DE102012215091A1 - Sensor mit einem einzigen elektrischen Trägermittel - Google Patents

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Thomas Fischer
Stefan Günthner
Dietmar Huber
Jakob Schillinger
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Continental Automotive Technologies GmbH
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Continental Teves AG and Co OHG
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Abstract

Sensor, umfassend wenigstens ein Sensorelement (1), zumindest ein Signalverarbeitungselement (2), ein Gehäuse (7), das wenigstens ein Befestigungsmittel aufweist, sowie eine elektrische Schnittstelle zur elektrischen Anbindung des Sensors, wobei der Sensor ein elektrisch und mechanisch verbindendes Trägermittel (4) aufweist, auf welchem das wenigstens eine Sensorelement (1) und das Signalverarbeitungselement (2) angeordnet sind und mit diesem elektrisch verbunden sind, wobei das Trägermittel (4) auch mit der elektrischen Schnittstelle zumindest elektrisch verbunden ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Sensor gemäß Oberbegriff von Anspruch 1 sowie die Verwendung des Sensors in Kraftfahrzeugen.
  • Üblicherweise werden mikromechanische Sensorelemente bzw. MEMS-Sensorelemente und applikationsspezifische integrierte Schaltungen bzw. ASICs, die zunächst als unverpackte Halbleiterbauelemente ausgebildet sind, als so genannte „Bare Dies“ bereits vom Hersteller zu fertigen Inertialsensoren bestückt, welche als lötfähiges Bauteil bzw. oberflächenmontiertes Bauelement bzw. als so genanntes „Surface Mounted Device“ (SMD), das mit einem Gehäuse gegen Umwelteinflüsse geschützt und nach außen kontaktiert ist, ausgebildet.
  • Solche SMDs können direkt auf eine Leiterplatte bzw. „PCB“ in ein Steuergerät (ECU, ACU) oder in ein separates Gehäuse eines Satelliten-Sensors gelötet werden.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde einen kostengünstigen und/oder kompakten Sensor vorzuschlagen.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch den Sensor gemäß Anspruch 1.
  • Der Sensor weist vorzugsweise ein einziges Trägermittel auf.
  • Das Trägermittel ist bevorzugt als Leadframe ausgebildet. Alternativ vorzugsweise ist das Trägermittel als Leiterplatte bzw. „PCB“ ausgebildet.
  • Unter einer elektrischen Schnittstelle, wird bevorzugt ein Stecker und alternativ vorzugsweise ein Kabelanschluss bzw. Kabelabgang verstanden.
  • Es ist bevorzugt, dass das wenigstens eine Sensorelement und das Signalverarbeitungselement jeweils als unverpackte Halbleiterbauelemente auf dem Trägermittel angeordnet sind. Unter einem unverpackten Halbleiterbauelement versteht man bevorzugt ein Bauelement dessen funktionale Struktur aus einem Halbleitermaterial ausgebildet ist und das kein eigenes Gehäuse aufweist. Unter unverpackt wird beispielsweise „siliziumverpackt“ bzw. auf „Wafer-Ebene“ verpackt bzw. ein „bare die“ verstanden.
  • Es ist bevorzugt, dass der Sensor ein Transfermoldgehäuse aufweist, welches das wenigstens eine Sensorelement und das Signalverarbeitungselement und das Trägermittel vollständig oder zumindest teilweise umschließt. Insbesondere sind dabei das wenigstens eine Sensorelement und das Signalverarbeitungselement zumindest teilweise von einer Vergussmasse bzw. einem „globe top“ bedeckt, innerhalb des Transfermoldgehäuses.
  • Vorzugsweise ist das Transfermoldgehäuse vollständig oder zumindest teilweise von einem Overmoldgehäuse umschlossen.
  • Es ist bevorzugt, dass das wenigstens eine Sensorelement als Inertialsensorelement ausgebildet ist.
  • Vorzugsweise ist der Sensor als Satelliten-Sensor ausgebildet, insbesondere als Kraftfahrzeugsensor.
  • Unter einem Transfermoldgehäuse versteht man bevorzugt ein Spritzpressgehäuse bzw. ein Premoldgehäuse.
  • Unter einem Overmoldgehäuse versteht man vorzugsweise ein Spritzgussgehäuse bzw. ein Overmoldgehäuse bzw. ein Gehäuse aus Epoxy.
  • Der Leadframe bzw. Leiterrahmen weist bevorzugt wenigstens eine Bestückungsinsel auf, auf welcher zumindest das Sensorelement und das Signalverarbeitungselement angeordnet sind.
  • Das mindestens eine Sensorelement ist vorzugsweise als mikromechanisches Sensorelement ausgebildet, insbesondere als mikromechanisches Inertialsensorelement.
  • Der Sensor ist bevorzugt so ausgebildet, dass das Overmoldgehäuse zwei Teile aufweist, einen vorgefertigten Gehäuseteil, in welchen das Trägermittel und die mit diesem verbundenen Bauteile eingebracht sind und einen zweiten Teil, mit welchen dieses vorgefertigte Gehäuseteil mittels Obermoldens bzw. eines Overmoldgehäuses geschlossen wird. Diese beiden Gehäuseteile bestehen besonders bevorzugt aus Spritzguss bzw. Overmold bzw. Epoxy.
  • Die unverpackten Halbleiterbauelemente sind vorzugsweise mittels eines Klebers auf dem Trägermittel befestigt bzw. angeordnet.
  • Es ist zweckmäßig, dass das wenigstens eine Sensorelement sowie das Signalverarbeitungselement und/oder optional weitere elektrische Bauelemente, mittels Bondens bzw. Drahtbondens zumindest mit dem Trägermittel und/oder untereinander elektrisch verbunden sind.
  • Alternativ vorzugsweise ist die Fixierung und elektrische Kontaktierung des zumindest einen Sensorelements sowie das Signalverarbeitungselement und/oder optional weiterer elektrischer Bauelemente, insbesondere als „bare dies“ ausgebildet, per Flip-Chip ausgebildet. Dazu werden besonders bevorzugt entweder "Solder Balls" bzw. Lötkugeln, "Copper Pillars" bzw. Kupferdome und/oder Lötpads auf die Oberseite der „bare dies“ aufgebracht. Diese bare dies, bzw. unverpackte Halbleiterbauelemente genannt, sind dann beispielsweise umgedreht auf dem Leadframe oder der Leiterplatte platziert und werden per Reflow- oder Heißdampf gelötet.
  • Der Sensor weist bevorzugt ein oder mehrere zusätzliche elektrische Bauelemente, wie zumindest einen Widerstand und/oder wenigstens eine Kapazität und/oder mindestens eine Induktivität und/oder zumindest eine weitere integrierte Schaltung und/oder wenigstens einen Varistor auf.
  • Vorzugsweise weist das Gehäuse des Sensors, insbesondere das äußere Gehäuse bzw. Overmoldgehäuse eine oder zwei oder mehrere Befestigungseinrichtungen auf, welche besonders bevorzugt so ausgebildet ist/sind, dass der Sensor mittels einer Schraubverbindung befestigbar ist.
  • Das elektrische Trägermittel ist bevorzugt mit einem oder mehreren Einpresspins „press fit pins“ elektrisch kontaktiert. Dabei ist der Bereich in welchem diese Kontaktierung durchgeführt wird ausgespart von dem Overmoldgehäuse und/oder dem Transfermoldgehäuse.
  • Alternativ vorzugsweise erfolgt die Kontaktierung durch Lötstifte aus einem leit- und lötfähigen Material. Diese könne einen beliebigen Querschnitt haben. Typischerweise sind diese rund oder quadratisch. Diese werden mit der PCB verlötet sog. Durchsteckmontage (THT-Technologie = Through-Hole-Technologie).
  • Es ist bevorzugt, dass das Trägermittel mittels wenigstens eines angeschweißten Pins elektrisch kontaktiert ist, insbesondere mit der elektrischen Schnittstelle.
  • Die Fixierung der PCB in dem Satelliten-Sensor erfolgt vorzugsweise durch konstruktive Elemente direkt im Gehäuse und Deckel (Auflagedome, Rippen, Rasthaken, etc.). Alternativ ist ein Einkleben oder Verschrauben der PCB möglich.
  • Zum Schutz vor Umwelteinflüssen wird nach Einbau der PCB in das Gehäuse des Satelliten-Sensors dieses Gehäuse zweckmäßigerweise mittels einer Vergussmasse oder mit einem Deckel aus metallischem oder nicht-metallischem Material verschlossen.
  • Die Erfindung bezieht sich außerdem auf die Verwendung des Sensors in Kraftfahrzeugen.
  • Insbesondere bezieht sich die Erfindung außerdem auf ein Herstellungsverfahren eines Sensors, das günstig und/oder flexibel ist. Dabei wird zunächst das elektrisch und mechanisch verbindende Trägermittel mit unverpackten Halbleiterelementen sowie optional weiteren elektronischen Bauelementen bestückt. Die unverpackten Halbleiterelemente und die optionalen weiteren elektronischen Bauelemente werden bevorzugt direkt umspritzt, so dass sie in einem Transfermoldgehäuse angeordnet sind. Alternativ vorzugsweise werden die unverpackten Halbleiterelemente und die optionalen weiteren elektronischen Bauelemente vor der Umspritzung mit dem Transfermoldgehäuse erst noch mit einer Vergussmass bzw. „globe top“ bedeckt, die dann ebenfalls in das Transfermoldgehäuse eingespritzt wird. Anschließend wird aus diesen teilfertigen Sensoren mittels einer Overmoldumspritzung bzw. einem Overmoldgehäuse und/oder einem zusätzlichen vorgefertigten Gehäuse wahlweise ein Sensor als lötfähiges Bauteil bzw. oberflächenmontiertes Bauelement bzw. als so genanntes „Surface Mounted Device“ (SMD) erzeugt/gefertigt oder ein Sensor als Satelliten-Sensor.
  • Es zeigen in schematischer, beispielhafter Darstellung
  • 1 und 2 Ausführungsbeispiele des Sensors,
  • 3 und 4 beispielhafte Herstellungsverfahren.
  • In 1 ist ein Roh-Sensor aus zwei Perspektiven dargestellt, welcher einen Leadframe als Trägermittel 4 aufweist. Der Sensor umfasst zwei aufgeklebte Sensorelemente 1 sowie ein Signalverarbeitungselement 2, die mittels Bonddrähten 10 elektrisch kontaktiert sind. Sensorelemente 1 sowie ein Signalverarbeitungselement 2 sind von einem Transfermoldgehäuse 5 umgeben bzw. entsprechend eingespritzt. Der Leadframe 4 umfasst zwei weitere Umspritzungen als Transfermoldgehäuse 5. Darüber hinaus ist der Leadframe mit zusätzlichen elektronischen Bauelementen 8, wie beispielsweise „R“, „C“, „IC“, Dioden oder wenigstens einem Varistor bestückt.
  • 2 zeigt einen beispielhaften Sensor als oberflächenmontiertes Bauelement bzw. so genanntes „Surface Mounted Device“ (SMD) ausgebildet. Der Sensor weist ein Sensorelement 1 und ein Signalverarbeitungselement 2 auf, die auf dem Trägermittel 4, beispielgemäß als Leiterplatte bzw. „PCB“ ausgebildet, angeordnet sind. Leiterplatte 4 ist mittels Einpresspins 11 elektrisch kontaktiert, wobei der Kontaktbereich von Gehäuse des Sensors, einem Overmoldgehäuse 7 ausgespart sind. In 2a) weist das Gehäuse eine Ausnehmung/ Aussparung in diesem Kontaktierungsbereich auf, in 2b) in dieser Kontaktierungsbereich neben dem Gehäuse 7 angeordnet.
  • Anhand der 3 ist ein beispielhaftes Herstellungsverfahren veranschaulicht. Statt konventionell zwei Verpackungsschritt für den Aufbau eines Satelliten-Sensors wird nur noch ein Schritt benötigt – die „bare dies“ werden auf der Leiterplatte als Trägermittel angeordnet/bestückt und danach erfolgt die Kontaktierung und Ausbildung des Gehäuses. Der Aufbau eines separaten SMDs entfällt, das dann noch zusätzlich mit dem Trägermittel verbunden werden müsste und Raum beanspruchen würde.
    – Für PCB-Sensoren und Satelliten-Sensoren ist die Aufbauund Verbindungstechnik der Bare Dies und der Flip-Chip Prozess identisch. Es kann gleiches Frontend-Equipment zur Herstellung genutzt werden.
    – Die Fertigungsprozesse Glob Top und Transfermold zum Schutz der Bare Dies sind identisch. Die Leiterplatte kann komplett oder teilweise per Transfermold umspritzt werden.
  • Das in 4 dargestellte modulare Herstellungsverfahren ermöglicht bzw. umfasst bevorzugt zwei Hauptvarianten, wie beispielhaft schematisch dargestellt:
    "Onboard" Variante (SMD):
    Der bestückte Leadframe mit den kontaktierten Bare Dies wird bevorzugt durch einen Glob Top bzw. Verguss und einem nachfolgenden Transfer Mold bzw. einen Gesamt-/Nachumspritzungsvorgang, beispielsweise mittels Epoxy, geschützt. Es entsteht ein SMD, also ein oberflächenmontierbares Bauelement, (Surface Mounted Device), das direkt auf die PCB, „Printed Circuit Board“ bzw. elektronische Leiterplatte eines Steuergerätes gelötet wird. Als Lötverfahren sind Reflow- oder Heißdampflöten geeignet.
  • "Satellite" Variante (IS):
    Der bestückte Leadframe mit den kontaktierten Bare Dies wird vorzugsweise durch einen Glob Top bzw. Verguss und einem nachfolgenden Transfer Mold bzw. einen Gesamt-/Nachumspritzungsvorgang, beispielsweise mittels Epoxy, geschützt.
  • Die Kontaktpins werden vorher an den Leadframe angeschweißt oder alternativ kann ein Kabel durch sogenanntes Crimpen bzw. Bördeln angebracht werden.
  • Die Befestigungsteile können im Werkzeug eingelegt und mit umspritzt oder nachträglich eingebracht werden, beispielsweise durch Warmeinbetten und/oder Ultraschallschweißen.
  • Danach sind 3 Untervarianten möglich:
    • a) Der bestückte Leadframe wird komplett mit dem Gehäuse umspritzt.
    • b) Der bestückte Leadframe wird mit einem offenen Gehäuse teilweise umspritzt und mit einem Verguss und/oder Deckel verschlossen. Der Deckel kann aus einem metallischen oder nicht-metallischen Material bestehen.
    • c) Der bestückte Leadframe wird mit einem Halter (sog. Carrier) aus Kunststoff teilumspritzt und danach komplett mit dem Gehäuse umspritzt.
  • Das vorgeschlagene Verfahren und seine Varianten bzw. der damit hergestellte Sensor weisen beispielgemäß folgende Vorteile auf:
    • – Für beide Hauptvarianten sind die Prozesse der Bestückung, der Kontaktierung und dem Schutz der Bare Dies identisch.
    • – Statt konventionell zwei Verpackungsschritt für den Aufbau der Satelliten (IS) wird nur noch ein Schritt benötigt (Bare-Die → Satellitenprodukt). Der Aufbau eines separaten SMD entfällt.
    • – Für Onboard- und Satellitenlösung (SMD und IS) ist die Aufbau- und Verbindungstechnik der Bare Dies identisch, d. h. gleiche Fertigungseinrichtungen (Frontend-Equipment).
    • – Die Fertigungsprozesse Glob Top und Transfermold zum Schutz der Bare Dies sind identisch.
    • – Auf dem Leadframe können zusätzlich passive Elemente ohne oder mit Schutz (Glob Top und Transfer Mold) bestückt werden, wie beispielhaft anhand 1 schematisch veranschaulicht.
    • – Weiterhin sind beliebige modulare Erweiterungen des Leadframes möglich, die weitere Zusatzbeschaltungen tragen, wie beispielhaft anhand 1 schematisch veranschaulicht. Dies können weiteren Bare Dies (MEMS, ASIC) oder andere Bauteile sein (R, C, IC, Dioden, Vanister, LED, etc.).
    • – Alle Module können ohne oder mit Schutz ausgeführt werden (Glob Top + Transfer Mold). Bei entsprechender Auslegung ist für den alle Module nur ein Mold-Werkzeug Schutz nötig.

Claims (10)

  1. Sensor, umfassend wenigstens ein Sensorelement (1), zumindest ein Signalverarbeitungselement (2), ein Gehäuse (7), das wenigstens ein Befestigungsmittel aufweist, sowie eine elektrische Schnittstelle zur elektrischen Anbindung des Sensors, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor ein elektrisch und mechanisch verbindendes Trägermittel (4) aufweist, auf welchem das wenigstens eine Sensorelement (1) und das Signalverarbeitungselement (2) angeordnet sind und mit diesem elektrisch verbunden sind, wobei das Trägermittel (4) auch mit der elektrischen Schnittstelle zumindest elektrisch verbunden ist.
  2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor ein einziges Trägermittel (4) aufweist.
  3. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägermittel (4) als Leadframe ausgebildet ist.
  4. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägermittel (4) als Leiterplatte ausgebildet ist.
  5. Sensor nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Sensorelement (1) und das Signalverarbeitungselement (2) jeweils als unverpackte Halbleiterbauelemente auf dem Trägermittel (4) angeordnet sind.
  6. Sensor nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor ein Transfermoldgehäuse (5) aufweist, welches das wenigstens eine Sensorelement (1) und das Signalverarbeitungselement (2) und das Trägermittel (4) vollständig oder zumindest teilweise umschließt.
  7. Sensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das das wenigstens eine Sensorelement (1) und das Signalverarbeitungselement (2) zumindest teilweise von einer Vergussmasse bedeckt sind, innerhalb des Transfermoldgehäuses.
  8. Sensor nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Transfermoldgehäuse (5) vollständig oder zumindest teilweise von einem Overmoldgehäuse (7) umschlossen ist.
  9. Sensor nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Sensorelement (1) als Inertialsensorelement ausgebildet ist.
  10. Sensor nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor als Satelliten-Sensor ausgebildet ist, insbesondere als Kraftfahrzeugsensor.
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