WO2007054070A1 - Mems-package und verfahren zur herstellung - Google Patents

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mems
chip
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mems chip
cover
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Wolfgang Pahl
Anton Leidl
Stefan Seitz
Hans Krüger
Alois Stelzl
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Epcos Ag
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    • H04R19/00—Electrostatic transducers
    • H04R19/005—Electrostatic transducers using semiconductor materials

Definitions

  • MEMS components microelectromechanical systems
  • microphones that have a relatively high design and thus imply restrictions for the device design, in particular of mobile communication devices.
  • the MEMS package designed as a MEMS device microphone arranged together with a semiconductor chip on a base plate and wherein the MEMS package includes a common cap with which the MEMS device is covered against the base plate.
  • the base plate may be placed on its counter to the cap.
  • the 20 side have a sound inlet opening, so that the entire component can be soldered on 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 25 opening may be provided in a conventional manner on the top in the cap, so that the component with the base plate can be applied to the sound source facing surface of the circuit board.
  • Object of the present invention is to provide a MEMS package of small size, which represents a secure encapsulation for a MEMS device that better shields electromagnetic interference and is easy to manufacture.
  • the MEMS package according to the invention is constructed on a mechanically stable carrier substrate. On the top side a MEMS chip is mounted. At least one chip component is likewise arranged on or above the top side of the carrier substrate or embedded in it. A metallic shielding layer covers the MEMS chip and the chip component and terminates in an annularly closed circumferential region with the top side of the carrier substrate.
  • the MEMS chip and chip component have electrical contacts that are electrically connected to external contacts on a surface of the carrier substrate.
  • the shielding layer is a thin metallization that may be deposited directly on the MEMS chip and / or the chip device. However, at least a cover can additionally be provided between the MEMS chip and the shielding layer.
  • the shielding layer is preferably electrically connected at at least one location to suitable electrically conductive structures of the carrier substrate. Such structures can be ground potential, other shielding surfaces or external connections.
  • the shielding layer ensures electromagnetic shielding, which allows the use of the MEMS package in an environment in which the irradiation of electromagnetic waves is to be expected.
  • Such an environment may, for example, represent the interior of a mobile terminal device.
  • the MEMS chip implements any desired sensor or actuator function and can be realized in the form of a structured thin-film structure on a base chip serving as a carrier.
  • the MEMS chip itself may be structured to realize the sensor or actuator function and possibly even be monolithic.
  • This side of the MEMS chip is referred to below as the active side.
  • the MEMS chip has metallic contact surfaces, via which it can be electrically connected.
  • the contact surfaces can be arranged on the active side or on the opposite "passive" side of the base chip, in the latter case the electrical connection of the contact surfaces with electrically conductive structures of the active side can take place via a connection extending through the base chip
  • a semiconductor chip as the base chip, which is set electrically conductive in the region of the plated through-hole.
  • the external contacts of the MEMS package are located on a surface of the carrier substrate, preferably on the surface opposite the MEMS chip.
  • the external contacts are electrically conductively connected to the pads of the MEMS chip and / or to other circuit elements.
  • the MEMS chip only indirectly via other circuit elements such as connected via the chip component with the external contacts.
  • the chip component is connected either directly to the carrier substrate or connecting surfaces provided thereon and to the external contacts of the carrier substrate. However, it is also possible to electrically connect the chip component to the MEMS chip and to provide a common connection to connection surfaces of the carrier substrate for both connected components.
  • the carrier substrate may have electrical feedthroughs, which are likewise designed like plated-through holes.
  • the carrier substrate may be formed in one or more layers. It may comprise ceramic or plastic material and internally have one or more levels of metallization separated by electrically insulating layers but connected together by means of said feedthroughs. In this way, a wiring structure can be realized in the carrier substrate and connected to the MEMS chip and / or the chip component.
  • the interconnect structure may also include passive components formed from patterned metallizations that realize capacitances, inductances, or resistances.
  • the at least one chip component comprises an integrated circuit having the function of the MEMS chip interacts.
  • the integrated circuit may be a control, evaluation or amplifier circuit or other circuitry used to operate the MEMS chip.
  • a cover is arranged between the shielding layer and the MEMS chip.
  • the cover may terminate with the top of the carrier substrate and completely enclose the MEMS chip between itself and the carrier substrate.
  • Such a large-area cover can be realized for example in the form of a laminate film. This can be applied in such a way that it rests directly on the surfaces of the MEMS chip and carrier substrate or leaves gaps in places.
  • the laminate film is preferably a single-layer or multi-layer finished film which is converted into a hardened state during or after the application, which may be effected, for example, by lamination.
  • the laminate film can also be produced by film casting directly onto the surface of the carrier substrate and MEMS chip. Also in this case, a subsequent hardening of the plastic material takes place.
  • the cover does not have to terminate with the carrier substrate and can, for example, only rest on the top side of the MEMS chip in the form of a cover or be attached there. be satisfied.
  • the lid may again be a plastic layer or be formed from a thick plastic film.
  • the MEMS chip is preferably covered with a mechanically stable and, in particular, rigid cover, which has a coefficient of thermal expansion adapted to the material of the MEMS chip or of the base chip. From this point of view, materials such as glass, quartz or semiconductor layers are suitable.
  • Such a lid can be glued, bonded, soldered or connected by means of bumps.
  • the MEMS chip For certain functions of the MEMS chip, it is necessary to provide over the MEMS chip a recess of sufficient size to form a backside or back volume or to expose deep structures seated in the MEMS chip. For this purpose, it is possible to provide a recess facing the MEMS chip in the cover designed as a cover which, together with the MEMS chip, encloses a hollow space.
  • the chip component is used as a cover for covering the MEMS chip, which is connected to the MEMS chip resting thereon.
  • the connection may comprise an electrical and a mechanical connection, wherein a flip-chip arrangement is preferred which realizes both connections in one step or with the same structure.
  • This arrangement has the advantage that a simple electrical connection between chip component and MEMS chip can be produced, that the MEMS chip is protected by the chip component, that the chip component serving as cover allows direct application of the shielding layer. So, overall, it becomes an extremely space achieved saving arrangement, which is particularly preferred in view of the miniaturization of components.
  • the cover can also be designed as a cap. This has only in a peripheral edge region on a support surface to a pad and rises in between over the level of support, so that it can sit on level documents sitting under a cavity.
  • the cap is formed of a rigid, electrically non-conductive material, for example made of plastic. It is placed on the carrier substrate and can be fixed there, for example, by gluing or fusing. In the cavity formed under the cantilever cap, the MEMS chip is arranged.
  • both the MEMS chip and the chip component under the cap or otherwise designed cover. Furthermore, it is also possible to provide a cover only for the MEMS chip and to arrange the chip component next to it on the carrier substrate, but to provide both with a common shielding layer.
  • the MEMS chip For various sensor functions of the MEMS chip, it is necessary for it to be in direct contact with an external atmosphere, in particular if the MEMS chip is designed as a pressure sensor or as a microphone.
  • a breakthrough through the shielding layer and cover is provided either above the MEMS chip so that the MEMS chip is exposed from this side.
  • the subsequent production of the breakthrough is facilitated if the cover does not lie directly on the MEMS chip, at least in a preferably central region, for example, has a recess on the underside or is itself cap-shaped and with the inclusion of a cavity on the MEMS chip or carrier substrate.
  • a metallization structure can be realized on a first cover layer, which can be electrically conductively connected to the MEMS by contact openings formed in the first cover layer. Chip, or is connected to the chip component or with both then juxtaposed components.
  • a second cover layer is applied as an electrically insulating layer. The shielding layer is applied over this second capping layer.
  • the MEMS chip can be fixed with its active side opposite passive side by means of a corresponding connecting means on the carrier substrate and in particular glued. If the MEMS chip has a through-connection to the active side with the active MEMS structures, then the connection means is set to be electrically conductive. It is possible, for example, to use an electrically anisotropic conductive adhesive which has an electrical conductivity exclusively transversely to the adhesive Layer guaranteed. Such an anisotropically conductive adhesive has the advantage that it can be applied over a large area, wherein at the same time a large number of electrical connections between corresponding contact surfaces on the MEMS chip and pads on the carrier substrate can be produced without being shorted by the adhesive layer covering all contact surfaces ,
  • anisotropically conductive adhesive has the advantage that the parting line between the carrier substrate and MEMS
  • Chip can be completely closed. This is particularly advantageous if the production of the cover and / or the metallic shielding layer can only take place on a closed surface or if the underside of the MEMS chip has to be protected by the covering or shielding layer in the corresponding application method, or if there is a cavity under the cover should be included. This is particularly important if exposed to the bottom of the MEMS chip MEMS structures and a corresponding method for producing cover or shielding layer includes the use of a liquid phase.
  • the MEMS chip can also be connected to the carrier substrate by means of bonding wires. This can be advantageously combined with a rigid cover that protects the MEMS chip without affecting the bonding wire connection.
  • the MEMS chip and the chip component are preferably mounted on the carrier substrate or on top of each other using flip-chip technology, with the surface having electrical contacts pointing towards the carrier substrate in each case and making electrical and mechanical connections between one another and in the assembled state. th state opposite contact and pads is made, for example by means of bump connections, solder joints or electrically conductive adhesives.
  • the chip component may have a significantly smaller layer thickness than the MEMS chip. This makes it possible to arrange the chip component under the MEMS chip, that is to say between MEMS chip and carrier substrate. There it may be electrically and mechanically connected to the top of the carrier substrate. It is also possible to arrange the chip component under the MEMS chip and to connect it electrically and mechanically to the MEMS chip.
  • an additional joint seal may be provided.
  • This may be, for example, an underfiller, which circumferentially seals the joint from the outside after the application of the MEMS chip.
  • the frame structure may, for example, be a solder frame which additionally allows a solder connection to be produced between the carrier substrate and the MEMS chip.
  • the frame structure can also be made of any other structurally applied or subsequently structured material, for example of plastic, of a structured plastic film and in particular of a structured resist.
  • connection means in particular for adhesive layer, solder connection or Bumps remains.
  • MEMS chip and chip component can be arranged side by side on the carrier substrate and covered with a common large-area cover, in particular a laminate film.
  • the arrangement is such that the laminate foil encloses the MEMS chip and the at least one chip component separately against the upper side of the carrier substrate.
  • the shielding layer is then applied over a large area over the cover and preferably ends with the top side of the carrier substrate.
  • the MEMS chip is preferably provided with a cover arranged under the cover, which either covers the sensitive MEMS structures on the active side or spans a possibly existing, upwardly pointing recess in the MEMS chip.
  • the chip component is even more advantageous to use the chip component as a cover and to use as a cover at least a first laminate film which covers the MEMS chip provided with the chip component as a lid and completely surrounds it with the substrate.
  • this first cover layer contact openings can be provided in which exposed contact areas are connected to a metallization structure which is applied to the first cover layer.
  • the chip component can electrically with Pads are connected to the top of the carrier substrate.
  • the MEMS chip may be directly electrically and mechanically connected to the carrier substrate via an electrically conductive connection.
  • the electrical connection is made on the plane of the carrier substrate, for example by conductor tracks provided on its top side, or by a metallization and wiring plane concealed in the interior of the carrier substrate or on the underside of the carrier substrate.
  • the MEMS chip can be embodied as a microphone in which a breakdown is provided either in the cover and / or shielding layer or in which the MEMS chip is arranged above a sound opening in the carrier substrate.
  • the MEMS package on the opposite side of the sound port or the breakthrough have a sufficiently tightly closed back volume, which is a reference pressure for the MEMS chip and the measurement of a
  • Pressure difference relative to this reference pressure allows. This is required for applications as a pressure sensor or microphone.
  • the sound opening through which a MEMS chip formed as a microphone or pressure sensor is in communication with the external environment, can act as an opening in the carrier substrate or be formed as an opening in the cover or Schirmungs- layer.
  • the back volume or reference volume is then formed on the side of the MEMS chip opposite the sound opening.
  • the back volume can be made available through a recess in the MEMS chip and correspondingly covered or closed.
  • the backside volume is provided by the cover or the carrier substrate.
  • I chip sitting lid made or done in the form of a seated on the carrier substrate cap.
  • the back volume is provided, for example, in a recess in the carrier substrate underneath the MEMS chip.
  • FIG. 1 shows a MEMS package in which MEMS chip and chip component are arranged under a cap and a metallic shielding layer and are contacted via bonding wires.
  • FIG. 2 shows an arrangement in which, in contrast to FIG. 1, the MEMS chip is electrically contacted via a flip-chip arrangement,
  • FIG. 3 shows an arrangement in which, in comparison to FIG. 2, the cap is replaced by a tightly lying covering layer and the chip component has a glob top cover
  • FIG. 4 shows a MEMS package in which, in contrast to FIG. 3, the chip component also has a flip-chip arrangement and the MEMS chip is covered with a lid,
  • FIG. 5 shows an arrangement in which the MEMS chip applied in flip-chip arrangement additionally has a joint seal and in which the covering layer is dispensed with
  • FIG. 6 shows an arrangement in which the chip component is mounted between the MEMS chip and the carrier substrate on the latter
  • FIG. 7 shows an arrangement in which the chip component is arranged between MEMS chip and carrier substrate and attached to the former
  • FIG. 8 shows an arrangement in which the chip component rests on the through-contacted MEMS chip and is additionally covered by a cover having a recess
  • FIG. 9 shows an arrangement with a chip component resting on the MEMS chip, which are covered with a laminate film,
  • FIG. 10 shows an arrangement similar to FIG. 8, in which, however, an opening is provided in the cover, cover and shielding layer
  • 11 shows an arrangement in which the chip component under the MEMS chip on the carrier substrate in a recess of the MEMS chip ! is arranged and in which an opening is provided above the MEMS chip in the cover, cover and shielding layer
  • FIG. 12 shows an arrangement in which MEMS chip and chip component are arranged next to one another via a cavity in the carrier substrate, and wherein both cavities are connected to one another,
  • FIG. 13 shows an arrangement in which the chip component is arranged next to the MEMS chip and is electrically contacted via a metallization structure
  • FIG. 14 shows an arrangement in which the MEMS chip is covered with the chip component and the chip component is connected in an electrically conductive manner to the carrier substrate by means of a metallization structure
  • Figure 15 shows an arrangement in which a molded part is arranged with an additional recess between MEMS chip and chip component.
  • FIG. 1 shows a simple embodiment of the MEMS package in which MEMS chip MC and chip component CB are mounted next to one another on the upper side of the carrier substrate TS and fixed there, for example by means of adhesive.
  • the electrical contacting of the two components to the carrier substrate is carried out with bonding wires BD.
  • the cover AB consists of a seated on the support substrate cap, which includes a cavity HR below.
  • the cap can be For example, be glued to the carrier substrate TS and consists for example of a preformed plastic part.
  • the shielding layer SL is applied to the cap and the surface of the carrier substrate in a thin-film process and optionally wet-chemically or galvanically reinforced. Suitable, for example, a two-step approach, in which first a metallic adhesive layer - sputtered example of titanium, nickel, chromium, tungsten or copper - and then from the solution is galvanically or electrolessly reinforced with copper or nickel.
  • Suitable layer thicknesses for fulfilling the shielding function are then in the range between 10 and 100 ⁇ m.
  • the carrier substrate TS preferably has a connection surface connected to ground, which terminates with the shielding layer and thus grounds it.
  • the cavity HR below capped cover AB is used as a back volume for the function of the MEMS chip.
  • the MEMS chip MC On the passive side facing the carrier substrate, the MEMS chip MC has a recess AN, in which the MEMS chip is thinned to such an extent that the
  • an opening OE designed as a breakthrough is provided in the carrier substrate so that the (passive) underside of the MEMS chip in the region of the recess AN is connected to an ambient atmosphere or an ambient pressure.
  • the MEMS package can be mounted on a circuit board or other circuit environment. It makes sense for the printed circuit board to also have a corresponding opening in order to connect to the surrounding area after assembly of the package. to ensure atmosphere. However, it is also possible to provide the external contacts on the upper side of the carrier substrate and then to sink the cap into a recess or opening of the printed circuit board and thus to fix the MEMS chip upside down.
  • the MEMS chip MC is designed, for example, as a microphone, the chip component CB, for example, as an amplifier component for the measurement signals generated by the MEMS chip.
  • the carrier substrate TS are customary circuit board substrates in a multilayer technology on ceramic (HTCC - High Temperature Cofired Ceramics, LTCC - Low Temperature Cofired Ceramics) or organic base (epoxide, phenol, polyimide, bismaleimide-triazine, cyanate, ester, Cyanate ester, PTFE polytetrafluoroethylene), optionally with inorganic fillers (quartz or ceramic particles, glass fibers, glass foil) or also with organic fiber reinforcement (eg aramide).
  • HTCC High Temperature Cofired Ceramics
  • LTCC Low Temperature Cofired Ceramics
  • organic base epoxide, phenol, polyimide, bismaleimide-triazine, cyanate, ester, Cyanate ester, PTFE polytetrafluoroethylene
  • inorganic fillers quartz or ceramic particles, glass fibers, glass foil
  • organic fiber reinforcement eg aramide
  • High-temperature thermoplastics for example PEI polyetherimide, PAEK polyaryl ether ketones, PSU polysulfone, PPS polyphenylene sulfide, PAI polyamide imide, PA polyamide, polyphthalamide, polybutylene terephthalate or others
  • MID processing Molded Interconnect Device
  • passive or active components can be embedded.
  • MEMS chip embodied as a microphone
  • these are, in particular, amplifiers or AD converters as well as protective devices against EMI (Electro-Magnetic Interference) and ESD (Electro-Static Discharge).
  • EMI Electro-Magnetic Interference
  • ESD Electro-Static Discharge
  • FIG. 2 shows a further MEMS package, in which, in contrast to FIG. 1, the MEMS chip MC is fastened in a flip-chip arrangement, for example by means of bumps BU, on the carrier substrate TS is.
  • the MEMS chip is tilted vertically relative to FIG. 1, so that now the active side of the MEMS chip faces the surface of the carrier substrate.
  • the electrical and mechanical connection can be made via bumps or electrically conductive adhesive.
  • a sealing frame DR (see figure) or alternatively Underfiller or other joint seal provided so that the edge of the MEMS chip is circumferentially sealed against the carrier substrate TS.
  • the sealing frame can also be an adhesive applied after the soldering of the MEMS chip MC.
  • An anisotropically conductive adhesive can replace the illustrated bumps BU and at the same time make a seal. Compared with Figure 1, the back volume is further increased here.
  • FIG. 3 shows an arrangement in which MEMS chip MC and chip component CB are applied as in FIG. Unlike in this case, however, the chip component CB is covered here by a directly applied protective cover, for example a glob-top mass LG.
  • a cover layer for example a laminated laminate film, is applied as a further covering AB, both via the MEMS chip MC and via the chip component CB provided with the protective cover LG. This clings tightly to the MEMS chip MC, and can, as illustrated, the 'ON recess on the (passive) underside of the MEMS chip MC span.
  • the shielding layer SL is in turn applied as a metallic layer to the surface of the cover layer and terminates completely with the carrier substrate TS.
  • the recess AN is either increased or the thickness of the MEMS chip increased until a sufficiently large back volume is obtained.
  • FIG. 4 shows an embodiment for a MEMS package, in which the chip component CB is also applied in a flip-chip arrangement next to the MEMS chip MC on the carrier substrate TS. Since this protects the electrical contacts of the chip component CB in the gap between the chip component and the carrier substrate, no additional covering of the chip component as in FIG. 3 is required here.
  • the cover AB formed as a covering layer can rest directly on the back of the chip component.
  • a cover DL is applied over the MEMS chip MC.
  • a glass or plastic film can be used, alternatively a correspondingly thinned semiconductor layer. A sufficient thickness is obtained at about 100 microns.
  • the MEMS chip is already provided at the wafer level with the lid by connecting a correspondingly large-area cover layer or a corresponding lid wafer to the wafer, in which the MEMS chips MC are produced in the desired manner. Connecting the MEMS wafer to the lid Wafer can be done for example by means of wafer bonding. Also gluing is possible.
  • FIG. 5 shows an arrangement in which the covering layer is dispensed with.
  • the MEMS chip is only covered with a lid DL, which closes the back volume in the recess AN. If the MEMS chip MC is not fastened with an electrically anisotropic conductive adhesive and thus already sealed, the gap between MEMS chips and carrier substrate TS is additionally sealed with a joint seal FD, for example a sealing frame or an underfiller.
  • This arrangement now makes it possible to apply a shielding layer SL directly to the cover, the side surfaces of the MEMS chip and the surface of the carrier substrate, without having to accept any impairment of the MEMS function.
  • deposition processes of metal solutions can also be used, since a corresponding tightness is provided on the MEMS chip.
  • the chip component CB is preferably glued with an anisotropic conductive adhesive, so that no additional sealing is required here as well. Not shown, but it is also possible to seal the chip component with a joint seal against the carrier substrate in order to protect the contacts from the deposition process of the shielding layer SL.
  • FIG. 6 shows a space-saving embodiment of a MEMS package in which the chip component CB is not next to but instead here under the MEMS chip MC is mounted directly on the carrier substrate TS.
  • the chip component CB can cover the opening OE in the carrier substrate as shown in such a way that the MEMS chip MC can nevertheless come into direct contact with the ambient atmosphere outside the package and can receive a corresponding pressure.
  • This embodiment is optimal with respect to the minimum required carrier substrate area.
  • the MEMS chip MC is provided with a lid DL, which itself has a lid recess above the recess AN of the MEMS chip or is designed as a cap resting on the MEMS chip.
  • the lid recess increases the backside volume.
  • the cover AB covers the MEMS chip or the cover and at the same time, together with t of a shielding layer SL applied over it, ensures the sealing of the MEMS chip against the carrier substrate. It is also possible in this case to dispense with the cover layer and optionally to provide a joint seal on the MEMS chip underside.
  • FIG. 7 shows a chip component CB which is likewise arranged below the MEMS chip MC but connected to its underside. Again, the chip device is applied so that the bottom of the MEMS chip is in contact with the outside atmosphere. The rest of the seal can, as in one of the figures 4 to 6 or as shown in Figure 7, take place.
  • the chip component CB can already be applied at the wafer level to a MEMS chip wafer in which the MEMS chips are formed before the chip component individual MEMS chips are separated. It is possible to apply the chip components CB on a subcarrier in a suitable grid, so that the application of the chip components by means of the subcarrier can be carried out in parallel and simultaneously for all MEMS chips on the wafer.
  • FIG. 8 shows a further carrier substrate surface-saving embodiment of a MEMS package in which the chip component CB is applied to the (passive) top side of the MEMS chip MC, preferably in flip-chip arrangement, which has a simultaneous electrical connection of the chip component allows the MEMS chip.
  • the MEMS chip is provided with a plated-through hole DK, which establishes an electrical connection to the active side of the MEMS chip.
  • the MEMS structures on the active side in turn are connected via correspondingly conductive connections with connection surfaces on the carrier substrate (not shown in the figure).
  • An arbitrary number of plated-through holes and an optionally even higher number of contact pads on the underside of the MEMS chip can be provided which correspond to the required connections for the MEMS chip and the chip component CB.
  • the chip component CB is not sufficiently mechanically stable, it can additionally be covered with a cap which sits on the MEMS chip and acts as a lid DL.
  • the cap shape can also by a correspondingly large
  • Deckelaus originallyung be realized on the underside of the lid.
  • Covering layer AS and shielding layer SL complete the Arrangement. If necessary, the covering layer can also be dispensed with here again.
  • FIG. 9 shows a further embodiment of a MEMS package in which the chip component CB represents the cover for the MEMS chip MC, which is sufficiently stable, so that a cover layer and, moreover, a shielding layer SL are deposited directly above it as cover AB without stability problems. can be generated.
  • the chip component is here preferably already connected at the wafer level to the MEMS wafer in which the individual MEMS chips are structured.
  • the chip component is preferably coextensive with the MEMS chip, so that the two wafers can be connected directly to one another, since they have the same pattern in the singulation.
  • An application of the chip component in a flip-chip manner on the (active) top side of the MEMS chip can directly form an electrical connection to corresponding terminals of the MEMS chip, so that then the plated-through holes through the chip component are not required.
  • the connection can be made by soldering or advantageously with anisotropically conductive adhesive.
  • FIG. 10 shows an arrangement in which the MEMS chip MC is connected to the carrier substrate TS via its base chip or its passive side in comparison with the previous arrangements shown in FIGS. 2 to 9.
  • the contact of the MEMS chip MC with the ambient atmosphere re must then take place via an opening DB in cover DL, cover AB and shielding layer SL.
  • cover AB With sufficient stability of the cover AB can be dispensed with the lid DL and the cavity can be guaranteed for example via a sacrificial layer on the MEMS chip, which can be removed after application of cover AB and Schirmungstik and after opening the opening DB again.
  • the opening DB can be generated in both cases after completion of the cover AB and after application of the covering layer and the shielding layer SL, for example by
  • Drilling especially laser drilling. It can be provided a larger or more smaller openings.
  • FIG. 11 shows an arrangement which also encloses the rear side volume between the MEMS chip and the carrier substrate in the region of the recess AN.
  • the volume is sufficient that the chip component CB has space therein and can be connected under the MEMS chip in the region of the recess to the carrier substrate TS, for example in a flip-chip arrangement by means of electrically conductive adhesive, bumps or other bond connection.
  • a connection of the top of the MEMS chip MC must be ensured with the surrounding atmosphere via an opening DB.
  • FIG. 12 also shows an embodiment in which a further cavity is additionally provided underneath the chip component CB, which is connected to the cavity VK under the MEMS chip MC.
  • the backside volume is thereby further increased, without This increases the overall height or the area of the MEMS package.
  • FIG. 13 shows an embodiment in which a metallization structure MS and above a second cover layer AS2 are arranged above a first cover layer AS1.
  • the metallization structure is electrically connected via contact openings KB in the first cover layer AS1 with contact surfaces of the chip component CB and connection surfaces of the carrier substrate TS and thus forms an electrical connection structure. Therefore, the chip component CB can be glued with the back side onto the carrier substrate.
  • the MEMS chip MC is covered with the glued-on chip component CB as cover.
  • the electrical connection of the chip component to the connection surfaces of the carrier substrate TS is also effected here via a metallization structure MS shown in FIG. 13, which is connected to the contact surfaces of the MEMS chip MC by contact openings KB.
  • the MEMS chip is contacted directly with the carrier substrate or its contact surfaces.
  • the (smaller) chip component with its connection side is placed on an auxiliary carrier (for example an adhesive film) in the pitch of the (larger) MEMS chip.
  • auxiliary carrier for example an adhesive film
  • This arrangement is then overcoated with a polymeric filling compound FM which is highly filled to achieve an adapted thermal expansion coefficient, for example in one
  • an intermediate layer with a supplementary cavity can also be formed by a separate molded part.
  • All embodiments are also particularly suitable for arrays of two or more microphones formed MEMS chips.
  • a directional characteristic can be set, for example to reduce ambient noise.
  • the backside volumes are assigned individually to each MEMS chip, while the electronic circuitry can combine several of them.
  • the shielding layer SL on the upper side of the carrier substrate, on which the MEMS chip and, if appropriate, further components are located, is of essential importance for the shielding of the sensitive internal signal processing with respect to external interference fields. This is particularly relevant when used in a mobile phone, where the component is often located only a few inches from the antenna.
  • the above-mentioned process sequence lamination - sputtering - electroplating is just one way to produce this good conductive coating. In some embodiments, e.g. the laminating process is omitted (see FIG. 5). It is also possible to produce a corresponding layer instead of the laminate by dipping, pouring or spraying.
  • All the packaging variants described above using the example of a MEMS microphone or shown schematically in the figures are also suitable in principle for any other electronic components, in particular for the encapsulation of other MEMS chips including amplification, adaptation or evaluation.
  • teelektronik Typical examples are mechanical resonators and filters, pyrosensors, spectrometers, visible or infrared spectral transducers, pressure sensors, gas sensors, turbidity sensors, loudspeakers, motion detectors, acceleration or gyro sensors, RFID chips, switches, tunable high frequency devices ("varactors”), fuel cells , Thermoelectric generators and much more.
  • the sound opening can be omitted. Then, with a suitable carrier substrate material, a hermetic and diffusion-proof design is possible if necessary or replaced by a window for other waves or radiations or by a media inlet. Even the backside volume is then obsolete in many cases.

Abstract

Das erfindungsgemäße MEMS-Package ist auf einem mechanisch stabilen Trägersubstrat (TS) aufgebaut. Auf dessen Oberseite ist ein MEMS-Chip (MC) montiert. Ebenfalls auf oder über der Oberseite des Trägersubstrats ist zumindest ein Chipbauelement (CB) angeordnet. Eine metallische Schirmungsschicht (SL) überdeckt den MEMS-Chip und das Chipbauelement und schließt mit der Oberseite des Trägersubstrats ab.

Description

Beschreibung
MEMS-Package und Verfahren zur Herstellung
5 Von mobilen Kommunikationsgeräten geht ein enormer Minia- I , turisierungsdruck auf deren elektronische Komponenten aus. In besonderer Weise gilt dies für MEMS Bauelemente (Mikro e_- lektro-mechanische Systeme) wie z.B. für Mikrofone, die eine relativ hohe Bauform aufweisen und damit Einschränkungen für 10 das Gerätedesign insbesondere von mobilen Kommunikations- geräten bedeuten.
Aus der veröffentlichten amerikanischen Patentanmeldung US 2005/ 0185812A1 ist ein Mikrofongehäuse bekannt, bei dem ein
15 als MEMS-Bauelement ausgebildetes Mikrofon zusammen mit einem Halbleiterchip auf einer Basisplatte angeordnet und bei dem das MEMS Package eine gemeinsame Kappe umfasst, mit der das MEMS Bauelement gegen die Basisplatte abgedeckt ist. Die Basisplatte kann auf ihrer der Kappe entgegen gesetzten Unter-
20 seite 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 Schalleintritts- 25 Öffnung 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.
30 Weitere Probleme entstehen insbesondere bei mobilen Kommunikationsgeräten durch den geringen Abstand der Antenne zu den elektronischen Komponenten, die dadurch elektromagnetischen Störungen ausgesetzt sind, die die Funktionsweise der Komponenten negativ beeinflussen können.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein MEMS-Package geringer Baugröße anzugeben, welches eine sichere Verkap- selung für ein MEMS-Bauelement darstellt, das elektromagnetische Störungen besser abschirmt und dabei einfach herzustellen ist.
Diese Aufgabe wird mit einem MEMS-Package mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst . Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sowie ein Verfahren zur Herstellung sind weiteren Ansprüchen zu entnehmen.
Das erfindungsgemäße MEMS-Package ist auf einem mechanisch stabilen Trägersubstrat aufgebaut. Auf dessen Oberseite ist ein MEMS-Chip montiert. Ebenfalls auf oder über der Oberseite des Trägersubstrats oder in dieses eingebettet ist zumindest ein Chipbauelement angeordnet. Eine metallische Schirmungs- Schicht überdeckt den MEMS-Chip und das Chipbauelement und schließt in einem ringförmig geschlossenen umlaufenden Bereich mit der Oberseite des Trägersubstrats ab. MEMS-Chip und Chipbauelement weisen elektrische Kontakte auf, die elektrisch mit Außenkontakten auf einer Oberfläche des Trägersub- strats verbunden sind.
Die Schirmungsschicht ist eine dünne Metallisierung, die direkt auf dem MEMS-Chip und/oder dem Chipbauelement aufgebracht sein kann. Zumindest zwischen MEMS-Chip und Schir- mungsschicht kann jedoch zusätzlich eine Abdeckung vorgesehen sein. Die Schirmungsschicht ist vorzugsweise an mindestens einer Stelle mit geeigneten elektrisch leitenden Strukturen des Trägersubstrats elektrisch verbunden. Solche Strukturen können Massepotential, weitere Schirmflächen oder externe Anschlüsse sein.
Es wird ein MEMS-Package erhalten, welches eine nur geringe Bauhöhe aufweist. Durch die Schirmungsschicht ist eine elektromagnetische Abschirmung gewährleistet, welches einen Einsatz des MEMS-Packages in einer Umgebung erlaubt, in der mit der Einstrahlung elektromagnetischer Wellen zu rechnen ist. Eine solche Umgebung kann beispielsweise das Innere eines Mo- bilfunkendgeräts darstellen.
Der MEMS-Chip realisiert eine beliebige Sensor- oder Aktorfunktion und kann in Form eines strukturierten Dünnschicht- aufbaus auf einem als Träger dienenden Basischip realisiert sein. Alternativ oder zusätzlich zum Dünnschichtaufbaus kann der MEMS-Chip selbst zur Realisierung der Sensor- oder Aktorfunktion strukturiert und gegebenenfalls sogar monolithisch sein. Diese Seite des MEMS-Chips wird im Folgenden als aktive Seite bezeichnet. Der MEMS-Chip weist metallische Kontaktflä- chen auf, über die er elektrisch angeschlossen werden kann. Die Kontaktflächen können auf der aktiven Seite oder auf der gegenüberliegenden „passiven" Seite des Basischips angeordnet sein. In letzterem Fall kann die elektrische Verbindung der Kontaktflächen mit elektrischen leitenden Strukturen der ak- tiven Seite über eine durch den Basischip verlaufende Verbindung erfolgen. Diese kann als Durσhkontaktierung ausgebildet sein, also als Loch oder Bohrung, die mit einem elektrisch leitenden Material und insbesondere mit Metall gefüllt ist. Möglich ist es jedoch auch, als Basischip einen Halbleiter- chip zu verwenden, der im Bereich der Durchkontaktierung e- lektrisch leitend eingestellt ist. Die Außenkontakte des MEMS-Packages befinden sich auf einer Oberfläche des Trägersubstrats, vorzugsweise auf der dem MEMS-Chip gegenüberliegenden Oberfläche. Die Außenkontakte sind elektrisch leitend mit den Anschlussflächen des MEMS- Chips und/oder mit weiteren Schaltungselementen verbunden. Vorzugsweise ist der MEMS-Chip' nur indirekt über weitere Schaltungselementen wie z.B. über das Chip-Bauelement mit den Außenkontakten verbunden.
Das Chipbauelement ist entweder direkt mit dem Trägersubstrat bzw. darauf vorgesehenen Anschlussflächen und diese mit den Außenkontakten des Trägersubstrats verbunden. Möglich ist es jedoch auch, das Chipbauelement elektrisch mit dem MEMS-Chip zu verbinden und für beide verbundenen Komponenten eine ge- meinsame Verbindung zu Anschlussflächen des Trägersubstrats vorzusehen.
Das Trägersubstrat kann elektrische Durchführungen aufweisen, die ebenfalls wie Durchkontaktierungen ausgebildet sind. Das Trägersubstrat kann ein- oder mehrschichtig ausgebildet sein. Es kann keramisches oder Kunststoffmaterial umfassen und im Inneren eine oder mehrere Metallisierungsebenen aufweisen, die durch elektrisch isolierende Schichten voneinander getrennt, aber mittels der genannten Durchführungen miteinander verbunden sind. Auf diese Weise kann im Trägersubstrat eine Verschaltungsstruktur realisiert und mit dem MEMS-Chip und/oder dem Chip-Bauelement verbunden werden. Die Verschaltungsstruktur kann außerdem passive Komponenten umfassen, die aus strukturierten Metallisierungen ausgebildet sind und Ka- pazitäten, Induktivitäten oder Widerstände verwirklichen.
Vorzugsweise umfasst das zumindest eine Chipbauelement eine integrierte Schaltung, die mit der Funktion des MEMS-Chips zusammenwirkt. Beispielsweise kann die integrierte Schaltung eine Steuer-, Auswerte- oder Verstärkerschaltung oder eine sonstige zum Betrieb des MEMS-Chips eingesetzte Schaltungsanordnung sein.
Sofern der MEMS-Chip nicht zur direkten Beschichtung mit einer metallischen Schirmungsschicht geeignet ist, oder wenn gezielt ein eingelagerter Hohlraum, z.B. ein akustisch wirksames Volumen realisiert werden soll, ist zwischen Schir- mungsschicht und MEMS-Chip eine Abdeckung angeordnet. Die Abdeckung kann mit der Oberseite des Trägersubstrats abschließen und den MEMS-Chip zwischen sich und Trägersubstrat vollständig einschließen. Eine solche großflächige Abdeckung kann beispielsweise in Form einer Laminatfolie realisiert sein. Diese kann so aufgebracht werden, dass sie direkt auf den O- berflachen von MEMS-Chip und Trägersubstrat aufliegt oder stellenweise Zwischenräume lässt .
Die Laminatfolie ist vorzugsweise eine ein- oder mehrschich- tige fertige Folie, die während oder nach dem Aufbringen, was beispielsweise durch Auflaminieren erfolgen kann, in einen gehärteten Zustand überführt wird. Die Laminatfolie kann aber auch durch Foliengießen direkt auf die Oberfläche von Trägersubstrat und MEMS-Chip erzeugt werden. Auch in diesem Fall erfolgt eine nachträgliche Härtung des Kunststoffmaterials. Möglich ist es jedoch auch, die Abdeckung in Folienform mittels eines Schichterzeugungsprozesses zu erzeugen, beispielsweise durch Aufgießen oder -sprühen oder mittels Tauchbe- schichtung.
Die Abdeckung muss aber nicht mit dem Trägersubstrat abschließen und kann beispielsweise nur in Form eines Deckels auf der Oberseite des MEMS-Chips aufliegen bzw. dort befes- tigt sein. Auch in diesem Fall kann der Deckel wieder eine Kunststoffschicht sein bzw. aus einer dicken Kunststofffolie ausgebildet sein. Bevorzugt ist der MEMS-Chip jedoch mit einem mechansich stabilen und insbesondere starren Deckel abge- deckt, der einen dem Material des MEMS-Chips bzw. des Basischips angepassten thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist. Unter diesem Gesichtspunkt sind Materialien wie Glas, Quarz oder Halbleiterschichten geeignet .
Ein solcher Deckel kann aufgeklebt, gebondet, aufgelötet oder mittels Bumps verbunden sein.
Für bestimmte Funktionen des MEMS-Chips ist es erforderlich, über dem MEMS-Chip eine Ausnehmung einer ausreichenden Größe vorzusehen, die zur Ausbildung eines Rückseiten- oder Rückvolumens oder zur Freilegung tiefer im MEMS-Chip sitzender Strukturen dient. Dazu ist es möglich, in der als Deckel ausgebildeten Abdeckung eine zum MEMS-Chip hin weisende Ausnehmung vorzusehen, die mit dem MEMS-Chip zusammen einen Hohl- räum einschließt.
I
In einer weiteren Ausgestaltung wird zur Abdeckung des MEMS- Chips das Chipbauelement als Deckel eingesetzt, das auf dem MEMS-Chip aufliegend mit diesem verbunden wird. Die Verbin- düng kann eine elektrische und eine mechanische Verbindung umfassen, wobei eine Flip-Chip-Anordnung bevorzugt ist, die beide Verbindungen in einem Schritt bzw. mit der gleichen Struktur verwirklicht. Diese Anordnung hat den Vorteil, dass eine einfache elektrische Verbindung zwischen Chipbauelement und MEMS-Chip hergestellt werden kann, dass der MEMS-Chip durch das Chipbauelement geschützt ist, dass das als Deckel dienende Chipbauelement das direkte Aufbringen der Schirmungsschicht erlaubt. So wird insgesamt eine äußerst Raum sparende Anordnung erzielt, die im Hinblick auf die Miniaturisierung von Bauelementen besonders bevorzugt ist.
Die Abdeckung kann jedoch auch als Kappe ausgeführt sein. Diese weist nur in einem umlaufenden Randbereich eine Auflagefläche zu einer Unterlage auf und erhebt sich dazwischen über das Auflageniveau, so dass sie auf ebenen Unterlagen aufsitzend unter sich einen Hohlraum einschließen kann. Die Kappe ist aus einem starren, elektrisch nicht leitenden Mate- rial ausgebildet, beispielsweise aus Kunststoff. Sie wird auf dem Trägersubstrat aufgesetzt und kann dort beispielsweise mittels Klebens oder Anschmelzens befestigt werden. In dem unter der frei tragenden Kappe gebildeten Hohlraum ist der MEMS-Chip angeordnet.
Möglich ist es auch, unter der als Kappe oder anders ausgebildeten Abdeckungsowohl den MEMS-Chip als auch das Chipbauelement anzuordnen. Weiterhin ist es auch möglich, nur für den MEMS-Chip eine Abdeckung vorzusehen und das Chipbauele- ment daneben auf dem Trägersubstrat anzuordnen, aber beide mit einer gemeinsamen Schirmungsschicht zu versehen.
Für verschiedene Sensorfunktionen des MEMS-Chips ist es erforderlich, dass dieser in direktem Kontakt zu einer außen anliegenden Atmosphäre steht, insbesondere wenn der MEMS-Chip als Drucksensor oder als Mikrofon ausgebildet ist. Dazu wird entweder über dem MEMS Chip ein Durchbruch durch Schirmungs- schicht und Abdeckung vorgesehen, sodass von dieser Seite aus der MEMS-Chip freigelegt ist. Die nachträgliche Herstellung des Durchbruchs wird erleichtert, wenn die Abdeckung zumindest in einem vorzugsweise zentralen Bereich nicht direkt auf dem MEMS-Chip aufliegt, beispielsweise an der Unterseite eine Ausnehmung aufweist oder selbst kappenförmig ausgebildet und unter Einschluss eines Hohlraums auf dem MEMS-Chip oder dem Trägersubstrat aufsitzt. Möglich ist es jedoch auch, den erforderlichen Durchbruch im Trägersubstrat unterhalb des MEMS- Chips vorzusehen.
Ist die Abdeckung aus einem elektrisch isolierenden Material und insbesondere aus einer dicht aufliegenden Folie oder Schicht ausgebildet, so kann auf einer ersten Abdeckungs- schicht eine Metallisierungsstruktur realisiert werden, die durch in der ersten Abdeckungsschicht ausgebildete Kontakt- Öffnungen hindurch elektrisch leitend entweder mit dem MEMS- Chip, oder mit dem Chipbauelement oder mit beiden dann nebeneinander angeordneten Bauelementen verbunden ist . Über der Metallisierungsstruktur ist eine zweite Abdeckungsschicht als elektrisch isolierende Schicht aufgebracht. Die Schirmungsschicht ist über dieser zweiten Abdeckungsschicht aufgebracht . Mit dieser Metallisierungsstruktur kann eine Verschaltung zumindest eines aus MEMS-Chip und Chipbauelement mit dem Trägersubstrat und/oder eine Verschaltung zwischen beiden Chips vorgenommen sein. In diesem Fall ist es ausreichend, die bereits über die Metallisierungsstruktur elektrisch kontaktierten Komponenten auf dem Trägersubstrat allein mechanisch zu befestigen, beispielsweise durch Aufkleben.
Der MEMS-Chip kann mit seiner der aktiven Seite gegenüberliegenden passiven Seite mittels eines entsprechenden Verbindungsmittels auf dem Trägersubstrat befestigt und insbesondere aufgeklebt sein. Weist der MEMS-Chip eine Durch- kontaktierung bis zur aktiven Seite mit den aktiven MEMS Strukturen auf, so wird das Verbindungsmittel elektrisch leitend eingestellt. Möglich ist es beispielsweise, einen elektrisch anisotrop leitenden Klebstoff zu verwenden, der eine elektrische Leitfähigkeit ausschließlich quer zur Klebstoff- Schicht gewährleistet. Ein solcher anisotrop leitender Klebstoff hat den Vorteil, dass er großflächig aufgebracht werden kann, wobei gleichzeitig eine Vielzahl elektrischer Verbindungen zwischen entsprechenden Kontaktflächen auf dem MEMS- Chip und Anschlussflächen auf dem Trägersubstrat hergestellt werden können, ohne dass sie durch die alle Kontaktflächen überdeckende KlebstoffSchicht kurzgeschlossen werden.
Des Weiteren hat der anisotrop leitende Klebstoff den Vor- teil, dass die Trennfuge zwischen Trägersubstrat und MEMS-
Chip vollständig verschlossen werden kann. Dies ist insbesondere von Vorteil, wenn die Herstellung der Abdeckung und/oder der metallischen SchirmungsSchicht nur auf einer geschlossenen Oberfläche erfolgen kann oder wenn die Unterseite des MEMS-Chips beim entsprechenden Aufbringverfahren von Abdeckung oder Schirmungsschicht geschützt werden muss, oder wenn unter der Abdeckung ein Hohlraum eingeschlossen bleiben soll. Dies ist insbesondere dann wichtig, wenn an der Unterseite des MEMS-Chips befindliche MEMS-Strukturen freiliegen und ein entsprechendes Verfahren zur Herstellung von Abdeckung oder Schirmungsschicht den Einsatz einer flüssigen Phase beinhaltet .
Der MEMS-Chip kann aber auch mittels Bonddrähten mit dem Trä- gersubstrat verbunden sein. Dies kann vorteilhaft mit einer starren Abdeckung kombiniert werden, die den MEMS-Chip ohne Beeinträchtigung der Bonddraht-Verbindung schützt.
MEMS-Chip und Chipbauelement werden bevorzugt in Flip-Chip- Technik auf dem Trägersubstrat oder übereinander montiert, wobei jeweilsdie elektrische Kontakte aufweisende Oberfläche hin zum Trägersubstrat weist und elektrische und mechanische Verbindungen zwischen einander entsprechenden und im montier- ten Zustand einander gegenüberliegenden Kontakt- und Anschlussflächen hergestellt wird, beispielsweise mittels Bump- Verbindungen, Lötverbindungen oder elektrisch leitfähigen Klebern.
Das Chipbauelement kann eine wesentlich geringere Schichtdicke als der MEMS-Chip aufweisen. Dies ermöglicht es, das Chipbauelement unter dem MEMS-Chip, also zwischen MEMS-Chip und Trägersubstrat anzuordnen. Dort kann es elektrisch und mechanisch mit der Oberseite des Trägersubstrats verbunden sein. Möglich ist es auch, das Chipbauelement unter dem MEMS- Chip anzuordnen und elektrisch und mechanisch mit dem MEMS- Chip zu verbinden.
Bei Flip-Chip-Anordnung des MEMS-Chips über nicht abdichtenden Verbindungen kann eine zusätzliche Fugenabdichtung vorgesehen sein. Dies kann beispielsweise ein Underfiller sein, der nach dem Aufbringen des MEMS-Chips die Fuge von außen her umlaufend abdichtet .
Möglich ist es auch, eine rahmenförmige Struktur auf der O- berseite des Trägersubstrats oder auf der entsprechenden Seite des MEMS-Chips vorzusehen, deren Oberseite eine ringförmig geschlossene Verbindungsfläche zum MEMS-Chip bzw. zum Träger- substrat darstellt. Die Rahmenstruktur kann beispielsweise ein Lotrahmen sein, der es zusätzlich erlaubt, eine Lotverbindung zwischen Trägersubstrat und MEMS-Chip herzustellen. Die Rahmenstruktur kann jedoch auch aus einem beliebig anderen strukturiert aufbringbaren oder nachträglich strukturier- ten Material hergestellt sein, beispielsweise aus Kunststoff, einer strukturierten Kunststofffolie und insbesondere aus einem strukturierten Resist. Möglich ist es jedoch auch, die Rahmenstruktur integriert im Material des Trägersubstrats oder des MEMS-Chips auszubilden. Die entsprechenden elektrischen Anschluss- oder Kontaktflächen liegen dann gegenüber dem Niveau der Oberkante des Rah- mens zurückversetzt, sodass zwischen MEMS-Chip und Trägersubstrat, wenn der entsprechende Teil auf der Rahmenstruktur aufliegt, noch Raum für die entsprechenden Verbindungsmittel, insbesondere für Klebeschicht, Lotverbindung oder Bumps verbleibt.
MEMS-Chip und Chipbauelement können nebeneinander auf dem Trägersubstrat angeordnet und mit einer gemeinsamen großflächigen Abdeckung, insbesondere einer Laminatfolie, abgedeckt sein. Bevorzugt ist die Anordnung so, dass die Laminat- folie den MEMS-Chip und das zumindest eine Chipbauelement jeweils separat gegen die Oberseite des Trägersubstrats einschließt. Die Schirmungsschicht ist dann großflächig über die Abdeckung aufgebracht und schließt vorzugsweise mit der Oberseite des Trägersubstrats ab. Vorzugsweise ist dabei der MEMS-Chip mit einem unter der Abdeckung angeordneten Deckel versehen, der entweder die empfindlichen MEMS-Strukturen auf der aktiven Seite abdeckt oder eine eventuell vorhandene, nach oben weisende Ausnehmung im MEMS-Chips überspannt.
Noch vorteilhafter ist es, das Chipbauelement als Deckel zu verwenden und als Abdeckung zumindest eine erste Laminatfolie zu verwenden, die den mit dem Chipbauelement als Deckel versehenen MEMS-Chip überdeckt und rundum mit dem Substrat abschließt. In dieser ersten Abdeckschicht können Kontaktöff- nungen vorgesehen sein, in denen dort freiliegende Kontaktflächen mit einer Metallisierungsstruktur, die auf der ersten Abdeckschicht aufgebracht ist, verbunden sind. Über diese Metallisierungsstruktur kann das Chipbauelement elektrisch mit Anschlussflächen auf der Oberseite des TrägerSubstrats verbunden werden. Der MEMS-Chip kann direkt elektrisch und mechanisch mit dem Trägersubstrat über eine elektrisch leitende Verbindung verbunden sein. In diesem Fall ist es möglich, das Chipbauelement als Deckel auf die vom Trägersubstrat weg weisende Oberfläche des MEMS-Chips so aufzukleben, dass die Kontakte des Chipbauelements nach oben weisen. Möglich ist es jedoch auch, eine direkte Verbindung zusätzlich zwischen Chipbauelement und MEMS-Chip vorzusehen.
Vorzugsweise wird die elektrische Verbindung jedoch auf der Ebene des TrägerSubstrats, beispielsweise durch auf seiner Oberseite vorgesehene Leiterbahnen, oder durch eine im Inneren des Trägersubstrats verborgene Metallisierungs- und Ver- drahtungsebene oder auf der Unterseite des Trägersubstrats vorgenommen .
Der MEMS-Chip kann als Mikrofon ausgebildet sein, bei dem entweder in Abdeckung und/oder Schirmungsschicht eine Durch- brechung vorgesehen ist oder bei dem der MEMS-Chip über einer Schallöffnung im Trägersubstrat angeordnet ist. Zusätzlich kann das MEMS-Package auf der der Schallöffnung oder dem Durchbruch gegenüberliegenden Seite ein ausreichend dicht abgeschlossenes Rückvolumen aufweisen, welches einen Referenz- druck für den MEMS-Chip darstellt und die Messung eines
Druckunterschieds relativ zu diesem Referenzdruck ermöglicht. Dies ist für Anwendungen als Drucksensor oder Mikrofon erforderlich.
Die Schallöffnung, durch die ein als Mikrophon oder Drucksensor ausgebildeter MEMS-Chip mit der äußeren Umgebung in Verbindung steht, kann als eine Öffnung im Trägersubstrat oder als eine Durchbrechung in der Abdeckung bzw. Schirmungs- schicht ausgebildet sein.
Auf der der Schallöffnung gegenüber liegenden Seite des MEMS- Chips ist dann das Rückvolumen oder Referenzvolumen ausgebildet . Auf der passiven Seite kann das Rückvolumen durch eine Ausnehmung im MEMS-Chip zur Verfügung gestellt und entsprechend abgedeckt bzw. abgeschlossen sein.
Weist die passive Seite des MEMS-Chips zur Schallöffnung, wird das Rückseitenvolumen von der Abdeckung oder dem Trägersubstrat zur Verfügung gestellt.
Dies kann in Form eines als Kappe ausgebildeten auf dem MEMS-
I Chip aufsitzenden Deckels erfolgen oder in Form einer auf dem Trägersubstrat aufsitzenden Kappe erfolgen.
Wenn die aktive Seite dem Trägersubstrat mit der Schallöffnung zugewandt ist, wird das Rückvolumen beispielsweise in einer Ausnehmung im Trägersubstrat unterhalb des MEMS-Chips vorgesehen.
Im Folgenden werden das erfindungsgemäße MEMS-Package sowie geeignete Verfahren zu dessen Herstellung anhand von Ausfüh- rungsbeispielen und der dazugehörigen Figuren näher erläutet. Die Figuren sind rein schematisch und nicht maßstabsgetreu ausgeführt, so dass sich den Figuren weder absolute noch relative Maßangaben entnehmen lassen. Es zeigen im Einzelnen:
Figur 1 ein MEMS-Package, bei dem MEMS-Chip und Chipbauelement unter einer Kappe und einer metallischen Schirmungsschicht angeordnet und über Bonddrähte kontaktiert sind, Figur 2 eine Anordnung, bei der im Gegensatz zu Figur 1 der MEMS-Chip über eine Flip-Chip-Anordnung elektrisch kontaktiert ist,
Figur 3 eine Anordnung, bei der im Vergleich zu Figur 2 die Kappe durch eine dicht aufliegende Abdeckschicht ersetzt ist und das Chipbauelement eine Glob-Top-Abdeckung aufweist,
Figur 4 ein MEMS-Package, bei dem im Unterschied zu Figur 3 auch das Chipbauelement eine Flip-Chip-Anordnung aufweist und der MEMS-Chip mit einem Deckel abgedeckt ist,
Figur 5 eine Anordnung, bei der der in Flip-Chip-Anordnung aufgebrachte MEMS-Chip zusätzlich eine Fugenabdichtung auf- weist und bei dem auf die Abdeckschicht verzichtet ist,
Figur 6 eine Anordnung, bei der das Chipbauelement zwischen MEMS-Chip und Trägersubstrat auf letzterem befestigt ist,
Figur 7 eine Anordnung, bei der das Chipbauelement zwischen MEMS-Chip und Trägersubstrat angeordnet und an ersterem befestigt ist,
Figur 8 eine Anordnung, bei der das Chipbauelement auf dem durchkontaktierten MEMS-Chip aufliegt und zusätzlich mit einer eine Ausnehmung aufweisenden Abdeckung abgedeckt ist,
Figur 9 eine Anordnung mit auf dem MEMS-Chip aufliegendem Chipbauelement, die mit einer Laminatfolie abgedeckt sind,
Figur 10 eine Anordnung ähnlich wie Figur 8, bei der jedoch in Deckel, Abdeckung und SchirmungsSchicht eine Durchbrechung vorgesehen ist, Figur 11 eine Anordnung, bei der das Chipbauelement unter dem MEMS-Chip auf dem Trägersubstrat in einer Ausnehmung des MEMS-Chips! angeordnet ist und bei der über dem MEMS-Chip in Deckel, Abdeckung und Schirmungsschicht eine Durchbrechung vorgesehen ist,
Figur 12 eine Anordnung, bei der MEMS-Chip und Chipbauelement nebeneinander über einen Hohlraum im Trägersubstrat angeord- net sind, und wobei beide Hohlräume miteinander verbunden sind,
Figur 13 eine Anordnung, bei der das Chipbauelement neben dem MEMS-Chip angeordnet ist und über eine Metallisierungs- struktur elektrisch kontaktiert ist,
Figur 14 eine Anordnung, bei der der MEMS-Chip mit dem Chipbauelement abgedeckt ist und das Chipbauelement mittels einer Metallisierungsstruktur elektrisch leitend mit dem Trägersub- strat verbunden ist, und
Figur 15 eine Anordnung, bei der zwischen MEMS-Chip und Chip- Bauelement ein Formteil mit einer zusätzlichen Ausnehmung angeordnet ist.
Figur 1 zeigt eine einfache Ausführungsform des MEMS- Packages, bei der MEMS-Chip MC und Chipbauelement CB nebeneinander auf der Oberseite des Trägersubstrats TS montiert und dort beispielsweise mittels Klebstoff befestigt sind. Die elektrische Kontaktierung der beiden Komponenten zum Trägersubstrat erfolgt mit Bonddrähten BD. Die Abdeckung AB besteht aus einer auf dem Trägersubstrat aufsitzenden Kappe, die unter sich einen Hohlraum HR einschließt. Die Kappe kann bei- spielsweise auf das Trägersubstrat TS aufgeklebt werden und besteht beispielsweise aus einem vorgeformten Kunststoffteil . Die Schirmungsschicht SL wird in einem Dünnschichtverfahren auf die Kappe und die Oberfläche des TrägerSubstrats aufge- bracht und gegebenenfalls nasschemisch oder galvanisch verstärkt. Geeignet ist beispielsweise ein zweistufiges Vorgehen, bei dem zunächst eine metallische Haftschicht - beispielsweise aus Titan, Nickel, Chrom, Wolfram oder Kupfer - aufgesputtert und anschließend aus der Lösung galvanisch oder stromlos mit Kupfer oder Nickel verstärkt wird.
Geeignete Schichtdicken zum Erfüllen der Schirmungsfunktion liegen dann im Bereich zwischen 10 und 100 μm. Vorzugsweise weist das Trägersubstrat TS eine mit Masse verbundene An- schlussfläche auf, die mit der Schirmungsschicht abschließt und diese somit erdet . Der Hohlraum HR unter der als Kappe ausgebildeten Abdeckung AB wird als Rückvolumen für die Funktion des MEMS-Chips benutzt. Der MEMS-Chip MC weist auf der zum Trägersubstrat weisenden passiven Seite eine Ausnehmung AN auf, in der der MEMS-Chip soweit gedünnt ist, dass die
MEMS Strukturen der aktiven Seite frei liegen. Unterhalb der Ausnehmung ist im Trägersubstrat eine als Durchbruch ausgebildete Öffnung OE vorgesehen, sodass die (passive) Unterseite des MEMS-Chips im Bereich der Ausnehmung AN mit einer Um- gebungsatmosphäre bzw. einem Umgebungsdruck in Verbindung steht.
In der Figur nicht dargestellt sind an der Unterseite des Trägersubstrats angeordnete Außenkontakte, über die das MEMS- Package auf einer Leiterplatte oder einer anderen Schaltungsumgebung befestigt werden kann. Sinnvollerweise weist dann auch die Leiterplatte einen entsprechenden Durchbruch auf, um nach Montage des Packages eine Verbindung zur Umgebungs- atmosphäre zu gewährleisten. Möglich ist es jedoch auch, die Außenkontakte auf der Oberseite des Trägersubstrats vorzusehen und die Kappe dann in eine Ausnehmung oder Öffnung der Leiterplatte zu versenken und den MEMS-Chip so kopfüber zu befestigen.
Der MEMS-Chip MC ist beispielsweise als Mikrofon, das Chipbauelement CB beispielsweise als Verstärkerbauelement für die vom MEMS-Chip erzeugten Messsignale ausgelegt.
Als Trägersubstrat TS sind übliche Leiterplattensubstrate in einer Mehrlagentechnik auf keramischer (HTCC - High Tempera- ture Cofired Ceramics, LTCC - Low Temperature Cofired Cera- mics) oder organischer Basis (Epoxid, Phenol, Polyimid, Bis- maleinimid-Triazin, Cyanat, Ester, Cyanatester, PTFE Polytet- rafluorethylen) , gegebenenfalls mit anorganischen Füllstoffen (Quarz- oder Keramikpartikel, Glasfasern, Glasfolie) oder auch mit organischer Faserverstärkung (z. B. Aramid) geeignet. Auch Hochtemperatur-Thermoplaste (z. B. PEI Polyetheri- mid, PAEK Polyaryletherketone, PSU Polysulfon, PPS Polypheny- lensulfid, PAI Polyamidimid, PA Polyamid, Polyphthalamid, Po- lybutylenterephthalat oder andere) bieten sich als Material für das Trägersubstrat TS an, insbesondere solche in MID- Verarbeitung (Moulded Interconnect Device) . Im Trägersubstrat TS können passive oder aktive Bauelemente eingebettet sein.
Im Fall eines als Mikrofon ausgebildeten MEMS-Chips sind dies insbesondere Verstärker oder AD-Wandler sowie Schutzeinrichtungen gegen EMI (Electro-Magnetic Interference) und ESD (E- lectro-Static Discharge) .
Figur 2 zeigt ein weiteres MEMS-Package, bei dem im Unterschied zu Figur 1 der MEMS-Chip MC in Flip-Chip-Anordnung z.B. mittels Bumps BU auf dem Trägersubstrat TS befestigt ist. Dazu ist der MEMS-Chip gegenüber der Figur 1 vertikal gekippt, sodass nun die aktive Seite des MEMS-Chips zur Oberfläche des Trägersubstrats weist. Die elektrische und mechanische Verbindung kann über Bumps oder über elektrisch lei- tenden Kleber erfolgen. Sofern der Kleber keine ausreichende Abdichtung des Rückvolumens unter der als Kappe ausgebildeten Abdeckung AB erzeugt, sodass der dort vorliegende Referenzdruck nicht lange genug aufrecht erhalten werden kann, so wird, wie in Figur 2 gezeigt, zusätzlich ein Dichtrahmen DR (siehe Figur) oder alternativ ein Underfiller oder eine sonstige Fugenabdichtung so vorgesehen, dass die Kante des MEMS- Chips umlaufend gegen das Trägersubstrat TS abgedichtet ist. Der Dichtrahmen kann auch ein nach dem Auflöten des MEMS- Chips MC applizierter Klebstoff sein. Ein anisotrop leitender Klebstoff kann die dargestellten Bumps BU ersetzen und gleichzeitig eine Abdichtung vornehmen. Gegenüber Figur 1 ist das Rückvolumen hier weiter vergrößert .
Figur 3 zeigt eine Anordnung, bei der MEMS-Chip MC und Chip- bauelement CB wie in Figur 2 aufgebracht sind. Anders als dort ist das Chipbauelement CB hier jedoch mit einer direkt aufgebrachten Schutzabdeckung, beispielsweise einer Glob-Top- Masse LG abgedeckt. Sowohl über MEMS-Chip MC als auch über mit der Schutzabdeckung LG versehenes Chipbauelement CB ist als weitere Abdeckung AB eine Abdeckschicht aufgebracht, beispielsweise eine auflaminierte Laminatfolie. Diese schmiegt sich dicht an den MEMS-Chip MC an und kann, wie dargestellt, die' Ausnehmung AN auf der (passiven) Unterseite des MEMS- Chips MC überspannen. Die Schirmungsschicht SL ist wiederum als metallische Schicht auf die Oberfläche der Abdeckschicht aufgebracht und schließt rundum mit dem Trägersubstrat TS ab. Wegen des gegenüber den Figuren 1 und 2 verkleinerten Rückvolumens ist, falls für den MEMS-Chip MC überhaupt ein Rückvolumen erforderlich ist, dieses ausreichend hoch gewählt. Dazu ist die Ausnehmung AN entweder vergrößert oder die Dicke des MEMS-Chips erhöht, bis ein ausreichend großes Rückvolumen erhalten ist. Bei geeigneter Prozessführung, insbesondere wenn die Abdeckschicht das Rückvolumen dicht am MEMS-Chip abschließt, kann hier auf den Dichtrahmen DR verzichtet werden.
Figur 4 zeigt eine Ausführung für ein MEMS-Package, bei der auch das Chipbauelement CB in Flip-Chip-Anordnung neben dem MEMS-Chip MC auf dem Trägersubstrat TS aufgebracht ist. Da dadurch die elektrischen Kontakte des Chipbauelements CB im Zwischenraum zwischen Chipbauelement und Trägersubstrat ge- schützt sind, ist hier keine zusätzliche Abdeckung des Chip- Bauelements wie in Figur 3 erforderlich. Die als Abdeckschicht ausgebildete Abdeckung AB kann direkt auf der Rückseite des Chipbauelements aufliegen.
Als weitere Ausgestaltung ist über dem MEMS-Chip MC ein Deckel DL aufgebracht. Dieser erleichtert das Aufbringen der Abdeckschicht, insbesondere das Auflaminieren der Laminatfolie, indem es die Ausnehmung auf der Oberseite des MEMS- Chips MC abdeckt und dabei Rückvolumen einschließt. Für den Deckel DL kann eine Glas- oder Kunststofffolie eingesetzt werden, alternativ eine entsprechend gedünnte Halbleiterschicht. Eine ausreichende Dicke wird bei ca. 100 μm erhalten. Vorzugsweise wird der MEMS-Chip bereits auf Waferebene mit dem Deckel versehen, indem eine entsprechend großflächige Deckelschicht oder ein entsprechender Deckelwafer mit dem Wa- fer verbunden wird, in dem die MEMS-Chips MC im Nutzen hergestellt werden. Das Verbinden des MEMS-Wafers mit dem Deckel- wafer kann beispielsweise mittels Waferbondens erfolgen. Auch Kleben ist möglich.
Figur 5 zeigt eine Anordnung, bei der auf die Abdeckschicht verzichtet ist. Der MEMS-Chip ist lediglich mit einem Deckel DL abgedeckt, der das Rückvolumen in der Ausnehmung AN abschließt. Falls der MEMS-Chip MC nicht mit einem elektrisch anisotrop leitenden Klebstoff befestigt und so bereits abgedichtet ist, ist die Fuge zwischen MEMS-Chips und Trägersub- strat TS zusätzlich noch mit einer Fugenabdichtung FD, beispielsweise einem Dichtrahmen oder einem Underfiller, abgedichtet. Diese Anordnung ermöglicht es nun, direkt auf den Deckel, die Seitenflächen des MEMS-Chips und die Oberfläche des Trägersubstrats eine Schirmungsschicht SL aufzubringen, ohne dass dadurch eine Beeinträchtigung der MEMS-Funktion in Kauf genommen werden muss .
Zur Aufbringung der SchirmungsSchicht für die Anordnung nach Ficgur 5 können auch Abscheideprozesse aus Metalllösungen eingesetzt werden, da eine entsprechende Dichtigkeit am MEMS- Chip gegeben ist . Dabei muss lediglich die Schallöffnung OE im Trägersubstrat vorübergehend geschlossen werden oder es muss so vorgegangen werden, dass die Schallöffnung nicht der Flüssigkeit ausgesetzt ist. Das Chipbauelement CB ist vor- zugsweise mit einem anisotropen Leitkleber aufgeklebt, sodass auch hier keine zusätzliche Abdichtung erforderlich ist. Nicht dargestellt, aber möglich ist es, auch das Chipbauelement mit einer Fugendichtung gegen das Trägersubstrat abzudichten, um die Kontakte vor dem Abscheideprozess der Schir- mungsschicht SL zu schützen.
Figur 6 zeigt eine Raum sparende Ausführung eines MEMS- Packages, bei der das Chipbauelement CB nicht neben, sondern hier unter dem MEMS-Chip MC direkt auf dem TrägerSubstrat TS befestigt ist. Dabei kann das Chipbauelement CB die Öffnung OE im Trägersubstrat wie dargestellt so überdecken, dass der MEMS-Chip MC dennoch in direktem Kontakt mit der Umgebungs- atmosphäre außerhalb des Packages in Kontakt treten kann und einen entsprechenden Druck aufnehmen kann. Diese Ausführung ist bezüglich der minimalen erforderlichen Trägersubstrat- fläche optimal.
Als weiteres unabhängig mit anderen Ausführungen kombinier- bares Merkmal ist hier der MEMS-Chip MC mit einem Deckel DL versehen, der über der Ausnehmung AN des MEMS-Chips selbst eine Deckelausnehmung aufweist bzw. als auf dem MEMS-Chip aufsitzende Kappe ausgebildet ist. Die Deckelausnehmung ver- größert das Rückseitenvolumen. Die Abdeckung AB überdeckt den MEMS-Chip bzw. den Deckel und stellt zugleich zusammen mit t einer darüber aufgebrachten Schirmungsschicht SL die Abdichtung des MEMS-Chips gegen das Trägersubstrat sicher. Möglich ist es auch in diesem Fall, auf die Abdeckschicht zu verzichten und gegebenenfalls eine Fugenabdichtung an der MEMS-Chip-Unterseite vorzusehen.
In leichter Abwandlung gegenüber Figur 6 zeigt Figur 7 ein ebenfalls unter dem MEMS-Chip MC angeordnetes, jedoch mit dessen Unterseite verbundenes Chipbauelement CB. Auch hier ist das Chipbauelement so aufgebracht, dass die Unterseite des MEMS-Chips mit der Außenatmosphäre in Kontakt steht. Die übrige Abdichtung kann, wie in einer der Figuren 4 bis 6 oder wie in Figur 7 dargestellt, erfolgen.
Zur Verfahrensvereinfachung kann das Chipbauelement CB bereits auf Waferebene auf einem MEMS-Chip-Wafer, in dem die MEMS-Chips ausgebildet sind, aufgebracht werden, bevor die einzelnen MEMS-Chips vereinzelt werden. Dabei ist es möglich, die Chipbauelemente CB auf einem Hilfsträger in geeignetem Raster aufzubringen, sodass die Aufbringung der Chipbauelemente mittels des Hilfsträgers gemeinsam für alle MEMS-Chips auf dem Wafer parallel und gleichzeitig erfolgen kann. j
Figur 8 zeigt eine weitere Trägersubstrat-Fläche sparende Ausführung eines MEMS-Packages, bei der das Chipbauelement CB auf der (passiven) Oberseite des MEMS-Chips MC aufgebracht ist, vorzugsweise in Flip-Chip-Anordnung, die eine gleichzeitige elektrische Verbindung des Chipbauelements mit dem MEMS- Chip ermöglicht. Dazu ist der MEMS-Chip wie dargestellt mit einer Durchkontaktierung DK versehen, die eine elektrische Verbindung zur aktiven Seite des MEMS-Chips herstellt. Die MEMS Strukturen auf der aktiven Seite wiederum sind über entsprechend leitfähige Verbindungen mit Anschlussflächen auf dem Trägersubstrat (in der Figur nicht dargestellt) verbunden. Es kann eine beliebige Anzahl von Durchkontaktierungen und eine gegebenenfalls noch höhere Anzahl von Kontaktflächen auf der Unterseite des MEMS-Chips vorgesehen werden, die den erforderlichen Anschlüssen für den MEMS-Chip und das Chipbauelement CB entsprechen. Möglich ist es jedoch auch, Anschlüsse zusammenzuführen oder aufzuteilen, wobei sich die Anzahl der Durchkontaktierungen und Anschlüsse entsprechend erhöht oder erniedrigt.
Falls das Chipbauelement CB nicht ausreichend mechanisch stabil ist, kann es zusätzlich mit einer auf dem MEMS-Chip aufsitzenden Kappe, die als Deckel DL fungiert, abgedeckt wer- den. Die Kappenform kann auch durch eine entsprechend große
Deckelausnehmung auf der Unterseite des Deckels realisiert sein. Abdeckschicht AS und Schirmungsschicht SL ergänzen die Anordnung. Gegebenenfalls kann auch hier wieder auf die Abdeckschicht verzichtet werden.
Figur 9 zeigt eine weitere Ausführung für ein MEMS-Package, bei der das Chipbauelement CB den Deckel für den MEMS-Chip MC darstellt, der ausreichend stabil ist, sodass ohne Stabilitätsprobleme direkt darüber als Abdeckung AB eine Abdeckschicht und darüber eine Schirmungsschicht SL abgeschieden bzw. erzeugt werden kann. Das Chipbauelement ist hier vor- zugsweise bereits auf Waferebene mit dem MEMS-Wafer, in dem die einzelnen MEMS-Chips strukturiert sind, verbunden. Dazu ist das Chipbauelement vorzugsweise flächengleich mit dem MEMS-Chip, sodass die beiden Wafer direkt miteinander verbunden werden können, da sie das gleiche Raster bei der Verein- zelung aufweisen. Allerdings kann es hier erforderlich sein, elektrische Verbindungen auf die Oberseite des Chipbauelements mittels Durchkontaktierungen durch das Chipbauelement zu realisieren (wie in Figur 9 dargestellt) . Eine Aufbringung des Chipbauelements in Flip-Chip-Weise auf der (ak- tiven) Oberseite des MEMS-Chips (in Figur 9 nicht dargestellt) kann direkt eine elektrische Verbindung zu entsprechenden Anschlüssen des MEMS-Chips ausbilden, sodass dann die Durchkontaktierungen durch das Chipbauelement nicht erforderlich sind. Die Verbindung kann über Löten oder vorteilhaft mit anisotrop leitfähigem Kleber erfolgen.
Figur 10 zeigt eine Anordnung, bei der der MEMS-Chip MC im Vergleich zu den vorherigen in den Figuren 2 bis 9 dargestellten Anordnungen über seinen Basischip bzw. seine passive Seite mit dem Trägersubstrat TS verbunden ist. Dies bedeutet, dass das durch die Ausnehmung AN im Basischip garantierte Rückseitenvolumen nun mit dem Trägersubstrat TS abgeschlossen ist. Der Kontakt des MEMS-Chips MC mit der Umgebungsatmosphä- re muss dann über eine Durchbrechung DB in Deckel DL, Abdeckung AB und Schirmungsschicht SL erfolgen. Bei ausreichender Stabilität der Abdeckung AB kann auf den Deckel DL verzichtet werden und der Hohlraum z.B. über eine Opferschicht auf dem MEMS-Chip garantiert werden, die nach Aufbringen von Abdeckung AB und Schirmungsschicht sowie nach dem Öffnen der Durchbrechung DB wieder entfernt werden kann. Die Durchbrechung DB kann in beiden Fällen nach Fertigstellung der Abdeckung AB und nach Aufbringung der Abdeckschicht und der Schirmungsschicht SL erzeugt werden, beispielsweise durch
Bohren, insbesondere Laserbohren. Es kann eine größere oder mehrere kleinere Durchbrechungen vorgesehen werden.
Figur 11 zeigt eine Anordnung, die das Rückseitenvolumen e- benfalls zwischen MEMS-Chip und Trägersubstrat im Bereich der Ausnehmung AN einschließt. Das Volumen ist ausreichend, dass darin das Chipbauelement CB Platz hat und unter dem MEMS-Chip im Bereich der Ausnehmung mit dem Trägersubstrat TS verbunden werden kann, beispielsweise in Flip-Chip-Anordnung mittels elektrisch leitfähigem Kleber, Bumps oder sonstiger Bondverbindung. Auch hier muss eine Verbindung der Oberseite des MEMS-Chips MC mit der Umgebungsatmosphäre über eine Durchbrechung DB gewährleistet sein.
Da das Rückseitenvolumen durch die Anordnung gemäß der Figuren 10 und 11 auf die Chipgröße des MEMS-Chips MC beschränkt und gegebenenfalls zu klein ist, kann es durch zusätzliche Hohlräume VK im Trägersubstrat TS vergrößert werden. Figur 12 zeigt darüber hinaus eine Ausgestaltung, bei zusätzlich ein weiterer Hohlraum unter dem Chipbauelement CB vorgesehen ist, der mit dem Hohlraum VK unter dem MEMS-Chip MC verbunden ist. Das Rückseitenvolumen ist dadurch weiter vergrößert, ohne dass dadurch die Bauhöhe oder die Fläche des MEMS-Packages erhöht wird.
Figur 13 zeigt eine Ausführung, bei der über einer ersten Ab- deckschicht ASl eine Metallisierungsstruktur MS und darüber eine zweite Abdeckschicht AS2 angeordnet ist. Die Metallisierungsstruktur steht elektrisch über Kontaktöffnungen KB in der ersten Abdeckschicht ASl mit Kontaktflächen des Chip- Bauelement CB und Anschlussflächen des Trägersubstrats TS in Verbindung und stellt so einen elektrische Verbindungsstruktur dar. Daher kann das Chip-Bauelement CB mit der Rückseite auf das Trägersubstrat aufgeklebt werden.
In Figur 14 ist ähnlich wie in Figur 9 der MEMS-Chip MC mit dem aufgeklebten Chip-Bauelement CB als Deckel abgedeckt . Der elektrische Anschluss des Chip-Bauelement an die Anschlussflächen des Trägersubstrats TS erfolgt auch hier über eine wie in Figur 13 dargestellte Metallisierungsstruktur MS, die durch Kontaktöffnungen KB mit den Kontaktflächen des MEMS- Chips MC verbunden ist. Der MEMS-Chip ist direkt mit dem Trä- gersubstrat bzw. dessen Kontaktflächen kontaktiert.
In keiner der beschriebenen Ausführungsformen ist das Rückvolumen des MEMS-Chips auf die dargestellte Form (trichter- förmige Öffnung) eingeschränkt, die sich z.B. durch bestimmte
Ätzverfahren in Einkristallen wie z.B. Silizium ergibt. Zur Verkleinerung des MEMS-Chips können vielmehr andere Formen (senkrechte Wände) der Ausnehmung vorteilhafter sein. Andererseits kann dann aber das chipeigene durch eine Ausnehmung gebildete Rückseitenvolumen zu klein werden, was die Empfindlichkeit des Mikrophons verschlechtert. Eine Abhilfemaßnahme ist bereits in Figur 6 gezeigt, in der die Abdeckung AB eine zusätzlicher Ausnehmung aufweist. Wenn das Chip-Bauelement CB als Chipabdeckung für den MEMS- Chip MC dienen und dabei zusätzliches Rückseitenvolumen geschaffen werden soll, bietet sich die folgende in Figur 15 dargestellte Lösung an. Sie erweist sich auch besonders dann als vorteilhaft, wenn MΞMS-Chip und Chip-Bauelement bereits auf Wafer-Level zusammengefügt werden sollen, obwohl das Chip-Bauelement kleiner ist. In diesem Fall wird in einem vorbereitenden Schritt das (kleinere) Chip-Bauelement mit seiner Anschlussseite auf einen Hilfsträger (z.B. eine Klebefolie) gesetzt und zwar im Rastermaß des (größeren) MEMS- Chips . Diese Anordnung wird dann mit einer zur Erzielung eines angepassten thermischen Ausdehnungskoeffizienten hochgefüllten polymeren Füllmasse FM überschichtet, z.B. in einem
I Gieß-, Preß- oder Laminierverfahren. Auf diese Weise wird ein neuer Wafer gewonnen, in dem Chip-Bauelemente nun passend zum Gegenstück angeordnet sind. Bei diesem Arbeitsgang kann auf einfache Weise in die Formmasse FM ein ergänzender Hohlraum HR eingeprägt werden. Beim Aufsetzen und Aufkleben des neuen Wafers ist der ergänzende Hohlraum über dem MEMS-Chip MC angeordnet und bildet gegebenenfalls zusammen mit dessen Ausnehmung AN das Rückseitenvolumen.
In abgewandelter Ausführung kann eine Zwischenlage mit einem ergänzenden Hohlraum auch durch ein separates Formteil gebildet werden .
In Abwandlung der dargestellten Ausführungen sind darüber hinaus auch andere Kombinationen der beschriebenen Details möglich.
Alle Ausführungsformen eignen sich auch besonders für Arrays aus zwei oder mehr als Mikrophone ausgebildete MEMS-Chips. Dadurch lässt sich eine Richtcharakteristik einstellen, beispielsweise zur Reduktion von Umgebungsgeräuschen. Die Rückseitenvolumina sind dabei individuell jedem MEMS-Chip beigeordnet, die elektronische Beschaltung kann dagegen mehrere davon zusammenfassen.
Die Schirmungsschicht SL auf der Oberseite des Trägersubstrats, auf der sich MEMS-Chip und ggfs. weitere Komponenten befinden, ist von wesentlicher Bedeutung für die Schirmung der empfindlichen internen Signalverarbeitung gegenüber externen Störfeldern. Besonders relevant ist dies beim Einsatz in einem Mobiltelefon, wo das Bauelement oft nur wenige Zentimeter von der Antenne entfernt angeordnet ist. Die oben angeführte Prozessfolge Laminieren - Sputtern - Elektroplating ist nur eine Möglichkeit, diesen gut leitfähigen Überzug herzustellen. Bei einigen Ausführungsformen kann z.B. der Lami- nierprozess entfallen (vgl. Figur 5) . Auch ist es möglich, anstelle des Laminats eine entsprechende Schicht durch Tauchen, Gießen oder Sprühen herzustellen. Für die Metallisie- rung von KunststoffOberflächen sind eine Reihe von PVD-, CVD- , nasschemischen und galvanischen Verfahren (oder Kombinationen daraus) bekannt. Für eine strukturierte Metallisierungsstruktur MS (siehe Figuren 13, 14, 15) zum Zwecke der Ver- schaltung bietet sich deren fotolithographische Strukturie- rung oder eine selektive Metallisierung an, z.B. laseraktivierte Abscheidung oder ein Direktschreiben der Metallisierungsstruktur mit einem Jet-Druckverfahren.
Alle vorstehend am Beispiel eines MEMS-Mikrophons beschriebe- nen bzw. schematisch in den Figuren dargestellten Packaging- Varianten eignen sich prinzipiell auch für beliebige andere elektronische Bauteile, besonders zur Verkapselung von anderen MEMS-Chips inklusive Verstärkungs- , Anpass- oder Auswer- teelektronik. Typische Beispiele dafür sind mechanische Resonatoren und Filter, Pyrosensoren, Spektrometer, Bildwandler im sichtbaren oder infraroten Spektralbereich, Drucksensoren, Gassensoren, Trübungssensoren, Lautsprecher, Bewegungsmelder, Beschleunigungs- oder Gyrosensoren, RFID-Chips, Schalter, abstimmbare Hochfrequenzbauteile ("Varaktoren") , Brennstoffzellen, Thermoelektrische Generatoren u.v.a.m..
Sinngemäß kann dabei die Schallöffnung entfallen. Dann ist bei geeignetem Trägersubstratmaterial erforderlichenfalls eine hermetische und diffusionsdichte Ausführung möglich oder durch ein Fenster für andere Wellen oder Strahlungen bzw. durch einen Medieneinlass ersetzt werden. Auch das Rückseitenvolumen ist dann in vielen Fällen obsolet.
Bezugs zeichenliste
MC MEMS-Chip
AN Ausnehmung
DK Durchkontaktierung
TS Trägersubstrat
OE Öffnung
VK ergänzender Hohlraum
CB Chip-Bauelement
SL Schirmungsschicht
AB Abdeckung
AS1/AS2 Abdeckschicht
DL Deckel
BD Bonddraht
DB Durchbrechung
HR Hohlraum
FD Fugenabdichtung
DR Dichtrahmen
MS Metallisierungsstruktur
FM Formteil
BU Bump
LG Glob-Top-Masse
KB KontaktÖffnung

Claims

Patentansprüche
1. MEMS-Package, mit
- einem Trägersubstrat (TS) , - einem auf dessen Oberseite montierten MEMS-Chip (MC) , zumindest einem auf oder über der Oberseite des Trägersubstrat angeordneten oder in das Trägersubstrat eingebetteten Chip-Bauelement (CB) , einer dünnen metallischen Ξchirmungsschicht (SL) , die den MEMS-Chip und das Chip-Bauelement überdeckt und mit der Oberseite des Trägersubstrats abschließt, wobei MEMS-Chip und Chip-Bauelement elektrisch untereinander oder mit Außenkontakten- auf einer Oberfläche des Trägersubstrats verbunden sind.
2. MEMS-Package nach Anspruch 1, bei dem zwischen Schirmungsschicht (SL) und MEMS-Chip (MC) eine Abdeckung (AB) angeordnet ist.
3. MEMS-Package nach Anspruch 2, bei dem die Abdeckung (AB) eine großflächig über MEMS-Chip (MC) und Chip-Bauelement (CB) aufgebrachte und mit dem Trägersubstrat (TS) abschließende Laminatfolie ist.
4. MEMS-Package nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Abdeckung einen auf dem MEMS-Chip (MC) aufliegenden Deckel (DL) ausbildet.
5. MEMS-Package nach Anspruch 4, bei dem der Deckel (DL) eine zum MEMS-Chip (MC) weisende Ausnehmung aufweist und damit über dem MEMS-Chip einen Hohlraum (HR) einschließt.
6. MEMS-Package nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem das Chip-Bauelement (CB) auf dem MEMS-Chip (MC) aufliegt und unter der SchirmungsSchicht (SL) angeordnet ist.
7. MEMS-Package nach einem der Ansprüche 2 bis 6, bei dem in der Abdeckung (AB) über dem MEMS-Chip (MC) ein Durchbruch vorgesehen ist.
8. MEMS-Package nach einem der Ansprüche 2 bis 6, bei dem die Abdeckung (AB) als starre Kappe ausgebildet ist, die auf dem Trägersubstrat (TS) aufsitzt und mit diesem zusammen einen Hohlraum (HR) ausbildet, in dem zumindest der MEMS-Chip (MC) angeordnet ist und bei dem die Schirmungsschicht (SL) direkt auf der Kappe und zumindest im Randbereich um die Kappe herum auf dem Trägersubstrat aufliegt .
9. MEMS-Package nach einem der Ansprüche 3 bis 7, bei dem über der Abdeckung eine Metallisierungsstruktur (MS) aufgebracht ist, die durch Kontaktöffnungen in der Abdeckung (AB) hindurch elektrisch leitend mit dem MEMS- Chip (MC) und/oder dem Chip-Bauelement (CB) und/oder mit Kontaktflächen des Trägersubstrats (TS) verbunden ist, bei dem über der Metallisierungsstruktur eine elektrisch isolierende Schicht (AS2) und darüber die Schirmungs- Schicht (SL) angeordnet ist.
10. MEMS-Package nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem der MEMS-Chip (MC) eine aktive Seitemit MEMS-
Strukturen aufweist, bei dem der MEMS-Chip in der der aktiven Seiter gegenüberliegenden Oberfläche eine zentrale Ausnehmung (AN) auf- weist, in der die Schichtdicke des MEMS-Chips reduziert ist oder in der die MEMS-Strukturen freigelegt sind.
11. MEMS-Package nach Anspruch 10, bei dem der MEMS-Chip mit der der aktiven Seite gegenüber liegenden passiven Seite zum Trägersubstrat (TS) weist, bei dem der MEMS-Chip (MC) elektrische Durchkontaktierun- gen (DK) aufweist, über die die MEMS-Strukturen elektrisch mit auf dem Trägersubstrat angeordneten Anschlussflächen verbunden ist.
12. MEMS-Package nach Anspruch 10, bei dem der MEMS-Chip (MC) mit der passiven Seite auf dem Trägersubstrat (TS) aufgeklebt ist, bei dem die aktive Seite elektrische Kontaktflächen aufweist, die mittels Bonddrähten elektrisch mit auf dem Trägersubstrat angeordneten Anschlussflächen verbunden ist.
13. MEMS-Package nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem die aktive Seite des MEMS-Chips (MC) zum Trägersubstrat (TS) weist, bei dem korrespondierende elektrische Kontaktflächen der MEMS-Strukturen auf der aktiven Seite und auf dem Trägersubstrat angeordnete Anschlussflächen einander gegenüber liegen und elektrisch und mechanisch miteinander verbunden sind.
14. MEMS-Package nach Anspruch 13, bei dem das Chip-Bauelement (CB) unter dem MEMS-Chip (MC) auf der Oberseite des Trägersubstrats (TS) angeordnet und elektrisch mit den auf dem Trägersubstrat angeordneten Anschlussflächen verbunden ist.
15. MEMS-Package nach Anspruch 13, bei dem das Chip-Bauelement (CB) unter dem MEMS-Chip (MC) angeordnet und elektrisch und mechanisch mit dem MEMS-Chip verbunden ist.
16. MEMS-Package nach einem der Ansprüche 13 bis 15, bei dem die Fuge zwischen dem MEMS-Chip (MC) und dem Trägersubstrat (TS) mittels einer Fugenabdichtung (FD) abgedichtet ist .
17. MEMS-Package nach Anspruch 4 und 16, bei dem die Schirmungsschicht (SL) auf dem nur mit einem Deckel (DL) abgedeckten MEMS-Chip (MC) aufgebracht ist und dicht an Deckel, Seitenflächen des MEMS-Chips und an der Oberseite des Trägersubstrats (TS) anliegt.
18. MEMS-Package nach einem der Ansprüche 1 bis 17, bei dem der MEMS-Chip (MC) und das zumindest eine Chip- Bauelement (CB) nebeneinander auf dem Trägersubstrat angeordnet und elektrisch mit den Anschlussflächen verbunden sind, bei dem der MEMS-Chip und das Chip-Bauelement mit einer Abdeckung (AB) versehen sind, die die jeweilige Komponente getrennt von der anderen gegen das Trägersubstrat (TS) abschließt und bei dem die Schirmungsschicht (SL) beide Komponenten über- deckt.
19. MEMS-Package nach Anspruch 18, bei dem der MEMS-Chip (MC) mit der aktiven Seite auf dem Trägersubstrat (TS) mittels Bumps oder elektrisch leitfä- higen Klebstoffs elektrisch und mechanisch verbunden ist, bei dem auf der von der Oberseite des Trägersubstrat wegweisenden passiven Oberfläche des MEMS-Chips ein Deckel (DL) aufliegt, bei dem der MEMS-Chip samt Deckel und das Chip-Bauelement mit einer gemeinsamen Laminatfolie abgedeckt sind, auf deren nach außen weisender Oberfläche eine Schirmungsschicht (SL) aufgebracht ist.
20. MEMS-Package nach einem der Ansprüche 1 bis 17, bei dem der MEMS-Chip (MC) mit der aktiven Seite auf dem Trägersubstrat (TS) mittels Bumps (BU) oder elektrisch leitfähigen Klebstoffs elektrisch und mechanisch verbunden ist, bei dem auf der von der Oberseite des Trägersubstrat (TS) wegweisenden Oberfläche des MEMS-Chips das Chip-Bauelement (CB) als Deckel aufliegt und elektrisch mit dem MEMS-Chip verbunden ist, bei dem der MEMS-Chip und das Chip-Bauelement mit einer ersten Laminatfolie abgedeckt sind, in der Kontaktöffnungen vorgesehen sind, bei dem über der Laminatfolie eine erste Metallisierungs- struktur (MS) aufgebracht ist, die elektrisch mit dem Chip-Bauelement (CB) und Kontaktflächen auf der Oberseite des Trägersubstrats (TS) verbunden ist, bei der über der Metallisierungsstruktur eine elektrisch isolierende Schicht (AS2) angeordnet ist, bei der über der isolierende Schicht die Schirmungsschicht (SL) aufgebracht ist.
21. MEMS-Package nach einem der Ansprüche 1 bis 20, bei dem der MEMS-Chip (MC) als Mikrofon ausgebildet ist, bei dem entweder in Abdeckung (AB) und/oder Schirmungs- schicht (SL) ein Durchbruch (DB) vorgesehen ist, oder bei dem der MEMS-Chip über einer Schallöffnung (OE) im Trägersubstrat (TS) angeordnet ist, bei dem auf der jeweils der Schallöffnung oder dem Durchbruch gegenüber liegenden Sei- te des MEMS-Chips ein geschlossenes Rückvolumen vorgesehen ist.
22. MEMS-Package nach Anspruch 21, bei dem MEMS-Chip (MC) und Chip-Bauelement (CB) nebeneinander auf dem Trägersubstrat (TS) montiert sind, bei dem auch unter dem Chip-Bauelement ein Hohlraum (HR) im Trägersubstrat ausgebildet ist, der mit dem Rückvolumen unter dem MEMS-Chip verbunden ist. ι>
23. MEMS-Package nach Anspruch 19 oder 20, bei dem der elektrisch leitende Klebstoff eine anisotrope Leitfähigkeit vertikal zu einer KlebstoffSchicht aufweist.
24. MEMS-Package nach einem der Ansprüche 1 bis 23, bei dem das Trägersubstrat (TS) aus einem diffusionsdichten Werkstoff besteht und die Schirmungsschicht (SL) umlaufend dicht an diesen Werkstoff anbindet .
25. MEMS-Package nach einem der Ansprüche 4 bis 24, bei dem der Deckel (DL) aus einem für elektromagnetische Strahlung durchlässigen Material besteht und bei dem die Abdeckung (AB) und/oder Schirmungsschicht (SL) im Bereich des Deckel durchbrochen ist .
26. Verfahren zur Herstellung eines MEMS-Packages nach einem der Ansprüche 1 bis 25, bei dem auf einem Trägersubstrat (TS) ein MEMS-Chip (MC) montiert wird, bei dem über dem Trägersubstrat ein Chip-Bauelement (CB) angeordnet wird, bei dem eine elektrische Verbindung zwischen MEMS-Chip, Chip-Bauelement und Außenkontakten auf dem Trägersubstrat hergestellt wird, bei dem über MEMS-Chip und Chip-Bauelement eine Abdeckung (AB) aufgebracht wird, bei dem über dem gesamten Aufbau als oberste Schicht eine Schirmungsschicht (SL) in Form einer dünnen metallischen Schicht aufgebracht wird.
27. Verfahren nach Anspruch 26, bei dem als Abdeckung (AB) eine Laminatfolie auflaminiert wird, die rund um den MEMS-Chip (MC) und das Chip- Bauelement (CB) mit dem Trägersubstrat (TS) abschließt, bei dem die Schirmungsschicht (SL) großflächig auf die La- minatfolie und das Trägersubstrat so aufgebracht wird, dass sie rund umlaufend mit dem Trägersubstrat abschließt und an mindestens einer Stelle mit einer Kontaktfläche des Trägersubstrats elektrisch verbunden ist.
28. Verfahren nach Anspruch 26 oder 27, bei dem die Schirmungsschicht (SL) zumindest zum Teil durch Abscheidung von Metall aus einer Lösung erzeugt wird.
29. Verfahren nach einem der Ansprüche 26 bis 28, bei dem SchirmungsSchicht (SL) zumindest zum Teil durch Sputtern, einen PVD- oder CVD-Prozess oder durch Aufdampfen von Metall erzeugt wird.
30. Verfahren nach einem der Ansprüche 27 bis 29, bei dem in der Laminatfolie nach dem Aufbringen Kontakt- Öffnungen erzeugt werden, bei dem eine Metallisierungsstruktur (MS) über der Laminatfolie aufgebracht wird, die in den KontaktÖffnungen e- lektrisch leitend mit MEMS-Chip (MC) und/oder mit Chip- Bauelement (CB) verbunden ist, bei dem die Metallisierungsstruktur vor dem Aufbringen der Schirmungsschicht (SL) mit einer elektrisch isolierenden Schicht (AS2) abgedeckt wird.
31. Verfahren nach Anspruch 30, bei dem zur Herstellung der Metallisierungsstruktur (MS) zunächst ganzflächig eine Metallschicht abgeschieden und anschließend strukturiert wird.
32. Verfahren nach Anspruch 30, bei dem die Metallisierungsstruktur (MS) bereits strukturiert aufgebracht wird durch selektive Abscheidung aus einer Lösung oder strukturiertes Aufdrucken in einem Jetverfahren.
33. Verfahren nach einem der Ansprüche 30 bis 32, bei dem mit der Metallisierungsstruktur (MS) eine Ver- schaltung zumindest eines aus MEMS-Chip (MC) und Chip- Bauelement (CB) mit Anschlussflächen auf dem Trägersubstrat (TS) hergestellt wird.
34. Verfahren nach einem der Ansprüche 26 bis 33, bei dem auf einem großflächigen Trägersubstrat (TS) parallel mehrere MEMS-Chips (MC) und Chip-Bauelemente (CB) aufgebracht, gemeinsam mit einer Schirmungsstruktur (SL) ver- sehen und anschließend durch Zerteilen des Trägersubstrats in einzelne MEMS-Packages vereinzelt wird.
35. Verfahren nach Anspruch 34, bei dem MEMS-Chips (MC) oder Chip-Bauelement (CB) oder beide vor dem Montieren auf dem Trägersubstrat (TS) auf einem ebenso großen Hilfsträger im entsprechenden Raster aufgebracht und im Nutzen in einem Schritt mit dem Trägersubstrat verbunden werden.
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