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DE102011086722A1 - Mikromechanische Funktionsvorrichtung, insbesondere Lautsprechervorrichtung, und entsprechendes Herstellungsverfahren - Google Patents

Mikromechanische Funktionsvorrichtung, insbesondere Lautsprechervorrichtung, und entsprechendes Herstellungsverfahren Download PDF

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DE102011086722A1
DE102011086722A1 DE102011086722A DE102011086722A DE102011086722A1 DE 102011086722 A1 DE102011086722 A1 DE 102011086722A1 DE 102011086722 A DE102011086722 A DE 102011086722A DE 102011086722 A DE102011086722 A DE 102011086722A DE 102011086722 A1 DE102011086722 A1 DE 102011086722A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
cavity
micromechanical
arrangement
micromechanical functional
substrate
Prior art date
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Withdrawn
Application number
DE102011086722A
Other languages
English (en)
Inventor
Ricardo Ehrenpfordt
Mathias Bruendel
Ando Feyh
Ulrike Scholz
Andre Gerlach
Christina Leinenbach
Sonja Knies
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
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Priority to US13/680,773 priority patent/US9269831B2/en
Priority to CN2012104708640A priority patent/CN103130176A/zh
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Abstract

Die Erfindung schafft eine mikromechanische Funktionsvorrichtung, insbesondere Lautsprechervorrichtung, und ein entsprechendes Herstellungsverfahren. Die Funktionsvorrichtung, insbesondere Lautsprechervorrichtung, umfasst ein Substrat (5; 5') mit einer Oberseite (O) und einer Unterseite (U), mindestens einen auf der Unterseite (U) in einer ersten Kavität (K') angebrachten Schaltungschip (30), eine mikromechanische Funktionsanordnung, insbesondere Lautsprecheranordnung (10) mit einer Mehrzahl von mikromechanischen Lautsprechern (9a, 9b, 9c), welche auf der Oberseite (O) in einer zweiten Kavität (K) angebracht ist, und eine oberhalb der mikromechanischen Funktionsanordnung, insbesondere Lautsprecheranordnung (10), auf der Oberseite (O) angebrachten Abdeckeinrichtung (20).

Description

  • Die Erfindung betrifft eine mikromechanische Funktionsvorrichtung, insbesondere Lautsprechervorrichtung, und ein entsprechendes Herstellungsverfahren.
  • Stand der Technik
  • Obwohl auch beliebige mikromechanische Funktionsvorrichtungen anwendbar sind, werden die vorliegende Erfindung und die ihr zugrundeliegende Problematik anhand von mikromechanischen Lautsprechervorrichtungen auf Siliziumbasis erläutert.
  • Im Vergleich zu Mikrofon- oder Drucksensorverpackungen, die einen Medienzugang zur Membran, ein Frontvolumen und ggf. ein Rückvolumen auf geringem Bauraum bereitstellen müssen, sollte eine Verpackung für MEMS-Lautsprechervorrichtungen insbesondere ein geeignetes akustisches Fenster bereitstellen.
  • Lautsprecher auf MEMS-Basis bestehen in der Regel aus einem verhältnismäßig großen MEMS-Chip, welcher eine Anordnung von Einzellautsprechern mit jeweiligen Membranen aufweist, wobei die jeweiligen Membranen durch benachbart angeordnete perforierte Elektroden beidseitig auslenkbar sind.
  • Die DE 10 2005 055 478 A1 offenbart eine mikromechanische Struktur zum Empfang und/oder zur Erzeugung von akustischen Signalen in einem die Struktur zumindest teilweise umgebenden Medium. Die Struktur weist eine im Wesentlichen geschlossene und im Wesentlichen eine erste Seite der Struktur bildenden Membran auf, sowie ein Gegenelement und ein an einer zweiten Seite der ersten Seite gegenüberliegenden Seite vorgesehenes geschlossenes Substrat. Das Gegenelement ist zwischen der Membran und dem Substrat vorgesehen.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Die Erfindung schafft eine mikromechanische Funktionsvorrichtung, insbesondere Lautsprechervorrichtung, nach Anspruch 1 und ein entsprechendes Herstellungsverfahren nach Anspruch 12.
  • Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
  • Vorteile der Erfindung
  • Die Erfindung schafft eine mikromechanische Funktionsvorrichtung mit einem dreidimensionalen Substrat, z.B. einem PCB-Substrat. Eine Abdeckung erfolgt vorzugsweise, indem eine Folie auf das Substrat oberhalb der Funktionsanordnung auflaminiert wird.
  • Das dreidimensionale Substrat weist mindestens zwei voneinander abgewandte Kavitäten auf, wobei die Kavität zur Aufnahme des ASIC-Schaltungschips vorteilhafterweise mittig unter der Kavität für die MEMS-Funktionsanordnung angeordnet wird. Die Kavitäten können nach der Chipmontage gedeckelt bzw. vergossen werden. Indem die Kavitäten für die Aufnahme der Chips auf voneinander abgewandten Seiten ausgeführt sind, können die Chips trotz stark voneinander abweichender Chipgrößen quasi übereinander montiert werden, sodass gegenüber einer Side-by-Side-Montage der Flächenbedarf erheblich reduziert wird.
  • Vorzugsweise wird eine mehrlagige Leiterplatte als dreidimensionales Substrat verwendet, wobei in ihrem Herstellungsprozess zumindest teilweise vorgestanzte, vorgebohrte oder vorgefräste Leiterplattenebenen (Core-Layers) aufeinanderlaminiert werden. Dabei bringt das Substrat neben der Umverdrahtung und den Durchkontakten (Vias) zweckmäßigerweise die Kavitäten für die Chipmontage mit. Dies erspart im AVT-Prozess (Aufbau- und Verbindungstechnik) aufwendige Prozessfolgen, wie z.B. Montage von Spacern, Montage eines Gehäuserahmens usw. Der AVT-Prozess reduziert sich somit auf die Chipmontage und das Auflaminieren der akustisch durchlässigen Abdeckung, sowie das Vereinzeln der Lautsprecherpackages aus dem Leiterplattenverbund.
  • Daraus resultieren folgende wesentliche Vorteile.
  • Da der ASIC-Schaltungschip in dem dreidimensionalen Substrat unterhalb der MEMS-Lautsprecheranordnung montiert wird, reduziert sich der Footprint gegenüber einem klassischen Side-by-Side-Aufbau deutlich. Zusätzlich ist dadurch ein Stapeln der Chips, die typischerweise sehr unterschiedlich groß sind (MEMS-Lautsprecheranordnung 10 × 10 mm2, ASIC-Schaltungschip 4 × 4 mm2), ohne Zusatzaufwand möglich, d.h., es müssen keine Spacer oder Abstandshalter seriell montiert werden.
  • Durch eine mittige Anordnung des ASIC-Schaltungschips unterhalb der MEMS-Lautsprecheranordnung können die Leiterbahnen symmetrisch und mit kürzesten Längen ausgelegt werden. Dies wirkt sich besonders vorteilhaft auf das parasitäre Verhalten aus. Durch die Trennung von ASIC-Schaltungschip und MEMS-Funktionsanordnung auf verschiedenen Seiten wird weniger Folie zum Verschließen der MEMS-Funktionsanordnungs-Kavität benötigt. Außerdem bilden sich keine akustischen Asymmetrien. Da MEMS-Funktionsanordnung und ASIC-Schaltungschip auf voneinander abgewandten Substratseiten montiert werden, ist bedenkenlos eine Misch-AVT einsetzbar, d.h. der ASIC-Schaltungschip kann als Flip-Chip gelötet werden, ohne die Drahtbonds für die MEMS-Montage zu kontaminieren oder bei vorangegangener Montage der MEMS-Funktionsanordnung die Membrane derselben zu kontaminieren.
  • Weiterhin reduziert sich der Footprint gegenüber einem Package mit einzelnen, d.h. seriell montierten Deckeln, da in dem Substrat geringere Abstände der Chips zur Packagekante eingehalten werden müssen als bei Verwendung eines Deckels. Außerdem kann das Rastermaß enger ausgelegt werden, da die Module durch Sägen voneinander getrennt werden und kein Vorhalt für den Deckel vorgesehen werden muss.
  • Bei Einsatz einer Leiterplatte ist ein Deckeln der Gehäuse durch Auflaminieren einer akustisch durchlässigen Folie im Batch-Verfahren möglich, d.h., es muss kein serieller Deckel-Prozess (Platzieren der einzelnen Rahmen und Auflaminieren der Folie) durchgeführt werden. Dies reduziert deutlich die Herstellungskosten.
  • Indem im Falle einer Lautsprecheranordnung die Rückvolumina ins Substrat integriert werden, kann ein Teil der Funktionalität aus der MEMS-Lautsprecheranordnung in die kostengünstige Leiterplatte verlagert werden. Indem ein großer Teil der Rückvolumina im Gehäuse bereitgestellt wird, kann die Chipdicke der MEMS-Lautsprecheranordnung reduziert werden. Dies reduziert die Herstellkosten der MEMS-Lautsprecheranordnung, da der Trench-Prozess durch eine Chipdicke von beispielsweise 400 µm teurer ist als durch eine Chipdicke von beispielsweise 200 µm. Alternativ dazu kann bei unveränderter Chipdicke der MEMS-Lautsprecheranordnung das Rückvolumen kostengünstig vergrößert werden. Somit ergibt sich ein maximales Rückvolumen bei reduzierter Baugröße (Bauhöhe, Footprint) des Gehäuses. Die Erfindung schafft somit ein robustes Package hinsichtlich Zuverlässigkeit und Montageprozess bei Endkunden.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand von Ausführungsformen mit Bezug auf die Figuren erläutert.
  • Es zeigen:
  • 1 eine schematische Querschnittsansicht zur Erläuterung einer mikromechanischen Lautsprechervorrichtung und eines entsprechendes Herstellungsverfahrens gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 2 eine schematische Querschnittsansicht zur Erläuterung einer mikromechanischen Lautsprechervorrichtung und eines entsprechendes Herstellungsverfahrens gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
  • 3 eine schematische Querschnittsansicht zur Erläuterung einer mikromechanischen Lautsprechervorrichtung und eines entsprechendes Herstellungsverfahrens gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
  • 4 eine schematische Querschnittsansicht zur Erläuterung eines laminierten Leiterplattensubstrates zur Verwendung bei der ersten und zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente.
  • 1 ist eine schematische Querschnittsansicht zur Erläuterung einer mikromechanischen Lautsprechervorrichtung und eines entsprechendes Herstellungsverfahrens gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • In 1 bezeichnet Bezugszeichen 5 eine dreidimensionale Leiterplatte. Die Leiterplatte 5 weist an ihrer Unterseite U eine erste Kavität K' und an ihrer Oberseite O eine zweite Kavität K auf.
  • In der ersten Kavität K' ist ein ASIC-Schaltungschip 30 über Lotverbindungen 30a, 30b, 30c mit einer (nicht dargestellten) Umverdrahtung und mit Durchkontaktierungen 13c, 13d, 13e und 13f in der Leiterplatte 5 verbunden. Die Durchkontaktierungen 13c, 13d, 13e, 13f verbinden die Unterseite U der Leiterplatte 5 elektrisch mit der Oberseite O der Leiterplatte 5.
  • Auch die Oberseite O der Leiterplatte 5 in der zweiten Kavität K weist eine (nicht dargestellte) Umverdrahtungseinrichtung auf. In der zweiten Kavität K ist eine MEMS-Lautsprecheranordnung 10 mit einer Vielzahl von Lautsprechern 9a, 9b, 9c beispielsweise durch Aufkleben über eine Klebschicht 40 montiert. Die Lautsprecher 9a, 9b, 9c sind in jeweiligen Rahmenelementen 100 eingespannt und weisen eine Membran zwischen zwei perforierten Elektroden auf. Bezugszeichen 10a, 10b bezeichnen elektrische Anschlüsse der MEMS-Lautsprecheranordnung 10. Die elektrischen Anschlüsse 10a, 10b sind über jeweilige Bonddrähte 11a, 11b mit Anschlussbereichen 12a, 12b in der zweiten Kavität K neben der MEMS-Lautsprecheranordnung verbunden.
  • Die Anschlussbereiche 12a, 12b wiederum sind durch Durchkontaktierungen 13a, 13b mit Lotkugel-Anschlussbereichen 4a bzw. 4d auf der Unterseite U der Leiterplatte 5 verbunden. Weitere Lotkugel-Anschlussbereiche sind mit Bezugszeichen 4b und 4c bezeichnet. Die MEMS-Lautsprecheranordnung 10 ist vollständig in der zweiten Kavität K enthalten und durch eine akustisch leitende Folie 20 gedeckelt, welche an einem peripheren Bereich der Leiterplatte 5 auflaminiert ist. Der ASIC-Schaltungschip 30 ist ebenfalls vollständig in der ersten Kavität K' enthalten, sodass eine problemlose Lotmontage auf ein weiteres Substrat (nicht gezeigt) möglich ist.
  • Die akustisch durchlässige Folie besteht vorzugsweise aus Mylar, Teflon, Kapton u.ä. Sie übernimmt die Funktion eines akustischen Fensters. Zusätzlich schützt sie die empfindliche Lautsprecheranordnung 10 mit ihren Membranen und Elektroden vor Staub.
  • Die dargestellte Lautsprecheranordnung 10 wird vorzugsweise nicht einzeln hergestellt, sondern im Batch-Verfahren und nach Fertigstellung durch Sägen vereinzelt. Ein wesentlicher Vorteil dabei ist, dass die schalldurchlässige Folie 20 nicht einzeln auf jede Lautsprechervorrichtung 10 aufgebracht werden muss, sondern in einem einzigen Schritt auf eine Vielzahl von Lautsprechervorrichtungen aufgebracht werden kann.
  • 2 ist eine schematische Querschnittsansicht zur Erläuterung einer mikromechanischen Lautsprechervorrichtung und eines entsprechendes Herstellungsverfahrens gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • Bei der zweiten Ausführungsform ist der ASIC-Schaltungschip 30 nicht im Flip-Chip-Verfahren wie bei der ersten Ausführungsform montiert, sondern über eine Klebeschicht 41 in der ersten Kavität K' montiert. Ein elektrischer Anschluss des ASIC-Schaltungschips 30 erfolgt bei dieser Ausführungsform über Bonddrähte 32a, 32b, welche mit der (nicht gezeigten) Umverdrahtungseinrichtung und den Durchkontaktierungen 13c–f in der ersten Kavität K' in elektrischer Verbindung stehen.
  • Bezugszeichen 31 bezeichnet eine Vergussmasse, mit der der ASIC-Schaltungschip 30 und seine Bonddrähte 32a, 32b vergossen sind, wobei die Vergussmasse 31 im Wesentlichen die gesamte erste Kavität K' ausfüllt, ohne über die Unterseite U der Leiterplatte 5 hervorzustehen. Ansonsten ist die zweite Ausführungsform analog zur ersten Ausführungsform aufgebaut. Die Vergussmasse 31 ist vorzugsweise ein Gel oder eine Kunststoffmasse.
  • 3 ist eine schematische Querschnittsansicht zur Erläuterung einer mikromechanischen Lautsprechervorrichtung und eines entsprechendes Herstellungsverfahrens gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • Bei der Ausführungsform gemäß 3 sind im Vergleich zur oben beschriebenen ersten Ausführungsform gemäß 1 zusätzliche Rückvolumina 5a, 5b, 5c in der Leiterplatte 5 vorgesehen, welche unterhalb der jeweiligen Lautsprecher 9a, 9b, 9c angeordnet sind.
  • Ansonsten ist die dritte Ausführungsform analog zur ersten Ausführungsform aufgebaut.
  • 4 ist eine schematische Querschnittsansicht zur Erläuterung eines laminierten Leiterplattensubstrates zur Verwendung bei der ersten und zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • Wie in 4 dargestellt, weist das Substrat 5' ein Leiterplattenlaminat aus drei Leiterplatten 5'a, 5'b, 5'c auf, die an Fügeflächen F1, bzw. F2 verbunden sind.
  • Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt. Insbesondere sind die genannten Materialien und Topologien nur beispielhaft und nicht auf die erläuterten Beispiele beschränkt.
  • Bei den aufgeführten Ausführungsbeispielen wurden die Packages als Ball Grid Arrays (BGA) ausgeführt. Selbstverständlich ist es ebenfalls möglich, eine Ausführung in Form von Land Grid Arrays (LGA) vorzusehen. Anstelle der Leiterplatte als Substrat kann auch eine dreidimensionale Keramik verwendet werden. Bei den oben dargestellten Ausführungsformen ist die Anordnung des ASIC-Schaltungschips auf der Unterseite des Substrats im Wesentlichen mittig, d.h. im Wesentlichen symmetrisch unterhalb der MEMS-Lautsprecheranordnung. Dies wirkt sich positiv auf parasitäre Effekte aus, ist jedoch nicht zwingend erforderlich, insbesondere wenn die Leiterplatte eine hinreichende Dicke aufweist.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102005055478 A1 [0005]

Claims (15)

  1. Mikromechanische Funktionsvorrichtung, insbesondere Lautsprechervorrichtung, mit: einem Substrat (5; 5') mit einer Oberseite (O) und einer Unterseite (U); mindestens einem auf der Unterseite (U) in einer ersten Kavität (K') angebrachten Schaltungschip (30); einer mikromechanischen Funktionsanordnung, insbesondere Lautsprecheranordnung (10) mit einer Mehrzahl von mikromechanischen Lautsprechern (9a, 9b, 9c), welche auf der Oberseite (O) in einer zweiten Kavität (K) angebracht ist; und einer oberhalb der mikromechanischen Funktionsanordnung, insbesondere Lautsprecheranordnung (10), auf der Oberseite (O) angebrachten Abdeckeinrichtung (20).
  2. Mikromechanische Funktionsvorrichtung, insbesondere Lautsprechervorrichtung, nach Anspruch 1, wobei die mikromechanische Funktionsanordnung auf die Oberseite (O) geklebt ist.
  3. Mikromechanische Funktionsvorrichtung nach Anspruch 1, welche eine Lautsprecheranordnung (10) mit einer Mehrzahl von mikromechanischen Lautsprechern (9a, 9b, 9c) umfaßt, wobei das Substrat (5) eine der Mehrzahl von Lautsprechern (9a, 9b, 9c) entsprechende Mehrzahl von Aussparungen (5a, 5b, 5c) aufweist und wobei die mikromechanischen Lautsprecheranordnung (10) derart auf dem Substrat (5) angebracht ist, dass die Aussparungen (5a, 5b, 5c) jeweilige Rückseitenvolumen der Lautsprecher (9a, 9b, 9c) bilden.
  4. Mikromechanische Funktionsvorrichtung, insbesondere Lautsprechervorrichtung, nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Substrat (5) eine oder mehrere elektrische Durchkontaktierungen (13a–f) aufweist, welche die Unterseite (U) mit der Oberseite (O) elektrisch verbinden.
  5. Mikromechanische Funktionsvorrichtung, insbesondere Lautsprechervorrichtung, nach Anspruch 4, wobei elektrische Anschlüsse (10a, 10b) der Funktionsanordnung, insbesondere Lautsprecheranordnung (10), über jeweilige Bonddrähte (11a, 11b) auf Bondflächen (12a, 12b) gebondet sind, welche auf der Oberseite (O) in der zweiten Kavität (K) vorgesehen sind und in elektrischem Kontakt mit jeweiligen Durchkontaktierungen (13a, 13b) stehen.
  6. Mikromechanische Funktionsvorrichtung, insbesondere Lautsprechervorrichtung, nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Schaltungschip (30) in der ersten Kavität (K') flip-chip-montiert ist.
  7. Mikromechanische Funktionsvorrichtung, insbesondere Lautsprechervorrichtung, nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, wobei der Schaltungschip (30) in der ersten Kavität (K') über Bonddrähte (32a, 32b) elektrisch kontaktiert ist.
  8. Mikromechanische Funktionsvorrichtung, insbesondere Lautsprechervorrichtung, nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, wobei der Schaltungschip (30) in der ersten Kavität (K') in einer Vergußmasse (31) eingebettet ist.
  9. Mikromechanische Funktionsvorrichtung, insbesondere Lautsprechervorrichtung, nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Abdeckeinrichtung (20) eine Folie ist.
  10. Mikromechanische Funktionsvorrichtung, insbesondere Lautsprechervorrichtung, nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Substrat (5') ein Leiterplattenlaminat (5'a, 5'b, 5'c) aufweist.
  11. Mikromechanische Funktionsvorrichtung, insbesondere Lautsprechervorrichtung, nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Substrat (5) an der Unterseite (U) eine elektrische Kontaktierungseinrichtung (4a, 4b) aufweist, welche mit der Funktionsanordnung, insbesondere Lautsprecheranordnung (10), über Durchkontaktierungen (13a, 13b) elektrisch verbunden ist.
  12. Verfahren zum Herstellen einer mikromechanische Funktionsvorrichtung, insbesondere Lautsprechervorrichtung, mit den Schritten: Bereitstellen von einem Substrat (5; 5') mit einer Unterseite (U) mit einer ersten Kavität (K) und einer Oberseite (O) mit einer zweiten Kavität (K'); Anbringen von mindestens einem Schaltungschip (30) in der ersten Kavität (K') Anbringen einer mikromechanischen Funktionsanordnung, insbesondere Lautsprecheranordnung (10) mit einer Mehrzahl von mikromechanischen Lautsprechern (9a, 9b, 9c), in der zweiten Kavität (K); und Anbringen einer Abdeckeinrichtung (20) oberhalb der mikromechanischen Funktionsanordnung, insbesondere Lautsprecheranordnung (10), auf der Oberseite (O).
  13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei der Schaltungschip (30) in der ersten Kavität (K') flip-chip-montiert wird.
  14. V erfahren nach Anspruch 12 oder 13, wobei der Schaltungschip (30) in der ersten Kavität (K') in einer Vergußmasse (31) eingebettet wird.
  15. Verfahren nach Anspruch 12, 13 oder 14, wobei elektrische Anschlüsse (10a, 10b) der Funktionsanordnung, insbesondere Lautsprecheranordnung (10), über jeweilige Bonddrähte (11a, 11b) auf Bondflächen (12a, 12b) gebondet werden, welche auf der Oberseite (O) in der zweiten Kavität (K) vorgesehen sind und in elektrischem Kontakt mit jeweiligen Durchkontaktierungen (13a, 13b) stehen.
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