CHIP MIT MIKRO - ELEKTROMECHANISCHER STRUKTUR UND ABDECKUNGSELEMENT SOWIE

VERFAHREN ZU DESSEN HERSTELLUNG

Die Erfindung betrifft einen Chip mit mikro-elektromechanischer Struktur und ein

Verfahren zum Herstellen eines Chips mit mikro-elektromechanischer Struktur, insbesondere für mikro-elektromechanische Lautsprecherelemente.

Stand der Technik Mikro-elektromechanische Lautsprecher (MEMS-Lautsprecher) werden durch Ausbilden mikro-elektromechanischer Strukturen (MEMS-Strukturen) in einem Chipmaterial hergestellt. Derartige Chips bedürfen einer herkömmlicherweise aufwändigen und kostenintensiven Verpackungstechnologie. Die Druckschrift DE 10 2005 053 765 A1 beispielsweise offenbart ein MEMS-Package mit einem MEMS-Chip und einem Steuerchip, welche auf einem Trägersubstrat aufgebracht sind und über eine geschirmte Kappe verkapselt sind.

Offenbarung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung schafft gemäß einem Aspekt einen mikro-elektromechanischen Chip, mit einem Substrat, einer mikro-elektromechanischen Struktur, welche in dem Substrat ausgebildet ist, und einem Abdeckungselement, welches auf einer Oberfläche des Substrats angeordnet ist, und welches die mikro-elektromechanische Struktur gegenüber Verunreinigungen und/oder mechanischen Einwirkungen von außen schützt.

Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die vorliegende Erfindung ein Chippackage mit einem erfindungsgemäßen mikro-elektromechanischen Chip, und einem Steuerchip, welcher mit dem mikro-elektromechanischen Chip gekoppelt ist, und welcher dazu ausgelegt ist, den mikro-elektromechanischen Chip anzusteuern.

Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines mikro-elektromechanischen Chips, mit den Schritten des Bereitstellens einer Vielzahl von mikro-elektromechanischen Strukturen auf einem Wafer, des

Aufbringens einer Abdeckungselementenschicht auf der Vielzahl von mikro- elektromechanischen Strukturen auf dem Wafer, und des Vereinzeins der mikro- elektromechanischen Strukturen zum Herstellen von mikro-elektromechanischen Chips mit mikro-elektromechanischen Strukturen, welche über ein Abdeckungselement auf einer Oberfläche des mikro-elektromechanischen Chips abgedeckt sind.

Vorteile der Erfindung Eine Idee der vorliegenden Erfindung ist es, einen Chip mit mikro-elektromechanischer Struktur (MEMS-Chip) zu schaffen, welcher über ein akustisches Fenster verfügt, welches direkt auf einer Chipoberfläche aufgebracht ist.

Ein Vorteil der Erfindung ist es, dass die Herstellungskosten für derartige MEMS-Chips erheblich gesenkt werden können, da die die akustischen Fenster in einem einzigen

Fertigungsschritt bereits auf Waferebene auf einen Wafer mit MEMS-Chips aufgebracht werden und eine Vereinzelung der Chips nach dem Aufbringen der Fenster erfolgen kann. Dabei ist ein wesentlicher Vorteil darin zu sehen, dass die Fenster die MEMS-Strukturen auf den Chips vor Verunreinigungen durch den Vereinzelungsprozess schützen können.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, der MEMS-Chip in einem Chippackage eingesetzt werden kann, welches nicht extra verkappt werden muss. Dadurch werden zum Einen die Fertigungskosten gesenkt, zum Anderen verringert sich die Baugröße des Chippackages. Chippackages mit erfindungsgemäßen MEMS-Chips können aufgrund der Tatsache, dass keine gesonderte Verkappung notwendig ist, als mit der Chipgröße skalierende Packages (CSP, "chip scale package") ausgelegt werden. Durch die

Verringerung der Baugröße erhöht sich zudem in vorteilhafter Weise die

Integrationsdichte. Dies ist besonders vorteilhaft im Falle von MEMS-Lautsprecherchips, welche aufgrund der geringen Bauhöhe und der hohen Integrationsdichte in

miniaturisierten Anwendungen wie Mobiltelefonen, Smartphones, Tablet-PCs,

Flachbildschirmen, in Wandbeschichtungen integrierten Lautsprechern oder ähnliche Anwendungen erhebliche Vorteile bietet.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die relative Anordnung von Steuerchip und MEMS- Chip auf einem Substrat oder einer Leiterplatte sehr flexibel gestaltet werden kann, da die Notwendigkeit der zusätzlichen Verkappung entfällt. Gemäß einer Ausführungsform kann die mikro-elektromechanische Struktur eine mikro- elektromechanische Lautsprecherstruktur oder eine mikro-elektromechanische

Mikrofonstruktur umfassen. Besonders MEMS-Lautsprecher und MEMS-Mikrofone sind gut geeignet für den erfindungsgemäßen Aufbau, da sie nicht durch einfaches Ummolden gegenüber äußeren Einflüssen geschützt werden können.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann das Abdeckungselement akustisch transparent sein. Vorzugsweise kann das Abdeckungselement eine Folie, ein Metallgitter, ein Kunststoffgitter oder eine Filterschicht umfassen. Dies bietet die Möglichkeit, die MEMS-Strukturen, insbesondere MEMS-Lautsprecherstrukturen gegenüber

mechanischen Einwirkungen zu schützen, ohne die Schallabgabe der MEMS- Lautsprecherstrukturen maßgeblich zu beeinträchtigen.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann das Abdeckungselement auf dem Substrat auflaminiert oder aufgeklebt sein. Dies ermöglicht eine kostengünstige und rasche Fertigung der MEMS-Chips.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann das Abdeckungselement mit der mikro- elektromechanischen Struktur einen Hohlraum innerhalb des Substrats ausbilden.

Dadurch kann beispielsweise ein Resonatorvolumen für die Abgabe oder Aufnahme von Schallsignalen gebildet werden.

Gemäß einer Ausführungsform des Chippackages kann ein Zwischensubstrat vorgesehen sein, auf dessen Oberfläche der mikro-elektromechanische Chip und der Steuerchip über Lötverbindungen aufgebracht sind. In einer alternativen Ausführungsform kann der Steuerchip in einem Umverpackungschip eingebettet sein, und der mikro- elektromechanische Chip über Lötverbindungen auf dem Umverpackungschip

aufgebracht sein. Vorzugsweise kann der Umverpackungschip mindestens einen Durchkontakt aufweisen, über den der mikro-elektromechanische Chip mit Lötverbindungen auf der dem mikro- elektromechanischen Chip abgewandten Oberfläche des Umverpackungschips angeordneten Lötverbindungen in elektrischem Kontakt steht. Dadurch wird die benötigte Chipfläche des Chippackages, der sogenannte Footprint, vorteilhafterweise auf die Abmaßungen des MEMS-Chips reduziert, da elektrische Verbindungen nicht außerhalb der Chipfläche an dem Umverpackungschip vorbeigeführt werden müssen. Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens kann das Vereinzeln ein Sägen des Wafers, ein Ansägen und ein Brechen des Wafers oder ein Laserschneiden des Wafers umfassen. Der Vorteil des Verfahrens besteht dabei darin, dass Verunreinigungen, die durch das Vereinzeln entstehen, wie beispielsweise Sägeschlamm oder Wafersplitter, durch die Abdeckungselemente an einem Eindringen in die MEMS-Strukturen abgehalten werden, so dass deren Funktionsfähigkeit und Integrität auch im Laufe des

Vereinzelungsprozesses erhalten bleibt.

Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens kann das Aufbringen einer

Abdeckungselementenschicht ein Aufkleben oder Auflaminieren der

Abdeckungselementenschicht auf dem Wafer umfassen. Dies ermöglicht eine

kostengünstige und rasche Verarbeitung des Wafers mit den MEMS-Chips.

Weitere Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Chippackages mit einem MEMS-Chip gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Chippackages mit einem MEMS-Chip gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines MEMS-Chips gemäß einer weiteren

Ausführungsform der Erfindung; Fig. 4 eine schematische Darstellung eines MEMS-Chips gemäß einer weiteren

Ausführungsform der Erfindung; und

Fig. 5 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zum Herstellen eines MEMS- Chips gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.

Die beschriebenen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, sofern sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Weitere mögliche Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmale der Erfindung.

Die beiliegenden Zeichnungen sollen ein weiteres Verständnis der Ausführungsformen der Erfindung vermitteln. Sie veranschaulichen Ausführungsformen und dienen im

Zusammenhang mit der Beschreibung der Erklärung von Prinzipien und Konzepten der Erfindung. Andere Ausführungsformen und viele der genannten Vorteile ergeben sich im Hinblick auf die Zeichnungen. Die Elemente der Zeichnungen sind nicht

notwendigerweise maßstabsgetreu zueinander gezeigt. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen dabei gleiche oder ähnlich wirkende Komponenten. In der Beschreibung verwendete Richtungsterminologie wie "oben", "unten", "links", "rechts", "vorne", "hinten" und dergleichen dient lediglich Verständniszwecken und der einfacheren Erläuterung von Elementen der Zeichungen. Diese Richtungsterminologie ist nicht in beschränkender Weise auszulegen.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Chippackages 10 mit einem Chip 1 , welcher einer mikro-elektromechanische Struktur aufweist, im Folgenden kurz MEMS- Chip. Das Chippackage 10 umfasst einen MEMS-Chip 1 , welcher beispielsweise eine mikro-elektromechanische Lautsprecherstruktur 1 b aufweisen kann. Die mikro- elektromechanische Lautsprecherstruktur 1 b kann dabei in einem Substrat 1 a ausgebildet sein. Das Substrat 1 a kann beispielsweise ein Siliziumsubstrat aufweisen. Die mikro- elektromechanische Lautsprecherstruktur 1 b kann beispielsweise ein Array an einzelnen mikro-elektromechanischen Lautsprecherelementen aufweisen. Auf dem MEMS-Chip 1 kann auf einer Oberfläche ein Abdeckungselement 3 aufgebracht sein.

Das Abdeckungselement 3 kann beispielsweise eine Folie, zum Beispiel aus

Polyethylenterephthalat (Mylar®, Hostaphan®), ein Metallgitter, ein Kunststoffgitter oder eine Filterschicht aufweisen. Das Abdeckungselement 3 kann beispielsweise akustisch transparent sein, das heißt, gegenüber der Ausbreitung von Schallwellen eine hohe Durchlässigkeit aufweisen. Gleichzeitig kann das Abdeckungselement 3 gegenüber Verunreinigungen wie Staub, Fluiden oder sonstigen Partikeln undurchlässig sein. Das Abdeckungselement 3 kann beispielsweise durch Kleben, Aufschmelzen, Laminieren oder einen ähnlichen Verbindungsprozess mit oder ohne Temperaturschritt auf dem MEMS- Chip 1 aufgebracht werden.

Das Chippackage 10 kann weiterhin einen Steuerchip 2, beispielsweise einen ASIC-Chip, einen FPGA-Chip oder CPLD-Chip aufweisen. Der Steuerchip 2 kann mit dem MEMS- Chip 1 gekoppelt sein und dazu ausgelegt sein, Ansteuersignal für den MEMS-Chip 1 zu erzeugen. Beispielsweise kann der Steuerchip 2 dazu ausgelegt sein, die mikro- elektromechanische Lautsprecherstruktur 1 b des MEMS-Chips 1 zum Erzeugen von Schallsignalen anzusteuern. Der Steuerchip 2 kann dabei einen Chipkörper 2a aufweisen, auf den auf einer Oberfläche eine integrierte Schaltung 2b aufgebracht ist. Der Steuerchip 2 und der MEMS-Chip 1 können beispielsweise jeweils in Flip-Chip-Anordnung auf einem Trägersubstrat 4 aufgebracht sein. Das Trägersubstrat 4 kann beispielsweise eine Zwischensubstratschicht, ein sogenannter Interposer sein. Der Steuerchip 2 und der MEMS-Chip 1 können über Löthügel oder Lötverbindungen 5a bzw. 5b jeweils auf dem Trägersubstrat 4 aufgebracht sein. Die Anzahl der Lötverbindungen 5a und 5b in Fig. 1 ist nur beispielhaft, jede andere Anzahl von Lötverbindungen ist dabei ebenso möglich.

Das Trägersubstrat 4 kann seinerseits über Löthügel oder Lötverbindungen 5c auf der dem MEMS-Chip 1 und dem Steuerchip 2 abgewandten Seite aufweisen, welche dazu ausgelegt sin, das Trägersubstrat 4 beispielsweise auf einer (nicht gezeigten) Leiterplatte aufzubringen. Die Anzahl der Lötverbindungen 5c in Fig. 1 ist nur beispielhaft, jede andere Anzahl von Lötverbindungen ist dabei ebenso möglich. Das Trägersubstrat 4 kann beispielsweise eine Öffnung, wie zum Beispiel eine Durchbohrung 4a aufweisen. Die Durchbohrung 4a kann beispielsweise unterhalb der Chipfläche des MEMS-Chips 1 ausgebildet sein, so dass der Hohlraum 4b unterhalb des MEMS-Chips 1 zwischen MEMS-Chip 1 und Trägersubstrat 4 mit der Außenwelt in Verbindung steht. Falls der

MEMS-Chip 1 eine mikro-elektromechanische Lautsprecherstruktur 1 b aufweist, kann die Durchbohrung 4a als akustischer Port nach unten dienen.

Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung eines weiteren Chippackages 20 mit einem MEMS-Chip 1 . Das Chippackage 20 unterscheidet sich von dem Chippackage 10 darin, dass der MEMS-Chip 1 und der Steuerchip 2 in gestapelter Anordnung übereinander angeordnet sind. Dazu kann der Steuerchip 2 in einer Ausnehmung eines

Umverpackungschips 6 ausgestaltet sein. Der Umverpackungschip 6 kann beispielsweise Moldmaterial oder Kunststoffmaterial aufweisen. Der Umverpackungschip 6 kann beispielsweise als rekonfigurierter Wafer dienen, in welchen der Steuerchip 2 eingebettet ist (mWLP, "molded wafer level package"). Der Steuerchip 2, welcher beispielsweise eine geringere Chipfläche als der MEMS-Chip 1 aufweist, kann dabei vollständig unterhalb der Chipfläche des MEMS-Chips 1 angeordnet sein, so dass der Umverpackungschip 6 die gleiche Chipfläche wie der MEMS-Chip 1 aufweist. Auf diese Weise kann das gesamte Chippackage 20 nicht mehr Fläche aufweisen wie der MEMS-Chip 1 selbst.

Der Umverpackungschip 6 kann beispielsweise Durchkontakte 6a aufweisen, über welche der MEMS-Chip 1 mit Lötverbindungen 5b im elektrischen Kontakt mit der Unterseite des Umverpackungschips 6 steht, beispielsweise mit Lötverbindungen 5c auf der Unterseite des Umverpackungschips 6. Der Steuerchip 2 kann derart in dem Umverpackungschip 6 eingebettet sein, dass die Oberfläche mit der integrierten Schaltung 2a zu dem MEMS- Chip 1 hin weist. Insbesondere können die Anschlüsse des Steuerchips 2 in einer Fan- Out-Struktur auf dem Umverdrahtungschip 6 angeordnet sein. Zwischen dem

Umverpackungschip 6 und dem MEMS-Chip 1 kann ein Hohlraum 6b angeordnet sein, welcher beispielsweise für MEMS-Chips 1 mit mikro-elektromechanischen

Lautsprecherstrukturen 1 b als Resonatorhohlruam dienen kann. Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung für ein Ausführungsbeispiel eines MEMS- Chips 1 '. Der MEMS-Chip 1 ' kann beispielsweise ein MEMS-Lautsprecherchip sein. Der MEMS-Chip 1 ' weist einen Chipkörper 1 1 auf, welcher einen von der Unterseite des MEMS-Chips 1 ' zugänglichen Hohlraum 17' ausbildet. In dem Hohlraum 17' können in MEMS-Strukturschichten 13 und 14 jeweils MEMS-Strukturelemente 16 ausgebildet sein. Die MEMS-Strukturelemente 16 können dabei beispielsweise Membranelemente einer mikro-elektromechanischen Lautsprecherstruktur 1 b sein, wie in Fig. 1 gezeigt. Zwischen den MEMS-Strukturelemente 16 kann beispielsweise eine Zwischenschicht 12 des Chipkörpermaterials ausgebildet sein. Der Chipkörper 1 1 kann beispielsweise Silizium aufweisen.

Der MEMS-Chip 1 ' weist weiterhin ein Abdeckungselement 3 auf, welches im

Zusammenhang mit Fig. 1 ausführlich beschrieben ist. Das Abdeckungselement 3 kann dabei auf der dem Hohlraum 17' abgewandten Oberfläche des MEMS-Chips 1 ' aufgebracht sein. Das Abdeckungselement 3 kann beispielsweise ein akustisches Fenster ausbilden, welches Verunreinigungen von den MEMS-Chip 1 ' und insbesondere den MEMS-Strukturelementen 16 abhält, aber gleichzeitig Schallsignale, welche mithilfe der MEMS-Strukturelemente 16 in dem MEMS-Chip 1 ' erzeugt werden, nach außen übertragen kann. Es kann dabei auch möglich sein, dass Abdeckungselemente 3 auf beiden Chipoberflächen des MEMS-Chips 1 ' angebracht werden.

Durch den Chipkörper 1 1 können beispielsweise Durchkontakte 15 ausgebildet werden, welche die aktiven Schichten 13 und 14 jeweils mit Lötverbindungen 5b auf der Unterseite des MEMS-Chips 1 1 verbindet, so dass der MEMS-Chip 1 1 auf einem Trägersubstrat aufgebracht und elektrisch kontaktiert werden kann.

Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung für ein weiteres Ausführungsbeispiel eines MEMS-Chips 1 ". Der MEMS-Chip 1 " in Fig. 4 unterscheidet sich von dem MEMS-Chip 1 ' in Fig. 3 dahingehend, dass das Abdeckungselement 3 auf der den MEMS- Strukturelementen 16 abgewandten Oberfläche des MEMS-Chips 1 " aufgebracht ist. Dadurch entsteht ein Hohlraum 17" im Inneren des Chipkörpers 1 1 , welcher gegenüber Verunreinigungen von außen geschützt ist. Der MEMS-Chip 1 " bietet den Vorteil, dass keine Durchkontakte notwendig sind, sondern die Lötverbindungen 5b direkt an die aktiven Schichten 14 und gegebenenfalls 13 angebunden werden können.

Der MEMS-Chip 1 " kann als MEMS-Chip 1 , wie in Fig. 3 dargestellt, unter Verwendung einer mechanischen Abstandhalterschicht auf einem Umverpackungschip 6 aufgebracht werden. Durch die Abstandhalterschicht kann beispielsweise für einen MEMS- Lautsprecherchip ein erforderliches Rückvolumen zwischen MEMS-Chip 1 " und

Umverpackungschip 6 bereitgestellt werden. Die Abstandshalterschicht kann

beispielsweise Silizium umfassen oder eine PCB-Schicht ("printed circuit board") sein. Das Rückvolumen kann beispielsweise über eine Ausnehmung und/oder

Durchgangslöcher in der Abstandhalterschicht realisiert werden.

Es kann dabei auch möglich sein, dass Abdeckungselemente 3 auf beiden

Chipoberflächen des MEMS-Chips 1 " angebracht werden.

Fig. 5 zeigt eine schematische Darstellung eines Verfahrens 30 zum Herstellen eines MEMS-Chips, insbesondere eines der MEMS-Chips 1 , 1 ' oder 1 " wie in den Fig. 1 bis 4 gezeigt. In einem ersten Schritt 31 erfolgt ein Bereitstellen einer Vielzahl von MEMS- Strukturen auf einem Wafer. In einem zweiten Schritt 32 erfolgt ein Aufbringen einer Abdeckungselementenschicht auf der Vielzahl von MEMS-Strukturen auf dem Wafer. Dies kann beispielsweise über ein Auflaminieren oder Aufkleben eines akustisch transparenten Abdeckungselements 3 wie im Zusammenhang mit Fig. 1 beschrieben erfolgen. Die Abdeckungselementenschicht kann eine durchgängige Schicht aus dem die Abdeckungselemente 3 konstituierenden Material sein. Es kann alternativ auch möglich sein, die Abdeckungselemente 3 einzeln auf die Vielzahl von MEMS-Strukturen auf dem Wafer aufzubringen.

In einem dritten Schritt 33 erfolgt ein Vereinzeln der MEMS-Strukturen zum Herstellen von MEMS-Chips mit MEMS-Strukturen, welche über ein Abdeckungselement auf einer Oberfläche des MEMS-Chips abgedeckt sind. Das Vereinzeln kann beispielsweise ein Sägen des Wafers, ein Ansägen und ein Brechen des Wafers oder ein Laserschneiden des Wafers umfassen. Für das Laserschneiden kann beispielsweise über

Lasereinwirkung eine oder mehrere Sollbruchstellen in dem Wafer erzeugt werden, an denen der Wafer dann gebrochen werden kann. Das Verfahren 30 weist zum einen den Vorteil auf, dass die Abdeckungselemente der MEMS-Chips in einem einzelnen Fertigungsschritt auf einem Wafer aufgebracht werden können, und nicht einzeln auf MEMS-Chips aufgebracht werden müssen. Zum anderen schützen die Abdeckungselemente die MEMS-Strukturen vor in Schritt 33 anfallenden Verunreinigungen wie Sägeschlamm, Wafersplittern, Kühlflüssigkeiten oder ähnlichen Materialien, welche die Funktionsfähigkeit und Integrität der MEMS-Strukturen beeinträchtigen könnten.