DE102018222685A1 - Verfahren zur Herstellung einer mikromechanischen Vorrichtung mit Dämpferstruktur - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer mikromechanischen Vorrichtung mit Dämpferstruktur mit den Schritten:(A) Bereitstellen eines mikromechanischen Wafers mit einer Rückseite;(B) Auftragen eines flüssigen Dämpfermaterials auf die Rückseite;(C) Andrücken einer Matrize gegen die Rückseite zum Formen wenigstens einer Dämpferstruktur in das Dämpfermaterial;(D) Verfestigen des Dämpfermaterials;(E) Abnehmen der Matrize.

Description

  • Stand der Technik
  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer mikromechanischen Vorrichtung mit Dämpferstruktur.
  • Drehratensensoren für Fahrstabilisierungsprogramme für Automobile, das sogenannte ESP werden inzwischen häufig in einem Steuergerät im Motorraum untergebracht.
  • Dadurch gibt es einen erhöhten Bedarf nach besserer Vibrationsdämpfung, außerdem nach einer Reduktion thermischer und auch verpackungsinduzierter Spannungslasten für die mikromechanischen Sensoren.
  • Die Anforderungen werden durch die Entwicklung des hochautomatisierten Fahrens noch weiter gesteigert, denn hier ist die Sensorgenauigkeit und fehlerfreie Funktion von herausragender Bedeutung.
  • Die bisherigen Lösungen zur Vibrationsdämpfung betreffen den fertig aufgebauten und verpackten (umspritzten) Chip und dämpfen den gesamten Verbund aus Drehratensensor, Beschleunigungssensor und Auswerteschaltung (ASIC). Notwendig ist die Dämpfung aber vor allem bei den Drehratensensoren. Diesem Bedürfnis wird in einer Lösung im Stand der Technik bereits entsprochen, indem der Sensorchip auf eine Dämpferstruktur, beispielsweise aus Silikon, aufgeklebt wird. Hierbei ist das Handling bei der Bestückung und Positionierung der weichen Dämpferelemente, sowie das anschließende Aufkleben und elektrische Kontaktieren (Drahtbonden) der Sensorchips sehr herausfordernd.
  • Aufgabe der Erfindung
  • Es ist die Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zur Herstellung kleinerer Dämpferstrukturen zu schaffen, welches einfacher und möglichst auch kostengünstiger ist.
  • Vorteile der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer mikromechanischen Vorrichtung mit Dämpferstruktur mit den Schritten:
    1. (A) Bereitstellen eines mikromechanischen Wafers mit einer Rückseite;
    2. (B) Auftragen eines flüssigen Dämpfermaterials auf die Rückseite;
    3. (C) Andrücken einer Matrize gegen die Rückseite zum Formen wenigstens einer Dämpferstruktur in das Dämpfermaterial;
    4. (D) Verfestigen des Dämpfermaterials;
    5. (E) Abnehmen der Matrize.
  • Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass vor dem Schritt (B) flüssiges Dämpfermaterial auf die Matrize aufgetragen wird und nachfolgend durch Anlegen und Andrücken der Matrize an die Rückseite Schritt (B) und (C) gleichzeitig ausgeführt werden. Vorteilhaft kann so die notwendige Menge Dämpfermaterial gut gesteuert werden.
  • Vorteilhaft ist auch, dass eine Matrize verwendet wird, welche mit einem Antihaftmittel belegt oder beschichtet ist oder aus einem Antihaftmittel besteht, welches sich vom Dämpfermaterial leicht trennen lässt. Vorteilhaft kann die Matrize so leicht und sauber abgelöst werden, wodurch sie leicht und schnell wiederverwendbar ist.
  • Vorteilhaft ist auch, dass im Schritt (B) das Dämpfermaterial strukturiert aufgetragen wird, insbesondere durch Dispensen, Siebdruck oder Schablonendruck. Vorteilhaft wird hierbei insbesondere Dämpfermaterial nur in den Bereichen der späteren Dämpfer aufgetragen, wodurch bei der Herstellung die Menge überschüssigen Dämpfermaterials verringert werden kann. Vorteilhaft ist, dass nach dem Schritt (E) der mikromechanische Wafer zu einzelnen Chips vereinzelt wird. Vorteilhaft ist dann die Dämpferstruktur für alle Chips schon einfach und präzise angebracht.
  • Im Vergleich zum Stand der Technik im Bereich der Vibrationsentkopplung, beispielsweise offenbart in der Schrift DE102006002350 oder DE102006026878A1 , handelt es bei der Erfindung um eine kompakte, einfache Struktur zur Entkopplung von mechanischen Schwingungen, wodurch sich ein hohes Potential zur Kostenersparnis ergibt.
  • Es können gezielt nur die MEMS-Sensoren mechanisch gedämpft werden, welche tatsächlich durch Vibrationen gestört werden. Beispielsweise benötigt in einem Inertialsensor zur Messung von 6 Freiheitsgraden ein Beschleunigungssensor keine zusätzliche Dämpfung bzw. wird hierdurch sogar negativ beeinflusst, ein Drehratesensor durch eine Dämpfungsstruktur hingegen eine signifikant bessere Performance bzw. geringere Störanfälligkeit zeigt.
  • Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren hat folgende klare Vorteile:
    • Es ermöglicht ein einfaches Aufbringen der Dämpferstrukturen direkt auf Waferlevel, also für tausende Chips auf einmal, vor dem Vereinzeln (Sägen). Dadurch wird auch eine gleichzeitige optimale Positionierung von Dämpfer und Chip zueinander ermöglicht, ohne schwierige Justage für jeden einzelnen Chip. Schon kleine Toleranzen bei der Montage führen zu Asymmetrien/Unwuchten im Schwing- und Dämpfungsverhalten.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren gibt es keinen Klebeprozess für die Verbindung zwischen Dämpferstruktur und Chip. Es wird stattdessen eine direkte gute Verbindung hergestellt. Infolge des entfallenen Klebeschrittes ist ein platzsparender Aufbau mit geringer Höhe (nur 100 - 300µm zusätzlich) möglich. Das erfindungsgemäße Verfahren bietet also eine deutliche Verkleinerung der Dämpferstruktur und eine Kostenreduktion durch einfacheren Aufbau sowie Einsparung aufwändiger Zwischenschritte.
  • Die vorgeschlagene Aufbauvariante wirkt zudem auch stressreduzierend für mechanische Spannungen in mikromechanischen Drehratensensoren. Der Dämpfer dämpft nicht nur Schwingungen und Stöße, sondern entkoppelt den Chip auch von mechanischen Spannungen der montierten Unterlage, beispielsweise einer Leiterplatte oder anderes Substrat, beispielsweise aus Keramik.
  • Figurenliste
    • 1 zeigt schematisch das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer mikromechanischen Vorrichtung mit Dämpferstrukturen in einem Flussdiagramm.
    • Die 2 a bis c zeigen schematisch das erfindungsgemäße Verfahren in einem ersten Ausführungsbeispiel an einer mikromechanischen Vorrichtung.
    • Die 3 a bis c zeigen schematisch das erfindungsgemäße Verfahren in einem zweiten Ausführungsbeispiel an einer mikromechanischen Vorrichtung.
    • Die 4 a bis d zeigen schematisch das erfindungsgemäße Verfahren in einem dritten Ausführungsbeispiel an einer mikromechanischen Vorrichtung.
    • 5 zeigt beispielhaft erfindungsgemäß herstellbare mögliche Dämpferstrukturen in Draufsicht.
    • 6 zeigt einen mikromechanischen Chip mit Dämpferstruktur.
  • Beschreibung
  • Zunächst wird ein mikromechanischer Wafer, insbesondere ein Sensorwafer wie gewohnt hergestellt und mit dem Kappenwafer verkappt. Vor der Vereinzelung der Wafer zu einzelnen Sensoren (üblicherweise durch Sägen) folgt nun die Herstellung der Dämpfungsstrukturen direkt auf Wafer-Level. Dies kann aus beispielsweise mit einem aushärtenden Silikon oder PDMS (z.B. Dow Corning Sylgard 184 ®) erfolgen. Dieses wird entsprechend der Herstellervorgaben angemischt, entgast und dann in benötigter Menge auf die Rückseite des Wafers aufgetragen, beispielsweise durch Dispensen, mit der mit der Möglichkeit, bereits die Dämpferstruktur vorzustrukturieren, damit bei einer nachfolgenden Umformung nicht so viel Material verdrängt werden muss. Das Dämpfermaterial kann auch durch Siebdruck / Schablonen-Druck aufgetragen werden. Auch dabei könnte die Struktur vorstrukturiert werden, um nicht so viel Material zu verdrängen. Weiterhin kann das Dämpfermaterial auch durch Schleudern aufgetragen werden, insbesondere bei dünnflüssiger Konsistenz des Materials. Danach wird eine Schablone / Dämpferform für die Abformung der Dämpferstrukturen für alle Sensorchips auf dem Wafer aufgepresst (oder seitlich aufgerollt, wenn biegsam). Dabei ist auf genaue Positionierung dieser Matrize zu achten. Das Silikon wird nun ausgehärtet (z.B. im Falle des Sylguard184 durch ein angepasstes Temperaturprofil). Anschließend kann die Schablone / Dämpferform abgezogen werden. Hierbei kann es vorteilhaft sein, wenn die Schablone biegsam ist und abgerollt werden kann.
  • Vorteilhafterweise ist die Schablone / Dämpferform mit einem Antihaftmittel behandelt oder mit einer entsprechenden Schicht beschichtet oder besteht direkt aus einem Material, das sich leicht vom Dämpfermaterial wieder trennen lässt (beispielsweise PTFE). Die Schablone / Dämpferform kann idealerweise für eine nächste Abformung auf einem weiteren Wafer verwendet werden, evtl. nach einem Reinigungsprozess oder einer erneuten Behandlung mit Antihaftmittel. Die Waferrückseite, die dauerhaft mit dem Dämpfermaterial verbunden werden soll, kann ebenfalls vorbehandelt werden, z.B. durch ein kurzes 02-Plasma oder Plasmapolymersation von Haftschichten.
  • Es kann vorteilhaft sein (ist aber oftmals nicht notwendig), dass die Rückseite des Wafers, auf dem die Dämpferstrukturen abgeformt/aufgebracht werden, ebenfalls strukturiert ist, um dem Material der Dämpfer beim Abformprozess eine bessere Verankerung anzubieten und eine noch robustere Verbindung zwischen Sensorchip und Dämpfer zu erstellen.
  • Eine denkbare Alternative wäre auch das Einlegen des gesamten Wafers oder eines großen Teiles davon (beispielsweise ein Viertel oder ein Sechstel) in eine Spritzgussanlage und das Aufbringen der Dämpferstrukturen auf die Unterseite mittels Spritzguss eines entsprechenden Silikons mit der gewünschten Shore-Härte. Hierbei muss sichergestellt werden, dass die elektrischen Kontaktflächen für späteres Bonden nicht kontaminiert werden und dass die auftretende thermische und mechanische Belastung beim Spritzgussprozess den Wafer nicht schädigt. Das Verfahren umfasst dann die Schritte:
    • - Bereitstellen eines mikromechanischen Wafers mit einer Rückseite;
    • - Einbringen des Wafers in ein Spritzgusswerkzeug zum Formen wenigstens einer Dämpferstruktur in das Dämpfermaterial;
    • - Einspritzen eines flüssigen Dämpfermaterials in die Form und auf die Rückseite;
    • - Verfestigen des Dämpfermaterials;
    • - Öffnen der Form und Entnehmen des Wafers mit der verbundenen Dämpferstruktur.
  • 1 zeigt schematisch das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer mikromechanischen Vorrichtung mit Dämpferstrukturen in einem Flussdiagramm. Das erfindungsgemäße Verfahren beinhaltet wenigstens die Schritte:
    1. (A) Bereitstellen eines mikromechanischen Wafers mit einer Rückseite;
    2. (B) Auftragen eines flüssigen Dämpfermaterials auf die Rückseite;
    3. (C) Andrücken einer Matrize gegen die Rückseite zum Formen wenigstens einer Dämpferstruktur in das Dämpfermaterial;
    4. (D) Verfestigen des Dämpfermaterials;
    5. (E) Abnehmen der Matrize.
  • Wafer umfasst dabei auch Waferstücke. Es kann vorteilhaft sein, den Wafer vor dem Bereitstellen in Waferstücke zu zerteilen, beispielsweise zu vierteln. Dies kann besonders bei großen Wafern vorteilhaft sein. Die Waferstücke sind oft leichter zu handhaben. Ein Waferstück weist dabei immer noch eine Anzahl mikromechanischer Strukturen für eine beträchtliche Anzahl Chips auf. Ein Waferstück hat dabei mehr als 1/10 der Fläche des Wafers.
    Das Verfestigen des Dämpfermaterials kann beispielsweise durch Erwärmung (Hitze/Ausbacken) oder auch durch UV-Beleuchtung (UV-Härtendes Dämpfermaterial) erfolgen. Im zweiten Fall würde eine UV-transparente Matrize benötigt. Nach dem Abnehmen der Matrize kann der Wafer oder das Waferstück mit den verbundenen Dämpferstrukturen zu individuellen Chips vereinzelt werden, beispielsweise durch Sägen.
  • Die 2 a bis c zeigen schematisch das erfindungsgemäße Verfahren in einem ersten Ausführungsbeispiel an einer mikromechanischen Vorrichtung. Dargestellt ist schematisch vereinfacht der Abformprozess. 2a zeigt einen mikromechanischen Wafer 100, hier einen Sensorwafer, mit einer Kappe 110. Der mikromechanische Wafer 100 wird mit einer Rückseite 120 nach oben weisend bereitgestellt. Auf die Rückseite wird wenigstens bereichsweise uniform ein flüssiges Dämpfermaterial 200 aufgebracht, beispielsweise durch Dispensen. Schließlich wird eine Matrize 300, ein Dämpfer-Abform-Master, in Pfeilrichtung gegen die Rückseite gedrückt. Luft bzw. Gase entweichen und die Negativform der Matrize wird mit dem Dämpfermaterial gefüllt. 2b zeigt den mikromechanischen Wafer 100, an dessen Rückseite 120 die Matrize 300 anliegt. Die Matrize hat dadurch das Dämpfermaterial 200 zu einer Dämpferstruktur 210 geformt. Nun wird der Verbund erhitzt und das Dämpfermaterial, hier Silikon, verfestigt sich. Anschließend wird die Matrize entfernt. 2c zeigt den mikromechanischen Wafer 100 mit Dämpferstrukturen 210 an der Rückseite. Die Dämpferstrukturen sind formschlüssig mit dem Sensorwafer verbunden. Der Wafer mit den Dämpferstrukturen kann nun vereinzelt werden, und zwar in verkappte Sensorchips mit Dämpferstrukturen an der Unterseite.
  • Die 3 a bis c zeigen schematisch das erfindungsgemäße Verfahren in einem zweiten Ausführungsbeispiel an einer mikromechanischen Vorrichtung. 3a zeigt den mikromechanischen Wafer 100, der mit einer Rückseite 120 nach oben weisend bereitgestellt wird Auf die Rückseite befindet sich bereits vorstrukturiertes Dämpfermaterial 200, hier Silikon, welches durch Dispensen bzw. Sieb- oder Schablonendruck strukturiert aufgebracht wurde. 3b zeigt den mikromechanischen Wafer 100, an dessen Rückseite 120 die Matrize 300 angedrückt ist. Die Matrize hat dadurch das strukturierte Dämpfermaterial 200 vollends zu einer Dämpferstruktur 210 geformt. Nun wird der Verbund erhitzt und das Dämpfermaterial verfestigt sich. Anschließend wird die Matrize entfernt. 3c zeigt den mikromechanischen Wafer 100 mit Dämpferstrukturen 210 an der Rückseite.
  • Die 4 a bis d zeigen schematisch das erfindungsgemäße Verfahren in einem dritten Ausführungsbeispiel an einer mikromechanischen Vorrichtung. 4a zeigt die Matrize 300, welche in diesem Ausführungsbeispiel auf dem Rücken liegend bereitgestellt wird. Das Dämpfermaterial 200 wird in Vertiefungen der Matrize dispenst oder gerakelt, wie in 4b gezeigt. 4c zeigt, wie der mikromechanische Wafer 100, hier ein Sensor, mit der Rückseite auf die Matrize 300 aufgesetzt und nach unten gepresst wird. Luft entweicht, eventuell unter Vakuum und die Formen werden mit dem Dämpfermaterial gefüllt. Nun wird erhitzt und das Dämpfermaterial, hier aus Silikon, verfestigt sich. Anschließend wird die Matrize entfernt und die Dämpferstrukturen sind formschlüssig mit dem Sensorwafer verbunden, wie in 4d gezeigt ist. Die gesamte Struktur kann nun vereinzelt werden in verkappte Sensorchips mit Dämpferstrukturen an der Unterseite.
  • 5 zeigt beispielhaft erfindungsgemäß herstellbare mögliche Dämpferstrukturen in Draufsicht. Gezeigt ist eine nicht abschließende Auswahl möglicher Dämpferstrukturen 210 jeweils auf einem Chip 400.
  • 6 zeigt einen mikromechanischen Chip mit Dämpferstruktur. Transparent dargestellt ist ein Chip 400. Darunter befindet sich die Dämpferstruktur 210 bestehend aus einer optionalen Dämpferplatte 212 und in diesem Falle sechs einzelnen Dämpfern 214. Die Dämpferplatte 212 und die Dämpfer 214 sind in dem beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren in einem Arbeitsgang hergestellt worden.
  • Bezugszeichenliste
    • 100
    mikromechanischer Wafer
    110
    Kappe
    120
    Rückseite
    130
    Vorderseite
    200
    Dämpfermaterial
    210
    Dämpferstruktur
    212
    Dämpferplatte
    214
     
    300
    Matrize
    400
    Chip
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102006002350 [0011]
    • DE 102006026878 A1 [0011]

Claims (6)

  1. Verfahren zur Herstellung einer mikromechanischen Vorrichtung mit Dämpferstruktur mit den Schritten: (A) Bereitstellen eines mikromechanischen Wafers mit einer Rückseite; (B) Auftragen eines flüssigen Dämpfermaterials auf die Rückseite; (C) Andrücken einer Matrize gegen die Rückseite zum Formen wenigstens einer Dämpferstruktur in das Dämpfermaterial; (D) Verfestigen des Dämpfermaterials; (E) Abnehmen der Matrize.
  2. Verfahren zur Herstellung einer mikromechanischen Vorrichtung mit Dämpferstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Schritt (B) flüssiges Dämpfermaterial auf die Matrize aufgetragen wird und nachfolgend durch Anlegen und Andrücken der Matrize an die Rückseite Schritt (B) und (C) gleichzeitig ausgeführt werden.
  3. Verfahren zur Herstellung einer mikromechanischen Vorrichtung mit Dämpferstruktur nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Matrize verwendet wird, welche mit einem Antihaftmittel belegt oder beschichtet ist oder aus einem Antihaftmittel besteht, welches sich vom Dämpfermaterial leicht trennen lässt.
  4. Verfahren zur Herstellung einer mikromechanischen Vorrichtung mit Dämpferstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt (B) das Dämpfermaterial strukturiert aufgetragen wird, insbesondere durch Dispensen, Siebdruck oder Schablonendruck.
  5. Verfahren zur Herstellung einer mikromechanischen Vorrichtung mit Dämpferstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt (D) das Verfestigen des Dämpfermaterials durch Erwärmung, insbesondere Ausbacken, und/oder durch UV Beleuchtung bewirkt wird.
  6. Verfahren zur Herstellung einer mikromechanischen Vorrichtung mit Dämpferstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Schritt (E) in einem Schritt (F) der mikromechanische Wafer zu einzelnen Chips vereinzelt wird.
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