WO2010124909A1 - Mems mikrofon - Google Patents

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WO2010124909A1
WO2010124909A1 PCT/EP2010/053718 EP2010053718W WO2010124909A1 WO 2010124909 A1 WO2010124909 A1 WO 2010124909A1 EP 2010053718 W EP2010053718 W EP 2010053718W WO 2010124909 A1 WO2010124909 A1 WO 2010124909A1
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membrane
chip
seo
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PCT/EP2010/053718
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Gregor Feiertag
Anton Leidl
Wolfgang Pahl
Matthias Winter
Christian Siegel
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Epcos Ag
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Definitions

  • MEMS microphones Micro-Electro Mechanical System
  • acoustoelectric transducer usually serves an electrically conductive membrane which forms a varying capacitance to a counter electrode under the action of sound.
  • MEMS microphones are installed in a housing or package which has at least one sound opening through which the sound can reach the interior of the housing.
  • the sound can be passed over an optionally angled sound channel to avoid contamination or damage to the microphone membrane.
  • An angled sound channel can be achieved, for example, by lateral displacement of sound opening and microphone membrane or MEMS microphone chip. It is also possible to tilt the microphone chip by 180 ° and to guide the sound channel around the microphone chip.
  • MEMS microphone chip For the miniaturization of MEMS microphones, it has already been proposed to place a MEMS microphone chip on a carrier substrate above a sound inlet opening and to cover the entire system, including the MEMS microphone chip, with a film. It is possible to arrange the necessary for the microphone function IC chip, usually an ASIC, next to the microphone chip and preferably with the same Cover film.
  • the film can be a laminatable plastic film, which is optionally metallized.
  • a disadvantage of miniaturized MEMS microphones is in particular their low mechanical stability, since the microphone membrane has a high susceptibility to breakage due to the low material thickness. Also, with these microphones, during speech transmission at higher frequencies, a non-linear frequency response with peaks is observed, which is undesirable in acoustics and especially in microphones and degrades the quality of the transmission. The miniaturization also shortens the distance between the sound inlet and the membrane, making the membrane more susceptible to soiling that can deposit on the membrane, which in turn increases non-linearity and transmission transients, compromises membrane performance, or even the membrane to damage.
  • the microphone package has a MEMS microphone chip, which is arranged on a substrate and covered with a cover, which terminates close fitting against the substrate on the microphone chip.
  • a back volume In front of the membrane, ie mainly in the area between membrane and substrate, there is a pre-volume formed while behind the membrane, a back volume can be arranged.
  • a sound entrance opening leads through either the substrate or the cover into the volume enclosed by the cover and the substrate. This pre-volume, the sound inlet opening and an acoustic channel connecting both form a cavity system.
  • this cavity system is dimensioned in such a way or has such a geometry that under the action of sound an air friction can arise and the cavity system thereby forms an acoustic low-pass.
  • This is designed in such a way that its -3 dB attenuation point lies below the natural resonances of the membrane and the package.
  • the invention is based on the finding that both the membrane and the entire microphone package each have a natural resonance, in the vicinity of which in sound transmission particularly strong deviations from the linear frequency response occur.
  • the cavity system is now designed so that higher frequencies in the vicinity of the natural resonance are particularly strongly attenuated, while lower frequencies can pass unhindered to the membrane. This prevents that too high frequencies can stimulate the system of microphone chip and microphone package to self-resonance, which would produce a particularly strong excitation and thus of the linear frequency response strongly deviating increases in the frequency response.
  • the mechanical stability of the microphone membrane and thus the durability of the increased microphone, since the excitation of natural resonances is effectively prevented.
  • drop test in which a beating, for example after dropping the microphone or a component with the microphone package is simulated, is known
  • Microphone assemblies excited the membrane to self-resonance, in which they undergo a particularly high deflection and a particularly strong mechanical stress, which can lead to the breakage of the membrane and thus the failure of the microphone in the sequence.
  • the microphone package according to the invention also reduces the excitation of the membrane at the resonance frequency during the droplet test. Thus, the microphone package is better protected against damage to the microphone membrane when falling or with a correspondingly strong mechanical action better than conventional microphones.
  • the -3 dB damping point of the low-pass filter lies below the natural resonances of the membrane or package.
  • the -3 dB attenuation point is at a frequency which is about 75% or less of the self-resonance of the membrane.
  • the total opening cross section of the sound inlet openings is distributed to 2 - 20 sound inlet openings in the substrate, which together have a total cross-sectional area of less than 50% of the membrane area.
  • a reduced in this way total cross-sectional area of the sound inlet openings leads surprisingly to the fact that the sensitivity to high frequencies in the region of the self-resonance of membrane or package is reduced. In this way it is possible to dampen the self-resonances of the membrane and the package by more than 30 dB.
  • the division into several openings ensures the same Overall cross-sectional area of the sound inlet openings for improved low-pass effect.
  • the aspect ratio of the sound inlet openings ie the ratio of length of the sound inlet opening to the diameter between 0.5 and 3. It has been shown that a small cross section of the sound inlet openings for the desired low-pass effect is often not sufficient and only then in this regard comes into play when combined with a suitable aspect ratio.
  • the cross section of the sound inlet openings is between 50 and 200 ⁇ m and in particular approximately 100 ⁇ m.
  • the length of the sound inlet openings is then between 50 and 500 .mu.m, in particular about 150 microns.
  • the microphone package has four sound entry openings each having a diameter of approximately 90-100 ⁇ m with an aspect ratio of 1.3 to 1.7.
  • the microphone chip with the microphone membrane down to the substrate where in one embodiment, the at least one sound inlet opening is located.
  • the distance between microphone membrane and substrate is advantageously between 5 and 100 microns. For example, it can be defined by the diameter or height of the bumps. with which the microphone chip is attached to the substrate. The diameter of the microphone membrane itself is minimized and is for example about 1000 microns.
  • the pre-volume is essentially determined by the area of the microphone chip times the microphone chip / substrate distance, when the cover rests tightly against the side surfaces of the microphone chip over the microphone chip and the substrate and seals the free space between microphone chip and substrate as closely as possible from the outside.
  • other volumes can also contribute to the preliminary volume, provided they are connected to one another via the cavity system.
  • an IC device may be disposed adjacent to the microphone chip, below which there may also be a free volume that contributes to the bias volume, as well as a free volume that may be between the microphone chip IC device.
  • Size ratios determined essentially by the enclosed cavity between microphone chip and substrate. Other volumes between substrate and cover may be negligible in the effect on the acoustic properties.
  • the substrate of the microphone package is designed in multiple layers and has at least two dielectric layers and an integrated wiring contained therein.
  • the substrate comprises a material selected from HTCC (High-Temperature Cofired Ceramic), LTCC (Low-Temperature Cofired Ceramic) and FR4 material, in particular a fiber-reinforced resin laminate, for example glass fiber-reinforced laminate based on epoxy resin.
  • the integrated circuit serves to guide electrical connections of the microphone chip through the substrate to external contacts on the underside of the substrate.
  • an electrical connection between the microphone chip and an optionally in the microphone package with incorporated IC module is produced via the integrated interconnection.
  • passive components may also be integrated in the substrate, which are part of the electrical interconnection of microphone chip and IC component.
  • a metallization is applied at a location on or between the dielectric layers of the multilayered substrate which is exposed in the sound entry openings.
  • the metallization is arranged on the underside of the substrate in the region of the sound inlet opening.
  • this metallization is connected to ground potential and serves harmless overvoltages, which may occur, for example in the form of ESD pulses harmless dissipate to ground. In this way, damage to the sensitive membrane and in general the entire microphone and the IC module contained therein is avoided. It also succeeds with this metallization, disturbing RF radiation in the interior of the microphone package to reduce or prevent.
  • the metallization in the region of the sound opening is flat on a surface facing downwards, ie away from the microphone chip, in such a way that the sound entry openings lie within the metallization and therefore break through the metallization.
  • the sound entry opening has two sections, wherein a first section is formed in a lower, eg the lowest dielectric layer of the substrate and the second section in an upper, eg the uppermost dielectric layer of the substrate. The diameter of the first section is larger than that of the second section.
  • a plurality of second portions are in the region of the first portion, so that a large common aperture in the lower substrate layer comprises a plurality of smaller apertures in the upper substrate layer.
  • These may be the mentioned 2 to 20 sound entry openings.
  • the total sound entrance opening tapers from the first to the second section in one step.
  • the metallization can then be applied to the entire surface of the free-facing surface of this step, enclosing the total amount of the sound inlet openings of the second section.
  • the IC module is preferably applied next to the microphone chip on the substrate and advantageously covered with the same cover.
  • the IC module can also be arranged at another location in, on or below the package.
  • the IC component and the microphone chip can each be mounted side by side in the substrate using flip-chip technology.
  • This has the advantage that the electrical contacting with the substrate, the interconnection of both chips or modules and the mechanical fastening can take place in one step.
  • a further advantage is that in this way the backs of the IC chip and microphone chip are free of electrical connections, so that the cover can be laminated in a simple manner in the form of a film.
  • a flip-chip mounted IC module creates an additional free volume, which can be expected for a given spatial connection to the cavity system and thus to the pre-volume.
  • the membrane of the microphone chip preferably faces the substrate.
  • the recess in the microphone chip behind the membrane (seen in the sound direction), which may be a cavity or in particular breaks through the entire chip to the membrane, forms the back volume for the microphone.
  • this recess is covered in an embodiment on the back of the microphone chip with a film covering this recess as a cover layer.
  • Covering layer has a sufficient degree of rigidity in order to withstand the occurring during the lamination of the further cover over the entire microphone chip and the integrated IC chip and acting on the microphone chip forces and in particular to leave the back volume unimpaired.
  • microphone chip and IC module are arranged one above the other.
  • the dimensions of its smaller IC component can be arranged under the microphone chip, ie between microphone chip and substrate.
  • a recess in the surface of the substrate is provided for the IC module in order to ensure a defined pre-volume in this arrangement.
  • FIG. 1 shows, in a schematic cross-section, a simply designed microphone package
  • FIG. 2 shows an electrical equivalent circuit diagram associated with the components of the microphone package
  • FIG. 3 shows an exemplary microphone package with an additional IC component
  • FIG. 4 shows diagrammatic cross sections of different process stages in the production and singulation of MEMS microphone chips.
  • FIG. 5 shows diagrammatic cross sections of different process steps in the assembly of microphone chips and IC components on a substrate
  • FIG. 6 shows, with reference to schematic cross sections, various method steps for covering and singulating a microphone package.
  • Figure 7 shows a simplified acoustic
  • FIG. 8 shows in various curves the acoustic behavior of a microphone chip without a package, with a known package and with a package according to the invention
  • FIG. 9 shows a microphone package in which the IC component and microphone chip are arranged one above the other.
  • FIG. 1 shows by means of a schematic cross section the simplest possible construction of a device according to the invention
  • the microphone chip MIC is designed as a MEMS module made of a crystalline material, in particular of crystalline silicon. With the help of his down-facing contacts he is mounted on a Bumps BMP substrate SUB and contacted via the bumps also electrically.
  • the microphone chip MIC operates, for example, according to the capacitive principle and has for this purpose a membrane MMB at a short distance to a rigid counter electrode CEL, which are both arranged on the downwardly facing surface of the microphone chip.
  • a recess BKV Above / behind the membrane is a recess BKV, which is produced to expose the membrane, for example by etching from the top.
  • a sound entry opening SEO extending through the substrate SUB is arranged.
  • the sound inlet opening SEO is laterally provided by the microphone chip in the cover so that it opens up a connection to the pre-volume
  • a cover ABD is arranged above substrate SUB and microphone chip MIC in such a way that it preferably encloses the microphone chip MIC tightly and thereby closes and seals the free space between microphone chip and substrate from the outside.
  • the pre-volume is formed as at least largely closed cavity.
  • the under the cover enclosed recess in the microphone chip forms the back volume BKV of the microphone.
  • the effects of the dimensioning of the pre-volume and sound inlet opening and of the cavity system as a whole have effects on the acoustic behavior and in particular on the low-pass function of the microphone package realized according to the invention.
  • FIG. 2 shows, in a detailed model set up by the inventors, the most important components determining the acoustic behavior of the microphone package and the corresponding, correspondingly equivalent, electrical components which can be assigned to the acoustic low-pass filter or its electrical equivalent.
  • Such acoustic or electrical components can be divided into resistors, inductors and capacitors.
  • a resistance arises, for example, in narrow openings, as they form in particular the sound entry openings SEO.
  • the counter electrode CEL which is usually perforated and accordingly also has narrow passages, offers the sound or the enclosed oscillating air masses a resistance which is equivalent to an electrical resistance.
  • the air present in the sound channel has a frictional resistance R as it is displaced. Rapid pressure changes are no longer compensated by air flow, the air is instead compressed and thus acts as a spring which dampens the deflection of the microphone diaphragm.
  • the air present in the sound channel has a frictional resistance R as it is displaced. Rapid pressure changes are no longer compensated by air flow, the air is instead compressed and thus acts as a spring which dampens the deflection of the microphone diaphragm.
  • ⁇ is the viscosity of the medium, here the air
  • 1 is the length
  • r is the radius of the opening. It turns out that the resistance is inversely proportional to the fourth power of the radius r of an opening. As the opening becomes smaller, the resistance to which the opening of a sound wave opposes rises steeply. In the model according to the distorted figure 2, the largest resistance R results in the narrow volume between membrane MMB and counterelectrode CEL, which for a given microphone chip is e.g. back to a only about 2 ⁇ m dimensioning distance between the membrane and counter electrode.
  • Inductive acoustic components L arise where the medium (the air) has to be accelerated. In the model shown, this is also done in the openings and narrow channels, in particular in the sound inlet openings SEO or the perforations of the counter electrode CEL. Further, it is of course possible to design the acoustic channel, ie the way the sound must travel from the sound inlet opening to the membrane in a corresponding manner and to convert the local acoustic elements into electrical equivalent circuit diagrams.
  • Inductance L of such an opening can be estimated according to the following formula:
  • p represents the density of the medium (air), r the radius of the opening or the pipe, and 1 its Length.
  • the inductance L is inversely proportional to the square of the radius r of the opening.
  • Capacitive elements are effective in this model where the airflow must work against large volumes, such as the FRV bias volume.
  • the pre-volume is divided into the volume between membrane MMB and counterelectrode CEL and into the volume between counterelectrode CEL and substrate SUB. Both volumes act as capacities in the equivalent circuit diagram. Because of the small size of the former volume relative to the latter, however, it can be neglected in the consideration and also calculation.
  • FIG. 7 shows a simplified equivalent circuit diagram for the microphone package. This includes in a serial branch a first resistor Rl and a first inductance Ll, which are formed by the sound inlet openings SEO and are dependent on their dimensioning.
  • a first capacitance Cl is arranged, which corresponds to the volume between the counter electrode CEL and the substrate SUB. Further, in the serial branch, a second resistor R2, a second
  • Capacitance C2 and a second inductance L2 which are determined by the membrane MMB and the counter electrode CEL and, as it were, by a given microphone chip are predetermined.
  • C2 and L2 are defined by the mechanical properties of the membrane and counter electrode.
  • the resistance R2 corresponds essentially to the resistance mentioned in connection with FIG. 2, which is due to the small volume or the narrow distance between the membrane and the membrane
  • Counter electrode is generated, as well as the resistance generated by the openings in the counter electrode CEL.
  • a second shunt branch is connected to ground, in which a third capacitor C3 is arranged. This corresponds to the back volume BKV.
  • the acoustic components together perform a low-pass function in which high frequency components have a strong attenuation, while the lower-frequency components experience only low attenuation.
  • the properties of the low-pass filter can be adjusted independently of a possibly unchangeable because given microphone chip alone by the dimensioning of the Kavticianssystems in the microphone package.
  • the thus implemented low-pass filter has a cut-off frequency via suitably dimensioned and dimensioned components, which - for simplification reasons - has a greater length and smaller diameters of the sound inlet opening (s) and / or the acoustic channel, or else a smaller number otherwise unchanged Reduce sound entry openings.
  • a -3 dB attenuation point lies in a range which is sufficiently below the natural resonance of the diaphragm and also below the natural resonance of the entire Packages too lie comes.
  • this -3 dB damping point is even below a frequency which corresponds to 75% of said natural frequency.
  • FIG. 8 shows, on the basis of various curves, the acoustic behavior of an unhoused microphone chip (curve 1), a microphone chip with conventional packaging without low-pass effect (curve 2) and the behavior of a microphone in a microphone package (curve 3) designed according to the invention.
  • curve 1 shows, an unhoused microphone has a narrow range with increased sensitivity, which corresponds to the self-resonance of the diaphragm. In this area, therefore, it comes to non-linear behavior of the microphone.
  • an unwanted stimulation of the self-resonance of the membrane can be triggered by a fall or impact, which can usually stimulate a wide range of frequencies. Due to the increased sensitivity at natural resonance, the membrane can be particularly heavily loaded and therefore tends to damage.
  • the acoustic behavior of a MEMS microphone with conventional package illustrates the curve 2.
  • the second main maximum here is the self-resonance of the entire package, which however, as the graph shows, leads to an even greater acoustic nonlinearity in the self-resonance, which further deteriorates the properties of the microphone.
  • the damping of the natural resonance further increases the robustness of the microphone package against shock loads, which is advantageous to the reliability of the component, for. B. the so-called drop test affects.
  • the so-called drop test affects.
  • Another advantage of a reduced diameter sound inlet opening or other opening in the course of the acoustic channel is an improved mechanical shielding of the membrane or, more generally, of the interior space from larger particles. It turns out that the other acoustic performance and in particular the sensitivity below the natural resonance or below the cut-off frequency of the low-pass filter is sufficiently good or is not significantly impaired by the invention. In this way, it is possible to further minimize the size of the microphone, without having to accept too much deviation from a linear frequency response. Until now, excessive nonlinearities had to be compensated, in particular by enlarging the membrane and thus the entire microphone. An inventive microphone package can therefore with the same mechanical Resilience much smaller than known microphone packages are running. For the construction of the microphone package according to the invention no additional parts or operations are required in the preferred structure, it will dimensioned or modified only the known components of the package in a suitable manner.
  • FIG. 3 shows a further microphone package in schematic cross section, which has further possible embodiments.
  • the microphone package comprises, in addition to the microphone chip MIC, the IC component AIC, which undertakes various electronic tasks of the microphone and in particular comprises an amplifier.
  • Microphone chip MIC and IC component AIC are both mounted in a flip-chip design on a multilayer substrate SUB shown here in two layers and electrically contacted with its integrated structured metallization, which is arranged on and between the dielectric layers.
  • On the underside of the substrate are external contacts KON for making electrical contact with the microphone package with an external circuit environment.
  • the counterelectrode CEL can, unlike the one shown, also be arranged above the membrane, so that the volume between membrane MMB and counterelectrode CEL is attributable to the back volume BKV.
  • cover This comprises directly above the microphone chip MIC a rigid cover layer ADS, which has sufficient stability to protect the back volume BKV of the microphone chip safely during the application of the cover.
  • the cover layer ADS may also be a film.
  • the cover layer ADS can be applied over the entire surface over the two chips. Preferably, however, it is produced in an integrated fashion during the production of the microphone chip MIC.
  • the cover further comprises a cover sheet ADF, which can be laminated in a softened or soft state and then cured.
  • the cover sheet ADF may be a thermoplastic resin film or a B-stage thermosetting plastic film. Outside the region occupied by the microphone chip MIC and the IC component AIC, the cover film ADF terminates completely sealed to the surface of the substrate SUB.
  • At least a portion of the substrate surface is exposed at and spaced from the chips MIC and AIC.
  • an outer metallization AME is applied, for example by means of galvanic methods.
  • the outer metallization AME terminates flush with the substrate surface SUB. On the one hand, it seals the package hermetically upwards and, on the other hand, ensures electromagnetic shielding of the microphone.
  • a recess is arranged in the lower of the two illustrated dielectric layers, the base area of which comprises all the sound entry openings SEO.
  • a metallization MET is applied, which preferably extends down to the surface of the sound entrance layer. Openings SEO can be arranged consistently below the membrane.
  • FIG. 4 shows various process stages of a production process known per se for MEMS microphone chips.
  • step a a silicon wafer is shown, in which a multiplicity of MEMS microphones are generated parallel to one another. The individual microphone chips are still connected to each other via the wafer.
  • step b) a process stage is shown, are applied to the electrical pads of the MEMS chips bumps for later flip-chip mounting. Preferably, these are stud bumps, especially gold.
  • the back volume below the membrane is closed with a cover layer ADS, which, for example, is applied over the entire surface to the top side of the wafer.
  • the cover layer ADS can be laminated or glued. It can consist of a plastic film.
  • the covering layer ADS is separated along the separating lines between the individual microphone chips, for example by means of a laser ablation method.
  • the entire wafer is applied via the covering layer ADS to an auxiliary carrier HTR, for example by means of an easily detachable adhesive bond.
  • the subcarrier HTR is used to hold the individual microphone chips during and after the separation, which can be done for example by means of sawing along the dividing lines between the microphone chips.
  • the step e) shows the isolated microphone chips, which are glued to the cover layer ADS on the subcarrier HTR.
  • FIG. 5 shows three process stages a) to c) during the production of a microphone chip or the mounting of the corresponding components on the substrate.
  • step a) the singulated microphone chips MIC are mounted by means of the stud bumps on the corresponding contact surfaces on the upper side of a ceramic multilayer substrate SUB in a flip-chip design.
  • the substrate SUB has a large area and offers space for a multiplicity of microphone chips MIC.
  • an IC module AIC is mounted next to each microphone chip MIC, in particular likewise by means of flip-chip mounting via solder bumps.
  • the IC module and then the microphone chip can be applied to the substrate.
  • next stage c) is on the microphone chip MIC and the IC devices AIC a cover film ADF laminated so that they flush on the top of the chips, on the outside of the chips and on the surface of the substrate between the chips up or is applied.
  • the metallization MET in the region of the sound inlet opening SEO can be produced integrated with the production of the substrate.
  • Figure 6 shows on the basis of three shown in schematic cross section process steps a) to c) the other
  • the cover film ADF is first in the area between the components associated with a single microphone package from the surface of the substrate SUB removed, for example by a laser ablation process.
  • an outer metallization AME is applied. This can be done in several stages, for example by sputtering a base metallization in a first step, which can then be galvanically reinforced with copper and nickel layers.
  • the total outer metallization AME preferably has a thickness of approximately 50 ⁇ m and more. In this thickness, it is mechanically stable and the thus coated or covered component can be further processed by standard methods on vacuum pipettes and other transducers.
  • the large-area substrate SUB with the microphone chips and IC components applied thereto is adhesively bonded to a sawing film for the plurality of microphone packages and then sawed in from the top side, that is to say from the external metallization AME, to the surface of the sawing film and so isolated. Then the individual microphone packages can be removed from the sawing foil.
  • FIG. 9 shows, in a schematic cross-section, a variant of a microphone package in which the IC component AIC is arranged in a recess of the substrate SUB below the microphone chip MIC.
  • the depth of the recess in the substrate can comprise one or more upper dielectric layers and in particular has such a depth that it can largely or even completely accommodate the IC component.
  • the microphone chip MIC outside the recess can be bonded without problems on the surface of the substrate.
  • the sound inlet opening SEO is here preferably arranged below the IC module AIC. But it can also be designed laterally as an opening of the cover so that a connection to the Vorvolumen eg between membrane MMB and IC component AIC is given.
  • Sound inlet openings SEO in a non-linear manner with the pre-volume FRV below the membrane connects.
  • This has the further advantage that the channel can be made correspondingly narrow in terms of the desired low-pass effect of the microphone package, so that the low-pass effect can be achieved exclusively or additionally via the acoustic channel. Since in this arrangement, the required footprint for microphone chip and IC module is less than in the variant of Figure 3, so the size of the total microphone package can be further minimized.
  • this variant has the advantage that even for dirt particles and other impurities of the straight path from the sound inlet opening to the membrane is not present and so contamination or damage to the membrane can be avoided.
  • the invention is not limited to the embodiments or even the figures. It is within the scope of the invention to vary the acoustic channel and thus the relative arrangement of microphone chip, acoustic channel and sound inlet opening relative to one another and to bring about the acoustic properties and in particular the low-pass effect via a special design of this acoustic channel. It is also within the scope of the invention to combine different features of different designs with one another.
  • the microphone chip is neither limited to silicon nor to the capacitive principle. All other MEMS microphone chips manufactured using micromechanical processes or electret microphones are possible. Also possible are microphone packages which comprise more than one microphone or more than one IC component.

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Abstract

Es wird ein Mikrofonpackage vorgeschlagen, bei dem ein MEMS Mikrofonchip (MIC) auf einem Substrat (SUB) montiert und mit einer Abdeckung (ABD) gegen das Substrat abgedichtet ist. Die Membran (MMB) des Mikrofonchips ist mit einer Schalleintrittsöffnung (SEO) im Substrat über einen akustischen Kanal verbunden. Durch definierte Dimensionierung von insbesondere Querschnitt und Länge von Schalleintrittsöffnung und Kanal ist ein akustischer Tiefpass ausgebildet, dessen -3 dB Dämpfungspunkt deutlich unterhalb der Eigenresonanz von Mikrofonmembran und -package liegt.

Description

Beschreibung
MEMS Mikrofon
Miniaturisierte Mikrofone werden heute zunehmend als MEMS Mikrofone (= Micro-Electro Mechanical System) mit Hilfe mikromechanischer Strukturierungstechnik aus einem kristallinen Material, insbesondere einem Halbleitermaterial, gefertigt. Als akustoelektrischer Schallwandler dient dabei in der Regel eine elektrisch leitende Membran, die unter Schalleinwirkung eine variierende Kapazität zu einer Gegenelektrode ausbildet.
Zum mechanischen Schutz werden MEMS Mikrofone in ein Gehäuse oder ein Package eingebaut, welches zumindest eine Schallöffnung aufweist, durch die der Schall ins Innere des Gehäuses gelangen kann. Der Schall kann dabei über einen gegebenenfalls abgewinkelten Schallkanal geführt werden, um eine Verschmutzung oder Beschädigung der Mikrofonmembran zu vermeiden. Ein gewinkelter Schallkanal kann beispielsweise durch seitliches Versetzen von Schallöffnung und Mikrofonmembran bzw. MEMS Mikrofonchip erreicht werden. Auch ist es möglich, den Mikrofonchip um 180° zu kippen und den Schallkanal um den Mikrofonchip herum zu führen.
Zur Miniaturisierung von MEMS Mikrofonen wurde bereits vorgeschlagen, einen MEMS Mikrofonchip auf einem Trägersubstrat über einer Schalleintrittsöffnung zu platzieren und das gesamte System inklusive des MEMS Mikrofonchips mit einer Folie abzudecken. Dabei ist es möglich, den für die Mikrofonfunktion nötigen IC-Baustein, üblicherweise einen ASIC, neben dem Mikrofonchip anzuordnen und vorzugsweise mit der gleichen Folie abzudecken. Die Folie kann eine laminierbare Kunststofffolie sein, die gegebenenfalls metallisiert ist.
Nachteilig an miniaturisierten MEMS Mikrofonen ist insbesondere deren geringe mechanische Stabilität, da die Mikrofonmembran durch die geringe Materialstärke eine hohe Bruchanfälligkeit aufweist. Auch wird mit diesen Mikrofonen während der Sprachübertragung bei höheren Frequenzen ein nicht linearer Frequenzgang mit Überhöhungen beobachtet, was in der Akustik und insbesondere bei Mikrofonen unerwünscht ist und die Qualität der Übertragung verschlechtert. Durch die Miniaturisierung ist darüber hinaus die Entfernung zwischen Schalleintrittsöffnung und Membran verkürzt, sodass die Membran anfälliger gegen Verschmutzungen ist, die sich auf der Membran ablagern können, die wiederum verstärkt Nichtlinearitäten und Überhöhungen bei der Übertragung verursachen, die Funktionsfähigkeit der Membran beeinträchtigen oder gar die Membran beschädigen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein MEMS
Mikrofon anzugeben, welches eine erhöhte mechanische Festigkeit bei gleichzeitig bezüglich der Linearität verbessertem Frequenzgang aufweist.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Mikrofonpackage nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind weiteren Ansprüchen zu entnehmen.
Das Mikrofonpackage weist einen MEMS Mikrofonchip auf, der auf einem Substrat angeordnet und mit einer Abdeckung abgedeckt ist, die am Mikrofonchip anliegend dicht gegen das Substrat abschließt. Vor der Membran, also hauptsächlich im Bereich zwischen Membran und Substrat, ist ein Vorvolumen ausgebildet, während hinter der Membran ein Rückvolumen angeordnet sein kann.
Eine Schalleintrittsöffnung führt entweder durch das Substrat oder die Abdeckung hindurch in das von der Abdeckung und dem Substrat eingeschlossene Volumen. Dieses Vorvolumen, die Schalleintrittsöffnung und ein beide verbindender akustischer Kanal bilden ein Kavitätssystem.
Erfindungsgemäß ist dieses Kavitätssystem nun derart dimensioniert bzw. weist eine derartige Geometrie auf, dass unter Schalleinwirkung eine Luftreibung entstehen kann und das Kavitätssystem dadurch einen akustischen Tiefpass ausbildet. Dieser ist so ausgestaltet, dass sein -3 dB Dämpfungspunkt unterhalb der Eigenresonanzen von Membran und Package zu liegen kommen.
Die Erfindung geht auf die Erkenntnis zurück, dass sowohl die Membran als auch das gesamte Mikrofonpackage jeweils eine Eigenresonanz aufweisen, in deren Nähe bei der Schallübertragung besonders starke Abweichungen vom linearen Frequenzgang auftreten. Mit der Erfindung wird nun das Kavitätssystem so ausgestaltet, dass höhere Frequenzen in der Nähe der Eigenresonanz besonders stark gedämpft werden, während tiefere Frequenzen ungehindert zur Membran gelangen können. Damit wird verhindert, dass zu hohe Frequenzen das System aus Mikrofonchip und Mikrofonpackage zur Eigenresonanz anregen können, was eine besonders starke Anregung und damit vom linearen Frequenzgang stark abweichende Überhöhungen des Frequenzgangs erzeugen würde.
Darüber hinaus wird mit der Erfindung die mechanische Stabilität der Mikrofonmembran und damit die Haltbarkeit des gesamten Mikrofons erhöht, da die Anregung von Eigenresonanzen wirksam verhindert wird. Insbesondere beim so genannten Drop-Test, bei dem ein Aufschlagen, z.B. nach Herabfallen des Mikrofons bzw. eines Bauteils mit dem Mikrofonpackage simuliert wird, wird bei bekannten
Mikrofonaufbauten die Membran zur Eigenresonanz angeregt, bei der sie eine besonders hohe Auslenkung und eine besonders starke mechanische Beanspruchung erfährt, die in der Folge zum Bruch der Membran und damit zum Ausfall des Mikrofons führen kann. Das erfindungsgemäße Mikrofonpackage vermindert auch beim Droptest die Anregung der Membran bei der Resonanzfrequenz. Damit ist das Mikrofonpackage beim Herabfallen oder bei entsprechend starker mechanischer Einwirkung besser als herkömmliche Mikrofone gegen eine Beschädigung der Mikrofonmembran geschützt.
Ausreichend ist es, wenn der -3 dB Dämpfungspunkt des Tiefpasses unterhalb der Eigenresonanzen von Membran oder Package liegt. Besonders vorteilhaft ist es jedoch, wenn der -3 dB Dämpfungspunkt bei einer Frequenz liegt, die ca. 75 % oder weniger der Eigenresonanz der Membran beträgt.
In einer Ausführung wird der Gesamtöffnungsquerschnitt der Schalleintrittsöffnungen auf 2 - 20 Schalleintrittsöffnungen im Substrat verteilt, die zusammen eine Gesamtquerschnittsfläche von weniger als 50 % der Membranfläche aufweisen. Eine auf solche Art reduzierte Gesamtquerschnittsfläche der Schalleintrittsöffnungen führt überraschend dazu, dass die Empfindlichkeit gegenüber hohen Frequenzen im Bereich der Eigenresonanz von Membran oder Package reduziert ist. Auf diese Weise gelingt es, die Eigenresonanzen von Membran und Package mit mehr als 30 dB zu dämpfen. Gleichzeitig sorgt die Aufteilung auf mehrere Öffnungen bei gleich bleibender Gesamtquerschnittsfläche der Schalleintrittsöffnungen für eine verbesserte Tiefpasswirkung.
Gemäß einer Ausführung liegt das Aspektverhältnis der Schall- eintrittsöffnungen, also das Verhältnis von Länge der Schalleintrittsöffnung zum Durchmesser zwischen 0,5 und 3. Es hat sich gezeigt, dass ein geringer Querschnitt der Schalleintrittsöffnungen für die gewünschte Tiefpasswirkung oft nicht ausreichend ist und erst dann diesbezüglich zum Tragen kommt, wenn er mit einem geeigneten Aspektverhältnis kombiniert wird.
Es ist vorteilhaft, eine Schalleintrittsöffnung mit relativ geringem Querschnitt vorzusehen. Vorteilhaft ist es bei- spielsweise, wenn der Querschnitt der Schalleintrittsöffnungen zwischen 50 und 200 μm und insbesondere bei ca. 100 μm liegt.
Entsprechend dem vorteilhaften Aspektverhältnis beträgt die Länge der Schalleintrittsöffnungen dann zwischen 50 und 500 μm, insbesondere ca. 150 μm.
In einer konkretisierten Ausführung weist das Mikrofonpackage vier Schalleintrittsöffnungen auf, die jeweils einen Durchmesser von ca. 90 - 100 μm bei einem Aspektverhältnis von 1,3 bis 1,7 aufweisen.
Vorteilhaft weist der Mikrofonchip mit der Mikrofonmembran nach unten zum Substrat hin, wo sich in einer Ausführungsform auch die zumindest eine Schalleintrittsöffnung befindet. Der Abstand zwischen Mikrofonmembran und Substrat beträgt vorteilhaft zwischen 5 und 100 μm. Er kann beispielsweise über den Durchmesser bzw. die Höhe der Bumps definiert sein, mit denen der Mikrofonchip auf dem Substrat befestigt ist. Der Durchmesser der Mikrofonmembran selbst wird minimiert und beträgt beispielsweise ca. 1000 μm. Das Vorvolumen bestimmt sich im Wesentlichen aus der Fläche des Mikrofonchips mal dem Abstand Mikrofonchip/Substrat, wenn die Abdeckung über dem Mikrofonchip und dem Substrat dicht an den Seitenflächen des Mikrofonchips anliegt und den Freiraum zwischen Mikrofonchip und Substrat von außen her möglichst eng abdichtet. Weiter können auch andere Volumina zum Vorvolumen beitragen, sofern sie über das Kavitätssystem miteinander verbunden sind. Zum Beispiel kann ein IC Bauelement neben dem Mikrofonchip angeordnet sein, unter dem sich ebenfalls ein freies Volumen befinden kann, das zum Vorvolumen beiträgt, ebenso wie ein freies Volumen, das sich zwischen Mikrofonchip IC Bauelement befinden kann.
Zumeist ist das Vorvolumen aber auf Grund der
Größenverhältnisse im Wesentlichen durch den eingeschlossenen Hohlraum zwischen Mikrofonchip und Substrat bestimmt. Andere Volumina zwischen Substrat und Abdeckung können in der Auswirkung auf die akustischen Eigenschaften vernachlässigbar sein .
Gemäß einer Ausführungsform ist das Substrat des Mikrofon- packages mehrlagig ausgebildet und weist zumindest zwei dielektrische Lagen und eine darin enthaltene integrierte Verdrahtung auf. Vorteilhaft umfasst das Substrat ein Material, welches ausgewählt ist aus HTCC (High-Temperature Cofired Ceramic) , LTCC (Low-Temperature Cofired Ceramic) und FR4 Material, insbesondere ein faserverstärktes Harzlaminat, beispielsweise glasfaserverstärktes Laminat auf Epoxidharzbasis . Die integrierte Verschaltung dient dazu, elektrische Anschlüsse des Mikrofonchips durch das Substrat hindurch zu Außenkontakten auf der Unterseite des Substrats zu führen. Darüber hinaus wird über die integrierte Verschaltung eine elektrische Verbindung zwischen Mikrofonchip und einem gegebenenfalls im Mikrofonpackage mit enthaltenem IC-Baustein hergestellt. Wahlweise können im Substrat zusätzlich passive Komponenten integriert sein, die Teil der elektrischen Verschaltung von Mikrofonchip und IC-Baustein sind.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist eine Metallisierung an einer Stelle auf oder zwischen den dielektrischen Lagen des mehrschichtigen Substrats aufgebracht, die in den Schalleintrittsöffnungen freiliegt. Gemäß einer weiteren Ausführung ist die Metallisierung auf der Unterseite des Substrats im Bereich der Schalleintrittsöffnung angeordnet. Vorzugsweise ist diese Metallisierung mit Massepotential verbunden und dient dazu, schädliche Überspannungen, die beispielsweise in Form von ESD-Pulsen auftreten können, unschädlich gegen Masse abzuleiten. Auf diese Weise wird eine Beschädigung der empfindlichen Membran und überhaupt des gesamten Mikrofons und des darin enthaltenen IC-Bausteins vermieden. Auch gelingt es mit dieser Metallisierung, störende HF Einstrahlung in des Innere des Mikrofonpackages zu vermindern oder zu verhindern.
In einer Ausgestaltung ist die Metallisierung im Bereich der Schallöffnung flächig auf einer nach unten, also vom Mikrofonchip weg weisenden Oberfläche so ausgebildet, dass die Schalleintrittsöffnungen innerhalb der Metallisierung liegen und die Metallisierung daher durchbrechen. Gemäß einer weiteren Ausführung weist die Schalleintrittsöffnung zwei Abschnitte auf, wobei ein erster Abschnitt in einer unteren, z.B. der untersten dielektrischen Lage des Substrats und der zweite Abschnitt in einer oberen, z.B. der obersten dielektrischen Lage des Substrats ausgebildet ist. Der Durchmesser des ersten Abschnitts ist größer als der des zweiten Abschnitts.
Vorteilhaft liegen mehrere zweite Abschnitte im Bereich des ersten Abschnitts, sodass eine große gemeinsame Öffnung in der unteren Substratlage eine Vielzahl von kleineren Öffnungen in der oberen Substratlage umfasst. Dies können die genannten 2 bis 20 Schalleintrittsöffnungen sein. Dementsprechend verjüngt sich die Gesamtschalleintritts- Öffnung vom ersten zum zweiten Abschnitt in einer Stufe. Auf der gesamten frei nach unten weisenden Oberfläche dieser Stufe kann dann die Metallisierung aufgebracht sein und umschließt dabei die Gesamtmenge der Schalleintrittsöffnungen des zweiten Abschnitts.
Der IC-Baustein ist vorzugsweise neben dem Mikrofonchip auf dem Substrat aufgebracht und vorteilhaft mit der gleichen Abdeckung abgedeckt. Der IC-Baustein kann aber auch an einer anderen Stelle in, auf oder unter dem Package angeordnet sein.
IC-Baustein und Mikrofonchip können jeweils in Flip-Chip- Technik nebeneinander im Substrat montiert sein. Dies hat den Vorteil, dass die elektrische Kontaktierung zum Substrat, die Verschaltung beider Chips bzw. Bausteine und die mechanische Befestigung in einem Schritt erfolgen können. Vorteilhaft ist ferner, dass auf diese Weise die Rückseiten von IC-Baustein und Mikrofonchip frei von elektrischen Anschlüssen sind, sodass die Abdeckung in einfacher Weise in Form einer Folie auflaminiert werden kann. Ein Flip-chip montierter IC Baustein schafft ein zusätzliches freies Volumen, das bei gegebener räumlicher Verbindung zum Kavitätssystem und damit zum Vorvolumen gerechnet werden kann.
Die Membran des Mikrofonchips weist vorzugsweise zum Substrat hin. Die Ausnehmung im Mikrofonchip hinter der Membran (in Schallrichtung gesehen) , die ein Hohlraum sein kann oder insbesondere den gesamten Chip bis auf die Membran durchbricht, bildet das Rückvolumen für das Mikrofon aus. Um dieses bei der Verkapselung mittels einer Abdeckfolie zu schützen, wird diese Ausnehmung in einer Ausführungsform auf der Rückseite des Mikrofonchips mit einer diese Ausnehmung überdeckenden Folie als Abdeckschicht abgedeckt. Diese
Abdeckschicht weist einen ausreichenden Steifheitsgrad auf, um beim Auflaminieren der weiteren Abdeckung über den gesamten Mikrofonchip und den integrierten IC-Baustein den dabei auftretenden und auf den Mikrofonchip einwirkenden Kräften standzuhalten und insbesondere das Rückvolumen unbeeinträchtigt zu lassen.
In einer weiteren Ausführung sind Mikrofonchip und IC- Baustein übereinander angeordnet. Der von seinen Abmessungen her kleinere IC-Baustein kann dabei unter dem Mikrofonchip, also zwischen Mikrofonchip und Substrat angeordnet sein. In einer Ausführung ist für den IC-Baustein eine Ausnehmung in der Oberfläche des Substrats vorgesehen, um bei dieser Anordnung noch ein definiertes Vorvolumen zu gewährleisten.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und den dazugehörigen neun Figuren näher erläutert. Die Figuren sind schematisch und nicht maßstabsgetreu ausgeführt. Einzelne Teile können zur besseren Übersichtlichkeit vergrößert dargestellt sein, sodass den Figuren auch keine relativen Maßangaben zu entnehmen sind.
Figur 1 zeigt im schematischen Querschnitt ein einfach ausgebildetes Mikrofonpackage,
Figur 2 zeigt ein den Komponenten des Mikrofonpackages zugeordnetes elektrisches Ersatzschaltbild,
Figur 3 zeigt ein beispielhaftes Mikrofonpackage mit zusätzlichem IC-Baustein,
Figur 4 zeigt anhand schematischer Querschnitte verschiedene Verfahrensstufen bei der Herstellung und Vereinzelung von MEMS Mikrofonchips,
Figur 5 zeigt anhand schematischer Querschnitte verschiedene Verfahrensstufen bei der Montage von Mikrofonchips und IC-Bausteinen auf einem Substrat,
Figur 6 zeigt anhand schematischer Querschnitte verschiedene Verfahrensstufen bei der Abdeckung und Vereinzelung eines Mikrofonpackages,
Figur 7 zeigt ein vereinfachtes akustisches
Ersatzschaltbild für das MEMS Mikrofonpackage,
Figur 8 zeigt in verschiedenen Kurven das akustische Verhalten eines Mikrofonchips ohne Package, mit bekanntem Package und mit erfindungsgemäßem Package, Figur 9 zeigt ein Mikrofonpackage, bei dem IC Baustein und Mikrofonchip übereinander angeordnet sind.
Figur 1 zeigt anhand eines schematischen Querschnitts den einfachstmöglichen Aufbau eines erfindungsgemäßen
Mikrofonpackages . Der Mikrofonchip MIC ist als MEMS Baustein aus einem kristallinen Material, insbesondere aus kristallinem Silizium, ausgebildet. Mit Hilfe seiner nach unten weisenden Kontakte ist er über Bumps BMP auf einem Substrat SUB montiert und über die Bumps auch elektrisch kontaktiert.
Der Mikrofonchip MIC arbeitet beispielsweise nach dem kapazitiven Prinzip und weist dazu eine Membran MMB in geringem Abstand zu einer starren Gegenelektrode CEL auf, die beide an der nach unten weisenden Oberfläche des Mikrofonchips angeordnet sind. Oberhalb/hinter der Membran ist eine Ausnehmung BKV, die zur Freilegung der Membran, beispielsweise mittels Ätzen von der Oberseite her, erzeugt ist. Unterhalb/vor der Membran, jedoch mit einem gegenüber der Membranfläche reduzierten Querschnitt, ist eine durch das Substrat SUB hindurch reichende Schalleintrittsöffnung SEO angeordnet. In einer nicht dargestellten Variante ist die Schalleintrittsöffnung SEO seitlich vom Mikrofonchip in der Abdeckung so vorgesehen, dass sie eine Verbindung zum Vorvolumen erschließt
Über Substrat SUB und Mikrofonchip MIC ist eine Abdeckung ABD so angeordnet, dass sie vorzugsweise den Mikrofonchip MIC dicht umschließt und dabei den Freiraum zwischen Mikrofonchip und Substrat von außen her bündig abschließt und abdichtet. Zwischen Mikrofonchip bzw. zwischen Membran MMB und Substrat SUB ist das Vorvolumen als zumindest großteils abgeschlossener Hohlraum ausgebildet. Die unter der Abdeckung eingeschlossene Ausnehmung im Mikrofonchip bildet das Rückvolumen BKV des Mikrofons.
Die Auswirkungen der Dimensionierung von Vorvolumen und Schalleintrittsöffnung sowie des Kavitätssystems insgesamt haben, wie später noch gezeigt wird, Auswirkungen auf das akustische Verhalten und insbesondere auf die erfindungsgemäß realisierte Tiefpassfunktion des Mikrofonpackages .
Figur 2 zeigt in einem detaillierten von den Erfindern aufgestellten Modell mit den wichtigsten, das akustische Verhalten des Mikrofonpackages bestimmenden Komponenten und den dazu passenden, entsprechend äquivalenten, elektrischen Komponenten, die dem akustischen Tiefpassfilter bzw. dessen elektrischem Äquivalent zugeordnet werden können.
Solche akustischen bzw. elektrischen Komponenten können in Widerstände, Induktivitäten und Kapazitäten aufgeteilt werden. Ein Widerstand entsteht beispielsweise in schmalen Öffnungen, wie sie insbesondere die Schalleintrittsöffnungen SEO bilden. Auch die Gegenelektrode CEL, die üblicherweise perforiert ist und dementsprechend auch enge Durchlässe aufweist, bietet dem Schall bzw. den eingeschlossenen schwingenden Luftmassen einen Widerstand, der einem elek- trischen Widerstand gleichzusetzen ist. Die im Schallkanal befindliche Luft hat bei ihrer Verschiebung einen Reibungswiderstand R. Schnelle Druckänderungen werden nicht mehr durch Luftströmung ausgeglichen, die Luft wird statt dessen komprimiert und fungiert dadurch als Feder, welche die Auslenkung der Mikrofonmembran dämpft. Allgemein kann der
Widerstand R, den eine schmale Öffnung einem Medium bietet, gemäß der folgenden Formel abgeschätzt werden: R = 8 * η * 1 π * r4
wobei η die Viskosität des Mediums, hier der Luft, ist, 1 die Länge und r der Radius der Öffnung ist. Es zeigt sich, dass der Widerstand umgekehrt proportional zur vierten Potenz des Radius r einer Öffnung ist. Mit kleiner werdender Öffnung steigt der Widerstand, den die Öffnung einer Schallwelle entgegensetzt, steil an. Im Modell gemäß der verzerrt dargestellten Figur 2 ergibt sich der größte Widerstand R im engen Volumen zwischen Membran MMB und Gegenelektrode CEL, welches bei einem gegebenen Mikrofonchip z.B. auf einen nur ca. 2μm bemessenden Abstand zwischen Membran und Gegenelektrode zurück geht.
Induktive akustische Komponenten L entstehen da, wo das Medium (die Luft) beschleunigt werden muss. In dem gezeigten Modell erfolgt dies ebenfalls in den Durchbrechungen und engen Kanälen, insbesondere in den Schalleintrittsöffnungen SEO bzw. den Perforationen der Gegenelektrode CEL. Weiter ist es natürlich möglich, den akustischen Kanal, also den Weg, den der Schall von der Schalleintrittsöffnung bis hin zur Membran zurücklegen muss, in entsprechender Weise auszugestalten und die dortigen akustischen Elemente in elektrische Ersatzschaltbilder zu überführen. Die
Induktivität L einer solchen Öffnung kann gemäß der folgenden Formel abgeschätzt werden:
L = p * (1 + 0,8 * 2 * r2 * π
In dieser Gleichung repräsentiert p die Dichte des Mediums (Luft) , r den Radius der Öffnung oder des Rohres und 1 seine Länge. Es zeigt sich, dass die Induktivität L umgekehrt proportional zum Quadrat des Radius r der Öffnung ist. Mit kleiner werdendem Radius steigen also sowohl Widerstand als auch Induktivität, wobei der Anstieg des Widerstands mit einer Abhängigkeit von r4 wesentlich schneller ansteigt als die Induktivitäten mit einer Abhängigkeit von r2. Den größten Beitrag liefert die Induktivität, die durch die Schalleintrittsöffnungen bestimmt ist.
Kapazitive Elemente sind in diesem Modell an den Stellen wirksam, wo der Luftfluss gegen große Volumen arbeiten muss, wie sie das Vorvolumen FRV darstellt. In dem dargestellten verfeinerten Modell teilt sich das Vorvolumen in das Volumen zwischen Membran MMB und Gegenelektrode CEL sowie in das Volumen zwischen Gegenelektrode CEL und Substrat SUB auf. Beide Volumina wirken als Kapazitäten im Ersatzschaltbild. Wegen der geringen Größe des erstgenannten Volumens relativ zum letztgenannten kann es bei der Betrachtung und auch Berechnung aber vernachlässigt werden.
Figur 7 zeigt ein demgegenüber vereinfachtes Ersatzschaltbild für das Mikrofonpackage . Dieses umfasst in einem seriellen Zweig einen ersten Widerstand Rl und eine erste Induktivität Ll, die von der Schalleintrittsöffnungen SEO gebildet und von deren Dimensionierung abhängig sind.
In einem ersten Querzweig gegen Masse ist eine erste Kapazität Cl angeordnet, die dem Volumen zwischen Gegenelektrode CEL und Substrat SUB entspricht. Weiter ist im seriellen Zweig ein zweiter Widerstand R2, eine zweite
Kapazität C2 und eine zweite Induktivität L2 angeordnet, die durch die Membran MMB und die Gegenelektrode CEL bestimmt sind und gewissermaßen durch einen gegebenen Mikrofonchip vorgegeben sind. C2 und L2 werden durch die mechanischen Eigenschaften der Membran und Gegenelektrode definiert. Der Widerstand R2 entspricht im Wesentlichen dem in Verbindung mit Figur 2 genannten Widerstand, der durch das kleine Volumen bzw. den engen Abstand zwischen Membran und
Gegenelektrode erzeugt wird, sowie dem Widerstand, der durch die Öffnungen in der Gegenelektrode CEL erzeugt wird. Parallel zu dieser Serienschaltung ist ein zweiter Querzweig gegen Masse geschaltet, in dem eine dritte Kapazität C3 angeordnet ist. Diese entspricht dem Rückvolumen BKV.
Aus diesem Modell ist klar ersichtlich, dass die akustischen Komponenten zusammen eine Tiefpassfunktion ausüben, bei der hohe Frequenzanteile eine starke Dämpfung aufweisen, während die Anteile geringerer Frequenzen eine nur geringe Dämpfung erfahren. Die Eigenschaften des Tiefpasses können unabhängig von einem möglicherweise unveränderlichen weil gegebenen Mikrofonchip allein durch die Dimensionierung des Kavitätssystems im Mikrofonpackage eingestellt werden.
Der so realisierte Tiefpass weist über entsprechend dimensionierte und bemessene Komponenten eine Grenzfrequenz auf, die sich - vereinfachend erläutert - mit einer größeren Länge und kleineren Durchmessern der Schalleintrittsöff- nung(en) und/oder des akustischen Kanals, oder auch durch eine geringere Anzahl ansonsten unveränderter Schalleintrittsöffnungen verringern lässt. Durch entsprechende Dimensionierung der geometrischen Äquivalente des elektrischen Ersatzschaltbildes gelingt es, die Dämpfungseigenschaf- ten des Tiefpasses auf einen gewünschten Wert so einzustellen, dass ein -3 dB Dämpfungspunkt in einem Bereich liegt, der ausreichend unterhalb der Eigenresonanz der Membran und auch unterhalb der Eigenresonanz des gesamten Packages zu liegen kommt. Vorteilhaft liegt dieser -3 dB Dämpfungspunkt sogar unterhalb einer Frequenz, die 75 % der genannten Eigenfrequenz entspricht.
Figur 8 zeigt anhand verschiedener Kurven das akustische Verhalten eines ungehäusten Mikrofonchips (Kurve 1), eines Mikrofonchips mit herkömmlicher Verpackung ohne Tiefpasswirkung (Kurve 2) sowie das Verhalten eines Mikrofons in einem erfindungsgemäß ausgebildeten Mikrofonpackage (Kurve 3) . Wie die Kurve 1 zeigt, weist ein ungehäustes Mikrofon einen engen Bereich mit erhöhter Empfindlichkeit auf, der der Eigenresonanz der Membran entspricht. In diesem Bereich kommt es daher zu nichtlinearem Verhalten des Mikrofons. Darüber hinaus kann ein ungewolltes Anregen der Eigenresonanz der Membran durch einen Sturz oder Schlag ausgelöst werden, welcher üblicherweise ein breites Spektrum von Frequenzen anregen kann. Durch die erhöhte Empfindlichkeit bei Eigenresonanz kann die Membran dabei besonders stark belastet werden und neigt daher zur Beschädigung.
Das akustische Verhalten eines MEMS Mikrofons mit herkömmlichem Package verdeutlicht die Kurve 2. Auch hier zeigt sich noch die Eigenresonanz der Membran, jedoch nur noch als kleines Nebenmaximum. Als zweites Hauptmaximum tritt hier die Eigenresonanz des gesamten Packages auf, die jedoch, wie die Kurve zeigt, zu einer noch größeren akustischen Nichtlinearität bei der Eigenresonanz führt, die die Eigenschaften des Mikrofons weiter verschlechtern.
Ein erfindungsgemäß ausgebildetes Mikrofonpackage, bei dem insbesondere die Schalleintrittsöffnungen und das Vorvolumen in geeigneter Weise dimensioniert sind, so dass ein Tiefpass mit entsprechender Filterwirkung für die Eigenresonanz von Package und Membran zum Tragen kommt, wird durch die Kurve 3 dargestellt. Es zeigt sich, dass Frequenzen im Bereich der genannten Eigenresonanzen nahezu vollständig gedämpft sind und dort kein Maximum mehr aufweisen. Vielmehr zeigt Kurve 3 ein verbreitetes Plateau, in dessen Bereich ein lineares akustisches Verhalten des Mikrofons beobachtet werden kann. Dieses ist ideal für ein Mikrofon mit hoher Linearität, wie es die Erfindung darstellt.
Die Dämpfung der Eigenresonanz erhöht weiterhin die Robustheit des Mikrofonpackages gegenüber Schockbelastungen, was sich vorteilhaft auf die Zuverlässigkeit des Bauteils, z. B. beim so genannten Drop-Test auswirkt. Durch die Dämpfung der Amplituden bei den Eigenresonanzfrequenzen wird die maximale Auslenkung der Mikrofonmembran reduziert und ein Belastungsbruch verhindert.
Ein weiterer Vorteil einer im Durchmesser reduzierten Schalleintrittsöffnung oder einer anderen Öffnung im Verlauf des akustischen Kanals ist eine verbesserte mechanische Abschirmung der Membran oder allgemein des Innenraums gegenüber größeren Partikeln. Es zeigt sich, dass die sonstige akustische Performance und insbesondere die Empfindlichkeit unterhalb der Eigenresonanz bzw. unterhalb der Grenzfrequenz des Tiefpasses ausreichend gut gegeben ist bzw. durch die Erfindung nicht wesentlich verschlechtert wird. Auf diese Weise gelingt es, die Größe des Mikrofon weiter zu minimieren, ohne dass dabei ein zu starkes Abweichen von einem linearen Frequenzgang in Kauf genommen werden muss. Bisher mussten zu starke Nichtlinearitäten insbesondere durch eine Vergrößerung der Membran und damit des gesamten Mikrofons kompensiert werden. Ein erfindungsgemäßes Mikrofonpackage kann daher bei gleicher mechanischer Belastbarkeit wesentlich kleiner als bekannte Mikrofon- packages ausgeführt werden. Für die Konstruktion des erfindungsgemäßen Mikrofonpackages werden beim bevorzugten Aufbau keine zusätzlichen Teile oder Arbeitsgänge benötigt, es werden nur die an sich bekannten Komponenten des Packages in geeigneter Weise dimensioniert bzw. modifiziert.
Figur 3 zeigt ein weiteres Mikrofonpackage im schematischen Querschnitt, das weitere mögliche Ausgestaltungen aufweist. Prinzipiell umfasst das Mikrofonpackage neben dem Mikrofonchip MIC noch den IC-Baustein AIC, welcher verschiedene elektronische Aufgaben des Mikrofons übernimmt und insbesondere einen Verstärker umfasst. Mikrofonchip MIC und IC- Baustein AIC sind beide in Flip-Chip-Bauweise auf einem hier zweischichtig dargestellten Mehrlagensubstrat SUB montiert und elektrisch mit dessen integrierter strukturierter Metallisierung, die auf und zwischen den dielektrischen Lagen angeordnet ist, kontaktiert. An der Unterseite des Substrats befinden sich Außenkontakte KON zur elektrischen Kontaktierung des Mikrofonpackages mit einer äußeren Schaltungsumgebung .
Die Gegenelektrode CEL kann anders als dargestellt auch über der Membran angeordnet sein, so dass das Volumen zwischen Membran MMB und Gegenelektrode CEL dem Rückvolumen BKV zuzurechnen ist.
Weiter im Detail ist auch die Abdeckung dargestellt. Diese umfasst direkt über dem Mikrofonchip MIC eine starre Abdeckschicht ADS, die ausreichend Stabilität aufweist, um das Rückvolumen BKV des Mikrofonchips sicher während des Aufbringens der Abdeckung zu schützen. Die Abdeckschicht ADS kann auch eine Folie sein. Die Abdeckschicht ADS kann ganzflächig über den beiden Chips aufgebracht sein. Vorzugsweise wird sie jedoch integriert bei der Herstellung des Mikrofonchips MIC erzeugt.
Die Abdeckung umfasst weiterhin eine Abdeckfolie ADF, welche in einem erweichten oder weichen Zustand auflaminiert werden und anschließend ausgehärtet werden kann. Die Abdeckfolie ADF kann eine thermoplastische Kunststofffolie oder eine duroplastische Kunststofffolie im B-Zustand sein. Außerhalb des von Mikrofonchip MIC und IC-Baustein AIC eingenommenen Bereichs schließt die Abdeckfolie ADF rundum dicht mit der Oberfläche des Substrats SUB ab.
Im Abstand zu den Chips MIC und AIC und rund um diese herum ist zumindest ein Bereich der Substratoberfläche freigelegt. Über bzw. auf der Abdeckfolie ADF ist eine Außenmetallisierung AME aufgebracht, beispielsweise mittels galvanischer Verfahren. Die Außenmetallisierung AME schließt bündig mit der Substratoberfläche SUB ab. Sie dichtet zum einen das Package hermetisch nach oben ab und sorgt zum anderen für eine elektromagnetische Abschirmung des Mikrofons.
Unterhalb der Membran MMB des Mikrofonchips MIC sind im Substrat SUB Schalleintrittsöffnungen SEO realisiert, von denen in der Figur zwei im Querschnitt dargestellt sind.
Weiter ist aus der Figur ersichtlich, dass in der unteren der beiden dargestellten dielektrischen Lagen eine Ausnehmung angeordnet ist, deren Grundfläche sämtliche Schalleintrittsöffnungen SEO umfasst. Auf dem Boden der Ausnehmung, also auf der nach unten weisenden Oberfläche der oberen dielektrischen Lage ist eine Metallisierung MET aufgebracht, die vorzugsweise die bis auf die Fläche der Schalleintritts- Öffnungen SEO durchgängig unterhalb der Membran angeordnet sein kann.
Figur 4 zeigt verschiedene Verfahrensstufen eines an sich bekannten Herstellungsprozesses für MEMS Mikrofonchips. In Stufe a) ist ein Siliziumwafer gezeigt, in dem eine Vielzahl von MEMS Mikrofonen parallel nebeneinander erzeugt sind. Die einzelnen Mikrofonchips sind noch über den Wafer miteinander verbunden. In Stufe b) ist eine Verfahrensstufe dargestellt, bei der auf die elektrischen Anschlussflächen des MEMS Chips Bumps für die spätere Flip-Chip-Montage aufgebracht sind. Vorzugsweise sind dies Stud Bumps, insbesondere aus Gold.
In Verfahrensstufe c) ist das Rückvolumen unterhalb der Membran mit einer Abdeckschicht ADS verschlossen, die beispielsweise ganzflächig auf die Oberseite des Wafers aufgebracht ist. Die Abdeckschicht ADS kann auflaminiert oder aufgeklebt sein. Sie kann aus einer Kunststofffolie bestehen. In Verfahrensstufe d) wird die Abdeckschicht ADS entlang der Trennlinien zwischen den einzelnen Mikrofonchips aufgetrennt, beispielsweise mittels eines Laserablationsverfahrens .
Im Verfahrensstufe e) ist der gesamte Wafer über die Abdeckschicht ADS auf einen Hilfsträger HTR aufgebracht, beispielsweise mit Hilfe einer leicht lösbaren Verklebung. Der Hilfsträger HTR dient zur Halterung der einzelnen Mikrofonchips während und nach der Auftrennung, die beispielsweise mittels Sägen entlang der Trennlinien zwischen den Mikrofonchips erfolgen kann. Die Stufe e) zeigt die vereinzelten Mikrofonchips, die mit der Abdeckschicht ADS auf dem Hilfsträger HTR aufgeklebt sind. Figur 5 zeigt drei Verfahrensstufen a) bis c) während der Herstellung eines Mikrofonchips bzw. der Montage der entsprechenden Bauelemente auf dem Substrat.
In Stufe a) werden die vereinzelten Mikrofonchips MIC mit Hilfe der Stud Bumps auf die entsprechenden Kontaktflächen auf der Oberseite eines keramischen mehrschichtigen Substrats SUB in Flip-Chip-Bauweise montiert. Das Substrat SUB ist großflächig und bietet Raum für eine Vielzahl von Mikrofonchips MIC.
In Verfahrensstufe b) wird neben jedem Mikrofonchip MIC ein IC-Baustein AIC montiert, insbesondere ebenfalls mittels Flip-Chip-Montage über Lotbumps .
Natürlich kann auch zuerst der IC Baustein und dann der Mikrofonchip auf das Substrat aufgebracht werden.
In der nächsten Stufe c) wird über den Mikrofonchips MIC und den IC-Bausteinen AIC eine Abdeckfolie ADF so auflaminiert, dass sie bündig auf der Oberseite der Chips, an den Außenseiten der Chips und auf der Oberfläche des Substrats zwischen den Chips auf- bzw. anliegt.
Die Metallisierung MET im Bereich der Schalleintrittsöffnung SEO (siehe Fig. 3) kann integriert mit der Herstellung des Substrats erzeugt werden.
Figur 6 zeigt anhand dreier im schematischen Querschnitt dargestellter Verfahrensschritte a) bis c) den weiteren
Aufbau der Abdeckung. Dazu wird die Abdeckfolie ADF zunächst im Bereich zwischen den einem einzelnen Mikrofonpackage zugeordneten Bauelementen von der Oberfläche des Substrats SUB entfernt, beispielsweise durch ein Laserablations- verfahren. Anschließend wird in Schritt b) eine Außenmetallisierung AME aufgebracht. Diese kann mehrstufig erfolgen, indem beispielsweise in einem ersten Schritt eine Grund- metallisierung aufgesputtert wird, die anschließend galvanisch mit Kupfer- und Nickelschichten verstärkt werden kann. Die gesamte Außenmetallisierung AME weist bevorzugt eine Dicke von ca. 50 μm und mehr auf. In dieser Dicke ist sie mechanisch stabil und das so überzogene bzw. abgedeckte Bauelement kann mit Standardverfahren über Vakuumpipetten und andere Aufnehmer weiterverarbeitet werden.
In Verfahrensschritt c) wird das großflächige Substrat SUB mit den darauf aufgebrachten Mikrofonchips und IC-Bausteinen für eine Vielzahl von Mikrofonpackages mit der Unterseite des Substrats auf eine Sägefolie aufgeklebt und anschließend von der Oberseite, also von der Außenmetallisierung AME her bis zur Oberfläche der Sägefolie eingesägt und so vereinzelt. Anschließend können die einzelnen Mikrofonpackages von der Sägefolie genommen werden.
Figur 9 zeigt im schematischen Querschnitt eine Variante eines Mikrofonpackages, bei der der IC-Baustein AIC in einer Ausnehmung des Substrats SUB unterhalb des Mikrofonchips MIC angeordnet ist. Die Tiefe der Ausnehmung im Substrat kann eine oder mehrere obere dielektrische Lagen umfassen und weist insbesondere eine solche Tiefe auf, dass sie den IC- Baustein weitgehend oder sogar vollständig aufnehmen kann. So kann der Mikrofonchip MIC außerhalb der Ausnehmung ohne Probleme auf der Oberfläche des Substrats aufgebondet werden. Die Schalleintrittsöffnung SEO ist hier vorzugsweise unterhalb des IC-Bausteins AIC angeordnet. Sie kann aber auch seitlich als Durchbrechung der Abdeckung so ausgebildet sein, dass eine Verbindung zum Vorvolumen z.B. zwischen Membran MMB und IC Baustein AIC gegeben ist.
Im Unterschied zu den in Figur 1 und 3 dargestellten Varianten ergibt sich hier ein akustischer Kanal, der die
Schalleintrittsöffnungen SEO in nicht geradliniger Weise mit dem Vorvolumen FRV unterhalb der Membran verbindet. Dies hat den weiteren Vorteil, dass der Kanal im Hinblick auf die gewünschte Tiefpasswirkung des Mikrofonpackages entsprechend schmal gestaltet werden kann, sodass der Tiefpasseffekt ausschließlich oder zusätzlich über den akustischen Kanal erzielt werden kann. Da in dieser Anordnung die benötigte Grundfläche für Mikrofonchip und IC-Baustein geringer ist als in der Variante nach Figur 3, kann so insgesamt die Größe des Mikrofonpackage weiter minimiert werden. Zusätzlich hat diese Variante den Vorteil, dass auch für Schmutzpartikel und andere Verunreinigungen der gerade Weg von der Schalleintrittsöffnung hin zur Membran nicht gegeben ist und so eine Verschmutzung oder Beschädigung der Membran vermieden werden kann.
Die Erfindung ist nicht auf die Ausführungsbeispiele oder gar die Figuren beschränkt. Im Rahmen der Erfindung liegt es, den akustischen Kanal und mithin die relative Anordnung von Mikrofonchip, akustischer Kanal und Schalleintrittsöffnung relativ zueinander zu variieren und die akustischen Eigenschaften und insbesondere die Tiefpasswirkung über eine spezielle Gestaltung dieses akustischen Kanals herbeizuführen. Im Rahmen der Erfindung liegt es auch, verschiedene Merkmale aus unterschiedlichen Ausführungen miteinander zu kombinieren . Der Mikrofonchip ist weder auf Silizium noch auf das kapazitive Prinzip beschränkt. Möglich sind alle anderen MEMS Mikrofonchips, die nach mikromechanischen Verfahren hergestellt sind, oder auch Elektret Mikrofone. Möglich sind auch Mikrofonpackages, die mehr als ein Mikrofon oder mehr als einen IC-Baustein umfassen.
Bezugs zeichenliste
1 akustisches Verhalten eines ungehäusten MIC
2 akustisches Verhalten eines bekannten Packages
3 akustisches Verhalten eines erfindungsgemäßen
Packages
ABD Abdeckung
ADF Abdeckfolie
ADS Abdeckschicht
AIC IC Baustein
AME Außenmetallisierung
BKV Rückvolumen
BMP Bump
C Kapazität
CEL Gegenelektrode
FRV Vorvolumen
HTR Hilfsträger
KON Außenkontakte
L Induktivität
MET Metallisierung
MIC MEMS Mikrofonchip
MMB Membran
R Widerstand
SEO Schalleintrittsöffnung
SQS Schallquelle
SUB Substrat

Claims

Patentansprüche
1. Mikrofonpackage,
- mit einem Substrat (SUB) , - mit einem eine Membran (MMB) aufweisenden MEMS
Mikrofonchip (MIC) , der oben auf dem Substrat montiert ist
- mit einer Abdeckung (ABD) , die oben auf dem Substrat aufsitzt und den Mikrofonchip zwischen sich und dem Substrat einschließt,
- mit zumindest einer Schalleintrittsöffnung (SEO) durch das Substrat oder die Abdeckung hindurch,
- mit einem Vorvolumen (FRV) vor der Membran, das über einen Kanal mit der Schalleintrittsöffnung verbunden ist,
- wobei Schalleintrittsöffnung (SEO) , Kanal und Vorvolumen (FRV) ein Kavitätssystem ausbilden und eine solch definierte Geometrie aufweisen, dass eine Luftreibung entsteht und das System einen akustischen Tiefpass ausbildet, der einen -3 dB Dämpfungspunkt unterhalb der Eigenresonanzen von Membran und Package aufweist .
2. Mikrofonpackage nach Anspruch 1, bei dem der -3 dB Dämpfungspunkt des Tiefpass bei einer Frequenz liegt, die bei 75% oder weniger der Eigenresonanz der Membran liegt.
3. Mikrofonpackage nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Schalleintrittsöffnungen (SEO) alle durch das Substrat (SUB) hindurch ausgebildet sind, bei dem 2-20 Schalleintrittsöffnungen (SEO) ausgebildet sind, die zusammen eine Gesamtquerschnittsfläche aufweisen, die weniger als 50% der Membranfläche beträgt .
4. Mikrofonpackage nach einem der Ansprüche 1-3, bei dem die Eigenresonanzen von Membran (MMB) und Package mit mehr als 30 dB gedämpft sind.
5. Mikrofonpackage nach einem der Ansprüche 1-4, bei dem der Durchmesser der zumindest einen Schalleintrittsöffnung (SEO) zwischen 50 und 200μm, insbesondere bei ca. lOOμm liegt.
6. Mikrofonpackage nach einem der Ansprüche 1-5, bei dem die Länge der Schalleintrittsöffnung (SEO) bei 50 bis 500μm, insbesondere bei ca. 150μm liegt.
7. Mikrofonpackage nach einem der Ansprüche 1-6, bei dem das Aspektverhältnis der Schalleintrittsöffnung (SEO) zwischen 0,5 und 3,0 liegt.
8. Mikrofonpackage nach einem der Ansprüche 1-7, bei dem 4 Schalleintrittsöffnungen (SEO) vorgesehen sind, die bei einem Durchmesser von 90-110μm ein Aspektverhältnis von 1,3 - 1,7 aufweisen.
9. Mikrofonpackage nach einem der Ansprüche 3-8, bei dem die Mikrofonmembran (MMB) des Mikrofonchips (MIC) nach unten zur Schalleintrittsöffnung (SEO) weist, bei dem der Abstand zwischen Mikrofonmembran und Substrat (SUB) 5-100μm beträgt, bei dem die Abdeckung (ABD) eine auflaminierte Abdeckfolie (ADF) umfasst, die seitlich und oben am Mikrofonchip anliegt.
10. Mikrofonpackage nach einem der Ansprüche 1-9, bei der das Substrat (SUB) mehrlagig ausgebildet ist und zumindest zwei dielektrische Lagen mit integrierter Verdrahtung und ein Material umfasst, welches ausgewählt ist aus HTCC, LTCC und faserverstärktem Harz-Laminat.
11. Mikrofonpackage nach einem der Ansprüche 1-10, bei dem auf dem Substrat (SUB) oder zwischen den dielektrischen Lagen eine Metallisierung (MET) aufgebracht ist, die in den Schalleintrittsöffnungen (SEO) freiliegt, oder die nahe der Schallöffnungen auf der Unterseite des Substrats angeordnet ist.
12. Mikrofonpackage nach Anspruch 11, bei dem die Metallisierung (MET) auf einer nach unten weisenden Fläche des Substrats (SUB) oder einer dielektrischen Lage davon als flächige Metallisierung ausgebildet ist, wobei die Schalleintrittsöffnungen (SEO) innerhalb dieser flächigen Metallisierung ausgebildet sind und diese durchbrechen.
13. Mikrofonpackage nach Anspruch 12, bei dem der Durchmesser eines ersten Abschnitts der Schalleintrittsöffnung (SEO) in einer unteren, insbesondere in der untersten dielektrischen Lage des mehrlagigen Substrats (SUB) größer ist als der Durchmesser des zweiten Abschnitts der Schalleintrittsöffnung in einer oberen, insbesondere in der obersten dielektrischen Lage, bei dem sich die Schalleintrittsöffnung vom ersten zum zweiten Abschnitt hin in einer Stufe verjüngt und der Abschnitt mit dem kleineren Durchmesser innerhalb des größeren Durchmessers angeordnet ist, bei dem die Metallisierung (MET) auf der nach unten weisenden Oberfläche der Stufe angeordnet ist.
14. Mikrofonpackage nach einem der Ansprüche 1-13, bei dem zwischen der Abdeckung (ABD) und dem Substrat (SUB) außerdem ein IC Baustein (AIC) angeordnet ist.
15. Mikrofonpackage nach Anspruch 14, bei dem der IC-Baustein (AIC) und Mikrofonchip (MIC) in Flip-Chip Technik nebeneinander auf dem Substrat (SUB) montiert und mit derselben Abdeckung (ABD) abgedeckt sind.
16. Mikrofonpackage nach Anspruch 14, bei dem der Mikrofonchip (MIC) und der IC-Baustein (AIC] übereinander befestigt sind.
17. Mikrofonpackage nach Anspruch 16, bei dem der IC-Baustein (AIC) in einer Ausnehmung des
Substrats (SUB) unter dem Mikrofonchip (MIC) angeordnet ist
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