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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines MEMS-Sensors.
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Die Erfindung betrifft weiter einen MEMS-Sensor.
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Obwohl die vorliegende Erfindung allgemein auf beliebige MEMS-Sensoren anwendbar ist, wird die vorliegende Erfindung mit Bezug auf MEMS-Drucksensoren beschrieben.
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Stand der Technik
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Bekannte Drucksensoren weisen eine drucksensitive Schicht, beispielsweise eine Membran, auf, die in Kontakt mit der Umwelt stehen muss, um einen Druckzugang zu dieser zu gewährleisten. Dieser Druckzugang wird in bekannter Weise mittels des sogenannten Film-Assisted Molding und durch beispielsweise ein Raster aus kleinen Zugangslöchern auf der Chipoberseite des Drucksensors bereitgestellt. Durch das Film-Assisted Molding ragt der Chip üblicherweise aus der Moldmasse heraus und reduziert die Fläche der verbleibenden Mold-Oberfläche.
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Aus der
DE 10 2016 220 077 A1 ist ein Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Drucksensors bekannt geworden, aufweisend die Schritte:
- - Bereitstellen eines MEMS-Wafers mit einem Siliziumsubstrat und einer darin ausgebildeten ersten Kavität unter einer Sensormembran;
- - Bereitstellen eines zweiten Wafers;
- - Bonden des MEMS-Wafers mit dem zweiten Wafer; und
- - Freistellen eines Sensorkerns von der Rückseite her, wobei eine zweite Kavität zwischen dem Sensorkern und der Oberfläche des Siliziumsubstrats ausgebildet wird, wobei die zweite Kavität mittels eines Ätzprozesses, der mit definiert geänderten Ätzparametern durchgeführt wird, ausgebildet wird.
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Offenbarung der Erfindung
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In einer Ausführungsform stellt die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines MEMS-Sensors bereit, umfassend die Schritte
- - Bereitstellen eines Substrats,
- - Aufbringen einer Tragschicht auf einer Rückseite des Substrats,
- - Ausbilden von zumindest einer Aussparung im Substrat, dergestalt das ein Zugang zur Rückseite von der Vorderseite ausgebildet wird,
- - Einbringen einer MEMS-Struktur in die zumindest eine Aussparung, und
- - Festlegen der MEMS-Struktur auf der Tragschicht.
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In einer weiteren Ausführungsform stellt die Erfindung einen MEMS-Sensor, hergestellt mit einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1-11, bereit.
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Einer der damit erzielten Vorteile ist, dass damit Beschädigungen von Zugangsstrukturen, beispielsweise Zugangslöchern, vermieden werden. Darüber hinaus wird die Mold-Oberfläche vergrößert, da der MEMS-Sensor nicht mehr aus der Mold-Masse hervorragt. Ebenso wird eine verbesserte Handhabung bereitgestellt, da Beschädigungen der Zugangsstrukturen während des Moldens vermieden werden. Kosten- und herstellungsintensive Entlastungskavitäten im Mold-Werkzeug werden damit ebenfalls vermieden.
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Weitere Merkmale, Vorteile und weitere Ausführungsformen der Erfindung sind im Folgenden beschrieben oder werden dadurch offenbar.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung wird die Tragschicht als selbstklebende Filmschicht ausgebildet, die mittels Kleben an dem Substrat festgelegt wird. Dies ermöglicht eine einfache und kostengünstige Festlegung der Tragschicht an dem Substrat.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung wird die MEMS-Struktur mit einer Zugangsstruktur für eine Funktionsschicht bereitgestellt und wobei die MEMS-Struktur so angeordnet wird, dass nach dem Festlegen der MEMS-Struktur auf der Tragschicht die Zugangsstruktur verschlossen ist. Hierdurch wird eine Zugangsstruktur im Wesentlichen nach unten gerichtet und diese wird durch die Tragschicht geschützt und abgedichtet. Beschädigungen der Zugangsstruktur und der Funktionsschicht der MEMS-Struktur werden dadurch auf einfache und kostengünstige Weise vermieden.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung wird nach dem Festlegen der MEMS-Struktur ein ASIC-Element angeordnet, insbesondere mittels eines Die-Attach-Films und/oder eines Flüssigklebstoffs. Damit lässt sich auf einfache Weise ein ASIC-Element anordnen.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung wird das ASIC-Element auf der MEMS-Struktur angeordnet. Dies ermöglicht eine kompakte Anordnung von MEMS-Struktur und ASIC-Element.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung erfolgt ein Übermolden des Substrats und zumindest der MEMS-Struktur, insbesondere mittels Transfer- oder Kompressionsmolden. Dies ermöglicht einen einfachen und zuverlässigen Schutz des MEMS-Sensors.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung werden Kontaktierungen für die MEMS-Struktur und/oder für das ASIC-Element auf der Vorderseite des Substrats angeordnet und MEMS-Struktur und/oder ASIC-Element werden mittels Drahtbonden elektrisch kontaktiert. Dies ermöglicht eine einfache und kostengünstige elektrische Kontaktierung von MEMS-Struktur und/oder ASIC-Element.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung wird nach dem Übermolden die Tragschicht entfernt. Damit kann auf einfache Weise der MEMS-Sensor beispielsweise für die weitere Verarbeitung in Trays oder als Schüttgut in Dosen platziert werden.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung wird zum Entfernen der Tragschicht diese mit Licht im UV-Bereich und/oder thermisch beaufschlagt. Vorteil hiervon ist, dass ein einfacheres Ablösen der Tragschicht von dem Substrat ermöglicht wird.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung wird eine Vielzahl von Aussparungen ausgebildet, wobei in jeder der Aussparungen zumindest eine MEMS-Struktur eingebracht wird und wobei nach dem Übermolden eine Vielzahl von MEMS-Sensoren durch Vereinzeln entsprechend der jeweiligen Aussparungen hergestellt werden, insbesondere mittels mechanischem Sägen in Richtung von der Vorderseite zur Rückseite des Substrats. Damit kann auf einfache und kostengünstige Weise eine Vielzahl von MEMS-Sensoren hergestellt werden.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung wird im ASIC-Element zumindest eine Durchkontaktierung hergestellt und ASIC-Element und MEMS-Struktur werden so zueinander angeordnet, dass mittels der zumindest einen Durchkontaktierung des ASIC-Elements die MEMS-Struktur elektrisch kontaktiert wird. Dies ermöglicht eine zuverlässige Kontaktierung und kompakte Anordnung von MEMS-Struktur und ASIC-Element.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen, und aus dazugehöriger Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte Ausführungen und Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile oder Elemente beziehen.
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Figurenliste
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Dabei zeigen in schematischer Form
- 1-7 Schritte eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
- 8 einen MEMS-Sensor im Querschnitt gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
- 9 einen MEMS-Sensor im Querschnitt gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
- 10 einen MEMS-Sensor im Querschnitt während eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
- 11 Schritte eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Die 1-7 zeigen Schritte eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Im Detail zeigen die 1-7 Schritte eines Verfahrens zur Herstellung eines MEMS-Sensors 1. In 1 ist ein Substrat 2 gezeigt, welches auf seiner Rückseite 2b ein temporär angeordnetes Trägerband 4 aufweist. Das Trägerband 4, beispielsweise in Form eines UV-Freistellungsbandes, UV-Release-Tape, wird dabei auf die Rückseite 2b des Substrats 2 auflaminiert. Das Trägerband 4 weist auf der dem Substrat 2 zugewandten Seite eine Adhäsionsschicht auf, die die Haftung zwischen dem Trägerband 4 und dem Substrat 2 ermöglicht. Das Trägerband 4 schließt, wie in 1 gezeigt, Aussparungen 15 im Substrat 2 von dessen Rückseite 2b her ab. Das Substrat 2 weist weiterhin auf der Rückseite 2b Kontaktierungen 3b zur elektrischen Kontaktierung des Substrats 2 auf. Diese werden vollständig von dem Trägerband 4 umschlossen.
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In 2 sind nun MEMS-Strukturen 5 mit Zugängen 5a für eine Funktionsschicht 5b der jeweiligen MEMS-Strukturen 5 in die jeweilige Aussparung 15 eingebracht. Diese können beispielsweise mit einem sogenannten Die-Bonder oder einer anderen geeigneten Aufnahme- und Positioniermaschine, eine sogenannte Pick-and-Place-Maschine, in die Aussparungen 15 des Substrats 2 auf dem Trägerband 4 eingebracht und dort auf dem Trägerband 4 aufgeklebt werden. Die jeweilige Ausrichtung der MEMS-Struktur 5 für diesen Prozess kann über geeignete Bezugspunkte, sogenannte Fiducials, die während der Herstellung auf dem Substrat 2 aufgebracht werden, mit hoher Genauigkeit erfolgen (in den Figuren nicht dargestellt). Die MEMS-Strukturen 5 für den MEMS-Sensor werden dabei so orientiert, dass die Zugänge 5a nach unten gerichtet sind und damit temporär vom Trägerband 4 verschlossen werden. Weiterhin werden auf der Vorderseite 2a des Substrats 2 Bond-Pads 3a zur späteren elektrischen Kontaktierung des Substrats 2 angeordnet. Durch das Verschließen der Zugänge 5a durch das Trägerband 4 kann der Eintritt von Partikeln oder Wasser, beispielsweise beim Sägen wie weiter unten beschrieben, vermieden werden.
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In 3 ist ein aufgeklebtes ASIC-Element 7 mittels eines Filmklebestoffs 8, auch Die-Attach-Film DAF genannt, auf die MEMS-Struktur 5, gezeigt. Nach dem Aufkleben wurden ebenfalls elektrische Verbindungen 6a, 6b zur elektrischen Kontaktierung von MEMS-Struktur 5, ASIC-Element 7 und Substrat 2, beispielsweise mittels Drahtbonden, hergestellt. MEMS-Struktur 5 und ASIC-Element 7 können dabei direkt, wie dies in 3 gezeigt ist, verbunden werden. In einer weiteren Ausführungsform können MEMS-Struktur 5 und ASIC-Element 7 auch durch ein Routing im Substrat 2 elektrisch verbunden werden. In einer weiteren Ausführungsform kann das ASIC-Element 7 auch neben der Aussparung 15 auf dem Substrat 2 angeordnet werden, insbesondere aufgeklebt werden oder als Flip-Stitch-Chip auf das Substrat 2 aufgelötet werden.
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In 4 ist das Substrat 2 durch Transfer- oder Kompressionsmolden mit einer Moldmasse 9 übermoldet gezeigt. Dabei werden die Zugänge 5a, die nach unten gerichtet sind, durch das Trägerband 4 abgeschlossen, sodass keine Mold-Masse 9 auf die Unterseite und damit in die Zugänge 5a gelangen kann. Da während des Moldvorgangs der gleiche Druck auf die Oberseite der MEMS-Struktur 5 und auf den nicht von der MEMS-Struktur 5 verdeckten Teil des Trägerbandes 4 wirkt, wird das Trägerband 4 sowohl unter als auch neben der MEMS-Struktur 5 gleich stark deformiert und die MEMS-Struktur 5 wird nicht weiter in das Trägerband 4 gepresst. Es bildet sich also ein ebener Übergang zwischen der später freizustellenden Unterseite der MEMS-Struktur 5 und der umgebenden Moldmasse 9, das heißt es entsteht kein sogenannter Undercut.
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In 5 ist ein Vereinzeln der jeweiligen MEMS-Sensoren 1, indem das übermoldete Substrat 2 gezeigt, beispielsweise durch mechanisches Sägen von der Sensoroberseite aus (Sägeschnitte 10). Das Ausrichten für das Sägen kann über entsprechende Markierungen am Rand des Substrats 2, der nicht übermoldet wird, erfolgen (nicht gezeigt in den Figuren). Dabei verschließt das Trägerband 4 die Rückseite der MEMS-Struktur 5 und dichtet diese ab. Dadurch wird eine Kontamination der MEMS-Struktur 5 durch in die Zugänge 5a eindringende Partikel oder Sägewasser oder dergleichen verhindert.
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In 6 sind nun die vereinzelten MEMS-Sensoren 1 vom Trägerband 4 abgehoben gezeigt und können so für eine weitere Verarbeitung, zum Beispiel in Trays oder als Schüttgut in Dosen platziert werden. Die Haftung des Trägerbands 4 kann dabei zuvor, beispielsweise durch UV-Bestrahlung und/oder thermische Behandlung verringert werden, um ein rückstandsfreies Ablösen von der Rückseite 2b des Substrats 2 zu ermöglichen.
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7 zeigt nun beispielhaft, wie ein MEMS-Sensor eingesetzt werden kann.
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Der MEMS-Sensor 1 wird hierbei durch sogenannte Reflow-Lötverbindungen 11 auf einer Anwendungsleiterplatte 12 aufgelötet. Dabei verbleibt ein kleiner Spalt 19, mit circa 20-50µm Spalthöhe, zwischen der Sensor-Unterseite und der Anwendungsleiterplatte 12, über den der Druckzugang 20 erfolgt. Gleichzeitig sind die Zugänge 5a aber durch ihre Ausrichtung nach unten zur Anwendungsleiterplatte 12 hin und durch den kleinen Durchmesser des Spalts 19 sowohl mechanisch als auch vor dem Eindringen von Partikeln geschützt. Zur Erfüllung von IP6x-Anforderungen kann zusätzlich bereits auf Wafer-Level eine hydrophobe Beschichtung, auf der Unterseite der MEMS-Struktur 5 mit den Zugängen 5a aufgebracht werden. Da die Zugänge 5a während aller Plasma-Schritte in der Package-Herstellung - die Plasma-Behandlung erfolgt dabei vor dem Drahtbonden und vor dem Molden - durch das Trägerband 4 geschützt ist, bleibt die hydrophobe Wirkung der auf Wafer-Level aufgebrachten hydrophoben Beschichtung dabei bis zum finalen Produkt erhalten.
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8 zeigt einen MEMS-Sensor im Querschnitt gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Im Detail ist in 8 im Wesentlichen einen MEMS-Sensor 1 gemäß 7 gezeigt. Im Unterschied zum MEMS-Sensor 1 gemäß 7 ist beim MEMS-Sensor 1 gemäß 8 das ASIC-Element 7 auf Wafer-Level per eutektischem Bond mit der MEMS-Struktur 5 verbunden. Der eutektische Bond 13b ermöglicht dabei ebenfalls die elektrische Kontaktierung von MEMS-Struktur 5 und ASIC-Element 7. Über Bonddrähte 6a erfolgt dann die Kontaktierung der MEMS-Struktur 5 über Kontakte 13a mit dem Substrat 2. Vorteil hiervon ist, dass die Bauhöhe insgesamt von MEMS-Sensor 1 und Anwendungsleiterplatte 12 äußerst gering ist. Alternativ sind anstelle des eutektischen Bonds auch andere Bond-Verfahren möglich, beispielsweise ein Gold-Gold-Bond.
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9 zeigt einen MEMS-Sensor im Querschnitt gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Im Detail ist in 9 im Wesentlichen ein MEMS-Sensor 1 gemäß 8 gezeigt. Im Unterschied zum MEMS-Sensor 1 gemäß 8 ist beim MEMS-Sensor 1 gemäß 9 nun das ASIC-Element 7 mit einer Durchkontaktierung 14, auch als Through Silicon Via, TSV, bezeichnet, versehen. In diesem Fall wird das ASIC-Element 7 direkt per Drahtbonden 6b mit dem Substrat 2 elektrisch verbunden.
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Bei der Herstellung des MEMS-Sensors 1 gemäß der 8 und 9 entfällt der Schritt des Aufklebens des ASIC-Elements 7 und dessen entsprechende Kontaktierung wie in 3 dargestellt ist.
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10 zeigt einen MEMS-Sensor im Querschnitt während eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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In 10 ist das Substrat 2 in der Draufsicht von oben gezeigt. Das Substrat 2 wird mit regelmäßig angeordneten und in ihrer Form regelmäßigen, hier quadratischen Aussparungen 15 versehen. Auf der jeweils gleichen Seite der Aussparungen 15 - in 10 jeweils unten - werden entsprechende Bondpads 3a aufgebracht zur späteren elektrischen Kontaktierung. Nach entsprechendem Vereinzeln entlang der durch das Anlegen der Aussparungen 15 entstandenen gitterförmigen Struktur des Substrats 2 und nach Durchführung entsprechende Schritte gemäß der 2-7, können in eine Vielzahl von MEMS-Sensoren 1 hergestellt werden. Das Substrat 2 kann als organisches Standard-Laminat-Substrat mit Glasfaserkern und Kupferleitungen realisiert werden. Die Aussparungen 15 können beispielsweise durch Stanzen hergestellt werden.
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11 zeigt Schritte eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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In 11 sind Schritte eines Verfahrens zur Herstellung eines MEMS-Sensors gezeigt.
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Hierbei erfolgt in einem ersten Schritt S1 ein Bereitstellen eines Substrats.
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In einem weiteren Schritt S2 erfolgt ein Aufbringen einer Tragschicht auf einer Rückseite des Substrats.
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In einem weiteren Schritt S3 erfolgt ein Ausbilden einer Aussparung im Substrat, dergestalt das ein Zugang zur Rückseite von der Vorderseite des Substrats ausgebildet wird.
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In einem weiteren Schritt S4 erfolgt ein Einbringen einer MEMS-Struktur in die Aussparung.
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In einem weiteren Schritt S5 erfolgt ein Festlegen der MEMS-Struktur auf der Tragschicht.
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Zusammenfassend weist zumindest eine der Ausführungsformen der Erfindung zumindest einen der folgenden Vorteile auf:
- • Höhere Fertigungstoleranzen.
- • Geringere Herstellungskosten.
- • Höhere Ausbeute beim Herstellen von mehreren MEMS-Sensoren.
- • Verbesserte Portabilität des Endprodukts.
- • Verbesserter Schutz vor Verunreinigungen, insbesondere von Partikeln und Sägewasser während des Herstellungsprozesses.
- • Verbesserte Handhabung des MEMS-Sensors, insbesondere Vermeidung von einem Ausbrechen von Kanten oder dergleichen.
- • Größere nutzbare Oberseite des MEMS-Sensors.
- • Vereinfachte Handhabung beim Endkunden.
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Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie nicht darauf beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifizierbar.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102016220077 A1 [0005]
