DE102013101732A1

DE102013101732A1 - Sensorsystem

Info

Publication number: DE102013101732A1
Application number: DE102013101732.0A
Authority: DE
Inventors: Jan Ihle; Bernhard Ostrick; Wolfgang Schreiber-Prillwitz
Original assignee: Epcos AG
Current assignee: TDK Electronics AG
Priority date: 2013-02-21
Filing date: 2013-02-21
Publication date: 2014-08-21
Also published as: JP2016511401A; EP2959270A1; US20160013112A1; CN105008867A; WO2014127861A1

Abstract

Es wird ein Sensorsystem mit einem Sensorchip (1) angegeben, der auf einer Montageaufnahme (20) eines keramischen Gehäusekörpers (2) montiert ist, wobei der Gehäusekörper (2) dreidimensional ausgeformt und monolithisch ausgebildet ist und durch ein Keramikmaterial mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten gebildet wird, der in einem Temperaturbereich von größer oder gleich –40°C und kleiner oder gleich 150°C um weniger als 30% vom thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Sensorchips (1) abweicht.

Description

Es wird ein Sensorsystem mit einem Sensorchip angegeben.
Ständig steigende Anforderungen an Sensorsysteme wie beispielsweise Beschleunigungssensoren, Drehratensensoren, Magnetsensoren und Drucksensoren hinsichtlich der Genauigkeit und Driftfreiheit sowie hinsichtlich der mechanischen Robustheit in Bezug auf Vibrationen und Schock erfordern eine besondere Abstimmung der sensitiven Elemente, der Signalverarbeitung und der Gehäusekomponenten, wobei letztere im Folgenden auch als „Packaging“ bezeichnet werden können. Gleichzeitig ist es erforderlich, dass solche Systeme durch eine kostengünstige Fertigung herstellbar sind und eine reduzierte Systemkomplexität aufweisen. Insbesondere stellt der thermomechanische Stress zwischen den Komponenten eine besondere Herausforderung dar.
Im Stand der Technik werden stresssensitive Sensorelemente üblicherweise nur einseitig mit dem Packaging fest verbunden und in einer Kavität verschlossen montiert. Die Befestigung erfolgt dabei üblicherweise durch einseitiges Verkleben oder Verlöten.
Für eine ausreichende mechanische Stabilität und zum Schutz des eigentlichen Sensors gegen äußere Einflüsse sowie zur Vermeidung von Korrosion durch aggressive Medien erfolgt der Einbau in einem Gehäuse, das üblicherweise aus Kunststoff oder aus einem Materialverbund mit Kunststoff, Keramik, Glas und/oder Metall besteht. Das Gehäuse kann beispielsweise als sogenanntes Cavity-Package ausgebildet sein, also als Gehäuse, das eine Montageplatte mit einer am Rand umlaufenden Seitenwand aufweist, die eine Kavität bilden. Für den elektrischen Anschluss sind Lötkontakte, Steckkontakte und/oder Leitungszuführungen in das Gehäuse integriert. Geeignete Abdichtungen solcher Systeme erfolgen unter Verwendung von Verschweißungen, Loten, Dichtungen, Vergussmaterialien und/oder Klebstoffen.
Stand der Technik sind übliche Gehäuse wie

– kunststoffumspritzte Stanzgittergehäuse mit mittels eines weichen Klebstoffs eingeklebten sensitiven Elementen und Bonddrahtkontaktierung,
– HTCC-Cavity-Packages (HTCC: „high temperature cofired ceramics“, Hochtemperatur-Mehrlagenkeramik) beispielsweise auf Basis von Aluminiumoxid mit weich eingeklebten sensitiven Elementen und Bonddrahtkontaktierung,
– HTCC-Cavity-Packages beispielsweise auf Basis von Aluminiumoxid mit auf den elektrischen Zuleitungen fest verbundenen sensitiven Elementen (Flip-Chip-Bump-Technologie),
– flache keramische Träger beispielsweise aus Aluminiumoxid mit oben aufliegenden sensitiven Elementen, wobei eine Kavität durch einen Deckel gebildet wird.

Es kann jedoch vorkommen, dass organische Klebeverbindungen zwischen den Sensorelementen und dem Packaging eine Schwachstelle in Bezug auf die Langzeitstabilität darstellen. Kunststoffgehäuse sind darüber hinaus inkompatibel zu alternativen Fügetechnologien wie beispielsweise Verschweißungen und Lötverbindungen. Deshalb bestehen die meisten Sensorsysteme im Stand der Technik aus Materialkombinationen, die wiederum zusätzliche Verbindungen erfordern und die Systeme sehr komplex gestalten.
Zumindest eine Aufgabe von bestimmten Ausführungsformen ist es, ein Sensorsystem mit einem Sensorchip in einem Gehäuse anzugeben.
Diese Aufgabe wird durch einen Gegenstand gemäß dem unabhängigen Patentanspruch gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen des Gegenstands sind in den abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet und gehen weiterhin aus der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen hervor.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird ein Sensorsystem, insbesondere ein keramisches gekapseltes Sensorsystemen, bereitgestellt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist ein Sensorsystem einen Sensorchip auf, der auf einer Montageaufnahme eines keramischen Gehäusekörpers montiert ist. Der Gehäusekörper ist aus einem Keramikmaterial hergestellt, das dreidimensional ausgeformt und monolithisch ausgebildet ist. Dreidimensional ausgeformt bedeutet hier und im Folgenden, dass der Gehäusekörper nicht durch einen flachen keramischen Träger gebildet wird, also beispielsweise durch ein Keramiksubstrat in Form einer Keramikplatte, sondern eine nicht-ebene dreidimensionale Oberflächentopographie auf der Montageseite aufweist, auf der der Sensorchip montiert ist. Insbesondere weist der Keramikkörper auf der Seite, auf der der Sensorchip aufgebracht ist, also auf der Seite mit der Montageaufnahme, eine dreidimensionale Oberflächenstruktur auf, in der beispielsweise die Montageaufnahme als Erhebung oder Vertiefung in einer Montagefläche ausgebildet ist. Monolithisch ausgebildet bedeutet hier und im Folgenden, dass der Gehäusekörper nicht aus einem Verbund mehrerer vorgefertigter Keramikteile hergestellt ist, sondern durch einen einzelnen einstückig ausgebildeten Keramikkörper gebildet wird, der in seiner dreidimensionalen Form an die Anforderungen des Sensorsystems angepasst ist. Das kann insbesondere auch bedeuten, dass der Gehäusekörper nicht nur mit einer Montageaufnahme für den Sensorchip, sondern auch mit einer oder mehreren weiteren Montageaufnahmen für weitere Sensorchips und/oder für andere elektronische Bauteile wie beispielsweise Signalverarbeitungschips und/oder mit mechanischen Befestigungsteilen, wie beispielsweise Erhebungen oder Vertiefungen in Form von Rastnasen oder Verankerungsstrukturen, ausgebildet ist.
Insbesondere ist der Gehäusekörper dasjenige Bauteil des Sensorsystems, auf dem der Sensorchip sowie gegebenenfalls weitere elektronische Komponenten wie beispielsweise eine Signalverarbeitungselektronik montiert sind. Montiert bedeutet hier und im Folgenden, dass der Sensorchip sowie gegebenenfalls weitere elektronische Komponenten direkt, das bedeutet jeweils mittels einem Verbindungsmaterial, auf entsprechend dafür vorgesehenen Montageaufnahmen des Gehäusekörpers befestigt sind. Der Gehäusekörper kann weiterhin das einzige Bauteil und insbesondere das einzige keramische Bauteil des Sensorsystems sein, auf dem die elektronischen und elektrischen Komponenten, also beispielsweise Chips, Schaltkreise und elektrische Anschlüsse, montiert bzw. aufgebracht sind.
Mit Hilfe geeigneter, weiter unten ausführlicher beschriebener Herstellverfahren für den Gehäusekörper wie beispielsweise der keramischen Spritzgusstechnologie oder der HTCC-Mehrlagentechnik können auch sehr komplexe, an Sensoranforderungen angepasste keramische Gehäusebauformen präzise und reproduzierbar mit einer hohen mechanischen Festigkeit hergestellt werden. Dadurch, dass der Gehäusekörper mit seiner dreidimensionalen Form monolithisch ausgebildet ist, kann weiterhin die Komplexität des Sensorsystems reduziert werden. Die Reduzierung der Systemkomplexität aufgrund der monolithischen Ausführung des Gehäusekörpers insbesondere auch durch eine Vereinigung mehrer Systemkomponenten in einem einzigen Bauteil, die im Stand der Technik üblicherweise zu einem Verbund zusammengefügt werden müssen, führt zusätzlich auch zu einer Material- und Kosteneinsparung.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das Keramikmaterial des Gehäusekörpers einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf, der in einem Temperaturbereich von größer oder gleich –40°C und kleiner oder gleich 150°C um weniger als 30 % vom thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Sensorchips abweicht. Mit anderen Worten ist der thermische Ausdehnungskoeffizient des keramischen Gehäusekörpers an den thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Sensorchips angepasst. Insbesondere können die thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Gehäusekörpers und des Sensorchips auch in einem Temperaturbereich von größer oder gleich -50°C und kleiner oder gleich 200°C aneinander angepasst sein und um weniger als 30 % voneinander abweichen. Je kleiner der Unterschied zwischen den thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Gehäusekörpers und des Sensorchips ist, desto geringere thermomechanische Spannungen können im Sensorsystem zwischen dem Sensorchip und dem keramischen Gehäusekörper auftreten. Darum kann es besonders vorteilhaft sein, wenn in einem der genannten Temperaturbereiche die thermischen Ausdehnungskoeffizienten um weniger als 20 % und bevorzugt um weniger als 10 % voneinander abweichen.
Das hier beschriebene Sensorsystem zeichnet sich somit insbesondere dadurch aus, dass der thermische Ausdehnungskoeffizient des Gehäusekörpers an den thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Sensorchips angepasst ist. Durch eine geeignete Wahl des keramischen Werkstoffs für den das Packaging bildenden Gehäusekörper ist es möglich, durch Temperaturänderungen auftretenden thermomechanischen Stress zwischen dem Sensorchip und dem Gehäusekörper zu reduzieren.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Sensorchip ein auf Silizium basierender Sensorchip. Das bedeutet insbesondere, dass der Sensorchip als Grundmaterial Silizium aufweist, in und/oder auf dem funktionale Bereiche ausgebildet und/oder aufgebracht sind.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das Sensorsystem als sogenanntes MEMS-Sensorsystem (MEMS: „micro-electro-mechanical system“, mikroelektromechanisches System) ausgebildet. Beispielsweise ist das Sensorssystem als Beschleunigungssensor, Drehratensensor, Magnetsensor oder Drucksensor ausgebildet und weist einen hierfür eingerichteten Sensorchip auf, also beispielsweise einen Beschleunigungssensorchip, Drehratenchip, Drucksensorchip oder Magnetsensorchip. Ist das Sensorssystem als Magnetsensor ausgebildet, kann der Sensorchip insbesondere beispielsweise nach dem Prinzip des AMR-Effekts (AMR: „anisotropic magnetoresistance“, anisotroper magnetoresistiver Effekt), des GMR-Effekts (GMR: „giant magnetoresistance“, Riesenmagnetowiderstand) oder des TMR-Effekts („tunnel magnetoresistance“, magnetischer Tunnelwiderstand) arbeiten und hierzu eingerichtet sein.
Durch eine geeignete Wahl des keramischen Materials des Gehäusekörpers mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten, der im Bereich des Materials des Sensorchips, also insbesondere Silizium, liegt, lassen sich vorteilhafterweise thermisch induzierte mechanische Spannungen, die zu einer Verfälschung des Sensorsignals führen können, stark reduzieren oder sogar ganz vermeiden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das Keramikmaterial Mullit, also Aluminiumsilikat, auf. Weiterhin kann es auch möglich sein, dass das Keramikmaterial des Gehäusekörpers Aluminiumnitrid, Siliziumcarbid oder Siliziumnitrid aufweist. Der keramische Gehäusekörper kann auch eine Kombination der genannten Materialien aufweisen. Weiterhin kann der keramische Gehäusekörper auch aus einem oder mehreren der genannten Keramikmaterialien bestehen. Der Vorteil des hier beschriebenen Sensorsystems liegt in der monolithischen Ausführung des Gehäusekörpers mit einem geeigneten keramischen Material wie dem vorgenannten. Somit ist im Vergleich zum Stand der Technik eine wesentlich verbesserte thermomechanische Anpassung des Gehäusekörpers an den Sensorchip möglich.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist auf einer weiteren Montageaufnahme des Gehäusekörpers ein Signalverarbeitungschip montiert. Jede der Montageaufnahmen des keramischen Gehäusekörpers kann vertieft oder alternativ auch erhöht ausgeführt sein. Der Signalverarbeitungschip kann insbesondere dazu vorgesehen und derart ausgeführt sein, ein elektrisches Signal des Sensorchips zu detektieren und weiter zu verarbeiten, sodass über elektrische Anschlüsse des Sensorsystems ein Messsignal ausgegeben werden kann. Der Signalverarbeitungschip kann beispielsweise als integrierter Schaltkreis in Form eines einzelnen Chips oder auch in Form von mehreren elektronischen Komponenten, die beispielsweise in Dickschichttechnologie montiert sind, ausgebildet sein. Eine elektrische Verbindung zwischen dem Sensorchip und dem Signalverarbeitungschip kann durch Leiterbahnen auf dem und/oder in dem Gehäusekörper und/oder durch Bonddrahtverbindungen gegeben sein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Sensorchip mittels eines flexiblen Verbindungsmaterials ganzflächig oder partiell direkt auf der Montageaufnahme des keramischen Gehäusekörpers montiert. Das flexible Verbindungsmaterial kann insbesondere durch einen Silikonklebstoff oder durch einen Klebefilm ohne Träger oder durch eine doppelseitige Klebefolie mit einem innen liegenden, also zwischen zwei Klebefilmen liegenden Träger gebildet werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Sensorchip mittels eines starren Verbindungsmaterials direkt auf der Montageaufnahme des keramischen Gehäusekörpers montiert. Das starre Verbindungsmaterial kann beispielsweise durch einen Epoxidharzklebstoff oder besonders bevorzugt durch ein Glaslot oder ein metallisches Lot gebildet werden.
Besonders vorteilhaft erfolgt die Verbindung des Sensorchips zum keramischen Gehäusekörper über ein Glaslot oder ein Metalllot. Dadurch können Veränderungen des Sensorsignals und der mechanischen Verbindung zwischen dem Sensorchip und dem Gehäusekörper, wie sie durch das Alterungsverhalten von Polymeren hervorgerufen werden, vermieden werden. Eine Lotverbindung, insbesondere eine Glaslotverbindung, kann nur eingesetzt werden, wenn für den Sensorchip und den keramischen Gehäusekörper Materialien mit ähnlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten verwendet werden, im Falle eines Silizium basierten Sensorchips also für den Gehäusekörper Materialien wie bevorzugt Mullit oder auch Aluminiumnitrid, Siliziumnitrid oder Siliziumcarbid. Nur mit den dadurch erreichbaren sehr ähnlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Materialien lassen sich bei einer festen Verbindung wie einer Glaslotverbindung thermisch induzierte Verspannungen im Sensorchip, die sich auf das Sensorsignal auswirken könnten, vermeiden.
Zur Herstellung des keramischen Gehäusekörpers kann dessen dreidimensionale und monolithische Ausbildung mittels der keramischen Spritzgusstechnologie erfolgen. Mit dieser sind frei gestaltbare Geometrien des keramischen Gehäusekörpers möglich, beispielsweise zur Ausformung der integrierten einen oder mehreren Montageaufnahmen für den Sensorchip und gegebenenfalls für den Signalverarbeitungschip. Durch die anpassbare Gehäuseform mit den Kavitäten oder Erhebungen zur Aufnahme der Sensor- sowie Auswertechips können unterschiedliche Chips eingesetzt werden. Weiterhin ist auch eine Miniaturisierung des Sensorsystems möglich.
Bei der keramischen Spritzgusstechnologie wird ein keramisches Rohmaterial, ein sogenannter keramischer Feedstock, das ein strukturkeramisches Pulver, vorteilhafterweise Mullitpulver, Aluminiumnitridpulver, Siliziumnitridpulver oder Siliziumcarbidpulver, und ein organischen Bindemittel, aufweist oder daraus besteht, in eine entsprechende Form gespritzt. Ein derart hergestellter Grünkörper wird anschließend in einem Entbinderungsprozess, der zweistufig (wässrig, thermisch bzw. katalytisch) oder einstufig (nur thermisch) sein kann, weitgehend vom organischen Anteil befreit. Nachfolgend werden die entbinderten Körper gesintert.
Der Vorteil von keramischen Spritzgusskörpern liegt insbesondere in der sehr präzisen Ausführung der Gehäusedimensionen, die eine einfache und standardisierte Montage ohne zusätzliche Systemelemente bei gleichzeitig geringer Wärmedehnung, einer sehr hohen mechanischen und chemischen Robustheit sowie einer extremen Langzeitstabilität ermöglichen.
Alternativ kann die Herstellung des keramischen Gehäusekörpers in der dreidimensionalen und monolithischen Ausbildung über HTCC-Mehrlagentechnologie erfolgen. Die Strukturierung des Gehäuses beispielsweise für die Montageaufnahmen erfolgt dabei durch Stanzen von keramischen Folien, die zu einem keramischen Grünkörper zusammengefügt werden.
Ein über keramische Spritzgusstechnologie oder HTCC-Mehrlagentechnologie hergestellter keramischer Körper wird zur Ausbildung des fertigen keramischen Gehäusekörpers bei einem geeigneten Temperaturprofil und in einer geeigneten Atmosphäre gesintert, im Falle von Mullit je nach Reinheit bzw. Sinteradditivanteil beispielsweise bei 1500°C bis 1750°C und bevorzugt bei 1600°C bis 1750°C in Luft.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das Sensorsystem elektrische Anschlüsse zum elektrischen Anschluss zumindest des Sensorchips auf. Weiterhin können die elektrischen Anschlüsse den externen Anschluss des Sensorsystems bilden.
Die elektrischen Anschlüsse können auf und/oder im keramischen Gehäusekörper ausgebildet sein und eines oder mehrere der folgenden Elemente aufweisen: Leiterbahnen, Verdrahtungsträger, metallische Vias, Bonddrähte.
Die elektrischen Anschlüsse können beispielsweise Leiterbahnen aufweisen oder daraus bestehen, die direkt auf dem keramischen Gehäusekörper mittels Metallisierungsverfahren wie beispielsweise Dick- oder Dünnschichttechnik aufgebracht sind. Vorteilhafterweise ist die Montageseite des Gehäusekörpers, auf der sich die Montageaufnahme für den Sensorchip befindet, bereichsweise ebenflächig ausgeführt, so dass mittels kostengünstiger Siebdrucktechnik oder Sputtertechnologie Leiterbahnen abgeschieden werden können. Weiterhin ist auch eine dreidimensionale Ausführung der Leiterbahnen beispielsweise mittels Tampondruck oder Dispensen möglich.
Weiterhin können Teile der elektrischen Anschlüsse durch das keramische Gehäuse in Form von Vias hindurchgeführt sein, um beidseitig angebrachte Leiterbahnen miteinander elektrisch zu verbinden.
Weiterhin können die elektrischen Anschlüsse einen Verdrahtungsträger aufweisen oder als ein solcher ausgeführt sein oder eine Kombination einer direkt aufgebrachten Dick- oder Dünnschichtmetallisierung mit einem Verdrahtungsträger aufweisen oder daraus bestehen. Der Verdrahtungsträger kann beispielsweise über Lötverbindungen von extern elektrisch kontaktiert werden.
Der Verdrahtungsträger kann eine starre oder flexible Leiterplatte, ein Stanzgitter („lead frame“) oder ein zumindest teilweise mit Kunststoff umhülltes Stanzgitter sein. Eine direkte Montage des Verdrahtungsträgers am keramischen Grundkörper kann beispielsweise durch Einrasten, Verpressen oder Klemmen in entsprechende Strukturen im Grundkörper erfolgen. Weiterhin kann auch eine Befestigung des Verdrahtungsträgers über direktes Löten, beispielsweise Weichlöten, Hartlöten, Glaslöten, Aktivlöten, oder Kleben auf den Grundkörper und/oder auf Leiterbahnen erfolgen.
Der Sensorchip kann an den elektrischen Anschlüssen und/oder an einem Signalverarbeitungschip beispielsweise mittels Bonddrähten oder durch eine direkte Montage auf Leiterbahnen elektrisch angeschlossen sein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das Sensorsystem einen Deckel auf, der auf dem Gehäusekörper über dem Sensorchip befestigt ist. Durch den Deckel kann die Montageseite des Gehäusekörpers, also die Seite mit dem Sensorchip, verschlossen bzw. verkapselt werden. Der Deckel kann beispielsweise Kunststoff, Metall oder ein Keramikmaterial aufweisen oder daraus sein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist ein Verdrahtungsträger, der zumindest einen Teil der elektrischen Anschlüsse bilden kann, Aussparungen auf, durch die Teile des Gehäusekörpers und/oder des Deckels eingreifen oder hindurch greifen, um den Verdrahtungsträger zu arretieren bzw. zu befestigen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der Gehäusekörper Aussparungen auf, in die entsprechende Teile des Deckels und/oder eines Verdrahtungsträgers, der zumindest einen Teil der elektrischen Anschlüsse bildet, eingreifen oder hindurch greifen, so dass eine mechanische Arretierung zur Befestigung des Deckels und/oder des Verdrahtungsträgers gebildet wird.
Der Deckel kann alternativ auch auf dem Gehäusekörper aufgeklebt oder aufgelötet sein. Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Sensorchip und/oder ein Signalverarbeitungschip zumindest teilweise mit einem Polymerverguss bedeckt. Insbesondere kann der Sensorchip mittels Bonddrahtverbindungen elektrisch kontaktiert sein, die mit dem Polymerverguss bedeckt sind. Insbesondere kann der Polymerverguss einen Schutz der bedeckten Teile und Komponenten gegenüber der Umgebung bilden. Hierzu kann der Polymerverguss eine Abdeckung bilden, die zumindest einen Teil einer Außenseite des Drucksensorsystems bildet. Alternativ hierzu kann der Polymerverguss auch unter einem Deckel angeordnet sein. Der Polymerverguss kann dabei zusätzlich oder alternativ auch Teile des Gehäusekörpers oder der elektrischen Anschlüsse bedecken. Der Polymerverguss kann weiterhin vom Deckel beabstandet angeordnet sein. Beispielsweise kann der Deckel eine Vertiefung aufweisen, in der der Sensorchip angeordnet ist, wobei der Polymerverguss in diesem Fall die Vertiefung des Deckels nicht ganz ausfüllt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das Sensorsystem eine Mehrzahl von Sensorchips auf Montageaufnahmen des keramischen Gehäusekörpers auf. Alternativ oder zusätzlich können auch mehrere Signalverarbeitungschips vorgesehen sein.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist das Sensorsystem die folgenden Komponenten auf:

– mindestens ein siliziumbasierter Sensorchip,
– ein keramischer Gehäusekörper, der in monolithischer Ausführung ausgebildet ist und der mindestens eine Montageaufnahme für den mindestens einen Sensorchip aufweist, wobei der mindestens eine Sensorchip direkt mit dem keramischen Gehäusekörper verbunden ist, und
– elektrische Anschlüsse.

In weiteren bevorzugten Ausführungsformen weist das Sensorsystem zusätzlich eines oder mehrere der folgenden Komponenten auf:

– mindestens ein Signalverarbeitungschip, der auf mindestens einer Montageaufnahme des Gehäusekörpers angeordnet ist und der bevorzugt direkt mit dem Gehäusekörper verbunden ist, und
– ein Deckel.

Weitere Vorteile, vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen ergeben sich aus den im Folgenden in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Ausführungsbeispielen.
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Sensorsystems gemäß einem Ausführungsbeispiel,
2A bis 2G schematische Darstellungen von verschiedenen Ansichten eines Sensorsystems gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel und
3A bis 3F schematische Darstellungen von verschiedenen Ansichten eines Sensorsystems gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.
In den Ausführungsbeispielen und Figuren können gleiche, gleichartige oder gleich wirkende Elemente jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen sein. Die dargestellten Elemente und deren Größenverhältnisse untereinander sind nicht als maßstabsgerecht anzusehen, vielmehr können einzelne Elemente, wie zum Beispiel Schichten, Bauteile, Bauelemente und Bereiche, zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein.
In 1 ist ein Sensorsystem gemäß einem Ausführungsbeispiel gezeigt, das einen Sensorchip 1 aufweist, der auf einer Montageaufnahme 20 eines keramischen Gehäusekörpers 2 montiert ist. Die Montageaufnahme 20 ist durch eine Vertiefung des Gehäusekörpers 2 auf einer Montageseite des Gehäusekörpers 2 gebildet. Alternativ dazu kann die Montageaufnahme 20 beispielsweise auch als Erhebung anstelle einer Vertiefung ausgebildet sein. Die Montage des Sensorchips 1 auf der Montageaufnahme 20 des keramischen Gehäusekörpers 2 erfolgt durch ein Verbindungsmaterial 3, sodass der Sensorchip 1 direkt auf dem Gehäusekörper 2 montiert ist.
Der Sensorchip 1 ist als siliziumbasierter Sensorchip ausgebildet, der beispielsweise zur Messung einer Beschleunigung, einer Drehrate, eines Drucks oder eines Magnetfelds vorgesehen und ausgebildet ist.
Der Gehäusekörper 2 ist dreidimensional ausgeformt und ist monolithisch ausgebildet. Insbesondere wird zur Herstellung des keramischen Gehäusekörpers 2 ein Grünkörper hergestellt, der bereits die Form des endgültigen Gehäusekörpers 2 aufweist und der in dieser Form je nach Material getrocknet und/oder entbindert sowie gesintert wird.
Die Herstellung des Gehäusekörpers 2 erfolgt besonders bevorzugt mittels keramischer Spritzgusstechnologie, wie im allgemeinen Teil beschrieben ist, wodurch frei gestaltbare Geometrien und beispielsweise eine gezielte Ausbildung der integrierten Montageaufnahme 20 für den Sensorchip 1 möglich ist. Die Form des Gehäusekörpers 2 gemäß der Darstellung in 1 ist rein exemplarisch zu verstehen und kann weitere geometrische Merkmale und Oberflächenstrukturen oder Formen aufweisen, die beispielsweise zur Aufnahme weiterer elektronischer Bauteile, elektrischer Kontakte, eines Deckels oder zur Montage des Sensorsystems vorgesehen sein können.
Alternativ zur keramischen Spritzgusstechnologie kann der keramische Gehäusekörper 2 beispielsweise auch mittels HTCC-Mehrlagentechnologie hergestellt werden. Eine Strukturierung des Gehäusekörpers, beispielsweise zur Herstellung der Montageaufnahme 20, erfolgt hierbei durch Stanzen von keramischen Folien, die anschließend zur Herstellung eines Grünkörpers verpresst und zur Fertigstellung des Gehäusekörpers 2 versintert werden.
Wird beispielsweise Mullit als Keramikmaterial für den keramischen Gehäusekörper 2 verwendet, kann der mittels Spritzgusstechnologie oder HTCC-Mehrlagentechnologie hergestellte Grünkörper je nach Reinheit und je nach Sinteradditivanteil beispielsweise in einem Temperaturbereich von 1500°C bis 1750°C in Luft gesintert werden.
Insbesondere weist der keramische Gehäusekörper 2 ein Keramikmaterial auf, das einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, der an den thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Sensorchips 1 angepasst ist. Das bedeutet insbesondere, dass die thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Sensorchips 1 und des Gehäusekörpers 2 um weniger als 30 %, bevorzugt um weniger als 20 % und besonders bevorzugt um weniger als 10 % voneinander abweichen. Insbesondere können die Ausdehnungskoeffizienten in einem Temperaturbereich von größer oder gleich -40°C und kleiner oder gleich 150°C und bevorzugt in einem Temperaturbereich von größer oder gleich –50°C und kleiner oder gleich 200°C aneinander angepasst sein. Hierdurch kann sichergestellt werden, dass bei typischen Betriebstemperaturen des Sensorsystems die thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Sensorchips 1 und des Gehäusekörpers 2 möglichst wenig voneinander abweichen.
Als besonders vorteilhaft hat sich als Keramikmaterial für den keramischen Gehäusekörper 2 Mullit, also Aluminiumsilikat, erwiesen. Alternativ hierzu kann das Keramikmaterial des Gehäusekörpers 2 auch Aluminiumnitrid, Siliziumcarbid oder Siliziumnitrid aufweisen oder aus einem oder mehreren der genannten Keramikmaterialien bestehen. Durch eine geeignete Wahl des Keramikmaterials mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten, der im Bereich des Siliziums liegt, das als grundlegendes Chipmaterial des Sensorchips 1 verwendet wird, lassen sich vorteilhafterweise thermisch induzierte mechanische Spannungen, die zu einer Verfälschung des Sensorsignals führen könnten, deutlich reduzieren oder sogar ganz vermeiden. Durch die monolithische Ausführung des Gehäusekörpers 2, der im Vergleich zum Stand der Technik eine Vereinigung mehrerer Systemkomponenten in einem einzigen Bauteil darstellt, kann die Systemkomplexität des Sensorsystems deutlich reduziert werden, was im Vergleich zum Stand der Technik zu einer Material- und Kosteneinsparung führt.
Durch die Anpassung der thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Sensorchips 1 und des Gehäusekörpers 2 aneinander kann besonders bevorzugt ein starres Verbindungsmaterial 3, beispielsweise ein Epoxidharzklebstoff, ein Glaslot oder ein metallisches Lot, verwendet werden. Besonders vorteilhaft ist die Verbindung des Sensorchips 1 zum keramischen Gehäusekörper 2 mittels eines Glaslots oder eines metallischen Lots. Derartige Verbindungsmaterialien weisen im Gegensatz zu Polymeren kein für diese typisches Alterungsverhalten auf, wodurch Veränderungen des Sensorsignals und der mechanischen Verbindung vermieden werden können. Da die thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Sensorchips 1 und des Gehäusekörpers 2 aneinander angepasst sind, kann trotz einer festen direkten Verbindung zwischen dem Sensorchip 1 und dem Gehäusekörper 2 durch das Verbindungsmaterial 3 die Ausbildung thermisch induzierter Verspannungen im Sensorchip 1, die sich auf das Sensorsignal auswirken könnten, vermieden werden.
Insbesondere im Falle von einem keramischen Gehäusekörper 2, der mittels keramischer Spritzgusstechnologie hergestellt wird, kann eine sehr präzise Ausführung der Gehäusedimensionen erreicht werden. Hierdurch ist eine einfache und standardisierte Montage des Sensorchips 1 ohne zusätzliche Systemelemente möglich, während gleichzeitig eine geringe Wärmedehnung, eine sehr hohe mechanische und chemische Robustheit sowie eine extreme Langzeitstabilität erreicht werden kann.
In den folgenden Figuren sind weitere Ausführungsbeispiele für Sensorsysteme gezeigt, die Weiterbildungen und Modifikationen des Sensorsystems gemäß dem Ausführungsbeispiel in 1 zeigen. Die nachfolgende Beschreibung beschränkt sich daher hauptsächlich auf die Unterschiede zum bisher beschriebenen Ausführungsbeispiel.
In Verbindung mit den 2A bis 2G sind verschiedene Ansichten eines weiteren Ausführungsbeispiels für ein Sensorsystem gezeigt, das zusätzlich zum Sensorchip 1 auf dem Gehäusekörper 2 einen Signalverarbeitungschip 7 auf einer weiteren Montageaufnahme 20 des keramischen Gehäusekörpers 2 aufweist, wobei die Montageaufnahme 20 für den Sensorchip 1 und den Signalverarbeitungschip 7 jeweils durch Vertiefungen gebildet sind. Alternativ hierzu kann das Sensorsystem auch eine Mehrzahl von Sensorchips 1 und/oder von Signalverarbeitungschips 7 aufweisen. Der Sensorchip 1 und der Signalverarbeitungschip 7 sind jeweils mittels eines in den nachfolgenden Figuren der Übersichtlichkeit halber nicht gezeigten Verbindungsmaterials, wie in Verbindung mit der 1 und im allgemeinen Teil beschrieben ist, direkt auf dem Gehäusekörper 2 montiert.
Weiterhin weist das in Verbindung mit den 2A bis 2G gezeigte Sensorsystem elektrische Anschlüsse 4, einen Polymerverguss 5 sowie einen Deckel 6 auf.
Die 2A und 2B zeigen das Sensorsystem in einem mittels des Deckels 6 verschlossenen Zustand von der Ober- und der Unterseite, während die 2C eine Schnittdarstellung durch das Sensorsystem zeigt. In den 2D und 2E ist das Sensorsystem zur besseren Veranschaulichung mit geöffnetem Deckel 6 dargestellt, wobei in 2E zusätzlich der Polymerverguss 5 abgehoben ist. Die 2F zeigt eine Detailansicht eines derartig geöffneten Sensorsystems, während in 2G eine Explosionsdarstellung des Sensorsystems dargestellt ist.
Als elektrische Anschlüsse 4 weist das Sensorsystem Teile eines Verdrahtungsträgers 41, Leiterbahnen 42, Lotverbindungen 43 und Bonddrähte 44 auf. Über die elektrischen Anschlüsse 4 kann der Sensorchip 1 mit dem Signalverarbeitungschip 7 elektrisch leitend verbunden werden und es kann weiterhin ein externer elektrischer Anschluss des Sensorsystems bereitgestellt werden. Die Leiterbahnen 42 können beispielsweise auf dem keramischen Gehäusekörper 2 mittels Metallisierungsverfahren wie beispielsweise Dick- oder Dünnschichttechnik aufgebracht werden. Vorteilhafterweise ist die Montageseite des Gehäusekörpers 2 hierzu zumindest bereichsweise ebenflächig ausgeführt, sodass die Leiterbahnen 42 mittels kostengünstiger Siebdrucktechnik oder Sputtertechnologie abgeschieden werden können. Alternativ hierzu kann bei einer entsprechenden Oberflächentopographie des Gehäusekörpers 2 auch eine dreidimensionale Ausbildung von Leiterbahnen beispielsweise mittels Tampondruck oder Dispensen erfolgen.
Mittels den Bonddrähten 44 sind der Sensorchip 1 und der Signalverarbeitungschip 7 an Leiterbahnen 42 elektrisch angeschlossen. Zur externen Kontaktierung des Sensorsystems ist der Verdrahtungsträger 41 vorgesehen, dessen Teile mittels Lotverbindungen 43 auf entsprechenden Kontaktstellen der Leiterbahnen 42 aufgelötet sind und der aus dem mittels des Deckels 6 verschlossenen Gehäusekörpers 2 herausragt, sodass das Sensorsystem durch Verlöten der Verdrahtungsträgers 41 elektrisch angeschlossen werden kann. Der Verdrahtungsträger 41 kann beispielsweise eine starre oder flexible Leiterplatte, ein Stanzgitter, also ein so genanntes Leadframe, oder ein zumindest teilweise mit Kunststoff umhülltes Stanzgitter sein.
Alternativ zu einem Löten, beispielsweise Weichlöten, Hartlöten, Glaslöten oder Aktivlöten, mittels dem der Verdrahtungsträger 41 auf den Leiterbahnen 42 und weiterhin beispielsweise auch auf Teilen des Gehäusekörpers 2 befestigt werden kann, kann der Verdrahtungsträger 41 auch mittels Kleben befestigt werden. Weiterhin kann eine direkte Montage des Verdrahtungsträgers 41 am keramischen Gehäusekörper 2 mittels Einrasten, Verpressen oder Klemmen in entsprechende Strukturen des Keramikkörpers 2 erfolgen. Solche Strukturen können mit dem oben beschriebenen Verfahren zusammen mit den anderen dreidimensionalen Gehäusemerkmalen des Gehäusekörpers hergestellt werden. Beispielsweise ist es auch möglich, dass der Verdrahtungsträger 41 Aussparungen aufweist, durch die Teile des Keramikkörpers 2 und/oder des Deckels 6 hindurch greifen, um den Verdrahtungsträger 41 zu arretieren beziehungsweise zu befestigen.
Der Deckel 6 dient zum Verschluss der Montageseite des keramischen Grundkörpers 2, auf der der Sensorchip 1 angeordnet ist. Der Deckel 6 kann beispielsweise aus Kunststoff, Metall oder einer Keramik bestehen oder zumindest eines oder mehrere der genannten Materialien aufweisen. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Deckel 6 insbesondere aus einem Kunststoffmaterial hergestellt. Zur Befestigung des Deckels 6 auf dem Gehäusekörper 2 kann der Gehäusekörper 2 Aussparungen aufweisen, in die Teile des Deckels 6 eingreifen oder hindurch greifen, sodass eine mechanische Arretierung 71 des Deckels 6 auf dem Gehäusekörper 2 gebildet wird.
Der Deckel 6 weist eine Vertiefung auf, die sich über die Montageseite des Gehäusekörpers 2 erstreckt. In der Vertiefung des Deckels 6 ist zumindest auf Teilen des Sensorchips 1 und/oder der elektrischen Anschlüsse 4 und/oder des Signalverarbeitungschips 7 und/oder des Gehäusekörpers 2 ein Polymerverguss 5 angeordnet, der zum Schutz oder zur Stabilisierung der bedeckten Flächen oder Elemente dienen kann. Wie in 2C gezeigt ist, kann der Polymerverguss 5 dabei vom Deckel 6 beabstandet angeordnet sein, sodass die Vertiefung des Deckels 6 nicht gänzlich mit dem Polymer gefüllt ist. Insbesondere die Bonddrahtverbindungen können mit einem Polymer zur Stabilisierung dieser bedeckt sein.
Alternativ zum gezeigten Ausführungsbeispiel kann das Drucksensorsystem auch nur einen Polymerverguss 5 und keinen Deckel aufweisen. In diesem Fall kann der Polymerverguss 5 einen Schutz der bedeckten Teile und Komponenten gegenüber der Umgebung bilden. Hierzu kann der Polymerverguss 5 eine Abdeckung bilden, die zumindest einen Teil einer Außenseite des Drucksensorsystems bildet.
In Verbindung mit den 3A bis 3F ist ein weiteres Ausführungsbeispiel für ein Sensorsystem gezeigt, das eine Modifikation des vorherigen Ausführungsbeispiels darstellt. In den 3A und 3B sind wiederum Ansichten der Ober- und der Unterseite des Sensorsystems gezeigt, während die 3C eine Schnittdarstellung durch das Sensorsystem ist. In 3D ist das Sensorsystem mit geöffnetem Deckel 6 gezeigt, während in 3E eine Detailansicht des geöffneten Sensorsystems mit entferntem Polymerverguss 5 gezeigt ist. 3F zeigt eine Explosionsdarstellung des Sensorsystems.
Im Vergleich zum vorherigen Ausführungsbeispiel weist das Sensorsystem gemäß dem Ausführungsbeispiel der 3A bis 3F einen Gehäusekörper 2 mit Montageaufnahmen 20 auf, die als Erhebungen ausgebildet sind. Auf den Montageaufnahmen 20 sind jeweils ein Sensorchip 1 und ein Signalverarbeitungschip 7 angeordnet, die über Bonddrähte 44 elektrisch miteinander kontaktiert sind. Zum Schutz der Bondverbindungen auf den Chips 1, 7 sind diese jeweils mit einem eigenen Polymerverguss 5 bedeckt. Die elektrischen Anschlüsse 4 weisen im Vergleich zum vorherigen Ausführungsbeispiel Teile eines Verdrahtungsträgers 41 sowie Leiterbahnen 42 auf der der Montageseite abgewandten Unterseite des Gehäusekörpers 2 auf. Eine elektrische Kontaktierung mit den Chips 1, 7 erfolgt über metallische Vias 45, die durch den Gehäusekörper 2 von der Unterseite zu den Montageaufnahmen 20 hindurch reichen.
Zur Befestigung des Deckels 6 auf dem Gehäusekörper 2 ist eine Dickschichtmetallisierung 72 auf dem Gehäusekörper 2 vorgesehen, die zum Verlöten des Deckels 6 mit dem Gehäusekörper 2 dient. Alternativ hierzu kann der Deckel 6 beispielsweise auch mittels eines Klebstoffs auf dem Gehäusekörper 2 befestigt werden.
Die in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele des Sensorsystems sind nicht auf die gezeigten Merkmale beschränkt und können weitere oder alternative Merkmale gemäß den Ausführungsformen im allgemeinen Teil aufweisen.
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele auf diese beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.
Bezugszeichenliste

1: Sensorchip
2: Gehäusekörper
3: Verbindungsmaterial
4: elektrischer Anschluss
5: Polymerverguss
6: Deckel
7: Signalverarbeitungschip
20: Montageaufnahme
41: Verdrahtungsträger
42: Leiterbahn
43: Lotverbindung
44: Bonddraht
45: Via
71: mechanische Arretierung
72: Dickschichtmetallisierung

Claims

Sensorsystem mit einem Sensorchip (1), der auf einer Montageaufnahme (20) eines keramischen Gehäusekörpers (2) montiert ist, wobei der Gehäusekörper (2) dreidimensional ausgeformt und monolithisch ausgebildet ist und durch ein Keramikmaterial mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten gebildet wird, der in einem Temperaturbereich von größer oder gleich –40°C und kleiner oder gleich 150°C um weniger als 30% vom thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Sensorchips (1) abweicht.
Sensorsystem nach Anspruch 1, wobei der Sensorchip (1) auf Silizium basiert.
Sensorsystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Keramikmaterial Mullit aufweist.
Sensorsystem nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Keramikmaterial Aluminiumnitrid, Siliziumcarbid und/oder Siliziumnitrid aufweist.
Sensorsystem nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Gehäusekörpers (2) und des Sensorchips (1) in einem Temperaturbereich von größer oder gleich –50°C und kleiner oder gleich 200°C um weniger als 30% voneinander abweichen.
Sensorsystem nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die thermischen Ausdehnungskoeffizienten um weniger als 20% und bevorzugt um weniger als 10% voneinander abweichen.
Sensorsystem nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Montageaufnahme (20) durch eine Erhöhung oder eine Vertiefung des Gehäusekörpers (2) gebildet wird.
Sensorsystem nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei auf einer weiteren Montageaufnahme (20) des Gehäusekörpers (2) ein Signalverarbeitungschip (7) montiert ist.
Sensorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Sensorchip (1) mittels eines starren Verbindungsmaterials (3) direkt auf der Montageaufnahme (20) montiert ist, das durch ein Glaslot, ein metallisches Lot oder einen Epoxidharzklebstoff gebildet wird.
Sensorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Sensorchip (1) mittels eines flexiblen Verbindungsmaterials (3) direkt auf der Montageaufnahme (20) montiert ist, das durch einen Silikonklebstoff gebildet wird.
Sensorsystem nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Gehäusekörper (2) mittels eines keramischen Spritzgussverfahrens oder mittels eines HTCC-Mehrlagenverfahrens dreidimensional ausgeformt und monolithisch ausgebildet ist.
Sensorsystem nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Sensorsystem elektrische Anschlüsse (4) auf und/oder im Gehäusekörper (2) zum elektrischen Anschluss zumindest des Sensorchips (1) aufweist, die eines oder mehrere der folgenden Elemente aufweisen: Verdrahtungsträger (41), Leiterbahnen (42), Bonddrähte (44), metallische Vias (45).
Sensorsystem nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Sensorchip (1) mittels Bonddrahtverbindungen (44) elektrisch kontaktiert ist, die mit einem Polymerverguss (5) bedeckt sind.
Sensorsystem nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Sensorsystem einen Deckel (6) aufweist, der auf dem Gehäusekörper (2) über dem Sensorchip (1) befestigt ist.
Sensorsystem nach Anspruch 14, wobei der Deckel (6) auf dem Gehäusekörper (2) aufgeklebt, aufgelötet oder durch eine mechanische Arretierung (71) befestigt ist.