DE10303263A1 - Sensormodul - Google Patents

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Abstract

Zur Realisierung einer kleinen Bauform des Sensormoduls, wie z. B. einem Mikrophon als SMD Bauelement, wird das Gehäusevolumen des Mikrophons als Rückvolumen genutzt und der Mikrophonchip, hergestellt z. B. nach mikromechanischen Verfahren aus Silicium, direkt auf die Schalleintrittsöffnung des Chipgehäuses gesetzt. Um den Schall nach der Montage des Mikrophones auf einer Leiterplatte ungehindert und ohne Resonanzeffekte zu dem Mikrophonchip leiten zu können, wird das Mikrophon mit der Schalleintrittsöffnung über einem Loch in der Leiterplatte kontaktiert. Die Leiterplattenoberseite mit ihren Kontaktflächen und die aktive Fläche des Mikrophones sind daher zueinander hin gerichtet.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Sensormodul aus mindestens einem Sensorelement mit einer aktiven Fläche und einer Leiterplatte und ein Verfahren zur Herstehlung eines Sensormoduls aus mindestens einem Sensorelement mit einer aktiven Fläche und einer Leiterplatte.
  • Erst die ständige Optimierung der Verfahren zur Herstellung von MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) führten zur Möglichkeit einer wirtschaftlichen, großtechnischen Herstellung akustischer Sensoren, speziell von Mikrophonen. Im Gegensatz zu üblichen ECMs (Electret Condenser Microphone), bei welchen die Ladung von Werk aus aufgebracht wird, ist das Siliziummikrophon eine vielversprechende Alternative. Mikrophone wandeln Schall in ein elektrisches oder optisches Signal. Ganz allgemein besteht ein Mikrophon aus einer Membran, die durch den Schall ausgelenkt wird. Diese Auslenkung kann unter anderem durch eine kapazitive Messung in ein elektrisches Signal gewandelt werden.
  • Siliziummikrophone sind unter anderem aus der Veröffentlichung von M. Brauer "Silicon microphone based on surface ans bulk micromachining", J. Micromech. Microeng. 11 (2001), S.319 – 322 bekannt. Neben der kleineren Bauform gegenüber herkömmlichen ECMs ist es möglich, sowohl den Sensor als auch den zugehörigen IC auf dem gleichen Chip zu fertigen. Ein weiterer Vorteil gegenüber den bauartbedingt größeren ECMs ist die Möglichkeit, das Mikrophon als SMD (Surface Mounted Device)-Bauelement auszuführen, und dieses mit Standard-Montage-Techniken auf einer Leiterplatte auch PCB (Printed Circuit Board) anzuordnen. Neben seiner Schutzfunktion und der mechanischen und elektrischen Kontaktierung werden an das Gehäuse eines Siliziummikrophons zwei weitere wesentliche Anforderungen gestellt, es muss auf der einen Seite so klein sein, dass es z. B. als SMD-Bauteil auf eine Leiterplatte mit hoher Packungsdichte aufgebracht werden kann, auf der anderen Seite muss es aber so groß sein, dass das Rückvolumen des Sensors groß genug ist, um die Bewegung der Mikrophonmembran nur gering zu dämpfen um damit eine hohe Empfindlichkeit des Bauteils gewährleisten zu können.
  • In dem US-Patent 5,740,261 wird ein Mikrophon beschrieben, dessen Gehäusevolumen als Rückvolumen genutzt wird, jedoch ist dieses Mikrophon bauartbedingt größer als ein SMD-Bauteil.
  • Mikrophone mit einem kleinen Rückvolumen wie z.B. in WIRE-LESSDesign&Development, 2002, 4, 5.30-31 beschrieben, erlauben zwar die Montage als SMD-Bauteil, jedoch ist die Empfindlichkeit dieser Mikrophone kleiner als bei Mikrophonen mit einem Rückvolumen größer als ca. 3 mm2.
  • Das im Journal of Micromechanics and Microengineering, 2001, 11, S.1-4 beschriebene Mikrophon ist durch ein SMD Gehäuse geschützt und nutzt ebenfalls das Rückvolumen des Gehäuses. Durch den Schalleinlass zwischen Mirophongehäuse und Leiterplatte wird zum einen die Empfindlichkeit des Mikrophons beeinträchtigt, zum anderen ist eine besondere Gehäuseform oder Aussparung in der Leiterplatte nötig um den Schall zur Mikrophonmembran zu leiten.
    •
  • Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Sensormodul, aus mindestens einem Sensorelement, vorzugsweise einem Mikrophon, und einer Leiterplatte anzugeben, bei dem das Senscrelement wirtschaftlich mit Standard-Montage-Techniken auf einer Leiterplatte angebracht werden kann und trotzdem die Empfindlichkeit eines Mikrophons mit großem Rückvolumen aufweist. Weiter ist es Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Sensormoduls anzugeben.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch ein Sensormodul aus mindestens einem Sensorelement mit einer aktiven Fläche und einer Leiterplatte, wobei die aktive Fläche des Sensorelements über einer Öffnung der Leiterplatte angeordnet ist und durch ein Verfahren zur Herstellung eines Sensormoduls aus mindestens einem Sensorelement mit einer aktiven Fläche und einer Leiterplatte mit folgenden Verfahrenschritten:
    • – Aufbringen des Lotes auf einer Leiterplatte 29 mit einer durchgängigen Öffnung 210
    • – Aufsetzen des Sensorelementes auf die Lotstellen, wobei die aktive Fläche des Sensorelementes über der Öffnung 210 liegt
    • – Verbinden und elektrisches Kontaktieren von Leiterplatte und Sensorelement durch Einbringen von Wärme. Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
  • Zur Realisierung einer kleinen Bauform, wie z.B. als SMD Bauelement, wird das Gehäusevolumen des Mikrophons als Rückvolumen genutzt und der Mikrophonchip, hergestellt z.B. nach mikromechanischen Verfahren aus Silizium, direkt auf die Schalleintrittsöffnung des Chipgehäuses gesetzt. Auch die Vorrichtungen zur Kontaktierung des Mikrophons auf einer Leiterplatte werden auf die Seite der Schalleintrittsöffnung gelegt. Durch diese Bauart kann das gesamte Volumen des Mikrophongehäuses als Rückvolumen des Mikrophonchips genutzt werden. Um den Schall nach der Montage des Mikrophones auf einer Leiterplatte ungehindert und ohne Resonanzeffekte zu dem Mikrophonchip leiten zu können, wird das Mikrophon mit der Schalleintrittsöffnung über einem Loch in der Leiterplatte kontaktiert. Die Leiterplattenoberseite mit ihren Kontaktflächen und die aktive Fläche des Mikrophones sind daher zueinander hin gerichtet. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Sensormoduls ist, dass die Kontaktelemente zur elektrischen Kontaktierung des Mikrophonchips nicht um das gesamte Chipgehäuse gelegt werden müssen.
  • In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist es vorgesehen, das Mikrophon mittels Dichtmitteln so auf der Leiterplatte akustisch zu isolieren, so dass im wesentlichen nur eine Detektion aus einer Richtung senkrecht zu der aktiven Fläche des Sensors möglich ist. Diese akustische Isolation soll sowohl die Einflüsse von Umgebungsgeräuschen reduzieren als auch das Stören anderer auf der Leiterplatte angebrachter Bauelemente, wie z.B. dem Lautsprecher eines Mobiltelefons verhindern. Als Dichtmittel kommen sowohl Kleber als auch lötfähige Materialien, wie z.B. Metalllegierungen wie Sn-Ag, Sn-Ag-Cu, Sn-Ag-Cu-Bi, Sn-Bi, Sn-Cu, Sn-Zn, Pb-Sn, Pb-Sn-Ag. in Frage. Die lötfähigen Materialien können z.B. als Lotpaste mittels Siebdruck, als Schicht mittels Fototechnik oder mittels Abscheideverfahren auf das Trägermaterial aufgebracht werden.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird nicht das gesamte Mikrophon, sondern nur der Mikrophonchip über der Schalleintrittsöffnung des Chipgehäuses akustisch isoliert, so dass im wesentlichen nur eine Detektion aus einer Richtung senkrecht zu der aktiven Fläche des Sensors möglich ist . Hierzu werden die Dichtmittel um die Schalleintrittsöffnung herum zwischen Mikrophongehäuse und Leiterplatte verlegt. Diese Maßnahme erreicht gegenüber der Isolierung des gesamten Mikrophons, bei geringerem Materialaufwand für die Dichtmittel die gleiche Wirkung.
  • Zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Sensormoduls wird das Mikrophon, bei dem elektrische Kontakte und aktive Fläche in die gleiche Richtung zeigen, so auf einer Leiterplatte angebracht, dass die aktive Fläche des Mikrophones über einer Öffnung der Leiterplatte liegt und der Schall vorzugsweise durch die Öffnung in der Leiterplatte hindurch detektiert wird. Hierzu wird der Mikrophonchip 1 und gegebenenfalls auch weitere Chips, wie z.B. ein Ansteuer-IC 44, auf einem Trägermaterial 25, beispielsweise einem glasfaserverstärkten Epoxidharz, mit Durchkontaktierungen und Schalleintrittsöffnung 213 schalldicht befestigt. Mittels Drahtbonding-Verfahren werden die Chips elektrisch kontaktiert. Der Bonddraht beginnt an einem Bondpad auf dem Chip und endet auf einem Gegenkontakt auf dem Trägermaterial 25. Im weiteren Verfahren wird der Gehäusedeckel auf das Trägermaterial 25 aufgeklebt. Das komplett gefertigte Mikrophon wird dann, z.B. mittels einem Reflow-Lötprozess, auf die Leiterplatte gelötet. Hierzu wird Lot beispielsweise mittels einem Siebdruckverfahren, einem Dispenser, im Tauchbad oder elektrochemisch aufgebracht und durch Einbringen von Wärme, beispielsweise durch Aufdrücken eines warmen Stempels, durch Anregung per Laser oder Kondensationslöten simultan oder teilsimultan mit den Kontakstellen auf der Leiterplatte 29 verlötet.
  • In einem vorteilhaften Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Sensormoduls wird das Mikrophon nach Montage auf der Leiterplatte 29 mittels Dichtmitteln akustisch isoliert. Ein aus der Flip-Chip-Verbindungstechnik bekannter Underfiller, ein Material, das die Eigenschaft hat besonders gut zu verlaufen, um auch evtl. Hohlräume zu verschliessen, könnte beispielsweise als solches Dichtmittel genutzt werden.
  • In einem besonders vorteilhaften Verfahren, wird das Mikrophon in einem Arbeitsschritt mittels geeigneter Löttechnik und Materialien, z.B. Metalllegierungen wie Sn-Ag, Sn-Ag-Cu, Sn-Ag-Cu-Bi, Sn-Bi, Sn-Cu, Sn-Zn, Pb-Sn, Pb-Sn-Ag, gleichzeitig auf der Leiterplatte akustisch isoliert und elektrisch kontaktiert. Geeignete Löttechniken sind beispielsweise das Auftragen von Lotpaste mittels Siebdruck, das Auftragen als Schicht mittels Fototechnik oder das Auftragen mittels Abscheideverfahren.
  • Es zeigen
    •
  • 1 schematischer Schnitt durch einen Mikrophonchip,
  • 2 Beispiel einer Leiterplatte, bestückt mit einem akustisch isolierten Mikrophon,
  • 3 Beispiel einer Leiterplatte, bestückt mit einem Mikrophon mit akustisch isolierter Schalleintrittsöffnung,
  • 4 Beispiel einer Leiterplatte, bestückt mit einem Mikrophon mit zwei Schalleintrittsöffnungen und im Gehäuse integriertem Ansteuer-IC.
  • 1 zeigt einen Mikrophonchip 1, wie er üblicherweise nach mikromechanischen Verfahren, vorzugsweise aus Silizium, hergestellt wird. Der Mikrophonchip 1 nach 1 arbeitet kapazitiv nach dem Prinzip eines Kondensators. Die Membran 11 und die perforierte Gegenelektrode 14 bilden hierbei die durch einen Luftspalt 12 und ein Dielektrikum 13 elektrisch isolierten Kondensatorplatten. Die perforierte Gegenelektrode 14 ist in dem Substrat, vorzugsweise Silizium, integriert. Auf die Membran 11 auftreffende Schallwellen veranlassen die Membran 11 zu Schwingungen, die eine Änderung des Abstandes von Membran 11 und perforierter Gegenelektrode 14 verursachen. Diese Änderungen des Abstandes der beiden Kondensatorplatten lassen sich kapazitiv messen und in elektrische Signale umwandeln. Um keinen schwingungsdämpfenden Gegendruck durch das abgeschlossene Volumen, gebildet durch den Luftspalt 12, zu erzeugen, ist es vorteilhaft die Gegenelektrode 14 perforiert auszubilden. Neben der Signalverstärkung und der Auswertung der elektrischen Signale hängt die Empfindlichkeit eines solchen Mikrophons im wesentlichen von der freien und ungedämpften Beweglichkeit der Membran 11 ab.
  • 2 zeigt eine mit einem kompletten Mikrophon 2 bestückte Leiterplatte 29. Das Mikrophon 2 ist mit seiner Schalleintrittsöffnung 213 auf dem Trägermaterial 25 der Gehäuseunterseite über einer Öffnung 210 in der Leiterplatte angeordnet. Zur akustischen Isolation gegen störende Einflüsse, z.B: an derer Bauelemente auf der Leiterplatte, ist das gesamte Mikrophon 2 von einem Dichtmittel 212 umgeben. Der Mikrophonchip 1 ist innerhalb des Gehäusedeckels 21 mit einem Kleber 211 auf dem Trägermaterial 25 befestigt und über Bonddrähte 22 und einen leitfähigen Kleber 23 mittels Kontaktverbindungen 26 und der zweiten Metallschicht 27 mit der Leiterplatte 29 elektrisch leitend verbunden. Der Schall wird bei dieser Anordnung über das Loch 210 in der Leiterplatte 29 an das Mikrophon 2 angekoppelt. Dies ist z. B. bei kleinen und flachen Mobiltelefonen von Vorteil, wenn die bestückte Leiterplattenseite auf der dem Sprecher abgewandten Seite liegt. Damit der Schall nicht auf die bestückte Seite der Leiterplatte koppelt, wird das flache, vorzugsweise in einem SMD-Gehäuse untergebrachten, Mikrophon 2 mittels einer Dichtmasse 212 akustisch isoliert. Gleichzeitig wird in der in 2 beschriebenen Anordnung das Rückvolumen 213 des Gehäuses als Rückvolumen für den Mikrophonchip 1 genutzt und gewährleistet daher eine ausreichende Beweglichkeit der Membran 11.
  • Das Sensormodul nach 3 ist mit den gleichen Bezugszeichen des Sensormoduls nach 2 bezeichnet, soweit es sich um gleiche oder funktionsgleiche Teile handelt. Im Unterschied zu dem Sensormodul nach 2 ist das Mikrophon 1 in 3 nicht als Ganzes mittels eines Dichtmittels von der Leiterplatte 29 akustisch isoliert, sondern lediglich ein Dichtmittelring um die Schalleintrittsöffnung sorgt für die akustische Isolation des Mikrophonchips 1. In dieser besonders vorteilhaften Ausführungsform nach 3 wird zum einen weniger Dichtmaterial benötigt um den Mikrophonchip akustisch zu isolieren, zum anderen kann die Dichtung, z.B. mittels eines Lötrings, in einem Schritt mit der elektrischen Kontaktierung hergestellt werden.
  • 4 zeigt eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung. Hier wird eine Leiterplatte 29 mit einem Mikrophon 41 mit integriertem Ansteuer-IC 44 bestückt. In dem Gehäuse 21 sind sowohl der Mikrophonchip 1 wie auch der Ansteuer-IC 44 integriert. Auch in 4 wird das Mikrophon 41 über einen Dichtring um die Schalleintrittsöffnung 213 von der Umgebung akustisch isoliert. Im Gegensatz zu den Sensormodulen, wie sie in 2 und 3 gezeigt sind, hat das Mikrophon in 4 zwei um 180° versetzt angeordnete Schalleintrittsöffnungen 213, 42. Je nach Anforderung kann die Charakteristik des Mikrophons durch Dämpfungselemente 43 vor den Schalleintrittsöffnungen 213, 42 angepasst werden.
  • Es ist selbstverständlich, dass die Anordnung eines Sensors auf einer Öffnung in einer Leiterplatte nicht nur für akustische Sensoren, wie Mikrophone vorteilhaft ist. Auch für andere Arten von Sensoren, wie z.B. Drucksensoren, optische Sensoren oder Gassensoren bietet die vorgeschlagene Art der Montage eines Sensors auf einer Leiterplatte eine Vielzahl an Einsatzmöglichkeiten und Vorteilen.
    • 1
    Mikrophonchip
    11
    Membran
    12
    Luftspalt
    13
    Dielektrikum
    14
    perforierte Gegenelektrode
    15
    Substrat
    2
    Mikrophon
    21
    Gehäusedeckel
    22
    Bonddraht
    23
    Leitkleber
    24
    erste Metallisierungsebene
    25
    Trägermaterial
    26
    Kontaktverbindung
    27
    zweite Metallisierungsebene
    28
    Lot
    29
    Leiterplatte
    210
    Öffnung in der Leiterplatte
    211
    Kleber
    212
    Dichtmittel
    213
    Schalleintrittsöffnung des Gehäuses
    41
    Mikrophon mit zwei Schalleintritts
    öffnungen und integriertem Ansteuer-IC
    42
    Schalleintrittsöffnung
    43
    Dämpfungselement
    44
    Ansteuer-IC

Claims (13)

  1. Sensormodul aus mindestens einem Sensorelement mit einer aktiven Fläche und einer Leiterplatte (29), dadurch gekennzeichnet, dass die aktive Fläche des Sensorelements über einer Öffnung (210) einer Leiterplatte (29) angeordnet ist.
  2. Sensormodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement ein Mikrophon (2) ist.
  3. Sensormodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement ein optischer Sensor ist.
  4. Sensormodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement ein Gassensor ist.
  5. Sensormodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement ein Drucksensor ist.
  6. Sensormodul nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensormodul Dichtmittel (212) enthält, die das Mikrophon (2) in der Form akustisch isolieren, so dass im wesentlichen nur eine Detektion aus einer Richtung senkrecht zu der aktiven Fläche des Sensors möglich ist.
  7. Sensormodul nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensormodul Dichtmittel (212) enthält, die den optischen Sensor in der Form abschirmen, so dass im wesentlichen nur eine Detektion aus einer Richtung senkrecht zu der aktiven Fläche des Sensors möglich ist.
  8. Sensormodul nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensormodul Dichtmittel (212) enthält, die den Gassensor in der Form abdichten, so dass im wesentlichen nur eine Detektion aus einer Richtung senkrecht zu der aktiven Fläche des Sensors möglich ist.
  9. Sensormodul nach einem der Ansprüche 6 bis 8 dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtmittel (212) eine Metalllegierung ist.
  10. Sensormodul nach einem der Ansprüche 6 bis 8 dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtmittel (212) ein Klebstoff ist.
  11. Verfahren zur Herstellung eines Sensormoduls aus mindestens einem Sensorelement mit einer aktiven Fläche und einer Leiterplatte (29) gekennzeichnet durch folgende Verfahrenschritte: – Aufbringen des Lotes auf einer Leiterplatte 29 mit einer durchgängigen Öffnung 210 – Aufsetzen des Sensorelementes auf die Lotstellen, wobei die aktive Fläche des Sensorelementes über der Öffnung 210 liegt – Verbinden und elektrisches Kontaktieren von Leiterplatte (29) und Sensorelement durch Einbringen von Wärme.
  12. Verfahren zur Herstellung eines Sensormoduls nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass Dichtmittel (212) aufgebracht werden die das Sensorelement in der Form akustisch isolieren, so dass im wesentlichen nur eine Detektion aus einer Richtung senkrecht zu der aktiven Fläche des Sensors möglich ist.
  13. Verfahren zur Herstellung eines Sensormoduls nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass beim Verbinden und elektrischen Kontaktieren von Leiterplatte (29) und Sensorelement das Sensorelement gleichzeitig akustisch isoliert wird.
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