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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Packages für MEMS-Transducer und insbesondere auf MEMS-Packages mit reduzierter Grundfläche.
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Hintergrund
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Es ist im Stand der Technik bekannt, Packages zu bauen, die MEMS(mikroelektromechanisches System)-Mikrofone enthalten. Ein typisches Package weist den MEMS-Transducer-Chip zusammen mit einem CMOS(complimentary metal Oxide semiconductor)-Chip zur Verstärkung des von dem MEMS-Transducer-Chip erzeugten Signals auf. Diese Chips werden nebeneinander auf ein Substrat in einem Package angeordnet und miteinander und mit dem Substrat drahtgebondet. Ein Beispiel für diese Art von Konfiguration findet sich in den
US-Patenten Nr. 6,781,231 und
7,242,089 , deren Offenbarungen hier unter Bezugnahme aufgenommen sind (einschließlich der Materialien, die zum Aufbau solcher Arten von Packages, MEMS-Chips und CMOS-Chips verwendet werden; der Bereich erstreckt sich auf alle Teile/Komponenten, mechanische und/oder elektrische Verbindungsverfahren und alle darauf bezogenen Herstellungseinzelheiten).
1 zeigt ebenfalls ein Beispiel für diese Konfiguration. Ein Package
101 weist ein Substrat
102 und eine Abdeckung
103 auf. Das Package
101 hat einen MEMS-Transducer-Chip
104 und einen CMOS-Chip
106, die am Substrat
102 befestigt sind. Wegen der Lage einer akustischen Öffnung
108 oberhalb des Transducers
104 teilt eine Membran
105 des Transducers
104 das Package
101 in ein hinteres Volumen
107 und ein vorderes Volumen
109 (nahe der akustischen Öffnung
108). Es ist erwünscht, die Grundfläche von Packages wie den oben beschriebenen zu reduzieren, damit sie besser in eine Vielzahl elektronischer Verbrauchergeräte, beispielsweise Mobiltelefone, Musikabspielgeräte, Computergeräte, etc. passen.
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Zu diesem Zweck wurde versucht, die Chips eines gegebenen Packages zu stapeln, um die Grundfläche des Packages zu reduzieren. Siehe zum Beispiel das Package 201 von 2. Bei dieser Konfiguration ist ein CMOS-Chip 206 wenigstens teilweise unter einem MEMS-Chip 204 angeordnet, um die Grundfläche des Packages zu reduzieren. Der größte Nachteil bei der Anordnung des CMOS-Chips 206 unter dem MEMS-Chip 204 ist, dass dann entweder die Höhe des Packages vergrößert wird, oder, wenn der MEMS-Chip dünner gemacht wird, das hintere Volumen 207 des Packages verringert wird, wodurch die Mikrofonempfindlichkeit und das Signal-Rausch-Verhältnis negativ beeinflusst werden. Es ist wenigstens eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, sich mit diesem Nachteil zu befassen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Für ein besseres Verständnis der Offenbarung sollte auf die folgende detaillierte Beschreibung und die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen werden, in denen:
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1 eine Querschnittsansicht eines Packages des Stands der Technik mit separaten CMOS- und MEMS-Chips ist, die nebeneinander angeordnet sind;
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2 eine Querschnittsansicht eines Packages des Stands der Technik mit separaten CMOS- und MEMS-Chips in Stapelkonfiguration ist;
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3 eine Querschnittsansicht eines Packages mit einem CMOS-Chip, der unter einem MEMS-Chip angeordnet ist, in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
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4 eine Querschnittsansicht einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, bei der ein Package einen CMOS-Chip hat, der sich unter einem MEMS-Chip befindet, wobei der CMOS-Chip als Flip-Chip angebracht ist und der MEMS-Chip drahtgebondet ist, und wobei die akustische Öffnung sich in einem Substrat befindet;
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5 eine Querschnittsansicht einer weiteren Ausführungsform eines Packages der vorliegenden Erfindung ist, bei der ein Package einen CMOS-Chip hat, der sich unter einem MEMS-Chip befindet, und wobei die akustische Öffnung sich in einem Substrat unter dem MEMS-Chip befindet;
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6 eine Querschnittsansicht einer weiteren Ausführungsform eines Packages der vorliegenden Erfindung ist, bei der ein Package einen CMOS-Chip hat, der sich unter einem MEMS-Chip befindet, wobei die akustische Öffnung sich in einem Substrat, jedoch von dem CMOS-Chip versetzt, befindet;
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7 eine perspektivische Ansicht von unten auf einen MEMS-Chip in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, wobei der MEMS-Chip einen Teilschnitt durch die Seitenwände einer hinteren Kammer aufweist;
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8 eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, bei der ein CMOS-Chip teilweise unter einem MEMS-Chip eingebettet ist, mit einem Teilschnitt durch die Seitenwände der hinteren Kammer;
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9 eine Querschnittsansicht eines Packages in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, bei der ein CMOS-Chip teilweise unter einem MEMS-Chip eingebettet ist, mit einem Teilschnitt durch die Seitenwände der hinteren Kammer, und wobei Kanäle mit dem MEMS-Chip assoziiert sind.
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Detaillierte Beschreibung der Erfindung
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Während die Erfindung der vorliegenden Offenbarung für verschiedene Modifikationen und alternative Formen zugänglich ist, sind in den Zeichnungen bestimmte Ausführungsformen beispielhaft gezeigt, und diese Ausführungsformen werden hier im Einzelnen beschrieben. Es ist jedoch selbstverständlich, dass die vorliegende Offenbarung die Erfindung nicht auf die besonderen beschriebenen Formen einschränken soll. Im Gegenteil soll die Erfindung alle Modifikationen, Alternativen und Äquivalente mit umfassen, die in den Geist und Umfang der Erfindung fallen, die von den beigefügten Ansprüchen definiert wird. Außerdem ist es selbstverständlich, dass gleiche Bezugszeichen sich auf gleiche Teile beziehen.
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Wie oben erwähnt, teilt die Membran eines MEMS-Mikrofons das Package effektiv in zwei akustische Volumen, die vorderes Volumen und hinteres Volumen genannt werden. Das vordere Volumen ist der Teil des Packages, der nahe der akustischen Öffnung liegt, während das hintere Volumen der Teil des Packages ist, der sich auf der Seite der Membran gegenüber der Position der akustischen Öffnung befindet. Die Größe des hinteren Volumens ist ein akustischer Schlüsselparameter und trägt zur Mikrofonempfindlichkeit und zum Signal-Rausch-Verhältnis bei. Die Maximierung des hinteren Volumens kann zur Maximierung der akustischen Leistung des Mikrofons führen.
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Bei einer Ausführungsform wird ein Package bereitgestellt. Das Package hat ein Substrat und eine Abdeckung. Ein MEMS-Chip befindet sich auf dem Substrat. Ein CMOS-Chip befindet sich unter dem MEMS-Chip. Der CMOS-Chip hat ein Volumen. Eine akustische Öffnung befindet sich in dem Package, wobei das Package ein hinteres Volumen hat, das sich zwischen dem MEMS-Chip und dem Substrat befindet. Es existiert ein effektives hinteres Volumen, das gleich dem hinteren Volumen minus des Volumens des CMOS-Chips ist.
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Bei einer Ausführungsform befindet sich die akustische Öffnung in der Abdeckung.
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Bei einer Ausführungsform befindet sich die akustische Öffnung in dem Substrat.
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Bei einer Ausführungsform hat das Package einen Kanal, der in dem MEMS-Chip erzeugt wird, wobei der CMOS-Chip teilweise unter dem MEMS-Chip eingebettet ist.
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Bei einer anderen Ausführungsform wird ein Package bereitgestellt. Das Package hat ein Substrat und eine Abdeckung. Ein MEMS-Chip befindet sich auf dem Substrat. Ein CMOS-Chip befindet sich unter dem MEMS-Chip. Der CMOS-Chip hat ein Volumen. Eine akustische Öffnung ist in dem Package vorgesehen, wobei das Package ein vorderes Volumen hat, das sich zwischen dem MEMS-Chip und dem Substrat befindet. Es existiert ein effektives vorderes Volumen, das gleich dem vorderen Volumen minus des Volumens des CMOS-Chips ist.
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Bei einer Ausführungsform befindet sich die akustische Öffnung in dem Substrat.
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Bei einer Ausführungsform befindet sich die akustische Öffnung nahe dem CMOS-Chip.
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Bei einer anderen Ausführungsform wird ein Package bereitgestellt. Das Package hat ein Substrat und eine Abdeckung. Ein MEMS-Chip wird bereitgestellt, der Seitenwände hat und eine Membran, die mit den Seitenwänden verbunden ist. Ein CMOS-Chip befindet sich auf dem Substrat unter dem MEMS-Chips und ist von den Seitenwänden des MEMS-Chips umgeben.
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Bei einer Ausführungsform hat das Package eine akustische Öffnung in der Abdeckung.
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Bei einer Ausführungsform hat das Package eine akustische Öffnung im Substrat.
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Bei einer anderen Ausführungsform wird ein Package bereitgestellt. Das Package hat ein Substrat und eine Abdeckung. Ein MEMS-Chip mit Seitenwänden und einer Membran, die mit den Seitenwänden verbunden ist, wird bereitgestellt. Ein CMOS-Chip befindet sich auf dem Substrat, teilweise unter dem MEMS-Chip und durch einen Kanal in einer Seitenwand des MEMS-Chips hindurch.
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Bei einer Ausführungsform hat das Package ein Dichtmittel, das einen Teil des CMOS-Chips, der sich außerhalb des MEMS-Chips befindet, umschließt.
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Bei einer Ausführungsform hat das Package eine akustische Öffnung im Substrat.
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Bei einer Ausführungsform hat das Package eine akustische Öffnung in der Abdeckung.
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Bei einer anderen Ausführungsform wird ein Package bereitgestellt. Das Package hat ein Substrat und eine Abdeckung. Ein MEMS-Chip mit einer Membran wird bereitgestellt. Ein CMOS-Chip wird bereitgestellt, wobei sich wenigstens ein Teil des CMOS-Chips zwischen der Membran und dem Substrat befindet.
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Bei einer Ausführungsform ist der CMOS-Chip in Seitenwänden des MEMS-Chips enthalten.
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Bei einer Ausführungsform erstreckt sich der CMOS-Chip durch einen Kanal im MEMS-Chip.
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Bei einer Ausführungsform hat das Package ein Dichtmittel, das einen Teil des CMOS-Chips umgibt, der sich außerhalb des MEMS-Chips erstreckt.
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Bei einer Ausführungsform hat das Package eine akustische Öffnung im Substrat.
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Bei einer Ausführungsform hat das Package eine akustische Öffnung in der Abdeckung.
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Die vorliegende Erfindung versucht, den Lehren entgegenzutreten, die gegen das Anordnen des CMOS-Chips unter dem MEMS-Chip und dadurch das Reduzieren des Volumens unter dem MEMS-Chip sind. Bei einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die in 3 gezeigt ist, weist ein Package 301 einen CMOS-Chip 306 unter einem MEMS-Transducer-Chip 304 auf. Eine akustische Öffnung 308 befindet sich über dem MEMS-Chip 304. Daher hat das Package 301 ein vorderes Volumen 309 und ein hinteres Volumen 307 auf einer Seite einer Membran 305 gegenüber der akustischen Öffnung 308. Um die Grundfläche des Packages 301 zu reduzieren, ist es möglich, die Maße des MEMS-Chips 304 zu vergrößern, um für das Anordnen des CMOS-Chips 306 unter dem MEMS-Chip 304 und in der hinteren Kammer oder dem hinteren Volumen 307 des MEMS-Chips 304 Platz zu bieten. Das vergrößerte Volumen 307 der hinteren Kammer abzüglich des Volumens des CMOS-Chips 306 führt zu einem hinteren Gesamtvolumen, das das hintere Volumen der herkömmlichen Implementierung, die im Stand der Technik bekannt ist, d. h. desjenigen von 1, übersteigt. Das Vergrößern der Maße des MEMS-Chips 304 kann die Gesamtherstellungskosten des MEMS-Chips 304 erhöhen. Die höheren Kosten werden jedoch durch die verringerte Gesamtgröße und/oder Kosten des Packages ausgeglichen. Somit wird ein Package mit reduzierter Grundfläche mit gleicher oder verbesserter akustischer Leistung erhalten, während gezeigt wird, dass die Kosten denen eines im Stand der Technik bekannten herkömmlichen Packages gleich sind.
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Es folgt eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der das Package 301 zum Beispiel so konfiguriert ist, dass es eine akustische Leistung ähnlich dem Package 101 liefert. Es wird angenommen, dass der MEMS-Chip 104 in 1 Maße von 1,1 mm × 1,1 mm × 0,4 mm hat, mit einer hinteren Kammer mit Maßen von 0,74 mm × 0,74 mm × 0,4 mm, wobei das Volumen der hinteren Kammer (auch als Volumen unter der Membran 305 zu sehen) 0,22 mm3 beträgt. Der CMOS-Chip 106 hat Maße von 0,5 mm × 0,5 mm × 0,2 mm für ein Volumen von 0,05 mm3. Um bei der Ausführungsform von 3 denselben Leistungspegel zu erhalten wie in 1, müssen die Maße des MEMS-Chips 304 auf 1,2 mm × 1, 2 mm × 0,4 mm erhöht werden, um eine hintere Kammer bereitzustellen, die Maße von 0,84 mm × 0,84 mm × 0,4 mm hat. Dies führt zum einem Volumen der hinteren Kammer von 0,28 mm3. Wenn der CMOS-Chip 306 unter und in der hinteren Kammer des MEMS-Chips 304 angeordnet ist, wird das effektive hintere Volumen (oder Volumen der hinteren Kammer minus Volumen des CMOS-Chips 306) 0,23 mm3, was geringfügig größer ist, als das des hinteren Volumens 107 des Packages 101 von 1. Somit kann durch Einbetten des CMOS-Chips unter dem größer dimensionierten MEMS-Chip eine geringfügig bessere Leistung erzielt werden. Der größere MEMS-Chip kann zum Beispiel um 20% teurer herzustellen sein. Die Paketgröße (und damit die Kosten) des Packages kann jedoch reduziert werden, um die höheren Kosten des MEMS auszugleichen.
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Unter Bezug auf 4 ist eine Ausführungsform gezeigt, bei der ein Package 401 (das ein Substrat 402 und eine Abdeckung 403 hat) einen MEMS-Chip 404 und einen CMOS-Chip 406 aufweist, der sich unter dem MEMS-Chip 404 befindet. Der gesamte CMOS-Chip 406 ist zwischen Seitenwänden 414 des MEMS-Chips 404 angeordnet. Der CMOS-Chip 406 ist als Flip-Chip-gebondet gezeigt, während der MEMS-Chip 404 drahtgebondet ist. Es ist jedoch selbstverständlich, dass jede Art von Verbindung, die dem Fachmann bekannt ist, möglich ist. Der MEMS-Chip 404 kann solche Maße haben, dass das gesamte oder effektive hintere Volumen 407 des Packages 401 (d. h. das Volumen unter der Membran minus des Volumens des CMOS-Chips 406) ausreicht, um die von herkömmlichen Transducer-Packages gezeigte akustische Leistung zu liefern. Bei dieser Ausführungsform ist eine akustische Öffnung 408 im Substrat 402 vorgesehen und befindet sich nahe dem MEMS-Chip 404.
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5 zeigt ein Package 501 bei einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Ein CMOS-Chip 506 befindet sich unter einem MEMS-Transducer-Chip 504. Eine akustische Öffnung 508 befindet sich unter dem CMOS-Chip 506 im Substrat 502. Da sich die akustische Öffnung 508 unter dem MEMS-Chip 504 befindet, ist das hintere Volumen 507 als der Teil des Packages 501 definiert, der sich zwischen der Abdeckung 503 und dem MEMS-Chip 504 befindet. Das vordere Volumen 509 ist der Abschnitt unter dem MEMS-Chip 504 abzüglich des Volumens des CMOS-Chips 506. In diesem Fall wird das hintere Volumen 507 vergrößert, indem sich der CMOS-Chip 506 im vorderen Volumen 509 befindet. Demgemäß kann das Package 501 Empfindlichkeits- und Signal-Rausch-Verhältnis-Eigenschaften zeigen, wie sie bei herkömmlichen Packages vorkommen, während eine kleinere Gesamtgrundfläche bereitgestellt wird.
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6 zeigt eine Ausführungsform, die der von 5 ähnlich ist. Bei dieser Ausführungsform befindet sich jedoch die akustische Öffnung 608 nahe dem CMOS-Chip 606, und nicht darunter. Jedoch befinden sich sowohl der CMOS-Chip 606 als auch die akustische Öffnung 608 unter dem MEMS-Chip 604. Bei dieser Ausführungsform ist das vordere Volumen 609 als Volumen zwischen der akustischen Öffnung 608 und der Membran 605 definiert. Es ist vorgesehen, dass bei dieser Ausführungsform der MEMS-Chip 604 Maße haben kann, zumindest in der Länge und/oder der Breite, die größer sind, als der vorstehend beschriebene MEMS-Chip 304, 404, 504. Es ist auch vorgesehen, dass bei einer Ausführungsform der MEMS-Chip 604 so dimensioniert ist, dass er die akustische Öffnung 608 teilweise überdeckt. Außerdem ist des Weiteren vorgesehen, dass bei einer Ausführungsform die akustische Öffnung 608 sich im Substrat 602 befindet, jedoch nur teilweise unter dem CMOS-Chip 606.
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Unter Bezug auf 7 ist ein MEMS-Chip 704 gezeigt, der durch Ätzen oder Schneiden eines Kanals 710 teilweise durch die Seitenwände 714 der hinteren Kammer 716 modifiziert worden ist. Das bevorzugte Verfahren zum Erhalten dieses Kanals 710 ist das teilweise Trennen mit einer Trennsäge. Andere Methoden sind jedoch, wie vom Fachmann vorgesehen, ebenfalls möglich. Der MEMS-Chip 704 dieser Ausführungsform kann bei den unten beschriebenen Packages 801 und 901 verwendet werden. Der Kanal 710 hat eine rechteckige Form. Andere Formen können jedoch für eine gegebene Anwendung nach Bedarf ebenfalls verwendet werden.
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8 zeigt eine isolierte Ansicht eines MEMS-Chips 804 mit einem Kanal 810, der ähnlich dem des MEMS-Chips 704 ist, wobei der Chip 804 an einem Substrat 802 angebracht ist. Ein (gestrichelt gezeigter) CMOS-Chip 806 ist ebenfalls am Substrat 802 angebracht und ist teilweise unter dem MEMS-Chip 806 eingebettet. Ein Teil des CMOS-Chips 806 steht durch den Kanal 810 im MEMS-Chip 804 vor. Der CMOS-Chip 806 kann mit einer Vielzahl bekannter Methoden mit dem Substrat 802 verbunden werden, einschließlich, jedoch nicht beschränkt auf Drahtbonden, Flip-Chip-Bonden und Silizium-Durchkontaktierungen. Ein Dichtungsmaterial 812, zum Beispiel Silikon, wird auf die Seiten des MEMS-Chips 804 aufgebracht, um die Kanäle 810 auf beiden Seiten des Chips abzudichten und den CMOS-Chip 806 zu bedecken. Dies isoliert das Volumen unter dem MEMS-Chip 804 von außen. 9 zeigt eine Ausführungsform eines Packages 901, das einen CMOS-Chip 906 aufweist, der teilweise unter einem MEMS-Chip 904 eingebettet ist, welcher einen Kanal 910 hat, um den CMOS-Chip 906 aufzunehmen, d. h. ähnlich der Ausführungsform von 8. Ein Dichtungsmaterial 912 wird auf jede Seite des MEMS-Chips 904 über dem Kanal 910 aufgebracht, um das hintere Volumen 907 vom vorderen Volumen 909 zu isolieren. Eine akustische Öffnung 908 durch die Abdeckung 903 komplettiert die Anordnung. Bei einer Ausführungsform kann sich eine akustische Öffnung (die in der Figur nicht gezeigt ist, aber auf der Basis vorstehend beschriebener Ausführungsformen vorstellbar ist) im Substrat 902 des Packages 901 befinden. Die Öffnung kann sich unterhalb oder neben dem MEMS-Chip 904 befinden. Diese Ausführungsformen können die gewünschten Empfindlichkeits- und Signal-Rausch-Verhältnis-Eigenschaften liefern, während sie doch eine reduzierte Gesamtgrundfläche für das Package 901 bereitstellen.
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Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wurden hier beschrieben, einschließlich der besten Art zum Durchführen der Erfindung, die den Erfindern bekannt ist. Es ist selbstverständlich, dass die gezeigten Ausführungsformen nur beispielhaft sind und nicht als den Umfang der Erfindung einschränkend verstanden werden sollen.
