-
MEMS-Bauelemente (MEMS = Mikro-elektro-mechanisches System) müssen vor mechanischen und anderen Umwelteinflüssen geschützt werden und benötigen dazu eine besondere Form der Verpackung, bei der die mikromechanischen Strukturen vorzugsweise in einem Hohlraum angeordnet sind, so dass eine ungestörte Funktion der während des Betriebs beweglichen oder schwingenden Strukturen möglich ist.
-
Als zusätzliche Anforderung kann ein MEMS-Bauelement ein hermetisch dichtes Package erfordern, welches insbesondere gegen Gase und Feuchtigkeit dicht ist.
-
Es sind verschiedene Technologien zur Herstellung von Hohlraumgehäusen bekannt, die unterschiedliche Vor- und Nachteile nachweisen. In so genannten CSP-Packages der neuesten Generation (CSP = Chip Sized Package) wird der Chip mit den MEMS-Bauelementstrukturen in Flip-Chip-Anordnung auf einem Träger aufgebracht. Ein rahmenförmiger, die Bauelementstrukturen des MEMS-Chips umgebender Rahmen dient als Abstandsstruktur. Anschließend kann die Flip-Chip-Anordnung mit einem Polymer abgedeckt werden, beispielsweise mittels Laminierung oder Verguss.
-
Ein dichteres und einfacher herzustellendes Package wird erhalten, wenn auf eine die Bauelementstrukturen des MEMS-Chips umschließende Abstandsstruktur ein Abdeckwafer aufgesetzt wird, wobei die Bauelementstrukturen in einem Hohlraum des so geschaffenen Packages eingeschlossen sind.
-
Solche Abdeckwafer können aus Silizium, Glas oder piezoelektrischen Materialien bestehen und stimmen vorzugsweise mit dem Material des MEMS-Chips überein. Der entsprechende Rahmen kann aus Polymer, Metall oder Metalllegierungen bestehen.
-
Möglich ist es auch, einen Abdeckwafer mit einer bereits vorstrukturierten Ausnehmung zu versehen und diesen als kappenförmige Abdeckung auf den MEMS-Chip aufzusetzen. Die Verbindung kann unter Zuhilfenahme eines Klebstoffes oder ein anderes Waferbondverfahren erfolgen. Letztere umfassen aber üblicherweise einen Hochtemperaturschritt, der zur Schädigung des MEMS-Bauelementes führen kann.
-
Aus
EP 2043147 A2 ist ein Gehäuse mit abdichtenden Zwischenlagen aus PFPE bekannt. Zusätzlich kann ein Bauelement im Gehäuse mit einer PFPE Masse abgedeckt sein.
-
Aus
EP 1 523 035 A2 ist eine Kunststoffmasse bekannt, bei der ein Siloxan mit einem Polyfluorpolyether vernetzt ist. Die Masse wird zur schützenden Abdeckung von Halbleiter Chips eingesetzt.
-
Aus
DE 10 2007 032 058 A1 ist ein Sensor bekannt, der in einem Gehäuse mit einem Passivierungsmittel vergossen ist, das einen Perfluorpolyether und einen reaktiven Stoff zum Abfangen reaktiver Gase umfasst.
-
Aus
EP 2 119 754 A2 ist eine mit einem Harz vergossene LED bekannt. Das Harz umfasst neben anderen auch Perfluorpolyether-Einheiten und einen Füllstoff.
-
Aus
WO 2008/005327 A2 sind mit Elastomer verkapselte Solarzellen bekannt. Das Elastomer kann ein Perfluorpolyether sein und mit Hilfe einer Stempeltechnik strukturiert sein.
-
Andere Verfahren zur Herstellung eines Packages beinhalten komplexe und aufwändige Schritte, die in einer Massenfertigung schwer umzusetzen sind oder den Aufwand unnötig für die Verpackung und damit die Kosten erhöhen.
-
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Anordnung mit mindestens einem MEMS-Bauelement anzugeben, welche in einfacher und kostengünstiger Weise herzustellen ist die ein hermetisches Package für das MEMS-Bauelement ermöglichen.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Anordnung nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sowie ein Verfahren zur Herstellung der Anordnung gehen aus weiteren Ansprüchen hervor.
-
Es wird vorgeschlagen, für das Packaging der Anordnung zumindest eine PFPE-Schicht als Abdichtung oder Abdeckung einzusetzen, die die durch Polymerisation eines funktionelle Gruppen aufweisenden Perfluorpolyethers erhalten ist. Das MEMS-Bauelement kann dabei auf einem Träger angeordnet sein und wird in der Anordnung durch das Package gegen Umgebungseinflüsse geschützt. Die PFPE-Schicht dient im Package als abdichtende Schicht.
-
Die PFPE Schicht ist strukturiert und umfasst zumindest eine erste und eine zweite strukturierte Teilschicht. Die zweite strukturierte Teilschicht liegt auf der ersten Teilschicht auf und ist chemisch an diese angebunden. Die erste und zweite PFPE Teilschicht bilden zusammen eine dreidimensionale Struktur in Form einer Kappe aus. In dieser ist eine einseitig offene Ausnehmung definiert.
-
Die Kappe sitzt auf dem MEMS Bauelement oder auf dem Träger auf und dichtet ihn gegen dessen Oberfläche ab, so dass die Bauelementstrukturen oder das gesamte MEMS Bauelement in der Ausnehmung angeordnet und gegen Umgebungseinflüsse geschützt sind.
-
Inder
US 2007/0254278 A1 ist PFPE als Material wegen seiner chemischen Inertheit bereits zur Herstellung von mikrostrukturierten im medizinischen Bereich eingesetzten sogenannten Microfluidic Devices vorgeschlagen worden.
-
Die PFPE-Schicht umfasst einen Polyether aus perfluorierten verzweigten oder unverzweigten Alkyl-Ketten. Der Polyether kann unterschiedlich lange verzweigte oder unverzweigte Kettenglieder zwischen den Sauerstoffbrücken des Polyethers umfassen. Ebenso kann das PFPE eine über Etherbrücken verzweigte Struktur aufweisen.
-
Eine gegen Umgebungseinflüsse dichte und bei der Erfindung eingesetzte PFPE-Schicht ist vorzugsweise vollständig polymerisiert und dreidimensional vernetzt. Eine solche vernetzte PFPE-Schicht kann aus kürzerkettigen „Monomeren” erhalten werden, die endständig mit polymerisierbaren beziehungsweise vernetzbaren funktionellen Gruppen versehen sind. Vorzugsweise werden bei der Vernetzung/Polymerisation Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen gebildet, so dass die funktionellen Gruppen der Monomeren entsprechend ausgewählt sind und beispielsweise eine olefinische Doppelbindung umfassen. Die Monomere, die zur Herstellung einer PFPE-Schicht eingesetzt werden können, stellen selbst perfluorierte Polyether dar, die beispielsweise mit Methacrylatgruppen als funktionelle vernetzbare Gruppen versehen sind. Auch eine Funktionalisierung mit vernetzbaren Styrolgruppen ist möglich.
-
Über die perfluorierten Alkyl-Reste des Polyethers weist das polymerisierte Material der PFPE-Schicht stark hydrophobe Eigenschaften auf und ermöglicht daher die Ausbildung einer hermetisch dichten Schicht.
-
Das PFPE-Material ist außerdem ähnlich wie Teflon® chemisch inert und wird daher auch in aggressiven Umgebungen enicht angegriffen. Es bildet zu gängigen Substratmaterialien von MEMS Bauelementen eine innige und dichte Verbindung ein und kann daher gut als Abdichtung sowie Verbindungs- oder Klebeschicht eingesetzt werden.
-
Ein weiterer Vorteil ist, dass die Monomere bei Raumtemperatur flüssig sind und zur Verarbeitung kein Lösungsmittel erfordern. Bei vollständiger Polymerisation führt die PFPE-Schicht daher nicht zu Ausgasungen, auch bei erhöhter Temperatur nicht. Die chemische Stabilität ist außerdem mit einer thermischen Stabilität verbunden, so dass auch bei erhöhter Temperatur keine Zersetzungsprodukte oder andere Ausgasungen aus der PFPE-Schicht entweichen können und dabei die Hermetizität des Packages wieder zerstören könnten.
-
Die PFPE-Schicht kann durch Aufbringen des flüssigen Monomers auf die abzudichtende oder abzudeckende Oberfläche aufgebracht und anschließend mittels Bestrahlung polymerisiert werden. Die Bestrahlung/Belichtung kann mit einer Maske beziehungsweise strukturiert erfolgen, so dass die Polymerisation zu einer strukturierten PFPE-Schicht führen kann.
-
Möglich ist es jedoch auch, die PFPE-Schicht auf einem Zwischenträger aufzubringen und vorzupolymerisieren bzw. in einen teilvernetzten Zustand überzuführen, gegebenenfalls strukturiert. Anschließend kann die vorpolymerisierte bzw. teilvernetzte PFPE-Schicht, die dann zum Beispiel eine gallertartige meta-stabile Konsistenz aufweist, auf die Anordnung mit dem MEMS-Bauelement transferiert werden. Dort passt sich die relativ weiche teilvernetzte PFPE-Schicht Unebenheiten auf dem Untergrund an und kann so Stufen von bis zu mehreren um Höhe ausgleichen bzw. an solche Stufen dicht anschmiegen. Die PTFE Schicht kann daher auch zum Planarisieren unebener Oberflächen eingesetzt werden und ersetzt daher zusätzliche Planarisierungsschichten.
-
Vor dem endgültigen und vollständigen Aushärten der PFPE-Schicht durch Polymerisation unter Bestrahlung können über der ersten PFPE-Schicht weitere PFPE-Schichten aufgebracht werden, die dann beim Aushärten mit dieser ersten Schicht chemisch vernetzen.
-
Die PFPE-Schicht in einer nicht erfindungsgemäßen Ausführung kann großflächig auf der Anordnung aufgebracht sein. Dabei deckt die PFPE-Schicht zumindest das MEMS-Bauelement oder dessen Bauelementstrukturen ab. Ist das MEMS Bauelement auf einem Träger montiert oder angeordnet, so deckt die PFPE-Schicht vorzugsweise das MEMS Bauelement und zumindest Teile des gesamten Trägers ab. Dies hat dann Vorteile, wenn das MEMS-Bauelement als sogenannter bare die auf dem Träger montiert ist. Möglich ist es auf diese Weise auch, neben dem MEMS-Bauelement weitere auf dem Träger angeordnete Bauelement mit abzudecken.
-
In einer weiteren Ausführung ist die PFPE-Schicht strukturiert. Sie kann in dieser Form auf dem Träger und MEMS Bauelement oder nur auf MEMS Bauelement oder Träger aufliegen deckt nur einen Teil der Anordnung ab.
-
In einer Ausführung ist die PFPE-Schicht strukturiert auf dem MEMS-Bauelement oder dem Träger aufliegend angeordnet und stellt eine abdichtende Zwischenlage für eine Abdeckung dar. Neben der Dichtungsfunktion zwischen Träger oder MEMS-Bauelement und der Abdeckung kann die Zwischenlage auch eine Verbindungs- und Klebefunktion erfüllen, insbesondere wenn bei der Herstellung der Anordnung als letzter Schritt eine vollständige Vernetzung der PFPE-Schicht erfolgt. Dabei kann eine feste Verbindung der PFPE-Schicht zu gängigen Träger- und Substratmaterialien erzeugt werden, insbesondere zu Keramik, piezoelektrischen Kristallen sowie zu Metall und Glas.
-
Die Abdeckung, die auf der PFPE-Schicht als Zwischenlage aufliegt, kann daher eine Platte oder ein Plättchen eines keramischen oder kristallinen Materials umfassen.
-
Für besonders empfindliche MEMS-Bauelemente, deren Eigenschaften durch mechanische Verspannungen beeinträchtigt werden können, werden besonders verzugsarme Packages erhalten, wenn das Substrat des MEMS-Bauelementes oder der Träger das gleiche kristalline oder keramische Material wie die Abdeckung umfassen.
-
Besonders vorteilhaft kann die PFPE-Schicht als Zwischenlage ausgebildet werden, wenn sie rahmenförmig strukturiert ist und dabei eine einen Hohlraum ermöglichende Abstandsstruktur für die Abdeckung ausbildet. Die rahmenförmig strukturierte PFPE-Schicht kann auf einer Oberfläche des MEMS-Bauelements und die Bauelementstrukturen des Bauelements umschließen oder sie kann auf der Oberfläche des Trägers angeordnet sein und zumindest das gesamte MEMS-Bauelement umschließen. Die Abdeckung ist dann dicht auf der rahmenförmig strukturierten PFPE-Schicht angeordnet und mit dieser fest verbunden, so dass zwischen der Abdeckung, der PFPE-Schicht und der Oberfläche des MEMS-Bauelementes beziehungsweise des Trägers ein hermetisch dichter Hohlraum ausgebildet ist.
-
Die PFPE-Schicht umfasst erfindungsgemäß zumindest eine erste und eine zweite strukturierte Teilschicht, die übereinander aufliegend und chemisch miteinander verbunden sind. Erste und zweite PFPE-Teilschicht können dann eine dreidimensionale Struktur ausbilden. In einer Ausführung bildet die PFPE-Schicht eine dreidimensionale Struktur in Form einer Kappe aus, die eine einseitig offene Ausnehmung aufweist, die beim Auflegen der Kappe auf den Träger oder den MEMS-Bauelement einen Hohlraum für die MEMS-Bauelementstrukturen oder für das MEMS-Bauelement einschließt. Die Kappe sitzt dann abdichtend auf dem MEMS-Bauelement oder dem Träger auf und schützt so das MEMS-Bauelement oder dessen Bauelementstrukturen gegen Umgebungseinflüsse.
-
Die dreidimensionale Struktur der PFPE-Schicht kann auf einer Seite eine Vielzahl von Ausnehmungen aufweisen, die die Ausbildung einer entsprechenden Anzahl von Hohlräumen ermöglicht, in denen dann jeweils ein zu verkapselndes beziehungsweise hermetisch abzudichtendes Element angeordnet ist. Jedes Element kann ein MEMS-Bauelement oder ein anderes abzudichtendes Bauelement oder Teil davon sein.
-
Die PFPE-Schicht kann in einer nicht erfindungsgemäßen Ausführung auch großflächig als abdichtende Schicht über ein in Flip-Chip-Technik auf dem Träger montiertes MEMS-Bauelement aufgebracht sein.
-
Das MEMS Bauelement kann ausgewählt sein aus mikromechanischen Schaltern, aus variablen Kondensatoren, aus Sensoren wie beispielsweise Drucksensoren oder Mikrofonen, oder aus mit akustischen Wellen arbeitenden Bauelementen wie SAW (= surface acoustic wave), BAW (= bulk acoustic wave) oder GBAW (= guided acoustic wave) Bauelementen. Auch andere MEMS Bauelemente sind geeignet.
-
Auf dem Träger können weitere Bauelemente vorgesehen sein die zusammen mit dem MEMS-Bauelement und einer gemeinsamen Abdeckung abgedichtet sind. Möglich ist es jedoch auch, nur einzelne dieser Bauelemente mit der PFPE-Schicht abzudichten oder eben nur das MEMS-Bauelement.
-
Die zusätzlichen Bauelemente können Halbleiterbauelemente, MEMS-Bauelemente oder passive Bauelemente oder Module die passive und aktive Bauelemente integriert umfassen. Integrierte passive Bauelemente können beispielsweise in Form mehrschichtiger Strukturen ausgebildet sein, bei denen strukturierte Metalllagen alternierend mit dielektrischen und insbesondere keramischen Schichten angeordnet sind. Durchkontaktierungen zwischen den Metallisierungsebenen schaffen die elektrischen Verbindungen, so dass eine Vielzahl passiver Bauelementstrukturen in einem solchen Bauelement integriert sein kann.
-
Direkt über einer abdeckenden PFPE-Schicht kann eine weitere Abdeckschicht für Abdichtungs- oder Abschirmungszwecke aufgebaut sein. Bevorzugt sind solche weitere Abdeckschichten, die sich in Dünnschichtverfahren aufbringen lassen und hermetische Eigenschaften aufweisen. Als weitere Abdeckschichten sind daher beispielsweise Metallschichten oder aus der Gasphase abgeschiedene dielektrische Schichten wie beispielsweise Oxidschichten, Nitridschichten und ähnliche geeignet.
-
Möglich ist auch, dass die PFPE Schicht über einer aus einem anderen Material ausgebildeten ersten Abdeckschicht angeordnet ist. Die erste Abdeckschicht kann beispielsweise die oberste Schicht eines an sich bekannten Thin Film Packages für MEMS Bauelemente darstellen, auch als zero level package bekannt. Bei einem solchen Package wird mit Hilfe von Dünnschichtverfahren ein Schichtaufbau erzeugt, der einen Hohlraum für die empfindlichen MEMS Bauelementstrukturen umfasst. Der Hohlraum kann z. B. aus einer Opferschicht entstanden sein, die mit der erwähnten ersten Abdeckschicht überzogen ist. Durch vorzugsweise laterale Ätzöffnungen oder Kanäle kann das Material der Opferschicht herausgelöst oder herausgeätzt werden. Die Ätzöffnungen und Kanäle können anschließend verschlossen werden. Die PTFE Schicht kann als eine Verschlussschicht dienen.
-
In einer Ausführung ist das MEMS-Bauelement ein HF-Bauelement, beispielsweise ein HF-Filter.
-
Die Herstellung der erfindungsgemäßen Anordnung umfasst zumindest die Schritte des Aufbringens zweier Teilschichten der PFPE-Schicht auf das MEMS-Bauelement oder den Träger, wobei die PFPE-Schicht neben einem mit vernetzbaren Gruppen versehenen Perfluorpolyether noch einen Fotoinitiator enthält. Ein weiterer Herstellungsschritt umfasst das Vernetzen der PFPE-Schicht mittels Bestrahlung, beispielsweise mittels UV-Licht. Die Vernetzung kann durch Polymerisierung olefinischer vernetzbarer Gruppen erfolgen, beispielsweise von Styrol oder Methacrylatgruppen. Die Vernetzung kann direkt auf der Anordnung erfolgen.
-
Möglich ist es jedoch auch, die Vernetzung in mehrere Teilschritte aufzuteilen, wobei alle Teilschritte außer dem letzten Teilschritt zu einer nicht vollständigen Vernetzung der PFPE-Schicht führen. Die Aufteilung in Teilschritte hat den Vorteil, dass auf diese Weise mehrere Teilschichten, die unterschiedlich strukturiert sein können, übereinander aufgebracht und später miteinander verbunden werden können. Im letzten Schritt der vollständigen Vernetzung mittels ausreichender Bestrahlungsdauer oder -Intensität wird auch die gute Verbindung der PFPE-Schicht zu allen Materialien hergestellt, die in der Anordnung mit der PFPE-Schicht in engem Kontakt stehen.
-
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und der dazugehörigen Figuren näher erläutert. Die Figuren sind nur schematisch und nicht maßstabsgetreu ausgeführt, so dass den Figuren weder absolute noch relative Maßangaben entnommen werden können.
-
1A bis 1D zeigen verschiedene Anordnungen mit einem MEMS-Bauelement auf einem Träger und einer PFPE-Schicht,
-
2A bis 2C zeigen verschiedene Anordnungen eines MEMS-Bauelements bei denen die Abdeckung direkt auf dem MEMS-Bauelement aufsitzt,
-
3A bis 3E zeigen verschiedene Ausführungen einer Anordnung mit mehreren Bauelementen auf einem Träger und einer eine PFPE-Schicht umfassenden Abdeckung,
-
4A bis 4C zeigen eine erfindungsgemäße Anordnung mit einem SAW-Bauelement.
-
1A zeigt eine einfache nicht erfindungsgemäße Anordnung, bei der ein MEMS-Bauelement MB in Flip-Chip-Anordnung auf einem Träger TR montiert ist. Die elektrische und mechanische Befestigung erfolgt über Bumps, beispielsweise über Lot- oder Stud-Bumps. Die Bumps wirken dabei auch als Abstandshalter, so dass zwischen Träger TR und MEMS-Bauelement MB ein Spalt verbleibt und die nach unten weisenden beweglichen oder schwingenden Bauelementstrukturen des MEMS-Bauelements mechanisch unbeeinträchtigt arbeiten können.
-
Zur Abdichtung des MEMS-Bauelements MB gegen Umgebungseinflüsse ist auf der Oberseite des MEMS-Bauelements MB eine als Abdeckschicht AS ausgebildete PFPE-Schicht PS angeordnet. Diese überlappt die Kanten des MEMS-Bauelements MB und schließt mit dem Träger TR ab. Die PFPE-Schicht PS geht mit herkömmlichen Trägermaterialien, beispielsweise mit Keramik, Glas oder Metall eine innige, dichte und feste Verbindung ein, so dass mit einer solchen Abdeckschicht AS ein hermetisch dichtes und einen Hohlraum HR aufweisendes Hohlraumgehäuse für das MEMS-Bauelement erzeugt ist. Gleichzeitig wird der Spalt seitlich abgedichtet, so dass ein dichter Hohlraum HR unter der PFPE Schicht PS zwischen Träger TR und MEMS Bauelement MB ausgebildet ist.
-
1B zeigt eine weitere Anordnung, bei der das MEMS-Bauelement MB wieder auf einem Träger montiert ist. Das MEMS-Bauelement ist mit einer Abdeckkappe AK abgedeckt und bildet dabei einen Hohlraum HR aus, in dem das MEMS-Bauelement MB angeordnet ist. Zur sicheren Abdichtung des Hohlraums HR ist zwischen der Abdeckkappe AK und dem Träger TR eine strukturierte Zwischenschicht ZS angeordnet, die eine PFPE-Schicht PS umfasst oder aus einer PFPE-Schicht PS besteht.
-
Die Abdeckkappe AK kann aus einem mechanisch ausreichend festen und strukturierbaren Materialien bestehen. Vorzugsweise ist die Abdeckkappe AK aus einem Abdeckwafer strukturiert, beispielsweise aus einer Glas- oder Keramikplatte aus einem Halbleiterkristall oder einem beliebig anderen als Festkörper strukturierbaren Material. Dies hat den Vorteil, dass auf diese Weise aus dem Abdeckwafer eine Vielzahl von Abdeckkappen strukturiert werden kann, beispielsweise durch Ausbildung entsprechender Ausnehmungen in der Unterseite des Abdeckwafers die dann auf einem Nutzen mit einer Vielzahl von MEMS-Bauelementen aufgesetzt werden und erst nach vollständiger Prozessierung in einzelne Bauelemente vereinzelt werden. Die als Zwischenschicht ZS ausgebildete PFPE-Schicht PS kann auf dem Träger TR oder auf der Unterseite der Abdeckkappe AK strukturiert werden oder als bereits strukturierte Schicht auf Träger TR oder Abdeckwafer aufgebracht werden.
-
1C zeigt eine weitere Ausführung einer Anordnung, bei der das MEMS-Bauelement MB auf einem Träger TR montiert ist. Eine strukturierte PFPE-Schicht PS bildet eine Zwischenschicht ZS aus, die das MEMS-Bauelement auf dem Träger TR umgibt und gleichzeitig ein Abstandselement ausbildet, auf dem eine als Abdeckwafer AW ausgebildete Abdeckung aufliegt.
-
Diese Ausführung hat den Vorteil, dass der Abdeckwafer nicht strukturiert werden muss und als ebener und dünner Wafer aufgesetzt werden kann. Es wird lediglich die Zwischenschicht ZS strukturiert, was wiederum direkt auf dem Träger TR, direkt auf dem Abdeckwafer AW oder separat von den beiden Teilen durch separate Teilvernetzung einer PFPE Schicht und deren nachträgliches Anordnen zwischen Träger und Abdeckwafer AW erfolgen kann. Auch hier ist ein ausreichender Hohlraum HR gewährleistet, wenn die Höhe der Zwischenschicht ZS größer als die Höhe des MEMS-Bauelements über der Oberfläche des Trägers TR ist.
-
1D zeigt ein MEMS Bauelement MB auf einem Träger, das mit einer PFPE Schicht PS abgedeckt ist, die als Abdeckkappe AK ausgebildet ist. Eine solche Abdeckkappe AK kann erfindungsgemäß aus mehreren Teilschichten einer PFPE Schicht gebildet werden, die einzeln strukturiert und in einer abschließenden Vernetzung miteinander zu einer dreidimensionalen Struktur, eben zu der Abdeckkappe verbunden sind.
-
In den Ausführungen nach 1B bis 1D kann offen bleiben, wie genau das MEMS-Bauelement auf dem Träger TR montiert ist. Dieses kann aufgeklebt, aufgelötet oder in Flip-Chip-Bauweise mit dem Träger verbunden werden. In den ersten beiden Varianten kann die elektrische Verbindung zum Träger TR mittels Bonddrähten erfolgen. Auch eine Montage in SMD Technik ist möglich.
-
2A bis 2C zeigen verschiedene Anordnungen, bei denen die Abdichtung der Bauelementstrukturen direkt auf dem MEMS-Bauelement MB erfolgt und daher bereits auf MEMS Waferlevel erfolgen kann, also vor dem Vereinzeln der MEMS Bauelemente.
-
In den Figuren sind die MEMS Bauelement MB auf einem Träger TR angeordnet, können aber auch ohne Träger komplette erfindungsgemäße Anordnungen darstellen.
-
In 2A ist auf dem MEMS Bauelement MB eine Abdeckkappe AK angeordnet, die eine PFPE-Schicht PS umfasst. Die Abdeckkappe AK sitzt schließt unter sich einen Hohlraum HR ein, in dem die Bauelementstrukturen BES angeordnet sind und so ungestört arbeiten können.
-
Die Abdeckkappe AK kann vollständig aus der PFPE Schicht PS gebildet sein, oder eine solche als Teilschicht umfassen. Insbesondere kann unter der PFPE Schicht PS eine weitere Schicht eines anderen Materials angeordnet sein. Möglich ist es z. B. dass die PFPE Schicht die oberste abdichtende Schicht eines Thinfilm Packages darstellt, das auch als Zero Level Package bekannt ist. Für solche integriert hergestellten und einen Hohlraum HR für die MEMS Bauelementstrukturen belassenden Packages sind bereits verschiedene Verfahren bekannt.
-
Beim Waferlevel Packaging können eine Vielzahl auf dem MEMS-Wafer vorstrukturierter MEMS-Bauelemente bzw. MEMS Bauelementstrukturen gemeinsam mit einer zur Abdeckkappe AK beziehungsweise mit einer mit Ausnehmungen versehenen PFPE-Schicht PS verkapselt werden. Nach der Vereinzelung der MEMS-Bauelemente weist jedes MEMS-Bauelement eine eigene Abdeckkappe AK auf.
-
2B zeigt eine Abdeckung der Bauelementstrukturen BES mittels einer direkt auf dem MEMS-Bauelement MB aufsitzenden zu einer Zwischenschicht ZS strukturierten PFPE-Schicht, die einen Rahmen um die Bauelementstrukturen BES ausbildet und auf der eine als Abdeckwafer AW ausgebildete Abdeckung aufliegt. Auch hier fungiert die Zwischenschicht ZS als Abstandshalter, so dass zwischen MEMS-Bauelement MB und Abdeckwafer AW ein Hohlraum HR für die Bauelementstrukturen BES ausgebildet ist.
-
2C zeigt eine Anordnung mit MEMS-Bauelement MB, bei der die Bauelementstrukturen BES mit einer strukturierten Abdeckkappe AK abgedeckt sind, die z. B. aus einem starren vorzugsweise keramischen oder kristallinen Material ausgebildet ist. Eine zu einer Zwischenschicht ZS strukturierte PFPE-Schicht PS ist zwischen der Abdeckkappe AK und der Oberfläche des MEMS-Bauelements MB angeordnet und sorgt für einen dichten Verschluss des Hohlraums HR unter der Kappe.
-
3A bis 3E zeigen Ausführungen der Anordnung, bei der ein MEMS Bauelement und zumindest ein weiteres Bauelement WB auf einem Träger TR angeordnet sind.
-
Gemäß 3A sind die beiden Bauelemente mit einer gemeinsamen Abdeckschicht AS abgedeckt, die eine PFPE Schicht als einzige Schicht oder als Teilschicht eines Schichtverbunds umfasst. Die Abdeckschicht AS schließt rund um die Bauelemente dicht mit dem Träger TR ab und sorgt so für eine dicht Verkapselung der Bauelemente auf dem Träger.
-
In der Ausführung nach 3B ist nur das MEMS Bauelement MB von der Abdeckschicht AS bedeckt.
-
3C zeigt eine Anordnung, bei das MEMS Bauelement MB und ein weiteres Bauelement WB in ein Package integriert sind, das aus einer Zwischenlage ZS und einer Abdeckung, insbesondere einem Abdeckwafer AW besteht. Die Zwischenlage ZS ist aus einer PFPE Schicht PS strukturiert, sitzt auf dem Träger TR auf und umgibt die Bauelemente rahmenförmig. Gleichzeitig dient die Zwischenlage ZL als Abstandshalter und als Auflage für die vorzugsweise starre Abdeckung AW, so dass jeder in der Zwischenschicht gebildete Rahmen mit der Abdeckung zusammen einen Hohlraum HR für das jeweilige Bauelement einschließt.
-
3D zeigt eine Anordnung, bei der eine strukturierte PFPE Schicht PS als abdichtende Zwischenlage ZS zwischen einer Abdeckung, z. B. einem strukturierten Abdeckwafer AW und dem Träger angeordnet ist. Unter der Abdeckung AW ist jeweils ein Hohlraum HR für das jeweilige Bauelement MB, WB eingeschlossen, der im wesentlichen durch eine Ausnehmung in der Abdeckung gebildet ist.
-
3E zeigt eine Anordnung, bei der die strukturierte Abdeckung AW mit den Ausnehmungen vollständig aus einer PFPE Schicht gebildet ist, die direkt auf dem Träger aufsitzt. Hier kann auf die Zwischenlage verzichtet werden. Die Abdeckung AW kann aus mehreren strukturierten Teilschichten aufgebaut sein.
-
4A zeigt eine Anordnung, bei der Struktur und mögliche Funktionen des Trägers TR detaillierter dargestellt sind. Der Träger TR ist mehrschichtig aus dielektrischen Lagen aufgebaut, zwischen denen strukturierte Metallisierungsebenen angeordnet sind. Unterschiedliche Metallisierungsebenen sind über Durchkontaktierungen miteinander verbunden. Auf der Oberseite des Trägers TR sind Anschlussmetallisierungen für das MEMS-Bauelement MB und gegebenenfalls weitere Bauelemente vorgesehen. Auf der Unterseite des Trägers TR sind die Außenkontakte KA angeordnet, mit deren Hilfe die Anordnung mit einer Schaltungsumgebung beispielsweise durch Löten verbunden werden kann.
-
Das MEMS-Bauelement MB ist über Bumps mit den elektrischen Anschlussflächen des Trägers TR mechanisch und elektrisch verbunden. Die Bauelementstrukturen BES weisen nach unten und sind zwischen der Oberfläche des Trägers TR und dem MEMS-Bauelement MB in einem dort verbleibenden lichten Spalt angeordnet. Seitlich ist der Spalt zwischen MEMS-Bauelement und Träger TR mittels einer Abdeckschicht AS abgedichtet, die großflächig auf der Oberseite des MEMS-Bauelements und des Trägers aufsitzt und aus einer PFPE-Schicht PS ausgebildet ist. Die Abdeckschicht AS kann mit annähernd einheitlicher Schichtdicke und oberflächenkonform aufgebracht sein. Die Abdeckschicht AS kann aber auch in größerer Schichtdicke aufgebracht sein, beispielsweise in einer bis zur Oberkante des MEMS-Bauelements reichenden Schichtdicke, so dass das MEMS-Bauelement praktisch unter der Abdeckschicht AS begraben ist.
-
Das MEMS Bauelement ist hier als SAW Bauelement dargestellt, dass ein piezoelektrisches Substrat und metallische Bauelementstrukturen und Anschlusspads auf der Unterseite des Substrats umfasst. Das MEMS Bauelement kann aber auch ein BAW Bauelement sein, bei der eine Schichtstruktur mit BAW Resonatoren auf der Oberfläche eines z. B. kristallines Silizium umfassenden Substrats ausgebildet. Das MEMS Bauelement kann auch ein GBAW Bauelement sein, bei der SAW ähnliche Bauelementstrukturen mit zusätzlichen Schichten abgedeckt sind.
-
4B zeigt eine weitere Ausgestaltung bei der eine relativ dünn aus einer PFPE-Schicht PS ausgebildete Abdeckschicht AS mit einer weiteren Abdeckschicht WA versehen ist, die hier beispielsweise als Vergussmasse aufgebracht ist, den das MEMS-Bauelement vollständig abdeckt und eine planarisierte Oberfläche aufweist. Eine solche weitere Abdeckung WA kann beispielsweise als Vergussmasse und beispielsweise durch Spritzguss aufgebracht werden.
-
4C zeigt eine weitere Anordnung mit einer über der Abdeckschicht AS aufgebrachten weiteren Abdeckung WA in Form einer dünnen und oberflächenkonform aufgebrachten Schicht. Eine solche dünne Schicht wird vorzugsweise mittels Dünnschichtverfahren aus der Gasphase aufgebracht, beispielsweise mittels CVD-Verfahren, Plasmaabscheideverfahren oder Sputtern. Sie kann z. B. SiO2 oder ein anderes dielektrisches Material umfassen.
-
Möglich ist es auch, die weitere Abdeckschicht WA als Metallschicht aufzubringen und sie dazu aus einer Lösung abzuscheiden. Möglich ist es auch, eine Grundmetallisierung aus der Gasphase aufzubringen und diese in einer Lösung galvanisch oder stromlos zu verstärken. Eine metallische weitere Abdeckschicht WA kann zur elektromagnetischen Abschirmung eingesetzt werden. Eine Metallschicht kann auch die Stabilität des gesamten Packages und damit der Anordnung erhöhen.
-
Die Erfindung ist nicht auf die in den Figuren dargestellten und beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Allen diesen Ausführungen ist jedoch gemein, dass die hermetische Abdichtung der Anordnung durch das Package für das MEMS-Bauelement mittels einer PFPE-Schicht vorgenommen ist. Die PFPE-Schicht kann die alleinige Abdichtung und Abdeckung vornehmen oder kann wie beschrieben als Zwischen- oder Verbindungsschicht ausgebildet sein.
-
Bezugszeichenliste
-
-
- MB
- MEMS Bauelement
- TR
- Träger
- PS
- PFPE Schicht
- ZS
- abdichtende Zwischenlage
- AW
- Abdeckwafer
- BES
- MEMS Bauelementstrukturen
- HR
- Hohlraum
- AK
- Abdeckkappe
- WA
- weitere Abdeckschicht (Metallschicht, dielektrische Schicht)
- AS
- Abdeckschicht
- BW
- weiteres Bauelement