-
Die vorliegende betrifft eine einen Sensor zum Aussenden und Empfangen von hochfrequenten Signalen sowie ein entsprechendes Verfahren zum Herstellen eines solchen Sensors.
-
Insbesondere betrifft die Erfindung einen Radarsensor, der elektromagnetische Signale aussendet und von Objekten reflektierte Signale empfängt. Die gesendeten und reflektierten Signale haben dabei Frequenzen im Gigahertz- und Terahertzbereich. Gattungsgemäße Sensoren werden bspw. zur Abstands- und Geschwindigkeitsmessung in Kraftfahrzeugen, in der Medizintechnik, zur Materialkontrolle oder in Sicherheitsanwendungen eingesetzt. Darüber hinaus können gattungsgemäße Sensoren auch in komplexen Radarsystemen, wie bildgebende Systeme oder Systeme mit Winkelauflösung eingesetzt werden.
-
Da Radarsysteme zunehmend in industriellen Umgebungen, in Autos und in Consumer-Produkten eingesetzt werden, spielen die Kosten und der Formfaktor solcher Systeme eine immer größer werdende Rolle. Ein Mittel, um das Volumen und Gewicht von Radarsystemen zu senken, ist der Übergang zu hohen Frequenzen in denen für allgemeine Anwendung freigebenden Frequenzbändern bspw. die ISM-Bänder (Industrial, Scientific, Medical) mit Frequenzen in Bereichen von 24 GHz, 60 GHz oder 120 GHz. Darüber hinaus können für spezielle Automotive-Anwendungen Frequenzen im Bereich von 77 GHz und 79 GHz verwendet werden. Da mit steigender Frequenz die Wellenlänge kleiner wird, können entsprechend kleinbauende Antennen für das Aussenden und Empfangen der hochfrequenten Signale verwendet werden. Dies ermöglicht es, Radarantennen in ähnlichen Gehäusen unterzubringen, wie sie in der Halbleitertechnik zur Verpackung von Halbleiterchips verwendet werden. Darüber hinaus ist es sogar möglich, bei noch kleineren Antennen diese unmittelbar auf einem Halbleiterchip zu integrieren. Derartige Antennen sowie entsprechende Gehäuse sind aus dem Stand der Technik bekannt.
-
US 7,119,745 B2 zeigt bspw. eine Sensoranordnung mit einem Halbleiterchip und davon losgelösten Antennen. Sowohl der Halbleiterchip als auch die Antennen sind zusammen in einem Gehäuse angeordnet und bilden eine bautechnische Einheit. Im Fachjargon werden solche Anordnungen auch als Antenna in Package (AiP) bezeichnet. Die Antenne ist hier auf einem von dem Halbleiterchip separaten Antennen-Substrat angeordnet und mittels Flip-Chip-Technik (auch als Wendemontage bezeichnet) mit dem Halbleiterchip verbunden. Zum Schutz des Halbleiterchips und der Antenne ist das Gehäuse mit einem Deckel versehen, welcher im Bereich der Antenne Öffnungen aufweist, so dass hochfrequente Signale den Gehäusedeckel ungehindert passieren können. Da das Antennen-Substrat über den Halbleiterchip hinausgeht, schwebt es teilweise in der Luft, wodurch eine instabile Struktur entsteht. Um dem Bauelement zusätzliche Stabilität zu verleihen, ist der Zwischenraum zwischen dem Gehäuseboden und dem Antennen-Substrat mit Schaum gefüllt. Insgesamt ist ein derartiger Aufbau eines Radarsensors mit separater Antenne, die mit Flip-Chip-Technik auf einem Halbleiterchip befestigt wird aufwändig und mit einem komplizierten Herstellungsprozess verbunden.
-
US 6,717,544 B2 offenbart ebenfalls einen Radarsensor, jedoch nicht mit einer separaten Antenne, sondern mit einer auf einem Halbleiterchip integrierten Antenne. Der in
US 6,717,544 B2 beschriebene Radarsensor weist somit nur einen einzelnen Halbleiterchip auf, auf dem die für die Funktion des Radarsensors notwendigen elektrischen Schaltungen angeordnet sind, wie bspw. Oszillatoren, Verstärker und Mischer, und auf dem zugleich eine Antenne vorgesehen ist. Weiterhin offenbart sind zwei Verpackungsformen zum Verpacken eines solchen Chips. Demnach kann eine erste Verpackungsform ein Gehäuse mit Boden und Deckel vorsehen, wobei der Deckel eine Öffnung aufweist, durch den hochfrequente Signale ungedämpft abgestrahlt werden können. Weiterhin offenbart
US 6,717,544 B2 eine Verpackungsform, in der der Halbleiterchip mit einer Vergussmasse vollständig umgossen wird. In dieser Ausgestaltung besteht das Gehäuse somit nicht aus einzelnen Teilen, sondern aus einer einheitlichen Vergussmasse. Letztere Ausgestaltung hat gegenüber der Ausgestaltung mit Bodenteil und Deckel den Vorteil, dass sie mit geringen Herstellungskosten einhergeht, da Standardprozesse aus der Halbleiterindustrie verwendet werden können. Nachteilig bei der beschriebenen Anordnung ist jedoch die dämpfende Wirkung des Vergussmaterials auf die zu emittierenden oder zu empfangenden hochfrequente Signale. Insbesondere bei hochfrequenten Signalen kann durch das Vergussmaterial eine beträchtliche Dämpfung hervorgerufen werden, so dass aufgrund des abgeschwächten Signals eine Reichweite des Sensors erheblich beschränkt wird.
-
-
Insgesamt ist somit die aus dem Stand der Technik bekannte Gehäusetechnologie für miniaturisierte Radarschaltkreise problematisch. So erfordern nicht integrierte Antennen aufwändige Gehäusekonstruktionen, um die notwendige Stabilität zu erreichen, wodurch jedoch nicht auf Standardprozesse bei der Herstellung zurückgegriffen werden kann. Andererseits kann bei integrierten Antennen auf Standardprozesse zurückgegriffen werden, um bspw. ein Gehäuse durch bekannte Verkapselungsprozesse zu erzeugen, allerdings mit der Problematik, dass das zur Verkapselung eingesetzte Vergussmaterial hochfrequente Signale erheblich dämpft.
-
Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Sensor zum Aussenden und Empfangen von hochfrequenten Signalen anzugeben, bei dem die oben genannten Probleme nicht auftreten. Insbesondere soll ein Sensor bereitgestellt werden, der bei geringen Herstellungskosten eine möglichst optimale und ungestörte Sende- und Empfangscharakteristik aufweist. Darüber hinaus soll neben geringen Herstellungskosten gleichzeitig eine hohe mechanische Stabilität des Sensors gewährleistet werden.
-
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe durch einen Sensor zum Aussenden und Empfangen von hochfrequenten Signalen gelöst, wobei der Sensor ein erstes Halbleitersubstrat mit einer ersten Hauptfläche, mit einer zweiten Hauptfläche gegenüber der ersten Hauptfläche und mit Seitenflächen aufweist, welche die erste und zweite Hauptfläche verbinden, sowie eine Antenne, die auf der ersten Hauptfläche angeordnet ist und deren Struktur eine aktive Fläche auf der ersten Hauptfläche definiert, und eine Verkapselung, welche die Seitenflächen und lediglich teilweise die erste Hauptfläche umschließt, wobei die Verkapselung eine erste Aussparung aufweist, die sich über die aktive Fläche erstreckt und die an die Form der Antenne angepasst ist, sodass die aktive Fläche von der Verkapselung ausgenommen ist, wobei die Verkapselung unmittelbar auf der ersten Hauptfläche und den Seitenflächen aufliegt.
-
Ferner wird gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe durch einen Sensor zum Aussenden und Empfangen von hochfrequenten Signalen gelöst, wobei der Sensor ein erstes Halbleitersubstrat mit einer ersten Hauptfläche, mit einer zweiten Hauptfläche gegenüber der ersten Hauptfläche und mit Seitenflächen aufweist, welche die erste und zweite Hauptfläche verbinden, sowie eine Antenne, die auf der ersten Hauptfläche angeordnet ist und deren Struktur eine aktive Fläche auf der ersten Hauptfläche definiert, und eine Verkapselung, welche die Seitenflächen und lediglich teilweise die erste Hauptfläche umschließt, wobei die Verkapselung eine erste Aussparung aufweist, die sich über die aktive Fläche erstreckt und die an die Form der Antenne angepasst ist, so dass die aktive Fläche von der Verkapselung ausgenommen ist, und wobei die Aussparung es ermöglicht, dass die ausgehenden und eingehenden hochfrequenten Signale ungedämpft von der Antenne emittiert bzw. empfangen werden können.
-
Gemäß einem weiteren Aspekt wird die Aufgabe durch ein entsprechendes Verfahren gelöst.
-
Es ist somit eine Idee der vorliegenden Erfindung den Sensor zu verkapseln und daraus ein Gehäuse zu formen. Das so geformte Gehäuse weist dabei Aussparungen auf, durch welche das Aussenden und Empfangen hochfrequenter Signale erfolgt. Mit anderen Worten weist der neue Sensor ein Halbleitersubstrat mit entweder einer integrierten Antenne oder einer auf der Oberfläche des Halbleitersubstrats angeordneten separaten Antenne auf, wobei das Halbleitersubstrat an den umlaufenden Seitenflächen vollständig von einem Füllmaterial umgeben ist, welches auch zumindest teilweise die Oberseite des Halbleitersubstrats bedeckt. Lediglich an den aktiven Bereichen der Antenne oder Antennen werden Öffnungen in der aus einem Vergussmaterial bestehenden Verkapselung vorgesehen.
-
Verkapseln im Sinne der vorliegenden Erfindung bedeutet somit, ein elektronisches Bauteil mit einer Vergussmasse zu vergießen, um ein Gehäuse zu formen. Bei diesem auch als Molding bezeichneten Prozess werden drahtgebondete, gelötete oder geklebte mikroelektronische Aufbauten mit einer verflüssigten Masse vergossen und anschließend ausgehärtet. Dabei entsteht ein fester Körper, der das Gehäuse des elektrischen Bauteils bildet. Vorteilhafterweise sind für den Aufbau des Gehäuses somit keine weiteren Bauteile, wie eine Gehäusebasis oder ein Gehäusedeckel notwendig. In der Verkapselung sind somit alle notwendigen Anschlüsse für das Bauteil integriert. Auf diese Weise kann ein besonders günstiges und gleichzeitig robustes Gehäuse erzeugt werden.
-
Grundsätzlich sind zwei verschiedene Molding-Verfahren bekannt, nämlich Spritzpressen (transfer molding) und Formpressen (compression molding), wobei letzteres Verfahren ein relativ neuer Alternativprozess zum ersten Verfahren ist. Durch geeignete Formwerkzeuge (Kern und Matrize) können Bereiche an der Oberfläche der Halbleiterstruktur ausgespart werden, so dass hochfrequente Sende- und Empfangssignale die Verkapselung an diesen Stellen ungehindert passieren können. Die Signale werden somit nicht durch das Vergussmaterial gedämpft.
-
Der neue Sensor kombiniert somit die Vorteile der günstigen Herstellung von Gehäusen durch Standardverkapselungsprozesse mit den Vorteilen von mehrteiligen Gehäusen, die eine Gehäuseabdeckung mit Öffnungen aufweisen, durch die hochfrequente Signale emittiert und empfangen werden können. Der neue Sensor kann somit kostengünstig gefertigt werden, ohne dass Einbußen bei den Abstrahl- und Empfangseigenschaften auftreten. Zudem stellt die Verkapselung eine besonders robuste und mechanisch stabile Verpackung dar, so dass der Sensor besser gegen äußere Einflüsse geschützt ist. Die oben genannte Aufgabe ist somit vollständig gelöst.
-
Indem zwischen den elektrischen Bauteilen des Sensors und der Verkapselung kein Zwischenraum vorgesehen ist, d.h. das Vergussmaterial, welches für die Verkapselung verwendet wird, umschließt die elektrischen Bauteile unmittelbar, ist ein besonders robuster und stabiler Aufbau möglich, da die Bauteile des Sensors fest und unbeweglich umschlossen sind und so gegen Stöße und Erschütterung geschützt sind.
-
In einer weiteren Ausgestaltung ist die Verkapselung aus einem thermomechanisch anpassbaren, robusten Material, insbesondere Epoxidharz, geformt. Eine Verkapselung aus thermomechanischen Material ist besonders gut geeignet, da dieses in verflüssigten Zustand leicht verarbeitet und geformt werden kann und im ausgehärteten Zustand einen robusten Körper darstellt. Auf diese Weise lässt sich die Verkapselung besonders leicht in eine entsprechende Form bringen, wodurch die Aussparung in der Verkapselung durch geeignete Formwerkzeuge leicht gebildet werden können. Somit können Standardprozesse wie Spritz- und Formpressen verwendet werden, um die Verkapselung zu erstellen. Vorzugsweise ist die gesamte Verkapselung und damit im Wesentlichen das gesamte Gehäuse aus dem thermomechanischen Material.
-
In einer weiteren Ausgestaltung umschließt die Verkapselung bis auf die aktive Fläche die Seitenflächen und die erste Hauptfläche vollständig. In dieser Ausgestaltung ist die Halbleiterstruktur wie bei gewöhnlichen Halbleiterbauelementen, die durch Verkapselung umhäust sind, vollständig in dem Vergussmaterial der Verkapselung eingeschlossen, wobei lediglich die aktiven Flächen nicht bedeckt sind. Mit anderen Worten sind nur noch die aktiven Flächen an der Oberseite von außen zugänglich. Dies hat den Vorteil, dass der Sensor bestmöglich vor äußeren Einflüssen geschützt ist, gleichzeitig jedoch die Abstrahl- bzw. der Empfangseigenschaften der Antenne unbeeinflusst sind. Die aktive Fläche und die damit verbundene Aussparung müssen dabei keiner Grundform entsprechen, sondern können unmittelbar an die Form der Antenne angepasst sein.
-
In einer weiteren Ausgestaltung ist in der Verkapselung zumindest eine Anschlusskomponente integriert, die über zumindest einen Bonddraht mit dem ersten Halbleitersubstrat verbunden ist, wobei die Verkapselung den zumindest einen Bonddraht umschließt. Bei der Anschlusskomponente kann es sich bspw. um einen Pin oder einen Lötkontakt handeln, der an einer Außenseite der Verkapselung integriert ist. Über die Anschlusskomponente sind die elektrischen Komponenten des Sensors von außerhalb der Verkapselung kontaktierbar. Vorteilhaft ist dabei die interne Verkabelung der Anschlusskomponente mit den elektrischen Komponenten des Sensors von der Verkapselung umfasst und somit vor äußeren Einflüssen geschützt.
-
In einer weiteren Ausgestaltung ist die Antenne eine erste Halbleiterstruktur, die auf dem Halbleitersubstrat integriert ist. Eine chip-integrierte Antenne hat den Vorteil, dass aufwändige Hochfrequenzverbindungen, mit welchen die Antenne mit den übrigen Komponenten verbunden ist, entfallen können. Der Sensor kann so wesentlich preisgünstiger und kleinbauender realisiert werden.
-
In einer weiteren Ausgestaltung ist die Antenne auf einem separaten Antennen-Substrat ausgebildet und insbesondere mittels Wende-Montage mit dem Halbleitersubstrat verbunden. Eine vom Halbleitersubstrat getrennte Antenne auf einem separaten Substrat hat den Vorteil, dass diese losgelöst von der übrigen Struktur gefertigt werden kann. Insbesondere können so verschiedene Materialien für das Antennen-Substrat und das Halbleitersubstrat verwendet werden.
-
In einer weiteren Ausgestaltung ist die Antenne für das Aussenden und Empfangen von hochfrequenten Signalen bei den Frequenzen 24 GHz, 60 GHz, 77 GHz, 79 GHz oder 120 GHz ausgebildet. Die hohen Frequenzen ermöglichen besonders kleine Antennenstrukturen und somit Antennenstrukturen, die sich auf einem Halbleitersubstrat integrieren lassen. Darüber hinaus handelt es sich bei diesen Frequenzbereichen entweder um freie Frequenzbereiche, wie bspw. die ISM-Bänder oder aber speziell für den Automotive-Bereich reservierte Frequenzen.
-
In einer weiteren Ausgestaltung weist das Halbleitersubstrat eine weitere aktive Fläche auf, wobei sich die erste Aussparung über die erste und die weitere aktive Fläche erstreckt. Die weitere aktive Fläche kann bspw. den Bereich einer Halbleiterstruktur eines Oszillators oder Mixers umfassen, auf die sich ein Vergussmaterial negativ auswirken kann. So kann bspw. eine über einen Oszillator verteilte Vergussmasse eine zusätzliche Dämpfung eines zu verarbeitenden Signals und/oder eine Verstimmung der Frequenzen hervorrufen. Indem auch die weitere aktive Fläche von dem Vergussmaterial der Verkapselung ausgespart wird, können diese Effekte vermieden werden.
-
In einer weiteren Ausgestaltung weist das Halbleitersubstrat eine weitere aktive Fläche auf, wobei die Verkapselung eine zweite Aussparung aufweist, die sich über die weitere aktive Fläche erstreckt. Durch eine separate zweite Aussparung für die weitere aktive Fläche kann bevorzugt die Stabilität des Sensors erhöht werden, da so nur Flächen von der Verkapselung ausgenommen werden, die notwendigerweise nicht überdeckt werden sollen.
-
In einer weiteren Ausgestaltung weist der Sensor ein weiteres Substrat getrennt von dem Halbleitersubstrat auf. In dieser Ausgestaltung umfasst der Sensor ein weiteres Substrat, welches getrennt von dem Halbleitersubstrat angeordnet ist. Die Materialien des Halbleitersubstrats und des weiteren Substrats können dabei verschieden sein. Auf diese Weise kann der Sensor modular und flexibel aufgebaut sein. Beispielsweise kann das Halbleitersubstrat ein Siliziumchip sein und das zweite Substrat aus einem Leiterplattenmaterial gefertigt sein. Die Flexibilität ermöglicht es, verschiedenartige Sensoren mit unterschiedlichen Antennenanordnungen aufzubauen und erfindungsgemäß zu verkapseln.
-
In einer weiteren Ausgestaltung weist das weitere Substrat eine dritte Hauptfläche, eine vierte Hauptfläche gegenüber der dritten Hauptfläche und Seitenflächen auf, welche die dritte und vierte Hauptfläche verbinden, wobei die Verkapselung die Seitenflächen und zumindest teilweise die dritte Hauptfläche umschließt. Das weitere Substrat ist somit auf gleiche Weise verkapselt wie das Halbleitersubstrat. Vorteilhafterweise kann der Sensor so modular aufgebaut sein, wobei die aktiven Flächen auf verschiedenen Substraten verteilt sein können. Ein Aufbau wird dadurch flexibler, wobei die vorteilhaften Eigenschaften der erfindungsgemäßen Verkapselung beibehalten werden können. Vorzugsweise sind das Halbleitersubstrat und das weitere Substrat gleich hoch, so dass die erste und dritte Hauptfläche in einer Ebene angeordnet sind.
-
In einer weiteren Ausgestaltung sind das erste Halbleitersubstrat und das weitere Substrat über zumindest einen Bonddraht miteinander gekoppelt, wobei der zumindest ein Bonddraht von der Verkapselung umschlossen ist. Das Halbleitersubstrat und das weitere Substrat können somit vorteilhaft miteinander gekoppelt werden, wobei die Kopplung durch die Verkapselung geschützt ist. So kann ein modularer Aufbau gewährleistet werden, wobei die einzelnen Bauteile ausreichend durch die Verkapselung geschützt sind.
-
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
-
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
- 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines neuen Sensors im Querschnitt,
- 2 das erste Ausführungsbeispiel gemäß 1 des neuen Sensors in einer Draufsicht,
- 3 ein zweites Ausführungsbeispiel des neuen Sensors im Querschnitt,
- 4a einen Radarsensor mit Gehäuse aus dem Stand der Technik, und
- 4b einen weiteren Radarsensor mit Gehäuse aus dem Stand der Technik.
-
In der 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel des neuen Sensors in seiner Gesamtheit mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet.
-
Der Sensor umfasst ein Halbleitersubstrat 12, auf welchem in diesem Ausführungsbeispiel eine integrierte elektrische Schaltung 14, eine Antenne 16 sowie Bondpads 18 angeordnet sind. Es versteht sich, dass die hier dargestellten Komponenten nur exemplarisch sind und das Halbleitersubstrat 12 darüber hinaus weitere Komponenten und integrierte Strukturen aufweisen kann.
-
Das Halbleitersubstrat 12 ist in der Fläche ausgedehnt und hat eine erste Hauptfläche 20 und eine der ersten Hauptflächen 20 gegenüberliegende zweite Hauptfläche 22. Die erste und zweite Hauptfläche 20, 22 sind über das Halbleitersubstrat 12 umschließende Seitenflächen 24 miteinander verbunden. Bevorzugt ist das Halbleitersubstrat 12 somit ein Quader mit einer im Verhältnis zu den Hauptflächen geringen Höhe H. Die elektrischen Strukturen des Halbleitersubstrats sind im Wesentlichen in einer Ebene unterhalb der ersten Hauptfläche 20 ausgebildet. In anderen Ausführungsbeispielen können allerdings auch weitere Strukturen auf mehreren Ebenen innerhalb des Halbleitersubstrats 12 vorgesehen sein.
-
Das Halbleitersubstrat 12 ist mit der zweiten Hauptfläche 22 auf einem Träger 26 angeordnet. Der Träger 26 kann bspw. ein lötbarer metallischer Leitungsträger in Form eines Rahmens oder Kamm sein („lead frame“), wie er bspw. bei der maschinellen Herstellung von Halbleiterchips eingesetzt wird. Während ein Träger 26 üblich ist, kann in anderen Ausführungsbeispielen jedoch auch auf einen Träger 26 verzichtet werden.
-
Das Halbleitersubstrat 12 samt Träger 26 ist in diesem Ausführungsbeispiel in einem Gehäuse angeordnet, das in seiner Gesamtheit mit der Bezugsziffer 28 bezeichnet ist. Das Gehäuse 28 ist im Wesentlichen aus einer Vergussmasse 30, auch Moldingmasse genannt, gefertigt und einteilig ausgestaltet. Das Gehäuse 28 entspricht somit einer Verkapselung der elektrischen Bauteile des Sensors 10. Eine Standardmethode zur Herstellung einer solchen Verkapselung ist das sog. Molding, bei dem drahtgebondete, gelötete oder geklebte mikroelektronische Aufbauten mit einem thermomechanisch angepassten, robusten Verkapselungsmaterial 30 als Gehäuse 28 umschlossen und geschützt werden. Man unterscheidet dabei zwischen zwei bekannten Verfahren, dem Transfermolding (Spritzpressen) und dem Compression-Molding (Formpressen).
-
Zur Verkapselung werden bei beiden Verfahren vorzugsweise mit Siliziumoxid (SiO2) gefüllte Epoxidharze als Vergussmasse 30 eingesetzt, deren Füllgrad bis über 90 Gew.-% erreichen kann. Mit diesen Materialien können Ausdehnungskoeffizienten < 10 ppm/K und Glasübergangstemperaturen von > 200° realisiert werden, die somit gut an Substratmaterialien und Komponenten angepasst sind. Mittels Moldingverfahren lassen sich mikroelektronische Module mit sehr hoher Zuverlässigkeit auch für extreme Umgebungsbedingungen kostengünstig realisieren.
-
Beim Transfermolding wird eine Vergussmasse 30 bspw. in Form eines Epoxidharzes in Tablettenform mit dem zu verkapselnden Bauelement mittels Druck und Temperatur verpresst. Die äußere Struktur der Verkapselung bestimmt sich dabei im Wesentlichen aus der verwendeten Kavität, also der Pressform bestehend aus Kern und Matrize. Nach Abkühlen und Aushärten der Vergussmasse 30 bildet diese das Gehäuse des Sensors, ohne dass weitere Gehäuseteile, wie eine Bodenplatte oder ein Deckel notwendig sind.
-
Alternativ kann zur Herstellung der erfindungsgemäßen Verkapselung auch ein Compression-Molding-Verfahren eingesetzt werden, welches eine relativ neue Alternative zum Transfermolding ist. Hierbei wird die Vergussmasse 30 nicht über einen Kolben in eine Kavität transferiert, sondern als Paste oder Granulat direkt in die Kavität flächig dosiert bzw. gestreut. Aufgrund der kurzen Fließwege kann im Vergleich zum Transfermolding auf größerer Fläche verkapselt werden. Insbesondere bei komplexeren Strukturen, wie es nicht integrierte Antennenstrukturen sein können, bietet das Compression-Molding-Verfahren Vorteile.
-
Im Gegensatz zu Radarsensoren aus dem Stand der Technik, die ebenfalls mittels einer Verkapselung umhäußt sein können (vgl. 4a) weist die erfindungsgemäße Verkapselung mindestens eine Aussparung 32 auf. Die Aussparung 32 ist so ausgebildet, dass Bereiche der ersten Hauptfläche 20 nicht von der Vergussmasse 30 bedeckt sind. Diese Bereiche umfassen dabei insbesondere eine aktive Fläche 34 der Hauptfläche 20, die durch die Struktur der Antenne 16 definiert ist. Im Ausführungsbeispiel gemäß der 1 ist dies ein rechteckiger Bereich auf der ersten Hauptfläche 20. In anderen Ausführungsbeispielen sind jedoch auch komplexere Formen denkbar, bspw. Formen, welche den einzelnen Antennenstegen nachempfunden sind. Die Aussparung 32 ermöglicht es, dass ausgehende und eingehende hochfrequente Signale 36 ungedämpft von der Antenne 16 emittiert bzw. empfangen werden können, womit größere Reichweiten bei einem Radarsensor realisiert werden können.
-
Im Übrigen sind die erste Hauptfläche 20 und die Seitenflächen 24 von der Vergussmasse 30 umschlossen. Insbesondere umschließt die Vergussmasse 30 die empfindlichen Eckbereiche im Übergang von den Seitenflächen 24 zur ersten Hauptfläche 20, um diese vor äußeren Einflüssen zu schützen. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die erste Hauptfläche 20 vollständig bis auf die aktive Fläche 34 mit Vergussmasse 30 bedeckt, um das Halbleitersubstrat 12 bestmöglich vor äußeren Einflüssen abzuschirmen. Gleichzeitig gewährleistet die Aussparung 32 über der aktiven Fläche 34, dass hochfrequente Signals 36 ungehindert empfangen und ausgestrahlt werden können.
-
Neben dem Halbleitersubstrat 12 samt Träger 26 weist die Verkapselung Anschlusskomponenten 38 bspw. in Form von Anschlusspins oder Kontaktflächen, über die Komponenten des Sensors 10 von außerhalb des Gehäuses 28 kontaktierbar sind. Die Anschlusskomponenten 38 sind über Bonddrähte 40 mit den Bondpads 18 und somit mit den elektrischen Komponenten des Sensors verbunden. Vorzugsweise sind die Bonddrähte 40 vollständig von der Vergussmasse 30 umschlossen und durch diese vor äußeren Einwirkungen geschützt.
-
Im Ausführungsbeispiel gemäß 1 umfasst die elektronische Schaltung einen Oszillator 14. Da auch ein Oszillator 14 durch das Vergussmaterial 30 in seiner Funktion beeinträchtigt sein kann, erstreckt sich die erste Aussparung 32 in diesem Ausführungsbeispiel auch über den Oszillator 14. Der Oszillator 14 wird so durch die Vergussmasse 30 nicht verstimmt und nicht gedämpft, wodurch die Signalqualität des Oszillators 14 verbessert wird. Im Übrigen sind jedoch die weiteren zur Funktion des Radarsensors beitragenden elektrischen Schaltungen, die (hier nicht dargestellt) ebenfalls auf dem Halbleitersubstrat 12 integriert sein können, durch die Vergussmasse 30 bedeckt. Die zur Funktion des Radarsensors beitragenden elektrischen Schaltungen können bspw. Mischer oder Verstärker sein, die als integrierte elektrische Schaltung ausgebildet sind.
-
In dem hier dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiel weise das Halbleitersubstrat 12 zusätzlich eine Passivierungsschicht 42 auf. Diese Schicht kann bspw. aus Siliziumnitrit (SiN) oder Siliziumdioxid (SiO2) gebildet sein. Beides sind Materialien, die mechanisch sehr hart sind und auch bei rauen Umwelteinflüssen chemisch beständig bleiben. Die Passivierungsschicht schützt die Oberfläche des Halbleitersubstrats 12 und wird im Rahmen der Chipherstellung erstellt. Die Passivierungsschicht ist somit nicht Bestandteil der gehäusebildenden Verkapselung, sondern ein Teil des Halbleitersubstrats 12. Die Passivierungsschicht muss sich nicht über die gesamte erste Hauptfläche 20 des Halbleitersubstrats 12 erstrecken, sondern kann bevorzugt auch nur in den Bereichen der ersten Aussparung 32 ausgebildet sein.
-
2 zeigt das Ausführungsbeispiel aus 1 in einer Draufsicht. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen gleiche Teile.
-
Das Halbleitersubstrat 12 ist hier mittig im Sensor 10 angeordnet. Wie aus 2 ersichtlich sind die Seitenlängen A und B des Halbleitersubstrats 12 um ein Vielfaches größer als dessen Höhe (1: H). Die elektrische Schaltung 14 sowie die Antenne 16 sind in diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel zentral auf dem Halbleitersubstrat 12 angeordnet. Die Bondpads 18 sind entlang der äußeren Seitenkanten des Halbleitersubstrats angeordnet und können mittels Bonddrähte 40 mit den Anschlusskomponenten verbunden werden. Die Anschlusskomponenten 38 sind analog zu den Bondpads 18 entlang der Außenkanten des Sensors 10 angeordnet. Mindestens eine Kontaktfläche der Anschlusskomponenten 38 ist dabei nicht von der Verkapselung 28 umschlossen, so dass die elektrischen Komponenten auf dem Halbleitersubstrat 12 von außen über die frei belassene Kontaktfläche kontaktiert werden können.
-
Das Halbleitersubstrat ist hier auf einem metallischen Träger 26 angeordnet. Der Träger 26 kann in einigen Ausführungsbeispielen ebenfalls von außen kontaktierbar sein. In anderen Ausführungsbeispielen dient der Träger 26 lediglich zur Wärmeabfuhr. In wieder anderen Ausführungsbeispielen kann der Träger 26 auch als „lead board“ ausgebildet sein, um eine Verbindung zwischen den elektrischen Komponenten des Halbleitersubstrats 12 und den Anschlusskomponenten 38 herstellen zu können.
-
Die erfindungsgemäße Verkapselung 28 umschließt die hier dargestellten Komponenten des Sensors vollständig. Lediglich die hier durch eine gestrichelte Linie dargestellte Aussparung 32 sowie die äußeren Kontaktflächen der Anschlusskomponenten 38 werden von der Vergussmasse 30 nicht bedeckt. Durch die Aussparung 32 in der Vergussmasse 30 können hochfrequente Signale ungehindert abgestrahlt und empfangen werden, wodurch die Reichweite des Sensors erhöht wird. Da sich in diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel die Aussparung 32 nicht nur über die aktive Fläche 34, sondern auch über eine weitere aktive Fläche 44 erstreckt, die von der Struktur des Oszillators 14 auf der Oberseite des Halbleitersubstrats 12 definiert wird, ist auch der Oszillator 14 von der Vergussmasse 30 der Verkapselung unbeeinflusst. Der Oszillator 14 wird somit nicht verstimmt und nicht gedämpft, wodurch sich dessen Signalqualität verbessert.
-
3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel des neuen Sensors. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen auch hier gleiche Teile wie im Bezug zum ersten Ausführungsbeispiel gemäß 1.
-
Die Bauteile des Sensors 10 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel sind ebenfalls mit einer Vergussmasse 30 verkapselt und die Verkapselung bildet das Gehäuse 28 des Sensors.
-
Der Sensor 10 weist ein Halbleitersubstrat 12 mit einer Antenne 16 auf, wobei wie im ersten Ausführungsbeispiel die aktive Fläche 34 der Antenne 16 von der Verkapselung ausgenommen ist, so dass durch die Aussparung 32 in der Verkapselung, wie zuvor beschrieben, hochfrequente Signale ungehindert abgestrahlt und empfangen werden können.
-
Im Gegensatz zum ersten Ausführungsbeispiel weist der Sensor 10 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel mindestens ein weiteres Substrat 46 auf. Das weitere Substrat 46 kann aus demselben Material gefertigt sein wie das Halbleitersubstrat 12 und integrierte Schaltung 14 aufweisen. Alternativ kann das weitere Substrat 46 auch aus einem anderen Material gefertigt sein. So kann in einem anderen Ausführungsbeispiel das weitere Substrat 46 ein Antennen-Substrat sein, auf dem eine nicht integrierte Antenne angeordnet ist. Wie das Halbleitersubstrat 12 weist das weitere Substrat 46 zwei Hauptflächen 48, 50 sowie umschließende Seitenflächen 52 auf. Vorzugsweise sind das Halbleitersubstrat 12 und das weitere Substrat 46 Substrate mit derselben Dicke, so dass die Hauptflächen 22, 48 in einer Ebene liegen, wenn die Substrate auf einem gemeinsamen Träger 26 angeordnet sind.
-
Das weitere Substrat 46 wird in ähnlicher Weise von der Verkapselung umschlossen, wie das Halbleitersubstrat 12, d.h., die Seitenflächen 52 sowie zumindest teilweise die dritte Hauptfläche 48 sind von der Vergussmasse 30 der Verkapselung bedeckt, um das weitere Substrat 46 vor Umwelteinflüssen zu schützen.
-
Im Ausführungsbeispiel gemäß der 3 ist dabei über dem weiteren Substrat 46 eine weitere Aussparung 54 in der Vergussmasse 30 vorgesehen. Die Aussparung 54 ermöglicht freien Zugang zu einer weiteren aktiven Fläche 44 auf der dritten Hauptfläche des weiteren Substrats 46 und bewirkt somit die gleichen Vorteile wie die Aussparung 32 in Bezug zum Halbleitersubstrat 12.
-
Das weitere Substrat 46 und das Halbleitersubstrat 12 sind vorzugsweise elektrisch gekoppelt, wie es hier durch die Bondpads 18a und 18b sowie dem Bonddraht 40 angedeutet ist. Die Kopplung ist dabei wie die elektrische Verbindung des weiteren Substrats 46 zu den Anschlusskomponenten 38 vorteilhaft von der Vergussmasse 30 umfasst.
-
In einem anderen Ausführungsbeispiel kann das weitere Substrat 46 oder das Halbleitersubstrat 12 vollständig von der Vergussmasse 30 umschlossen sein, so dass nur eines der beiden Substrate 12, 46 eine Aussparung an der Oberfläche aufweist. Beispielsweise könnte das weitere Substrat 46 elektrische Schaltungen umfassen, die von dem Vergussmaterial 30 nicht beeinflusst werden und daher vorteilhaft vollständig verkapselt sind, um sie vor Umwelteinflüssen zu schützen. Ebenso ist der erfindungsgemäße Sensor nicht auf die zwei hier dargestellten Substrate 12, 46 beschränkt. In einem anderen Ausführungsbeispiel können weitere Substrate mit oder ohne Aussparung vorgesehen sein, um den Aufbau des Sensors 10 weiter zu modularisieren. Die Substrate müssen auch nicht planar nebeneinander angeordnet sein, wie es hier angedeutet ist. So sind auch andere Aufbaustrukturen denkbar, die mit der erfindungsgemäßen Verkapselung umhäußt werden können.
-
Es versteht sich, dass die in Bezug zum ersten Ausführungsbeispiel beschriebenen Merkmalen sich auch mit den Merkmalen des zweiten Ausführungsbeispiels kombinieren lassen. Ebenso ist der grundsätzliche Aufbau des Sensors nicht auf die hier dargestellten Beispiele beschränkt. So kann die erfindungsgemäße Verkapselung auch für andere Strukturen eingesetzt werden, die von Aussparungen in der Vergussmasse 30 profitieren.
-
Abschließend werden zum Vergleich mit Bezug auf die 4a und 4b zwei Radarsensoren aus dem Stand der Technik kurz beschrieben.
-
4a zeigt einen Radarsensor aus dem Stand der Technik mit einer Verkapselung 28 als Gehäuse. Die Verkapselung 28 umschließt dabei den Sensor einschließlich einer Antenne 16 vollständig, so dass HF-Signale 36 durch die für die Verkapselung 28 verwendete Vergussmasse 30 gedämpft werden.
-
4b zeigt eine alternative Ausgestaltung eines Radarsensors aus dem Stand der Technik, bei dem der Sensor nicht verkapselt, sondern von einem Gehäuse 56 umschlossen ist. Die Bauteile des Sensors sind dabei nicht unmittelbar mit dem Gehäuse 56 verbunden, sondern in einen Hohlraum 58 innerhalb des Gehäuses 56 angeordnet. Das Gehäuse 56 weist hier eine Basis 60 auf, auf der die Komponenten des Sensors aufliegen und eine Abdeckung 62, die die elektrischen Komponenten in dem Hohlraum 58 verschließt. In der Abdeckung 62 können Öffnungen 64 vorgesehen sein, durch die hochfrequente Signale abgestrahlt und empfangen werden können. Bevorzugt sind solche Öffnungen 64 mit einer Linse 66 oder Ähnlichem versehen, so dass Hohlraum 58 insgesamt verschlossen bleibt und die Abdeckung 62 nicht an Stabilität verliert.
