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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Sensor-Chipeinrichtung mit
einem Chipkörper. Der
Chipkörper
weist
- – eine
Vorderseite und eine Rückseite
sowie jeweils an die Vorderseite und die Rückseite angrenzende Seitenflächen,
- – Sensoren
auf, an oder in der Vorderseite, wobei die Sensoren Teil einer sich über sie
hinweg erstreckenden Oberfläche
bilden, und
- – mit
einer sich über
die Sensoren erstreckenden Oberfläche und
- – jeweils
eine Kante als eine Begrenzung zwischen der Oberfläche auf
der Vorderseite und der angrenzenden Seitenfläche
auf.
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Die
Erfindung betrifft außerdem
ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Sensor-Chipeinrichtung.
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Auf
dem Gebiet der Sensorik werden Chemo- und Bio-Sensoren entwickelt,
welche mit der Silizium-Chip-Technologie hergestellt werden. Bekannte
Sensoren sind in Form von Sensor-Arrays
auf einer Silizium-Chip-Oberfläche
angeordnet. Im Silizium-Material sind elektrische Schaltungen zum
Auslesen der einzelnen Sensoren und zur Signalverarbeitung realisiert.
Auf der Chip-Oberfläche
sind freiliegend die Sensoren angeordnet, z. B. in Form von ineinander
greifenden fingerförmigen
Elektroden aus dünnen
Goldfilmen (Interdigitalelektroden). Die Elektroden sind elektrisch
mit den elektrischen Schaltungen verbunden.
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Die
Silizium-Chips sind auf einem Trägermaterial
aufgebracht und über
Bonddrähte
mit Kontaktstellen für
einen Außenkontakt
des Chips elektrisch verbunden. Kontaktstellen können z. B. in Form von metallischen
Anschlussstiften realisiert sein. Um ein problemloses Bonden zu
ermöglichen,
sind am Außenrand
der Chip-Oberflächen
Kontaktflächen
aufgebracht, z. B. mit Gold beschichtete Kontakt-Pads, welche mit
den Schaltungen des Silizium-Chips elektrisch verbunden sind. An
diese Kontaktflächen
werden die Bonddrähte
angebracht, die zu Kontaktstellen werden, um eine elektrische Verbindung
herzustellen. Hierfür
geeignete technische Verfahren sind die ”Thermokompression” und das ”Ultraschall Wedge-Bonding”.
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Die
Sensor-Oberflächen
der Chemo- und Bio-Sensoren sind in der Regel mit Stoffen beschichtet,
welche eine spezifische Ankopplung von nachzuweisenden Substanzen
erlauben. Die nachzuweisenden Substanzen sind z. B. organische Moleküle wie DNA
oder Peptide, gelöst
in Flüssigkeiten.
Der Kontakt der Flüssigkeit
mit den Silizium-Chips würde
im Bereich der Kontakt-Pads,
der Bonddrähte
und der Kontaktstellen zu elektrischen Kurzschlüssen führen. Aus diesem Grund werden
die Silizium-Chips
mit einer Verkapselungsmasse flüssigkeitsdicht,
um weitere schädigende
Umwelteinflüsse
zu vermeiden sogar gasdicht sowie lichtundurchlässig vergossen, wobei die Sensor-Array-Fläche und
Teile der Kontaktstellen freiliegend verbleiben. Die Sensor-Array-Fläche wird nicht
in der Verkapselungsmasse vergossen, um einen freien Zugang der
zu vermessenden Flüssigkeit zu
den Sensoren zu gewährleisten.
Die Teile der Kontaktstellen, welche für eine äußere Kontaktierung notwendig
sind, werden ebenfalls nicht mit der Verkapselungsmasse vergossen.
Die Kontaktflächen und
Bonddrähte
sind hingegen vollständig
flüssigkeitsdicht
vergossen.
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In
der Regel sind die Silizium-Chips mit ihrer Rückseite auf einem Träger fest
aufgebracht. Die Seitenbereiche der Silizium-Chips und deren Randbereiche
der Chip-Oberfläche
außerhalb
des Sensor-Arrays mit den Kontaktstellen und Bonddrähten sind
mit der Verkapselungsmasse vergossen. Ein Fenster, d. h. der Bereich über den
Sensoren, ist von der Verkapselung ausgenommen. Durch die Verkapselung
der Randbereiche der Chip-Oberfläche
wird die Verwendung von zusätzlichem
Silizium-Material notwendig, welches nicht für das Sensor-Array genutzt
werden kann. Da in der Regel integrierte Schaltungen unterhalb des Sensor-Arrays
anzuordnen sind, wird das zusätzliche
Silizium-Material
aus prozesstechnischen Gründen
bei der Verkapselung verbraucht.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, eine Sensor-Chipeinrichtung mit
den eingangs genannten Merkmalen und ein Verfahren zu deren Herstellung
anzugeben, wobei der Verbrauch von Material, insbesondere an Silizium-Material,
minimiert und so Kosten gespart werden können. Insbesondere ist es Aufgabe
der vorliegenden Erfindung, eine Sensor-Chipeinrichtung und ein
Verfahren zu deren Herstellung anzugeben, wobei wenig Silizium-Material auf
der Sensor-Seite der Chipeinrichtung überdeckt wird und ein elektrisch
sicherer Betrieb an spannungsführenden
Kontakten, welche insbesondere bei Kontakt mit Flüssigkeit
zu Kurzschlüssen
führen könnten, zu
gewährleisten
ist.
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Die
angegebene Aufgabe wird bezüglich
der Sensor-Chipeinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1, und
bezüglich
des Verfahrens zur Herstellung einer Sensor-Chipeinrichtung mit
den Merkmalen des Anspruchs 8 gelöst.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Sensor-Chipeinrichtung und des Verfahrens zu
deren Herstellung gehen aus den jeweils zugeordneten abhängigen Unteransprüchen hervor. Dabei
können
die Merkmale der nebengeordneten Ansprüche mit Merkmalen eines jeweils
zugeordneten Unteranspruchs oder vorzugsweise auch mit Merkmalen
mehrerer zugeordneter Unteransprüche kombiniert
werden.
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Die
erfindungsgemäße Sensor-Chipeinrichtung
weist einen Chipkörper
mit einer Vorderseite und einer Rückseite sowie mit jeweils an
die Vorderseite und die Rückseite
angrenzenden Seitenflächen auf.
Die Sensoren befinden sich auf oder an oder in der Vorderseite und
bilden Teil einer sich über
sie hinweg erstreckenden Oberfläche.
Es ist jeweils eine Kante als eine Begrenzung zwischen der Oberfläche und
der angrenzenden Seitenfläche
ausgebildet. Eine Hilfsstruktur soll formschlüssig auf der Oberfläche der
Vorderseite in Nachbarschaft zu einer Kante und beabstandet zu den
Sensoren angeordnet sein. Die Hilfsstruktur weist wenigstens eine
Seitenfläche auf,
welche zu der Kante am nächsten
angeordnet ist. An der Seitenfläche
der Hilfsstruktur, der Kante und der angrenzenden Seitenfläche des
Chipkörpers ist
eine Verkapselungsmasse formschlüssig
angeordnet.
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Unter
der Sensor-Chipeinrichtung sei dabei der gesamte Aufbau verstanden.
Als ihr Chipkörper sei
ein im Allgemeinen aus Silizium oder einem anderen Material bestehender
Teil verstanden, der auch als mechanischer Träger für an oder auf ihm anzubringende
Teile wie elektrische Schaltungsteile und die Sensoren oder Chip-Module
mit den Sensoren dient. Dabei können
diese Module Chipträger
z. B. aus Smart-Card Metall (Kupfer/Gold)und -Kunststofflaminat
aufweisen; ein Chip-Modul wird dann auf den Chipkörper geklebt,
drahtgebondet und dann verkapselt.
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Der
Erfindung liegt allgemein das Ziel zu Grunde, dass bei der Verkapselung
von Sensor-Chipeinrichtungen die von der Verkapselungsmasse bedeckte
Fläche
der Chipeinrichtung minimiert wird. Die von der Verkapselungsmasse
bedeckte Chipfläche ist
nämlich
für Sensoren
nicht verwendbar. Sensoren verbrauchen aber in der Regel mehr Fläche auf
einer Sensor-Chipeinrichtung
als integrierte elektrische Schaltungen, welche somit vollständig unterhalb
der Sensoren angeordnet werden können.
Die Fläche, welche
von Verkapselungsmasse bedeckt ist und nicht als Fläche zur
Anordnung von Sensoren zur Verfügung
steht, führt
somit zu einem zusätzlichen Chip-Materialverbrauch,
welcher minimiert werden soll, um so Kosten zu sparen.
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Der
Erfindung liegt nun die Idee zu Grunde, dass auch bei relativ geringer
Höhe der
Verkapselungsmasse, welche über
die Sensoren höhenmäßig hinaus
ragt, dennoch mit den erfindungsgemäßen Verkapselungsmaßnahmen
ein laminarer Zufluss von zu erfassender/untersuchender Flüssigkeit
auf die Sensorfläche
realisiert werden kann.
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Im
Stand der Technik überdeckt
die Verkapselungsmasse relativ viel Fläche am Rand einer Sensor-Chipeinrichtung.
Ferner ist die Höhe
der Verkapselung von der Sensorfläche aus gemessen relativ groß, d. h.
im Bereich von Millimetern. Dadurch entstehen beim Strömen von
Flüssigkeit über die
Sensor-Chipeinrichtung, von einer Seite ausgehend über die
Sensoren zur anderen Seite hin, wobei an den Seiten die Verkapselungsmasse überströmt wird, Wirbel
in der Flüssigkeit,
bzw. schlecht gespülte
Toträume,
welche Messungen an den Sensoren stören können. Eine laminare Strömung hingegen
führt zu einer
Verbesserung der Messergebnisse, insbesondere Reduzierung von Rauschen
im Messsignal.
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Die
relativ hohe und breite Verkapselung mit Verkapselungsmasse von
Sensor-Chipeinrichtungen nach dem Stand der Technik entsteht bedingt
durch das Herstellungsverfahren bei der Verkapselung. Um eine zuverlässige Verkapselung
zu erreichen und um Kurzschlüsse
zwischen potentialführenden
Bereichen wie z. B. Bonddrähten,
Kontaktflächen,
und Kanten zu verhindern, werden am Rand der Sensor tragenden Fläche der
Sensor-Chipeinrichtung relativ breite Bereiche definiert, welche
verkapselt werden. In die Breite der Bereiche fließen auch
Justiertoleranzen von z. B. 0,1 bis 1 mm ein. Auf die Oberfläche, welche
mit Sensoren bedeckt ist, wird ein Stempel gedrückt, und der Rest der Sensor-Chipeinrichtung wird
in Vergussmasse vergossen. Dabei wird zur Herstellung einer zuverlässigen Verkapselung
ohne Kurzschlüsse
zwischen potentialführenden
Bereichen ein relativ breiter Randbereich der Sensor-Chipeinrichtung
mit Verkapselungs- bzw. Vergussmasse bedeckt.
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Alternativ
wird im Stand der Technik eine Folie auf die Sensor tragende Oberfläche aufgebracht und
nur Seitenflächen
mit Verkapselungsmasse vergossen. Anschließend wird die Folie entfernt.
Bei der Abkühlung
der Verkapselungsmasse zieht sich diese zusammen, d. h. nimmt ihr
Volumen ab. Dadurch können
die Kanten freigelegt werden, wodurch die Gefahr von Kurzschlüssen über das
Chip-Trägermaterial
entsteht.
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Bei
der erfindungsgemäßen Sensor-Chipeinrichtung
hingegen verhindert eine im Randbereich auf der Oberfläche, welche
insbesondere die Chip-Sensoren umfasst, aufgebrachte Hilfsstruktur, dass
Verkapselungsmasse beim Verkapseln zu weit über die Chipoberfläche vergossen
wird. Eine Verwendung eines präzise
zu justierenden Stempels ist bei der Verkapselung mit Folie über der
die Sensoren aufweisenden Oberfläche
nicht notwendig, womit einzuhaltende Justiertoleranzen entfallen.
Eine mit der Hilfsstruktur formschlüssige Verkapselung führt selbst
bei einer Volumenverkleinerung der Verkapselungsmasse bei Abkühlung zu
keinem Freilegen der Kanten. Kurzschlüsse über potentialführende Bereiche
am Chip-Rand sind somit ausgeschlossen.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Sensor-Chipeinrichtung
ist die Hilfsstruktur in Form eines geschlossenen Rings ausgebildet,
benachbart zu allen an die Vorderseite und die Rückseite angrenzenden Seitenflächen. Die
Sensoren können
vorteilhaft innerhalb des geschlossenen Rings angeordnet sein und
Kontaktflächen
können
außerhalb
des geschlossenen Rings angeordnet sein.
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Bei
Verkapselung kann auf den geschlossenen Ring oberhalb der Sensoren
eine Folie geklebt oder gepresst werden, welche mit Hilfe des Rings
die Sensoren vollständig
umschließt,
bzw. abdeckt. Somit ist bei der Verkapselung eine Überdeckung
mit Vergussmaterial und Beschädigung
der Sensoren ausgeschlossen. Bei einem offenen Ring oder einer anderen
Struktur könnte über die Öffnung Verkapselungsmasse
zu den Sensoren gelangen und diese überdecken bzw. schädigen. Unter
Ring ist im Weiteren ein Ring beliebiger Form, z. B. viereckiger
Form oder kreisrunder Form, zu verstehen, abhängig von der äußeren Form
bzw. Begrenzung des Sensor-Arrays.
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Die
Hilfsstruktur weist besonders bevorzugt einen Abstand zu der Kante
im Bereich von 0 bis 0,1 mm auf. Vorzugsweise liegt der Abstand
im Bereich von 0,01 bis 0,09 mm. Die Hilfsstruktur kann vorteilhaft
eine Höhe
(gemessen in Richtung einer Normalen auf der Oberfläche) im
Bereich von 5 bis 50 μm und
eine Breite von 0,01 bis 0,1 mm aufweisen.
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Die
Hilfsstruktur ist vorzugsweise aus einem Polymer, insbesondere als
Folie oder Photolack ausgebildet. Auf der Rückseite kann eine Trägerplatte angeordnet
sein. Bei Verwendung eines Polymers, insbesondere Photolacks, ist über Lithographie
eine sehr genaue räumliche
Anordnung der Hilfsstruktur sehr nahe, insbesondere im Abstand von
0 bis 0,1 mm, von der Kante möglich
und eine Ausbildung der Hilfsstruktur mit sehr geringen Dimensionen
der Höhe
und Breite. Dadurch wird wenig Fläche von der Hilfsstruktur abgedeckt
und der Verbrauch an Chipkörpermaterial
minimiert.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
zur Herstellung einer Sensor-Chipeinrichtung,
insbesondere einer Sensor-Chipeinrichtung mit den zuvor beschriebenen
Merkmalen, umfasst das formschlüssige
Aufbringen einer Hilfsstruktur auf einer Vorderseite eines Chipkörpers, welcher
von dem Sensor-Chipeinrichtung umfasst wird. Die Hilfsstruktur wird
in der Nachbarschaft zu einer Kante aufgebracht, welche eine Oberfläche der
Vorderseite und eine Seitenfläche
des Chipkörpers
begrenzt, und beabstandet zu Sensoren, welche auf der Vorderseite
angeordnet werden. Eine Verkapselungsmasse wird formschlüssig an
wenigstens einer Seitenfläche
der Hilfsstruktur, der Kante und der angrenzenden Seitenfläche des
Chipkörpers
angeordnet.
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In
einer besonders bevorzugten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird die Hilfsstruktur aus Photolack durch Photolithographie erzeugt.
Alle Bereiche zwischen Hilfsstruktur und Kanten können mit
Verkapselungsmasse Gas- und/oder
Flüssigkeitsdicht
bedeckt werden.
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Kontaktflächen für die elektrische
Kontaktierung von elektrischen Schaltungen und/oder den Sensoren
der Sensor-Chipeinrichtung können
von der Verkapselungsmasse bedeckt werden. Die Verkapselungsmasse
kann in bekannter Weise lokal beschränkt von den Kontaktflächen entfernt
werden, um so die Kontaktflächen
freizulegen für
eine elektrische Kontaktierbarkeit mir externen elektrischen Schaltungen
oder Schaltungsteilen.
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Bevorzugt
wird die Sensor-Chipeinrichtung auf Waferebene mit anderen Sensor-Chipeinrichtungen
zusammen hergestellt und prozessiert, und anschließend wird
der so erhaltene Aufbau zersägt
und in einzelne Sensor-Chipeinrichtungen zerlegt.
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Für das erfindungsgemäße Verfahren
zur Herstellung der Sensor-Chipeinrichtung ergeben sich die vorstehend
erwähnten,
mit der erfindungsgemäßen Ausbildung
der Sensor-Chipeinrichtung verbundenen Vorteile.
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Bevorzugte
Ausführungsformen
von Sensor-Chipeinrichtungen nach der Erfindung mit vorteilhaften
Weiterbildungen gemäß den Merkmalen
der abhängigen
Ansprüche
werden nachfolgend anhand der folgenden Figuren näher erläutert, ohne
jedoch darauf beschränkt
zu sein.
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Es
zeigen:
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1 eine
Schnittdarstellung einer Sensor-Chipeinrichtung mit direkt aufgebrachter
Verkapselung nach dem Stand der Technik,
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2 eine
Schnittdarstellung einer Sensor-Chipeinrichtung mit Verkapselung
unter Verwendung einer Abdeckfolie auf der Sensor-Oberfläche nach
dem Stand der Technik,
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3 eine
Schnittdarstellung der in 2 dargestellten
Sensor-Chipeinrichtung mit Verkapselung nach Entfernen der Abdeckfolie
nach dem Stand der Technik,
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4 eine
Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Sensor-Chipeinrichtung
mit Verkapselung unter Verwendung einer Abdeckfolie und einer Hilfsstruktur
auf der Sensor-Oberfläche,
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5 eine
Schnittdarstellung der in 4 dargestellten
erfindungsgemäßen Sensor-Chipeinrichtung
mit Verkapselung nach Entfernen der Abdeckfolie,
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6 eine
Aufsicht der erfindungsgemäßen Sensor-Chipeinrichtung mit
Hilfsstruktur und Kontaktflächen
vor der Verkapselung,
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7 eine
Aufsicht der erfindungsgemäßen Sensor-Chipeinrichtung auf
einem Trägermaterial aufgebracht,
mit Hilfsstruktur nach der Verkapselung,
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8 eine
Aufsicht auf einen Waferteil mit vier zusammenhängenden erfindungsgemäßen Sensor-Chipeinrichtungen
mit Hilfsstruktur und Kontaktflächen
vor der Verkapselung,
und
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9 eine
Aufsicht auf einen Waferteil mit vier zusammenhängenden erfindungsgemäßen Sensor-Chipeinrichtungen
mit Hilfsstruktur, nach der Verkapselung und Freilegung der Kontaktflächen, bei eingezeichneten
Sägelinien.
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In
den Figuren sind sich entsprechende Teile mit denselben Bezugszeichen
versehen. Nicht näher ausgeführte Details
sind allgemein bekannt.
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1 zeigt
eine Schnittdarstellung einer Sensor-Chipeinrichtung 1 nach
dem Stand der Technik. Es ist der Ausschnitt eines Schnittes im
90° Winkel
zur Chipoberfläche 5 auf
der Oberseite der Sensor-Chipeinrichtung 1 dargestellt,
welcher den Bereich des Übergangs
eines Silizium-Trägerkörpers zu einer
Verkapselungsmasse 4 zeigt. Der Trägerkörper wird nachfolgend als Chipkörper 2 bezeichnet.
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Der
Chipkörper 2 kann
beispielsweise in Form einer flachen, rechteckigen Trägerplatte
ausgebildet sein. Er weist eine nachfolgend als Vorderseite bezeichnete
Oberseite mit einer Oberfläche
und eine gegenüberliegende
Rückseite
auf. Auf, an oder in der Oberfläche
der Vorderseite des Chipkörpers 2 sind integrierte
Schaltungen im bzw. auf dem Silizium, d. h. beispielweise in einer
Schicht an der Oberfläche des
Chipkörpers 2,
ausgebildet. Die integrierten Schaltungen sind zum Schutz vor Umwelteinflüssen in
der Regel mit einer Siliziumoxid-Schicht
und/oder einem Photolack bedeckt. Frei, d. h. in direktem Kontakt
zur Umgebungsluft, sind außerdem
auf der Oberfläche
auf der Vorderseite Sensoren aufgebracht, welche in elektrischem
Kontakt mit den integrierten Schaltungen stehen. Die in der Figur
zusammen mit den integrierten Schaltungen mit dem Bezugszeichen 3 gekennzeichneten
Sensoren sind beispielsweise auf oder in der Schicht der integrierten
Schaltung eingebettet, nach oben hin freiliegend, in Form eines
Sensor-Arrays 14 auf dem Chipkörper 2 angeordnet.
Die sich so ergebende Oberfläche
des gesamten Aufbaus aus Chipkörper 2 mit
den Sensoren 3 einschließlich der erforderlichen Schaltungsteile
ist in der Figur als Chipoberfläche 5 bezeichnet.
Diese Oberfläche 5 befindet
sich somit auf der von dem Chipkörper 2 abgewandten
Seite, kann jedoch gegebenenfalls auch von Teilen der Oberfläche des
Chipkörpers 2 mit
gebildet werden.
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Neben
der Vorder- und Rückseite
wird der Chipkörper 2 durch
seine vier Seitenflächen
begrenzt. In 1 ist exemplarisch ein Schnitt
durch eine Seitenfläche 6 dargestellt.
Der Übergang
von Chipoberfläche 5 auf
der Vorderseite des Chip körpers
zu der Seitenfläche 6 bildet
eine Kante 7. Dabei schließen die Vorderseite des Chipkörpers und
die Seitenfläche 6 insbesondere
einen Winkel von 90° ein.
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Der
Chipkörper 2 ist
in Verkapselungs- bzw. Vergussmasse 4 eingegossen. Beim
Verkapseln des Chipkörpers
wird z. B. ein Sensor-Array 14 (vgl. 6 bis 9)
durch einen Stempel abgedeckt und der Rest des Chipkörpers mit
der Verkapselungsmasse 4 vergossen. Dabei werden die Seitenflächen 6 vollständig von
der Verkapselungsmasse 4 bedeckt, und die Chipoberfläche auf
der Vorderseite des Chipkörpers
wird in Randbereichen, welche nicht vom Stempel abgedeckt waren,
von Verkapselungsmasse 4 mit bedeckt. Der bedeckte Randbereich (siehe
in 1 insbesondere die mit ”R” bezeichnete Umrandung) kann
für die
Anordnung von Sensoren 3 nicht genutzt werden und führt zu einem
erhöhten Materialverbrauch
an Silizium-Trägermaterial.
Integrierte Schaltungen sind in der Regel größenmäßig so klein, dass sie vollständig unterhalb
der Sensoren 3 anzuordnen sind und keinen zusätzlichen
Platz auf der Chipoberfläche
benötigen.
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In 2 ist
alternativ zur Verkapselung mit Hilfe eines Stempels eine Sensor-Chipeinrichtung 1 nach
Verkapselung mit Hilfe einer Folie 8 ohne Verwendung eines
Stempels nach dem Stand der Technik dargestellt. Die Folie 8 ist
auf die Chipoberfläche 5 auf
der Vorderseite des Chipkörpers 2,
auf welcher sich das Sensor-Array 14 befindet, aufgebracht
und ragt über
die Kante 7 hinaus. Bei dem Verguss der Seitenflächen 6 des
Aufbaus mit Verkapselungsmasse 4 werden nur die Seitenfläche 6 und
nicht die Chipoberfläche 5 auf
der Vorderseite des Aufbaus mit Verkapselungsmasse 4 bedeckt.
Beim Abkühlen
der Verkapselungsmasse 4 nach dem Vergießen zieht sich
die Verkapselungsmasse 4 zusammen. In 2 ist
dies in Form einer Wölbung
in der Verkapselungsmasse 4 und der darauf befindlichen
Folie 8 dargestellt. Bei dem Zusammenziehen der Verkapselungsmasse 4 kann
eine beim Gießen
der Verkapselungsmasse 4 bedeckte Kante 7 wieder
freigelegt werden, d. h. die Verkapselungsmasse 4 zieht
sich so zusammen, dass sie die Kante 7 nicht mehr bedeckt.
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Nach
dem Abziehen der Folie (siehe 3) ist die
Kante 7 nicht von Verkapselungsmasse 4 bedeckt
und liegt frei an Luft. Wird die Sensor-Chipeinrichtung 1 benutzt,
d. h. mit zu vermessender Flüssigkeit
beaufschlagt, so können
im Randbereich des Chipkörpers 2 an
Kanten 7 Kurzschlüsse
entstehen. Eine Messung mit Hilfe der Schaltung und Sensoren 3 ist
so kaum möglich.
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In 4 ist
eine Schnittdarstellung entsprechend den Schnittdarstellungen der
Chipeinrichtung 1 nach dem Stand der Technik gemäß den 1 bis 3 einer
erfindungsgemäßen Sensor-Chipeinrichtung 1 dargestellt.
Es ist der Ausschnitt eines Schnittes im 90° Winkel zur Chipoberfläche 5 auf
der Vorderseite der Sensor-Chipeinrichtung gezeigt, welcher den Übergang
des Silizium-Trägermaterials
des Chipkörpers 2 zur
Verkapselungsmasse 4 darstellt. Auf der Chipoberfläche 5 ist
eine erfindungsgemäße Hilfsstruktur 9 aufgebracht,
welche in 4 im Querschnitt dargestellt
ist. Diese Hilfsstruktur 9 ist in einem Randbereich des
Chipkörpers 2 angebracht nahe
an der Kante 7. Alternativ kann die Hilfsstruktur auch
direkt mit der Kante 7 abschließen, was aus Gründen der
Vereinfachung nicht in den Figuren gezeigt ist.
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Die
Hilfsstruktur 9 weist eine Oberseite 10 auf, welche
der Seite der Hilfsstruktur 9 gegenüberliegt, mit welcher die Hilfsstruktur 9 formschlüssig auf der
Chipoberfläche 5 auf
der Vorderseite der Chipeinrichtung 1 mit ihrem Chipkörper 2 angebracht
ist. Weiterhin weist die Hilfsstruktur 9 eine Seitenfläche 11 auf,
welche der Seitenfläche
der Hilfsstruktur 9 gegenüberliegt, die mit ihrer Flächennormale
in Richtung eines Sensor-Arrays 14 weist.
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Die
Seitenfläche 11 der
Hilfsstruktur 9 und die Seitenfläche 6 des Chipkörpers 2 sowie
die Kante 7 sind formschlüssig mit Verkapselungsmasse 4 bedeckt.
Die Verkapselungsmasse 4 reicht nicht über die Seitenfläche 11 in
Richtung der Normalen auf der Chipoberfläche 5 weg hinaus,
d. h. die Oberseite der Hilfsstruktur 10 ist nicht mit
Verkapselungsmasse 4 bedeckt. Bei deinem Verguss des Chipkörpers 2 einschließlich Sensor-Array und Schaltungsteilen
sorgt die Hilfsstruktur 9 in Verbindung mit einer aufgeklebten
Folie 8 dafür,
dass die Verkapselungsmasse 4 nicht auf die Chipoberfläche 5 mit
den Sensoren 3, d. h. auf das Sensor-Array 14 (vgl.
die 6 bis 9) gelangt. Die Folie 8,
welche sich über
die Hilfsstruktur 9 und die Sensoren 3 hinweg
erstreckend aufgebracht wird, ohne die Sensoren zu berühren, sorgt dafür, dass
die Verkapselungsmasse 4 nicht über die Sensoren 3 und
die Oberfläche 10 der
Hilfsstruktur aufgebracht wird. Die Hilfsstruktur 9 kann
auch genutzt werden, um die Folie beabstandet zu den Sensoren 3 auf
dem Chipkörper 2 anzuordnen.
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Nach
Vergießen
und Erhärten
der Verkapselungsmasse 4 wird die Folie 8 entfernt
und die Sensoren sind für
die Flüssigkeit
frei zugänglich. 5 zeigt
die Sensor-Chipeinrichtung 1 nach Entfernen der Folie 5.
Die erstarrte Verkapselungsmasse 4 hat sich zusammengezogen
bzw. hat ihr Volumen durch das Aushärten reduziert. Dies ist in 5 durch
eine Wölbung
der Verkapselungsmasse 4 auf Seite der Chipoberfläche 5 angedeutet.
Die Kante 7 und die Seitenfläche 6 bleiben jedoch
vollständig
von der Verkapselungsmasse 4 bedeckt und ein Kontakt von Flüssigkeit
mit potentialführenden
Strukturen der Chipeinrichtung 1 am Rand, welcher zu Kurzschlüssen führen würde, ist
ausgeschlossen. Eine Reduzierung des Volumens der Verkapselungsmasse 4 kann nur
dazu führen,
dass ein Teil der Seitenfläche 11 der Hilfsstruktur 9 nicht
vollständig
mit Verkapselungsmasse 4 bedeckt ist. Da die Hilfsstruktur
elektrisch isolierend ist, führt
dies zu keinen Kurzschlüssen
an der Sensor-Chipeinrichtung 1 bei Kontakt mit Flüssigkeit.
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In 6 ist
die Sensor-Chipeinrichtung 1 mit Hilfsstruktur 9 vor
der Verkapselung von oben als Aufsicht dargestellt. Mittig auf der
Chipoberfläche 5 auf
der Vorderseite der Einrichtung ist ein Sensor-Array 14 mit
für Flüssigkeit
frei zu gänglichen
Sensoren 3 dargestellt. Das Sensor-Array ist innerhalb
eines geschlossenen Ringes, der Hilfsstruktur 9 auf der Oberfläche 5 aufgebracht,
angeordnet. Der Ring hat insbesondere eine rechteckige Form und
ist aus einer dünnen
Polymerschicht hergestellt. Außerhalb des
Ringes sind elektrische Kontakte bzw. Kontaktflächen auf dem Chipkörper 2 angeordnet,
welche zur Kontaktierung der integrierten Schaltung und der Sensoren 3 auf
dem Chipkörper 2 mit
elektrischen Einrichtungen außerhalb
des Sensor-Chipeinrichtung 1 dienen.
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Wie
in einer Vergrößerung der
rechten unteren Ecke des Sensor-Chipeinrichtungs 1 vor
der Verkapselung ebenfalls in 6 in einem
Kreisausschnitt zu sehen ist, ist die Hilfsstruktur 9 mit
einem Abstand 12 zur Kante 7 angeordnet, welcher
bevorzugt zwischen Null und 1 Millimeter liegt, besonders bevorzugt
zwischen Null und 0,09 Millimeter, und idealer Weise genau Null
ist. Bei einem Abstand 12 von Null bildet die Seite der
Hilfsstruktur 11, welche der Kante 7 am nächsten liegt
bzw. ihr benachbart angeordnet ist, mit der Kante 7 eine
gemeinsame Ebene. Dies bedeutet, die Seite 11 ist die Verlängerung
einer ebenen Fläche,
welche durch die Seitenfläche 6 des Chipkörpers 2 mit
Abschluss durch die Kante 7 gegeben ist.
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Gemäß 7 ist
der in 6 veranschaulichte Chipkörper 2 auf einem Träger(material) 16 aufgebracht,
und zwar nach dem Verkapselungsprozess. Der Träger 16 dient zu einer
mechanischen Stabilisierung der mit 15 bezeichneten Sensor-Chipeinrichtung
und ist hierzu auf der Rückseite
des Chipkörpers 2 angebracht.
Die Verkapselungsmasse 4 wird z. B. über einen Stempel mit Ausnehmung
auf die Oberfläche 5 oberhalb
des Chipkörpers 2 aufgebracht.
Dabei hat die Ausnehmung eine Tiefe, welche der Summe aus der Höhe des Chips
(= Breite der Seitenfläche 6)
und der Höhe
der Hilfsstruktur 9 (= Breite der Seitenfläche 11)
entspricht. Bei genauen Abmessungen kann bei der Verkapselung die
Verwendung einer Folie eingespart werden. Die Bodenfläche der
Vertiefung des Stempels mit der Hilfsstruktur 9 zusammen,
d. h. formschlüssig
anliegend an der Oberseite 10 der Hilfsstruktur 9,
schützt
das Sensor-Array 14 vor einer Beaufschlagung mit Verkapselungsmasse 4 bei
der Verkapselung der Chipeinrichtung 15 mit Träger 16.
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Wie
in 7 dargestellt, bedeckt die Verkapselungsmasse 4 ausgehend
von der Hilfsstruktur 9 formschlüssig den Rand des Chipkörpers 2,
d. h. die Kante 7 und die Seitenfläche 6, und einen Teil
des auf der Rückseite
des Chipkörpers 2 angebrachten
Trägers 16.
Da der Träger
die Rückseite
der Chipeinrichtung komplett abdeckt, führt dies zu einem flüssigkeitsdichten
Verschluss des Chipkörpers 2,
mit Ausnahme der innerhalb des Rings der Hilfsstruktur 9 gelegenen
Fläche
der Chipoberfläche 5 auf
der Vorderseite des Chipkörpers 2 mit
darauf befindlichen Sensoren 3 bzw. Sensor-Array 14.
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Halbleiterschaltungen
werden bevorzugt in einem Waferverbund mit mehreren Chipeinrichtungen
mit Sensor-Arrays 14 zusammenhängend produziert und prozessiert.
In 8 ist ein Ausschnitt von vier zusammenhängenden
Chipeinrichtungen als Waferteil 17 eines Wafers bzw. Waferverbundes
dargestellt. Das Waferteil 17 kann auf einer Folie mit
seiner Rückseite
aufgebracht sein und zum Vereinzeln können die Kanten 7 vorgeritzt
oder vorgesägt
sein. Die Chipeinrichtungen gemäß 8 sollen
sich dabei in einem Herstellungszustand befinden, wie er in 6 dargestellt
ist. Hilfsstrukturen 9 sind jeweils auf jedem Chipkörper 2 um
die Sensor-Arrays 14 auf der Oberfläche 5 der Vorderseite
der jeweiligen Chipeinrichtung aufgebracht und außerhalb
der geschlossenen Ringe der Hilfsstrukturen 9 sind auf
den Vorderseiten der Chipkörper 2 Kontakte
bzw. Kontaktflächen 13 angebracht.
Die Kontaktflächen
können durch
Bonden elektrisch mit nicht dargestellten Kontakteinrichtungen verbunden
werden, welchen z. B. durch Kontaktstifte bzw. Füße von IC-Sockeln gegeben sind.
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In 9 ist
ein in 8 dargestellter Waferteil 17 nach Verkapselung
bzw. Aufbringen von Verkapselungsmasse 4 dargestellt. Die
Verkapselungsmasse 4 ist im Zwischenraum zwischen den Außenbereichen
der Hilfsstrukturringe 9 verschiedener Chipkörper 2 auf
der Oberfläche 5 der
Vorderseite zusammen hängender
Chipkörper 2 aufgebracht.
Anschließend
zum Aufbringen der Verkapselungsmasse 4, nach ihrem Aushärten, sind
die elektrischen Kontakte bzw. Kontaktflächen 13 (vgl. 6)
freigelegt, d. h. die Verkapselungsmasse 4 entfernt worden.
Entlang der in 9 gezeigten gestrichelten Linien
wird der Waferteil 17 gesägt und werden dadurch die Chipeinrichtungen
vereinzelt. Die so vereinzelten Chipeinrichtungen können dann
auf Träger 16,
wie in 7 dargestellt, aufgebracht und durch Kleber oder
weitere Verkapselungsmasse 4 flüssigkeitsdicht abgeschlossen
werden. In Anwendungen, bei welchen die Flüssigkeit von oben auf die Chipoberfläche 5 geführt wird,
kann durch den ausreichend großen
Rand, welchen die Verkapselungsmasse 4 bildet, ein ausreichender
Schutz vor Flüssigkeit
gegeben sein und können
so weitere Verkapselungen entfallen. Es sind auch Einbauten in Chip-Karten denkbar,
bei welchen nach dem Sägen
durch flüssigkeitsdichte
Folien formschlüssig über der
Verkapselungsmasse 4, eine elektrische Isolierung der Chipseiten 6 erreicht
wird und eine weitere Verkapselung eingespart werden kann.
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Die
Verkapselung kann auch zur Isolierung der Kontaktflächen 13,
von Bonddrähten
und von weiteren im Außenbereich
des Chipkörpers 2 angeordneten
elektrisch leitenden Strukturen verwendet werden. Bei Silizium als
Trägermaterial
bzw. Chip-Material
des Chipkörpers 2 kann
das Chip-Material selbst durch eine Oxidschicht isoliert sein (z.
B. Silizium-Oxid) oder z. B. durch Siliziumnitrid-Schichten.
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Alternativ
zu Silizium als Material des Chipkörpers 2 können Materialien
wie z. B. GaAs (Gallium-Arsenid), Ge (Germanium) sowie weitere bekannte
Halbleitermaterialien verwendete werden. Die Halbleitermaterialien
können
in unterschiedlichsten Dotierungen vorliegen.
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Die
Hilfsstrukturen 9 sind vorteilhaft aus elektrisch isolierendem
Photolack, welcher photolithographisch strukturiert wurde, aufgebaut.
Damit lassen sich sehr dünne
Filme und somit nach Strukturierung sehr dünne Hilfsstrukturen mit Struk turbreiten
von insbesondere 0,01 bis 0,1 Millimeter herstellen. Somit ergeben
sich Höhen
und Breiten (Querschnitte) der Hilfsstrukturen im Bereich von 0,01
bis 0,1 Millimeter. Die Hilfsstrukturen 9 können dabei
direkt mit der Kante 7 abschließend oder mit einem Abstand
als Justiertoleranz im Bereich von kleiner 1 Millimeter von der
Kante entfernt angeordnet werden. Die geringe Höhe der Hilfsstrukturen 9 erlaubt
bei Strömungen von
Flüssigkeiten über die
Hilfsstruktur 9 zum Sensor-Array 14 laminare Strömungen.
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Alternativ
zu Photolacken können
die Hilfsstrukturen auch aus Folien, z. B. vorgestanzten Polymerfolien,
aufgebaut sein. Dabei ist es besonders einfach, die Folien über eine
Klebeschicht, welche sich z. B. schon auf einer Seite der Folie
befindet, aufzubringen und am Chipkörper 2 bzw. der Oberfläche 5 zu
befestigen.
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Die
Hilfsstrukturen 9 können
auch unterschiedliche Querschnitte aufweisen. So sind rechteckige
Querschnitte, wie in der 4 und 5 dargestellt,
besonders bevorzugt. Es sind aber auch z. B. runde, halbrunde, oder
dreieckige Querschnitte verwendbar.
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In
einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel
ist die Folie 8 auf einer Seite 10 des Hilfsstrukturrings 9 aufgespannt,
analog einem in der Wafertechnologie der Halbleiterindustrie verwendeten
Metallspannring, und die andere Seite des Hilfsstrukturrings 9 ist
formschlüssig
auf der Chipoberfläche 5 aufgebracht.
Durch das Aufspannen der Folie 8 werden die Sensoren 3 nicht
berührt;
es bildet sich zwischen Folie, Oberfläche 5 und Hilfsstruktur 9 ein abgeschlossener
Hohlraum, in welchen bei der Verkapselung keine Verkapselungsmasse 4 eindringen kann.
Beschichtungen auf den Sensoren 3 werden so vor der Zerstörung oder
Schädigung
geschützt.
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Die
Sensoren 3 können
z. B. aus Gold- oder anderen Metall-Elektroden bestehen, insbesondere aus
mit organischen Molekülen
beschichteten Metall-Elektroden. Die organischen Moleküle sind
in Form einer Schicht, insbesondere eines Monolayers, auf der Goldelektrode
aufgebracht, und nachzuweisende Moleküle binden spezifisch an chemische Gruppen
der organischen Moleküle.
Typische Anwendungen für
die beschriebenen Sensor-Chipeinrichtungen 1 sind
in der Bioanalytik, zum (Beispiele für organische Moleküle wie Desoxyribonukleinsäure (DNA)
oder Peptide, welche z. B. über
Thiol-Gruppen an Goldoberflächen
binden.
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Die
erfindungsgemäßen Sensor-Chipeinrichtungen 1 sind
auch in der Wasseranalytik oder der Chemie (Rauchmelder, Kohlenmonoxid-,
Stickstoffmonoxid-Sensoren) einsetzbar.
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Die
Sensoren 3 können
die Form einer Kreisfläche
aufweisen oder fingerförmig
ausgebildet sein. Insbesondere können
die Sensoren 3 in Form von ineinander greifenden Finger-Elektroden
(Interdigital-Elektroden) ausgebildet sein. Auch andere Formen sind
denkbar, z. B. stegförmige
oder halbkreisförmige
Elektroden. Alle bekannten Formen von elektrochemischen Sensoren
oder Gassensoren sind verwendbar.
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Bonddrähte und
Kontaktflächen 13 sind
bevorzugt aus Gold hergestellt. Weitere Materialien sind elektrisch
leitende Metalle wie Kupfer, Aluminium oder Metall-Legierungen.
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Als
Verkapselungsmasse 4 werden vorzugsweise in der Halbleitertechnik
verwendete Kunstharze bzw. Epoxydharze eingesetzt. Es sind aber
auch abhängig
von der Anwendung, aushärtbare
Klebstoffe oder Lacke, Plastikwerkstoffe wie PVC und andere flüssigkeitsdichte,
gießbare
Stoffe verwendbar.
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Die
vorliegenden Sensor-Chipeinrichtungen sind nicht nur in Flüssigkeiten
einsetzbar, sondern auch in Gasen. In diesem Fall sind statt flüssigkeitsdichten
gasdichte Anordnungen zu verwenden.