DE10318501A1

DE10318501A1 - Chipaufbau in einem Premold-Gehäuse

Info

Publication number: DE10318501A1
Application number: DE10318501A
Authority: DE
Inventors: Kurt Weiblen; Michael Arndt; Ronny Ludwig
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2003-04-24
Filing date: 2003-04-24
Publication date: 2005-01-05
Also published as: US20050179102A1; US7064403B2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Detektion von einfallender Strahlung im infraroten Bereich, umfassend DOLLAR A - wenigstens einen Chipaufbau zur Detektion infraroter Strahlung, DOLLAR A - wenigstens einen Bonddraht, welcher vom Chipaufbau ausgeht und über metallene Anschlüsse zur Gehäuseaußenseite führt, sowie DOLLAR A Passivierungsmaterial, welches derart verteilt ist, DOLLAR A - dass der wenigstens eine Bonddraht im Wesentlichen vollständig vom Passivierungsmaterial umschlossen ist und DOLLAR A - ein der einfallenden infraroten Strahlung zugewandter Oberflächenbereich des Chipaufbaus nicht vom Passivierungsmaterial umschlossen ist.

Description

Herkömmliche mikromechanische Thermopile-Sensoren mit Infrarot-Filter zur Gasanalyse werden in TO05-Gehäusen oder TO08-Gehäusen verbaut. Dabei sitzt das Thermopile-Element auf dem Gehäuseboden, während die Filter in der TO-Kappe verklebt sind. Diese Art des Gehäuses ist sehr teuer und es erfolgt meist keine Passivierung der Bonddrähte, was die Tauglichkeit für Automobilanwendungen wegen dann möglicher Betauung und Korrosion in Frage stellt. Für bzgl. mechanischer Spannungen stark empfindliche Sensoren sind sogenannte Premold-Gehäuse bekannt. Dabei handelt es sich um ein gespritztes bzw. gemoldetes Kunststoffgehäuse. Hierbei wird das Sensorelement direkt im Premold-Gehäuse befestigt (geklebt bzw. gelötet bei vorhandener lötbarer Chipmontagefläche). Mittels Drahtbondverbindungen wird ein elektrischer Kontakt hergestellt. Danach wird das Premold-Gehäuse zur Passivierung mit Gel oder Epoxidharz vollständig vergossen und/oder mit einem Deckel geschlossen. Da eine Passivierung der Chipoberfläche oder ein möglicherweise transparenter Deckel im interessanten Frequenzbereich (bei IR-Strahlung beispielsweise Wellenlängen ≥ 4000 nm) über seine gesamte Lebenszeit möglicherweise nicht ausreichend transparent ist („Erblindung", Verfärbung bei Temperatureinwirkung, Feuchtigkeitsaufnahme, ...) ist ein optischer Zugang zum Sensor auf Dauer nicht gewährleistet. Weiterhin stellt eine eventuelle Diffusion bzw. Einlagerung von Gasmolekülen in das Passivierungsmaterial über dem Chip ein mögliches Problem für einen Gassensor dar. Gehäuse für integrierte Schaltkreise (IC-Gehäuse) mit einer an der Rückseite freiliegenden Chipmontagefläche (auch als „die-pad" bezeichnet; liegt die Chipmontagefläche frei, dann wird die Chipmontagefläche auch als „exposed die-pad" bezeichnet) sind für Leistungs-IC's bekannt.

Vorteile der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Detektion von einfallender Strahlung im infraroten Bereich, umfassend

– wenigstens einen Chipaufbau zur Detektion infraroter Strahlung,
– wenigstens einen Bonddraht, welcher vom Chipaufbau ausgeht und über elektrisch leitfähige bzw. metallene Anschlüsse zur Gehäuseaußenseite führt sowie
– Passivierungsmaterial, welches derart verteilt ist,
– dass der wenigstens eine Bonddraht (406) im vollständig bzw. wesentlichen vollständig vom Passivierungsmaterialumschlossen ist und
– ein der einfallenden infraroten Strahlung zugewandter Oberflächenbereich des Chipaufbaus nicht vom Passivierungsmaterialumschlossen ist.

Damit wird gegenüber einem vollvergossenen Chip eine geringere Menge des Passivierungsmaterials benötigt. Weiter wird durch die Nichtpassivierung der aktiven Chipoberfläche die Verwendung eines im interessanten Wellenlängenbereich nicht transparenten Passivierungsmaterials ermöglicht. Dadurch werden Streustrahlungen vermieden. Ebenfalls wird durch die Nichtpassivierung der aktiven Chipoberfläche die Verwendung eines zweiten Passierungsmaterials speziell für die Chipoberfläche vermieden.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Chipaufbau in einem vorgeformten Gehäuse unterbracht ist. Dadurch ist ein späteres Umspritzen des Chips mit Kunststoff nicht notwendig.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass das vorgeformte Gehäuse über eine an der Gehäuseinnenwand umlaufende bzw. wenigstens teilweise umlaufende geometrische Struktur verfügt, welche derart gestaltet ist, dass sie vom Passivierungsmaterial infolge eines durch Benetzungskräfte bzw. Adhäsionskräfte zwischen Passivierungsmaterial und Gehäuseinnenwand bedingten und vom Gehäuseboden wegführenden Kriechvorgangs des Passivierungsmaterials nicht überschritten wird. Dadurch wird es ermöglicht, das Passivierungsmaterial genau an den gewünschten Orten in der gewünschten Menge anzubringen.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet,

– dass als Passivierungsmaterial ein Passivierungsgel verwendet wird und
– dass es sich bei der an der Gehäuseinnenwand umlaufenden geometrische Struktur um eine Stoppkante, insbesondere eine Gelstoppkante, handelt.

Beim Passivierungsgel handelt es sich um ein bekanntes und leicht handhabbares Material.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die an der Gehäuseinnenwand umlaufende geometrische Struktur (insbesondere ein radialer Querschnitt dieser Struktur) wenigstens einen spitzen Winkel aufweist. Dieser spitze Winkel ist im vorgeformten Gehäuse einfach herzustellen und bietet so eine einfache Möglichkeit zur Realisierung einer Stoppkante.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dass die an der Gehäuseinnenwand umlaufende geometrische Struktur (d.h. ein radialer Querschnitt durch diese Struktur) wenigstens zwei spitze Winkel aufweist. Damit wird eine Redundanz der Stoppfunktion für die Passivierung erreicht.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass ein radialer Querschnitt der an der Gehäuseinnenwand umlaufenden geometrischen Struktur wenigstens einen Winkel aufweist, bei deren Überschreitung das Passivierungsmaterial einen Winkel, welcher größer als 270 Grad ist, umstreicht.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet,

– dass das vorgeformte Gehäuse nach einer Seite offen ist und
– dass die offene Seite des vorgeformten Gehäuses mit einem metallenen Deckel, welcher wenigstens eine Öffnung aufweist, umschlossen wird.

Dadurch ist ein zusätzlicher mechanischer Schutz der Drahtbondverbindung gegeben.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Deckel und der Chipaufbau so angeordnet sind, dass die einfallende infrarote Strahlung zuerst der Öffnung des Deckels passiert und danach den nicht vom Passivierungsmaterial umschlossenen Oberflächenbereich des Chipaufbaus erreicht.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet,

– dass wenigstens einer Öffnung des Deckels ein Filter zugeordnet ist und
– dass dieser Filter sich dadurch auszeichnet, dass im wesentlichen nur infrarote Strahlung in einem vorgegebenen Wellenlängenbereich durchgelassen wird.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet,

– dass der Filter als Fabry-Perot-Filter realisiert ist und
– dass der Filter nur infrarote Strahlung im Wellenlängenbereich um einer Absorptionsbande eines zu detektierenden Gases durchlässt.

Dadurch eröffnet sich die Gasanalyse als besonders geeigneter Anwendungsbereich für die Anordnung.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet,

– dass die Vorrichtung wenigstens zwei Chipaufbauten zur Detektion infraroter Strahlung aufweist und
– bei jedem der wenigstens zwei Chipaufbauten ein der einfallenden infraroten Strahlung zugewandter Oberflächenbereich des Chipaufbaus nicht vom Passivierungsmaterial bedeckt ist.

Damit bietet sich die Möglichkeit, die Intensität einer durch einen Chipaufbau detektierten infraroten Strahlung mit der Intensität der an einem anderen Chipaufbau detektierten infraroten Strahlung zu vergleichen.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung

– wenigstens zwei Fabry-Perot-Filter aufweist ist und
– dass wenigstens einer der Filter nur infrarote Strahlung im Wellenlängenbereich um eine Absorptionsbande eins zu detektierenden Gases durchlässt und
– wenigstens ein weiterer der Filter nur infrarote Strahlung in einem davon verschiedenen Wellenlängenbereich durchlässt

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem zu detektierenden Gas um Kohlendioxid handelt. Dadurch eignet sich die An ordnung zur Detektion von Kohlendioxid und kann beispielsweise beim Einsatz von kohlendioxidbasierten Klimaanlagen in Kraftfahrzeugen zur Detektion von Leckagen der Klimaanlage verwendet werden.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Chipaufbau wenigstens einen Thermopile aufweist. Mit dem Thermopile bietet sich eine einfache und bewährte Möglichkeit, durch Strahlung hervorgerufene Temperaturunterscheide anhand einer dadurch erzeugten elektrischen Spannung (es handelt sich um den physikalischen Seebeck-Effekt) zu detektieren.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet,

– dass der Chipaufbau wenigstens einen Hohlraum aufweist, welcher von einer freitragenden Membran abgedeckt wird und
– dass sich der Thermopile auf der dem Hohlraum gegenüberliegenden Seite der Membran angebracht ist.

Der Hohlraum bietet eine wirkungsvolle Möglichkeit, einen zu schnellen Wärmeabfluss vom Thermopile zu vermeiden.

Zeichnung
Die Zeichnung besteht aus den 1 bis 13.
1 zeigt den grundlegenden Chipaufbau eines Infrarotsensors.
2 zeigt die Draufsicht auf eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
3 zeigt in Draufsicht die in 2 dargestellte Ausführungsform nach Wegnahme der Metallabdeckung.
4 zeigt einen Querschnitt durch Ausführungsform 1.
5 zeigt einen um 90 Grad gedrehten Querschnitt durch Ausführungsform 1.
6 zeigt einen Querschnitt durch Ausführungsform 2.
7 zeigt einen um 90 Grad gedrehten Querschnitt durch Ausführungsform 2.
8 zeigt einen Querschnitt durch Ausführungsform 3.
9 zeigt einen um 90 Grad gedrehten Querschnitt durch Ausführungsform 3.
10 zeigt zwei Schnitte durch die Metallabdeckung.
11 zeigt eine Ausschnittsvergrößerung einer Ausführungsform der Stoppkante für das Passivierungsmaterial (z.B. Gel) im Premold-Gehäuse.
12 zeigt die Möglichkeit der Integration weiterer externer Filter im Premold-Gehäuse.
13 zeigt ein Ausführungsbeispiel für den Chipaufbau.
Es wird darauf hingewiesen, dass es sich bei den Figuren jeweils nur um spezielle Ausführungsformen der Erfindung handelt
Ausführungsbeispiele
Die Erfindung umfasst die Passivierung (Passivierung = Abschottung bzw. Erzeugung von Unempfindlichkeit gegenüber äußeren Einflüssen) der Bondkontakte eines gestuften Chipaufbaus in einem Premold-Gehäuse mit einer der Chiphöhe angepassten, an den Innenwänden des Premold-Gehäuses umlaufenden Stopp-Kante für das Passivierungsmaterial (wenn als Passivierungsmaterial ein Gel verwendet wird, dann handelt es sich um eine sogenannte Gelstoppkante). Dabei fungieren zugleich die oberen Chipkanten ebenfalls als chipseitige Stopp-Kanten, die aktive Chipoberfläche wird durch eine exakte Dosierung der Menge des Passivierungsmittels (z.B. des Passivierungsgels) nicht mit passi viert. Der mechanische Schutz dieses Aufbaus wird durch eine Metallabdeckung mit Öffnungen realisiert.
Durch diese fehlende Passivierung der Chipoberfläche wird eine bestmögliche optische Erreichbarkeit der Chipoberfläche während der gesamten Lebenszeit des Aufbaus erreicht.
Bei der Auswahl des Passivierungsmaterials empfiehlt es sich, ein im interessanten Wellenlängenbereich nicht transparentes Passivierungsmaterial (z.B. schwarzes Gel) zu verwenden, um Streustrahlungen zu vermeiden.
Weiterhin ergeben sich damit die folgenden Vorteile:

– Es ist eine einfache und kostengünstige Montage (insbesondere für gegen mechanische Spannungen empfindliche Chips) möglich.
– Ein Umspritzen des Chips mit Kunststoff ist nicht notwendig.
– Es erfolgt eine Passivierung aller Bondverbindungen, d.h. sowohl der Drahtbonds als auch der Chipverbindungen.
– Es ist eine geringere Menge des Passivierungsmaterials gegenüber dem Vollverguss eines Chips notwendig. Dadurch werden die Drahtbondverbindungen weniger mit mechanischen Spannungen belastet.
– Die Chipgröße kann minimiert werden, dies ermöglicht die Herstellung kostengünstiger, kleiner Chips.
– Mit der Anordnung liegt ein für Anwendungen im Automobilbereich taugliches Gehäuse vor.
– Durch die Nichtpassivierung der aktiven Chipoberfläche ist die Verwendung eines im interessanten Wellenlängenbereich nicht transparenten Passivierungsmaterials möglich. Dadurch werden Streustrahlungen vermieden.
– Durch die Nichtpassivierung der aktiven Chipoberfläche wird die Verwendung eines zweiten Passierungsmaterials speziell für die Chipoberfläche vermieden.
– Es besteht die Möglichkeit einer thermischen Ankopplung der Anordnung an das Substrat durch die Verwendung einer Gehäusevariante mit „exposed die-pad". Damit ist die Möglichkeit des Wärmeabflusses gegeben („Wärmesenke").
– Es besteht die Möglichkeit eines zusätzlichen Schutzes der Drahtbondverbindungen und der Passivierung durch Anbringen einer zusätzlichen Metallabdeckung (Deckel) mit Öffnungen.
– Durch diese zusätzliche Metallabdeckung wird eine weitere Abschirmung gegenüber Streustrahlung ermöglicht. Zusätzlich ist dadurch im Fertigungsprozess eine einfache Weiterverarbeitungsmöglichkeit durch Standardautomaten mit speziellen Pick-Up-Tools möglich. Außerdem besteht die Möglichkeit der Montage externer und erweiterter optischer Filter.

Der grundlegende Chipaufbau eines Infrarotsensors ist in 1 dargestellt. Links ist eine Seitenansicht dargestellt, rechts ist die Draufsicht von oben dargestellt. Dabei kennzeichnet die geschweifte Klammer 100 die Breite des optisch relevanten Bereichs. Der Filterwafer mit den darauf einseitig oder beidseitig aufgebrachten Filterschichten ist mit 101 gekennzeichnet, der Trägerchip der Anordnung ist mit 102 gekennzeichnet. Die Filterschichten sind beispielsweise als Fabry-Perot-Filter ausgeführt, so dass nur ein bestimmter, vorgebbarer Wellenlängenbereich (z.B. um den Absorptionspeak von Kohlendioxid herum lokalisiert) durchgelassen wird.
Der Filterwafer 101 mit den Filterschichten ist mit dem Trägerchip 102 über eine Sealglasverbindung 103 verbunden. Weiter kennzeichnet 104 die Absorberschicht, 105 kennzeichnet den Thermopile und 106 kennzeichnet die Membran. Die Leiterbahn ist mit 108 gekennzeichnet, darin sind auch die Bondanschlüsse 107 („Chipbondlands") enthalten. In 1 ist auch deutlich der Hohlraum („Kaverne") zwischen der Membran 106 und dem Trägerchip 102 zu erkennen.
In 2 ist die Draufsicht auf eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt. Dabei kennzeichnet 200 die Metallabdeckung mit den Öffnungen und 201 kennzeichnet das Premold-Kunststoffgehäuse. In dieser Ausführungsform sind zwei Öffnungen in der Metallabdeckung vorgesehen.
3 zeigt in Draufsicht die in 2 dargestellte Ausführungsform nach Wegnahme der Metallabdeckung. Dabei kennzeichnet 300 die beiden Chipaufbauten (jede liegt unterhalb der Öffnung in der Metallabdeckung), in einer speziellen Ausführungsform sind dies zwei Infrarotdetektoren. 301 kennzeichnet die zu passivierenden Drahtbonds und 302 kennzeichnet die Abschlussbeinchen des Bauelements. 304 kennzeichnet das Plastikgehäuse.
Weiterhin sind in 3 zwei Achsen x und y eingezeichnet. Damit werden Querschnittsrichtungen definiert. Auf diese Achsen wird später Bezug genommen.
Im folgenden werden 3 Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Anordnung betrachtet.

Ausführungsbeispiel 1: 4 und 5
Ausführungsbeispiel 2: 6 und 7
Ausführungsbeispiel 3: 8 und 9

Dabei zeigt in den 3 Ausführungsbeispielen die jeweils erste Figur einen Schnitt durch die in 3 definierte x-Richtung, die jeweils zweite Figur zeigt einen Schnitt durch die in 3 definierte y-Richtung.
4 zeigt einen Schnitt in x-Richtung durch eine erste Ausführungsform von 3. Diese Ausführungsform zeichnet sich durch einen dünnen Gehäuseboden aus, d.h. es steht eine maximale Innenraumhöhe zur Verfügung.
Dabei kennzeichnet 400 die Metallabdeckung mit Öffnungen und 401 kennzeichnet das Plastikgehäuse (Premold-Gehäuse). Weiterhin kennzeichnet 402 die äußeren Anschlussbeinchen.
Die Chipunterlage bzw. der Sockel 404 und die Chipaufbauten 405 sind durch eine Klebeverbindung 403 verbunden. Weiterhin kennzeichnet 406 die Drahtbonds und 407 kennzeichnet das Passivierungsmaterial. Die Stoppkante für das Passivierungsmaterial ist mit 408 bezeichnet.
Die Funktion des Sockels 404 besteht im Höhenausgleich für die Chipaufbauten 405 infolge des dünnen Gehäusebodens.
5 zeigt einen Schnitt in y-Richtung durch die erste Ausführungsform von 3. Hier sind beide Chipaufbauten zu sehen, welche beide jeweils zu einem separaten Infrarotsensor gehören, d.h. es liegen zwei Infrarotsensoren vor.
Durch die Stoppkante 408 wird vermieden, dass das Passivierungsgel sich entlang der vertikalen Gehäusewand hochzieht. Durch das selbsttätige „Hochziehen" des Gels an der Gehäusewand geht Gelvolumen für die Passivierung der Drahtbonds verloren, was dazu führen kann, dass die Drahtbonds nicht mehr vollständig vom Passivierungsmaterial umschlossen sind. Würde sich bei fehlender Stoppkante das Passivierungsmaterial sogar bis zum Aufsatz 409 für den Metalldeckel hochziehen, dann würde die Höhe des Deckelniveaus nicht mehr stimmen. Auf der Innenseite der Drahtbonds (beim Chipaufbau) wirkt die Chipkante als natürliche Stoppkante: die Chipoberfläche bleibt frei vom Passivierungsmaterial.
Eine zweite Ausführungsform ist in den 6 und 7 dargestellt. 6 zeigt einen Schnitt entlang der in 3 definierten x-Richtung, 7 zeigt einen Schnitt entlang der in 3 definierten y-Richtung.
Analog zu 4 kennzeichnen
600 = Metallabdeckung mit Öffnungen,
601 = Drahtbonds,
602 = Passivierungsmittel bzw. Passivierungsgel,
603 = Premold-Plastikgehäuse,
604 = Anschlussbeinchen,
605 = Klebeverbindung,
606 = Chipaufbauten.
Der wesentliche Unterschied gegenüber der ersten Variante in 4 besteht darin, dass das Premold-Gehäuse einen dicken Gehäuseboden aufweist. Deshalb ist die Innenraumhöhe gegenüber 4 reduziert, die Sensorchips werden direkt auf den Kunststoffgehäuseboden montiert bzw. geklebt, die Verwendung der Chipunterlage 404 in 4 kann entfallen.
Eine dritte Ausführungsform ist in den 8 und 9 dargestellt. 8 zeigt einen Schnitt entlang der in 3 definierten x-Richtung, 9 zeigt einen Schnitt entlang der in 3 definieren y-Richtung.
Analog zu 4 kennzeichnen
800 = Metallabdeckung mit Öffnungen,
801 = Drahtbonds,
802 = Passivierungsmittel bzw. Passivierungsgel,
803 = Premold-Plastikgehäuse,
804 = Anschlussbeinchen,
805 = Klebeverbindung,
806 = „exposed die-pad".
806 kennzeichnet den metallischen Gehäuseboden („exposed die-pad"), die Chipaufbauten 807 sind direkt auf das „exposed die-pad" montiert bzw. geklebt. Damit ist eine optimale thermische Ankopplung der Sensorchips an die Leiterplatte gegeben.
Eine mögliche Metallabdeckung ist in 10 dargestellt. Der obere Querschnitt zeigt einen Schnitt entlang der in 3 definierten x-Richtung, der untere Querschnitt zeigt einen Schnitt entlang der in 3 definierten y-Richtung.
11 zeigt ein Beispiel für eine Form der umlaufenden Gelstoppkante im Premold-Gehäuse. Hier soll auf die beispielhaft gewählten Werte von 70 Grad für die beiden eingezeichneten Winkel hingewiesen werden. Ein Winkel von 90 Grad würde ebenfalls die Funktion einer Stoppkante erfüllen. Aufgrund der Fertigungstoleranzen bei Premoldgehäusen ist jedoch eine 90-Grad-Kante nicht exakt herstellbar. Wäre der Winkel beispielsweise (infolge von Fertigungstoleranzen) 100 Grad anstelle von 90 Grad, dann wäre die Stoppfunktion bzgl. eines Hochfließens des Gels bereits nicht mehr erfüllt. Deshalb empfiehlt es sich, einen Winkel von beispielsweise 70 Grad zu wählen, um auf der sicheren Seite zu sein. D.h. auch bei vorliegenden Fertigungstoleranzen wird der Winkel mit Sicherheit deutlich kleiner als 90 Grad sein.
12 zeigt beispielhaft die Montage eines externes Filters an die Metallabdeckung. Dabei kennzeichnet 1201 den optischen Filter, welcher durch die Klebeverbindungen 1200 an der Metallabdeckung befestigt ist. 1202 kennzeichnet den Chipaufbau.
Das Design des Premold-Gehäuses muss dem Chipaufbau angepasst sein, d.h. die umlaufende Stoppkante an der Gehäuseinnenwand muss der Gesamtchiphöhe eines gestuften Chipaufbaus angepasst sein.
Es hat sich gezeigt, dass die Höhe der gehäuseseitigen Drahtbondflächen nach der Montage der Sensorchips vorteilhafterweise geringer als die Höhe der chipseitigen Drahtbondflächen sein sollte. Dieser vorteilhafte Höhenunterschied kann auch durch die Montage eines Sockels unter die Chips (z.B. durch Kleben eines Silizium- oder Glasplättchens) erzeugt werden.
Unter dem Begriff des „gestuften Chipaufbaus" wird dabei verstanden, dass sich an wenigstens einer Seite des Chipaufbaus eine Stufe befindet. Auf dieser Stufe befinden sich die Bondkontakte.
Der oder die Chips werden im folgenden in das Premold-Gehäuse montiert (z.B. geklebt oder bei geeigneter Chipmontagefläche gelötet) und mit Drähten kontaktiert bzw. drahtgebondet.
Von hoher Wichtigkeit für die Funktion der Passivierung ist die maximale Höhe der Bondloops, d.h. der Abstand des „höchsten" Punktes eines Drahtbonds über dem Boden des Gehäuses. Diese maximale Höhe des Scheitelpunktes der Drahtverlaufsform muss bedeutend niedriger sein als die Höhe der oberen Chipoberfläche bei einem gestuften Chipaufbau, d.h. die Bonddrähte müssen so flach wie möglich vom Chip weggeführt werden, damit sie vollständig vom Passivierungsmaterial bedeckt werden.
Als mechanischer Schutz der Bonddrähte und der Passivierung wird noch ein Metalldeckel mit an die Größe der aktiven (im Beispiel optischen) Chipfläche angepassten Öffnungen montiert. Dieses bietet als zusätzlichen Vorteil die einfache Weitermontage des jetzt robusteren Gehäuses durch Standard-Bestückungsmaschinen sowie dient der Abschirmung von Streustrahlung.
Diese Öffnung (bei einem Chip im Gehäuse) bzw. Öffnungen (bei mehreren Chips) sollten bevorzugt symmetrisch (bei mehreren Öffnungen axialsysmmetrisch) in dieser Metallabdeckung angebracht sein. Die Metallabdeckung wird durch die plastische Verformung des Gehäuserandes mit dem Gehäuse verstemmt. Durch das Vorhandensein dieser Metallabdeckung besteht auch die Möglichkeit der Montage externer Filter. Somit wäre bei identischem Aufbaukonzept und Variation der externen Filter die Detektion unterschiedlicher Gase möglich, beispielsweise Kohlendioxid, Stickoxide oder Methangas.
Nun wird noch auf den detaillierten Chipaufbau eingegangen, wie er in einem in 13 dargestellten Ausführungsbeispiel gezeigt ist.
Auf einer thermisch isolierenden Membran 1, welche durch eine Kaverne 2 freigestellt ist, liegt ein Temperaturfühler 3, z.B. ein Thermopile, welcher auf dem physikalischen Seebeck-Effekt beruht. Die Kaverne 2 enthält Vakuum und dient der thermischen Isolation des Thermopiles 3. Zur Bestimmung der Intensität einer IR-Strahlung muss auf dem Thermopile 3 eine IR-absorbierende Schicht 4 lokal über der freitragenden Membran 1 aufgebracht werden. Wenn die Membran 1 Perforationslöcher 5 aufweist oder sehr dünn und damit mechanisch wenig stabil ist, muss dieser Aufbringungsprozess sehr vorsichtig erfolgen. Die Perforationslöcher 5 sind für die Erzeugung der Kaverne 2 durch einen Ätzvorgang erforderlich.
Die IR-absorbierende Schicht 4 soll dabei im Wellenlängenbereich 1μm bis 5μm stark absorbieren. Bevorzugt besitzt sie eine Wärmeleitfähigkeit, die im Bereich der Wärmeleitung von Nitriden oder Oxiden liegt. Die Schichtdicke soll bevorzugt 10μm nicht wesentlich übersehreiten.
Abschließend sei darauf hingewiesen, dass es sich bei den Ausführungsbeispielen stets um ein Premold-Gehäuse handelte, welches zwei Sensoren enthielt. Selbstverständlich lässt sich die beschriebene Anordnung auch auf Anordnungen mit nur einem oder mehr als zwei Sensoren im Premold-Gehäuse ausdehnen.

Claims

Vorrichtung zur Detektion von einfallender Infrarotstrahlung, umfassend – wenigstens einen Chipaufbau (405) zur Detektion infraroter Strahlung, – wenigstens einen Bonddraht (406), welcher vom Chipaufbau ausgeht und über elektrisch leitfähige Anschlüsse (402) zur Gehäuseaußenseite führt sowie – Passivierungsmaterial (407), welches derart verteilt ist, – dass der wenigstens eine Bonddraht (406) im wesentlichen vollständig vom Passivierungsmaterial umschlossen ist und – ein der einfallenden infraroten Strahlung zugewandter Oberflächenbereich des Chipaufbaus nicht vom Passivierungsmaterial bedeckt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, – dass der Chipaufbau in einem vorgeformten (401) Gehäuse unterbracht ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das vorgeformte Gehäuse (401) über eine an der Gehäuseinnenwand wenigstens teilweise umlaufende geometrische Struktur (408) verfügt, welche derart gestaltet ist, dass sie vom Passivierungsmaterial (407) infolge eines durch Benetzungskräfte bzw. Adhäsionskräfte zwischen Passivierungsmaterial und Gehäuseinnenwand bedingten und vom Gehäuseboden wegführenden Kriechvorgangs des Passivierungsmaterials nicht überschritten wird.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, – dass als Passivierungsmaterial (407) ein Passivierungsgel verwendet wird und – dass es sich bei der an der Gehäuseinnenwand wenigstens teilweise umlaufenden geometrischen Struktur (408) um eine Gelstoppkante handelt.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein radialer Querschnitt der an der Gehäuseinnenwand wenigstens teilweise umlaufenden geometrischen Struktur (408) wenigstens einen spitzen Winkel aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein radialer Querschnitt der an der Gehäuseinnenwand wenigstens teilweise umlaufenden geometrischen Struktur (408) wenigstens einen Winkel aufweist, bei deren Überschreitung das Passivierungsmaterial einen Winkel, welcher größer als 270 Grad ist, umstreicht.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, – dass das vorgeformte Gehäuse (401) nach einer Seite offen ist und – dass die offene Seite des vorgeformten Gehäuses mit einem metallenen Deckel (400), welcher wenigstens eine Öffnung aufweist, abgeschlossen wird.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Deckel (400) und der Chipaufbau (405) so angeordnet sind, dass die einfallende infrarote Strahlung zuerst die Öffnung des Deckels (400) passiert und danach den nicht vom Passivierungsmaterial umschlossenen Oberflächenbereich des Chipaufbaus erreicht.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, – dass wenigstens einer Öffnung des Deckels (400) ein Filter (1201) zugeordnet ist und – dass dieses Filter sich dadurch auszeichnet, dass im wesentlichen nur infrarote Strahlung in einem vorgegebenen Wellenlängenbereich durchgelassen wird.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, – dass das Filter (1201) als Fabry-Perot-Filter realisiert ist und – dass das Filter nur infrarote Strahlung im Wellenlängenbereich um eine Absorptionsbande eines zu detektierenden Gases durchlässt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, – dass die Vorrichtung wenigstens zwei Chipaufbauten (405) zur Detektion infraroter Strahlung aufweist und – bei jedem der wenigstens zwei Chipaufbauten ein der einfallenden infraroten Strahlung zugewandter Oberflächenbereich des Chipaufbaus nicht vom Passivierungsmaterial bedeckt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung – wenigstens zwei Fabry-Perot-Filter (1201) aufweist ist und – dass wenigstens einer der Filter nur infrarote Strahlung im Wellenlängenbereich um eine Absorptionsbande eins zu detektierenden Gases durchlässt und – wenigstens ein weiterer der Filter (1201) nur infrarote Strahlung in einem davon verschiedenen Wellenlängenbereich durchlässt
Vorrichtung nach Anspruch 10 und 12, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem zu detektierenden Gas um Kohlendioxid handelt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Chipaufbau (405) wenigstens einen Thermopile (3) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, – dass der Chipaufbau (405) wenigstens einen Hohlraum (2) aufweist, welcher von einer freitragenden Membran (1) abgedeckt wird und – dass sich der Thermopile auf der dem Hohlraum (2) gegenüberliegenden Seite der Membran (1) angebracht ist.