DE102004009254A1 - Halbleiter-Drucksensorvorrichtung - Google Patents

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DE102004009254A1
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Masato Kariya Ueno
Yoshifumi Kariya Watanabe
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Abstract

Es wird eine Halbleiter-Drucksensorvorrichtung (100) geschaffen, welche eine vollgefüllte Gelanordnung aufweist. Diese Vorrichtung beinhaltet einen Sensorchip (3) zum Erfassen eines Drucks und zum Erzeugen eines dem Druck entsprechenden elektrischen Signals. Dieser Sensorchip der Sensorvorrichtung ist mit einem leitfähigen Element (2) wie z. B. einem Anschlusskontakt unter Verwendung eines Bonddrahts (5) verbunden. Der Sensorchip und der Bonddraht sind von einem schützenden Element (6) bedeckt, das Charakteristika elektrischer Isolierung und Verformbarkeit aufweist. Hierbei ist der Bonddraht aus einer Legierung aus Au und Pd gebildet. Diese einen Bonddraht einer Au-Pd-Legierung verwendende Anordnung ermöglicht es, die Drahtfestigkeit zu steigern, ohne den Drahtdurchmesser im Vergleich mit einem herkömmlichen Drahtdurchmesser im Wesentlichen zu erhöhen.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Halbleiter-Drucksensorvorrichtung, welche einen Sensorchip und einen Bonddraht aufweist, wobei beide von einem schützenden Element wie z.B. einem Gel bedeckt sind. Die Halbleiter-Drucksensorvorrichtung wird derart verwendet, dass sie einen Motoransaugdruck eines Fahrzeugs erfasst.
  • Die JP-A-2001-153746 ( US-6,512,255 ) offenbart z.B. eine Halbleiter-Drucksensorvorrichtung, welche einen Halbleitersensorchip zum Erfassen eines Drucks und zum Erzeugen eines dem Druck entsprechenden Signals aufweist. Dieser Sensorchip der Sensorvorrichtung ist mit einem leitfähigen Element wie z.B. einem Anschlusskontakt unter Verwendung eines aus Au (Gold) oder Al (Aluminium) gebildeten Bonddrahts verbunden. Der Sensorchip und der Bonddraht sind von einem schützenden Element bedeckt, welches Charakteristika bezüglich elektrischer Isolierung und Verformbarkeit aufweist.
  • Die Sensorvorrichtung wird z.B. als Sensor zum Erfassen eines Drucks innerhalb eines Ansaugkrümmers eines Fahrzeugmotors verwendet, genauer gesagt, als MAPS (Ansaugkrümmerdruck-Sensor), der als Primärsensor zur Steuerung/Regelung eines Ansaugkrümmerdrucks verwendet wird.
  • In der oben erwähnten Halbleiter-Drucksensorvorrichtung werden ein Sensorchip und ein Bonddraht von einem aus einem Gel wie z.B. einem Siliziumgel und einem Fluorgel gebildeten schützenden Element bedeckt, so dass sie als "vollgefüllte Gelanordnung" bezeichnet werden. Eine "teilgefüllte Gelanordnung" bezeichnet dagegen eine Anordnung, in welcher das schützende Element den Sensorchip, nicht jedoch der Bonddraht bedeckt.
  • Die vollgefüllte Gelanordnung ist der teilgefüllten Gelanordnung bezüglich eines Merkmals überlegen, welches das Schützen eines Sensorchips oder eines Bonddrahts betrifft. Seit kurzem tendiert man zum Beispiel dazu, den Ansaugkrümmerdruck-Sensor als vollgefüllte Gelanordnung zu verwenden, was aus einer Überlegung bezüglich Schmutz- und Gefrierbeständigkeit oder Einfluss durch Verunreinigung auf Grund eines EGR (Abgasrückführung) Gases resultiert.
  • Ferner ist in der die vollgefüllte Gelanordnung aufweisenden Halbleiter-Drucksensorvorrichtung ein Schaltungschip vorgesehen, welche zur Verarbeitung eines elektrischen Signals eines Sensorchips erforderlich ist. Hierbei sind der Schaltungschip und der Sensorchip über einen Bonddraht elektrisch verbunden, wobei der Schaltungschip und der Bonddraht ebenso von einem schützenden Element bedeckt sind.
  • Ferner sind in der die vollgefüllte Gelanordnung aufweisenden Halbleiter-Drucksensorvorrichtung die Bonddrähte zwischen dem Sensorchip und dem leitfähigen Element und zwischen dem Sensorchip und dem Schaltungschip aus Au (Gold) oder Al (Aluminium) gebildet.
  • Genauer gesagt wird eine Bordinsel auf dem Chip im Allgemeinen aus einem Al verwendenden Basismaterial gebildet, so dass für einen Bonddraht hauptsächlich Gold verwendet wird, und zwar infolge seiner Überlegenheit gegenüber Al bezüglich der Verbindung stärke.
  • In der die vollgefüllte Gelanordnung aufweisenden Drucksensorvorrichtung kommt es infolge eines Kühl-/Erwärmungszykluses dazu, dass sich das aus dem Gel oder dergleichen gebildete schützende Element zusammenzieht und ausdehnt. Dies erzeugt eine an einem Bonddraht anliegende Belastung, wodurch sich der Produktlebenszyklus der Vorrichtung verringert, z.B. infolge eines Bruchs eines Halsabschnitts des Bonddrahts.
  • Ferner ist es erforderlich, eine Bondinsel des Chips zu vergrößern, wenn ein Drahtdurchmesser bezüglich einer Lebensdauererhöhung des Bonddrahts vergrößert wird. Dies ist für eine einen hohen Integrationsgrad erfordernde Chipanordnung nicht wünschenswert. Herkömmlich ist ein Bonddrahtdurchmesser z.B. 30 bis 40 μm, so dass ein Drahtdurchmesser vorzugsweise kleiner oder gleich 40 μm ist.
  • Bei Erhöhung eines Bonddrahtdurchmessers wird ferner eine zusätzliche Belastung entsprechend der Drahtfestigkeitszunahme erzeugt, wodurch sich die Drahtlebensdauer verringert und sich die Kosten erhöhen.
  • Wird die Drahtfestigkeit ferner zu fest, führt dies dazu, dass der Draht den Änderungen des aus einem Gel oder dergleichen gebildeten schützenden Elements nicht folgt, was möglicherweise dem schützenden Element schadet und eine Blase innerhalb des schützenden Elements während des Kühl-/Erwärmungszykluses erzeugt. Wenn der Draht dem schützenden Element nicht folgt, kann dies ferner einen Bruch des Drahts verursachen.
  • Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Halbleiter-Drucksensorvorrichtung vorzusehen, welche eine vollgefüllte Gelanordnung aufweist und geeignet ist, eine Bonddrahtfestigkeit zu steigern ohne dabei den Bonddrahtdurchmesser im Wesentlichen zu erhöhen.
  • Um die obige Aufgabe zu erzielen, ist eine Halbleiter-Drucksensorvorrichtung gemäß der folgenden Beschreibung vorgesehen. Ein Sensorchip ist zum Erfassen eines Drucks und Zum Erzeugen eines dem Druck entsprechenden elektrischen Signals vorgesehen. Der Sensorchip ist mit einem leitfähigen Element unter Verwendung eines Bonddrahts elektrisch verbunden. Der Sensorchip und der Bonddraht sind von einem schützenden Element bedeckt. Hierbei ist der Bonddraht aus einer Legierung aus Au und Pd gebildet. Diese einen Bonddraht einer Au-Pd-Legierung verwendenden Anordnung ermöglicht es, Drahtfestigkeit zu steigern, ohne den Drahtdurchmesser im Vergleich zu einem herkömmlichen Drahtdurchmesser im Wesentlichen zu erhöhen (in geringem Maße).
  • In einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung weist der Bonddraht vorzugsweise einen Durchmesser auf, welcher kleiner oder gleich 40 μm ist. Diese Anordnung, welche einen Bonddraht verwendet, der einen Durchmesser aufweist, der kleiner oder gleich 40 μm ist, ermöglicht es, die Drahtfestigkeit zu steigern und zwar mit einem Durchmesser, welcher nahe dem eines herkömmlichen Bonddrahts ist.
  • Die obigen und zusätzlichen Aufgaben, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung mehr ersichtlich, welche unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung gemacht wird. In der Zeichnung zeigt:
  • 1 eine Querschnittsansicht eines Hauptteils einer Halbleiter-Drucksensorvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
  • 2 eine Perspektivansicht eines Hauptteils einer Halbleiter-Drucksensorvorrichtung gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • Unter Bezugnahme auf 1 (Hauptanordnung) wird eine Halbleiter-Drucksensorvorrichtung 100 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erläutert. Die Sensorvorrichtung 100 wird z.B. zum Erfassen eines Ansaugdrucks eines Fahrzeugmotors verwendet.
  • In 1 wird ein Gehäuse 1 gezeigt, welches aus einem Harz, wie z.B. Epoxidharz gebildet ist und die Füllstoffe PPS (Polyphenylensulfid) oder PBT (Polybutylentherephthalat) beinhaltet.
  • In dem Gehäuse 1 ist ein Anschlusskontakt (leitfähiges Element) 2, welches aus leitfähigem Material, wie z.B. Kupfer gebildet ist, mittels eines Fertigungsverfahrens "insert molding" integrierend angeordnet. Der Anschlusskontakt 2 tritt an einem festgelegten Abschnitt des Gehäuses 1 äußerlich heraus, um mit einem äußeren Drahtelement elektrisch verbunden zu werden. Ferner ist in dem Gehäuse 1 ein Halbleitersensorchip 3 zum Erfassen eines Drucks und zum Erzeugen eines dem erfassten Druck entsprechenden elektrischen Signals angeordnet. Der Sensorchip 3 weist einen bekannten Aufbau zur Ausnutzung eines Piezowiderstandseffekts auf. Weil in dem Sensorchip 3 eine Membran und ein auf der Membran gebildeter Diffusionswiderstand vorgesehen sind, wird das elektrische Signal gemäß einer Belastung (Druck) erzeugt, welche an dem Sensorchip in Richtung der Dicke anliegt.
  • Der Sensorchip 3 ist auf die Bodenoberfläche eines Vertiefungsabschnitts 1a via eines Glassockels 4 mittels eines Klebemittels 4a chipgebondet, wie z.B. einem auf Phlorosilikon basierenden Klebemittel.
  • Auf der oberen Oberfläche des Sensorchips 3 ist eine Bondinsel 3a angeordnet. Die Bondinsel 3a ist üblicherweise ein Aluminiumfilm eines Aluminiumbasismaterials und wird mittels Aufdampfung oder des Sputtering-Verfahrens gebildet. In diesem Fall ist die Bondinsel 3a ein Aluminiumfilm einer Al-Si-Cu(Si: Silizium, Cu: Kupfer)-Legierung, obwohl das Aluminiumbasismaterial Al, Al-Si, Al-Si-Cu oder dergleichen sein kann.
  • Der Anschlusskontakt 2 und die Bondinsel 3a des Sensorchips 3 sind über einen aus einer Au-Pd(Gold-Paladium)-Legierung gebildeten Bonddraht 5 elektrisch verbunden, wobei ein Keilbondenverfahren verwendet wird.
  • Die Legierung des Bonddrahts 5 kann folgende Zusammensetzung aufweisen: Pd = 1 bis 10%, Au = "abgleichen". Der Bonddraht 5 kann einen Durchmesser kleiner oder gleich 40 μm aufweisen, vorzugsweise 30 bis 40 μm. In den Bonddraht 5 dieser Ausführungsform weist die Legierung folgende Zusammensetzung auf: Au = 99% und Pd = 1%, wobei der Durchmesser 38 μm ist.
  • Innerhalb des Gehäuses 1 wird ein aus einem isolierenden Material bestehendes schützendes Element 6 den Sensorchip 3 und Bonddraht 5 einbettend aufgefüllt. Das schützende Element 6 ist für den Sensorchip 3 und den Bonddraht 5 schützend, bezüglich einer isolierenden Eigenschaft sichernd und bezüglich einer Korrosion dieser Elemente verhindernd.
  • Genauer gesagt bedeckt und schützt das schützende Element 6 den Sensorchip 3, den Bonddraht 5, die Verbindungsabschnitte zwischen dem Sensorchip 3 und dem Bond draht 5 und die Verbindungsabschnitte zwischen dem leitfähigen Element (leitendes Element) 2 und dem Bonddraht 5.
  • Das schützende Element 6 kann aus einem Gelmaterial, wie z.B. einem Fluorgel, einem Siliziumgel oder einem Phlorosilikongel gebildet sein, von denen jedes eine wünschenswerte Charakteristik, wie z.B. elektrische Isolierung, Verformbarkeit, Temperaturwechselbeständigkeit, Vibrationsbeständigkeit, Hitzebeständigkeit oder Kältebeständigkeit aufweist. In dieser Ausführungsform wird ein Fluorgel infolge der niedrigsten Feuchtigkeitsdurchlässigkeit unter den in den Drucksensorvorrichtungen verwendeten Gelen verwendet.
  • Das aus diesem Fluorgel gebildete schützende Element 6 wird in das mit dem Sensorchip 3 und einem Bonddraht 5 versehenen Gehäuse 1 in einem flüssigen Zustand gefüllt, worauf dann eine wärmehärtende Behandlung (z.B. bei ungefähr 150°C für 90 Minuten) erfolgt, um entsprechend angeordnet zu werden.
  • In der oben erwähnten Halbleiter-Drucksensorvorrichtung 100 liegt eine Belastung (Druck) als ein in 1 gezeigter nicht ausgefüllter Pfeil P an der Oberfläche des schützenden Elements 6 an, um dadurch den Sensorchip 3 via dem schützenden Element 6 zu erreichen.
  • Hierbei erzeugt der Sensorchip 3 gemäß der anliegenden Belastung ein elektrisches Signal, welches via dem Metallfilm 3a, einem Bonddraht 5 und dem leitenden Element 2 nach außen ausgegeben wird, um dadurch eine Erfassung der anliegenden Belastung (Druck) zu ermöglichen.
  • Als Nächstes wird eine Grundlage bezüglich der Verwendung eines Bonddrahts 5 aus einer Au-Pd-Legierung er läutert. Eine Ursache bezüglich nachlassender Bonddrahtfestigkeit ist voraussichtlich, dass sich eine wechselseitige Diffusion von Gold und Aluminium zwischen einem Bonddraht aus Gold und einer Bondinsel aus Aluminiumbasismaterial entwickelt.
  • Die Erfinder der vorliegenden Erfindung glauben, dass Aluminium zur Diffusion neigt, weil der Bonddraht aus reinem Gold gebildet ist. Dementsprechend haben sie eine Idee entwickelt, die dem Aluminium ein leichtes Diffundieren nicht ermöglicht, wenn das reine Gold durch zusätzliche Goldlegierungen ersetzt wird. Diese Idee führt zu einer Steigerung der Bonddrahtfestigkeit.
  • Es ist nach einer Prüfung einer Vielzahl von Goldlegierungen herausgefunden worden, dass eine Goldlegierung, welche Palladium (Pd) beinhaltet, vorzugsweise für einen Bonddraht verwendet wird, um die gewünschte Aufgabe zu erzielen.
  • Eine detaillierte Prüfung wird nachstehend beschrieben. Zuerst wurde die Zugfestigkeit bezüglich zweier Prüflinge gemessen (erster Prüfling: ein Bonddraht dieser Ausführungsform; zweiter Prüfling: einen herkömmlicher Bonddraht einer Referenz). Hierbei ist bei beiden der Prüflinge eine auf dem Sensorchip 3 angeordnete Bondinsel 3a aus einem 1,35 μm dicken Aluminiumfilm aus Al-Si-Cu gebildet. Bei den Bonddrähten dagegen weist der erste Prüfling einen Bonddraht 5 dieser Ausführungsform und zwar einen Draht aus Au-Pd (Pd: 1%, Au: "abgleichen") auf, während der zweite Prüfling einen herkömmlichen Referenzdraht aus reinem Gold aufweist. Die Drähte beider Prüflinge weisen den gleichen Durchmesser auf (z.B. 38 μm).
  • Nach zwei Stunden Belichtung bei 175°C wurde ein Zugfestigkeitstest durchgeführt. Bei diesem Test wird eine Zugfestigkeit gemessen, bei der ein Bonddraht an seinem Halsabschnitt bricht. Als Resultat weist der erste Prüfling dieser Ausführungsform eine Zugfestigkeit von 15 gf auf, während der zweiten Prüflings eine Zugfestigkeit von 9 gf aufweist, was eine Steigerung der Festigkeit in dem Bonddraht 5 dieser Ausführungsform belegt.
  • Ebenso ist ferner eine Überlegenheit des Bonddrahts 5 dieser Ausführungsform überprüft, wenn eine Bondinsel 3a aus einem 5,5 μm dicken Aluminiumfilm aus Al-Si gebildet ist. Dementsprechend kann die Verwendung eines Bonddrahts einer Au-Pd-Legierung die Drahtfestigkeit im Vergleich mit dem herkömmlichen Draht steigern.
  • Als Nächstes wurde ein Kühl-/Erwärmungszyklus-Test bezüglich dreier Vorrichtungen durchgeführt, die Anordnungen des oben erwähnten Halbleiterdrucksensors 100 aufweisen. Die erste Vorrichtung ist eine Vorrichtung 100 dieser Ausführungsform, welche eine Drahtbondung einer Au-Pd (Pd: 1%, Au: abgleichen) aufweist, während die zweite und dritte Vorrichtung Referenzvorrichtungen sind, welche einen herkömmlichen Draht aus reinem Gold aufweisen. Der Draht der ersten Vorrichtung weist einen Durchmesser von 38 μm auf. Der Draht der zweiten Vorrichtung (Referenz) weist dagegen einen herkömmlichen Durchmesser von 30 μm auf, während der Durchmesser der dritten Vorrichtung (Referenz) einen Durchmesser von 50 μm aufweist, welcher größer als der Durchmesser der herkömmlichen Vorrichtung ist und ungeeignet bezüglich eines hohen Integrationsgrads ist.
  • Bei diesen Vorrichtungen wurde ein Kühl-/Erwärmungszyklus (–40°C für 30 Minuten, 125°C für 30 Minuten) durchgeführt, der einer typischen Testbedingung eines Fahrzeug entspricht. Das Resultat war derart, dass die einen reinen Golddraht mit einem Durchmesser von 30 μm aufweisende zweite Vorrichtung bezüglich eines Halsabschnitts nach hunderten von Zyklen ausfiel. Die erste Vorrichtung 100 dieser Ausführungsform und die einen reinen Golddraht mit einem Durchmesser von 50 μm aufweisende dritte Vorrichtung (Referenz) fielen dagegen erst nach Tausenden von Zyklen aus, was eine Erhöhung eines Faktors 10 bezüglich der Anzahl von Zyklen im Gegensatz zur zweiten Vorrichtung bedeutet.
  • Deshalb kann die Verwendung eines Bonddrahts 5 dieser Ausführungsform mit einer Au-Pd-Legierung die Drahtfestigkeit steigern, wobei ein Drahtdurchmesser (z.B. 40 μm) nahe eines herkömmlichen Durchmessers ist, d.h., der Drahtdurchmesser wird im Wesentlichen nicht erhöht und ebenso wird ein hoher Integrationsgrad nicht beschränkt.
  • Des Weiteren kann in der obigen Halbleiter-Drucksensorvorrichtung 100 zusätzlich ein Schaltungschip 8 zur Verarbeitung des elektrischen Signals des Sensorchips angeordnet werden, wie in 2 gezeigt wird. Hierbei verbindet ein zusätzlicher Bonddraht 7 den Schaltungschip 8 und den Sensorchip 3 elektrisch. Zusätzlich kann ein schützendes Element 6 den Schaltungschip 8 und den zusätzlichen Bonddraht 7 bedecken.
  • In dieser Anordnung kann der zusätzliche Bonddraht 7 aus einer Au-Pd-Legierung gebildet sein. Dies ermöglicht es ebenso, den zusätzlichen Bonddraht 7, welcher die Chips 3 und 8 verbindet, im Vergleich zu einem herkömmlichen Bonddraht zu verstärken, ohne im Wesentlichen einen Drahtdurchmesser zu erhöhen.
  • Es wird Fachleuten ersichtlich sein, dass es in den oben beschriebenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung möglich ist, eine Vielzahl von Änderungen vorzusehen. Der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung bestimmt sich jedoch aus den nachfolgenden Ansprüchen.
  • Vorstehend wurde eine Halbleiter-Drucksensorvorrichtung offenbart.
  • Es wird eine Halbleiter-Drucksensorvorrichtung 100 geschaffen, welche eine vollgefüllte Gelanordnung aufweist. Diese Vorrichtung beinhaltet einen Sensorchip 3 zum Erfassen eines Drucks und zum Erzeugen eines dem Druck entsprechenden elektrischen Signals. Dieser Sensorchip der Sensorvorrichtung ist mit einem leitfähigen Element 2 wie z.B. einem Anschlusskontakt unter Verwendung eines Bonddrahts 5 verbunden. Der Sensorchip und der Bonddraht sind von einem schützenden Element 6 bedeckt, das Charakteristika elektrischer Isolierung und Verformbarkeit aufweist. Hierbei ist der Bonddraht aus einer Legierung aus Au und Pd gebildet. Diese einen Bonddraht einer Au-Pd-Legierung verwendende Anordnung ermöglicht es, die Drahtfestigkeit zu steigern, ohne den Drahtdurchmesser im Vergleich mit einem herkömmlichen Drahtdurchmesser im Wesentlichen zu erhöhen.

Claims (4)

  1. Halbleiter-Drucksensorvorrichtung (100), welche aufweist: ein leitfähiges Element (2); einen Sensorchip (3) zum Erfassen eines Drucks und zum Erzeugen eines dem Druck entsprechenden elektrischen Signals; einen Bonddraht (5), welcher den Sensorchip und das leitfähige Element elektrisch verbindet; und ein schützendes Element (6), welches Charakteristika bezüglich elektrischer Isolierung und Verformbarkeit aufweist und den Sensorchip und den Bonddraht bedeckt, dadurch gekennzeichnet, dass der Bonddraht aus einer Legierung aus Au und Pd gebildet ist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Durchmesser des Bonddrahts kleiner oder gleich 40 μm ist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sie ferner aufweist: einen Schaltungschip (8) zur Verarbeitung des elektrischen Signals des Sensorchips; und einen zusätzlichen Bonddraht (7), welcher den Schaltungschip und den Sensorchip elektrisch verbindet, wobei das schützende Element den Schaltungschip und den Bonddraht bedeckt, und der zusätzliche Bonddraht aus einer Legierung aus Au und Pd gebildet ist.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Durchmesser des zusätzlichen Bonddrahts kleiner oder gleich 40 μm ist.
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