DE19523171C2

DE19523171C2 - Halbleiterbeschleunigungssensor

Info

Publication number: DE19523171C2
Application number: DE19523171A
Authority: DE
Inventors: Hazime Kato
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1994-10-12
Filing date: 1995-06-26
Publication date: 2000-03-02
Anticipated expiration: 2015-06-27
Also published as: DE19523171A1; JPH08110353A

Description

Die Erfindung betrifft einen Halbleiterbeschleunigungssensor, und insbesondere einen Halbleiterbeschleunigungssensor zur Verwendung in einem mit einem Airbag oder ähnlichem ausgestatteten Fahrzeug, sowie ein Verfahren zur Prüfung des Halbleiterbeschleunigungssensors.

Fig. 7 zeigt eine Seitenschnittansicht eines Halbleiter beschleunigungssensors gemäß dem Stand der Technik, und Fig. 8 zeigt eine Draufsicht auf den Halbleiter beschleunigungssensor gemäß Fig. 7 bei abgenommener Abdeckkappe. In diesen Figuren ist ein Sensorchip 1 in Form eines Beschleunigungssensorstabs mit einem ausgeformten Membranteil 1a auf einem Dickfilmsubstrat 12 mittels eines Sockels 13 befestigt. Auf der zum Membranteil 1a entgegengesetzten Oberfläche des Sensorchips 1 sind vier Eich- bzw. Meßwiderstände 1b zur Bildung einer Brückenschaltung angeordnet. Verbindungselektroden (Bond- Elektroden) 4a sind elektrisch über Leitungen 11 mit dem Dickfilmsubstrat 12 verbunden. Das Dickfilmsubstrat 12 ist mit einer Trägerplatte 14 verbunden und elektrisch mittels der Leitungen 11 mit Anschlußkontakten 18 verbunden, die über Glasisolatoren 16 an der Trägerplatte 14 befestigt sind. Der Sensorchip 1, das Dickfilmsubstrat 12 und die weiteren Teile sind mit einer Abdeckkappe 15 zur Bildung des Halbleiterbeschleunigungssensors 10 abgedeckt.

Bei dem in der vorstehend beschriebenen Weise aufgebauten Halbleiterbeschleunigungssensor kann der den Membranteil 1a zur Beschleunigungserfassung tragende Sensorchip 1 bei rauher Behandlung brechen oder in anderer Weise beschädigt werden. Eine Beschädigung des Sensorchips 1 vermindert jedoch seine Widerstandsfähigkeit gegenüber Stößen. Zur Sicherstellung einer Widerstandsfähigkeit gegenüber Stößen von gefertigten Halbleiterbeschleunigungssensoren werden die Sensoren üblicherweise einem Stoßtest unterzogen, bei welchem ein Stoß (Beschleunigung) in der Größenordnung von 3000 G auf jeden Sensor einwirkt.

Fig. 9 zeigt in schematischer Darstellung eine bekannte Stoßtesteinrichtung. Der Halbleiterbeschleunigungssensor 10 ist an der Stoßtesteinrichtung 17 mittels Schrauben 14a befestigt.

Im Rahmen des mit dem Halbleiterbeschleunigungssensor durchgeführten Stoßtests wird eine Testaufspannvorrichtung angehoben und sodann mittels der Schwerkraft zur Erzeugung eines Stoßes von 3000 G fallen gelassen. Dies führt jedoch dadurch zu Problemen, daß die Stoßtesteinrichtung im Aufbau kompliziert ist und infolge von mechanischen Materialermüdungen häufig Schäden aufweist. Ein weiteres Problem tritt auf, da die Halbleiterbeschleunigungssensoren an der Stoßtesteinrichtung jeweils nacheinander mit Schrauben befestigt werden müssen, so daß folglich die Stoßtesteinrichtung nicht zufriedenstellend im Hinblick auf Materialdurchsatz und Verläßlichkeit arbeitet.

Aus der Druckschrift JP 1-59161 sind ein Halbleiter beschleunigungssensor und ein Verfahren zu dessen Herstellung bekannt, wobei ein schwingungsfähiger Teil des Halbleiter beschleunigungssensors innerhalb eines speziellen Trägerrahmens angeordnet ist. Meßwiderstände sind auf einem Halbleitersubstrat in der Nähe eines schmalen Bereichs angeordnet und dienen zur Erfassung der auf den Halbleiterbeschleunigungssensor einwirkenden Beschleunigung. Zur Erzielung einer ausreichenden Bewegung des schwingungsfähigen Teils des Halbleiter beschleunigungssensors ist ein Gewicht (schwingungsfähige Masse) auf dem schwingungsfähigen Teil vorgesehen. Zu diesem Zweck weist der schwingungsfähige Teil des Halbleiterbeschleunigungs sensors eine mit einer Aluminiumschicht bedeckte Vertiefung zur Aufnahme des Gewichts auf, wobei die Empfindlichkeit und die Genauigkeit der Erfassung der einwirkenden Beschleunigung von dem Gewicht abhängig ist.

Aus der Druckschrift JP 4-166770 ist ferner ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbeschleunigungssensors bekannt, bei dem am äußeren Ende des Halbleiterchips eine Masse zur Verstärkung der Schwingungen des Halbleiterchips bei Einwirkung einer Beschleunigung vorgesehen ist. Die von der einwirkenden Beschleunigung abhängige Schwingung des Halbleiterchips wird mittels entsprechender, an einem schmaleren Bereich des Halbleiterchips angeordneter piezoelektrischer Meßwiderstände erfaßt. Im Rahmen der Herstellung wird eine anfängliche Masse am äußeren Ende des Halbleiterchips aufgebracht und bei Einwirkung einer vorbestimmten Beschleunigung mittels eines auf die Masse projezierten Laserstrahls die aufgebrachte Masse auf einen Sollwert in Abhängigkeit vom Ausgangssignal der Meßwiderstände gebracht.

Desweiteren ist aus Druckschrift JP 4-174365 ein Halbleiter-G- Sensor bekannt, bei dem am vorderen Ende zur Erzielung einer Empfindlichkeit mit hoher Präzision eine die Schwingung eines Halbleiterchips unterstützende Masse angeordnet ist. Die Schwingung und damit die auf den Halbleiterchip einwirkende Beschleunigung wird mittels entsprechender Meßwiderstände erfaßt. Das vordere Ende des Halbleiterchips wird zur Aufnahme der die Schwingung unterstützenden Masse mit Aluminium beschichtet, so daß durch Aufbringen eines Lötpunkts (Lot) die entsprechende Masse am vorderen Ende des Halbleiterchips gebildet wird.

Aus dem vorstehend angegebenen Stand der Technik ist es somit lediglich bekannt, das vordere Ende eines als schwingungsfähiges Gebilde ausgebildeten Halbleiterchips mit einem Gewicht (Masse) auszurüsten, so daß die Schwingung des Halbleiterchips in Abhängigkeit von einer einwirkenden Beschleunigung verstärkt wird, so daß diese mit größerer Empfindlichkeit und Genauigkeit zur Bestimmung des Beschleunigungswerts erfaßt werden kann. Das vordere Ende des schwingungsfähigen Halbleiterchips erhält zu diesem Zweck eine Aluminiumbeschichtung, auf der entweder mittels eines Lötvorgangs eine Masse aufgebracht werden kann oder das aufgebrachte Lot selbst die zusätzliche Masse bildet.

Die angegebenen Druckschriften beziehen sich somit lediglich auf die Herstellung eines Halbleiterbeschleunigungssensors, und insbesondere auf das Aufbringen einer zusätzlichen Masse zur Unterstützung der Schwingung des Halbleiterchips.

Eine Prüfung des Halbleiterchips, beispielsweise mittels eines Stoßtests, im Hinblick auf eine Beschädigung, d. h. einen Bruch oder einen Riß des Halbleiterchips, ist hierbei nicht in Betracht gezogen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Halbleiterbeschleunigungssensor der eingangs genannten Art derart auszugestalten, daß durch eine direkt erzeugbare mechanische Versetzung des Sensorchips auf einfache Weise ein Stoßtest durchgeführt werden kann.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bezüglich des Halbleiterbeschleunigungssensors mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Mitteln gelöst. Ferner wird diese Aufgabe erfindungsgemäß bezüglich des Verfahrens zur Prüfung des Halbleiterbeschleunigungssensors mit den im Patentanspruch 2 angegebenen Mitteln gelöst.

Im einzelnen weist der Sensorchip des Halbleiterbeschleunigungs sensors an seiner vorderen Oberfläche eine Aluminiumelektrode auf, die mittels einer entsprechenden Prüfnadel kontaktiert werden kann. Die in der Prüfvorrichtung angeordnete Prüfnadel wird in vorbestimmter Weise auf den entsprechend angeordneten Halbleiterbeschleunigungssensor abgesenkt und berührt den Sensorchip an seinem freien Ende an der Aluminiumelektrode (Kontaktieren). Nachdem die Prüfnadel mit der Aluminiumelektrode kontaktiert ist wird die Prüfnadel um einen weiteren Betrag abgesenkt und versetzt somit mechanisch den beweglichen Sensorchip um den entsprechenden vorbestimmten Betrag. Während des Absenkens der Prüfnadel kann dabei ein Riß oder ein Bruch des Sensorchips ermittelt werden.

In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gekennzeichnet.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungs beispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Draufsicht auf einen Sensorchip eines Halb leiterbeschleunigungssensors gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,

Fig. 2 eine Draufsicht auf den Sensorchip des Halbleiter beschleunigungssensors gemäß einem zweiten Aus führungsbeispiels,

Fig. 3 eine Schnittansicht entlang der Linie A-A gemäß Fig. 2,

Fig. 4 eine Schnittansicht des Sensorchips des Halb leiterbeschleunigungssensors gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel,

Fig. 5 eine Seitenansicht zur Veranschaulichung des Zu stands, bei dem eine Prüfnadel gegen eine auf dem Sensorchip vorgesehene Aluminiumelektrode gedrückt wird,

Fig. 6 ein Ablaufdiagramm von Maßnahmen zur Durchführung eines Stoßtests unter Verwendung der Prüfnadel,

Fig. 7 eine Seitenschnittansicht zur Veranschaulichung eines Halbleiterbeschleunigungssensors gemäß dem Stand der Technik,

Fig. 8 eine Draufsicht auf den Halbleiterbeschleunigungs sensor gemäß Fig. 7 mit abgenommener Abdeckkappe, und

Fig. 9 eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung einer Stoßtesteinrichtung gemäß dem Stand der Tech nik.

Erstes Ausführungsbeispiel

Fig. 1 zeigt schematisch eine Draufsicht auf den Sensorchip des Halbleiterbeschleunigungssensors gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel. Dabei bezeichnen in den zugehörigen Figuren dieselben Bezugszeichen dieselben oder entsprechende Teile. Gemäß Fig. 1 ist eine Aluminiumelektrode 2 auf der Oberfläche des freien Endes des Sensorchips 1 mit einer Ausrichtung entsprechend der Längsachse des Sensorchips 1 angeordnet. Die Aluminiumelektrode 2 wird dabei gleichzeitig mit den später noch beschriebenen Aluminium verdrahtungsmustern des Sensorchips 1 gebildet und kann daher mit großer Genauigkeit gefertigt werden.

Bei einem Halbleiterbeschleunigungssensor mit dem vorstehend beschriebenen Aufbau kann eine mechanische Versetzung direkt an der am freien Ende des Sensorchips 1 angeordneten Aluminiumelektrode 2 aufgebracht werden. Wenn beispielsweise in einem Bereich des Sensorchips 1 von dem Membranbereich 1a bis zum freien oder entfernten Ende eine Beschleunigung von 3000 G genau aufgebracht wird, dann tritt am entfernten Ende des Sensorchips 1 eine Versetzung δ gemäß δ = 6wl⁴ × 3000/Ebh³, d. h. von etwa 20 µm auf unter der Bedingung, daß der Modul der Längselastizität E von Silizium 17000 Kg/mm², das spezifische Gewicht w von Silizium 2.3 × 10^-6 Kg/mm³ beträgt und die Entfernung l vom Membranbereich 1a zum entfernten Ende des Sensorchips 1 4 mm, die Dicke h des Sensorchips 1 0.25 mm und die Breite b des Sensorchips 1 2 mm beträgt.

Daher kann der Schlag bzw. die Versetzung der Prüfnadel in Schritten von 5 bis 10 µm unter Verwendung eines Präzisionsmotors eingestellt werden, so daß es daher möglich ist, direkt eine mechanische Versetzung auf das entfernte Ende des Sensorchips 1 auszuüben.

Fig. 5 zeigt in einer Seitenansicht die Bedingungen, unter welchen eine Prüfnadel 3 gegen die auf dem Sensorchip 1 angeordnete Aluminiumelektrode gepreßt wird. Ferner ist in Fig. 6 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Durchführung eines Stoßtests unter Verwendung der Prüfnadel 3 gezeigt. Unter Bezugnahme auf diese Figuren wird die Prüfnadel 3 in Richtung des Sensorchips 1 abgesenkt (S1) und sodann in Kontakt mit der Aluminiumelektrode 2 gebracht (S2). Zu diesem Zeitpunkt wird ein Kontaktschalter eingeschaltet (S3). Aus dieser Bedingung als Bezugsgröße wird die Prüfnadel 3 um eine Strecke entsprechend dem vorbestimmten Sollwert weiter abgesenkt (S4). Wird dabei während des Absenkens der Prüfnadel 3 ein Riß oder ein Bruch des Sensorchips 1 ermittelt (S5), dann wird der Stoßtest abgebrochen und durch Anheben der Prüfnadel 3 beendet (S6).

Würde die Prüfnadel 3 direkt gegen den Sensorchip 1 gepreßt, dann würde der Sensorchip 1 beschädigt oder die Prüfnadel 3 könnte über den Sensorchip 1 gleiten. Derartige Probleme können durch die Anwendung der Aluminiumelektrode 2 vermieden werden. Unter Verwendung einer optischen zweiäugigen Beobachtungseinrichtung, wie sie häufig in Verbindung mit dem Bonden von Anschlußdrähten und dergleichen angewendet wird, kann die Prüfnadel 3 sicher gegen die Aluminiumelektrode 2 gepreßt werden, auch wenn die Lage des Sensorchips 1 nach dem Druckbonden (Anschlußkontaktieren) aus der Sollage in einem Bereich von etwa 100 µm abweicht. Die Aluminiumelektrode 2 ist ferner erforderlich zur Bestätigung bzw. Überprüfung der Lage der Prüfnadel 3 im Rahmen eines Bildverarbeitungs prozesses.

Zweites Ausführungsbeispiel

Das erste Ausführungsbeispiel weist die Nachteile auf, daß die Prüfnadel 3 in einer Lage justiert werden muß, in der sie sicher die Aluminiumelektrode 2 auf dem Sensorchip 1 kontaktieren kann, wobei dieser Justiervorgang aufwendig und problematisch ist. Mit dem zweiten Ausführungsbeispiel soll dieses Problem gelöst werden.

Fig. 2 zeigt eine schematische Draufsicht auf einen Sensorchip eines Halbleiterbeschleunigungssensors gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel und Fig. 3 zeigt eine Schnittansicht entlang der Linie A-A gemäß Fig. 2. Unter Bezugnahme auf diese Figuren sind Bondelektroden 4a auf der Oberfläche des Sensorchips 1 angeordnet und mit einer externen Schaltungsanordnung durch gebondete Leitungen verbunden. Die Bondelektroden (Anschlußelektroden) 4a sind elektrisch mit Aluminiumverdrahtungsmustern 4b mit einer Aluminiumelektrode 2 verbunden, gegen die die Prüfnadel 3 angedrückt wird. Die Aluminiumverdrahtungsmuster 4b erstrecken sich über den Membranbereich 1a des Sensorchips 1, und die Verdrahtung verläuft ferner im Außenbereich des beweglichen Teils des Sensorchips 1. Die Oberfläche des Sensorchips 1 kann dabei auch mit einem Schutzfilm 1c beschichtet und abgedeckt sein.

Im Falle eines Bruchs des Membranbereichs 1a des Sensorchips 1 wird zumindest eines der Aluminium verdrahtungsmuster 4b unterbrochen, so daß dadurch ein auftretender Riß oder ein Bruch ermittelt werden kann. Die Aluminiumverdrahtungsmuster 4b dienen ferner zur Erfassung, ob die Prüfnadel 3 auch tatsächlich in Kontakt mit der Aluminiumelektrode 2 gebracht wurde. Im einzelnen wird dabei die Aluminiumelektrode 2 auf einem konstanten Potential gehalten zur Aufrechterhaltung einer Potentialdifferenz zwischen der Prüfnadel und der Bondelektrode 4a. Danach wird ein Stoßtest entsprechend dem Ablaufdiagramm gemäß Fig. 6 durchgeführt. Zum Zeitpunkt des Absenkens der Prüfnadel 3 und Ankontaktieren mit der Aluminiumelektrode 2 wird ein resultierender Strom oder eine resultierende Spannung geändert (S1 bis S3). Sodann wird die Prüfnadel 3 weiter aus der Kontaktposition um einen Sollabstand von beispielsweise 20 µm im Falle des Aufbringens von 3000 G versetzt (S4). Ein Bruch des Sensorchips 1 wird dann erfaßt, wenn der resultierende Strom oder die resultierende Spannung sich bis zum Erreichen der Sollversetzung geändert hat oder nicht (S5). Die Prüfnadel 3 wird sodann angehoben (S6). Durch Wiederholen der vorstehend beschriebenen Schritte kann der Stoßtest und die Untersuchung des Halbleiterbeschleunigungs sensors im wesentlichen in der gleichen Weise durchgeführt werden, als wirke irgendeine gewünscht Beschleunigung tatsächlich auf den Sensorchip 1 ein.

Drittes Ausführungsbeispiel

Das zweite Ausführungsbeispiel weist den Nachteil auf, daß es sehr schwierig ist, einen Sprung, der sich innerhalb des den Membranbereich 1a bildenden Siliziums befindet, da sich die Aluminiumverdrahtungsmuster 4b über den Membranbereich 1a des Sensorchips 1 erstrecken. Mit dem dritten Ausführungsbeispiel soll dieses Problem durch Erzeugung von mit Diffusion ausgebildeten Leitern (Diffusionsleitern) 4c in den den Membranbereich 1a des Sensorchips 1 überschneidenden Teilen gelöst werden.

Fig. 4 zeigt eine Schnittansicht eines Sensorchips eines Halbleiterbeschleunigungssensors gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel. Die Diffusionsleiter 4c sind zumindest in der Nähe des Membranbereichs 1a des Sensorchips 1 ausgebildet. Wurde der Sensorchip 1 aus einem n-Material gebildet, dann können die Diffusionsleiter 4c durch eine p⁺- Dotierung in Bereichen, in denen die Diffusionsleiter 4c angeordnet werden sollen, ausgebildet werden.

Wird sodann ein Riß oder ein Bruch des Sensorchips 1 erfaßt und bestimmt, nachdem die Prüfnadel 3 die vorbestimmte Versetzung auf der Aluminiumelektrode 2 bewirkt hat, dann wird die Leitung durch die Diffusionsleiter 4c durch einen auch kleinen Riß im Silizium unterbrochen, so daß eine Bestimmung eines Bruchs des Sensorchips 1 mit großer Genauigkeit durchgeführt werden kann.

Somit kann an dem Halbleiterbeschleunigungssensor in einfacher Weise ein Stoßtest von dem Typ der Direktanwendung einer mechanischen Versetzung des Sensorchips durchgeführt werden. Ein Sensorchip 1 mit einem ausgebildeten Membranbereich 1a und einem Satz von Meßwiderständen 1b, die auf der Oberfläche gegenüber dem Membranbereich 1a angeordnet sind, ist auf einem Dickfilmsubstrat 12 mittels eines Sockels 13 befestigt. Eine Aluminiumelektrode 2 ist auf der anderen Oberfläche des freien Endes des Sensorchips 1 in Ausrichtung mit der Längsachse des Sensorchips 1 vorgesehen. Ein Stoßtest wird durchgeführt, indem direkt eine mechanische Versetzung auf die Aluminiumelektrode 2 mittels einer Prüfnadel 3 ausgeübt wird. Dabei kann der Stoßtest mit einer genau zu positionierenden Prüfnadel 3 ohne Beschädigung des Sensorchips 1 und Abgleiten der Prüfnadel über den Sensorchip 1 durchgeführt werden.

Claims

1. Halbleiterbeschleunigungssensor, mit
einem in freitragender Weise auf einem Sockel (13) befestigten Sensorchip (1), einschließlich
eines auf der Oberfläche des Sensorchips (1) ausgebildeten Satzes von Meßwiderständen (1b) und einem auf der Rückseite der Meßwiderstände (1b) ausgebildeten Membranteil (1a), wobei
eine Aluminiumelektrode (2) auf der vorderen Oberfläche des freien Endes des Sensorchips (1) mit einer Ausrichtung in der Längsachse des Sensorchips (1) zum direkten Aufbringen einer mechanischen Versetzung zur Erfassung eines Bruchs des Sensorchips (1) angeordnet ist.

2. Verfahren zur Prüfung eines Halbleiterbeschleunigungssensors, mit
einem in freitragender Weise auf einem Sockel befestigten Sensorchip,
einem Satz von Meßwiderständen auf der vorderen Oberfläche eines Membranteils, das auf der Rückseite der Meßwiderstände angeordnet ist, und
einer Aluminiumelektrode, die zur Kontaktierung mit einer Prüfnadel vorgesehen ist,
mit den Verfahrensschritten:
Absenken und Kontaktieren der Prüfnadel mit der Aluminiumelektrode, und
weiteres Absenken der Prüfnadel um einen Betrag entsprechend einem Sollwert zur Erfassung eines Bruchs des Sensorchips.

3. Halbleiterbeschleunigungssensor nach Anspruch 1, wobei der Sensor auf der vorderen Oberfläche des Sensorchips (1) ausgebildete Bondelektroden (4a), und auf der vorderen Oberfläche des Sensorchips (1) sich über den Membranbereich (1a) und entlang dem Außenbereich des freien Endes des Sensorchips (1) erstreckende ausgebildete Aluminiumverdrahtungsmuster (4b) aufweist, wobei die Aluminiumverdrahtungsmuster (4b) die Bondelektroden (4a) und die Aluminiumelektrode (2) elektrisch miteinander verbinden.

4. Halbleiterbeschleunigungssensor nach Anspruch 3, wobei zumindest ein Teil der Aluminiumverdrahtungsmuster (4b) in der Nähe des Membranbereichs (1a) als Diffusionsleiter (4c) ausgebildet ist.

5. Halbleiterbeschleunigungssensor nach einem der Ansprüche 3 oder 4, wobei die Aluminiumelektrode (2) auf einem konstanten Potential gehalten wird.