DE102011078937A1 - Drucksensorgehäusesysteme und -verfahren - Google Patents

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Rainer Leuschner
Horst Theuss
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Abstract

Ausführungsbeispiele beziehen sich auf Integrierte-Schaltung-(IC-)Sensoren und Erfassungssysteme und -verfahren. Bei einem Ausführungsbeispiel umfasst ein IC-Sensorbauelement zumindest ein Erfassungselement; ein Rahmenelement, das auf einer Waferebene um das zumindest eine Erfassungselement herum angeordnet ist; und ein Gehäuse mit zumindest einer Öffnung, die durch das Rahmenelement auf der Waferebene vordefiniert ist, wobei die zumindest eine Öffnung konfiguriert ist, um zumindest einen Teil des zumindest einen Erfassungselements gegenüber einer Umgebung freizulegen.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich allgemein auf das Häusen integrierter Schaltungen (IC) und insbesondere auf IC-Drucksensorgehäuse mit einer oder mehreren Drucköffnungen.
  • Integrierte-Schaltung-MEMS-Bauelemente (MEMS = mikroelektromechanisches System) können spezialisierte Gehäuse oder Häusungsprozesse erfordern. Einige MEMS-Bauelemente, wie z. B. Drucksensoren, erfordern häufig spezialisierte Häusungslösungen, um eine oder mehrere externe Drucköffnungen aufzunehmen, da zumindest ein Teil der Sensorchipoberfläche der Umgebung ausgesetzt werden muss ohne den üblichen Schutz von Formmasse und/oder einer Gehäusewand. Andererseits stellen Bondanschlussflächen und Bonddrähte des Sensorchips wesentliche Herausforderungen dar bezüglich Kompatibilität mit externen Medien und benötigen angemessenen Schutz. Diese entgegengesetzten Bedürfnisse stellen Herausforderungen dar für den Entwurf von Gehäuselösungen, was häufig zu spezialisierten Lösungen führt, die nicht standardisiert sind, was Änderungen bei den Wafer- und Anordnungsprozessen erfordert, die kompliziert und aufwendig sind.
  • Beispielsweise haben herkömmliche MEMS-Drucksensoren häufig ein vorgeformtes Hohlraumgehäuse, wobei der Hohlraum auf einer Seite geöffnet oder freigelegt ist für den Sensorchip und die Bonddrähte. Die Chipoberfläche mit dem Erfassungselement ist dem offenen Abschnitt des Hohlraumgehäuses zugewandt. Der Sensorchip und die Bonddrähte können mit einem Gel oder anderem geeigneten Material bedeckt sein, das in das Hohlraumgehäuse gefüllt wird, um die Bondanschlussflächen, Bonddrähte und die Erfassungselemente vor externen Medien zu schützen. Ein Nachteil eines solchen herkömmlichen Gehäuseentwurfs ist, dass das Gel häufig keinen angemessenen Schutz gegenüber aggressiven Medien bieten kann. Wie es vorher erwähnt wurde, ist dies äußerst wichtig für die empfindlichen Bondanschlussflächen und Bonddrähte. Ein weiterer Nachteil sind die relativ hohen Materialkosten für das vorgeformte Gehäuse, was zu höheren Produktkosten führt. Ferner ist dieser Gehäusetyp nicht kompatibel mit Relativdrucksensoranwendungen, was nachfolgend näher erörtert wird.
  • Eine weitere herkömmliche Lösung ist die Verwendung eines Standardleiterrahmens und das Bilden eines Hohlraums während des Formprozesses mit einem speziell geformten Formwerkzeug. In diesem Fall werden die Sensorchipverbindung in dem geformten Hohlraum und die Drahtverbindung nach dem Formprozess durchgeführt. Dieser Lösungsansatz erfordert normalerweise auch ein Schutzgel auf dem Sensorchip. Die vorher erwähnten Nachteile, die sich auf Medienkompatibilität und die Inkompatibilität für Relativdrucksensoranwendungen beziehen, gelten hier ebenfalls.
  • Noch eine weitere Gehäuselösung ist die Verwendung eines Leiterrahmens mit einer vordefinierten Drucköffnung in Kombination mit einem speziell geformten Formwerkzeug, um eine Drucköffnung zu erzeugen, beispielsweise an der Rückseite des Gehäuses. In diesem Fall ist das Erfassungselement der Rückseite des Sensorchips zugewandt, um eine Drucköffnung zu erzeugen durch Befestigen des Sensorchips mit dem Erfassungselement auf der Drucköffnung in der Gehäuserückseite. Die Bondanschlussflächen und die Bonddrähte auf der Vorderseite des Chips können mit der Formmasse bedeckt werden. Ein Nachteil dieses Lösungsansatzes sind höhere Gehäusekosten im Vergleich mit denjenigen eines Standardgehäuses. Spezielle und kostenintensive MEMS-Prozesse sind erforderlich bei dem Waferprozess, um die MEMS-Struktur mit der rückseitigen Öffnung auf dem Sensorchip zu erzeugen. Absolut- und Relativdruckerfassungsanwendungen erfordern in diesem Fall unterschiedliche Wafer- und Anordnungsprozesse, was nicht wünschenswert ist.
  • Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein IC-Sensorbauelement, ein Verfahren und einen MEMS-Drucksensor mit verbesserten Charakteristika zu schaffen.
  • Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Weiterbildungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.
  • Ausführungsbeispiele beziehen sich auf Sensor- und Erfassungs-bauelemente, -systeme und -verfahren. Bei einem Ausführungsbeispiel weist ein Integrierte-Schaltung-(IC-)Sensorbauelement zumindest ein Erfassungselement auf; ein Rahmenelement, das auf einer Waferebene um das zumindest eine Erfassungselement herum angeordnet ist; und ein Gehäuse mit zumindest einer Öffnung, die auf der Waferebene durch das Rahmenelement vordefiniert ist, wobei die zumindest eine Öffnung konfiguriert ist, um zumindest einen Teil des zumindest einen Erfassungselements gegenüber einer Umgebung freizulegen.
  • Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel weist ein Verfahren ein Vordefinieren einer Öffnung auf einem Integrierte-Schaltung-(IC-)Sensor in einem Waferebenenprozess auf; Platzieren des IC-Sensors in ein Formwerkzeug; Füllen des Formwerkzeugs mit einer Formmasse, wobei die Öffnung von der Formmasse getrennt ist; und Entfernen des IC-Sensors von dem Formwerkzeug.
  • Bei noch einem weiteren Ausführungsbeispiel weist ein MEMS-Drucksensor einen Sensorchip auf, der zumindest ein Erfassungselement aufweist, das eine bewegliche Membran und einen Hohlraum umfasst; und ein Sensorgehäuse, das den Sensorchip im Wesentlichen umschließt und zumindest eine Öffnung aufweist, die durch einen Rahmen definiert ist, der während eines Waferebenenprozesses auf dem Sensorchip gebildet wird und relativ zu dem zumindest einen Erfassungselement angeordnet ist, so dass das zumindest eine Erfassungselement gegenüber einer Umgebung freigelegt ist.
  • Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf beiliegende Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
  • 1A eine Querschnittsansicht eines Absolutdrucksensors während der Herstellung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
  • 1B eine Draufsicht des Sensors von 1A;
  • 2A eine Querschnittsansicht eines Absolutdrucksensors während der Herstellung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
  • 2B eine Draufsicht des Sensors von 2A;
  • 3 eine Querschnittsansicht eines Absolutdrucksensors während der Herstellung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
  • 4A und 4B Querschnittsansichten eines Absolutdrucksensors in einem Formwerkzeug gemäß einem Ausführungsbeispiel;
  • 5A eine Querschnittsansicht eines Absolutdrucksensors gemäß einem Ausführungsbeispiel;
  • 5B eine Draufsicht des Sensors von 5A;
  • 6 eine Querschnittsansicht eines Absolutdrucksensors gemäß einem Ausführungsbeispiel;
  • 7 ein Flussdiagramm gemäß einem Ausführungsbeispiel;
  • 8A eine Querschnittsansicht eines Absolutdrucksensors gemäß einem Ausführungsbeispiel;
  • 8B eine Draufsicht des Sensors von 8A;
  • 9A eine Querschnittsansicht eines Absolutdrucksensors gemäß einem Ausführungsbeispiel;
  • 9B eine Draufsicht des Sensors von 9A;
  • 10A eine Querschnittsansicht eines Relativdrucksensors gemäß einem Ausführungsbeispiel;
  • 10B eine Draufsicht des Sensors von 10A;
  • 11A eine Querschnittsansicht eines Relativdrucksensors gemäß einem Ausführungsbeispiel;
  • 11B eine Draufsicht des Sensors von 11A;
  • 12A eine Querschnittsansicht eines Trägheitsdrucksensors gemäß einem Ausführungsbeispiel; und
  • 12B eine Draufsicht des Sensors von 12A.
  • Obwohl die Erfindung offen ist für verschiedene Modifikationen und alternative Formen, wurden Einzelheiten davon beispielhaft in den Zeichnungen gezeigt und werden näher beschrieben. Es sollte jedoch klar sein, dass die Erfindung nicht auf die bestimmten hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele begrenzt ist. Im Gegenteil soll die Erfindung alle Modifikationen, Äquivalente und Alternativen abdecken, die in die Wesensart und den Schutzbereich der Erfindung fallen, wie er durch die angehängten Ansprüche definiert ist.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung beziehen sich auf Gehäuse und Häusungsverfahren für IC-Sensoren. Insbesondere können Ausführungsbeispiele standardisierte und kostengünstige Gehäuselösungen für MEMS-Drucksensoren liefern, wodurch Medienkompatibilität verbessert wird und ein größerer Bereich von Sensoranwendungen abgedeckt wird. Standardisierte Gehäuse und Häusungsverfahren und -prozesse in der Fertigungslinie werden zumindest teilweise ermöglicht durch Vordefinieren einer Drucköffnung für das Druckerfassungselement bei dem Waferebenenprozess vor der Anordnung, wodurch die Verwendung von Standard-Gehäuselösungen, -Formwerkzeugen und -Fertigungslinien und -Prozessen ermöglicht wird.
  • Bei einem Ausführungsbeispiel sind die Bondanschlussflächen und Bonddrähte des IC-Sensors bedeckt und somit durch eine Formmasse geschützt, ähnlich wie ICs in einem Standardgehäuse, während die vordefinierte Drucköffnung notwendige Abschnitte des Sensors freilegt, um Funktionsfähigkeit bereitzustellen. Das Sensorbauelement an der Drucköffnung des Gehäuses ist typischerweise der einzige Abschnitt der Chipoberfläche, der zur Umgebung hin freigelegt ist. Da das Sensorbauelement selbst normalerweise weniger empfindlich ist gegenüber Umgebungsbedingungen, ist die Medienkompatibilität des Drucksensors verbessert. Um die Medienkompatibilität weiter zu verbessern, kann das Gehäusekonzept mit zusätzlichen Merkmalen kombiniert werden, wie ein Schutzgel über dem Sensorbauelement in der Drucköffnung, um beispielsweise Feuchtigkeit, gefrorene Medien, Abfall und mechanischen Stöße auf der Sensormembran zu verhindern.
  • Ausführungsbeispiele beziehen sich auch auf Relativdruckerfassung, bei der zwei Drucköffnungen erreicht werden können durch Implementieren von zumindest zwei Erfassungselementen mit geeigneter Positionierung auf der Chipoberfläche und den entsprechenden vordefinierten Drucköffnungen. Die Wafer- und Anordnungsprozesse können gleich sein wie bei den Absolutdrucksensorausführungsbeispielen mit einer einzelnen Drucköffnung. Ein Vorteil für Relativdrucksensoranwendungen gemäß diesem Lösungsansatz ist, dass die Hauptauswirkung der Gehäusebelastung auf das Ausgangssignal eliminiert wird aufgrund der Tatsache, dass die zwei Erfassungselemente, die den unterschiedlichen Drucköffnungen entsprechen, in einem Differenzsignalverarbeitungsschema implementiert sind, um nur den Differenzdruck zu messen. Da beide Erfassungselemente einem ähnlichen mechanischen Stresspegel ausgesetzt sind, ist die entsprechende Signalverschiebung bei der Relativdrucksignalausgabe eliminiert. Ein weiterer Vorteil ist, dass ein größerer Bereich von Sensoranwendungen mit einer üblichen Wafertechnologie und Fertigungslinienplattform implementiert werden kann.
  • Ausführungsbeispiele sind auch auf andere Sensoranwendungen anwendbar. Beispielsweise können optische Sensoren auch ein Tor oder eine Öffnung in dem Sensorgehäuse haben und daher von den hierin offenbarten Ausführungsbeispielen profitieren. Daher sind die hierin erörterten Druckerfassungsausführungsbeispiele nicht begrenzend.
  • 1–7 zeigen Herstellungsstufen eines Ausführungsbeispiels eines Absolutdrucksensors 100. Mit Bezugnahme auf 1 weist der Sensor 100 einen Sensorchip 102 mit zumindest einem Druckerfassungsbauelement 104 auf. Jedes Druckerfassungsbauelement 104 umfasst einen Hohlraum 106 und eine Membran 108. Der Chip 102 umfasst Bondanschlussflächen 110 und optional andere elektrische Bauelemente, wie z. B. Transistoren 112, Widerstände und/oder Kondensatoren 114. Auf dieser Stufe kann der Sensor 100 ähnlich oder gleich sein wie herkömmliche Sensorbauelemente.
  • In 2 ist der Sensor 100 jedoch modifiziert, um einen Rahmen 116 aufzuweisen, der während des Waferprozesses hergestellt wird. Der Rahmen 116 stellt eine vordefinierte Drucköffnung 118 her durch Erzeugen einer engen Struktur, die die aktive Membranstruktur des Erfassungsbauelements 104 schützt, wie es nachfolgend näher erörtert ist. Der Rahmen 116 kann ein Polymer oder anderes geeignetes Material aufweisen, und die Drucköffnung 118 kann ein Polymer und vertikale Abmessungen aufweisen (bezüglich der Ausrichtung der Zeichnung auf der Seite) in dem Bereich von etwa 100 Mikrometer (μm) zu etwa 500 μm bei Ausführungsbeispielen aufweisen. Ein Herstellungsprozess für die Drucköffnung 118 kann eine Waferbeschichtung mit einem photoempfindlichen Epoxydlack sein und nachfolgende Photolithographieschritte zum Strukturieren der Drucköffnungsstruktur bei einem Ausführungsbeispiel, obwohl bei anderen Ausführungsbeispielen andere Prozesse verwendet werden können. Beispielsweise weist das Drucköffnungsmaterial bei einem Ausführungsbeispiel ein Polymer auf und kann durch Photolithographie strukturiert werden mit einem Ätzprozess, der angesichts der Polymermaterialeigenschaften ausgelassen wird. Ein Vorbereiten des Sensors 100 mit dem Rahmen 116 auf der Waferebene ermöglicht die Verwendung einer Standard-IC-Fertigungslinie und Gehäuselösung für den Sensor 100.
  • In 3 ist der Sensor 100 chipbefestigt an dem Leiterrahmen 120 gezeigt. Der Leiterrahmen 120 ist durch Drahtverbindungen 122 mit Bondanschlussflächen 110 verbunden. Andere Kopplungseinrichtungen und -mechanismen können bei anderen Ausführungsbeispielen verwendet werden, wie es für Fachleute auf diesem Gebiet klar ist.
  • 4 zeigt Stufen eines Formprozesses. In 4A ist ein Sensor 100 in einem Formwerkzeug 124 dargestellt. Das Formwerkzeug 124 weist einen Einlass 126 für eine Formmasse und einen Auslass 128 für Luft auf. Bei anderen Ausführungsbeispielen können die Positionen und Konfigurationen des Einlasses 126 und des Auslasses 128 variieren. Ausführungsbeispiele mit einem Rahmen 116 und vordefinierten Drucköffnungen ermöglichen die Verwendung von Standard- anstatt kundenspezifischen Formwerkzeugen. Wie es in 4 ersichtlich ist, dichtet die Oberseite des Rahmens 116 ab gegenüber einer Innenoberfläche 125 des Formwerkzeugs 124 während des Formprozesses, so dass Formmasse nicht in die vordefinierten Drucköffnungen 118 eindringen kann. In 4B wurde eine Formmasse 130 in das Formwerkzeug 124 eingefüllt, die den Sensor 100 und die Bonddrähte 122 umschließt und schützt, während die Chipoberfläche an der Drucköffnung 118 freigelegt bleibt.
  • 5 zeigt den Sensor 100 mit dem Formwerkzeug 124 entfernt. Der Sensor 100 ist nun umschlossen oder „gehaust” durch die Formmasse 130, mit der Drucköffnung 118 unbedeckt und ungefüllt, so dass eine Membran 118 zur Umgebung hin freigelegt sein kann.
  • 6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des Sensors 100. Bei dem in 6 dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst der Sensor 100 eine optionale Gehäuseabdeckung 132 und ein optionales Gel 134. Die Abdeckung 132 kann aus einem typischen Abdeckungsmaterial gebildet sein, beispielsweise Metall, wie es für Fachleute auf diesem Gebiet klar ist, und kann wünschenswert sein gemäß einer Anwendung oder Endnutzung des Sensors 100, beispielsweise um eine Öffnung zu erzeugen zum Koppeln des Sensors 100 mit einem Rohr oder einer anderen Struktur. Bei einem Ausführungsbeispiel ist die optionale Abdeckung 132 an den Sensor 100 geklebt oder anderweitig geeignet befestigt. Die Abdeckung 132 kann beispielsweise ausgelassen werden, wenn der Sensors 100 angewendet wird, um, unter anderem, einen barometrischen Druck zu messen.
  • Ein optionales Gel 134 kann einen Schutz des Druckerfassungsbauelements 104 vor externen Medien, mechanischen Stößen und dergleichen liefern. Verschiedene Ausführungsbeispiele des Sensors 100 können sowohl eines oder beides oder keines der optionalen Abdeckung 132 und des optionalen Gels 134 aufweisen. Ferner können Ausführungsbeispiele des Sensors 100 mit einer Mehrzahl von Druckerfassungsbauelementen 104 optional das Gel 134 über einigen aber nicht allen Druckerfassungsbauelementen 104 umfassen. Bei Ausführungsbeispielen ermöglichen der Rahmen 116 und die vordefinierte Drucköffnung 118 die Verwendung des Rahmens 116 als eine vordefinierte Grenze für das Gel 134. Bei einigen Ausführungsbeispielen kann der Rahmen 116 getrennte Abteilungen oder Bereiche für Gel 134 bereitstellen, wie es in 6 dargestellt ist.
  • 7 ist ein Flussdiagramm eines Ausführungsbeispiels des oben erörterten Prozesses. Bei 150 ist zumindest eine Drucköffnung auf Waferebene definiert durch Hinzufügen eines Rahmens zu dem Sensor. Siehe auch 2. Die Öffnung muss jedoch nicht bei jedem Ausführungsbeispiel eine Drucköffnung sein, da der Prozess unter anderem beispielsweise bei optischen Sensoren und Trägheitssensoren anwendbar ist. Bei 160 ist der Sensorchip an dem Leiterrahmen befestigt und mit demselben über Bonddrähte oder eine andere geeignete Kopplungseinrichtung gekoppelt. Siehe auch 3. Bei 170 ist der Sensor in einem Standardformwerkzeug platziert und bei 180 ist das Formwerkzeug mit einer Formmasse gefüllt. Siehe auch 4. Bei 190 ist der Sensor von dem Formwerkzeug entfernt, nun gehaust in der Formmasse. Optionale Nachverarbeitung, einschließlich Platzieren eines Schutzgels über die Erfassungsmembran und/oder Hinzufügen einer Gehäuseabdeckung, kann ebenfalls durchgeführt werden. Siehe auch 6.
  • Das Konzept des Vordefinierens einer Sensoröffnung, wie z. B. für Drucksensoren, optische Sensoren und andere Sensoren bei Ausführungsbeispielen, kann flexibel sein und für unterschiedliche Wafertechnologien angepasst werden. Obwohl eine Oberflächenmikrobearbeitungstechnologie für die Ausführungsbeispiele von 1–6 anwendbar sein kann, kann bei anderen Ausführungsbeispielen eine Massenmikrobearbeitungstechnologie verwendet werden. Mit Bezugnahme auf 8 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Drucksensors 200 dargestellt. Der Sensor 200 weist einen Sensorchip 202 mit einem oberen Wafer 203 und einem unteren Wafer 205 auf. Der obere Wafer 203 definiert einen Sensormembranabschnitt 208 und einen Hohlraum 206, wobei der untere Wafer 205 eine hermetische Abdichtung des Hohlraums 206 bereitstellt. Der obere Wafer 203 umfasst auch Piezowiderstände 207 und Bondanschlussflächen 210. Ähnlich dem oben erörterten Sensor 100 weist der Sensor 200 einen Rahmen 216 auf, der die vordefinierte Drucköffnung 218 während der Herstellung isoliert, was die Verwendung von Standard-Verarbeitungs- und -Häusungsmethoden und Formwerkzeugen ermöglicht. Gehaust in die Formmasse 230 weist der Sensor 200 auch einen Leiterrahmen 220 und Bonddrähte 222 auf und optional eine Gehäuseabdeckung 233 und ein Schutzgel 234.
  • Der Sensor 200 verwendet einen piezoresistiven Effekt, um Druck zu erfassen. Bei einem Ausführungsbeispiel können Piezowiderstände 207 die Belastung oder die Beanspruchung in dem Sensormembranabschnitt 208 des oberen Wafers 203 messen. Dieser Sensortyp kann Anwendbarkeit finden beispielsweise bei einem Reifendrucküberwachungssystem (TPMS; TPMS = tire pressure monitoring system), obwohl der Sensor 200 auch bei anderen Anwendungen und Nutzungen geeignet sein kann. 8B ist eine Draufsicht des Sensors 200 von 8A, wobei die optionale Abdeckung 232 und das Gel 234 ausgelassen sind.
  • Das in 9 dargestellte Ausführungsbeispiel des Sensors 200 ist ähnlich demjenigen von 8, weist aber zwei Chips auf. In 9 weist der Sensor 200 ferner einen ASIC-Chip (ASIC = anwendungsspezifische integrierte Schaltung) 236 auf. Der ASIC-Chip 236 ist an dem Leiterrahmen 220 befestigt und mit dem Chip 202 gekoppelt durch einen Bonddraht 222. Wie bei anderen Ausführungsbeispielen sind die Abdeckung 232 und das Gel 234 optional und von der Ansicht von 9B ausgelassen.
  • Wie es bei hierin erörterten Ausführungsbeispielen der Sensoren 100 und 200 ersichtlich ist, ermöglicht die Definition und Verwendung einer Öffnung, die auf der Waferebene eines MEMS-Sensorbauelements vordefiniert ist, die Verwendung von standardisierten Häusungsprozessen und -lösungen, was den Bedarf an einem speziellen Formwerkzeug vermeidet und dadurch kostengünstigere Lösungen liefert, während gleichzeitig die Funktion oder Nutzung des Sensorbauelements nicht beeinträchtigt wird. Ausführungsbeispiele schaffen auch eine Flexibilität bezüglich Wafertechnologien und Produkt- und Anwendungskonzepten. Obwohl sich die Sensoren 100 und 200 im Allgemeinen auf Absolutdrucksensoren beziehen, finden Ausführungsbeispiele auch Anwendbarkeit bei Relativ- oder Differenzdruckerfassungsanwendungen.
  • Mit Bezugnahme auf 10 ist ein Ausführungsbeispiel eines Relativdrucksensors 300 dargestellt. Der Sensor 300 ist ähnlich dem Sensor 100 von 6, aber konfiguriert für Relativ- oder Differenzdruckerfassungsanwendungen. Insbesondere weist der Sensor 300 zumindest zwei vordefinierte Drucköffnungen 318a und 318b und Erfassungsbauelemente 304a und 304b auf, die ausreichend getrennt sind, so dass Relativdruck bestimmt werden kann, wie es für einen Fachmann auf diesem Gebiet klar ist. Bei dem Ausführungsbeispiel von 10 kann der Sensor 300 eine optionale Abdeckung 332 aufweisen, die die Grenzflächen beider Öffnungen 318a und 318b mit dem Gehäuse verbinden kann, wodurch getrennt koppelbare Öffnungen für jedes der Erfassungsbauelemente 304a und 304b bereitgestellt werden. Die Draufsicht des Sensors 300 in 10B lässt das optionale Gel 334 und die Gehäuseabdeckung 332 aus.
  • Wie bei anderen Ausführungsbeispielen weist der Sensor 300 einen Rahmen 316 auf, der eine kostengünstige Möglichkeit bereitstellt, um Standardhäusungsprozesse und -fertigungslinien zu verwenden. Im Fall des Relativdrucksensors 300 schafft der Rahmen 316 auch eine einfache Möglichkeit zum Bilden von zwei Drucköffnungen, was den herkömmlichen Lösungsansatz des Bildens einer Drucköffnung auf sowohl der Vorder- als auch Rückseite der Chipoberfläche vermeidet. Ein Relativ oder Differenzdrucksensor 300 kann beispielsweise Anwendbarkeit finden beim Messen des Druckabfalls über einem Filter, neben anderen Anwendungen und Nutzungsmöglichkeiten.
  • Mit Bezugnahme auf 11 ist ein anderes Ausführungsbeispiel eines Relativdrucksensors 300 dargestellt. Der Sensor 300 von 11 ist ähnlich dem Sensor 300 von 10, umfasst zumindest zwei getrennte Drucköffnungen 318a und 316b, aber unterscheidet sich dadurch, dass er Piezowiderstände 307 aufweist, ähnlich dem Sensor 200 von 8. Ähnliche Bezugszeichen werden hierin überall verwendet, um ähnliche Merkmale in verschiedenen Ausführungsbeispielen zu bezeichnen, wie z. B. hier in 8 und 11, wobei sich die erste Zahl unterscheidet gemäß Sensor 200 oder Sensor 300. Die Abdeckung 332 und das Gel 334 sind wie bei anderen Ausführungsbeispielen optional und sind in 11A gezeigt, aber von 11B ausgelassen.
  • Mit Bezugnahme auf 12 ist ein Ausführungsbeispiel eines gehäusten Trägheitssensors 400 mit einer vordefinierten Drucköffnung dargestellt. Der Trägheitssensor 400 weist einen Sensorchip 402 auf mit zumindest einem Druckerfassungsbauelement 404. Wie bei anderen oben erörterten Sensorausführungsbeispielen kann der Trägheitssensor 400 eine Mehrzahl von Druckerfassungsbauelementen 404 aufweisen. Jedes Druckerfassungsbauelement 404 umfasst einen Hohlraum 406 und eine Sensormembran 408. Der Sensorchip 402 weist auch eine Mehrzahl von Bondanschlussflächen 410 auf und kann optionale elektrische Bauelemente umfassen, wie z. B. bei Ausführungsbeispielen Transistoren 412, Widerstände und/oder Kondensatoren 414. Ein Rahmen 416 wird verwendet, um eine Drucköffnung 418 während der Formmasse-Gehäuseformungsstufen vorzudefinieren.
  • Bei einem Ausführungsbeispiel kann der Sensor 400 konfiguriert sein als ein Trägheitssensor durch Füllen nur einer Seite der Drucköffnung 418 mit einem Material, wie z. B. einem Schutzgel 434 oder einem anderen geeigneten Medium. Das Gel 434 bedeckt somit nur ein Erfassungselement 404a und wirkt als eine Trägheitsmasse, was eine äquivalente „träge” Drucklast auf dem Erfassungselement 404a unter Trägheitslast verursacht. Durch Signalverarbeiten des Differenzsignals zwischen dem bedeckten (404a) und unbedeckten (404b) Sensorbauelement kann die Trägheitslast unabhängig von jeder angelegten Drucklast erfasst werden. Dies liegt daran, dass in dem Differenzmodus die Last des physikalischen Drucks auf bedeckte und unbedeckte Bauelemente gleich ist und somit durch Differenzsignalverarbeitung eliminiert wird. Nur die Trägheitslast führt zu einem Nicht-Null-Differenzsignal, aufgrund der unterschiedlichen Trägheitsmasse auf bedeckten und unbedeckten Erfassungselementen 404a und 404b. Die Trägheitsmasse und somit die Trägheitssensorempfindlichkeit des Sensors 400 können bei verschiedenen Ausführungsbeispielen eingestellt werden durch Modifizieren des Typs oder der Menge an Füllmaterial 434, beispielsweise durch Verwenden eines Gels mit eingebetteten Kupfer- oder Goldkörnchen, um ein flexibles Füllmaterial mit hoher Masse bereitzustellen.
  • Bei einem Ausführungsbeispiel können Druck- und Trägheitssensormerkmale kombiniert werden auf einem einzigen Chip durch Signalverarbeitung in Differenzmodus und Standardmodus mit einem hinzugefügten Signal von bedeckten und unbedeckten Sensorbauelementen, wie es für einen Fachmann auf diesem Gebiet klar ist. Dies schafft einen hohen Grad an Flexibilität für eine Vielzahl von Sensoranwendungen und -verwendungsmöglichkeiten mit reduziertem Entwurfsaufwand, Herstellungskomplexität und Gesamtbauelementkosten.
  • Ausführungsbeispiele beziehen sich daher auf Gehäuse und Häusungsverfahren für IC-Sensoren. Insbesondere können Ausführungsbeispiele standardisierte und kostengünstige Gehäuselösungen für MEMS-Drucksensoren bereitstellen, was Medienkompatibilität verbessert und einen größeren Bereich von Sensoranwendungen abdeckt. Standardisierte Gehäuse und Häusungsverfahren und -prozesse in der Fertigungslinie werden zumindest teilweise ermöglicht durch Vordefinieren einer Drucköffnung für das Druckerfassungselement bei dem Waferebenenprozess vor der Anordnung, wodurch die Verwendung von Standard-Gehäuselösungen, -Formwerkzeugen und -Fertigungslinien und -Prozessen ermöglicht wird. Bei zumindest einem Ausführungsbeispiel wird dies erreicht durch Implementieren einer Rahmenstruktur auf Waferebene, die eine vordefinierte Drucköffnung zu einem Formwerkzeug abdichtet, wodurch verhindert wird, dass die Formmasse in das Drucktor eindringt.
  • Andere Ausführungsbeispiele beziehen sich auf andere Sensortypen, einschließlich Relativ- oder Differenzdrucksensoren, Trägheitssensoren und Kombinationen daraus, wie z. B. ein Einzelsensorchip mit sowohl einem Absolutdrucksensor als auch einem Trägheitssensor. Ferner kann eine Mehrzahl eines Einzelsensortyps auch in einem einzelnen Sensorbauelement kombiniert werden. Die Flexibilität ermöglicht einen größeren Bereich an Sensoranwendungen, die mit einer üblichen Wafertechnologie und Fertigungslinienplattform implementiert werden können.
  • Verschiedene Ausführungsbeispiele von Systemen, Bauelementen und Verfahren wurden hierin beschrieben. Diese Ausführungsbeispiele sind lediglich beispielhaft gegeben und sollen den Schutzbereich der Erfindung nicht begrenzen. Es sollte darüber hinaus klar sein, dass die verschiedenen Merkmale der Ausführungsbeispiele, die beschrieben wurden, auf verschiedene Weisen kombiniert werden können, um zahlreiche zusätzliche Ausführungsbeispiele zu erzeugen. Obwohl darüber hinaus verschiedene Materialien, Abmessungen, Formen, Implantationspositionen usw. für die Verwendung mit den offenbarten Ausführungsbeispielen beschrieben wurden, können auch andere neben den offenbarten verwendet werden, ohne den Schutzbereich der Erfindung zu überschreiten.
  • Durchschnittsfachleute auf diesem Gebiet werden erkennen, dass die Erfindung weniger Merkmale aufweisen kann als bei jedem einzelnen oben beschriebenen Ausführungsbeispiel dargestellt. Die hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele sollen keine erschöpfende Darstellung der Arten und Weisen sein, wie die verschiedenen Merkmale der Erfindung kombiniert werden können. Folglich sind die Ausführungsbeispiele keine sich gegenseitig ausschließenden Kombinationen von Merkmalen; stattdessen kann die Erfindung eine Kombination unterschiedlicher einzelner Merkmale aufweisen, die aus unterschiedlichen einzelnen Ausführungsbeispielen ausgewählt sind, wie es für Durchschnittsfachleute auf diesem Gebiet klar ist.
  • Jede obige Aufnahme von Dokumenten durch Bezugnahme ist begrenzt, so dass kein Gegenstand aufgenommen ist, der der expliziten Offenbarung hierin entgegengesetzt ist. Jede obige Aufnahme von Dokumenten durch Bezugnahme ist ferner begrenzt, so dass keine Ansprüche, die in den Dokumenten enthalten sind, hierin durch Bezugnahme aufgenommen sind. Jede obige Aufnahme von Dokumenten durch Bezugnahme ist noch weiter begrenzt, so dass alle Definitionen, die in den Dokumenten bereitgestellt werden, nicht durch Bezugnahme hierin aufgenommen sind, es sei denn, sie sind ausdrücklich hierin aufgenommen.

Claims (25)

  1. Integrierte-Schaltung-(IC-)Sensorbauelement, das folgende Merkmale aufweist: zumindest ein Erfassungselement; ein Rahmenelement, das auf einer Waferebene um das zumindest eine Erfassungselement herum angeordnet ist; und ein Gehäuse mit zumindest einer Öffnung, die auf der Waferebene durch das Rahmenelement vordefiniert ist, wobei die zumindest eine Öffnung konfiguriert ist, um zumindest einen Teil des zumindest einen Erfassungselements gegenüber einer Umgebung freizulegen.
  2. IC-Sensorbauelement gemäß Anspruch 1, das ferner folgende Merkmale aufweist: zumindest eine Bondanschlussfläche, die im Wesentlichen durch das Gehäuse umschlossen ist; einen Sensorchip, der im Wesentlichen durch das Gehäuse umschlossen ist; und einen Leiterrahmen, der mit dem Sensorchip und der zumindest einen Bondanschlussfläche gekoppelt ist.
  3. IC-Sensorbauelement gemäß Anspruch 2, bei dem der Leiterrahmen durch eine Drahtverbindung mit der zumindest einen Bondanschlussfläche gekoppelt ist.
  4. IC-Sensorbauelement gemäß Anspruch 2 oder 3, das ferner eine anwendungsspezifische IC (ASIC) aufweist, die mit dem Leiterrahmen gekoppelt ist.
  5. IC-Sensorbauelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem das Rahmenelement ein Polymer aufweist.
  6. IC-Sensorbauelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem eine Tiefe der Drucköffnung in einem Bereich von etwa 100 Mikrometer bis etwa 500 Mikrometer liegt.
  7. IC-Sensorbauelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, das ferner eine Gehäuseabdeckung aufweist, die mit zumindest einer Oberfläche des Gehäuses gekoppelt ist.
  8. IC-Sensorbauelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, das ferner eine Materialschicht aufweist, die über das zumindest eine Erfassungselement in der zumindest einen Öffnung aufgebracht ist.
  9. IC-Sensorbauelement gemäß Anspruch 8, bei dem die Materialschicht ein Gel ist.
  10. IC-Sensorbauelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem das zumindest eine Erfassungselement eine Membran und einen Hohlraum aufweist.
  11. IC-Sensorbauelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem das zumindest eine Erfassungselement ein piezoresistives Element aufweist.
  12. IC-Sensorbauelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, das folgende Merkmale aufweist: ein erstes Rahmenelement, das um ein erstes Erfassungselement herum angeordnet ist, um eine erste Öffnung auf einer ersten Seite des Gehäuses zu definieren; und ein zweites Rahmenelement, das um ein zweites Erfassungselement herum angeordnet ist, um eine zweite Öffnung zu definieren, die von der ersten Öffnung beabstandet ist auf der ersten Seite des Gehäuses, wobei das erste und das zweite Erfassungselement einen Differenzsensor bilden.
  13. IC-Sensorbauelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, bei dem das Rahmenelement um das erste und zweite Erfassungselement herum angeordnet ist, und bei dem eine Materialschicht über das erste Erfassungselement in einem Teil der zumindest einen Öffnung aufgebracht ist, um einen Trägheitssensor zu bilden.
  14. IC-Sensorbauelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13, bei dem das Sensorbauelement entweder einen Drucksensor oder einen optischen Sensor aufweist.
  15. Verfahren, das folgende Schritte aufweist: Vordefinieren (150) einer Öffnung auf einem Integrierte-Schaltung-(IC-)Sensor in einem Waferebenenprozess; Platzieren (170) des IC-Sensors in ein Formwerkzeug; Füllen (180) des Formwerkzeugs mit einer Formmasse, wobei die Öffnung von der Formmasse getrennt ist; und Entfernen (190) des IC-Sensors von dem Formwerkzeug.
  16. Verfahren gemäß Anspruch 15, bei dem das Vordefinieren folgende Schritte aufweist: Bilden eines Rahmens auf dem IC-Sensor durch Beschichten eines Wafers mit einem Epoxydlack, und Strukturieren des Rahmens unter Verwendung von Photolithographie.
  17. Verfahren gemäß Anspruch 16, bei dem das Füllen ferner das Trennen der Öffnung von der Formmasse durch den Rahmen aufweist.
  18. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 15 bis 17, bei dem das Formwerkzeug ein Standardformwerkzeug aufweist.
  19. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 15 bis 18, das ferner zumindest einen der folgenden Schritte aufweist: Bilden einer Abdeckung über der Formmasse; oder Füllen der Öffnung mit einem Gel.
  20. Ein Mikroelektromechanisches-System-(MEMS-)Drucksensor, der folgende Merkmale aufweist: einen Sensorchip, der zumindest ein Erfassungselement aufweist, das eine bewegliche Membran und einen Hohlraum umfasst; und ein Sensorgehäuse, das den Sensorchip im Wesentlichen umschließt und zumindest eine Öffnung aufweist, die durch einen Rahmen definiert ist, der während eines Waferebenenprozesses auf dem Sensorchip gebildet wird und relativ zu dem zumindest einen Erfassungselement angeordnet ist, so dass das zumindest eine Erfassungselement gegenüber einer Umgebung freigelegt ist.
  21. MEMS-Drucksensor gemäß Anspruch 20, der ferner einen Leiterrahmen aufweist, der mit dem Sensorchip gekoppelt ist.
  22. MEMS-Drucksensor gemäß Anspruch 20 oder 21, bei dem der Drucksensor aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Folgendem besteht: ein Absolutdrucksensor, ein Piezoresistiver-Effekt-Drucksensor; ein Relativdrucksensor; und ein Trägheitssensor.
  23. MEMS-Drucksensor gemäß einem der Ansprüche 20 bis 22, bei dem die zumindest eine Öffnung in einer ersten Oberfläche des Sensorgehäuses gebildet ist, und bei dem eine Oberseite des Rahmens planar mit der ersten Oberfläche ist.
  24. MEMS-Drucksensor gemäß einem der Ansprüche 20 bis 23, bei dem das Sensorgehäuse eine Formmasse aufweist.
  25. MEMS-Drucksensor gemäß einem der Ansprüche 20 bis 24, bei dem der Rahmen ein Polymermaterial aufweist.
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