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Die
Erfindung betrifft ein Chipmodul mit einem mikromechanisch strukturierten
Sensorelement für
optische oder stressempfindliche Messungen, das insbesondere im
Automotive-Bereich verwendbar ist, sowie ein Verfahren zu dessen
Herstellung.
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Derartige
Chipmodule können
insbesondere Gassensormodule mit Sensorchips zur Detektion von CO2
sein, die z.B. in CO2-betriebenen KfZ-Klimaanlagen zur Detektion von Leckagen
verwendet werden.
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Mikromechanische
Sensorelemente ermöglichen
bei kostengünstiger
Herstellung eine standardisierte Ausbildung der Messstrukturen und
genaue Messungen. Sie werden zum Schutz vor Beschädigung und
Verschmutzung sowie zur geeigneten optischen Ausrichtung in geeigneten
Gehäusen
aufgenommen. Das aus dem Gehäuse
und dem Sensorelement gebildete Sensormodul kann nachfolgend auf einem
Substrat, z.B. einer Leiterplatte, befestigt werden.
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Bei
gemoldeten Modulen werden die Chips auf z.B. Leadframes kontaktiert
und das Gehäuse
um die Chips mit einem Teil des Leadframes gespritzt bzw. gemoldet.
Die Pins des Leadframes erstrecken sich zur Kontaktierung und Befestigung
des Sensormoduls als Anschlusspins seitlich aus dem Gehäuse heraus.
Für mikromechanische
Sensorchips, die stressempfindlich sind oder einen offenen Zugang zur
Chipoberfläche
benötigen,
wie z.B. Drucksensorchips oder optische Sensorchips, sind derartige
Gehäusen
jedoch ungeeignet.
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Daher
werden für
derartige Sensorchips oftmals Premoldgehäuse verwendet, bei denen zunächst ein
Leadframe mit mehreren Leads in einen Gehäuseköper aus einem Moldmaterial,
im allgemeinen ein Kunststoff oder Epoxidharz, eingespritzt bzw. eingemoldet
wird. Die Premoldgehäuse
orientieren sich im Design an SIP (Single Inline Packages), SOP (Small
Outline Packages) oder PSOP (Power Small Outline Packages) oder ähnlichen
Gehäusebauformen
Ein oder mehrere Sensorchips werden nachfolgend in dem Premoldgehäuse befestigt,
z.B. geklebt, und mit den Leads, z.B. mittels Bonddrähten, kontaktiert.
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Die
Leads bilden hierbei im Allgemeinen im Innenraum des Gehäusekörpers Bondpads
zur Kontaktierung mit den Kontaktpads des Sensorchips und erstrecken
sich lateral durch den Gehäusekörper nach
außen,
wo sie seitlich vorstehende Anschlusspins ausbilden, mit denen das
Gassensormodul auf dem Substrat befestigt und kontaktiert werden
kann. Der zur Montage der Premoldgehäuse auf dem Substrat erforderliche
Platz wird durch die Größe des Gehäuses und
die Breite der Anschlusspins bestimmt. Die seitlich vorstehenden,
empfindlichen Anschlusspins können
jedoch während
des Handlings durch mechanische Beschädigungen verbiegen, was zu Problemen
bei der nachfolgenden Kontaktierung auf dem Substrat führen kann.
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Weiterhin
sind Sensorchipmodule mit Metallgehäusen, z.B. der TO-Bauform, bekannt,
die in Durchstecktechnik auf den Leiterplatten weiterverarbeitet
werden können.
Eine derartige Montage ist jedoch sehr zeitaufwendig und kostspielig.
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Das
erfindungsgemäße Chipmodul
und das Verfahren zu seiner Herstellung weisen demgegenüber einige
Vorteile auf. Erfindungsgemäß wird ein Premoldgehäuse ausgebildet,
dessen Leads zum einen im Gehäuse-Innenraum
Bondpads zur Kontaktierung mit der mikromechanischen Messstruktur ausbilden
und zum anderen bis zu der Unterseite des Gehäusebodens derart gebogen sind,
dass sie an der dens derart gebogen sind, dass sie an der Gehäuseunterseite
freiliegende, vorteilhafterweise runde, Kontaktbereiche, so genannte
Ball-Pads, ausbilden.
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Gegenüber bekannten
Premoldgehäusen mit
lateral nach außen
abstehenden Anschlusspins wird somit der Platzbedarf auf dem Substrat
deutlich gesenkt. Weiterhin können
erfindungsgemäß mechanische
Beschädigungen
der Kontakte vermieden werden. Die Ball-Pads können auf dem Substrat entweder über gedruckte
Lotdepots oder Leitkleberdepots direkt befestigt und kontaktiert
werden oder durch die Erzeugung von Lot-Bumps oder Leitkleber-Bumps, ähnlich der
Flip-Chip-Montage, befestigt und kontaktiert werden. Die Lot- oder
Leitkleberkontakte zwischen dem Premoldgehäuse und dem Substrat können ergänzend durch
Einfüllen
von Underfiller-Material passiviert und geschützt werden. Damit wird auch
eine zusätzliche
mechanische Befestigung zum Substrat erreicht.
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Die
Kontaktierung mindestens einen Chips im Innenraum des Premoldgehäuses erfolgt
vorteilhafterweise über
an sich bekannte Drahtbonds, die durch Auffüllen des Gehäuseinnenraums
mit Passivierungsmittel sicher geschützt werden können. Die Leads
des erfindungsgemäßen Premoldgehäuses ermöglichen
hierbei eine Kontaktierung mit dem Sensorelement über einen
Schulterbereich auf der Innenseite des Premoldgehäuses. Auf
der Unterseite des Gehäuses
können
mehrere Ball-Pads als ball grid array (BGA) ausgebildet sein, wozu
vorteilhafterweise ein Leadframe mit mehreren sich in einer lateralen
Richtung parallel erstreckenden, unterschiedlich langen Leads verwendet
wird, an denen die Ball-Pads in der lateralen Richtung zueinander
versetzt angeordnet und jeweils an die Unterseite des Gehäusebodens
gebogen sind.
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Die
Erfindung kann grundsätzlich
für beliebige
Chips, insbesondere aber für
Chips für
stressempfindliche oder optische Anwendungen verwendet werden. Derartige
Chips können
insbesondere mikromechanische Sensorchips bzw. mikromechanische
Sensorelemente mit mehreren Chips sein, die für optische Messungen, z.B.
spektroskopische Gasmessungen, oder z.B. stressempfindliche Druck- oder
Durchfluss-Messungen verwendet werden. Grundsätzlich können aber auch z.B. optische
Chips bzw. elektro-optische Chips eingesetzt werden, die einen optischen
Zugang erfordern.
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Erfindungsgemäß kann insbesondere
ein zweikanaliger Gassensormodul ausgebildet werden, der z.B. sechs
Kontakte und somit sechs Ball-Pads erfordert, die als BGA an der
Unterseite des Gehäuses
ausgebildet werden können,
ohne dass hierzu dass Gehäuse
größer zu dimensionieren
ist.
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Zur
Herstellung des erfindungsgemäßen Premoldgehäuses wird
vorzugsweise ein Leadframe-Streifen mit entsprechend strukturierten
Leadframe-Bereichen verwendet, in denen die Leads in gemeinsamen
Biegelinien bzw. Falzlinien gebogen werden. Die Gehäusekörper werden
nachfolgend mit einem Kunststoff oder einem Epoxidharz umspritzt bzw.
gemoldet und die somit entstandenen Premoldgehäuse werden, vorteilhafterweise
nach der Montage der Chips, durch Zertrennen der Leads außerhalb der
Premoldgehäuse
vereinzelt, so dass die einzelnen Premoldgehäuse in wenigen fertigen Schritten und
kostengünstig
sowie standardisiert ausgebildet werden können.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand der beiliegenden Zeichnungen
an einigen Ausführungsformen
näher erläutert. Es
zeigen:
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1 bis 3 die Herstellung erfindungsgemäßer Premold-Gehäuse in einem
Leadframestreifen:
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1 einen
Ausschnitt aus einem Leadframe-Streifen mit mehreren ungebogenen
Leadframe-Bereichen;
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2 den Ausschnitt aus 1 nach
dem Biegeprozess in Draufsicht (a) und im Querschnitt (b),
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3 den Ausschnitt au dem Leadframe-Streifen
nach dem Molden von Gehäusekörpern in
die gebogenen Leadframe-Bereiche in Draufsicht (a) und Querschnitt
(b),
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4a bis
f ein erfindungsgemäßes Premold-Gehäuse mit
sechs Ball-Pads
in Unteransicht (a), Durchsicht von unten (b), Durchsicht von oben (c),
seitlicher Durchsicht (d), und Querschnitten durch ein längeres und
ein kürzeres
Lead (e, f),
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5 ein
zweikanaliges Gassensormodul als erste Ausführungsform eines Chipmoduls
mit dem BGA-Premold-Gehäuse
aus 4, einem hermetisch dichten Zweikanal-Thermopile-Chip
und auf dessen Silizium-Chipkappe aufgeklebten Filterchips mit integrierter
Blende;
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6 das
Gassensormodul aus 5 mit ergänzender Chippassivierung;
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7a,
b Querschnitte durch das Gassensormodul aus 6 entlang
eines langen und eines kurzen Leads;
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8 das
Gassensormodul aus 6, 7 nach
Montage auf einem Substrat;
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9a,
b eine Draufsicht (a) und Seitenansicht (b) eines zweikanaligen
Gassensors gemäß einer
weiteren Ausführungsform
mit dem BGA-Premold-Gehäuse
und einem hermetisch dichten Zweikanal-Thermopile-Chip mit verlängertem
Gehäuserand
vor Montage der Deckelblende;
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10 das
Gassensormodul aus 9 mit zusätzlicher,
z.B. transparenter, Chippassivierung;
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11a bis c das Gassensormodul aus 7 oder 8 mit
zusätzlich
montierter Deckelblende in Draufsicht (a), Seitenansicht (b) und
Querschnitt (c);
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12 einen
Querschnitt durch einen in Oberflächenmikromechanik hergestellten,
hermetisch dichten Zweikanal-Thermopile-Sensor, als Chipstapel aufgebaut, der
in die erfindungsgemäßen BGA-Premold-Gehäuse zur
Ausbildung der Gassensormodule der 5 bis 11 einsetzbar ist.
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Zur
Herstellung von Premold-Gehäusen 1 wird
zunächst
ein Leadframe- Streifen 2 hergestellt, von
dem in 1 ein Ausschnitt gezeigt ist; der gesamte Leaframe-Streifen 2 erstreckt
sich in Längsrichtung,
d. h., in 1 nach links und rechts, über mehrere
derartige Ausschnitte. Der Leadframe-Streifen 2 wird durch Stanzen
eines Blechs hergestellt, das z.B. aus Kupfer oder einer Kupfer-Zinn-Legierung,
z.B. CuSn6, vorteilhafterweise mit einer Beschichtung, z.B. einer
Nickel-Gold-Beschichtung, besteht. Hierbei wird in dem Leadframe-Streifen 2 ein Muster
aus mehreren Leadframe-Bereichen 3 gestanzt, die im Ansatz
den späteren
Premoldgehäusen
entsprechen. Die Leadframe-Bereiche 3 weisen jeweils einen
Freiraum 4 und mehrere, z.B. sechs sich parallel in den
Freiraum 4 erstreckende Leads 5 auf, die an einem – in 1 linken – Ende in
dem Leadframe-Streifen 2 aufgenommen sind und in ihrem
anderen – in 1 rechten – Endbereich
einen Ball-Pad 6, 7 aufweisen, an dem sich nach
rechts wiederum ein schmalerer Bereich des Leads 5 anschließt, der
im Freiraum 4 frei steht. Die Leads 5 sind alternierend
unterschiedlich lang ausgebildet, wobei ihre Ball-Pads 6 und 7 in
Längsrichtung
der Leads 5 zueinander versetzt sind. Hierdurch wird zum
einen beim Stanzen der Ausschnitte 4 eine bessere Materialausnutzung,
d. h. ein geringerer Verschnitt, und zum anderen durch das zweidimensionale
Array eine bessere Platzausnutzung an der Unterseite der später auszubildenden
Gehäuse
erreicht. Die Leads 5 können
im Leadframe-Streifen 2 grundsätzlich auch anders ausgerichtet
sein, z.B. in dessen Querrichtung.
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Gemäß 2a,
b wird der gestanzte bzw. strukturierte Leadframe-Streifen 2 nachfolgend
gebogen, indem entsprechende Stempel von oben (oder auch entsprechend
von unten) in die Leadframe-Bereiche 3 eingeführt werden.
Hierdurch werden die Leads 5 derartig gebogen, dass sie
von der Grundebene des Leadframe-Streifens 2 ausgehend
in einer ersten Biegung 8, z.B. im Wesentlichen rechtwinklig, nach
unten gebogen und in mindestens einer weiteren Gegenbiegung 9 wiederum
horizontal gebogen werden. Wie dem Querschnitt der 2b und 3b sowie
z.B. auch den Querschnitten der 4e, f
zu entnehmen ist, können
hierbei mehrere Biegeradien ausgebildet werden. Relevant ist hierbei,
dass die Leads 5 in ihren Ball-Pads 6, 7 horizontal
verlaufen und die linken und rechten Bereiche der Leads 5 neben
den Ball-Pads 6, 7 demgegenüber nach oben gebogen sind,
so dass die Ball-Pads 6, 7 die unterste Ebene
der Leadframe-Bereiche 3 bilden.
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Gemäß 3a,
b werden nachfolgend Gehäusekörper 10 aus
einem Moldmaterial, z.B. Kunststoff oder einem Epoxidharz, um die
einzelnen Leadframe-Bereiche 3 gemoldet bzw. gespritzt,
so dass Premoldgehäuse 1 gebildet
werden, die nachfolgend aus dem Leadframe-Streifen 2 durch
Ausschneiden bzw. Stanzen der Leads 5 vereinzelt werden.
Jedes Premold-Gehäuse 1 weist
somit einen Gehäusekörper 10 und
einen Leadframe 14 mit mehreren Leads 5 auf. Die
Stanzlinie 12 beim Ausschneiden bzw. Stanzen der einzelnen
Premold-Gehäuse 1 verläuft durch
die Leads 5 außerhalb
der Gehäusekörper 10, so
dass die Leads 5 nachfolgend elektrisch getrennt sind.
Die Abtrennung der Gehäuse
aus dem Leadframestreifen erfolgt vorteilhafterweise nach dem gesamten
Aufbau des Sensormoduls.
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Wie
insbesondere 4a bis f zu entnehmen ist, werden
die Gehäusekörper 10 derartig
gespritzt, dass sie einen Gehäuseboden 15 und
einen umlaufenen Gehäuserand 16 aufweisen,
wodurch ein nach oben offener Innenraum 17 gebildet wird. Die
einzelnen Leads 5 liegen jeweils zum einen auf einer Schulter 18 des
Gehäusekörpers 10 in
Bereichen frei, die als Bondpads 20 (7a)
dienen, und zum anderen liegen sie in Ball-Pads 6, 7 an
der Unterseite 15a des Gehäusebodens 15 nach
unten frei. Der Gehäuserand 16 weist
eine Stoppkante 22 (7a) für das später einzuführende Passivierungsmittel
auf, wie weiter unten beschrieben wird.
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In
das Premold-Gehäuse 1 wird
nachfolgend mindestens ein mikrostrukturierter Chip eingeklebt. Die 5 bis 7 zeigen eine erste Ausführungsform eines
zweikanaligen Gassensormoduls 24, bei dem in das Premold-Gehäuse 1 ein
in 12 detaillierter gezeigtes mikrostrukturiertes
Sensorelement 23 eingeklebt wird, das als Chipstapel aus
einem Sensorchip 26, einem Kappenchip 28 und zwei
Filterchips 30a, b gebildet ist. Hierbei wird der Sensorchip 26 auf dem
Gehäuseboden 15 des
Gassensormoduls 24 mittels einer Klebstoffschicht 25,
z.B. einem üblichen Chipklebstoff,
befestigt.
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In
dem Sensorchip 26 sind in Oberflächenmikromechanik (OMM) in
an sich bekannter Weise zwei optische Messstrukturen 32a,
b ausgebildet, wobei jede Messstruktur 32a, b jeweils eine
Membran 33, unterhalb der Membran 33 eine Kaverne 34 und
auf der Membran 33 eine Thermopile-Struktur 35 aus
miteinander kontaktierten Leiterbahnen aufweist, die aus Materialien
mit unterschiedlichen Seebeck-Koeffizienten ausgebildet sind und
sich von der Membran 33 bis in das Bulkmaterial des Sensorchips 26 erstrecken.
Auf der Thermopile-Struktur 35 jeder Messtruktur 32a,
b ist eine Absorberschicht 36 aus einem Infrarot-Strahlung
absorbierenden Material, z.B. einem Metalloxid, aufgetragen. Auf
der Unterseite des Kappenchips 28 ist eine Kaverne 38 ausgebildet,
die als gemeinsamer Sensorraum für
beide Messstrukturen 32a, b dient und ein Vakuum einschließt. Der
Kappenchips 28 ist hierbei auf dem Sensorchip 26 in
einer vakuumdichten Verbindung, z.B. Sealglas-Verbindung 40, befestigt, so
dass das Vakuum der Kaverne 38 gegenüber dem Außenraum abgedichtet ist. Die
beiden Filterchips 30a, b sind auf der Oberseite des Kappenchips 28 jeweils
mittels einer für
IR-Strahlung transparenten Klebstoffschicht 42 befestigt.
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Die
beiden optischen Messstrukturen 32a, 32b des zweikanaligen
Sensorelementes 23 dienen einer ersten Messung und einer
Referenzmessung und sind identisch ausgebildet; die auf den gemeinsamen
Kappenchip 28 geklebten Filterchips 30a, b weisen
unterschiedliche Absorptionscharakteristiken auf. Hierbei absorbiert
der erste Filterchip 30a Infrarot-Strahlung selektiv in
dem für
CO2 relevanten Wellenlängenbereich
bei ca. 4,26μm
und der zweite Filterchip 30b in einem hiervon verschiedenen
Referenzwellenlängenbereich
bei z.B. 3,9μm.
Einfallende IR-Strahlung gelangt somit durch die Filterchips 30a, b,
die transparenten Klebstoffschichten 42 und den gemeinsamen,
für IR-Strahlung
transparenten Silizium-Kappenchip 28, die Kaverne 38 und
gelangt auf die Absorberschichten 36 der jeweiligen Messstruktur 32a,
b. Je nach einfallender IR-Strahlung erwärmt sich diese, so dass ihre
Temperaturerhöhung
durch die hierunter liegende jeweilige Thermopile-Struktur 35 als
Thermospannung detektiert wird und entsprechende Messspannungen
erzeugt werden. Die Leiterbahnen der Thermopile-Struktur 35 sind
mit Kontaktpads 44 (bzw. Bondpads) auf der Oberseite des Sensorchips 36 außerhalb
des Kappenchips 28 verbunden, so dass die in den beiden
optischen Messstrukturen 32a, b erzeugten Messspannungen über die
Kontaktpads 44 ausgelesen werden können, und nachfolgend – in an
sich bekannter Weise – aus
einer Differenz oder einem Verhältnis
der Messsignale der Gehalt an CO2 in einem
Messraum zwischen einer nicht gezeigten Strahlungsquelle und dem
Gassensormodul 24 ermittelt werden kann.
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Die
Sensorelemente 23 aus den Chips 26, 28 und 30a,
b werden in an sich bekannter Weise bereits auf Waferebene erzeugt,
indem die Sensorchips 26 strukturiert, die Kappenchips 28 geätzt und
die betreffenden Wafer aufeinander montiert werden, woraufhin die
Sensorelemente 23 aus dem Waferstapel vereinzelt werden.
Das jeweilige Sensorelemente 23 wird über die Klebstoffschicht 25 auf
den Gehäuseboden 15 geklebt,
danach werden die Filterchips 30a, b mittels des IR-transparenten
Klebstoffes auf den Kappenchip geklebt, nachfolgend werden die Kontaktpads 44 des
Sensorchips 26 mit den Bondpads 20 der Leads 5 über Drahtbonds 46 kontaktiert
und in den Gehäuseinnenraum 17 des
Premoldgehäuses 1 ein
Passivierungsmittel 50, z.B. ein übliches Gel, eingegossen. Das
Passivierungsmittel 50 gelangt hierbei bis zu der umlaufenden
Stoppkante 22, die etwas unterhalb der Oberfläche der
Filterchips 30a, 30b angeordnet ist, so dass das
Passivierungsmittel 50 nicht die Oberfläche der Filterchips 30a,
b bedeckt.
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Das
erfindungsgemäße Gassensormodul 24 weist
keine seitlich nach außen
ragenden Anschlusspins, sondern lediglich die ein Ball Grid Array
(BGA) bildenden Ball-Pads 6 und 7 auf, über die
das Gassensormodul 24 nachfolgend auf einem Substrat 52, z.B.
einer Leiterplatte oder einem Ke ramiksubstrat, befestigt und kontaktiert
wird. Hierzu werden als elektrisch leitfähige Verbindungsmittelbereiche 54 bzw. Ball-Kontakte
Lot-Depots aus Lotmaterial in Schablonendruck oder entsprechende
Leitkleber-Depots aus z. B. Silberleitkleber in Siebdruck auf der
Leiterplatte 52 aufgebracht. Die Montage erfolgt somit
durch Kleben oder Löten
auf dem Substrat 52. Die Verbindungsmittelbereiche 54 sind
hierbei vollständig
unterhalb des Gassensormoduls 24 aufgenommen, so dass kein
weiterer lateraler Platz auf dem Substrat 52 benötigt wird.
Sie sind weiterhin vor direkten mechanischen Beeinträchtigungen
geschützt.
Ergänzend kann
in den Zwischenraum 56 zwischen dem Gassensormodul 24 und
dem Substrat 52, d. h. um die Verbindungsmittelbereiche 54 herum,
ein angedeutetes Underfiller-Material 57 aus einem elektrisch
nicht leitenden Material, eingebracht werden, um die Verbindungsmittelbereiche 54 vor
Umwelteinflüssen
zu schützen
und die mechanische Verbindungsstabilität des Gehäuses zum Substrat zu erhöhen.
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Die 9 bis 11 zeigen
ein zweikanaliges Gassensormodul 58 gemäß einer weiteren Ausführungsform,
bei dem bei ansonsten entsprechendem Aufbau wie dem Gassensormodul 24 der
ersten Ausführungsform
an dem Gehäusekörper 10 des
Premold-Gehäuses 1 an
zwei gegenüberliegenden
Seiten ein nach oben abstehender Biegerand 60 von z.B.
zusätzlich
0,5 mm Länge
ausgebildet ist. Der Biegerand 60 dient der Befestigung
eines Blendendeckels 62 aus Metall von z.B. 150 μm Dicke.
Bei dieser Ausführungsform
kann ein Passivierungsmittel 50, insbesondere ein Silikongel,
verwendet werden, das IR-durchlässig
und weicher als das in der ersten Ausführungsform verwendete Passivierungsmittel ist.
Ein Schutz des Innenraums 17 des Premold-Gehäuses 1 und
des hierin eingebrachten Passivierungsmittel 50 erfolgt über den
aufgesetzten Blendendeckel 61, der durch Heißverstemmen
des Biegerandes 62 gemäß 10a, b auf den Premold-Gehäuse 1 befestigt
wird. Ergänzend
werden an den beiden weiteren Seiten des Gehäuses 1, an denen kein
Biegerand 60 ausgebildet ist, Deckelkanten 64 des
Blendendeckels 62 um 90° nach
unten abgewinkelt, so dass eine zusätzliche laterale Fixierung
erreicht wird. Der Blendendeckel 62 ist somit fest aufgenommen
und fixiert, so dass in ihm ausgebildete Blenden 66a, b
oberhalb der beiden Filterchips 30a, b positioniert sind.
Der Blendendeckel 62 dient somit zum einen dem Schutz des
Innenraums 17 des Premold-Gehäuses 1,
insbesondere auch bei der Verwendung des weichen Passivierungsmittels 50,
so dass kein oder kaum Schmutz eindringen kann, und zum anderen
als optische Blende bzw. numerische Apertur für die optischen Messstrukturen 23a,
b, um Streustrahlung fern zu halten. Bei der zweiten Ausführungsform
können
somit Filterchips 30 ohne Blendenbeschichtung verwendet
werden.