DE102015209267A1

DE102015209267A1 - Bauteil mit einem MECS-Bauelement auf einem Montageträger

Info

Publication number: DE102015209267A1
Application number: DE102015209267.4A
Authority: DE
Inventors: Roland Guenschel; Harald Guenschel; Lothar Diehl; Gerhard Schneider
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2015-05-21
Filing date: 2015-05-21
Publication date: 2016-11-24
Also published as: US20160341689A1; JP2016218068A; US10466197B2; JP6661466B2

Abstract

Es wird eine Aufbau- und Verbindungstechnik (AVT) für MECS-Bauelemente vorgeschlagen, die die Realisierung von äußerst robusten, hochtemperaturstabilen und medienresistenten Bauteilen ermöglicht. Ein derartiges Bauteil (100) umfasst mindestens ein mikroelektrochemisches Sensor(MECS)-Bauelement (10) mit einer Membran (11), die in einem Schichtaufbau auf dem Substrat des Bauelements ausgebildet ist und eine Öffnung (12) in der Substratrückseite überspannt, und einen Träger (110) für die Montage und elektrische Kontaktierung des MECS-Bauelements (10) auf einer Applikationsleiterplatte. Erfindungsgemäß ist das MECS-Bauelement (10) in FlipChip-Technik auf den Träger (110) gebondet, so dass zumindest in einem Verbindungsbereich (15, 16) eine hermetisch dichte mechanische Verbindung zwischen der Oberseite des MECS-Bauelements (10) und der Trägeroberfläche besteht und so dass in mindestens einem Kontaktbereich eine elektrische Verbindung (17) zwischen dem MECS-Bauelement (10) und dem Träger (110) besteht.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Bauteil, das zumindest ein mikroelektrochemisches Sensor(MECS)-Bauelement und einen Träger für die Montage und elektrische Kontaktierung des MECS-Bauelements auf einer Applikationsleiterplatte umfasst. Im Schichtaufbau des MECS-Bauelements ist eine Membran ausgebildet, die eine Öffnung in der Rückseite des Bauelementsubstrats überspannt.
MECS-Bauelemente werden beispielsweise im Rahmen von Gassensoren im Automotivbereich aber auch für Nonautomotiv-Anwendungen eingesetzt. Von großer Bedeutung ist der Einsatz von MECS-Bauelementen als Lambdasonde zur Bestimmung der Sauerstoffkonzentration im Abgasstrom von Verbrennungsmotoren und Heizanlagen. In diesen Fällen ist das MECS-Bauelement in der Regel sehr hohen Temperaturen und einer chemisch hochaggressiven Messumgebung ausgesetzt.
Offenbarung der Erfindung
Mit der vorliegenden Erfindung wird eine Aufbau- und Verbindungstechnik (AVT) für MECS-Bauelemente vorgeschlagen, die die Realisierung von äußerst robusten, hochtemperaturstabilen und medienresistenten Bauteilen ermöglicht.
Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass das MECS-Bauelement in FlipChip-Technik auf den Träger gebondet wird, so dass zumindest in einem Verbindungsbereich eine hermetisch dichte mechanische Verbindung zwischen der Oberseite des MECS-Bauelements und der Trägeroberfläche besteht und so dass in mindestens einem Kontaktbereich eine elektrische Verbindung zwischen dem MECS-Bauelement und dem Träger besteht.
Die erfindungsgemäße AVT sieht vor, dass das Messmedium auf die Rückseite des MECS-Bauelements bzw. auf die Rückseite der Membran des MECS-Bauelements einwirkt, während zumindest Bereiche der Vorderseite des MECS-Bauelements durch die Verbindung mit dem Träger gar nicht mit dem Messmedium in Kontakt treten oder zumindest weitgehend gegen widrige Einflüsse der Messumgebung geschützt sind. Außerdem werden durch die Verbindung zwischen dem MECS-Bauelement und dem Träger auch Bereiche der Trägeroberfläche gegen das Messmedium abgeschirmt.
Das Layout der hermetisch dichten Bondverbindung zwischen dem MECS-Bauelement und dem Träger definiert die Oberflächenbereiche der MECS-Vorderseite und der Trägervorderseite, die gänzlich vom Messmedium abgetrennt werden. Auf diese Weise kann MECS-seitig der Membranbereich mit den Schaltungselementen zur Messwerterfassung gezielt geschützt werden. Des Weiteren ist es von Vorteil, wenn auch die Bondstellen zwischen dem MECS-Bauelement und dem Träger, die als elektrische Verbindungen fungieren, gegen das Messmedium abgeschirmt werden. Dazu wird mindestens ein Verbindungsbereich umlaufend geschlossen ausgelegt, so dass er die Membran und den mindestens einen Kontaktbereich umgibt. Bei entsprechendem Layout des Trägers können so beispielsweise auch Schaltungskomponenten einer Auswerteschaltung, die auf dem Träger integriert ist, gegen das Messmedium geschützt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Wärmeausdehnungskoeffizienten der Substratmaterialien des MECS-Bauelements und des Träger aufeinander abgestimmt. Dadurch können thermisch bedingte mechanische Spannungen im Bauteilaufbau vermieden werden, die Messwertverfälschungen zur Folge haben. Dies spielt insbesondere bei Hochtemperaturanwendungen eine große Rolle.
Voraussetzung für die erfindungsgemäße AVT ist ein Trägersubstrat, das sich in einem Bondverfahren hermetisch dicht mit der MECS-Oberseite verbinden lässt und die Realisierung von Kontaktpads und Durchkontakten oder vergrabenen Leiterbahnen für die elektrische Kontaktierung des MECS-Bauelements erlaubt. Besonders geeignet als Trägersubstrat ist eine Mehrlagen-Keramikleiterplatte mit einer bondbaren Oberfläche. Für MECS-Bauelemente, die in Siliziumtechnologie realisiert sind, kann es sich dabei um eine Glaskeramik-, Silizium- oder Siliziumoxid-Oberfläche handeln. Zum einen kann der Wärmeausdehnungskoeffizient eines solchen Trägers sehr gut an den des MECS-Bauelements angepasst werden. Zum anderen lassen sich sehr einfach Leiterbahnen und/oder Durchkontakte in den Schichtaufbau eines derartigen Trägers integrieren. Die hermetisch dichte mechanische Verbindung zwischen Trägeroberfläche und MECS-Oberfläche kann in diesem Fall einfach durch anodisches Bonden oder Si-Direktbonden hergestellt werden. Beim Si-Direktbonden wird, je nach dem Material der Oberflächenschichten, eine Si-Si-Verbindung oder eine SiO2-SiO2-Verbindung erzeugt. Als Trägersubstrat können aber auch prozessierte Halbleiterwafer mit einem angepassten Wärmeausdehnungskoeffizienten und einer bondbaren Oberflächenschicht verwendet werden, wie z.B. Siliziumwafer, Siliziumnitridträger oder Cordieritkeramikträger.
Vorteilhafterweise wird die elektrische Verbindung im Kontaktbereich durch Thermokompressionsbonden unter Verwendung eines hochschmelzenden Lots, eines Leitklebers oder einer Dickschichtleiterpaste hergestellt. In diesem Fall können die mechanischen und die elektrischen Verbindungen in einem Prozessschritt erzeugt werden.
Insbesondere für den Einsatz in einer aggressiven Messumgebung erweist es sich als vorteilhaft, wenn auch die freiliegende Rückseite des MECS-Bauelements und/oder die freiliegende Oberfläche des Trägers geschützt werden. Dazu können diese Bereiche der Bauteiloberfläche mit einer Passivierungsschicht, wie z.B. SolGel-Schichten, als Korrosionsschutz versehen werden oder mit einer wasserabweisenden Schicht zur Erhöhung des Thermoschockschutzes und/oder mit einer Antihaftschicht zur Vermeidung von Ablagerungen aus der Messumgebung.
Die erfindungsgemäße AVT ermöglicht die Realisierung einer hermetisch dicht abgeschlossenen Kavität zwischen der Membran des MECS-Bauelements und dem Träger. In dieser Kavität kann ein Referenzgas eingeschlossen werden, was sich für einige Anwendungen, wie z.B. eine Lambdasonde mit einer Zirkoniumdioxidmembran, als vorteilhaft erweist. Der Aufbau eines solchen Bauteils wird nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Wie bereits voranstehend erörtert, gibt es verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird einerseits auf die nachgeordneten Patentansprüche verwiesen und andererseits auf die nachfolgende Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren.
1a zeigt eine schematische Schnittdarstellung durch ein erfindungsgemäßes Bauteil 100 im Bereich des MECS-Bauelements 10 und
1b zeigt eine Draufsicht auf den bestückten Träger 110 des Bauteils 100.
Ausführungsformen der Erfindung
Das hier beschriebene Bauteil 100 umfasst ein MECS-Bauelement 10, das als µLambdasonde konfiguriert ist, und ein ASIC-Bauelement 20 mit einer Auswerteschaltung für die µLambdasonde. Beide Bauelemente 10 und 20 sind auf einem Träger 110 montiert, über den das Bauteil 100 auf einer Applikationsleiterplatte montiert und elektrisch kontaktiert werden kann. Das Layout des Trägers 110 und die Anordnung der Bauelemente 10 und 20 auf dem Träger 110 wird in Verbindung mit 1b näher erläutert.
1a veranschaulicht die AVT des Bauteils 100 im Bereich des MECS-Bauelements 10. Bei dem MECS-Bauelement 10 handelt es sich um einen Siliziumchip, in dessen Schichtaufbau eine Membranstruktur 11 ausgebildet ist. Diese besteht aus wabenartig zusammenhängenden SiN-Hexagonen, die eine Rahmenstruktur für Zirkoniumdioxidmembranen bilden. Die Membranstruktur 11 ist mit Platin beschichtet und überspannt eine Öffnung 12 in der Bauelementrückseite. Elektrisch kontaktiert wird die Membranstruktur 11 Anschlusspads 14 auf der Bauelementvorderseite und über Leiterbahnen 13 – hier ebenfalls aus Platin –, die im Schichtaufbau des MECS-Bauelements 10 vergraben sind.
Erfindungsgemäß wurde das MECS-Bauelement 10 in FlipChip Technik, also face-down, auf den Träger 110 gebondet, wobei sowohl eine hermetisch dichte mechanische als auch elektrische Verbindungen zwischen dem MECS-Bauelement 10 und dem Träger 110 hergestellt wurden.
Bei dem Träger 110 handelt es sich im hier beschriebenen Ausführungsbeispiel um eine Mehrlagen-Keramikleiterplatte mit eingebetteten Leiterbahnen 113. Derartige Leiterplatten werden beispielsweise in Dickschichttechnik hergestellt. Durch geeignete Materialwahl für die einzelnen Schichten lässt sich der thermische Ausdehnungskoeffizient der Leiterplatte 110 sehr gut an den thermischen Ausdehnungskoeffizienten der aufzusetzenden Bauelemente 10, 20 und insbesondere an den thermischen Ausdehnungskoeffizienten des MECS-Bauelements 10 anpassen. Die Leiterbahnen 113 werden bei diesem Herstellungsverfahren mit einer Sieb- oder Schablonendruckmaske auf eine Lage der Leiterplatte 110 aufgedruckt und anschließend mit einer Glaskeramikpaste überdruckt. Dabei werden zum einen die Bereiche der späteren Anschlusspads 114 zur Kontaktierung der Anschlusspads 14 auf dem MECS-Bauelement 10 ausgespart und zum anderen ein Bereich unter der Membran 11 des MECS-Bauelements 10, so dass diese auch nach der Montage auf dem Träger 110 beidseitig freigestellt sind. Alternativ zum Überdrucken mit einer Glaskeramikpaste können die Leiterbahnen 113 auch mit einer Glaskeramikfolie mit entsprechenden Aussparungen abgedeckt werden, die dann auflaminiert wird. Dieser Schichtaufbau wird dann unter Druck gesintert, um die lateralen Abmessungen durch die Sinterschwindung gering zu halten. Danach wird das Trägersubstrat 110 noch für den Bondprozess planarisiert, beispielsweise durch Polieren.
Im Fall des in 1a dargestellten Bauteils 100 wurden sowohl die hermetisch dichten mechanischen Verbindungen 15 und 16 als auch die elektrischen Verbindungen 17 zwischen dem MECS-Bauelement 10 und dem Träger 110 in einem Prozessschritt hergestellt. Dieser Prozessschritt umfasste neben anodischem Bonden und Silizium-Direktbonden für die hermetisch dichten mechanischen Verbindungen 15 und 16 auch Thermokompressionsbonden bzw. Ultraschallbonden für die elektrischen Verbindungen 17. So wurde umlaufend um die Membranstruktur 11 ein erster ringförmiger Verbindungsbereich 15 erzeugt, der eine Kaverne 18 zwischen der Membranstruktur 11 und dem Träger 110 hermetisch dicht abschließt. In dieser Kaverne 18 befindet sich Sauerstoff als Referenzgas für die Lambdasondenmessung. Die Bondverbindung 15 wurde zwischen einem ringfömigen hochdotierten Siliziumbereich oder einer ringförmigen Platinbeschichtung in bzw. auf der MECS-Oberfläche und der Trägeroberfläche hergestellt. Im äußeren Randbereich des MECS-Bauelements 10 wurde durch anodisches Bonden ein zweiter ringförmig geschlossener Verbindungsbereich 16 erzeugt. Dieser umgibt nicht nur die Membranstruktur 11, sondern auch die elektrischen Verbindungen 17, die hier in Form von Lötbumps aus einer temperaturfesten Legierung, wie z.B. aus Au, Pt, Pd, Ag und/oder Ni, realisiert wurden. Diese Lötbumps wurden vor der Montage des MECS-Bauelements 10 auf dem Träger 110 auf die metallisierten Kontaktpads 14 des MECS-Bauelements 10 und/oder auf die Kontaktpads 114 des Trägers 110 aufgebracht. Alternativ können die elektrischen Verbindungen 17 auch in Form von Leitklebern oder Dickschichtleiterpasten realisiert werden, die vor der Montage des MECS-Bauelements 10 durch Drucken oder Dispensen auf die Trägeroberfläche aufgebracht werden. Mit Hilfe der beiden hermetisch dichten, ringförmigen Bondverbindungen 15 und 16 wurden die elektrischen Verbindungen 17 zwischen dem MECS-Bauelement 10 und dem Träger 110 eingekapselt, so dass sie einerseits gegen das oxidierende Sauerstoff-Referenzgas in der Kaverne 18 und andererseits gegen die aggressive Messumgebung einer Lambdasonde geschützt sind.
Der hier dargestellte Aufbau kann optional noch mit einer Antihaftschicht auf der freiliegenden Rückseite des MECS-Substrats und auf der freiliegenden Trägeroberfläche versehen werden um das Ausmaß von Ablagerungen aus der Messumgebung auf diesen Bauteilkomponenten so gering wie möglich zu halten und/oder die Auswirkungen von Vereisungen zu reduzieren. Für Hochtemperaturanwendungen eignen sich beispielsweise Antihaftschichten aus SiC oder SiN. Bei niedrigen Temperaturen am Einsatzort kommt auch eine Silanisierung in Frage.
Die in 1b dargestellte Draufsicht auf den bestückten Träger 110 des Bauteils 100 veranschaulicht, dass hier im Layout des Trägers 110 zwei räumlich voneinander beabstandete und dadurch auch thermisch getrennte Montagebereiche 111 und 112 für die Bauelemente 10 und 20 vorgesehen sind. Diese Montagebereiche 111 und 112 sind über die vergrabenen Leiterbahnen 113 elektrisch miteinander verbunden. Im sogenannten kalten Bereich ist das ASIC-Bauelement 20 montiert und über Drahtbonds 21 einerseits an die Leiterbahnen 113 angeschlossen und andererseits an elektrische Anschlüsse 115 zur externen elektrischen Kontaktierung des Bauteils 100. Um das ASIC-Bauelement 20 mit den Bonddrähten 21 zu schützen, kann dieser Trägerbereich beispielsweise vollständig mit Moldmasse vergossen werden und mit einem Anschlussstecker oder Kabel versehen werden. Auf der gegenüberliegenden Seite des Trägers 110 befindet sich der sogenannte heiße Bereich mit dem Montagebereich 112 für das MECS-Bauelement 10. Dessen Montage und elektrische Kontaktierung wurde voranstehend in Verbindung mit 1a ausführlich erläutert. Aufgrund der AVT im heißen Trägerbereich eignet sich das erfindungsgemäße Bauteil 100 auch für den Einsatz im Hochtemperaturbereich und in einer aggressiven Messumgebung, wie im Abgasstrom eines Verbrennungsmotors.

Claims

Bauteil (100), mindestens umfassend • ein mikroelektrochemisches Sensor(MECS)-Bauelement (10) mit einer Membran (11), die in einem Schichtaufbau auf dem Substrat des Bauelements ausgebildet ist und eine Öffnung (12) in der Substratrückseite überspannt, und • einen Träger (110) für die Montage und elektrische Kontaktierung des MECS-Bauelements (10) auf einer Applikationsleiterplatte, dadurch gekennzeichnet, dass das MECS-Bauelement (10) in FlipChip-Technik auf den Träger (110) gebondet ist, so dass zumindest in einem Verbindungsbereich (15, 16) eine hermetisch dichte mechanische Verbindung zwischen der Oberseite des MECS-Bauelements (10) und der Trägeroberfläche besteht und so dass in mindestens einem Kontaktbereich eine elektrische Verbindung (17) zwischen dem MECS-Bauelement (10) und dem Träger (110) besteht.
Bauteil (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Verbindungsbereich (15, 16) umlaufend geschlossen ist und die Membran (11) und den mindestens einen Kontaktbereich (17) umgibt.
Bauteil (100) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich zwischen der Membran (11) des MECS-Bauelements (10) und dem Träger (110) eine Kaverne (18) befindet, die durch die Bondverbindung (15) zwischen dem MECS-Bauelement (10) und dem Träger (110) hermetisch dicht abgeschlossen ist, und dass sich in der Kaverne (18) ein Referenzgas befindet.
Bauteil (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeausdehnungskoeffizienten der Substratmaterialien des MECS-Bauelements (10) und des Trägers (110) aufeinander abgestimmt sind.
Bauteil (100), nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Träger (110) um eine Mehrlagen-Keramikleiterplatte mit einer bondbaren Glaskeramik-, Silizium- oder Siliziumoxid-Oberfläche handelt und dass der Schichtaufbau des Trägers (110) Leiterbahnen (113) und/oder Durchkontaktierungen umfasst.
Bauteil (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanische Verbindung (15, 16) im Verbindungsbereich durch anodisches Bonden oder Silizium-Direktbonden hergestellt ist.
Bauteil (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Verbindung (17) im Kontaktbereich durch Thermokompressionsbonden oder Ultraschallbonden unter Verwendung eines hochschmelzenden Lots oder mit Hilfe eines Leitklebers oder einer Dickschichtleiterpaste hergestellt ist.
Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die freiliegende Rückseite des MECS-Bauelements und/oder die freiliegende Oberfläche des Trägers mit einer Passivierungsschicht, einer wasserabweisenden Schicht und/oder einer Antihaftschicht versehen ist.
Bauteil (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem MECS-Bauelement (10) um eine µLambdasonde mit einer Zirkoniumdioxidmembran handelt.