EP3552403A1 - Mems-mikrofon mit oben angeordneter schallöffnung und verringerten mechanischen belastungen und verfahren zur herstellung - Google Patents

Mems-mikrofon mit oben angeordneter schallöffnung und verringerten mechanischen belastungen und verfahren zur herstellung

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EP3552403A1
EP3552403A1 EP17804880.7A EP17804880A EP3552403A1 EP 3552403 A1 EP3552403 A1 EP 3552403A1 EP 17804880 A EP17804880 A EP 17804880A EP 3552403 A1 EP3552403 A1 EP 3552403A1
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EP
European Patent Office
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mems
cap
mems microphone
carrier
component
Prior art date
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EP17804880.7A
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EP3552403B1 (de
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Florian Eder
Sven Pihale
Matthias Uebler
Wolfgang Pahl
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TDK Corp
Original Assignee
TDK Corp
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Publication date
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    • H04R1/00—Details of transducers, loudspeakers or microphones
    • H04R1/06—Arranging circuit leads; Relieving strain on circuit leads
    • H—ELECTRICITY
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    • H04R1/00—Details of transducers, loudspeakers or microphones
    • H04R1/02—Casings; Cabinets ; Supports therefor; Mountings therein
    • H04R1/04—Structural association of microphone with electric circuitry therefor

Definitions

  • MEMS micro-electro-mechanical system
  • the invention relates to MEMS microphones in which electrical connections are less exposed to mechanical stress.
  • MEMS (micro-electro-mechanical system) microphones have microstructured functional elements that can be formed in or on the surface of a chip.
  • the functional ⁇ elements can, for. B. include a flexible membrane and a rigid back plate.
  • One or more flexible membranes form one electrode of a capacitor.
  • One or more stiffer back plates form the counter electrode.
  • An evaluation circuit creates from the time variation of the capacitance an electrical signal that corresponds to the received ⁇ nen acoustic signal.
  • the acoustic signals to be received should strike the functional elements only from one side. In the direction of the acoustic signal propagation behind the functional elements should therefore lie a back volume, which is acoustically isolated from the environment of the microphone.
  • MEMS microphones generally include other elements, e.g. B. a carrier and a cover. Trä ⁇ ger, cover and MEMS chip must be mechanically connected be.
  • the MEMS chip must be - directly or indirectly - interconnected with external contacts of the microphone so that the microphone can be connected to an external circuit environment.
  • the electrical connection points, via which the MEMS chip is connected to its surroundings, are sensitive to mechanical stresses.
  • MEMS microphones may be designed as so-called bottom-port microphones, in which a sound inlet opening is arranged on the side which faces the object to which the microphone is attached.
  • Such bottom-port microphones have a poorer signal quality as a so- ⁇ called top-port microphones whose sound entry opening is not covered by the object as positioned at top-port microphones, the sound inlet opening on the side remote from the object side is.
  • the type of microphone top port or bottom port
  • top-port microphones require übli ⁇ chate a higher construction costs, especially in the acoustic seal between initial volume and rear volume.
  • MEMS microphones which provide a good signal quality, are to be made with as low as possible ringem design effort and increases their reliability to ⁇ by a reduced mechanical stress on electrical connections.
  • the MEMS microphone has a carrier, a cap on the carrier, and a MEMS chip.
  • the cap on the support encloses ei ⁇ NEN cavity.
  • the MEMS chip is arranged in the cavity.
  • the MEMS microphone further has a sound aperture in the carrier or in the cap, the arrangement in the cap being preferred.
  • the microphone has a back volume and a channel connecting the sound port to the MEMS chip.
  • the channel acoustically isolates the back volume from the sound port.
  • the channel - more precisely, its wall - includes a heterogeneous mate ⁇ rial.
  • the heterogeneous material is composed of at least two un ⁇ ter Kunststofflichen components. The two different components have different thermomechanical own ⁇ properties.
  • the cap completely closes the cavity ⁇ . It is also possible that the cap and the carrier enclose the cavity together. In this respect, the cap encloses the cavity at least partially.
  • That the channel the sound opening acoustically isolated from the back volume means that acoustic signals reaching the sound ⁇ opening, are prevented from the back volume directly, to achieve that is, without passage of the MEMS chips.
  • the channel - to be more precise: its sidewalls - represent a barrier to acoustic signals.
  • the MEMS chip is connected to its environment via electrical connections and interconnected.
  • the MEMS chip is connected to a sound opening in such a way that acoustic signals to be received are to strike the functional elements, but not directly the back volume.
  • the channel is formed and the heterogeneous material is ⁇ NEN two different components with different thermal properties is chosen so that by temperature changes induced mechanical stresses on the electrical interconnection of the chips are reduced.
  • the specified material of the channel allows a good acoustic seal between sound opening and back volume.
  • the acoustic seal between sound opening and back volume should not be done just by an elastic ⁇ cal or compressible element between the cap and MEMS chip is arranged under bias. This would exert a temperature-dependent ⁇ force to the MEMS chip.
  • the MEMS chip is connected via an electrically conductive connection with the carrier or the cap and is mechanically connected. Furthermore, the MEMS chip is arranged between the channel and the carrier.
  • the heterogeneous material of the channel comprises a first component as a matrix and a second component with elements embedded in the matrix.
  • the matrix material of the first component may have a first temperature-dependent viscosity and a first temperature-dependent density.
  • the elements of the second material may accordingly have different second temperature-dependent viscosities or stiffnesses and a second temperature-dependent density.
  • the encouragenver ⁇ ratio of these two components in the heterogeneous material determines the resulting thermo-mechanical properties, z.
  • thermo-mechanical properties of the first and second components include a different thermal expansion behavior .
  • the first component and the second component Comp ⁇ can differ in their thermal expansion behavior accordingly.
  • Temperature-induced changes may be changes along the vertical direction perpendicular to the surface of the carrier or horizontalHonitze ⁇ ments parallel to the top of the carrier. It is also possible that the temperature-dependent change in the volume of the various components is different.
  • the first component comprises a thermoplasti ⁇ ULTRASONIC material, an elastomer and / or a silicone gel.
  • the second component comprises balls.
  • the balls may be filled with a hydrocarbon before a heat treatment. In an expanded state, the balls may have a shell of polymer and be hollow inside.
  • the hydrocarbon in the polymer spheres may undergo a phase transition, e.g. B. have a boiling point, which is in a preferred temperature range.
  • the balls have a shell made of polymer whose stiffness is so low that changes in volume volume changes of the hydrocarbon to the environment of the polymer spheres, d. H. to the matrix material of the first component. It is also possible that the heterogeneous material has a non-linear thermal expansion behavior.
  • the second component may have a non-linear thermal expansion behavior.
  • the second component may have a non-reversible thermal expansion behavior.
  • the wall thickness is reduced to such an extent that hardly remains a restoring force ⁇ . The expansion can therefore conclude with a stable, new, permanent state.
  • the heterogeneous material as a whole can have a non-reversible thermal expansion behavior.
  • the heterogeneous material may be at a Temperaturiente ⁇ tion, especially at a temperature increase, behave as follows:
  • the matrix material of the first component has a certain viscosity, and is relatively easy to deform. With a temperature increase, the filling of the elements of the second component expands. In the case of polymer spheres as the second component, their volume increases relatively strongly.
  • the heterogeneous material, in which the elements are preferably distributed as evenly as possible in the matrix is inflated ⁇ .
  • a conversion of the material of the first component begins.
  • the viscosity of the matrix material decreases.
  • the heterogeneous mate ⁇ rial solidifies at increased volume. Should the temperature drop again, the heterogeneous material will essentially retain its volume and shape.
  • the use of such material solves a variety of intrinsic stress problems in manufacturing.
  • a temperature treatment may be necessary to connect the cap with the carrier, for. B. to glue.
  • a reflow process establishes the electrical and mechanical connection of the chip and its circuit environment.
  • the critical temperatures of the heterogeneous material eg. As the phase transition temperature and the solidification temperature, can be selected so that the mechanical stress on the electrical ⁇ rule interconnections is minimized despite significantly different temperatures.
  • a connecting material comprising silver, which connects the cap to the carrier, or an adhesive, which connects the cap to the carrier, a sufficiently strong connection between the cap and Carrier from a temperature ⁇ allows.
  • a material may be selected for the material of the first component that begins to stiffen above a further temperature T2, while the elements of the second component expand at a temperature T3.
  • the cap can be firmly connected to the carrier. Thereafter, the channel is formed by foaming of the hete ⁇ neous material between chip and cap or between the chip and carrier.
  • the heterogeneous material may, for this purpose, have been applied in a closed curve around the functional elements on the chip or around the sound opening on the carrier substrate or cap before putting the cap in a raw state prior to the volume expansion.
  • the matrix material preferably still has reactivity or stickiness when the inflatable front reaches the opposite surface. So a good seal is achieved.
  • the density and stiffness of the material of the acoustic channel are so low that mechanical tensile or compressive stress passed on to the electrical interconnection does not exceed critical values.
  • the first component comprises an elastomer or a silicone gel
  • its viscosity is initially preferably very low in order to ensure easy application, for B. by applying dispensing needles with an inner diameter between 0.09 mm and 0.11 mm to simplify. From a transition temperature located components may crosslink the first component, so that the viscosity then takes a sufficiently large value ⁇ when the heterogeneous material having the desired shape, into ⁇ particular the desired height, accepted and the acoustic see seal over a wide temperature range without critical stresses on the electrical interconnection he ⁇ is enough.
  • the carrier may be a printed circuit board material, e.g. As PCB, or a ceramic material.
  • the carrier may consist of one or more layers.
  • the carrier may include dielectric layers and metallization layers disposed therebetween. In the metallization layers signal conductors and / or circuit elements, for. B. inductive elements or capacitive elements may be formed. Contact surfaces on the upper side or on the underside of the carrier and structured metallizations in the interior of the carrier can be interconnected via through-contacts.
  • the cap may be made of a metal or at least comprise a metallic layer for shielding.
  • the sound opening in the cap is structured above the carrier and the channel is arranged between the upper segment of the cap and the MEMS chip, a top-port microphone is obtained with good acoustic properties, in which the mechanical load on the electrical Minimized interconnection and thereby reduces the probability of ei ⁇ nes defect during manufacture and the life is increased during operation.
  • the materials listed for forming the channel are essentially out without a solvent, so that a con tamination ⁇ is avoided.
  • the two components of the heterogeneous material can thus be coordinated, that begins a slight hardening of the first component during the Volu ⁇ menzutes which does not affect appreciably to the expansion of the second component.
  • the thus hardened acoustic sealant retains a certain elasticity (E> 100 MPa, preferably E ⁇ 10 MPa) and can absorb temperature fluctuations. Due to the low density, acoustic energy is absorbed and not transmitted.
  • the mechanical force exerted by the inflated heterogeneous mate rial on ⁇ cap and MEMS chip is extremely small and controllable, inter alia, on the degree of expansion.
  • the shear modulus of the heterogeneous material may be less than 1.5 MPa.
  • the rate of expansion of the heterogeneous material may be three or more, the rate of expansion being the ratio of the volumes in the inflated state and in the applied state.
  • heat-expanding elements for the second component are z. B. from the patent US 3,615,972 known. Suitable Ku ⁇ rules are for.
  • the microspheres sold under the brand name Expancel® It is possible that the matrix material has a thermal hardening mechanism that is activated above the temperature at which the second component is inflated.
  • a method for producing a corresponding MEMS microphone therefore involves applying the heterogeneous material annularly to the MEMS chip, the carrier and / or to the underside of the cap. Subsequently, z. B. after assembly of carrier, MEMS chip and cap, the material is inflated by heating to the final acoustic seal.
  • such forming of the channel occurs after the cap is fixedly connected to the carrier.
  • the bonding material between the cap and the carrier is solidified at a temperature which is below the temperature required for the swelling of the heterogeneous material.
  • a conductive adhesive is used as the bonding material between the cap and the carrier.
  • FIG. 1 shows a possible relative arrangement of cap, MEMS chip, carrier and channel, the material of the channel before the thermal Akti ⁇ vation, the effect of inflation of the elements of the second component, the orientation of the functional elements for sound ⁇ opening, a possible arrangement of an evaluation circuit,
  • Heat flow curves for different second components with different transition temperature a heat flow curve of a silver conductive adhesive.
  • Figure 1 shows a possible arrangement of the elements of a MEMS microphone MM, in which a cap KP is arranged on a support TR and forms a cavity together with the support TR.
  • a preferably large area of the cavity forms the back volume RV, which, viewed in the sound direction, is arranged behind the functional elements, here MEMS structures MS on the MEMS chip MC.
  • Acoustic signals can reach a sound opening SO micro ⁇ fon MM.
  • the MEMS structures MS include a stiff back plate and a fle ible ⁇ membrane. These two elements form the electrodes of a capacitor whose capacitance varies with the frequency of the received acoustic signals.
  • the sound inlet opening SO and the back volume RV are formed by an acoustic seal AI in the form of the channel K.
  • the channel K comprises the inflated heterogeneous material HM.
  • FIG. 1 shows the representation of a section through a microphone MM.
  • the channel K surrounds the sound opening SO along a closed curve. If the back volume RV were acoustically coupled to the sound opening SO, the microphone MM would be acoustically short-circuited and practically no signal would be present.
  • the back volume RV By means of a deflection of the membrane of the MEMS structures MS directed toward the return volume RV, the back volume RV is compressed and a restoring force on the membrane is increased.
  • a possible ⁇ lichst good signal quality is therefore a mög ⁇ lichst large rear volume RV beneficial.
  • the MEMS chip MC is connected to the carrier TR via bump connections BU and interconnected. Thermal expansion jeopardizes the integrity of the electrical wiring. With conventional top-port microphones, there is therefore always the danger that an acoustic seal will damage or completely destroy the electrical interconnection if the temperature changes.
  • Figure 2 shows an intermediate step during the manufacture of a corresponding microphone.
  • the heterogeneous material HM is still in its original state, ie before thermal activation.
  • the cap KP can be fixedly connected to the carrier TR, without exerting thermally induced voltages on the electrical interconnection ⁇ , since the cap KP is not yet connected to the MEMS chip.
  • FIG. 3 shows on the left an amount of the heterogeneous material HM before activation.
  • the state is after the thermal activation.
  • the volume increase is based essentially on the thermally induced increase in volume of the second component in the form of intumescent elements E, here represented by spheres KG.
  • the matrix material M essentially retains its volume.
  • the material of the matrix may be stiffened to the final state, ie the final shape to keep in Wesentli ⁇ chen independent of temperature.
  • FIG. 4 shows a possible embodiment in which the
  • MEMS structures MS do not face the carrier TR as shown in FIG. 1, but instead face the cap KP.
  • the volume within the MEMS chip also contributes to the back volume RV, as a result of which the back volume RV is increased.
  • a disadvantage of this design is that additional electrical leads from the top of the chip to the carrier are necessary.
  • plated-through holes DK can be structured in the chip.
  • Figure 4 also shows the possibility to make the microphone via ex ⁇ terne ports EA interconnected with an external circuit environment.
  • the external connections EA may include connection pads on the underside of the carrier and additional bump connections.
  • FIG. 5 also shows the possibility of providing an evaluation circuit AS in the form of an additional chip.
  • the evaluation circuit can be arranged on the carrier TR.
  • the chip and the evaluation circuit AS can be interconnected.
  • About analog vias chip and / or evaluation can also be connected to external contacts on the bottom of the carrier.
  • FIG. 6 shows heat flow curves of different second components. Heat flow curves provide information on exothermic or endothermic processes within a material and show the corresponding temperature dependence. In a possible version for the material of the second component, an endothermic process takes place at about 125 ° C (lower curve). The middle curve shows a process that takes place between 130 ° C and 150 ° C. The upper curve shows a transition at about 175 ° C.
  • the materials for the second component are ge ⁇ selected, z.
  • different hydrocarbons with different phase transition temperatures different temperatures at which the expansion process begins, can be selected.
  • Figure 7 shows the heat flow curve for a WSK silberhalti ⁇ gen conductive adhesive with which the cap can be mounted on the carrier. In the temperature range around 150 ° C, an exothermic reaction takes place in which the adhesive solidifies.
  • Figure 7 can be chosen so that the acoustic Isola ⁇ tion substantially after the attachment of the cap takes place on the support and the fastening of the cap on the Trä ⁇ ger the electrical connections thus not affected.
  • MEMS microphone and the method of manufacturing a MEMS microphone are not limited by the illustrated technical features and embodiments.
  • Microphones to ⁇ additional circuit elements and / or fastening elements comprise, and methods involving additional manufacturing steps, also fall under the scope of protection.
  • Reference sign list
  • DM dielectric material of a dielectric layer

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Acoustics & Sound (AREA)
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  • Electrostatic, Electromagnetic, Magneto- Strictive, And Variable-Resistance Transducers (AREA)

Abstract

Es wird ein MEMS-Mikrofon mit guten akustischen Eigenschaften und verringerter Ausfallwahrscheinlichkeit durch defekte elektrische Verbindungen angegeben. Dazu hat das Mikrofon einen Kanal, der eine Schallöffnung mit einem MEMS-Chip verbindet. Der Kanal hat ein heterogenes Material aus zwei unterschiedlichen Komponenten, die unterschiedliche thermische Eigenschaften aufweisen.

Description

Beschreibung
MEMS-Mikrofon mit oben angeordneter Schallöffnung und verringerten mechanischen Belastungen und Verfahren zur Herstellung
Die Erfindung betrifft MEMS-Mikrofone, bei denen elektrische Verbindungen weniger stark mechanischen Belastungen ausgesetzt sind. MEMS-Mikrofone (MEMS = Micro-Electro-Mechanical System) haben mikrostrukturierte Funktionselemente, die in oder an der Oberfläche eines Chips gebildet sein können. Die Funktions¬ elemente können z. B. eine flexible Membran und eine starre Rückplatte umfassen. Eine oder mehrere flexible Membranen bilden eine Elektrode eines Kondensators. Eine oder mehrere steifere Rückplatten bilden die Gegenelektrode. Treffen
Schallwellen auf einen solchen Chip, schwingt die Membran und die Kapazität des Kondensators ändert sich fortlaufend auf¬ grund des unterschiedlichen Abstands der Kondensatorelektro- den. Eine Auswertschaltung erstellt aus der zeitlichen Variation der Kapazität ein elektrisches Signal, das dem empfange¬ nen akustischen Signal entspricht.
Damit ein MEMS-Mikrofon gute akustische Eigenschaften hat, sollen die zu empfangenden akustischen Signale die Funktionselemente nur aus einer Seite treffen. In Richtung der akustischen Signalausbreitung gesehen hinter den Funktionselementen sollte deshalb ein Rückvolumen liegen, das akustisch von der Umgebung des Mikrofons isoliert ist.
Neben dem MEMS-Chips umfassen MEMS-Mikrofone im Allgemeinen weitere Elemente, z. B. einen Träger und eine Abdeckung. Trä¬ ger, Abdeckung und MEMS-Chip müssen mechanisch verbunden sein. Der MEMS-Chip muss - direkt oder indirekt - mit Außenkontakten des Mikrofons verschaltet sein, damit das Mikrofon mit einer externen Schaltungsumgebung verschaltbar ist. Insbesondere die elektrischen Verbindungsstellen, über die der MEMS-Chip mit seiner Umgebung verschaltet ist, reagieren empfindlich auf mechanische Spannungen.
MEMS-Mikrofone können als so genannte Bottom-Port-Mikrofone ausgebildet sein, bei denen eine Schalleintrittsöffnung an derjenigen Seite angeordnet ist, die dem Objekt, an dem das Mikrofon befestigt ist, zugewandt ist. Solche Bottom-Port- Mikrofone können eine schlechtere Signalqualität als so ge¬ nannte Top-Port-Mikrofone, deren Schalleintrittsöffnung nicht durch das Objekt abgedeckt ist, haben, da bei Top-Port-Mikro- fone die Schalleintrittsöffnung auf der dem Objekt abgewandten Seite angeordnet ist. Oft ist die Art des Mikrofons (Top- Port oder Bottom-Port) durch die einbaubedingten Anforderungen vorgegeben. Top-Port-Mikrofone erfordern allerdings übli¬ cherweise einen höheren Konstruktionsaufwand, insbesondere bei der akustischen Abdichtung zwischen Vorvolumen und Rück- volumen .
Es besteht deshalb der Wunsch nach MEMS-Mikrofonen, die eine gute Signalqualität zur Verfügung stellen, mit möglichst ge- ringem Konstruktionsaufwand herzustellen sind und deren Zu¬ verlässigkeit durch eine reduzierte mechanische Spannung auf elektrische Verbindungen erhöht ist.
Ein solches MEMS-Mikrofon wird im unabhängigen Anspruch 1 an- gegeben. Abhängige Ansprüche geben vorteilhafte Ausgestaltun¬ gen des Mikrofons an. Das MEMS-Mikrofon hat einen Träger, eine Kappe auf dem Träger und einen MEMS-Chip. Die Kappe auf dem Träger umschließt ei¬ nen Hohlraum. Der MEMS-Chip ist im Hohlraum angeordnet. Das MEMS-Mikrofon hat ferner eine Schallöffnung im Träger oder in der Kappe, wobei die Anordnung in der Kappe bevorzugt ist. Ferner hat das Mikrofon ein Rückvolumen und einen Kanal, der die Schallöffnung mit dem MEMS-Chip verbindet. Der Kanal isoliert das Rückvolumen akustisch von der Schallöffnung. Der Kanal - genauer: seine Wand - umfasst ein heterogenes Mate¬ rial. Das heterogene Material besteht aus zumindest zwei un¬ terschiedlichen Komponenten. Die beiden unterschiedlichen Komponenten haben unterschiedliche thermomechanische Eigen¬ schaften .
Es ist möglich, dass die Kappe den Hohlraum vollständig um¬ schließt. Es ist auch möglich, dass die Kappe und der Träger den Hohlraum zusammen umschließen. Insofern umschließt die Kappe den Hohlraum zumindest teilweise.
Dass der Kanal die Schallöffnung vom Rückvolumen akustisch isoliert, bedeutet, dass akustische Signale, die die Schall¬ öffnung erreichen, davon abgehalten werden, das Rückvolumen direkt, d.h. ohne Passage des MEMS-Chips, zu erreichen. Der Kanal - genauer: seine Seitenwände - stellen eine Barriere für akustische Signale dar.
Zu den unterschiedlichen thermom chanischen Eigenschaften der beiden Komponenten des Materials des Kanals können unter- schiedliche thermisch induzierte Längenänderungen, unterschiedliche thermisch induzierte Änderungen der Viskosität, unterschiedliche thermisch induz erte Änderungen der akusti- sehen Impedanz, unterschiedliche temperaturabhängige Elasti¬ zitätsmoduln und unterschiedliche temperaturabhängige Dichten sowie ähnliche Parameter gehören. Folgendes Problem üblicher MEMS-Mikrofone wurde erkannt: Der MEMS-Chip ist über elektrische Verbindungen mit seiner Umgebung verbunden und verschaltet. Zusätzlich ist der MEMS-Chip so mit einer Schallöffnung verbunden, dass zu empfangende akustische Signale auf die Funktionselemente, aber nicht di- rekt auf das Rückvolumen treffen sollen. Während des Be¬ triebs, aber insbesondere während der Herstellung eines sol¬ chen MEMS-Mikrofon, können Temperaturänderungen auftreten. Im Allgemeinen haben die Materialien des MEMS-Mikrofons unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten. Bei einer Temperaturänderung ändern sich deshalb Abstände, z. B. zwischen MEMS-Chip und Kappe und/oder zwischen MEMS-Chip und Träger. Elektrische Verschaltungen zwischen dem MEMS-Chip und seiner Schaltungsumgebung, z. B. Kontaktpads an der Oberseite des Trägers, können über Bump-Verbindungen hergestellt sein. Das dabei verwendete Lotmaterial und entsprechende Anschluss- pads an der Oberseite des Trägers oder an der Oberfläche des MEMS-Chips können bei zu hohen Zugbelastungen abreißen und das Mikrofon damit funktionsunfähig machen. Schon auf niedrigem Niveau bewirken diese Kräfte eine Beeinträchtigung der Bauteil-Charakteristik.
Der Kanal ist so geformt und das heterogene Material mit sei¬ nen zwei unterschiedlichen Komponenten mit unterschiedlichen thermischen Eigenschaften ist so gewählt, dass durch Tempera- turänderungen induzierte mechanische Spannungen auf die elektrische Verschaltung des Chips verringert sind. Gleichzeitig ermöglicht das angegebene Material des Kanals eine gute akustische Abdichtung zwischen Schallöffnung und Rückvolumen . Die akustische Abdichtung zwischen Schallöffnung und Rückvolumen sollte gerade nicht dadurch erfolgen, dass ein elasti¬ sches oder kompressibles Element zwischen Kappe und MEMS-Chip unter Vorspannung angeordnet ist. Dies würde eine temperatur¬ abhängige Kraft auf den MEMS-Chip ausüben. Außerdem könnten Lot-Bumps, mit denen der MEMS-Chip montiert sein kann, beim
Aufschmelzen in einem Lötprozess durch diese Kraft deformiert werden, wobei gleichzeitig die Vorspannung abgebaut würde und die Abdichtung entfiele. Vielmehr sollte die Dichtung durch Verkleben mit Kappe und MEMS-Chip hergestellt werden. Dennoch unvermeidliche Kräfte Aufgrund von Temperaturänderungen werden durch einen sehr niedrigen E-Modul des heterogenen Dichtmaterials gering ge¬ halten. Der E-Modul kann dabei kleiner als 100 MPa, vorzugs- weise kleiner als 10 MPa, sein. Geeignete Dichtmittel sind auch gelartige Dichtmittel wie viskoelastische Fluide.
Es ist entsprechend möglich, dass der MEMS-Chip über eine elektrisch leitende Verbindung mit dem Träger oder der Kappe verschaltet und mechanisch verbunden ist. Ferner ist der MEMS-Chip zwischen dem Kanal und dem Träger angeordnet.
In beiden Fällen haben thermisch induzierte Längenänderungen des Kanals, der elektrisch leitenden Verbindung und der Dicke des Chips sowie des Abstands zwischen Träger und Oberseite die Kappe die Folge, dass die mechanische Belastung auf die elektrische Verbindung steigen würde, wenn der Kanal konventionelle Materialien umfassen würde. Es ist möglich, dass das heterogene Material des Kanals eine erste Komponente als Matrix und eine zweite Komponente mit in der Matrix eingebetteten Elementen umfasst. Durch eine heterogene Zusammensetzung des Materials des Ka¬ nals können Kanäle mit neuen thermomechanischen Eigenschaften erhalten werden. Das Matrixmaterial der ersten Komponente kann eine erste temperaturabhängige Viskosität und eine erste temperaturabhängige Dichte aufweisen. Die Elemente des zwei- ten Materials können entsprechend unterschiedliche zweite temperaturabhängige Viskositäten oder Steifigkeiten und eine zweite temperaturabhängige Dichte aufweisen. Das Mengenver¬ hältnis dieser beiden Komponenten im heterogenen Material bestimmt dann die resultierenden thermomechanischen Eigenschaf- ten, z. B. die temperaturabhängige Viskosität oder die tempe¬ raturabhängige Dichte des Wandmaterials des akustischen Ka¬ nals .
Es ist insbesondere möglich, dass die unterschiedlichen ther- momechanischen Eigenschaften der ersten und der zweiten Komponente ein unterschiedliches thermisches Ausdehnungsverhal¬ ten beinhalten. Die erste Komponente und die zweite Kompo¬ nente können sich entsprechend in ihrem thermischen Ausdehnungsverhalten unterscheiden. Temperaturinduzierte Änderungen können dabei Änderungen entlang der vertikalen Richtung senkrecht zur Oberfläche des Trägers oder horizontale Längenände¬ rungen parallel zur Oberseite des Trägers sein. Es ist auch möglich, dass die temperaturabhängige Änderung des Volumens der verschiedenen Komponenten unterschiedlich ist.
Es ist möglich, dass die erste Komponente ein thermoplasti¬ sches Material, ein Elastomer und/oder ein Silicongel umfasst . Ferner ist es möglich, dass die zweite Komponente Kugeln um- fasst. Die Kugeln können vor einer Wärmebehandlung mit einem Kohlenwasserstoff gefüllt sein. In einem expandierten Zustand können die Kugeln eine Schale aus Polymer haben und im Inne- ren hohl sein.
Der Kohlenwasserstoff in den Polymerkugeln kann einen Phasenübergang, z. B. einen Siedepunkt, aufweisen, der in einem bevorzugten Temperaturbereich liegt. Die Kugeln haben dabei eine Schale aus Polymer, deren Steifigkeit so gering ist, dass bei Temperaturänderungen Volumenänderungen des Kohlenwasserstoffs an die Umgebung der Polymerkugeln, d. h. an das Matrix-Material der ersten Komponente, weitergegeben wird. Es ist ferner möglich, dass das heterogene Material ein nicht lineares thermisches Ausdehnungsverhalten aufweist.
Insbesondere die zweite Komponente kann ein nicht lineares thermisches Ausdehnungsverhalten aufweisen.
Die zweite Komponente kann ein nicht reversibles thermisches Ausdehnungsverhalten haben. Wenn sich Hohlkugel aufblähen, sinkt die Wandstärke so stark, dass kaum noch eine Rückstell¬ kraft verbleibt. Die Expansion kann deshalb mit einem stabi- len neuen, permanenten Zustand abschließen.
Das heterogene Material als Ganzes kann ein nicht reversibles thermisches Ausdehnungsverhalten haben. Das heterogene Material kann sich bei einer Temperaturände¬ rung, insbesondere bei einer Temperaturerhöhung, wie folgt verhalten: Das Matrix-Material der ersten Komponente hat eine gewisse Viskosität und lässt sich relativ leicht verformen. Bei einer Temperaturerhöhung dehnt sich die Füllung der Elemente der zweiten Komponente aus. Im Fall von Polymerkugeln als zweite Komponente steigt deren Volumen relativ stark an. Das heterogene Material, bei dem die Elemente vorzugsweise möglichst gleichmäßig in der Matrix verteilt sind, wird auf¬ gebläht .
Es ist möglich, dass im Bereich einer charakteristischen Temperatur ein Phasenübergang der Füllung der Elemente stattfin- det. Innerhalb eines relativ schmalen Temperaturintervalls findet eine große Volumenzunahme statt.
Bei Temperaturen oberhalb dieses Phasenübergangs setzt eine Umwandlung des Materials der ersten Komponente ein. Die Vis- kosität des Matrix-Materials nimmt ab. Das heterogene Mate¬ rial verfestigt sich bei vergrößertem Volumen. Sollte die Temperatur wieder sinken, so behält das heterogene Material im Wesentlichen sein Volumen und seine Form. Die Verwendung eines solchen Materials löst eine Vielzahl intrinsischer Spannungsprobleme bei der Herstellung. So kann eine Temperaturbehandlung notwendig sein, um die Kappe mit dem Träger zu verbinden, z. B. zu verkleben. Ein Reflow-Pro- zess stellt die elektrische und mechanische Verbindung des Chips und seiner Schaltungsumgebung her. Die kritischen Temperaturen des heterogenen Materials, z. B. die Phasenübergangstemperatur und die Verfestigungstemperatur, können so gewählt sein, dass die mechanische Belastung auf die elektri¬ schen Verschaltungen trotz deutlich unterschiedlicher Tempe- raturen minimiert ist. So ist es möglich, dass ein Silber umfassendes Verbindungsmaterial, das die Kappe mit dem Träger verbindet, oder ein Kleber, der die Kappe mit dem Träger verbindet, eine ausreichend feste Verbindung zwischen Kappe und Träger ab einer Temperatur ΤΊ ermöglicht. Entsprechend kann für das Material der ersten Komponente ein Material gewählt werden, dass oberhalb einer weiteren Temperatur T2 anfängt sich zu versteifen, während die Elemente der zweiten Kompo- nente bei einer Temperatur T3 expandieren. Dabei gilt: i < T2;
i < T3;
100 °C < Ti, T2, T3, < 220 °C
So kann zuerst die Kappe fest mit dem Träger verbunden werden. Anschließend wird der Kanal durch Aufschäumen des hete¬ rogenen Materials zwischen Chip und Kappe oder zwischen Chip und Träger gebildet. Das heterogene Material kann dazu vor dem Aufsetzen der Kappe in einem Rohzustand vor der Volumenexpansion in einer geschlossenen Kurve um die Funktionselemente auf dem Chip oder um die Schallöffnung auf Trägersubstrat oder Kappe aufgebracht worden sein.
Das Matrixmaterial weist vorzugsweise noch Reaktivität bzw. Klebrigkeit auf, wenn die Blähfront die gegenüberliegende Oberfläche erreicht. So wird eine gute Abdichtung erzielt. Durch das Aufschäumen sind die Dichte und die Steifigkeit des Materials des akustischen Kanals so gering, dass auf die elektrische Verschaltung weitergegebene mechanische Zug- oder Druckspannung kritische Werte nicht überschreitet.
Umfasst die erste Komponente ein Elastomer oder ein Silikon- gel, so ist deren Viskosität anfangs vorzugsweise sehr ge¬ ring, um ein leichtes Aufbringen, z. B. durch Aufbringen mittels Dispensnadeln mit einem Innendurchmesser zwischen 0,09 mm und 0,11 mm zu vereinfachen. Ab einer Übergangstemperatur können sich Bestandteile der ersten Komponente vernetzen, sodass die Viskosität dann einen hinreichend großen Wert an¬ nimmt, wenn das heterogene Material die gewünschte Form, ins¬ besondere die gewünschte Höhe, angenommen hat und die akusti- sehe Abdichtung über einen breiten Temperaturbereich ohne kritische Spannungen auf die elektrische Verschaltung er¬ reicht wird.
Der Träger kann ein Leiterplattenmaterial, z. B. PCB, oder ein keramisches Material umfassen. Der Träger kann dabei aus einer oder mehreren Lagen bestehen. Der Träger kann dielektrische Lagen und dazwischen angeordnete Metallisierungslagen umfassen. In den Metallisierungslagen können Signalleiter und/oder Schaltungselemente, z. B. induktive Elemente oder kapazitive Elemente, ausgebildet sein. Kontaktflächen an der Oberseite oder an der Unterseite des Trägers und im Inneren des Trägers strukturierte Metallisierungen können über Durch- kontaktierungen verschaltet sein. Die Kappe kann aus einem Metall bestehen oder zumindest eine metallische Schicht zur Abschirmung umfassen.
Insbesondere wenn die Schallöffnung in der Kappe oberhalb des Trägers strukturiert ist und der Kanal zwischen dem oberen Segment der Kappe und dem MEMS-Chip angeordnet ist, wird ein Top-Port-Mikrofon mit guten akustischen Eigenschaften erhalten, bei dem die mechanische Belastung auf die elektrische Verschaltung minimiert und dadurch die Wahrscheinlichkeit ei¬ nes Defekts beim Herstellen vermindert und die Lebensdauer während des Betriebs erhöht ist. Die angegebenen Materialien für das Ausbilden des Kanals kommen im Wesentlichen ohne Lösungsmittel aus, sodass eine Kon¬ tamination vermieden wird. Die beiden Komponenten des heterogenen Materials können so aufeinander abgestimmt sein, dass bereits während der Volu¬ menzunahme eine leichte Verfestigung der ersten Komponente beginnt, welche die Expansion der zweiten Komponente jedoch nicht nennenswert beeinträchtigt.
Die derart ausgehärtete akustische Dichtmasse behält eine ge¬ wisse Elastizität (E > 100 MPa, vorzugsweise E < 10 MPa) und kann Temperaturschwankungen aufnehmen. Aufgrund der geringen Dichte wird akustische Energie aufgenommen und nicht trans- mittiert.
Die mechanische Kraft, die das aufgeblähte heterogene Mate¬ rial auf Kappe und MEMS-Chip ausübt, ist äußerst gering und u. a. über den Expansionsgrad steuerbar. Der Schubmodul des heterogenen Materials kann kleiner als 1,5 MPa gewählt sein.
Die Expansionsrate des heterogenen Materials kann drei oder mehr betragen, wobei die Expansionsrate das Verhältnis der Volumina im aufgeblähten Zustand und im aufgetragenen Zustand ist.
Bei Wärme expandierende Elemente für die zweite Komponente sind z. B. aus dem Patent US 3,615,972 bekannt. Geeignete Ku¬ geln sind z. B. die Mikrosphären, die unter dem Markennamen Expancel® vertrieben werden. Es ist möglich, dass das Matrixmaterial einen thermischen Härtemechanismus aufweist, der über derj enigen Temperatur ak- tiviert wird, bei der das Aufblähen der zweiten Komponente einsetzt .
Ein Verfahren zum Herstellen eines entsprechenden MEMS- Mikrofons beinhaltet deswegen das Aufbringen des heterogenen Materials ringförmig auf den MEMS-Chip, den Träger und/oder an die Unterseite der Kappe. Anschließend, z. B. nach Zu- sammenbau von Träger, MEMS-Chip und Kappe, wird das Material durch Erwärmen zur finalen akustischen Abdichtung aufgebläht.
Idealerweise erfolgt das derartige Ausbilden des Kanals, nachdem die Kappe fest mit dem Träger verbunden ist.
Es ist dabei möglich, dass das Verbindungsmaterial zwischen Kappe und Träger bei einer Temperatur verfestigt wird, die unter der für das Aufblähen des heterogenen Materials benötigten Temperatur liegt.
Es ist möglich, dass als Verbindungsmaterial zwischen Kappe und Träger ein Leitklebstoff verwendet wird.
Nachfolgend werden zentrale Aspekte des MEMS-Mikrofons und Details von Ausführungsbeispielen anhand der schematischen Figuren erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1: eine mögliche relative Anordnung von Kappe, MEMS- Chip, Träger und Kanal, das Material des Kanals vor der thermischen Akti¬ vierung, die Wirkung des Aufblähens der Elemente der zweiten Komponente, die Ausrichtung der Funktionselemente zur Schall¬ öffnung, eine mögliche Anordnung einer Auswertschaltung,
Wärmestromkurven für verschiedene zweite Komponenten mit unterschiedlicher Übergangstemperatur, eine Wärmestromkurve eines Silberleitklebers.
Figur 1 zeigt eine mögliche Anordnung der Elemente eines MEMS-Mikrofons MM, bei dem eine Kappe KP auf einem Träger TR angeordnet ist und zusammen mit dem Träger TR einen Hohlraum einschließt. Ein vorzugsweise großer Bereich des Hohlraums bildet das Rückvolumen RV, das in Schallrichtung gesehen hinter den Funktionselementen, hier MEMS-Strukturen MS am MEMS- Chip MC angeordnet ist. Akustische Signale können das Mikro¬ fon MM über eine Schallöffnung SO erreichen. Die MEMS- Strukturen MS beinhalten eine steife Rückplatte und eine fle¬ xible Membran. Diese beiden Elemente bilden die Elektroden eines Kondensators, dessen Kapazität mit der Frequenz der empfangenen akustischen Signale variiert. Die Schalleintrittsöffnung SO und das Rückvolumen RV sind durch eine akus- tische Abdichtung AI in Form des Kanals K gebildet. Der Kanal K umfasst dabei das aufgeblähte heterogene Material HM. Figur 1 zeigt die Darstellung eines Schnitts durch ein Mikrofon MM. Der Kanal K umschließt die Schallöffnung SO entlang einer geschlossenen Kurve. Wäre das Rückvolumen RV akustisch an die Schallöffnung SO gekoppelt, wäre das Mikrofon MM akustisch kurzgeschlossen und praktisch kein Signal vorhanden. Durch eine zum Rückvolumen RV gerichtete Auslenkung der Membran der MEMS-Strukturen MS wird das Rückvolumen RV verdichtet und eine Rückstellkraft auf die Membran ist erhöht. Um eine mög¬ lichst gute Signalqualität zu erhalten, ist deshalb ein mög¬ lichst großes Rückvolumen RV vorteilhaft.
Der MEMS-Chip MC ist über Bump-Verbindungen BU mit dem Träger TR verbunden und verschaltet. Thermische Expansion gefährdet die Integrität der elektrischen Verschaltung . Bei konventionellen Top-Port-Mikrofonen besteht deshalb stets die Gefahr, dass eine akustische Abdichtung bei Temperaturänderung die elektrische Verschaltung schädigt oder komplett zerstört.
Figur 2 zeigt einen Zwischenschritt während der Herstellung eines entsprechenden Mikrofons. Dabei ist das heterogene Ma- terial HM noch in seinem ursprünglichen Zustand, d. h. vor der thermischen Aktivierung. In diesem Zustand kann die Kappe KP fest mit dem Träger TR verbunden werden, ohne thermisch induzierte Spannungen auf die elektrische Verschaltung auszu¬ üben, da die Kappe KP noch nicht mit dem MEMS-Chip verbunden ist.
Figur 3 zeigt links eine Menge des heterogenen Materials HM vor der Aktivierung. Auf der rechten Seite ist der Zustand nach der thermischen Aktivierung erfolgt. Die Volumenzunahme beruht im Wesentlichen auf der thermisch induzierten Volumenzunahme der zweiten Komponente in Form der blähbaren Elemente E, hier durch Kugeln KG dargestellt. Das Matrix-Material M behält im Wesentlichen sein Volumen. Nach der Volumenzunahme der Kugeln K kann das Material der Matrix versteift werden, um den finalen Zustand, d. h. die finale Form, im Wesentli¬ chen temperaturunabhängig zu behalten. Figur 4 zeigt eine mögliche Ausführungsform, bei der die
MEMS-Strukturen MS nicht wie in Figur 1 gezeigt dem Träger TR zugewandt, sondern der Kappe KP zugewandt sind. Dadurch trägt das Volumen innerhalb des MEMS-Chips auch zum Rückvolumen RV bei, wodurch das Rückvolumen RV vergrößert ist. Ein Nachteil dieser Konstruktion besteht darin, dass zusätzliche elektrische Leitungen von der Oberseite des Chips zum Träger notwendig sind. Dazu können im Chip Durchkontaktierungen DK strukturiert sein.
Figur 4 zeigt ferner die Möglichkeit, das Mikrofon über ex¬ terne Anschlüsse EA mit einer externen Schaltungsumgebung verschaltbar zu machen. Die externen Anschlüsse EA können An- schlusspads an der Unterseite des Trägers und zusätzliche Bump-Verbindungen umfassen.
Figur 5 zeigt ferner die Möglichkeit, eine Auswertschaltung AS in Form eines zusätzlichen Chips vorzusehen. Die Auswertschaltung kann dabei auf dem Träger TR angeordnet sein. Über Durchkontaktierungen DK und strukturierte Signalleiter in einer Metallisierungslage ML können Chip und Auswertschaltung AS verschaltet sein. Über analoge Durchkontaktierungen können Chip und/oder Auswertschaltung auch mit externen Kontakten an der Unterseite des Trägers verschaltet sein. Figur 6 zeigt Wärmestromkurven unterschiedlicher zweiter Komponenten. Wärmestromkurven geben dabei Aufschluss über exotherme oder endotherme Prozesse innerhalb eines Materials und zeigen die entsprechende Temperaturabhängigkeit. In einer möglichen Version für das Material der zweiten Komponente findet ein endothermer Prozess bei etwa 125 °C (untere Kurve) statt. Die mittlere Kurve zeigt einen Prozess, der zwischen 130 °C und 150 °C stattfindet. Die obere Kurve zeigt einen Übergang bei etwa 175 °C.
Je nachdem, welche Materialien für die zweite Komponente ge¬ wählt werden, z. B. unterschiedliche Kohlenwasserstoffe mit unterschiedlichen Phasenübergangstemperaturen, können unter- schiedliche Temperaturen, bei denen der Blähvorgang einsetzt, ausgewählt werden.
Figur 7 zeigt die Wärmestromkurve WSK für einen silberhalti¬ gen Leitkleber, mit dem die Kappe auf dem Träger befestigt werden kann. In dem Temperaturbereich um etwa 150 °C findet eine exotherme Reaktion statt, bei der sich der Kleber verfestigt .
Die Übergangstemperaturen der Bläh-Komponente (vgl. Figur 6) und des Verbindungsmittels zwischen Kappe und Träger (vgl.
Figur 7) können so gewählt werden, dass die akustische Isola¬ tion im Wesentlichen nach der Befestigung der Kappe auf dem Träger stattfindet und das Befestigen der Kappe auf dem Trä¬ ger die elektrischen Verbindungen damit nicht beeinträchtigt.
Das MEMS-Mikrofon und das Verfahren zur Herstellung eines MEMS-Mikrofons sind durch die gezeigten technischen Merkmale und Ausführungsformen nicht beschränkt. Mikrofone, die zu¬ sätzliche Schaltungselemente und/oder Befestigungselemente umfassen, und Verfahren, die zusätzliche Herstellungsschritte umfassen, fallen ebenso unter den Schutzbereich. Bezugs zeichenliste
AI: akustische Isolation
AS: Auswertschaltung
BU: Bump-Verbindung
DK: Durchkontaktierung
DM: dielektrisches Material einer dielektrischen Lage
E: in der Matrix eingebettete Elemente der zweiten Kompo¬ nente
EA: externe Anschlüsse
HM: heterogenes Material
K: Kanal
KP : Kappe
KG: Kugel, eine mögliche Form der eingebetteten Elemente M: Matrix der ersten Komponente
MC: MEMS-Chip
ML: Metallisierungslage
MM: MEMS-Mikrofon
MS: MEMS-Strukturen
RV: Rückvolumen
SO: Schallöffnung
TR: Träger
VM: Verbindungsmaterial zwischen Kappe und Träger
WSK: Wärmestromkurve

Claims

Patentansprüche
1. MEMS-Mikrofon (MM), umfassend
- einen Träger (TR) ,
- eine Kappe (KP) auf dem Träger (TR) , die einen Hohlraum zumindest teilweise umschließt,
- einen MEMS-Chip (MC) im Hohlraum,
- eine Schallöffnung (SO) in der Kappe (KP) ,
- ein Rückvolumen (RV) ,
- einen Kanal (K) , der die Schallöffnung (SO) mit dem MEMS- Chip (MC) verbindet und vom Rückvolumen (RV) akustisch isoliert,
wobei
- der Kanal (K) ein heterogenes Material (HM) umfasst, das aus zumindest zwei unterschiedlichen Komponenten mit
unterschiedlichen thermomechanischen Eigenschaften besteht.
2. MEMS-Mikrofon nach dem vorherigen Anspruch, wobei
- der MEMS-Chip (MC) über eine elektrisch leitende Verbindung (BU) mit dem Träger (TR) verschaltet und mechanisch verbunden ist und
- der MEMS-Chip (MC) zwischen dem Kanal (K) und dem Träger (TR) angeordnet ist.
3. MEMS-Mikrofon nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das heterogene Material (HM) eine erste Komponente als Matrix (M) und eine zweite Komponente mit in der Matrix
eingebetteten Elementen (KG) umfasst.
4. MEMS-Mikrofon nach dem vorherigen Anspruch, wobei die unterschiedlichen thermomechanischen Eigenschaften der ersten und zweiten Komponente ein unterschiedliches thermisches Ausdehnungsverhalten beinhalten.
5. MEMS-Mikrofon nach einem der beiden vorherigen Ansprüche, wobei die erste Komponente ein thermoplastisches Material, ein Elastomer und/oder ein Silicongel umfasst.
6. MEMS-Mikrofon nach einem der drei vorherigen Ansprüche, wobei die zweite Komponente Polymerkugeln (KG) umfasst.
7. MEMS-Mikrofon nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das heterogene Material ein nicht lineares thermisches
Ausdehnungsverhalten aufweist.
8. MEMS-Mikrofon nach dem vorherigen Anspruch, wobei die zweite Komponente ein nicht lineares thermisches
Ausdehnungsverhalten aufweist.
9. MEMS-Mikrofon nach dem vorherigen Anspruch, wobei das heterogene Material ein nicht reversibles thermisches
Ausdehnungsverhalten hat.
10. MEMS-Mikrofon nach einem der vorherigen 7 Ansprüche, wobei das Matrixmaterial (M) einen thermischen
Härtemechanismus aufweist, der über derjenigen Temperatur, bei der das Aufblähen der zweiten Komponente aktiviert wird, aktiviert wird.
11. Verfahren zum Herstellen eines MEMS-Mikrofons () nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei
- ein heterogenes Material (HM) ringförmig auf den MEMS-Chip (MC) und/oder an die Unterseite der Kappe (KP) aufgebracht wird und
- das Material (HM) nach Zusammenbau von Träger (TR) , MEMS- Chip (MC) und Kappe (KP) durch Erwärmen zu einer akustischen Abdichtung (AI) aufgebläht wird.
12. Verfahren nach dem vorherigen Anspruch, wobei
Das Verbindungsmaterial (VM) zwischen Kappe (KP) und Träger (TR) bei einer Temperatur verfestigt wird, die unter der für das Aufblähen des heterogenen Materials (HM) benötigten Temperatur liegt.
13. Verfahren nach dem vorherigen Anspruch, wobei
als Verbindungsmaterial (VM) zwischen Kappe (KP) und Träger (TR) ein Leitklebstoff verwendet wird.
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