WO2008155296A2 - Bauelement mit spannungsreduzierter befestigung - Google Patents

Bauelement mit spannungsreduzierter befestigung Download PDF

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    • H03H9/172—Means for mounting on a substrate, i.e. means constituting the material interface confining the waves to a volume
    • H03H9/174—Membranes

Definitions

  • An object to be solved is to specify a component mounting which makes it possible to fasten a component, for example a piezoelement, to a substrate without mechanical stresses.
  • the device is applied via a resilient suspension on top of a substrate, so that the device can move relative to the substrate.
  • the suspension preferably comprises an elastic element.
  • the modulus of elasticity of the elastic element is less than the modulus of elasticity of the device or of the substrate.
  • the suspension is suitable for voltage-sensitive components, in particular MEMS components. Furthermore, the suspension is suitable for component with micromechanical structures that are sensitive to mechanical stresses in the suspension.
  • the component is preferably a bridge-type BAW resonator.
  • the elastic element is formed as a membrane, which is stretched over the substrate and with which the component is suspended above the substrate.
  • a soft frame can be attached around the device, which can absorb stresses.
  • the substrate and the device are mechanically decoupled from each other.
  • the frame preferably has a significantly lower modulus of elasticity (Young's modulus) E and thus a lower rigidity than the materials used in the component.
  • This lower rigidity can be achieved by a soft polymer or by a very thin and possibly structured metal layer.
  • a spring element is used to suspend the component above the substrate. This is preferably arranged between substrate and component. In a preferred variant, this is a leaf spring.
  • connections between the device and the substrate via a frame have a thickness which is sufficient to fix the device over the substrate.
  • the device can rest on the substrate, or be separated by an air gap.
  • the connection is soft enough to compensate for mechanical stress.
  • Mechanical stresses can arise, for example, during the manufacturing process or during later operation due to temperature changes.
  • the substrate preferably has a depression underneath the component which is spanned by the membrane.
  • the recess extends through the entire substrate.
  • the substrate then has an opening which is spanned by the membrane.
  • the edge of the device is preferably located above the edge of the substrate.
  • the edges may also be completely over the depression.
  • the suspension of the component takes place at the side edges.
  • the component rests with a lower edge region on the membrane.
  • the suspension of the component can take place via edge regions of the component on the underside of the membrane.
  • the membrane may also cover larger areas of the device or the entire surface of the device.
  • the device has metal electrodes on first and second sides that may be retracted in regions of the suspension to decouple the acoustically active region from the suspension.
  • the soft membrane can absorb the production-related or by different temperature coefficients of expansion resulting tension.
  • a static pressure can build up due to temperature.
  • a pressure equalization opening is provided in the membrane, through which the pressure can escape to the outside.
  • FIG. 1 shows a first embodiment in which the substrate has a depression below the resonator.
  • Figure 2 shows a second embodiment in which there is an opening in the substrate under the resonator.
  • FIGS. 3a-3c show different variants of the suspension of the resonator with the aid of a membrane.
  • Figures 4a-4d show various variants of the suspension of the resonator with partially recessed portions of the metal electrodes.
  • FIG. 5 shows a further embodiment in which the suspension of the resonator on the substrate takes place via a spring.
  • FIG. 1 shows a first exemplary embodiment in which the component 1 is suspended via a membrane 4. Under the membrane 4 is located in the substrate 3, a recess 6, which decouples the device 1 from the substrate. The component 1 rests on the membrane 4. Preferably, a pressure equalization opening 12 is located in the membrane 4. This pressure equalization opening 12 is used to compensate for the static pressure that can form in the recess 6 during operation due to temperature changes.
  • the component designed here as a resonant bulk acoustic wave device comprises a piezoelectric layer having metal electrodes 10 on two sides.
  • the membrane has a lower rigidity than the component and is in particular formed from a polymer.
  • the elastic membrane ensures that no lateral tensioning of the resonator with the substrate can occur.
  • the resilient and compliant membrane may receive forces that are at different thermal expansions or stresses that have occurred in the manufacturing process, such that the resonator or the MEMS device is suspended in a stress-free state.
  • FIG. 2 shows a further exemplary embodiment, in which a substrate is located underneath the component 1 in the substrate 3 Opening 7 is located. This opening 7 is covered by a membrane 4. In the membrane 4 there is a pressure equalization opening 12, but can also be dispensed with because of the "bottom" opening 7 of the substrate 3.
  • the membrane 4 is stretched over the component, so that the component 1 on the side facing away from the membrane 4 but the substrate 3 side facing a free area 11, which preferably comprises the entire underside of the component 1.
  • the membrane 4 is preferably against the side edges 8 of the device 1.
  • FIG. 3 b shows a further exemplary embodiment in which the component 1 rests on the membrane 4 above the recess 6 of the substrate 3 only with an edge region 9.
  • the component 1 on the underside can have a region 11 which is free from the membrane 4 and corresponds to a recess in the membrane 4.
  • FIG. 3c Another embodiment is shown in FIG. 3c.
  • the component 1 is held by the membrane 4 at the side edges 8 of the device 1.
  • the component 1 can have a region 11 which is free of the membrane 4, both on the underside and on the upper side.
  • Variants 4a to 4d show exemplary embodiments in which the metal electrodes 10 are retracted on the component 1 in edge regions 9, so that the acoustically active regions are decoupled from the membrane.
  • the device 1 is only with an edge region 9 on the Membrane 4 and covers a provided in the membrane 4 recess so that on the underside of the device 1, a free area 11 may occur.
  • the metal electrodes 10 are here withdrawn on both sides, so that the device 1 of metal electrodes 10 may have free areas on the top and bottom.
  • the attachment of the component 1 takes place via the side edges 8 of the component 1.
  • the membrane 4 can cover a narrow edge region 9 of the component 1 on the upper side of the component 1.
  • the areas with metal electrodes 10 are pulled back on both sides of the component edge and are not in contact with the membrane 4th
  • the metal electrodes 10 are retracted only on the upper side of the component 1.
  • the underside of the component 1 is covered flat with a metal electrode 10.
  • the membrane 4 can cover a narrow edge region of the upper side of the component 1, but is preferably not in contact with the metal electrodes 10 on the upper side so that the membrane 4 does not damp the vibration of the component 1 formed as a resonator caused.
  • FIG. 4 d shows a variant embodiment in which the metal electrodes 10 are retracted only on the underside of the component 1 and are thereby decoupled from the attachment.
  • the membrane 4 can cover a narrow edge area 9 on the upper side of the component 1, and thus also a narrow edge area of the upper metal electrodes 10, since this edge area does not become active due to the metal electrodes 10 being pulled back Area of the resonator hears no damping of resonator vibrations occurs here.
  • FIG. 5 shows a variant of the attachment of the component 1 to the substrate 3, in which the suspension takes place via a spring element 2.
  • the component 1 is fastened by means of the spring element 2 via a recess 6.
  • the invention is not limited to these. It is possible in principle that the membrane also covers other areas of the component, or that the attachment of the component takes place not only on the side edges or edge regions. It is also conceivable that there are a plurality of recesses under the component or that a plurality of components are arranged on a substrate and are fastened over a common or a plurality of separate recesses by means of a membrane or another suspension.
  • the device is not limited to the number of elements shown schematically.

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Acoustics & Sound (AREA)
  • Piezo-Electric Or Mechanical Vibrators, Or Delay Or Filter Circuits (AREA)
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Abstract

Es wird ein Bauelement (1) vorgeschlagen, bei dem die Aufhängung des Bauelements (1) in spannungsreduzierter Art und Weise erfolgt. Das Bauelement (1) kann auf einer Membran (4) aufliegen oder durch ein Federelement (2) gehalten werden. Die Membran (4) oder das Federelement (2) befinden sich über einer Vertiefung (6) oder einer Öffnung (7), die von der Membran (4) teilweise überspannt wird. Bevorzugt weist die Membran (4) ein E-Modul auf, das kleiner oder gleich dem E-Modul des Bauelements (1) oder des Substrats (3) ist. Das Bauelement (1) kann auf zwei Seiten ganz oder teilweise flächig mit Metallelektroden (10) bedeckt sein.

Description

Beschreibung
Bauelement mit spannungsreduzierter Befestigung
Es wird eine Befestigung für elektrische Bauelemente, beispielsweise Bridge-Type BAW-Resonatoren beschrieben, die eine mechanisch spannungsreduzierte Fixierung der Bauelemente ermöglicht .
Aus der Druckschrift US 2005/0128027 Al ist ein Dünnfilm FBAR Resonator bekannt.
Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, eine Bauelementbefestigung anzugeben, die es ermöglicht, ein Bauelement, beispielsweise ein Piezoelement ohne mechanische Spannungen an einem Substrat zu befestigen.
Das Bauelement ist über eine elastische Aufhängung oben auf einem Substrat aufgebracht, so dass sich das Bauelement gegenüber dem Substrat bewegen kann. Die Aufhängung umfasst bevorzugt ein elastisches Element. Vorzugsweise ist das E- Modul des elastischen Elements geringer als das E-Modul des Bauelements oder des Substrats.
Die Aufhängung ist für spannungsempfindliche Bauelemente, insbesondere MEMS-Bauelemente geeignet. Des Weiteren ist die Aufhängung für Bauelement mit mikromechanischen Strukturen geeignet, die gegenüber mechanischen Spannungen in der Aufhängung empfindlich sind. Bei dem Bauelement handelt es sich bevorzugt um einen Bridge-Type BAW-Resonator . Bevorzugt ist das elastische Element als eine Membran ausgebildet, die über das Substrat gespannt ist und mit der das Bauelement über dem Substrat aufgehängt ist.
Um das Bauelement mit einem Substrat zu verbinden, ohne es lateral einzuspannen, was zu mechanischen Verspannungen führen kann, kann um das Bauelement ein weicher Rahmen angebracht werden, der Verspannungen aufnehmen kann. Somit werden das Substrat und das Bauelement voneinander mechanisch entkoppelt .
Der Rahmen weist bevorzugt ein deutlich geringeres Elastizitätsmodul (Youngsches Modul) E und damit eine geringere Steifigkeit als die im Bauelement verwendeten Werkstoffe auf. Diese geringere Steifigkeit kann durch ein weiches Polymer oder durch eine sehr dünne und gegebenenfalls strukturierte Metallschicht erreicht werden. Als Polymere können beispielsweise BCB (Benzocyclobuten) mit bevorzugt E = 10 GPa oder Parylen mit bevorzugt E = 0.07 GPa eingesetzt werden. Demgegenüber weisen die im Bauelement verwendeten Werkstoffe Werte des Elastizitätsmoduls beispielsweise im Bereich von E = 75 GPa (Passivierungsschicht : SiO2), E = 107 GPa (Substrat: Si) bis E = 310 GPa (Piezoschicht : AlN) auf.
In einer weiteren Ausführungsvariante wird zur Aufhängung des Bauelements über dem Substrat ein Federelement verwendet. Dieses ist bevorzugt zwischen Substrat und Bauelement angeordnet. In einer bevorzugten Variante handelt es sich hierbei um eine Blattfeder.
Die Verbindungen zwischen Bauelement und Substrat über einen Rahmen weisen eine Stärke auf, die ausreicht, um das Bauelement über dem Substrat zu fixieren. Das Bauelement kann auf dem Substrat aufliegen, oder durch einen Luftspalt getrennt sein. Gleichzeitig ist die Verbindung weich genug, um mechanische Spannungen auszugleichen.
Mechanische Spannungen können zum Beispiel während des Herstellungsprozesses oder im späteren Betrieb durch Temperaturveränderungen entstehen .
Das Substrat weist unter dem Bauelement bevorzugt eine Vertiefung auf, die durch die Membran überspannt wird.
In einer weiteren Ausführungsform reicht die Vertiefung durch das komplette Substrat. Das Substrat weist dann eine Öffnung auf, die von der Membran überspannt wird.
Die Kante des Bauelements befindet sich bevorzugt über dem Rand des Substrats. Die Kanten können sich aber auch vollständig über der Vertiefung befinden.
In einer Ausführungsvariante erfolgt die Aufhängung des Bauelements an dessen Seitenkanten. In einer weiteren Variante liegt das Bauelement mit einem unteren Randbereich auf der Membran auf. In einer weiteren Variante kann die Aufhängung des Bauelements über Randbereiche des Bauelements an der Unterseite der Membran erfolgen. Die Membran kann auch größere Bereiche des Bauelements oder die gesamte Oberfläche des Bauelements überdecken.
Das Bauelement weist auf einer ersten und einer zweiten Seite Metallelektroden auf, die in Bereichen der Aufhängung zurückgezogen sein können, um den akustisch aktiven Bereich von der Aufhängung zu entkoppeln. Die weiche Membran kann die herstellungsbedingten beziehungsweise durch unterschiedliche Temperaturkoeffizienten der Ausdehnung entstehenden Verspannungen aufnehmen.
In der Vertiefung im Substrat kann sich temperaturbedingt ein statischer Druck aufbauen. In einer Variante ist daher eine Druckausgleichsöffnung in der Membran vorgesehen, durch die der Druck nach außen entweichen kann.
Die nachfolgend im Rahmen von Ausführungsbeispielen beschriebenen Zeichnungen sind nicht als maßstabsgetreu aufzufassen. Vielmehr können zur besseren Darstellung einzelne Dimensionen vergrößert, verkleinert oder auch verzerrt dargestellt sein.
Elemente, die einander gleichen oder die die gleiche Funktion übernehmen, sind mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Stellvertretend für andere mögliche Bauelemente werden mögliche Aufhängungsvarianten nur für einen mit akustischen Volumenwellen arbeitenden Resonator beschrieben, sind aber in einfacher Weise auf andere Bauelementtypen übertragbar.
Figur 1 zeigt eine erste Ausführungsform bei der das Substrat unter dem Resonator eine Vertiefung aufweist.
Figur 2 zeigt eine zweite Ausführungsform bei der sich unter dem Resonator im Substrat eine Öffnung befindet.
Figur 3a - 3c zeigt unterschiedliche Varianten der Aufhängung des Resonators mit Hilfe einer Membran. Figur 4a - 4d zeigt verschiedene Varianten der Aufhängung des Resonators mit teilweise zurückgezogenen Bereichen der Metallelektroden.
Figur 5 zeigt eine weitere Ausführungsform, bei der die Aufhängung des Resonators am Substrat über eine Feder erfolgt .
In Figur 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem das Bauelement 1 über eine Membran 4 aufgehängt ist. Unter der Membran 4 befindet sich im Substrat 3 eine Vertiefung 6, die das Bauelement 1 vom Substrat entkoppelt. Das Bauelement 1 liegt auf der Membran 4 auf. Bevorzugt befindet sich in der Membran 4 eine Druckausgleichsöffnung 12. Diese Druckausgleichsöffnung 12 dient zum Ausgleich des statischen Drucks, der sich in der Vertiefung 6 bei Betrieb durch Temperaturänderungen bilden kann. Das hier als mit akustischen Volumenwellen arbeitender Resonator ausgebildete Bauelement umfasst eine piezoelektrische Schicht, die auf zwei Seiten Metallelektroden 10 aufweist. Die Membran weist eine geringere Steifigkeit auf als das Bauelement und ist insbesondere aus einem Polymer ausgebildet.
Durch die elastische Membran ist gewährleistet, dass es zu keiner lateralen Verspannung des Resonators mit dem Substrat kommen kann. Die elastische und nachgiebige Membran kann Kräfte, die bei unterschiedlichen thermischen Ausdehnungen oder bei Verspannungen, die im Herstellungsprozess aufgetreten sind, aufnehmen, so dass der Resonator oder das MEMS Bauelement in einem verspannungsfreien Zustand aufgehängt ist.
In Figur 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem sich unter dem Bauelement 1 im Substrat 3 eine Öffnung 7 befindet. Diese Öffnung 7 wird von einer Membran 4 überspannt. In der Membran 4 befindet sich eine Druckausgleichsöffnung 12, auf die aber auch wegen der „unten" geöffneten Öffnung 7 des Substrats 3 verzichtet werden kann.
Figur 3a stellt eine weitere Variante der Befestigung des Bauelements 1 über einer Vertiefung 6 dar. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Membran 4 über das Bauelement gespannt, so dass das Bauelement 1 auf der von der Membran 4 abgewandten aber dem Substrat 3 zugewandten Seite einen freien Bereich 11 aufweist, der bevorzugt die gesamte Unterseite des Bauelements 1 umfasst. Die Membran 4 liegt bevorzugt an den Seitenkanten 8 des Bauelements 1 an.
In Figur 3b ist ein weiteres Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem das Bauelement 1 nur mit einem Randbereich 9 auf der Membran 4 über der Vertiefung 6 des Substrats 3 aufliegt. Dadurch kann das Bauelement 1 auf der Unterseite einen von der Membran 4 freien Bereich 11 aufweisen, der einer Aussparung in der Membran 4 entspricht.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel zeigt Figur 3c. Hier wird das Bauelement 1 durch die Membran 4 an den Seitenkanten 8 des Bauelements 1 gehalten. Das Bauelement 1 kann in dieser Befestigungsvariante sowohl auf der Unterseite als auch auf der Oberseite einen von der Membran 4 freien Bereich 11 aufweisen .
Die Varianten 4a bis 4d zeigen Ausführungsbeispiele, bei denen die Metallelektroden 10 auf dem Bauelement 1 in Randbereichen 9 zurückgezogen sind, damit die akustisch aktiven Bereiche von der Membran entkoppelt sind. In Figur 4a liegt das Bauelement 1 nur mit einem Randbereich 9 auf der Membran 4 auf und überdeckt dabei eine in der Membran 4 vorgesehene Aussparung, so dass auf der Unterseite des Bauelements 1 ein freier Bereich 11 auftreten kann. Die Metallelektroden 10 sind hier beidseitig zurückgezogen, so dass das Bauelement 1 von Metallelektroden 10 freie Bereiche auf der Ober- und Unterseite aufweisen kann.
In Figur 4b erfolgt die Befestigung des Bauelements 1 über die Seitenkanten 8 des Bauelements 1. Die Membran 4 kann einen schmalen Randbereich 9 des Bauelements 1 auf der Oberseite des Bauelements 1 bedecken. Die Bereiche mit Metallelektroden 10 sind beidseitig von der Bauelementkante zurückgezogen und sind nicht im Kontakt mit der Membran 4.
In Figur 4c sind die Metallelektroden 10 nur auf der Oberseite des Bauelements 1 zurückgezogen. Die Unterseite des Bauelements 1 ist flächig mit einer Metallelektrode 10 bedeckt. Die Befestigung des Bauelements 1 erfolgt über dessen Seitenkanten 8. Die Membran 4 kann einen schmalen Randbereich der Oberseite des Bauelements 1 bedecken, ist oberseitig aber bevorzugt nicht im Kontakt mit den Metallelektroden 10, so dass die Membran 4 keine Schwingungsdämpfung des als Resonator ausgebildeten Bauelements 1 verursacht.
Figur 4d zeigt eine Ausführungsvariante, bei der die Metallelektroden 10 nur auf der Unterseite des Bauelements 1 zurückgezogen sind und dadurch von der Befestigung entkoppelt sind. Die Befestigung erfolgt über die Seitenkanten 8 des Bauelements 1. Die Membran 4 kann einen schmalen Randbereich 9 auf der Oberseite des Bauelements 1 und damit auch einen schmalen Randbereich der oberen Metallelektroden 10 bedecken, Da dieser Randbereich wegen der unten zurückgezogenen Metallelektroden 10 nicht zu dem aktiven Bereich des Resonators ge- hört, tritt auch hier keine Dämpfung von Resonatorschwingungen auf.
In Figur 5 ist eine Variante der Befestigung des Bauelements 1 an dem Substrat 3 gezeigt, bei der die Aufhängung über ein Federelement 2 erfolgt. Das Bauelement 1 ist mit Hilfe des Federelements 2 über einer Vertiefung 6 befestigt.
Obwohl in den Ausführungsbeispielen nur eine beschränkte Anzahl möglicher Weiterbildungen der Erfindung beschrieben werden konnte, ist die Erfindung nicht auf diese beschränkt. Es ist prinzipiell möglich, dass die Membran auch andere Bereiche des Bauelements bedeckt, oder dass die Befestigung des Bauelements nicht nur über die Seitenkanten oder Randbereiche erfolgt. Es ist auch vorstellbar, dass sich unter dem Bauelement mehrere Vertiefungen befinden oder dass mehrere Bauelemente auf einem Substrat angeordnet sind und über einer gemeinsamen oder mehreren separaten Vertiefungen mittels einer Membran oder einer anderweitigen Aufhängung befestigt sind. Das Bauelement ist nicht auf die Anzahl der schematisch dargestellten Elemente beschränkt.
Vielmehr können die Merkmale der einzelnen Ausführungsformen - soweit technisch sinnvoll - beliebig miteinander kombiniert werden .
Bezugszeichenliste
1 Bauelement
2 Federelement
3 Substrat
4 Membran
6 Vertiefung
7 Öffnung
8 Seitenkanten
9 Randbereich
10 Metallelektroden
11 freier Bereich
12 Druckausgleichsöffnung

Claims

Patentansprüche
1. Bauelement mit spannungsreduzierter Befestigung wobei das Bauelement (1) über eine elastische Aufhängung oben auf einem Substrat (3) aufgebracht ist, bei dem die Aufhängung ein elastisches Element umfasst und bei dem das elastische Element ein E-Modul aufweist, das geringer ist als das E-Modul des Bauelements (1) und des Substrats (3) .
2. Bauelement nach Anspruch 1, bei dem es sich um einen Bridge Type Resonator handelt.
3. Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das elastische Element eine geringere Steifigkeit aufweist als das Bauelement (1).
4. Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das elastische Element als eine Membran (4) ausgebildet ist .
5. Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das elastische Element als ein Federelement (2) ausgebildet ist.
6. Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Membran (4) aus einem Polymer besteht.
7. Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Membran (4) aus BCB oder Parylene besteht.
8. Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Membran (4) als eine dünne Metallschicht ausgebildet ist .
9. Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Substrat (3) unter dem Bauelement (1) eine Vertiefung
(6) aufweist.
10. Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Membran (4) die Vertiefung (6) überspannt.
11. Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Substrat (3) unter dem Bauelement (1) eine Öffnung
(7) aufweist.
12. Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Membran (4) die Öffnung (7) überspannt.
13. Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem sich die Kante des Bauelements (1) über dem Rand des Substrats (3) befindet.
14. Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Aufhängung des Bauelements (1) an den Seitenkanten
(7) erfolgt.
15. Bauelement nach Anspruch 13, bei dem das Bauelement (1) mit einem Randbereich (9) auf der Membran (4) aufliegt.
16. Bauelement nach Anspruch 14, bei dem die Aufhängung des Bauelements (1) an einem Randbereich (9) über die Unterseite der Membran (4) erfolgt.
17. Bauelement nach Anspruch 14, bei dem die Aufhängung des Bauelements (1) über die Unterseite der Membran (4) erfolgt.
18. Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem sich auf einer ersten Seite des Bauelementes (1) Metallelektroden (10) befinden.
19. Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem sich auf einer zweiten Seite des Bauelementes (1) Metallelektroden (10) befinden.
20. Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Bauelement (1) in den Bereichen, die mit der Aufhängung in Kontakt sind, frei von Metallelektroden (10) ist .
21. Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Membran (4) im Bereich über der Vertiefung (6) oder Öffnung (7) eine Druckausgleichsöffnung (12) aufweist.
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