MEMS-MIKROFON MIT OBEN ANGEORDNETER SCHALLÖFFNUNG UND VERRINGERTEN MECHANISCHEN BELASTUNGEN UND VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft MEMS-Mikrofone, bei denen elektrische Verbindungen weniger stark mechanischen Belastungen ausgesetzt sind.

[0002] MEMS-Mikrofone (MEMS = Micro-Electro-Mechanical System) haben mikrostrukturierte Funktionselemente, die in oder an der Oberfläche eines Chips gebildet sein können. Die Funktionselemente können z. B. eine flexible Membran und eine starre Rückplatte umfassen. Eine oder mehrere flexible Membranen bilden eine Elektrode eines Kondensators. Eine oder mehrere steifere Rückplatten bilden die Gegenelektrode. Treffen Schallwellen auf einen solchen Chip, schwingt die Membran und die Kapazität des Kondensators ändert sich fortlaufend aufgrund des unterschiedlichen Abstands der Kondensatorelektroden. Eine Auswertschaltung erstellt aus der zeitlichen Variation der Kapazität ein elektrisches Signal, das dem empfangenen akustischen Signal entspricht.

[0003] Damit ein MEMS-Mikrofon gute akustische Eigenschaften hat, sollen die zu empfangenden akustischen Signale die Funktionselemente nur aus einer Seite treffen. In Richtung der akustischen Signalausbreitung gesehen hinter den Funktionselementen sollte deshalb ein Rückvolumen liegen, das akustisch von der Umgebung des Mikrofons isoliert ist.

[0004] Neben dem MEMS-Chips umfassen MEMS-Mikrofone im Allgemeinen weitere Elemente, z. B. einen Träger und eine Abdeckung. Träger, Abdeckung und MEMS-Chip müssen mechanisch verbunden sein. Der MEMS-Chip muss - direkt oder indirekt - mit Außenkontakten des Mikrofons verschaltet sein, damit das Mikrofon mit einer externen Schaltungsumgebung verschaltbar ist. Insbesondere die elektrischen Verbindungsstellen, über die der MEMS-Chip mit seiner Umgebung verschaltet ist, reagieren empfindlich auf mechanische Spannungen.

[0005] MEMS-Mikrofone können als so genannte Bottom-Port-Mikrofone ausgebildet sein, bei denen eine Schalleintrittsöffnung an derjenigen Seite angeordnet ist, die dem Objekt, an dem das Mikrofon befestigt ist, zugewandt ist. Solche Bottom-Port-Mikrofone können eine schlechtere Signalqualität als so genannte Top-Port-Mikrofone, deren Schalleintrittsöffnung nicht durch das Objekt abgedeckt ist, haben, da bei Top-Port-Mikrofone die Schalleintrittsöffnung auf der dem Objekt abgewandten Seite angeordnet ist. Oft ist die Art des Mikrofons (Top-Port oder Bottom-Port) durch die einbaubedingten Anforderungen vorgegeben. Top-Port-Mikrofone erfordern allerdings üblicherweise einen höheren Konstruktionsaufwand, insbesondere bei der akustischen Abdichtung zwischen Vorvolumen und Rückvolumen.

[0006] Ein MEMS-Mikrofon mit einer akustischen Abdichtung eines Schallkanals wird in DE 10 2011 087963 A1 gezeigt. Insbesondere zeigt dieses Dokument die Merkmale des einleitenden Teils von Anspruch 1 bzw. 7. Ähnliche Mikrofone sind aus DE 10 2010 026519 A1 und DE 10 2004 011148 B3 bekannt. Mehrkomponenten-Werkstoffe, die als Abdichtung Verwendung finden, oder zumindest als solche geeignet sind, sind aus US 3 615 972 A und DE 10 2011 080142 A1 bekannt.

[0007] Es besteht deshalb der Wunsch nach MEMS-Mikrofonen, die eine gute Signalqualität zur Verfügung stellen, mit möglichst geringem Konstruktionsaufwand herzustellen sind und deren Zuverlässigkeit durch eine reduzierte mechanische Spannung auf elektrische Verbindungen erhöht ist.

[0008] Ein solches MEMS-Mikrofon wird im unabhängigen Anspruch 1 angegeben. Ein entsprechendes Verfahren zum Herstellen eines MEMS-Mikrofons wird in Anspruch 7 bereitgestellt. Abhängige Ansprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen des Mikrofons an.

[0009] Das MEMS-Mikrofon hat einen Träger, eine Kappe auf dem Träger und einen MEMS-Chip. Die Kappe auf dem Träger umschließt einen Hohlraum. Der MEMS-Chip ist im Hohlraum angeordnet. Das MEMS-Mikrofon hat ferner eine Schallöffnung im Träger oder in der Kappe, wobei die Anordnung in der Kappe bevorzugt ist. Ferner hat das Mikrofon ein Rückvolumen und einen Kanal, der die Schallöffnung mit dem MEMS-Chip verbindet. Der Kanal isoliert das Rückvolumen akustisch von der Schallöffnung. Der Kanal - genauer: seine Wand - umfasst ein heterogenes Material. Das heterogene Material besteht aus zumindest zwei unterschiedlichen Komponenten. Die beiden unterschiedlichen Komponenten haben unterschiedliche thermomechanische Eigenschaften.

[0010] Es ist möglich, dass die Kappe den Hohlraum vollständig umschließt. Es ist auch möglich, dass die Kappe und der Träger den Hohlraum zusammen umschließen. Insofern umschließt die Kappe den Hohlraum zumindest teilweise.

[0011] Dass der Kanal die Schallöffnung vom Rückvolumen akustisch isoliert, bedeutet, dass akustische Signale, die die Schallöffnung erreichen, davon abgehalten werden, das Rückvolumen direkt, d.h. ohne Passage des MEMS-Chips, zu erreichen. Der Kanal - genauer: seine Seitenwände - stellen eine Barriere für akustische Signale dar.

[0012] Zu den unterschiedlichen thermomechanischen Eigenschaften der beiden Komponenten des Materials des Kanals können unterschiedliche thermisch induzierte Längenänderungen, unterschiedliche thermisch induzierte Änderungen der Viskosität, unterschiedliche thermisch induzierte Änderungen der akustischen Impedanz, unterschiedliche temperaturabhängige Elastizitätsmoduln und unterschiedliche temperaturabhängige Dichten sowie ähnliche Parameter gehören.

[0013] Folgendes Problem üblicher MEMS-Mikrofone wurde erkannt: Der MEMS-Chip ist über elektrische Verbindungen mit seiner Umgebung verbunden und verschaltet. Zusätzlich ist der MEMS-Chip so mit einer Schallöffnung verbunden, dass zu empfangende akustische Signale auf die Funktionselemente, aber nicht direkt auf das Rückvolumen treffen sollen. Während des Betriebs, aber insbesondere während der Herstellung eines solchen MEMS-Mikrofon, können Temperaturänderungen auftreten. Im Allgemeinen haben die Materialien des MEMS-Mikrofons unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten. Bei einer Temperaturänderung ändern sich deshalb Abstände, z. B. zwischen MEMS-Chip und Kappe und/oder zwischen MEMS-Chip und Träger. Elektrische Verschaltungen zwischen dem MEMS-Chip und seiner Schaltungsumgebung, z. B. Kontaktpads an der Oberseite des Trägers, können über Bump-Verbindungen hergestellt sein. Das dabei verwendete Lotmaterial und entsprechende Anschlusspads an der Oberseite des Trägers oder an der Oberfläche des MEMS-Chips können bei zu hohen Zugbelastungen abreißen und das Mikrofon damit funktionsunfähig machen. Schon auf niedrigem Niveau bewirken diese Kräfte eine Beeinträchtigung der Bauteil-Charakteristik.

[0014] Der Kanal ist so geformt und das heterogene Material mit seinen zwei unterschiedlichen Komponenten mit unterschiedlichen thermischen Eigenschaften ist so gewählt, dass durch Temperaturänderungen induzierte mechanische Spannungen auf die elektrische Verschaltung des Chips verringert sind.

[0015] Gleichzeitig ermöglicht das angegebene Material des Kanals eine gute akustische Abdichtung zwischen Schallöffnung und Rückvolumen.

[0016] Die akustische Abdichtung zwischen Schallöffnung und Rückvolumen sollte gerade nicht dadurch erfolgen, dass ein elastisches oder kompressibles Element zwischen Kappe und MEMS-Chip unter Vorspannung angeordnet ist. Dies würde eine temperaturabhängige Kraft auf den MEMS-Chip ausüben. Außerdem könnten Lot-Bumps, mit denen der MEMS-Chip montiert sein kann, beim Aufschmelzen in einem Lötprozess durch diese Kraft deformiert werden, wobei gleichzeitig die Vorspannung abgebaut würde und die Abdichtung entfiele.

[0017] Vielmehr sollte die Dichtung durch Verkleben mit Kappe und MEMS-Chip hergestellt werden. Dennoch unvermeidliche Kräfte Aufgrund von Temperaturänderungen werden durch einen sehr niedrigen E-Modul des heterogenen Dichtmaterials gering gehalten. Der E-Modul kann dabei kleiner als 100 MPa, vorzugsweise kleiner als 10 MPa, sein. Geeignete Dichtmittel sind auch gelartige Dichtmittel wie viskoelastische Fluide.

[0018] Es ist entsprechend möglich, dass der MEMS-Chip über eine elektrisch leitende Verbindung mit dem Träger oder der Kappe verschaltet und mechanisch verbunden ist. Ferner ist der MEMS-Chip zwischen dem Kanal und dem Träger angeordnet.

[0019] In beiden Fällen haben thermisch induzierte Längenänderungen des Kanals, der elektrisch leitenden Verbindung und der Dicke des Chips sowie des Abstands zwischen Träger und Oberseite die Kappe die Folge, dass die mechanische Belastung auf die elektrische Verbindung steigen würde, wenn der Kanal konventionelle Materialien umfassen würde.

[0020] Ensprechend der Erfindung umfasst das heterogene Material des Kanals eine erste Komponente als Matrix und eine zweite Komponente mit in der Matrix eingebetteten Elementen.

[0021] Durch eine heterogene Zusammensetzung des Materials des Kanals können Kanäle mit neuen thermomechanischen Eigenschaften erhalten werden. Das Matrixmaterial der ersten Komponente kann eine erste temperaturabhängige Viskosität und eine erste temperaturabhängige Dichte aufweisen. Die Elemente des zweiten Materials können entsprechend unterschiedliche zweite temperaturabhängige Viskositäten oder Steifigkeiten und eine zweite temperaturabhängige Dichte aufweisen. Das Mengenverhältnis dieser beiden Komponenten im heterogenen Material bestimmt dann die resultierenden thermomechanischen Eigenschaften, z. B. die temperaturabhängige Viskosität oder die temperaturabhängige Dichte des Wandmaterials des akustischen Kanals.

[0022] Es ist insbesondere möglich, dass die unterschiedlichen thermomechanischen Eigenschaften der ersten und der zweiten Komponente ein unterschiedliches thermisches Ausdehnungsverhalten beinhalten. Die erste Komponente und die zweite Komponente können sich entsprechend in ihrem thermischen Ausdehnungsverhalten unterscheiden. Temperaturinduzierte Änderungen können dabei Änderungen entlang der vertikalen Richtung senkrecht zur Oberfläche des Trägers oder horizontale Längenänderungen parallel zur Oberseite des Trägers sein. Es ist auch möglich, dass die temperaturabhängige Änderung des Volumens der verschiedenen Komponenten unterschiedlich ist.

[0023] Die erste Komponente umfasst ein thermoplastisches Material, ein Elastomer und/oder ein Silicongel

[0024] Die zweite Komponente umfasst Polymerkugeln. Kugeln können vor einer Wärmebehandlung mit einem Kohlenwasserstoff gefüllt sein. In einem expandierten Zustand können die Kugeln eine Schale aus Polymer haben und im Inneren hohl sein.

[0025] Der Kohlenwasserstoff in den Polymerkugeln kann einen Phasenübergang, z. B. einen Siedepunkt, aufweisen, der in einem bevorzugten Temperaturbereich liegt. Die Kugeln haben dabei eine Schale aus Polymer, deren Steifigkeit so gering ist, dass bei Temperaturänderungen Volumenänderungen des Kohlenwasserstoffs an die Umgebung der Polymerkugeln, d. h. an das Matrix-Material der ersten Komponente, weitergegeben wird.

[0026] Es ist ferner möglich, dass das heterogene Material ein nicht lineares thermisches Ausdehnungsverhalten aufweist.

[0027] Insbesondere die zweite Komponente kann ein nicht lineares thermisches Ausdehnungsverhalten aufweisen.

[0028] Die zweite Komponente kann ein nicht reversibles thermisches Ausdehnungsverhalten haben. Wenn sich Hohlkugel aufblähen, sinkt die Wandstärke so stark, dass kaum noch eine Rückstellkraft verbleibt. Die Expansion kann deshalb mit einem stabilen neuen, permanenten Zustand abschließen.

[0029] Das heterogene Material als Ganzes kann ein nicht reversibles thermisches Ausdehnungsverhalten haben.

[0030] Das heterogene Material kann sich bei einer Temperaturänderung, insbesondere bei einer Temperaturerhöhung, wie folgt verhalten: Das Matrix-Material der ersten Komponente hat eine gewisse Viskosität und lässt sich relativ leicht verformen.

[0031] Bei einer Temperaturerhöhung dehnt sich die Füllung der Elemente der zweiten Komponente aus. Im Fall von Polymerkugeln als zweite Komponente steigt deren Volumen relativ stark an. Das heterogene Material, bei dem die Elemente vorzugsweise möglichst gleichmäßig in der Matrix verteilt sind, wird aufgebläht.

[0032] Es ist möglich, dass im Bereich einer charakteristischen Temperatur ein Phasenübergang der Füllung der Elemente stattfindet. Innerhalb eines relativ schmalen Temperaturintervalls findet eine große Volumenzunahme statt.

[0033] Bei Temperaturen oberhalb dieses Phasenübergangs setzt eine Umwandlung des Materials der ersten Komponente ein. Die Viskosität des Matrix-Materials nimmt ab. Das heterogene Material verfestigt sich bei vergrößertem Volumen. Sollte die Temperatur wieder sinken, so behält das heterogene Material im Wesentlichen sein Volumen und seine Form.

[0034] Die Verwendung eines solchen Materials löst eine Vielzahl intrinsischer Spannungsprobleme bei der Herstellung. So kann eine Temperaturbehandlung notwendig sein, um die Kappe mit dem Träger zu verbinden, z. B. zu verkleben. Ein Reflow-Prozess stellt die elektrische und mechanische Verbindung des Chips und seiner Schaltungsumgebung her. Die kritischen Temperaturen des heterogenen Materials, z. B. die Phasenübergangstemperatur und die Verfestigungstemperatur, können so gewählt sein, dass die mechanische Belastung auf die elektrischen Verschaltungen trotz deutlich unterschiedlicher Temperaturen minimiert ist. So ist es möglich, dass ein Silber umfassendes Verbindungsmaterial, das die Kappe mit dem Träger verbindet, oder ein Kleber, der die Kappe mit dem Träger verbindet, eine ausreichend feste Verbindung zwischen Kappe und Träger ab einer Temperatur T₁ ermöglicht. Entsprechend kann für das Material der ersten Komponente ein Material gewählt werden, dass oberhalb einer weiteren Temperatur T₂ anfängt sich zu versteifen, während die Elemente der zweiten Komponente bei einer Temperatur T₃ expandieren. Dabei gilt:

[0035] So kann zuerst die Kappe fest mit dem Träger verbunden werden. Anschließend wird der Kanal durch Aufschäumen des heterogenen Materials zwischen Chip und Kappe oder zwischen Chip und Träger gebildet. Das heterogene Material kann dazu vor dem Aufsetzen der Kappe in einem Rohzustand vor der Volumenexpansion in einer geschlossenen Kurve um die Funktionselemente auf dem Chip oder um die Schallöffnung auf Trägersubstrat oder Kappe aufgebracht worden sein.

[0036] Das Matrixmaterial weist vorzugsweise noch Reaktivität bzw. Klebrigkeit auf, wenn die Blähfront die gegenüberliegende Oberfläche erreicht. So wird eine gute Abdichtung erzielt.

[0037] Durch das Aufschäumen sind die Dichte und die Steifigkeit des Materials des akustischen Kanals so gering, dass auf die elektrische Verschaltung weitergegebene mechanische Zug- oder Druckspannung kritische Werte nicht überschreitet.

[0038] Umfasst die erste Komponente ein Elastomer oder ein Silikongel, so ist deren Viskosität anfangs vorzugsweise sehr gering, um ein leichtes Aufbringen, z. B. durch Aufbringen mittels Dispensnadeln mit einem Innendurchmesser zwischen 0,09 mm und 0,11 mm zu vereinfachen. Ab einer Übergangstemperatur können sich Bestandteile der ersten Komponente vernetzen, sodass die Viskosität dann einen hinreichend großen Wert annimmt, wenn das heterogene Material die gewünschte Form, insbesondere die gewünschte Höhe, angenommen hat und die akustische Abdichtung über einen breiten Temperaturbereich ohne kritische Spannungen auf die elektrische Verschaltung erreicht wird.

[0039] Der Träger kann ein Leiterplattenmaterial, z. B. PCB, oder ein keramisches Material umfassen. Der Träger kann dabei aus einer oder mehreren Lagen bestehen. Der Träger kann dielektrische Lagen und dazwischen angeordnete Metallisierungslagen umfassen. In den Metallisierungslagen können Signalleiter und/oder Schaltungselemente, z. B. induktive Elemente oder kapazitive Elemente, ausgebildet sein. Kontaktflächen an der Oberseite oder an der Unterseite des Trägers und im Inneren des Trägers strukturierte Metallisierungen können über Durchkontaktierungen verschaltet sein.

[0040] Die Kappe kann aus einem Metall bestehen oder zumindest eine metallische Schicht zur Abschirmung umfassen.

[0041] Insbesondere wenn die Schallöffnung in der Kappe oberhalb des Trägers strukturiert ist und der Kanal zwischen dem oberen Segment der Kappe und dem MEMS-Chip angeordnet ist, wird ein Top-Port-Mikrofon mit guten akustischen Eigenschaften erhalten, bei dem die mechanische Belastung auf die elektrische Verschaltung minimiert und dadurch die Wahrscheinlichkeit eines Defekts beim Herstellen vermindert und die Lebensdauer während des Betriebs erhöht ist.

[0042] Die angegebenen Materialien für das Ausbilden des Kanals kommen im Wesentlichen ohne Lösungsmittel aus, sodass eine Kontamination vermieden wird.

[0043] Die beiden Komponenten des heterogenen Materials können so aufeinander abgestimmt sein, dass bereits während der Volumenzunahme eine leichte Verfestigung der ersten Komponente beginnt, welche die Expansion der zweiten Komponente jedoch nicht nennenswert beeinträchtigt.

[0044] Die derart ausgehärtete akustische Dichtmasse behält eine gewisse Elastizität (E ≥ 100 MPa, vorzugsweise E ≤ 10 MPa) und kann Temperaturschwankungen aufnehmen. Aufgrund der geringen Dichte wird akustische Energie aufgenommen und nicht transmittiert.

[0045] Die mechanische Kraft, die das aufgeblähte heterogene Material auf Kappe und MEMS-Chip ausübt, ist äußerst gering und u. a. über den Expansionsgrad steuerbar. Der Schubmodul des heterogenen Materials kann kleiner als 1,5 MPa gewählt sein.

[0046] Die Expansionsrate des heterogenen Materials kann drei oder mehr betragen, wobei die Expansionsrate das Verhältnis der Volumina im aufgeblähten Zustand und im aufgetragenen Zustand ist.

[0047] Bei Wärme expandierende Elemente für die zweite Komponente sind z. B. aus dem Patent US 3,615,972 bekannt. Geeignete Kugeln sind z. B. die Mikrosphären, die unter dem Markennamen Expancel^® vertrieben werden.

[0048] Entsprechend der Erfindung weist das Matrixmaterial einen thermischen Härtemechanismus auf, der über derjenigen Temperatur aktiviert wird, bei der das Aufblähen der zweiten Komponente einsetzt.

[0049] Ein Verfahren zum Herstellen eines entsprechenden MEMS-Mikrofons beinhaltet deswegen das Aufbringen des heterogenen Materials ringförmig auf den MEMS-Chip, den Träger und/oder an die Unterseite der Kappe. Anschließend, z. B. nach Zusammenbau von Träger, MEMS-Chip und Kappe, wird das Material durch Erwärmen zur finalen akustischen Abdichtung aufgebläht. Idealerweise erfolgt das derartige Ausbilden des Kanals, nachdem die Kappe fest mit dem Träger verbunden ist.

[0050] Es ist dabei möglich, dass das Verbindungsmaterial zwischen Kappe und Träger bei einer Temperatur verfestigt wird, die unter der für das Aufblähen des heterogenen Materials benötigten Temperatur liegt.

[0051] Es ist möglich, dass als Verbindungsmaterial zwischen Kappe und Träger ein Leitklebstoff verwendet wird.

[0052] Nachfolgend werden zentrale Aspekte des MEMS-Mikrofons und Details von Ausführungsbeispielen anhand der schematischen Figuren erläutert.

[0053] Es zeigen:

Fig. 1:

eine mögliche relative Anordnung von Kappe, MEMS-Chip, Träger und Kanal,

Fig. 2:

das Material des Kanals vor der thermischen Aktivierung,

Fig. 3:

die Wirkung des Aufblähens der Elemente der zweiten Komponente,

Fig. 4:

die Ausrichtung der Funktionselemente zur Schallöffnung,

Fig. 5:

eine mögliche Anordnung einer Auswertschaltung,

Fig. 6:

Wärmestromkurven für verschiedene zweite Komponenten mit unterschiedlicher Übergangstemperatur,

Fig. 7:

eine Wärmestromkurve eines Silberleitklebers.

[0054] Figur 1 zeigt eine mögliche Anordnung der Elemente eines MEMS-Mikrofons MM, bei dem eine Kappe KP auf einem Träger TR angeordnet ist und zusammen mit dem Träger TR einen Hohlraum einschließt. Ein vorzugsweise großer Bereich des Hohlraums bildet das Rückvolumen RV, das in Schallrichtung gesehen hinter den Funktionselementen, hier MEMS-Strukturen MS am MEMS-Chip MC angeordnet ist. Akustische Signale können das Mikrofon MM über eine Schallöffnung SO erreichen. Die MEMS-Strukturen MS beinhalten eine steife Rückplatte und eine flexible Membran. Diese beiden Elemente bilden die Elektroden eines Kondensators, dessen Kapazität mit der Frequenz der empfangenen akustischen Signale variiert. Die Schalleintrittsöffnung SO und das Rückvolumen RV sind durch eine akustische Abdichtung AI in Form des Kanals K gebildet. Der Kanal K umfasst dabei das aufgeblähte heterogene Material HM. Figur 1 zeigt die Darstellung eines Schnitts durch ein Mikrofon MM.

[0055] Der Kanal K umschließt die Schallöffnung SO entlang einer geschlossenen Kurve. Wäre das Rückvolumen RV akustisch an die Schallöffnung SO gekoppelt, wäre das Mikrofon MM akustisch kurzgeschlossen und praktisch kein Signal vorhanden. Durch eine zum Rückvolumen RV gerichtete Auslenkung der Membran der MEMS-Strukturen MS wird das Rückvolumen RV verdichtet und eine Rückstellkraft auf die Membran ist erhöht. Um eine möglichst gute Signalqualität zu erhalten, ist deshalb ein möglichst großes Rückvolumen RV vorteilhaft.

[0056] Der MEMS-Chip MC ist über Bump-Verbindungen BU mit dem Träger TR verbunden und verschaltet. Thermische Expansion gefährdet die Integrität der elektrischen Verschaltung. Bei konventionellen Top-Port-Mikrofonen besteht deshalb stets die Gefahr, dass eine akustische Abdichtung bei Temperaturänderung die elektrische Verschaltung schädigt oder komplett zerstört.

[0057] Figur 2 zeigt einen Zwischenschritt während der Herstellung eines entsprechenden Mikrofons. Dabei ist das heterogene Material HM noch in seinem ursprünglichen Zustand, d. h. vor der thermischen Aktivierung. In diesem Zustand kann die Kappe KP fest mit dem Träger TR verbunden werden, ohne thermisch induzierte Spannungen auf die elektrische Verschaltung auszuüben, da die Kappe KP noch nicht mit dem MEMS-Chip verbunden ist.

[0058] Figur 3 zeigt links eine Menge des heterogenen Materials HM vor der Aktivierung. Auf der rechten Seite ist der Zustand nach der thermischen Aktivierung erfolgt. Die Volumenzunahme beruht im Wesentlichen auf der thermisch induzierten Volumenzunahme der zweiten Komponente in Form der blähbaren Elemente E, hier durch Kugeln KG dargestellt. Das Matrix-Material M behält im Wesentlichen sein Volumen. Nach der Volumenzunahme der Kugeln K kann das Material der Matrix versteift werden, um den finalen Zustand, d. h. die finale Form, im Wesentlichen temperaturunabhängig zu behalten.

[0059] Figur 4 zeigt eine mögliche Ausführungsform, bei der die MEMS-Strukturen MS nicht wie in Figur 1 gezeigt dem Träger TR zugewandt, sondern der Kappe KP zugewandt sind. Dadurch trägt das Volumen innerhalb des MEMS-Chips auch zum Rückvolumen RV bei, wodurch das Rückvolumen RV vergrößert ist. Ein Nachteil dieser Konstruktion besteht darin, dass zusätzliche elektrische Leitungen von der Oberseite des Chips zum Träger notwendig sind. Dazu können im Chip Durchkontaktierungen DK strukturiert sein.

[0060] Figur 4 zeigt ferner die Möglichkeit, das Mikrofon über externe Anschlüsse EA mit einer externen Schaltungsumgebung verschaltbar zu machen. Die externen Anschlüsse EA können Anschlusspads an der Unterseite des Trägers und zusätzliche Bump-Verbindungen umfassen.

[0061] Figur 5 zeigt ferner die Möglichkeit, eine Auswertschaltung AS in Form eines zusätzlichen Chips vorzusehen. Die Auswertschaltung kann dabei auf dem Träger TR angeordnet sein. Über Durchkontaktierungen DK und strukturierte Signalleiter in einer Metallisierungslage ML können Chip und Auswertschaltung AS verschaltet sein. Über analoge Durchkontaktierungen können Chip und/oder Auswertschaltung auch mit externen Kontakten an der Unterseite des Trägers verschaltet sein.

[0062] Figur 6 zeigt Wärmestromkurven unterschiedlicher zweiter Komponenten. Wärmestromkurven geben dabei Aufschluss über exotherme oder endotherme Prozesse innerhalb eines Materials und zeigen die entsprechende Temperaturabhängigkeit. In einer möglichen Version für das Material der zweiten Komponente findet ein endothermer Prozess bei etwa 125 °C (untere Kurve) statt. Die mittlere Kurve zeigt einen Prozess, der zwischen 130 °C und 150 °C stattfindet. Die obere Kurve zeigt einen Übergang bei etwa 175 °C.

[0063] Je nachdem, welche Materialien für die zweite Komponente gewählt werden, z. B. unterschiedliche Kohlenwasserstoffe mit unterschiedlichen Phasenübergangstemperaturen, können unterschiedliche Temperaturen, bei denen der Blähvorgang einsetzt, ausgewählt werden.

[0064] Figur 7 zeigt die Wärmestromkurve WSK für einen silberhaltigen Leitkleber, mit dem die Kappe auf dem Träger befestigt werden kann. In dem Temperaturbereich um etwa 150 °C findet eine exotherme Reaktion statt, bei der sich der Kleber verfestigt.

[0065] Die Übergangstemperaturen der Bläh-Komponente (vgl. Figur 6) und des Verbindungsmittels zwischen Kappe und Träger (vgl. Figur 7) können so gewählt werden, dass die akustische Isolation im Wesentlichen nach der Befestigung der Kappe auf dem Träger stattfindet und das Befestigen der Kappe auf dem Träger die elektrischen Verbindungen damit nicht beeinträchtigt.

[0066] Das MEMS-Mikrofon und das Verfahren zur Herstellung eines MEMS-Mikrofons sind durch die gezeigten technischen Merkmale und Ausführungsformen nicht beschränkt. Mikrofone, die zusätzliche Schaltungselemente und/oder Befestigungselemente umfassen, und Verfahren, die zusätzliche Herstellungsschritte umfassen, fallen ebenso unter den durch die folgenden Ansprüche definierten Schutzbereich.

Bezugszeichenliste

[0067] 

AI:

akustische Isolation

AS:

Auswertschaltung

BU:

Bump-Verbindung

DK:

Durchkontaktierung

DM:

dielektrisches Material einer dielektrischen Lage

E:

in der Matrix eingebettete Elemente der zweiten Komponente

EA:

externe Anschlüsse

HM:

heterogenes Material

K:

Kanal

KP:

Kappe

KG:

Kugel, eine mögliche Form der eingebetteten Elemente

M:

Matrix der ersten Komponente

MC:

MEMS-Chip

ML:

Metallisierungslage

MM:

MEMS-Mikrofon

MS:

MEMS-Strukturen

RV:

Rückvolumen

SO:

Schallöffnung

TR:

Träger

VM:

Verbindungsmaterial zwischen Kappe und Träger

WSK:

Wärmestromkurve

Ansprüche

1. MEMS-Mikrofon (MM), umfassend

- einen Träger (TR),

- eine Kappe (KP) auf dem Träger (TR), die einen Hohlraum zumindest teilweise umschließt,

- einen MEMS-Chip (MC) im Hohlraum,

- eine Schallöffnung (SO) in der Kappe (KP),

- ein Rückvolumen (RV),

- einen Kanal (K), der die Schallöffnung (SO) mit dem MEMS-Chip (MC) verbindet und vom Rückvolumen (RV) akustisch isoliert,

wobei

- der Kanal (K) ein heterogenes Material (HM) umfasst, das aus zumindest zwei unterschiedlichen Komponenten mit unterschiedlichen thermomechanischen Eigenschaften besteht,

dadurch gekennzeichnet, dass

- das heterogene Material (HM) eine erste Komponente als Matrix (M) und eine zweite Komponente mit in der Matrix eingebetteten Elementen (KG) umfasst,

- die erste Komponente ein thermoplastisches Material, ein Elastomer und/oder ein Silicongel umfasst,

- die zweite Komponente Polymerkugeln (KG) umfasst,

- das Matrixmaterial (M) einen thermischen Härtemechanismus aufweist, der über derjenigen Temperatur, bei der das Aufblähen der zweiten Komponente aktiviert wird, aktiviert wird.

2. MEMS-Mikrofon nach dem vorherigen Anspruch, wobei

- der MEMS-Chip (MC) über eine elektrisch leitende Verbindung (BU) mit dem Träger (TR) verschaltet und mechanisch verbunden ist und

- der MEMS-Chip (MC) zwischen dem Kanal (K) und dem Träger (TR) angeordnet ist.

3. MEMS-Mikrofon nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die unterschiedlichen thermomechanischen Eigenschaften der ersten und zweiten Komponente ein unterschiedliches thermisches Ausdehnungsverhalten beinhalten.

4. MEMS-Mikrofon nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das heterogene Material ein nicht lineares thermisches Ausdehnungsverhalten aufweist.

5. MEMS-Mikrofon nach dem vorherigen Anspruch, wobei die zweite Komponente ein nicht lineares thermisches Ausdehnungsverhalten aufweist.

6. MEMS-Mikrofon nach dem vorherigen Anspruch, wobei das heterogene Material ein nicht reversibles thermisches Ausdehnungsverhalten hat.

7. Verfahren zum Herstellen eines MEMS-Mikrofons (MM), wobei das Mikrofon umfasst:

- einen Träger (TR),

- eine Kappe (KP) auf dem Träger (TR), die einen Hohlraum zumindest teilweise umschließt,

- einen MEMS-Chip (MC) im Hohlraum,

- eine Schallöffnung (SO) in der Kappe (KP),

- ein Rückvolumen (RV),

- einen Kanal (K), der die Schallöffnung (SO) mit dem MEMS-Chip (MC) verbindet und vom Rückvolumen (RV) akustisch isoliert,

wobei

- der Kanal (K) ein heterogenes Material (HM) umfasst, das aus zumindest zwei unterschiedlichen Komponenten mit unterschiedlichen thermomechanischen Eigenschaften besteht,

dadurch gekennzeichnet, dass

- das heterogene Material (HM) eine erste Komponente als Matrix (M) und eine zweite Komponente mit in der Matrix eingebetteten Elementen (KG) umfasst,

- die erste Komponente ein thermoplastisches Material, ein Elastomer und/oder ein Silicongel umfasst,

- die zweite Komponente Polymerkugeln (KG) umfasst,

- das Matrixmaterial (M) einen thermischen Härtemechanismus aufweist, der über derjenigen Temperatur, bei der das Aufblähen der zweiten Komponente aktiviert wird, aktiviert wird, und

wobei

- das heterogene Material (HM) ringförmig auf den MEMS-Chip (MC) und/oder an die Unterseite der Kappe (KP) aufgebracht wird und

- das Material (HM) nach Zusammenbau von Träger (TR), MEMS-Chip (MC) und Kappe (KP) durch Erwärmen zu einer akustischen Abdichtung (AI) aufgebläht wird.

8. Verfahren nach dem vorherigen Anspruch, wobei
ein Verbindungsmaterial (VM) zwischen Kappe (KP) und Träger (TR) bei einer Temperatur verfestigt wird, die unter der für das Aufblähen des heterogenen Materials (HM) benötigten Temperatur liegt.

9. Verfahren nach dem vorherigen Anspruch, wobei
als Verbindungsmaterial (VM) zwischen Kappe (KP) und Träger (TR) ein Leitklebstoff verwendet wird.

Claims

1. MEMS microphone (MM), comprising

- a carrier (TR),

- a cap (KP) on the carrier (TR), which at least partially encloses a cavity,

- a MEMS chip (MC) in the cavity,

- a sound opening (SO) in the cap (KP),

- a rear volume (RV),

- a channel (K), which connects the sound opening (SO) to the MEMS chip (MC) and acoustically insulates it from the rear volume (RV),

wherein

- the channel (K) comprises a heterogeneous material (HM), which consists of at least two different components with different thermomechanical properties, characterized in that

- the heterogeneous material (HM) comprises a first component as matrix (M) and a second component with elements (KG) embedded in the matrix,

- the first component comprises a thermoplastic material, an elastomer and/or a silicone gel,

- the second component comprises polymer beads (KG),

- the matrix material (M) has a thermal hardening mechanism which is activated above that temperature at which the expansion of the second component is activated.

2. MEMS microphone according to the preceding claim, wherein

- the MEMS chip (MC) is interconnected and mechanically connected to the carrier (TR) via an electrically conductive connection (BU), and

- the MEMS chip (MC) is arranged between the channel (K) and the carrier (TR).

3. MEMS microphone according to either of the preceding claims, wherein the different thermomechanical properties of the first and the second component entail a different thermal expansion behaviour.

4. MEMS microphone according to one of the preceding claims, wherein the heterogeneous material has a nonlinear thermal expansion behaviour.

5. MEMS microphone according to the preceding claim, wherein the second component has a nonlinear thermal expansion behaviour.

6. MEMS microphone according to the preceding claim, wherein the heterogeneous material has a non-reversible thermal expansion behaviour.

7. Method for producing a MEMS microphone (MM), wherein the microphone comprises:

- a carrier (TR),

- a cap (KP) on the carrier (TR), which at least partially encloses a cavity,

- a MEMS chip (MC) in the cavity,

- a sound opening (SO) in the cap (KP),

- a rear volume (RV),

- a channel (K), which connects the sound opening (SO) to the MEMS chip (MC) and acoustically insulates it from the rear volume (RV),

wherein

- the channel (K) comprises a heterogeneous material (HM), which consists of at least two different components with different thermomechanical properties, characterized in that

- the heterogeneous material (HM) comprises a first component as matrix (M) and a second component with elements (KG) embedded in the matrix,

- the first component comprises a thermoplastic material, an elastomer and/or a silicone gel,

- the second component comprises polymer beads (KG),

- the matrix material (M) has a thermal hardening mechanism which is activated above that temperature at which the expansion of the second component is activated, and

wherein

- the heterogeneous material (HM) is applied in a ring around the MEMS chip (MC) and/or to the bottom side of the cap (KP), and

- the material (HM) is expanded by heating to form an acoustic seal after the carrier (TR), MEMS chip (MC) and cap (KP) have been assembled.

8. Method according to the preceding claim, wherein a connecting material (VM) between the cap (KR) and carrier (TR) is solidified at a temperature which is below the temperature required for expansion of the heterogeneous material (HM).

9. Method according to the preceding claim, wherein a conductive adhesive is used as connecting material (VM) between the cap (KP) and carrier (TR).

Revendications

1. Microphone MEMS (MM), comprenant

- un support (TR),

- un cache (KP) sur le support (TR), lequel entoure au moins partiellement un espace creux,

- une puce MEMS (MC) dans l'espace creux,

- une ouverture acoustique (SO) dans le cache (KP),

- un volume arrière (RV),

- un canal (K), qui relie l'ouverture acoustique (SO) avec la puce MEMS (MC) et l'isole acoustiquement du volume arrière (RV),

- le canal (K) comprenant un matériau hétérogène (HM), qui se compose d'au moins deux composantes différentes ayant des propriétés thermomécaniques différentes,

caractérisé en ce que

- le matériau hétérogène (HM) comprend une première composante sous la forme d'une matrice (M) et une deuxième composante avec des éléments (KG) enrobés dans la matrice,

- la première composante comprend un matériau thermoplastique, un élastomère et/ou un gel de silicium,

- la deuxième composante comprend des billes de polymère (KG),

- le matériau de matrice (M) possède un mécanisme de durcissement thermique, lequel est activé au-dessus de la température à laquelle est activé le gonflement de la deuxième composante.

2. Microphone MEMS selon la revendication précédente,

- la puce MEMS (MC) étant connectée et reliée mécaniquement au support (TR) par le biais d'une liaison (BU) électriquement conductrice et

- la puce MEMS (MC) étant disposée entre le canal (K) et le support (TR).

3. Microphone MEMS selon l'une des revendications précédentes, les propriétés thermomécaniques différentes de la première et de la deuxième composante incluant un comportement de dilatation thermique différent.

4. Microphone MEMS selon l'une des revendications précédentes, le matériau hétérogène présentant un comportement de dilatation thermique non linéaire.

5. Microphone MEMS selon la revendication précédente, la deuxième composante présentant un comportement de dilatation thermique non linéaire.

6. Microphone MEMS selon la revendication précédente, le matériau hétérogène ayant un comportement de dilatation thermique non réversible.

7. Procédé de fabrication d'un microphone MEMS (MM), le microphone comprenant :

- un support (TR),

- un cache (KP) sur le support (TR), lequel entoure au moins partiellement un espace creux,

- une puce MEMS (MC) dans l'espace creux,

- une ouverture acoustique (SO) dans le cache (KP),

- un volume arrière (RV),

- un canal (K), qui relie l'ouverture acoustique (SO) avec la puce MEMS (MC) et l'isole acoustiquement du volume arrière (RV),

- le canal (K) comprenant un matériau hétérogène (HM), qui se compose d'au moins deux composantes différentes ayant des propriétés thermomécaniques différentes,

caractérisé en ce que

- le matériau hétérogène (HM) comprend une première composante sous la forme d'une matrice (M) et une deuxième composante avec des éléments (KG) enrobés dans la matrice,

- la première composante comprend un matériau thermoplastique, un élastomère et/ou un gel de silicium,

- la deuxième composante comprend des billes de polymère (KG),

- le matériau de matrice (M) possède un mécanisme de durcissement thermique, lequel est activé au-dessus de la température à laquelle est activé le gonflement de la deuxième composante, et

- le matériau hétérogène (HM) étant appliqué en forme d'anneau sur la puce MEMS (MC) et/ou sur le côté inférieur du cache (KP) et

- le matériau (HM) étant gonflé par réchauffement en un scellement acoustique après l'assemblage du support (TR), de la puce MEMS (MC) et du cache (KP).

8. Procédé selon la revendication précédente, un matériau de liaison (VM) entre le cache (KP) et le support (TR) étant solidifié à une température qui est inférieure à la température nécessaire pour le gonflement du matériau hétérogène (HM).

9. Procédé selon la revendication précédente, le matériau de liaison (VM) utilisé entre le cache (KP) et le support (TR) étant un adhésif conducteur.

Zeichnung