DE3200448C2

DE3200448C2 - Verfahren zur Herstellung einer Halbleiter-Druckwandleranordnung

Info

Publication number: DE3200448C2
Application number: DE19823200448
Authority: DE
Inventors: Edward 2202 Barmstedt Uden
Original assignee: Philips Patentverwaltung GmbH
Current assignee: Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Priority date: 1982-01-09
Filing date: 1982-01-09
Publication date: 1986-03-06
Also published as: DE3200448A1

Abstract

Halbleiterdruckwandleranordnung zur Messung von Absolut- oder Differenzdruck mit einem Halbleiterdruckwandler, dessen elektrische Anschlußleiter durch einen Leiterrahmen mit mindestens zwei äußeren Anschlüssen realisiert sind und der druckdicht in einem Kunststoffgehäuse angeordnet ist, das aus einem oberen und einem unteren Deckelteil und aus unterhalb und oberhalb des Leiterrahmens sich erstreckenden, gegenüberliegenden Rahmen, an denen die Deckelteile druckdicht befestigt sind, besteht.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleiter-Druckwandleranordnung mit einem, zwei voneinander getrennte Hohlräume aufweisenden Gehäuse, mit einem auf einer Trägerplatte vakuumdicht befestigten Halbleiter-Druckwandler innerhalb des Gehäuses mit einer Membran mit einer ersten und einer zweiten Hauptfläche, wobei der Halbleiter-Druckwandler auf der Trägerplatte so befestigt wird, daß zwischen der zweiten Hauptfläche und der Trägerplatte eine Kammer gebildet wird, mit den Halbleiter-Druckwandler kontaktierenden Anschlußleitern und mit einem ersten und einem zweiten Deckelteil, die den HaIbleiter^Druckwandler druckdicht umschließen, wovon mindestens der dem Halbleiter-Druckwandler gegenüberliegende Deckelteil einen Anschlußstut/.cn mit einer Bohrung aufweist.

Bekannte Halbleiter-Druckwandler mit einer Membran aus z. B. einkristallinem Silizium sind so aufgebaut, daß eine Widerstandsmeßbrücke (Wheaisione'sche Brücke) als Druckmeßeinheit in der ersten H.iuptfUiche des Membranteiles z. B. durch Diffusion oder loncnimplantation ausgebildet wird, deren Widerstandswertc in Abhängigkeit von den durch auf den druckempfindlichen Membranteil einwirkenden Druck auftretenden Dehnungen variieren.
Messungen von Druck und Kraft gewinnen zunchmend an Bedeutung. Es ist daher im Hinblick auf Großserienfertigung wünschenswert, Halbleiter-Druckwanclleranordnungen so rationell wie möglich zu fertigen.

Für Halbleiter-Druckwandler der beschriebenen An sind derzeit erst Gehäuse bekannt, die aufgrund der für sie verwendeten Werkstoffe ■— Metall oder Kunststoff gemeinsam mit Metall und Glas oder Keramik (vgl. /.Lim Beispiel Electronics, Nov. 6, 1980, Seite 116) — einen hohen Aufwand bei ihrer Herstellung erfordern, ;ius diesem Grund also kostenaufwendig sind.

Der Vollständigkeit halber ist anzumerken, daß aus DE-OS 30 03 450 ein Drucksensor mit einem, vom Aulbau des nach dem vorliegenden Verfahren hciyestcllicn Halbleiter-Druckwandlers abweichenden Aufbau be

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kannt isi. Der bekannte Drucksensor hat ein einen hohlen Innenraum aufweisendes Gehäuse, einen Membranblock aus Silicium, der innerhalb des Innenraums des Gehäuses festgelegt ist und eine Membran trägt, wobei die Membran eine Grundplatte und diffundierte Widerstände auf einer Oberfläche der Grundplatte als druckempfindlich umfaßt, eine Öffnung im Gehäuse zur Einleitung eines zu messenden Fluids zur Membran und eine Anzahl von elektrischen Leitern in Verbindung mit den diffundierten Widerständen, wobei die diffundierten Widerstände durch eine Schutzschicht überzogen sind, deren Leilverhalten demjenigen der Widerstände entgegengesetzt ist.

Aus EP-OS 15 8J6 ist ein piezoelektrischer Druckwandler bekannt mit einem Gehäuse, dessen Deckel abgedichtet mit einer keramischen gedruckten Schallung über Abdichtungen und gegebenenfalls eine zusätzliche Klammer verbunden ist Dieser bekannte piezoelektrische Druckwandler zeigt ebenfalls einen vom Aufbau des nach dem vorliegenden Verfahren hergestellten Halbleiter-Druckwandlers abweichenden Aufbau.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren für die Herstellung eines Halbleiter-Druckwandlers zu schaffen, das besonders für eine automatisierte Großserienfertigung geeignet ist, das es ermöglicht, die elektrische Kontaktierung des Halbleiter-Druckwandlers auf für eine Automatisierung besonders geeignete Weise zu erreichen und das ohne aufwendige Abwandlungen für die Herstellung unterschiedlicher Typen von Druckwandleranordnungen, ζ. B. sowohl für die Messung von Absolutdruck als auch für die Messung von Diffcrenzdruck, gleichermaßen eingesetzt werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß als Anschlußleiter ein Leiterrahmen mit mindestens zwei äußeren Anschlüssen eingesetzt wird, daß die Trägerplatte am Leiterrahmen auf einer im Zentrum des l.cilerrahmens liegenden, mit einer fensterartigen Öffnung versehenen Trägerfläche fest angebracht wird, daß unterhalb und oberhalb des Leiterrahmens einander gegenüberliegende, den Halbleiter-Druckwandler umgebende Rahmen aus einem elektrisch isolierenden Material druckdicht derart befestigt werden, daß der die Anschlußleiier bildende Teil des Leiterrahmens über die Rühmen hinausragt, und daß an diesen Rahmen jeweils der erste und der zweite Deckelteil druckdicht befestigt werden.

Nach vorteilhaften Weilerbildungen des Verfahrens der Erfindung werden die Rahmen einteilig miteinander verbunden durch einen Spritzpreßprozeß oder durch einen Preßprozeß hergestellt und bei diesem Prozeß gleichzeitig mit dem Leiterrahmen dicht verbunden. Das Spritzpressen und das Pressen der Rahmen um den Leiterrahmen herum führt zu besonders dichten Verbindungen.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die mil der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß das Verfahren für die Herstellung von Halbleiter-Druckwandlern mit der Art der gewählten Anschlußleiter und mit den Gehäuseteilen aus Kunststoff, die um Anschlußleiter in Form eines Leiterrahmens herumpreßbar und herumspritzbar sind, autoinatisierungsfreundlich, d. h. außerordentlich gut für eine automatisierte Großserienfertigung geeignet ist und damit zu kostengünstigen Bauelementen führt.

Anhand der Zeichnung werden Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben und in ihrer Wirkungsweise erläutert. Es zeigt

Fig. 1 Schnitt durch eine Halbleiterdruckwandleranordnung zur Absolutdruckmessung,

F i g. 2 Schnitt durch eine Halblekerdruckwandleran-5 Ordnung zur Differenzdruckmessung,

F i g. 3 Draufsicht auf eine zur elektrischen Kontaktierung mehrerer Halbleiterdruckwandler vorgesehene Leiterrahmenfolge,
Fig.4 Draufsicht auf einen Leiterrahmen mit einem

ίο Halbleiterdruckwandler und einer integrierten Schaltung.

In F i g. 1 ist im Schnitt ein Gehäuse für einen Halbleiterdruckwandler 1 dargestellt; der Halbleiterdruckwandler 1 besteht aus einem Membranteil 3 und einer vakuumdicht mit dem Membranteil 3 verbundenen Trägerplatte 5. Der Membranteil 3 ist bei dem hier dargestellten Beispiel aus einer einkristallinen Siliciumscheibe hergestellt, die in ihrem als Membran 7 wirkenden Mittelteil auf eine Dicke von etwa 10 μΐη ausgeätzt wurde.

Die vakuumdichte Verbindung zwischen dem dicken Randbereich des Membranteils 3 und der Trägerplatte 5 kann durch Zusammenschmelzen mit einem niedrig schmelzenden Glas erfolgen. Die Kammer 9 wird während des Zusammenschmelzprozesses evakuiert. In der ersten Hauptfläche 11 der Membran 7 ist eine nicht dargestellte Widerstandsmeßbrücke (Wheatstone'sche Brücke) als Dehnungsmeßeinheit durch Diffusion ausgebildet, die über durch z. B. Ultraschall befestigte Kontaktdrähte 15 und 17 mit Anschlußleitern 19 und 21 eines Leiterrahmens 23 elektrisch verbunden ist. Die Trägerplatte 5 ist auf einer im Zentrum des Leiterrahmens 23 liegenden, mit einer fensterartigen Öffnung 27 versehenen Trägerfläche 25 fest angebracht, beispielsweise durch Kleben. Um im Zusammenwirken mit einem ersten Deckelteil 29 und einem zweiten Deckelteil 31 zwei durch den Leiterrahmen 23 mit dem auf ihm angebrachten Halbleiterdruckwandler 1 voneinander getrennte Hohlräume 33 und 35 zu schaffen, sind mit dem Leiterrahmen 23 einerseits und den Deckelteilen 29 und 31 andererseits je ein Rahmen 37 und 39 druckdicht verbunden, beispielsweise durch Kleben. In diesem Fall eignet sich als Material für die Deckelteile 29 und 31 und für die Rahmen 37 und 39 ein duroplastischer Kunststoff, z. B. Epoxidharz. Die Rahmen 37 und 39 können jedoch auch gleichzeitig durch einen Spritzpreßprozeß hergestellt und dabei mit dem Leiterrahmen 23 verbunden werden, wenn als Material für den Rahmen ein thermoplastischer Kunststoff, z. B. Polyvinylcarbazol, verwendet wird. Auch bei Verwendung eines duroplastisehen Kunststoffes wie Epoxidharz können die beiden Rahmen 37 und 39 gleichzeitig durch einen Preßprozeß hergestellt und dabei mit dem Leiterrahmen 23 verbunden werden. Das Spritzpressen und das Pressen der Rahmen 37 und 39 um den Leiterrahmen 23 führt zu besonders dichten Verbindungen. Die Deckelteile 29 und 31 können ebenfalls aus einem thermoplastischen Kunststoff hergestellt werden; sie können dann mit den Rahmen 37 und 39 durch Verschweißen verbunden werden. Der erste Deckelteil 29 hat einen mit einer Bohrung 43 versehenen Anschlußstutzen 41, über den, beispielsweise durch Überstülpen eines nicht dargestellten Anschlußschlauches, die Membran 7 mit Druck beaufschlagt wird. In dem hier dargestellten Beispiel wird ein Absolutdruck gemessen, der Membranteil 3 wirkt zusammen mit der evakuierten Kammer 9 und der Trägerplatte 6 als Druckmeßdose.

Soll ein Differenzdruck gemessen werden, wird die Halbleiter-Druckwandleranordnung (Fig. 2) so ausge-

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bildet, daß die erste HauptFläche 11 der Membran 7 und die zweite Hauplfläche 13 der Membran 7 unterschiedlichen Drücken aussetzbar sind. Die erste Hauptfläche 11 der Membran 7 ist dabei über den Anschlußstutzen 41 dem einen Druck, die zweite Hauptfläche 13 der Membran 7 ist über einen im zweiten Deckelteil 31 angebrachten Anschiußstutzen 45 mit einer Bohrung 47 dem anderen Druck aussetzbar. Zu diesem Zweck wird die Kammer 9 des Halbleiter-Druckwandlers 1 über eine fensterartige Öffnung 27 in der Trägerfläche 25 des Leiterrahmens 23 und über eine mit der Öffnung 27 fluchtende Öffnung 49 in der Trägerplatte 5 geöffnet. Um sicherzustellen, daß die Medien, deren Drücke zu vergleichen sind, auf die erste und die zweite Hauptfläche 1! und 13 der Membran 7 gelangen und nicht über Schlitze im Leiterrahmen 23 entweichen, wird zwischen dem Leiterrahmen 23 und mindestens einem der den Halbleiter-Druckwandler 1 umgebenden Rahmen 37 und/oder 39 mindestens eine druckabsperrende Folie 51 und/oder 53, z. B. aus Polyimid, oder mindestens eine dünne Platte druckdicht befestigt, die mit der fensterartigen öffnung 27 in der Trägerfläche 25 und der Öffnung 49 in der Trägerplatte 5 fluchtende Öffnungen 55 und 57 aufweist.

Ein Differenzdruck kann auch z. B. der Referenzdruck eines zu messenden Mediums zum atmosphärischen Druck sein. Zu diesem Zweck wird eine Anordnung, wie in F i g. 2 dargestellt, hergestellt, jedoch braucht der zweite Deckelteil 31 keinen Anschlußstutzen, sondern er muß nur eine Öffnung aufweisen, die die zweite Hauptfläche 13 der Membran 7 dem atmosphärischen Druck zugänglich macht. Diese Ausführungsform ist zeichnerisch nicht dargestellt.

Um zu verhindern, daß die Meßeinheit in Form der Widerstandsmeßbrücke auf dem Halbleiter-Druckwandler beschädigt wird, falls der Druck aggressiver Medien gemessen werden soll, kann der Hohlraum 33 mit einer schützenden druckabsperrenden Substanz, z. B. Silicongel, ausgefüllt werden.

In Fig. 3 ist eine zur elektrischen Kontaktierung mehrerer Halbleiter-Druckwandler vorgesehene Leiterrahmenfolge in Draufsicht dargestellt, die sehr rationell automatisiert verarbeitet werden kann. Die Trägerflächen 25 weisen Öffnungen 27 auf, die zum Einsatz kommen, wenn der auf ihr befestigte Halbleiter-Druckwandler für die Messung eines Differenz- oder Referenzdruckes eingesetzt werden soll. Für jeweils einen Leiterrahmen 23 sind jeweils sechs Anschlußleiter 19,21 vorgesehen, deren äußere Anschlüsse 59 interdigital versetzt angeordnet sind, was zu Materialersparnis

Für den elektrischen Außenanschluß des Halbleiter-Druckuandlers allein wären zwei äußere Anschlüsse ausreichend, es kann aber erforderlich sein, für andere Zwecke weitere äußere Anschlüsse zur Verfügung zu haben: aus diesem Grund wird ein Leiterrahmen mit sechs äußeren Anschlüssen empfohlen. Die Trägerflächen 25 der Leiterrahmen 23 liegen auf einer gemeinsamen Mittellinie, sind also nicht gegeneinander versetzt; auf diese Weise sind Halbleiter-Druckwandler auf den Trägerflachen 25 unkompliziert in einem-automatisierten Prozeß anzubringen.

Die innerhalb des Gehäuses liegenden Teile 61 der Anschlußleiter 19, 21 sind mit Rücksicht auf eine gut iiutomutisicrbarc Drahtkoniaklierung zwischen dem hi Halbleiterdruckwandler 1 und den Anschlußleitern 19, 21 ebenfalls in einer Ebene angeordnet, sie folgen also nicht der versetzten Anordnung der äußeren Anschlüsse. Die Leiterrahmenfolge von Leiterrahmen 23 ist im Rahmen eines Bandes durch Seitenstreifen 63 gehalten, indenen Löcher 65 vorgesehen sind, in die /. B. Stille zum automatischen Transport des Bandes und auch zur Positionierung der einzelnen Leiterrahmen eingreifen können.

In F i g. 4 ist in Draufsicht ein Leiterrahmen 23 dargestellt, auf dessen Trägerfläche 25 neben einem Halbleiter-Druckwandler 1 eine integrierte Schaltung 67 angebracht ist, die mit dem Halbleiter-Druckwandler 1 elektrisch, z. B. über Anschlußdrähte, verbunden ist und beispielsweise zur Spannungsstabilisierung und zur Temperaturkompensation dient und die elektrischen Ausgangsgrößen des Halbleiter-Druckwandlers 1 weilcrverarbeitet.

Ein Beispiel für die Anwendung der nach dem Verfahren hergestellten Halbleiter-Druckwandleranordnung sind Druckmeßfühler für Kraftfahrzeuge zur Luftdruckmessung in der Luftansaugleitung.

Bezugszeichenliste	Halbleiterdruckwandler
1	Membranteil
3	Trägerplatte
5	Membran
7	Kammer
9	erste Hauptfläche der Membran
11	zweite Hauptfläche der Membran
13	Kontaktdraht
15,17	Anschlußleiter
19,21	Leiterrahmen
23	Trägerfläche
25	Öffnung in 25
27	erster Deckelteil
29	zweiter Deckelteil
31	Hohlraum
33,35	Rahmen
37,39	Anschlußstutzen in 29
41	Bohrung in 41
43	Anschlußstutzen in 31
45	Bohrung in 45
47	Öffnung in 5
49	druckabsperrende Folie
51,53	Öffnung in 51
55	Öffnung in 53
57	äußere Anschlüsse von 19,21
59	Teil von 19,21
61	Seitenstreifen
63	Loch in 63
65	inteerierte Schaltung
67	Stufe in 29,31
69	Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

32 OO 448 Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung einer Halbleiter-Druckwandleranordnung

mit einem, zwei voneinander getrennte Hohlräume aufweisenden Gehäuse,

mit einem auf einer Trägerplatte vakuumdicht befestigten Halbleiter-Druckwandler innerhalb des Gehäuses mit einer Membran mit einer ersten und einer zweiten Hauptfläche. wobei der Halbleiter-Druckwandler auf der Trägerplatte so befestigt wird, daß zwischen der zweiten Hauptfläche und der Trägerplatte eine Kammer gebildet wird,
mit den Halbleiter-Druckwandler kontaktierenden Anschlußleitern und

mit einem ersten und einem zweiten Deckelteil, die den Halbleiter-Druckwandler druckdicht umschließen, wovon mindestens der dem Halbleiter-Druckwandler gegenüberliegende Deckefteii einen Anschlußstutzen mit einer Bohrung aufweist,
dadurch gekennzeichnet, daß als Anschlußleiter (19, 21) ein Leiterrahmen (23) mit mindestens zwei äußeren Anschlüssen (59) eingesetzt wird,

daß die Trägerplatte (5) am Leiterrahmen auf einer im Zentrum des Leiterrahmens liegenden, mit einer fensterartigen Öffnung (27) versehenen Trägerfläche (25) fest angebracht wird,
daß unterhalb und oberhalb des Leiterrahmens einander gegenüberliegende, den Halbleiter-Druckwandler (1) umgebende Rahmen (37, 39) aus einem elektrisch isolierenden Material druckdicht derart befestigt werden, daß der die Anschlußleiter biidehde Teil des Leiterrahmens über die Rahmen hinausragt und daß an diesen Rahmen jeweils der erste und der zweite Deckelteil (29, 31) druckdicht befestigt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die Deckelteile (29,31) als auch die Rahmen (37, 39) aus Kunststoff hergestellt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Leiterrahmen (23), die Rahmen (37, 39) und die Deckelteile (29,31) durch Kleben miteinander druckdicht verbunden werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rahmen (37,39) einteilig miteinander verbunden durch einen Spritzpreßprozeß hergestellt und bei diesem Prozeß gleichzeitig mit dem Leiterrahmen (23) dicht verbunden werden.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rahmen (37,39) einteilig miteinander verbunden durch einen Preßprozeß hergestellt und bei diesem Prozeß gleichzeitig mit dem Leiterrahmen (23) dicht verbunden werden.

6. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Deckelteile (29, 31) mit den Rahmen (37, 39) durch Verschweißen verbunden werden.

7. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß für die Rahmen (37, 39) und für die Deckelteile (29, 31) ein duroplastischer Kunststoff eingesetzt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß als duroplastischer Kunststoff Epoxidharz eingesetzt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekenn-

zeichnet, daß für die Rahmen (37,39) ein thermoplastischer Kunststoff eingesetzt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß als thermoplastischer Kunststoff Polyvinylcarbazol eingesetzt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Leiterrahmen (23) und den Rahmen (37, 39) mindestens eine druckabsperrende Folie (51,53) oder dünne Platte, die (eine) mil der fensterartigen öffnung (27) in der Trägerfläche (25) des Leiterrahmens und der Öffnung (49) in der Trägerplatte (5) fluchtende öffnungen) (55,57) anweist (aufweisen), befestigt wird (werden).

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Folie(n) (51, 53) selbstklebend auf dem Leiterrahmen (23) befestigt wird (werden).

13. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der Hohlräume (33, 35) im Gehäuse mit einer den Halbleiter-Druckwandler (1) vor aggressiven Medien schützenden, nicht druckabsperrenden Substanz ausgefüllt wird.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß als schützende Substanz ein Silicongel eingesetzt wird.