DE102009001930A1

DE102009001930A1 - Sensorbaustein

Info

Publication number: DE102009001930A1
Application number: DE102009001930A
Authority: DE
Inventors: Klaus Offterdinger
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2009-03-27
Filing date: 2009-03-27
Publication date: 2010-09-30
Anticipated expiration: 2029-03-28
Also published as: FR2943790A1; US20100242605A1; US8584525B2; IT1400085B1; DE102009001930B4; ITMI20100475A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Sensorbaustein mit einem Gehäuse und einem darin angeordneten Sensorchip. Dabei ist der Sensorchip über mindestens ein Elastomerelement mechanisch mit dem Gehäuse verbunden. Außerdem ist der Sensorchip über das mindestens eine Elastomerelement auch elektrisch mit dem Gehäuse verbunden.

Description

Die Erfindung betrifft einen Sensorbaustein gemäß Patentanspruch 1.
Stand der Technik
Es ist bekannt, einen Sensor, beispielsweise einen Beschleunigungs- oder Drehratensensor, zur mechanischen Entkopplung von äußeren Einflüssen, beispielsweise von Vibrationen bei der Arbeitsfrequenz des Sensors, in ein Gehäuse mit integrierten mechanischen Dämpfungselementen einzusetzen. Ein solches Gehäuse ist beispielsweise aus der DE 10 2006 026 878 A1 bekannt. Dabei wird zur Schwingungsdämpfung des Sensors ein Feder-Masse-System eingesetzt. Das Feder-Masse-System besteht aus einer Bodenplatte, die über ein Elastomerelement als Federelement mit Eigendämpfung zur Dissipation der Schwingungsenergie mit einem Rahmen des Gehäuses verbunden ist.
Bei den bekannten schwingungsgedämpften Gehäusen für Sensorbausteine werden die mechanische Kontaktierung und die elektrische Kontaktierung des im Gehäuse angeordneten Sensorchips über separate Verbindungstechniken realisiert. Die unterschiedlichen Verbindungstechniken für die elektrische und die mechanische Kontaktierung erfordern eine aufwändige Montage und eine gewisse Mindestgröße des Sensorbausteins. Außerdem kann die getrennt ausgeführte elektrische Kontaktierung die Dämpfungseigenschaften des Sensorbausteins negativ beeinflussen.
Offenbarung der Erfindung
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen verbesserten Sensorbaustein bereitzustellen. Diese Aufgabe wird durch einen Sensorbaustein mit den Merk malen des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Ein erfindungsgemäßer Sensorbaustein weist ein Gehäuse und einen darin angeordneten Sensorchip auf. Dabei ist der Sensorchip über mindestens ein Elastomerelement mechanisch mit dem Gehäuse verbunden. Außerdem ist der Sensorchip über das mindestens eine Elastomerelement auch elektrisch mit dem Gehäuse verbunden.
Vorteilhafterweise bewirkt das Elastomerelement eine mechanische Entkopplung des Sensorchips von auf das Gehäuse einwirkenden Störungen, beispielsweise Vibrationen. Äußere Schwingungen werden durch das Elastomerelement gedämpft. Dies ist besonders vorteilhaft bei äußeren Störungen, deren Frequenz nahe bei der Arbeitsfrequenz des Sensorchips liegen. Da das Elastomerelement auch zur elektrischen Verbindung des Sensorchips dient, können zusätzliche elektrische Kontakte entfallen. Dadurch wird ein negativer Einfluss auf die Dämpfungseigenschaften des Sensorbausteins vermieden. Außerdem erfordert der erfindungsgemäße Aufbau des Sensorbausteins dadurch weniger Prozessschritte als bei bisherigen Sensorbausteinen, wodurch sich die Herstellungskosten reduzieren.
Gemäß einer Weiterbildung des Sensorbausteins ist der Sensorbaustein auf einem Substrat angeordnet. Dabei weist das Substrat mindestens eine elektrische Durchkontaktierung auf, mit der der Sensorchip elektrisch verbunden ist. Das Substrat ist so im Gehäuse angeordnet, dass die Durchkontaktierung an dem Elastomerelement anliegt und elektrisch mit dem Elastomerelement verbunden ist, wobei das Elastomerelement auch elektrisch mit einem Kontaktelement des Gehäuses verbunden ist. Dadurch vereinfacht sich die Herstellung des Sensorbausteins zusätzlich. Der Sensorchip kann auf einer Seite des Substrats, das Elastomerelement auf der anderen Seite des Substrats vorgesehen sein. Vorteilhafterweise können zur Verbindung des Sensorchips mit dem Substrat sowohl Bonddrähte als auch eine Flip-Chip-Technik zum Einsatz kommen. Das Substrat ist zweckmäßigerweise eine Leiterplatte.
Gemäß einer Ausführungsform ist der Sensorchip über mindestens einen Bonddraht elektrisch mit der Durchkontaktierung verbunden. In einer anderen Ausfüh rungsform ist der Sensorchip über mindestens einen Lötpunkt elektrisch mit der Durchkontaktierung verbunden. Vorteilhafterweise gestattet dies eine Flip-Chip-Montage des Sensorchips.
In einer Weiterbildung des Sensorbausteins kann eine Zusatzmasse auf dem Substrat angeordnet sein. Dies hat den Vorteil, dass sich die Resonanzfrequenz des aus Substrat und Elastomerelement gebildeten Systems reduziert, wodurch sich die Dämpfung verbessert.
In einer anderen Weiterbildung des Sensorbausteins wird das Substrat durch mindestens ein elastisches Niederhalteelement gegen das Elastomerelement gedrückt. Zusätzlich kann das Niederhaltelement eine elektrische Verbindung zwischen einem Massekontakt des Substrats und einem Massekontakt des Gehäuses herstellen. Vorteilhafterweise gestattet diese Ausführungsform eine Symmetrisierung der Einspannung des Substrats, wodurch die Anregung zusätzlicher Störmoden verhindert wird. Außerdem wird eine vorteilhafte EMV-Schirmung des Sensorbausteins erreicht.
Gemäß einer Ausführungsform weist das Elastomerelement eine Mehrzahl von leitfähigen und isolierenden Schichten auf. Vorteilhafterweise sind derartige Elastomerelemente kostengünstig erhältlich. In einer anderen Ausführungsform weist das Elastomerelement Silikon und in das Silikon eingebundene leitfähige Partikel oder Fäden auf. Dies gestattet eine bessere Kontaktierung und ermöglicht geringere Übergangswiderstände. Gemäß einer weiteren alternativen Ausführungsform ist das Elastomerelement aus leitfähigem spritzbarem Silikon hergestellt. Vorteilhafterweise ermöglicht dies eine besonders einfache Herstellung des Sensorbausteins.
Bevorzugt ist das Substrat durch eine erste Leitklebeverbindung mit dem Elastomerelement verbunden. Ebenfalls bevorzugt ist das Elastomerelement durch eine zweite Leitklebeverbindung mit dem Gehäuse verbunden.
Die Erfindung wird nun anhand der beigefügten Figuren näher erläutert. Dabei werden für gleiche oder gleich wirkende Teile einheitliche Bezugszeichen verwendet. Es zeigen:
1 einen Schnitt durch einen Sensorbaustein gemäß einer ersten Ausführungsform;
2 einen Schnitt durch einen Sensorbaustein gemäß einer zweiten Ausführungsform;
3 einen Schnitt durch einen Sensorbaustein gemäß einer dritten Ausführungsform; und
4 eine schematische Ansicht einer Ausführungsform eines Elastomerelements.
Ausführungsformen der Erfindung
1 zeigt in schematischer Darstellung einen Schnitt durch einen Sensorbaustein 100 gemäß einer ersten Ausführungsform. Der Sensorbaustein 100 umfasst ein Gehäuse 110, das einen Sensorraum 112 zwischen einem Deckel 115 und einem Boden 117 des Gehäuses 110 umschließt. Das Gehäuse 110 kann beispielsweise ein Premold-Gehäuse sein.
Im Sensorraum 112 innerhalb des Gehäuses 110 ist ein Sensorchip 120 angeordnet. Der Sensorchip 120 kann beispielsweise einen mikromechanischen Sensor, beispielsweise einen Beschleunigungs- oder Drehratensensor aufweisen. Der Sensorchip 120 kann auch eine andere Art von Sensor aufweisen. Auf dem Sensorchip 120 kann bereits eine Auswertelektronik, beispielsweise in Form eines ASICs vorgesehen sein.
Der Sensorchip 120 ist auf einem Substrat 130 angeordnet. Das Substrat 130 kann beispielsweise eine Leiterplatte sein. Im Ausführungsbeispiel der 1 ist der Sensorchip 120 derart auf dem Substrat 130 angeordnet, dass die aktiven Sensorkomponenten des Sensorchips 120 auf der dem Substrat 130 abgewandten Seite des Sensorchips 120 vorgesehen sind. Der Sensorchip 120 kann beispielsweise mittels eines Klebers auf dem Substrat 130 befestigt sein. Das Substrat 130 weist eine Mehrzahl von Durchkontaktierungen 135 auf, die eine elektrische Verbindung zwischen einer Ober- und einer Unterseite des Substrats 130 herstellen. Der Sensorchip 120 ist über eine Mehrzahl von Bonddrähten 140 mit den Durchkontaktierungen 135 des Substrats 130 elektrisch verbunden. In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung kann der Sensorchip 120 derart auf dem Substrat vorgesehen sein, dass die aktiven Sensorkomponenten des Sensorchips 120 auf der dem Substrat 130 zugewandten Oberfläche des Sensorchips 120 angeordnet sind. In dieser Ausführungsform werden die elektrischen Verbindungen zwischen dem Sensorchip 120 und den Durchkontaktierungen 135 des Substrats 130 bevorzugt durch Lötpunkte hergestellt. Dies gestattet eine Flip-Chip-Montage des Sensorchips 120 auf dem Substrat 130.
Der Boden 117 des Gehäuses 110 weist eine Mehrzahl von Kontaktelementen 160 auf. Jedes Kontaktelement 160 umfasst eine im Sensorraum 112 angeordnete innere Kontaktfläche 165 und einen äußeren Kontaktstift 167 auf, die elektrisch miteinander verbunden sind. Die äußeren Kontaktstifte 167 dienen zur elektrischen Kontaktierung des Sensorbausteins 100.
Das Substrat 130 ist über eine Mehrzahl von leitfähigen Elastomerelementen 150 mit dem Boden 117 des Gehäuses 110 verbunden. Jedes leitfähige Elastomerelement 150 stellt eine elektrische und mechanische Verbindung zwischen einer Durchkontaktierung 135 des Substrats 130 und einer inneren Kontaktfläche 165 eines Kontaktelements 160 her. Jedes Elastomerelement 150 kann dabei durch eine erste Leitklebeverbindung 170 mit dem Substrat 130 und durch eine zweite Leitklebeverbindung 180 mit einer inneren Kontaktfläche 165 auf dem Boden 117 des Gehäuses 110 verbunden sein.
Die Elastomerelemente 150 sind leitfähig und elastisch und bewirken eine mechanische und elektrische Ankopplung des Substrats 130 mit darauf befindlichem Sensorchip 120 an das Gehäuse 110 des Sensorbausteins 100. Durch ihre Elastizität wirken die Elastomerelemente 150 dabei zugleich als Federelemente mit intrinsischer Dämpfung, die das Substrat 130 mit darauf befindlichem Sensorchip 120 von störenden Vibrationen des Gehäuses 110 entkoppeln.
2 zeigt in schematischer Ansicht einen Schnitt durch einen Sensorbaustein 200 gemäß einer zweiten Ausführungsform. Auch der Sensorbaustein 200 umfasst ein Gehäuse 110 mit einem Boden 117 und einem Deckel 115, zwischen denen ein Sensorraum 112 im Inneren des Gehäuses 110 angeordnet ist. Auch im Sensorbaustein 200 ist ein Sensorchip 120 auf einem Substrat 130 mit Durch kontaktierungen 135 angeordnet. Die elektrische Kontaktierung des Sensorchips 120 mit dem Substrat 130 kann wie in 1 über Bonddrähte 140 oder, in Flip-Chip-Technik, über Lötpunkte erfolgen. Auch in der Ausführungsform der 2 weist das Gehäuse 110 eine Mehrzahl von Kontaktelementen 160 mit inneren Kontaktflächen 165 und äußeren Kontaktstiften 167 auf. Auch im Sensorbaustein 200 der 2 ist eine Mehrzahl von Elastomerelementen 150 zwischen dem Substrat 130 und dem Boden 117 des Gehäuses 110 vorgesehen, die elektrische Verbindungen zwischen den Durchkontaktierungen 135 des Substrats 130 und den inneren Kontaktflächen 165 der Kontaktelemente 160 herstellen und das Substrat 130 mechanisch an das Gehäuse 110 koppeln.
Zusätzlich zeigt 2 eine Mehrzahl von Niederhalteelementen 220, die zwischen dem Substrat 130 und dem Deckel 115 des Gehäuses 110 angeordnet sind. Die Niederhalteelemente 220 sind ebenfalls elastisch ausgebildet und können beispielsweise aus Silikon bestehen. Über die Niederhalteelemente 220 übt der Deckel 115 des Gehäuses 110 eine Kraft auf das Substrat 130 aus, die das Substrat 130 gegen die Elastomerelemente 150 und den Boden 117 des Gehäuses 110 drückt. Somit ist das Substrat 130 durch die Niederhalteelemente 220 und die Elastomerelemente 150 elastisch zwischen dem Deckel 115 und dem Boden 117 des Gehäuses 110 eingeklemmt.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind auch die Niederhalteelemente 220 elektrisch leitfähig. In diesem Fall können die Niederhalteelemente 220 eine elektrische Masseanbindung des Substrats 130 an das Gehäuse 110 bewirken, wodurch eine vorteilhafte EMV-Schirmung des Sensorbausteins 200 erreicht wird. Dazu bewirken die Niederhaltelemente 220 eine elektrische Verbindung zwischen einem Massekontakt des Substrats 130 und einem Massekontakt des Deckels 115. Der Massekontakt des Substrats 130 kann auch mit einem Massekontakt des Sensorchips 120 verbunden sein.
Wie in der Ausführungsform der 1 kann zwischen dem Substrat 130 und den Elastomerelementen 150 eine erste Leitklebeverbindung 170 und zwischen den Elastomerelementen 150 und den inneren Kontaktflächen 165 eine zweite Leitklebeverbindung 180 bestehen. Alternativ können die erste und die zweite Leitklebeverbindung 170, 180 in der Ausführungsform der 2 jedoch auch entfallen.
Die Niederhalteelemente 220 können während der Montage des Sensorbausteins 200 einzeln eingelegt werden oder bereits in einem vorhergehenden Prozessschritt mit dem Deckel 115 des Gehäuses 110 verbunden werden, beispielsweise angespritzt werden. Die Montage des Deckels 115 am Gehäuse 110 kann dann durch Heißverstemmen, durch Einklipsen, durch Laserdurchstrahlschweißen oder mittels einer anderen Technik erfolgen.
Die in 2 dargestellte Ausführungsform des Sensorbausteins 200 bietet den Vorteil, dass beide Oberflächen des Substrats 130 eingespannt sind. Dadurch werden Verspannungen des Substrats 130, die durch eine ungünstige Schwerpunktlage des Substrats 130 anregbare zusätzliche Störmoden erzeugen könnte, vermieden.
Der in 2 dargestellte Sensorbaustein 200 weist eine Zusatzkomponente 210 auf, die auf der dem Sensorchip 120 gegenüberliegenden, dem Boden 117 zugewandten Oberfläche des Substrats 130 angeordnet ist. Bei der Zusatzkomponente 210 kann es sich um einen weiteren Sensorchip, um eine andere elektronische oder passive Komponente oder um eine Zusatzmasse handeln. Die Zusatzkomponente 210 kann über weitere Durchkontaktierungen im Substrat 130 elektrisch mit dem Sensorchip 120 verbunden sein. Die Zusatzkomponente 210 kann eine weitere Symmetrisierung der Verspannung des Substrats 130 bewirken und dadurch ebenfalls zu einer Unterdrückung von Störmoden beitragen. Die Zusatzkomponente 210 kann jedoch auch entfallen.
3 zeigt in schematischer Ansicht einen Schnitt durch einen Sensorbaustein 300 gemäß einer dritten Ausführungsform. Der Sensorbaustein 300 umfasst ein Gehäuse 310, das aus einem über einem Bodensubstrat 317 angeordneten Deckel 315 besteht, der einen Sensorraum 312 umschließt. Das Bodensubstrat 317 kann beispielsweise eine Leiterplatte oder ein Siliziumsubstrat sein. Das Bodensubstrat 317 weist eine Mehrzahl von Durchkontaktierungen 360 auf. Jede Durchkontaktierung 360 stellt eine elektrische Verbindung zwischen einer inneren Kontaktfläche 365 im Sensorraum 312 und einer äußeren Kontaktfläche 367 auf der dem Sensorraum 312 gegenüberliegenden Oberfläche des Bodensubstrats 317 her.
Im Sensorraum 312 ist ein Substrat 130 mit Durchkontaktierungen 135 und einem darauf befestigten Sensorchip 120 angeordnet. Der Sensorchip 120 kann über eine Mehrzahl von Bonddrähten 140 oder durch Lötpunkte in Flip-Chip-Technik elektrisch mit den Durchkontaktierungen 135 des Substrats 130 verbunden sein.
Das Substrat 130 ist über eine Mehrzahl von Elastomerelementen 150 mit dem Bodensubstrat 317 verbunden. Jedes Elastomerelement 150 stellt eine elektrische und mechanische Verbindung zwischen einer Durchkontaktierung 135 im Substrat 130 und einer inneren Kontaktfläche 365 einer Durchkontaktierung 360 im Bodensubstrat 317 her. Das Substrat 130 kann über erste Leitklebeverbindungen 370 mit den Elastomerelementen 150 verbunden sein. Die Elastomerelemente 150 können über zweite Leitklebeverbindungen 380 mit dem Bodensubstrat 317 verbunden sein. Die Elastizität der leitfähigen Elastomerelemente 150 bewirkt wie auch bei den Sensorbausteinen 100, 200 der 1 und 2 eine Entkopplung des Substrats 130 mit dem Sensorchip 120 von Schwingungen des Gehäuses 310.
Ein Vorteil der Ausführungsform der 3 besteht darin, dass in einem ersten Prozessschritt eine Mehrzahl von Substraten 130 und Sensorchips 120 auf einem großen Bodensubstrat 317 montiert werden kann. Erst nach dem Aufsetzen eines Deckel 315 über jedem Sensorchip 120 werden die so entstandenen mehreren Sensorbausteine 300 beispielsweise durch Zersägen des Bodensubstrats 317 in getrennte Sensorbausteine 300 vereinzelt. Dadurch reduzieren sich die Herstellungskosten.
4 zeigt in schematischer Ansicht ein leitfähiges Elastomerelement 400, das sich zur Verwendung in den Sensorbausteinen 100, 200, 300 der 1 bis 3 eignet. Das Elastomerelement 400 weist einen geschichteten Aufbau mit einer Mehrzahl leitfähiger Schichten 410 und isolierender Schichten 420 auf, die einander abwechseln. Derartige Elastomerelemente sind unter der Bezeichnung Leitgummi oder Zebra aus dem Stand der Technik bekannt. Die isolierenden Schichten 420 können beispielsweise aus Gummi bestehen. Die leitfähigen Schichten 410 können beispielsweise ebenfalls aus Gummi bestehen, in den leitfähige Partikel, beispielsweise Graphitpartikel oder Rußpartikel integriert sind. Die einzelnen Schichten 410, 420 des Elastomerelements 400 sind so schmal, dass bei Verwendung des Elastomerelements 400 in einem Sensorbaustein 100, 200, 300 jede Durchkontaktierung 135 und jede Kontaktfläche 165, 365 mit mehreren leitfähigen Schichten 410 in Kontakt steht. Dadurch ermöglicht das Elastomerelement 400 das Herstellen einer leitfähigen und elastischen Verbindung.
In nicht dargestellten alternativen Ausführungsformen bestehen die Elastomerelemente 150 der Sensorbausteine 100, 200, 300 aus Silikon, in das leitfähige Partikel oder Fäden integriert sind. Beispielsweise können die Elastomerelemente 150 aus Silikon mit goldbeschichteten Messingfäden bestehen. Solche Elastomerelemente bieten gegenüber den Elastomerelementen 400 der 4 den Vorteil geringerer Übergangswiderstände.
In einer weiteren nicht dargestellten Ausführungsform bestehen die Elastomere Zemente 150 der Sensorbausteine 100, 200, 300 aus leitfähigem spritzbarem Silikon. In dieser Ausführungsform können die Elastomerelemente 150 durch direktes Anspritzen des leitfähigen Silikons an die Boden- oder Deckelelemente 117, 317, 115, 315 hergestellt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102006026878 A1 [0002]

Claims

Sensorbaustein (100, 200, 300) mit einem Gehäuse (110, 310) und einem darin angeordneten Sensorchip (120), wobei der Sensorchip (120) über mindestens ein Elastomerelement (150) mechanisch mit dem Gehäuse (110, 310) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensorchip (120) über das mindestens eine Elastomerelement (150) auch elektrisch mit dem Gehäuse (110, 310) verbunden ist.
Sensorbaustein (100, 200, 300) nach Anspruch 1, wobei der Sensorchip (120) auf einem Substrat (130) angeordnet ist, wobei das Substrat (130) mindestens eine elektrische Durchkontaktierung (135) aufweist und der Sensorchip (120) elektrisch mit der Durchkontaktierung (135) verbunden ist, wobei das Substrat (130) so im Gehäuse (110, 310) angeordnet ist, dass die Durchkontaktierung (135) an dem Elastomerelement (150) anliegt und elektrisch mit dem Elastomerelement (150) verbunden ist, wobei das Elastomerelement (150) elektrisch mit einem Kontaktelement (160, 360) des Gehäuses (110, 310) verbunden ist.
Sensorbaustein (100, 200, 300) nach Anspruch 2, wobei der Sensorchip (120) über mindestens einen Bonddraht (140) elektrisch mit der Durchkontaktierung (135) verbunden ist.
Sensorbaustein (100, 200, 300) nach Anspruch 2, wobei der Sensorchip (120) über mindestens einen Lötpunkt elektrisch mit der Durchkontaktierung (135) verbunden ist.
Sensorbaustein (100, 200, 300) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei das Substrat (130) eine Leiterplatte ist.
Sensorbaustein (100, 200, 300) nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei eine Zusatzmasse (210) auf dem Substrat (130) angeordnet ist.
Sensorbaustein (100, 200, 300) nach einem der Ansprüche 2 bis 6, wobei das Substrat (130) durch mindestens ein elastisches Niederhalteelement (220) gegen das Elastomerelement (150) gedrückt wird.
Sensorbaustein (100, 200, 300) nach Anspruch 7, wobei das Niederhaltelement (220) eine elektrische Verbindung zwischen einem Massekontakt des Substrats (130) und einem Massekontakt des Gehäuses (110, 310) herstellt.
Sensorbaustein (100, 200, 300) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Elastomerelement (150) eine Mehrzahl von leitfähigen und isolierenden Schichten (410, 420) aufweist.
Sensorbaustein (100, 200, 300) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Elastomerelement (150) Silikon und in das Silikon eingebundene leitfähige Partikel oder Fäden aufweist.
Sensorbaustein (100, 200, 300) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Elastomerelement (150) aus leitfähigem, spritzbarem Silikon hergestellt ist.
Sensorbaustein (100, 200, 300) nach einem der Ansprüche 2 bis 11, wobei das Substrat (130) durch eine ersten Leitklebeverbindung (170, 370) mit dem Elastomerelement (150) verbunden ist.
Sensorbaustein (100, 200, 300) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Elastomerelement (150) durch eine zweite Leitklebeverbindung (180, 380) mit dem Gehäuse (110, 310) verbunden ist.