DE19626083A1 - Auf der Bestückungsoberfläche einer Leiterplatte montierbares Sensor-Bauelement - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein auf der Bestückungsober­ fläche einer Leiterplatte montierbares Sensor-Bauelement mit einem eine annähernd ebene Chipträgerfläche aufweisenden Chipträger, der insbesondere aus elektrisch isolierendem Ma­ terial besteht, auf welcher Chipträgerfläche ein erster Halb­ leiterchip mit einem ersten Sensor befestigt ist, und mit den Chipträger durchsetzenden und elektrisch mit dem ersten Halb­ leiterchip verbundenen Elektrodenanschlüssen mit einer ober­ flächenmontierbaren Anordnung.

Die Verwendung von oberflächenmontierbaren Halbleiter-Bauele­ mentgehäusen in SMD-Anordnung (SMD = Surface Mounted Design) ermöglicht eine kostengünstige platzsparende Kontaktierung auf einer Anwenderplatine. Dies gilt auch für Sensor-Bauelemente, die zur Druckmessung verwendet werden. Bei die­ ser Montageform werden die Bauelementanschlüsse nicht mehr in Löcher der Leiterplatte wie bei der Einsteckmontage hineinge­ steckt, sondern auf Anschlußflecken auf der Leiterplatte auf­ gesetzt und dort verlötet. Bauelemente für die Oberflächen­ montage können kleiner sein als für die Einsteckmontage, da nicht mehr Loch- und Lötaugendurchmesser der Leiterplatte das Rastermaß der Anschlüsse bestimmen. Weiterhin entfallen auf der Leiterplatte die nur zur Bestückung notwendigen Löcher, wobei die lediglich noch zur Durchkontaktierung benötigten Löcher so klein wie technologisch möglich ausgeführt werden können. Da dazu noch eine doppelseitige Bestückung der Lei­ terplatte möglich ist, kann durch die Oberflächenmontage eine beträchtliche Platzeinsparung und erhebliche Kostensenkung erzielt werden. Eine besonders geringe Bauhöhe des elektroni­ sches Bauelementes ergibt sich hierbei, wenn die den Chipträ­ ger durchsetzenden und elektrisch mit dem Halbleiterchip ver­ bundenen Elektrodenanschlüsse in der Form von nach wenigstens zwei Seiten des Chipträgers herausgeführten Anschlußbeinchen ausgebildet sind, die zu kurzen schwingenförmigen Anschluß­ stummeln gebogen und geschnitten sind.

Im Falle eines Halbleiter-Drucksensor-Bauelementes wird in aller Regel eine Schaltung zur Temperaturkompensation oder für andere Zusatzfunktionen des Sensors benötigt, welche Schaltung auf einem separat vorgesehenen Siliziumchip herge­ stellt ist. Damit ist ein zusätzliches Bauteil und zusätzli­ cher Platzbedarf sowie zusätzliche Leiterbahnen auf der Lei­ terplatte bzw. Platine erforderlich, was der an sich platz­ sparenden Kontaktiermöglichkeit bei Verwendung von SMD-Gehäusen entgegensteht.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein auf der Bestückungsoberfläche einer Leiterplatte montierbares Sensor-Bauelement zur Verfügung zu stellen, bei dem die für die Temperaturkompensation und andere Zusatzfunktionen benö­ tigte Halbleiterschaltung in möglichst platzsparender Weise ausgebildet werden kann.

Diese Aufgabe wird durch ein Sensor-Bauelement nach Anspruch 1 gelöst.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß unmittelbar auf der Hauptoberfläche des ersten Halbleiterchips ein zweiter Halb­ leiterchip mit einem integriert ausgebildeten zweiten Sensor und/oder einer dem ersten Sensor zugeordneten elektronischen Schaltung befestigt ist, wobei der zweite Halbleiterchip elektrisch mit dem ersten Halbleiterchip und/oder den Elek­ trodenanschlüssen verbunden ist.

Um zu vermeiden, daß ein zweites Bauteil unter Inanspruchnah­ me eines entsprechenden Platzbedarfes auf die Leiterplatte aufgebracht werden muß, welches zweite Bauteil die dem Sen­ sor-Bauelement zugeordnete Schaltung besitzt, werden die bei­ den separat gefertigten Halbleiterchips mit jeweils den ent­ sprechenden Funktionen vorzugsweise vermittels einer soge­ nannten Chip-on-Chip-Technik innerhalb ein und desselben Sen­ sor-Bauelement-Gehäuses gebondet. Dadurch wird ohne Änderung der Abmessungen des Bauelement-Gehäuses eine weitere Funktion in den oberflächenmontierbaren Sensor integriert. Dementspre­ chend ist der Platzbedarf auf der Leiterplatte unverändert, so daß der Kunde lediglich ein Bauteil auf seiner Leiterplat­ te verlöten muß.

Dem Prinzip der Erfindung folgend ist vorgesehen, daß der er­ ste Sensor einen Drucksensor, und der zweite Sensor einen dem Drucksensor zugeordneten Temperatursensor darstellt. Auf die­ se Weise wird den geforderten Meßparametern für den ersten Sensor hinsichtlich beispielsweise Druck, Weg, Beschleunigung und dergleichen und darüber hinaus den zusätzlichen Funktio­ nen im Hinblick auf Temperaturmessung, Schaltungstechnik, und dergleichen des zweiten Halbleiterchips Rechnung getragen. Da die beiden Halbleiterchips unmittelbar und somit in gering­ stem Abstand zueinander befestigt sind, ergibt sich einherge­ hend mit den allenfalls kurzen Leitungswegen eine höhere Meß­ genauigkeit insbesondere bei der Kombination eines Tempera­ tursensorchips auf einem Drucksensorchip. Ein sogenanntes Leadframe oder dergleichen metallischer Systemträger für die Verbindung zwischen den beiden Halbleiterchips ist nicht er­ forderlich.

Bei einer bevorzugten Ausführung der Erfindung kann vorgese­ hen sein, daß die den Chipträger durchsetzenden und elek­ trisch mit dem ersten und/oder zweiten Halbleiterchip verbun­ denen Elektrodenanschlüssen in der Form von nach wenigstens zwei Seiten des Chipträgers herausgeführten Anschlußbeinchen ausgebildet sind, die zu kurzen schwingenförmigen Anschluß­ stummeln gebogen und geschnitten sind.

Weiterhin kann von Vorteil vorgesehen sein, daß der aus elek­ trisch isolierendem Material und insbesondere einstückig her­ gestellte Chipträger ein gegenüber der Bestückungsoberfläche der Leiterplatte abgehobenes Unterteil und zu beiden Seiten des Unterteiles angeordnete Seitenteile aufweist. Hierbei können die Biegungen der Anschlußbeinchen von Vorteil inner­ halb der Seitenteile des Chipträgers aufgenommen sein. Wei­ terhin kann vorgesehen sein, daß die aus den Seitenteilen des Chipträgers ragenden Enden der Anschlußbeinchen gegenüber der Bestückungsoberfläche der Leiterplatte eine geringfügige Nei­ gung besitzen.

Weitere Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Weitere Merkmale, Vorteile und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung. Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Schnittansicht eines elektronischen Bauelementes gemäß einem Ausführungsbeispiel der Er­ findung; und

Fig. 2 eine schematische Gesamtansicht des Chipträgers eines elektronischen Bauelementes nach dem Ausführungsbei­ spiel.

Die Figuren zeigen ein Ausführungsbeispiel eines erfindungs­ gemäßen Sensor-Bauelementes 1 für eine Oberflächenmontage auf der Bestückungsoberfläche 2 einer Leiterplatte 3. Das Sensor-Bau­ element 1 besitzt einen eine annähernd ebene Chipträger­ fläche 4 aufweisenden Chipträger 5 aus elektrisch isolieren­ dem Kunststoffmaterial, auf welcher Chipträgerfläche 4 ein erster Halbleiterchip 6a mit einem integriert ausgebildeten Drucksensor und diesem zugeordnete elektronischen Schaltung befestigt, und auf dem ersten Halbleiterchip 6a ein zweiter Halbleiterchip 6b mit einem Temperatursensor und dazugehören­ den Schaltung gebondet ist, wobei der Drucksensor, der Tempe­ ratursensor und die entsprechenden Schaltungen in den Figuren nicht näher dargestellt sind, und den Chipträger 5 durchset­ zenden und elektrisch mit dem ersten bzw. zweiten Halbleiter­ chip 6a, 6b verbundenen Elektrodenanschlüssen 7, deren Enden 8 auf (nicht näher dargestellten) Anschlußflecken auf der Be­ stückungsoberfläche 2 der Leiterplatte 3 aufgesetzt und dort verlötet werden. Der insbesondere einstückig, vermittels ei­ nes an sich bekannten Kunststoffgießverfahrens hergestellte Chipträger 5 umfaßt ein gegenüber der Bestückungsoberfläche 2 abgehobenes Unterteil 9, auf dem der erste Halbleiterchip 6a abgestützt ist, sowie zu den Seiten des Unterteiles 9 ange­ ordnete Seitenteile 10, 10a und 11, 11a, welche die seitlich abschließenden Gehäusewandungen des Drucksensorgehäuses bil­ den. Der Chipträger 5 ist nach der in Fig. 1 im wesentlichen maßstabsgerecht dargestellten Weise derart ausgebildet, daß die der Bestückungsoberfläche 2 der Leiterplatte 3 zugewand­ ten äußeren Begrenzungsflächen 12, 13 des Chipträgers 5 einen von den unteren Randbereichen 14, 15 zum Mittenbereich 16 des Chipträgers 5 stetig zunehmenden Abstand zur Bestückungsober­ fläche 2 der Leiterplatte 3 aufweisen. Insbesondere besitzen die äußeren Begrenzungsflächen 12, 13 des Chipträgers 5 im Querschnitt gesehen einen im wesentlichen umgekehrten V-förmigen Verlauf, bzw. dachförmig gestalteten Verlauf, der­ art, daß die Spitze des umgekehrten V mittig angeordnet ist, wobei der größte Abstand an dieser Stelle zur Leiterplatte eine Wert von etwa 0,1 mm bis etwa 0,5 mm besitzt. Weiterhin ist vorgesehen, daß die den Chipträger 5 durchsetzenden und elektrisch mit dem Halbleiterchip 6a bzw. 6b verbundenen Elektrodenanschlüsse 7 in der Form von nach wenigstens zwei Seiten des Chipträgers 5 herausgeführten Anschlußbeinchen ausgebildet sind, die zu kurzen schwingenförmigen Anschluß­ stummeln 17 gebogen und geschnitten sind. Eine solche Anord­ nung gewährleistet eine geringste Bauhöhe des Sensorbauele­ mentes. Weiterhin sind die Biegungen 18 der Anschlußbeinchen vollständig innerhalb der Seitenteile 10, 11 des Chipträgers 5 aufgenommen, was den Vorteil besitzt, daß das Gehäuse in seinen Abmessungen nochmals verkleinert, die Größe des Lead­ frame verkleinert ist, und im übrigen die Kriechwege für kor­ rosive Medien erheblich verlängert und somit eine Durchset­ zung mit Chemikalien reduziert wird. Darüber hinaus ermög­ licht eine solche Anordnung eine mechanische Verankerung des Leadframe bzw. der Elektrodenanschlüsse 7 innerhalb des Ge­ häuses des Bauteiles und damit eine zusätzliche Erhöhung der mechanischen Stabilität insgesamt. Weiterhin besitzen die aus den Seitenteilen 10, 11 des Chipträgers 5 ragenden Enden 8 der Anschlußbeinchen gegenüber der Bestückungsoberfläche 2 der Leiterplatte 3 eine geringfügige Neigung dergestalt, daß die der Bestückungsoberfläche 2 zugewandte äußerste Kante 19 des Endes 8 der Anschlußbeinchen einen Abstand von etwa 0,1 mm zu der strichliert dargestellten Hilfsebene 20 besitzt. Durch diese Anordnung wird gewährleistet, daß ein Kontakt des Bauelementes mit der Bestückungsoberfläche 2 der Leiterplatte 3 nur durch die äußersten Enden 8 der Anschlußbeinchen gege­ ben ist, was zusammen mit der dargestellten, günstigen Gehäu­ seanordnung, bei dem der Unterteil von der Leiterplatte abge­ hoben ausgebildet ist und das Gehäuse wie dargestellt in Dachform ausgebildet ist, den möglichen Durchbiegungen der Leiterplatte 3 Rechnung getragen wird, und darüber hinaus Probleme bei der Bestückung des Bauelementes auf der Leiter­ platte 3, sowie beim späteren Einsatz der Leiterplatte 3 ver­ mieden werden. In vorteilhafter Weise kann hierbei ein bis­ lang bei der Bestückung erforderliches Einstellen vermittels sogenannter Trim- und Formwerkzeugen entfallen, und gleich­ zeitig den vorgegebenen Anforderungen an den einzuhaltenden Bodenabstand Rechnung getragen werden. Die Bestückung ist günstiger durchzuführen, da eine gute Adhäsion des Bestück­ klebers gewährleistet ist, und darüber hinaus werden mögliche Toleranzen der Leiterplatte 3 im Hinblick auf Durchbiegungen ausgeglichen, und es wird Verspannungen thermischer und/oder mechanischer Art entgegengewirkt, da ein Kontakt mit der Lei­ terplatte 3 nur durch die Anschlußbeinchen gegeben ist.

Für die elektrische Verbindung des auf dem ersten Halbleiter­ chip 6a integriert ausgebildeten Drucksensors bzw. der diesem zugeordneten elektronischen Schaltung mit den Elektrodenan­ schlüssen 7 und/oder dem zweiten Halbleiterchip 6b kann wie dargestellt ein Drahtkontaktierverfahren zum Einsatz gelan­ gen, bei dem Bonddrähte 21 auf metallischen Chipanschlußstellen 21a auf dem Chip befestigt und an das entsprechend zu verbindende Elektrodenbeinchen gezogen wer­ den. Darüber hinaus kann für diese elektrische Verbindung auch eine sogenannte Spider-Kontaktierung Verwendung finden, bei der anstelle von Bonddrähten eine elektrisch leitende Sy­ stemträgerplatte bzw. ein sogenanntes Leadframe zum Einsatz gelangt.

Der auf dem ersten Halbleiterchip 6a aus Silizium integrierte Drucksensor stellt einen sogenannten piezoresistiven Sensor dar, bei dem eine in der Oberfläche des Chips 6a nach Metho­ den der Mikromechanik gefertigte dünne Silizium-Membran vor­ gesehen ist, die elektrisch mit druckabhängigen Widerständen gekoppelt ist, welche gleichfalls im Silizium-Substrat ausge­ bildet sind und in an sich bekannter Weise in einer Brücken­ schaltung geschaltet sind. Gegenüber sonstigen Bauformen eig­ nen sich solche, der Erfindung zugrunde liegenden Halbleiter-Druck­ sensoren vornehmlich für solche Anwendungen, bei denen es auf eine geringste Baugröße ankommt, also beispielsweise bei Druckmessungen im Kraftfahrzeugbereich, beispielsweise bei der Messung von Bremsdrücken, Reifendrücken, Brennraum­ drücken und dergleichen. Neben Halbleiter-Drucksensoren, die nach dem Prinzip der piezoresistiven Druckmessung arbeiten, sind darüber hinaus auch solche verwendbar, die mit kapaziti­ ven Meßprinzipien arbeiten.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Chipträger 5 an seiner der Bestückungsoberfläche 2 der Lei­ terplatte 3 abgewandten Seite 22 einseitig offen ausgebildet, und besitzt an den die Öffnung 23 begrenzenden oberen Randbe­ reichen 24, 25 ein Stützmittel 26 für eine formschlüssig me­ chanische, spielfreie Verbindung mit einem Haltemittel eines auf den Chipträger 5 aufsetzbaren (nicht näher dargestellten) Anschlußstückes derart, daß beim Aufsetzen des Anschlußstüc­ kes auf den Chipträger 5 das Haltemittel und das Stützmittel 26 wechselweise in Eingriff gelangen. Zu diesem Zweck besitzt das Stützmittel 26 des Chipträgers 5 an seinem Außenumfang eine umlaufende und das Haltemittel des Anschlußstückes ab­ stützende Widerlagerfläche 29. Diese kann wie dargestellt in der Form einer am Randbereich des Chipträgers 5 umlaufend ausgebildeten Nut 30 ausgebildet sein, in welche eine am Au­ ßenumfang des Anschlußstückes geformte Feder wenigstens teil­ weise eingreift.

Der Chipträger 5 ist mit einem sowohl den ersten Halbleiter­ chip 6a als auch den zweiten Halbleiterchip 6b vollständig überdeckenden, fließfähigen Füllmittel 32 befüllt, welches insbesondere ein Gel darstellt, welches Drücke nahezu verzö­ gerungsfrei sowie fehlerfrei auf den Halbleiterdrucksensor überträgt. Das Gel dient zum einen dazu, den empfindlichen Drucksensorchip 6a und die weiteren, insbesondere metalli­ schen Bestandteile des elektronischen Bauelementes, insbeson­ dere die Bonddrähte 21, die Anschlußbeinchen 7 bzw. das Lead­ frame vor Berührungen mit dem zu messenden Medium 33 zu schützen, und auf diese Weise eine Kontamination des Bautei­ les durch Ionen oder andere schädliche Bestandteile des Medi­ ums 33, oder die Gefahr einer Korrosion aufgrund des Mediums 33 zu verhindern. Darüber hinaus dient das Gel 32 als Füllma­ terial, um das Totvolumen zwischen dem Sensor-Bauelement und dem aufgesetzten Anschlußstück möglichst gering zu halten, um Verfälschungen bzw. zeitliche Verzögerungen bei der Messung des Druckes zu vermeiden. Zur weiteren Trennung des zu mes­ senden Mediums von dem Halbleiterchip 6a bzw. den korrosions­ gefährdeten Bestandteilen des elektronischen Bauelementes ist des weiteren vorgesehen, daß die dem Chipträger 5 zugewandte Seite des Anschlußstückes mit einer elastischen Membran ver­ schlossen ist. Die Membran ist in der Lage, den Druckimpuls des an den Sensor herangeführten Mediums ohne wesentliche Verfälschung bzw. zeitliche Verzögerung weiterzugeben, ver­ hindert jedoch die Gefahr der Kontamination eines gefährdeten Bestandteiles durch Ionen oder andere schädliche Teile des Mediums.

Die Seitenwandungen 24, 25 des einseitig offenen Chipträgers 5 können des weiteren mit einer auf der Innenseite durchge­ hend angeordneten Flußstopkante 36 ausgestattet sein. In die­ sem Fall ist die Innenseite des Chipträgers 5 lediglich bis zur Höhe der Flußstopkante 36 mit dem Gel 32 aufgefüllt. Die­ se Flußstopkante 36 ermöglicht einen definierten Stop der Ka­ pillarkräfte des adhäsiven Gels 32 und verhindert somit auf­ grund von Kapillarkräften ein unerwünschtes Hochsteigen des Gels 32 über die Gehäuseränder hinaus.

Claims (9)

1. Auf der Bestückungsoberfläche (2) einer Leiterplatte (3) montierbares Sensor-Bauelement (1) mit einem eine annähernd ebene Chipträgerfläche (4) aufweisenden Chipträger (5) auf welche Chipträgerfläche (4) ein erster Halbleiterchip (6a) mit einem ersten Sensor befestigt ist, und mit den Chipträger (5) durchsetzenden und elektrisch mit dem ersten Halbleiter­ chip (6a) verbundenen Elektrodenanschlüssen (7) mit einer oberflächenmontierbaren Anordnung, dadurch gekennzeichnet, daß unmittelbar auf der Hauptoberfläche des ersten Halbleiter­ chips (6a) ein zweiter Halbleiterchip (6b) mit einem inte­ griert ausgebildeten zweiten Sensor und/oder einer dem ersten Sensor zugeordneten elektronischen Schaltung befestigt ist, wobei der zweite Halbleiterchip (6b) elektrisch mit dem er­ sten Halbleiterchip (6a) und/oder den Elektrodenanschlüssen (7) verbunden ist.

2. Sensor-Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Sensor einen Drucksensor, und der zweite Sensor einen dem Drucksensor zugeordneten Temperatursensor dar­ stellt.

3. Sensor-Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die den Chipträger (5) durchsetzenden und elek­ trisch mit dem ersten und/oder zweiten Halbleiterchip verbun­ denen Elektrodenanschlüssen (7) in der Form von nach wenig­ stens einer Seite des Chipträgers (5) herausgeführten An­ schlußbeinchen ausgebildet sind, die zu kurzen schwingenför­ migen Anschlußstummeln (17) gebogen und geschnitten sind.

4. Sensor-Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß der aus elektrisch isolierendem Ma­ terial und insbesondere einstückig hergestellte Chipträger (5) ein gegenüber der Bestückungsoberfläche (2) der Leiter­ platte (3) abgehobenes Unterteil (9) und zu beiden Seiten des Unterteiles (9) angeordnete Seitenteile (10, 10a, 11, 11a) aufweist.

5. Sensor-Bauelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Biegungen der Anschlußbeinchen innerhalb der Seiten­ teile (10, 10a, 11, 11a) des Chipträgers (5) aufgenommen sind.

6. Sensor-Bauelement nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die aus den Seitenteilen (10, 10a, 11, 11a) des Chipträgers (5) ragenden Enden (8) der Anschlußbeinchen ge­ genüber der Bestückungsoberfläche (2) der Leiterplatte (3) eine geringfügige Neigung besitzen.

7. Sensor-Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß die der Bestückungsoberfläche (2) der Leiterplatte (3) zugewandten äußeren Begrenzungsflächen (12, 13) des Chipträgers (5) im Querschnitt des Chipträgers (5) einen im wesentlichen umgekehrten V-förmigen Verlauf be­ sitzen.

8. Sensor-Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da­ durch gekennzeichnet, daß der größte Abstand der der Bestüc­ kungsoberfläche (2) zugewandten äußeren Begrenzungsflächen (12, 13) des Chipträgers (5) zur Leiterplatte (3) einen Wert von etwa 0,1 bis etwa 0,5 mm besitzt.

9. Sensor-Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, da­ durch gekennzeichnet, daß der Chipträger (5) aus einem Thermoplastkunststoffmaterial hergestellt ist.