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Die vorliegende Erfindung betrifft eine mikromechanische Sensorvorrichtung mit integrierter Gehäusedichtung, eine mikromechanische Sensoranordnung und ein entsprechendes Herstellungsverfahren.
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Aus der
DE 10 2014 114 014 A1 und der
US 2008/0157236 A1 ist bekannt, einen Dichtring, bzw. eine Dichtmasse in einen Graben einer Mouldverpackung einer mikromechanischen Sensorvorrichtung einzudringen, um eine Gehäusedichtung zurealisieren.
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Die
DE 10 2004 011 148 B3 offenbart ein MEMS-Mikrofon mit einem Dichtring als Schallabdichtung zwischen dem Mikrofonchip und dem Deckel des Mikrofonchips.
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Die
US 2012/0280335 A1 offenbart eine mikromechanische Sensorvorrichtung mit einem Sensorchip und einem darauf aufgebondeten ASIC. Der ASIC weist ein Durchgangsloch auf, welches einen Sensorbereich des Sensorchips freilegt. Ein Deckel mit einer Öffnung ist in einer Peripherie des Durchgangslochs dichtend am ASIC angebracht. Das andere Ende des Deckels ist auf dem Träger angebracht.
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Stand der Technik
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Obwohl auch beliebige mikromechanische Bauelemente anwendbar sind, werden die vorliegende Erfindung und die ihr zugrundeliegende Problematik anhand von mikromechanischen Bauelementen mit Drucksensoren erläutert.
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Mikromechanische Umweltsensoren, wie beispielsweise Drucksensoren, werden üblicherweise in sogenannten „Deckel-basierten“ Gehäusen auf Level-1 aufgebaut. Dies bedeutet, dass die Sensorchips, beispielsweise umfassend den Sensor mit einer Sensormembran und notwendige Auswerteelektronik in Form eines ASIC, auf einem Substrat, wie z.B. Leadframe oder Leiterplatte, mittels Kleben aufgebracht werden. Die Kontaktierung der Komponenten untereinander oder mit dem Substrat wird durch Drahtbonds sichergestellt. Anschließend wird ein Deckel auf das Substrat geklebt, um die Sensorkomponenten vor Beschädigung zu schützen. Im Deckel befindet sich eine Öffnung, sodass Umwelteinflüsse, wie z.B. Luftdruck, Wasserstoffgehalt, Feuchtegehalt usw., von dem Sensorchip detektiert werden können.
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Bei diesem Konzept ist jedoch aufgrund der Aufbauweise kein hinreichender Schutz gegen Wasser vorgesehen. Dies bewirkt, dass derartige Drucksensoren in Applikationen, die eine Wasserdichtheit fordern, wie z.B. Smartphones oder Wearables, nicht verbaut werden können.
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Es sind zwar wasserdichte Drucksensoren bekannt, jedoch benötigen diese eine spezielle Deckelform mit Schornstein, was einen verhältnismäßig großen Bauraum erfordert. Die Sensoren im System selbst sind mit viel Gel bedeckt, wodurch sich insbesondere der Offset oder die Empfindlichkeit über Temperaturänderungen oder Lebensdauer ändern kann. Zudem ist das Substrat der Sensoren über dem Schornstein mechanisch mit dem Kundengehäuse verbunden, wodurch externe Stresseinflüsse, beispielsweise durch Handling und Temperatur, unmittelbar auf den Sensor wirken können.
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Die
DE 10 2010 030 457 A1 offenbart ein gehäustes mikromechanisches Bauelement, wobei das Gehäuse einen Medienzugang zu einem oberhalb eines Membranbereichs liegenden Hohlraum eines Drucksensors aufweist.
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Die
DE 10 2011 084 582 B3 offenbart eine mikromechanische Sensorvorrichtung mit einem Sensorchip, einem Schaltungschip und einer Moldverpackung. Die Moldverpackung weist eine Kavität oberhalb des Sensorchips auf, die über ein Durchgangsloch einen Medienzugang hat.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Erfindung schafft eine mikromechanische Sensorvorrichtung mit integrierter Gehäusedichtung nach Anspruch 1, eine mikromechanische Sensoranordnung nach Anspruch 10 und ein entsprechendes Herstellungsverfahren nach Anspruch 11.
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Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
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Vorteile der Erfindung
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Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee besteht darin, eine Abdichtstruktur direkt auf Chiplevel vorzusehen. Beispielsweise kann diese Abdichtstruktur bereits auf Wafer-Level im Batchverfahren hergestellt werden. Dies ermöglicht es, eine kleinbauende, wasserdichte mikromechanische Sensoranordnung einfach herstellbar zu machen.
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Insbesondere ist der Applikationsaufwand bei der Kundenmontage auf Level-2 reduziert, da die Abdichtstrukturen bereits im Level-1 hergestellt und vollständig integriert wurden. Die Gräben zur Aufnahme der Abdichtstruktur können zudem als vertikaler Toleranzausgleich wirken.
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Insgesamt besteht eine Kostenreduktion gegenüber bekannten mikromechanischen Sensorvorrichtungen, da insbesondere kein aufwendiges Gehäuse mehr verwendet werden muss, sondern lediglich ein Gehäuse mit einem Abstandshalterbereich entsprechend dem Bereich der Dichtstruktur.
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Die Sensorfunktionstüchtigkeit ist verbessert, da durch die Abdichtgräben und die enthaltene Dichtmasse eine mechanische Entkopplung vom Gehäuse stattfindet, die einen Stressübertrag verhindert.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist der Sensorchip eine Kaverne auf, welche an der Unterseite des Sensorchips von einem ersten Membranbereich überspannt ist, wobei an der Oberseite des Sensorchips eine Aussparung im Sensorbereich derart ausgebildet ist, das die Kaverne von einem zweiten Membranbereich überspannt ist und wobei die Aussparung mit einem Schutzmedium zumindest teilweise aufgefüllt ist. Hierbei ist es möglich, den Auswertechip nahe am Membranbereich, der üblicherweise die sensitiven Strukturen umfasst, anzuordnen.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist der Sensorchip eine Kaverne auf, welche an der Oberseite des Sensorchips von einem dritten Membranbereich überspannt ist und wobei zumindest auf den Sensorbereich eine Schutzfolie aufgebracht ist. Dies vereinfacht die Herstellung, da auf die zusätzliche Aussparung verzichtet werden kann.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist im Sensorbereich an der Oberseite des Sensorchips eine gasdurchlässige und wasserundurchlässige Gittereinrichtung vorgesehen. So lässt sich einfach ein Medienzugang nur für Gas realisieren.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung befindet sich unterhalb der Gittereinrichtung ein erster Hohlraum, in dem ein Bereich des Sensorchips über eine zur Unterseite hin fluiddurchlässige Aufhängungseinrichtung aufgehängt ist, wobei der Bereich des Sensorchips eine Kaverne aufweist, welche an der Unterseite des Sensorchips von einem vierten Membranbereich überspannt ist, und wobei die Unterseite des Sensorchips derart auf einen Auswertechip gebondet ist, dass unterhalb des vierten Membranbereichs ein zweiter Hohlraum gebildet ist, der mit dem ersten Hohlraum fluidisch verbunden ist. So lässt dich eine effektive Spannungsentkopplung des Membranbereichs erzielen.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist die Unterseite des Sensorchips mittels eines umlaufenden mikrofluidisch dichten Bondrahmens auf den Auswertechip gebondet ist. So ist der Membranbereich nur vom Sensorbereich aus fluidisch zugänglich.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist die Unterseite des Sensorchips auf einen Auswertechip gebondet ist, welcher vorzugsweise eine oder mehrere Durchkontaktierungen aufweist. So lassen sich die Sensorsignale über kurze Strecken vom Sensorchip zum Auswertechip leiten.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist der Sensorchip eine oder mehrere Durchkontaktierungen auf. So lassen sich die Sensorsignale durch den Sensorchip hindurch leiten.
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Erfindungsgemäß ist der Graben in einem Substrat des Sensorchips vorgesehen. So lässt sich eine sehr kompakte Sensorvorrichtung herstellen.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist das Dichtungsmedium und/oder das Schutzmedium ein gummielastisches Medium, insbesondere ein Silikongel. Diese Medien haben besonders gute elastische Eigenschaften und Schutz- und Dichteigenschaften.
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Figurenliste
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Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand von Ausführungsformen mit Bezug auf die Figuren erläutert.
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Es zeigen:
- 1a),b) schematische Querschnittsdarstellungen zur Erläuterung einer mikromechanischen Sensorvorrichtung mit integrierter Gehäusedichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und zwar 1a) auf Chiplevel und 1b) im verbauten Zustand;
- 2 eine schematische Querschnittsdarstellung zur Erläuterung einer beispielhaften mikromechanischen Sensorvorrichtung mit integrierter Gehäusedichtung auf Chiplevel;
- 3 eine schematische Querschnittsdarstellung zur Erläuterung einer mikromechanischen Sensorvorrichtung mit integrierter Gehäusedichtung auf Chiplevel gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
- 4 eine schematische Querschnittsdarstellung zur Erläuterung einer mikromechanischen Sensorvorrichtung mit integrierter Gehäusedichtung auf Chiplevel gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
- 5 eine schematische Querschnittsdarstellung zur Erläuterung einer beispielhaften mikromechanischen Sensorvorrichtung mit integrierter Gehäusedichtung auf Chiplevel gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente.
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Fig. la),b) sind schematische Querschnittsdarstellungen zur Erläuterung einer mikromechanischen Sensorvorrichtung mit integrierter Gehäusedichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und zwar 1a) auf Chiplevel und 1b) im verbauten Zustand.
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In 1a),1b) bezeichnet Bezugszeichen C2 einen mikromechanischen Sensorchip, beispielsweise einen mikromechanischen Drucksensorchip, welcher in einem Substrat SU, beispielsweise einem Siliziumsubstrat, mit einer Oberseite OS und einer Unterseite US ausgebildet ist. Auf der Oberseite OS ist ein Sensorbereich SB vorgesehen, der mit einem Umweltmedium in Kontakt bringbar ist, beispielsweise im Fall eines Drucksensorchips mit der umgebenden Atmosphärenluft.
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Der Sensorchip C2 weist einen im Substrat SU ausgebildeten zur Oberseite OS hin offenen, umlaufenden Graben DT auf, welcher den Sensorbereich SB beabstandet in seiner Peripherie umgibt. Aufgefüllt ist der Graben DT mit einem Dichtungsmedium DI, beispielsweise Silikon, welches zum Abdichten eines darauf anzubringenden entsprechenden Bereichs eines Gehäuses G dient (vgl. 1b)).
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Der Sensorchip C2 weist eine Kaverne K auf, welche an der Unterseite US des Sensorchips C2 von einem ersten Membranbereich M überspannt ist. Beispielsweise sind im ersten Membranbereich M piezoresistive Widerstände ausgebildet, mittels derer eine Druckänderung erfassbar ist.
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An der Oberseite OS des Sensorchips C2 ist eine wannenförmige Aussparung W im Sensorbereich SB derart ausgebildet, dass die Kaverne K von einem zweiten Membranbereich M' überspannt ist, welcher dem ersten Membranbereich M gegenüberliegt. Die Aussparung W ist mit einem Schutzmedium V aufgefüllt, welches beispielsweise ein Silikongel ist, das in seiner Materialzusammensetzung und in seinen physikalischen Eigenschaften vom Dichtungsmedium DI verschieden sein kann. Das Schutzmedium V schützt den zweiten Membranbereich M' und mögliche darauf befindliche Strukturen vor Beschädigung durch Flüssigkeiten oder Gase, insbesondere Wasser.
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Die Unterseite US des Sensorchips C2 ist auf einen Auswertechip C1 (auch als ASIC bezeichnet) gebondet, welcher Durchkontaktierungen DK1, DK2 aufweist, welche jeweils beidseitig in einem Lotbereich L1, L2, L3, L4 enden.
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Die Herstellung der derart als Chipstapel C1, C2 aufgebauten mikromechanischen Sensorvorrichtung erfolgt vorzugsweise auf Wafer-Level.
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Hierzu werden zunächst die Substrate SU mit den erforderlichen Sensorstrukturen versehen. Anschließend wird der Sensorchip C2 beispielsweise mittels Löten auf den Auswertechip C1 über die Lotkugeln L3, L4 aufgebracht. Alternative Fügeverfahren umfassen Leitkleben oder Thermokompressionsbonden.
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Der Sensorchip C2 weist den Graben DT sowie die Aussparung W auf, welche beispielsweise mittels KOH-Ätzen oder reaktiven lonenätzen erzeugt wurden. Das Dichtungsmedium DI und das Schutzmedium V werden beispielsweise kostengünstig durch Dispensieren, Drucken oder Jetten aufgebracht.
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Im gezeigten Beispiel ist die Oberseite des Dichtungsmediums DI bzw. Schutzmediums V bündig mit der Oberseite OS des Substrats. Je nach Art des Gehäuses und je nach Anwendungszweck kann jedoch auch ein leichter Überstand oder Unterstand vorgesehen werden, was auch vorteilhafterweise zum Höhenausgleich bei der Montage dienen kann.
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Wie in 1b) dargestellt, wird beispielsweise kundenseitig aus den vereinzelten Chipstapeln mit Auswertechip C1 und Sensorchip C2 eine verpackte mikromechanische Sensoranordnung gebildet.
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Im vorliegenden Beispiel wird dazu ein Gehäuse G, beispielsweise ein Kunststoffgehäuse, verwendet, das einen Unterteil BT und einen Deckelteil DT aufweist, welche beispielsweise in einem Verklebungsbereich VK dichtend miteinander verbunden sind. Der Chipstapel wird über den Auswertechip C1 auf den Unterteil BT des Gehäuses G mittels der Lötkugeln L1, L2 gelötet oder anderweitig gebondet.
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Der Deckelteil DT weist einen ins Innere gerichteten umlaufenden Abstandshalterbereich B auf, wobei der Sensorchip C2 über den Auswertechip C1 derart im Inneren des Gehäuses G auf dem Unterteil montiert ist, dass der Abstandshalterbereich B auf dem Dichtungsmedium DI aufgesetzt ist. Eine Zugangsöffnung ME für das Umweltmedium ist im Deckelteil DT oberhalb des Sensorbereichs SB vorgesehen. Dies hat zur Folge, dass das Umweltmedium lediglich in den Sensorbereich SB und einen kleinen daran angrenzenden Bereich des Substrats SU gelangen kann, nicht aber in das restliche Gehäuse G. Mit einer derartigen Montageanordnung lassen sich typischerweise Drucke im Bereich von bis zu 50 bar aushalten.
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2 ist eine schematische Querschnittsdarstellung zur Erläuterung einer beispielhaften mikromechanischen Sensorvorrichtung mit integrierter Gehäusedichtung auf Chiplevel.
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Im Unterschied zur oben beschriebenen ersten Ausführungsform ist der Graben DT' nicht im Substrat SU des mikromechanischen Sensorchips C2 vorgesehen, sondern in einem Moldbereich MO, mit dem der Chipstapel bestehend aus Auswertechip C1 und Sensorchip C2 seitlich ummoldet ist. Dabei erstreckt sich der Moldbereich MO auch in den Bereich zwischen dem Auswertechip C1 und dem Sensorchip C2. In Analogie zur ersten Ausführungsform ist das Dichtungsmedium DI in den umlaufenden Graben DT' eingefüllt, welcher sich in der Peripherie des Sensorbereichs SB im Moldbereich MO an der Oberseite befindet und zur Oberseite OS hin offen ist.
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Ein derartiger Aufbau kann beispielsweise durch den bekannten Prozess eWLB (embedded Wafer-Level BGA) realisiert werden. Der Graben DT' hat die gleiche Funktion wie beim ersten Ausführungsbeispiel und kann beispielsweise durch Lasern oder Fräsen realisiert werden. Die Lotkugeln L1, L2 und mögliche weitere (nicht dargestellte) Lotkugeln können - auch unterhalb des Moldbereichs MO - derart angeordnet werden, dass eine vorteilhafte Verteilung der mechanischen Belastung beim Verbinden zum Unterteil BT des Gehäuses G erzielbar ist.
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Im Übrigen erfolgt die Montage in Analogie zur ersten Ausführungsform gemäß Fig. lb), wobei der Abstandshalterbereich B entsprechend der Dimensionierung des Grabens DT' angepasst ist.
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3 ist eine schematische Querschnittsdarstellung zur Erläuterung einer mikromechanischen Sensorvorrichtung mit integrierter Gehäusedichtung auf Chiplevel gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Bei der zweiten Ausführungsform weist der Sensorchip C2' eine Kaverne K' auf, welche an der Oberseite OS' des Sensorchips C2' von einem Membranbereich M" überspannt ist. An der Unterseite US' ist der Sensorchip C2' auf einen Auswertechip C1 gebondet.
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Das Substrat SU' des mikromechanischen Sensorchips C2' weist in diesem Fall vorzugsweise eine oder mehrere Durchkontaktierungen DK3 auf, mittels derer sich Signale aus der nicht dargestellten Druckerfassungsvorrichtung im Membranbereich M" durch den Sensorchip C2' hindurch zum Auswertechip C1 elektrisch leiten lassen (hier schematisch dargestellt als gestrichelte Linie).
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Wie bei der ersten Ausführungsform ist der umlaufende nach oben hin offene Graben an der Oberseite OS' des Substrats SU' vorgesehen. Zum Schutz des Sensorbereichs SB' ist zumindest auf dem Sensorbereich SB' eine Schutzfolie FI, beispielsweise eine Silikonfolie. Im vorliegenden Beispiel überdeckt diese Schutzfolie FI den gesamten Chip C2'. Auch diese Folie lässt sich auf Wafer-Level vor dem Vereinzeln der Chips aufbringen.
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In Analogie zur oben beschriebenen ersten Ausführungsform erfolgt die Montage des Chipstapels bestehend aus Auswertechip C1 und Sensorchip C2' im Gehäuse G. Die auf dem Dichtungsmedium DI aufgebrachte Schutzfolie FI wirkt hierbei nicht störend, sofern sie aus einem Schutzmedium mit entsprechenden Schutzeigenschaften hergestellt ist.
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4 ist eine schematische Querschnittsdarstellung zur Erläuterung einer mikromechanischen Sensorvorrichtung mit integrierter Gehäusedichtung auf Chiplevel gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Bei der dritten Ausführungsform ist im Sensorbereich SB" an der Oberseite OS" des Sensorchips C2" eine gasdurchlässige und wasserundurchlässige Gittereinrichtung LO vorgesehen.
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Unterhalb der Gittereinrichtung LO befindet sich ein erster Hohlraum HO, in dem ein blockförmiger Bereich BL des Sensorchips C2" über eine zur Unterseite US" hin fluiddurchlässige Aufhängungseinrichtung AG seitlich nahe der Unterseite US" aufgehängt ist.
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Der blockförmige Bereich BL des Sensorchips C2" weist eine Kaverne K" auf, welche an der Unterseite US" des Sensorchips C2" von einem vierten Membranbereich M" überspannt ist. Die Unterseite US" des Sensorchips C2" ist mittels eines umlaufenden mikrofluidisch dichten Bondrahmens BR derart auf einen Auswertechip C1 gebondet, dass unterhalb des vierten Membranbereichs M" ein zweiter Hohlraum Z gebildet ist, der mit dem ersten Hohlraum HO fluidisch verbunden ist.
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So gelangt das gasförmige Umweltmedium seitlich am blockförmigen Bereich BL des Sensorchips C2" vorbei zur Unterseite US" hin, wobei die fluiddurchlässige Aufhängungseinrichtung AG beispielsweise (nicht dargestellte) Löcher entlang seiner Peripherie aufweist.
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Bei der dritten Ausführungsform weist der Sensorchip C2" weist einen im Substrat SU" ausgebildeten zur Oberseite OS" hin offenen, umlaufenden Graben DT auf, welcher den Sensorbereich SB" beabstandet in seiner Peripherie umgibt. Aufgefüllt ist der Graben DT mit einem Dichtungsmedium DI, beispielsweise Silikon, welches zum Abdichten eines darauf anzubringenden entsprechenden Bereichs eines Gehäuses G dient.
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5 ist eine schematische Querschnittsdarstellung zur Erläuterung einer beispielhaften mikromechanischen Sensorvorrichtung mit integrierter Gehäusedichtung auf Chiplevel.
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Die Sensorvorrichtung unterscheidet sich von der vierten Ausführungsform dadurch, dass der Graben DT' nicht im Substrat SU" des mikromechanischen Sensorchips C2" vorgesehen, sondern in einem Moldbereich MO, mit dem der Chipstapel bestehend aus Auswertechip C1 und Sensorchip C2" seitlich ummoldet ist. Dabei erstreckt sich der Moldbereich MO auch in den Bereich zwischen dem Auswertechip C1 und dem Sensorchip C2", allerdings nicht in den zweiten Hohlraum Z unterhalb des Membranbereichs M". In Analogie zum Beispiel gemäß 2 ist das Dichtungsmedium DI in den umlaufenden Graben DT' eingefüllt, welcher sich in der Peripherie des Sensorbereichs SB" im Moldbereich MO an der Oberseite befindet und zur Oberseite OS" hin offen ist.
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Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt. Insbesondere sind die genannten Materialien und Topologien nur beispielhaft und nicht auf die erläuterten Beispiele beschränkt.
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Besonders bevorzugte weitere Anwendungen für die erfindungsgemäße mikromechanische Sensorvorrichtung mit integrierter Gehäusedichtung sind beispielsweise neben chemischen Gassensoren wie Metalloxidgassensoren, Wärmeleitfähigkeitssensoren, Pirani-Elemente, Massenflusssensoren, wie Luftmassenmesser, Lambda-Sonden auf mikromechanischer Membran, Infrarot-Sensorvorrichtungen etc.
