DE102014210523A1 - Spannungsarmes Verkleben von Sensorchips - Google Patents

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DE102014210523A1
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Thomas Fischer
Stefan Günthner
Dietmar Huber
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Continental Teves AG and Co OHG
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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Sensor (7) zum Ausgeben eines Sensorsignals (10, 11, 12) basierend auf einer zu erfassende Messgröße (9), umfassend: – einen Verdrahtungsträger (26), und – eine wenigstens teilweise über einen Kleber (33) auf dem Verdrahtungsträger (26) aufgeklebte und verdrahtete Sensorschaltung (25) zum Ausgeben des Sensorsignals (10, 11, 12) basierend auf der zu erfassenden Messgröße (9), – wobei ein Elastizitätsmodul des Klebers (33) von einem Elastizitätsmodul des Verdrahtungsträgers (26) abhängig ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Sensor zum Ausgeben eines Sensorsignals basierend auf einer zu erfassenden Messgröße.
  • Aus der WO 2010/037 810 A1 ist ein Sensor zum Ausgeben von Messdaten basierend auf einer erfassten physikalischen Größe bekannt.
  • Es ist Aufgabe der Erfindung, den bekannten Sensor zu verbessern.
  • Die Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
  • Gemäß einem Aspekt der Erfindung umfasst einen Sensor zum Ausgeben eines Sensorsignals basierend auf einer zu erfassenden Messgröße, einen Verdrahtungsträger und eine wenigstens teilweise über einen Kleber auf dem Verdrahtungsträger aufgeklebte und verdrahtete Sensorschaltung zum Ausgeben des Sensorsignals basierend auf der zu erfassenden Messgröße, wobei ein Elastizitätsmodul des Klebers von einem Elastizitätsmodul des Verdrahtungsträgers abhängig ist.
  • Dem angegebenen Sensor liegt die Überlegung zugrunde, dass sich der die Sensorschaltung tragende Verdrahtungsträger über die Zeit verwölben könnte. Diese Verwölbungen können beispielsweise durch mechanische Verspannungen auftreten, die beim Aushärten einer Schutzmasse und/oder des Klebers entstehen, in der die Sensorschaltung zum Schutz vor Verwitterungen oder anderen äußeren Einflüssen eingehaust werden kann.
  • Diese Verwölbungen wirken jedoch auf die Sensorschaltung und könnten die Erfassung der Messgröße beeinflussen, indem sie die Messgröße mit einem Fehler überlagern. Aus diesem Grunde wird im Rahmen des angegebenen Sensors vorgeschlagen, den Kleber dazu zu verwenden, zumindest einen Teil der Sensorschaltung mechanisch vom Verdrahtungsträger zu entkoppeln.
  • Dies wird dadurch erreicht, dass das Elastizitätsmodul des Klebers in Abhängigkeit des Elastizitätsmoduls des Verdrahtungsträgers gewählt wird. Der Kleber sollte dabei möglichst das elastischste Bauteil in dieser Verbindung sein. Auf diese Weise wirkt der Kleber wie eine mechanische Entkopplung, die mechanische Verspannungen, wie die oben genannten Verwölbungen des Verdrahtungsträgers nicht an die Sensorschaltung weiterleitet.
  • Andererseits sollte der Kleber aber nicht zu weich sein, weil der Kleber ansonsten ein zu schlechtes Fließverhalten besitzen würde, was zu einer besonders schlechten Langzeitstabilität der mechanischen Verbindung zwischen der Sensorschaltung und dem Verdrahtungsträger führen würde.
  • In einer Weitebildung des angegebenen Sensors ist das Elastizitätsmodul des Verdrahtungsträgers 5 bis 25 mal, vorzugsweise 10 bis 20 mal und besonders bevorzugt 15 mal größer, als das Elastizitätsmodul des Klebers. In diesen Bereichen werden eine optimale mechanische Entkopplung der oben genannten Verwölbungen des Verdrahtungsträgers von der Sensorschaltung sowie eine hohe Langzeitstabilität der mechanischen Verbindung zwischen der Sensorschaltung und dem Verdrahtungsträger erreicht.
  • In einer besonderen Weiterbildung des angegebenen Sensors ist der Kleber elektrisch leitfähig. Auf diese Weise ist eine elektrische Leitung zwischen Verdrahtungsträger und Sensorschaltung praktisch kostenlos hergestellt. Diese elektrische Leitung kann daher beispielsweise als Potenzialausgleich verwendet werden.
  • In einer anderen Weiterbildung des angegebenen Sensors ist der Kleber wärmeleitfähig. Auf diese Weise kann bei der Erzeugung des Sensorsignals entstehende Abwärme aus der Sensorschaltung über den Verdrahtungsträger abgeführt werden, wodurch andere technische Maßnahmen zum Kühlen der Sensorschaltung zumindest kleiner ausfallen können.
  • In einer noch anderen Weiterbildung des angegebenen Sensors weist der Kleber eine Schichtdicke auf, die eine vorbestimmte Schichtdicke unterschreitet. Auf diese Weise kann beim Abdrücken der Bauelemente der Sensorschaltung auf den Verdrahtungsträger vermieden werden, dass der Kleber in die Seitenbereiche des Bauelementes gedrückt wird, die auf diese Weise dann nach oben, vom Verdrahtungsträger weggedrückt werden könnten, was zu oben genannten und zu vermeidenden mechanischen Verspannungen führen würde.
  • In einer weiteren Weiterbildung umfasst der angegebene Sensor eine die Sensorschaltung einhausende Schutzmasse. Diese Schutzmasse könnte, wie bereits erläutert die Sensorschaltung vor Verwitterung und anderen die Sensorschaltung beschädigenden Einflüssen schützen.
  • In einer zusätzlichen Weiterbildung des angegebenen Sensors ist ein Elastizitätsmodul der Schutzmasse vom Elastizitätsmodul des Klebers abhängig. Auch hier sollte das Elastizitätsmodul des Klebers weiterhin so gewählt werden, dass er das elastischste Bauteil gegenüber dem Verdrahtungsträger und der Schutzmasse darstellt.
  • Jedoch sollte die Schutzmasse zur Vermeidung von mechanischen Spannungen aus dem Verdrahtungsträger gegenüber diesem ebenfalls härter ausgebildet sein. Im Rahmen der oben genannten Angaben für das Verhältnis zwischen dem Elastizitätsmodul des Verdrahtungsträgers zum Elastizitätsmodul des Klebers sollte das Elastizitätsmodul der Schutzmasse 1 bis 5 mal, vorzugsweise 1,5 bis 3 mal und besonders bevorzugt 2 mal größer gewählt werden, als das Elastizitätsmodul des Klebers.
  • In einer bevorzugten Weiterbildung des angegebenen Sensors sollte ein thermischer Ausdehnungskoeffizient der Schutzmasse zusätzlich von einem Ausdehnungskoeffizient wenigstens eines Schaltungselements der Sensorschaltung abhängig sein, so dass Wärmebewegungen der Schutzmasse so abgestimmt werden können, dass Auswirkungen auf die Sensorschaltung bei der Erzeugung des Sensorsignals möglichst gering sind.
  • Das Schaltungselement, das in der Sensorschaltung dabei am meisten berücksichtigt werden sollte, der Messaufnehmer zum Erzeugen eines Gebersignals in Abhängigkeit der zu erfassenden Messgröße sein.
  • Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden, wobei:
  • 1 eine schematische Ansicht eines Fahrzeuges mit einer Fahrdynamikregelung,
  • 2 eine schematische Darstellung eines Inertialsensors in dem Fahrzeug der 1,
  • 3 eine schematische Darstellung eines alternativen Inertialsensors in dem Fahrzeug der 1,
  • 4 eine schematische Ansicht eines Inertialsensors in SMD-Bauart in einem ersten Herstellungszustand,
  • 5 eine schematische Ansicht eines Inertialsensors in SMD-Bauart in einem zweiten Herstellungszustand,
  • 6 eine schematische Ansicht eines Inertialsensors in SMD-Bauart in einem hergestellten Zustand,
  • 7 eine schematische Ansicht eines Inertialsensors in Satellitenbauart in einem ersten Herstellungszustand,
  • 8 eine schematische Ansicht eines Inertialsensors in Satellitenbauart in einem zweiten Herstellungszustand,
  • 9 eine schematische Ansicht eines Inertialsensors in Satellitenbauart in einem hergestellten Zustand, und
  • 10 eine Abfolge von Schritten für ein Herstellungsverfahren zum Herstellen eines Inertialsensors zeigen.
  • In den Figuren werden gleiche technische Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen und nur einmal beschrieben.
  • Es wird auf 1 Bezug genommen, die eine schematische Ansicht eines Fahrzeuges 1 mit einer an sich bekannten Fahrdynamikregelung zeigt. Details zu dieser Fahrdynamikregelung können beispielsweise der DE 10 2011 080 789 A1 entnommen werden.
  • Das Fahrzeug 1 umfasst ein Chassis 2 und vier Räder 3. Jedes Rad 3 kann über eine ortsfest am Chassis 2 befestigte Bremse 4 gegenüber dem Chassis 2 verlangsamt werden, um eine Bewegung des Fahrzeuges 1 auf einer nicht weiter dargestellten Straße zu verlangsamen.
  • Dabei kann es in einer dem Fachmann bekannten Weise passieren, dass das die Räder 3 des Fahrzeugs 1 ihre Bodenhaftung verlieren und sich das Fahrzeug 1 sogar von einer beispielsweise über ein nicht weiter gezeigtes Lenkrad vorgegebenen Trajektorie durch Untersteuern oder Übersteuern wegbewegt. Dies wird durch an sich bekannte Regelkreise wie ABS (Antiblockiersystem) und ESP (elektronisches Stabilitätsprogramm) vermieden. In derartigen Regelkreisen werden durch Sensoren Messdaten erfasst. Regler vergleichen die Messdaten dann mit Solldaten und führen die Messdaten mittels Stellgliedern an die Solldaten heran.
  • In der vorliegenden Ausführung weist das Fahrzeug 1 als Sensoren Drehzahlsensoren 5 an den Rädern 3 auf, die als Messdaten jeweils Drehzahlen 6 der Räder 3 erfassen. Ferner weist das Fahrzeug 1 als Sensor einen Inertialsensor 7 auf, der als Messdaten Fahrdynamidaten 8 des Fahrzeuges 1 erfasst aus denen beispielsweise eine Nickrate, eine Wankrate, eine in 2 gezeigte Gierrate 10, eine in 2 gezeigte Querbeschleunigung 11, eine in 2 gezeigte Längsbeschleunigung 12 und/oder eine Vertikalbeschleunigung in einer dem Fachmann an sich bekannten Weise ausgegeben werden kann.
  • Basierend auf den erfassten Drehzahlen 6 und Fahrdynamikdaten 8 kann ein Regler 9 in einer dem Fachmann bekannten Weise bestimmen, ob das Fahrzeug 1 auf der Fahrbahn rutscht oder sogar von der oben genannten vorgegebenen Trajektorie abweicht und entsprechen mit einem an sich bekannten Reglerausgangssignal 13 darauf reagieren. Das Reglerausgangssignal 13 kann dann von einer Stelleinrichtung 14 verwendet werden, um mittels Stellsignalen 15 Stellglieder, wie die Bremsen 4 anzusteuern, die auf das Rutschen und die Abweichung von der vorgegebenen Trajektorie in an sich bekannter Weise reagieren.
  • Der Regler 9 kann beispielsweise in eine an sich bekannte Motorsteuerung des Fahrzeuges 1 integriert sein. Auch können der Regler 9 und die Stelleinrichtung 14 als eine gemeinsame Regeleinrichtung ausgebildet und optional in die zuvor genannte Motorsteuerung integriert sein.
  • Anhand des in 1 gezeigten Inertialsensors 7 soll die vorliegende Erfindung näher verdeutlicht werden, auch wenn die vorliegende Erfindung an beliebigen elektronischen Vorrichtungen und insbesondere an beliebigen Sensoren, wie den Drehzahlsensoren 5, Magnetfeldsensoren, Körperschallsensoren oder Temperatursensoren umsetzbar ist.
  • Für die in 1 erläuterte Fahrdynamikregelung muss, wie beispielsweise in der DE 10 2006 053 308 A1 ausgeführt, mindestens die Gierrate 10 erfasst werden. Auch die Erfassung der Querbeschleunigung 11 ist im Rahmen der Fahrdynamikregelung sinnvoll. Jedoch können mit dem Inertialsensor 7 applikationsabhängig Drehraten und Beschleunigungen in beliebigen Raumrichtungen erfasst werden. Dabei soll nachstehend der Übersichtlichkeit halber angenommen werden, dass für jede Drehrate und für jede Beschleunigung ein eigener Messaufnehmer notwendig ist, wobei die einzelnen Messaufnehmer in dem Inertialsensor 7 der 2 zu einem Sensorcluster 15 zusammengefasst sind.
  • Der Inertialsensor 7 der 2 soll beispielhaft als sechsachsiger Inertialsensor ausgebildet sein, der in der Lage ist, die Drehraten und Beschleunigungen in allen drei Raumrichtungen zu erfassen. Hierzu müsste der Sensorcluster 15 unter der zuvor genannten Voraussetzung sechs verschiedene Messaufnehmer umfassen. Der Übersichtlichkeit halber sind in 2 jedoch nur drei der Messaufnehmer in dem Sensorcluster 15 dargestellt, und zwar im Einzelnen ein Gierratenmessaufnehmer 16, einen Querbeschleunigungsmessaufnehmer 17 und einen Längsbeschleunigungsmessaufnehmer 18.
  • Jeder der Messaufnehmer 16, 17, 18 ist über Verdrahtungen 19 an eine eigene Ansteuer- und Auswerteschaltung 20 angeschlossen, über die der jeweilige Messaufnehmer 16, 17, 18 an die jeweilige Ansteuer- und Auswerteschaltung 20 ein nicht weiter indiziertes von der jeweiligen zu erfassenden Messgröße 10, 11, 12 abhängiges Messsignal ausgibt.
  • Die einzelnen Signalaufbereitungsschaltungen 20 in dem Inertialsensor 7 bestimmen aus dem jeweils empfangenen Messsignal aus den einzelnen Messaufnehmern 16, 17, 18 die jeweilige Messgröße 10, 11, 12 und geben sie als digitale Daten über Verdrahtungen an eine Datenschnittstelle 21 aus.
  • Die Datenschnittstelle 21 moduliert die empfangenen digitalen Daten dann gemäß einem bestimmten Muster und überträgt sie als die Fahrdynamikdaten 8 an den Regler 9. Das Modulationsmuster hängt dabei von der verwendeten Schnittstelle ab. Im Automobilbereich sind verschiedene Schnittstellen gängig, wie beispielsweise eine Schnittstelle zu einem Controller Area Network Bus, CAN-Bus genannt. Sensordaten, wie die Messgrößen 10, 11, 12 aus dem Inertialsensor 7 können jedoch in besonders effizienter Weise mit einer sogenannten Peripheral Sensor Interface 5 Schnittstelle, PSI5-Schnittstelle genannt, über eine Zweidrahtleitung 22 an den Regler 9 übertragen werden, weshalb die Datenschnittstelle 21 in besonders günstiger Weise als PSI5-Schnittstelle 21 ausgebildet sein kann. Nähere Informationen hierzu können dem einschlägigen Standard entnommen werden.
  • Einer der Hauptvorteile der PSI5-Schnittstelle ist, dass sie sich beispielsweise gegenüber einem CAN-Bus vollständig ohne einen Mikrocontroller realisieren lässt, wodurch deutliche Kostenvorteile bei der Herstellung und Wartung von Sensoren zu erwarten sind.
  • Die einzelnen Komponenten des Inertialsensors 7 können in einem Gehäuse 23 aufgenommen und mit einem Abschirmblech 24 gegen elektromagnetische Störstrahlung abgeschirmt sein.
  • Es wird auf 3 Bezug genommen, die eine Alternative für den Inertialsensor 7 zeigt. Während der Inertialsensor 7 der 2 als Satellit ausgeführt ist, der an einer beliebigen Stelle im Fahrzeug 1 positioniert werden kann und seine Fahrdynamikdaten 8 über das Datenkabel 22 an den Regler 9 sendet, ist der Inertialsensor 7 der 3 als elektronische Baugruppe in Form eines Surface-mounted device, nachstehend SMD-Baugruppe genannt, ausgebildet.
  • Der Inertialsensor 7 der 3 ist rein illustrativ als zweiachsiger Inertialsensor ausgebildet, der einen Gierratenmessaufnehmer 16 und einen Querbeschleunigungsmessaufnehmer 17 umfasst. Die einzelnen Signalverarbeitungsschaltungen 20 sind in einem gemeinsamen ASIC verschaltet. Der Gierratenmessaufnehmer 16, der Querbeschleunigungsmessaufnehmer 17 und der gemeinsame ASIC 20 bilden eine Sensorschaltung 25, die auf einem Verdrahtungsträger 26 in Form einer Leiterplatte getragen und über Bonddrähte 27 sowie Leiterbahnen des Verdrahtungsträgers 26 verschaltet ist.
  • Die Sensorschaltung 25 ist in einer Schutzmasse 28 eingehaust, die alternativ oder zusätzlich zum Schutz der Sensorschaltung 25 zu einem Gehäuse, wie dem Gehäuse 23 der 2 vorhanden sein könnte. Dabei könnte die Sensorschaltung 25 gegenüber der Schutzmasse 28 über eine mechanische Entkopplungsmasse, nachstehend Globetop-Masse 29 genannt mechanisch entkoppelt sein.
  • Die elektronische Kontaktierung mit dem Regler 9 kann über Lötkugeln 30 erfolgen.
  • Nachstehend soll anhand der 4 bis 6 die Herstellung des Inertialsensors 7 der 3 in der SMD-Baugruppenvariante näher erläutert werden.
  • Zunächst ist für die Sensorschaltung 25 ein geeigneter Verdrahtungsträger 26 zu wählen. Hauptkriterium sollte die möglichst stressarme Verkapselung in der Schutzmasse 28 sein.
  • Aus Kostengründen kommt als Verdrahtungsträger 26 in der Regel ein Leadframe zum Einsatz, der in 4 mit dem Bezugszeichen 26 versehen ist. Für die zuvor erwähnt stressarme Verkapselung sollte die Materialstärke 31 des Leadframes 26 so ausgeführt sein, dass der Leadframe 26 eine ausreichende Steifigkeit aufweist, um eine Verwölbung durch weitere Prozessschritte und nachfolgende Temperatureinflüsse zu minimieren. Dabei haben sich Materialstärken 31 zwischen 0,2mm und 0,4 mm als besonders geeignet herausgestellt. Das Material des Leadframes 26 sollte so gewählt werden, dass der Ausdehnungskoeffizient des Materials des Leadframes 26 ähnlich dem Ausdehnungskoeffizienten der Bauelemente der Sensorschaltung 25 ist, die in der Regel aus Halbleitern aufgebaut sind. Auf diese Weise können temperaturbedingte mechanische Spannungen so gering wie möglich gehalten werden.
  • Neben dem zuvor genannten Hauptkriterium der stressarmen Verkapselung für die Auswahl und Dimensionierung des Leadframes 26 sollten noch folgende Kriterien mit berücksichtigt werden:
    • – die Wärmeleitfähigkeit des Materials des Leadframes 26 zur Ableitung von Verlustleistung, die beispielsweise in den im ASIC untergebrachten Signalverarbeitungsschaltungen 20 entsteht,
    • – die Kaltumformbarkeit des Materials des Leadframes 26 zum Biegen von Kontaktpins,
    • – die Korrosionsbeständigkeit des Materials des Leadframes 26 gegen Umwelteinflüsse,
    • – die Schweißbarkeit des Materials des Leadframes 26 durch Widerstandsschweißen zur Kontaktierung des Abschirmblechs 24 und der Steckerkontakte sowie
    • – die Galvanisierbarkeit des Materials des Leadframes 26 zur Verbesserung der Oberflächeneigenschaften.
  • Die Oberfläche des Leadframes 26 kann zudem beschichtet werden. Diese Oberflächenbeschichtung sollte so ausgeführt sein, dass an den elektrisch zu kontaktierenden Stellen 32 eine sogenannte spot-Beschichtung vorhanden ist. Hierbei handelt es sich um eine lokal begrenzte Beschichtung an den Stellen 32, an denen die elektronischen Bauelemente der Sensorschaltung 25 mit dem Leadframe kontaktiert werden. Diese spot-Beschichtung kann sich aus einer auch als Diffusionsbarriere dienenden Haftvermittlungsschicht, einem sogenannten sehr dünn aufgetragenem Kupfer Flash und der Endmetallisierung Nickel/Gold oder Silber zusammensetzen. Die zu kontaktierenden Stellen 32 können alle Kontaktstellen auf dem Leadframe 26 umfassen, an denen eine elektrische Kontaktierung stattfinden soll. Das heißt, an Stellen 32, an denen ein nachstehend zu beschreibender Kleber 33 aufgetragen und/oder die nachstehend noch näher zu beschreibenden Verdrahtungen 19 elektrisch angebunden werden.
  • Auf die zu kontaktierenden Stellen 32 kann dann der zuvor erwähnte Kleber 33 aufgebracht werden. Der Kleber 33 zum Aufbringen der elektronischen Bauelemente 16, 17, 20 der Sensorschaltung 25 auf dem Trägersubstrat sollte elektrisch leitfähig sein. Auf diese Weise könnte beispielsweise der ASIC mit den Signalverarbeitungsschaltungen 20 über seine Chiprückseite an ein Massepotenzial angeschlossen werden. Der Kleber 33 kann aber auch nichtleitend ausgebildet werden, insbesondere dann, wenn kein Potenzialausgleich erforderlich ist. Ferner sollte der Kleber 33 eine gute Wärmeleitfähigkeit aufweisen, um aus der Sensorschaltung 25 sich in Wärme niederschlagende Verlustleistung abzuleiten. Das Elastizitätsmodul des ausgehärteten Klebers 33 sollte in einem Bereich liegen, indem sich Verwölbungen der elektronischen Bauelemente 16, 17, 20 der Sensorschaltung 25 so gering wie möglich auswirkt. Auch die Menge des Klebers 33 sollte so dosiert werden, dass gerade die Chiprückseite vollständig benetzt ist, so dass der Kleber 33 nicht in die Randbereiche der elektronischen Bauelemente 16, 17, 20 der Sensorschaltung 25 gedrückt werden kann, denn das würde dazu führen, dass deren Seitenflächen nach oben, und damit vom Leadframe 26 weggedrückt werden. Eine weitere wichtige Eigenschaft des einzusetzenden Klebers 33 könnte ein geringes Ausgas- sowie Ausblutverhalten sein, um die nachfolgend elektrisch zu kontaktierenden Stellen 32 auf dem Leadframe sowie elektrisch zu kontaktierenden Stellen auf den elektronischen Bauelementen 16, 17, 20 der Sensorschaltung 25 nicht zu kontaminieren und somit die Qualität der kontaktierenden Stellen 32 negativ zu beeinflussen.
  • Um einer Kontamination entgegenzuwirken und um eine Reinheit der Oberfläche zu gewährleisten könnte vor einem elektrischen Verschalten der elektronischen Bauelemente 16, 17, 20 der Sensorschaltung 25 beispielsweise durch Drahtbonden eine H2-Plasma Reinigung durchgeführt werden. Hierdurch würden von den Stellen, die mit den als Drahtbonds ausgebildeten Verdrahtungen 19 elektrisch verbunden werden, organische sowie anorganische Verunreinigungen abgelöst, um eine ausreichende Haftung der Bonddrähte 19 beispielsweise auf dem Leadframe 26 zu erreichen. Um die Haftung der Bonddrähte 19 mit einem Golddraht zu steigern könnte das an sich bekannte dreistufige SOB-Verfahren (Stitch on Bump) angewendet werden.
  • Nach dem elektrischen Verschalten mit den Verdrahtungen 19 können zumindest die Messaufnehmer 16, 17, wie in 5 gezeigt, mit der mechanischen Entkopplungsmasse 29 eingehüllt werden. Als mechanische Enkopplungsmasse 29 könnte ein weicher silikonartiger Verguss verwendet werden, der zumindest die stressempfindlichen Messaufnehmer 16, 17 von der Schutzmasse 28 mechanisch entkoppelt. Das Material sollte dabei nur über die stressempfindlichen Messaufnehmer 16, 17 aufgetragen werden, so dass deren Oberfläche benetzt ist und die Bonddrähte 19 zum ASIC mit den Signalverarbeitungsschaltungen 20 aus der mechanischen Entkopplungsmasse 29 herausragen. Um bei der Verarbeitung der mechanischen Entkopplungsmasse 29 ohne zusätzliche Barriere gegen das Weglaufen des Materials auszukommen, sollte als mechanische Entkopplungsmasse 29 ein rheologisch thixotrop eingestelltes Material eingesetzt werden.
  • Anschließend könnte die Sensorschaltung 25 in der Schutzmasse 28 eingehaust oder verkapselt werden. Optional könnten die Oberflächeneigenschaften des Leadframes 26, die Oberflächeneigenschaften der Messaufnehmer 16, 17, die Oberflächeneigenschaften des ASIC mit den Signalverarbeitungsschaltungen 20 und/oder die Oberflächeneigenschaften der mechanischen Entkopplungsmasse 29 zur Vorbereitung auf diese Verkapselung verbessert werden. Hierzu könnten zunächst im Rahmen eines kurzen, zusätzlichen H2-Plasma-Reinigungsprozesses Kontaminationen und zu dicke Oxidschichten beseitigt werden. Im Anschluss daran könnte eine Plasma-Aktivierung mittels eines Argon- und/oder Stickstoffplasmas durchgeführt werden. Hierdurch wird die Oberflächenenergie der jeweiligen behandelten Oberfläche erhöht, wodurch die Haftung der Schutzmasse 28 an der jeweiligen behandelten Oberfläche verbessert wird.
  • Als Schutzmasse 28 könnte beispielsweise Epoxid-Material gewählt werden, in dem die Sensorschaltung durch Spritzpressen verkapselt werden kann. Dieser Prozess wird auch Transfer Molding genannt. Um den Stresseintrag beim Verkapseln durch das Spritzpressen möglichst gering zu halten, sollte die Schutzmasse 28 so gewählt werden, dass sie einen möglichst geringen Stressindex besitzt. Der Stressindex ist abhängig vom Ausdehnungskoeffizienten der Schutzmasse 28 und der von der Schutzmasse 28 eingekapselten Materialen, das heißt der Materialien der Sensorschaltung 25. Da die Sensorschaltung 25 zum Großteil aus Halbleitern besteht, gilt auch hier, den Ausdehnungskoeffizienten der Schutzmasse 28 dem von Halbleitern anzugleichen. Einen weiteren wichtigen Einflussfaktor stellt das Elastizitätsmodul der Schutzmasse 28 dar. Je kleiner das Elastizitätsmodul der Schutzmasse 28 ist, desto elastischer ist die Schutzmasse 28 und desto geringer ist der Stresseintrag auf die Sensorschaltung 25. Die Schutzmasse 28 sollte so um den Leadframe 26 dimensioniert werden, dass es Verwölbungen durch die Kombination aus Leadframe 26 und aufgeklebten elektronischen Bauelementen 16, 17, 20 der Sensorschaltung 25 entgegen wirkt und somit den mechanischen Stress während der Herstellung und über Lebensdauer des Inertialsensors 7 gering hält.
  • Nach Verkapselung durch Spritzpressen ist der Inertialsensors 7 in der SMD-Baugruppenvariante, wie in 6 gezeigt, nach vereinfachtem Prozessfluss fertiggestellt.
  • Nachstehend soll anhand der 7 bis 9 die Herstellung des Inertialsensors 7 der 2 in der Satellitenvariante näher erläutert werden.
  • Die Satellitenvariante des Inertialsensors 7 sieht gegenüber der SMD-Baugruppenvariante noch das Aufbringen passiver Bauelemente 34, zwei Widerstands-Schweißprozesse zum Anbringen der Abschirmplatte 24 und Steckerkontakte 35 vor. Final folgt dann ein weiterer Einhausungspozess, um Rahmen dessen das Gehäuse 23 zur Montage am Chassis 2 oder Fahrgestell des Fahrzeuges 1 erzeugt werden kann. Dieser weitere Einhausungsprozess kann als Spritzguß-Prozess, auch Injection Molding genannt, ausgeführt werden.
  • Für das Aufbringen der passiven Bauelemente 34, von denen in 7 der Übersichtlichkeit halber nur eines dargestellt ist kann der gleiche leitfähige Kleber 33 verwendet werden, wie zum Aufbringen der Sensorschaltung 25 auf den Leadframe 26. Auf diese Weise wären auch die passiven Bauelemente 34 gleich elektrisch mit dem Leadframe 26 kontaktiert. In 7 wurde der Gierratenmessaufnehmer 16 rein der Übersichtlichkeit halber weggelassen.
  • Beim Gehäuse 23 sollte wieder auf die Eigenschaften Ausdehnungskoeffizient und Elastizitätsmodul geachtet werden. Alternativ wäre auch die Verwendung eines vorgespritzen Gehäuses 23 denkbar, in dem der Verbund aus Leadframe 26, Schutzmasse 28, Abschirmplatte 24 und Steckerkontakte 35 fixiert wird und anschließend mit einer sogenannten Vergussmasse, wie beispielsweise einem Elektrogießharz ausgegossen wird.
  • In 10 sind die Schritte zur beispielhaften Herstellung des Inertialsensors 7 noch einmal schematisch aufgelistet. Dabei deutet der Streifen 36 an, dass die Schritte zur SMD-Bauteilvariante des Inertialsensors 7 gehören, während der Streifen 37 andeutet, dass die Schritte zur Satellitenvariante des Inertialsensors 7 gehören. Die Schritte 38 bis 48 müssen nicht zwangsweise in der gezeigten Reihenfolge ausgeführt werden und sind ferner auch nicht alle zwangsläufig durchzuführen, um zum fertigen Inertialsensor 7 zu kommen.
  • Das Herstellungsverfahren beginnt in beiden Fällen mit Schritt 38, in dem der Verdrahtungsträger 26 hergestellt wird. In dem Fall, dass der Verdrahtungsträger 26 ein Leadframe ist, handelt es sich um einen Stanzprozess, im Rahmen dessen aus einem leitfähigen Blech die Leiterbahnen 27 des Verdrahtungsträgers 26 herausgestanzt werden.
  • An den Schritt 38 schließt sich Schritt 39 an, in dem auf den hergestellten Verdrahtungsträger 26 die einzelnen elektronischen Bauelemente 16, 17 und 20 der Sensorschaltung 25 durch verkleben mit dem Kleber 33 aufgebracht werden.
  • Danach werden der Verdrahtungsträger 26 und die darauf aufgebrachten elektronischen Bauelemente 16, 17 und 20 in Schritt 40 an den Stellen 32 der Plasma-Reinigung unterzogen, an denen die elektrische Verdrahtung mit den Bonddrähten 19 erfolgen soll.
  • In Schritt 41 erfolgt dann die elektrische Verdrahtung der Sensorschaltung 25 mit den Bonddrähten 19.
  • Der sich daran anschließende Schritt 42 ist im Regelfall nur für die Satellitenvariante des Inertialsensors 7 wichtig, im Rahmen dessen der Verdrahtungsträger 26 mit den passiven Bauelementen 34 bestückt wird.
  • Hierauf können dann in Schritt 43 zumindest die Messaufnehmer 16, 17 mit der mechanischen Entkopplungsmasse 29 eingehaust werden, vor allem wenn diese vor mechanischem Stress geschützt werden sollten.
  • Um die Haftung der Schutzmasse 28 an der Sensorschaltung 25, dem Verdrahtungsträger 26 und den passiven Bauelementen 35 zu verbessern, kann dann in Schritt 44 die oben genannte Plasma-Aktivierung erfolgen.
  • Schließlich kann in Schritt 45 der Inertialsensor 7 zumindest in der SMD-Bauteilvariante mit der Schutzmasse 28 durch Spritzpressen eingehaust werden.
  • Um den Inertialsensor 7 in der Satellitenvariante herzustellen muss schließlich noch in Schritt 46 die Abschirmplatte 24 und in Schritt 47 die Steckerkontakte 35 angeschweißt werden und in Schritt 48 in dem Gehäuse 23 eingehaust werden.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
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    • DE 102006053308 A1 [0038]

Claims (10)

  1. Sensor (7) zum Ausgeben eines Sensorsignals (10, 11, 12) basierend auf einer zu erfassenden Messgröße (9), umfassend: – einen Verdrahtungsträger (26), und – eine wenigstens teilweise über einen Kleber (33) auf dem Verdrahtungsträger (26) aufgeklebte und verdrahtete Sensorschaltung (25) zum Ausgeben des Sensorsignals (10, 11, 12) basierend auf der zu erfassenden Messgröße (9), – wobei ein Elastizitätsmodul des Klebers (33) von einem Elastizitätsmodul des Verdrahtungsträgers (26) abhängig ist.
  2. Sensor (7) nach Anspruch 1, wobei das Elastizitätsmodul des Verdrahtungsträgers (26) 5 bis 25 mal, vorzugsweise 10 bis 20 mal und besonders bevorzugt 15 mal größer ist, als das Elastizitätsmodul des Klebers (33).
  3. Sensor (7) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Kleber (33) elektrisch leitfähig ist.
  4. Sensor (7) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Kleber (33) wärmeleitfähig ist.
  5. Sensor (7) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Kleber (33) eine Schichtdicke aufweist, die eine vorbestimmte Schichtdicke unterschreitet.
  6. Sensor (7) nach einem der vorstehenden Ansprüche, umfassend eine die Sensorschaltung (25) einhausende Schutzmasse (28).
  7. Sensor (7) nach Anspruch 6, wobei ein Elastizitätsmodul der Schutzmasse (28) vom Elastizitätsmodul des Klebers (33) abhängig ist.
  8. Sensor (7) nach Anspruch 6 oder 7, wobei das Elastizitätsmodul der Schutzmasse (28) 1 bis 5 mal, vorzugsweise 1,5 bis 3 mal und besonders bevorzugt 2 mal größer ist, als das Elastizitätsmodul des Klebers (33).
  9. Sensor (7) nach einem der vorstehenden Ansprüche 6 bis 8, wobei ein thermischer Ausdehnungskoeffizient der Schutzmasse (28) von einem Ausdehnungskoeffizient wenigstens eines Schaltungselements (16, 17, 20) der Sensorschaltung (25) abhängig ist.
  10. Sensor (7) nach Anspruch 9, wobei das Schaltungselement (16, 17, 20) ein Messaufnehmer (16, 17) zum Erzeugen eines Gebersignals (19) in Abhängigkeit der zu erfassenden Messgröße (9) ist.
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