DE102022210285A1

DE102022210285A1 - Tragevorrichtung für ein oder mehrere MEMS-Bauelemente

Info

Publication number: DE102022210285A1
Application number: DE102022210285.1A
Authority: DE
Inventors: Jan Stiedl; Joachim Friedl
Original assignee: Robert Bosch GmbH; Carl Zeiss SMT GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH; Carl Zeiss SMT GmbH
Priority date: 2022-09-28
Filing date: 2022-09-28
Publication date: 2024-03-28
Also published as: US20240101412A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (100) zum Tragen eines oder mehrerer MEMS-Bauelemente (160) mit einem Basisbauelement (110), im Wesentlichen bestehend aus einem ersten Material mit einem ersten Ausdehnungskoeffizienten α₁, einem mit dem Basisbauelement (110) in einem oder mehreren ersten Verbindungsbereichen (140) stoffschlüssig verbundenen Interposer (120), im Wesentlichen bestehend aus einem zweiten Material mit einem zweiten Ausdehnungskoeffizienten α₂, und einem mit dem Interposer (120) in einem oder mehreren zweiten Verbindungsbereichen (150) stoffschlüssig verbundenen Trägersubstrat (130), im Wesentlichen bestehend aus einem dritten Material mit einem dritten Ausdehnungskoeffizienten α₃, wobei das Trägersubstrat (130) zum Tragen des einen oder der mehreren MEMS-Bauelemente (160) ausgestaltet ist und für die Ausdehnungskoeffizienten α₁ > α₂ ≥ α₃, vorzugsweise α₁ > α₂ = α₃, gilt. Weiterhin betrifft die Erfindung ein System (105) umfassend eine erfindungsgemäße Vorrichtung (100) und das eine oder die mehreren MEMS-Bauelemente (160) sowie ein Verfahren zu Herstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung (100).

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der MEMS-Bauelemente und betrifft eine Vorrichtung zum Tragen eines oder mehrerer MEMS-Bauelemente, ein System aus einer solchen Vorrichtung und einem oder mehreren MEMS-Bauelementen sowie ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Stand der Technik
Der Einsatz von Vorrichtungen mit mikroelektromechanischen Systemen (MEMS: microelectromechanical system) und entsprechenden MEMS-basierten Bauelementen (MEMS-Bauelemente), wie beispielsweise Sensoren, Mikrospiegel-Arrays oder Mikrospiegelaktoren, erfolgt heutzutage in einer Vielzahl von Vorrichtungen, beispielsweise in Messgeräten, Smartphones, Projektoren, Head-up-Displays, Barcodelesern, Maskenbelichtern in der Halbleiterfertigung und Mikroskopen. So sind Mikrospiegel-Arrays beispielsweise aus den Schriften DE 10 2013 208 446 A1 , EP 0 877 272 A1 und WO 2010/049076 A2 bekannt.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß werden eine Vorrichtung zum Tragen eines oder mehrerer MEMS-Bauelemente und ein System umfassend eine solche Vorrichtung und ein oder mehrere MEMS-Bauelemente vorgeschlagen. Weiterhin wird ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung offenbart.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird eine Vorrichtung zum Tragen eines oder mehrerer MEMS-Bauelemente, vorzugsweise eines Mikrospiegel-Arrays, vorgeschlagen. Diese Vorrichtung umfasst ein Basisbauelement, im Wesentlichen bestehend aus einem ersten Material mit einem ersten thermischen Ausdehnungskoeffizienten α₁, einen mit dem Basisbauelement in einem oder mehreren ersten Verbindungsbereichen stoffschlüssig verbundenen Interposer, im Wesentlichen bestehend aus einem zweiten Material mit einem zweiten thermischen Ausdehnungskoeffizienten α₂, und einen mit dem Interposer in einem oder mehreren zweiten Verbindungsbereichen stoffschlüssig verbundenen Trägersubstrat, im Wesentlichen bestehend aus einem dritten Material mit einem dritten thermischen Ausdehnungskoeffizienten α₃. Hierbei ist das Trägersubstrat zum Tragen des einen oder der mehreren MEMS-Bauelemente ausgestaltet, und für die thermischen Ausdehnungskoeffizienten gilt α₁ > α₂ ≥ α₃ und vorzugsweise α₁ > α₂ = α₃. Das Trägersubstrat kann beispielsweise eine quaderförmige oder zylindrische Außenform aufweisen.
Unter einem Interposer im Sinne der vorliegenden Erfindung ist ein Kopplungselement zur mechanischen Kopplung zwischen zwei Komponenten zu verstehen, das elektrische Verbindungen und elektrische Bauelemente umfassen kann, aber nicht muss. Der thermische Ausdehnungskoeffizient, auch Wärmeausdehnungskoeffizient genannt, wird im Folgenden auch kurz als Ausdehnungskoeffizient bezeichnet. Es kann sich bei dem ersten Ausdehnungskoeffizienten α₁ um einen thermischen Längenausdehnungskoeffizienten, einen thermischen Flächenausdehnungskoeffizienten oder einen thermischen Raumausdehnungskoeffizienten handeln. Entsprechendes gilt für den zweiten Ausdehnungskoeffizienten α₂ und den dritten Ausdehnungskoeffizienten α₃. Für einen Vergleich der Ausdehnungskoeffizienten der drei Materialien muss dieselbe Art von Ausdehnungskoeffizient gewählt werden. Demgemäß handelt es sich bei den mittels Ungleichung α₁ > α₂ ≥ α₃ zu vergleichenden Ausdehnungskoeffizienten stets um dieselbe Art von Ausdehnungskoeffizient, verdeutlicht durch das identische Symbol α.
Es existieren folglich eine oder mehrere stoffschlüssige Verbindungen sowohl zwischen Basisbauelement und Interposer als auch zwischen Interposer und Trägersubstrat. Hierbei erstrecken sich diese stoffschlüssigen Verbindungen über einen ersten beziehungsweise einen zweiten Verbindungsbereich. Hierbei bezeichnet ein Verbindungsbereich in Bezug auf zwei Komponenten einen Bereich beidseitig einer stoffschlüssigen Verbindung zwischen den zwei Komponenten, in welchem die stoffschlüssige Verbindung ausgeprägt ist, also zwischen zwei Oberflächen der Komponenten besteht. Ein Verbindungsbereich kann also immer zwei Komponenten zugeordnet werden und definiert durch seine Form eine zugehörige geometrische Grundfläche.
Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass Bedarf besteht, MEMS-Bauelemente bei einem Einsatz in einer Vorrichtung derartig an ein Element einer übergeordneten Baugruppe anzukoppeln, dass eine mechanisch stabile sowie verzugsarme Verbindung auch bei schwankenden Temperaturen besteht. Typischerweise werden MEMS-Bauelemente auf einem Trägersubstrat angeordnet, dessen Ausdehnungskoeffizient häufig von dem Ausdehnungskoeffizienten eines Bauelements einer übergeordneten Struktur abweicht, an das das MEMS-Bauelement mit dem Trägersubstrat gekoppelt wird. Dieses Bauelement, das der Verbindung mit der übergeordneten Baugruppe dient, wird im Rahmen dieser Erfindung als Basisbauelement bezeichnet. So kann es sein, dass das Basisbauelement aus einem Metall wie beispielsweise Kupfer besteht, während das Trägersubstrat beispielsweise aus einer Keramik besteht. Dies hat zur Folge, dass im Fall von Temperaturänderungen thermische Spannungen, die auch als thermisch induzierte mechanische Spannungen bezeichnet werden, zwischen Basisbauelement und Trägersubstrat auftreten. Die Güte vieler Vorrichtungen mit einem oder mehreren MEMS-Bauelementen wird durch thermische Spannungen negativ beeinflusst. So können beispielsweise thermische Spannungen zwischen den verwendeten Komponenten bei Vorrichtungen mit Mikrospiegel-Arrays zu Verzug und insbesondere Verformungen und damit verschlechterter Koplanarität der einzelnen Spiegelelemente führen.
Temperaturänderungen, die thermische Spannungen hervorrufen, können beispielsweise im Rahmen der Fertigung einer solchen Vorrichtung, aber auch während des Betriebs der Vorrichtung auftreten. Auch können thermische Spannungen dadurch bedingt sein, dass die Fertigung der Vorrichtung bei einer anderen Temperatur stattfindet als deren Betrieb. Thermische Spannungen können insbesondere stoffschlüssige Verbindungen zwischen Trägersubstrat und Basisbauelement schwächen, da diese häufig wenig duktil sind und auf Grund ihrer geringen elastischen Deformierbarkeit nicht geeignet sind, um die aus Temperaturänderungen resultierenden thermischen Spannungen zu ertragen. Dies ist dann besonders nachteilhaft, wenn auf Grund des MEMS-Bauelements und/oder damit verbundener Bauelemente, beispielsweise elektronischer Bauelemente, nur begrenzt Platz auf dem Trägersubstrat vorhanden ist, der für stoffschlüssige Verbindungen genutzt werden kann. Stoffschlüssige Verbindungen können also häufig nicht so ausgeführt werden, wie es eigentlich für eine stabile Verbindung erforderlich wäre, beispielsweise über eine ausreichend große und/oder anderweitig geometrisch vorteilhafte Fläche eines Verbindungsbereichs. Andererseits sind aber stoffschlüssige Verbindungen für eine Vielzahl von Anwendungen erforderlich, um einen hermetischen Abschluss von Komponenten zu erreichen.
Erfindungsgemäß wird dieses Problem der mechanisch stabilen Kopplung zwischen Trägersubstrat und Basisbauelement bei Verwendung von stoffschlüssigen Verbindungen durch den Einsatz eines Interposers zwischen Basisbauelement und Trägersubstrat erreicht. Hierbei wird das Material des Interposers so gewählt, dass dieses einen geringeren Ausdehnungskoeffizienten aufweist als das Material des Basisbauelements und gleichzeitig einen größeren oder bevorzugt gleich großen Ausdehnungskoeffizienten wie das Trägersubstrat. Diese Materialwahl hat zur Folge, dass die thermischen Spannungen, die auf die stoffschlüssigen Verbindungen mit dem Trägersubstrat einwirken, reduziert werden. Hierdurch wird ermöglicht, die stoffschlüssigen Verbindungen zwischen Interposer und Trägersubstrat geometrisch vorteilhafter auszuführen und zu platzieren, da sie in geringerem Maße thermischen Spannungen ausgesetzt sind. Insbesondere im Fall eines identischen Ausdehnungskoeffizienten von Interposer und Trägersubstrat können thermischen Spannungen zwischen diesen beiden Komponenten vermieden werden. Stattdessen treten entsprechende thermische Spannungen zwar immer noch an den Verbindungen zwischen Basisbauelement und Interposer auf, da der Interposer aber basisbauelementseitig freier gestaltet werden kann, kann dieser so ausgeführt werden, dass hier trotz der thermischen Spannungen eine ausreichend stabile stoffschlüssige Verbindung hergestellt wird. Im Gegensatz zu einer stoffschlüssigen Verbindung zwischen Trägersubstrat und Basisbauelement müssen folglich das eine oder die mehreren zu tragenden MEMS-Bauelemente und/oder weitere Komponenten auf dem Trägersubstrat, wie beispielsweise elektronische Bauelemente, bei der Kopplung über einen Interposer konstruktiv nicht berücksichtigt werden. Bevorzugt werden bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung das Basisbauelement und das Trägersubstrat auf entgegengesetzten Seiten des Interposers angeordnet, um sowohl bei der Ausgestaltung der stoffschlüssigen Verbindungen zwischen Basisbauelement und Interposer als auch zwischen Interposer und Trägersubstrat größtmögliche Freiheit zu haben.
Als Verfahren zum stoffschlüssigen Verfügen von Basisbauelement, Interposer und Substratträger können beispielsweise Löten, Sintern und/oder Schweißen eingesetzt werden. Abhängig vom gewählten Verfahren kann eine erfindungsgemäße Vorrichtung auch eine erste Verbindungsschicht zwischen dem Basisbauelement und dem Interposer und eine zweite Verbindungsschicht zwischen dem Interposer und dem Trägersubstrat umfassen, durch die die jeweilige stoffschlüssige Verbindung erzielt wird, beispielsweise eine Lotschicht oder eine Sinterschicht, wie beispielsweise eine Silber-Sinterschicht.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung stehen das Basisbauelement und das Trägersubstrat ausschließlich über den Interposer miteinander in mechanischem Kontakt und damit auch in thermischem Kontakt. Es existieren also keine sonstigen die beiden Komponenten verbindenden Elemente, die ohne den Interposer einen mechanischen Kontakt zwischen Basisbauelement und Interposer herstellen. Hierdurch kann gewährleistet werden, dass das Trägersubstrat optimal mit dem Basisbauelement mechanisch in Verbindung steht und nicht anderweitig thermische Spannungen auftreten können.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Interposer eine vieleckige, insbesondere rechteckige, oder eine ovale, insbesondere kreisförmige, Grundfläche ausweist, wobei die Grundfläche den ersten und/oder den zweiten Verbindungsbereich aufweist. Durch eine solche Form einer Grundfläche kann eine besonders gute mechanische Stabilität und eine optimale stoffschlüssige Verbindung zum Basisbauelement und/oder zum Trägersubstrat sichergestellt werden.
Vorzugsweise sind bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung das zweite Material, also das des Interposers, und das dritte Material, also das des Trägersubstrats, identisch. Dies hat den Vorteil, dass ein identischer Ausdehnungskoeffizient sichergestellt ist. Das erste Material ist vorzugsweise ein Metall, beispielsweise Kupfer, oder beinhaltet ein Metall. Insbesondere sind Metalllegierungen, beispielsweise ein Stahl, denkbar. Das zweite Material für den Interposer und/oder das dritte Material für das Trägersubstrat ist vorzugsweise eine Keramik, beispielsweise eine Al₂O₃-Keramik (Aluminiumoxidkeramik) oder eine AIN-Keramik (Aluminiumnitridkeramik), oder das zweite Material und/oder das dritte Material beinhaltet eine solche Keramik.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind das Basisbauelement und der Interposer ausschließlich in dem einen oder den mehreren ersten Verbindungsbereichen miteinander verbunden und der Interposer und das Trägersubstrat ausschließlich in dem einem oder den mehreren zweiten Verbindungsbereichen miteinander verbunden. Es existieren also keine stoffschlüssigen oder nicht-stoffschlüssigen Verbindungen zwischen den entsprechenden Komponenten außerhalb dieser Bereiche. Bevorzugt handelt es sich um genau einen ersten Verbindungsbereich. Dies ist vorteilhaft, da hierdurch eine besonders einfache und mechanisch stabile Verbindung zwischen Interposer und Basisbauelement erreicht werden kann. Durch die basisbauelementseitige Gestaltungsfreiheit bezüglich der Form des Interposers kann dieser erste Verbindungsbereich flexibel und vorteilhaft platziert werden. So ist es insbesondere denkbar, den ersten Verbindungsbereich zentrisch auf einer Grundfläche des Interposers zu positionieren. Hierdurch kann eine besonders stabile mechanische Verbindung erreicht werden.
Für die Ausgestaltung der Geometrie der stoffschlüssigen Verbindungen, also der Verbindungsbereiche, existieren mehrere besonders bevorzugte und sich gegenseitig nicht ausschließende Varianten, die eine besonders hohe mechanische Stabilität der erfindungsgemäßen Vorrichtung und ihrer Verbindungen ermöglichen und/oder die Flexibilität bei der Wahl der Geometrie des Interposers ausnutzen. Für die folgende Beschreibung dieser Varianten wird davon ausgegangen, dass keine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Basisbauelement und dem Interposer oder zwischen dem Interposer und dem Trägersubstrat existiert, die nicht in einem der Verbindungsbereiche, also in einem der ein oder mehreren ersten Verbindungsbereiche oder in einem der ein oder mehreren zweiten Verbindungsbereiche, liegt. Es werden Möglichkeiten aufgezeigt, insbesondere eine gegenüber thermischen Spannungen stabile stoffschlüssige Verbindung zwischen Interposer und Basisbauelement zu gestalten.
In einer ersten Variante bedecken der erste oder die mehreren ersten Verbindungsbereiche gemeinsam eine erste Fläche des Interposers und der zweite oder die mehreren zweiten Verbindungsbereiche bedecken gemeinsam eine zweite Fläche des Interposers, wobei die erste Fläche größer (bezogen auf den Flächeninhalt) und/oder anderweitig geometrisch vorteilhafter als die zweite Fläche ist. Hierbei kann es sich bei mehreren ersten und/oder zweiten Verbindungsbereichen bei den Flächen entsprechend um mehrere disjunkte Teilflächen handeln. In einer zweiten Variante weist jeder der ein oder mehreren ersten Verbindungsbereiche eine andere, also von der Größe und/oder der Form unterschiedliche Grundfläche auf als jeder der ein oder mehreren zweiten Verbindungsbereiche. In einer dritten Variante weist die Mehrzahl, vorzugsweise jeder der ein oder mehreren ersten Verbindungsbereiche eine größere und/oder anderweitig geometrisch vorteilhaftere Grundfläche auf als jeder der ein oder mehreren zweiten Verbindungsbereiche. In einer vierten Variante weist jeder der ein oder mehreren ersten Verbindungsbereiche eine ovale, insbesondere eine elliptische oder kreisförmige Grundfläche auf, und/oder jeder der ein oder mehreren zweiten Verbindungsbereiche weist eine rechteckige Grundfläche auf. Insbesondere kann der eine oder die mehreren ersten Verbindungsbereiche ringförmig gestaltet sein.
Im Sinne der Erfindung wird eine erste Fläche als anderweitig geometrisch vorteilhafter als eine zweite Fläche angesehen, wenn a) die maximale laterale Erstreckung der Fläche in Relation zum Flächeninhalt der Fläche für die erste Fläche kleiner ist als für die zweite Fläche und/oder b) das polare Flächenträgheitsmoment bezüglich des geometrischen Schwerpunkts der ersten Fläche kleiner ist als der zweiten Fläche und/oder c) der Perimeter der ersten Fläche im Vergleich zur zweiten Fläche ohne Ecken (sowohl Innen- als auch Außenecken) oder mit weniger Ecken ausgeführt ist. Letzteres ist besonders vorteilhaft, da hierdurch eine Kerbwirkung bestmöglich vermieden wird. Im Fall der ersten beiden Alternativen werden stark ausgeprägte thermische Spannungen auf Grund von zu großen lateralen Ausdehnungen vermieden. Die obige Definition gilt entsprechend für den Fall einer ersten und zweiten Grundfläche von Verbindungsbereichen. Im Fall, dass eine Fläche betrachtet wird, die aus mehreren disjunkten Teilflächen besteht, so ist eine erste Fläche als anderweitig geometrisch vorteilhafter anzusehen als eine zweite Fläche, wenn zumindest eine der Teilflächen der ersten Fläche anderweitig geometrisch vorteilhafter ist als jede der Teilflächen der zweiten Fläche.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein System vorgeschlagen, das eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Tragen eines oder mehrerer MEMS-Bauelemente und das eine oder die mehreren MEMS-Bauelemente umfasst. Bei dem einen oder den mehreren MEMS-Bauelementen kann es sich beispielsweise um einen Mikrospiegel oder ein Mikrospiegel-Array handeln. Das eine oder die mehreren MEMS-Bauelemente sind hierbei auf einer ersten Seite des Trägersubstrats angeordnet. Hierbei liegt diese Seite vorzugsweise einer zweiten Oberfläche des Trägersubstrats gegenüber, welche den einen oder die mehreren zweiten Verbindungsbereiche aufweist.
Besonders bevorzugt ist ein elektronisches Bauelement auf einer von der ersten Seite verschiedenen zweiten Seite des Trägersubstrats angeordnet, wobei die zweite Seite den einen oder die mehreren zweiten Verbindungsbereiche aufweist und eine elektrische Verbindung zwischen dem elektronischen Bauelement und dem einen oder den mehreren MEMS-Bauelementen besteht. Das elektronische Bauelement kann beispielsweise der Steuerung des einen oder der mehreren MEMS-Bauelemente dienen. Beispielsweise kann es sich bei dem elektronischen Bauelement um ein ASIC (anwendungsspezifische integrierte Schaltung) handeln. Auch kann das Trägersubstrat als Umverdrahtungselement ausgeprägt sein. Vorzugsweise weist der Interposer weiterhin eine Aussparung auf, die das elektronische Bauelement zumindest teilweise seitlich umfasst, vorzugsweise auf mehreren Seiten, um dieses vor äußeren Einflüssen zu schützen. Beispielsweise kann der Interposer eine oder mehrere Seitenwände umfassen, die beispielsweise geeignet sein können, das elektronische Bauelement vor äußeren Einflüssen wie Fremdpartikeln zu schützen.
Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung zum Tragen eines oder mehrerer MEMS-Bauelemente vorgeschlagen. Vorzugsweise handelt es sich hierbei um eine erfindungsgemäße Vorrichtung wie oben beschrieben. Zuerst wird hierbei ein Basisbauelement, im Wesentlichen bestehend aus einem ersten Material mit einem ersten thermischen Ausdehnungskoeffizienten α₁ bereitgestellt, ebenso ein Interposer, im Wesentlichen bestehend aus einem zweiten Material mit einem zweiten thermischen Ausdehnungskoeffizienten α₂, und ein Trägersubstrat, im Wesentlichen bestehend aus einem dritten Material mit einem dritten thermischen Ausdehnungskoeffizienten α₃, wobei das Trägersubstrat zum Tragen des einen oder der mehreren MEMS-Bauelemente ausgebildet ist. Vorzugsweise gilt hierbei für die Ausdehnungskoeffizienten α₁ > α₂ ≥ α₃, bevorzugt α₁ > α₂ = α₃. Durch ein stoffschlüssiges Verfahren, beispielsweise ein Löten, ein Sintern und/oder ein Schweißen, wird der Interposer mit dem Basisbauelement und mit dem Trägersubstrat derart verbunden, dass das Basisbauelement und das Trägersubstrat nach dem stoffschlüssigen Verbinden ausschließlich über den Interposer in Kontakt stehen. Hierbei kann das Verbinden des Interposers mit dem Basisbauelement zeitlich vor dem Verbinden des Interposers mit dem Trägersubstrat erfolgen, aber auch die umgekehrte Reihenfolge ist denkbar. Insbesondere kann ein Verbinden des Interposers mit dem Trägersubstrat vor einem Verbinden des Interposers mit dem Basisbauelement erfolgen, um durch den Interposer das Trägersubstrat und damit gegebenenfalls bereits verbundene Komponenten, beispielsweise ein MEMS-Bauelement und/oder ein elektronisches Bauelement, zu schützen, beispielsweise vor einer ungewollten mechanischen Beschädigung im Rahmen der Fertigung der Vorrichtung.
Weiterhin kann es vorteilhaft sein, wenn sich das eine oder die mehreren MEMS-Bauelemente bereits auf dem Trägersubstrat befinden, bevor dieses mit dem Interposer verbunden wird. Das eine oder die mehreren MEMS-Bauelemente werden also vorzugsweise vorher mit dem Trägersubstrat verbunden, bevor dieser mit dem Interposer verbunden wird. Das eine oder die mehreren MEMS-Bauelemente können beispielsweise mittels eines stoffschlüssigen Verfahrens, beispielsweise mittels eines Lötens und/oder Sinterns und/oder Klebens vorher mit dem MEMS-Trägersubstrat verbunden werden. Dies gilt auch für ein mögliches elektronisches Bauelement, beispielsweise zur Steuerung des einen oder der mehreren MEMS-Bauelemente, welches ebenfalls mit dem Trägersubstrat verbunden werden kann, bevor das Trägersubstrat mit dem Interposer verbunden wird. Alternativ können das eine oder die mehreren MEMS-Bauelemente und/oder das elektronische Bauelement allerdings auch erst nach dem Verbinden des Interposers mit dem Trägersubstrat ebenfalls mit dem Trägersubstrat verbunden werden.
Vorteile der Erfindung
Die vorliegende Erfindung zeigt Möglichkeiten auf, ein oder mehrere MEMS-Bauelemente auf einem Trägersubstrat mittels stoffschlüssiger Verbindungen mechanisch stabil an eine übergeordnete Baugruppe zu koppeln. Insbesondere werden hierbei thermische Spannungen, die durch Materialpaarungen mit unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten entstehen, vermieden und/oder in unkritischere Verbindungen der Vorrichtung verlagert.
Typischerweise existiert bei der stoffschlüssigen Verbindung mit einem Trägersubstrat eine große Einschränkung hinsichtlich möglicher Designs. Dies ist insbesondere bedingt durch die Komponenten, die sich auf dem Trägersubstrat befinden, da für diese entsprechender Bauraum freigehalten und nicht für die Verbindungen verwendet werden kann. Häufig sind durch solche konstruktiven Einschränkungen Verbindungsbereiche erforderlich, die mechanisch ungünstig sind, beispielsweise, weil sie besonders schmal ausgeführt werden müssen. Auch können im Fall von rechtwinklig ausgeführten Verbindungsbereichen Kerbwirkungen und entsprechende Spannungsüberhöhungen in den Verbindungen auftreten, die besonders kritisch bei entsprechend dünn gestalteten Verbindungsbereichen sind. Weiterhin sind die Verbindungsbereiche häufig auch lateral stark ausgedehnt, wodurch besonders stark ausgeprägte thermische Spannungen auftreten können. Durch stoffschlüssige Verbindungen soll häufig auch eine hermetisch dichte Segmentierung einer Vorrichtung bei der Verwendung von MEMS-Bauelementen erreicht werden. Dies macht eine stoffschlüssige Verbindung mittels Materialien erforderlich, die typischerweise eine geringe Duktilität aufweisen und deshalb besonders anfällig gegenüber thermischen Spannungen sind.
Durch den erfindungsgemäßen Ansatz über einen Interposer ist es möglich, die mechanische Stabilität der stoffschlüssigen Verbindungen zum Trägersubstrat zu erhöhen und insbesondere thermischen Spannungen entgegenzuwirken. Hierzu wird ein Interposer aus einem Material mit einem identischen oder zumindest ähnlichen Ausdehnungskoeffizienten wie dem des Trägersubstrats zwischen Basisbauelement, welches der Kopplung an die übergeordnete Baugruppe dient, und Trägersubstrat eingesetzt.
Weiterhin ermöglicht die bauliche Flexibilität hinsichtlich des Designs des Interposers eine Vielfalt von Gestaltungsmöglichkeiten hinsichtlich des einen oder der mehreren Verbindungsbereiche zwischen dem Interposer und dem Basisbauelement: Der oder die Verbindungsbereiche zum Basisbauelement können frei und optimiert ausgeführt werden, da durch ihre Anordnung in einer anderen Ebene die entsprechenden Verbindungen nicht mehr mit den auf dem Trägersubstrat aufgebrachten Komponenten konkurrieren. Im Fall der Benutzung eines einzigen ersten Verbindungsbereiches kann dieser weiterhin vorteilhaferweise mittig auf der zu verbindenden Grundfläche des Interposers angeordnet und insbesondere kreisförmig oder ringförmig gestaltet sein, um eine Kerbwirkung zu vermeiden. Weiterhin kann die laterale Ausdehnung des einen oder der mehreren ersten Verbindungsbereiche so optimiert werden, dass sowohl eine ausreichende mechanische Kopplung zwischen Interposer und Basisbauelement sichergestellt ist als auch thermische Spannungen auf Grund der lateralen Ausdehnung begrenzt werden. Die mechanische Kopplung zwischen Trägersubstrat und Basisbauelement wird somit durch die in die grundsätzlich unkritischeren Verbindungen zwischen Interposer und Basisbauelement verlagerten thermischen Spannungen deutlich stabiler.
Durch die Verwendung eines Interposers gemäß der vorliegenden Erfindung kann weiterhin auch einem thermisch induzierten Verzug entgegengewirkt werden, der auf das eine oder die mehreren MEMS-Bauelemente einer Vorrichtung negativ einwirken könnte. Dies erhöht die Güte der Vorrichtung. Insbesondere im Fall eines Mikrospiegel-Arrays als MEMS-Bauelement eines erfindungsgemäßen Systems wird hierdurch eine bestmögliche Koplanarität der Spiegelelemente des Mikrospiegel-Arrays auch bei schwankenden Temperaturen sichergestellt.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:

1A eine schematische Darstellung einer beispielhaften erfindungsgemäßen Vorrichtung und eines beispielhaften erfindungsgemäßen Systems in einer Seitenansicht;
1B eine schematische Darstellung der Verbindungsschichten und der Verbindungsbereiche der beispielhaften erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer Draufsicht; und
2 in schematischer Form als Flussdiagramm ein beispielhaftes erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung einer beispielhaften erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Ausführungsformen der Erfindung
In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente in Einzelfällen verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.
1A zeigt eine schematische Darstellung einer beispielhaften erfindungsgemäßen Vorrichtung 100 und eines beispielhaften erfindungsgemäßen Systems 105 in einer Seitenansicht.
Genauer zeigt 1A eine erfindungsgemäße Vorrichtung 100 zum Tragen eines MEMS-Bauelements 160 und gleichzeitig das System 105, bestehend aus der erfindungsgemäßen Vorrichtung 100 und dem aufgebrachten MEMS-Bauelement 160. Diese Vorrichtung 100 weist ein Basisbauelement 110 auf, das zur Ankopplung an eine übergeordnete Baugruppe verwendet werden kann, einen Interposer 120 sowie ein Trägersubstrat 130 mit dem auf einer ersten Seite 130a des Trägersubstrats 130 aufgebrachten MEMS-Bauelement 160, beispielsweise einem Mikrospiegel-Array. Das Basisbauelement 110 und der Interposer 120 sind hierbei stoffschlüssig miteinander verbunden, wobei diese stoffschlüssige Verbindung in einem ersten Verbindungsbereich 140 realisiert ist. Auch zwischen dem Interposer 120 und dem Trägersubstrat 130 findet sich eine stoffschlüssige Verbindung in einem zweiten Verbindungsbereich 150. Der Interposer 120 und das Trägersubstrat 130 bestehen hierbei im Wesentlichen aus demselben ersten Material, beispielsweise einer Keramik, das Basisbauelement 110 allerdings aus einem zweiten Material, beispielsweise einem Metall wie Kupfer, mit einem Ausdehnungskoeffizienten, der vom Ausdehnungskoeffizienten des ersten Materials abweicht.
Weiterhin befinden sind elektronische Bauelemente 180 auf dem Trägersubstrat 130, und zwar auf der der ersten Seite 130a gegenüberliegenden zweiten Seite 130b des Trägersubstrats 130. Diese sind in einer Aussparung 125 des Interposers 120 angeordnet und mit dem MEMS-Bauelement 160 über elektrische Verbindungen 170 verbunden, die durch das Trägersubstrat 130 verlaufen. Bei den elektronischen Bauelementen 180 kann es sich beispielsweise um ASICs handeln, die der Ansteuerung des MEMS-Bauelements 160 dienen. Weiterhin eingezeichnet sind eine erste Verbindungsschicht 145 und eine zweite Verbindungsschicht 155, die Teil der stoffschlüssigen Verbindungen sind, im Gebiet der Verbindungsbereiche 140, 150. Hierbei kann es sich beispielsweise um Lot- und/oder Sinterschichten handeln.
Die Elemente 110, 120, 130, 140, 145, 150, 155 und 160 sind hierbei zentrisch zueinander angeordnet. Zeichnerisch ist dies durch die eingezeichnete mittig verlaufende Achse 190 veranschaulicht. Hierbei verläuft die Achse 190 senkrecht zu Oberflächen der einzelnen Elemente 110, 120, 130, 140, 145, 150, 155, 160, also auch senkrecht zu den Seiten 130a, 130b des Trägersubstrats.
In der 1B sind die Verbindungsschichten 155, 145 und die Verbindungsbereiche 140, 150 aus 1A in einer Draufsicht veranschaulicht. Wie zu sehen ist, besitzen diese unterschiedliche Formen: Der erste Verbindungsbereich 140 und entsprechend die erste Verbindungsschicht 145 sind kreisförmig gestaltet, während der zweite Verbindungsbereich 150 und die zweite Verbindungsschicht 155 die Form eines quadratischen, schmalen Rahmens haben, der durch die von den elektronischen Bauelementen 180 benötigte Aussparung 125 erzwungen wurde. Anstatt eines kreisförmigen Verbindungsbereichs 140 und einer kreisförmigen Verbindungsschicht 145 ist jeweils auch eine Ringform denkbar. Eine solche Ringform kann beispielsweise dann vorteilhaft sein, wenn zentrisch um die Achse 190 eine zylinderförmige Ausnehmung im Interposer 120 angeordnet wäre, beispielsweise zur Zuführung von elektrischen Leitungen. Diese Ausnehmung könnte durch eine ringförmige Verbindungsschicht 145 hermetisch dicht umschlossen werden. Die in 1B dargestellte stoffschlüssige Verbindung des zweiten Verbindungsbereiches 150 ist mechanisch prinzipiell deutlich instabiler als die stoffschlüssige Verbindung des ersten Verbindungsbereiches 140: Auf Grund der größeren lateralen Ausdehnung haben potenzielle thermische Spannungen hier stärkere Auswirkungen als im ersten Verbindungsbereich 140, durch die Ecken entstehen Kerbwirkungen, Spannungserhöhungen sind zu erwarten. Diese werden im ersten Verbindungsbereich 140 durch die Kreisform vollständig vermieden, was für den zweiten Verbindungsbereich 150 konstruktionsbedingt nicht möglich ist. Durch die erfolgte Wahl von im Wesentlichen identischen Materialien für das Trägersubstrat 130 und den Interposer 120 werden nun thermische Spannungen an kritischen Stellen vermieden: Es treten durch die unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten nur zwischen dem Basisbauelement 110 und dem Interposer 120 thermische Spannungen auf, diese sind allerdings durch die geometrisch vorteilhafter ausgeführte stoffschlüssige Verbindung unkritisch.
2 zeigt in schematischer Form als Flussdiagramm ein beispielhaftes erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung einer beispielhaften erfindungsgemäßen Vorrichtung 100. Hierbei erfolgt in Schritt 210 ein Bereitstellen eines Basisbauelements 110, im Wesentlichen bestehend aus einem ersten Material mit einem ersten thermischen Ausdehnungskoeffizienten α₁, einem Interposer 120, im Wesentlichen bestehend aus einem zweiten Material mit einem zweiten thermischen Ausdehnungskoeffizienten α₂, und einem Trägersubstrat 130, im Wesentlichen bestehend aus einem dritten Material mit einem dritten thermischen Ausdehnungskoeffizienten α₃, wobei das Trägersubstrat 130 zum Tragen eines MEMS-Bauelements 160 ausgebildet ist. In Schritt 220 wird das MEMS-Bauelement 160 auf das Trägersubstrat 130 aufgebracht und mit diesem stoffschlüssig verbunden. Dies kann beispielsweise durch ein Löten, Sintern und/oder Kleben erfolgen. Ebenso können mögliche weitere Bauelemente, wie beispielsweise elektronische Bauelemente 180, mit dem Trägersubstrat 130 verbunden werden. Letzeres geschieht bevorzugt nach dem Aufbringen des MEMS-Bauelements 160 auf das Trägersubstrat 130. Parallel kann in Schritt 230 der Interposer 120 auf dem Basisbauelement 110 mittels eines stoffschlüssigen Verfahrens, beispielsweise mittels eines Lötens, eines Sinterns und/oder eines Schweißens, befestigt werden. Das Basisbauelement 110 dient hierbei der Verbindung mit einer übergeordneten Baugruppe.
Das Trägersubstrat 130 mit dem MEMS-Bauelement 160 und den weiteren Bauelementen kann schließlich in Schritt 240, ebenfalls mit einem stoffschlüssigen Verfahren, wie einem Löten, einem Sintern und/oder einem Schweißen, mit dem Interposer 120 verbunden werden. Bei einer entsprechenden Gestaltung des Interposers 120 kann erreicht werden, dass empfindliche Bauelemente wie das MEMS-Bauelement 160 und die weiteren Bauelemente auf dem Trägersubstrat 130 durch den Interposer 120 für weitere Schritte der Fertigung und später im Betrieb der Vorrichtung 100 geschützt werden.
Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102013208446 A1 [0002]
EP 0877272 A1 [0002]
WO 2010049076 A2 [0002]

Claims

Vorrichtung (100) zum Tragen eines oder mehrerer MEMS-Bauelemente (160) mit einem Basisbauelement (110), im Wesentlichen bestehend aus einem ersten Material mit einem ersten Ausdehnungskoeffizienten α₁, einem mit dem Basisbauelement (110) in einem oder mehreren ersten Verbindungsbereichen (140) stoffschlüssig verbundenen Interposer (120), im Wesentlichen bestehend aus einem zweiten Material mit einem zweiten Ausdehnungskoeffizienten α₂, und einem mit dem Interposer (120) in einem oder mehreren zweiten Verbindungsbereichen (150) stoffschlüssig verbundenen Trägersubstrat (130), im Wesentlichen bestehend aus einem dritten Material mit einem dritten Ausdehnungskoeffizienten α₃, wobei das Trägersubstrat (130) zum Tragen des einen oder der mehreren MEMS-Bauelemente (160) ausgestaltet ist und für die Ausdehnungskoeffizienten α₁ > α₂ ≥ α₃, vorzugsweise α₁ > α₂ = α₃, gilt.
Vorrichtung (100) nach Anspruch 1, wobei das Basisbauelement (110) und das Trägersubstrat (130) auf entgegengesetzten Seiten des Interposers (120) angeordnet sind.
Vorrichtung (100) nach Anspruch 1 oder 2 mit einer ersten Verbindungsschicht (145) zwischen dem Basisbauelement (110) und dem Interposer (120) und einer zweiten Verbindungsschicht (155) zwischen dem Interposer (120) und dem Trägersubstrat (130).
Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Basisbauelement (110) und das Trägersubstrat (130) ausschließlich über den Interposer (120) miteinander in mechanischem Kontakt stehen.
Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Interposer (120) eine vieleckige, insbesondere rechteckige, oder eine ovale, insbesondere kreisförmige, Grundfläche ausweist, wobei die Grundfläche den ersten und/oder den zweiten Verbindungsbereich aufweist.
Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das zweite Material und das dritte Material identisch sind.
Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste Material ein Metall, vorzugsweise Kupfer, ist oder beinhaltet und/oder das zweite Material eine Keramik ist oder beinhaltet und/oder das dritte Material eine Keramik ist oder beinhaltet.
Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Basisbauelement (110) und der Interposer (120) ausschließlich in dem einen oder den mehreren ersten Verbindungsbereichen (140) miteinander verbunden sind und der Interposer (120) und das Trägersubstrat (130) ausschließlich in dem einem oder den mehreren zweiten Verbindungsbereichen (150) miteinander verbunden sind.
Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste oder die mehreren ersten Verbindungsbereiche (140) gemeinsam eine erste Fläche des Interposers (120) bedecken und der zweite oder die mehreren zweiten Verbindungsbereiche (150) gemeinsam eine zweite Fläche des Interposers (120) bedecken und die erste Fläche größer und/oder anderweitig geometrisch vorteilhafter als die zweite Fläche ist, und wobei keine stoffschlüssige Verbindung existiert, die nicht in einem der Verbindungsbereiche (140, 150) liegt.
Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jeder der ein oder mehreren ersten Verbindungsbereiche (140) eine andere Grundfläche aufweist als jeder der ein oder mehreren zweiten Verbindungsbereiche (150), und wobei keine stoffschlüssige Verbindung existiert, die nicht in einem der Verbindungsbereiche (140, 150) liegt.
Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Mehrzahl, vorzugsweise jede, der ein oder mehreren ersten Verbindungsbereiche (140) eine größere und/oder anderweitig geometrisch vorteilhaftere Grundfläche als jede der ein oder mehreren zweiten Verbindungsbereiche (150) aufweist, und wobei keine stoffschlüssige Verbindung existiert, die nicht in einem der Verbindungsbereiche (140, 150) liegt.
Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jeder der ein oder mehreren ersten Verbindungsbereiche (140) eine ovale Grundfläche aufweist und/oder jeder der ein oder mehreren zweiten Verbindungsbereiche eine rechteckige Grundfläche aufweist, und wobei keine stoffschlüssige Verbindung existiert, die nicht in einem der Verbindungsbereiche (140, 150) liegt.
System (105) umfassend eine Vorrichtung (100) zum Tragen eines oder mehrerer MEMS-Bauelemente (160) nach einem der Ansprüche 1 bis 12 und das eine oder die mehreren MEMS-Bauelemente (160), wobei das eine oder die mehreren MEMS-Bauelemente (160) auf einer ersten Seite (130a) des Trägersubstrats (130) angeordnet sind.
System (105) nach Anspruch 13, wobei ein elektronisches Bauelement (180) auf einer von der ersten Seite (130a) verschiedenen zweiten Seite (130b) des Trägersubstrats (130) angeordnet ist, wobei die zweite Seite (130b) den einen oder die mehreren zweiten Verbindungsbereiche (150) aufweist und eine elektrische Verbindung (170) zwischen dem elektronischen Bauelement (180) und dem einen oder den mehreren MEMS-Bauelementen (160) besteht, wobei der Interposer (120) vorzugsweise eine Aussparung (125) aufweist, die das elektronische Bauelement (180) zumindest teilweise seitlich umfasst.
Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung (100) zum Tragen eines oder mehrerer MEMS-Bauelemente (160), vorzugsweise nach einem der Ansprüche 1 bis 12, mit den folgenden Schritten: a. Bereitstellen (210) eines Basisbauelements (110), im Wesentlichen bestehend aus einem ersten Material mit einem ersten thermischen Ausdehnungskoeffizienten α₁, einem Interposer (120), im Wesentlichen bestehend aus einem zweiten Material mit einem zweiten thermischen Ausdehnungskoeffizienten α₂, und einem Trägersubstrat (130), im Wesentlichen bestehend aus einem dritten Material mit einem dritten thermischen Ausdehnungskoeffizienten α₃, zum Tragen des einen oder der mehreren MEMS-Bauelemente (160); und b. stoffschlüssiges Verbinden (230, 240) des Interposers (120) mit dem Basisbauelement (110) und mit dem Trägersubstrat (130) derart, dass das Basisbauelement (110) und das Trägersubstrat (130) nach dem stoffschlüssigen Verbinden (230, 240) ausschließlich über den Interposer (120) in Kontakt stehen.