DE102020108242A1 - Mounting carrier for MEMS modules - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Montageträger für MEMS Baugruppen, wie Drucksensoren, die beim Einsatz rauen Umgebungsbedingungen ausgesetzt sind, umfassend ein MEMS-Montagerohr/Carrier mit einer Druckzuführung zur Verbindung mit einer zu überwachenden Druckquelle und einem stirnseitig auf dem Montagerohr befestigten MEMS-Drucksensor, sowie einen das MEMS-Montagerohr umgebenden und an diesem befestigten Carrier-Montagering zur Aufnahme eines Schaltungsträgers. Durch die Erfindung soll ein kostengünstig herzustellender Montageträger für MEMS Baugruppen mit verbesserten Sensorischen Eigenschaften geschaffen werden. Erreicht wird das dadurch, dass das MEMS-Montagerohr (2) dem CTE des MEMS-Drucksensors (1) angepasst ist und aus einem Werkstoffverbund, bestehend aus einem Polymerwerkstoff und einer anorganischen Komponente (z.B. Glas oder Keramik) besteht und dass der das MEMS-Montagerohr (2) umgebende Carrier-Montageträger (5) dem CTE des PCB-Schaltungsträgers (4) angepasst ist und mindestens aus einem Polymerwerkstoff besteht.The invention relates to a mounting support for MEMS assemblies, such as pressure sensors, which are exposed to harsh environmental conditions during use, comprising a MEMS mounting tube / carrier with a pressure supply for connection to a pressure source to be monitored and an MEMS pressure sensor attached to the front of the mounting tube, as well as a The carrier mounting ring surrounding the MEMS mounting tube and attached to it for receiving a circuit carrier. The aim of the invention is to create a mounting support for MEMS assemblies with improved sensory properties that can be produced at low cost. This is achieved in that the MEMS mounting tube (2) is adapted to the CTE of the MEMS pressure sensor (1) and consists of a material composite consisting of a polymer material and an inorganic component (e.g. glass or ceramic) and that the MEMS The carrier assembly support (5) surrounding the mounting tube (2) is adapted to the CTE of the PCB circuit support (4) and consists of at least one polymer material.
Description
Die Erfindung betrifft einen Montageträger für MEMS Baugruppen, wie beispielsweise Drucksensoren, die beim Einsatz rauen Umgebungsbedingungen ausgesetzt sind, wie das bei Drucksensoren in Kraftfahrzeuganwendungen o.dgl. der Fall ist, umfassend ein MEMS-Montagerohr als Bestandteil eines Carriers mit einer Druckzuführung zur Verbindung mit einer zu überwachenden Druckquelle und einem stirnseitig auf dem MEMS-Montagerohr befestigten MEMS-Drucksensor, sowie einen das MEMS-Montagerohr umgebenden und an diesem befestigten Carrier-Montageelement.The invention relates to a mounting support for MEMS assemblies, such as pressure sensors that are exposed to harsh environmental conditions during use, such as pressure sensors in motor vehicle applications or the like. is the case, comprising a MEMS mounting tube as part of a carrier with a pressure feed for connection to a pressure source to be monitored and a MEMS pressure sensor attached to the front of the MEMS mounting tube, as well as a carrier mounting element surrounding the MEMS mounting tube and attached to it .
MEMS (Micro-Electro-Mechanical System) Module, wie Drucksensor-Module sind in unterschiedlicher Ausführung von verschiedenen Herstellern bekannt geworden und enthalten einen Bauteilträger / Carrier, der über eine Druckzuführung mit einer Quelle für Druckänderungen einerseits und mit dem Drucksensor andererseits verbunden ist, der wiederum über elektrische Verbindungen mit einer Schaltung zur Signalverarbeitung/Speicherung verbunden ist. Die Schaltung zur Signalverarbeitung befindet sich dabei entweder unmittelbar mit auf dem Schaltungsträger, z.B. einer Leiterplatte (PCB), oder ist in einer entfernten separaten Baugruppe untergebracht.MEMS (Micro-Electro-Mechanical System) modules, such as pressure sensor modules, are known in different designs from different manufacturers and contain a component carrier that is connected via a pressure feed to a source for pressure changes on the one hand and to the pressure sensor on the other hand is in turn connected via electrical connections to a circuit for signal processing / storage. The signal processing circuit is either located directly on the circuit carrier, e.g. a printed circuit board (PCB), or is housed in a separate, remote assembly.
Für die Detektion von Druckänderungen werden gewöhnlich Membranen genutzt, die Bestandteil der MEMS sind und bei denen eine Seite der Membran den Druckänderungen ausgesetzt ist und die andere Seite der Membran wird mit einem definierten Druck beaufschlagt. Die Bewegungen der Membran werden beispielsweise mit Hilfe eines piezoelektrischen Elementes, das mit der Membran verbunden ist, in elektrische Signale umgewandelt.For the detection of pressure changes, membranes are usually used which are part of the MEMS and in which one side of the membrane is exposed to the pressure changes and the other side of the membrane is subjected to a defined pressure. The movements of the membrane are converted into electrical signals, for example with the aid of a piezoelectric element that is connected to the membrane.
Das gemeinsame Problem dieser MEMS Baugruppen besteht darin, dass diese rauen Umgebungsbedingungen und insbesondere starken Temperaturänderungen ausgesetzt sein können, die von weit unter dem Gefrierpunkt bis zur Betriebstemperatur eines Verbrennungsmotors o.dgl. reichen können. Diese Temperaturänderungen können dabei innerhalb kurzer Zeit auftreten. Die damit zwangsläufig entstehenden thermomechanischen Spannungen an den Verbindungsstellen infolge unterschiedlicher Ausdehnungskoeffizienten der einzelnen Bestandteile des Moduls (MEMS, Montagerohr, Carrier-Montageelement) können die Lebensdauer der MEMS Module negativ beeinflussen, oder zumindest das Messergebnis verfälschen. Insbesondere können sich die Verbindungsstellen infolge unterschiedlicher Ausdehnungskoeffizienten der miteinander verbunden Einzelteile nach längerer Einsatzzeit lösen.The common problem with these MEMS assemblies is that they can be exposed to harsh environmental conditions and, in particular, strong temperature changes that range from well below freezing point to the operating temperature of an internal combustion engine or the like. can range. These temperature changes can occur within a short time. The thermomechanical stresses that inevitably arise at the connection points as a result of the different expansion coefficients of the individual components of the module (MEMS, mounting tube, carrier mounting element) can negatively affect the service life of the MEMS modules or at least falsify the measurement result. In particular, as a result of different expansion coefficients of the individual parts connected to one another, the connection points can loosen after a long period of use.
Es versteht sich, dass sich solche Probleme nicht nur auf Drucksensoren beschränken, sondern auch bei anderen MEMS Modulen, wie Temperatursensoren usw., mit ähnlichen Auswirkungen, auftreten können.It goes without saying that such problems are not limited to pressure sensors, but can also occur with other MEMS modules, such as temperature sensors etc., with similar effects.
So geht aus der
Zwischen dem Sensorchip und der Montageplatte befindet sich eine Gold-Germanium-Auflage, wobei die Montageplatte aus einer Legierung besteht, deren thermischer Ausdehnungskoeffizient (CTE: Coefficient of Thermal Expansion) mit demjenigen des Sensorchips weitgehend übereinstimmt. Eine Pufferschicht ist somit in diesem Fall nicht notwendig.There is a gold-germanium layer between the sensor chip and the mounting plate, the mounting plate being made of an alloy whose coefficient of thermal expansion (CTE: Coefficient of Thermal Expansion) largely corresponds to that of the sensor chip. A buffer layer is therefore not necessary in this case.
Die ganze Anordnung wird zu deren Schutz durch ein Gehäuse umschlossen.The whole arrangement is enclosed by a housing to protect it.
In der
Die Sensoranordnung ist auf einen Chipträger mit Hilfe einer Bondschicht montiert, die Bleiglas, ein Gold/Silizium Eutektikum, ein Blei/Zinn-Lot, ein Epoxydharz, oder ein Elastomer usw. umfasst. Dadurch wird ein Ausgleich der unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten zwischen dem Chipträger und dem Basissubsubstrat erreicht, jedoch ist eine derartige Konstruktion recht aufwändig.The sensor arrangement is mounted on a chip carrier with the aid of a bond layer, which comprises lead glass, a gold / silicon eutectic, a lead / tin solder, an epoxy resin, or an elastomer, etc. This compensates for the different expansion coefficients between the chip carrier and the base sub-substrate, but such a construction is quite complex.
Ein ähnlicher Drucksensor geht auch aus der JP000H10132677 A hervor.A similar pressure sensor can also be found in JP000H10132677 A.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten und kostengünstig aus unterschiedlichen Materialien herzustellenden Montageträger (Carrier) für MEMS Baugruppen mit verbesserten sensorischen Eigenschaften zu schaffen, bei dem eine Fehlanpassung der thermischen Ausdehnungskoeffizienten der einzelnen Komponenten des Moduls weitgehend vermieden wird.The invention is now based on the object of creating an improved and inexpensive mounting support (carrier) for MEMS assemblies with improved sensory properties, which can be produced cost-effectively from different materials, in which a mismatch of the thermal expansion coefficients of the individual components of the module is largely avoided.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird bei einem Montageträger der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass der CTE des MEMS-Montagerohres an dem CTE des MEMS-Drucksensors angepasst ist und aus einem Werkstoffverbund, bestehend aus einem Polymer und einer anorganischen oder metallischen Komponente besteht.The object on which the invention is based is achieved in a mounting support of the type mentioned in that the CTE of the MEMS mounting tube is adapted to the CTE of the MEMS pressure sensor and consists of a material composite consisting of a polymer and an inorganic or metallic component.
In einer Fortbildung der Erfindung ist auf dem das MEMS-Montagerohr umgebenden Carrier-Montageelement ein Schaltungsträger befestigt, wobei der CTE des Carrier-Montageelementes dem CTE des Schaltungsträgers angepasst ist und aus einem Polymerverbund besteht.In a further development of the invention, a circuit carrier is attached to the carrier assembly element surrounding the MEMS assembly tube, the CTE of the carrier assembly element being adapted to the CTE of the circuit carrier and consisting of a polymer composite.
In einer anderen Fortbildung der Erfindung ist das Carrier-Montageelement anstelle des Schaltungsträgers mit Kontakten für Außenanschlüsse in Form von Kontakt-Pins versehen, die sich durch einen Flansch, z.B. Gehäuserand, des Carrier-Montageelementes erstrecken und der den MEMS-Drucksensor umgibt.In another development of the invention, instead of the circuit board, the carrier mounting element is provided with contacts for external connections in the form of contact pins which extend through a flange, e.g. the edge of the housing, of the carrier mounting element and which surrounds the MEMS pressure sensor.
Vorzugsweise besteht das MEMS-Montagerohr aus einem Werkstoffverbund aus einem Polymerwerkstoff mit Keramik oder Glas, oder einem Polymerwerkstoff und einem Metall, wobei für das Metall eine angepasste Legierung auf der Basis z.B. von FeNiCo (Eisen-Nickel-Cobalt-Legierung)zum Einsatz kommen kann.The MEMS mounting tube preferably consists of a material composite of a polymer material with ceramic or glass, or a polymer material and a metal, an adapted alloy based on FeNiCo (iron-nickel-cobalt alloy), for example, being used for the metal .
In einer Fortbildung der Erfindung besteht das Carrier-Montageelement aus einem Werkstoffverbund aus einem Polymerwerkstoff, wobei der Polymerwerkstoff bevorzugt ein Kunststoff mit optimierten physikalisch-technischen Eigenschaften ist.In a further development of the invention, the carrier mounting element consists of a material composite made of a polymer material, the polymer material preferably being a plastic with optimized physical-technical properties.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Verbindung zwischen dem MEMS-Montagerohr und dem MEMS-Drucksensor eine Klebe- oder Lötverbindung, was eine unkomplizierte Montage ermöglicht.In a further advantageous embodiment of the invention, the connection between the MEMS mounting tube and the MEMS pressure sensor is an adhesive or soldered connection, which enables uncomplicated assembly.
Im Interesse einer kostengünstigen Fertigung ist das Carrier-Montageelement ein mittels Spritzgießen, Spritzpresssen, Molden oder eine mittels 3-D-Druck hergestellte Komponente.In the interest of cost-effective production, the carrier assembly element is a component produced by means of injection molding, transfer molding, molding or a component produced by means of 3-D printing.
In einer besonderen Fortbildung der Erfindung ist das Carrier-Montageelement durch Umspritzen oder Verpressen mit dem MEMS-Montagerohr verbunden.In a special development of the invention, the carrier mounting element is connected to the MEMS mounting tube by extrusion coating or pressing.
Schließlich ist der das MEMS-Montagerohr umgebende Schaltungsträger mittels einer Klebeverbindung auf dem Carrier-Montageelement befestigt, wobei der Schaltungsträger das MEMS-Montagerohr lose umgibt.Finally, the circuit carrier surrounding the MEMS mounting tube is fastened to the carrier mounting element by means of an adhesive connection, the circuit carrier loosely surrounding the MEMS mounting tube.
Der erfindungsgemäß veränderte Montageträger gewährleitet eine thermo-mechanische Anpassung des MEMS-Montagerohrs zum MEMS-Drucksensor einerseits und des Carrier-Montageelementes zum Schaltungsträger andererseits, so dass Fehlanpassungen an den Verbindungsstellen weitgehend vermieden werden können, wodurch insbesondere eine Verfälschung der Messergebnisse oder ein Ausfall des Moduls vermieden werden kann.The modified assembly carrier according to the invention ensures a thermo-mechanical adaptation of the MEMS assembly tube to the MEMS pressure sensor on the one hand and of the carrier assembly element to the circuit carrier on the other hand, so that mismatches at the connection points can be largely avoided, whereby in particular a falsification of the measurement results or failure of the module can be avoided.
Die Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. In den zugehörigen Zeichnungsfiguren zeigen:
-
1 : eine schematische Darstellung eines Montageträgers für MEMS Baugruppen mit zugehörigem Schaltungsträger; und -
2 : einen Montageträger für MEMS Baugruppen mit Kontakt-Pins zur elektrischen Verbindung mit einer externen Signalverarbeitung, der zur Montage auf Oberflächen geeignet ist.
-
1 : a schematic representation of a mounting carrier for MEMS modules with associated circuit carrier; and -
2 : a mounting support for MEMS assemblies with contact pins for electrical connection with external signal processing, which is suitable for mounting on surfaces.
Derartige MEMS-Drucksensoren
Um das MEMS-Montagerohr
Für einen kostengünstigen Aufbau kommt üblicherweise ein Montagerohr
Die Ausdehnungskoeffizienten der einzelnen Materialien ordnen sich wie folgt ein:
Insbesondere der Unterschied der CTE's zwischen dem MEMS-Drucksensor
Ein MEMS-Montagerohr
Es hat sich gezeigt, dass diese Probleme gemäß der vorliegenden Erfindung insbesondere durch die Verwendung geeigneter Verbundwerkstoffe und Materialpaarungen der einzelnen Bauteile des MEMS Montageträgers in Verbindung mit geeigneten Fügemitteln kostengünstig beseitigt werden können.It has been shown that these problems can be eliminated cost-effectively according to the present invention, in particular through the use of suitable composite materials and material pairings of the individual components of the MEMS assembly carrier in conjunction with suitable joining means.
Um eine Anpassung der unterschiedlichen CTE's bedingt durch den MEMS-Drucksensor
Dazu werden das Montagerohr
Für die Anpassung der unterschiedlichen CTE's des MEMS-Drucksensors
- a) Das MEMS-
Montagerohr 2 ist dem CTE des MEMS-Drucksensors 1 angepasst und besteht aus einem Verbundwerkstoff , wie einem Polymerwerkstoff und Keramik bzw. Glas, oder einem Polymerwerkstoff und einem Metall, oder einer Legierung auf Basis FeNiCo, wobei die Geometrie desMontagerohrs 2 den Montagebedingungen für den MEMS-Drucksensor 1 entspricht; und - b) Der Carrier-
Montageträger 5 ist an den CTE des Schaltungsträgers4 angepasst und besteht mindestens aus einem Polymer, wobei die Geometrie des Carrier-Montageträgers 5 der konstruktiven Umgebung des Schaltungsträgers4 bzw. des MEMS-Drucksensors 1 angepasst ist.
- a) The
MEMS mounting tube 2 is the CTE of theMEMS pressure sensor 1 adapted and consists of a composite material, such as a polymer material and ceramic or glass, or a polymer material and a metal, or an alloy based on FeNiCo, the geometry of the mountingtube 2 the installation conditions for theMEMS pressure sensor 1 is equivalent to; and - b) The
carrier mounting bracket 5 is at the CTE of the circuit carrier4th adapted and consists of at least one polymer, the geometry of thecarrier mounting bracket 5 the structural environment of the circuit carrier4th or theMEMS pressure sensor 1 is adapted.
Als Polymerwerkstoff können Polyethylen (PE), Polypropylen (PP) o.dgl. zum Einsatz kommen.As a polymer material, polyethylene (PE), polypropylene (PP) or the like can be used. come into use.
Das MEMS-Montagerohr
Weiterhin erfolgt die Verbindung zwischen dem MEMS-Drucksensor
Zwischen dem Schaltungsträger
Ansonsten umfasst der MEMS-Drucksensor
Der MEMS-Montageträger
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 11
- MEMS DrucksensorMEMS pressure sensor
- 1.11.1
- Membranmembrane
- 1.21.2
- Kavitätcavity
- 1.31.3
- GegenkörperCounter body
- 1.41.4
- Membranmembrane
- 1.51.5
- Kavitätcavity
- 1.61.6
- GegenkörperCounter body
- 22
- MEMS-MontagerohrMEMS mounting tube
- 33rd
- DruckzuführungPressure feed
- 44th
- SchaltungsträgerCircuit carrier
- 55
- Carrier-MontageträgerCarrier mounting bracket
- 66th
- Kontakt-PinsContact pins
- 77th
- Flansch / GehäuserandFlange / housing edge
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
- US 6148673 A [0006]US 6148673 A [0006]
- US 5600071 A [0009]US 5600071 A [0009]
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