DE19929026A1 - Verfahren zur Herstellung eines Drucksensors - Google Patents

Verfahren zur Herstellung eines Drucksensors

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Abstract

Bei einem Verfahren zur Herstellung eines Drucksensors, bei dem ein Halbleiter-Druckaufnehmer (2) auf einen Montageabschnitt (12) eines Leitungsgitters (10) aufgebracht wird, der Halbleiter-Druckaufnehmer (2) mit Kontaktabschnitten (11) des Leitungsgitters (10) elektrisch verbunden wird, das Leitungsgitter mit dem Halbleiter-Druckaufnehmer (2) in ein Spritzwerkzeug (40) eingesetzt wird, und anschließend der Halbleiter-Druckaufnehmer (2) in dem Spritzwerkzeug (40) mit einem Gehäuse (30) aus Spritzmasse umgeben wird, wobei in dem Spritzwerkzeug (40) Mittel vorhanden sind, durch welche eine Druckzuführung (28) für den Halbleiter-Druckaufnehmer (2) von der Umhüllung mit Spritzmasse ausgespart wird, wird vorgeschlagen, einen Stempel (43) im Spritzwerkzeug durch einen Spalt (45) zu der von dem Halbleiter-Druckaufnehmer (2) abgewandten Seite (15) des Montageabschnittes (12) oder zu der von dem Montageabschnitt (12) abgewandten Seite (20) des Halbleiter-Druckaufnehmers (2) beabstandet anzuordnen und durch eine Änderung der Temperatur des Stempels (43) relativ zur Temperatur der verflüssigten Spritzmasse eine Verminderung der Fließfähigkeit der Spritzmasse im Bereich des Stempels (43) herbeizuführen und dadurch zumindest ein vollständiges Eindringen der Spritzmasse in den Spalt (45) zu vermeiden.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Drucksensors mit den im Oberbegriff des unabhängigen An­ spruchs 1 angegebenen Merkmalen.
Ein solches Verfahren zur Herstellung eines Drucksensors ist beispielsweise aus der Druckschrift "Advanced Microsystems for Automotiv Applications' 99, D.E. Ricken, W. Gessner, Sei­ te 126" bekannt geworden. Bei dem bekannten Verfahren wird ein Halbleiter-Druckaufnehmer, welcher einen auf einen Sockel aufgebrachten Halbleiterchip mit Druckmembran umfaßt, auf ein Leitungsgitter, ein sogenanntes Leadframe, aufgebracht. Ein ebener Abschnitt des Leitungsgitters, ein sogenannter Diepad, dient dabei als Montageabschnitt des Halbleiter-Druckauf­ nehmers. Anschließend wird der Halbleiterchip über Bonddrähte mit Kontaktabschnitten des Leitungsgitters verbunden. In ei­ nem als "Transfer molding" bekannten Spritzpreßverfahren, das auch als Transferformen bekannt ist, wird anschließend der Halbleiter-Druckaufnehmer in ein Gehäuse aus Spritzmasse (Mold compound) eingebettet. Die Druckzuführung des Sensors kann dabei von der Oberseite des Halbleiter-Druckaufnehmers oder durch einen in dem Sockel und dem Montageabschnitt vor­ gesehenen und mit der Unterseite des Halbleiterchips verbun­ denen Druckkanal erfolgen. Bei der Durchführung des Verfah­ rens muß beim Umspritzen des Halbleiter-Druckaufnehmers dar­ auf geachtet werden, daß eine Druckzuführung in dem Gehäuse von Spritzmasse freigehalten wird. Dies geschieht bei den be­ kannten Verfahren durch ein Werkzeugteil, das im Spritzwerk­ zeug entweder gegen die Oberseite des Halbleiter-Druckauf­ nehmers oder gegen den Montageabschnitt angedrückt wird, je nachdem ob die Druckzuführung von der dem Leitungsgitter ab­ gewandten oder der dem Leitungsgitter zugewandten Seite des Halbleiter-Druckaufnehmers erfolgen soll. Nach dem Umspritzen wird das Werkzeugteil entfernt, wodurch in der Spritzmasse eine Aussparung verbleibt, welche als Druckzuführung dient.
Nachteilig bei dem bekannten Verfahren ist, daß der Stempel gegen den Halbleiter-Druckaufnehmer oder den Montageabschnitt des Leitungsgitters angedrückt werden muß. Beim Andrücken des Stempels an den Halbleiter-Druckaufnehmer kann die Membran des Halbleiterchips beschädigt werden. Beim Andrücken des Stempels gegen den mit einem Druckkanal versehenen Montageab­ schnitt des Leitungsgitters kann sich der Montageabschnitt relativ zu den im Spritzwerkzeug festgelegten Kontaktab­ schnitten bewegen, so daß zwischen dem Montageabschnitt und dem Stempel ein Spalt entsteht, in den Spritzmasse eindringen kann.
Vorteile der Erfindung
Durch das erfindungsgemäße Verfahren mit dem kennzeichnenden Merkmal des Anspruchs 1, werden die bekannten Nachteile ver­ mieden. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren gelangt der Stempel nicht an dem Halbleiter-Druckaufnehmer oder dem Mon­ tageabschnitt zur Anlage, sondern wird im Spritzwerkzeug durch einen Spalt von dem Halbleiter-Druckaufnehmer oder dem Montageabschnitt beabstandet gehalten. Durch eine Änderung der Temperatur des Stempels relativ zur Temperatur der ver­ flüssigten Spritzmasse wird eine Verminderung der Fließei­ genschaften der Spritzmasse im Bereich des Stempels herbei­ geführt und dadurch zumindest ein vollständiges Eindringen der Spritzmasse in den Spalt zwischen dem Stempel und dem Halbleiter-Druckaufnehmer bzw. in den Spalt zwischen Stempel und Montageabschnitt vermieden. Hierbei wird die Tempera­ turabhängigkeit der Fließeigenschaften der Spritzmasse aus­ genutzt. Beim Umspritzen des Halbleiter-Druckaufnehmers wer­ den Spritzmassen verwandt, deren Fließfähigkeit stark von der Temperatur abhängig ist. Durch eine Temperaturänderung des Stempels kann die Fließfähigkeit der Spritzmasse im Be­ reich des Stempels vermindert werden, so daß die Spritzmasse nicht oder nur geringfügig in den Spalt eindringt. Vorteil­ haft kann hierdurch eine Druckzuführung in dem Gehäuse von Spritzmasse freigehalten werden, ohne daß im Spritzwerkzeug die Membran des Halbleiter-Druckaufnehmers oder der Montage­ abschnitt vom Stempel berührt wird.
Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausführungsbeispiele der Erfindung werden durch die Merkmale der Unteransprüche be­ schrieben.
In einem ersten Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, durch eine Kühlung des Stempels die Viskosität der Spritzmasse im Bereich des Stempels derart zu erhöhen, daß die Spritzmasse nicht oder zumindest nicht vollständig in den Spalt ein­ dringt.
In einem zweiten Ausführungsbeispiel des Verfahrens wird durch eine Erwärmung des Stempels eine schnellere Vernetzung und Aushärtung der Spritzmasse im Bereich des Stempels her­ beigeführt, so daß die Spritzmasse nur geringfügig oder gar nicht in den Spalt eindringen kann.
Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dar­ gestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 eine Draufsicht auf ein Leitungsgitter vor der Verein­ zelung und vor dem Einlegen in das Spritzwerkzeug,
Fig. 2 einen Querschnitt durch einen Drucksensor im Spritz­ werkzeug,
Fig. 3 den fertigen Drucksensor aus Fig. 1,
Fig. 4 einen Querschnitt durch einen Drucksensor im Spritz­ werkzeug für ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungs­ gemäßen Verfahrens und
Fig. 5 den fertig hergestellten Drucksensor aus Fig. 3.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfah­ rens wird anhand der Fig. 1 bis 3 erläutert. Fig. 1 zeigt ein Leitungsgitter 10, ein sogenanntes Leadframe. Das strei­ fenförmige Leitungsgitter 10 kann beispielsweise durch Stan­ zen und Biegen aus einem Blechstreifen oder in anderer Form hergestellt werden und weist in Längsrichtung des Streifens mehrere gleichartig aufgebaute Abschnitte auf, die längs der Linien L-L vereinzelt werden können. Auf diese Weise ist eine Fertigung im Nutzen möglich. Die Herstellung der Drucksenso­ ren erfolgt vorzugsweise in einer automatisierten Linienfer­ tigung. Jeder Bereich des Leitungsgitters zwischen den Trenn­ linien L-L weist jeweils einen ebenen Montageabschnitt 12 zur Aufbringung eines Halbleiter-Druckaufnehmers 2 auf. Wie in Fig. 2 und Fig. 3 zu erkennen ist, umfaßt der Halbleiter- Druckaufnehmer 2 einen Halbleiterchip 3, beispielsweise einen Siliciumchip, in dessen Unterseite 21 eine Vertiefung 6 ein­ gebracht ist. Ein Abschnitt des Halbleiterchips 3 mit vermin­ derter Materialstärke oberhalb der Vertiefung 6 bildet eine verformbare Membran 5. Der Halbleiterchip 3 ist mit der Un­ terseite 21 auf einen Sockel 4 aufgebracht, beispielsweise einen Glassockel oder Kunststoffsockel. Die Vertiefung 6 wird von dem Sockel 4 hermetisch dicht verschlossen und bildet ei­ nen Referenzraum für die Druckmessung. Auf der Oberseite 20 des Halbleiterchips 3 sind in bekannter Weise nicht darge­ stellte Auswertemittel angeordnet, mit denen eine Verformung der Membran 5 nachweisbar ist. Bei den Auswertemitteln kann es sich beispielsweise um piezoresistive Elemente im Bereich der Membran handeln, mit denen mechanische Spannungen in der Membran 5 nachweisbar sind. Nach der Aufbringung des Halblei­ ter-Druckaufnehmers 2 auf den Abschnitt 12 des Leitungsgit­ ters 10 wird der Halbleiterchip 3 über Bonddrähte 16 mit Kon­ taktabschnitten 11 des Leitungsgitters 10 elektrisch verbun­ den, wie in Fig. 1 dargestellt. Anschließend können die Kon­ taktabschnitte durch Abschneiden oder Freistanzen der seitli­ chen Querstege des Leitungsgitters und der Verbindungsstege der Kontaktabschnitte 11 vereinzelt werden. Der Montageab­ schnitt 12 kann nun, bedingt durch die elastische Spannkraft der Bonddrähte 16, relativ zu den Kontaktabschnitten 11 be­ wegt werden.
Wie in Fig. 2 dargestellt ist, wird ein mit einem Halbleiter- Druckaufnehmer 3 versehenes Leitungsgitter 10 in ein Spritz­ werkzeug 40 eingesetzt. Das Spritzwerkzeug 40 kann beispiels­ weise zweiteilig mit einem Oberteil 41 und einem Unterteil 42 ausgebildet sein, wobei die Kontaktabschnitte 11 zwischen Oberteil 41 und Unterteil eingeklemmt werden. Das Spritzwerk­ zeug 40 weist einen Stempel 43 auf. Wie in Fig. 2 gezeigt, wird der Stempel im Spritzwerkzeug über der Membran 5 des Halbleiterchips 3 angeordnet, so daß die der Oberseite 20 zu­ gewandte Stempelfläche durch einen Spalt 45 von der Oberseite 20 des Halbleiterchips 3 beabstandet ist. Die Spaltbreite des Spaltes 45 kann beispielsweise 0,5 mm oder weniger betragen. Anschließend wird der Halbleiter-Druckaufnehmer 2 in ein Ge­ häuse 30 aus Spritzmasse in einem als Transferformen oder "Transfer-Molding" bekannten Spritzpreßverfahren eingebettet. Bei diesem Verfahren wird die Spritzmasse, beispielsweise ein Duroplast, Epoxyd oder Thermoplast, zunächst verflüssigt und anschließend in die Kammer mit dem Halbleiter-Druckaufnehmer gespritzt bzw. gepreßt.
In einem ersten Beispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens wird durch Kühlen des Stempels die Temperatur des Stempels stark unter die Temperatur der verflüssigten Spritzmasse ab­ gesenkt. Der Stempel ist zu diesem Zweck mit einer Kühlvor­ richtung verbunden. Hierdurch wird die Viskosität der Spritz­ masse in der Umgebung des Stempels erhöht und deren Fließfä­ higkeit vermindert. Die in der unmittelbaren Nachbarschaft zu dem Stempel 43 befindliche Spritzmasse kann aufgrund ihrer verminderten Fließfähigkeit nicht oder nur geringfügig in den Spalt 45 eindringen. Allenfalls dringt die Spritzmasse in ei­ nem ringförmigen Randbereich 29 in den Spalt 45 ein, gelangt aber nicht auf die Membran 5. Nach der vollständigen Vernet­ zung der Spritzmasse werden die Werkzeugteile von dem Druck­ sensor entfernt. Der fertige Drucksensor 1 weist nun, wie in Fig. 3 gezeigt, eine Aussparung 28 in dem Gehäuse 30 auf, welche eine Druckzuführung für die Membran 5 des Halbleiter­ chips 3 bildet. Die Kontaktabschnitte 11 können zuletzt noch in die Form von Anschlußbeinchen gebogen werden.
In einem zweiten Beispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Stempel 43 stark über die Temperatur der flüssigen Spritzmasse erwärmt. Der Stempel ist zu diesem Zweck mit ei­ ner Heizvorrichtung verbunden. Als Spritzmasse wird ein Du­ roplast verwandt, welches zunächst durch Druck- und Tempera­ turerhöhung verflüssigt wird und im Spritzwerkzeug um den Halbleiter-Druckaufnehmer gespritzt wird. Anschließend ver­ netzt das flüssige Duroplast und härtet aus und bildet das Gehäuse 30. Die Vernetzung ist dabei temperaturabhängig. Je höher die Temperatur ist, desto schneller vernetzt die Spritzmasse. Durch die Erwärmung des Stempels über die Tempe­ ratur des verflüssigten Duroplastes wird erreicht, daß das unmittelbar am Rand des Spaltes 45 befindliche Duroplast schneller als in den anderen Bereichen des Spritzwerkzeuges vernetzt und hart wird. Hierdurch bildet sich sehr schnell ein Ring 29 aus ausgehärtetem Duroplast, der als Barriere wirkt und ein weiteres Eindringen von noch flüssigen Du­ roplast in den Spalt 45 verhindert.
In Fig. 4 und 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Er­ findung dargestellt, bei dem in den Sockel 4 des Halbleiter- Druckaufnehmers 2 eine mit der Vertiefung 6 verbundene Aus­ nehmung 25 eingebracht. Unterhalb des Sockels 4 ist eine wei­ tere Ausnehmung 27 in dem Montageabschnitt 12 vorgesehen, die mit der Ausnehmung 25 fluchtet. Durch die Ausnehmung 27 des Montageabschnitts 12, die Ausnehmung 25 des Sockels 4 und die Vertiefung 6 wird ein Druckkanal gebildet, durch den die Mem­ bran 5 des Halbleiterchips 3 mit einem Druck beaufschlagbar ist. Die Oberseite 20 des Halbleiterchips 3 ist in diesem Beispiel mit einer Kappe oder einem Deckel 26 abgedeckt, wo­ bei zwischen der Innenseite des Deckels 26 und der Oberseite 20 des Halbleiterchips 3 ein Hohlraum gebildet wird, welcher als Referenzraum zur Druckmessung dient. Da bei diesem Bei­ spiel die Druckzufuhr durch die Ausnehmung 27 des Montageab­ schnittes 12 erfolgt, ist hier der Stempel 43 durch einen Spalt 45 zu der von dem Halbleiter-Druckaufnehmer 2 abgewand­ ten Seite 15 des Montageabschnittes 12 angeordnet und über­ deckt die Ausnehmung 27. Im Übrigen wird wie oben beschrieben verfahren, wobei gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. Wie in Fig. 5 dargestellt, weist der fertig hergestellte Drucksensor 1 eine Aussparung 28 auf, durch wel­ che der aus der Aussparung 27, der Aussparung 25 und der Ver­ tiefung 6 gebildete Druckkanal von außen frei zugänglich ist.

Claims (4)

1. Verfahren zur Herstellung eines Drucksensors, bei dem
  • - ein Halbleiter-Druckaufnehmer (2) auf einen Montageab­ schnitt (12) eines Leitungsgitters (10) aufgebracht wird,
  • - der Halbleiter-Druckaufnehmer (2) mit Kontaktabschnitten (11) des Leitungsgitters (10) elektrisch verbunden wird,
  • - das Leitungsgitter mit dem Halbleiter-Druckaufnehmer (2) in ein Spritzwerkzeug (40) eingesetzt wird,
  • - und anschließend der Halbleiter-Druckaufnehmer (2) in dem Spritzwerkzeug (40) mit einem Gehäuse (30) aus Spritzmasse umgeben wird, wobei in dem Spritzwerkzeug (40) Mittel vor­ handen sind, durch welche eine Druckzuführung (28) für den Halbleiter-Druckaufnehmer (2) von der Umhüllung mit Spritz­ masse ausgespart wird,
dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel einen Stempel (43) umfassen, der im Spritzwerkzeug (40) durch einen Spalt (45) zu der von dem Halbleiter-Druckaufnehmer (2) abgewandten Seite (15) des Montageabschnittes (12) oder zu der von dem Montageabschnitt (12) abgewandten Seite (20) des Halbleiter- Druckaufnehmers (2) beabstandet angeordnet wird, wobei durch eine Änderung der Temperatur des Stempels (43) relativ zur Temperatur der verflüssigten Spritzmasse eine Verminderung der Fließfähigkeit der Spritzmasse im Bereich des Stempels (43) herbeigeführt und dadurch zumindest ein vollständiges Eindringen der Spritzmasse in den Spalt (45) vermieden wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch eine Kühlung des Stempels (43) die Viskosität der Spritzmasse derart erhöht wird, daß die Spritzmasse zumin­ dest nicht vollständig in den Spalt (45) eindringt.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch eine Erwärmung des Stempels (43) eine schnellere Ver­ netzung und Aushärtung der Spritzmasse im Bereich des Stem­ pels (43) herbeigeführt wird und die Spritzmasse zumindest nicht vollständig in den Spalt (45) eindringt.
4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Spritzmasse ein Duroplast ist.
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