DE102021212502A1 - micromechanical component - Google Patents

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David Slogsnat
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    • B81C2203/032—Gluing

Abstract

Die Erfindung geht aus von einem mikromechanischen Bauelement mit einem MEMS-Chip (10), einem IC-Chip (20), einer Grundplatte (30) und einem Deckel (40), wobei der MEMS-Chip an dem IC-Chip befestigt ist, wobei der IC-Chip an der Grundplatte befestigt ist, wobei der Deckel an der Grundplatte befestigt ist, wobei durch den Deckel und die Grundplatte ein Innenraum (50) gebildet ist, in dem der MEMS-Chip und der IC-Chip angeordnet sind. Der Kern der Erfindung besteht darin, dass zwischen Deckel, Grundplatte und IC-Chip wenigstens ein Verbindungsmittel (23, 34) angeordnet ist, welches ein Silikon basiertes Klebemittel ist.The invention is based on a micromechanical component with a MEMS chip (10), an IC chip (20), a base plate (30) and a cover (40), the MEMS chip being attached to the IC chip. the IC chip being attached to the base, the cover being attached to the base, the cover and the base forming an interior space (50) in which the MEMS chip and the IC chip are located. The essence of the invention consists in the fact that at least one connecting means (23, 34), which is a silicone-based adhesive, is arranged between the cover, base plate and IC chip.

Description

Stand der TechnikState of the art

Die Erfindung geht aus von einem mikromechanischen Bauelement mit einem MEMS Chip, einem IC-Chip, einer Grundplatte und einem Deckel, wobei der MEMS Chip an dem IC Chip befestigt ist, wobei der IC Chip an der Grundplatte befestigt ist, wobei der Deckel an der Grundplatte befestigt ist, wobei durch den Deckel und die Grundplatte ein Innenraum gebildet ist, in dem der MEMS Chip und der IC Chip angeordnet sind.The invention relates to a micromechanical component with a MEMS chip, an IC chip, a base plate and a cover, the MEMS chip being attached to the IC chip, the IC chip being attached to the base plate, the cover being attached to the Base plate is fixed, wherein an interior space is formed by the cover and the base plate, in which the MEMS chip and the IC chip are arranged.

Ein solches Bauelement ist im Stand der Technik beispielsweise als verpackter mikromechanischer Drucksensor BMP280, BMP390 und BMP384 der Firma Bosch Sensortec bekannt[SD(1]. Hierbei besteht eine feste und harte Verbindung vom Deckel bis zum IC Chip. Der Deckel ist fest und hart mit der Grundplatte verbunden. Der IC Chip ist ebenfalls fest und hart mit der Grundplatte verbunden. Der MEMS Chip ist mechanisch weich mit dem IC Chip verbunden, damit er möglichst wenig mechanischen Stress erfährt. Die druckempfindliche Membran des Sensors ist auch sehr stressempfindlich. Mechanischer Stress würde daher das Sensorsignal verfälschen.Such a component is known in the prior art, for example, as a packaged micromechanical pressure sensor BMP280, BMP390 and BMP384 from Bosch Sensortec [SD(1] . There is a firm and hard connection from the cover to the IC chip. The cover is firm and hard with connected to the base plate. The IC chip is also connected firmly and hard to the base plate. The MEMS chip is mechanically softly connected to the IC chip so that it experiences as little mechanical stress as possible. The pressure-sensitive membrane of the sensor is also very sensitive to stress. Mechanical stress would therefore falsify the sensor signal.

Das Bedürfnis nach immer kleineren und insbesondere flacheren Sensordesigns bei gleichbleibender mechanischer Last auf die Bauteile, vergrößert das Risiko von Brüchen im oben gezeigten Verbundsystem, insbesondere von Brüchen des IC Chips. Darüber hinaus können flachere Designs auch zu fehlerhaften Signalen beim MEMS führen, wenn die Stressentkopplung über eine flachere mechanische Anbindung der MEMS bei zusätzlich stärkerer Verbiegung eines flacheren IC Chips nicht mehr vollständig gewährleistet wird.The need for ever smaller and, in particular, flatter sensor designs while the mechanical load on the components remains the same increases the risk of breakage in the composite system shown above, in particular breakage of the IC chip. In addition, flatter designs can also lead to faulty signals in the MEMS if the stress decoupling is no longer fully guaranteed via a flatter mechanical connection of the MEMS with an additional greater bending of a flatter IC chip.

Der Effekt des fehlerhaften MEMS-Signals kann z.T. durch den Abgleich der Bauteile aufgehoben werden. Durch weiteren Stresseintrag bei der Weiterverarbeitung beim Kunden, ist dieses Vorgehen aber deutlich limitiert. Auch eine über Lebensdauer einsetzende Relaxation limitiert die Eingriffsmöglichkeiten per Abgleich.The effect of the erroneous MEMS signal can be partially eliminated by matching the components. However, this procedure is clearly limited due to additional stress during further processing by the customer. A relaxation that sets in over the service life also limits the options for intervention via adjustment.

Aufgabe der Erfindungobject of the invention

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein mechanisch robustes mikromechanisches Bauelement zu schaffen.The object of the invention is to create a mechanically robust micromechanical component.

Vorteile der ErfindungAdvantages of the Invention

Die Erfindung geht aus von einem mikromechanischen Bauelement mit einem MEMS-Chip, einem IC-Chip, einer Grundplatte und einem Deckel, wobei der MEMS-Chip an dem IC-Chip befestigt ist, wobei der IC Chip an der Grundplatte befestigt ist, wobei der Deckel an der Grundplatte befestigt ist, wobei durch den Deckel und die Grundplatte ein Innenraum gebildet ist, in dem der MEMS-Chip und der IC-Chip angeordnet sind.
Der Kern der Erfindung besteht darin, dass zwischen Deckel, Grundplatte und IC-Chip wenigstens ein Verbindungsmittel angeordnet ist, dessen Elastizitätsmodul kleiner als das Elastizitätsmodul jedes der damit verbundenen Teile ist.The invention relates to a micromechanical component with a MEMS chip, an IC chip, a base plate and a cover, the MEMS chip being attached to the IC chip, the IC chip being attached to the base plate, the Cover is attached to the base plate, an interior space is formed by the cover and the base plate, in which the MEMS chip and the IC chip are arranged.
The core of the invention consists in the fact that at least one connecting means is arranged between the cover, base plate and IC chip, the modulus of elasticity of which is smaller than the modulus of elasticity of each of the parts connected thereto.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das Verbindungsmittel zwischen IC-Chip und Grundplatte angeordnet ist und damit der IC-Chip an der Grundplatte befestigt ist. Besonders vorteilhaft ist, dass das Verbindungsmittel ein elastischer Kleber, insbesondere ein Silikon oder ein Silikonkautschuk [SD(2]ist. Vorteilhaft ist auch, dass der MEMS-Chip und der IC-Chip direkt und unmittelbar miteinander verbunden sind, insbesondere durch fusion bonding oder eutektisches Bonden. Der MEMS kann jedoch auch anders auf den ASIC aufgebracht sein, zum Beispiel mittels eines die-attach-films (DAF) aufgeklebt sein.An advantageous embodiment of the invention provides that the connecting means is arranged between the IC chip and the base plate and the IC chip is thus attached to the base plate. It is particularly advantageous that the connecting means is an elastic adhesive, in particular a silicone or a silicone rubber [SD(2)] It is also advantageous that the MEMS chip and the IC chip are directly connected to one another, in particular by fusion bonding or eutectic bonding However, the MEMS can also be applied to the ASIC in a different way, for example by means of a die attach film (DAF).

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das Verbindungsmittel zwischen Grundplatte und Deckel angeordnet ist und damit der Deckel an der Grundplatte befestigt ist.An advantageous embodiment of the invention provides that the connecting means is arranged between the base plate and the cover and the cover is thus fastened to the base plate.

Bislang sind dem Bedürfnis nach immer kleineren und insbesondere flacheren Sensordesigns Grenzen gesetzt. Um Brüche des IC-Chips zu vermeiden, wird dieser dicker ausgelegt als es die elektrische Funktion erfordert und Produktionsmethoden erlauben. Um die Stressentkopplung des MEMS-Chips sicherzustellen, wird die Dicke der mechanischen Anbindung des MEMS erhöht. Beides führt zu insgesamt dickeren Verbundsystemen und damit dickeren Sensordesigns. Erfindungsgemäß können diese flachen Designs ohne die genannten Nachteile realisiert werden. Insbesondere durch die stressentkoppelnde Gehäuseklebung wird die mechanische Gesamtlast auf das sensible Verbundsystem gezielt reduziert, wodurch das Verbundsystem flacher ausgelegt werden kann, sowohl hinsichtlich der notwendigen Dicke des IC-Chips als auch der Dicke des Verbindungsmittels zwischen IC Chip und MEMS Chip. Dieses kann geringer ausfallen je weniger Stress bereits von der Grundplatte auf den IC Chip übertragen wird.So far, there have been limits to the need for ever smaller and, in particular, flatter sensor designs. In order to avoid breaking the IC chip, it is made thicker than the electrical function requires and production methods allow. In order to ensure the stress decoupling of the MEMS chip, the thickness of the mechanical connection of the MEMS is increased. Both lead to thicker composite systems overall and thus thicker sensor designs. According to the invention, these flat designs can be implemented without the disadvantages mentioned. The overall mechanical load on the sensitive composite system is reduced in particular by the stress-decoupling housing adhesive, which means that the composite system can be designed flatter, both in terms of the necessary thickness of the IC chip and the thickness of the connecting means between IC chip and MEMS chip. This can be lower the less stress is already transferred from the base plate to the IC chip.

Figurenlistecharacter list

  • 1 zeigt schematisch ein mikromechanisches Bauelement im Stand der Technik. 1 shows schematically a micromechanical component in the prior art.
  • 2 zeigt schematisch die Lastpfade des mikromechanischen Bauelements im Stand der Technik unter äußerer mechanischer Belastung. 2 shows schematically the load paths of the micromechanical component in the prior art under external mechanical loading.
  • 3 a zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes mikromechanisches Bauelement in einem ersten Ausführungsbeispiel. 3 a shows schematically a micromechanical component according to the invention in a first embodiment.
  • 3 b zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes mikromechanisches Bauelement in einem zweiten Ausführungsbeispiel. 3 b shows schematically a micromechanical component according to the invention in a second embodiment.

Beschreibung von AusführungsbeispielenDescription of exemplary embodiments

1 zeigt schematisch ein mikromechanisches Bauelement im Stand der Technik. Dargestellt ist ein mikromechanisches Bauelement mit einem MEMS-Chip 10, einem IC-Chip 20, einer Grundplatte 30 und einem Deckel 40. Der MEMS-Chip ist mittels eines ersten Verbindungsmittels 12 an dem IC-Chip befestigt. Der IC-Chip ist mittels eines zweiten Verbindungsmittels 23 an der Grundplatte befestigt. Der Deckel ist mittels eines dritten Verbindungsmittels 34 an der Grundplatte befestigt. Durch den Deckel und die Grundplatte ist ein Innenraum 50 gebildet, in dem der MEMS-Chip und der IC-Chip angeordnet sind. In dem hiergezeigten Beispiel ist das Bauelement ein Drucksensor. Der Deckel weist ein Loch als Druckzugang auf. Der IC-Chip ist beispielsweise ein ASIC, auf dem Sensorsignale aus dem MEMS-Chip verarbeitet werden. Die Grundplatte ist eine Leiterplatte, beispielsweise ein LGA. Der Deckel ist fest und hart mit der Grundplatte verbunden. Der IC-Chip ist ebenfalls fest und hart mit der Grundplatte verbunden. Der MEMS-Chip ist mechanisch weich mit dem IC-Chip verbunden, um Eintrag von Stress in den MEMS-Chip zu vermeiden. Somit besteht eine feste und harte Verbindung vom Deckel bis zum IC-Chip. 1 shows schematically a micromechanical component in the prior art. A micromechanical component is shown with a MEMS chip 10, an IC chip 20, a base plate 30 and a cover 40. The MEMS chip is attached to the IC chip by means of a first connecting means 12. The IC chip is attached to the base plate by means of a second connection means 23 . The cover is attached to the base plate by means of a third connection means 34 . An inner space 50 is formed by the cover and the base plate, in which the MEMS chip and the IC chip are arranged. In the example shown here, the component is a pressure sensor. The lid has a hole for pressure access. The IC chip is an ASIC, for example, on which sensor signals from the MEMS chip are processed. The base plate is a printed circuit board, for example an LGA. The lid is firmly and rigidly connected to the base plate. The IC chip is also firmly and hard connected to the base plate. The MEMS chip is mechanically softly connected to the IC chip to avoid introducing stress into the MEMS chip. Thus there is a firm and hard connection from the cover to the IC chip.

2 zeigt schematisch die Lastpfade des mikromechanischen Bauelements im Stand der Technik unter äußerer mechanischer Belastung. Das mikromechanische Bauelement ist mittels Haltevorrichtungen 200 befestigt. Diese Haltevorrichtungen können mechanischen Stress von außen auf das Bauelement übertragen. Eine äußere Last 100 wirkt über die Haltevorrichtung 200 auf den Deckel 40. Die Kraftübertragung ist mittels Pfeilen als Lastpfad 110 gekennzeichnet und erreicht vom Deckel über die Grundplatte 30 den IC-Chip 20 als innere Last 120. 2 shows schematically the load paths of the micromechanical component in the prior art under external mechanical loading. The micromechanical component is attached by means of holding devices 200 . These holding devices can transmit external mechanical stress to the component. An external load 100 acts on the cover 40 via the holding device 200. The force transmission is indicated by arrows as the load path 110 and reaches the IC chip 20 as an internal load 120 from the cover via the base plate 30.

3 a zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes mikromechanisches Bauelement in einem ersten Ausführungsbeispiel. Im Unterschied zu dem Bauelement gemäß den 1 und 2 ist hier zwischen dem Deckel 40 und der Grundplatte 30 ein drittes Verbindungsmittel 34 angeordnet, welches ein Silikon basiertes Klebemittel ist. Das dritte Verbindungsmittel ist in diesem Beispiel ein elastischer Kleber. Das E-Modul des Klebemittels ist <100MPa, bevorzugt <30MPa in einem Temperaturbereich von -5 bis 65°C oder einem erweiterten Temperaturbereich von -40 bis 125°C. Hierdurch wird Stress zwischen dem Deckel und der Grundplatte entkoppelt. Im Ergebnis ist die innere Last 120, die auf den IC-Chip wirkt geringer als bei dem Bauelement im Stand der Technik. 3 a shows schematically a micromechanical component according to the invention in a first embodiment. In contrast to the component according to the 1 and 2 a third connecting means 34 is arranged here between the cover 40 and the base plate 30, which is a silicone-based adhesive. In this example, the third connecting means is an elastic adhesive. The modulus of elasticity of the adhesive is <100 MPa, preferably <30 MPa in a temperature range from -5 to 65°C or an extended temperature range from -40 to 125°C. This decouples stress between the cover and the base plate. As a result, the internal load 120 acting on the IC chip is smaller than that of the prior art device.

Der Aufbau kann so interpretiert werden, dass bei einer äußeren Kraft von x Newton, ein Teil der Kraft, y Newton, vom elastischen Deckel-Kleber-Federsystem) aufgenommen wird, wodurch nur noch x-y Newton beim Verbundsystem ankommen. Dabei wird das Verbindungsmittel 34 als Federsystem so ausgelegt, dass nur eine geringe Verschiebung des Deckels in z-Richtung, also senkrecht zur Grundplatte unter Krafteinwirkung zugelassen wird.The structure can be interpreted in such a way that with an external force of x Newtons, a part of the force, y Newtons, is absorbed by the elastic cover-adhesive-spring system, which means that only x-y Newtons arrive at the composite system. The connecting means 34 is designed as a spring system in such a way that only a slight displacement of the cover in the z-direction, ie perpendicular to the base plate, is permitted under the action of force.

Das Verbindungsmittel 34 kann dabei auf verschiedene Arten realisiert werden, insbesondere als elastischer Kleber oder Verbundmaterial.The connecting means 34 can be implemented in various ways, in particular as an elastic adhesive or composite material.

3 b zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes mikromechanisches Bauelement in einem zweiten Ausführungsbeispiel.
Im Unterschied zu dem Bauelement gemäß den 1 und 2 ist hier zwischen der Grundplatte 30 und dem IC-Chip 20 ein zweites Verbindungsmittel 23 angeordnet, welches ein Silikon basiertes Klebemittel ist. Das zweite Verbindungsmittel ist in diesem Beispiel ein elastischer Kleber wie etwa ein Silikon oder Silikonkautschuk. Das E-Modul des Klebemittels ist <100MPa, bevorzugt <30MPa in einem Temperaturbereich von -5 bis 65°C oder einem erweiterten Temperaturbereich von -40 bis 125°C. Hierdurch wird Stress zwischen der Grundplatte und dem IC-Chip entkoppelt. Im Ergebnis ist wieder die innere Last 120, die auf den IC-Chip wirkt, geringer als bei dem Bauelement im Stand der Technik. 3 b shows schematically a micromechanical component according to the invention in a second embodiment.
In contrast to the component according to the 1 and 2 a second connecting means 23 is arranged here between the base plate 30 and the IC chip 20, which is a silicone-based adhesive. In this example, the second connecting means is an elastic adhesive such as a silicone or silicone rubber. The modulus of elasticity of the adhesive is <100 MPa, preferably <30 MPa in a temperature range from -5 to 65°C or an extended temperature range from -40 to 125°C. This decouples stress between the base plate and the IC chip. As a result, the internal load 120 acting on the IC chip is again less than that of the prior art device.

In einem hiervon abgeleiteten Ausführungsbeispiel sind der MEMS-Chip 10 und der IC-Chip 20 direkt und unmittelbar miteinander verbunden, insbesondere durch fusion bonding. In diesem Fall können elektrische Verbindungen von ASIC zu MEMS ohne Bonddrähte ausgeführt werden. Zur elektrischen Verbindung von ASIC zur Leiterplatte werden Bonddrähte vom MEMS-Chip zur Grundplatte, geführt. Dieses Ausführungsbeispiel ermöglicht Drahtbonden zwischen dem MEMS-Chip - IC-Chip Verbund und der Leiterplatte als Grundplatte.In an exemplary embodiment derived from this, the MEMS chip 10 and the IC chip 20 are directly and immediately connected to one another, in particular by fusion bonding. In this case, electrical connections from ASIC to MEMS can be made without bonding wires. Bonding wires are routed from the MEMS chip to the base plate for the electrical connection between the ASIC and the printed circuit board. This exemplary embodiment enables wire bonding between the MEMS chip/IC chip assembly and the printed circuit board as the base plate.

Die Ausführungsbeispiele unter den 3 a und 3 b lassen sich auch kombinieren.The embodiments under the 3 a and 3 b can also be combined.

BezugszeichenlisteReference List

1010
MEMS-ChipMEMS chip
1212
erstes Verbindungsmittelfirst lanyard
2020
IC-ChipIC chip
2323
zweites Verbindungsmittelsecond means of connection
3030
Grundplattebase plate
3434
drittes Verbindungsmittelthird means of connection
4040
DeckelLid
5050
Innenrauminner space
100100
äußere Lastexternal load
110110
Lastpfadload path
120120
innere Lastinner burden
200200
Halterungbracket

Claims (6)

Mikromechanisches Bauelement mit einem MEMS-Chip (10), einem IC-Chip (20), einer Grundplatte (30) und einem Deckel (40), wobei der MEMS-Chip an dem IC-Chip befestigt ist, wobei der IC-Chip an der Grundplatte befestigt ist, wobei der Deckel an der Grundplatte befestigt ist, wobei durch den Deckel und die Grundplatte ein Innenraum (50) gebildet ist, in dem der MEMS-Chip und der IC-Chip angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Deckel, Grundplatte und IC-Chip wenigstens ein Verbindungsmittel (23, 34) angeordnet ist, welches ein Silikon basiertes Klebemittel ist.Micromechanical component with a MEMS chip (10), an IC chip (20), a base plate (30) and a cover (40), wherein the MEMS chip is attached to the IC chip, the IC chip on is attached to the base plate, the cover being attached to the base plate, an interior space (50) being formed by the cover and the base plate, in which the MEMS chip and the IC chip are arranged, characterized in that between the cover, Base plate and IC chip at least one connecting means (23, 34) is arranged, which is a silicone-based adhesive. Mikromechanisches Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungsmittel (23) zwischen IC-Chip (20) und Grundplatte (30) angeordnet ist und damit der IC-Chip an der Grundplatte befestigt ist.Micromechanical component claim 1 , characterized in that the connecting means (23) between the IC chip (20) and base plate (30) is arranged and thus the IC chip is attached to the base plate. Mikromechanisches Bauelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der MEMS-Chip (10) und der IC-Chip (20) direkt und unmittelbar miteinander verbunden sind.Micromechanical component claim 2 , characterized in that the MEMS chip (10) and the IC chip (20) are directly and immediately connected to each other. Mikromechanisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungsmittel zwischen Grundplatte (30) und Deckel (40) angeordnet ist und damit der Deckel an der Grundplatte befestigt ist.Micromechanical component according to one of Claims 1 until 3 , characterized in that the connecting means between the base plate (30) and cover (40) is arranged and thus the cover is attached to the base plate. Mikromechanisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungsmittel (23) ein elastischer Kleber, insbesondere ein Silikon oder Silikonkautschuk ist.Micromechanical component according to one of Claims 1 until 4 , characterized in that the connecting means (23) is an elastic adhesive, in particular a silicone or silicone rubber. Mikromechanisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das E-Modul des Klebemittels weniger als 100MPa, bevorzugt weniger als 30MPa beträgt; in einem Temperaturbereich von -5 bis 65°C oder einem erweiterten Temperaturbereich von -40 bis 125°C.Micromechanical component according to one of Claims 1 until 5 , characterized in that the modulus of elasticity of the adhesive is less than 100 MPa, preferably less than 30 MPa; in a temperature range of -5 to 65°C or an extended temperature range of -40 to 125°C.
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