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Stand der Technik
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Die
Erfindung geht aus von einer Sensoranordnung mit mindestens einem
einstückigen Sensorelement, das auf einem Träger
montiert ist und mit einem Moldgehäuse versehen ist. Das
Sensorelement umfasst einen sensitiven Abschnitt und einen Kontaktabschnitt
zur elektrischen Verbindung mit dem Träger. Es ist über
eine Klebeschicht mit dem Träger verbunden, so dass sich
der sensitive Abschnitt über einer Vertiefung in der Trägeroberfläche
befindet, während der Kontaktabschnitt auf dem Randbereich der
Vertiefung angeordnet ist. Der Kontaktabschnitt des Sensorelements
ist zusammen mit dem entsprechenden Trägerabschnitt zumindest
teilweise in das Moldgehäuse eingebettet, das eine Zugangsöffnung zum
sensitiven Abschnitt des Sensorelements aufweist.
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Eine
derartige Sensoranordnung wird in der deutschen Patentanmeldung
DE 10 2008 011 943 beschrieben,
die sich mit der mechanischen und thermischen Entkopplung des sensitiven
Abschnitts des Sensorelements vom Träger und vom Moldgehäuse beschäftigt.
Dazu wird vorgeschlagen, lediglich den Kontaktabschnitt des Sensorelements
mit dem Träger zu verbinden und den sensitiven Abschnitt
lose über dem Träger anzuordnen. Der Kontaktabschnitt wird
dann zusammen mit dem entsprechenden Trägerabschnitt in
das Moldgehäuse eingebettet, so dass der sensitive Abschnitt
in die Zugangsöffnung des Moldgehäuses hineinragt.
Die Verbindung zwischen Kontaktabschnitt und Trägeroberfläche
wird über eine Klebeschicht hergestellt. Mit Hilfe dieser Klebeschicht
soll außerdem der sensitive Abschnitt des Sensorelements
auf Abstand zum Träger gehalten werden. In der deutschen
Patentanmeldung
DE 10 2008
011 943 wird außerdem vorgeschlagen, den Träger
im Bereich unterhalb des sensitiven Abschnitts des Sensorelements
abzudünnen, d. h. mit einer Vertiefung zu versehen, um
ei nen Abstand zwischen sensitivem Abschnitt und Trägeroberfläche
zu gewährleisten.
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Die
thermische Entkopplung des sensitiven Abschnitts soll bei der bekannten
Sensoranordnung also dadurch erreicht werden, dass lediglich der
Kontaktabschnitt direkt mit dem Träger verbunden und in das
Moldgehäuse eingebunden wird, während der sensitive
Abschnitt frei von Klebstoff und Moldmasse in die Zugangsöffnung
des Moldgehäuses ragt.
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Die
in der deutschen Patentanmeldung
DE 10
2008 011 943 vorgeschlagene Vertiefung in der Trägeroberfläche,
die zusätzlich zur thermischen Entkopplung beitragen soll,
erweist sich in der Praxis jedoch als problematisch. So setzen sich
in einer derartigen Vertiefung in der Trägeroberfläche
unterhalb des Sensorelements bevorzugt fertigungs- und messumgebungsbedingte
Verunreinigungen und Partikel fest. Bei entsprechenden Einsatzbedingungen
kann im Bereich der Vertiefung beispielsweise auch eine Vereisung
auftreten. Zudem lässt sich die Klebeschicht nur schwer
auf den Bereich zwischen Kontaktabschnitt des Sensorelements und
Träger begrenzen, da der Klebstoff beim Aufsetzen des Sensorelements
auf die Trägeroberfläche in der Regel seitlich
ausgetrieben wird und dabei häufig auch in die Vertiefung
gelangt bzw. sich am sensitiven Abschnitt des Sensorelements festsetzt.
All dies wirkt sich in unkontrollierter Weise und damit negativ
auf die Sensorfunktion aus. Im Hinblick auf die Fertigung der bekannten
Sensoranordnung sei noch erwähnt, dass der aufzuklebende
Kontaktabschnitt des Sensorelements mindestens genauso groß sein
muss wie der freihängende sensitive Abschnitt, damit dieser
beim Aufsetzen auf die Trägeroberfläche nicht
in die Vertiefung kippt. Dementsprechend benötigt das Sensorelement
eine relativ große Chipfläche.
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Offenbarung der Erfindung
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Mit
der vorliegenden Erfindung wird ein spezieller Aufbau für
eine Sensoranordnung der eingangs genannten Art vorgeschlagen, durch
den auf einfache Weise eine mechanische und thermische Entkopplung
des sensitiven Abschnitts des Sensorelements vom Träger
und vom Moldgehäuse realisiert wird und der unanfällig
gegen Verunreinigungen und sonstige Umwelteinflüsse ist.
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Erfindungsgemäß wird
dies dadurch erreicht, dass sich die Klebeverbindung zwischen Sensorelement
und Trägeroberfläche sowohl über den
Kontaktabschnitt als auch über den sensitiven Abschnitt
des Sensorelements erstreckt, wobei die Klebeschicht unter dem Kontaktabschnitt
deutlich dünner ist als unter dem sensitiven Abschnitt
im Bereich der Vertiefung in der Trägeroberfläche.
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Erfindungsgemäß ist
erkannt worden, dass sich auch bei ganzflächiger Klebeverbindung
zwischen Sensorelement und Träger eine mechanische und
thermische Stressentkopplung des Sensorelements erzielen lässt,
wenn ein weicher Klebstoff verwendet wird und die Klebeschicht hinreichend
dick ausgebildet wird. Erfindungsgemäß ist aber
auch erkannt worden, dass sich derartig montierte Sensorelemente
nicht ohne Weiteres zuverlässig kontaktieren lassen. Insbesondere
das Drahtbonden von kleinen Sensorelementen auf einem weichen Untergrund
erweist sich als schwierig und ist dementsprechend nicht immer zuverlässig,
was zu Ausbeuteverlusten im Herstellungsprozess führen
kann. Deshalb wird erfindungsgemäß vorgeschlagen,
die Schichtdicke einer ganzflächigen Klebeschicht zwischen
Sensorelement und Träger zu variieren. Demnach soll die
Klebeschicht im Kontaktbereich dünn ausgebildet werden,
so dass sich mit Hilfe von Standardprozessen eine zuverlässige
elektrische Verbindung zwischen Sensorelement und Träger
herstellen lässt. Im Unterschied dazu soll die Klebeschicht
im Bereich des sensitiven Abschnitts deutlich dicker ausgebildet werden,
um eine mechanische und thermische Entkopplung des sensitiven Abschnitts
zu erzielen. Diese Schichtdickenvariation der Klebeschicht wird
erfindungsgemäß mit Hilfe einer Vertiefung in
der Trägeroberfläche realisiert, über
der der sensitive Abschnitt des Sensorelements angeordnet wird.
Bei der Montage des Sensorelements wird die Vertiefung unterhalb
des sensitiven Abschnitts einfach mit Klebstoff verfüllt.
Dadurch wird der sensitive Abschnitt des Sensorelements, insbesondere
dessen Unterseite, auch zuverlässig gegen Verunreinigungen
und Umwelteinflüsse geschützt.
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Besonders
geeignet für die Realisierung einer derartigen Klebeschicht
im Rahmen der erfindungsgemäßen Sensoranordnung
sind silikonbasierte Klebstoffe. Diese weisen zum einen die für
eine Stressentkopplung erforderlichen Materialeigenschaften auf.
Zum anderen lassen sie sich in einem Prozessschritt auf den gesamten
Klebebereich, d. h. mit unterschiedlicher Schichtdicke, aufbringen.
Silikonklebstoffe sind zudem kostengünstig.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Wie
bereits voranstehend erörtert, gibt es verschiedene Möglichkeiten,
die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und
weiterzubilden. Dazu wird einerseits auf die dem unabhängigen
Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche verwiesen
und andererseits auf die nachfolgende Beschreibung eines Ausführungsbeispiels
der Erfindung anhand der Figuren.
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1 zeigt
den Aufbau einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung
anhand einer schematischen Schnittdarstellung und
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2a bis 2c veranschaulichen
die einzelnen Montageschritte zur Realisierung dieses Aufbaus anhand
von Draufsichten in unterschiedlichen Fertigungsständen.
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Ausführungsformen
der Erfindung
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Die
in 1 dargestellte Sensoranordnung 1 umfasst
ein Sensorelement 10, das auf einem Träger 20 montiert
ist und mit einem Moldgehäuse 30 versehen ist.
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Bei
dem Sensorelement 10 handelt es sich um ein einstückiges
MEMS-Bauelement zur Absolutdruckerfassung. Dazu ist im sensitiven
Abschnitt 11 des Sensorelements 10 eine mikromechanische Membran 13 ausgebildet,
die eine Kaverne 14 im Substrat des Sensorelements 10 überspannt.
Neben dieser mikromechanischen Komponente umfasst das Sensorelement 10 auch
Schaltungselemente zur Signalerfassung und – auswertung,
die hier nicht im Einzelnen dar gestellt sind. Zumindest ein Teil
dieser Schaltungselemente ist in einem weiteren Abschnitt 12 des
Sensorelements 10 ausgebildet, der im Kontext der vorliegenden
Erfindung als Kontaktabschnitt 12 bezeichnet wird, da hier
die elektrische Verbindung zwischen dem Sensorelement 10 und
dem Träger 20 hergestellt wird. Im vorliegenden
Ausführungsbeispiel wird diese elektrische Verbindung in Form
von Drahtbonds 15 zwischen der Oberfläche des
Sensorelements 10 und der Trägeroberfläche realisiert.
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In
der Oberfläche des Trägers 20 ist eine Vertiefung 21 ausgebildet.
Diese kann im Falle eines metallischen Trägers, wie beispielsweise
eines Leadframe, einfach in die Trägeroberfläche
geätzt werden. Handelt es sich bei dem Träger 20 um
eine Leiterplatte, so kann die Vertiefung 21 auch durch
Fräsen, Stanzen oder photolithographische Prozesse in das
Leiterplattenmaterial eingebracht werden. Bei mehrschichtigen Leiterplatten
kann die Vertiefung 21 auch durch eine Öffnung
in der oberen Leiterplattenschicht gebildet werden.
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Das
Sensorelement 10 ist über eine Klebeschicht 40 mit
dem Träger 20 verbunden, so dass sich der sensitive
Abschnitt 11 über der Vertiefung 21 befindet,
während der Kontaktabschnitt 12 auf dem Randbereich
der Vertiefung 21 positioniert ist.
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Erfindungsgemäß erstreckt
sich die Klebeschicht 40 sowohl über den Kontaktabschnitt 12 als auch über
den sensitiven Abschnitt 11 des Sensorelements 10,
wobei die Klebeschicht 40 im Bereich unter dem Kontaktabschnitt 12 deutlich
dünner ist als unter dem sensitiven Abschnitt 11 im
Bereich der Vertiefung 21. Die Schichtdickenvariation der
Klebeschicht 40 wird erfindungsgemäß mit
Hilfe der Vertiefung 21 in der Trägeroberfläche
realisiert. Für die Klebeschicht 40 wird bevorzugt
ein silikonbasierter Klebstoff verwendet.
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Der
Kontaktabschnitt 12 des Sensorelements 10 ist
zusammen mit dem entsprechenden Abschnitt des Trägers 20 und
den Drahtbonds 15 in das Moldgehäuse 30 eingebettet,
das eine Zugangsöffnung 31 zum sensitiven Abschnitt 11 des
Sensorelements 10 aufweist. Bei dem in 1 dargestellten Moldgehäuse 30 handelt
es sich um ein sogenanntes „Open Cavity Full Mold”-Gehäuse.
Das Sensorelement 10 st hier lediglich einseitig, nämlich
im Bereich des Kontaktabschnitts 12 in die Moldmasse eingebunden.
Diese Gehäuseform ermöglicht einen besonders stressarmen
Aufbau der Sensoranordnung. Die vorliegende Erfindung ist aber nicht
auf dieses Gehäusekonzept beschränkt, sondern
umfast auch sogenannte „Exposed Die”-Gehäuse,
bei denen sich lediglich die Sensormembran im Bereich der Zugangsöffnung
des Gehäuses befindet, das Sensorelement aber ansonsten
allseitig in die Moldmasse eingebunden ist.
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Die
Montage der in 1 dargestellten Sensoranordnung 1 wird
nachfolgend anhand der 2a bis 2c erläutert.
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In 2a ist eine Aufsicht auf die Trägeroberfläche 20 mit
der Vertiefung 21 dargestellt. Im Montagebereich des Sensorelements
wurde Klebstoff 40 auf die Trägeroberfläche 20 aufgebracht. Dementsprechend
erstreckt sich der hier ovale Klebstoffauftrag 40 jeweils
hälftig über die Vertiefung 21 und deren
Randbereich. Anschließend wird das Sensorelement 10 auf
den mit Klebstoff 40 versehenen Montagebereich der Trägeroberfläche 20 aufgesetzt, und
zwar so, dass sich der sensitive Abschnitt 11 über
der Vertiefung 21 befindet und der Kontaktabschnitt 12 auf
dem Randbereich der Vertiefung 21 angeordnet ist. Dabei
wird der Klebstoff 40 unter dem Kontaktabschnitt 12 und
unter dem sensitiven Abschnitt 11 des Sensorelements unterschiedlich
stark seitlich ausgetrieben, was auf den Niveauunterschied in der
Trägeroberfläche im Randbereich der Vertiefung 21 zurückzuführen
ist und durch 2b veranschaulicht wird. So entsteht
eine Klebeschicht zwischen dem Sensorelement 10 und dem
Träger 20, die unter dem Kontaktabschnitt 12 relativ
dünn ist. Dies ermöglicht zum einen eine präzise
Positionierung des Sensorelements 10 und zum anderen eine
zuverlässige Kontaktierung des Sensorelements 10 durch
Drahtbonden. Aufgrund der Vertiefung 21 ist die Klebeschicht
unter dem sensitiven Abschnitt 11 relativ dick. Dadurch
wird neben einer mechanischen Stabilisierung des Sensorelements 10 und
einem Schutz gegen Verunreinigungen auch eine gute Stressentkopplung
zwischen Sensorelement 10 und Träger 20 erreicht.
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Nachdem
der Klebstoff 40 ausgehärtet ist, wird der Träger 20 mit
dem Sensorelement 10 mit Kunststoff umspritzt, wobei der
Bereich der Sensormembran 13 ausgespart wird. Dabei entsteht
das Moldgehäuse 30 mit der Zugangsöffnung 31 zur Druckbeaufschlagung
der Sensormembran 13, was in 2c dargestellt
ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102008011943 [0002, 0002, 0004]