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Die
Erfindung betrifft ein Premold-Gehäuse zur Aufnahme eines Detektorchips,
ein Bauelement aus einem derartigen Premold-Gehäuse und einem aufgenommenen
Chip sowie eine Vorrichtung mit einem Substrat und einem derartigen
Bauelement.
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Premold-Gehäuse weisen
einen Gehäusekörper aus
einem Kunststoffmaterial oder einem Moulding-Compound auf Epoxidharzbasis
sein kann, und einen im Allgemeinen mehrteiligen Trägerstreifen
aus Metall, im Allgemeinen Leadframe genannt, auf. Das Premold-Gehäuse wird
in einem Moldverfahren durch Umspritzen des Leadframes mit dem Kunststoffmaterial
oder Moulding-Compound hergestellt. Hierbei ragen im Allgemeinen
an zwei Seiten oder an allen vier Seiten des Premold-Gehäuses im Wesentlichen
parallel zum Gehäuseboden
oder einem möglichen
Die-Pad verlaufende Anschlusspins bzw. Gehäusebeinchen zur Kontaktierung
auf einer Leiterplatte hervor. In das Premold-Gehäuse – auf den
Gehäuseboden
oder vorzugsweise auf einen mittleren, als Die-Pad benutzten Bereich
des Leadframes – kann
nachfolgend ein Detektorchip gesetzt und durch Löten oder Kleben befestigt sowie
mit den Anschlusspins über
Drahtbonds kontaktiert werden. Das Premold-Gehäuse wird nachfolgend flach
auf ein Substrat, z.B. eine Leiterplatte, montiert, z.B. geklebt
oder gelötet.
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In
Gassensoren, die im Automobil-Bereich z.B. zur Detektion von Leckagen
einer CO2-Klimaanlage oder zur Ermittlung von Gaskonzentrationen
in der Atemluft verwendet werden, wird im Allgemeinen die durch
Absorption infraroter Strahlung in gasspezifischen Wellenlängenbereichen
hervorgerufenen Temperaturdifferenz als Thermospannung gemessen,
wobei eine Inf rarot-Strahlungsquelle, z.B. eine im Niederstrombereich
betriebene Glühbirne,
und ein Strahlungsdetektor, z.B. ein Thermopile, verwendet wird.
Für den
Strahlungsdetektor wird hierbei oftmals in ein oben beschriebenes
Premold-Gehäuse ein
Detektorchip eingesetzt, der insbesondere ein Thermopile-Chip sein
kann. Der Thermopile-Chip wird üblicherweise
auf den Boden des Premold-Gehäuses, z.B.
auf ein Die-Pad gesetzt, so dass seine optische Achse unter einem
Winkel von 90° zum
Boden des Premold-Gehäuses
und somit zur Leiterplatte verläuft.
Die Detektorchips können
aufgrund ihrer mechanischen, optischen oder thermischen Eigenschaften
im Allgemeinen nicht vollständig
mit Kunststoff bzw. einem Moulding-Compound umspritzt werden, so
dass die Verwendung von Moldgehäusen
ungeeignet ist, bei Premold-Gehäusen aber
die Strahlung durch die offene Vorderseite des Premold-Gehäuses aufgenommen
werden kann. Die Strahlungsquelle wird im Allgemeinen auf einem
weiteren Substrat, z.B. einer zusätzlichen Leiterplatte, angeordnet,
die gegenüber
der das Premold-Gehäuse
des Strahlungsdetektors tragenden Leiterplatte relativ aufwendig
optisch ausgerichtet und positioniert werden muss.
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Das
erfindungsgemäße Premold-Gehäuse, das
erfindungsgemäße Bauelement
und die erfindungsgemäße Vorrichtung
weisen demgegenüber insbesondere
den Vorteil auf, dass mit relativ geringem Fertigungsaufwand und
geringen Fertigungskosten eine Platz sparende Anbringung und einfache und
genaue optische Ausrichtung möglich
ist. Erfindungsgemäß ist eine
vertikale Anbringung des Premold-Gehäuses auf einem Substrat – insbesondere einer
Leiterplatte – möglich, durch
die der im allgemeinen knappe laterale Bauraum erheblich verringert werden
kann.
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Erfindungsgemäß wird hierbei
durch die vertikale Montage des Premold-Gehäuses Substratfläche eingespart,
so dass ein kleinerer lateraler Bauraum benötigt wird. Dies ist sowohl
für optische
als auch nicht optische Anwendungen vorteilhaft. Das Premold-Gehäuse erlaubt
bei einer derartigen vertikalen Montage eine einfache und kostengünstige Aufnahme
von stress empfindlichen Chips. Bei der vertikalen Anbringung eines
Premold-Gehäuses
mit einem optischen Bauelement verläuft die optische Achse des
optischen Chips nicht vertikal, sondern parallel oder unter geringen
Winkeln zum Substrat. Somit können
auf einem Substrat mehrere optische Elemente, z.B. das erfindungsgemäße Premold-Gehäuse mit
einem aufgenommenen Detektorchip und eine Strahlungsquelle angebracht
werden, so dass mit lediglich einer Leiterplatte ein komplettes
optisches System, z.B. ein Gassensor mit Strahlungsquelle und Strahlungsdetektor
einschließlich
einer Absorptionsstrecke und gegebenenfalls einer Reflektoreinrichtung
zur Bündelung
der Strahlung, ausgebildet werden kann. Es können insbesondere mehrere aus
jeweils einem Premold-Gehäuse
und einem aufgenommenen Detektorchip gebildete Strahlungsdetektoren
auf dem Substrat gegenüber
einer gemeinsamen Strahlungsquelle positioniert werden. An der offenen
Vorderseite des Premold-Gehäuses,
d.h. in der optischen Achse vor dem aufgenommenen Detektorchip,
kann hierbei ein Strahlungsfilter vorgesehen sein.
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Die
Fertigungskosten für
ein vertikal montierbares Premold-Gehäuse sind im Wesentlichen die gleichen
wie bei herkömmlichen
Premold-Gehäusen, da
keine zusätzlichen
Fertigungsschritte erforderlich sind. Da das Premold-Gehäuses eine
unstrukturierte, glatten Vorderseite bzw. obere Stirnseite ohne
Anschlusspins aufweist, ist ein Standardbestückungsprozess auf das Substrat
möglich.
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Über den
Leadframe ist in seitlicher Richtung eine Wärmeableitung und eine elektrische
Ankopplung zum Substrat möglich,
so dass eine elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) gewährleistet
werden kann. Weiterhin können
alle relevanten Flächen
und Kontakte im Premold-Gehäuse
passiviert werden.
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Die
erfindungsgemäße Ausbildung
des Premold-Gehäuses
mit Gehäusekörper und
seitlich abstehenden, in Umlenkbereichen umbiegbaren Seitenstützbereichen
erlaubt bei der vertikalen Montage eine hohe Stabilität und eine
hohe Variabilität
in der Anbringung je nach Bauraum und erforderlicher Zugänglichkeit
der Lötstellen.
Hierbei können
die Seitenstützbereiche
wahlweise in eine von zwei Richtungen gebogen werden; weiterhin
können
auch Lötfüße der Seitenstützbereiche
und der Anschlusspins wahlweise in eine von zwei Richtungen gebogen
werden.
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Eine
kostengünstige
und schnelle Herstellung des Premold-Gehäuses ist durch Molden des Gehäuses auf
einem Trägerstreifen
bzw. Leadframe-Streifen,
nachfolgendes Schneiden oder Ausstanzen der Leadframes, vorzugsweise
mit jeweils einem Schnitt, und Umbiegen der Seitenstützbereiche
möglich.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand der beiliegenden Zeichnungen
an einigen Ausführungsformen
erläutert.
Es zeigen:
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1 einen
Ausschnitt aus einem Leadframe-Streifen mit mehreren Premold-Gehäusen, die um
jeweils gleiche, sich wiederholende Leadframestrukturen gespritzt
sind;
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2 ein
10-poliges Premold-Gehäuse
gemäß einer
Ausführungsform
mit einem Leadframe aus 1 nach dem Ausstanzen aus dem
Leadframestreifen und vor dem Biegen des Leadframes;
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3 eine
Vorderansicht in das Premold-Gehäuse
aus 2 nach Umbiegen aller Lötfüße, sowohl von den Seitenstützbereichen,
als auch von den Anschlüssen,
in eine Richtung und nach dem Umbiegen der Seitenstützbereiche;
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4 eine
Draufsicht auf ein entsprechendes 6-poliges Premold-Gehäuse nach
Umbiegen der Lötfüße in Richtung
Gehäuseöffnung und
der Seitenstützbereiche
zur Premoldrückseite;
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5 eine
Draufsicht auf eine der 4 entsprechenden Ausführungsform
mit zur Gehäusevorderseite
gebogenen Seitenstützbereichen;
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6 eine
Draufsicht auf eine der 5 entsprechenden Ausführungsform,
aber mit nach außen,
d.h. zur Gehäuserückseite
hin, gebogenen Lötfüßen;
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7a, b das Premold-Gehäuse aus 4 in einer
Seitenansicht und einer Seitenansicht im Schnitt;
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8 einen
Gassensor mit einem erfindungsgemäßen Strahlungsdetektor und
einer Strahlungsquelle auf einem Substrat;
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9 eine
Draufsicht auf einen Gassensor mit mehreren erfindungsgemäßen Strahlungsdetektoren.
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Ein
Leadframe-Streifen 1 ist z.B. als Stanzteil aus einem Metall,
z.B. Kupfer, hergestellt und weist einen durchgängigen, leiterförmigen Rahmen 4 mit Stegen 4a und
mehrere, in einer Symmetrierichtung P aufeinander folgende, in dem
Rahmen 4 vorgestanzte Leadframestrukturen 5 für später auszutrennende
Leadframes 2 auf.
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Erfindungsgemäß können Gehäusekörper 6 direkt
durch Umspritzen der Leadframestrukturen 5 in dem unzertrennten
Leadframe-Streifen 1 mit einem Kunststoffmaterial oder
einem Moulding-Compund auf Kunstharzbasis, hergestellt werden. In 1 sind
bei den einzelnen Leadframestrukturen 5 bereits die Positionen
der Premold-Gehäuse 6 durch Linien
eingezeichnet.
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Jeder
Leadframe 2 weist in seinem mittleren Bereich einen Die-Pad 9 auf,
der in den beiden seitlichen Richtungen – d.h. orthogonal zu der Symmetrierichtung
P – über jeweils
einen Umlenkbereich 10 mit einem linken bzw. rechten Seitenstützbereich 11 verbunden
ist. Die Seitenstützbereiche 11 erstrecken sich
jeweils nach unten – d.h.
entgegen der Pfeilrichtung P – von
den Umlenkbereichen 10 weg und weisen jeweils an ihrem
unteren Ende zwei Lötfüße 12 auf.
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Weiterhin
weist jeder Leadframe 2 mehrere – gemäß 1 zehn – Anschlusspins 14 auf,
die nicht mit dem mittleren Die-Pad 9 verbunden sind, um
entsprechend eine unterschiedliche Kontaktierung des später aufzunehmenden
Chips über
das Die-Pad 9 und die Anschlusspins 14 zu ermöglichen.
Die Anschlusspins 14 stehen nach unten aus dem Gehäusekörper 6 ab
und verlaufen an ihrem unteren Ende in Lötfüßen 15 schmaler zu.
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Der
Leadframe 2 wird gemäß 2 derartig in
das Premold-Gehäuse 9 eingemoldet,
dass die Umlenkbereiche 10 jeweils zur Hälfte eingespritzt sind
und dadurch beim nachfolgenden Umbiegen als Gelenke für die hieran
anschließenden
Seitenstützbereiche 11 dienen,
die außerhalb
des Premold-Gehäuses 6 angeordnet
sind. Weiterhin sind auch die Anschlusspins 14 jeweils
teilweise – z.B.
etwa zur Hälfte – in das
Premold-Gehäuse 6 eingegossen,
so dass ihre unteren Teilbereiche mit den Lötfüßen 15 herausragen.
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Die
einzelnen Leadframestrukturen 5 sind mit den in Querrichtung
verlaufenden Stegen 4a des Leadframe-Streifens 1 in
ihren Lötfüßen 12 und
ihren Lötfüßen 15 verbunden.
Durch Abtrennen bzw. Trimmen entlang von geraden Schnittlinien 3 werden
die einzelnen Leadframes 2 nachfolgend aus dem Leadframe-Streifen 1 abgetrennt;
hierbei kann durch jeden Schnitt entlang einer Schnittlinie 3 ein
in 2 gezeigtes Premold-Gehäuse abgetrennt wird.
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Von 2 ausgehend
wird das In 3 gezeigte Premold-Gehäuse 8 gebildet,
indem zunächst die
Lötfüße 12, 15 der
Seitenstützbereiche 11 und der
Anschlusspins 14 um 90° abgewinkelt
werden, um – wie
später
erläutert
wird – eine
Befestigung und Kontaktierung auf einer Leiterplatte zu ermögli chen. Danach
werden die Seitenstützbereiche 11 rechtwinklig
bzw. um 90° nach
hinten in den als Gelenke dienenden Umlenkbereichen 10 umgebogen.
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4 zeigt
eine Ausführungsform
eines sechspoligen Premold-Gehäuses 8,
das durch Einmolden von sechs Anschlusspins 14 und eines Die-Pads 9 mit
Umlenkbereichen 10 und Seitenbereichen 11 hergestellt
ist. Hierbei sind alle Lötfüße 12 zur
Gehäuseöffnung abgewinkelt
und die Seitenstützbereiche 11 nachfolgend
nach hinten – d.h.
zum Boden des Gehäusekörpers 6 hin – gebogen.
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Bei
der Ausführungsform
der 5 sind gegenüber
der Ausführungsform
der 4 die Seitenstützbereiche 11 nach
vorne, d.h. zu einer Vorderseite 13 des Gehäusekörpers 6 hin
gebogen, wobei auch hier die Lötfüße 12 wie
in 4 abgewinkelt sind.
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Bei
der Ausführungsform
der 6 sind die Lötfüße 12 und 15 gegenüber den
Ausführungsformen
der 4, 5 in die andere Richtung abgewinkelt,
die Seitenstützbereiche 11 entsprechend 5 abgewinkelt,
damit die Lötfüße 12 nach
außen – d.h. gegenüber 5 in
die anderen Richtung – abgewinkelt
werden, um eine bessere Inspektion der zum Gehäusekörper 6 seitlich versetzten
Lötstellen zu
ermöglichen.
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Die
in den 3 bis 6 gezeigten Ausführungsformen
können
wahlweise bezüglich
der Richtung des Umbiegens der Seitenstützbereiche 11, der
Lötfüße 12 sowie 15 kombiniert
werden, wie es den entsprechenden Kontaktierungsbedingungen und
Anbringungsbedingungen des Premold-Gehäuses 8 entspricht.
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Die 7a und 7b zeigen eine Seitenansicht und Schnittansicht
von der Seite des Premold-Gehäuses 8 aus 4 vor
der Bestückung
auf eine Leiterplatte. Der Gehäusekörper 6 weist
innen einen Freiraum 18 auf und ist an seiner Vorderseite 13 zumindest
bereichsweise offen, um z.B. bei optischen Anwendungen die zu detektierender
Strahlung aufzunehmen.
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In 8 ist
der Grundaufbau eines Strahlungsdetektors 21 gezeigt, der
durch das Premold-Gehäuse 8 und
einen in dem Premold-Gehäuse 8 aufgenommenen
Thermopile-Chip 19 gebildet wird, der mit seiner Unterseite
auf dem Die-Pad 9 befestigt und über Bonddrähte 20 mit den einzelnen
Anschlusspins 14 kontaktiert ist. Der Strahlungsdetektor 21 ist über die
Lötfüße 12 und 15 der
Seitenstützbereiche 11 sowie
der Anschlusspins 14 auf einer Leiterplatte 22 mittels
z.B. Lot 24 oder Kontaktkleber kontaktiert. Hierbei steht
das gesamte Premold-Gehäuse 8 aus
Gehäusekörper 6 und
Leadframe 2 vertikal, d.h., dass der Die-Pad 9 und
der Boden des Gehäusekörpers 6 vertikal
zur Leiterplatte 22 steht, so dass der aufgenommene Thermopile-Chip 19 parallel
zur Leiterplatte 22 verlaufende Strahlung S aufnehmen und
detektieren kann. Hierzu ist eine im Niederstrombereich betriebene
Glühbirne
als IR-Quelle 26 über
ihre Anschlüsse 27 auf
der Leiterplatte 22 kontaktiert und strahlt Infrarotstrahlung
S aus, die von dem Thermopile-Chip 19 detektiert werden
kann. Der Abstand d zwischen der IR-Quelle 26 und dem Thermopile-Chip 19 dient
als Absorptionsstrecke d, in der ein Gasanteil, z.B. CO2, nachgewiesen
werden kann. An der Vorderseite 13 des Gehäusekörpers 6 kann
eine Blende und ein Strahlungsfilter 25 angebracht sein,
der lediglich IR-Strahlung eines ausgewählten Wellenlängenbereichs
durchlässt.
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Gemäß 9 können mehrere
vertikal auf der Leiterplatte 22 aufgenommene, jeweils
aus einem Premold-Gehäuse 8 und
einem Thermopile-Chip 19 gebildete
Strahlungsdetektoren 21 zusammen mit einer gemeinsamen
IR-Strahlungsquelle 26 vorgesehen sein. Hierbei können unterschiedliche
Strahlungsfilter 25a, 25b und 25c mit
unterschiedlichen Filtereigenschaften jeweils an den Vorderseiten 13 des
Gehäusekörpers 6 vorgesehen sein.
Zur Signalverstärkung
kann eine Reflektoreinrichtung 29 auf der Leiterplatte 22 angebracht
sein, die die Strahlung S von der einen IR- Strahlungsquelle 26 zu den
einzelnen Strahlungsdetektoren 21 bündelt bzw. leitet.