DE102020128095A1

DE102020128095A1 - Sensoranordnung und Verfahren zur Herstellung einer Sensoranordnung

Info

Publication number: DE102020128095A1
Application number: DE102020128095.5A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Pahl
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2020-10-26
Filing date: 2020-10-26
Publication date: 2022-04-28
Also published as: US20220127137A1

Abstract

Es wird eine Sensoranordnung (1) beschrieben, umfassend- ein Substrat (2),- mindestens einen direkt auf einer Oberfläche des Substrats (2) angeordneten Abstandshalter (3), wobei der Abstandshalter (3) ein weiches Material umfasst,- einen mithilfe eines Klebstoffs (4) auf dem Substrat (2) befestigten Sensorchip (5), wobei sowohl der mindestens eine Abstandshalter (3) als auch der Klebstoff (4) zumindest teilweise zwischen dem Sensorchip (5) und dem Substrat (2) angeordnet sind, und wobei der Abstandshalter (3) dazu eingerichtet und angeordnet ist, eine Klebschichtdicke des Klebstoffs (4) zu definieren.Außerdem wird ein Verfahren zur Herstellung einer Sensoranordnung beschrieben.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sensoranordnung, insbesondere eine MEMS-Sensoranordnung. Außerdem betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Sensoranordnung.
MEMS-(mikro-elektromechanisches-System-)Sensoren, insbesondere MEMS-Mikrofone, sind sehr empfindlich gegen interne mechanische Spannungen (z. B. aus einer CTE-(Wärmeausdehnungskoeffizient-)Fehlanpassung zwischen Sensorchip- und Gehäusematerial) sowie gegen externe mechanische Spannungen (z. B. aus der Second-Level-Assembly).
Solche mechanischen Spannungen („Stress“) sind nicht nur auf zerstörendem Niveau kritisch, wo irreversible Schäden an den aktiven Bauelementen oder deren elektrischen Verbindungen auftreten, sondern bereits auf einem viel niedrigeren Niveau, das elektrische Parameter wie das akusto-elektrische Wandlerverhältnis, die sogenannte Empfindlichkeit, nur geringfügig und reversibel beeinflusst.
Es ist gängige Praxis, zur Montage des Sensorchips auf dessen Packungsträger relativ weiche „Die-Attach“-Klebstoffe zu verwenden. Um die Stressentkopplung zu verbessern, ist die Höhe dieses Klebefilms, die sogenannte Klebschichtdicke, oft größer als für die Bestückung herkömmlicher Chips und erreicht zum Beispiel rund 30 µm.
Solch hohe Klebschichtdicken zu erzielen ist in der Massenfertigung schwierig, da der Klebstoff als viskose Paste aufgebracht wird, die mit abgeschiedener Menge zunehmend dazu neigt, vor dem endgültigen Aushärten zu fließen und auszutreten. Aufgrund der Miniaturisierung sind die für das Löten oder Drahtbonden vorgesehenen Sicherheitsabstände zu kritischen Strukturen eng und tolerieren keine Verunreinigung, so dass die Ausbreitung des Klebstoffs bezogen auf die Chipränder auf rund 100 µm oder noch weniger begrenzt werden muss.
Dies kompliziert sich weiter aufgrund von Viskositätsschwankungen mit der Zeit und Temperatur. Außerdem quetscht die hochdynamische Chip-Platzierung mit nicht perfekter z-Achse und Kraftsteuerung eine nicht klar definierte Menge des Klebstoffs aus. All dies führt zu einer schlechten Beherrschbarkeit der endgültigen Klebschichtdicke sowie zum Ausbreiten des eingefüllten Materials.
Ein Ansatz zur Lösung dieses Problems besteht darin, dem Klebstoff Abstandspartikel (z. B. Glaskugeln) zuzusetzen. Deren Durchmesser soll die Klebschichtdicke definieren. Solche großen Partikel müssen dem viskosen Klebstoff in beträchtlicher Menge zugesetzt werden, um eine ausreichende Verteilung über den Chip-Footprint statistisch sicherzustellen.
Dies bringt die Gefahr eines häufigen Verstopfens der Dispenser-Düse mit sich. Es tritt auch ein Absetzen auf. Technisch ausgereifte Abscheidungsverfahren wie Jet-Dispenser lassen sich nicht anwenden. Siebdruck oder Schablonendruck können Füllpartikel, die so groß sind wie die vorgesehene Druckschichtdicke, nicht bewältigen. Ein großer Nachteil liegt darin, dass solche Kugeln mit adäquater Form und Präzision in der Regel aus ziemlich hartem Material wie Glas hergestellt werden. Als Folge daraus können die Abstandshalter leicht Stressbrücken ausbilden. Das bedeutet, sie wirken insofern richtig, dass sie die hohe Klebschichtdicke definieren, stellen dabei jedoch keine Stressentkopplung bereit. Dasselbe gilt für im Packungsträger ausgebildete Erhebungen.
Die vorliegende Offenbarung hat zur Aufgabe, die oben genannten Probleme zu lösen. Diese Aufgabe wird durch die Sensoranordnung und durch das Verfahren gemäß der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird eine Sensoranordnung bereitgestellt. Bei der Sensoranordnung kann es sich um eine MEMS-Sensoranordnung handeln. Bei der Sensoranordnung kann es sich um ein MEMS-Mikrofon handeln.
Die Sensoranordnung umfasst ein Substrat. Das Substrat kann ein mehrschichtiges Laminat mit Metallkontaktmustern auf der Ober- und Unterseite umfassen. Das Substrat kann ferner interne elektrische Verbindungen umfassen. Zusätzliche Schichten wie Plattierungen oder Lötmasken können integrale Bestandteile des Substrats sein.
Die Sensoranordnung umfasst ferner mindestens einen Abstandshalter, zum Beispiel genau einen Abstandshalter. Die Sensoranordnung kann zum Beispiel mehrere Abstandshalter, z. B. zwei, vier, acht oder 12 Abstandshalter umfassen.
Der Abstandshalter umfasst ein weiches Material. Das Material des Abstandshalters ist insbesondere weicher als Glas. Der Abstandshalter kann eine Shore-A-Härte zwischen 15 und 80, vorzugsweise zwischen 25 und 70 umfassen. Ein Elastizitätsmodul des mindestens einen Abstandshalters kann zwischen 0,1 Mpa und 200 Mpa, vorzugsweise zwischen 1 Mpa und 50 Mpa liegen.
Der mindestens eine Abstandshalter ist direkt auf einer Oberfläche des Substrats, z. B. mithilfe herkömmlicher Verfahren wie Drucken oder Dispensen, angeordnet. Insbesondere ist zwischen dem Substrat und dem Abstandshalter kein Klebstoff angeordnet.
Die Sensoranordnung umfasst ferner einen Sensorchip. Der Sensorchip ist auf dem Substrat befestigt, insbesondere auf der Oberfläche des Substrats, auf der der Abstandshalter aufgebracht wird. Der Abstandshalter ist - zumindest teilweise - zwischen dem Substrat und dem Sensorchip angeordnet.
Der Sensorchip ist auf dem Substrat mithilfe eines Klebstoffs befestigt. Der Klebstoff kann ein Silikonmaterial oder ähnliche Materialien umfassen. Alternativ dazu kann der Klebstoff einen geschlossenzelligen Polymerschaum umfassen.
Der Klebstoff ist zwischen dem Substrat und dem Sensorchip angeordnet. Der Klebstoff wirkt als Klebschicht zwischen dem Substrat und dem Sensorchip. Der Klebstoff wird nach dem Aufbringen des Abstandshalters auf dem Substrat auf das Substrat aufgebracht. Mit anderen Worten, der Abstandshalter wird nicht in Kombination mit dem Klebstoff auf die Oberfläche des Substrats aufgebracht, sondern als Einzelkomponente, bevor Klebstoff auf das Substrat aufgebracht wird.
Sowohl der mindestens eine Abstandshalter als auch der Klebstoff sind zumindest teilweise zwischen dem Sensorchip und dem Substrat angeordnet. Bei manchen Ausführungsformen kann der Klebstoff zumindest teilweise um den Abstandshalter herum aufgebracht sein. Der Klebstoff kann auch auf Teile einer Oberfläche des Abstandshalters aufgebracht sein, d. h. er kann teilweise über den Abstandshalter aufgebracht sein.
Der Abstandshalter behindert ein unkontrolliertes Ausquetschen und Fließen des Klebstoffs während des „Die-Attach“-Vorgangs (Befestigen des Sensorchips). Der Abstandshalter ist dazu ausgebildet und angeordnet, eine Klebschichtdicke, d. h. eine Höhe des Klebstoffs, zu definieren.
Aufgrund des weichen Materials ist der Abstandshalter einfach vorzubereiten und zu bearbeiten. Mithilfe des weichen Abstandshalters lässt sich auf einfache und effiziente Weise eine vorbestimmte und ausreichend hohe Klebschichtdicke erzielen. Die endgültige Klebschichtdicke lässt sich zuverlässig steuern. Die Stressentkopplung der Sensoranordnung lässt sich somit sicherstellen.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst der mindestens eine Abstandshalter das gleiche Material oder ein Material mit ähnlichen elastischen Eigenschaften wie der Klebstoff. Zum Beispiel umfasst der Abstandshalter ein weiches Silikon, ein weiches Epoxidharz oder ein modifiziertes Polycarbaminsäure-Derivat.
Weiche Silikone sind zum Ausbilden des Abstandshalters gut geeignet. Der einzige Nachteil ist die in der Regel geringe Haftfähigkeit des Klebstoffs auf der Silikonoberfläche aufgrund der niedrigen Oberflächenenergie. Aufgrund der relativ kleinen Fläche des Abstandshalters verglichen mit der gesamten Klebefläche führt dies nicht dazu, dass die mechanische Festigkeit der Verklebung zu sehr beeinflusst wird. Diese Wirkung lässt sich jedoch vermeiden, indem man ein anderes Material wie weiches Epoxidharz oder ein modifiziertes Polycarbaminsäure-Derivat wählt, die ebenfalls gut zum Ausbilden des Abstandshalters geeignet sind.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst der Abstandshalter ein Material, das eine UV-, Licht- oder Wärmehärtung unterstützt. Alternativ dazu kann der Abstandshalter ein lösemittelhaltiges Material umfassen.
Durch Verwenden eines Materials, das eine Licht- oder UV-Härtung unterstützt, lässt sich durch eine geeignete Belichtung ein Ausbreiten unmittelbar nach der Abscheidung, unabhängig vom Abscheidungsverfahren, leicht stoppen. Wärmehärtbare oder auch lösemittelhaltige Materialien sind jedoch ebenfalls geeignet, da nur sehr wenig Volumen benötigt wird, so dass die Ausbreitung begrenzt wird. Aus dem gleichen Grund ist es auch möglich, ein Material mit einer sehr hohen Viskosität (z. B. > 100 Pa·s) zu verwenden.
Gemäß einer Ausführungsform kann der Abstandshalter eine Höhe zwischen 10 µm und 300 µm, vorzugsweise zwischen 20 µm und 100 µm umfassen. Auf diese Weise lässt sich eine ausreichend hohe Klebschicht gewährleisten.
Gemäß einer Ausführungsform ist der mindestens eine Abstandshalter auf die Oberfläche des Substrats in der Form mindestens einer Linie aufgebracht. Der Abstandshalter kann eine durchgehende Linie umfassen. Alternativ dazu können mehrere als diskrete Linien geformte Abstandshalter bereitgestellt werden.
Alternativ dazu kann der Abstandshalter die Form eines kugelförmigen Elements oder eines Höckers aufweisen.
Die Form des Abstandshalters kann an dessen Material und/oder das Material des Klebstoffs angepasst sein. Auf diese Weise lässt sich die gewünschte Klebschichtdicke des Klebstoffs zuverlässig erzielen.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zur Herstellung einer Sensoranordnung beschrieben. Bei der Sensoranordnung kann es sich um die vorbeschriebene Sensoranordnung handeln. Bei der Sensoranordnung kann es sich um ein MEMS-Mikrofon handeln. Alle in Zusammenhang mit der Sensoranordnung beschriebenen Merkmale gelten für das Verfahren und umgekehrt.
Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:

A) Bereitstellen eines Substrats, insbesondere eines MEMS-Gehäusesubstrats bzw. Packungsträgers. Das Substrat kann geeignet dimensioniert sein, um mehrere, d. h. Hunderte oder Tausende, von Sensoranordnungen herzustellen. Das Substrat kann ein mehrschichtiges Laminat mit Metallkontaktmustern auf der Ober- und Unterseite umfassen. Das Substrat kann ferner interne elektrische Verbindungen umfassen. Zusätzliche Schichten wie Plattierungen oder Lötmasken können integrale Bestandteile des Substrats sein.
B) Bereitstellen mehrerer Abstandshalter und Anordnen der Abstandshalter auf einer Oberfläche des Substrats. Bevor die Abstandshalter auf der Oberfläche angeordnet werden, kann eine optionale Höheninspektion (Profilmessung) der Abstandshalter stattfinden.

Die Abstandshalter umfassen ein weiches Material, z. B. ein weiches Silikon, ein weiches Epoxidharz oder ein modifiziertes Polycarbaminsäure-Derivat. Der jeweilige Abstandshalter kann eine Shore-A-Härte zwischen 15 und 80, vorzugsweise zwischen 25 und 70 umfassen. Der jeweilige Abstandshalter, insbesondere ein Material des jeweiligen Abstandshalters, kann einen Elastizitätsmodul zwischen 0,1 Mpa und 200 Mpa, vorzugsweise zwischen 1 Mpa und 50 Mpa umfassen.
Die Abstandshalter werden in einem vorbestimmten Muster angeordnet. Auf dem Footprint für einen betreffenden Sensorchip wird mindestens ein Abstandshalter bereitgestellt. Eine bevorzugte Abstandshalteranordnung kann aus vier lateral relativ kleinen Punkten oder Höckern bestehen, wobei der Abstand zwischen zweien davon typischerweise mehr als 1/3 der Länge einer benachbarten Chip-Kante beträgt.
Die Abstandshalter können auf das Substrat aufgedruckt werden. Alternativ dazu werden die Abstandshalter mithilfe von Nadeldispensierung oder Jet-Dispensen aufgebracht. Aufgrund der kleinen Abmessung des betreffenden Abstandshalters lässt sich ein ausreichender Abstand (z. B. 100 µm) zwischen dem Dispenser und der Oberfläche des Substrats/Abstandshalters sicherstellen. Dies kann für das Dispensen des Klebstoffs relevant sein.
C) Aushärten eines Materials der Abstandshalter. Insbesondere kann ein UV-, Licht- oder Wärmehärten der Abstandshalter stattfinden. Ein UV- oder Lichthärten kann für mehrere Abstandshalter ausgeführt werden, wenn sie in einem parallelen Vorgang wie Drucken aufgebracht werden, oder für jeden einzelnen Abstandshalter unmittelbar nach dem Abscheiden im Fall eines seriellen Vorgangs wie einem Dispensen. Ein Aushärten mehrerer Abstandshalter ist hier ebenfalls eine Option.
D) Bereitstellen eines Klebstoffs und Aufbringen des Klebstoffs. Der jeweilige Abstandshalter und der Klebstoff können das gleiche Material oder ein Material mit ähnlichen elastischen Eigenschaften umfassen. Der Klebstoff umfasst eine Shore-A-Härte zwischen 15 und 80, vorzugsweise zwischen 25 und 70. Ein Elastizitätsmodul des Klebstoffs liegt zwischen 0,1 Mpa und 200 Mpa, vorzugsweise zwischen 1 Mpa und 50 Mpa.
Der Klebstoff wird in einem vorbestimmten Muster aufgebracht. Insbesondere wird der Klebstoff auf Teile der Oberfläche aufgebracht, so dass - bei der endgültigen Sensoranordnung - der Klebstoff zumindest teilweise zwischen dem Sensorchip und dem Substrat angeordnet ist.
Bei einer Ausführungsform kann Klebstoff zumindest teilweise über und/oder um die Abstandshalter herum aufgebracht werden. Bei alternativen Ausführungsformen kann zwischen dem betreffenden Abstandshalter und dem Klebstoff ein Abstand bestehen. Der Klebstoff wird auf dem Footprint für den betreffenden Sensorchip bereitgestellt. Der Klebstoff wird zum Beispiel mithilfe von Jet-Dispensen, Siebdruck oder Schablonendruck aufgebracht. Aufgrund der kleinen Abmessung des jeweiligen Abstandshalters ist ein ausreichender Abstand (z. B. 100 µm) zwischen dem Dispenser und der Oberfläche des Substrats/Abstandshalters sichergestellt.
E) Bereitstellen von mehreren Sensorchips und Befestigen der Sensorchips auf dem Substrat mithilfe des Klebstoffs. Der betreffende Sensorchip wird so auf dem Substrat befestigt, dass zwischen dem betreffenden Sensorchip und dem Substrat mindestens ein Abstandshalter angeordnet ist.
F) Aushärten des Klebstoffs.
G) Zerteilen in Einzelbauelemente. Insbesondere wird das Substrat in mehrere Bauelemente zerschnitten, so dass mehrere Sensoranordnungen ausgebildet werden, die jeweils mindestens einen Abstandshalter umfassen.
Zum Anordnen der Abstandshalter auf dem Substrat lassen sich herkömmliche Massenfertigungsverfahren (z. B. Drucken oder Jet-Dispensen) verwenden. Ferner lassen sich auch, da die Abstandshalter auf dem Substrat angeordnet werden, bevor Klebstoff aufgebracht wird, zum Aufbringen des Klebstoffs technisch ausgereifte Klebstoff-Abscheideverfahren wie Jet-Dispensen verwenden. Ein Verstopfen der Dispenser-Düse und/oder Sedimentation von Abstandshalterpartikeln wird vermieden. Es wird somit ein einfaches und zuverlässiges Verfahren zur Herstellung einer Sensoranordnung bereitgestellt.
Außerdem lässt sich die benötigte Klebschichtdicke bei Massenfertigung erzielen, da der als viskose Paste aufgebrachte Klebstoff mithilfe der weichen Abstandshalter vor dem Aushärten wirksam am Fließen und Austreten gehindert wird. Auf diese Weise wird ein wirksames Verfahren zur Herstellung einer Sensoranordnung bereitgestellt.
Gemäß einer Ausführungsform werden weitere Bauelemente bestückt, bevor das Zerteilen in Einzelbauelemente (Schritt G)) stattfindet. Zum Beispiel kann eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC) bestückt werden. Ferner können interne elektrische Verbindungen, z. B. Drahtbondungen, bereitgestellt werden.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren ferner den Schritt eines Bereitstellens und Bestückens eines Schutzes für die Sensoranordnung, bevor Schritt G) stattfindet. Bei diesem Schritt kann eine Abdeckung der jeweiligen Sensoranordnung, z. B. eine Metallkappe, bereitgestellt und bestückt werden.
Weitere Merkmale, Weiterbildungen und Zweckmäßigkeiten ergeben sich aus der folgenden Beschreibung der beispielhaften Ausführungsformen in Verbindung mit den Figuren.

1 zeigt schematisch eine Draufsicht auf einen Teil einer Sensoranordnung,
2 zeigt schematisch eine Draufsicht auf einen Teil einer Sensoranordnung gemäß einer ersten Ausführungsform,
3 zeigt schematisch eine Draufsicht auf einen Teil einer Sensoranordnung gemäß einer zweiten Ausführungsform,
4 zeigt schematisch eine Draufsicht auf einen Teil einer Sensoranordnung gemäß einer dritten Ausführungsform,
5 zeigt schematisch eine Draufsicht auf einen Teil einer Sensoranordnung gemäß einer vierten Ausführungsform,
6 zeigt schematisch eine Draufsicht auf eine Sensoranordnung,
7 zeigt schematisch eine Seitenschnittansicht der Sensoranordnung gemäß 6.

In den Figuren können Elemente mit gleicher Struktur und/oder Funktionalität mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet sein. Es versteht sich, dass die in den Figuren gezeigten Ausführungsformen veranschaulichende Darstellungen und nicht unbedingt maßstabsgetreu gezeichnet sind.
1 bis 5 zeigen Teile einer Sensoranordnung 1 in verschiedenen Ausführungsformen. 6 und 7 zeigen eine vollständige Sensoranordnung 1 in einer ersten Ausführungsform.
Bei der Sensoranordnung 1 handelt es sich um eine MEMS-Sensoranordnung. Insbesondere handelt es sich bei der Sensoranordnung 1 um ein MEMS-Mikrofon.
Die Sensoranordnung 1 umfasst ein Substrat 2. Das Substrat 2 ist quadratisch geformt. Selbstverständlich sind auch andere Formen für das Substrat 2 vorstellbar. Zum Beispiel kann das Substrat 2 rechteckig geformt sein. Das Substrat 2 umfasst ein Loch 6, das dazu eingerichtet und angeordnet ist, als akustischer Zugang für das Mikrofon zu dienen. Das Loch 6 ist in einem mittigen Bereich des Substrats 2 angeordnet. Das Loch 6 durchdringt das Substrat 2 vollständig, wie zum Beispiel aus 6 zu entnehmen ist.
Die Sensoranordnung 1 umfasst ferner einen Sensorchip 5 (siehe 6 und 7). Der Sensorchip 5 umfasst eine Kavität 7. Die Kavität 7 ist in einem mittigen Bereich des Sensorchips 5 angeordnet. Bei der Kavität 7 kann es sich um ein ovales oder kreisförmiges oder sechseckiges Loch handeln, das den Sensorchip 5 vollständig durchdringt. Auf einer oberen Seite des Sensorchips 5 (d. h. derjenigen Seite, die vom Substrat 2 am weitesten entfernt angeordnet ist, wenn der Sensorchip 5 auf dem Substrat 2 befestigt ist), wird eine Membran am Sensorchip 5 befestigt, um das Loch 7 abzudecken (nicht genauer gezeigt).
Der Sensorchip 5 ist auf dem Substrat 2 mithilfe eines Klebstoffs 4 befestigt. Der Klebstoff 4 kann ein Silikonmaterial oder ähnliche Materialien umfassen. Alternativ dazu kann der Klebstoff einen geschlossenzelligen Polymerschaum umfassen. Der Klebstoff 4 wirkt als Klebschicht zwischen dem Substrat 2 und dem Sensorchip 5.
Der Klebstoff 4 ist in einem vorbestimmten Muster oder einer vorbestimmten Geometrie, das bzw. die an eine Form des Sensorchips 5 und insbesondere an eine Form und eine Größe/einen Durchmesser der Kavität 7 angepasst ist, auf eine Oberfläche des Substrats 2 aufgebracht. Der Klebstoff 4 ist so auf das Substrat 2 aufgebracht, dass der Klebstoff 4 die Kavität 7 im Sensorchip 5 nicht oder nur leicht bedeckt (siehe 6). Der Klebstoff 4 kann so aufgebracht sein, dass er einen Außenrandbereich des Sensorchips 5 bedeckt.
In den in 3 und 4 gezeigten Ausführungsformen ist der Klebstoff 4 auf das Substrat in der Form eines Quadrats mit gerundeten Ecken aufgebracht. Selbstverständlich sind alternative Geometrien für den Klebstoff 4 vorstellbar, die zum Beispiel vom Material des Klebstoffs und/oder der Form des Sensorchips 5 abhängen. Zum Beispiel kann der Klebstoff 4 in der Form eines Achtecks (2, 5 und 6) aufgebracht werden. In der Regel ist die Form des Klebstoffs 4 geschlossen, um eine luftdichte Abdichtung zu erzielen.
Je nach der Geometrie der Klebstoffschicht kann es auch vorteilhaft sein, Nichtsilikonmaterial als Klebstoff 4 zu wählen. Der Grund ist die ungeeignete Poissonzahl von beinahe 0,5 für Silikone. Als Folge daraus können sie ihre Form praktisch nicht durch Kompressibilität oder Ausdehnungsvermögen, sondern nur durch Querkontraktion verändern. Letzteres kann jedoch durch das Geometrieverhältnis eines breiten und engen Klebespalts deutlich gehemmt werden so dass sich die Verbindungsstelle zäh verhält, obwohl ein Klebstoff mit niedrigem Modul verwendet wird. In diesem Fall sollte die Poissonzahl < 0,49, vorzugsweise < 0,48, mehr bevorzugt < 0,45, am meisten bevorzugt < 0,42 betragen.
Die Sensoranordnung 1 umfasst mindestens einen Abstandshalter 3. Der betreffende Abstandshalter 3 definiert eine Klebschichtdicke oder -höhe H des Klebstoffs 4. Eine ausreichend hohe Klebschichtdicke H wird benötigt, um die Stressentkopplung der Sensoranordnung 1 zu verbessern. Dabei bezeichnet die Klebschichtdicke H des Klebstoffs 4 die Ausdehnung des Klebstoffs 4 senkrecht zur Oberfläche des Substrats 2 auf welches der Klebstoff 4 aufgebracht wird.
Der jeweilige Abstandshalter 3 besitzt zur Definition der endgültigen Klebschichtdicke eine Höhe zwischen 10 µm und 300 µm, vorzugsweise zwischen 20 µm und 100 µm. Das Aufbringen des betreffenden Abstandshalters 3 kann durch Nadeldispensierung oder Jet-Dispensen oder durch ein Druckverfahren wie Schablonen- oder Siebdruck erfolgen, was später ausführlicher beschrieben wird.
Der jeweilige Abstandshalter 3 wird direkt auf dem Substrat 2 angeordnet, bevor Klebstoff 4 auf das Substrat 2 aufgebracht wird, d. h. er wird auf dem Substrat 2 voraufgebracht. Insbesondere werden die Abstandshalter 3 auf einer Oberfläche, d. h. einer oberen Oberfläche des Substrats 2, aufgebracht. Dabei bezeichnet die obere Oberfläche des Substrats 2 diejenige Oberfläche, die dem Sensorchip 5 am nächsten gelegen ist, wenn der Sensorchip 5 auf dem Substrat 2 befestigt ist. Der jeweilige Abstandshalter 3 ist auf einem Footprint für den Sensorchip 5 aufgebracht. Der betreffende Abstandshalter 3 kann mindestens teilweise mit Klebstoff 4 umgeben sein (siehe zum Beispiel 4) .
In der in 1, 2, 3, 5, 6 und 7 gezeigten Ausführungsform umfasst die Sensoranordnung 1 vier Abstandshalter 3. Der betreffende Abstandshalter 3 kann die Form eines kugelförmigen Segments oder Höckers (1, 2, 5, 6 und 7) umfassen. Alternativ dazu kann der betreffende Abstandshalter 3 die Form einer kurzen Linie (3) umfassen. Die kurzen Linien können zum Mittelbereich des Substrats 2 hin ausgerichtet sein (3).
Die Sensoranordnung 1 kann auch mehr als vier Abstandshalter 3, z. B. sechs oder acht Abstandshalter 3 (nicht genauer gezeigt) umfassen. Die Sensoranordnung 1 kann auch weniger als vier Abstandshalter 3, z. B. einen oder zwei Abstandshalter 3 (siehe zum Beispiel 4) umfassen. Zum Beispiel ist in der von 4 veranschaulichten Ausführungsform genau ein Abstandshalter 3 auf das Substrat 2 aufgebracht. Der Abstandshalter 3 umfasst die Form eines Quadrats mit gerundeten Ecken. Der einzelne Abstandshalter 3 umfasst eine durchgehende Linie. Bei dieser Ausführungsform ist der linienförmige Abstandshalter 3 vollständig von Klebstoff 4 umgeben.
Der betreffende Abstandshalter 3 umfasst ein weiches Material. Unter einem weichen Material wird dabei ein Material verstanden, das weicher ist als Glas. Der betreffende Abstandshalter 3 umfasst das gleiche Material oder ein Material mit ähnlichen elastischen Eigenschaften wie der Klebstoff 4. Der betreffende Abstandshalter 3 umfasst ein Material, das eine UV-, Licht- oder Wärmehärtung unterstützt. Alternativ dazu kann der Abstandshalter 3 ein lösemittelhaltiges Material umfassen. Zum Beispiel umfasst der Abstandshalter 3 ein weiches Silikon, ein weiches Epoxidharz oder ein modifiziertes Polycarbaminsäure-Derivat.
Der Elastizitätsmodul des ausgehärteten Abstandshaltermaterials liegt im Bereich von 0,1 bis 200 Mpa, vorzugsweise 1 bis 50 Mpa. Solche weichen Materialien werden oft eher mit einer Shore-A-Härte spezifiziert. Die Shore-A-Härte des Abstandshaltermaterials liegt im Bereich von 15 bis 80, vorzugsweise 25 bis 70.
Mithilfe des weichen profilierten Abstandshalters 3 wird die endgültige Klebschichtdicke H des Klebstoffs 4 auf einfache und wirksame Weise gesteuert. Somit wird eine Stressentkopplung für die Sensoranordnung 1 wirksam sichergestellt.
Im Folgenden wird ein Verfahren zur Herstellung einer Sensoranordnung 1, insbesondere des vorbeschriebenen MEMS-Mikrofons, beschrieben. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:

In einem ersten Schritt A) wird ein Substrat 2 bereitgestellt. Beim Substrat 2 handelt es sich um ein MEMS-Substrat. Das Substrat ist ausreichend dimensioniert, um mehrere, z. B. Hunderte oder Tausende, von Sensoranordnungen herzustellen. Das Substrat kann ein mehrschichtiges Laminat mit Metallkontaktmustern auf der Ober- und Unterseite umfassen. Das Substrat kann ferner interne elektrische Verbindungen umfassen. Zusätzliche Schichten wie Plattierungen oder Lötmasken können integrale Bestandteile des Substrates sein.

In einem zweiten Schritt B) werden mehrere Abstandshalter 3 bereitgestellt. Die Abstandshalter 3 umfassen ein weiches Material, z. B. ein weiches Silikon, ein weiches Epoxidharz oder ein modifiziertes Polycarbaminsäure-Derivat.
Optional kann eine Höheninspektion (Profilmessung) der Abstandshalter 3 stattfinden.
Danach werden die Abstandshalter 3 auf der Oberfläche des Substrats 2 in einer vorbestimmten Geometrie angeordnet. Die Geometrie hängt vom Design des Sensorchips 5, dem Design des Substrats 2, dem Material des Abstandshalters 3, dem Material des Klebstoffs 4 und/oder der gewünschten Höhe der Klebschicht ab. Die Abstandshalter 3 werden zum Beispiel auf der Oberfläche des Substrats 2 in der Form von Höckern oder Linien angeordnet.
Eine bevorzugte Abstandshalteranordnung kann aus vier lateral relativ kleinen Punkten oder Höckern bestehen, wobei der Abstand zwischen zweien davon typischerweise mehr als 1/3 der Länge einer benachbarten Chip-Kante beträgt.
Die Abstandshalter 3 können auf die Oberfläche des Substrats z. B. durch Schablonen- oder Siebdruck aufgedruckt werden. Alternativ dazu können die Abstandshalter 3 mithilfe von Nadeldispensierung oder Jet-Dispensen auf das Substrat 2 aufgebracht werden.
Druckverfahren sind geeignet, da Packungsträger für MEMS-Mikrofone typischerweise mehrere einzelne Einheiten in einem großen Panel umfassen, welches am Ende des Bestückens, in der Regel nach dem Abdecken der Einheiten mit mehreren Kappen, zerteilt wird. Ein einzelner Druckschritt kann daher Hunderte oder Tausende von Abstandshaltern 3 von hoher Homogenität ausbilden.
In einem nächsten Schritt C) kann ein UV-, Licht- oder Wärmehärtungsschritt zum Aushärten des Abstandshaltermaterials stattfinden.
Durch Verwenden eines Materials für die Abstandshalter 3, das eine Licht- oder UV-Härtung (vollständig oder bis zu einem gewissen Grad) unterstützt, lässt sich durch eine geeignete Belichtung das Ausbreiten unmittelbar nach der Abscheidung, unabhängig vom Abscheidungsverfahren (z. B. Drucken oder Dispensen), leicht stoppen. Diese UV- oder Lichthärtung kann für mehrere Abstandshalter 3 ausgeführt werden, wenn sie in einem parallelen Vorgang wie Drucken aufgebracht werden, oder für jeden einzelnen Abstandshalter 3 unmittelbar nach dem Abscheiden im Fall eines seriellen Vorgangs wie einem Dispensen. Ein Aushärten mehrerer Abstandshalter ist hier ebenfalls eine Option.
Wärmehärtbare oder auch lösemittelhaltige Materialien sind jedoch für die Abstandshalter 3 ebenfalls geeignet, da nur sehr wenig Volumen benötigt wird, so dass die Ausbreitung begrenzt ist. Aus dem gleichen Grund ist es auch möglich, ein Material mit einer sehr hohen Viskosität (z. B. > 100 Pa·s) zu verwenden, ohne dabei Prozessgeschwindigkeit einzubüßen.
In einem nächsten Schritt D) wird ein Klebstoff 4 bereitgestellt. Der Klebstoff 4 wird auf Teile der Oberfläche des Substrats 2 aufgebracht, so dass der Klebstoff 4 zumindest teilweise zwischen dem Sensorchip 5 und dem Substrat 2 angeordnet ist. Klebstoff 4 kann auch auf eine Oberfläche des jeweiligen Abstandshalters 3 aufgebracht werden.
Der Klebstoff 4 wird in einem vorbestimmten Muster aufgebracht. Das Muster hängt vom Design des Sensorchips 5, dem Material des Abstandshalters 3, dem Material des Klebstoffs 4 und/oder der gewünschten Höhe der Klebschicht ab. Zum Aufbringen des Klebstoffs 4 werden herkömmliche Massenfertigungsverfahren wie Jet-Dispensen, Drucken oder Dispensen verwendet.
Der jeweilige Abstandshalter 3 und der Klebstoff 4 können das gleiche Material oder ein Material mit ähnlichen elastischen Eigenschaften umfassen. Der Klebstoff 4 umfasst eine Shore-A-Härte zwischen 15 und 80, vorzugsweise zwischen 25 und 70. Ein Elastizitätsmodul des Klebstoffs liegt zwischen 0,1 Mpa und 200 Mpa, vorzugsweise zwischen 1 Mpa und 50 Mpa.
In einem nächsten Schritt E) werden mehrere Sensorchips bereitgestellt. Die Sensorchips 5 werden mithilfe des Klebstoffs 4 auf dem Substrat 2 befestigt. Die Sensorchips 5 können relativ grob und schnell platziert werden, ohne die Genauigkeit der Klebschichtdicke zu beeinträchtigen.
In einem Schritt F) wird der Klebstoff 4 ausgehärtet.
Nach dem Aushärten des Klebstoffs 4 können weitere Bauelemente bestückt werden, bevor ein Zerteilen in Einzelbauelemente (siehe Schritt G) stattfindet. Zum Beispiel kann eine ASIC bestückt werden. Außerdem können interne elektrische Verbindungen, z. B. Drahtbondungen und/oder eine „Glob-Top“-Aufbringung bereitgestellt werden.
Ferner wird ein Schutz für die Sensoranordnung 1 bereitgestellt. Zum Beispiel wird eine Abdeckung der jeweiligen Sensoranordnung 1, z. B. eine Metallkappe, bereitgestellt und bestückt.
In einem letzten Schritt G) wird das die Abstandshalter 3, den Klebstoff 4 und die Sensorchips 5 umfassende Substrat 2 in Einzelbauelemente zerteilt, so dass mehrere Sensoranordnungen 1 ausgebildet werden, die jeweils mindestens einen Abstandshalter 3 umfassen.
Bezugszeichenliste

1: Sensoranordnung
2: Substrat
3: Abstandshalter
4: Klebstoff
5: Sensorchip
6: Loch
7: Kavität
H: Klebschichtdicke

Claims

Sensoranordnung (1), umfassend - ein Substrat (2), - mindestens einen direkt auf einer Oberfläche des Substrats (2) angeordneten Abstandshalter (3), wobei der Abstandshalter (3) ein weiches Material umfasst, - einen mithilfe eines Klebstoffs (4) auf dem Substrat (2) befestigten Sensorchip (5), wobei sowohl der mindestens eine Abstandshalter (3) als auch der Klebstoff (4) zumindest teilweise zwischen dem Sensorchip (5) und dem Substrat (2) angeordnet sind, und wobei der Abstandshalter (3) dazu eingerichtet und angeordnet ist, eine Klebschichtdicke (H) des Klebstoffs (4) zu definieren.
Sensoranordnung (1) gemäß Anspruch 1, wobei der mindestens eine Abstandshalter (3) das gleiche Material oder ein Material mit ähnlichen elastischen Eigenschaften wie der Klebstoff (4) umfasst.
Sensoranordnung (1) gemäß Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei der mindestens eine Abstandshalter (3) auf die Oberfläche des Substrats (2) in der Form einer Linie oder in der Form eines Höckers aufgebracht ist.
Sensoranordnung (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der mindestens eine Abstandshalter (3) ein Material umfasst, das eine UV-, Licht- oder Wärmehärtung unterstützt, oder wobei der mindestens eine Abstandshalter (3) ein lösemittelhaltiges Material umfasst.
Sensoranordnung (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der mindestens eine Abstandshalter (3) eine Höhe zwischen 20 µm und 100 µm umfasst.
Sensoranordnung (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der mindestens eine Abstandshalter (3) eine Shore-A-Härte zwischen 25 und 70 umfasst.
Sensoranordnung (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Elastizitätsmodul des mindestens einen Abstandshalters (3) zwischen 1 Mpa und 50 Mpa liegt.
Sensoranordnung (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Klebstoff (4) eine Shore-A-Härte zwischen 25 und 70 und/oder einen Elastizitätsmodul zwischen 1 Mpa und 50 Mpa umfasst.
Sensoranordnung (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Material des Abstandshalters (3) ein weiches Silikon, ein weiches Epoxidharz oder ein modifiziertes Polycarbaminsäure-Derivat umfasst.
Sensoranordnung (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei es sich bei der Sensoranordnung (1) um ein MEMS-Mikrofon handelt.
Verfahren zur Herstellung einer Sensoranordnung (1), umfassend die folgenden Schritte: A) Bereitstellen eines Substrats (2); B) Bereitstellen mehrerer Abstandshalter (3) und Anordnen der Abstandshalter (3) auf einer Oberfläche des Substrats (2) in einem vorbestimmten Muster; C) Aushärten eines Materials der Abstandshalter (3); D) Bereitstellen eines Klebstoffs (4) und Aufbringen des Klebstoffs (4) auf Teile der Oberfläche des Substrats (2); E) Bereitstellen von mehreren Sensorchips (5) und Befestigen der Sensorchips (5) auf dem Substrat (2) mithilfe des Klebstoffs (4); F) Aushärten des Klebstoffs (4); G) Zerteilen in Einzelbauelemente, so dass eine Sensoranordnung (1) ausgebildet wird, die mindestens einen Abstandshalter (3) umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 11, wobei eine Höheninspektion der Abstandshalter (3) stattfindet, bevor die Abstandshalter (3) auf dem Substrat (2) angeordnet werden.
Verfahren gemäß Anspruch 11 oder Anspruch 12, ferner umfassend einen Schritt eines Bereitstellens und Bestückens eines Schutzes für die Sensoranordnung, bevor Schritt G) stattfindet.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei die Abstandshalter (3) auf das Substrat (2) aufgedruckt werden oder wobei die Abstandshalter (3) mithilfe von Nadeldispensierung oder Jet-Dispensen auf das Substrat (2) aufgebracht werden.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 11 bis 14, wobei der Schritt C) eine UV-, Licht- oder Wärmehärtung eines Materials der Abstandshalter (3) umfasst.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 11 bis 15, wobei der jeweilige Abstandshalter (3) auf der Oberfläche des Substrats (2) in der Form einer Linie oder eines Höckers positioniert wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 11 bis 16, wobei ein Material des jeweiligen Abstandshalters (3) ein weiches Silikon, ein weiches Epoxidharz oder ein modifiziertes Polycarbaminsäure-Derivat umfasst.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 11 bis 17, wobei der jeweilige Abstandshalter (3) eine Shore-A-Härte zwischen 25 und 70 umfasst, und wobei ein Elastizitätsmodul des betreffenden Abstandshalters (3) zwischen 1 Mpa und 50 Mpa liegt.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 11 bis 18, wobei der jeweilige Abstandshalter (3) das gleiche Material oder ein Material mit ähnlichen elastischen Eigenschaften umfasst wie der Klebstoff (4).
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 11 bis 19, wobei der Klebstoff (4) eine Shore-A-Härte zwischen 25 und 70 und/oder einen Elastizitätsmodul zwischen 1 Mpa und 50 Mpa umfasst.