DE102020207799A1

DE102020207799A1 - MEMS module

Info

Publication number: DE102020207799A1
Application number: DE102020207799.1A
Authority: DE
Inventors: Maximilian Amberger; Klaus Offterdinger; Holger Hoefer; Michael Stumber
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2020-06-24
Filing date: 2020-06-24
Publication date: 2021-12-30

Abstract

Die Erfindung betrifft ein MEMS-Modul mit einem Substrat (10), einem MEMS-Chip (20) und einem Dämpfer (40), wobei das Substrat und der MEMS Chip parallel zu einer Haupterstreckungsebene (x,y) angeordnet sind, wobei der Dämpfer an einer Unterseite des MEMS-Chips, zwischen dem MEMS-Chip und dem Substrat angeordnet ist und wobei der MEMS-Chip an dem Dämpfer befestigt ist und der Dämpfer an dem Substrat befestigt ist. Der Kern der Erfindung besteht darin, dass der Dämpfer wenigstens in einer Richtung z, senkrecht zur Haupterstreckungsebene (x,y), strukturiert ist.The invention relates to a MEMS module with a substrate (10), a MEMS chip (20) and a damper (40), the substrate and the MEMS chip being arranged parallel to a main extension plane (x,y), the damper on a bottom side of the MEMS chip, arranged between the MEMS chip and the substrate, and wherein the MEMS chip is attached to the damper and the damper is attached to the substrate. The essence of the invention is that the damper is structured at least in a direction z, perpendicular to the main plane of extension (x,y).

Description

Stand der TechnikState of the art

Die Erfindung betrifft ein MEMS-Modul mit einem Substrat, einem MEMS-Chip und einem Dämpfer.The invention relates to a MEMS module with a substrate, a MEMS chip and a damper.

Mikromechanische Vorrichtungen, insbesondere Drehratensensoren sind empfindlich für Vibrationen und Stoßbelastungen. Diese Einflüsse können zu signifikanten Fehlsignalen führen. Es werden daher MEMS-Module aufgebaut, die mit einer zusätzlichen mechanischen Vibrationsdämpfung ausgestattet sind. Die Anforderungen an die Genauigkeit mikromechanischer Bauteile werden durch die Entwicklung des hochautomatisierten Fahrens weiter steigen, so dass auch für zukünftige Sensorgenerationen oder Optikkomponenten weiterhin der Bedarf an mechanischer Vibrationsdämpfung zu erwarten ist. Auch bei Konsumgütern gibt es eine Nachfrage nach hochgenauen Inertialsensoren, die möglicherweise zukünftig dämpfende Zusatzmaßnahmen notwendig erscheinen lassen. Für diese Anwendungsfälle ist ein kleinbauendes und kostengünstiges Dämpferkonzept zwingend.Micromechanical devices, in particular rotation rate sensors, are sensitive to vibrations and shock loads. These influences can lead to significant false signals. For this reason, MEMS modules are built that are equipped with additional mechanical vibration damping. The demands on the accuracy of micromechanical components will continue to increase due to the development of highly automated driving, so that the need for mechanical vibration damping can also be expected for future generations of sensors or optical components. There is also a demand for high-precision inertial sensors for consumer goods, which may make additional damping measures appear necessary in the future. A compact and inexpensive damper concept is essential for these applications.

Im Stand der Technik wird das First-Level-Modul auf einem mechanischen Dämpfer integriert, wie beispielsweise die Druckschrift DE102006002350A1 offenbart. Daneben werden Premoldgehäuse mit integriertem Dämpfer eingesetzt, wie beispielsweise in der Druckschrift DE102006026878A1 gezeigt ist.
Weiterhin wird in der Druckschrift DE102012201486A1 wird eine Interposer-Anwendung beschrieben, welche zwischen LGA/BGA-Gehäuse und beispielsweise einer Steuergerätleiterplatte, montiert wird, um als Schwingungsentkopplungssystem zu wirken.
Vorteil der in DE102012201486A1 beschriebenen Interposer-Lösung ist, dass der Sensor selbst in einem kostengünstigen Standard-Moldgehäuse verbaut werden kann. Dem stehen konzeptbedingt aber einige Beschränkungen entgegen. Die Herstellung der Dämpferstrukturen durch Leiterplattenfräsen und Silikonspritzen ist aufwändig und daher kostenintensiv. Die verwendeten Fertigungstechnologien ermöglichen keine signifikante weitere Reduzierung der Baugröße. Ferner erfordert die Kombination unterschiedlicher Technologien, wie Leiterplatte, Silikonspritzguss und Bestückung, den Einsatz unterschiedlicher spezialisierter Lieferanten.
Die schwingende Dämpferstruktur ist eine Kombination aus Leiterplattenfeder und Silikon. Dadurch ist die Resonanzüberhöhung des aus Dämpferelement und LGA/BGA-Gehäuse gebildeten Feder-Masse-Systems höher als bei einem rein aus einem (Silikon-) Elastomer realisierten Dämpfersystem.
Für die ESP-Applikation werden Kombi-Inertialsensormodule, bestehend aus einachsigen oder mehrachsigen Drehratensensoren und einachsigen oder mehrachsigen Beschleunigungssensoren eingesetzt. Dabei benötigt aber nur der Drehratensensor eine zusätzliche Schwingungsdämpfung im hochfrequenten Bereich, insbesondere bei der einfachen und doppelten Arbeitsfrequenz. Wenn der Beschleunigungssensor ebenfalls auf dem Dämpfer platziert ist, ergeben sich zusätzliche Randbedingungen an die Auslegung des Dämpfers und Performanceeinbußen beim Beschleunigungssensor.In the prior art, the first-level module is integrated on a mechanical damper, such as the publication DE102006002350A1 disclosed. In addition, premold housings with an integrated damper are used, for example in the publication DE102006026878A1 is shown.
Furthermore, in the publication DE102012201486A1 describes an interposer application which is mounted between the LGA / BGA housing and, for example, a control unit circuit board in order to act as a vibration decoupling system.
Advantage of in DE102012201486A1 The interposer solution described is that the sensor itself can be installed in an inexpensive standard molded housing. Due to the concept, however, there are some restrictions. The production of the damper structures by milling printed circuit boards and silicone injection molding is complex and therefore cost-intensive. The manufacturing technologies used do not allow any significant further reduction in size. Furthermore, the combination of different technologies, such as printed circuit boards, silicone injection molding and assembly, requires the use of different specialized suppliers.
The vibrating damper structure is a combination of circuit board spring and silicone. As a result, the increase in resonance of the spring-mass system formed from the damper element and LGA / BGA housing is higher than with a damper system made purely from a (silicone) elastomer.
Combination inertial sensor modules consisting of single-axis or multi-axis rotation rate sensors and single-axis or multi-axis acceleration sensors are used for the ESP application. However, only the rotation rate sensor requires additional vibration damping in the high-frequency range, in particular at the single and double operating frequency. If the acceleration sensor is also placed on the damper, there are additional constraints on the design of the damper and performance losses in the acceleration sensor.

Die Druckschriften US 2017/0089942 A1 und US 2018/0244515 A1 beschreiben Feder-Dämpfer-Systeme zur Vibrations- (und ggf. Stress-) Entkopplung von MEMS-Chips im Rahmen des First Level Packages. Ausgangspunkt sind in beiden Fällen auf dem Substrat aufgebrachte Metall-Federelemente, deren Resonanzüberhöhung optional durch zusätzlich eingebrachtes Dämpfermaterial ( US 2017/0089942 A1 ) oder durch Squeeze-Film-Dämpfung, erzeugt durch kleine Vertikalgaps zwischen Federelement und Substrat, reduziert wird ( US 2018/0244515 A1 ). Die Metall-Federelemente dienen zur elektrischen Kontaktierung des Chips. Dadurch wird das Konzept insbesondere bei einer größeren Anzahl an elektrischen Verbindungen sehr komplex. Zudem verbleibt das Grundproblem aus DE102012201486A1 , dass die hohe Güte (und damit Resonanzüberhöhung) der Metallfeder durch zusätzliche aufwändige Maßnahmen reduziert werden muss. Insbesondere die Squeeze-Film-Dämpfung stellt extrem hohe Anforderungen an die Fertigungstoleranzen.The pamphlets US 2017/0089942 A1 and US 2018/0244515 A1 describe spring-damper systems for vibration (and possibly stress) decoupling of MEMS chips as part of the first level package. In both cases, the starting point are metal spring elements attached to the substrate, whose resonance exaggeration can optionally be achieved by additionally introduced damper material ( US 2017/0089942 A1 ) or by squeeze film damping, created by small vertical gaps between the spring element and the substrate ( US 2018/0244515 A1 ). The metal spring elements are used to make electrical contact with the chip. This makes the concept very complex, especially with a large number of electrical connections. In addition, the basic problem remains DE102012201486A1 that the high quality (and thus resonance increase) of the metal spring must be reduced by additional complex measures. Squeeze film damping in particular places extremely high demands on manufacturing tolerances.

Die Druckschrift DE 102013222307.2 A1 beschreibt eine mikroelektromechanische Sensoranordnung, wobei eine zur Dämpfung mechanischer Schwingungen geeignete Dämpferschicht auf der Oberseite eines Substrats angeordnet ist. Das Sensorelement ist mit der Dämpfungsschicht mechanisch verbunden. In einem Ausführungsbeispiel wird eine zwischen Dämpferschicht und Sensor angeordnete mechanisch starre Trägerplatte aufgeführt, die eine mechanische Unterstützung oder Fixierung, beispielsweise beim Drahtbonden ermöglicht.The pamphlet DE 102013222307.2 A1 describes a microelectromechanical sensor arrangement, a damper layer suitable for damping mechanical vibrations being arranged on the upper side of a substrate. The sensor element is mechanically connected to the damping layer. In one embodiment, a mechanically rigid carrier plate arranged between the damper layer and the sensor is specified, which enables mechanical support or fixation, for example during wire bonding.

Neben der Vibrationsbelastung spielen für MEMS-Bauelemente aufgrund zunehmender Genauigkeitsanforderungen und Miniaturisierung Einflüsse von mechanischem Stress eine immer größere Rolle. Membranen von Drucksensoren und MEMS-Mikrofonen sind hiervon ebenso betroffen, wie hochgenaue Drehraten- und Beschleunigungssensoren und optische Mikrospiegel. MEMS Module im Stand der Technik verwenden eine weiche, bis zu 200 µm dicke Silikonkleberschicht unter dem MEMS Bauelement, um so den thermomechanischen Stress zu entkoppeln. Der Einsatz hoher weicher Kleberschichtdicken unterliegt jedoch ebenfalls gewissen Beschränkungen. Die erreichbare maximale Schichtdicke ist bei Flüssigklebstoffen durch deren Rheologie (Standfestigkeit, Viskosität, Thixotropie) und durch die verfügbare Dispenstechnik limitiert. Dicke und weiche Kleberschichtdicken verschlechtern die Lagetoleranz der aufgeklebten MEMS-Module, insbesondere in Bezug auf Verkippung und Verdrehung. Dies ist besonders relevant für Inertialsensoren, denn hierdurch steigt die Querempfindlichkeit zwischen den Sensierachsen. Bei Optikkomponenten reduziert sich die Abbildungsgenauigkeit entsprechend. Außerdem ist das Drahtbonden auf weichen Kleberschichten problematisch. Hierbei kommt es zu einem Ausweichen des Chips beim Aufsetzen der Kapillare durch Bondforce, Ultraschalleinkopplung, etc.In addition to the vibration load, the effects of mechanical stress are playing an increasingly important role for MEMS components due to increasing accuracy requirements and miniaturization. This affects membranes of pressure sensors and MEMS microphones as well as high-precision rotation rate and acceleration sensors and optical micromirrors. Prior art MEMS modules use a soft silicone adhesive layer up to 200 µm thick under the MEMS component in order to decouple the thermomechanical stress. The use of high softer However, adhesive layer thicknesses are also subject to certain restrictions. The maximum layer thickness that can be achieved with liquid adhesives is limited by their rheology (stability, viscosity, thixotropy) and the available dispensing technology. Thick and soft adhesive layer thicknesses worsen the positional tolerance of the glued-on MEMS modules, in particular with regard to tilting and twisting. This is particularly relevant for inertial sensors, because this increases the cross-sensitivity between the sensing axes. In the case of optical components, the imaging accuracy is reduced accordingly. Wire bonding on soft adhesive layers is also problematic. This causes the chip to evade when the capillary is placed on by bond force, ultrasonic coupling, etc.

Aufgabetask

Aufgabe der Erfindung ist es, eine kostengünstige, kleinbauende Ist-Level Aufbau- und Verbindungstechnik (chip-scale oder minimal größer) zur Entkopplung von Vibrationen und thermomechanischem Stress zwischen Substrat und einzelnen MEMS-Bauelementen zu schaffen, wobei gleichzeitig hohe Lagetoleranzanforderungen an das MEMS-Element erfüllt werden.The object of the invention is to create a cost-effective, compact, actual-level construction and connection technology (chip-scale or minimally larger) for decoupling vibrations and thermomechanical stress between the substrate and individual MEMS components, while at the same time making high positional tolerance requirements for the MEMS Element are met.

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Die Erfindung betrifft ein MEMS-Modul mit einem Substrat (10), einem MEMS-Chip (20) und einem Dämpfer (40), wobei das Substrat und der MEMS Chip parallel zu einer Haupterstreckungsebene (x,y) angeordnet sind, wobei der Dämpfer an einer Unterseite des MEMS-Chips, zwischen dem MEMS-Chip und dem Substrat angeordnet ist und wobei der MEMS-Chip an dem Dämpfer befestigt ist und der Dämpfer an dem Substrat befestigt ist. Der Kern der Erfindung besteht darin, dass der Dämpfer wenigstens in einer Richtung z, senkrecht zur Haupterstreckungsebene (x,y), strukturiert ist.The invention relates to a MEMS module with a substrate ( 10 ), a MEMS chip ( 20th ) and a damper ( 40 ), the substrate and the MEMS chip being arranged parallel to a main extension plane (x, y), the damper being arranged on an underside of the MEMS chip, between the MEMS chip and the substrate, and the MEMS chip being arranged on the Damper is attached and the damper is attached to the substrate. The essence of the invention is that the damper is structured at least in one direction z, perpendicular to the main extension plane (x, y).

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Dämpfer ein Elastomer aufweist. Besonders vorteilhaft ist dabei, dass der Dämpfer eine Hartkomponente aufweist, welche an dem MEMS-Chip befestigt ist und eine Weichkomponente, welche an dem Substrat befestigt ist.
Besonders vorteilhaft ist, dass der Dämpfer eine dreidimensionale Struktur aufweist die eine gezielte Optimierung der Dämpfereigenschaften nach Raumrichtung getrennt ermöglicht.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der MEMS-Chip und ein IC-Chip mittels Bonddrähten elektrisch leitfähig miteinander verbunden sind. Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der IC-Chip mit dem Substrat elektrisch leitfähig verbunden ist. Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das Substrat eine Durchgangsöffnung aufweist, welche von dem Dämpfer oder auch dem MEMS-Chip bedeckt ist. Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das MEMS-Modul einen Deckel aufweist, welcher mit dem Substrat verbunden ist.An advantageous embodiment of the invention provides that the damper has an elastomer. It is particularly advantageous that the damper has a hard component which is attached to the MEMS chip and a soft component which is attached to the substrate.
It is particularly advantageous that the damper has a three-dimensional structure which enables the damper properties to be optimized in a targeted manner according to spatial direction.
An advantageous embodiment of the invention provides that the MEMS chip and an IC chip are connected to one another in an electrically conductive manner by means of bonding wires. An advantageous embodiment of the invention provides that the IC chip is connected to the substrate in an electrically conductive manner. An advantageous embodiment of the invention provides that the substrate has a through opening which is covered by the damper or also the MEMS chip. An advantageous embodiment of the invention provides that the MEMS module has a cover which is connected to the substrate.

Ein MEMS-Element wird erfindungsgemäß durch geeignete Techniken so auf ein Substrat integriert, dass die Unterseite des MEMS-Elements nur über die Weichkomponente der Dämpferstruktur mit dem Substrat in Verbindung steht. Das Substrat ist beliebig wählbar. Es kann auf beiden Seiten Metallisierungen in Form von Leiterbahnen enthalten, welche durch elektrische Vias miteinander verbunden sind. Die Metallisierungen auf der Oberfläche können durch Drahtbonden mit den MEMS-Sensoren und ASIC(s) verbunden werden. Alternativ zu einem in Leiterplattentechnologie hergestellten Substrat kann auch ein Leadframe, eine Keramik, ein Kunststoffboden (Premold-Gehäuse) oder ein MID-Bauteil als Substrat verwendet werden. In den folgenden Abbildungen wird die Erfindung am Beispiel eines Leiterplattensubstrats näher ausgeführt.
Die Dämpfungsstruktur sorgt für eine thermomechanische Entkopplung zwischen den MEMS-Sensoren und dem Substrat, dessen Unterseite beispielsweise durch Löten, Leitklebung oder andere Verbindungstechniken starr mit einem weiteren Substrat (z.B. Steuergeräteleiterplatte) verbunden wird.
Die dämpfende Struktur kann den Raum zwischen MEMS-Element und Substrat ganz oder partiell ausfüllen, wobei die Geometrie den spezifischen Anforderungen des MEMS-Elements angepasst werden kann.
Die Dämpferstruktur wird vorzugsweise ganz oder teilweise aus einem hochdämpfenden, Energie dissipierenden Material, beispielsweise aus einem Silikon-Elastomer hergestellt. Die für die Dämpfung charakteristische Materialkenngröße ist der mechanische Verlustfaktor (tan_delta), der möglichst hoch gewählt werden sollte.
In einer vorteilhaften Ausführungsform besteht die Dämpferstruktur aus einer harten und einer weichen Materialkomponente. Die harte Materialkomponente erleichtert dabei das Handling und die lagegenaue Bestückung des MEMS-Elements. Durch die Kombination aus Hart- und Weichkomponente und deren jeweiliger geometrischer Ausgestaltung ergeben sich weitere Möglichkeiten zur Anpassung der Schwingungs- und Dämpfungseigenschaften des Dämpfers und dessen Anpassung an die spezifischen Anforderungen des MEMS-Elements. According to the invention, a MEMS element is integrated on a substrate using suitable techniques in such a way that the underside of the MEMS element is only connected to the substrate via the soft component of the damper structure. Any substrate can be selected. It can contain metallizations on both sides in the form of conductor tracks, which are connected to one another by electrical vias. The metallizations on the surface can be connected to the MEMS sensors and ASIC (s) by wire bonding. As an alternative to a substrate produced using printed circuit board technology, a leadframe, a ceramic, a plastic base (premold housing) or an MID component can also be used as the substrate. In the following figures, the invention is explained in more detail using the example of a printed circuit board substrate.
The damping structure ensures thermomechanical decoupling between the MEMS sensors and the substrate, the underside of which is rigidly connected to another substrate (e.g. control unit circuit board), for example by soldering, conductive bonding or other connection techniques.
The damping structure can completely or partially fill the space between the MEMS element and the substrate, the geometry being able to be adapted to the specific requirements of the MEMS element.
The damper structure is preferably made entirely or partially from a highly damping, energy-dissipating material, for example from a silicone elastomer. The material parameter characteristic of the damping is the mechanical loss factor (tan_delta), which should be selected as high as possible.
In an advantageous embodiment, the damper structure consists of a hard and a soft material component. The hard material component facilitates the handling and the precise placement of the MEMS element. The combination of hard and soft components and their respective geometric configuration result in further options for adapting the vibration and damping properties of the damper and adapting it to the specific requirements of the MEMS element.

Falls durch die weiche Aufhängung des MEMS-Elements Probleme beim Bestücken oder beim Drahtbonden entstehen, kann eine Öffnung im Substrat dazu genutzt werden, den Dämpfer während der Montage durch eine in die Substrataufnahme integrierte Unterstützungsstruktur mechanisch zu fixieren. Falls ein Loch im Substrat vorgesehen ist, kann ergänzend ein Vergelen der Rückseite erfolgen, um die Dämpfung zu verbessern und die Dämpferstruktur vor Kontamination zu schützen.
Die Dämpferstruktur kann als vorgefertigtes, beispielsweise im Spritzgussverfahren hergestelltes Einzelbauteil bereitgestellt und vergleichbar einer Standard-Elektronikkomponente auf das Substrat bestückt werden.
Die elektrische Verbindung zwischen MEMS/ASICs und dem Substrat oder weiteren Sensoren wird durch Drahtbonds realisiert.If problems arise during assembly or wire bonding due to the soft suspension of the MEMS element, an opening in the substrate can be used to mechanically fix the damper during assembly by means of a support structure integrated into the substrate holder. If a hole is provided in the substrate, can In addition, the rear side is gelled to improve damping and protect the damper structure from contamination.
The damper structure can be provided as a prefabricated individual component, for example manufactured by injection molding, and fitted onto the substrate in a manner comparable to a standard electronic component.
The electrical connection between MEMS / ASICs and the substrate or other sensors is implemented using wire bonds.

Im Vergleich zum Stand der Technik im Bereich der Vibrationsentkopplung 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 ein Beschleunigungssensor in einem Inertialsensormodul keine zusätzliche Dämpfung oder wird hierdurch sogar negativ beeinflusst, während ein Drehratesensor durch eine Dämpfungsstruktur eine signifikant bessere Performance oder auch geringere Störanfälligkeit zeigt.
Durch die geometrischen Freiheitsgrade bei der Strukturierung des dämpfenden Materials wird eine gezielte Anpassung der mechanischen Schwingungsübertragung auf das jeweilige MEMS Bauteil ermöglicht.Compared to the prior art in the field of vibration decoupling, the invention is a compact, simple structure for decoupling mechanical vibrations, which results in a high potential for cost savings.
Only those MEMS sensors that are actually disturbed by vibrations can be mechanically dampened in a targeted manner. For example, an acceleration sensor in an inertial sensor module does not require any additional damping or is even negatively influenced by this, while a yaw rate sensor shows a significantly better performance or less susceptibility to failure due to a damping structure.
The geometric degrees of freedom in structuring the damping material enable a targeted adaptation of the mechanical vibration transmission to the respective MEMS component.

Insgesamt ermöglicht die Erfindung eine deutliche Verkleinerung und Kostenreduktion des MEMS-Moduls durch einfacheren Aufbau und Einsparung aufwändiger Zwischenschritte. Die Erfindung ermöglicht eine spezifische Adaption des Dämpfers an einen MEMS-Chip. Eine Beeinflussung anderer MEMS-Elemente in ihrer Leistung, wie zum Beispiel einem Beschleunigungssensor, wird vermieden.Overall, the invention enables a significant downsizing and cost reduction of the MEMS module through a simpler structure and saving of complex intermediate steps. The invention enables a specific adaptation of the damper to a MEMS chip. The performance of other MEMS elements, such as an acceleration sensor, is avoided.

Vorteilhaft weist das MEMS Modul eine geringe Resonanzüberhöhung durch einen reinen Elastomerdämpfer, ohne Federelemente aus Metall- oder Leiterplattenmaterial, auf.The MEMS module advantageously has a slight increase in resonance due to a pure elastomer damper, without spring elements made of metal or printed circuit board material.

Vorteilhaft wird die Dämpferstruktur zuerst auf das Substrat und nicht auf dem Wafer aufgebracht. Dadurch kann der MEMS-Wafer im Standard-Prozessfluss verarbeitet werden. Bei Prozessfehlern ist nur das im Vergleich zum Wafer wesentlich kostengünstigere Substrat zu verwerfen.The damper structure is advantageously applied first to the substrate and not to the wafer. This allows the MEMS wafer to be processed in the standard process flow. In the event of process errors, only the substrate, which is much cheaper than the wafer, needs to be discarded.

Die Erfindung ermöglicht für das MEMS-Modul ein Modentuning durch Strukturierung des Dämpferelements oder auch des Substrats.The invention enables mode tuning for the MEMS module by structuring the damper element or the substrate.

Im Gegensatz zur Verwendung von Flüssigklebstoff, ermöglicht die Erfindung die Platzierung von MEMS-Bauteilen auf dicke, weiche Elastomerschichten bei minimaler Verdrehung und Verkippung.In contrast to the use of liquid adhesive, the invention enables the placement of MEMS components on thick, soft elastomer layers with minimal twisting and tilting.

FigurenlisteFigure list

1 shows a MEMS module according to the invention in a first embodiment.
2 shows in a second embodiment an inventive MEMS module with a damping element made of two different hard materials.
3 shows an assembly step with a support structure for producing a MEMS module according to the second embodiment.
4th shows a MEMS module according to the invention in a third embodiment.
the 5 a, b and c show further embodiments of the damper element.
6th shows a further embodiment, wherein the hard and soft components are shown separately.

Beschreibungdescription

1 zeigt in einem ersten Ausführungsbeispiel ein erfindungsgemäßes MEMS-Modul. Die Vorrichtung weist ein Substrat 10, einen MEMS-Chip 20, einen IC-Chip 30, insbesondere einen ASIC und einen Dämpfer 40 auf. Substrat, MEMS-Chip und IC-Chip sind parallel zu einer Haupterstreckungsebene (x,y) angeordnet.
Das MEMS-Element befindet sich auf einem auf dem Substrat bestückten Dämpferelement. Das Dämpferelement besteht aus einem weichen Werkstoff mit guten Dämpfungseigenschaften und kann beispielsweise im Spritzgussverfahren abgeformt werden. Der Dämpfer ist in einer Richtung z, senkrecht zur Haupterstreckungsebene (x,y), strukturiert. Er weist im Beispiel einen Sockel, Seitenwände und eine Ausnehmung auf, die sich in z-Richtung vom Substrat bis zum Sockel erstreckt.
Über die Geometrie des Dämpfers sowie die Materialauswahl ergeben sich vielfältige Möglichkeiten zur Feinabstimmung der mechanischen Eigenschaften. Der IC Chip ist direkt an dem Substrat befestigt.
Auf der Unterseite des Substrats befinden sich Lötflächen zur elektrischen Kontaktierung, beispielsweise ausgeführt als Land Grid Array (LGA) oder, mit vorbestückten Lötballs 60, als Ball Grid Array (BGA).
MEMS-Chip und IC-Chip sind mittels Bonddrähten 50 elektrisch leitfähig miteinander verbunden.
Das MEMS-Modul weist einen Deckel 70 auf, welcher mit dem Substrat 10 verbunden ist. MEMS-Chip, Dämpfer und IC-Chip sind in einem Innenraum 80 angeordnet, Der von Substrat und Deckel begrenzt ist. 1 shows a MEMS module according to the invention in a first embodiment. The device has a substrate 10 , a MEMS chip 20th , an IC chip 30th , especially an ASIC and a damper 40 on. The substrate, MEMS chip and IC chip are arranged parallel to a main extension plane (x, y).
The MEMS element is located on a damper element fitted on the substrate. The damper element consists of a soft material with good damping properties and can, for example, be molded using an injection molding process. The damper is structured in a direction z, perpendicular to the main extension plane (x, y). In the example, it has a base, side walls and a recess which extends in the z-direction from the substrate to the base.
The geometry of the damper and the choice of material result in a wide range of options for fine-tuning the mechanical properties. The IC chip is attached directly to the substrate.
On the underside of the substrate there are soldering areas for electrical contacting, for example designed as a land grid array (LGA) or with pre-assembled solder balls 60 , as a Ball Grid Array (BGA).
MEMS chip and IC chip are by means of bond wires 50 electrically conductively connected to one another.
The MEMS module has a cover 70 on which one with the substrate 10 connected is. MEMS chip, damper and IC chip are in one interior 80 arranged, which is limited by the substrate and cover.

2 zeigt in einem zweiten Ausführungsbeispiel ein erfindungsgemäßes MEMS-Modul mit einem Dämpfungselement aus zwei verschieden harten Werkstoffen. 2 shows in a second embodiment an inventive MEMS module with a damping element made of two different hard materials.

Abweichend vom ersten Ausführungsbeispiel ist das Dämpferelement 40 aus einem harten und einem weichen Werkstoff zusammengesetzt ist. Der Dämpfer besteht also aus einer Hartkomponente 41, welche an dem MEMS-Chip befestigt ist und einer Weichkomponente 42, welche an dem Substrat befestigt ist. Vorteilhaft ist hierbei die einfachere Bestückung sowohl des Dämpferelements selbst wie auch des MEMS-Elements auf dem Dämpfer. Optional kann zusätzlich eine Durchgangsöffnung 15 im Substrat vorgesehen werden. Dies gilt für alle Ausführungsformen.The damper element differs from the first exemplary embodiment 40 is composed of a hard and a soft material. The damper therefore consists of a hard component 41 , which is attached to the MEMS chip and a soft component 42 attached to the substrate. The simpler equipping of both the damper element itself and the MEMS element on the damper is advantageous here. Optionally, a through opening can also be used 15th be provided in the substrate. This applies to all embodiments.

3 zeigt einen Montageschritt mit einer Unterstützungsstruktur zur Herstellung eines MEMS-Moduls gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel. Dargestellt ist ein Verfahrensschritt zur temporären Fixierung des Stapels von Dämpferelement und MEMS, beispielsweise beim Drahtbonden. Hierzu wird in die Streifenaufnahme eine Unterstützungsstruktur 100 integriert, die über eine Öffnung 15 im Substrat die Unterseite des Dämpfers 40 unterstützt. Im gezeigten vorteilhaften Fall greift die Unterstützungsstruktur an der Hartkomponente 41 der Dämpferstruktur an. 3 shows an assembly step with a support structure for producing a MEMS module according to the second embodiment. A process step for the temporary fixation of the stack of damper element and MEMS, for example during wire bonding, is shown. For this purpose, a support structure is placed in the strip holder 100 integrated through an opening 15th the underside of the damper in the substrate 40 supports. In the advantageous case shown, the support structure engages the hard component 41 the damper structure.

4 zeigt in einem dritten Ausführungsbeispiel ein erfindungsgemäßes MEMS-Modul. Die Figur zeigt, ausgehend vom Ausführungsbeispiel der 2, eine Ausführungsform mit Verfüllung der rückseitigen Öffnung mit einer zusätzlichen elastischen Substanz, hier einem Gel 48. Diese Substanz kann sowohl als Kontaminationsschutz wie auch als zusätzliches Dämpfungselement fungieren. 4th shows in a third embodiment a MEMS module according to the invention. The figure shows, based on the embodiment of 2 , an embodiment with filling the rear opening with an additional elastic substance, here a gel 48 . This substance can act both as a protection against contamination and as an additional damping element.

Die 5 a, b und c zeigen weitere Ausführungsbeispiele des Dämpferelements. Die Dämpferelemente 40 weisen jeweils eine Hartkomponente 41 in Form einer Platte 411 und eine daran angeordnete, im wesentlichen quaderförmige Weichkomponente 42 auf. Die Weichkomponente weist eine durchgehende Ausnehmung 421 auf, welche sich von einer der Hartkomponente abgewandten Seite bis zur Hartkomponente durch den Körper der Weichkomponente erstreckt. Die Weichkomponente 42 weist zwei erste Flanken 422 und zwei zweite Flanken 424 auf.the 5 a, b and c show further embodiments of the damper element. The damper elements 40 each have a hard component 41 in the form of a plate 411 and a substantially cuboidal soft component arranged thereon 42 on. The soft component has a continuous recess 421 which extends from a side facing away from the hard component to the hard component through the body of the soft component. The soft component 42 has two first flanks 422 and two second flanks 424 on.

5 a zeigt dabei einen Dämpfer 40 mit einer Weichkomponente 42 mit durchgehenden ersten und zweiten Flanken 422, 424. 5 a shows a damper 40 with a soft component 42 with continuous first and second flanks 422 , 424 .

5 b zeigt einen Dämpfer 40 mit einer Weichkomponente 42 mit ersten Flanken 422 mit ersten Flankenausnehmungen 423 und durchgehenden zweiten Flanken 424. 5 b shows a damper 40 with a soft component 42 with first flanks 422 with first flank recesses 423 and continuous second flanks 424 .

5 c zeigt einen Dämpfer 40 mit einer Weichkomponente 42 wie in 5 b, wobei die zweiten Flanken 424 zweite Flankenausnehmungen 424 aufweisen. 5 c shows a damper 40 with a soft component 42 as in 5 b , with the second flanks 424 second flank recesses 424 exhibit.

Die Öffnung des elastischen Werkstoffs auf zwei oder vier Seiten, wie hier mittels erster oder auch zweiter Flankenausnehmungen, ermöglicht die gezielte Beeinflussung der Schwingungsmoden und damit der Eigenfrequenzen des Dämpfers. Alternativ kann dies auch durch unterschiedliche Wandstärken der Flanken realisiert werden. Auch durch das gezielte Hinzufügen oder Wegnehmen von Material zur Änderung der schwingenden Masse lassen sich die Eigenfrequenzen gezielt beeinflussen.The opening of the elastic material on two or four sides, as here by means of first or also second flank recesses, enables the vibration modes and thus the natural frequencies of the damper to be influenced in a targeted manner. Alternatively, this can also be achieved by different wall thicknesses of the flanks. The natural frequencies can also be specifically influenced by specifically adding or removing material to change the vibrating mass.

6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des Dämpferelements, wobei die Hartkomponente und die Weichkomponente getrennt dargestellt sind. Die Hartkomponente 41, links dargestellt, weist an einer hauptsächlichen Seite einer Platte 411 eine Ausformung 412 auf, welche geeignet ist, in die durchgehende Ausnehmung 421 der Weichkomponente 42 wenigstens bereichsweise einzugreifen. Die Weichkomponente, rechts dargestellt, weist weiter erste Flanken 422 und zweite Flanken 424 auf. In den ersten Flanken 422 ist jeweils eine erste Flankenausnehmung 423 angeordnet. Die dreidimensionale Strukturierung des harten Werkstoffs, hier durch die Ausformung 412, bietet zusätzliche Möglichkeiten zur Optimierung der Schwingungsmoden. Durch die seitliche Fixierung der Weichkomponente wird die Bewegung in der Ebene (x,y) versteift, während für die z-Richtung senkrecht dazu nahezu die gesamte Höhe des weichen Werkstoffs wirksam bleibt. Das gezielte Hinzufügen oder Wegnehmen von Masse ist eine weitere Möglichkeit zur Beeinflussung der Dämpferresonanzen. 6th shows a further embodiment of the damper element, the hard component and the soft component being shown separately. The hard component 41 , shown on the left, points to a major side of a plate 411 a formation 412 which is suitable in the continuous recess 421 the soft component 42 to intervene at least in certain areas. The soft component, shown on the right, also has first flanks 422 and second flanks 424 on. In the first flanks 422 is a first flank recess 423 arranged. The three-dimensional structuring of the hard material, here through the molding 412 , offers additional options for optimizing the vibration modes. The lateral fixation of the soft component stiffens the movement in the plane (x, y), while almost the entire height of the soft material remains effective for the z-direction perpendicular to it. The targeted addition or removal of mass is another way of influencing the damper resonances.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

1010: SubstratSubstrate
1515th: Durchgangsöffnung im SubstratThrough opening in the substrate
2020th: MEMS-ChipMEMS chip
3030th: IC-ChipIC chip
4040: Dämpfermute
4141: DämpferhartkomponenteHard damper component
411411: Platteplate
412412: AusformungShaping
4242: DämpferweichkomponenteSoft damper component
421421: durchgehende Ausnehmungcontinuous recess
422422: erste Flankefirst flank
423423: erste Flankenausnehmungfirst flank recess
424424: zweite Flankesecond flank
425425: zweite Flankenausnehmungsecond flank recess
4848: Gelgel
5050: BonddrahtBond wire
6060: LotkugelSolder ball
7070: Deckellid
8080: Innenrauminner space
100100: UnterstützungsstrukturSupport structure

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

DE 102006002350 A1 [0003]
DE 102006026878 A1 [0003]
DE 102012201486 A1 [0003, 0004]
US 2017/0089942 A1 [0004]
US 2018/0244515 A1 [0004]
DE 102013222307 A1 [0005]

Claims

MEMS module with a substrate (10), a MEMS chip (20) and a damper (40), - wherein the substrate and the MEMS chip are arranged parallel to a main extension plane (x, y), - the damper on a Underside of the MEMS chip, is arranged between the MEMS chip and the substrate, - wherein the MEMS chip is attached to the damper and the damper is attached to the substrate, characterized in that the damper is at least in one direction z, perpendicular to the main plane of extent (x, y), is structured.

MEMS module according to Claim 1 , characterized in that the damper (40) comprises an elastomer.

MEMS module according to Claim 1 or 2 , characterized in that the damper (40) has a hard component (41) which is attached to the MEMS chip (20) and a soft component (42) which is attached to the substrate (10).

MEMS module according to Claim 3 characterized in that the soft component (42) of the damper (40) has a three-dimensional structure, in particular in the form of recesses (421, 423, 425) or different wall thicknesses.

MEMS module according to one of the Claims 3 or 4th , characterized in that the hard component (41) of the damper (40) has a three-dimensional structure, for example in the form of different wall thicknesses.

MEMS module according to one of the preceding claims, characterized in that the module has an IC chip (30) and the MEMS chip (20) and the IC chip (30) are connected to one another in an electrically conductive manner by means of bonding wires (50).

MEMS module according to Claim 6 , characterized in that the IC chip (30) is electrically contacted with the substrate (10).

MEMS module according to one of the preceding claims, characterized in that the substrate (10) has a through opening (15) which is covered by the damper (40) and / or the MEMS chip (20).

MEMS module according to one of the preceding claims, characterized in that the MEMS module has a cover (70) which is connected to the substrate (10).