelementes 205 befindet und mit der das Gehäuse 202/203 gekoppelt ist. Das Glassubstrat 203 umfasst eine erste planare Oberfläche 215 und eine zweite planare Oberfläche 216, die eine Dicke der transparenten Platte definieren und zu der planaren Hauptoberfläche 214 des Substrates parallel sind.
Um einen Neigungswinkel zu erzielen, kann das MEMS-Bauelement 205 derart auf der Halbleiterchipanbringungsschicht 206 platziert werden, dass eine Seite (in diesem Beispiel die linke Seite) des MEMS-Bauelementes 205 die Halbleiterchipanbringungsschicht 206 vor dem Kontakt der zweiten Seite mit der Halbleiterchipanbringungsschicht 206 kontaktiert, so dass dieselbe mit dem gewünschten Neigungswinkel platziert ist. Zusätzlich oder alternativ dazu kann eine stärkere Druckgröße auf eine Seite (in diesem Beispiel die linke Seite) des MEMS-Bauelementes 205 als auf die andere Seite ausgeübt werden, so dass die eine Seite tiefer in die Halbleiterchipanbringungsschicht 206 gedrückt wird als die andere Seite, um einen gewünschten Neigungswinkel zu erzeugen. Somit weist die Halbleiterchipanbringungsschicht 206 eine asymmetrische Form auf, so dass ihre Hauptoberfläche 212 einen Neigungswinkel relativ zu der Ebene des Glassubstrates 203 aufweist. Sobald das MEMS-Bauelement 205 mit einem gewünschten Neigungswinkel platziert ist (oder die Halbleiterchipanbringungsschicht 206 mit der gewünschten asymmetrischen Form gebildet ist), kann die Halbleiterchipanbringungsschicht 206 durch einen Aushärtungsprozess gehärtet werden, um das MEMS-Bauelement 205 gemäß der gewünschten Ausrichtung zu fixieren.
Obwohl ein Hauptabschnitt von durch die Laserquellen ausgesendetem und von dem MEMS-Spiegel 209 empfangenem Licht durch das Glassubstrat 203 hindurch über eine Reflexion von dem MEMS-Spiegel 209 übertragen wird, kann ein kleinerer, sekundärer Abschnitt des Lichtes durch die Rückseite des Glassubstrates zurück in den Hohlraum 204 reflektiert werden. Jedoch kann aufgrund des Neigungswinkels des MEMS-Bauelementes 205 relativ zu dem Glassubstrat 203 die Lichtmenge, die durch die Rückseite des Glassubstrates 203 zurück zu dem MEMS-Bauelement 205 reflektiert wird, reduziert werden und eine Systemleistung kann verbessert werden. Das heißt, obwohl ein Abschnitt von Licht zurück in den Hohlraum 204 reflektiert wird, kann die Lichtmenge, die tatsächlich an dem MEMS-Spiegel 209 zurück reflektiert wird und darauf auftrifft, aufgrund der asymmetrischen Geometrie der Halbleiterchipanbringungsschicht 206 und/oder des Neigungswinkels des MEMS-Bauelementes 205 reduziert werden. Somit kann die Innengehäusereflexion gemäß dem Neigungswinkel des MEMS-Bauelementes 205 und insbesondere dem Neigungswinkel des MEMS-Spiegels 209 optimiert werden.
3A und 3B veranschaulichen ein Chip-Package 300 gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen. Im Einzelnen zeigt 3A eine Querschnittsansicht des Chip-Packages 300, wohingegen 3B eine Draufsicht des Chip-Packages 300 zeigt.
Das Chip-Package 300 ähnelt dem in 2 gezeigten Chip-Package 200 mit der Ausnahme, dass ein unterschiedliches Gehäuses 302 verwendet wird. Daher werden in 3A und 3B gezeigte ähnliche Merkmale nicht ausführlich beschrieben. Beide Chip-Packages 200 und 300 können hermetisch abgedichtet sein, um ihre internen Bauelemente zu schützen.
Das Chip-Package 300 umfasst ein Gehäuse 302, das an dem Substrat 301 angebracht ist. Beispielsweise kann das Gehäuse 302 eine Metallkappe mit einem integrierten Glassubstrat 303 sein. Die Metallplatte kann durch Löten an dem Substrat 301 angebracht sein. Zusätzlich dazu stellt das Glassubstrat 303 ein Fenster bereit, durch das Licht aus den LIDAR-Lichtquellen und reflektiertes Licht aus dem MEMS-Spiegel hindurch verläuft.
Das Gehäuse 302 weist eine erste Seite 302a auf, die sich in der Nähe zu einer Seite 306a der Halbleiterchipanbringungsschicht 306 befindet, und weist eine zweite Seite 302b auf, die sich in der Nähe zu einer gegenüberliegenden Seite 306b der Halbleiterchipanbringungsschicht 306 befindet. Eine Dicke der Halbleiterchipanbringungsschicht 306 an der Seite 306a ist aufgrund des Neigungswinkels der Hauptoberfläche 312 der Halbleiterchipanbringungsschicht 306 geringer als die Dicke der Halbleiterchipanbringungsschicht 306 an der Seite 306b.
Wie in 3B gezeigt ist, erstreckt sich die Abtastachse 313 parallel zu der Neigungsebene des MEMS-Bauelements 305. Somit oszilliert der MEMS-Spiegel 309 orthogonal zu der Neigungsebene des MEMS-Bauelements 305.
4 veranschaulicht einen Montageprozess gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen. Beispielsweise kann eine Halbleiterchipanbringungsschicht 406 auf einem Substrat 401 mit einer symmetrischen oder im Wesentlichen symmetrischen Form angeordnet werden. Danach kann ein geneigtes Bondkopfwerkzeug 420 mit einem Gummiende 421, das zum Tragen eines MEMS-Bauelements 405 ausgebildet ist, dazu verwendet werden, das MEMS-Bauelement 405 auf die Halbleiterchipanbringungsschicht 406 zu platzieren. Das Bondkopfwerkzeug 420 wird mit einem Winkel geneigt, um das MEMS-Bauelement 405 vor dem Aushärten der Halbleiterchipanbringungsschicht 406 mit dem gewünschten Winkel auf die Halbleiterchipanbringungsschicht 406 zu platzieren. Das MEMS-Bauelement 405 kann dann in einem Gehäuse umschlossen werden, um die Montage des Packages abzuschließen.
5 veranschaulicht ein anderes Ausführungsbeispiel zum Erzielen eines Neigungswinkels eines MEMS-Bauelements gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen. Beispielsweise kann ein Substrat 501 eine geneigte Anordnungsauflage 501a zum Empfangen einer Halbleiterchipanbringungsschicht 506 und eines MEMS-Bauelements 505 umfassen. Die geneigte Anordnungsauflage 501a, die gemeinsam mit dem Substrat 501 ein einzelnes integriertes Bauglied bildet, erstreckt sich von dem verbleibenden Abschnitt 501b des Substrats 501 mit einem Neigungswinkel. Somit weist die geneigte Anordnungsauflage 501a eine asymmetrische Form auf, wobei ihre Hauptoberfläche gemäß dem Neigungswinkel geneigt ist. Die Halbleiterchipanbringungsschicht 506 wird auf der Hauptoberfläche der geneigten Anordnungsauflage 501a angeordnet und das MEMS-Bauelement 505 wird vor dem Härten der Halbleiterchipanbringungsschicht 506 darauf angeordnet. Aufgrund des Neigungswinkels der geneigten Anordnungsauflage 501a kann das MEMS-Bauelement 505 derart durch ein Bondwerkzeug 520 auf die Halbleiterchipanbringungsschicht 506 platziert werden, das eine Unterseitenoberfläche des MEMS-Bauelements 505 und eine obere Oberfläche der Halbleiterchipanbringungsschicht 506 parallel zueinander sind. Das Bondwerkzeug 520 kann ein gewinkeltes Gummiende 521 aufweisen, das dazu ausgebildet ist, das MEMS-Bauelement 505 in einem Winkel zu halten, der kongruent mit dem Neigungswinkel der geneigten Anordnungsauflage 501a ist. Das MEMS-Bauelement 505 kann dann in einem Gehäuse umschlossen werden, um die Montage des Packages abzuschließen.
Es ist zu beachten, dass das gewinkelte Gummiende 521 ein Beispiel eines möglichen Werkzeugs ist und dass das Bondwerkzeug 520 nicht darauf beschränkt ist. Beispielsweise kann das Bondwerkzeug 520 ein Greifwerkzeug oder eine Düse umfassen, das/die dazu ausgebildet ist, einen Chip wie etwa das MEMS-Bauelement 505 zu halten und zu platzieren, gemäß einem oder mehreren hierin beschriebenen Ausführungsbeispielen.
6 veranschaulicht ein weiteres Ausführungsbeispiel zum Erzielen eines Neigungswinkels eines MEMS-Bauelements gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen. Im Einzelnen kann eine Keilstruktur 630 auf dem Substrat 601 angeordnet werden. Ähnlich zu der geneigten Anordnungsauflage 501a in 5 ist die Keilstruktur 630 mit einer Hauptoberfläche ausgebildet, die mit einem Neigungswinkel geneigt ist. Die Keilstruktur 630 kann aus Keramik, Silikon oder Plastik bestehen, ist jedoch nicht darauf beschränkt.
Eine Halbleiterchipanbringungsschicht 606 wird auf der Hauptoberfläche der Keilstruktur 630 angeordnet und das MEMS-Bauelement 605 wird vor dem Härten der Halbleiterchipanbringungsschicht 606 darauf platziert. Aufgrund des Neigungswinkels der Keilstruktur 630 kann das MEMS-Bauelement 630 durch ein Bondwerkzeug 620 derart auf die Halbleiterchipanbringungsschicht 606 platziert werden, dass eine Unterseitenoberfläche des MEMS-Bauelements 605 und eine obere Oberfläche der Halbleiterchipanbringungsschicht 606 parallel zueinander sind. Das Bondwerkzeug 620 kann ein gewinkeltes Gummiende 621 aufweisen, das dazu ausgebildet ist, das MEMS-Bauelement 605 in einem Winkel zu halten, der kongruent mit dem Neigungswinkel der Keilstruktur 630 ist. Das MEMS-Bauelement 605 kann dann in einem Gehäuse umschlossen werden, um die Montage des Packages abzuschließen.
7 veranschaulicht ein weiteres Ausführungsbeispiel zum Erzielen eines Neigungswinkels eines MEMS-Bauelements gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen. Hier kann der Neigungswinkel des MEMS-Spiegels durch eine asymmetrische Form des MEMS-Bauelements 705 realisiert werden. Beispielsweise kann eine Rückseite des MEMS-Bauelements 705 (d.h. Unterseite des Wafers) derart in einem Winkel geätzt werden, dass, wenn das MEMS-Bauelement 705 in der Halbleiterchipanbringungsschicht 706 platziert wird, das MEMS-Bauelement 705 eine geneigte Oberfläche 710 aufweist, wo der MEMS-Spiegel angeordnet ist. Gemäß dieser Anordnung ist der MEMS-Spiegel gemäß einem Neigungswinkel θ in Bezug auf das Glassubstrat/-fenster (nicht gezeigt) geneigt. Somit kann die Halbleiterchipanbringungsschicht 706, die dazu verwendet wird, das MEMS-Bauelement 705 an dem Substrat 701 zu fixieren, mit einer symmetrischen oder im Wesentlichen symmetrischen Form (d. h. eine Hauptoberfläche erstreckt sich parallel zu dem Substrat und Glassubstrat/-fenster) gehärtet werden, wobei weiterhin ein Neigungswinkel des MEMS-Spiegels erzielt wird. Alternativ dazu kann die Halbleiterchipanbringungsschicht 706 mit einer asymmetrischen Form ausgehärtet werden, so dass ihre Hauptoberfläche ähnlich zu der in 2 gezeigten auch geneigt ist und ferner dazu verwendet werden kann, den Neigungswinkel des MEMS-Spiegels in Bezug auf das Glassubstrat/-fenster anzupassen.
Obwohl sich hierin beschriebene Ausführungsbeispiele auf ein MEMS-Bauelement beziehen, ist zu beachten, dass andere Implementierungen optische Bauelemente außer MEMS-Spiegel-Bauelementen umfassen können. Obwohl einige Aspekte im Zusammenhang mit einer Vorrichtung beschrieben worden sind, ist es offenkundig, dass diese Aspekte ebenfalls eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens darstellen, wobei ein Block oder eine Vorrichtung einem Verfahrensschritt oder einem Merkmal eines Verfahrensschrittes entsprechen. Analog dazu stellen die im Zusammenhang mit einem Verfahrensschritt beschriebenen Aspekte ebenfalls eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder einer Einzelheit oder eines Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung dar. Einige oder alle der Verfahrensschritte können durch (oder durch Anwendung) ein/einer Hardware-Vorrichtung, wie beispielsweise eines Mikroprozessors, eines programmierbaren Computers oder einer elektronischen Schaltung, ausgeführt werden. Bei einigen Ausführungsbeispielen können einer oder mehrere der Verfahrensschritte durch eine solche Vorrichtung ausgeführt werden.
Je nach gewissen Implementierungserfordernissen können Ausführungsbeispiele der Erfindung in Hardware oder in Software implementiert sein. Die Implementierung kann unter Anwendung eines digitalen Speichermediums, beispielsweise einer Floppy-Disk, einer DVD, einer Blu-Ray, einer CD, eines ROM, eines PROM, eines EPROM, eines EEPROM, oder eines FLASH-Speichers, ausgeführt werden, das elektronisch lesbare Steuersignale darauf gespeichert hat, die mit einem programmierbaren Computersystem derart zusammenarbeiten (oder zu einer Zusammenarbeit fähig sind), dass das entsprechende Verfahren ausgeführt wird. Somit kann das digitale Speichermedium computerlesbar sein.
Befehle können durch einen oder mehrere Prozessoren ausgeführt werden, z.B. durch einen oder mehrere Zentralprozessoren (CPU), digitale Signalprozessoren (DSP), allgemeine Mikroprozessoren, anwendungsspezifische integrierte Schaltungen (ASIC), feldprogrammierbare logische Arrays (FPGA) oder andere gleichwertige integrierte oder diskrete logische Schaltungen. Dementsprechend kann sich die Bezeichnung „Prozessor“, wie hierin verwendet, auf eine beliebige der oben angeführten Strukturen oder jede andere Struktur beziehen, die zur Ausführung der hierin beschriebenen Verfahren geeignet ist. Zusätzlich dazu kann die hierin beschriebene Funktionalität in einigen Aspekten mit dedizierten Hardware- und/oder Softwaremodulen bereitgestellt sein. Die Verfahren könnten auch vollständig in einer oder mehreren Schaltungen oder einem oder mehreren logischen Elementen ausgeführt werden.
Die obigen Ausführungsbeispiele sind lediglich veranschaulichend. Es wird darauf hingewiesen, dass Modifizierungen und Variationen der hierin beschriebenen Anordnungen und Einzelheiten für andere Fachleute offenkundig sein werden. Eine Einschränkung ist daher lediglich durch den Schutzumfang der folgenden Patentansprüche und nicht durch die mittels Beschreibung und Erläuterung der angeführten Ausführungsbeispiele dargelegten spezifischen Einzelheiten beabsichtigt.

Claims

Mikroelektromechaniksystem(MEMS)-Package-Anordnung, die folgende Merkmale aufweist: ein Substrat; ein Gehäuse, das mit dem Substrat dahingehend gekoppelt ist, einen Hohlraum zu bilden, wobei das Gehäuse eine transparente Platte umfasst, die über und parallel zu dem Substrat angeordnet ist und dazu ausgebildet ist, eine Übertragung von Licht dort hindurch zu ermöglichen; und einen MEMS-Chip, der in dem Hohlraum angeordnet ist und eine erste Hauptoberfläche, die sich in der Nähe der transparenten Platte befindet, und eine zweite Hauptoberfläche aufweist, die der ersten Hauptoberfläche gegenüberliegt und mit dem Substrat gekoppelt ist, wobei der MEMS-Chip derart ausgerichtet ist, dass die erste Hauptoberfläche mit einem Neigungswinkel in Bezug auf die transparente Platte geneigt ist.
MEMS-Package-Anordnung gemäß Anspruch 1, bei der: der MEMS-Chip einen Spiegel umfasst, der an der ersten Hauptoberfläche integriert ist, und der Spiegel dazu ausgebildet ist, sich um eine Achse zu drehen, die sich parallel zu einer Neigungsebene der ersten Hauptoberfläche erstreckt.
MEMS-Package-Anordnung gemäß Anspruch 2, bei der: der Spiegel dazu ausgebildet ist, dass durch die transparente Platte hindurch übertragene Licht zu empfangen und das empfangene Licht zurück an die transparente Platte zur Übertragung dort hindurch zu reflektieren.
MEMS-Package-Anordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der: die erste Hauptoberfläche des MEMS-Chips eine planare Oberfläche ist, die eine Neigungsebene definiert, die in Bezug auf das Substrat gemäß dem Neigungswinkel geneigt ist.
MEMS-Package-Anordnung gemäß Anspruch 4, bei der: der Neigungswinkel kongruent zu einem Innenwinkel ist, der durch einen Schnitt der Neigungsebene und einer durch die transparente Platte definierten Ebene gebildet ist.
MEMS-Package-Anordnung gemäß Anspruch 4 oder 5, die ferner Folgendes aufweist: eine Halbleiterchipanbringungsschicht, die dazu ausgebildet ist, den MEMS-Chip, der an einer ersten Oberfläche der Halbleiterchipanbringungsschicht angeordnet ist, an dem Substrat anzubringen, das an einer zweiten Oberfläche der Halbleiterchipanbringungsschicht angeordnet ist, wobei die Halbleiterchipanbringungsschicht eine Keilform aufweist, so dass die erste Oberfläche der Halbleiterchipanbringungsschicht parallel zu der Neigungsebene ist.
MEMS-Package-Anordnung gemäß einem der Ansprüche 4 bis 6, bei der: das Substrat eine geneigte Anordnungsauflage umfasst, bei der eine Auflageoberfläche an den MEMS-Chip gebondet ist, wobei die Auflageoberfläche parallel zu der Neigungsebene ist.
MEMS-Package-Anordnung gemäß Anspruch 7, bei der: die geneigte Anordnungsauflage ein einzelnes integriertes Bauglied mit dem Substrat bildet und sich von einer Hauptoberfläche des Substrats erstreckt, die parallel zu der transparenten Platte ist.
MEMS-Package-Anordnung gemäß Anspruch 7 oder 8, die ferner Folgendes aufweist: eine Halbleiterchipanbringungsschicht, die dazu ausgebildet ist, den MEMS-Chip, der an einer ersten Oberfläche der Halbleiterchipanbringungsschicht angeordnet ist, an der geneigten Anordnungsauflage anzubringen, die an einer zweiten Oberfläche der Halbleiterchipanbringungsschicht angeordnet ist, wobei die erste Oberfläche der Halbleiterchipanbringungsschicht parallel zu der Neigungsebene ist.
MEMS-Package-Anordnung gemäß einem der Ansprüche 4 bis 9, die ferner Folgendes aufweist: eine Keilstruktur, die zwischen dem Substrat und dem MEMS-Chip angeordnet ist, wobei die Keilstruktur eine parallel zu der Neigungsebene geneigte Keiloberfläche aufweist.
MEMS-Package-Anordnung gemäß Anspruch 10, die ferner Folgendes aufweist: eine Halbleiterchipanbringungsschicht, die dazu ausgebildet ist, den MEMS-Chip, der an einer ersten Oberfläche der Halbleiterchipanbringungsschicht angeordnet ist, an der Keilstruktur anzubringen, die an einer zweiten Oberfläche der Halbleiterchipanbringungsschicht angeordnet ist, wobei die erste Oberfläche der Halbleiterchipanbringungsschicht parallel zu der Neigungsebene ist.
MEMS-Package-Anordnung gemäß Anspruch 11, bei der: der MEMS-Chip eine Keilform aufweist, wobei eine Rückseite des MEMS-Chips mit dem Neigungswinkel geätzt ist.
MEMS-Package-Anordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, bei der: das Substrat eine planare Hauptoberfläche aufweist, die sich in der Nähe des MEMS-Chips befindet und mit der das Gehäuse gekoppelt ist.
MEMS-Package-Anordnung gemäß Anspruch 13, bei der: die transparente Platte eine erste planare Oberfläche und eine zweite planare Oberfläche umfasst, die eine Dicke der transparenten Platte definieren und parallel zu der planaren Hauptoberfläche des Substrats sind.
Verfahren zum Herstellen einer geneigten Chip-Package-Anordnung, das folgende Schritte aufweist: Anbringen eines Mikroelektromechaniksystem(MEMS)-Chips, der eine erste Hauptoberfläche aufweist, an einem Substrat, das eine planare Hauptoberfläche in der Nähe des MEMS-Chips aufweist, wobei der MEMS-Chip derart ausgerichtet ist, dass die erste Hauptoberfläche des MEMS-Chips mit einem Neigungswinkel in Bezug auf die planare Hauptoberfläche des Substrats geneigt ist; und Anbringen eines Gehäuses an der planaren Hauptoberfläche des Substrats dahingehend, einen Hohlraum zu bilden, in dem sich der MEMS-Chip aufhält, wobei das Gehäuse eine transparente Platte umfasst, die über und parallel zu der planaren Hauptoberfläche des Substrats angeordnet ist und dazu ausgebildet ist, eine Übertragung von Licht dort hindurch zu ermöglichen.
Verfahren zum Herstellen gemäß Anspruch 15, bei dem: die transparente Platte eine erste planare Oberfläche und eine zweite planare Oberfläche umfasst, die eine Dicke der transparenten Platte definieren und parallel zu der planaren Hauptoberfläche des Substrats sind.
Verfahren zum Herstellen gemäß Anspruch 15 oder 16, bei dem: die erste Hauptoberfläche des MEMS-Chips eine planare Oberfläche ist, die eine Neigungsebene definiert, die gemäß dem Neigungswinkel geneigt ist.
Verfahren zum Herstellen gemäß einem der Ansprüche 15 bis 17, das ferner Folgendes aufweist: Anordnen einer Halbleiterchipanbringungsschicht auf der planaren Hauptoberfläche des Substrats, wobei die Halbleiterchipanbringungsschicht dazu ausgebildet ist, den MEMS-Chip an einer ersten Oberfläche der Halbleiterchipanbringungsschicht zu empfangen, um den MEMS-Chip an dem Substrat anzubringen, wobei die Halbleiterchipanbringungsschicht eine Keilform aufweist, so dass die erste Oberfläche der Halbleiterchipanbringungsschicht mit dem Neigungswinkel geneigt ist.
Verfahren zum Herstellen gemäß einem der Ansprüche 15 bis 18, bei dem das Anbringen des MEMS-Chips an dem Substrat Folgendes aufweist: Aufbringen des MEMS-Chips auf eine Halbleiterchipanbringungsschicht in dem Neigungswinkel unter Verwendung eines geneigten Werkzeugs.
Verfahren zum Herstellen gemäß einem der Ansprüche 15 bis 19, bei dem das Anbringen des MEMS-Chips an dem Substrat Folgendes aufweist: Anbringen einer Keilstruktur an der planaren Hauptoberfläche des Substrats, wobei die Keilstruktur eine mit dem Neigungswinkel geneigte Keiloberfläche aufweist; und Anbringen des MEMS-Chips an der Keiloberfläche.