DE102020204766A1

DE102020204766A1 - Verfahren zur Herstellung von Dämpferstrukturen an einem mikromechanischen Wafer

Info

Publication number: DE102020204766A1
Application number: DE102020204766.9A
Authority: DE
Inventors: Michael Stumber; Stefan Apelt
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2020-04-15
Filing date: 2020-04-15
Publication date: 2021-10-21
Also published as: US20210323810A1; US11472698B2; CN113526451A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Dämpferstrukturen an einem mikromechanischen Wafer mit den Schritten:A - Bereitstellung einer wenigstens teilweise UV-transparenten Master-Form für das Abformen von Dämpferstrukturen;B - Einlegen und Anpressen eines mikromechanischen Wafers in die Master-Form, so dass mikromechanische Strukturen im Wafer in Bezug auf die Dämpferstrukturen justiert sind;C - Befüllen der Master-Form mit UV-aushärtendem LSR und anschließende UV-Belichtung;D - Entformung und Entnahme der verbundenen Struktur aus mikromechanischem Wafer mit angebrachten Dämpfern.Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung eines vereinzelten MEMS Chips mit UV-gehärtetem Dämpfer.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Dämpferstrukturen an einem mikromechanischen Wafer.
Manche MEMS-Sensoren (z.B. Drehratensensoren) müssen je nach Einbauort und Anforderungen vibrationsgedämpft gelagert werden (beispielsweise Fahrdynamik-Sensoren im Motorraum). Hier sind bereits verschiedene, aufwändige Lösungen im Einsatz, die teilweise die gesamte Platine abfedern oder auch das Sensormodul in seiner Umverpackung. Alternativ ist es möglich, ein mikromechanisches Bauelement auf Si-Chiplevel zu dämpfen, indem es auf eine Silikonstruktur aufgebracht wird. Dies soll zusätzlich den mechanischen Stress bei Temperaturschwankungen mildern.
Herausfordernd bzw. aufwändig und kostspielig ist bei den bisherigen Lösungen der Aufbau, der mehrmaliges Kleben und sehr genaue Positionierungen erfordert. Ein Realisieren der Dämpferstrukturen auf Wafer-Level und ein Verbinden mit dem Sensorwafer und ein anschließendes gemeinsames Vereinzeln erlaubt eine einfachere und genauere Positionierung und erfordert weniger Arbeitsschritte.
In der nicht vorveröffentlichten Patentanmeldung DE 102018222685.7 (R.382170, EM2018/4462) und DE 102019205799.3 (R. 382873) sind Verfahren zur Herstellung einer mikromechanischen Vorrichtung mit Dämpferstruktur beschrieben, wobei die Dämpferstruktur auf Wafer Level an einem mikromechanischen Wafer hergestellt wird.
Aufgabe der Erfindung
Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein alternatives Verfahren zur Herstellung von Dämpferstrukturen an einem mikromechanischen Wafer zu schaffen, welches die Erzeugung feinerer und filigranerer Dämpfungsstrukturen erlaubt, die eine weitere Miniaturisierung und bessere Anpassung an die Anforderungen der Einsatzumgebung und -Einsatzbedingungen erlaubt, als bekannte Lösungen.
Vorteile der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Dämpferstrukturen an einem mikromechanischen Wafer mit den Schritten:

A - Bereitstellung einer wenigstens teilweise UV-transparenten Master-Form für das Abformen von Dämpferstrukturen;
B - Einlegen und Anpressen eines mikromechanischen Wafers in die Master-Form, so dass mikromechanische Strukturen im Wafer in Bezug auf die Dämpferstrukturen justiert sind;
C - Befüllen der Master-Form mit UV-aushärtendem LSR und anschließende UV-Belichtung;
D - Entformung und Entnahme der verbundenen Struktur aus mikromechanischem Wafer mit angebrachten Dämpfern.

Die Aufgabe der Erfindung wird durch den Einsatz einer neuen Materialklasse für die Dämpferstrukturen erfüllt, die das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren wesentlich ermöglicht.
Hierbei handelt es sich um UV-vernetzende Silikone bzw. LSR - beispielsweise bekannt als UV-LSR 2030 oder UV-LSR 2060 der Firma Momentive. Diese Silikone erlauben die Trennung von Formfüllung und Vernetzung, sodass ein Befüllen noch feinerer Formen mit vergleichsweise geringem Druck erfolgen kann, da der Vorgang des Aushärtens nicht schon während des Füllvorgangs stattfindet. Der Zeitpunkt des Aushärtens wird durch die Ansteuerung der UV-Belichtung gesteuert und kann sowohl schon während der Formfüllung als auch nach Abschluss der Formfüllung erfolgen. Dabei wird der Zeitpunkt der Aushärtung hauptsächlich nach Abschluss der Formfüllung erfolgen.
Im Gegensatz zum Spritzgießverfahren (injection molding) oder auch Spritzprägen (Comression Molding), findet die Verarbeitung bei sehr viel geringeren Temperaturen statt. Die Verarbeitung von UV- LSR findet in der Regel bei Raumtemperatur statt, bzw. zwischen 20 °C und 60 °C. Verglichen mit thermisch vernetzendem LSR, bei dem die Verarbeitungstemperatur zwischen 130 °C und 200 °C liegt, hat UV-vernetzendes LSR den Vorteil, dass thermische Spannungen durch unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten zwischen Sensor (Material z.B. Silizium) und Dämpfer (Material z.B. Silikon, PDMS), welche die Performance, Zuverlässigkeit und Lebensdauer negativ beeinflussen können, vermieden oder wenigstens signifikant reduziert werden.
Das Verfahren kann wie beschrieben für einen kompletten Wafer durchgeführt werden, der Wafer kann aber auch in mehrere Teile, also Waferstücke, vorzugsweise rechteckig zersägt werden, an denen das Verfahren durchgeführt wird. Im Extremfall könnte das Verfahren auch an einem einzelnen mikromechanischen Sensor angewandt werden.
Figurenliste

Die 1 a und b zeigen schematisch ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung von Dämpferstrukturen an einem mikromechanischen Wafer.
2 zeigt einen vereinzelten MEMS Chip mit UV-gehärtetem Dämpfer.
3 zeigt schematisch ein verpacktes Bauteil mit einem MEMS Chip mit UV-härtendem Dämpfer.

Beschreibung
Die 1 a und b zeigen schematisch ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung von Dämpferstrukturen an einem mikromechanischen Wafer.
1 a zeigt in den Stufen A, B, C, D Werkzeuge und herzustellende Vorrichtung in verschiedenen Stufen des Herstellungsverfahrens. 1 b zeigt schematisch das Herstellungsverfahren selbst.
Das Herstellungsverfahren weist in dem gezeigten Beispiel folgende wesentliche Schritte auf:

A - Bereitstellung einer UV-transparenten Master-Form 10 für das Abformen der Dämpferstrukturen. Diese ist zumindest teilweise UV-transparent und Teil einer Molding Form.
B - Einlegen und Anpressen des verkappten Sensorwafers 20 in die Form 10, so dass die Sensorstrukturen im Wafer genau zu den Dämpferstrukturen justiert sind.

Für diese Justage gibt es mehrere Möglichkeiten: Im einfachsten Fall kann sie über mechanische Anschläge beim Einlegen des Wafers erfolgen. Es kann jedoch auch optisch justiert werden. Dazu wird beispielsweise ein mikroskopisches Kamerabild der Justagestruktur aufgenommen und gespeichert. Anschließend wird der Wafer eingelegt, der über entsprechende Justagemarkierungen verfügt und so mittels Mikro-Manipulierhilfen verschoben, dass das aktuelle Bild des Wafers mit dem aufgenommenen Bild zur Deckung kommt. Bei Bedarf kann dazu auch eine IR-Aufnahme verwendet werden, die es erlaubt, Strukturen innerhalb des Wafers zu erkennen.

C - Befüllen der Form (Hohlräume) mit UV-aushärtendem LSR 30 und anschließende UV-Belichtung 40.
D - Entformung und Entnahme der verbundenen Struktur aus Sensorwafer 20 mit angebrachten Dämpfern 35, insbesondere mit Entform-Hilfen.

Somit ist der mikromechanische Waferverbund 20 mit Dämpferstrukturen 35 versehen.
Nachfolgend können aus dem Waferverbund mit Dämpferstrukturen einzelne MEMS Chips mit UV-gehärtetem Dämpfer hergestellt werden.
In einem Verfahrensschritt E wird dazu eine Vereinzelung des Verbundes aus Wafer und Dämpferstrukturen in einzelne Sensoren mit ihren jeweiligen Dämpfern, beispielsweise mittels Sägen oder Laserschneiden durch den Waferverbund durchgeführt.
Der mikromechanische Wafer kann dabei ein Wafer mit mikromechanischen Funktionselementen, ein Waferstück oder auch ein Verbundwafer, beispielsweise aus einem MEMS-Substratwafer und einem Kappenwafer sein.
2 zeigt schematisch ein mikromechanisches Modul mit UV-härtendem Dämpfer. Dargestellt ist ein vereinzelter MEMS Chip 25 mit einem angeformten Dämpfer 35.
3 zeigt schematisch ein verpacktes Bauteil mit einem MEMS Chip mit UV-härtendem Dämpfer. Dargestellt ist MEMS Chip 25 mit einem angeformten Dämpfer 35, der mit diesem Dämpfer auf einer Oberseite eines Substrats 70 befestigt ist. Der MEMS Chip ist mittels Bonddrähten 60 elektrisch mit einem ASIC 50 verbunden. An einer Unterseite des Substrats können zur elektrischen Kontaktierung Lotkugeln 80 (bei einem BGA, Ball Grid Array) oder Kontaktflächen (bei einem LGA, Land Grid Array) angeordnet sein. ASIC und MEMS Chip sind durch ein Gehäuse 90 verpackt.
Bezugszeichenliste

10: UV transparente Master-Form
20: verkappter Sensorwafer
25: MEMS Chip
30: UV härtendes LSR
35: Dämpfer
40: UV Strahlung
50: ASIC
60: Bonddraht
70: Leiterplatte
80: Lotkugel
90: Gehäuse

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102018222685 [0004]
DE 102019205799 [0004]

Claims

Verfahren zur Herstellung von Dämpferstrukturen an einem mikromechanischen Wafer mit den Schritten: A - Bereitstellung einer wenigstens teilweise UV-transparenten Master-Form für das Abformen von Dämpferstrukturen; B - Einlegen und Anpressen eines mikromechanischen Wafers in die Master-Form, so dass mikromechanische Strukturen im Wafer in Bezug auf die Dämpferstrukturen justiert sind; C - Befüllen der Master-Form mit UV-aushärtendem LSR und anschließende UV-Belichtung; D - Entformung und Entnahme der verbundenen Struktur aus mikromechanischem Wafer mit angebrachten Dämpfern.
Verfahren zur Herstellung von Dämpferstrukturen an einem mikromechanischen Wafer, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt C das LSR bei einer Temperatur von 20 - 60°C verarbeitet wird.
Verfahren zur Herstellung eines vereinzelten MEMS Chips mit UV-gehärtetem Dämpfer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Schritt D in einem Schritt E der mikromechanische Wafer mit angebrachten Dämpfern durch Sägen des Wafers in Chips vereinzelt wird.