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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft einen Sensorbaustein.
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Hintergrund
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Sensorbausteine enthalten heutzutage häufig einen Sensorchip, auf dessen Substrat die eigentliche Sensorfunktionalität in Form von messempfindlichen Elementen oder Strukturen aufgebracht oder in dieses integriert ist. Dabei mag das Substrat ein Halbleitersubstrat, beispielsweise aus Silizium, sein, in des zugleich auch Schaltungsfunktionalität, wie beispielsweise eine elektronische Auswerteschaltung integriert ist.
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Ein Beispiel für einen solchen Sensorchip geht aus dem Europäischen Patent
EP 1 236 038 B1 der Hinterlegerin hervor.
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Ungeschützte Sensorchips können im weiteren Verarbeitungsprozess Schaden nehmen. Auch sind die elektrischen Anschlussstrukturen von Sensorchips grösstenteils ungeeignet, um direkt mit Schaltungsträgern wie beispielsweise herkömmlichen Leiterplatten verbunden zu werden.
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Insofern werden Sensorchips bevorzugt mit einem sogenannten „Package” versehen, das meist eine Einkapselung des Sensorchips mit einem Plastikverguss vorsieht. Im vorliegenden Kontext wird ein solcher gekapselter Sensorchip auch Sensorbaustein genannt.
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Darstellung der Erfindung
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Die Erfindung betrifft einen Sensorbaustein nach den Merkmalen des Schutzanspruchs 1. Der Sensorbaustein enthält eine elektrisch leitende Struktur und einen Sensorchip, der auf der elektrisch leitenden Struktur angeordnet und elektrisch leitend mit dieser verbunden ist. Eine Einkapselung ist für den Sensorchip dergestalt vorgesehen, dass der Sensorbaustein Quaderform aufweist. Ein Zugang in der Einkapselung zu einem Oberflächenabschnitt des Sensorchips ist mittig an einer Oberseite des Sensorbausteins angeordnet. Eine der Oberseite gegenüberliegende Unterseite des Sensorbausteins weist von der Einkapselung freiliegende Bereiche der elektrisch leitenden Struktur auf, welche Bereiche einen zentral angeordneten Bereich sowie vier randseitig angeordnete Bereiche umfassen.
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Vorzugsweise dienen die randseitigen Bereiche als elektrische Anschlussstellen für den Sensorbaustein. Ein solcher Sensorbaustein kann dann auf einfache Art und Weise auf einem Schaltungsträger angeordnet werden, welcher Schaltungsträger beispielsweise ein Pendant an metallisierten Bereichen aufweist. Dabei mögen die schaltungsträgerseitigen Bereiche zumindest für die Anschlussstellen mit Leiterbahnen des Schaltungsträgers verbunden sein. Die als Anschlussstellen des Sensorbausteins vorgesehenen Bereiche werden dann bevorzugt über ein Leitmittel, wie beispielsweise eine Lötpaste, mit den Anschlussstellen auf dem Schaltungsträger verbunden.
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Die Geometrie der freiliegenden Bereiche auf dem Sensorbaustein ist vorteilhaft für das Erzielen einer kompakten Bauweise des Sensorbausteins mit kleinen Abmessungen und erlaubt gleichzeitig eine gute elektrische Entkopplung der Anschlussstellen voneinander, sowie eine gute thermische Ableitung für im Sensorchip entstehende Wärme über den grossflächigen zentralen Bereich nach aussen. Überdies schafft der zentrale Zugang zur Oberseite des Sensorbausteins eine kürzestmögliche Verbindung von der Umgebung des Sensorbausteins zu dem sensitiven Oberflächenabschnitt des Sensorchips. Eine abgeschrägte Ecke des insbesondere rechteckförmigen zentralen Bereichs zur Unterseite des Sensorbausteins mag als optischer Schutz gegen eine falsche Ausrichtung des Sensorbausteins bei seiner Montage im Sinne eines optischen Verdrehschutzes dienen, da insbesondere die quadratische Bauform und der zentral angeordnete und symmetrisch ausgebildete Zugang die richtige Ausrichtung bei der Montage erschwert. Insofern wird ein äusserst kompakter, unempfindlicher Sensorbaustein geschaffen, der bei seiner Weiterverarbeitung vor Beschädigung geschützt ist.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die abhängigen Schutzansprüche gekennzeichnet.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere Ausgestaltungen, Vorteile und Anwendungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Schutzansprüchen und aus der nun folgenden Beschreibung anhand der Figuren. Dabei zeigen:
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1 die perspektivische Ansicht eines Sensorbausteins nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, einmal seine Unterseite in perspektivischer Ansicht in Diagramm a), und einmal seine Oberseite in perspektivischer Ansicht in Diagramm b),
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2 ein Schnittbild eines Sensorbausteins nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, und
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3 einen Sensorbaustein nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung in Draufsicht auf seine Unterseite in Diagramm a), in Draufsicht auf zwei seiner Seitenwände in den Diagrammen b) und c), und in Draufsicht auf seine Oberseite in Diagramm d).
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Weg(e) zur Ausführung der Erfindung
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1a) zeigt die perspektivische Ansicht eines Sensorbausteins nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung mit Blick auf seine Unterseite 11, Der Sensorbaustein hat prinzipiell quaderförmige Gestalt, welche Gestalt primär durch die Formgebung seiner Einkapselung 1 definiert ist. Die Einkapselung 1 wird in diesem Ausführungsbeispiel als Verguss eines innen liegenden Sensorchips und einer innen liegenden elektrisch leitenden Struktur angesehen. Dabei ist, wie im Folgenden gezeigt wird, nicht notwendiger Weise der komplette Sensorchip eingekapselt und nicht mehr sichtbar oder zugänglich. Gleiches gilt für das Verhältnis der Einkapselung zur elektrisch leitenden Struktur. Jedenfalls schützt die Einkapselung den Sensorchip wesentlich und erleichtert das Handling des Sensorbausteins. Die Einkapselung 1 kann im Transfer-Mould-Verfahren oder in einem anderen Vergussverfahren hergestellt werden. Die Einkapselung 1 besteht vorzugsweise aus Plastik.
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Zur Unterseite 11 des Sensorbausteins sind ferner Bereiche 31 und 32 ersichtlich, die freiliegende, d. h. nicht von der Einkapselung 1 bedeckte Bereiche einer elektrisch leitenden Struktur darstellen. Die elektrisch leitende Struktur ist bevorzugt eine Struktur aus Leiterzügen, auch Lead Frame genannt, welche Leiterzugstruktur typischerweise nur ein Leiterzuggerüst ohne einen Träger umfasst, und welche Leiterzugstruktur bevorzugt aus Kupfer hergestellt ist. In einer vorteilhaften Weiterbildung wird eine solche Leiterzugstruktur aus einem Metallstreifen geätzt. Dabei kann vorzugsweise der Metallstreifen sowohl von unten als auch von oben her geätzt werden, jeweils bis zu halben Metallstreifendicke und in unterschiedlichen Bereichen des Metallstreifens, sodass eine Leiterzugstruktur entsteht mit Leiterzügen auf zwei unterschiedlichen vertikalen Ebenen. Auch kann die Oberfläche einer solchen Leiterzugstruktur veredelt werden, beispielsweise mittels einer Metall- oder Edelmetallbeschichtung zum Schutz der Leiterzugstruktur. In einer anderen Weiterbildung kann die elektrisch leitende Struktur als Stanzgitter durch Ausstanzen aus einem Metallstreifen hergestellt werden.
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Der Sensorchip ist bevorzugt auf der elektrisch leitenden Struktur angeordnet. Die elektrisch leitende Struktur und der Sensorchip werden dann grösstenteils vergossen, wobei sichergestellt wird, dass beispielsweise die Bereiche 31, 32 der elektrisch leitenden Struktur frei bleiben von Vergussmaterial.
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Der grossflächige Bereich 31 ist zentral an der Unterseite 11 des Sensorbausteins angeordnet, d. h. er erstreckt sich zumindest über den Mittelpunkt der Unterseite 11, welcher Mittelpunkt bei der vorliegenden quadratischen Form der Unterseite 11 als Schnittpunkt der Diagonalen dieses Quadrats angesehen werden kann. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel weist der zentrale Bereich 31 Rechteckform auf mit zwei Längsseiten und zwei Breitseiten. Eine der Ecken des zentralen Bereichs 31 ist abgeschrägt. Dies dient im vorliegenden Fall als optisches Erkennungszeichen, das die korrekte Ausrichtung des Sensorbausteins bei seiner Montage auf/an einem Schaltungsträger erleichtern soll. Der zentrale Bereich 31 der elektrisch leitenden Struktur ist vorzugsweise grossflächig ausgebildet und insbesondere mindestens doppelt so gross wie die Fläche eines jeden randseitig angeordneten Bereichs 32. Der zentrale Bereich dient vorzugsweise der Wärmeabfuhr, da insbesondere der in 1 nicht ersichtliche Sensorchip auf den zentralen Bereich 31 aufgebracht ist, beispielsweise mit einem gut Wärme leitenden Klebemittel auf diesen aufgeklebt ist. Die vom Sensorchip entwickelte Wärme kann dann auf diesen Bereich 31 übergehen und gegebenenfalls über eine weitere thermische Kopplung zu einer Wärmesenke auf dem Schaltungsträger abgeführt werden. Ein solcher grossflächiger Bereich 31 wird auch „die pad” genannt. Der Sensorbaustein kann aber auch über das „die pad” auf ein elektrisches Potential gelegt werden. Das „die pad” kann andererseits auch den Sensorchip in seiner Position halten und mechanisch stabilisieren.
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Die randseitig angeordneten, etwas kleinflächigeren Bereiche 32 sind freiliegende, und nicht zur Gänze von der Einkapselung 1 überdeckte Bereiche der elektrisch leitenden Struktur, und insbesondere einer Leiterzugstruktur. Als randseitig wird vorliegend definiert, dass diese Bereiche 32 ausserhalb des zentral angeordneten Bereichs 31 angeordnet sind, was mehr oder weniger nahe am Rand der Unterseite 11 des Sensorbausteins ist. Alle diese randseitigen Bereiche 32 grenzen im vorliegenden Ausführungsbeispiel aber nicht direkt an die die Unterseite 11 begrenzenden Kanten des Sensorbausteins an sondern sind etwas ins Innere versetzt angeordnet.
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Typischerweise wird der Sensorbaustein mit seiner Unterseite 11 auf einen Schaltungsträger aufgesetzt und elektrisch leitend verbunden, wobei beispielsweise Bereiche des Schaltungsträgers, die mit den Bereichen 31 und 32 zusammenwirken vorab mit Lötmittel versehen werden, sodass ein elektrischer Kontakt über das Lötmittel zwischen dem Schaltungsträger und dem Sensorbaustein hergestellt wird.
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In 1a) sind weiterhin zwei Seitenwände 13 des Sensorbausteins ersichtlich. Auch diese Seitenwände 13 weisen freiliegende Bereiche 33 und 34 der elektrisch leitenden Struktur auf.
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Hinsichtlich der Herstellung des Sensorbausteins mag zunächst der Sensorchip auf der elektrisch leitenden Struktur angeordnet werden, bevor mit einem Vergussprozess die Einkapselung 1 hergestellt wird.
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Vorzugsweise werden mehrere Sensorbausteine gleichzeitig in einem gemeinsamen Fertigungsprozess hergestellt. Dazu mag ein Gebilde aus Leiterzugstrukturen für viele Sensorbausteine vorgesehen sein, welche Leiterzugstrukturen miteinander verbunden, beziehungsweise noch nicht voneinander getrennt sind. Auf die grossflächigen Bereiche 31 des Gebildes werden dann die Sensorchips aufgebracht und elektrisch leitend mit dem Gebilde verbunden, und das gesamte Gebilde mitsamt aller Sensorchips mag daraufhin vergossen werden. Abschliessend werden dann die einzelnen Sensorbausteine durch Sägen vereinzelt, wodurch beispielsweise automatisch die an den Seitenwänden angeordneten Bereiche 33 und 34 freigegeben werden.
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Auf der Oberseite 12 des Sensorbausteins ist gemäss 1b) ein Zugang 14 zu einem Oberflächenabschnitt des Sensorchips ersichtlich. Dieser Zugang 14 ist wiederum mittig auf der Oberseite 12 des Sensorbausteins angeordnet und weist eine Vertiefung beziehungsweise eine Öffnung in der Einkapselung 1 auf. Die mittige Anordnung des Zugangs 14 wiederum ist definiert durch den Kreuzungspunkt der Diagonalen der quadratischen Oberseite 12.
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2 zeigt ein Schnittbild eines Sensorbausteins nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, welcher Sensorbaustein beispielsweise auch der Sensorbaustein aus 1 sein kann. In diesem Fall stellt der Querschnitt in 2 einen Querschnitt durch die Mitte des Sensorbausteins dar, welcher Querschnitt den Bereich 31 nicht entlang seiner Längsausdehnung sondern entlang seiner Breite schneidet.
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Aus diesem Schnittbild ist der zentrale Bereich 31 einer elektrisch leitenden Struktur 3 ersichtlich, auf dem über eine Klebeschicht 4 der Sensorchip 2 aufgebracht ist. Der Sensorchip 2 weist an einem Abschnitt 21 seiner Oberfläche eine Messstruktur auf, beispielsweise eine Messschicht, die im falle eines Feuchtesensors beispielsweise als Polymer- oder Keramikschicht ausgebildet ist, die Wassermoleküle aus der Umgebung des Sensorbausteins aufnehmen kann. Insofern ist es bevorzugt, dass dieser Oberflächenabschnitt 21 über den Zugang 14 mit der Umgebung des Sensorbausteins verbunden ist, beziehungsweise, dass ein den Sensorbaustein umgebendes Fluid an diesen Oberflächenabschnitt heranreichen kann. Dazu weist die Einkapselung 1 an der Stelle des Zugangs 14 eine bis auf den Oberflächenabschnitt 21 hinabreichende Vertiefung in Form einer Öffnung auf. Im vorliegenden Beispiel ist diese Öffnung kreisrund und verjüngt sich in Richtung des Sensorchips 2, weist also konische Struktur auf. Eine solche Vertiefung kann beim Vergiessen beispielsweise durch eine geeignet gestaltete Gussform erzielt werden. Der Sensorbaustein kann weiterhin Banddrähte aufweisen, über die der Sensorchip ausgehend von Anschlussstellen des Sensorchips zu seiner Oberseite mit Leiterzügen der elektrisch leitenden Struktur elektrisch verbunden wird. Diese Banddrähte werden nach dem Aufbringen des Sensorchips auf die elektrisch leitende Struktur erstellt und dann beim Vergiessen mit eingegossen.
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3 zeigt einen Sensorbaustein nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung in Draufsicht auf seine Unterseite in Diagramm a), in Draufsicht auf zwei seiner Seitenwände in Diagrammen b) und c), und in Draufsicht auf seine Oberseite in Diagramm d).
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Beginnend mit der Ansicht aus Diagramm d) ist der vorliegende Sensorbaustein, welcher identisch mit den Sensorbausteinen aus den 1 und 2 sein kann, ein Sensorbaustein mit einer quadratischen Grundfläche, welche die Länge l und die Breite b aufweist, mit l = b. In der vorliegenden Weiterbildung sind die Länge l und die Breite b jeweils 2 mm.
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Auf der Unterseite 11 des Sensorbausteins gemäss Diagramm a) weist der grossflächige zentrale Bereich 31 eine Länge l1 von mindestens 1 mm auf, beispielsweise 1.6 mm, und eine Breite b1 von mindestens 0.5 mm, beispielsweise 0.7 mm. Eine jede der als elektrische An schlussstellen verwendeten randseitigen Bereiche 32 weist eine Länge l2 von mindestens 0.2 mm und vorzugsweise 0.3 mm auf, und eine Breite b2 von mindestens 0.2 mm, und vorzugsweise 0.25 mm. Ein Abstand a2 zwischen zwei zu einer Längsseite des Bereichs 31 angeordneter Bereiche 32 beträgt von Bereichsmitte zu Bereichsmitte mindestens 1 mm, und vorzugsweise a2 = 1.27 mm. Vorzugsweise grenzt keiner der Bereiche 32 direkt an die die Unterseite 11 abschliessenden Kanten der Einkapselung 1 an, sodass vorzugsweise ein Abstand r2 eines solchen Bereichs 32 zur Kante vorzugsweise grösser 0.01 mm ist, und bevorzugt 0.1 mm. Die abgeschrägte Ecke des Bereichs 31 weist eine Seitenlänge e1 von vorzugsweise 0.2 mm auf.
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Aus den Diagrammen 3b) und 3c) sind zwei aneinander angrenzende Seitenwände 13 des Sensorbausteins ersichtlich, wovon jede Seitenwand 13 je zwei Bereiche 33 oder 34 aufweist. Die Seitenwand 13 aus Diagramm 1b) weist zwei enger beieinander liegende Bereiche 33 auf, die eine Höhe h3 aufweisen, welche der halben Höhe/Dicke der Leiterzugstruktur entspricht, d. h. vorzugsweise etwa 0.075 mm. Eine Breite b3 dieser Bereiche 33 ist vorzugsweise grösser 0.1 mm, und bevorzugt 0.2 mm. Die beiden Bereiche 33 sind mit ihren Innenseiten vorzugsweise 0.5 mm voneinander beabstandet. Die Seitenwand 13 aus Diagramm 3c) weist zwei weiter voneinander beabstandete Bereiche 34 auf, die eine Höhe h4 aufweisen, die ebenfalls der halben Höhe/Dicke der Leiterzugstruktur entspricht, d. h. vorzugsweise etwa 0.075 mm. Eine Breite b4 dieser Anschlüsse 34 ist vorzugsweise grösser 0.2 mm, und bevorzugt 0.4 mm. Die beiden Bereiche 34 sind mit ihren Innenseiten vorzugsweise a4 = 0.87 mm voneinander beabstandet.
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Während in der vorliegenden Anmeldung bevorzugte Ausführungen der Erfindung beschrieben sind, ist klar darauf hinzuweisen, dass die Erfindung nicht auf diese beschränkt ist und in auch anderer Weise innerhalb des Umfangs der folgenden Ansprüche ausgeführt werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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