DE102005016008A1

DE102005016008A1 - Bauelementemodul zur Anbringung auf einem Substrat und Verfahren zur Herstellung eines Bauelementemoduls

Info

Publication number: DE102005016008A1
Application number: DE102005016008A
Authority: DE
Inventors: Ronny Ludwig; Maximilian Sauer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2005-04-07
Filing date: 2005-04-07
Publication date: 2006-10-19
Anticipated expiration: 2025-04-08
Also published as: DE102005016008B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Bauelementemodul zur Anbringung auf einem Substrat, wobei das Bauelementemodul mindestens aufweist: DOLLAR A ein Chipgehäuse (2), das einen Gehäusekörper (4) mit mindestens einer ersten Kavität (10) und einer zweiten Kavität (12) aufweist, DOLLAR A ein in der ersten Kavität (10) befestigtes erstes Bauelement (26) und DOLLAR A ein in der zweiten Kavität (12) befestigtes zweites Bauelement (75). DOLLAR A Vorteilhafterweise ist in der ersten Kavität (10) ein Passivierungsmittel (70) eingebracht und die zweite Kavität (12) frei von Passivierungsmittel. DOLLAR A Das Bauelementemodul ist vorzugsweise ein Sensormodul für eine Kraftfahrzeug-Klimaanlage, wobei DOLLAR A das Chipgehäuse ein Premold-Chipgehäuse (2) mit einem Gehäusekörper (4) aus einem Kunststoff- oder Epoxidmaterial und einem sich durch den Gehäusekörper (4) erstreckenden Leadframe (6) ist, DOLLAR A das erste Bauelement eine spektroskopische Sensorchip-Anordnung (26) zur Messung einfallender IR-Strahlung in mindestens einem Wellenlängenbereich ist und DOLLAR A das zweite Bauelement ein Feuchtigkeitsmess-Chip (75) ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Bauelementemodul zur Anbringung auf einem Substrat sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung. Das Bauelementemodul kann insbesondere ein Sensormodul zur Aufnahme von Sensoren sein und ist vorteilhafterweise zum Einsatz in Kraftfahrzeug-Klimaanlagen vorgesehen.
Kraftfahrzeug-Klimaanlagen werden im Allgemeinen mit einem Temperatursensor und einem Luftfeuchtesensor geregelt. Diese sind im allgemeinen voneinander getrennt ausgebildet und z.B. über entsprechende Sockel oder Gehäuse auf einem gemeinsamen Substrat befestigt. Im Normalbetrieb der Klimaanlage wird dauernd Frischluft angesaugt, gekühlt und entfeuchtet.
Die Effizienz der Klimaanlage wird durch einen Umluftbetrieb erhöht, bei dem bei einer geschlossenen Umluftklappe zunächst nur noch die Luft des Fahrzeuginnenraums zu kühlen ist, so dass der Energiebedarf gesenkt und im Dauerbetrieb Kraftstoff gespart werden kann.
Da im Umluftbetrieb aber die Konzentration an CO2-Gas in der Luft durch die Atemluft der Insassen schnell ansteigt und hierdurch eine Ermüdung der Fahrzeuginsassen auftreten kann, sind derartige Regelungen im Umluftbetrieb derzeit nicht unproblematisch. Weiterhin sind die Herstellungskosten eines derartigen herkömmlichen Detektormoduls mit den beiden jeweils mit Sockeln auf einer Leiterplatte angebrachten Sensoren hoch.

Die DE 197 31 420 A1 zeigt eine Vorrichtung zur Erfassung des Drucks und der Temperatur im Saugrohr einer Brennkraftmaschine, bei dem ein Drucksensor in einem metallischen Chipgehäuse aufgenommen ist und dieses metallische Chipgehäuse und ein Temperatursensor in getrennten Kammern eines Gesamtgehäuses montiert sind. Zur Herstellung eines derartigen Detektormoduls sind jedoch mindestens zwei Prozessschritte für die Montage der beiden einzelnen Sensoren erforderlich; auch sind metallische Chipgehäuse – wie z. B. auch keramische Chipgehäuse – relativ kostspielig.

Das erfindungsgemäße Bauelementemodul und das Verfahren zu seiner Herstellung weisen demgegenüber einige Vorteile auf.

Das erfindungsgemäße Bauelementemodul weist ein Chipgehäuse mit mindestens zwei nach oben offenen Kavitäten auf. In jede dieser Kavitäten kann somit ein Bauelement eingesetzt werden, so dass eine platz- und kostensparende Herstellung und Montage mit vielfältigen Einsatzvarianten ermöglicht wird. Die Bauelemente könne insbesondere unterschiedlich sein.

Das Chipgehäuse kann insbesondere ein Premold-Chipgehäuse mit einem eingemoldeten Leadframe sein; es sind grundsätzlich jedoch auch andere Materialien und Ausbildungen, z. B. Chipgehäuse aus Keramik oder Metall, möglich.

Vorteilhafterweise ist in mindestens einer ersten Kammer ein Passivierungsmittel eingegeben und die mindestens eine zweite Kammer von dem Passivierungsmittel frei gehalten. Somit können in der mindestens einen ersten von Passivierungsmittel frei gehaltenen Kammer ein oder mehrere Sensoren aufgenommen werden, die den Umwelteinflüssen direkt auszusetzen sind und in ihrer Messung von eingebrachtem Passivierungsmaterial leicht beeinflusst werden können; die mindestens eine zweite Kammer kann ganz oder teilweise zu passivierende Bauelemente aufnehmen.

Gemäß einer bevorzugten Ausbildung ist in der ersten Kavität eine spektroskopische bzw. optische Sensorchip-Anordnung zur Messung der Konzentration mindestens eines Gases, insbesondere CO2, eingesetzt, kontaktiert und passiviert und in der zweiten Kavität ein Feuchtigkeitsmess-Chip eingesetzt. Hierbei wird vorzugsweise ein Premold-Chipbehäuse mit einem Leadframe verwendet. Vorteilhafterweise ist in dem Gehäuseboden der zweiten Kavität eine Bodenöffnung zur Verbesserung der Gaszufuhr vorgesehen. Die Kontaktierung des Leadframes kann vorteilhafterweise durch in der ersten Kavität verlaufende Drahtbonds zwischen Bondpads der Leads und Bondlands der Sensorchip-Anordnung erfolgen, wobei das Passivierungsmittel in der ersten Kavität die Drahtbonds, Bondlands und Bondpads bedeckt;

Durch die zweikammerige Ausbildung können hierbei in der ersten Kammer insbesondere die gegenüber Umwelteinflüssen empfindlichen Drahtbonds und Bondlands der Sensorchip-Anordnung, weiterhin auch die Bondpads des Leadframes passiviert werden, ohne dass das Passivierungsmittel die Luftzufuhr zu dem Feuchtigkeitsmess-Chip stört. Grundsätzlich sind jedoch auch Anbringungen der Sensorchip-Anordnung auf Kontakt-Pads des Leadframes, z. B. in Flip-Chip-Montage, möglich, so dass als Passivierungsmittel lediglich ein Underfiller eingegeben wird. Erfindungsgemäß können grundsätzlich auch mehr als zwei Kavitäten ausgebildet sein.

Die bei dieser Ausführungsform verwendete spektroskopische Sensorchip-Anordnung kann als solche bekannt sein und kann vorteilhafterweise einen zweikanaligen, hermetisch verkappten Thermopile-Chip mit mindestens zwei auf den Kappenchip montierten Filterchips aufweisen. Das Passivierungsmittel bedeckt vorzugsweise den Thermopile-Chip, Kappenchip und Seitenflächen der Filterchips vollständig, lässt aber die Oberseiten der Filterchips für den vertikalen Strahlungseinfall zu den Mess-Strukturen frei. Das Passivierungsmittel dient in der ersten Kammer somit zum einen zur Passivierung und kann zum anderen, bei entsprechender Intransparenz gegenüber IR-Strahlung, als optische Blende dienen, die Infrarot-Strahlung lediglich durch die Oberseite der Filterchips durchlässt und Streustrahlung durch deren Seitenflächen oder den Kappenchip und/oder Thermopile-Chip auf die Messstruktur verhindert.

Da die Luftzufuhr zu dem Feuchtigkeitsmess-Chip von dem Passivierungsmittel nicht gestört wird, kann dieser somit dynamisch auf Änderungen der Luftfeuchtigkeit reagieren, die er z.B. kapazitiv in der um ihn strömenden Luft misst.

Vorteilhafterweise ist in der ersten Kavität auch ein Temperaturmess-Chip, z.B. ein Thermistor-Chip, vorgesehen und in dem Passivierungsmittel passiviert. Zur Erhöhung der Dynamik kann hierbei ein den Temperaturmess-Chip aufnehmender Diepad an seiner Unterseite frei liegen, indem eine entsprechende Öffnung im Gehäuseboden unterhalb des Diepads dieser Kammer vorgesehen ist. Die Temperaturmessung kann zum einen zur Regelung der Klimaanlage und zum anderen zur Korrektur eines Temperaturdrifts des Thermopile-Chips dienen, falls innerhalb des Thermopile-Cips kein integrierter Thermistor vorgesehen ist.

Erfindungsgemäß kann somit ein multifunktionaler Detektor für die gleichzeitige Messung einer Gaskonzentration mittels eines spektroskopischoptischen Messverfahrens, der relativen Luftfeuchtigkeit mittels eines kapazitiven Messverfahrens und der Temperatur kostengünstig auf Basis eines einzigen Premold-Chipgehäuses realisiert werden, das in Standard-Montage-Technik nachfolgend – vorteilhafterweise in nur einem Montageschritt – auf einem Substrat befestigt werden kann.

Hierdurch ergeben sich weitere Vorteile. Alle Sensorchips befinden sich in einem gemeinsamen Gehäuse und werden mit den gleichen Prozessen in einem Vorgang, z.B. in einem Multichip-Bestückungsprozess, montiert, wobei nachfolgend die entsprechend bondbaren Chips in einem einzigen Kontaktierungsprozess mit Bonddrähten kontaktiert werden. Vorteilhafterweise wird der Feuchtigkeitsmess-Chip mit elektrisch leitfähigem Kontaktmaterial, z. B. Silberleitklebstoff, nur über Diepads kontaktiert, so dass in der zweiten Kavi tät keine Bonddrähte zu setzen sind.

Die Chipklebeprozesse können parallel oder quasi-parallel stattfinden, indem der für alle Sensorchips verwendete Chipklebstoff gleich ist; somit wird auch zur Montage des Thermopile-Chips ein elektrisch leitender Chipklebstoff, z.B. Silberleitklebstoff, verwendet, auch wenn eine derartige leitende Kontaktierung zunächst nicht erforderlich ist, da der Thermopile-Chip nicht auf seiner Unterseite kontaktiert wird. Erfindungsgemäß wird jedoch erkannt, dass hierdurch trotz der zunächst höheren Materialkosten eine deutliche Vereinfachung des Bestückungsprozesses erreicht wird, die zu einer sehr schnellen und somit wiederum kostengünstigen Bestückung führt.

Die Gehäuseform ist vorzugsweise kompatibel zum JEDEC-Standard und kann vorteilhafterweise dem PSOP-(Power Small Outline Package)-Footprint entsprechen, so dass der Detektor auch in Standard-Messsockel passt und in diesen Messsockel einzeln geprüft werden kann.

Erfindungsgemäß können alle Funktionen des Bauelementemoduls, d.h. die Gaskonzentrations-, Feuchte- und Temperaturmessung, vor der Weiterverarbeitung zusammen oder separat geprüft werden, so dass der Ausschluss fehlerhafter Module ermöglicht ist.

Weiterhin ist erfindungsgemäß keine Chipklebung auf der Leiterplatte erforderlich, so dass die Leiterplatte für den kostengünstigen Standard-Bestückungsprozess SMD (surface mount device) und einen Reflow-Lötprozess ausgelegt werden kann. Aufgrund ihrer standardisierten Auslegung kann die Leiterplatte nachfolgend in vielen Funktionen weiterverwendet werden. Gegenüber einer Klebemontage des Feuchtigkeitsmess-Chips auf der Leiterplatte wird erfindungsgemäß durch die Aufnahme im Premold-Chipgehäuse ein besserer Schutz erreicht. Weiterhin ermöglicht das Premold-Chipgehäuse die Montage von stressempfindlichen Sensorchips und eine ideale Entkopplung dieser Chips von der Leiterplatte.

Das erfindungsgemäße Premold-Chipgehäuse ist somit automotivtauglich, eignet sich jedoch auch für Anwendungen außerhalb der Automobilbereichs z.B. im Einsatz von Klimaanlagen anderer Systeme.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung des Bauelementemoduls ist kostengünstig, insbesondere bei Herstellung von Premold-Chipgehäusen. Hierbei können insbesondere mehrere Premold-Chipgehäuse in einen größeren Leadframe gemoldet bzw. gespritzt und nachfolgend vor der Vereinzelung mit den Chips bestückt werden. Die Kontaktierung über Drahtbonds, Passivierung der ersten Kavität und das Aufsetzen und Heißverstemmen des Gehäusedeckels erfolgen in weiteren Prozessschritten, woraufhin durch das nachfolgende Zertrennen der Leads außerhalb der Premold-Chipgehäuse die Bauelementemodule in fertig ausgebildetem Zustand vereinzelt werden.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der beiliegenden Zeichnungen an einigen Ausführungsformen näher erläutert. Es zeigen:
1 ein Bauelementemodul gemäß einer ersten Ausführungsform mit einer in eine erste Kavität geklebten spektroskopischen Sensorchip-Anordnung und einem in eine zweite Kavität geklebten Feuchtigkeitsmess-Chip, ohne Thermistor-Chip, in a) Draufsicht bzw. Durchsicht von oben; b) Querschnitt durch die erste Kavität und den Thermopile-Chip; c) Längsschnitt durch die Symmetrieachse; und d) Querschnitt durch die zweite Kavität und den Feuchtigkeitsmess-Chip;
2 ein Bauelementemodul gemäß einer zweiten Ausführungsform mit spektroskopischer Sensorchip-Anordung, Feuchtigkeitsmess-Chip und einem auf einen kleinen Diepad des Schulterbereichs der ersten Kavität geklebten Thermistor-Chip in den Ansichten a) bis d) entsprechend 1;
3 ein Bauelementemodul gemäß einer dritten Ausführungsform mit spektroskopischer Sensorchip-Anordung, Feuchtigkeitsmess-Chip und Thermistor-Chip, der in der ersten Kavität auf einem gemeinsamen Die-Pad mit dem spektroskopischen Sensorchip-Stapel aufgenommenen ist, in den Ansichten a) bis d) entsprechend 1;
4a) bis d) das Bauelementemodul aus 1a) bis d) mit montiertem Gehäusedeckel;
5 die Anbindung des Bauelementemoduls aus 4a bis d bei Montage auf einer Leiterplatte;
6 die Anbindung des Bauelementemoduls aus 4a bis d in reversibler Anordnung an der Unterseite einer Leiterplatte;
7 ein multifunktionelles Gassensor-Modul mit Leiterplatte, dem gemäß 6 angebundenen Dektektormodul, Reflektor, Strahlungsquelle und weiteren Bauelementen;
8 einen Schnitt durch eine spektroskopische Sensorchip-Anordnung mit Thermopile-Sensor;
9 einen Ausschnitt aus einem kapazitiven Feuchtigkeitsmess-Chip;
10 ein Flussdiagramm eines erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens für das erfindungsgemäße Bauelementemodul.
Ein Bauelementemodul 1 ist als Detektormodul ausgebildet zur spektroskopischen Messung einer Gaskonzentration, insbesondere von CO2, und der Luftfeuchtigkeit, und weist gemäß der Ausführungsform der 1a bis d ein Premold-Chipgehäuse 2 auf, das aus einem Gehäusekörper 4 aus einem Epoxid- oder Kunststoffmaterial mit einem eingelegten metallischen Leadframe 6 aus mehreren Leads 8 gebildet ist. Der Gehäusekörper 4 weist einen Gehäuseboden 4.1 und eine umlaufende Gehäusewand 4.2 auf, die eine erste Kavität 10 und eine zweite Kavität 12 umgibt, die durch eine Gehäusezwischenwand 4.3 getrennt sind. Die erste Kavität 10 ist lediglich nach oben offen; unterhalb der zweiten Kavität 12 ist in dem Gehäuseboden 4.1 zusätzlich eine Öffnung 18 ausgebildet.
Auf der Oberseite der Gehäusewand 4.3 ist eine Auflagerandfläche 4.4 als Gehäusedeckel-Aufnahme ausgebildet, wie mit Bezug zu 4 weiter unten erläutert wird. Weiterhin ragt von der Gehäusewand 4.3 ein Biegerand 4.5 nach oben, der neben der Auflagerandfläche 4.4 ausgebildet ist und zum späteren Heißverstemmen dient. Die erste Kavität 10 ist von zwei an der Oberseite der Gehäusewand 4.3 und Gehäusezwischenwand 4.3 konzentrisch verlaufenden Gelstoppkanten 20 umgeben.
Die Leads 8 des Leadframes 6 erstrecken sich durch die Gehäusewand 4.2 bis in die Kavitäten 10, 12, wo sie auf dem Gehäuseboden 4.1 freiliegen und Bondpads 8.1 zur Kontaktierung bilden. Außerhalb des Gehäusekörpers 4 dienen die Leads 8 des Leadframes 6 als Anschlusspins 8.2.
Die Herstellung des Premold-Chipgehäuses 2 erfolgt in dem Leadframe 6 bzw. einem größeren Leadframe-Streifen mit mehreren derartigen Leadframes 6, die über die einzelnen Leads 8 miteinander verbunden sind. Hierbei werden gemäß Schritt S1 der 10 mehrere Gehäusekörper 4 in das Leadframe 6 eingemoldet bzw. eingespritzt. Die Vereinzelung durch Durchtrennen der Leads 8 erfolgt erst in einem späteren Prozessschritt nach dem Bestücken des Premold-Chipgehäuses 2.
In Schritt S2 wird in die erste Kavität 10 wird eine zweikanalige spektroskopische Sensorchip-Anordnung 26 mittels einer Chipklebstoff-Schicht 28 auf den Gehäuseboden 4.1 geklebt und kontaktiert. Die spektroskopische Sensorchip-Anordnung 26 ist als solche bekannt und in 8 detaillierter beschrieben. Sie ist als Stapel aus einem auf dem Gehäuseboden 4.1 geklebten zweikanaligen Thermopile-Chip 30, einem in Sealglas-Verbindungen 35 auf den Thermopile-Chip 30 montierten Kappenchip 40 und zwei mittels für IR-Strahlung transparenten Klebstoffschichten 44 auf den Kappenchip 40 geklebten Filterchips 46a, 46b gebildet, wobei die Seitenansicht der 8 nur einen Filterchip 46a zeigt. Auf der Oberseite des Thermopile-Chips 30 ist mindestens eine durch eine Kavität 50 unterätzte Membran 52 ausgebildet; hierbei kann gemäß 1c eine gemeinsame Membran 52 für jeden Messkanal vorgesehen sein. Unterhalb jedes Filterchips 46a, b ist auf die Membran 52 jeweils eine Thermopile-Struktur 54 aufgetragen, die jeweils zwei sich kontaktierende Leiterbahnen aus Materialien mit unterschiedlichen Seebeck-Koeffizienten, z.B. polykristallinem Silizium und Aluminium, aufweist, die in lateraler Richtung bis in das Bulkmaterial des Thermopile-Chips 30 verlaufen.
Auf den beiden Thermopile-Strukturen 54 der Messkanäle ist jeweils eine Absorberschicht 56 aus einem Infrarot-Strahlung absorbierenden Material, z.B. einem Metalloxid, aufgetragen. Die Thermopile-Strukturen 54 und Absorberschichten 56 sind in einer an der Unterseite des Kappenchips 40 ausgebildeten Kavität 60 aufgenommen, die lateral nach außen durch die Sealglas-Verbindung 35 vakuumdicht verschlossen ist. In beiden Kavitäten 50, 60 ist ein Vakuum ausgebildet, so dass die Membran 52 mit den Thermopile-Strukturen 54 und Absorberschichten 56 thermisch isoliert ist. Alternativ zu der gezeigten Ausführungsform können die Thermopile-Strukturen 54 in dem Thermopile-Chip 30 auch auf separaten, lateral getrennten Membranen 52 ausgebildet sein, so dass zwei Kavitäten 50 und zwei Kavitäten 60 vorgesehen sind.
Die Filterchips 46a, 46b sind oberhalb der Thermopile-Strukturen 54 angeordnet und dienen als Bandpassfilter für Infrarot-Strahlung in unterschiedlichen Wellenlängenbereichen, wobei z.B. der erste Filterchip 46a für Infrarot- Strahlung in einem für Kohlendioxid relevanten Wellenlängenbereich von 4,26 μm und der zweite Filterchip 46b in einem anderen IR-Wellenlängenbereich transparent ist. Von oben einfallende Infrarot-Strahlung gelangt somit durch die Filterchips 46a, b, die transparenten Klebstoffschichten, die transparenten Klebstoffschichten 44, den Kappenchip 40 und die Kavität 60 auf die Absorberschichten 56, die sich entsprechend der einfallenden Strahlungsintensität erwärmen, wobei die Erwärmung durch die jeweilige Thermopile-Strukturen 54 als Thermospannung detektiert wird.
Die Leiterbahnen der Thermopile-Strukturen 54 verlaufen auf der Oberseite der Thermopile-Chips 30 bis zu Bondlands 64 außerhalb des Kappenchips 40, die mit den Bondpads 8.1 der Leads 8 über Drahtbonds 66 aus z.B. Gold kontaktiert sind. In die erste Kavität 10 wird ein Passivierungsmittel 70, z.B. ein Silikongel, in einem nachfolgenden Schritt S4 derartig eingefüllt, dass es die Bondpads 8.1 der Leads 8, den Thermopile-Chip 30, den Kappenchip 40 und die sich durch die erste Kavität 10 erstreckenden Drahtbonds 66 vollständig umgibt und die Filterchips 46a, b an deren Seitenflächen umgibt, jedoch die Oberseiten der Filterchips 46a, b freilässt. Die entsprechende Füllhöhe wird hierbei durch die Gelstoppkanten 20 festgelegt, die ein Überkriechen des eingefüllten Passivierungsmittels 70 auf die Oberseiten der Filterchips 46a, b sowie die Auflagerandfläche 4.4 verhindern.
Durch das Passivierungsmittel 70 werden zum einen die Bondpads 8.1 und Bondlands 64 mitsamt der Drahtbonds 66 wirksam passiviert und wird zum anderen der Einfall von Streustrahlung seitlich in die Filterchips 46a, b oder in den Kappenchip 40 oder Thermopile-Chip 30 wirksam verhindert.
In der zweiten Kavität 12 wird gemäß Schritt S3 der 10 ein Feuchtigkeitsmess-Chip 75 montiert. Hierzu erstreckt sich der Leadframe 6 auf dem Gehäuseboden 4.1 bis in die Nähe der Öffnung 18, so dass der Feuchtigkeitsmess-Chip 75 über flexible, elektrisch leitende Klebstoffschichten 78, z.B. Silberleitklebstoff 78, auf dem Leadframe 6 befestigt und kontaktiert ist und in der zweiten Kammer 12 keine Drahtbonds erforderlich sind. Der Leadframe 6 bildet somit innerhalb der zweiten Kavität 12 zwei Diepads 6.1 und 6.2 aus, über deren Leads 8 Signale ausgelesen werden können. In der zweiten Kavität 12 ist kein Passivierungsmittel eingefüllt. Durch die zweite Kavität 12 und die unterhalb des Feuchtigkeitsmess-Chips 75 ausgebildete Öffnung 18 ist somit ein freier Gasaustausch bzw. eine Luftzirkulation für dynamische Messungen möglich. Die Schritte S2 und S3 können grundsätzlich auch vertauscht werden. Schritt S4 kann grundsätzlich auch direkt nach Schritt S2 erfolgen.
Der Feuchtigkeitsmess-Chip 75 kann gemäß 9 kapazitiv ausgebildet sein mit einem Kondensator 80, zwischen dessen Kondensatorflächen 80a, 80b ein Gasvolumen bzw. Luftvolumen in Abhängigkeit des Feuchtigkeitsgehaltes unterschiedliche Dielektrizitätswerte liefert. Derartige Feuchtigkeits-Chips 75 sind als solche bekannt und handelsüblich.
Die 2 und 3 zeigen weitere Ausführungsformen, bei denen ergänzend eine Temperaturmessung vorgesehen ist. Das Bauelementemodul 101 gemäß 2a bis d entspricht im Wesentlichen demjenigen der 1a bis d, wobei der Leadframe 6 in der ersten Kavität 10 einen Die-Pad 106a und benachbart zu diesem einen weiteren Die-Pad 106b ausbildet. Auf dem Diepad 106a ist ein Thermistor-Chip 120 mittels einer elektrisch leitenden Chipklebstoff-Schicht 125, z.B. einer Silberleitklebstoffschicht 125, befestigt und kontaktiert, und über mindestens einen Drahtbond 130 mit dem Diepad 106b kontaktiert, so dass das Messsignal des Thermistor-Chips 120 über die Leads 8 ausgelesen werden kann. Bei dieser Ausführungsform ist der Thermistor-Chip 120 mitsamt den Drahtbonds 130 und Diepads 106a, b in dem Passivierungsmittel 70 der ersten Kavität 10 aufgenommen. Das Messsignal des Thermistor-Chips 120 kann zum einen zur Korrektur der Signaldrift des Thermopile-Chips 30 bei sich ändernden Umgebungstemperaturen dienen, wenn auf dem Thermopile-Chip 30 selbst kein Thermistor integriert ist, und/oder zur Messung der Gehäuse- bzw. Umgebungstemperatur und somit ergänzend zu den Ausgangssignalen der Thermistor-Chips 30 und des Feuchtigkeitsmess-Chips 75 für die Regelung der Klimaanlage herangezogen werden, wobei der Thermistor-Chip 120 aufgrund der Passivierung durch das Passivierungsmittel 70 eine höhere Messträgheit aufweist und somit nur eine langsame Messung der Temperaturänderung ermöglicht.
Bei dem Bauelementemodul 201 der 3a bis d ist in der ersten Kavität 10 auf dem Gehäuseboden 4.1 ein großflächiger Diepad 206 ausgebildet, auf dem der Termopilechip 30 der spektroskopischen Sensorchip-Anordnung 26 über eine Chipklebstoffschicht 228 und der Thermistorchip 120 über eine elektrisch leitende Chipklebstoffschicht 278, z.B. Silberleitklebstoffschicht 278, befestigt sind. Der Thermopilechip 30 ist wiederum über die Drahtbonds 66 kontaktiert. Der Thermistorchip 120 ist zum einen über die Silberleitklebstoffschicht 278 mit dem Diepad 206 und zum anderen über einen Drahtbond 280 aus Gold mit einem Bondpad 8.1 eines Leads 8 kontaktiert. Auch bei dieser Ausführungsform ist somit der Thermistorchip 120 mitsamt seiner Kontaktierung über den Diepad 206 und Drahtbond 280 vollständig im Passivierungsmittel 70 der ersten Kavität 10 aufgenommen und weist somit eine entsprechende Messträgheit auf. In dem Gehäuseboden 4.1 ist unterhalb des Diepads 206 eine Bodenöffnung 290 ausgebildet. Durch das eingespritzte gemeinsame Diepad 206 der beiden Chips 30, 120 ist eine bessere thermische Ankopplung dieser beiden Chips 30, 120 aneinander gegeben; indem der Diepad 206 an der Bodenöffnung 290 im Gehäuseboden 4.1 freiliegt, wird eine schnellere bzw. dynamischere Temperaturmessung der Umgebungstemperatur durch den Thermistorchip 120 möglich, wobei durch die Bodenöffnung 290 ergänzend ein Kühlkörper angekoppelt werden kann, der sich unter den Gehäuseboden 4.1 erstreckt. Weiterhin wird durch das Diepad 206 ein guter EMV-Schutz der Chips 30, 120 von der Unterseite her bewirkt.
Alternativ zu dem Thermistorchip 120 kann auch ein anderer Temperatur-Messchip vorgesehen sein, z. B. mit einer Membran und einer z. B. mäanderförmig auf der Membran ausgebildeten Leiterbahn.
Bei sämtlichen Bauelementemodulen 1, 101, 201 der Ausführungsformen der 1 bis 3 wird nachfolgend gemäß Schritt S5 der 10 ein metallischer Gehäusedeckel 300 befestigt, der als optische Apertur für die einfallende IR-Stahlung, als Schutz gegen den Eintritt von Schmutz und Feuchtigkeit in die Kavitäten 10, 12 sowie als EMV-Schutz von der Oberseite her dient. Der Gehäusedeckel 300 ist als Metallplatte, z.B. als Stanzteil aus Aluminium, ausgebildet und wird auf die Auflagerandflächen 4.4 der Gehäusewand 4.2 gesetzt, woraufhin der Biegerand 4.5 des Gehäusekörpers 4 nach innen umgebogen wird, so dass gemäß 4 in dem Gehäusekörper 4 eine Befestigung entsprechend einer Heißverstemmung erreicht wird. Diese Montage kann mittels eines heißen Prägestempels schnell, kostengünstig und sicher erfolgen.
Der Gehäusedeckel 300 weist oberhalb der Filterchips 46a, b zwei als Apertur dienende Öffnungen 302, 304 und oberhalb des Feuchtigkeitsmess-Chips 75 mehrere Öffnungen 310 auf, die einen Luftdurchsatz durch den Deckel 300 und den Gehäusekörper 4 sowie die untere Öffnung 18 ermöglichen.
Nachfolgend können gemäß Schritt S6 der 10 die einzelnen Bauelementemodulie 1, 101, 201 vereinzelt werden.
5 zeigt die Anbringung eines Bauelementemoduls 1 – oder entsprechend auch 101 oder 201 – auf einem Substrat 400, z.B. einer Leiterplatte 400, in einer Standard-Montage, bei der die Anschlusspins 8.2 nach unten, d.h. zu dem Gehäuseboden 4.1 hin gebogen und mittels Lot 410 auf der Oberseite 400a der Leiterplatte 400 befestigt und kontaktiert werden. In der Leiterplatte 400 ist unterhalb des Feuchtigkeitsmess-Chips 75 und der Öffnung 18 eine Öffnung 415 ausgebildet, die der besseren Luftzufuhr zu dem Feuchtigkeitsmess-Chip 75 dient. Somit ist in vertikaler Richtung ein Luftaustausch durch die Öffnung 415 der Leiterplatte 400, die Öffnung 18 im Gehäuseboden 4.1, die zweite Kavität 12 mit dem Feuchtigkeitsmess-Chip 75 und die Öffnungen 310 im Gehäusedeckel 300 möglich.
6 zeigt eine zu 5 alternative Montage des Bauelementemoduls 1 – bzw. 101 oder 201 – an der Leiterplatte 400, bei der die Anschlusspins 8.2 reversibel, d.h. nach oben gebogen und mittels dem Lot 410 oberhalb des Gehäusekörpers 4 an der Unterseite 400b der Leiterplatte 400 befestigt sind. Bei dieser Ausführungsform dient die Öffnung 415 in der Leiterplatte 400 zur Luftzufuhr sowohl durch die Öffnungen 310 im Gehäusedeckel 300 zu dem Feuchtigkeitsmess-Chip 75 als auch durch die Öffnungen 302, 304 im Gehäusedeckel 300 zu der Sensorchip-Anordnung 26. Weiterhin dient die Öffnung 415 bei dieser Ausführungsform auch als optischer Zugang zu der spektroskopischen Sensorchip-Anordnung 26, wobei die IR-Strahlung von oben durch die Öffnung 415, die Öffnungen 302, 304 im Gehäusedeckel 300 zu der Oberseite der Filterchips 46a, b gelangt.
7 zeigt einen Multifunktions-Sensor 500, bei dem die Oberseite 400a der Leiterplatte 400 als Messraum und ihre Unterseite 400b zur Montage verschiedener Bauelemente dient. Hierbei ist das Bauelementemodul 1 – bzw. 101 oder 201 – gemäß 6 an der Unterseite 400b der Leiterplatte 400 montiert. Weiterhin ist von unten durch eine Leiterplattenöffnung 510 eine Miniaturlampe 515 gesteckt, die aus der Leiterplatten-Oberseite 400a herausragt und deren Lampensockel 517 an der Unterseite 400b der Leiterplatte 400 befestigt ist; an der Unterseite 400b sind ergänzend passive Bauelemente 520 und ein ASIC 525 montiert; an der Oberseite 400b der Leiterplatte 400 ist ein Reflektor 530 mit Gasdurchlassöffnungen 532 befestigt. Die Montage des Multifunktionssensors 500 kann hierbei kostengünstig und schnell erfolgen, indem das Bauelementemodul 1, der ASIC 525 und die passiven Bauelemente 520 in einem Standard-Montage-Prozess an die Unterseite 400a der Leiterplatte 400 montiert werden, und die Miniaturlampe 515 in dem gleichen Standard-Montage-Prozess durch die Leiterplattenöffnung 510 gesetzt und mit ihrem Lampensockel 517 an der Unterseite 400b montiert wird. Nachfolgend kann der Reflektor 530 an der Oberseite 400b der Leiterplatte 400 befestigt werden. Bei der Montage des Reflektors 530 kann ein active alignement erfolgen, bei dem die Miniaturlampe 515 – z. B. eine Glühwendel im Niederstrombetrieb – aktiv ist, d.h. entsprechend bestromt wird, und ein Messsignal der spektroskopischen Sensorchip-Anordnung 26 des Bauelementemoduls 1 während des Ausrichtens und Verschiebens des Reflektors 530 auf einen Maximalwert eingestellt wird, woraufhin der Reflektor 530 an der Oberseite 400b der Leiterplatte 400 befestigt wird.
Der Reflektor 530 bündelt die von der Miniaturlampe 515 ausgesandte IR-Strahlung IR und weist hierzu um die Miniaturlampe 515 und oberhalb des Bauelementemoduls 1 konkave Reflektorbereiche 530a, 530b auf; alternativ zu der gezeigten Ausführungsform mit geradlinigem Mittelbereich kann er z. B. auch vollständig sphärisch ausgebildet sein. Hierbei sind die Miniaturlampe 515 sowie die spektroskopische Sensorchip-Anordnung 26 vorteilhafterweise in den Brennpunkten der konvexen Reflektorbereichen 530a, b angeordnet. Die reverse Anbringung des Bauelementemoduls 1 gemäß 6, 7 bietet hierbei den Vorteil, dass dieses selbst nicht störend im Strahlengang der IR-Strahlung steht bzw. Schatten wirft oder ungewollte Streustrahlung hervorruft.
Ergänzend kann in dem Premold-Chipgehäuse 2, z. B. in der zweiten Kammer 12, ein chemischer Sensor mit einer dem Messraum ausgesetzten Widerstandseinrichtung, z. B. einer mikromechanisch ausgebildeten dünnen Schicht, vorgesehen sein, deren ohmscher Widerstandwert durch die Gaszusammensetzung verändert wird.

Claims

Bauelementemodul zur Anbringung auf einem Substrat (400), wobei das Bauelementemodul (1, 101, 201) mindestens aufweist: ein Chipgehäuse (2), das einen Gehäusekörper (4) mit mindestens einer ersten Kavität (10) und einer zweiten Kavität (12) aufweist, ein in der ersten Kavität (10) befestigtes erstes Bauelement (26), und ein in der zweiten Kavität (12) befestigtes zweites Bauelement (75).
Bauelementemodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf den Gehäusekörper (4) ein Gehäusedeckel (300) gesetzt ist.
Bauelementemodul nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der auf den Gehäusekörper (4) gesetzte Gehäusedeckel (300) oberhalb mindestens eines Bauelementes (46a, b, 75) eine Öffnung (302, 304, 310) aufweist.
Bauelementemodul nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Gehäusedeckel (300) auf eine Auflagerandfläche (4.4) des Gehäusekörpers (4) gelegt und durch Umbiegen eines Biegerandes (4.5) des Gehäusekörpers (4) heißverstemmt ist.
Bauelementemodul nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der ersten Kavität (10) ein Passivierungsmittel (70) eingebracht ist, das Kontaktflächen (8.1) des Gehäuses und Kontaktbereiche (64) des Bauelementes (26) bedeckt, und die zweite Kavität (12) frei von Passivierungsmittel (70) ist.
Bauelementemodul nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass um die erste Kavität (10) herum in der Gehäusewand (4.2) und einer die Kavitäten (10, 12) trennenden Gehäusezwischenwand (4.3) mindestens eine umlaufende Gelstoppkante (20) ausgebildet ist.
Bauelementemodul nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Chipgehäuse (2) ein Premold-Chipgehäuse (2) mit einem Gehäusekörper (4) aus einem Kunststoff- oder Epoxidmaterial und einem sich durch den Gehäusekörper (4) erstreckenden Leadframe (6) mit mehreren Leads (8) ist, und äußere Bereiche der Leads (8) seitlich aus dem Gehäusekörper (4) als Anschlusspins (8.2) herausragen und innere Bereiche der Leads (8) in mindestens einer Kavität (10, 12) als Kontaktflächen (8.1) freiliegen.
Bauelementemodul nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktflächen (8.1) der Leads (8) Bondpads (8.1) sind, die Kontaktbereiche (64) des ersten Bauelementes (26) Bondlands (64) sind, die Bondpads (8.1) der Leads (8) mit den Bondlands (64) des ersten Bauelementes (26) durch in der ersten Kavität (10) verlaufende Drahtbonds (66) kontaktiert sind, und das Passivierungsmittel (70) in der ersten Kavität (10) die Drahtbonds (66), Bondlands (64) und Bondpads (8.1) bedeckt.
Bauelementemodul nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlusspins (8.2) nach unten gebogen sind zur Kontaktierung auf einem unterhalb des Gehäusekörpers (4) vorgesehenen Substrat (400).
Bauelementemodul nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlusspins (8.2) nach oben gebogen sind zur Kon taktierung auf einem oberhalb der Gehäusekörpers (4) vorgesehenen Substrat (400) mit einer Substratöffnung (415).
Bauelementemodul nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Gehäuseboden (4.1) unterhalb mindestens einer Kavität (12) eine Öffnung (18) für eine Luftzufuhr zu einem Bauelement (75) ausgebildet ist.
Bauelementemodul nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als erstes Bauelement (26) eine spektroskopische Sensorchip-Anordnung (26) vorgesehen ist, die aufweist: einen Thermopile-Chip (30), einen auf dem Thermopile-Chip (30) vakuumdicht befestigten Kappenchip (40) und mindestens einen auf dem Kappenchip (40) befestigten Filterchip (46a, b) zum Filtern von IR-Strahlung in mindestens einem Wellenlängenbereich, wobei auf dem Thermopile-Chip (30) mindestens eine mikrostrukturierte Membran (52) ausgebildet ist, auf der mindestens eine Thermopile-Struktur (54) und eine die Thermopile-Struktur (54) bedeckende Absorberschicht (56) aufgebracht sind, wobei das Passivierungsmittel (70) den Thermopile-Chip (30), den Kappenchip (40) und Seitenflächen des Filterchips (46a, b) bedeckt und Oberseiten des Filterchips (46a, b) freilässt.
Bauelementemodul nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass in einer der Kavitäten (10) ein Temperaturmess-Chip (120) befestigt und kontaktiert ist.
Bauelementemodul nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperaturmess-Chip (120) in der ersten Kavität (10) angebracht und von dem Passivierungsmittel (70) bedeckt ist.
Bauelementemodul nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperaturmess-Chip (120) auf einem Diepad (106a, 206) eines Leadframes (6) befestigt und über mindestens einen Drahtbond (130) mit mindestens einem weiteren Lead (8) des Leadframes (6) kontaktiert ist.
Bauelementemodul nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die spektroskopische Sensorchip-Anordnung (26) mit dem Temperaturmess-Chip (120) auf einem gemeinsamen Diepad (206) befestigt ist.
Bauelementemodul nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Gehäuseboden (4.1) unterhalb des den Temperaturmess-Chip (120) aufnehmenden Diepads (206) eine Bodenöffnung (290) ausgebildet ist.
Bauelementemodul nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Feuchtigkeitsmess-Chip (75) mittels leitfähiger Klebstoffschichten (78) auf zwei Diepads (6.1, 6.2) befestigt und kontaktiert ist und frei von einer Kontaktierung mit Drahtbonds ist.
Bauelementemodul nach einem der Ansprüche 13 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Feuchtigkeitsmess-Chip (75) eine mikrostrukturierte kapazitive Messstruktur mit einem Kondensator (80) und freiliegenden Kondensatorflächen (80a, b) aufweist.
Verfahren zum Herstellen eines Bauelementemoduls mit mindestens folgenden Schritten: Bereitstellen eines Leadframes (6) mit mehreren, zusammenhängenden Leads (8), Molden von Gehäusekörpern (4) in den Leadframe (6) derartig, dass sich Leads (8) von außen durch jeden Gehäusekörper (4) erstrecken und in den Kavitäten (10, 12) Kontaktflächen (8.1) ausbilden, Einsetzen eines ersten Bauelementes (26) auf den Gehäuseboden (4.1) in die erste Kavität (10) und Kontaktieren des ersten Bauelementes (26) mit den Kontaktflächen (8.1), Montieren eines zweiten Bauelementes (75) in der zweiten Kavität (12), und Vereinzeln so gebildeter Bauelementemodule (1, 101, 201) durch Durchtrennen der Leads (8) des Leadframes (6).
Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass nach Einsetzen des ersten Bauelementes in die erste Kavität (10) und vor dem Vereinzeln ein Passivierungsmittel (70) in die erste Kavität (10) eingegeben wird derartig, dass die Kontaktflächen (8.1) der Leads (8) und Kontaktbereiche (64) des ersten Bauelementes (26) mit dem Passivierungsmittel (70) bedeckt sind.
Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass als Kontaktflächen (8.1) der Leads (8) Bondpads (8.1) ausgebildet werden, die Kontaktbereiche (64) des ersten Bauelementes (26) Bondlands (64) sind, die Bondpads (8.1) der Leads (8) mit den Bondlands (64) des ersten Bauelementes (26) durch in der ersten Kavität (10) verlaufende Drahtbonds (66) kontaktiert werden, und das Passivierungsmittel (70) in die erste Kavität (10) derartig eingegeben wird, dass es die Drahtbonds (66), Bondlands (64) und Bondpads (8.1) bedeckt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 22 dadurch gekennzeichnet, dass nach Montieren der Bauelemente (26, 75) ein Gehäu sedeckel (300) auf den Gehäusekörper (4) aufgesetzt und befestigt wird.