DE102016200263A1

DE102016200263A1 - Mikromechanischer Drucksensor

Info

Publication number: DE102016200263A1
Application number: DE102016200263.5A
Authority: DE
Inventors: Eckart Schellkes; Florian Grabmaier; Timo Lindemann
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2016-01-13
Filing date: 2016-01-13
Publication date: 2017-07-13
Also published as: US20170197824A1; TW201733135A; TWI712177B; CN107032296B; CN107032296A; US9957158B2

Abstract

Ein Verfahren zur Herstellung eines Drucksensors umfasst Schritte des Bereitstellens eines Substrats mit einer Vertiefung; des Anbringens eines mikromechanischen Sensorelements auf dem Substrat in der Vertiefung; des Anbringens einer Auswerteschaltung auf dem Substrat neben der Vertiefung; des elektrischen Verbindens der Auswerteschaltung mit dem Sensorelement; des Abdeckens des Substrats um die Vertiefung herum mittels einer Vergussmatrize, sodass die Vertiefung geschlossen ist; des Vergießens der Auswerteschaltung zwischen dem Substrat und der Vergussmatrize; und des Entfernens der Vergussmatrize.

Description

Die Erfindung betrifft einen mikromechanischen Drucksensor. Insbesondere betrifft die Erfindung die Herstellung des Drucksensors aus Halbleiterkomponenten.
Stand der Technik
Ein Drucksensor umfasst ein mikromechanisches Sensorelement und eine Auswerteschaltung, die in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind. Das Gehäuse schützt die einzelnen Komponenten vor Umwelteinflüssen wie Staub, Vibration und Hitze, sodass der Drucksensor beispielsweise an Bord eines Kraftfahrzeugs eingesetzt werden kann. Das mikromechanische Sensorelement umfasst eine Membran, deren Verformung bzw. Auslenkung aufgrund eines atmosphärischen Drucks in ein Sensorsignal umgewandelt wird, das dann mittels der Auswerteschaltung weiterverarbeitet wird. Um das Sensorelement und die Auswerteschaltung in einem Gehäuse unterzubringen, sind mehrere Techniken bekannt.
In einer ersten Variante wird ein im Gussverfahren hergestelltes Teil des Gehäuses mit einer Vertiefung erzeugt, in die anschließend das Sensorelement und die Auswerteschaltung angebracht werden. Elektrische Kontakte zwischen diesen Elementen müssen dann noch passiviert werden, was aufwendig und kostenintensiv sein kann.
In einer zweiten Variante werden die Auswerteschaltung und ggf. noch andere passive Komponenten auf einem Substrat angeordnet und eingegossen. Beim Gießen wird gleichzeitig eine Vertiefung erzeugt, in die in einem zweiten Bestückungsprozess das mikromechanische Sensorelement angebracht wird. Danach müssen jedoch wieder elektrische Kontakte passiviert werden, sodass der Prozessfluss zwei sequentielle Bestückungen umfasst. Andererseits ist hierbei vorteilhaft, dass bis auf den mikromechanischen Sensor alle Komponenten in der Vergussmasse eingeschlossen und somit gut vor Umwelteinflüssen geschützt sind. Die Vergussmasse kann einen besseren Schutz bieten als ein nachträglich appliziertes Passivierungsmaterial wie z. B. ein Silikongel.
In einer dritten Variante wird das Sensorelement zusammen mit der Auswerteschaltung auf dem Substrat bestückt und kontaktiert, bevor der Drucksensor mit einer Vergussmasse vergossen wird. Hierzu muss üblicherweise eine Folie zwischen einer Vergussmatrize und dem Substrat eingesetzt werden, um eine Dichtigkeit gegenüber der Vergussmasse zu gewährleisten. Dadurch reicht ein Bestückungsprozess aus und das Sensorelement bleibt auch im fertigen Zustand des Sensors von außen zugänglich. Nachteilig ist hierbei, dass die Vergussmatrize gegenüber der Membran des Sensorelements abdichten muss. Hierbei kann die Membran leicht beschädigt werden oder die Dichtigkeit gegenüber der Vergussmasse kann nicht gewährleistet sein. Übertretende Vergussmasse (Mold) kann dabei einzelne Bauteile wie den Drucksensor und insbesondere dessen Membran verschmutzen (Mold Flash). Kommt die Membran mit Vergussmasse in Berührung, so kann dadurch das Sensorsignal verfälscht werden.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Technik zur Bereitstellung eines Drucksensors anzugeben, der wenigstens einen der oben genannten Nachteile überwindet. Die Erfindung löst diese Aufgabe mittels der Gegenstände der unabhängigen Ansprüche.
Offenbarung der Erfindung
Ein Verfahren zur Herstellung eines Drucksensors umfasst Schritte des Bereitstellens eines Substrats mit einer Vertiefung; des Anbringens eines mikromechanischen Sensorelements auf dem Substrat in der Vertiefung; des Anbringens einer Auswerteschaltung auf dem Substrat neben der Vertiefung; des elektrischen Verbindens der Auswerteschaltung mit dem Sensorelement; des Abdeckens des Substrats um die Vertiefung herum mittels einer Vergussmatrize, sodass die Vertiefung geschlossen ist; des Vergießens der Auswerteschaltung zwischen dem Substrat und der Vergussmatrize; und des Entfernens der Vergussmatrize.
Das Verfahren erlaubt es, den Drucksensor mittels nur eines einzigen Bestückungsvorgangs herzustellen, bei dem sowohl das Sensorelement als auch die Auswerteschaltung auf dem Substrat angebracht werden. Während des Vergießens der Auswerteschaltung ist die Vertiefung, in der sich das Sensorelement befindet, mittels der Vergussmatrize abgeschlossen. Ein Eintreten von Vergussmasse kann so sicher verhindert werden. Dabei besteht eine Dichtfläche zwischen der Vergussmatrize und dem Substrat, sodass eine Dichtigkeit gegenüber dem Sensorelement und insbesondere einer Membran des Sensorelements nicht hergestellt werden muss. Eine Verunreinigung oder Überbelastung des Sensors und seiner Membran können so verhindert werden.
Eine Vergussmatrize zur Herstellung des oben beschriebenen Drucksensors ist dazu eingerichtet, um die Vertiefung herum am Substrat anzuliegen und einen vorbestimmten Bereich um und über der Auswerteschaltung freizulassen. Der Bereich kann dann mit der Vergussmasse gefüllt werden, um die Auswerteschaltung am Substrat zu vergießen. Gleichzeitig kann mittels der Vergussmatrize ein Eindringen von Vergussmasse in die Vertiefung, in der sich das Sensorelement befindet, sicher verhindert werden.
Ein Drucksensor, der insbesondere durch das oben beschriebene Verfahren und beispielsweise unter Verwendung der ebenfalls oben beschriebenen Vergussmatrize hergestellt werden kann, umfasst ein Substrat mit einer Vertiefung, ein mikromechanisches Sensorelement, das auf dem Substrat in der Vertiefung angebracht ist, eine Auswerteschaltung, die auf dem Substrat neben der Vertiefung angebracht ist, eine elektrische Verbindung der Auswerteschaltung mit dem Sensorelement und eine Vergussmasse, die die Auswerteschaltung abdeckt und das Sensorelement freilässt.
Das Sensorelement kann durch die Vergussmasse gut geschützt sein, sodass es sich insbesondere für Applikationen im Automotive-Bereich eignen kann. Beispielsweise kann das Sensorelement an Bord eines Kraftfahrzeugs, etwa in Verbindung mit einem Abgastrakt eines Verbrennungsmotors, eingesetzt werden.
Kurze Beschreibung der Figuren
Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die beigefügten Figuren genauer beschrieben, in denen:
1–4 Verfahrensschritte bei der Herstellung eines Drucksensors
darstellen.
Genaue Beschreibung von Ausführungsbeispielen
1 zeigt einen ersten Schritt 100 eines Verfahrens zur Herstellung eines Drucksensors. Ein Substrat 105 umfasst eine Vertiefung 110, die auch Kavität genannt werden kann. Das Substrat 105 umfasst üblicherweise ein Halbleitermaterial, beispielsweise Silizium. Auf eine obere Oberfläche des Substrats 105 werden in der Vertiefung 110 ein mikromechanisches Sensorelement 115 und neben der Vertiefung 110 eine Auswerteschaltung 120 angebracht. Das mikromechanische Sensorelement 115 umfasst eine mikromechanische Struktur (MEMS: Microelectromechanical System), die eine Membran 125 umfasst, die beweglich gegenüber dem restlichen Sensorelement 115 gelagert ist. Die Auswerteschaltung 120 ist üblicherweise eine Halbleiterschaltung, die gemeinhin als anwenderspezifischer integrierter Schaltkreis (ASIC) ausgebildet ist. Das Befestigen des Sensorelements 115 und der Auswerteschaltung 120 an der Membran 125 erfolgt üblicherweise mit einer Klebetechnik.
Elektrische Verbindungen zwischen dem Sensorelement 115 und der Auswerteschaltung 120 werden üblicherweise über Bond-Drähte 130 hergestellt, die bevorzugterweise jeweils zu einer leitenden Struktur innerhalb oder an der Oberfläche des Substrats 105 führen. Dieser Vorgang wird auch als Kontaktieren, Bonden oder elektrisches Verbinden bezeichnet. Ein externer Anschluss zur Kontaktierung des Drucksensors ist in 1 nicht dargestellt.
In einem Schritt 200 werden das Substrat 105, das Sensorelement 115 und die Auswerteschaltung 120 mittels einer Vergussmatrize 205 abgedeckt. Ein Bereich 210 um die Auswerteschaltung 120 und darüber wird dabei durch die Vergussmatrize 205 freigelassen. Die Vergussmatrize 205 schließt jedoch möglichst dicht außerhalb dieses Bereichs gegenüber dem Substrat 105 ab. Außerdem ist die Vergussmatrize 205 so geformt, dass sie um die Vertiefung 110 herum dicht am Substrat 105 anliegt. Eine Dichtfläche zwischen dem Substrat 105 und der Vergussmatrize 205 kann umlaufend um die Vertiefung 110 eine vorbestimmte Mindestbreite aufweisen. Es ist nicht vorgesehen, eine Folie oder ein anderes temporäres oder permanentes Dichtelement zwischen der Vergussmatrize 205 und dem Substrat 105 vorzusehen. Vielmehr ist bevorzugt, dass die Vergussmatrize 205 an den beschriebenen Stellen unmittelbar am Substrat 105 anliegt.
In einem dritten Schritt 300 wird der Bereich 210 zwischen der Vergussmatrize 205 und dem Substrat 105 mittels einer Vergussmasse 305 ausgegossen. Entsprechende Kanäle zur Führung der Vergussmasse 305 können in der Vergussmatrize 205 ausgebildet sein. Die Vergussmasse 305 ist üblicherweise unter erhöhter Temperatur und ggf. unter erhöhtem Druck fließfähig, um den Bereich 210 auszufüllen. Die Vergussmasse 305 fließt üblicherweise in horizontaler Richtung an der Oberfläche des Substrats 105 entlang, kann jedoch nicht in den Bereich der Vertiefung 110 eindringen, da die Vergussmatrize 205 mit dem Substrat 105 eine unüberwindliche Barriere bildet.
4 zeigt einen vierten Schritt 400, in dem die Vergussmatrize 205 nach dem Erkalten, Vernetzen oder Abbinden der Vergussmasse 305 im Bereich 210 wieder entfernt wird. Dadurch ist ein Drucksensor 405 fertiggestellt, dessen Auswerteschaltung 120 mittels Vergussmasse 305 abgedeckt und somit passiviert ist, während sein mikromechanisches Sensorelement 115 weiter frei zugänglich ist. Der Drucksensor 405 kann insbesondere zur Bestimmung eines Drucks oder einer Druckdifferenz zwischen Gasen, beispielsweise an Bord eines Kraftfahrzeugs, verwendet werden.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Drucksensors (405), wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: – Bereitstellen (100) eines Substrats (105) mit einer Vertiefung (110); – Anbringen (100) eines mikromechanischen Sensorelements (115) auf dem Substrat (105) in der Vertiefung (110); – Anbringen (100) einer Auswerteschaltung (120) auf dem Substrat (105) neben der Vertiefung (110); – elektrisches Verbinden (100) der Auswerteschaltung (120) mit dem Sensorelement (115); – Abdecken (200) des Substrats (105) um die Vertiefung (110) herum mittels einer Vergussmatrize (205), sodass die Vertiefung (110) geschlossen ist; – Vergießen (300) der Auswerteschaltung (120) zwischen dem Substrat (105) und der Vergussmatrize (205); und – Entfernen (400) der Vergussmatrize (205).
Vergussmatrize (205) zur Herstellung eines Drucksensors (405) mittels eines Verfahrens nach Anspruch 1, wobei die Vergussmatrize (205) dazu eingerichtet ist, um die Vertiefung (110) herum am Substrat (105) anzuliegen und einen vorbestimmten Bereich (210) um und über der Auswerteschaltung (120) freizulassen.
Drucksensor (405), umfassend – ein Substrat (105) mit einer Vertiefung (110); – ein mikromechanisches Sensorelement (115), das auf dem Substrat (105) in der Vertiefung (110) angebracht ist; – eine Auswerteschaltung (120), die auf dem Substrat (105) neben der Vertiefung (110) angebracht ist; – eine elektrische Verbindung (130) der Auswerteschaltung (120) mit dem Sensorelement (115); und – eine Vergussmasse (305), die die Auswerteschaltung (120) abdeckt und das Sensorelement (115) freilässt.