DE202005011253U1

DE202005011253U1 - 3-D-Drucksensor

Info

Publication number: DE202005011253U1
Application number: DE202005011253U
Authority: DE
Original assignee: Microelectronic Packaging Dresden GmbH
Current assignee: First Sensor Microelectronic Packaging GmbH
Priority date: 2005-07-14
Filing date: 2005-07-14
Publication date: 2005-10-13
Anticipated expiration: 2015-07-15

Abstract

3-D-Drucksensor mit einem Drucksensorchip in einem Gehäuse und mit Einrichtungen zur Sensorsignalverarbeitung aus aktiven und passiven Bauelementen verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, das das Drucksensorchip (3) und die Einrichtung zur Signalvorverarbeitung (ASIC-Schaltkreis) (7) übereinander auf einer Seite eines Schaltungsträgers (1) montiert sind, derart, dass der ASIC-Schaltkreis (7) an einem Funktionselement (6) über dem Drucksensorchip (3) montiert ist, dessen Rückseite des Drucksensorchips (3) mit dem Druckanwendungsbereich verbunden ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen 3-D-Drucksensor mit einem Sensorchip in einem Gehäuse und mit Einrichtungen zur Sensorsignalverarbeitung aus aktiven und passiven Bauelementen verbunden ist.
Drucksensoren, an deren Sensorrückseite der zu messende Druck anliegt und die Sensorvorderseite druckseitig mit der Umwelt verbunden ist, werden als Relativ-Drucksensoren bezeichnet und Drucksensoren, bei denen der Gegendruck nur durch das Restgasvolumen innerhalb einer Kappe auf der Sensorvorderseite als Reference Sealed erzeugt wird. Absolutdruck-Sensoren haben ein Vakuum als Referenz. Üblicherweise erfolgt die Signalverarbeitung des Drucksensors in einer elektronischen Schaltung, wie einer ASIC-Baugruppe, die meistens lateral zum Drucksensor angeordnet ist. Beide Chips, also der Sensorchip und die ASIC-Baugruppe, sowie weitere ggf. erforderliche Bauelemente, wie Kondensatoren oder SMD-Bauelemente sind auf einem Schaltungsträger montiert. Über geeignete Anschlusspads werden die elektrischen Funktionen zum nächsten übergeordneten System weiter gegeben.
Damit der Druckanschluss möglichst unkompliziert hergestellt werden kann, ist an der Unterseite des Schaltungsträgers ein entsprechendes Druckanschlusselement angebracht. Das Druck anschlusselement ist dabei pneumatisch direkt mit der Sensorrückseite verbunden. Auf der Sensorvorderseite sind die Sensorchips durch ein Abdeckelement, z.B. eine Kappe, geschützt, die zusätzlich mit einem Druckanschluss ausgestattet sein kann, um eine Relativdruckmessung ausführen zu können.
Beispiele für solche Drucksensoren, allerdings ohne integrierte Signalverarbeitung, gehen aus der DE 101 41 259 A1 hervor, in der ein Drucksensor mit einem Halbleitersensorchip beschrieben wird, bei dem der Druck auf die Sensorrückseite aufgebracht wird, während ein zweiter Druck an der Sensorvorderseite anliegt. Das Gehäuse verfügt hierzu über entsprechende Druckanschlüsse.
Ein ähnlicher Drucksensor geht aus der DE 102 60 105 A1 hervor, wobei hier das Drucksensorelement einen Membranbereich aufweist, der von der Rückseite her mit dem zu messenden Druck beaufschlagt wird.
Einzelheiten über die Anordnung der für die Signalauswertung erforderlichen elektrischen Schaltungen gehen aus diesen Druckschriften allerdings nicht hervor.
Der Erfindung liegt nunmehr die Aufgabe zugrunde, einen 3-D-Drucksensor zu schaffen, der bei besonders kompakter Bauweise sämtliche zumindest für die Signalverarbeitung notwendigen Baugruppen mit umfasst.
Gelöst wird die Aufgabe bei einem 3-d-Sensorchip der eingangs genannten Art dadurch, dass das Drucksensorchip und die Einrichtung zur Signalverarbeitung (ASIC-Schaltkreis) übereinander auf einer Seite eines Schaltungsträgers montiert sind, derart, dass der ASIC-Schaltkreis an einem Funktionselement über dem Drucksensorchip angeordnet ist, dessen Rückseite mit dem zu messenden Drucksystem verbunden ist.
Damit wird ein besonders kompakter 3-D-Drucksensor geschaffen, der kostengünstig mit üblichen Montagetechnologien hergestellt werden kann.
In einer ersten Ausgestaltung er Erfindung ist die Rückseite des Drucksensorchips über eine Öffnung im Schaltungsträger mit dem zu messenden Drucksystem verbunden.
Weiterhin ist das Drucksensorchip unmittelbar über einer Öffnung im Schaltungsträger, diese dicht verschließend, montiert und wird durch ein Funktionselement innerhalb einer Kappe abgedeckt.
In einer weiteren Fortbildung der Erfindung ist die Öffnung im Schaltungsträger auf der dem Drucksensorchip gegenüber liegenden Seite mit einer Druckanschlusskappe versehen.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Funktionselement mit einer Öffnung für einen Druckanschluss zur Realisierung eines „Relativ-Drucksensors" versehen ist.
Die Kappe kann dabei eine Öffnung oder einen Druckanschluss aufweisen.
In einer Variante der Erfindung ist die Öffnung in der Trägerkappe zur Realisierung eines Sensormodules als „Reference sealed" verschlossen.
Die elektrische Verbindung des auf dem Funktionselement innerhalb der Kappe befindlichen ASIC mit Bondpads auf dem Schaltungsträger kann einfach durch Herstellen von Drahtbrücken mit einem üblichen Drahtbonder erfolgen.
Es ist schließlich von Vorteil, wenn der ASIC mit einer Schutzschicht abgedeckt ist.
Weiterhin sind die für die elektrische Funktion erforderliche SMD-Bauelemente vorzugsweise auf der Rückseite des Schaltungsträgers innerhalb und/oder außerhalb der Druckanschlusskappe angeordnet.
Eine weitere Fortbildung der Erfindung sieht vor, dass der Schaltungsträger mit Kontaktflächen zur elektrischen Verbindung mit anderen Baugruppen versehen ist. Diese Kontaktflächen können als Vias ausgebildet sein.
Schließlich ist in einer Variante vorgesehen, dass der Drucksensor auf einem Druckanschlusselement montiert ist, welches als gedrehtes oder gepresstes Element ausgeführt ist, mit einer Bohrung für den Druckanschluss versehen ist und durch den Schaltungsträger ragt, oder anderweitig mit diesem verbunden ist. Dieses Druckanschlusselement kann aus Metall, Keramik oder einem Polymer gefertigt werden. Die Druckanschlusskappe kann damit entfallen.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird ferner durch einen 3-D-Drucksensor der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass das Drucksensorchip und die Einrichtung zur Signalverarbeitung (ASIC-Schaltkreis) übereinander auf einer Seite eines Schaltungsträgers montiert sind, wobei die Vorderseite des Drucksensorchips mit dem zu messenden Drucksystem verbunden ist, dass das Drucksensorchip und der ASIC-Schaltkreis durch ein mit einem Druckanschlusselement versehene Kappe abgedeckt sind und dass das Drucksensorchip durch ein Funktionselement abgedeckt ist, auf der der ASIC-Schaltkreis montiert ist und wobei das Funktionselement mit einer Öffnung versehen ist.
Einer weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht schließlich vor, dass auf der Innen- oder Außenseite des Funktionsele mentes Leitbahnen angeordnet sind, die sich nach unten bis zu dessen Rand erstrecken und jeweils mit einem Pad zur elektrischen Verbindung mit jeweils einem Kontakt auf dem Schaltungsträger enden, wobei der auf dem Funktionsträger innen oder außen montierte ASIC-Schaltkreis über Drahtbrücken mit den Leitbahnen verbunden ist.
Die Leitbahnen können vorteilhaft in MID-Technologie ausgeführt werden.
Weiterhin kann das Funktionselement mittels Löten, Schweißen, Kleben auf dem Schaltungsträger befestigt sein.
Die Erfindung soll nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. Die zugehörigen Zeichnungsfiguren zeigen:
1: eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen 3-D-Drucksensors;
2: eine dreidimensionale Teilschnitt-Darstellung des 3-d-Drucksensors nach 1;
3: eine schematische Schnittdarstellung einer weiteren Ausführungsvariante des 3-D-Drucksensors; und
4: eine dreidimensionale Teilschnitt-Darstellung des 3-D-Drucksensors nach 3.
Der aus den Zeichnungsfiguren ersichtliche 3-D-Drucksensor kann entsprechend den Anforderungen des Einsatzortes auch eine andere äußere Gestalt aufweisen, d.h., die Gehäusebauteile können entsprechend der vorgesehenen Anwendung gestaltet sein.
Wie aus den Zeichnungsfiguren ersichtlich ist, ist der 3-D- Drucksensor auf einem Schaltungsträger 1 bzw. Verdrahtungsträger aufgebaut. Auf diesem Schaltungsträger 1 befindet sich über einer in diesem ausgebildeten ersten Öffnung 2 ein Drucksensorchip 3, das direkt auf den Schaltungsträger 1, geklebt, oder auf ein nicht dargestelltes Druckanschlusselement montiert ist. Dadurch wird eine dichte Verbindung im konzipierten Druckanwendungsbereich erreicht und damit eine direkte pneumatische Verbindung realisiert.
Das Druckanschlusselement kann als gedrehtes oder gepresstes Element mit einer Bohrung realisiert werden und ist anstatt der Öffnung 2 im Schaltungsträger 1 montiert. Dieses Druckanschlusselement kann durch den Schaltungsträger 1 ragen. Das Drucksensorchip 3 ist dann direkt auf das Druckanschlusselement montiert und eine sonst erforderliche Druckanschlusskappe 11 kann entfallen.
In 1 ist als Drucksensorchip 3 ein „Relativ-Sensorchip" dargestellt, dessen Bondpads mit Kontaktflächen auf dem Verdrahtungsträger 1 über Drahtbrücken 5 elektrisch verbunden sind. Die Herstellung der Drahtbrücken 5 kann mittels üblicher Drahtbondvorrichtungen erfolgen. Weiterhin ist auf dem Verdrahtungsträger 1 ein kappenförmiges Funktionselement 6 befestigt, dessen Innenraum das Drucksensorchip 3 einschließt. Diese Funktionselement 6 dient einerseits dem Schutz des Drucksensorchips 3 und andererseits als Träger für einen ASIC-Schaltkreis 7, der zur Signalvorverarbeitung der Signale des Drucksensorchips 3 erforderlich ist. Dazu ist der ASIC-Schaltkreis 7 ebenfalls über Drahtbrücken 8 mit entsprechenden Kontaktflächen des Verdrahtungsträgers 1 verbunden (2). In 1 sind die Drahtbrücken 8 nur angedeutet. Der ASIC-Schaltkreis 7 kann einfach durch Chipbonden auf dem Funktionselement 6 montiert werden.
Das Drucksensorchip 3 kann zum Schutz vor Umwelteinflüssen zusätzlich mit einer Schutzschicht, z.B. einem Silikongel, abgedeckt werden.
Weiterhin ist auf dem Schaltungsträger 1 die Kappe 9 mit einem Druckanschlusselement montiert, welche das Funktionselement 6 mit dem darauf montierten ASIC-Schaltkreis 7 einschließt. Das Druckanschlusselement kann entfallen, wenn kein Schlauch oder sonstiges Element angeschlossen werden soll.
Um einen „Relativ-Drucksensor" zu realisieren, befindet sich in dem Funktionselement 6 eine Öffnung 10 für die Ankopplung des Umgebungsdruckes an die Sensormembran der Vorderseite des Drucksensorchips 3.
Auf der dem Drucksensorchip 3 gegenüber liegenden Seite des Schaltungsträgers 1 ist eine Druckanschlusskappe 11 montiert, um die Rückseite des Drucksensorchips 3 mit dem zu messenden Druck (Druckanwendungsbereich) koppeln zu können.
Soll ein 3-D-Drucksensor als „Reference sealed" realisiert werden, so ist lediglich die zweite Öffnung 10 zu verschließen, was einfach während des Chipbondens erfolgen kann.
Für die elektrische Außenkontaktierung des 3-D-Drucksensors, also für dessen Montage in der vorgesehenen Anwendung, sind Kontaktflächen 12 z.B. in Form von Vias vorgesehen. Weiterhin können für die elektrische Funktion notwendige SMD-Bauelemente 13 auf dem Schaltungsträger 1 innerhalb und/oder außerhalb der Druckanschlusskappe 11 montiert sein.
Für die Ausgestaltung des 3-D-Drucksensors als „Absolutdruck-Sensormodul" wird ein Absolutdruck-Sensorchip verwendet, das es in zwei Grundausführungen gibt.
In der ersten Ausführung ist die Vorderseite des Drucksensorchips 3 so abgedeckt, dass unter dieser Sensorabdeckung ein Vakuum vorhanden ist und die Druckbeaufschlagung über die Rückseite des Drucksensorchips 3 erfolgt.
In der zweiten Ausführung ist die Rückseite des Drucksensorchips 3 verschlossen und gleichzeitig wird ein Vakuum unter der Membran eingeschlossen.
Die Druckbeaufschlagung erfolgt über die Vorderseite, also von oben über das Funktionselement 6 und die Kappe 9. Die Öffnung 10 in der Trägerkappe 6 muss dazu freigehalten sein.
Die Öffnung 2 im Schaltungsträger 1 und die Druckanschlusskappe 11 können in diesem Fall entfallen.
Das Absolutdruck-Sensormodul der zweiten Ausführung ist mit dem Gesamtaufbau des 3-D-Drucksensors „Reference sealed" identisch.
In den 3, 4 ist eine Variante des erfindungsgemäßen 3-D-Drucksensors dargestellt, der auf einem Schaltungsträger 1 montiert ist, bei dem jedoch auf die Kappe 9 (1) verzichtet wurde. Das Drucksensorchip 3 ist hier ebenfalls direkt über der Öffnung 2 im Schaltungsträger 1 montiert. Im Unterschied zu 1, 2 ist der ASIC-Schaltreis 7 auf der Innenseite des Funktionselementes 6 über dem Drucksensorchip 3 montiert.
Um eine elektrische Verbindung zwischen dem ASIC-Schaltkreis 7 und dem Schaltungsträger 1 zu realisieren, sind auf der Innenseite des kappenförmigen Funktionselementes 6 Leitbahnen 14 angeordnet, die vorteilhaft in MID-Technologie (MID: Moulded Interconnect Devices / spritzgegossene Zwischenverbindungselemente) ausgeführt werden können. Die Leitbahnen erstrecken sich vom ASIC-Schaltkreis über die inneren Seitenwände des Funktionselementes 6 nach unten bis zu dessen Rand und sind dort als Pads ausgebildet. Damit können die Leitbahnen 14 mit entsprechenden Kontakten auf dem Schaltungsträger 1 verbunden werden. Das Funktionselement 6 wird mit typischen Kontaktierverfahren (Löten, Schweißen, Kleben) auf dem Schaltungsträger 1 befestigt. Die elektrische Verbindung zwischen dem ASIC-Schaltkreis 7 und den Leitbahnen 14 erfolgt entsprechend über Drahtbrücken B.
Die Abdichtung des kappenförmigen Funktionselementes 6 gegenüber dem Verdrahtungsträger 1 kann mittels üblicher Klebstoffe erfolgen. Eine Druckanschlusskappe 11 oder ein Druckanschlusselement kann wie zu 1, 2 beschrieben, auf der Rückseite des Schaltungsträgers 1 befestigt werden.
Soll die Montage des ASIC-Schaltkreises 7 und ggf. weiterer Komponenten (R, C, usw.) auf der Oberseite des Funktionsträgers 6 erfolgen, so sind entsprechende Leitbahnen für den elektrischen Anschluss ebenfalls auf der Außenseite des Funktionselementes 6 aufzubringen, was typischer Weise mit der MID-Technologie erfolgen kann.
Die Kontaktierung des ASIC-Schaltkreises 7 kann in einer Flip-Chip- oder Drahtbondtechnologie erfolgen. Die Leitbahnen am Rand des Funktionselementes 6 werden als Pads für die elktrische Kontaktierung zum Schaltungsträger 1 ausgeführt. Damit können die Drahtbrüche vom ASIC zum Verdrahtungsträger 1 entfallen.
Wird die Flip-Chip-Technologie eingesetzt, kann die Kappe entfallen.

1: Schaltungsträger
2: erste Öffnung
3: Drucksensorchip
5: Drahtbrücken
6: Funktionselement
7: ASIC-Schaltkreis
8: Drahtbrücke
9: Kappe
10: zweite Öffnung
11: Druckanschlusskappe
12: Kontaktfläche
13: SMD-Bauelement
14: Leitbahn

Claims

3-D-Drucksensor mit einem Drucksensorchip in einem Gehäuse und mit Einrichtungen zur Sensorsignalverarbeitung aus aktiven und passiven Bauelementen verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, das das Drucksensorchip (3) und die Einrichtung zur Signalvorverarbeitung (ASIC-Schaltkreis) (7) übereinander auf einer Seite eines Schaltungsträgers (1) montiert sind, derart, dass der ASIC-Schaltkreis (7) an einem Funktionselement (6) über dem Drucksensorchip (3) montiert ist, dessen Rückseite des Drucksensorchips (3) mit dem Druckanwendungsbereich verbunden ist.
3-D-Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückseite des Drucksensorchips (3) über eine Öffnung (2) im Schaltungsträger (1) mit dem Druckanwendungsbereich verbunden ist.
3-D-Drucksensor nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Drucksensorchip (3) unmittelbar über einer Öffnung (2) im Schaltungsträger (1), diese dicht verschließend, montiert ist und durch ein Funktionselement (6) innerhalb einer Kappe (9) abgedeckt wird.
3-D-Drucksensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnung (2) im Schaltungsträger (1) auf der dem Drucksensorchip (3) gegenüber liegenden Seite mit einer Druckanschlusskappe (11) versehen ist.
3 -D-Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der ASIC-Schaltkreis (7) mit einer Schutzschicht abgedeckt ist.
3-D-Drucksenseor nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Funktionselement (6) mit einer Öffnung (10) für einen Druckanschluss zur Realisierung eines „Relativ-Drucksensors" versehen ist.
3-D-Drucksensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kappe (9) eine Öffnung oder einen Druckanschluss aufweist.
3 -D-Drucksensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnung (10) im Funktionselement (6) zur Realisierung eines Sensormodules als „Reference sealed" verschlossen ist.
3-D-Drucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der auf dem Funktionselement (6) innerhalb der Kappe (9) befindliche ASIC-Schaltkreis (7) über Drahtbrücken (8) mit Bondpads auf dem Schaltungsträger (1) elektrisch verbunden ist.
3-D-Drucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass für die elektrische Funktion erforderliche SMD-Bauelemente (13) auf der Rückseite des Schaltungsträgers (1) innerhalb und/oder außerhalb der Druckanschlusskappe (11) angeordnet sind.
3-D-Drucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaltungsträger (1) mit Kontaktflächen (12) zur elektrischen Verbindung mit anderen Baugruppen versehen ist.
3 -D-Drucksensor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktflächen (12) als Vias ausgebildet sind.
3-D-Drucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Drucksensorchip (3) auf einem Druckanschlusselement montiert ist, dass als gedrehtes oder gepresstes Element ausgeführt ist, mit einer Bohrung für den Druckanschluss versehen ist und durch den Schaltungsträger (1) ragt.
3-D-Drucksensor nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckanschlusselement aus Metall, Keramik oder einem Polymer besteht.
3-D-Drucksensor als Absolutdruck-Sensormodul mit einem Sensorchip in einem Gehäuse, sowie mit einer Einrichtung zur Sensorsignalverarbeitung aus aktiven und passiven Bauelementen verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Drucksensorchip (3) und die Einrichtung zur Signalvorverarbeitung (ASIC-Schaltkreis) (7) übereinander auf einer Seite eines Schaltungsträgers (1) montiert sind, wobei die Vorderseite des Drucksensorchips (3) mit dem Druckanwendungsbereich verbunden ist, dass das Drucksensorchip (3) und der ASIC-Schaltkreis (7) durch eine mit einem Druckanschlusselement versehene Kappe (9) abgedeckt sind und dass das Sensorchip (3) durch ein Funktionselement (6) abgedeckt ist, auf der der ASIC-Schaltkreis (7) montiert ist und wobei das Funktionselement (6) mit einer Öffnung (10) versehen ist.
3-D-Drucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Innen- oder Außenseite des Funktionselementes (6) Leitbahnen 14 angeordnet sind, die sich nach unten bis zu dessen Rand erstrecken und jeweils mit einem Pad zur elektrischen Verbindung mit jeweils einem Kontakt auf dem Schaltungsträger (1) enden, wobei der auf dem Funktionsträger (6) innen oder außen montierte ASIC-Schaltkreis (7) über Drahtbrücken (8) mit den Leitbahnen (14) verbunden ist.
3-D-Drucksensor nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitbahnen (14) in MID-Technologie ausgeführt sind.
3-D-Drucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Funktionselement (6) mittels Löten, Schweißen, Kleben auf dem Schaltungsträger (1) befestigt ist.