DE102022209923A1 - Mikromechanisches Bauelement mit thermisch leitfähiger Schicht - Google Patents

Abstract

Die Erfindung geht aus von einem mikromechanischen Bauelement (10) mit einem MEMS Chip (11), der in einer Verpackung (14) auf einem Trägerstreifen (16) zur äußeren elektrischen Kontaktierung angeordnet ist.Der Kern der Erfindung besteht darin, dass zwischen dem MEMS Chip und dem Trägerstreifen wenigstens eine thermisch leitfähige Schicht (18) angeordnet ist.

Description

• Stand der Technik
• Die Erfindung geht aus von einem mikromechanischen Bauelement mit einem MEMS Chip, der in einer Verpackung auf einem Trägerstreifen zur äußeren elektrischen Kontaktierung angeordnet ist. Solche Bauelemente sind beispielsweise in BGA oder LGA Packages bekannt.
• Mikromechanische Inertialsensoren, insbesondere Beschleunigungssensoren sind sehr empfindlich auf mechanische Verzerrungen (Stress) des MEMS Chips, da bereits sehr geringe Relativänderungen der Elektrodenpositionen zu einem messbaren Signal führen. Typischerweise wird diese Deformation durch einen Abgleich des Signals über die Temperatur ausgeglichen. Die Temperaturmessung erfolgt dabei zumeist an einem einzelnen Messpunkt im ASIC. D.h. je nach gemessener Temperatur, wird eine Korrektur der Ausgangswerte vorgenommen. Im Fall eines thermischen Gradienten ist diese aber nicht mehr vollständig möglich, da an den verschiedenen Enden des Chips unterschiedliche Temperaturen herrschen (1a). Dieser Gradient führt dazu, dass die Korrektur über eine einzelne lokal gemessene Temperatur nicht mehr möglich ist.
  Weiterhin gibt es radiometrische Effekte, d.h. eine unterschiedliche Gasdynamik zwischen den MEMS Elektroden, die durch Temperaturgradienten in der MEMS Kaverne zu einer Auslenkung der seismischen Masse führen Derartige Effekte sind beispielsweise in der Veröffentlichung C. Nagel, T. Zoller, F. Ante, J. Classen, M. Putnik and J. Mehner, „Radiometrie effects in MEMS accelerometers,“ 2017 IEEE SENSORS, 2017 beschrieben. Es existieren verschiedene Ansätze, um diese Gradienten zu erfassen und zu kompensieren, beispielsweise durch zusätzliche Sensoren ( US2020/0039818 A1 ), oder durch Verdopplung von Strukturen, die einen gegenläufigen Effekt erzeugen und elektrisch kombiniert werden ( US 10759656 B2 ).
• Aufgabe der Erfindung
• Die Erfindung soll die initiale Ausbildung eines thermischen Gradienten in einem mikromechanischen Bauelement verhindern oder wenigstens verringern und damit verbundene negative Effekte auf die Funktion des Bauelements, insbesondere auf ein Ausgangssignal mikromechanischer Sensoren, vermeiden.
• Kern und Vorteile der Erfindung
• Die Erfindung geht aus von einem mikromechanischen Bauelement mit einem MEMS Chip, der in einer Verpackung auf einem Trägerstreifen zur äußeren elektrischen Kontaktierung angeordnet ist. Der Kern der Erfindung besteht darin, dass zwischen dem MEMS Chip und dem Trägerstreifen wenigstens eine thermisch leitfähige Schicht angeordnet ist. Die thermisch leitfähige Schicht ist dazu geeignet, den Wärmetransport von den verschiedenen Seiten des Packages zu erhöhen und damit einen thermischen Gradienten im Inneren des mikromechanischen Bauelements zu vermeiden.
• Vorteilhaft ist in der Verpackung ein IC Chip zwischen dem MEMS Chip und dem Trägerstreifen angeordnet. Der IC Chip steuert die elektrischen Funktionen des MEMS Chips und ist in dieser Anordnung geeignet, den MEMS Chip vom Trägerstreifen zusätzlich thermisch zu isolieren.
• In vorteilhaften Ausgestaltungen der Erfindung ist die thermisch leitfähige Schicht zwischen dem IC Chip und dem Trägerstreifen oder zwischen dem IC Chip und dem MEMS Chip angeordnet ist. Vorteilhaft ist in jedem Fall der Trägerstreifen thermisch kurzgeschlossen.
• Vorteilhaft ist, wenn die thermisch leitfähige Schicht zwischen dem IC Chip und dem Trägerstreifen angeordnet ist und eine weitere thermisch leitfähige Schicht zwischen dem IC Chip und dem MEMS Chip angeordnet ist. Dies verbessert den thermischen Kurzschluss und vermindert weiter einen thermischen Gradienten im MEMS Chip.
• In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist zwischen dem MEMS Chip und der wenigstens einen thermisch leitfähigen Schicht zusätzlich eine thermisch isolierende Schicht angeordnet. Vorteilhaft kann diese isolierende Schicht den MEMS Chip vom Trägerstreifen zusätzlich thermisch isolieren.
• Zeichnung
• Die 1 a und b zeigen schematisch eine Anordnung eines mikromechanischen Bauelements und einer Wärmequelle auf einer Leiterplatte im Stand der Technik sowie deren thermisches Ersatzschaltbild.
• Die 2 a und b zeigen schematisch eine Anordnung eines erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelements und einer Wärmequelle auf einer Leiterplatte in einem ersten Ausführungsbeispiel sowie deren thermisches Ersatzschaltbild.
• Die 3 a und b zeigen schematisch eine Anordnung eines erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelements und einer Wärmequelle auf einer Leiterplatte in einem zweiten Ausführungsbeispiel sowie deren thermisches Ersatzschaltbild.
• Beschreibung
• Die 1 a und b zeigen schematisch eine Anordnung eines mikromechanischen Bauelements und einer Wärmequelle auf einer Leiterplatte im Stand der Technik sowie deren thermisches Ersatzschaltbild.
• 1a zeigt ein mikromechanisches Bauelement 10, beispielsweise ein Inertialsensor, bestehend aus einem MEMS Chip 11 und einem ASIC 12, welche gemeinsam in einem LGA Gehäuse 14 angeordnet sind. Dabei ist der ASIC auf einem Trägerstreifen 16, dem LGA PCB angeordnet. Auf dem ASIC ist der MEMS Chip angeordnet. Der Trägerstreifen dient der äußeren elektrischen Kontaktierung des Bauelements. Das mikromechanische Bauelement ist mittels Kontaktflächen an der Unterseite des Trägerstreifens auf eine Leiterplatte 30 gelötet. Neben dem mikromechanischen Bauelement ist ein weiteres Bauelement mit thermischer Verlustleistung, eine Wärmequelle 20 an der Leiterplatte angeordnet. Durch das Temperaturgefälle von der Wärmequelle zu den übrigen Komponenten entstehen thermische Gradienten 40, unter anderem ein thermischer Gradient in der Leiterplatte und ein thermischer Gradient innerhalb des mikromechanischen Bauelements.
• Der thermische Gradient innerhalb des mikromechanischen Bauelements entsteht durch das Platzieren in der Nähe der Wärmequelle 20, so dass die verschiedenen Enden des Bauelements 10 eine unterschiedliche Temperatur erfahren. Da die thermische Leitfähigkeit des Bauelements begrenzt ist, entsteht auch über dessen Ausdehnung und damit über den MEMS Chip 11 und den ASIC 12 ein Temperaturgradient. Die erste MEMS Temperatur T_MEMS1 an einer von der Wärmequelle 20 entfernt liegenden Stelle des MEMS Chips ist deshalb kleiner als die zweite MEMS Temperatur T_MEMS2 an einer anderen, dichter an der Wärmequelle liegenden Stelle. $${\text{T}}_{\text{MEMS2}}>{\text{T}}_{\text{MEMS1}}$$

  
• Die Temperatur T_ASIC, welche an einem Temperatursensor des ASIC gemessen wird, kann den Temperaturgradienten, der auch im ASIC vorhanden ist, nicht allein darstellen, weshalb man auch nicht auf T_MEMS2 und T_MEMS1 schließen kann.
• 1b zeigt ein thermisches Ersatzschaltbild für die Anordnung von 1a. Dargestellt ist die Wärmequelle 20 und der thermische Widerstand der Leiterplatte, welcher sich in die Teilwiderstände R_1PCB, R_2PCB und R_3PCB aufteilen lässt. Das mikromechanische Bauelement ist an seinen Kontaktflächen mit der darunterliegenden Leiterplatte mechanisch und thermisch verbunden und bildet den thermischen Widerstand R_MEMS, welcher parallel zu R_2PCB angeordnet ist. Diese beiden Widerstände sind vergleichbar groß, weshalb in dem mikromechanischen Bauelement ein signifikanter Temperaturgradient besteht. $${\text{R}}_{\text{MEMS}}\sim {\text{R}}_{\text{2PCB}}$$

  
• Die 2 a und b zeigen schematisch eine Anordnung eines erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelements und einer Wärmequelle auf einer Leiterplatte in einem ersten Ausführungsbeispiel sowie deren thermisches Ersatzschaltbild.
• 2a zeigt eine Anordnung mit einem mikromechanischen Bauelement 10 und einer Wärmequelle 20 auf einer Leiterplatte 30 ähnlich zu der in 1a gezeigten Anordnung. Im Unterschied dazu weist das erfindungsgemäße mikromechanische Bauelement eine thermisch hoch leitfähige Schicht 18 auf, die einen thermischen Kurzschluss darstellt, der damit den thermischen Gradienten innerhalb des mikromechanischen Bauelements deutlich reduziert. In der Folge gleichen sich die Temperaturen im mikromechanischen Bauelement an. $${\text{T}}_{\text{MEMS2}}\sim {\text{T}}_{\text{MEMS1}}\sim {\text{T}}_{\text{ASIC}}$$

  
• Die thermisch leitfähige Schicht 18 ist im gezeigten Ausführungsbeispiel zwischen dem Trägerstreifen 16 und dem ersten darauf befindlichen Chip, hier dem ASIC 12 angeordnet.
• Dieser Einbauort ist besonders vorteilhaft, da so der Temperaturgradient abgeführt wird, bevor die darüber liegenden Chips betroffen sind.
• 2b zeigt ein thermisches Ersatzschaltbild für die Anordnung von 2a. Das Ersatzschaltbild entspricht prinzipiell dem in 1b gezeigten. Jedoch ist hier R_MEMS kleiner, weshalb im mikromechanischen Bauelement ein deutlich geringerer Temperaturgradient besteht. $${\text{R}}_{\text{MEMS}}<{\text{R}}_{2\text{PCB}}$$

  
• Alternativ kann die thermisch leitfähige Schicht 18 an verschiedenen anderen Stellen angeordnet sein, beispielsweise zwischen MEMS Chip und IC Chip. Wichtig ist jedoch, dass der Temperaturgradient kurzgeschlossen wird, bevor er den MEMS Chip erreicht.
• Alternativ kann die thermisch leitfähige Schicht 18 mit einer weiteren thermisch leitfähigen Schicht kombiniert werden.
  Die 3 a und b zeigen schematisch eine Anordnung eines erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelements und einer Wärmequelle auf einer Leiterplatte in einem zweiten Ausführungsbeispiel sowie deren thermisches Ersatzschaltbild.
• Die 3 a und b zeigen dazu schematisch eine Anordnung eines erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelements und einer Wärmequelle auf einer Leiterplatte in einem zweiten Ausführungsbeispiel sowie deren thermisches Ersatzschaltbild.
• 3a zeigt eine Anordnung mit einem mikromechanischen Bauelement 10 und einer Wärmequelle 20 auf einer Leiterplatte 30 ähnlich zu der in 2a gezeigten Anordnung. Im Unterschied dazu weist das mikromechanische Bauelement in diesem Ausführungsbeispiel eine weitere thermisch leitfähige Schicht 19 auf, die zwischen dem MEMS Chip 11 und dem IC Chip 12 angeordnet ist.
• 3b zeigt ein thermisches Ersatzschaltbild für die Anordnung von 3a. Das Ersatzschaltbild entspricht dem in 2b gezeigten. Auch hier ist R_MEMS kleiner als bei dem mikromechanischen Bauelement im Stand der Technik. $${\text{R}}_{\text{MEMS}}<{\text{R}}_{2\text{PCB}}$$

  
• Alternativ kann die thermisch leitfähige Schicht 18 auch zwischen MEMS Chip und ASIC angeordnet sein. Die Wirkung ließe sich hier noch verstärken, in dem die Verbindung zu den darüber liegenden Chips thermisch isolierend wirkt. Das kann beispielsweise eine dicke Klebeschicht leisten. Alternativ kann also zwischen dem MEMS Chip und der thermisch leitfähigen Schicht eine thermisch isolierende Schicht angeordnet sein.
• Selbstverständlich sind auch andere Reihenfolgen in der Stapelung der Chips möglich (MEMS unten über dem Trägerstreifen, ASIC oben über dem MEMS).
• Die thermisch leitfähige Schicht 18 oder auch die weitere thermisch leitfähige Schicht 19 kann beispielweise ein eingebrachtes Plättchen, eine dicke Folie oder eine Paste aus thermisch gut leitfähigem Material sein. Die thermisch leitfähige Schicht kann auch direkt auf den MEMS Chip (auf eine oder beide Seiten) oder auch auf den ASIC aufgebracht werden. Thermisch gut leitfähige Materialien können beispielsweise Kupfer oder Aluminium oder weitere bekannte Materialien sein.
  Dies kann bereits im Herstellungsprozess des Wafers geschehen, beispielsweise durch Aufsputtern von Metallschichten oder galvanische Abscheidung, oder auch nachträglich in der Aufbau- und Verbindungstechnik (AVT) durch Aufkleben oder Auflaminieren. Vorteilhaft ist sicherlich das Einbringen eines „Plättchens“, da sich so am einfachsten eine ausreichende Schichtdicke erreichen lässt, die die erforderliche Wärmeleitfähigkeit ermöglicht.
  Bei ausreichender Dicke und thermischer Leitfähigkeit kann diese Zusatzschicht, die Temperaturunterschiede zwischen beiden Enden des mikromechanischen Bauelements ausgleichen und so die Ausbildung eines thermischen Gradienten verhindern oder einen vorhandenen Gradienten deutlich reduzieren.
• Bezugszeichenliste

10

mikromechanisches Bauelement

11

MEMS Chip

12

IC Chip (ASIC)

14

Bauelement-Verpackung

16

Trägerstreifen (substrate strip)

18

thermisch leitfähige Schicht

19

weitere thermisch leitfähige Schicht

20

Wärmequelle

30

Leiterplatte

40

thermischer Gradient

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Patentliteratur
• US 2020/0039818 A1 [0002]
• US 10759656 B2 [0002]

Claims (5)

1. Mikromechanisches Bauelement (10) mit einem MEMS Chip (11), der in einer Verpackung (14) auf einem Trägerstreifen (16) zur äußeren elektrischen Kontaktierung angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem MEMS Chip und dem Trägerstreifen wenigstens eine thermisch leitfähige Schicht (18) angeordnet ist.
2. Mikromechanisches Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Verpackung (14) ein IC Chip (12) zwischen dem MEMS Chip (11) und dem Trägerstreifen (16) angeordnet ist.
3. Mikromechanisches Bauelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die thermisch leitfähige Schicht (18) zwischen dem IC Chip (12) und dem Trägerstreifen (16) oder zwischen dem IC Chip (12) und dem MEMS Chip (11) angeordnet ist.
4. Mikromechanisches Bauelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die thermisch leitfähige Schicht (18) zwischen dem IC Chip (12) und dem Trägerstreifen (16) angeordnet ist und eine weitere thermisch leitfähige Schicht (19) zwischen dem IC Chip (12) und dem MEMS Chip (11) angeordnet ist.
5. Mikromechanisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem MEMS Chip (11) und der wenigstens einen thermisch leitfähigen Schicht (18) eine thermisch isolierende Schicht angeordnet ist.

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