WO2007054071A1 - Mems-mikrofon, verfahren zur herstellung und verfahren zum einbau - Google Patents

Mems-mikrofon, verfahren zur herstellung und verfahren zum einbau Download PDF

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microphone
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cap
transducer
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PCT/DE2006/001946
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Wolfgang Pahl
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Epcos Ag
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Publication date
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    • H04R2225/49—Reducing the effects of electromagnetic noise on the functioning of hearing aids, by, e.g. shielding, signal processing adaptation, selective (de)activation of electronic parts in hearing aid

Definitions

  • Mobile communication devices are putting enormous pressure on miniaturization for their electronic components. This is especially true, e.g. also for microphones, since these have a relatively high design and thus represent limitations for the device design of mobile communication devices.
  • a microphone housing in which a MEMS device designed as a microphone is arranged together with a semiconductor chip on a base plate and covered with a common cap against the base plate.
  • the base plate may have on its underside opposite the cap a sound inlet opening, so that the entire component can be soldered onto the back of the circuit board, which is remote from the sound source.
  • a corresponding hole must be provided in the circuit board.
  • the sound inlet opening may be provided in a conventional manner on the top in the cap, so that the component can be applied to the base plate on the sound source facing surface of the circuit board.
  • Object of the present invention is to provide a further design for miniaturized microphones, with which the overall height of a equipped with a microphone circuit board can be reduced.
  • a disadvantage of the known microphone described above is that the overall height of the component can not be further reduced since the height of the MEMS chip essentially determines the overall height of the component.
  • a microphone is now proposed with which the thickness of the circuit board can be exploited to accommodate the height-determining MEMS chip.
  • an electroacoustic transducer which at least partially covers the recess is arranged on a first surface.
  • On the first surface opposite the second surface sits a recess covering the directly on the carrier substrate seated and sealed with its surface cap on which spans the recess.
  • the cap has at least one metallic layer for electromagnetic shielding of the electroacoustic transducer.
  • This microphone is suitable for mounting on the rear side facing away from the sound source of the circuit board, wherein a bore in the circuit board can accommodate the electro-acoustic transducer.
  • a bore in the circuit board can accommodate the electro-acoustic transducer.
  • the electroacoustic transducer which is designed in particular as a MEMS component, is completely embedded in the bore of the printed circuit board.
  • the total height of the microphone measured over the surface of the PCB after installation is therefore only due to the height of the P200 ⁇ , 0925
  • Cap plus the thickness of the carrier substrate determined. This can be in the range of a few tenths of a millimeter.
  • the electroacoustic transducer is preferably a MEMS device constructed on a silicon wafer.
  • all known principles are suitable, in particular capacitive and, in particular, transducers operating on the piezoelectric principle.
  • Such components are known and are characterized by the common property that the acoustic energy of the sound wave causes a membrane or other movable part to vibrate, whose vibrations are converted by a suitable transducer principle into electrical signals.
  • the carrier substrate can be equipped with further active and / or passive electrical components which can interact directly with the microphone function and are connected directly to the microphone.
  • such components may be impedance converters or amplifiers, low-pass filters, signal processors, analog / digital converters or ESD protection components against electrostatic overcharging.
  • additional electrical components are advantageously arranged on the surface of the carrier substrate lying opposite the electrical converter and in particular under the cap.
  • the cap further spans a cavity formed between it and the carrier substrate which can serve as a back volume and thus as a reference for the electroacoustic transducer.
  • the cap may be formed entirely of metal and soldered or glued to the carrier substrate. Alternatively, it may also consist of a non-metallic material which is coated with a metallic layer. preferential P2005, 0925
  • the metallic coating is attached to the outside of the cap.
  • the cap may comprise a plastic layer, for example a plastic film which is coated on one side with a metallic layer.
  • the carrier substrate preferably has at least one metallization plane that leads to corresponding electrical connection surfaces and electrical connection lines. can be structured. At least on the first surface carrying the electroacoustic transducer are arranged with the electro-acoustic transducer and preferably also with the other electrical component connected contacts.
  • the electrical connection to the electrical component arranged on the second surface under the cap can be effected via lines integrated in the carrier substrate and in particular via plated-through holes.
  • the preferably constructed on the silicon wafer electroacoustic transducer has corresponding terminals which are connected via a wire contact with the pads on the first surface of the carrier substrate.
  • the component can then also be connected through the recess in the carrier substrate by means of bonding wires with the electroacoustic transducer.
  • the device may also be connected via bond wires to corresponding pads on the second surface of the carrier substrate which are connected via vias through the carrier substrate to the corresponding contacts on the first surface of the carrier substrate.
  • it is also possible to connect the component directly to the corresponding contacts on the second surface for example in a flip-chip arrangement.
  • the electrical connection can over P2005, 0925
  • the electroacoustic transducer may be glued and wire bonded or soldered to corresponding contact surfaces or adhered by conductive adhesive.
  • the carrier substrate may also be multi-layered and have at least one further metallization level in its interior. In this wiring or wiring can be realized. However, it is also possible to realize passive components in one or more metallization levels by suitable structuring of the metallization level, for example capacitances, inductances or resistances. Accordingly, these passive electrical components can be connected to interconnections, with which further electrical functions of the microphone or with this cooperating components are realized. Individual metallization levels can be connected by plated-through holes. In a carrier substrate made of organic laminates and active semiconductor devices - ICs - can be embedded.
  • the electroacoustic transducer may have at least one piezoelectric layer provided with transducer electrodes for conversion.
  • the transducer electrodes may be designed such that they can transform acoustic bulk waves generated in the piezoelectric layer by the acoustic energy into electrical signals.
  • the transducer electrodes are then arranged on both sides of the piezoelectric layer.
  • the cap seated on the second surface constitutes an electromagnetic rear shield of the microphone. It is also advantageous to provide the electromagnetic surface of the electroacoustic transducer facing the sound source.
  • a shielding layer can be applied on the first surface of the carrier substrate and on parts of the electroacoustic transducer. The shielding layer on the electroacoustic transducer can be applied to all non-membrane or to the vibration receiving part of the electroacoustic transducer.
  • this shielding on the sound source facing surface of the circuit board.
  • electro-acoustic shields may be provided inside the circuit board.
  • the bore for the electroacoustic transducer in the circuit board may be conductively coated from the inside. It is also possible, at a distance from the bore but this surrounding a number of metallic structures provided within the circuit board, such as a ring of plated-through holes.
  • all metallizations provided for electromagnetic shielding with ground or ground potential are P2005, 0925
  • FIG. 2 shows a microphone with a metal-coated cap and an electrical component
  • FIG. 3 shows a microphone with a further electrical component which is connected via bonding wires
  • FIG. 4 shows a component mounted on a printed circuit board
  • FIG. 5 shows a component mounted on a printed circuit board with additional shielding over the electroacoustic transducer
  • FIG. 6 shows process steps of a method for producing an encapsulated microphone
  • FIG. 7 shows process steps of a method for producing an additional shielding on the electroacoustic transducer, and P2005, 0925
  • FIG. 8 shows a microphone with two electroacoustic transducers on a common carrier substrate.
  • FIG. 1 shows a simple microphone according to the invention in a schematic cross section.
  • the system is applied to a carrier substrate TS which is constructed from an organic or ceramic material and in particular from a laminate with at least one metallization plane, but preferably with a plurality of metallization planes embedded between electrically insulating material layers.
  • active and passive components can be realized, which is particularly advantageous in ceramic laminates of HTCC or LTCC.
  • Glass or silicon are also suitable for the carrier substrate TS.
  • Preferred thicknesses are between 0.1 and 0.5 millimeters. Larger layer thicknesses are of course possible, but increase the cost and preclude the further miniaturization of the components or the microphone.
  • a recess AN is provided in the carrier substrate.
  • an electroacoustic transducer WA is arranged so as to completely cover the recess.
  • the electroacoustic transducer WA is in particular a MEMS component (micro electro mechanical system), which is a micromechanical method, preferably on a monocrystalline material such as silicon produced sensor, which operates on a capacitive or piezoelectric principle of action.
  • MEMS component micro electro mechanical system
  • the transducer may have an inwardly tapered opening, at the bottom of which a membrane or a correspondingly configured tongue is arranged, which is dependent on the acoustic energy P2005, 0925
  • the cap may have a round, square or any other shaped cross section and comprises at least one metal layer or is formed entirely of metal.
  • FIG. 2 shows a further embodiment of a microphone in which a semiconductor component HLB is additionally arranged under the cap on the second surface of the carrier substrate TS.
  • a possible modification of the cap K is shown, which consists of a plastic film KF, in particular a laminate film and a metal layer MS applied above.
  • the plastic film KF is preferably structured in such a way that the larger-area metal layer MS completely overlaps the plastic film and terminates all around the plastic film KF flush with the surface of the carrier substrate TS. At least, however, the metal layer is connected to ground potential at at least one point, which rests on the carrier substrate on metallization structures located there.
  • solderable contacts LK are shown in FIG. 2 on the first surface of the carrier substrate, which are suitably connected both to the electroacoustic transducer WA and to the semiconductor component HLB.
  • the connection can be made via tracks which are located on the upper P2005, 0925
  • a plurality of possibly different semiconductor components or passive components are arranged on the second surface below the cap K and connected to the electroacoustic transducer WA.
  • the semiconductor component or components form an oscillator circuit together with the electroacoustic transducer WA, which is then embodied, for example, as a resonator based on a surface acoustic wave component or as a BAW resonator.
  • measures can be implemented in the carrier substrate or in the form of a component on the second surface of the carrier substrate which serve for temperature condensation of the electroacoustic transducer and compensate for its temperature response by active regulation or passively by suitable compensation means.
  • FIG. 3 shows a further embodiment of the microphone, in which both semiconductor component HLB and electroacoustic transducer WA, or at least one of these two is fastened on the carrier substrate TS by means of an adhesive layer KS.
  • the electrical connection can take place, for example, via bonding wires BD, wherein a bonding wire guided through the recess AN in the carrier substrate TS can electrically connect the semiconductor component HLB and the electroacoustic transducer to one another.
  • at least one of the electrical connections to a metallization applied to the surface of the carrier substrate TS to take place via an electrically conductive adhesive layer KS.
  • anisotropically conductive adhesives are particularly preferred which have a conductivity exclusively in Z. P2005,0925
  • FIG. 4 shows in schetnati Subscribe cross-section how a microphone in a total height reducing manner can be mounted on a circuit board LP.
  • an opening OE is provided in the printed circuit board LP, which is a single-layer or multi-layer plate with one or more metallization levels, which is sufficiently dimensioned to accommodate the electroacoustic transducer WA therein.
  • the carrier substrate is then placed with the first surface on the circuit board and fixed there so that the electro-acoustic transducer WA protrudes into the opening OE.
  • the transducer WA is completely hidden in the opening OE and does not protrude on the opposite surface of the circuit board.
  • the electrical connection between the contacts of the carrier substrate and the printed circuit board can again be made by electrically conductive adhesive or by soldering.
  • Figure 5 shows further embodiments of the microphone after installation in a printed circuit board LP, with which a safe operation and a further shielding of the device from the opposite side is made possible.
  • the gap between transducer WA and the inside of the opening OE be filled with a sealing material DM, for example with a cured reaction resin.
  • a sealing material DM for example with a cured reaction resin.
  • Printed circuit board LP may be the opening OE covered with a porous layer, a mesh or mesh, which are each metallized on the surface or made entirely of a metallic material. Not shown in the figure are further metallizations, which are applied on the same surface as the porous layer PS on the surface of the printed circuit board LP. Preferably, all shielding layers are grounded.
  • the electroacoustic transducer WA may be provided with a further shielding layer AS (see FIG. 7) on its surface facing downwards in FIG.
  • the inner walls of the opening OE can also be metallized.
  • FIG. 6 shows various possible process stages according to a variant for producing a microphone on the basis of schematic cross sections.
  • the carrier substrate TS already described. This may be single-layered or multi-layered and has at least one metallization level comprising printed conductors and interconnections produced therefrom.
  • solderable contacts LK are generated, which are connected to corresponding conductor tracks on the surface of the carrier substrate TS.
  • HLB is arranged and preferably also contacted with conductor track. This can be done as already described via a flip-chip contact or a bonding wire (not shown in the figure).
  • FIG. 6a shows the arrangement on this process stage.
  • a sacrificial layer OS is applied on the second surface over the semiconductor component, which consists of a suitable material which can be redissolved by a gentle process, for example a paste or an organic material and in particular a resist film.
  • the sacrificial layer OS can be applied directly structured, for example in printing processes, for which pastes or correspondingly viscous plastic compositions are suitable. However, it is also possible to apply the sacrificial layer over a large area and then to structure it afterwards.
  • the structuring can be carried out in a simple manner photolithographically by exposure and development of the photoresist.
  • the structuring takes place such that the volume of the sacrificial layer corresponds to the later volume enclosed by the covering cap.
  • Figure 6b shows the arrangement at this stage of the process.
  • a first layer of a multilayer cap is produced, for example a plastic film KF.
  • this is applied in a plastically deformable state, for example by lamination or tape casting and then cured.
  • the lamination may be due to elevated temperature as well as a mechanical pressure from the top P2005,0925
  • the plastic film may for example have a thickness of about 20 microns. Sheets of such small thickness can still be processed well and produce a dense surface, which can later be metallized. Higher layer thicknesses are of course also possible, but not required.
  • a metal layer MS is produced over the plastic film KF.
  • This is preferably carried out in a two-stage process, wherein at first a base metallization or a suitable adhesive layer is sputtered on and then reinforced.
  • a base metallization or a suitable adhesive layer is sputtered on and then reinforced.
  • one or more of the metals titanium, nickel, chromium, tungsten and copper are suitable as the base or adhesive layer.
  • the gain is preferably achieved galvanically or de-energized by means of copper or nickel.
  • a gold or nickel layer may additionally be provided as a tempering layer.
  • the plastic film can also be dispensed with, provided that the sacrificial layer OS can be metallized, so that the metal layer can be applied directly to the sacrificial layer.
  • a suitable final thickness which is suitable as a good shield for the microphone, is between 10 and 100 microns. Higher layer thicknesses are of course also possible, but not required for the desired purpose of the shield.
  • the metal layer is applied so that it terminates with the second surface of the carrier substrate TS. This will - if necessary - a hermetic seal to the carrier substrate possible.
  • the structuring of the metal layer can already take place after the production of the base or adhesive layer.
  • the cap thus produced and made of plastic film and metal layer is on all sides on the structured sacrificial layer OS, which is now removed.
  • a recess AN in the carrier substrate TS can be generated at this process stage, through which the sacrificial layer is accessible from the first surface.
  • Figure 6e shows the arrangement after the production of the recess.
  • the recess already at an earlier stage of the method, for example before the application of the semiconductor component HLB and in any case before the application of the sacrificial layer OS. This becomes possible if the sacrificial layer can span the recess, which is possible in particular as a sacrificial layer in the case of a dry-resist film.
  • the recess can be produced by drilling, milling, etching, laser beams, sand blasting, punching or else ultrasonic erosion.
  • the removal of the sacrificial layer through the recess may preferably be effected with a solvent, for example an organic solvent for an organic sacrificial layer or an aqueous solvent for a paste.
  • the dissolution of the sacrificial layer can also be assisted with ultrasound.
  • the electroacoustic transducer is applied over the recess on the first surface and electrically connected to the traces on the carrier substrate.
  • the electrical connection can be made with conductive adhesive and in particular with anisotropically conductive adhesive.
  • other flip-chip methods by means of a bumping technique, in which case, following the contacting of any gaps between the transducer and the carrier substrate, they are sealed with a suitable material, in particular with an underfiller.
  • the electroacoustic transducer is preferably applied to the carrier substrate with the side which carries the thin-film structure with the MEMS structures.
  • FIG. 6f shows the finished microphone, in which between the cap, the carrier substrate and the recess-sealing electroacoustic transducer WA a backside volume RV is included, which serves as a reference pressure for the electroacoustic transducer.
  • FIG. 7 shows a possibility of metallizing a plurality of electroacoustic transducers in terms of usefulness and of protecting the sound inlet opening and in particular the membrane of the transducer in a simple manner or of eliminating it from the metallization.
  • a corresponding number of electroacoustic transducers WA are mounted on a carrier substrate or a subcarrier in the useful, as shown for example in Figure 7a.
  • Suitable ball diameters may for example be between 0.5 and 2 millimeters, the balls preferably being glass spheres. In a simple way, these can also be shaken into the rear opening of the electroacoustic transducer. Excess balls can be easily removed because they are not fixed in the transducer opening.
  • FIG. 7b shows the transducers with the glass spheres GK arranged in their openings.
  • a metallization in the form of a shielding layer AS is preferably applied anisotropically vertical to the surface in a desired layer thickness.
  • the cover layer AS can be applied by sputtering or vapor deposition.
  • the shielding layer AS is applied directly to the finished microphones that are still in use via the common carrier substrate TS, then it may be necessary to protect and, for example, cover electrical connections in front of the shielding layer applied over a large area beforehand.
  • a stencil can be used in the metallization, which is placed on the carrier substrate.
  • the balls can be P2005, 0925
  • Figure 7d shows the arrangement with the metallized at the desired locations electro-acoustic transducers.
  • FIG. 8 shows a further embodiment of a microphone which has two or more electroacoustic transducers in one component. These are each produced via a separate recess in the carrier plate.
  • the recesses may be covered on the second surface with a common cap K.
  • the division can also take place with the semiconductor component HLB.
  • the sacrificial layer OS is structured in such a way that it does not project beyond the upper edge of the semiconductor component.

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Abstract

Es wird ein Mikrofon in miniaturisierter Bauweise vorgeschlagen, welches auf einer ersten Oberfläche eines flachen Trägersubstrats einen elektroakustischen Wandler trägt, der über einer Ausnehmung des Trägersubstrats angeordnet ist. Auf der zweiten Oberfläche des Trägersubstrats wird die Ausnehmung von einer auf dem Trägersubstrat aufsitzenden und mit dessen Oberfläche dicht abschließenden Kappe überspannt, die zumindest eine metallische Schicht zur elektromagnetischen Abschirmung aufweist. Unter der Kappe können Halbleiterbauelemente angeordnet sein, die die Funktion des Mikrofons unterstützen oder gewährleisten.

Description

P2005 , 0925
- 1 -
Beschreibung
MEMS-Mikrofon, Verfahren zur Herstellung und Verfahren zum Einbau
Von mobilen Kommunikationsgeräten geht ein enormer Miniaturi- sierungsdruck auf deren elektronische Komponenten aus. In besonderer Weise gilt dies z.B. auch für Mikrofone, da diese eine relativ hohe Bauform aufweisen und damit Einschränkungen für das Gerätedesign mobiler Kommunikationsgeräte darstellen.
Aus der veröffentlichten amerikanischen Patentanmeldung US 2005/ 0185812A1 ist ein Mikrofongehäuse bekannt, bei dem ein als MEMS-Bauelement ausgebildetes Mikrofon zusammen mit einem Halbleiterchip auf einer Basisplatte angeordnet und mit einer gemeinsamen Kappe gegen die Basisplatte abgedeckt ist . Die Basisplatte kann auf ihrer der Kappe entgegengesetzten Unterseite eine Schalleintrittsöffnung aufweisen, sodass das gesamte Bauelement auf der Leiterplattenrückseite aufgelötet werden kann, die der Schallquelle abgewandt ist. Dazu muss eine entsprechende Bohrung in der Leiterplatte vorgesehen sein. In einer weiteren Ausführung kann die Schalleintrittsöffnung in herkömmlicher Weise auf der Oberseite in der Kappe vorgesehen sein, sodass das Bauelement mit der Basisplatte auf die der Schallquelle zugewandten Oberfläche der Leiterplatte aufgebracht werden kann.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine weitere Bauform für miniaturisierte Mikrofone anzugeben, mit der die Gesamtbauhöhe von einer mit einem Mikrofon bestückten Leiterplatte reduziert werden kann. P2005 , 0925
_ p
Diese Aufgabe wird, erfindungsgeτnäß durch ein Mikrofon mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sowie ein Verfahren zur Herstellung des Mikrofons gehen aus weiteren Ansprüchen hervor.
Nachteilig an dem oben beschriebenen bekannten Mikrofon ist, dass die Gesamthöhe des Bauelements nicht weiter reduziert werden kann, da die Höhe des MEMS-Chips die Gesamthöhe des Bauelements wesentlich bestimmt. Um dieses Problem zu lösen, wird nun ein Mikrofon vorgeschlagen, mit dem die Dicke der Leiterplatte ausgenutzt werden kann, um den höhenbestimmenden MEMS-Chip aufzunehmen. Dazu wird bei einem flachen Trägersubstrat, das eine durch das Trägersubstrat hindurch reichende Ausnehmung aufweist, auf einer ersten Oberfläche ein die Ausnehmung zumindest zum Teil überdeckender elektroakustischer Wandler angeordnet . Auf der der ersten Oberfläche gegenüberliegenden zweiten Oberfläche sitzt eine die Ausnehmung überdeckende direkt auf dem Trägersubstrat aufsitzende und mit dessen Oberfläche dicht abschließende Kappe auf, die die Ausnehmung überspannt. Die Kappe weist zumindest eine metallische Schicht zur elektromagnetischen Abschirmung des elektro- akustischen Wandlers auf.
Dieses Mikrofon ist zur Montage auf der der Schallquelle abgewandten Rückseite der Leiterplatte geeignet, wobei eine Bohrung in der Leiterplatte den elektroakustischen Wandler aufnehmen kann. Bei den herkömmlichen Dicken heute verwendeter Leiterplatten von circa 0,5 bis 1,2 Millimeter ist es dabei möglich, dass der elektroakustische Wandler, der insbesondere als MEMS-Bauelement ausgebildet ist, vollständig in der Bohrung der Leiterplatte eingebettet ist. Die über der Oberfläche der Leiterplatte gemessene Gesamthöhe des Mikrofons nach dem Einbau ist daher nur noch durch die Höhe der P200Ξ , 0925
- 3 -
Kappe plus der Dicke des Trägersubstrats bestimmt. Diese kann im Bereich weniger Zehntel Millimeter liegen.
Der elektroakustische Wandler ist vorzugsweise ein auf einem Siliziumwafer aufgebautes MEMS-Bauelement . Zur elektroakusti- schen Wandlung sind alle bekannten Prinzipien geeignet, insbesondere kapazitiv und insbesondere auf dem piezoelektrischen Prinzip arbeitende Wandler. Derartige Bauelemente sind bekannt und zeichnen sich durch die gemeinsame Eigenschaft aus, dass die akustische Energie der Schallwelle eine Membran oder ein anderes bewegliches Teil zum Schwingen bringt, dessen Schwingungen über ein geeignetes Wandlerprinzip in elektrische Signale umgewandelt werden.
Das Trägersubstrat kann mit weiteren aktiven und/oder passiven elektrischen Bauelementen bestückt sein, die direkt mit der Mikrofonfunktion zusammenwirken können und direkt dem Mikrofon verschaltet sind. Solche Bauelemente können insbesondere Impedanzwandler beziehungsweise Verstärker sein, Tiefpassfilter, Signalprozessoren, Analog/Digital-Wandler o- der ESD-Schutzbauelemente gegen elektrostatische Überladung. Vorteilhaft sind diese zusätzlichen elektrischen Bauelemente auf der dem elektrischen Wandler gegenüber liegenden Oberfläche des Trägersubstrats und insbesondere unter der Kappe angeordnet. Die Kappe überspannt des weiteren einen zwischen ihr und dem Trägersubstrat ausgebildeten Hohlraum, der als Rückvolumen und damit als Referenz für den elektroakustischen Wandler dienen kann.
Die Kappe kann vollständig aus Metall ausgebildet und auf dem Trägersubstrat aufgelötet oder aufgeklebt sein. Alternativ kann sie auch aus einem nichtmetallischen Werkstoff bestehen, der mit einer metallischen Schicht beschichtet ist. Vorzugs- P2005 , 0925
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weise aber nicht zwingend ist die metallische Beschichtung an der Außenseite der Kappe angebracht. Als nichtmetallisches Trägermaterial kann die Kappe eine KunststoffSchicht umfassen, beispielsweise eine Kunststofffolie, die auf einer Seite mit einer metallischen Schicht beschichtet ist.
Das Trägersubstrat weist vorzugsweise zumindest eine Metallisierungsebene auf, die zu entsprechenden elektrischen Anschlussflächen und elektrischen Verbindungsleitungen. strukturiert sein kann. Zumindest auf der den elektroakustischen Wandler tragenden ersten Oberfläche sind mit dem elektroakustischen Wandler und vorzugsweise auch mit dem weiteren elektrischen Bauelement verbundene Kontakte angeordnet .
Die elektrische Verbindung zum auf der zweiten Oberfläche unter der Kappe angeordneten elektrischen Bauelement kann über in das Trägersubstrat integrierte Leitungen und insbesondere über Durchkontaktierungen erfolgen. Möglich ist es jedoch auch, dass der vorzugsweise auf dem Siliziumwafer aufgebaute elektroakustische Wandler entsprechende Anschlüsse aufweist, die über eine Drahtkontaktierung mit den Anschlussflächen auf der ersten Oberfläche des Trägersubstrats verbunden sind. Das Bauelement kann dann auch durch die Ausnehmung im Trägersubstrat hindurch mittels Bonddrähten mit dem elektroakustischen Wandler verbunden sein. Das Bauelement kann jedoch auch über Bonddrähte mit entsprechenden Anschlussflächen auf der zweiten Oberfläche des Trägersubstrats verbunden sein, die über Durchkontaktierungen durch das Trägersubstrat hindurch mit den entsprechenden Kontakten auf der ersten Oberfläche des Trägersubstrats verbunden sind. Möglich ist es jedoch auch, das Bauelement direkt mit den entsprechenden Kontakten auf der zweiten Oberfläche zu verbinden, beispielsweise in einer Flip-Chip-Anordnung. Die elektrische Verbindung kann über P2005 , 0925
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leitfähigen Kleber oder über eine Lötverbindung erfolgen. E- benso kann der elektroakustische Wandler aufgeklebt und drahtgebondet sein oder auf entsprechende Kontaktflächen aufgelötet oder mittels leitfähigem Kleber aufgeklebt sein.
Das Trägersubstrat kann auch mehrschichtig sein und zumindest eine weitere Metallisierungsebene in seinem Inneren aufweisen. In dieser kann eine Verdrahtung beziehungsweise Ver- schaltung realisiert sein. Möglich ist es jedoch auch, durch geeignete Strukturierung der Metallisierungsebene passive Komponenten in einer oder mehreren Metallisierungsebenen zu realisieren, beispielsweise Kapazitäten, Induktivitäten oder Widerstände. Entsprechend können diese passiven elektrischen Komponenten zu Verschaltungen verbunden sein, mit denen weitere elektrische Funktionen des Mikrofons oder mit diesem zusammenwirkende Bauelemente realisiert sind. Einzelne Metalli- sierungsebenen können durch Durchkontaktierungen verbunden sein. In ein Trägersubstrat aus organischen Laminaten können auch aktive Halbleiter-Bauelemente - ICs - eingebettet werden.
Der elektroakustische Wandler kann zur Wandlung zumindest eine mit Wandlerelektroden versehene piezoelektrische Schicht aufweisen. Die Wandlerelektroden können so ausgebildet, dass sie in der piezoelektrischen Schicht durch die akustische E- nergie erzeugte akustische Volumenwellen in elektrischen Signale verwandeln können. Vorzugsweise sind die Wandlerelektroden dann beidseitig der piezoelektrischen Schicht angeordnet . Möglich ist jedoch auch eine einseitige Anordnung von einander beabstandeter Wandlerelektroden zur Wandlung von Volumenwellen sowie ein geeignet ausgebildeter Wandler zur Wandlung von akustischen Oberflächenwellen oder Scherwellen. P2005 , 0925
- G -
Die auf der zweiten Oberfläche aufsitzende Kappe stellt eine elektromagnetische Rückseitenschirmung des Mikrofons dar. Vorteilhaft ist es, auch die zur Schallquelle hinweisende O- berfläche des elektroakustischen Wandlers mit einer elektromagnetischen Schirmung zu versehen. Dazu kann auf der ersten Oberfläche des Trägersubstrats und auf Teilen des elektroakustischen Wandlers eine abschirmende Schicht aufgebracht werden. Die abschirmende Schicht auf dem elektroakustischen Wandler kann auf allen nicht zur Membran beziehungsweise zu dem die Schwingung aufnehmenden Teil des elektroakustischen Wandlers aufgebracht sein.
Alternativ ist es natürlich auch möglich, diese Schirmung auf der der Schallquelle zugewandten Oberfläche der Leiterplatte vorzusehen. In diesem Fall ist es sogar möglich, die zur Schallquelle gerichtete Öffnung der Leiterplattenbohrung mit einer für Schallwellen durchlässigen und insbesondere netzartig ausgebildeten Abschirmung zu überdecken, beispielsweise mit einem metallischen oder metallisch beschichteten Netz o- der einer metallischen oder metallisch beschichteten löchrigen Folie oder einer metallisch beschichteten porösen Membran oder Platte .
Weitere elektroakustische Abschirmungen können im Inneren der Leiterplatte vorgesehen sein. So kann beispielsweise die Bohrung für den elektroakustischen Wandler in der Leiterplatte von innen leitfähig beschichtet sein. Möglich ist es auch, im Abstand zu der Bohrung aber diese umschließend eine Reihe von metallischen Strukturen innerhalb der Leiterplatte vorzusehen, beispielsweise einen Kranz von Durchkontaktierungen.
Vorzugsweise sind sämtliche zur elektromagnetischen Abschirmung vorgesehene Metallisierungen mit Erd- bzw. Massepotenzi- P2005 , 0925
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al verbunden, um elektrostatisch oder anderweitig erzeugte schädliche Spannungen und Ladungen sicher abzuleiten und dabei das Bauelement zu schützen und/oder elektromagnetische Störungen des gemessenen Signals zu verhindern.
Im Folgenden wird das Mikrofon sowie Verfahren zur Herstellung des Mikrofons anhand von Ausführungsbeispielen und der dazugehörigen Figuren näher erläutert. Die Figuren sind rein schematisch und nicht maßstabsgetreu ausgeführt, sodass sich daraus weder absolute noch relative Größenangaben entnehmen lassen.
Es zeigen im Einzelnen:
Figur 1 ein Mikrofon mit einer metallischen Kappe,
Figur 2 ein Mikrofon mit einer metallbeschichteten Kappe und einem elektrischen Bauelement,
Figur 3 ein Mikrofon mit einem weiteren elektrischen Bauelement, das über Bonddrähte angeschlossen ist,
Figur 4 ein auf einer Leiterplatte montiertes Bauelement,
Figur 5 ein auf einer Leiterplatte montiertes Bauelement mit zusätzlicher Abschirmung über dem elektroakustischen Wandler,
Figur 6 Verfahrensstufen eines Verfahrens zum Herstellen eines verkapselten Mikrofons,
Figur 7 Verfahrensstufen eines Verfahrens zum Erzeugen einer zusätzlichen Abschirmung auf dem elektroakustischen Wandler, und P2005 , 0925
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Figur 8 ein Mikrofon mit zwei elektroakustischen Wandlern auf einem gemeinsamen Trägersubstrat .
Figur 1 zeigt ein einfaches erfindungsgemäßes Mikrofon im schematischen Querschnitt. Das System ist auf einem Trägersubstrat TS aufgebracht, der aus einem organischen oder keramischen Material und insbesondere aus einem Laminat mit zumindest einer Metallisierungsebene, vorzugsweise aber mit mehreren zwischen elektrisch isolierenden Materialschichten eingebetteten Metallisierungsebenen aufgebaut ist. In diesen strukturierten Metallisierungsebenen können aktive und passive Komponenten realisiert sein, was insbesondere bei keramischen Laminaten aus HTCC oder LTCC von Vorteil ist. Für das Trägersubstrat TS sind weiterhin auch Glas oder Silizium geeignet. Bevorzugte Dicken liegen zwischen 0,1 und 0,5 Millimeter. Größere Schichtdicken sind natürlich möglich, erhöhen jedoch die Kosten und stehen der weiteren Miniaturisierung der Bauelemente beziehungsweise des Mikrofons entgegen.
Im Trägersubstrat wird eine Ausnehmung AN vorgesehen. Auf der ersten Oberfläche wird ein elektroakustischer Wandler WA so angeordnet, dass er die Ausnehmung vollständig überdeckt. Der elektroakustische Wandler WA ist insbesondere ein MEMS- Bauelement (micro electro mechanical System) , welches ein mit mikromechanischen Methoden vorzugsweise auf einem einkristallinen Material wie beispielsweise Silizium hergestellter Sensor ist, der nach einem kapazitiven oder piezoelektrischen Wirkungsprinzip arbeitet. In einem kristallinen Substratmaterial kann durch anisotrope Ätzung des Substrats der Wandler eine sich nach innen verjüngende Öffnung aufweisen, an deren Boden eine Membran beziehungsweise eine entsprechend ausgestaltete Zunge angeordnet ist, die von der akustischen Energie P2005 , 0925
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zum Schwingen gebracht wird. Auf der zweiten Oberfläche sitzt eine die Ausnehmung ebenfalls abdeckende Kappe K auf, die rundum gut und insbesondere hermetisch mit der Oberfläche des Trägersubstrats TS abschließen kann. Es können jedoch auch gezielt Undichtigkeiten zum langsamen Druckausgleich mit dem Umgebungsdruck vorgesehen werden. Auf diese Weise ist ein abgeschlossenes Rückseitenvolumen RV geschaffen, welches dem elektroakustischen Wandler als Referenz dient.
Die Kappe kann einen runden, eckigen oder beliebig gestalteten anderen Querschnitt aufweisen und umfasst zumindest eine Metallschicht oder ist vollständig aus Metall ausgebildet.
Figur 2 zeigt eine weitere Ausgestaltung eines Mikrofons, bei der unter der Kappe auf der zweiten Oberfläche des Trägersubstrats TS zusätzlich ein Halbleiterbauelement HLB angeordnet ist. Darüber hinaus ist hier eine mögliche Modifikation der Kappe K gezeigt, die aus einer Kunststofffolie KF, insbesondere einer Laminatfolie und einer darüber aufgebrachten Metallschicht MS besteht. Vorzugsweise ist die Kunststofffolie KF so strukturiert, dass die flächenmäßig größere Metallschicht MS die Kunststofffolie vollständig überlappt und rundum die Kunststofffolie KF bündig mit der Oberfläche des Trägersubstrats TS abschließt. Zumindest aber ist die Metallschicht an mindestens einer Stelle mit Massepotential verbunden, das auf dem Trägersubstrat an dort befindlichen Metalli- sierungsstrukturen anliegt .
Außerdem sind in Figur 2 auf der ersten Oberfläche des Trägersubstrats lötfähige Kontakte LK dargestellt, die in geeigneter Weise sowohl mit dem elektroakustischen Wandler WA als auch mit dem Halbleiterbauelement HLB verbunden sind. Die Verbindung kann über Leiterbahnen erfolgen, die auf der Ober- P2005 , 0925
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fläche aufgebracht sind. Möglich sind auch Verbindungen, die durch das Trägersubstrat hindurchführen.
Nicht dargestellt sind weitere Ausgestaltungen, bei denen mehrere gegebenenfalls auch unterschiedliche Halbleiterbauelemente oder passive Komponenten auf der zweiten Oberfläche unterhalb der Kappe K angeordnet und mit dem elektroakustischen Wandler WA verschaltet sind. Besonders bevorzugt bilden das oder die Halbleiterbauelemente zusammen mit dem elektro- akustischen Wandler WA, der dann beispielsweise als Resonator auf der Basis eines Oberflächenwellenbauelements oder als BAW-Resonator ausgebildet ist, eine Oszillatorschaltung. Weiter können im Trägersubstrat oder in Form eines Bauelements auf der zweiten Oberfläche des Trägersubstrat Maßnahmen realisiert sein, die zur Temperaturkondensation des elektroakus- tischen Wandlers dienen und dessen Temperaturgang durch aktive Regelung oder passiv durch geeignete Kompensationsmittel kompensieren .
Figur 3 zeigt eine weitere Ausführung des Mikrofons , bei der sowohl Halbleiterbauelement HLB als auch elektroakustischer Wandler WA, oder zumindest eines dieser beiden mittels einer Klebeschicht KS auf dem Trägersubstrat TS befestigt ist . Die elektrische Verbindung kann wie dargestellt zum Beispiel über Bonddrähte BD erfolgen, wobei ein durch die Ausnehmung AN im TrägerSubstrat TS geführter Bbnddraht Halbleiterbauelement HLB und elektroakustischen Wandler elektrisch miteinander verbinden kann. Möglich ist es jedoch auch, dass zumindest eine der elektrischen Verbindungen zu einer auf der Oberflä- i che des Trägersubstrats TS aufgebrachten Metallisierung über eine elektrisch leitfähig eingestellte Klebeschicht KS erfolgt. Besonders bevorzugt sind in diesem Fall anisotrop leitende Kleber, die eine Leitfähigkeit ausschließlich in Z- P2005,0925
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Richtung, also senkrecht zur Oberfläche des TrägerSubstrats aufweisen.
Figur 4 zeigt im schetnatisehen Querschnitt, wie ein Mikrofon in einer die gesamte Bauhöhe reduzierenden Weise auf einer Leiterplatte LP befestigt werden kann. Dazu wird in der Leiterplatte LP, die eine ein- oder mehrschichtige Platte mit einer oder mehreren Metallisierungsebenen ist, eine Öffnung OE vorgesehen, die ausreichend dimensioniert ist, um den e- lektroakustischen Wandler WA darin aufzunehmen. Das Trägersubstrat wird dann mit der ersten Oberfläche so auf die Leiterplatte aufgelegt und dort befestigt, dass der elektroakus- tische Wandler WA in die Öffnung OE hineinragt. Bei herkömmlichen Dicken für Leiterplatte und elektroakustischen Wandler ist es möglich, dass der Wandler WA vollständig in der Öffnung OE verborgen ist und nicht auf der gegenüberliegenden Oberfläche der Leiterplatte übersteht. Die elektrische Verbindung zwischen den Kontakten des Trägersubstrats und der Leiterplatte kann wiederum durch elektrisch leitfähigen Kleber oder durch Löten erfolgen. Mit der in der Figur nur schematisch dargestellten Anordnung wird ein Mikrofon erhalten, das von der zweiten Oberfläche her elektromagnetisch gegen äußere Felder abgeschirmt ist und daher einen davon ungestörten Betrieb aufweist.
Figur 5 zeigt weitere Ausgestaltungen des Mikrofons nach dem Einbau in eine Leiterplatte LP, mit denen ein sicherer Betrieb und eine weitere Abschirmung des Bauelements von der gegenüberliegenden Seite ermöglicht wird. Dazu kann beispielsweise der Zwischenraum zwischen Wandler WA und Innenseite der Öffnung OE mit einem Dichtmaterial DM aufgefüllt sein, beispielsweise mit einem ausgehärteten Reaktionsharz. Auf der dem TrägerSubstrat TS gegenüberliegenden Seite der P2005 / 0925
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Leiterplatte LP kann die Öffnung OE mit einer porösen Schicht, einem Netz oder Geflecht abgedeckt sein, die jeweils auf der Oberfläche metallisiert sind oder vollständig aus einem metallischen Material bestehen. In der Figur nicht dargestellt sind weitere Metallisierungen, die auf der gleichen Oberfläche wie die poröse Schicht PS auf die Oberfläche der Leiterplatte LP aufgebracht sind. Vorzugsweise sind sämtliche abschirmenden Schichten geerdet .
Alternativ oder zusätzlich kann der elektroakustische Wandler WA auf seiner in der Figur 5 nach unten weisenden Oberfläche mit einer weiteren abschirmenden Schicht AS (siehe Figur 7) versehen sein. Zusätzlich können die Innenwände der Öffnung OE ebenfalls metallisiert sein. Weiterhin ist es möglich, innerhalb der Leiterplatte um die Öffnung herum ein abschirmendes und die Öffnung umschließendes Gitter aus Durchkontaktie- rungen vorzusehen.
Figur 6 zeigt anhand schematischer Querschnitte verschiedene mögliche Verfahrensstufen gemäß einer Variante zur Herstellung eines Mikrofons . Dabei wird von dem bereits beschriebenen Trägersubstrat TS ausgegangen. Dieses kann ein- oder mehrschichtig sein und weist zumindest eine Metallisierungsebene auf, die Leiterbahn und daraus hergestellte Verschal- tungen umfasst. Auf einer ersten Oberfläche (in der Figur unten dargestellt) sind lötfähige Kontakte LK erzeugt, die mit entsprechenden Leiterbahnen auf der Oberfläche des Trägersubstrats TS verbunden sind. Auf der gegenüberliegenden zweiten Oberfläche ist ein Halbleiterbauelement HLB angeordnet und vorzugsweise ebenfalls mit Leiterbahn kontaktiert. Dies kann wie bereits beschrieben über einen Flip-Chip-Kontakt oder einen Bonddraht (in der Figur nicht dargestellt) erfolgen. Vorteilhaft kann der Flip-Chip-Kontakt mit einem anisotrop leit- P2005 , 0925
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fähigen Kleber hergestellt werden, der nur vertikal zur Klebstoffschient Leitfähigkeit aufweist. Damit lassen sich mit einer einzigen KlebstoffSchicht parallel mehrere elektrische Verbindungen herstellen, ohne diese durch die Klebstoffschicht kurzzuschließen. Figur 6a zeigt die Anordnung auf dieser Verfahrensstufe .
Im nächsten Schritt wird auf der zweiten Oberfläche über dem Halbleiterbauelement eine Opferschicht OS aufgebracht, die aus einem geeigneten, mit einem schonenden Verfahren wieder auflösbaren Material besteht, beispielsweise einer Paste oder einem organischen Material und insbesondere aus einem Re- sistfilm. Die Opferschicht OS kann dabei direkt strukturiert aufgebracht werden, beispielsweise in Druckverfahren, wofür Pasten oder entsprechend viskose Kunststoffmassen geeignet sind. Möglich ist es jedoch auch, die Opferschicht großflächig aufzutragen und erst anschließend zu strukturieren.
Wird für die Opferschicht OS ein Fotoresist und insbesondere eine Trockenresistfolie verwendet, die zum Beispiel auflaminiert werden kann, so kann die Strukturierung in einfacher Weise fotolithografisch durch Belichtung und Entwicklung des Fotoresists erfolgen. Die Strukturierung erfolgt so, dass das Volumen der Opferschicht dem späteren von der abdeckenden Kappe eingeschlossen Rückvolumen entspricht . Figur 6b zeigt die Anordnung auf dieser Verfahrensstufe .
Im nächsten Schritt wird eine erste Schicht einer mehrschichtigen Kappe erzeugt, beispielsweise eine Kunststofffolie KF. Vorzugsweise wird diese in einem plastisch verformbaren Zustand z.B. durch Laminieren oder Foliengießen aufgebracht und anschließend gehärtet. Das Auflaminieren kann durch erhöhte Temperatur sowie einen mechanischen Druck von der Oberseite P2005,0925
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beziehungsweise ein Vakuum von der Unterseite her unterstützt werden. Die Kunststofffolie kann beispielsweise eine Dicke von etwa 20 μm aufweisen. Folien solch geringer Dicke lassen sich noch gut verarbeiten und erzeugen eine dichte Oberfläche, die später metallisiert werden kann. Höhere Schichtdicken sind natürlich ebenfalls möglich, jedoch nicht erforderlich.
Im nächsten Schritt wird gemäß Figur Sd eine Metallschicht MS über der Kunststofffolie KF erzeugt. Dies erfolgt vorzugsweise in einem zweistufigen Prozess, wobei zunächst eine Grundmetallisierung beziehungsweise eine geeignete Haftschicht aufgesputtert und anschließend verstärkt wird. Als Grund- o- der HaftSchicht eignen sich insbesondere eines oder mehrere der Metalle Titan, Nickel, Chrom, Wolfram und Kupfer. Die Verstärkung gelingt vorzugsweise galvanisch oder stromlos mittels Kupfer oder Nickel . Eine Gold- oder Nickelschicht kann zusätzlich als Vergütungsschicht vorgesehen sein. In einer Variante der Verfahrens kann auf die Kunststofffolie auch verzichtet werden, sofern die Opferschicht OS metallisierbar ist, so dass die Metallschicht direkt auf der Opferschicht aufgebracht werden kann.
Eine geeignete Enddicke, die als gute Abschirmung für das Mikrofon geeignet ist, liegt zwischen 10 und 100 μm. Höhere Schichtdicken sind natürlich ebenfalls möglich, für den gewünschten Zweck der Abschirmung jedoch nicht erforderlich.
Die Metallschicht wird so aufgebracht, dass sie mit der zweiten Oberfläche des Trägersubstrats TS abschließt. Dadurch wird - falls erforderlich - eine hermetische Abdichtung zum Trägersubstrat möglich. Die Strukturierung der Metallschicht kann dabei bereits nach der Erzeugung der Grund- oder Haftme- P2005,0925
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tallisierung erfolgen. Möglich ist es auch, unter der Metallisierung eine Lift-Off-Schicht aufzubringen und nach der Metallisierung beziehungsweise der Herstellung der Metallschicht MS in einem Lift-Off-Prozess samt der darüber liegenden Metallschicht wieder zu entfernen.
Die so erzeugte und aus Kunststofffolie und Metallschicht bestehende Kappe liegt allseitig auf der strukturierten Opferschicht OS auf, die nun entfernt wird. Dazu kann auf dieser Verfahrensstufe eine Ausnehmung AN im Trägersubstrat TS erzeugt werden, durch die hindurch die Opferschicht von der ersten Oberfläche her zugänglich ist. Figur 6e zeigt die Anordnung nach der Herstellung der Ausnehmung.
Möglich ist es jedoch auch, die Ausnehmung bereits in einem früheren Verfahrensstadium zu erzeugen, beispielsweise vor dem Aufbringen des Halbleiterbauelements HLB und auf jeden Fall vor dem Aufbringen der Opferschicht OS . Dies wird möglich, wenn die Opferschicht die Ausnehmung überspannen kann, was insbesondere bei einer Trockenresistfolie als Opferschicht möglich ist.
Die Ausnehmung kann je nach Material des Trägersubstrats durch Bohren, Fräsen, Ätzen, Laserstrahlen, Sandstrahlen, Stanzen oder auch Ultraschallerodieren erzeugt werden. Das Entfernen der Opferschicht durch die Ausnehmung hindurch kann vorzugsweise mit einem Lösungsmittel erfolgen, beispielsweise einem organischen Lösungsmittel für eine organische Opferschicht beziehungsweise einem wässrigen Lösungsmittel für eine Paste. Das Auflösen der Opferschicht kann außerdem mit Ultraschall unterstützt werden. P2005,0925
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Abschließend wird der elektroakustische Wandler auf der ersten Oberfläche über der Ausnehtnung aufgebracht und elektrisch mit den Leiterbahnen auf dem Trägersubstrat verbunden. Die elektrische Verbindung kann mit leitfähigem Kleber und insbesondere mit anisotrop leitfähigem Kleber erfolgen. Möglich sind auch andere Flip-Chip-Verfahren mittels einer Bump- Technik, in diesem Fall werden anschließend an die Kontaktie- rung etwaiger Lücken zwischen dem Wandler und dem Trägersubstrat mit einem geeigneten Material insbesondere mit Under- filler abgedichtet. Der elektroakustische Wandler wird vorzugsweise mit derjenigen Seite, die den Dünnschichtaufbau mit den MEMS-Strukturen trägt, auf das Trägersubstrat aufgebracht. Möglich ist es jedoch auch, den Wandler mit der Trägerseite, insbesondere mit dem Siliziumchip auf das Trägersubstrat aufzubringen, sofern es etwa über Durchkontaktierun- gen verfügt .
Figur 6f zeigt das fertige Mikrofon, bei dem zwischen der Kappe, dem Trägersubstrat und dem die Ausnehmung abdichtenden elektroakustischen Wandler WA ein Rückseitenvolumen RV eingeschlossen ist, welches als Referenzdruck für den elektroakustischen Wandler dient .
Figur 7 zeigt eine Möglichkeit, eine Vielzahl elektroakusti- scher Wandler im Nutzen zu metallisieren und dabei die Schalleintrittsöffnung und insbesondere die Membran des Wandlers in einfacher Weise zu schützen beziehungsweise von der Metallisierung auszusparen. Dazu wird eine entsprechende Anzahl elektroakustischen Wandler WA auf einem Trägersubstrat oder einem Hilfsträger im Nutzen montiert, wie zum Beispiel in Figur 7a dargestellt. P2005,0925
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Anschließend werden in die nur schematisch dargestellten zur Membran führenden Öffnungen des Wandlers kleine Kugeln passenden Durchmessers eingelegt. Der Durchmesser ist so abgestimmt, dass er am elektroakustischen Wandler eine ausreichende Abschattung erzeugen kann. Geeignete Kugel-Durchmesser können beispielsweise zwischen 0,5 und zwei Millimeter liegen, wobei die Kugeln vorzugsweise Glaskugeln sind. In einfacher Weise können diese auch in die rückseitige Öffnung der elektroakustischen Wandler eingerüttelt werden. Überschüssige Kugeln lassen sich einfach entfernen, da sie nicht in der Wandleröffnung fixiert sind. Figur 7b zeigt die Wandler mit den in ihren Öffnungen angeordneten Glaskugeln GK.
Im nächsten Schritt wird eine Metallisierung in Form einer abschirmenden Schicht AS vorzugsweise anisotrop vertikal zur Oberfläche in einer gewünschten Schichtdicke aufgebracht . Die Abdeckschicht AS kann durch Sputtern oder Aufdampfen aufgebracht werden.
Wird die Abschirmschicht AS direkt auf die noch im Nutzen ü- ber das gemeinsame Trägersubstrat TS zusammenhängenden fertigen Mikrofone aufgebracht, so kann es erforderlich sein, vorher noch elektrische Anschlüsse vor der großflächig aufgebrachten Abschirmschicht zu schützen und beispielsweise abzudecken. Dazu kann bei der Metallisierung eine Schablone verwendet werden, die auf das Trägersubstrat aufgelegt wird.
Wenn die Abschirmschicht in einem ausreichend anisotropen Verfahren aufgebracht wird, bleiben unterhalb des Kugeläquators liegende Bereiche von der Abschirmschicht frei, sodass keine Verbindung zwischen der Abschirmschicht auf der Kugel- Oberfläche und der auf der Oberfläche des elektroakustischen Wandlers entsteht. Daher lassen sich die Kugeln nach dem Er- P2005 , 0925
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zeugen der Abschirmschicht in einfacher Weise entfernen. Figur 7d zeigt die Anordnung mit den an den gewünschten Stellen metallisierten elektroakustischen Wandlern.
In Figur 8 ist eine weitere Ausgestaltung eines Mikrofons dargestellt, welches zwei oder mehr elektroakustische Wandler in einem Bauelement aufweist. Diese sind jeweils über einer eigenen Ausnehmung in der Trägerplatte erzeugt . Die Ausnehmungen können auf der zweiten Oberfläche mit einer gemeinsamen Kappe K abgedeckt sein. Dabei ist es vorteilhaft, das Rückseitenvolumen RV zu unterteilen, sodass für jeden Wandler WA ein eigenes Rückseitenvolumen zur Verfügung steht . Die Aufteilung kann wie in Figur 8 dargestellt auch mit dem Halbleiterbauelement HLB erfolgen. Dazu wird die Opferschicht OS so strukturiert, dass sie nicht über die Oberkante des Halbleiterbauelements übersteht. Bei der Verwendung mehrerer Wandler kann es auch erforderlich sein, mehrere Halbleiterbauelemente vorzusehen, von denen in der Figur 8 der Übersichtlichkeit halber nur eines dargestellt ist. Möglich ist es jedoch auch, ein Mikrofon mit einer Mehrzahl von Wandlern vorzusehen, wobei auf der zweiten Oberfläche des Trägersubstrats im Bereich jedes einzelnen Wandlers WA eine eigene Kappe aufgebracht ist, die über der Ausnehmung ein eigenes Rückseitenvolumen schafft.
Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt und erlaubt eine Reihe möglicher Abwandlungen, die im einzelnen hier nicht beschrieben werden können. Gleiches betrifft das Herstellverfahren, für das nur vorteilhafte Ausführungen vorgeschlagen wurden. So ist insbesondere die Reihenfolge der einzelnen Verfahrensschritte meist beliebig austauschbar, sofern sie sich nicht gegenseitig bedingen. P2005,0925
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Bezugszeichenliste
WA elektroakustischer Wandler /MEMS Bauelement
TS Trägersubstrat
AN Ausnehmung
K Kappe
HLB Halbleiterbauelement
KF Kunststofffolie
MS Metallschicht
LK lötfähige Kontakte auf erster Oberfläche
KS Kleberschicht
DK Durchkontaktierungen
AS abschirmende Schicht auf erster Oberfläche
OS Opferschicht
LK leitfähiger Kleber
GK Kugeln aus Glas
LP Leiterplatte
OE Öffnung oder Bohrung in Leiterplatte
DM Dichtmaterial in Fugen zwischen MEMS und Bohrung
RV Rückseitenvolumen
BD Bonddraht
PS poröse Schicht

Claims

P2005 , 0925- 20 -Patentansprüche
1. Mikrofon in miniaturisierter Bauweise, umfassend
- ein flaches Trägersubstrat mit einer durch das Trägersubstrat hindurchreichenden Ausnehmung
- einen auf einer ersten Oberfläche des Trägersubstrat angeordneten, die Ausnehmung zumindest zum Teil überdeckenden elektroakustischen Wandler
- eine auf der, der ersten Oberfläche gegenüberliegenden zweiten Oberfläche aufsitzende und mit dieser O- berflache dicht abschließende Kappe, die die Ausnehmung überspannt, wobei die Kappe zumindest eine metallische Schicht zur elektromagnetischen Abschirmung aufweist .
2. Mikrofon nach Anspruch 1 , bei dem der elektroakustischen Wandler ein auf einem Silizi- umwafer aufgebautes MEMS Bauelement ist.
3. Mikrofon nach Anspruch 1 oder 2 , bei dem die Kappe mehrschichtig aufgebaut ist, wobei die metallische Schicht die äußerste Schicht ist.
4. Mikrofon nach Anspruch 3 , bei dem die innerste Schicht der Kappe eine Kunststofffolie ist.
5. Mikrofon nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem auf der ersten Oberfläche des Trägersubstrats lötfähige Kontakte angeordnet sind, die elektrisch mit den Anschlüssen des elektroakustischen Wandlers und/oder weiteren integrierten Bauelementen verbunden sind. P2005,0925
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6. Mikrofon nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem auf der zweiten Oberfläche des Trägersubstrats unter der Kappe zumindest ein elektrisches Bauelement angeordnet ist, das elektrisch mit dem elektroakustischen Wandler verschaltet ist und das ausgewählt ist aus Impedanzwandler, Verstärker, Tiefpass, Signalprozessor, A/D Wandler und Schutzbauelement .
7. Mikrofon nach einem der Ansprüche 1 bis 6 , bei dem Trägersubstrat zumindest eine Metallisierungsebene aufweist, in der elektrische Anschlussleitungen verlaufen.
8. Mikrofon nach Anspruch 7 , bei dem das Trägersubstrat mehrschichtig ist und zumindest eine weitere Metallisierungsebene in seinem Inneren aufweist, wobei die Metallisierungsebenen durch dazwischen angeordnete elektrisch isolierenden Schichten getrennt sind und die Verbindung zwischen den eine Verschaltung bildenden Metallisierungsebenen über Durchkontaktierungen erfolgt.
9. Mikrofon nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem der elektroakustische Wandler zumindest eine mit Wandlerelektroden versehene piezoelektrische Schicht zur e- lektroakustischen Wandlung der Schallsignale aufweist .
10.Mikrofon nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem auf der ersten Oberfläche des Trägersubstrats und auf Teilen des elektroakustischen Wandlers eine Metall umfassende abschirmende Schicht aufgebracht ist.
11.Mikrofon nach einem der Ansprüche 1 bis 10, P2005,0925
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bei dem auf der ersten Oberfläche des Trägersubstrats ein zweiter elektroakustischen Wandler über einer zweiten Ausnehmung angeordnet ist .
12. Mikrofon nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei dem elektroakustische Wandler einen aus kristallinem Silizium bestehenden Körper aufweist, der auf seiner vom Trägersubstrat entfernten Oberfläche eine Schalleintrittsöffnung aufweist, die mit einer porösen metallisierten Membran verschlossen ist.
13. Verfahren zur Herstellung eines verkapselten Mikrofons,
A. bei dem auf einer zweiten Oberfläche eines Trägersubstrats eine Opferschicht aufgebracht und strukturiert wird,
B. bei dem über der strukturierten Opferschicht und dem Trägersubstrat zumindest eine Verkapselungsschicht erzeugt wird, die um die Opferschicht herum dicht mit dem Trägersubstrat abschließt,
C. bei dem von der gegenüberliegenden ersten Oberfläche aus eine durch das Trägersubstrat bis zur Opferschicht reichende Ausnehmung erzeugt wird,
D. bei dem die Opferschicht durch die Ausnehmung hindurch entfernt oder aufgelöst wird, so dass eine freitragende durch die zumindest eine Verkapselungsschicht gebildete freitragende Kappe verbleibt,
E. bei dem über der Ausnehmung ein elektroakustischer Wandler angeordnet wird.
14.Verfahren nach Anspruch 13, bei dem im Verfahrensschritt A als Opferschicht eine Re- sistschicht verwendet wird, die direkt photostrukturiert und P2005 , 0925
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im Verfahrensschritt D mittels eines Lösungsmittels aufgelöst wird.
15.Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, bei dem vor dem Aufbringen der Opferschicht zumindest ein e- lektrisches Bauelement auf der zweiten Oberfläche des Trägersubstrats aufgebracht wird, das nach Verfahrensschritt D unter der Kappe angeordnet ist.
16.Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, bei dem im Verfahrensschritt B als VerkapselungsSchicht zumindest eine metallische Schicht aufgebracht wird.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 16, bei dem direkt auf die Opferschicht eine Kunststofffolie insbesondere durch Auflaminieren aufgebracht wird.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 oder 17, bei dem zum Aufbringen der metallischen Schicht auf die Opferschicht oder auf die darüber angeordnete Kunststofffolie eine Grundmetallisierung aufgedampft oder aufgesputtert und anschließend in einem galvanischen oder stromlosen Abscheideverfahren aus einer Lösung verstärkt wird.
19.Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 18, bei dem alle Verfahrensschritte im Nutzen durchgeführt werden, wobei auf einem großflächigen Trägersubstrat eine Anordnung mehrerer Kappen erzeugt und eine entsprechende Anzahl elektroakustischer Wandler auf der gegenüberliegenden Oberfläche aufgebracht werden.
20.Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 19, P2005 , 0925
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bei dem im Verfahrensschritt E der elektroakustische Wandler aufgelötet oder mit einem leitfähigen Kleber aufgeklebt wird.
21.Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 20, bei dem nach Verfahrensschritt E auf die erste Oberfläche des Trägersubstrats Metall aufgedampft oder aufgesputtert wird, wobei zumindest die die Schalleintrittsöffnung des elektro- akustischen Wandlers abgedeckt wird.
22.Verfahren nach Anspruch 21, bei dem die Abdeckung der Schalleintrittsöffnung durch Einlegen oder durch Einrütteln im Mutzen von an die Größe der Schalleintrittsöffnung angepassten Kugeln aus Glas oder einem anderen Dielektrikum erfolgt .
23.Verfahren zum Einbau eines Mikrofons nach einem der Ansprüche 1 bis 12 in eine Leiterplatte,
- bei dem in der Leiterplatte eine den elektroakusti- schen Wandler aufnehmende Öffnung vorgesehen wird,
- bei dem das mit der Kappe und dem elektroakustischen Wandler versehene Trägersubstrat so auf die Leiterplatte aufgelötet oder aufgeklebt wird, dass der Wandler in die Öffnung hineinragt und dass dabei die lötfähige Kontakte des Mikrofons auf der ersten Oberfläche des Trägersubstrats elektrisch mit entsprechenden Kontakten auf der Unterseite der Leiterplatte verbunden werden.
24. Verfahren nach Anspruch 23, bei dem die Öffnung in der Leiterplatte innen metallisch kaschiert ist.
25. Verfahren nach Anspruch 23 oder 24, P2005, 0925
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bei dem der Spalt zwischen Wandler und Innenwand der Öffnung mit einem Dichtmaterial verschlossen wird.
PCT/DE2006/001946 2005-11-10 2006-11-06 Mems-mikrofon, verfahren zur herstellung und verfahren zum einbau WO2007054071A1 (de)

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