DE10346474A1 - Halbleiterbauteil und Sensorbauteil mit Datenübertragungsvorrichtungen - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Halbleiterbauteil (1) und ein Sensorbauteil (20) mit Datenübertragungsvorrichtungen (6 und 24), wobei das Halbleiterbauteil (1) zur drahtlosen Übertragung ein Hauptkopplungselement (6) und das Sensorbauteil (20) ein Sensorkopplungselement (24) aufweist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Halbleiterbauteil und ein Sensorbauteil mit Datenübertragungsvorrichtungen, wobei das Halbleiterbauteil zur drahtlosen Übertragung ein Hauptkopplungselement und das Sensorbauteil ein Sensorkopplungselement aufweist.
  • Derartige Kopplungselemente sind aus der Druckschrift EP 0 932 944 B1 bekannt, die eine Datenübertragungsschaltung mit einer Station und einer Antwortschaltung betrifft, wobei die Station eine Primärspule mit einem Signalgenerator zur Erzeugung eines Magnet-Wechselfeldes mit einer Trägerfrequenz sowie mit einem Amplituden-Demodulator aufweist. Die Antwortschaltung weist demgegenüber eine Sekundärspule sowie mit einem Amplituden-Modulator zur Beeinflussung der Last der Sekundärspule auf. Dabei ist der Amplituden-Modulator derart ausgebildet, dass das Magnet-Wechselfeld mit einem Datensignal modulierbar ist. Derartige Stationen mit Antwortschaltungen werden bei Transpondern oder bei Chipkarten eingesetzt, wobei die Chipkarte die Sekundärspule aufweist.
  • Sowohl Transpondergeräte als auch Chipkarten sind keine Wegwerfprodukte, die nach einmaligem Gebrauch vernichtet werden bzw. vernichtet werden müssen. Somit können die Produktionskosten derartiger bekannter Datenübertragungsvorrichtungen auf eine hohe Einsatzzahl umgerechnet werden und ergeben einen minimalen Produktionskostenanteil pro Einsatz. Es besteht jedoch das Bedürfnis derartige Datenübertragungsschaltungen auch für Wegwerfprodukte, wie für medizinisch genutzte Sen sorbauteile nutzbar zu machen und einen Produktionskostenbereich zu erreichen, der auch eine einmalige Nutzung des Sensorbauteils wirtschaftlich vertretbar zulässt.
    •
  • Aufgabe der Erfindung ist es ein Halbleiterbauteil und ein Sensorbauteil mit Datenübertragungsvorrichtungen zu schaffen, von denen das Sensorbauteil aus hygienischen Gründen als Wegwerfbauteil zu konzipieren ist, das nach einmaligem Gebrauch vernichtet wird.
  • Gelöst wird diese Aufgabe mit dem Gegenstand der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
  • Erfindungsgemäß wird ein Halbleiterbauteil mit einem Halbleiterchip geschaffen, der auf einem Substrat angeordnet ist. Das Substrat und der Halbleiterchip sind mindestens teilweise von einer Kunststoffgehäusemasse bedeckt. In dem Bereich der Kunststoffgehäusemasse ist ein Hauptkopplungselement zur drahtlosen Übertragung angeordnet. Das Hauptkopplungselement steht mit einer auf der aktiven Oberseite des Halbleiterchips angeordneten integrierten Schaltung elektrisch in Verbindung. Außenkontakte des Halbleiterbauteils sind ihrerseits mit der integrierten Schaltung mit dem Hauptkopplungselement elektrisch verbunden.
  • Ein derartiges Halbleiterbauteil hat den Vorteil, dass angeregt von der integrierten Schaltung elektrische Signale über das Hauptkopplungselement zur drahtlosen Übertragung ausgesandt werden können. Selbst eine begrenzte Energieübertragung ist über das Hauptkopplungselement möglich. Andererseits dient das Hauptkopplungselement auch dazu, drahtlos über elektromagnetische Wellen eine mit Signalen modulierte Träger frequenz zu empfangen und mit Hilfe der integrierten Schaltung zu demodulieren und die empfangenen Signale zuzuordnen, in entsprechenden Registern zu speichern und auszuwerten, sowie über die Außenkontakte des Halbleiterbauteils zur Weiterverarbeitung auszugeben. Das Halbleiterbauteil stellt somit eine Empfangs- und Sendestation, sowie eine Auswerte- und Speichereinheit dar. Die dafür erforderliche integrierte Schaltung kann durchaus auf mehrere Halbleiterchips verteilt werden, so dass das Halbleiterbauteil mit Substrat und Kopplungselement ein Sende- und Empfangsmodul darstellt.
  • Im Betrieb erzeugt das Halbleiterbauteil mit einem eingebauten Signalgenerator für die Datenübertragung ein periodisches Signal an dem Hauptkopplungselement. Das Hauptkoplungselement bildet daraufhin ein elektromagnetisches Wechselfeld aus, das im Nahbereich des Hauptkopplungselementes als "Nahfeld" wirkt. In diesem Nahfeld wird je nach Ausbildung des Hauptkopplungselementes entweder eine kapazitive Wirkung oder eine induktive Wirkung des Hauptkopplungselements im Vordergrund stehen. Bei flächiger Ausbildung des Hauptkopplungselementes überwiegt die kapazitive Wirkung im Nahfeld, während bei spulenförmiger Ausbildung des Hauptkopplungselementes die induktive Wirkung im Nahfeld überwiegt.
  • In den Bereich dieses Nahfeldes kann ein Sensorbauteil eingebracht werden, das ein Sensorkopplungselement aufweist, wobei die geometrische Ausbildung des Sensorkopplungselementes sich nach der geometrischen Form des Hauptkopplungselementes richtet. Bei flächiger Ausbildung des Hauptkopplungselementes bildet das Sensorkopplungselement eine kapazitive Gegenelektrode zu der Fläche des Hauptkopplungselementes. Bei spulenförmiger Ausbildung des Hauptkopplungselementes wirkt das Hauptkopplungselement im Nahbereich als Primärspule, so dass das Sensorkopplungselement ebenfalls spulenförmig als eine Sekundärspule ausgebildet ist.
  • Mit Hilfe der Kopplungselemente kann das Sensorbauteil über eine Trägerfrequenz mit Energie versorgt werden, während durch Modulation der Trägerfrequenz gleichzeitig Datensignale zwischen dem Halbleiterbauteil und dem Sensorbauteil ausgetauscht werden können. Ein weiterer Vorteil des Halbleiterbauteils ist es, dass das Hauptkopplungselement in der Kunststoffgehäusemasse des Halbleiterbauteils eingebettet ist. Diese Kunststoffgehäusemasse wirkt einerseits isolierend und weist andererseits eine Dielektrizitätskonstante auf, die insbesondere bei kapazitiver Kopplung den Wirkungsgrad im Nahfeldbereich erhöhen kann. Darüber hinaus stabilisiert das Einbetten des Hauptkopplungsteils in der Kunststoffgehäusemasse sowohl die Lage des Hauptkopplungselementes als auch seine Ankopplung an die integrierte Schaltung auf der aktiven Oberseite des Halbleiterchips. Somit ergeben sich durch das Einbetten des Hauptkopplungselementes in die Gehäusemasse des Halbleiterbauteils sowohl elektrische als auch mechanische Vorteile neben dem damit verbundenen Schutz des Hauptkopplungselementes vor erosiven und korrosiven sowie mechanischen Beschädigungen durch die Betriebsumgebung.
  • Das Hauptkopplungselement kann eine Hauptkopplungsspule aufweisen. Zwar ist es komplexer eine Hauptkopplungsspule in eine Kunststoffgehäusemasse einzubetten als eine Hauptkopplungsplatte oder Hauptkopplungsfläche, jedoch hat eine Hauptkopplungsspule den Vorteil, dass die induktive Komponente im Nahfeld überwiegt und damit die Berechnungsgrundlagen für Transformatoren zur Dimensionierung des Hauptkopplungselementes herangezogen werden können.
  • Darüber hinaus kann die aktive Oberseite des Halbleiterchips des Halbleiterbauteils einen optisch sensitiven Bereich aufweisen, der unterhalb einer optisch transparenten Öffnung in der Kunststoffgehäusemasse angeordnet ist. In dieser Ausführungsform der Erfindung wird in vorteilhafter Weise zusätzlich zu dem Übertragungskanal über das Hauptkopplungselement die Möglichkeit geschaffen, optisch Signale zu empfangen und elektronisch auszuwerten. Damit optische Signale die aktive Oberseite des Halbleiterchips erreichen, weist die Kunststoffgehäusemasse die erfindungsgemäße optisch transparente Öffnung auf.
  • Die optisch transparente Öffnung hat darüber hinaus den Vorteil, dass die optische Übertragung durch Streulicht weitgehend nicht gestört wird, zumal die umgebende Kunststoffgehäusemasse der optisch transparenten Öffnung eine optische Apertur darstellt. Der optisch sensitive Bereich im Bodenbereich der optisch transparenten Öffnung kann auf dem Halbleiterchip als Photodiode oder Phototransistor ausgebildet sein, an den sich eine integrierte Auswerteschaltung der optischen Signale anschließt. Ein derartiger optisch sensitiver Bereich in dem Halbleiterbauteil hat darüber hinaus den Vorteil, dass chromatographisch zu untersuchende Proben, die auf das Sensorbauteil aufgebracht werden, unmittelbar durch den optisch sensitiven Bereich des Halbleiterbauteils ausgewertet werden können.
  • Darüber hinaus ist es vorgesehen, dass das Hauptkopplungselement die optisch transparente Öffnung in der Kunststoffgehäusemasse umgibt. Mit dieser Ausführungsform wird erreicht, dass die optisch transparente Öffnung in der Kunststoffgehäusemasse relativ zentral angeordnet und somit die Wirkung als optische Apertur verbessert ist. Dazu kann die optisch trans parente Öffnung ein optisch transparentes Gel aufweisen, welches den optisch sensitiven Bereich der aktiven Oberseite des Halbleiterchips vor Beschädigungen schützt. Ferner können Fokussierelemente wie Linsen die optisch transparente Öffnung abdecken und die Signalwirkung verstärken.
  • Weiterhin ist es vorgesehen, dass das Substrat ein Umverdrahtungssubstrat ist, das auf seiner Unterseite Außenkontakte des Halbleiterbauteils aufweist. Die Oberseite des Umverdrahtungssubstrats wird teilweise von dem Halbleiterchip und teilweise von der Kunststoffgehäusemasse bedeckt. In dem Bereich der Oberseite des Umverdrahtungssubstrats, der von der Kunststoffgehäusemasse bedeckt ist, können rund um den Halbleiterchip Bondkontaktanschlussflächen angeordnet sein. Diese Bondkontaktanschlussflächen stehen ihrerseits über Umverdrahtungsleitungen auf der Oberseite des Umverdrahtungssubstrats und über Durchkontakte zu Außenkontaktflächen auf der Unterseite des Umverdrahtungssubstrats mit den Außenkontakten des Halbleiterbauteils in Verbindung.
  • Die Bondkontaktanschlussflächen auf der Oberseite des Umverdrahtungssubstrats sind ihrerseits über Bonddrähte mit entsprechenden Kontaktflächen auf der aktiven Oberseite des Halbleiterchips verbunden. Somit weisen die Außenkontakte des Halbleiterbauteils eine elektrische Verbindung zu den Kontaktflächen des Halbleiterchips und damit zu den Elektroden der integrierten Schaltung auf. Das hat den Vorteil, dass über Außenkontakte sowohl Steuersignale, als auch Versorgungssignale dem Halbleiterchip mit Hauptkopplungselement des Halbleiterbauteils zugeführt werden können.
  • Im Gegensatz zu dem Halbleiterbauteil kann ein Sensorbauteil mit geringerem Aufwand und weniger Komponenten aufgebaut sein. Das Sensorbauteil mit seinem in einer Kunststoffgehäusemasse eingebetteten Sensorkopplungselement muss kein Umverdrahtungssubstrat mit Außenkontakten aufweisen, da sowohl die Energiezufuhr, als auch die Datenübertragung über das Sensorkopplungselement erfolgt. Somit entfallen Außenkontakte und auch ein komplexes Umverdrahtungssubstrat. Vielmehr kann eine Umverdrahtung, soweit sie erforderlich ist, unmittelbar auf der aktiven Oberseite des Sensorchips vorgesehen werden, ohne die Fertigungskosten zu erhöhen, da eine derartige Umverdrahtung mit der letzten Metallstruktur auf dem Halbleiterchip aufgebracht werden kann.
  • Somit umfasst die Erfindung ein Sensorbauteil mit einem Sensorchip, wobei der Sensorchip teilweise von einer Kunststoffgehäusemasse umhüllt ist. In dem Bereich der Kunststoffgehäusemasse ist ein Sensorkopplungselement zur drahtlosen Übertragung angeordnet. Dafür steht das Sensorkopplungselement mit einem auf seiner aktiven Oberseite angeordneten Sensorbereich elektrisch in Verbindung. Das Sensorkopplungselement ermöglicht eine drahtlose Energieübertragung zu dem Sensorchip und stellt eine drahtlose Datenübertragung für den Sensorchip bereit.
  • Ein derartiges Sensorbauteil hat den Vorteil, dass es aus nur drei Hauptkomponenten aufgebaut ist, nämlich der Kunststoffgehäusemasse, in die lediglich ein Sensorkopplungselement und ein Sensorchip eingebettet sind. Damit sind die Produktionskosten überschaubar und niedrig, zumal weder ein Umverdrahtungssubstrat noch Außenkontakte auf dem Umverdrahtungssubstrat für das Sensorbauteil vorzusehen sind. Im Prinzip kann das Sensorbauteil nach einer Analyse einer medizinischen Probe und damit nach einmaligem Gebrauch aus hygienischen Gründen vernichtet werden, ohne dass dadurch hohe Werte der Vernichtung preisgegeben werden. Für bakteriologische und virologische Untersuchungen hat somit das Sensorbauteil erhebliche Vorteile gegenüber anderen und bekannten Analysebestecken und Analysegeräten.
  • Weiterhin kann die Kunststoffgehäusemasse eine Sensoröffnung für einen Probenauftrag auf einen Sensorbereich des Sensorchips aufweisen. Der Sensorchip selbst kann nicht nur aus Halbleitermaterial, sondern auch aus transparentem Glas, transparentem Kunststoff oder transparentem Keramikmaterial hergestellt sein. Diese Materialien können neben einer Unverdrahtungsbeschichtung eine sensitive Beschichtung im Sensorbereich aufweisen, mit deren Hilfe der elektrische Widerstand der Probe, chromatographische Änderungen der Probe oder andere Parameter der in der Sensoröffnung angeordneten Probe aufweisen.
  • Während die Sensoröffnung für einen unmittelbaren Kontakt der Probe mit dem Sensorbereich des Sensorchips vorgesehen ist, weist in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung die Unterseite des Sensorchips einen optisch transmittierenden Bereich auf. Dieser optisch transmittierende Bereich ist in einer Sensoroptiköffnung in der Kunststoffgehäusemasse auf der Unterseite des Sensorchips angeordnet. Die Sensoroptiköffnung ist gegenüber dem auf der Oberseite des Sensorchips angeordneten Sensorbereichs kleiner und stellt eine optische Apertur dar, über welche die optische Wirkung der Probe auf den optisch sensitiven Bereich eines darunter angeordneten Halbleiterbauteils übertragen werden kann. Somit ist es möglich, den Sensorbereich des Sensorchips mit einem medizinischen oder biologischen Material, wie Blut zu bedecken. Über den optisch transparenten Sensorchip und die Apertur auf der Unterseite des Sensorbauteils können chromatographische Eigenschaften der Probe auf den optisch sensitiven Bereich des Halbleiterbauteils übertragen werden, um dort die optischen Signale auszuwerten. Andere Parameter wie Widerstands und/oder Impedanzwerte können gleichzeitig über das Sensorkopplungselement an das Hauptkopplungselement drahtlos übertragen werden.
  • In einer weiteren Ausführungsform des Sensorbauteils ist es vorgesehen, dass das Sensorkopplungselement, welches in die Kunststoffgehäusemasse eingebettet ist, die Sensoröffnung in der Kunststoffgehäusemasse des Sensorbauteils umgibt. Damit wird in vorteilhafter Weise erreicht, dass die aufzutragende medizinische Probe durch die Kunststoffgehäusemasse örtlich begrenzt wird und in der Sensoröffnung gehalten wird.
  • Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft einen Sensorstapel, der ein Halbleiterbauteil mit einem Hauptkopplungselement gemäß der obigen Ausführungsformen als eine erste Stapelkomponente aufweist und ein auf dem Halbleiterbauteil gestapeltes Sensorbauteil gemäß der obigen Ausführungsformen als zweite Stapelkomponente besitzt. Beide Stapelkomponenten sind drahtlos über ihre Koppelelemente verbunden. Dabei versorgt das Hauptkopplungselement den Sensorchip des Sensorbauteils über dessen Sensorkopplungselement mit Energie.
  • Ein derartiger Stapel hat den Vorteil, dass das Sensorbauteil mit seinem Kopplungselement in den Nahbereich des Kopplungselementes des Halbleiterbauteils kommt, so dass eine direkte verlustarme Energieübertragung möglich wird. Bei einer derartigen drahtlosen Energieübertragung wird mit einem Wirkungsgrad zwischen 1% und 5% gerechnet, während die reine Signaldatenübertragung davon unabhängig ablaufen kann. Darüber hinaus kann der Sensorchip eines Sensorstapels mit seinen Sensorkopplungselementen derart klein ausgeführt werden, dass mehrere Sensorbauteile nebeneinander auf dem Halbleiterbauteil und über dem Hauptkopplungselement angeordnet sein können. Die Signalübertragungen können dabei in einem Multiplexverfahren für jedes der zu testenden Sensorbauteile durchgeführt werden, während die Energieversorgung für alle gleichförmig über eine entsprechende Nahfeldkopplung abläuft.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist zwischen dem Sensorbauteil und dem Halbleiterbauteil eine Klebeschicht, ein adhäsives Gel und/oder eine doppelseitig klebende Folie angeordnet. Wobei der zugehörige Klebstoff bzw. das Gel nicht aushärtet, so dass die Sensorbauteile ohne übermäßige Krafteinwirkung von dem Halbleiterbauteil wieder entfernt werden können. Der eingesetzte Klebstoff, die Folie und/oder das Gel sind dabei optisch transparent, um eine optische Übertragung von Daten zu ermöglichen.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird das Sensorbauteil mittels einer mechanischen Vorrichtung, wie einem Transportband oder einem Rondell, derart über dem Halbleiterbauteil positioniert, dass eine Signalübertragung auf optischem oder elektromagnetischem Wege möglich ist. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass sie eine Automatisierung einer Analyse erleichtert, zumal ein manuelles Entfernen des Sensorbauteils entfällt. Diese mechanische Vorrichtung wird dann derart ausgestaltet, dass die Sensorbauteile und ihren Proben entweder schrittweise oder kontinuierlich über dem Halbleiterbauteil positioniert bzw. analysiert werden.
  • Ein Verfahren zum Prüfen einer biochemischen Probe mit Hilfe eines erfindungsgemäßen Sensorbauteils und eines das Sensorbauteil mit Energie versorgendes Halbleiterbauteil, weist die nachfolgenden Verfahrensschritte auf. Zunächst wird eine bio chemische Probe auf ein Sensorbauteil aufgebracht. Danach wird das Sensorbauteil mit der Probe auf ein Halbleiterbauteil aufgesetzt. Anschließend erfolgt die drahtlose Energieübertragung von dem Halbleiterbauteil zu dem Sensorbauteil. Gleichzeitig oder zeitversetzt kann eine drahtlose Signalübertragung von dem Sensorbauteil zu dem Halbleiterbauteil über die Kopplungselemente der beiden nun aufeinander liegenden bzw. aufeinander gestapelten Bauteile erfolgen. Zusätzlich oder alternativ kann eine optische Kopplung von dem Sensorbereich des Sensorbauteils zu einem von Kunststoffgehäusemasse freiem optisch sensitiven Bereich eines Halbleiterchips des Halbleiterbauteils erfolgen.
  • Dieses Verfahren hat den Vorteil, dass für unterschiedliche biochemische Proben jeweils ein Sensorbauteil eingesetzt werden kann, das anschließend als Wegwerfprodukt vernichtet wird. Dazu weist das Sensorbauteil, wie oben erwähnt lediglich drei Komponenten auf, nämlich einen Sensorchip, ein damit gekoppeltes Kopplungselement für drahtlose Übertragung und eine Gehäusemasse, die den Sensorchip teilweise und das Kopplungselement vollständig einbettet. Darüber hinaus hat das Verfahren den Vorteil, dass das Aufsetzen des Sensorbauteils mit einer Probe auf das Halbleiterbauteil relativ unkritisch erfolgen kann, da die Kopplungselemente für die drahtlose Übertragung nicht exakt einander gegenüberstehen müssen. Es reicht vielmehr, dass das Sensorbauteil mit seinem Kopplungselement in den Nahbereich des Kopplungselementes des Halbleiterbauteils gebracht wird, um sowohl die Energieübertragung als auch die Signalübertragung zu gewährleisten.
  • Eine Durchführung des Verfahrens kann weiterhin nachfolgende Schritte aufweisen. Zunächst ruft das Halbleiterbauteil über sein Hauptkopplungselement Sensordaten von dem Sensorbauteil ab, woraufhin das Sensorbauteil über das Sensorkopplungselement Sensorergebnisse an das Halbleiterbauteil über dessen Hauptkopplungselement zur Auswertung und Speicherung abliefert. Dieses Verfahren hat den Vorteil, dass die Arbeitsweise von Sensorbauteil und Halbleiterbauteil lediglich von der Kopplungswirkung der beiden Kopplungselemente abhängt. Eine optische Übertragung ist bei dieser Durchführung des Verfahrens nicht vorgesehen.
  • Eine weitere Durchführung des Verfahrens sieht vor, dass das Halbleiterbauteil über das Hauptkopplungselement Sensordaten abruft und daraufhin das Sensorbauteil Sensorergebnisse optisch an das Halbleiterbauteil zur Auswertung und Speicherung liefert. Bei diesem Durchführungsbeispiel des Verfahrens wird eine Übertragung der Signale nur in einer Richtung durchgeführt, nämlich vom Halbleiterbauteil über das Hauptkopplungselement zum Sensorkopplungselement, jedoch nicht in entgegengesetzter Richtung vom Sensorkopplungselement zu dem Hauptkopplungselement. Vielmehr wird die zweite Möglichkeit des Sensorstapels genutzt, bei welcher der optische Übertragungsweg eingesetzt wird. Dieser optische Übertragungsweg vom Sensorbauteil zum Halbleiterbauteil hat den Vorteil, dass der optische Übertragungsweg unempfindlich gegenüber elektromagnetischen Störfeldern ist.
  • Weiterhin ist es vorgesehen, mehrere biochemische Proben gleichzeitig auf einem Halbleiterbauteil anzuordnen und zu testen. Bei ausreichend großflächiger Auslegung können im Bereich des Kopplungselementes des Halbleiterbauteils mehrere Sensorbauteile mit kleineren Kopplungselementen als das Hauptkopplungselement angeordnet werden. Dieses hat den Vorteil, dass Massenuntersuchungen kostengünstig möglich werden.
  • Weiterhin sieht das erfindungsgemäße Verfahren vor, dass Messergebnisse und/oder Auswerteergebnisse von der integrierten Schaltung des Halbleiterbauteils über Außenkontakte des Halbleiterbauteils zur übergeordneten Schaltung weitergeleitet werden. Bei diesem Konzept ist es möglich, dass auf der übergeordneten Schaltungsplatine mehrere Halbleiterbauteile angeordnet sind, so dass der Durchsatz an Messungen biochemischer Proben weiter erhöht werden kann. Es können ganze Tabletts mit Halbleiterbauteilen bestückt werden, wobei die Halbleiterbauteile ihrerseits eine Mehrzahl von Sensorbauteilen nebeneinander darauf gestapelt aufweisen.
  • Zusammenfassend ist festzustellen, dass die Erfindung die Möglichkeit von multiplen Sensorapplikationen ohne direkten elektrischen Kontakt zwischen Sensorbauteil und Halbleiterbauteil, das ein Logikchip aufweisen kann, liefert. Ein weiterer Vorteil ist die Einmalanwendung bei multiplen biologischen Prüfungen mittels der Halbleitersensoren. Schließlich ist mit der Erfindung der Vorteil verbunden, dass elektrische Verbindungen für den Sensorstapel vermieden werden, so dass lediglich nach jeder Probenerfassung und Probenvermessung nur das Sensorbauteil nach einfachem Abnehmen, Herunterschieben oder Absaugen von dem Halbleiterbauteil verworfen werden muss.
  • In vorteilhafter Weise entsteht die elektrische Verbindung nicht durch feste Drahtverbindungen oder Lötkontaktverbindungen, sondern durch Übertragung des Sensorsignals bei einer definierten Frequenz durch einen beispielsweise induktiven Impuls der mittels einer Spule übertragen wird. Die Signalübertragung an sich kann bei einer speziellen Ausführungsform der Erfindung durch einen optischen Impuls des Sensorchips über eine optisch durchlässige Substanz auf einen entspre chenden optisch sensitiven Bereich des Logikchips des Halbleiterbauteils oder mittels Piezotechnik durch Druckänderung am Logikchip des Halbleiterbauteils erfolgen.
  • Darüber hinaus hat die Erfindung den Vorteil, dass durch Integration einer Kondensatoreinheit auf dem Sensorchip dieser für einen optischen oder elektrischen Impuls mittels des Kopplungselementes in Form einer Induktionsspule aufgeladen werden kann. Dadurch lässt sich eine Mehrfachanwendung der Sensoren ohne deren direkte elektrische Versorgung erzielen.
  • Wenn eine Fixierung bei der Herstellung eines Sensorstapels nötig wird, kann das Sensorbauteil auf dem Halbleiterbauteil durch eine optisch durchlässige doppelseitig klebende Folie durch eine Paste oder ein entsprechendes Gel erfolgen. Durch Verschieben des Sensorbauteils auf dem Halbleiterbauteil kann unter Einsatz einer Gelschicht die entsprechende Kopplungsposition verschoben werden. Ist das Sensorbauteil mit derartigen Schichten aus Paste, Gel oder aus einer doppelseitig klebenden Folie mit dem Halbleiterbauteil zu einem Sensorstapel verbunden, so kann die Auswechslung der Sensorbauteile durch Abziehen der gebrauchten Sensorbauteile von der jeweiligen Klebeschicht erfolgen und ein neues Sensorbauteil kann durch leichtes Andrücken auf die Klebeschicht wieder fixiert werden. Ein derartig schneller Wechsel kann bei fester elektrischer Verbindung des Sensorbauteils mit dem Halbleiterbauteil nicht erfolgen.
  • Die Erfindung wird nun anhand der beigefügten Figuren näher erläutert.
  • 1 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Halbleiterbauteil mit einem Halbleiterchip, gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
  • 2 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Sensorbauteil mit einem Sensorchip gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
  • 3 zeigt einen schematischen Querschnitt durch einen Sensorstapel mit einem Halbleiterbauteil und einem Sensorbauteil, gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung;
  • 4 zeigt einen schematischen Querschnitt durch einen Sensorstapel mit einem Halbleiterbauteil und mehreren Sensorbauteilen, gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung;
  • 5 zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine Anordnung von Sensorbauteilen und Halbleiterbauteil mit Transportband;
  • 6 zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine Anordnung von Sensorbauteil und Halbleiterbauteil mit einem Greifarm zur Positionierung des Sensorbauteils.
    •
  • 1 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Halbleiterbauteil 1 mit einem Halbleiterchip 2, gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Das Halbleiterbauteil 1 weist ein Substrat 3 mit einer Umverdrahtungsstruktur auf. Das Substrat 3 weist auf seiner Unterseite 13 Außenkontakte 8 auf, die ihrerseits über Durchkontakte durch das Substrat 3 mit Umverdrahtungsleitungen auf einer Oberseite 30 des Umverdrahtungssubstrats 12 verbunden sind. Die in 1 nicht gezeigten Umverdrahtungsleitungen führen zu Bondkontaktanschlussflächen 14, die ebenfalls auf der Oberseite des Umverdrahtungssubstrats 12 angeordnet sind.
  • Durch diese Anordnung von Außenkontakten 8 mit Durchkontakten und mit Umverdrahtungsleitungen, sowie mit Bondkontaktanschlussflächen 14 kann die gesamte Unterseite 13 des Umverdrahtungssubstrats 12 für das Anbringen von Außenkontakten 8 genutzt werden, obgleich auf der Oberseite 30 des Umverdrahtungssubstrats 12 der Halbleiterchip 2 angeordnet ist. Der Halbleiterchip 2 trägt eine integrierte Schaltung mit Logikfunktionen auf seiner aktiven Oberseite 7 und weist im Zentrum der aktiven Oberseite 7 einen optisch sensitiven Bereich 11 auf, der von einer Kunststoffgehäusemasse 4 freigehalten bleibt.
  • In der Kunststoffgehäusemasse 4 ist rundum im optisch sensitiven Bereich 11 ein Hauptkopplungselement 6 angeordnet, das in dieser ersten Ausführungsform der Erfindung eine Hauptkopplungsspule 9 aufweist, die in Windungen um einen optisch sensitiven Bereich 11 herum angeordnet ist. Diese Hauptkopplungsspule 9 ist über Kontaktpins 33 mit der integrierten Schaltung auf der aktiven Oberseite 7 des Halbleiterchips 2 verbunden.
  • Die aktive Oberseite 7 des Halbleiterchips 2 weist darüberhinaus Kontaktflächen 31 auf, die über Bonddrähte 15 mit den Bondkontaktanschlussflächen 14 des Umverdrahtungssubstrats 12 elektrisch verbunden sind. In die Kunststoffgehäusemasse 4 sind somit Bonddrähte 15, Halbleiterchip 2, Kontaktpins 33 und die Hauptkopplungsspule 9 eingebettet. Dazu ist bei die ser Ausführungsform der Erfindung lediglich die Oberseite 30 des Umverdrahtungssubstrats 12 von Kunststoffgehäusemasse bedeckt, während die Unterseite 13 die Außenkontakte 8 aufweist und nicht von Kunststoffgehäusemasse bedeckt ist.
  • Über den optisch sensitiven Bereich 11 der aktiven Oberseite 7 des Halbleiterchips 2 ist eine optisch transparente Öffnung 10 angeordnet, die mit einem optisch transparenten Material, wie einem Acrylharz oder mit einem optisch transparenten Gel, bedeckt ist, so dass der optisch sensitive Bereich 11 auf der aktiven Oberseite 7 des Halbleiterchips 2 vor Beschädigungen und vor Verschmutzung geschützt wird. Über die Hauptkopplungsspule 9 wird hauptsächlich ein induktives Nahfeld beim Anlegen einer hochfrequenten Versorgungsspannung an einen der Außenkontakte 8 aufbaut. Über dieses Nahfeld kann einerseits Energie von der Hauptkopplungsspule 9 übertragen werden und/oder gleichzeitig können auf diesem Wege auch Signale gesendet und empfangen werden.
  • Über den optisch transparenten Bereich können ebenfalls Messsignale in das Halbleiterbauteil auf optischem Wege eingekoppelt werden. Zudem weist der Bereich 5 der Kunststoffgehäusemasse 4 die optisch transparente Öffnung 10 auf.
  • 2 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Sensorbauteil 20 mit einem Sensorchip 16, der teilweise in eine Kunststoffgehäusemasse 28, unter Freilassung einer Sensoröffnung 26 auf der Oberseite 18 des Sensorchips. Diese Sensoröffnung 26 bildet eine Mulde in der Kunststoffgehäusemasse 28 zur Aufnahme einer zur vermessenden biochemischen Probe. Im Randbereich 34 des Sensorchips 16 ist ein Sensorkopplungselement 24 in Form einer Sensorkopplungsspule 25 angeordnet.
  • Diese Sensorkopplungsspule 25 ist über Kontaktpins 33 mit der aktiven Oberseite 18 des Sensorchips 16 elektrisch verbunden.
  • Die Kunststoffgehäusemasse 28 umgibt den Randbereich des Sensorchips 16 und bedeckt auch Teile der Unterseite 19 des Sensorchips 16 unter Freilassung einer Sensoroptiköffnung 27, die mit einem optisch transmittierenden Bereich 29 aufgefüllt ist. Über diese Öffnung 27 können unmittelbar optische Signale unter Umgehung der Sensorkopplungsspule 25 an das Halbleiterbauteil gesandt werden. Dazu kann der Sensorchip 16 aus einem beschichteten Glas bestehen, das auf seiner Oberseite eine chromatographisch zu untersuchende Probe aufweisen kann. Andererseits ist es möglich mit Hilfe der Sensoröffnung 26 und dem Sensorbereich 17 den Widerstand und/oder die Impedanz der Probe als weiteren Parameter zu messen und über die Kopplungselemente 6 und 24 an das Halbleiterbauteil zu übertragen.
  • 3 zeigt einen schematischen Querschnitt durch einen Sensorstapel mit einer ersten unteren Stapelkomponente 22 und mit einer zweiten oberen Stapelkomponente 23. Komponenten mit gleichen Funktionen, wie in den vorhergehenden Figuren werden mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet und nicht extra erörtert.
  • Das Sensorbauteil 20 weist die Komponenten, wie sie aus 2 bekannt sind auf und ist als zweite Stapelkomponente 23 auf dem Halbleiterbauteil 1, wie in 1 gezeigt, angeordnet. Zwischen dem Halbleiterbauteil 1 und dem Sensorbauteil 20 ist eine doppelseitig klebende Folie 32 angeordnet, die das Sensorbauteil 20 für die Zeit der Messperiode auf dem Halbleiterbauteil 1 fixiert. Durch seitlichen Druck auf das Sensorbauteil 20 kann dieses nach erfolgter Messung von dem Halb leiterbauteil 1 heruntergeschoben und ein neues Sensorbauteil 20 auf die doppelseitig klebende Folie 32 aufgebracht werden.
  • In dieser Ausführungsform der Erfindung erfolgt die Kopplung der Datenübertragung von dem Sensorchip 16 zu, dem Halbleiterchip 2 über die optisch transmittierende Öffnung 27 im Sensorchip 16 und die optisch transparente Öffnung 10 im Halbleiterbauteil 1. Dazu ist die doppelseitig klebende Folie 32 zum Fixieren des Sensorbauteils auf dem Halbleiterbauteil 1 ebenfalls optisch transparent. Die Signalübertragung vom Halbleiterbauteil 1 zum Sensorbauteil 20 erfolgt bei dieser Ausführungsform der Erfindung über ein induktives Signal, das von der Hauptkopplungsspule 9 auf die Sensorkopplungsspule 25 induktiv übertragen wird. Im Prinzip bildet die Hauptkopplungsspule 9 eine Primärwicklung im Vergleich zur Sensorkopplungsspule, die eine Sekundärwicklung eines Transformators darstellt. Der Wirkungsgrad für die Energieübertragung ist jedoch aufgrund des hohen Abstands zwischen den beiden Spulen gering und liegt im Bereich von 1% bis 5% der Energie, die der Hauptkopplungsspule 9 zugeführt wird.
  • 4 zeigt einen schematischen Querschnitt durch einen Sensorstapel 21 mit einem Halbleiterbauteil 1 und mehreren Sensorbauteilen 20, gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung. Komponenten mit gleichen Funktionen, wie in vorhergehenden Figuren werden mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet und nicht extra erörtert.
  • Der Unterschied dieser vierten Ausführungsform der Erfindung gemäß 4 zu der dritten Ausführungsform der Erfindung gemäß 3 liegt darin, dass die optisch transparente Öffnung 10 im Zentrum des Halbleiterchips 2 und der optisch sensitive Bereich 11 der aktiven Oberseite 7 des Halbleiterchips 2 wesentlich größer ist als in den vorhergehenden Ausführungsformen. Aufgrund der Vergrößerung dieses optisch transparenten Bereichs des Halbleiterbauteils 1 werden nun auf dem Halbleiterbauteil 1 mehrere dieser Bauteile fixiert und gemessen.
  • In diesem Fall wird die Fixierung der Sensorbauteile 20 durch eine doppelseitig klebende Folie 32 erreicht. Über die Hauptkopplungsspule 9 kann jedes der Sensorbauteile 20 angesteuert werden und seine Messparameter und/oder Messergebnisse können hintereinander und/oder auch gleichzeitig abgerufen werden. Über die Außenkontakte 8 des Halbleiterbauteils 1 können diese Messwerte an eine übergeordnete Schaltung mit einer Auswertung und einem Speicher abgegeben werden. Die Sensorbauteile 20 sind auch in dieser Ausführungsform der Erfindung mit einem doppelseitig klebenden Folien 32 auf dem Halbleiterbauteil 1 während der Messung fixiert.
  • Somit ist es auch hier möglich, die Messergebnisse über eine optische Kopplung zwischen Sensorbauteil 20 und Halbleiterbauteil 1 einer Auswertung und Speicherung zuzuführen. Die Auslöse- und Steuersignale werden jedoch vom Halbleiterbauteil 1 über das Hauptkopplungselement 9 an die Sensorkopplungselemente 24 übersandt, um den Beginn und das Ende einer Messung zu steuern.
  • 5 zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine Anordnung von Sensorbauteilen 20 und Halbleiterbauteil 1 mit Transportband 35. Komponenten mit gleichen Funktionen wie in den vorhergehenden Figuren werden mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet und nicht extra erörtert.
  • Das Transportband 35 ist für diese Ausführungsform der Erfindung optisch durchlässig, sodass eine optische Kopplung zwischen einem Sensorbauteil 20 und dem optisch sensitiven Bereich 11 des Halbleiterchips 2 des Halbleiterbauteils 1 möglich ist. Das optisch durchlässige Transportband 35 wird schrittweise über den optisch sensitiven Bereich 11 des Halbleiterbauteils 1 zur Analyse der in der Sensoröffnung 26 eingebrachten Probe bewegt. Nach Erfassung der Analysewerte wird das optisch durchlässige Transportband 35 um eine Sensorbauteilposition weiter befördert, sodass eine automatische Erfassung von Analysewerten möglich ist.
  • 6 zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine Anordnung von Sensorbauteil 20 und Halbleiterbauteil 1 mit einem Greifarm 36 zur Positionierung des Sensorbauteils 20. Komponenten mit gleichen Funktionen wie in den vorhergehenden Figuren werden mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet und nicht extra erörtert.
  • Mit Hilfe des Greifarmes 36 kann das Sensorbauteil 20 exakt über dem optisch sensitiven Bereich 11 des Halbleiterchips 2 des Halbleiterbauteils 1 positioniert werden. Der Greifarm 36 gehört zu einer Vorrichtung wie beispielsweise einem Rondell, das automatisch die Sensorbauteile 20 zur Analyse erfasst und jeweils in die in 6 gezeigte Messposition verbringt. Dazu kann die Außenkontur 37 des Sensorbauteils 20 an den Greifarm 36 angepasst sein, der eine Öffnung 38 aufweist, in welcher das Sensorbauteil einbringbar ist. Durch eine Drehbewegung des hier nicht zu sehenden Rondells, an dem der Greifarm befestigt ist werden schrittweise nacheinander die im Rondell und in den Öffnungen 38 der Greifarme eingesetzten Sensorbauteile 20 der Analysenposition zugeführt. Mit einer derartigen Anordnung kann auf einen optisch durchlässigen transparenten Träger in Form eines Transportbandes oder in Form einer doppelseitig klebenden Folie verzichtet werden.
    • 1
    Halbleiterbauteil
    2
    Halbleiterchip
    3
    Substrat
    4
    Kunststoffgehäusemasse für Halbleiterbauteil
    5
    Bereich der Kunststoffgehäusemasse
    6
    Hauptkopplungselement
    7
    aktive Oberseite des Halbleiterchips
    8
    Außenkontakte des Halbleiterbauteils
    9
    Hauptkopplungsspule
    10
    optisch transparente Öffnung
    11
    optisch sensitiver Bereich des Halbleiterchips
    12
    Umverdrahtungssubstrat
    13
    Unterseite des Umverdrahtungssubstrats
    14
    Bondkontaktanschlussflächen
    15
    Bonddrähte
    16
    Sensorchip
    17
    Sensorbereich
    18
    Oberseite des Sensorchips
    19
    Unterseite des Sensorchips
    20
    Sensorbauteil
    21
    Sensorstapel
    22
    erste Stapelkomponente
    23
    zweite Stapelkomponente
    24
    Sensorkopplungselement
    25
    Sensorkopplungsspule
    26
    Sensoröffnung
    27
    Sensoroptiköffnung
    28
    Kunststoffgehäusemasse des Sensorbauteils
    29
    optisch transmittierender Bereich des Sensorbauteils
    30
    Oberseite des Umverdrahtungssubstrats
    31
    Kontaktflächen auf Halbleiterchips
    32
    doppelseitig klebende Folie
    33
    Kontaktpins
    34
    Randbereich des Sensorchips
    35
    Transportband
    36
    Greifarm
    37
    Außenkontur
    38
    Öffnung in dem Greifarm

Claims (17)

  1. Halbleiterbauteil mit einem Halbleiterchip (2), der auf einem Substrat (3) angeordnet ist, wobei das Substrat (3) und der Halbleiterchip (2) mindestens teilweise von einer Kunststoffgehäusemasse (4) bedeckt sind, in deren Bereich (5) ein Hauptkopplungselement (6) zur drahtlosen Übertragung angeordnet ist, wobei das Hauptkopplungselement (6) mit einer auf der aktiven Oberseite (7) des Halbleiterchips (2) angeordneten integrierten Schaltung elektrisch in Verbindung steht, und wobei das Halbleiterbauteil (1) Außenkontakte (8) aufweist, die mit der integrierten Schaltung mit Hauptkopplungselement (6) elektrisch verbunden sind.
  2. Halbleiterbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Hauptkopplungselement (6) eine Hauptkopplungsspule (9) aufweist.
  3. Halbleiterbauteil nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die aktive Oberseite (7) des Halbleiterchips (2) einen optisch sensitiven Bereich (11) aufweist der unterhalb einer optisch transparenten Öffnung (10) in der Kunststoffgehäusemasse (4) angeordnet ist.
  4. Halbleiterbauteil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Hauptkopplungselement (6) die optisch transparente Öffnung (10) in der Kunststoffgehäusemasse (4) umgibt.
  5. Halbleiterbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (3) ein Umverdrahtungssubstrat (12) ist, das auf seiner Unterseite (13) die Außenkontakte (8) des Halbleiterbauteils (1) aufweist und auf seiner Oberseite (7) teilweise von dem Halbleiterchip (2) und teilweise von der Kunststoffgehäusemasse (4) bedeckt ist, wobei das Umverdrahtungssubstrat (12) auf seiner Oberseite (30) Bondkontaktanschlussflächen (14) rund um den Halbleiterchip (1) aufweist, die über das Umverdrahtungssubstrat (12) mit den Außenkontakten (8) und über Bondkontaktanschlussflächen (14) auf der aktiven Oberseite (7) des Halbleiterchips (2) verbunden sind.
  6. Sensorbauteil mit einem Sensorchip (16), wobei der Sensorchip (16) teilweise von einer Kunststoffgehäusemasse (28) umhüllt ist, in deren Bereich (5) ein Sensorkopplungselement (24) zur drahtlosen Übertragung angeordnet ist, wobei das Sensorkopplungselement (24) mit einem auf der aktiven Oberseite (18) des Sensorchips (16) angeordneten Sensorbereich (17) elektrisch in Verbindung steht und wobei das Sensorkopplungselement (24) eine drahtlose Energieübertragung zu dem Sensorchip (16) und eine drahtlosen Datenübertragung für den Sensorchip (16) bereitstellt.
  7. Sensorbauteil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststoffgehäusemasse (28) eine Sensoröffnung (26) zum Probenauftrag auf den Sensorbereich (17) des Sensorchips (16) aufweist.
  8. Sensorbauteil nach Anspruch 6 oder Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorkopplungselement (24) eine Sensorkopplungsspule (25) ist.
  9. Sensorbauteil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorkopplungselement (24) die Sensoröffnung (26) in der Kunststoffgehäusemasse (28) des Sensorbauteils (20) umgibt.
  10. Sensorbauteil einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterseite (19) des Sensorchips (16) einen optisch transmittierenden Bereich (29) aufweist, der in einer Sensoroptiköffnung (27) der Kunststoffgehäusemasse (28) auf der Unterseite (19) des Sensorchips (16) angeordnet ist.
  11. Sensorstapel, der ein Halbleiterbauteil (1) mit einem Hauptkopplungselement (6) nach einem der Ansprüche 1 bis 5 als erste Stapelkomponente (22) und ein auf dem Halbleiterbauteil (1) gestapeltes Sensorbauteil (20) nach einem der Ansprüche 6 bis 10 als zweite Stapelkomponente (23) aufweist, wobei beide Stapelkomponenten (22, 23) über ihre Kopplungselemente (6, 24) drahtlos verbunden sind und das Hauptkopplungselement (6) den Sensorchip (16) des Sensorbauteils (20) über dessen Sensorkopplungselement (24) mit Energie versorgt.
  12. Sensorstapel nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das mehrere Sensorbauteile (20) mit Sensorchip (16) und Sensorkopplungselement (24) nebeneinander auf dem Halbleiterbauteil (1) über dem Hauptkopplungselement (6) angeordnet sind.
  13. Verfahren zum Prüfen einer biochemischen Probe, wobei das Verfahren folgende Verfahrensschritte aufweist: – Aufbringen der biochemischen Probe auf ein Sensorbauteil (20), gemäß einem der Ansprüche 6 bis 10, – Aufsetzen des Sensorbauteils (20) mit Probe auf ein Halbleiterbauteil (1), gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, – drahtlose Energieübertragung von dem Halbleiterbauteil (1) zu dem Sensorbauteil (20); – drahtlose Signalübertragung von dem Sensorbauteil (20) zu dem Halbleiterbauteil (1) über die Kopplungselemente (6, 24) und/oder über eine optische Kopplung von dem Sensorbereich (17) des Sensorbauteils (20) zu einem von Kunststoffgehäusemasse (4) freien Bereich des Halbleiterchips (2) des Halbleiterbauteils (1).
  14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiterbauteil (1) über sein Hauptkopplungselement (6) Sensordaten von dem Sensorbauteil (20) abruft, wobei das Sensorbauteil (20) über das Sensorkopplungselement (24) Sensorergebnisse an das Halbleiterbauteil (1) zur Auswertung und Speicherung liefert.
  15. Verfahren nach Anspruch 13 oder Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiterbauteil (1) über das Hauptkopplungselement (6) Sensordaten abruft, wobei das Sensorbauteil (20) Sensorergebnisse optisch an das Halbleiterbauteil (1) zur Auswertung und Speicherung liefert.
  16. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere biochemische Proben gleichzeitig auf einem Halbleiterbauteil (1) angeordnet und gestestet werden.
  17. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass Messergebnisse und/oder Auswerteergebnisse von der integrierten Schaltung des Halbleiterbauteils (1) über Außenkontakte (8) des Halbleiterbauteils (1) zu übergeordneten Schaltungen weitergeleitet werden.
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