DE102011004577B4

DE102011004577B4 - Bauelementträger, Verfahren zur Herstellung eines solchen Bauelementträgers sowie Bauteil mit einem MEMS-Bauelement auf einem solchen Bauelementträger

Info

Publication number: DE102011004577B4
Application number: DE102011004577.5A
Authority: DE
Inventors: Jochen Zoellin; Ricardo Ehrenpfordt; Ulrike Scholz
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2011-02-23
Filing date: 2011-02-23
Publication date: 2023-07-27
Anticipated expiration: 2031-02-24
Also published as: US20120212925A1; CN102649535B; US8902604B2; CN102649535A; DE102011004577A1; ITMI20120164A1

Abstract

Bauelementträger (130, 230, 330, 430), insbesondere für MEMS-Bauelemente (10), die im Hohlraum eines Gehäuses (120, 220, 320, 420) montiert und elektrisch kontaktiert werden, wobei,
• der Bauelementträger (130, 230, 330, 430) als Verbundteil in Form eines einseitig offenen Hohlkörpers realisiert ist, und wobei
• der Bauelementträger (130, 230, 330, 430) im Wesentlichen aus einer in ihrer Formgebung flexiblen, dreidimensional geformten Trägerfolie (131, 231, 331, 431) und einer Umhüllmasse (132, 232, 332, 432) gebildet ist, die einseitig an die Trägerfolie (131, 231, 331, 431) angeformt ist, so dass die Trägerfolie (131, 231, 331, 431) auf der Innenwandung des Bauelementträgers (130, 230, 330, 430) angeordnet ist, und wobei
• auf der Innenwandung mit der Trägerfolie (131, 231, 331, 431) mindestens eine Montagefläche für mindestens ein Bauelement (10, 51, 52, 53, 54) ausgebildet ist, und wobei
• die Trägerfolie (131, 231, 331, 431) mit Kontaktflächen und isolierten Leiterbahnen zur elektrischen Kontaktierung des mindestens einen Bauelements (10, 51, 52, 53, 54) versehen ist, und wobei die Innenwandung mit der Trägerfolie (131, 231, 331, 431) wannenartig mit mindestens einer Abstufung (236, 336, 436) geformt ist, so dass auf unterschiedlichen Niveaus der Innenwandung Montageflächen ausgebildet sind und wobei die Innenwandung wannenartig mit mindestens einer weiteren Abstufung (134) im oberen Randbereich geformt ist, die als Aufnahme für ein Deckelteil (40) dient.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ganz allgemein die Verpackung von MEMS-Bauelementen mit einer sensiblen Struktur bzw. den Aufbau von Bauteilen mit einem derartigen MEMS-Bauelement und einem Gehäuse. Insbesondere betrifft die Erfindung einen Bauelementträger für MEMS-Bauelemente, die im Hohlraum eines Gehäuses montiert und elektrisch kontaktiert werden sollen.
Der Stand der Technik sowie die Erfindung werden nachfolgend am Beispiel der Verpackung eines MEMS-Mikrofonbauelements erörtert, ohne dass die Erfindung auf diesen speziellen Anwendungsfall beschränkt wäre.
Es ist bekannt, für die Verpackung von MEMS-Mikrofonbauelementen substratbasierte Gehäuse zu verwenden. Bei dieser Verpackungsvariante wird der Mikrofonchip mittels Chip-on-Board (COB)-Technologie auf einen flächigen, als Substrat bezeichneten Bauelementträger montiert, elektrisch kontaktiert und mit einem Deckel gehäust. Befindet sich die Schalleintrittsöffnung im Deckel des Gehäuses, dann ist das Rückseitenvolumen in der Regel auf die Chipkavität beschränkt, wodurch auch die Mikrofonperformance begrenzt ist. Alternativ dazu kann die Schalleintrittsöffnung unter dem Mikrofonchip im Bauelementträger ausgebildet sein. In diesem Fall steht der gesamte Hohlraum im Gehäuse als Rückseitenvolumen zur Verfügung, wodurch sich eine Performancesteigerung erzielen lässt.
Unabhängig von anwendungsspezifischen Anforderungen erweist sich das bekannte Verpackungskonzept in zweierlei Hinsicht als problematisch.
So treten in der Praxis häufig mechanische Spannungen in der sensiblen Struktur des MEMS-Bauelements auf, die montagebedingt sind und auf unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten einerseits des MEMS-Bauelements und andererseits des Bauelementträgers zurückzuführen sind. Derartige mechanische Spannungen beeinträchtigen in jedem Fall die Funktionsfähigkeit eines M EMS-Bauelements.
Da das bekannte Verpackungskonzept eine „side by side“-Montage der Bauelemente auf dem flächigen Bauelementträger vorsieht, vergrößert sich außerdem der „footprint“ des Bauteils mit der Anzahl der Bauelemente innerhalb des Gehäuses. Eine Vergrößerung der Bauteilfläche führt aber immer auch zu einer Erhöhung der Herstellungskosten.
Zudem sind in den Schriften US 2004 / 0 084 208 A1 , US 6 469 909 B2 und DE 10 2008 007 682 A1 entsprechende Bauelementträger offenbart.
Offenbarung der Erfindung
Mit der vorliegenden Erfindung wird ein Bauelementträger vorgeschlagen, der eine kostengünstige, platzsparende und stressarme Verpackung von MEMS-Bauelementen mit einer sensiblen Struktur ermöglicht.
Der erfindungsgemäße Bauelementträger ist als Verbundteil in Form eines einseitig offenen Hohlkörpers realisiert und besteht im Wesentlichen aus einer in ihrer Formgebung flexiblen, dreidimensional geformten Trägerfolie und einer Umhüllmasse, die einseitig an die Trägerfolie angeformt ist, so dass die Trägerfolie auf der Innenwandung des Bauelementträgers angeordnet ist. Dort ist mindestens eine Montagefläche für mindestens ein Bauelement ausgebildet. Außerdem ist die Trägerfolie mit Kontaktflächen und mit isolierten Leiterbahnen zur elektrischen Kontaktierung des mindestens einen Bauelements versehen.
Demnach besteht der erfindungsgemäße Bauelementträger im Wesentlichen aus zwei auch funktional unterschiedlichen Komponenten, nämlich einer in ihrer Formgebung flexiblen Folie, die als Träger von Kontaktflächen und isolierten Leiterbahnen für die elektrische Kontaktierung der Bauelemente bestimmt ist, und einer Umhüllmasse, mit der ein formstabiles dreidimensionales Gehäuseteil realisiert wird. Erfindungsgemäß werden diese beiden einfach und unabhängig voneinander präparierbaren Komponenten in einem Verbundteil vereinigt. Dabei wird die Trägerfolie dreidimensional geformt, wobei die Umhüllmasse lediglich mit der Rückseite der Trägerfolie in Berührungskontakt kommt und nicht mit deren Vorderseite, auf bzw. in der sich die empfindlichen Leiterbahnen und elektrischen Kontakte befinden. Erst im haftfest erstellten Verbund mit der ausgehärteten Umhüllmasse entstehen mechanisch stabile und elektrisch kontaktierbare ChipBestückungsbereiche auf der Trägerfolie.
Der erfindungsgemäße Bauelementträger lässt sich sehr einfach mit Standardwerkzeugen und Standardverfahren und damit auch sehr kostengünstig im Mehrfachnutzen herstellen.
In einer besonders vorteilhaften Verfahrensvariante erfolgt die dreidimensionale Formgebung der Trägerfolie und die Herstellung des Verbundes aus Trägerfolie und Umhüllmasse in einem Moldverfahrensschritt. Dazu wird ein erstes Moldwerkzeugteil verwendet, dessen Form der angestrebten dreidimensionalen Form der Innenwandung des Bauelementträgers entspricht, und mindestens ein zweites Moldwerkzeugteil, das die Form der Außenseite des Bauelementträgers bestimmt. Die Trägerfolie wird hier einfach vor dem Einpressen der flüssigen Moldmasse in das erste Moldwerkzeugteil eingelegt. Im einfachsten Fall wird sie dann durch den einfließenden Moldfluss an die Werkzeugform angelegt. Die Trägerfolie kann aber auch schon vor dem Einpressen der Moldmasse durch Ansaugen oder Anblasen oder auch durch bereichsweises Aufspannen an die Werkzeugoberfläche angelegt werden. Beim Aushärten der Moldmasse entsteht so ein haftfester Materialverbund zwischen der Moldmasse und der Trägerfolie, die nun die Innenwandung des Bauelementträgers zumindest bereichsweise abdeckt. Die Haftung zwischen Trägerfolie und Moldmasse kann zusätzlich durch Klebeschichten auf der Trägerfolie verbessert werden.
Bei dieser Verfahrensvariante kann auf einen Polymerfilm im ersten Moldwerkzeug zum Toleranzausgleich oder zur Verhinderung von Werkzeugverschmutzungen verzichtet werden, da die Trägerfolie diese Funktion übernimmt. Dadurch vereinfacht sich das Moldverfahren.
Ebenso gut können zur Herstellung von erfindungsgemäßen Bauelementträgern zunächst Kunststoffformteile mit der Form des einseitig offenen Hohlkörpers gefertigt werden, beispielsweise in einem Standard-Moldverfahren. Die Trägerfolie wird dann in einem eigenen Verfahrensschritt auf die Innenwandung eines solchen Kunststoffteils aufgebracht. Hierfür eignen sich insbesondere Verfahren, wie Einlaminieren oder Einprägen. Dabei kann sich die Trägerfolie über die gesamte Innenwandung des Kunststoffformteils erstrecken oder auch nur über einzelne Bereiche der Innenwandung.
An dieser Stelle sei noch angemerkt, dass sich die thermischen Materialeigenschaften des erfindungsgemäßen Bauelementträgers sehr gut an die des MEMS-Bauelements anpassen lassen, wodurch sich mechanischen und thermomechanische Spannungen im MEMS-Bauelement weitgehend reduzieren lassen. Im Fall des erfindungsgemäßen Bauelementträgers bestimmt nämlich die Umhüllmasse als dominanter Verbundpartner das Materialverhalten des Verbundteils, während der Einfluss der Trägerfolie vernachlässigt werden kann. Die üblicherweise verwendeten Umhüllmassen sind aber bezogen auf den thermischen Ausdehnungskoeffizienten bereits erheblich besser an das Halbleitermaterial von MEMS-Bauelementen angepasst als starre Leiterplatten.
Grundsätzlich gibt es verschiedene Möglichkeiten zur Realisierung eines erfindungsgemäßen Bauelementträgers, insbesondere was die Form des einseitig offenen Hohlkörpers und die Auslegung der Trägerfolie mit den elektrischen Anschlüssen betrifft. Dabei sind in erster Linie die Funktion und Anzahl der aufzunehmenden Bauelemente zu berücksichtigen aber auch der Einsatzort und die hierfür erforderliche 2nd-Level-Montage des MEMS-Packages.
Die mit der Trägerfolie ausgekleidete Innenwandung des erfindungsgemäßen Bauelementträgers kann einfach wannenartig geformt sein mit einer Montagefläche für Bauelemente im Bodenbereich. Da die meisten Bauteile neben dem MEMS-Bauelement noch weitere Bauelemente, wie z.B. einen ASIC zur Verarbeitung des Sensor- oder Mikrofonsignals, umfassen, befinden sich auf der Innenwandung des erfindungsgemäßen Bauelementträgers zusätzlich zur Montagefläche für das MEMS-Bauelement in der Regel noch weitere Chip-Montagebereiche oder Bereiche für die Montage von passiven Bauelementen mit Anschlusspads und Leiterbahnen zur elektrischen Kontaktierung.
In einer erfindungsgemäßen Ausführungsform des Bauelementträgers umfasst die wannenartig geformte Innenwandung mindestens eine Abstufung, auf der eine Montagefläche für Bauelemente ausgebildet ist. Eine derartige Abstufung kann sich umlaufend über die gesamte Innenwandung erstrecken oder auch nur über einen Teilabschnitt der Innenwandung, der dann treppenartig geformt ist und sich an zwei gegenüberliegenden Abschnitten der Innenwandung erstreckt. Auf diese Weise werden Chipbestückungsbereiche auf unterschiedlichen Höhenniveaus des Bauelementträgers zur Verfügung gestellt. Dadurch können beispielsweise Dickenunterschiede zwischen Bauelementen auf dem Bauelementträger ausgeglichen werden, um die elektrische Kontaktierung dieser Bauelemente zu vereinfachen. Die Anordnung der Chipbestückungsbereiche auf unterschiedlichen Höhenniveaus eröffnet zudem die Möglichkeit, mehrere Bauelemente überlappend oder sogar übereinander zu positionieren, ohne dass die Bauelementoberflächen in Berührungskontakt stehen. Dies ist insbesondere für MEMS-Bauelemente mit einer sensiblen Struktur von Bedeutung, da diese in der Regel freizustellen ist, um die Funktionsfähigkeit des MEMS-Bauelements zu gewährleisten. Durch eine derartige Stapelung von Bauelementen auf dem erfindungsgemäßen Bauelementträger kann die laterale Baugröße eines MEMS-Packages im Vergleich zur klassischen „side by side“-Montage deutlich verringert werden.
Aufgrund seiner dreidimensionalen Ausgestaltung in Form eines einseitig offenen Hohlkörpers kann der erfindungsgemäße Bauelementträger vorteilhaft als Bestandteil eines Gehäuses mit einem Hohlraum für ein MEMS-Bauelement verwendet werden. Zum Abschluss des Gehäuses ist dann lediglich ein Deckelteil erforderlich, das mit der offenen Seite des Bauelementträgers verbunden wird. Als Deckelteil kann beispielsweise einfach ein flächiges Gehäuseteil verwendet werden. In einer erfindungsgemäßen Variante des Bauelementträgers ist im oberen Randbereich der wannenartigen Innenwandung mindestens eine vorzugsweise umlaufende Abstufung als Aufnahme für ein solches Deckelteil ausgebildet. Dadurch vereinfacht sich die Positionierung des Deckelteils bei der Montage auf dem bestückten Bauelementträger. Außerdem kann dadurch die Verbindungsfläche zwischen dem Bauelementträger und dem Deckelteil vergrößert werden, was sich günstig auf die Zuverlässigkeit bzw. Dichtigkeit dieser Verbindung auswirkt.
MEMS-Bauelemente, wie Drucksensoren, Mikrofon- und Lautsprecherbauelemente, erfordern einen Medienzugang. Dementsprechend sind die Gehäuse derartiger Bauelemente mit mindestens einer Zugangsöffnung ausgestattet. Diese kann sich im Deckelteil befinden. Aber auch der erfindungsgemäße Bauelementträger kann mit einer Durchgangsöffnung versehen sein.
Durch die Verpackung bzw. das Gehäuse eines MEMS-Bauelements werden die Rahmenbedingungen für die 2nd-Level-Montage am Einsatzort des MEMS-Packages vorgegeben. Dabei spielen insbesondere die Anordnung und Ausgestaltung der elektrischen Anschlüsse zur externen Kontaktierung eine wesentliche Rolle.
Ist die offene Seite des Bauelementträgers mit einem flächigen Deckelteil abgeschlossen und fungiert diese Seite des Gehäuses als Montageseite für die 2nd-Level-Montage, so erweist es sich als vorteilhaft, wenn sich die Trägerfolie mit den Leiterbahnen nicht nur über die wannenartig geformte Innenwandung des Bauelementträgers erstreckt sondern auch über einen Oberflächenbereich des Bauelementträgers auf der Montageseite des Gehäuses. In diesem Fall kann die Trägerfolie nämlich zusätzlich zu den Leiterbahnen und Kontaktflächen für die Bauelemente auch mit Anschlussflächen zur externen elektrischen Kontaktierung versehen werden, so dass die gesamte Umverdrahtung zwischen den Bauelementen des Bauteils und der externen Kontaktierung über den dreidimensional geformten Bauelementträger geführt ist. Bei dieser Variante kann ein Deckelteil verwendet werden, das keinerlei elektrische Funktionalität besitzt sondern ausschließlich dazu dient, das Gehäuse zu verschließen. Da die beiden Gehäuseteile hier lediglich mechanisch miteinander verbunden werden müssen, ist die Aufbau- und Verbindungstechnik (AVT) hier besonders einfach.
Alternativ zu der voranstehend beschriebenen Variante kann aber auch die geschlossene Seite des erfindungsgemäßen Bauelementträgers als Montageseite für die 2nd-Level-Montage fungieren. Für diesen Fall wird das Verbundteil des erfindungsgemäßen Bauelementträgers vorteilhafterweise mit elektrischen Durchkontakten versehen, die von den Kontaktflächen oder Leiterbahnen der Trägerfolie ausgehen und durch die Umhüllmasse auf die Außenseite des Verbundteils geführt sind.
Im Hinblick auf die Herstellung des erfindungsgemäßen Bauelementträgers in einem Moldverfahren sollte die Trägerfolie möglichst hitzebeständig sein und sich gut mit einem leitfähigen Material beschichten lassen. Als Trägerfolienbestandteil eignen sich deshalb besonders Polyimid-Folien.
Bei bestimmten Anwendungen ist es sinnvoll, die Bauelemente elektromagnetisch abzuschirmen. In diesem Zusammenhang erweist es sich als vorteilhaft, eine mehrschichtige Trägerfolie zu verwenden, deren Schichtaufbau mindestens eine metallische Schicht als elektromagnetische Abschirmung umfasst.
Als Umhüllmasse wird bevorzugt eine Moldmasse verwendet, deren thermischer Ausdehnungskoeffizient an den des Halbleitermaterials der Bauelemente angepasst ist. Die Gefahr einer Verschmutzung der Leiterbahnen oder Kontaktflächen auf der Trägerfolie besteht hier nicht, da die Moldmasse auch während der Herstellung des Verbundteils nicht mit der Vorderseite der Trägerfolie in Berührung kommt, auf der bzw. in der die empfindlichen Leiterbahnen und Kontaktflächen ausgebildet sind.
Wie bereits erwähnt, wird der erfindungsgemäße Bauelementträger bevorzugt in Verbindung mit mindestens einem weiteren Gehäuseteil verwendet, um ein MEMS-Bauelement mit einem geschlossenen Gehäuse zu versehen. Bei dem weiteren Gehäuseteil kann es sich einfach um ein flächiges Deckelteil aus einem Kunststoffmaterial handeln. Das Deckelteil kann aber auch aus einem metallbeschichteten Kunststoffmaterial, einem Metall, einem Halbleitermaterial oder einem metallbeschichteten Halbleitermaterial gefertigt sein, falls eine elektromagnetische Abschirmung des MEMS-Bauelements erforderlich ist. Bei vielen Anwendungen empfiehlt es sich, das Deckelteil mediendicht mit dem Bauelementträger zu verbinden. Eine derartige Verbindung zwischen dem Bauelementträger und einem Deckelteil kann beispielsweise einfach mit Hilfe eines geeigneten Klebstoffs oder mit einer Schweißverbindung hergestellt werden. Alternativ zu einem Deckelteil kann aber auch eine Folie zum Abschluss des Hohlraums verwendet werden.
Der erfindungsgemäße Bauelementträger lässt sich besonders vorteilhaft im Rahmen der Verpackung von MEMS-Mikrofonbauelementen einsetzen. Das Mikrofonbauelement kann beispielsweise über einer als Schallöffnung fungierenden Durchgangsöffnung im Bauelementträger montiert werden. Das Vorderseitenvolumen ist in diesem Fall sehr klein, was die Schallaufnahme der Membranstruktur verbessert, während der gesamte Hohlraum innerhalb des Gehäuses als Rückseitenvolumen zur Verfügung steht. Beides trägt zu einer guten Mikrofonperformance bei.
Figurenliste
Wie bereits voranstehend erörtert, gibt es verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird einerseits auf die den unabhängigen Patentansprüchen nachgeordneten Patentansprüche verwiesen und andererseits auf die nachfolgende Beschreibung mehrerer Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren. Obwohl sich alle Ausführungsbeispiele auf Mikrofon-Bauteile beziehen, ist die Erfindung nicht auf diese Anwendung beschränkt.

Die 1 bis 4 zeigen jeweils eine Schnittdarstellung eines Mikrofon-Bauteils 100, 200, 300 bzw. 400, dessen Gehäuse einen erfindungsgemäßen Bauelementträger umfasst.

Ausführungsformen der Erfindung
Das in 1 dargestellte Mikrofon-Bauteil 100 umfasst ein MEMS-Mikrofonbauelement 10, in dessen Vorderseite eine Membranstruktur 11 ausgebildet ist, die eine Kaverne 12 in der Bauelementrückseite überspannt. Das MEMS-Mikrofonbauelement 10 ist in einem Gehäuse 120 angeordnet, das zwei Gehäuseteile umfasst, nämlich einen Bauelementträger 130 für die Firstlevel-AVT, der die Form eines einseitig offenen Hohlkörpers aufweist, und einen flächigen Gehäusedeckel 40 zum Abschluss des Gehäuses 120, der sich auf der Montageseite des Mikrofon-Bauteils 100 befindet. Bei dem Bauelementträger 130 handelt es sich um ein Verbundteil, das im Wesentlichen aus einer in ihrer Formgebung flexiblen, dreidimensional geformten Trägerfolie 131 und einer Umhüllmasse 132 besteht, die einseitig an die Trägerfolie 131 angeformt ist, so dass die Trägerfolie 131 auf der Innenwandung des Bauelementträgers 130 angeordnet ist. Der Bodenbereich der wannenförmigen Innenwandung dient als Montagefläche für das MEMS-Mikrofonbauelement 10 und ein weiteres Halbleiterbauelement, hier einen ASIC 51 zur Verarbeitung des Mikrofonsignals. Die elektrische Kontaktierung dieser Bauelemente 10 und 51 erfolgt über Drahtbonds 61 und über Kontaktflächen und isolierte Leiterbahnen auf bzw. in der Trägerfolie 131.
Im Bauelementträger 130 ist eine Durchgangsöffnung 133 ausgebildet, die als Schallöffnung fungiert. Das MEMS-Mikrofonbauelement 10 ist mit seiner Rückseite druckdicht über der Schallöffnung 133 montiert, so dass die Membranstruktur 11 über die rückseitige Kaverne 12 mit dem Schalldruck beaufschlagt wird. Die Verbindung zwischen der Bauelementrückseite und dem Bauelementträger 130 wurde hier durch Kleben hergestellt, könnte aber auch durch flächiges Löten erzeugt werden. Auch eine Flip-Chip-Montage des MEMS-Mikrofonbauelements 10 mit der Membranstruktur 11 über der Schallöffnung 133 ist denkbar.
Im oberen Randbereich der wannenförmigen Innenwandung des Bauelementträgers 130 ist eine umlaufende Abstufung als Aufnahme 134 für den flächigen Gehäusedeckel 40 ausgeformt. Der Gehäusedeckel 40 ist druckdicht mit dem Bauelementträger 130 verbunden, so dass der Hohlraum innerhalb des Gehäuses 120 das Rückseitenvolumen 70 für das MEMS-Mikrofonbauelement 10 bildet. Die Verbindung der beiden Gehäuseteile 130 und 40 kann beispielsweise durch Kleben oder auch Laserschweißen hergestellt werden.
Die Trägerfolie 131 erstreckt sich nicht nur über die wannenförmige Innenwandung mit der Abstufung 134 im oberen Randbereich sondern auch noch bis auf den Oberflächenbereich des Bauelementträgers 130, der zusammen mit dem flächigen Gehäusedeckel 40 die Montagefläche für die 2nd-Level-Montage des Bauteils 100 bildet. Die isolierten Leiterbahnen auf bzw. in der Trägerfolie 131 sind bis in diesen Oberflächenbereich geführt, wo sich auf der Trägerfolie 131 außerdem Anschlusskontakte 135 zur externen elektrischen Kontaktierung des Bauteils 10 befinden. In Abhängigkeit vom 2nd-Level-Montageprozess können die Anschlusskontakte 135 als LGA(Land-Grid-Array)-Lands ausgeführt werden oder auch für eine BGA(Ball-Grid-Array)-AVT vorbereitet werden.
Die Trägerfolie 131 des Bauelementträgers 130 sollte anfänglich in ihrer Formgebung flexibel und thermisch stabil sein. Diese Voraussetzungen erfüllen beispielsweise Polyimid-Folien. Wenn die Bauelemente elektromagnetisch abgeschirmt werden sollen, empfiehlt sich die Verwendung von mehrschichtigen Folien mit von einander isolierten metallischen Schichten für die elektromechanische Abschirmung und die elektrischen Leiterbahnen bzw. Kontaktflächen. Als Umhüllmasse wird bevorzugt eine Moldmasse, wie z.B. eine Epoxidmasse mit SiO2-Füllstoffen, verwendet. Als Werkstoffe für den Gehäusedeckel kommen Kunststoff, ein metallbeschichteter Kunststoff oder auch Metall in Frage. Ein Gehäusedeckel aus oder mit Metall trägt zur elektromagnetischen Abschirmung des Mikrofonbauelements bei, wenn er mittels einer Leitklebung oder eines Lötkontakts an die Mikrofonschaltung angeschlossen wird.
Bei dem in 1 dargestellten Mikrofon-Bauteil 100 ist die empfindliche Struktur des MEMS-Bauelements 10 trotz Medienzugangs 133 im Bauelementträger 130 gut gegen das Eindringen von Fremdstoffen bei der 2nd-Level-Montage des Bauteils 100 geschützt, da die Schallöffnung 133 auf der der Montageseite des Gehäuses 120 gegenüberliegenden Seite angeordnet ist. Dämpfe oder Niederschläge, die beim Reflow-Löten entstehen, können so nicht unmittelbar an die empfindliche mikromechanische Struktur des MEMS-Bauelements 10 gelangen.
Bei gleicher Gehäuseform und Bauelementanordnung, wie in 1 dargestellt, könnte die Schallöffnung alternativ auch im flächigen Gehäusedeckel auf der Montageseite des Mikrofon-Bauteils ausgebildet sein. In diesem Fall würde der Schall über den Hohlraum innerhalb des Gehäuses auf die Mikrofonmembran geführt. Das Rückseitenvolumen des MEMS-Mikrofonbauelements wäre auf die Kaverne zwischen der Membranstruktur und der geschlossenen Innenwandung des Bauelementträgers begrenzt.
Das in 2 dargestellte Mikrofon-Bauteil 200 umfasst - wie das in 1 dargestellten Mikrofon-Bauteil 100 - ein MEMS-Mikrofonbauelement 10 in einem Gehäuse 220, bestehend aus einem dreidimensional geformten Verbundteil aus Trägerfolie 231 und Umhüllmasse 232 als Bauelementträger 230 und einem flächigen Gehäusedeckel 40. Das MEMS-Mikrofonbauelement 10 ist druckdicht über einer Schallöffnung 233 im Bodenbereich der wannenförmigen Innenwandung des Bauelementträgers 230 montiert, so dass die Kaverne 12 unter der Membranstruktur 11 direkt an die Schallöffnung 233 im Bauelementträger 230 angeschlossen ist. Der flächige Gehäusedeckel 40 wurde bündig in den oberen Randbereich der wannenförmigen Innenwandung des Bauelementträgers 230 eingesetzt und druckdicht mit diesem verbunden, um das Gehäuse 220 und damit das Rückseitenvolumen für das MEMS-Mikrofonbauelement 10 abzuschließen.
In der wannenförmigen Innenwandung des Bauelementträgers 230 ist eine Abstufung 236 ausgebildet, die - im Unterschied zum Mikrofon-Bauteil 100 - nicht als Aufnahme für den Gehäusedeckel 40, sondern als Montagefläche für einen ASIC 52 dient. Der ASIC 52 ist also auf einem gegenüber dem MEMS-Bauelement 10 versetzten Höhenniveau innerhalb des Gehäuses 220 angeordnet. Dadurch können Dickenunterschiede zwischen den Bauelementen 10 und 52 ausgeglichen werden, was die Herstellung der Bondverbindung 62 zwischen den Bauelementen 10 und 52 vereinfacht. Im Übrigen erfolgt die elektrische Kontaktierung der beiden Bauelemente 10 und 52 über Kontaktflächen und isolierte Leiterbahnen auf der Trägerfolie 231 des Bauelementträgers 230. Wie im Fall des Mikrofon-Bauteils 100 erstreckt sich die Trägerfolie 231 nicht nur über die Chip-Montagebereiche auf der wannenförmigen Innenwandung des Bauelementträgers 230 sondern auch bis auf den Oberflächenbereich des Bauelementträgers 230, der zusammen mit dem flächigen Gehäusedeckel 40 die Montagefläche für die 2nd-Level-Montage des Bauteils 200 bildet. Auch hier erfolgt die Umverdrahtung zwischen den Bauelementen 10, 52 und der externen elektrischen Kontaktierung auf der Montageseite des Mikrofon-Bauteils 200 ausschließlich über den Bauelementträger 230 bzw. die mit entsprechenden Leiterbahnen und Anschlusskontakten 235 versehene Trägerfolie 231 des Bauelementträgers 230. Der flächige Gehäusedeckel 40 spielt dabei keine Rolle.
Dreidimensional geformte Bauelementträger mit Chip-Montageflächen auf unterschiedlichen Höhenniveaus - wie in 2 dargestellt - bieten die Möglichkeit, an Stelle einer „side-by-side“-Anordnung eine überlappende oder sogar gestapelte Anordnung von mehreren Bauelementen zu realisieren. Dadurch lässt sich der Flächenbedarf eines Bauteils mit mehreren Bauelementen deutlich reduzieren.
In 3 ist ein Mikrofon-Bauteil 300 mit einer derartigen Bauelementanordnung dargestellt. Auch das Mikrofon-Bauteil 300 umfasst ein MEMS-Mikrofonbauelement 10 in einem Gehäuse 320, das aus einem dreidimensional geformten Verbundteil als Bauelementträger 330 und einem flächigen Gehäusedeckel 40 besteht. Wie in den voranstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen ist das MEMS-Mikrofonbauelement 10 druckdicht über einer Schallöffnung 333 im Bodenbereich der wannenförmigen Innenwandung des Bauelementträgers 330 montiert, so dass die Kaverne 12 unter der Membranstruktur 11 direkt an die Schallöffnung 333 im Bauelementträger 330 angeschlossen ist.
Oberhalb des MEMS-Mikrofonbauelements 10 ist in der wannenförmigen Innenwandung des Bauelementträgers 330 eine Abstufung 336 ausgebildet, die als Montagefläche für einen ASIC 53 dient. Die Abstufung 336 kann umlaufend sein oder sich lediglich auf zwei gegenüberliegenden Abschnitten der Innenwandung befinden. In jedem Fall liegt lediglich der äußere Rand des ASIC-Chips 53 auf der bzw. den Montageflächen 336 des Bauelementträgers 330 auf, so dass der ASIC 53 hier über dem MEMS-Mikrofonbau-element 10 und mit Abstand zu diesem angeordnet ist. Die Funktionsfähigkeit des MEMS-Mikrofonbauelements 10 wird durch diese Art der Stapelung ohne Grenzflächenkontakt zwischen den beiden Bauelementen 10 und 53 also nicht beeinträchtigt.
Wenn der ASIC-Chip 53 druckdicht auf einer umlaufenden Montagefläche 336 montiert ist, dann beschränkt sich das Rückseitenvolumen des MEMS-Mikrofonbauelements 10 auf den Raum zwischen MEMS-Mikrofonbauelement 10 und ASIC-Chip 53. Andernfalls, d.h. wenn der ASIC-Chip 53 auf zwei gegenüberliegenden Stufen 336 in der Innenwandung des Bauelementträgers 330 montiert ist, wird das Rückseitenvolumen - wie im Fall des Mikrofon-Bauteils 200 - durch den flächigen Gehäusedeckel 40 abgeschlossen, der druckdicht und bündig mit dem oberen Randbereich der wannenförmigen Innenwandung des Bauelementträgers 330 verbunden ist.
Auch im Fall des Mikrofon-Bauteils 300 erfolgt die Umverdrahtung zwischen den Bauelementen 10, 53 und der externen elektrischen Kontaktierung auf der Montageseite ausschließlich über den Bauelementträger 330. Dementsprechend ist die Trägerfolie 331 sowohl mit isolierten Leiterbahnen und Kontaktflächen für die Firstlevel AVT versehen als auch mit Anschlusskontakten 335 für die 2nd-Level AVT. Sie erstreckt sich über die Chip-Montagebereiche auf der wannenförmigen Innenwandung des Bauelementträgers 330 bis auf den Oberflächenbereich des Bauelementträgers 330, der zusammen mit dem flächigen Gehäusedeckel 40 die Montagefläche für die 2nd-Level-Montage des Bauteils 300 bildet.
In 4 ist ebenfalls ein Mikrofon-Bauteil 400 mit einer gestapelten Anordnung von MEMS-Mikrofonbauelement 10 und ASIC-Chip 54 dargestellt. Das Gehäuse 420 dieses Bauteils 400 umfasst ein Verbundteil als Bauelementträger 430, das genauso wannenartig mit einer umlaufenden Abstufung 436 geformt ist wie der Bauelementträger 330 des Mikrofon-Bauteils 300. Im Fall des Mikrofon-Bauteils 400 wurde der ASIC-Chip 54 auf dem geschlossenen Bodenbereich der wannenförmigen Innenwandung des Bauelementträgers 430 positioniert. Darüber und mit Abstand zum ASIC-Chip 54 wurde das MEMS-Bauelement 10 auf der Abstufung 436 der Innenwandung des Bauelementträgers 430 montiert. Dabei wurde die Bauelementrückseite umlaufend druckdicht mit dem Bauelementträger 430 verbunden.
Die Schallbeaufschlagung erfolgt hier über eine akustisch durchlässige Folie 440, die anstelle eines Gehäusedeckels auf die offene Seite des bestückten Bauelementträgers 430 aufgebracht wurde. Sie wirkt als Membran und trägt so zur Verbesserung der Mikrofonperformance bei. Außerdem schützt sie die Bauelemente 10 und 54 auf dem Bauelementträger 430 gegen äußere Einwirkungen und Umwelteinflüsse. Eine derartige Folie kann auf den Bauelementträger 430 auflaminiert, aufgeprägt, aufgeschweißt oder auch aufgeklebt sein. Bei diesem Aufbau ist das Rückseitenvolumen 70 auf den Raum zwischen Membranstruktur 11 und dem geschlossenen Bodenbereich der Innenwandung des Bauelementträgers 530 beschränkt.
Da das Mikrofon-Bauteil 400 über die geschlossene Seite des Bauelementträgers 430 an seinem Einsatzort eingebaut wird, erstreckt sich die Trägerfolie 431 mit den isolierten Leiterbahnen und elektrischen Kontaktflächen für die Firstlevel AVT lediglich über die Chip-Montagebereiche im Bodenbereich und über die umlaufende Abstufung 435 der Innenwandung des Bauelementträgers 435. Für die elektrische Kontaktierung des Mikrofon-Bauteils 400 im Rahmen der 2nd-Level-Montage wurde der Bauelementträger 430 mit elektrischen Durchkontakten 437 versehen, die von den Kontaktflächen oder Leiterbahnen auf bzw. in der Trägerfolie 431 ausgehen und durch die Umhüllmasse 432 zu elektrischen Anschlusskontakten 435 auf die Außenseite des Verbundteils 430 geführt sind.

Claims

Bauelementträger (130, 230, 330, 430), insbesondere für MEMS-Bauelemente (10), die im Hohlraum eines Gehäuses (120, 220, 320, 420) montiert und elektrisch kontaktiert werden, wobei, • der Bauelementträger (130, 230, 330, 430) als Verbundteil in Form eines einseitig offenen Hohlkörpers realisiert ist, und wobei • der Bauelementträger (130, 230, 330, 430) im Wesentlichen aus einer in ihrer Formgebung flexiblen, dreidimensional geformten Trägerfolie (131, 231, 331, 431) und einer Umhüllmasse (132, 232, 332, 432) gebildet ist, die einseitig an die Trägerfolie (131, 231, 331, 431) angeformt ist, so dass die Trägerfolie (131, 231, 331, 431) auf der Innenwandung des Bauelementträgers (130, 230, 330, 430) angeordnet ist, und wobei • auf der Innenwandung mit der Trägerfolie (131, 231, 331, 431) mindestens eine Montagefläche für mindestens ein Bauelement (10, 51, 52, 53, 54) ausgebildet ist, und wobei • die Trägerfolie (131, 231, 331, 431) mit Kontaktflächen und isolierten Leiterbahnen zur elektrischen Kontaktierung des mindestens einen Bauelements (10, 51, 52, 53, 54) versehen ist, und wobei die Innenwandung mit der Trägerfolie (131, 231, 331, 431) wannenartig mit mindestens einer Abstufung (236, 336, 436) geformt ist, so dass auf unterschiedlichen Niveaus der Innenwandung Montageflächen ausgebildet sind und wobei die Innenwandung wannenartig mit mindestens einer weiteren Abstufung (134) im oberen Randbereich geformt ist, die als Aufnahme für ein Deckelteil (40) dient.
Bauelementträger (130, 230, 330) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Bauelementträger (130, 230, 330) eine Durchgangsöffnung (133, 233, 333) als Medienzugang für ein MEMS-Bauelement (10) ausgebildet ist.
Bauelementträger (430) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbundteil (430) mit elektrischen Durchkontakten (437) versehen ist, die von den Kontaktflächen oder Leiterbahnen der Trägerfolie (431) ausgehen und durch die Umhüllmasse (432) auf die Außenseite des Bauelementträgers (430) geführt sind.
Bauelementträger (130, 230, 330, 430) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerfolie (131, 231, 331, 431) eine Polyimid-Folie umfasst.
Bauelementträger (130, 230, 330, 430) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerfolie (131, 231, 331, 431) aus mehreren Schichten besteht und dass der Schichtaufbau der Trägerfolie (131, 231, 331, 431) mindestens eine metallische Schicht als elektromagnetische Abschirmung für das mindestens eine Bauelement (10, 51, 52, 53, 54) umfasst.
Verfahren zur Herstellung eines Bauelementträgers (130, 230, 330, 430) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, der die Form eines einseitig offenen Hohlkörpers aufweist, bei dem mindestens ein erstes Moldwerkzeugteil verwendet wird, das die Form der Innenwandung bestimmt und dessen Form der angestrebten dreidimensionalen Form der Innenwandung des Bauelementträgers (130, 230, 330, 430) entspricht, und bei dem mindestens ein zweites Moldwerkzeugteil verwendet wird, das die Form der Außenseite des Bauelementträgers (130, 230, 330, 430) bestimmt, wobei eine Trägerfolie (131, 231, 331, 431) in das erste Moldwerkzeugteil eingelegt wird und durch den einfließenden Moldfluss an die Werkzeugform angelegt wird, so dass die Trägerfolie (131, 231, 331, 431) nach dem Aushärten der Moldmasse die Innenwandung des Bauelementträgers (130, 230, 330, 430) zumindest bereichsweise abdeckt, und wobei die Innenwandung mit der Trägerfolie (131, 231, 331, 431) wannenartig mit mindestens einer Abstufung (236, 336, 436) geformt ist, so dass auf unterschiedlichen Niveaus der Innenwandung Montageflächen ausgebildet sind und wobei die Innenwandung wannenartig mit mindestens einer weiteren Abstufung (134) im oberen Randbereich geformt ist, die als Aufnahme für ein Deckelteil (40) dient.
Verfahren zur Herstellung eines Bauelementträgers (130, 230, 330, 430) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, der die Form eines einseitig offenen Hohlkörpers aufweist, wobei zunächst ein Kunststoffformteil mit der Form des einseitig offenen Hohlkörpers erzeugt wird und wobei dann eine Trägerfolie (131, 231, 331, 431) auf die Innenwandung aufgebracht, insbesondere aufgeklebt wird, und wobei die Innenwandung mit der Trägerfolie (131, 231, 331, 431) wannenartig mit mindestens einer Abstufung (236, 336, 436) geformt ist, so dass auf unterschiedlichen Niveaus der Innenwandung Montageflächen ausgebildet sind und wobei die Innenwandung wannenartig mit mindestens einer weiteren Abstufung (134) im oberen Randbereich geformt ist, die als Aufnahme für ein Deckelteil (40) dient.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerfolie (132, 231, 331, 431) auf die Innenwandung durch Wirkung eines Fluidstromes angeformt wird, insbesondere durch Anblasen oder Ansaugen.
Bauteil (100, 200, 300, 400), mindestens umfassend • ein MEMS-Bauelement (10) mit mindestens einer sensiblen Struktur (11) und • ein Gehäuse (120, 220, 320, 420) mit einem Hohlraum, in dem das MEMS-Bauelement (10) angeordnet ist, gekennzeichnet durch einen Bauelementträger (130, 230, 330, 430) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, der als Gehäuseteil fungiert.
Bauteil (100, 200, 300, 400) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Trägerfolie (131, 231, 331, 431) des Bauelementträgers (130, 230, 330, 430) bis auf die Montageseite des Gehäuses (120, 220, 320, 420) erstreckt und mit elektrischen Anschlüssen (135, 235, 335, 435) zur externen Kontaktierung des Bauteils (100, 200, 300, 400) versehen ist.
Bauteil (200, 300, 400) nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenwandung des Bauelementträgers (230, 330, 430) wannenartig abgestuft ist und mehrere Montageflächen auf unterschiedlichen Niveaus aufweist, und dass mindestens ein weiteres Bauelement (52, 53, 54) oberhalb oder unterhalb des MEMS-Bauelements (10) angeordnet ist, indem es auf mindestens einer entsprechenden Montagefläche mechanisch fixiert und elektrisch kontaktiert ist.
Bauteil (100, 200, 300) nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (120, 220, 320) ein Deckelteil (40) zum Abschluss des Hohlraums umfasst, dass das Deckelteil (40) aus einem Kunststoffmaterial, einem metallbeschichteten Kunststoffmaterial, einem Metall, einem Halbleitermaterial oder einem metallbeschichteten Halbleitermaterial gefertigt ist und dass das Deckelteil (40) mit dem Bauelementträger (130, 230, 330) mediendicht verbunden ist.
Bauteil (400) nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (420) eine Folie (440) zum Abschluss des Hohlraums umfasst.
Bauteil (100, 200, 300, 400) nach einem der Ansprüche 9 bis 13 mit mindestens einem MEMS-Bauelement (10), welches als MEMS-Mikrofonbauelement , MEMS-Lautsprecherbauelement oder MEMS-Drucksensorbauelement ausgestaltet ist.