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Die Erfindung betrifft ein MEMS-Chippackage und ein Verfahren zum Herstellen eines MEMS-Chippackages.
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Stand der Technik
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Chips mit mikro-elektromechanischen Strukturen (MEMS-Chips) werden üblicherweise zusammen mit Steuerchips in einem gemeinsamen Chippackage verbaut. Insbesondere bei MEMS-Chips mit akustischen Bauelementen, wie beispielsweise Mikrofonen oder Lautsprechern, sind auf geringem Bauraum akustische Gegebenheiten zu berücksichtigen. Dazu sind entsprechende Front- und Rückvolumina, Zugänge zur akustisch aktiven Membran sowie gegebenenfalls akustisch transparente Chipkomponenten vorzusehen.
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Eine besondere Herausforderung bei der Herstellung von MEMS-Chips mit mikro-elektromechanischen Lautsprecherelementen (MEMS-Lautsprecher) besteht in der Größe bzw. Chipfläche derartiger MEMS-Chips.
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Die Druckschrift
DE 10 2009 042 191 A1 offenbart ein Wafer-Level-gekapseltes Chippackage mit einem MEMS-Bauelement und einem ASIC-Chip.
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Die Druckschrift
US 7,550,828 B2 offenbart ein Halbleiterpackage mit einem MEMS-Mikrofonchip und einem Steuerchip auf einem Halbleitersubstrat.
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Es besteht ein Bedarf an Verpackungen für MEMS-Chips mit akustisch aktiven Bauelementen und deren Steuerchips, welche zum einen die akustischen Randbedingungen berücksichtigt, zum anderen aber genügend mechanischen Schutz für die Bauelemente und die Chips auf geringem Bauraum bei kostengünstiger Fertigung bereitstellen kann.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung schafft gemäß einem Aspekt ein MEMS-Chippackage, mit einem ersten Chip mit einer ersten Chipoberfläche und einer der ersten Chipoberfläche gegenüberliegenden zweiten Chipoberfläche, einem zweiten Chip mit einer ersten Chipoberfläche und einer der ersten Chipoberfläche gegenüberliegenden zweiten Chipoberfläche, einem ersten Koppelelement, welches die erste Chipoberfläche des zweiten Chips mit der ersten Chipoberfläche des ersten Chips koppelt, so dass ein erster Hohlraum zwischen dem ersten Chip und dem zweiten Chip ausgebildet ist, und einer auf der zweiten Chipoberfläche des zweiten Chips aufgebrachten ersten Umverdrahtungsschicht, welche dazu ausgelegt ist, eine Kontaktierung zu einem Substrat bereitzustellen. Dabei weist einer der beiden Chips mindestens ein an der ersten Chipoberfläche ausgebildetes mikro-elektromechanisches Strukturelement, und ein zwischen der ersten und der zweiten Chipoberfläche ausgebildetes Rahmenelement, welches das mikro-elektromechanische Strukturelement einschließt, auf. Der jeweils andere Chip weist eine Vergussmassenschicht, eine in der Vergussmassenschicht eingebettete Steuerschaltung, welcher dazu ausgelegt ist, das mindestens eine mikro-elektromechanische Strukturelement anzusteuern, und eine auf der ersten Chipoberfläche aufgebrachte dritte Umverdrahtungsschicht auf.
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Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines MEMS-Chippackages, mit dem Schritt des Koppelns eines ersten Chips, welcher eine ersten Chipoberfläche und eine der ersten Chipoberfläche gegenüberliegende zweite Chipoberfläche aufweist, mit einem zweiten Chip, welcher eine erste Chipoberfläche, und eine der ersten Chipoberfläche gegenüberliegende zweite Chipoberfläche aufweist, über ein Koppelelement, welches die erste Chipoberfläche des zweiten Chips mit der ersten Chipoberfläche des ersten Chips koppelt, so dass ein erster Hohlraum zwischen dem ersten Chip und dem zweiten Chip ausgebildet wird, wobei ein Chip aus der Gruppe des ersten und zweiten Chips aufweist: mindestens ein an der ersten Chipoberfläche ausgebildetes mikro-elektromechanisches Strukturelement, und ein zwischen der ersten und der zweiten Chipoberfläche ausgebildetes Rahmenelement, welches das mikro-elektromechanische Strukturelement einschließt, und wobei der jeweils andere Chip aus der Gruppe des ersten und zweiten Chips aufweist: eine Vergussmassenschicht, eine in der Vergussmassenschicht eingebettete Steuerschaltung, welcher dazu ausgelegt ist, das mindestens eine mikro-elektromechanische Strukturelement anzusteuern, und eine auf der ersten Chipoberfläche aufgebrachte dritte Umverdrahtungsschicht.
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Vorteile der Erfindung
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Eine Idee der vorliegenden Erfindung ist es, ein Chippackage bereitzustellen, bei dem ein Verbundstapel aus einem MEMS-Chip und einem umverpackten Steuerchip auf einem Substrat aufgebracht ist. Die elektrischen Verbindungen zwischen den beiden Chips und dem Substrat werden dabei über Durchkontakte in einem der beiden Chips und metallisierten Umverdrahtungsschichten auf den Chipoberflächen gebildet. Weiterhin sind die beiden Chips durch ein Koppelelement derart gekoppelt, dass ein Hohlraum zwischen den beiden Chips entsteht. Dieser Hohlraum bildet für ein akustisch aktives MEMS-Strukturelement in einem der beiden Chips ein akustisches Front- oder Rückvolumen aus.
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Durch die Verbundstapelung des Chippackages reduziert sich in vorteilhafter Weise die benötigte Grundfläche des Chippackages gegenüber herkömmlichen Side-by-side-Aufbauten.
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Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Fertigung der MEMS-Strukturelemente in den Chips von der elektrischen Kopplung des MEMS-Chips mit dem Steuerchip und/oder dem Substrat unabhängig erfolgen kann. Dadurch kann die Verarbeitung der fragilen MEMS-Strukturelemente einfacher und an die MEMS-Fertigung angepasst erfolgen.
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Die Verkappung von Bauelementen der Chips kann bereits auf Chipebene erfolgen, so dass keine weiteren aufwändigen und platzintensiven Verkappungsschritte nach dem Aufbringen der Chips auf dem Substrat mehr nötig sind.
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Bereits bei der Fertigung der einzelnen Chips kann Material eingespart werden, da aufgrund der auf Chipebene fertig fabrizierten Chips kein Sicherheitsabstand zum Rand oder eine Platzreserve zum Anbringen weiterer Verkappungskomponenten mehr notwendig ist.
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Die meisten Chipfertigungsprozesse, insbesondere die Anbringung der Abdeckungsschicht, können vorteilhafterweise in Batch-Prozessen erfolgen, was Zeit und Kosten in der Herstellung spart.
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Die Verbundebenen sind zudem substratfrei ausgeführt und zumeist frei von zusätzlichen Vergussmassenüberzügen, wodurch sich thermomechanischer Stress nicht oder nahezu nicht auf die Chips auswirken kann.
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Gemäß einer Ausführungsform kann der Chip mit dem mikro-elektromechanischen Strukturelement weiterhin eine an der zweiten Chipoberfläche auf dem Rahmenelement aufgebrachte erste Abdeckungsschicht aufweisen, wobei zwischen der ersten Abdeckungsschicht und dem mindestens einen mikro-elektromechanischen Strukturelement mindestens ein zweiter Hohlraum ausgebildet ist.
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Gemäß einer Ausführungsform kann der Chip mit dem mikro-elektromechanischen Strukturelement weiterhin eine an der ersten Chipoberfläche ausgebildete zweite Umverdrahtungsschicht aufweisen.
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Gemäß einer Ausführungsform kann der zweite Chip mindestens einen zwischen der ersten und der zweiten Chipoberfläche verlaufenden elektrischen Durchkontakt aufweisen.
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Gemäß einer Ausführungsform können die erste Chipoberfläche des zweiten Chips und die erste Chipoberfläche des ersten Chips eine im Wesentlichen deckungsgleiche Fläche aufweisen. Dies bietet den Vorteil, dass die Baugrößenkopplung beim Stapeln des ersten und zweiten Chips reduziert wird. Zudem müssen keine zusätzlichen Abstandhalter oder Spacer montiert werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann das erste Koppelelement ein Element aus der Gruppe eines Underfillmaterials, eines Versiegelungsrings aus Lotmaterial, FC-Kontakte, wie beispielsweise Kupfersäulen oder Gold-Studbumps, oder Kombinationen daraus aufweisen. Dies bietet den Vorteil, dass der Hohlraum zwischen dem ersten und zweiten Chip bereits bei der Stapelung der Chips einfach, kostengünstig und mit vordefinierten Hohlraumeigenschaften ausgebildet werden kann.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann das mindestens eine mikro-elektromechanische Strukturelement ein mikro-elektromechanisches Lautsprecherelement oder ein mikro-elektromechanisches Mikrofonelement aufweisen. Besonders für akustisch aktive Bauelemente wie MEMS-Lautsprecher, MEMS-Lautsprecherarrays oder MEMS-Mikrofone bietet sich die erfindungsgemäße Chippackage-Topologie an, da entsprechende akustische Hohlräume und Zugänge einfach, kostengünstig, platzsparend und flexibel im Chippackage bereitgestellt werden können.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die erste Abdeckungsschicht akustisch transparent sein, das heißt, gegenüber Schallwellen im Wesentlichen durchlässig.
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Dadurch kann in vorteilhafter Weise ein Hohlraum geschaffen werden, welcher einerseits über einen akustischen Kanal zur Außenwelt verfügt, andererseits aber vor störenden Umwelteinflüssen wie Partikeleintrag, mechanischer Beanspruchung oder dergleichen geschützt ist. Dies ist besonders bei akustisch aktiven MEMS-Elementen wie Membranen oder beweglichen MEMS-Komponenten von Vorteil.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die erste Abdeckungsschicht mit dem mindestens einen mikro-elektromechanischen Strukturelement gekoppelt sein, und eine Vielzahl von zweiten Hohlräumen ausbilden. Dadurch können akustische Einzelvolumina geschaffen werden, welche insbesondere für MEMS-Lautsprecherarrays Vorteile hinsichtlich Klangqualität und Ansteuerung bieten können.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann eine zweite Abdeckungsschicht vorgesehen sein, welche auf der ersten Abdeckungsschicht angeordnet ist. Diese kann beispielsweise gemäß einer bevorzugten Ausführungsform akustisch nicht transparent sein, und zudem mindestens ein Durchgangsloch aufweisen. Dadurch ist es möglich, eine formstabile zweite Abdeckungsschicht zu wählen, welche den MEMS-Chip noch besser vor mechanischen Einflüssen von außen schützen kann.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann eine dritte Abdeckungsschicht vorgesehen sein, welche auf der zweiten Chipoberfläche des Chips mit der Steuerschaltung oder auf einer Oberfläche des Substrats angeordnet ist. Dabei können gemäß einer bevorzugten Ausführungsform das Substrat im Bereich des zweiten Chips eine Aussparung, und der zweite Chip mindestens ein Durchgangsloch aufweisen. Dadurch ist in vorteilhafter Weise ein akustischer Zugang von der Rückseite des MEMS-Chips durch das Substrat möglich.
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Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens kann ein Koppeln einer auf der zweiten Chipoberfläche des zweiten Chips aufgebrachten ersten Umverdrahtungsschicht mit einem Substrat erfolgen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens kann der Chip mit dem mikro-elektromechanischen Strukturelement weiterhin eine an der zweiten Chipoberfläche auf dem Rahmenelement aufgebrachte erste Abdeckungsschicht aufweisen, wobei zwischen der ersten Abdeckungsschicht und dem mindestens einen mikro-elektromechanischen Strukturelement mindestens ein zweiter Hohlraum ausgebildet ist.
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Weitere Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines MEMS-Chips und eines Steuerchips gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
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2 eine schematische Darstellung eines MEMS-Chippackages gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
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3 eine schematische Darstellung eines MEMS-Chippackages gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
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4 eine schematische Darstellung eines MEMS-Chippackages gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
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5 eine schematische Darstellung eines MEMS-Chippackages gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
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6 eine schematische Darstellung eines MEMS-Chippackages gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
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7 eine schematische Darstellung eines MEMS-Chippackages gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
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8 eine schematische Darstellung eines MEMS-Chippackages gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
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9 eine schematische Darstellung eines MEMS-Chippackages gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
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10 eine schematische Darstellung eines MEMS-Chippackages gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
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11 eine schematische Darstellung eines MEMS-Chippackages gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
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12 eine schematische Darstellung eines MEMS-Chippackages gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
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13 eine schematische Darstellung eines MEMS-Chippackages gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
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14 eine schematische Darstellung eines MEMS-Chippackages gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
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15 eine schematische Darstellung eines MEMS-Chippackages gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
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16 eine schematische Darstellung eines MEMS-Chippackages gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
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17 eine schematische Darstellung eines MEMS-Chippackages gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
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18 eine schematische Darstellung eines MEMS-Chippackages gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung; und
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19 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zum Herstellen eines MEMS-Chippackages gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Chips 1 mit mikro-elektromechanischen Stukturelementen (MEMS-Chip) sowie einer Steuerchipkomponente 2. Der MEMS-Chip 1 weist dabei ein oder mehrere mikro-elektromechanische Strukturelemente 8 (MEMS-Elemente) auf. Die MEMS-Elemente 8 können beispielsweise mikro-elektromechanische Lautsprecherelemente, mikro-elektromechanische Mikrofonelement oder sonstige mikro-elektromechanisch gefertigte Komponenten aufweisen. Beispielsweise können die MEMS-Elemente 8 in einem zweidimensionalen Gitter ausgebildet sein, um ein MEMS-Lautsprecherarray aus einzelnen Pixeln zu realisieren.
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Die MEMS-Elemente 8 können dabei von einem Rahmenelement 9 umschlossen sein, welches beispielsweise ein Vergussmassenmaterial bzw. Moldmaterial aufweisen kann. Dabei können die MEMS-Chips 1 in einem sogenannten „Molded Wafer Level Packaging“, das heißt, einem Fertigungsprozess zum Umverpacken von Chips auf Waferebene gefertigt werden. Dabei werden die MEMS-Elemente 8 auf einem Opferträger aufgebracht, mit Vergussmasse umgossen, ausgehärtet und als Vergusswafer von dem Opferträger entfernt. Danach kann der so entstandene Vergussmassenwafer, der sogenannte „Reconfigured Wafer“ weiterverarbeitet und insbesondere in Vereinzelungsprozessen zu entsprechenden Chips, wie beispielsweise dem MEMS-Chip 1 vereinzelt werden.
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Der MEMS-Chip 1 weist eine erste Chipoberfläche auf, in 1 nach oben gewandt dargestellt, an welcher die MEMS-Elemente 8 angeordnet sind. Die erste Chipoberfläche kann beispielsweise eine Umverdrahtungsschicht oder Metallisierungsschicht 10 aufweisen, welche dazu ausgelegt ist, elektrische Kontakte zu den MEMS-Elementen 8 auszubilden. Auf einer zweiten, der ersten Chipoberfläche gegenüberliegende angeordneten Chipoberfläche kann der MEMS-Chip 1 offen sein, das heißt, die MEMS-Elemente 8 sind gegenüber einem Zugang von außen freiliegend.
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Die Steuerchipkomponente 2 kann ein umverpackter Chip sein, das heißt, ein Chip 2 aus einem Vergussmassen- bzw. Moldmaterial 3, welcher in einem „Molded Wafer Level Packaging“-Prozess gefertigt worden sein kann. Eine Steuerschaltung 4 kann dazu in einer Vergussmassenschicht 3 eingebettet sein, beispielsweise in einem Mittelbereich der Vergussmassenschicht 3. Die Vergussmassenschicht 3 kann dabei im Wesentlichen die gleiche Dicke wie die Steuerschaltung 4 aufweisen, so dass die Vergussmassenschicht 3 zusammen mit der Steuerschaltung 4 einheitliche Chipoberflächen aufweist. Auf einer ersten Chipoberfläche, in 1 unten dargestellt, kann eine erste Umverdrahtungsschicht bzw. Metallisierungsschicht 6a aufgebracht sein. Auf einer zweiten, der ersten Chipoberfläche gegenüberliegenden Chipoberfläche kann eine zweite Umverdrahtungsschicht bzw. Metallisierungsschicht 6b vorgesehen sein. Auf der zweiten Chipoberfläche können zudem Kontaktpads 7b ausgebildet sein, welche zur elektrischen Kontaktierung der Steuerchipkomponente 2 mit einem darunter liegenden Substrat dienen können.
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Die Steuerschaltung 4 kann ihrerseits in einem Steuerchip integriert sein, welcher beispielsweise einen oder mehrere Durchkontakte 5 aufweist, welche die erste Metallisierungsschicht 6a auf der ersten Chipoberfläche mit der zweiten Metallisierungsschicht 6b auf der zweiten Chipoberfläche elektrisch verbinden kann.
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2 zeigt eine schematische Darstellung eines MEMS-Chippackages 100. Zur Herstellung des MEMS-Chippackages 100 ist ein MEMS-Chip 1 mit einer ersten Chipoberfläche über mindestens ein Koppelelement 13 mit der ersten Chipoberfläche einer Steuerchipkomponente 2 gekoppelt. Das Koppelelement 13 kann beispielsweise Underfillmaterial sein, welches um Lötkontakte 14 zwischen der Umverdrahtungsschicht 10 des MEMS-Chips 1 und der Umverdrahtungsschicht 6a der Steuerchipkomponente 2 angeordnet ist. Das Koppelelement 13 ist dabei derart angeordnet, dass zwischen dem MEMS-Chip 1 und der Steuerchipkomponente 2 ein Hohlraum 12b ausgebildet wird. Das Underfillmaterial kann beispielsweise ein Epoxidkleber sein. Die Lötkontakte 14 können beispielsweise Lotperlen, Lothügel, Studbumps oder sogenannte Copper Pillars, zylinderfömige Kupfersäulen mit Kappen aus Lotmaterial, sein. Das Koppelelement kann ebenfalls FC-Kontakte, wie beispielsweise Kupfersäulen oder Gold-Studbumps, aufweisen.
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Auf der der Steuerchipkomponente 2 abgewandten Chipoberfläche des MEMS-Chips 1 kann eine Abdeckungsschicht 11 angeordnet sein, welche mit dem Rahmenelement 9 verbunden ist, und welche einen Hohlraum 12a zwischen den MEMS-Elementen 8 und der Abdeckungsschicht 11 schafft. Der Hohlraum 12a kann insbesondere für MEMS-Lautsprecherelemente 8 geeignet sein, um einen akustisch aktiven Hohlraum 12a zu schaffen. Die Abdeckungsschicht 11 kann akustisch transparent sein, das heißt, gegenüber Schallwellenausbreitung durchlässig oder im Wesentlichen durchlässig zu sein. Die Abdeckungsschicht 11 kann beispielsweise eine Folie, zum Beispiel aus Mylar(R) oder Hostaphan(R), ein feines Metallgitter, ein Kunststoffgitter, eine Filterschicht oder eine ähnliche Schicht aufweisen. Die Abdeckungsschicht 11 kann beispielsweise in einem Batch-Prozess auf den MEMS-Chips 11 auflaminiert, aufgeklebt oder aufgeschmolzen werden.
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Wie in 3 schematisch dargestellt, kann das MEMS-Chippackage 100 aus 2 auf einem Substrat 15 aufgebracht werden. Dazu kann die dem MEMS-Chip 1 abgewandte Chipoberfläche der Steuerchipkomponente 2, beispielsweise an den Kontaktpads 7b mit Lötkontakten 16, wie beispielsweise Lotperlen, Löthügeln, Studbumps oder Copper Pillars versehen werden, um die Umverdrahtungsschicht 6b der Steuerchipkomponente 2 mit einer (nicht gezeigten) Metallisierung des Substrats 15 elektrisch zu koppeln. Das Substrat 15 kann dabei beispielsweise eine PCB-Leiterplatte, ein LGA-Substrat, ein BGA-Substrat, ein PGA-Substrat oder eine ähnliche Trägerschicht umfassen.
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Der MEMS-Chip 1, die Steuerchipkomponente 2 sowie das Substrat 15 können dabei ein MEMS-Chippackage 200 bilden, welches die lateralen Dimensionen eines der Chips 1 bzw. 2 aufweist. Dazu kann es vorteilhaft sein, den MEMS-Chip 1 und die Steuerchipkomponente 2 in der Chipfläche ähnlich zu gestalten, das heißt, dass die Flächen der Chipoberflächen der jeweiligen Chips 1 bzw. 2 gleich bzw. im Wesentlichen gleich sind. Dadurch kann ein Chipscalepackage (CSP) geschaffen werden, welches geringen lateralen Bauraum benötigt, und bei welchem die Baugrößenkopplung zwischen MEMS-Chip 1 und Steuerchipkomponente 2 aufgrund der Vergrößerung der Chipfläche der Steuerchipkomponente 2 durch die Vergussmassenschicht 3 vereinfacht ist. Durch die Abdeckungsschicht 11 ist eine zusätzliche Verkappung des MEMS-Chippackages 200 nicht notwendig, insbesondere deswegen nicht, da der Hohlraum 12b bereits durch die beiden Chips 1 und 2 selbst sowie das Koppelelement 14 akustisch versiegelt ist.
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In den 4 bis 16 sind schematische Darstellung von möglichen Ausführungsbeispielen für MEMS-Chippackages 300, 400, 500, 600, 700, 800, 900, 1000, 1100, 1200, 1300, 1400 und 1500 gezeigt, deren Ausführungsvarianten und spezielle Ausgestaltungsmerkmale mit jedem der anderen Chippackages kombiniert bzw. modifiziert werden können. Den dort gezeigten MEMS-Chippackages ist gemein, dass der MEMS-Chip 1 mit der Steuerchipkomponente 2 Chipoberfläche an Chipoberfläche gekoppelt ist, und dass die Steuerchipkomponente 2 über Lötkontakte 16 mit einem Substrat 15 gekoppelt ist, wie in 3 schematisch dargestellt und weiter oben erläutert. Im Folgenden werden daher jeweils nur die abweichenden Ausgestaltungsmerkmale der Chippackages erläutert.
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Zur Erhöhung der Verbundstabilität können in dem MEMS-Chippackage 300 beispielsweise die MEMS-Elemente 8 über Vergussmaterialvorsprünge 9a teilweise umschlossen werden.
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Bei flächigem Abschluss des Rahmenelements 9 mit den MEMS-Elementen 8 an der Chipoberfläche kann es in dem MEMS-Chippackage 400 möglich sein, die Abdeckungsschicht 11 derart anzuordnen, dass sie mit den MEMS-Elementen 8 bzw. mit Teilen der MEMS-Elemente 8 in Verbindung steht. Dadurch können zwischen einzelnen MEMS-Elementen 8, beispielweise MEMS-Lautsprecherpixeln eines MEMS-Lautsprecherarrays einzelne Hohlräume 12c auszubilden. Wenn die Abdeckungsschicht 11 akustisch transparent ist, kann dies zur Verbesserung der Ansteuerung bzw. der Klangqualität des MEMS-Lautsprecherarrays beitragen.
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Es ist in dem MEMS-Chippackage 500 ferner möglich, die Durchkontakte 5 nicht in dem Steuerchip 4 anzuordnen, sondern die Durchkontakte in der Vergussmassenschicht 3 auszugestalten.
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Für das MEMS-Chippackage 600 sind als Koppelelemente statt dem Underfillmaterial 14 Versiegelungsringe 17, beispielsweise aus Lotmaterial, verwendet. Dadurch kann ein akustisch dichter und um die Fläche der MEMS-Elemente 8 umlaufender Abschluss des Hohlraums 12b realisiert werden. Vorteilhaft kann dabei sein, dass die Versiegelungsringe 17 aufgrund der Benetzungseigenschaften weniger zu einem Verfließen neigen. Dadurch können die akustischen Eigenschaften des Hohlraums 12b besser eingestellt werden. Die Versiegelungsringe 17 können dabei beispielsweise außerhalb der Lötkontakte 14 angebracht werden.
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In dem MEMS-Chippackage 700 ist das Rahmenelement 8a und die MEMS-Elemente 8 einstückig gefertigt, beispielsweise aus einem mikromechanisch strukturierten Halbleitermaterial, wie zum Beispiel Silizium. Dies kann Vorteile in der Fertigung mit sich bringen, da thermomechanische Spannungen an der Grenze zwischen Vergussmasse und MEMS-Elementen 8 nicht mehr auftreten können.
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In den MEMS-Chippackages 800 bis 1100 der 9 bis 12 sind jeweils weitere Abdeckungsschichten 9b auf der der Steuerchipkomponente 2 abgewandten Chipoberfläche aufgebracht. Die weiteren Abdeckungsschichten 9b können beispielsweise aus dem gleichen Vergussmassenmaterial wie das Rahmenelement 9 oder aus Kunststoff gefertigt werden. Die Abdeckungsschicht 9b kann dabei einen mechanisch formstabilen Deckel ausbilden, welcher über ein oder mehrere Durchgangslöcher 18a verfügen kann. Die Durchgangslöcher 18a können dabei einen akustischen Zugang bzw. Kanal zu dem darunter liegenden Hohlraum 12a bzw. den darunter liegenden Hohlräumen 12c bereitstellen kann. Die zweite Abdeckungsschicht 9b kann dabei auf oder unter der ersten Abdeckungsschicht 11 angeordnet sein, und auf der ersten Abdeckungsschicht 11 oder dem Rahmenelement 9 aufgeklebt, auflaminiert, aufgeschmolzen oder aufgeschweißt sein. Die erste Abdeckungsschicht 11 kann dabei ihrerseits als Haftschicht oder zum Toleranzausgleich dienen.
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Bei den MEMS-Chippackages 1200 bis 1500 in den 13 bis 16 kann es vorgesehen sein, dass Vergussmassenschicht 3 der Steuerchipkomponente 2 über ein oder mehrere Durchgangslöcher 18b verfügt, über die ein akustischer Zugang zu dem Hohlraum 12b geschaffen werden kann. Dies kann beispielsweise vorteilhaft sein, wenn eine Abdeckungsschicht 9c auf der der Steuerchipkomponente 3 abgewandten Chipoberfläche akustisch dicht ist, das heißt, gegenüber Schallwellen undurchlässig bzw. im Wesentlichen undurchlässig ist. Die Abdeckungsschicht 9c kann dabei ein vollflächiger Deckel, beispielsweise aus Vergussmasse oder Kunststoff sein. Dadurch kann der Hohlraum 12a bzw. die Hohlräume 12c akustisch dicht versiegelt sein.
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Die Vergussmassenschicht 3 kann dabei einzelne Vergussmassenschichtkomponenten 3a aufweisen, zwischen denen akustische Zugänge 18b zu dem Hohlraum 12b existieren. Zugleich kann das Substrat 15 eine Öffnung aufweisen, über die die akustischen Zugänge 18b mit der Außenwelt verbunden sein können. Es kann beispielsweise in dem MEMS-Chippackage 1300 vorgesehen sein, eine dritte Abdeckungsschicht 19 vorzusehen, welche auf der dem MEMS-Chip 1 abgewandten Chipoberfläche der Steuerchipkomponente 2 als akustisches Fenster angebracht ist. Alternativ kann es in dem MEMS-Chippackage 1400 möglich sein, die dritte Abdeckungsschicht 19 an der Unterseite des Substrats 15 anzubringen, und den durch das Substrat 15, die Steuerchipkomponente 2 und die Unterseite des MEMS-Chips 1 definierten Hohlraum 12b über Versiegelungsringe 17 zwischen der Steuerchipkomponente 2 und dem Substrat 15 akustisch zu versiegeln. Die Versiegelungsringe 17 des MEMS-Chippackages 1400 können dabei den weiter oben im Zusammenhang mit dem MEMS-Chippackage 600 erläuterten Versiegelungsringen 17 entsprechen.
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Für MEMS-Lautsprecherelemente eines MEMS-Lautsprecherarrays 8, wie mit Bezug auf das MEMS-Chippackage 1500 gezeigt, kann es vorteilhaft sein, den akustische dichten Deckel 9c direkt in Verbindung mit den MEMS-Elementen 8 aufzubringen, so dass Einzelhohlräume 12c entstehen.
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17 zeigt eine schematische Darstellung eines MEMS-Chippackages 1600. Das MEMS-Chippackage 1600 in 17 unterscheidet sich von den übrigen MEMS-Chippackages in den 1 bis 16 im Wesentlichen darin, dass statt der Steuerchipkomponente 2 der MEMS-Chip 1 mit dem Substrat 15 über Lötkontakte 16 gekoppelt ist. Daher weist die Steuerchipkomponente 3 keine Durchkontakte 5 mehr auf. Stattdessen sind in dem Rahmenelement 9 Durchkontakte 5a durch den MEMS-Chip 1 gebildet, welche einen elektrischen Kontakt der Metallisierungsschicht 6a der Steuerchipkomponente 2 bereitstellen. Das Substrat 15 weist eine Öffnung auf, welche einen akustischen Zugang zu der Abdeckungsschicht 11 bereitstellt, welche im Falle von MEMS-Lautsprecherelementen 8 beispielsweise akustisch transparent sein kann.
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18 zeigt eine schematische Darstellung eines MEMS-Chippackages 1700. Das MEMS-Chippackage 1700 in 18 unterscheidet sich von den übrigen MEMS-Chippackages in den 1 bis 16 im Wesentlichen darin, dass das MEMS-Element 8 ein einzelnes MEMS-Mikrofonelement 8b ist, welche über ein Durchgangsloch in einer Abdeckungsschicht 9b mit der Außenwelt in akustischer Verbindung steht. Der Steuerchip 4a in der Steuerchipkomponente 2a ist dabei dazu ausgelegt, das MEMS-Mikrofonelement 8b entsprechend anzusteuern. Es sollte dabei klar sein, dass die im Zusammenhang mit den 1 bis 17 erläuterten Ausführungsvarianten und Ausgestaltungsbeispiele gleichermaßen auch für das MEMS-Chippackage 1700 in 18 verwendete werden können.
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19 zeigt eine schematische Darstellung eines Verfahrens 1800 zum Herstellen eines MEMS-Chippackages, insbesondere eines der MEMS-Chippackages 100, 200, 300, 400, 500, 600, 700, 800, 900, 1000, 1100, 1200, 1300, 1400, 1500, 1600 oder 1700. Das Verfahren 1800 umfasst als ersten Schritt 21 ein Koppeln eines ersten Chips, welcher eine ersten Chipoberfläche und eine der ersten Chipoberfläche gegenüberliegende zweite Chipoberfläche aufweist, mit einem zweiten Chip, welcher eine erste Chipoberfläche, eine der ersten Chipoberfläche gegenüberliegende zweite Chipoberfläche und mindestens einen zwischen der ersten und der zweiten Chipoberfläche verlaufenden elektrischen Durchkontakt aufweist, über ein Koppelelement, welches die erste Chipoberfläche des zweiten Chips mit der ersten Chipoberfläche des ersten Chips koppelt, so dass ein erster Hohlraum zwischen dem ersten Chip und dem zweiten Chip ausgebildet wird. In einem zweiten Schritt 22 erfolgt ein Koppeln einer auf der zweiten Chipoberfläche des zweiten Chips aufgebrachten ersten Umverdrahtungsschicht mit einem Substrat. Dabei weist ein Chip aus der Gruppe des ersten und zweiten Chips mindestens ein an der ersten Chipoberfläche ausgebildetes mikro-elektromechanisches Strukturelement, eine an der ersten Chipoberfläche ausgebildete zweite Umverdrahtungsschicht, ein zwischen der ersten und der zweiten Chipoberfläche ausgebildetes Rahmenelement, welches das mikro-elektromechanische Strukturelement einschließt, und eine an der zweiten Chipoberfläche auf dem Rahmenelement aufgebrachte erste Abdeckungsschicht auf, wobei zwischen der ersten Abdeckungsschicht und dem mindestens einen mikro-elektromechanischen Strukturelement mindestens ein zweiter Hohlraum ausgebildet ist. Der jeweils andere Chip aus der Gruppe des ersten und zweiten Chips weist dabei eine Vergussmassenschicht, eine in der Vergussmassenschicht eingebettete Steuerschaltung, welcher dazu ausgelegt ist, das mindestens eine mikro-elektromechanische Strukturelement anzusteuern, und eine auf der ersten Chipoberfläche aufgebrachte dritte Umverdrahtungsschicht auf.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009042191 A1 [0004]
- US 7550828 B2 [0005]