DE102017204402A1

DE102017204402A1 - Bauelement mit mikromechanischem Sensormodul

Info

Publication number: DE102017204402A1
Application number: DE102017204402.0A
Authority: DE
Inventors: Uwe Hansen
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2017-03-16
Filing date: 2017-03-16
Publication date: 2018-09-20
Also published as: US20180266909A1; JP7037967B2; JP2018200301A; US10788387B2

Abstract

Die Erfindung geht aus von einem Sensorträger (10) mit einer Haupterstreckungsebene (16), mit einer ersten Seite (12) parallel zur Haupterstreckungsebene (16), mit einer zweiten Seite (14) parallel zur Haupterstreckungsebene (16), welche der ersten Seite (12) gegenüberliegend angeordnet ist, wobei an der zweiten Seite (14) wenigstens eine elektrische Kontaktfläche (30) angeordnet ist. Der Kern der Erfindung besteht darin, dass in den Sensorträger (10) wenigstens eine Stressmessstruktur (20) eingebettet ist.Die Erfindung betrifft auch ein Sensormodul (10) mit einem solchen Sensorträger (10) sowie ein Bauteil mit einem Sensormodul (100) mit einem solchen Sensorträger (10).Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Abgleich eines Sensormoduls (100) und ein Verfahren zum Betrieb eines Sensormoduls (100).

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Sensorträger mit einer Haupterstreckungsebene, mit einer ersten Seite parallel zur Haupterstreckungsebene, mit einer zweiten Seite parallel zur Haupterstreckungsebene, welche der ersten Seite gegenüberliegend angeordnet ist, wobei an der zweiten Seite wenigstens eine elektrische Kontaktfläche angeordnet ist.
Mikromechanische Sensoren, die Messgrößen über kapazitäts- oder piezoresistive-Änderungen aufnehmen erfassen nicht nur die Messgröße selbst sondern immer den inhärent vorhandenen Stress des Weiterverbaus. Dieser entsteht typischerweise aufgrund unterschiedlicher Ausdehnungskoeffizienten der verwendeten Materialien, die in Verwölbungen des Sensorelements bzw. des im Gehäuse verbauten Sensorelements resultieren. Die vorliegende Erfindung betrifft ein neuartiges Verfahren, stressinduzierte Fehler in Sensorsignalen zu kompensieren.
Aus Kostengründen werden Sensormodule vor dem Weiterverbau auf eine Leiterplatte abgeglichen. Nach dem Weiterverbau unterliegen die Sensormodule aber einem anderen Stress-Zustand als beim Abgleich, sodass es zu Signalablagen gegenüber dem Zustand direkt nach Abgleich kommt. Dies begrenzt die erreichbaren Genauigkeiten. Ein Abgleich im weiterverbauten Zustand ist theoretisch denkbar, wird jedoch aus Kostengründen nicht durchgeführt. Temperaturinduzierte Effekte der Verwölbung können mit diesem Vorgehen ebenso nicht kompensiert werden.
Für Drucksensoren erfolgt die Stressentkopplung (a) sehr aufwendig mit Federstrukturen im Sensorelement selbst, oder (b) durch eine dicke stressentkoppelnde weiche Klebstoffschicht zwischen Sensorelement und Träger. Für den Fall (b) kommt erschwerend hinzu, dass weiche Klebstoffe, die erreichbare Qualität beim Drahtbonden und somit die Lebensdauer limitieren. Andere Kontaktierverfahren wie Flip-Chip, TSVs o.Ä. würden die Entkopplung des weichen Klebstoffs aufheben. Weitere Lösungsansätze sind Stressentlastungsstrukturen in den Trägern wie gefräste Schlitze oder das Umspritzen von Trägern mit einem weichen Material. Alle diese Maßnahmen führen jedoch zu einer Vergrößerung der Grundfläche des Sensormoduls und somit zu einer Kostenerhöhung.
Vorteile der Erfindung
Die Erfindung geht aus von einem Sensorträger mit einer Haupterstreckungsebene, mit einer ersten Seite parallel zur Haupterstreckungsebene, mit einer zweiten Seite parallel zur Haupterstreckungsebene, welche der ersten Seite gegenüberliegend angeordnet ist, wobei an der zweiten Seite wenigstens eine elektrische Kontaktfläche angeordnet ist.
Der Kern der Erfindung besteht darin, dass in den Sensorträger wenigstens eine Stressmessstruktur eingebettet ist.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Sensorträgers sieht vor, dass in einer ersten Richtung senkrecht zur Haupterstreckungsebene die Stressmessstruktur und die elektrische Kontaktfläche wenigstens teilweise überdeckend angeordnet sind.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Sensorträgers sieht vor, dass die Stressmessstruktur ein piezoelektrischer oder piezoresistiver Sensor ist.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Sensorträgers sieht vor, dass die Stressmessstruktur mit der elektrische Kontaktfläche elektrisch leitend verbunden ist.
Die Erfindung betrifft auch ein Sensormodul mit einem Sensorträger nach einem der vorhergehenden Ansprüche und mit einem mikromechanischen Sensor, welcher auf der ersten Seite des Sensorträgers angeordnet ist.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Sensormoduls sieht vor, dass der mikromechanische Sensor sowie die Stressmessstruktur oder auch die elektrische Kontaktfläche in der ersten Richtung teilweise überdeckend angeordnet sind.
Die Erfindung betrifft auch ein Bauteil mit einem Sensormodul, mit einem Bauteilträger, wobei das Sensormodul mittels der elektrischen Kontaktfläche elektrisch leitend mit dem Bauteilträger verbunden ist.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Bauteils sieht vor, dass der Bauteilträger eine Leiterplatte ist.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Bauteils sieht vor, dass das Sensormodul an der elektrischen Kontaktfläche mittels einer Lotverbindung mit dem Bauteilträger verbunden ist.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Abgleich eines Sensormoduls, mit einem Sensormodul, mit den Verfahrensschritten:

(A) Abgleichen des mikromechanischen Sensors, Aufzeichnen von Abgleichdaten Da(T) und gleichzeitig Messen von Stressdaten Ds(T) mittels der Stressmessstruktur bei verschiedenen Temperaturen T;
(B) Hinterlegen der Abgleichdaten Da(T) und der Stressdaten Ds(T) in einer Auswerteschaltung des Sensormoduls.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Abgleich eines Sensormoduls sieht vor, dass in einem Schritt (C), vor dem Schritt (B), bei konstanter Temperatur T die Abgleichdaten Da(T) und die Stressdaten Ds(T) für verschiedene Stresszustände erfasst werden.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betrieb eines Sensormoduls, mit einem Sensormodul, mit den Verfahrensschritten:

(a) Messen von Stressdaten Ds(T) mittels der Stressmessstruktur;
(b) Kompensieren eines Messsignals des mikromechanischen Sensors in einer Auswerteschaltung des Sensormoduls mittels zu den Stressdaten Ds(T) zugehörigen hinterlegten Abgleichdaten Da(T).

Die Erfindung betrifft ein neuartiges Verfahren, stressinduzierte Fehler in Sensorsignalen zu kompensieren und somit die Sensorgenauigkeit zu erhöhen. Es werden Stressmessstrukturen im Sensormodul integriert, um Einflüsse der Weiterverarbeitung und Temperatur Einflüsse zu kompensieren. Somit wird eine Verbesserung der Signalgenauigkeit oder auch des Offsets unabhängig vom Ursprung des Stresses erreicht. Erfindungsgemäß werden In den Sensorträger (z.B. ein LGA Substrat) Stressmessstrukturen eigebracht. Der Sensor wird über Temperatur abgeglichen und simultan der anliegende Stress gemessen. Optional werden in einem weiteren Schritt bei konstanter Temperatur die Sensorparameter für verschiedene Stresszustände erfasst. Die Auswerteschaltung des Sensors kompensiert im Messbetrieb dann den Stresseinfluss auf die Messgröße unabhängig vom Ursprung des Stresses. Der Kern der Erfindung ist es, nicht die Stresseinflüsse mittels Entlastungsstrukturen zu kompensieren, sondern den wirkenden Stress - Weiterverarbeitung, Temperaturinduziert etc. - zu erfassen und diesen im Signal zu kompensieren. Die Erfindung beschreibt somit ein neuartiges Konzept zur Erhöhung der Sensorgenauigkeit über Messung des am Sensorelement anliegenden Stresslevels und Kompensation dieses Stresses. Vorteilhaft lässt sich die Erfindung für hochgenaue mikromechanische Sensoren, insbesondere hochgenaue Inertialsensoren und hochgenaue Drucksensoren nutzen. Vorteilhaft kann die Erfindung bei sämtlichen Sensoren genutzt werden, die empfindlich auf Temperatur und/oder durch den Weiterverbau induzierten mechanischen Stress reagieren.
Figurenliste

1 zeigt einen erfindungsgemäßen Sensorträger.
2 zeigt ein erfindungsgemäßes Sensormodul mit einem Sensorträger und einem mikromechanischen Sensor.
3 zeigt ein erfindungsgemäßes Bauteil mit einem Sensormodul und einer Leiterplatte.
4a und 4b zeigen ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Abgleich eines Sensormoduls.
5 zeigt ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betrieb eines Sensormoduls.

Beschreibung
1 zeigt einen erfindungsgemäßen Sensorträger. Schematisch dargestellt ist in diesem Ausführungsbeispiel ein Sensorträger 10 mit einer Haupterstreckungsebene 16, mit einer ersten Seite 12 parallel zur Haupterstreckungsebene 16 und mit einer zweiten Seite 14 , die ebenfalls parallel zur Haupterstreckungsebene 16 und der ersten Seite 12 gegenüberliegend angeordnet ist. An der zweiten Seite (14) sind elektrische Kontaktflächen 30 angeordnet. Erfindungsgemäß sind in den Sensorträger 10 Stressmessstrukturen 20 eingebettet. Das Obere Teilbild zeigt eine Seitenansicht des Sensorträgers 10. Das untere Teilbild zeigt eine teildurchsichtige Draufsicht auf die erste Seite 12 des Sensorträgers 10. Sichtbar sind dabei auch die eingebetteten Stressmessstrukturen 20. Exemplarisch ist als Sensorträger 10 ein LGA dargestellt, welches als elektrische Kontaktflächen 30 Lötpads aufweist. In einer ersten Richtung 18 senkrecht zur Haupterstreckungsebene 16 sind die Stressmessstruktur 20 und die elektrische Kontaktfläche 30 wenigstens teilweise überdeckend angeordnet. Die Stressmessstrukturen 20 sind piezoelektrische oder piezoresistive Sensoren, zum Beispiel Dehnungsmesstreifen.
2 zeigt ein erfindungsgemäßes Sensormodul mit einem Sensorträger und einem mikromechanischen Sensor. Schematisch dargestellt ist ein Sensormodul 100 mit einem Sensorträger 10, welcher mit einem mikromechanischen Sensor 40 und einer Auswerteschaltung 60 in Form eines ASIC bestückt ist. Der mikromechanische Sensor 40 und die Auswerteschaltung 60 sind dabei nebeneinander auf der ersten Seite 12 des Sensorträgers 10 angeordnet. Der mikromechanische Sensor 40 und die Stressmessstrukturen 20 oder auch die elektrischen Kontaktflächen 30 sind dabei in der ersten Richtung 18 teilweise überdeckend angeordnet. Das obere Teilbild zeigt schematisch das mit einer Spritzgussumhüllung 50 versehene LGA Gehäuse. Das untere Teilbild zeigt eine teildurchsichtige Draufsicht auf das Sensormodul 100 bis auf die erste Seite 12 des Sensorträgers 10. Sichtbar sind dabei auch die eingebetteten Stressmessstrukturen 20.
Die Anordnung, Form und Anzahl der Stressmessstrukturen hängt von der Gesamtgeometrie des Sensormoduls ab. Die Fuguren 1 und 2 zeigen eine Anordnung von Stressmessstrukturen für eine Bestückung von mikromechanischem Sensor 40 und Auswerteschaltung 60 nebeneinander (side by side) auf dem Sensorträger 10. Die Stressmessstrukturen 20 werden direkt unter dem Sensorelement angeordnet. Es wird davon ausgegangen, dass die Auswerteschaltung (ASIC) keine Stressempfindlichkeit aufweist. Daher sind in diesem Bereich des Sensorträgers keine Stressmessstrukturen vorgesehen.
3 zeigt ein erfindungsgemäßes Bauteil mit einem Sensormodul und einer Leiterplatte.
Schematisch dargestellt ist ein Bauteil mit einem Sensormodul 100 und mit einem Bauteilträger 200. Der Bauteilträger 200 ist in diesem Ausführungsbeispiel eine Leiterplatte. Das Sensormodul 100 ist mittels der elektrischen Kontaktflächen 30 elektrisch leitend mit dem Bauteilträger 200 verbunden. Im vorliegenden Beispiel ist mit den Lötpads 30 das Sensprmodul 100 auf die Leiterplatte 200 gelötet. Somit wird Stress der Leiterplatte in das Sensormodul eingekoppelt. Aufgrund von unterschiedlichen CTEs (CTE: Coefficient of Thermal Expansion = Wärmeausdehnungskoeffizient) des Sensormoduls und der Leiterplatte oder eines anderen Trägers, auf das das Sensormodul aufgelötet wird, erfolgt eine Verwölbung des Sensormoduls. Die in 3 gezeigte Verwölbung erzeugt ein entsprechendes Signal in den Stressmessstrukturen.
4 a und b zeigen ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Abgleich eines Sensormoduls.
Die 4a zeigt ein Verfahren zum Abgleich eines Sensormoduls 100, mit einem Sensormodul 100, mit den Verfahrensschritten:

(A) Abgleichen des mikromechanischen Sensors 40, Aufzeichnen von Abgleichdaten Da(T) und gleichzeitig Messen von Stressdaten Ds(T) mittels der Stressmessstruktur 20 bei verschiedenen Temperaturen T;
(B) Hinterlegen der Abgleichdaten Da(T) und der Stressdaten Ds(T) in einer Auswerteschaltung 60 des Sensormoduls 100.

Im ersten Schritt wird also, wie im Stand der Technik bekannt, das Sensormodul über Temperatur abgeglichen. Dabei ist das Sensormodul nicht aufgelötet, sondern wird in einem Messsockel gehalten. Aufgrund der unterschiedlichen CTEs der eingesetzten Materialien, kommt es zu Verwölbungen des Moduls, die über den Abgleich kompensiert werden. Simultan werden die Signale in den Stressmessstrukturen aufgenommen.
4b zeigt das Verfahren um einen weiteren Verfahrensschritt ergänzt. Wie in 4b dargestellt können optional in einem Schritt C, vor dem Schritt B, bei konstanter Temperatur T die Abgleichdaten Da(T) und die Stressdaten Ds(T) für verschiedene Stresszustände erfasst werden.
Es wird in dem weiteren Schritt C bei konstanter Temperatur gezielt mechanischer Stress auf das Sensorelement ausgeübt. Dies kann z.B. über eine 3-Punkt Auflage erfolgen. Es wird dabei das Sensorsignal als Funktion des Stresses aufgezeichnet. Der Stimulus für die zugrundeliegende Messgröße wird konstant gehalten. Abhängig von Genauigkeitsanforderungen und den Herstellungstoleranzen des Sensormoduls ist dieser Schritt nur einmalig oder mehrfach durchzuführen.
5 zeigt ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betrieb eines Sensormoduls. Schematisch dargestellt ist ein Verfahren zum Betrieb eines Sensormoduls 100, mit einem erfindungsgemäßen Sensormodul 100 mit den Verfahrensschritten:

(a) Messen von Stressdaten Ds(T) mittels der Stressmessstruktur 20;
(b) Kompensieren eines Messsignals des mikromechanischen Sensors 40 in einer Auswerteschaltung 60 des Sensormoduls 100 mittels zu den Stressdaten Ds(T) zugehörigen hinterlegten Abgleichdaten Da(T).

Der Abgleichalgorithmus des Moduls kompensiert nun auf Basis der Abgleichdaten und der Signalabhängigkeit vom Stress dessen Einfluss. Somit wird ein hochgenaues Sensorelement erreicht, das Einflüsse des Weiterverbaus und der T-abhängigen Verwölbung kompensiert.
Weitere Ausführungsformen der Erfindung
Neben LGAs kann die vorliegende Erfindung ebenso für leadframe basierte Gehäuse, Gehäuse auf Basis Keramik, Premold-Gehäuse oder Chip-Scale Packages eingesetzt werden.
Für weitere Anordnungen wie Konfigurationen mit gestapelten Chips (stacked die ) oder einer Kombination aus stacked die und side by side wird die Anzahl der Stressmessstrukturen als auch die Anordnung so gewählt, dass der lokale Stress auf das stressempfindliche Sensorelemente bauformabhängig bestimmt werden kann.
Neben dem Einbetten der Messstrukturen in die Träger können die Messstrukturen ebenso auf dem Träger positioniert werden.
In einer weiteren Ausführung kann das Sensorelement auf den Messstrukturen bestückt werden.
Eine Integration der Messstrukturen in den MEMS oder ASIC ist ebenso denkbar.
Bezugszeichenliste

10: LGA
12: erste Seite
14: zweite Seite
16: Haupterstreckungsebene
18: erste Richtung
20: Stressmessstruktur
30: Lötkontakt
40: mikromechanischer Sensor
50: Spritzgussumhüllung
60: Auswerteschaltung (ASIC)
100: Sensormodul
200: Leiterplatte

Claims

Sensorträger (10) mit einer Haupterstreckungsebene (16), mit einer ersten Seite (12) parallel zur Haupterstreckungsebene (16), mit einer zweiten Seite (14) parallel zur Haupterstreckungsebene (16), welche der ersten Seite (12) gegenüberliegend angeordnet ist, wobei an der zweiten Seite (14) wenigstens eine elektrische Kontaktfläche (30) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass in den Sensorträger (10) wenigstens eine Stressmessstruktur (20) eingebettet ist.
Sensorträger (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in einer ersten Richtung (18) senkrecht zur Haupterstreckungsebene (16) die Stressmessstruktur (20) und die elektrische Kontaktfläche (30) wenigstens teilweise überdeckend angeordnet sind.
Sensorträger (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stressmessstruktur (20) ein piezoelektrischer oder piezoresistiver Sensor ist.
Sensorträger (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stressmessstruktur (20) mit der elektrische Kontaktfläche (30) elektrisch leitend verbunden ist.
Sensormodul (100) mit einem Sensorträger (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche und mit einem mikromechanischen Sensor (40), welcher auf der ersten Seite (12) des Sensorträgers (10) angeordnet ist.
Sensormodul (100) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der mikromechanische Sensor (40) sowie die Stressmessstruktur (20) und/oder die elektrische Kontaktfläche (30) in der ersten Richtung (18) teilweise überdeckend angeordnet sind.
Bauteil mit einem Sensormodul (100) nach einem der Ansprüche 5 oder 6, mit einem Bauteilträger (200), wobei das Sensormodul (100) mittels der elektrischen Kontaktfläche (30) elektrisch leitend mit dem Bauteilträger (200) verbunden ist.
Bauteil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Bauteilträger (200) eine Leiterplatte ist.
Bauteil nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensormodul (100) an der elektrischen Kontaktfläche (30) mittels einer Lotverbindung mit dem Bauteilträger (200) verbunden ist.
Verfahren zum Abgleich eines Sensormoduls (100), mit einem Sensormodul (100) nach Anspruch 5 oder 6, mit den Verfahrensschritten: (A) Abgleichen des mikromechanischen Sensors (40), Aufzeichnen von Abgleichdaten (Da(T)) und gleichzeitig Messen von Stressdaten (Ds(T)) mittels der Stressmessstruktur (20) bei verschiedenen Temperaturen (T); (B) Hinterlegen der Abgleichdaten (Da(T)) und der Stressdaten (Ds(T)) in einer Auswerteschaltung (60) des Sensormoduls (100).
Verfahren zum Abgleich eines Sensormoduls (100) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Schritt (C), vor dem Schritt (B), bei konstanter Temperatur (T) die Abgleichdaten (Da(T)) und die Stressdaten (Ds(T)) für verschiedene Stresszustände erfasst werden.
Verfahren zum Betrieb eines Sensormoduls (100), mit einem Sensormodul (100) nach Anspruch 5 oder 6, mit den Verfahrensschritten: (a) Messen von Stressdaten (Ds(T)) mittels der Stressmessstruktur (20); (b) Kompensieren eines Messsignals des mikromechanischen Sensors (40) in einer Auswerteschaltung (60) des Sensormoduls (100) mittels zu den Stressdaten (Ds(T)) zugehörigen hinterlegten Abgleichdaten (Da(T)).