DE102006011753A1

DE102006011753A1 - Halbleitersensorbauteil mit Sensorgehäuse und Sensorchip und Verfahren zur Herstellung desselben

Info

Publication number: DE102006011753A1
Application number: DE102006011753A
Authority: DE
Inventors: Jean Dipl.-Ing. Schmitt (FH)
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2006-03-13
Filing date: 2006-03-13
Publication date: 2007-09-20
Anticipated expiration: 2026-03-14
Also published as: US7964954B2; US20070222005A1; DE102006011753B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Halbleitersensorbauteil mit einem teilweise mit einer gummielastischen Masse aufgefüllten Sensorgehäuse (1) und mit einem in dem Innenraum (2) des Gehäuses (1) angeordneten Sensorchip (3) mit Sensorbereich (4). Das Sensorgehäuse (1) weist eine Öffnung (5) zur Umgebung (6) auf, die derart angeordnet ist, dass der Sensorbereich (4) der Öffnung (5) zugewandt ist. Der Sensorchip (3) ist in dem Innenraum (2) des Gehäuses (1) allseitig in eine gummielastische Masse (7) eingebettet. Das Sensorgehäuse (1) weist ein sandwichartiges Gestell (17) mit drei übereinander angeordneten Bereichen auf, einem unteren Bereich mit einer Substratplatte (19), einem Zwischenbereich mit einer gummielastischen Masse (7), in welcher der Halbleiterchip und Verbindungselemente zu der Substratplatte (19) eingebettet sind, und einem oberen Bereich mit einer Abdeckplatte, welche die gegenüberliegend zum Sensorbereich ...Öffnung zur Umgebung aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Halbleitersensorbauteil mit Sensorgehäuse und Sensorchip und ein Verfahren zur Herstellung desselben. Dazu weist das Halbleitersensorbauteil einen teilweise mit einer gummielastischen Masse aufgefüllten Innenraum und einen in dem Innenraum des Gehäuses angeordneten Sensorchip mit Sensorbereich auf. Das Sensorgehäuse weist eine Öffnung zur Umgebung auf, die derart angeordnet ist, dass der Sensorbereich der Öffnung zugewandt ist. Der Sensorchip ist in dem Innenraum des Gehäuses allseitig in eine gummielastische Masse eingebettet.
Ein derartiges Halbleitersensorbauteil wird in der älteren nachveröffentlichten Patentanmeldung DE 10 2004 043 663.0 beschrieben. Derartige Halbleitersensorbauteile haben das Problem, dass der Sensorchip in dem Sensorgehäuse über ein Material mit niedrigem Elastizitätsmodul derart zwischen steifen Seitenwänden oder einer steifen Rahmenstruktur angeordnet ist, dass Rückwirkungen der mechanischen Belastungen des starren umgebenden Sensorgehäuses wie thermische Verspannung oder Vibrationsbelastung auf den Sensorchip einwirken und die Messergebnisse teilweise verfälschen.
Gegenüber der Umgebung werden derartige Halbleiterchips in dem Sensorgehäuse durch ein nachgiebiges gummielastisches Material geschützt, in das der gesamte Sensorchip eingebettet ist, um den Sensorchip vor äußeren Belastungen zu schützen. Dies kann jedoch in einem eingeengten Sensorgehäuse nur teilweise gelingen. Darüber hinaus verursachen die unterschiedli chen thermischen Ausdehnungskoeffizienten der verwendeten Materialien Ausbeuteverluste aufgrund von mechanischen Spannungen im Halbleitersensorbauteil.
Auch aus der JP 2002 039 887 A ist bekannt, bei einem Halbleiterbauteil mit Sensorgehäuse einen Bonddrähte kontaktierten Sensorchip allseitig in eine elastische Masse einzubetten, so dass er von dem Gehäuse mechanisch besser entkoppelt ist. Ähnliche Maßnahmen zeigen auch die JP 2002 107 249 A und die US 2,260,417 B1 . Jedoch werden die Sensorchips in jeweils starre Gehäuse eingebaut, so dass sich die Vorteile eines allseitigen Einbettens in eine gummielastische Masse nicht voll auswirken können. Ferner haben die Halbleitersensorbauteile mit bekannten Sensorgehäusen den Nachteil, dass sie komplex aufgebaut sind und eine fertigungstechnische und kostengünstige Vereinfachung nahezu nicht möglich ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Halbleiterbauteil mit einem Sensorgehäuse und einem Sensorchip sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauteils mit einem Sensorgehäuse und Sensorchip anzugeben, so dass zum einen die Ausbeute bei der Herstellung derartiger Halbleitersensorbauteile weiter verbessert wird und zum anderen die Zuverlässigkeit derartiger Halbleitersensorbauteile in der täglichen Messpraxis weiter verbessert wird, sowie außerdem die Fertigungskosten weiter verringert werden.
Diese Aufgabe wird mit dem Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Erfindungsgemäß wird ein Halbleitersensorbauteil geschaffen, das ein teilweise mit einer gummielastischen Masse aufgefüll tes Sensorgehäuse aufweist. In dem Innenraum des Gehäuses ist ein Sensorchip mit Sensorbereich angeordnet, wobei das Sensorgehäuse eine Öffnung zur Umgebung aufweist und der Sensorbereich der Öffnung zugewandt ist. Der Sensorchip ist in dem Sensorgehäuse allseitig in eine gummielastische Masse eingebettet. Dazu besteht das Sensorgehäuse aus einem sandwichartigen Gestell mit drei übereinander angeordneten Bereichen. Ein unterer Bereich weist eine Substratplatte auf. Ein seitenwandfreier und rahmenloser Zwischenbereich weist die gummielastische Masse auf, in welcher der Sensorchip und Verbindungselemente zu der Substratplatte eingebettet sind. Ein oberer Bereich weist eine Abdeckplatte auf, welche die Öffnung zur Umgebung aufweist, die dem Sensorbereich gegenüber liegt bzw. auf den Sensorbereich ausgerichtet ist.
Ein derartiges Halbleitersensorbauteil hat den Vorteil, dass der Sensorchip bei der Messaufnahme in seiner Querbeweglichkeit in keiner Weise behindert ist, da die Sandwichbauweise des Gestells weder durch starre Seitenwände noch durch umlaufende starre Rahmenstrukturen die Querbeweglichkeit des Halbleiterchip einengt. Außerdem liefert der Aufbau aus drei sandwichartig aufeinander gestapelten Bereichen den Vorteil, dass vereinfachte Fertigungstechniken eingesetzt werden können, um parallel eine Mehrzahl von Halbleitersensorbauteilen fertigzustellen. Trotz der Entkopplung zwischen Halbleiterchip und Sensorgehäuse ist dennoch der Schutz des Sensors und der Verbindungselemente voll durch die gummielastische Masse gewährleistet. Mechanische Spannungen, die auf die Substratplatte im unteren Bereich und auf die Abdeckplatte im oberen Bereich wirken können, werden im wesentlichen durch die gummielastische Masse kompensiert.
Außerdem ist in vorteilhafter Weise eine Verkleinerung des Gehäuses möglich, da keine Flachleiterstücke in starren Wandungen von dem Sensorgehäuse fixiert werden müssen. Vielmehr schwebt der Sensorchip über der Substratplatte und steht lediglich über nachgiebige Verbindungselemente mit der Substratplatte in Wirkverbindung. Der Zwischenbereich ist an den Seiten des Halbleitersensorbauteils mit seiner gummielastischen Masse frei zugänglich und weist keine herkömmliche starre Kunststoffgehäusemasse auf, welche die Querbeweglichkeit des in der gummielastischen Masse eingebetteten Halbleitersensorchips einengen könnte.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der Zwischenbereich mindestens drei Abstandshalter auf, die sich von der Substratplatte bis zu der Abdeckplatte erstrecken und in der gummielastischen Masse eingebettet sind. Diese Abstandshalter erleichtern die Montage, ohne die Beweglichkeit des Sensorchips in der gummielastischen Masse zu beeinträchtigen. Dazu werden vorzugsweise vier Abstandshalter in den vier Eckbereichen eines Gehäuses angeordnet, wobei deren Enden mit der Substratplatte und der Deckplatte stoffschlüssig verbunden sind.
Diese stoffschlüssige Verbindung kann bei metallischen Abstandshaltern, die gleichzeitig auch Durchkontaktfunktionen durch die gummielastische Masse erfüllen können, aus einer Lötverbindung bestehen. Andererseits sind auch Klebstoffverbindungen möglich. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Abdeckplatte mit den Abstandshaltern spritzgusstechnisch einstückig hergestellt, so dass ein Bestücken der Abdeckplatte und/oder der Substratplatte beim Zusammenbau des sandwichartigen Gestells des Halbleitersensor bauteils entfällt und somit kostengünstig eingespart werden kann.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Substratplatte und/oder die Abdeckplatte ein Keramikmaterial auf. Keramikmaterialien zeichnen sich dadurch aus, dass sie in ihrem thermischen Ausdehnungskoeffizienten dem Siliziumhalbleiterchip sehr nahe kommen, so dass thermische Scherspannungen praktisch nicht mehr auftreten. Andererseits sind Keramikmaterialien von Vorteil für Halbleitersensorbauteile, die in der Hochfrequenztechnik eingesetzt werden. Aufgrund der hohen mechanischen Entkopplung zwischen Substratplatte, Halbleiterchip und Abdeckplatte aufgrund des sandwichartigen Gestellaufbaus des Sensorgehäuses ist es auch möglich, für die Substratplatte und/oder die Abdeckplatte ein Kunststofflaminat einzusetzen. Dieses verbilligt deutlich die Herstellungskosten.
Weiterhin ist es vorgesehen, in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung die Substratplatte auf ihrer Unterseite mit oberflächenmontierbaren Außenkontaktflächen des Halbleitersensorbauteils auszustatten. Derartige Außenkontaktflächen können Lotdepots darstellen, die eine weitere Verkleinerung der Außenmaße des Halbleitersensorbauteils ermöglichen, zumal sie flacher darstellbar sind als bisher für die Oberflächenmontage vorgesehene Lotkugeln.
Um von den Außenkontaktflächen eine Verbindung zu Kontaktflächen auf der aktiven Oberseite des Halbleiterchips herzustellen, weist die Substratplatte Durchkontakte auf, die mit Kontaktanschlussflächen auf der Oberseite des Substrat und mit den Außenkontaktflächen zusammenwirken, so dass eine zuver lässige Verbindung zwischen dem Sensorchip und den Außenkontaktflächen herstellbar ist.
Weiterhin ist es vorgesehen, dass die Substratplatte einen Bereich aufweist, der mit einer mechanischen Pufferschicht versehen ist, welche die gummielastische Masse des Zwischenbereichs aufweist und auf welcher der Sensorchip schwingungsmechanisch von der Substratplatte entkoppelt fixiert ist, wobei die Pufferschicht einen Sensorchip in der Schwebe hält. Diese mechanische Pufferschicht unterstützt auch den relativ einfachen Zusammenbau des Halbleitersensorbauteils.
Außerdem kann das Halbleitersensorbauteil ohne großen Aufwand zu einem Sensormodul erweitert werden, indem auf der Substratplatte eine Verdrahtungsstruktur vorgesehen wird, so dass weitere Halbleiterchips auf der Oberseite der Substratplatte vor dem Einbetten in eine gummielastische Masse angeordnet werden können. Um ein Zusammenwirken des Sensorchips mit der Substratplatte des Gehäuses und damit auch mit weiteren und zusätzlichen Halbleiterchips zu gewährleisten, weist das Halbleitersensorbauteil Verbindungselemente auf, die einerseits mit Kontaktflächen des Sensorchips elektrisch in Verbindung stehen und vorzugsweise als Bonddrähte ausgeführt sind und außerdem mit Kontaktanschlussflächen auf der Substratplatte verbunden sind.
Durch das Positionieren des Sensorchips auf einer Pufferschicht entstehen in dem sandwichartigen Aufbau des Halbleitersensorbauteils innerhalb der gummielastischen Masse zwei Bereiche, nämlich ein unterer Bereich unterhalb des Sensorchips, der die Pufferschicht umfasst, auf der die Rückseite des Sensorchips angeordnet ist, und ein oberer Bereich aus gummielastischer Masse, in den die Randseiten und die Ober seite des Sensorchips mit dem Sensorbereich und den Verbindungselementen eingebettet sind. Die gummielastische Masse im Zwischenbereich kann ein optisch transparentes Elastomer aufweisen, falls der Sensorchip optische Signale erfassen muss. Um drucktechnische Signale zu erfassen, haben sich gummielastische Massen aus Silikongummi bewährt.
Um eine möglichst störungsfreie Kopplung des Sensorbereichs des Sensorchips an die Umgebung zu erreichen, weist in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung die gummielastische Masse über dem Sensorbereich des Sensorchips eine Vertiefung auf, welche die gummielastische Masse in ihrer Dicke über dem Sensorbereich verringert. Die Vertiefung kann in vorteilhafter Weise unterschiedliche Konturen aufweisen. So ist es möglich, eine konvexe Kontur oder eine konkave Kontur für optisch transparente gummielastische Massen auszubilden, um eine optische -Konzentration oder Streuung zu erreichen. Auch ist es möglich, die Vertiefung in der gummielastischen Masse mit einer zylindrischen Kontur auszustatten, so dass eine gleichmäßig gedünnte Schicht der gummielastischen Masse den Sensorbereich bedeckt, was von besonderem Vorteil für druckaufnehmende Sensoren ist.
Ein Verfahren zur Herstellung eines Nutzens für mehrere Halbleiterbauelemente, die teilweise mit einer gummielastischen Masse aufgefüllte Innenräume aufweisen, weist die nachfolgenden Verfahrensschritte auf. Zunächst wird eine Substratplatte mit mehreren Halbleiterbauteilpositionen hergestellt, wobei in den Halbleiterbauteilpositionen Außenkontaktflächen auf der Unterseite und Kontaktanschlussflächen auf der Oberseite der Substratplatte vorgesehen sind. Die Außenkontaktflächen und die Kontaktanschlussflächen werden über Durchkontakte durch die Substratplatte miteinander elektrisch verbunden. In den einzelnen Halbleiterbauteilpositionen der Substratplatte für mehrere Halbleitersensorbauteile wird mindestens ein zentraler Bereich bzw. eine zentrale Position für das Anbringen eines Sensorchips freigelassen. Auf diese zentrale Position bzw. den zentralen Bereich wird eine strukturierte mechanische Pufferschicht, die eine gummielastische Masse aufweist, aufgebracht.
Danach werden auf die Pufferschichten in den einzelnen Halbleiterbauteilpositionen Sensorchips mit ihren Rückseiten fixiert. Anschließend erfolgt ein Verbinden von Kontaktflächen des Sensorchips mit Kontaktanschlussflächen der Substratplatte über Verbindungselemente, vorzugsweise über Bonddrähte. Auf die so vorbereitete und mit Halbleiterchips bestückte Substratplatte werden anschließend Abstandshalter und eine Abdeckplatte mit Öffnungen für die Sensorbereiche der Sensorchips in den Halbleiterbauteilpositionen aufgebracht. Schließlich wird der Zwischenraum zwischen Substratplatte und Abdeckplatte mit einer gummielastischen Masse unter Einbetten der Sensorchips, der Verbindungselemente und der Abstandshalter aufgefüllt.
Mit diesem verfahren wird ein sandwichartiger Nutzen hergestellt, der eine starre Substratplatte, einen gummielastischen Zwischenbereich und eine starre Abdeckplatte aufweist. Um aus einem derartigen Nutzen einzelne Halbleitersensorbauteile herzustellen, muss dieser Nutzen lediglich anschließend in Halbleitersensorbauteile aufgetrennt werden. Für das Auftrennen können Sägetechniken und/oder Laserablationstechniken eingesetzt werden. Bei dem Auftrennen entstehen Halbleitersensorbauteile, die auf ihren Randseiten gummielastisches Material und keine starren Seitenwände bzw. umlaufende starre Rahmen aufweisen. Außerdem hat der Nutzen den Vorteil, dass durch eine fertigungstechnisch günstige Parallelherstellung eine große Anzahl an Halbleitersensorbauteilen preiswert gefertigt werden kann.
In einem weiteren bevorzugten Durchführungsbeispiel des Verfahrens ist es vorgesehen, dass vor dem Auffüllen das Zwischenbereichs mit einer gummielastischen Masse Formstempel in die Öffnungen der Abdeckplatte eingeführt werden. Diese Formstempel weisen die Kontur von Vertiefungen für die gummielastische Masse auf. Vor dem Auftrennen oder auch nach dem Auftrennen des Nutzens können diese Formstempel unter Freilegen einer Vertiefung in der gummielastischen Masse entfernt werden. Je nach Kontur des Formstempels ergeben sich die oben erwähnten entsprechenden unterschiedlichen Möglichkeiten der Ausformung der Vertiefungen.
In einer weiteren bevorzugten Durchführungsform des Verfahrens wird eine Stempelplatte mit mehreren Formstempeln vor dem Auffüllen des Zwischenbereichs mit einer gummielastischen Masse auf der Abdeckplatte positioniert, wobei die Formstempel der Stempelplatte in die Öffnungen der Abdeckplatte eingeführt werden. Damit ist der Vorteil verbunden, dass gleichzeitig für sämtliche Halbleiterbauteilpositionen einer Substratplatte die Formgebung von Vertiefungen in der gummielastischen Masse des Zwischenbereichs vorgenommen werden können. Auch hier wird, um die Stempelplatte weiter verwenden zu können, vor dem Auftrennen des Nutzens in einzelne Halbleitersensorbauteile diese Stempelplatte von der Abdeckplatte entfernt.
Das Aufbringen einer strukturierten mechanischen Pufferschicht kann mittels Druckverfahren erfolgen. Dazu gibt es ein Schablonendruckverfahren, ein Siebdruckverfahren oder auch ein Strahldruckverfahren. Da die Pufferschicht relativ großflächig aufgetragen wird, um die Rückseite eines Halbleitersensorchips aufzunehmen und zu fixieren, sind derartige Druckverfahren gegenüber anderen Möglichkeiten von Vorteil, zumal bei den Druckverfahren parallel und gleichzeitig eine Vielzahl von Pufferschichten auf eine Substratplatte für mehrere Halbleiterbauelemente aufgebracht werden kann.
Wenn nicht die Abstandshalter und die Abdeckplatte einstückig ausgeführt sind, so ist es von Vorteil, entweder die Substratplatte oder die Abdeckplatte mit Abstandshaltern zu bestücken und sie stoffschlüssig mit diesen Platten zu verbinden. Für das Auffüllen des dabei entstehenden Zwischenbereichs ist es von Vorteil, die gummielastische Masse mittels Dispenstechnik aufzubringen. Für ein Anbringen von Bonddrähten auf den Kontaktflächen des Sensorchips und auf Kontaktanschlussffächen der Substratplatte stehen Thermokompressions- und/oder Thermosonic-Bondverfahren zur Verfügung.
Die Erfindung wird nun anhand der beigefügten Figuren näher erläutert.
Die 1 bis 7 zeigen schematische Ansichten von Komponenten, die zur Herstellung eines Halbleitersensorbauteils zusammengefügt werden;
1 zeigt eine schematische Draufsicht auf eine Substratplatte;
2 zeigt einen schematischen Querschnitt durch die Substratplatte der 1;
3 zeigt einen schematischen Querschnitt durch die Substratplatte gemäß 2 nach Aufbringen einer Pufferschicht aus gummielastischer Masse;
4 zeigt einen schematischen Querschnitt durch die Substratplatte der 3 nach Aufbringen eines Sensorchips auf die Pufferschicht;
5 zeigt eine schematische Draufsicht auf eine Abdeckplatte;
6 zeigt einen schematischen Querschnitt durch die Substratplatte der 4 nach Aufbringen der Abdeckplatte;
7 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Halbleitersensorbauteil nach Auffüllen eines Zwischenbereichs mit gummielastischer Masse;
Die 8 bis 11 zeigen schematische Ansichten von Komponenten, die zur Herstellung eines Halbleitersensorbauteils einer zweiten Ausführungsform der Erfindung zusammengebaut werden;
8 zeigt eine schematische Draufsicht auf eine Abdeckplatte;
9 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein sandwichartiges Gestell nach Aufbringen der Abdeckplatte auf entsprechende Abstandshalter;
10 zeigt einen schematischen Querschnitt des sandwichartigen Gestells der 9 nach Einführen eines Formstempels;
11 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Halbleitersensorbauteil der zweiten Ausführungsform der Erfindung nach Auffüllen eines Zwischenbereichs und Entfernen des Formstempels.
1 zeigt eine schematische Draufsicht auf eine Substratplatte 19. Eine derartige Substratplatte 19 wird zur Herstellung eines Halbleitersensorbauteils 20 zur Verfügung gestellt, wobei die hier gezeigte Sensorplatte 19 lediglich eine Halbleiterbauteilposition eines größeren Nutzens für mehrere Halbleitersensorbauteile darstellt. Die Sensorplatte 19 weist auf ihrer Oberseite 35 einen zentralen Bereich 37 bzw. eine zentrale Position auf, wobei eine gestrichelte Linie 44 die Umrisse des zentralen Bereichs zeigt, auf dem in den nachfolgenden Schritten ein Sensorchip mit dazwischen angeordneter mechanischer Pufferzone aufgebracht wird. In den Randbereichen 43 der Substratplatte 19 sind Kontaktanschlussflächen 36 angeordnet, auf denen Bonddrähte platziert werden können.
2 zeigt einen schematischen Querschnitt durch die Substratplatte 19 der 1. Die Randbereiche 43 der Substratplatte 19 weisen auf der Unterseite 41 der Substratplatte 19 Außenkontaktflächen 29 von Außenkontakten 16 auf, die über Durchkontakte 15 mit den Kontaktanschlussflächen 36 auf der Oberseite 35 der Substratplatte 19 elektrisch verbunden sind. Die Substratplatte 19 bildet den unteren Bereich 18 eines sandwichartig aufgebauten Halbleitersensorbauteils aus einem unteren Bereich 18, einem hier nicht gezeigten Zwischenbereich und einem oberen Bereich.
3 zeigt einen schematischen Querschnitt durch die Substratplatte 19 gemäß 2 nach Aufbringen einer Pufferschicht 38 aus gummielastischer Masse 7. Die gummielastische Masse 7 wird in dem zentralen Bereich 37 aufgebracht und bildet die Pufferschicht 38, die einen Sensorchip tragen kann und aufgrund ihrer gummielastischen Eigenschaften eine mechanische Entkopplung gegenüber der Substratplatte 19 bereitstellt. Die Pufferschicht 38 kann in dem zentralen Bereich 37 durch Dispensen, durch ein Siebdruck- oder durch ein Schablonendruckverfahren und/oder durch ein Strahldruckverfahren aufgebracht werden. Ihre Dicke d entspricht in etwa der Dicke D der Substratplatte 19, um eine mechanische Pufferung zu erreichen.
4 zeigt einen schematischen Querschnitt durch die Substratplatte 19 der 3 nach Aufbringen eines Sensorchips 3 auf die Pufferschicht 38. Dieses kann durch leichtes Eindrücken der Rückseite 10 des Sensorchips 3 in die gummielastische Masse 7 der Pufferschicht 38 geschehen, bevor die Pufferschicht 38 durch einen Temperschritt höher vernetzt wird und dabei eine stoffschlüssige Verbindung mit der Rückseite 10 des Sensorchips 3 eingeht.
Die aktive Oberseite 13 mit dem Sensorbereich 4 des Sensorchips 3 ist in diesem Zustand frei zugänglich, so dass Verbindungselemente 25 in Form von Bonddrähten 14 von Kontaktflächen 24 auf der Oberseite 13 des Sensorchips 3 zu Kontaktanschlussflächen 36 der Substratplatte 19 geführt werden können. Die gummielastische Masse 7 der Pufferschicht 38 ist zwischenzeitlich so weit vorvernetzt, dass ein Thermokompres sion- und/oder Thermosonic-Bonden möglich ist. In diesem Stadium der Herstellung eines Halbleitersensorbauteils sind die Randseiten 11 und 12 noch frei zugänglich und nicht vollständig von der gummielastischen Masse 7 bedeckt. Auch der Sensorbereich 4 ist noch frei zugänglich.
5 zeigt eine schematische Draufsicht auf eine Abdeckplatte 28, die gleichzeitig auch eine Draufsicht auf das Halbleitersensorbauteil 20 darstellt. Die Abdeckplatte 28 des Sensorgehäuses 1 weist eine zentrale Öffnung 5 auf, die dem Sensorbereichs des Halbleiterchips zugewandt ist. Mit gestrichelten Linien 44 werden die Positionen von Abstandshaltern 22 markiert, die auf der Unterseite der Abdeckplatte 28 stoffschlüssig angebracht sind, wobei in der nächsten Figur gezeigt wird, wie diese Abdeckplatte 28 mit den stoffschlüssig verbunden Abstandshaltern auf die in 4 gezeigte und mit einem Sensorchip bestückte Substratplatte 19 aufgesetzt wird.
6 zeigt einen schematischen Querschnitt durch die Substratplatte 19 der 4 nach Aufbringen der Abdeckplatte 28. Dabei entsteht ein Sensorgehäuse 2, das ein sandwichartiges Gestell 17 bildet aus drei Bereichen, nämlich einem unteren Bereich 18, einem Zwischenbereich 23 und einem oberen Bereich 26. Den unteren Bereich 18 bildet die Substratplatte 19. Der Zwischenbereich 23, der hier noch weitestgehend einem herkömmlichen Sensorgehäuse ähnelt, weist die in 4 gezeigten Komponenten, wie Verbindungselemente 25, Halbleiterchip 3 und Pufferschicht 38 auf. Der obere Bereich 26 wird im Wesentlichen von der Abdeckplatte 28 gebildet, an der in dieser Ausführungsform der Erfindung in jedem der in 5 gezeigten Eckbereiche 31, 32, 33 und 34 Abstandshalter 22 mit einem Ende 21 angeordnet sind, und mit dem anderen Ende 27 nun mit der Substratplatte 19 stoffschlüssig verbunden sind.
7 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Halbleitersensorbauteil 20 nach Auffüllen des Zwischenbereichs 23 mit gummielastischer Masse 7. Da die Abstandshalter nicht in dieser Schnittebene liegen, verschwinden sie in der gummielastischen Masse 7, die auch die Randseiten 11 und 12 sowie die Oberseite 13 des Sensorchips 3 sowie die Verbindungselemente 25 vollständig einbettet. Die Öffnung 5 in der Abdeckplatte 28 ist auf den Sensorbereich 4 des Sensorchips 3 ausgerichtet, so dass der Sensorbereich 4 mit der Umgebung 6 in Wirkverbindung steht. Diese sandwichartige Bauweise liefert ein Halbleitersensorbauteil 20, das keine starren Seitenwände und auch keinen starren umlaufenden Rahmen aufweist, wodurch der Sensorchip 3 mechanisch von der Substratplatte 19 und der Abdeckplatte 28 entkoppelt ist. Die gummielastische Masse 7 im Zwischenraum 23, in die der Sensorchip 3 allseitig eingebettet ist, setzt sich aus einem unteren Bereich 8 mit der Pufferschicht 38 und einem oberen Bereich 9 mit der aufgefüllten gummielastischen Masse 7 zusammen.
Die 8 bis 11 zeigen schematische Ansichten von Komponenten, die zur Herstellung eines Halbleitersensorbauteils 30 einer zweiten Ausführungsform der Erfindung zusammengebaut werden. Komponenten mit gleichen Funktionen wie in den vorhergehenden Figuren werden mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet und nicht extra erörtert.
8 zeigt eine schematische Draufsicht auf eine Abdeckplatte. Diese Abdeckplatte 28 unterscheidet sich nicht von der Abdeckplatte 28, die in 5 gezeigt wird und weist in ihren Eckbereichen 31, 32, 33 und 34 Abstandhalter 22 auf, deren Positionen mit gestrichelten Linien 44 gekennzeichnet sind. Auch die Öffnung 5 ist wie in der ersten Ausführungsform der Erfindung beibehalten worden.
9 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein sandwichartiges Gestell 17, das einem Sensorgehäuse 1 mit einem Innenraum 2 aufweist und aufgrund des sanwichartigen Aufbau weder Seitenwände noch Rahmenstrukturen besitzt, die bei herkömmlichen Sensorgehäusen den Sensorchip 3 umgeben.
10 zeigt einen schematischen Querschnitt durch das sandwichartige Gestell 17 der 9 nach Einführen eines Formstempels 42 in die Öffnung 5 der Abdeckplatte 28. Dieser Formstempel 42 weist einen Ansatz 45 auf, mit dem er auf der Abdeckplatte 28 positioniert ist. Durch seine Kontur 40, die in den Zwischenbereich 23 hineinragt, wird eine Vertiefung vorgegeben, die in der gummielastischen Masse 7 beim Auffüllen des Zwischenbereichs 23 entstehen soll.
11 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Halbleitersensorbauteil 30 der zweiten Ausführungsform der Erfindung nach Auffüllen des Zwischenbereichs 23 mit einer gummielastischen Masse 7 und Entfernen des Formstempels 42, der in 10 gezeigt ist. Es verbleibt in der gummielastischen Masse 7 unter der Öffnung 5 eine Vertiefung 39, welche die Kontur 40 des Formstempels aufweist, wobei die hier gezeigte Kontur eine konvexe Form aufweist. Es können jedoch auch zylindrische Formen sowie konkave Formen hergestellt werden. Dieses hängt einerseits davon ab, welche Funktion das Halbleitersensorbauteil erfüllen soll, und andererseits davon, wie stark die Kopplung des Sensorbereichs 4 mit der Umgebung 6 auszubilden ist.

1: Sensorgehäuse
2: Innenraum
3: Sensorchip
4: Sensorbereich
5: Öffnung des Sensorgehäuses
6: Umgebung
7: gummielastische Masse
8: unterer Bereich der gummielastischen Masse
9: oberer Bereich der gummielastischen Masse
10: Rückseite des Sensorchips
11: Randseite des Sensorchips
12: Randseite des Sensorchips
13: Oberseite des Sensorchips
14: Bonddrähte
15: Durchkontakte
16: Außenkontakt
17: sandwichartiges Gestell
18: unterer Bereich
19: Substratplatte
20: Halbleitersensorbauteil (1. Ausführungsform)
21: Enden der Abstandshalter
22: Abstandhalter
23: Zwischenbereich
24: Kontaktflächen des Sensorchips
25: Verbindungselement
26: oberer Bereich
27: Ende der Abstandshalter
28: Abdeckplatte
29: Außenkontaktfläche
30: Halbleitersensorbauteil (2. Ausführungsform)
31: Eckbereich
32: Eckbereich
33: Eckbereich
34: Eckbereich
35: Oberseite der Substratplatte
36: Kontaktanschlussfläche
37: zentrale Position bzw. zentraler Bereich
38: Pufferschicht
39: Vertiefung
40: Kontur
41: Unterseite der Substratplatte
42: Formstempel
43: Randbereiche der Substratplatte
44: gestrichelte Linien
45: Ansatz
d: Dicke der Pufferschicht
D: Dicke der Substratplatte

Claims

Halbleitersensorbauteil mit einem teilweise mit einer gummielastischen Masse (7) aufgefüllten Sensorgehäuse (1) und einem in dem Innenraum (2) des Gehäuses (1) angeordneten Sensorchip (3) mit Sensorbereich (4), wobei das Sensorgehäuse (1) eine Öffnung (5) zur Umgebung (6) aufweist, und der Sensorbereich (4) der Öffnung (5) zugewandt ist, und wobei der Sensorchip (3) in dem Innenraum (2) des Gehäuses (1) allseitig in eine gummielastische Masse (7) eingebettet ist, und wobei das Sensorgehäuse (1) ein sandwichartiges Gestell (17) mit drei übereinander angeordneten Bereichen aufweist, einen unteren Bereich (18) mit einer Substratplatte (19), einem seitenwandfreien und rahmenlosen Zwischenbereich (23) mit einer gummielastischen Masse (7), in welcher der Sensorchip (3) und Verbindungselemente (25) zu der Substratplatte (19) eingebettet sind, und einem oberen Bereich (26) mit einer Abdeckplatte (28), welche die Öffnung (5) zur Umgebung (6) aufweist, die dem Sensorbereich (4) gegenüberliegt.
Halbleitersensorbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenbereich (23) mindestes drei Abstandshalter (22) aufweist, die sich von der Substratplatte (19) bis zu der Abdeckplatte (28) erstrecken und in der gummielastischen Masse (7) eingebettet sind.
Halbleitersensorbauteil nach Anspruch 1 Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenbereich (23) vier Abstandshalter (22) auf weist, die in vier Eckbereichen (31, 32, 33, 34) des Gehäuses (1) angeordnet sind.
Halbleitersensorbauteil nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstandshalter (22) Abstandsstäbe aufweisen, deren Enden (21, 27) mit der Substratplatte (19) und der Abdeckplatte (28) stoffschlüssig verbunden sind.
Halbleitersensorbauteil nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstandshalter (22) ein Metall aufweisen und teilweise als Druchkontakte durch den Zwischenbereich (23) dienen.
Halbleitersensorbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Substratplatte (19) und/oder die Abdeckplatte (28) ein Keramikmaterial aufweisen.
Halbleitersensorbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Substratplatte (19) und/oder die Abdeckplatte (28) ein Kunststofflaminat aufweisen,
Halbleitersensorbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Substratplatte (19) auf ihrer Unterseite oberflä chenmontierbare Außenkontaktflächen (29) des Halbleitersensorbauteils (20) aufweist.
Halbleitersensorbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Substratplatte (19) auf ihrer Oberseite (35) Kontaktanschlussflächen (36) aufweist, die über Durchkontakte (15) durch die Substratplatte (19) mit oberflächenmontierbaren Außenkontakten (16) des Halbleitersensorbauteils (20) elektrisch in Verbindung stehen.
Halbleitersensorbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Substratplatte (19) einen Bereich (37) aufweist, der mit einer mechanischen Pufferschicht (38) versehen ist, welche die gummielastische Masse (7) des Zwischenbereichs (23) aufweist und auf welcher der Sensorchip (3) schwingungsmechanisch von der Substratplatte (19) entkoppelt fixiert ist, wobei die Pufferschicht (38) den Sensorchip (3) schwebend trägt.
Halbleitersensorbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberseite (35) der Substratplatte (19) eine Verdrahtungsstruktur mit darauf angeordneten weiteren Halbleiterchips eines Sensormoduls aufweist.
Halbleitersensorbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensorchip (3) Kontaktflächen (24) aufweist, die über Verbindungselemente (25), vorzugsweise Bonddrähte (19), mit Kontaktanschlussflächen (36) der Substratplatte (19) elektrisch in Verbindung stehen.
Halbleitersensorbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die gummielastische Masse (7) zwei Bereiche (8, 9) aufweist, einen unteren Bereich (8) unterhalb des Sensorchips (3), auf dem die Rückseite (10) des Sensorchips (3) angeordnet ist und einen oberen Bereich (9), in den die Randseiten (11, 12) und die Oberseite (13) des Sensorchips (3) mit dem Sensorbereich (4) eingebettet ist.
Halbleitersensorbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die gummielastische Masse (7) ein optisch transparentes Elastomer aufweist.
Halbleitersensorbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die gummielastische Masse (7) Silikongummi aufweist.
Halbleitersensorbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die gummielastische Masse (7) über dem Sensorbereich (4) des Sensorchips (3) eine Vertiefung (39) aufweist, welche die gummielastische Masse (7) in ihrer Dicke über dem Sensorbereich (4) verringert.
Halbleitersensorbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefung in der gummielastischen Masse (7) eine konvexe Kontur (40) aufweist.
Halbleitersensorbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefung (39) in der gummielastischen Masse (7) eine zylindrische Kontur (40) aufweist, sodass eine gleichmäßig gedünnte Schicht der gummielastischen Masse (7) den Sensorbereich (4) bedeckt.
Verfahren zur Herstellung eines Nutzens für mehrere Halbleitersensorbauteile (20) mit teilweise mit einer gummielastischen Masse (7) aufgefüllten Sensorgehäuse (1) und einem in dem Innenraum (2) des Gehäuses (1) angeordneten Sensorchip (3) mit Sensorbereich (4), wobei das Sensorgehäuse (1) eine Öffnung (5) zur Umgebung (6) aufweist, und der Sensorbereich (4) der Öffnung (5) zugewandt ist, und wobei der Sensorchip (3) in dem Innenraum (2) des Gehäuses (1) allseitig in eine gummielastische Masse (7) eingebettet ist, und wobei das Verfahren folgende Verfahrensschritte aufweist: – Herstellen einer Substratplatte (19) mit mehreren Halbleiterchippositionen, in denen Außenkontaktflächen (29) auf der Unterseite (41) und Kontaktanschlussflächen (36) auf der Oberseite (35) vorgesehen werden, die über Durchkontakte (15) durch die Substratplatte (19) miteinander elektrisch in Ver bindung stehen und eine zentrale Position (37) für einen Sensorchip (3) freilassen; – Aufbringen einer strukturierten mechanischen Pufferschicht (38), die eine gummielastische Masse (7) aufweist, in den zentralen Positionen (37) der Halbleiterbauteilpositionen auf die Oberseite (35) der Substratplatte (19); – Aufbringen von Sensorchips (3) mit ihren Rückseiten (10) auf die gummielastische Masse (7) der Pufferschicht (38) in den Halbleiterbauteilpositionen; – Verbinden von Kontaktflächen (24) des Sensorchips (3) mit Kontaktanschlussflächen (36) der Substratplatte (19) über Verbindungselemente (25), vorzugsweise Bonddrähte (14); – Aufbringen von Abstandhaltern (22) und einer Abdeckplatte (28) mit Öffnungen (5) für die Sensorbereiche (4) der Sensorchips (3) in den Hableiterbauteilpositionen; – Auffüllen des Zwischenbereichs (23) zwischen Substratplatte (19) und Abdeckplatte (28) mit einer gummielastischen Masse (7) unter Einbetten der Sensorchips (3), der Verbindungselemente (25) und der Abstandshalter (22).
Verfahren zur Herstellung eines Halbleitersensorbauteils (20) mit einer gummielastischen Masse (7) aufgefüllten Sensorgehäuse (1) und einem in dem Innenraum (2) des Gehäuses (1) angeordneten Sensorchip (3) mit Sensorbereich (4), wobei das Sensorgehäuse (1) eine Öffnung (5) zur Umgebung (6) aufweist, und der Sensorbereich (4) der Öffnung (5) zugewandt ist, und wobei der Sensorchip (3) in dem Innenraum (2) des Gehäuses (1) allseitig in eine gummielastische Masse (7) eingebettet ist, und wobei das Verfahren folgende Verfahrensschritte aufweist: – Herstellen einer Substratplatte (19) mit mehreren Halbleiterchippositionen (22), in denen Außenkontaktflächen (29) auf der Unterseite (41) und Kontaktanschlussflächen (36) auf der Oberseite (35) vorgesehen werden, die über Durchkontakte (15) durch die Substratplatte (19) miteinander elektrisch in Verbindung stehen und eine zentrale Position (37) für einen Sensorchip (3) freilassen; – Aufbringen einer strukturierten mechanischen Pufferschicht (38), die eine gummielastische Masse (7) aufweist, in den zentralen Positionen (37) der Halbleiterbauteilpositionen auf die Oberseite (35) der Substratplatte (19); – Aufbringen von Sensorchips (3) mit ihren Rückseiten (10) auf die gummielastische Masse (7) der Pufferschicht (38) in den Halbleiterbauteilpositionen; – Verbinden von Kontaktflächen (24) des Sensorchips (3) mit Kontaktanschlussflächen (36) der Substratplatte (19) über Verbindungselemente (25), vorzugsweise Bonddrähte (14); – Aufbringen von Abstandhaltern (22) einer Abdeckplatte (28) und mit Öffnungen (5) für die Sensorbereiche (4) der Sensorchips (3) in den Hableiterbauteilpositionen; – Auffüllen des Zwischenbereichs (23) zwischen Substratplatte (19) und Abdeckplatte (28) mit einer gummielastischen Masse (7) unter Einbetten der Sensorchips (3), der Verbindungselemente (25) und der Abstandshalter (22) zu einem Nutzen; – Auftrennen des Nutzens in einzelne Halbleitersensorbauteile (20).
Verfahren nach Anspruch 19 oder Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Auffüllen des Zwischenbereichs (23) mit einer gummielastischen Masse (7) Formstempel (42) in die Öffnungen (5) der Abdeckplatte (28) eingeführt werden, welche die Kontur (40) einer Vertiefung (39) für die gummielastischen Masse (7) aufweisen, wobei die Formatstempel (42) vor dem Auftrennen des Nutzens in einzelne Halbleitersensorbauteile (20) entfernt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass eine Stempelplatte mit mehreren Formstempeln (42) vor dem Auffüllen des Zwischenbereichs (23) mit einer gummielastischen Masse (7) auf der Abdeckplatte (28) positioniert wird, wobei die Formstempel (42) der Stempelplatte in die Öffnungen (5) der Abdeckplatte (28) eingeführt werden, und wobei die Stempelplatte vor dem Auftrennen des Nutzens in einzelne Halbleitersensorbauteile (20) entfernt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufbringen einer strukturierten mechanischen Pufferschicht (38) mittel Druckverfahren erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass das vor dem Aufbringen von Abstandhaltern (22) und einer Abdeckplatte (28) die Abstandhalter (22) auf der Abdeckplatte (28) fixiert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass das vor dem Aufbringen von Abstandhaltern (22) und einer Abdeckplatte (28) eine einstückige Abdeckplatte (28) mit integralen Abstandhaltern (22) mittels Spritzdruckguss hergestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass das vor dem Aufbringen von Abstandhaltern (22) und einer Abdeckplatte (28) die Abstandhalter (22) auf der Substratplatte (19) fixiert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass das Auffüllen des Zwischenbereichs (23) mit einer gummielastischen Masse (7) mittels Dispenstechnik erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass das Anbringen von Bonddrähten (14) auf Kontaktflächen (24) des Sensorchips (3) und auf Kontaktanschlussflächen (36) der Substratplatte (19) mittels Thermokompressions- oder Thermosonicbonden erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass das Auftrennen des Nutzens in einzelne Halbleitersensorbauteile (20) mittels Laserablation oder mittels Sägetechnik erfolgt.