DE10347418A1 - Beschleunigungssensoranordnung - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Beschleunigungssensoranordnung, die insbesondere zur Messung niedrigerer Beschleunigungen geeignet ist. DOLLAR A Erfindungsgemäß weist die Beschleunigungssensoranordnung mindestens auf: DOLLAR A ein Premoldgehäuse (2, 3) aus einem Kunststoffmaterial mit einem Gehäuseinnenraum (5), DOLLAR A einen Leadframe (6), der sich durch das Premoldgehäuse (2, 3) in den Gehäuseinnenraum (5) erstreckt, und DOLLAR A einen Beschleunigungs-Sensorchip (12), der mittels einer Kleberschicht (11) in dem Gehäuseinnenraum (5) befestigt und mittels Leitungsbond-Verbindungen (14) mit dem Leadframe (6) verbunden ist. DOLLAR A Vorteilhafte Spannungsentkopplungen werden hierbei durch eine einheitliche Dicke der Kleberschicht (11) größer als 50 mum, vorzugsweise größer als 100 mum, erreicht, wobei insbesondere das Klebermaterial der Kleberschicht (11) weicher als das Chipmaterial des Beschleunigungs-Sensorchips (12) ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Beschleunigungssensoranordnung, die insbesondere zur Messung von Beschleunigungen mit engen Toleranzen der Sensorparameter bezüglich Temperatur und Lebensdauer verwendbar ist.
  • Beschleunigungssensoranordnungen für niedrigere Beschleunigungen (Nieder-G-Beschleunigungssensoren), die z.B. zur Messung einer Bremsverzögerung oder einer Hangneigung eines Kraftfahrzeuges verwendet werden, werden im allgemeinen in Hybridtechnologie mit hermetisch dichtenden Gehäusen aufgebaut, um Umwelt- und Temperatureinflüsse zu minimieren. Derartige Module lassen sich jedoch im Allgemeinen nur schlecht mit den für eine Massenproduktion geeigneten Verbindungstechniken wie Leiterplattenmontage und Einpressverfahren kombinieren.
  • Derartige Sensoranordnungen weisen eine hohe Empfindlichkeit gegenüber mechanischen Verspannungen auf, da die im Allgemeinen kapazitiv ausgelesenen Sensorsignale mit einer hohen Verstärkung ausgewertet werden. Bei kostengünstigen, leiterplattenmontierbaren Aufbautechniken, z.B. PLCC oder SOIC, wird der Sensor bzw. die Auswerteelektronik mit Kunststoff umspritzt bzw. gemoldet. Bei durch Mikrostrukturierung hergestellten Sensoren und der integrierten Elektronikschaltung führt dies aufgrund der unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten des Kunststoffs und des Halbleitermaterials der Sensoren und Schaltungen sowie durch Relaxationserscheinungen im Kunststoff zu nachteilhaften Effekten in der Offsetstabilität der Ausgangsspannung und der Empfindlichkeit. Des Weiteren treten Temperaturgänge, ein nichtlinearer Gang über die Temperatur, Hysteresen, und Langzeitdrifte (insbesondere des Temperaturgangs) auf. Weiterhin ist die Streuung verschiedener Exemplare, d.h. die unterschiedliche Ausprägung der Effekte, erheblich. Daher werden diese kostengünstig einsetzbaren Aufbautechniken bei Beschleunigungssensoren, insbesondere Nieder-G-Beschleunigungs-Sensoren bei sicherheitsrelevanten Anforderungen z.B. im Kfz-Bereich, kaum verwendet.
  • Die erfindungsgemäße Beschleunigungssensoranordnung weist demgegenüber insbesondere den Vorteil auf, dass mit geringem Herstellungsaufwand und vorteilhafterweise geringen Kosten eine Sensoranordnung mit guten Messeigenschaften erreichbar ist. Hierbei können insbesondere gute elektrische Kenndaten, die denjenigen bekannter Keramik-Hybridaufbauten entsprechen, zusammen mit einer guten Montierbarkeit auf Leiterplatten in Standardmontageprozessen (SMD) erreicht werden. Auf einer Leiterplatte können somit z.B. die Sensoren in Steuergeräten und Wegbausensoren kombiniert werden.
  • Die erfindungsgemäße Sensoranordnung ist weiterhin auf die jeweiligen Anforderungen an die elektrischen Sensorkenngrößen und Umgebungseinflüsse anpassbar. Hierbei kann in Abhängigkeit der Anforderungen eine erforderliche elektrische Performance und Robustheit gegenüber Umwelteinflüssen erreicht werden, indem aufgrund des flexiblen Aufbaus innerhalb des Premoldgehäuses Komponenten zugefügt werden können, um höhere Anforderungen zu realisieren, oder entsprechend zur Kostenreduktion Komponenten weggelassen werden.
  • Eine überraschend gute Spannungsentkopplung wird bei Verwendung einer Kleberschicht mit einer einheitlichen Dicke größer als 50 μm, vorzugsweise größer als 100 μm erreicht, wobei ein weiches Klebermaterial verwendet wird, das insbesondere weicher als das Chipmaterial des Beschleunigungs-Sensorchips ist.
  • Erfindungsgemäß können weiterhin das Sensorelement und der Auswertechip spannungsentkoppelt werden, so dass enge elektrische Toleranzen bei Offset und Empfänglichkeit, insbesondere auch geringe Temperaturgänge, geringe Nichtlinearitäten über die Temperatur, Hysteresen, Langzeitdriften und eine geringe Exemplarstreuung der elektrischen Kennwerte erreicht werden.
  • Die Bestückung von Leiterplatten kann mit Standardmaschinen in Steuergeräten oder Wegbausensoren erreicht werden. Da erfindungsgemäß die elektrische Beschattung erst auf der Leiterplatte erfolgt, können verschiedene Funktionen, z.B. elektrische Spannungsfestigkeit, elektromagnetische Verträglichkeit, Sensierrichtung, durch einfache Änderungen des Leiterplatten-Layouts und gegebenenfalls ein anderes Bestückprogramm des Leiterplattenbestückers realisiert werden, ohne hierfür auf aufwendige, unflexible und kostspielige Hybride und Metallmodule zurückgreifen zu müssen. Weiterhin kann eine mechanische Spannungsentkopplung des Beschleunigungssensor-Chips und des Auswertechips erreicht werden.
  • Es wird vorteilhafterweise ein Beschleunigungs-Sensorchip mit lebensdauer- und temperaturstabilen Sensorparametern verwendet, so dass eine Anordnung geschaffen wird, die auch bei den hohen Belastungen im Automotiv-Bereich langzeitstabil ist.
  • Der Einfluss von Umwelteinflüssen kann alternativ durch einzelne Passivierungsschichten z.B. aus Gel auf den Oberflächen des Sensorchips, Auswertechips und der Bondverbindungen oder durch Einbringen eines großflächigen Passivierungsbereiches verringert werden, der den Sensorchip, den Auswertechip und die Leitungsbonds umfasst. Eine derartige Passivierung durch eine größere Gel-Masse kann mit relativ geringen Herstellungskosten und hoher Langzeitbeständigkeit verwirklicht werden. Hierbei kann vorteilhafterweise ein über Temperatur und Lebensdauer stabiles Gel verwendet werden.
  • Erfindungsgemäß können ein Sensorchip und ein zusätzlicher Auswertechip, z.B. ein ASIC, oder alternativ hierzu ein Beschleunigungssensorchip mit integrierter Auswerteschaltung in dem Gehäuse angeordnet werden.
  • Der Chip bzw. die Chips können zum einen kostengünstig direkt in das Gehäuse eingeklebt werden. Alternativ hierzu kann der Chip bzw. können die Chips unter Verwendung einer Zwischenschicht in dem Gehäuse angebracht werden. Als Zwischenschicht kann ein Substrat aus z.B. Silizium, Glas, Keramik oder Metall, gegebenenfalls auch mehrere Plättchen, verwendet werden, auf das der Chip bzw. die Chips geklebt werden; weiterhin kann statt eines Substrats auch eine leitfähige oder nicht leitfähige weiche Kleberschicht verwendet werden. Durch eine derartige Zwischenschicht kann eine Kombination von mechanischen Spannungen beispielsweise durch unterschiedliche thermische Dehnungskoeffizienten und somit eine hohe Stabilität der elektrischen Kennwerte erzielt werden. Weiterhin können die Substrate der Auswerteschaltung und des Sensorchips auf beliebige elektrische Potenziale gelegt werden. Hierdurch wird die EMV bzw. elektromagnetische Verträglichkeit verbessert.
  • Erfindungsgemäß können der Beschleunigungssensorchip und der z.B. als ASIC ausgebildete Auswertechip auch übereinander aufgebracht werden, so dass eine Entkopplung mechanischer Spannungen möglich ist.
    •
  • Die Erfindung wird im Folgenden anhand der beiliegenden Zeichnungen an einigen Ausführungsformen erläutert. Es zeigen:
  • 1 einen Querschnitt durch eine Beschleunigungssensoranordnung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
  • 2 einen Querschnitt durch eine Beschleunigungssensoranordnung gemäß einer weiteren Ausführungsform mit einem zu sätzlichen Substrat;
  • 3 einen Querschnitt durch eine Beschleunigungssensoranordnung gemäß einer weiteren Ausführungsform mit mit Gel gefülltem Innenraum.
  • Ein Sensoranordnung 1 weist ein Premoldgehäuse 2, 3 mit Gehäuseunterteil 2 und Deckel 3 auf, die in einem Verbindungsbereich 4 miteinander z.B. durch Laserschweißen verschweißt oder verklebt sind und einen Gehäuseinnenraum 5 umgeben.
  • Ein Leadframe 6 verläuft gemäß 1 durch das Gehäuseunterteil 2 und ist mit seinen Anschlusspins 7 auf eine nicht gezeigte Leiterplatte setzbar. Im Gehäuseinnenraum 5 verlaufen mittlere Bereiche 8 des Leadframes 6 auf einer Stufe 9 des Gehäuseunterteils 2. Auf einer Bodenfläche 10 unterhalb der Stufe 9 ist eine Kleberschicht 11 aufgetragen, auf der ein Sensorchip 12 und ein Auswertechip 13, z.B. ein ASIC (application specified integrated circuit), aufgesetzt sind. Die Kleberschicht 11 wird vorteilhafterweise durch einen weichen Kleber, der insbesondere weicher als das Material des Sensorchips 12 ist, mit definierter Schichtdicke gebildet. Hierbei kann die Kleberschicht 11 eine einheitliche Dicke größer als 50 μm, vorzugsweise größer als 100 μm aufweisen, wodurch eine sehr gute Spannungsentkopplung erreicht wird.
  • Die Chips 12, 13 sind miteinander und mit dem Leadframe 6 über Leitungsbonds 14 verbunden. Die Chipoberflächen 15, 16 des Sensorchips 12 und des Auswertechips 13 sind mit Passivierungsschichten 17 aus einem Gel passiviert. Weiterhin sind auch Kontaktbereiche 19 des Leadframes 6 mit den Leitungsbonds 14 in dem Gehäuseinnenraum 5 mit Passivierungsschichten 20 aus einem Gel versehen.
  • Bei der Ausführungsform der 2 ist gegenüber der Ausführungsform der 1 auf der Bodenfläche 10 des Gehäuseunterteils 2 mittels der Kleberschicht 11 ein Substrat 22, vorzugsweise eine planparallele Platte aus z.B. Silizium, einem Keramikmaterial oder auch einem geeigneten Metall, aufgeklebt, auf deren Oberseite über eine Kleberschicht 23 die Chips 12, 13 aufgeklebt sind.
  • Bei der Ausführungsform der 3 ist bei ansonsten entsprechendem Aufbau wie bei der 1 oder 2 anstelle der Passivierungsschichten 17, 19 in dem Gehäuseinnenraum 5 eine die Oberflächen 15, 16 der Chips 12, 13 sowie den mittleren Bereich 8 des Leadframes 6 und vorzugsweise auch die Leitungsbonds 14 bedeckende Passivierungsschicht 25, vorzugsweise eine den Gehäuseinnenraum 5 überwiegend ausfüllende Gelschicht aufgetragen.
  • Der Beschleunigungssensor-Chip 12 weist durch Mikrostrukturierung erzeugte, elastische Bereiche, z.B. vertikale Platten. bzw. Zungen auf, die sich in Abhängigkeit einer einwirkenden Beschleunigung bzw. Drehrate elastisch verformen, wobei Messsignale von dem Auswertechip 13 kapazitiv ausgelesen werden.

Claims (12)

  1. Beschleunigungssensoranordnung, die mindestens aufweist: ein Premoldgehäuse (2, 3) aus einem Kunststoffmaterial mit einem Gehäuseinnenraum (5), einen Leadframe (6), der sich durch das Premoldgehäuse (2, 3) in den Gehäuseinnenraum (5) erstreckt, und einen Beschleunigungs-Sensorchip (12), der mittels einer Kleberschicht (11) in dem Gehäuseinnenraum (5) befestigt und mittels Leitungsbond-Verbindungen (14) mit dem Leadframe (6) verbunden ist.
  2. Beschleunigungssensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kleberschicht (11) eine einheitliche Dicke größer als 50 μm, insbesondere größer als 100 μm aufweist.
  3. Beschleunigungssensoranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Klebermaterial der Kleberschicht (11) weicher als das Chipmaterial des Beschleunigungs-Sensorchips (12) ist.
  4. Beschleunigungssensoranordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Gehäuseinnenraum (5) ein Auswertechip (13) mittels einer Kleberschicht (11), insbesondere der gleichen Kleberschicht wie der Sensorchip (12), befestigt ist und der Beschleunigungs-Sensorchip (12) mit dem Auswertechip (13) über Leitungsbond-Verbindungen (14) verbunden ist.
  5. Beschleunigungssensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Beschleunigungssensorchip (12) eine Auswerteschaltung monolithisch integriert ist.
  6. Beschleunigungssensoranordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Gehäuseinnenraum (2) Passivierungsschichten (17, 19) auf der Oberfläche (15, 16) des Beschleunigungs-Sensorchips (12) und/oder des Auswertechips (13) und/oder auf Verbindungsbereichen (8) zwischen den Leitungsbond-Verbindungen (14) und dem Leadframe (6) aufgetragen sind.
  7. Beschleunigungssensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Gehäuseinnenraum (5) zumindest teilweise mit einer Passivierungsschicht (25) aus z.B. Gel gefüllt ist, die die Oberfläche (15, 16) des Beschleunigungs-Sensorchips (12) und/oder des Auswertechips (13) und/oder Verbindungsbereiche (8) zwischen den Leitungsbond-Verbindungen (14) und dem Leadframe (6) bedeckt.
  8. Beschleunigungssensoranordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Beschleunigungs-Sensorchip (12), insbesondere auch der Auswertechip (13), auf mindestens ein Substrat (22) geklebt sind, das mittels einer Kleberschicht (11) in dem Premoldgehäuse (2, 3) befestigt ist.
  9. Beschleunigungssensoranordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (22) aus Silizium, einem Keramikmaterial oder einem Metall besteht.
  10. Beschleunigungssensoranordnung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass Substrate der Sensorchip (12) und der Auswerteschaltung auf unterschiedliche, elektrisch leitende Substrate aufgeklebt und auf unterschiedliche elektrische Potenziale gelegt sind
  11. Beschleunigungssensoranordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Beschleunigungs-Sensorchip (12) und der Auswertechip (13) übereinander angeordnet sind.
  12. Beschleunigungssensoranordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Premoldgehäuse (2, 3) ein Gehäuseunterteil (2), in dem der Beschleunigungssensorchip (12) durch die Kleberschicht (11) befestigt ist, und einen mit dem Gehäuseunterteil (2) in einem Verbindungsbereich (4) verbundenen Deckel (3) aufweist.
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