DE4327104A1 - Vorrichtung zum Kontaktieren und Halten einer Chipstruktur - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Kontaktieren und Halten einer Chipstruktur nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und des Patentanspruchs 7.

Die elektrische Kontaktierung von Sensoren erfolgt in den meisten Fällen durch Drahtbonden der Chipstrukturen auf ein Trägersubstrat, wie z. B. Keramik oder Kunststoff (z. B. Epoxy). Bei physikalischen Sensoren wird der Sensor häufig auf Zwischenstücken aus Silizium oder Pyrex befestigt, um eine mechanische und/oder thermische Entkopplung zu errei­ chen. Der Träger wird dann zusammen mit der auf ihn aufge­ brachten Chipstruktur in das eigentliche Gehäuse eingebaut. An diesen Träger greifen die elektrischen Kontaktierungen, wie z. B. Kabel oder Leiterbahnen einer Leiterplatte, von außen an. Bei der Verwendung der oben erwähnten Zwischen­ stücke ist noch keine elektrische Kontaktierung erfolgt. Die Sensoren und die Träger müssen in das Gehäuse eingebaut werden und die elektrische Kontaktierung erfolgt daraufhin direkt zum Gehäuse.

Wenn bei verschiedenen Sensoren ein Medienanschluß (z. B. für Gase oder Fluide) erforderlich ist, dann erfolgt dieser derart, daß ein Röhrchen zusätzlich an den Sensor oder an den Träger angebracht wird.

Die Fachveröffentlichung H.B. Bakoglu, "Circuits, Inter­ connections and Packaging for VLSI", Addison Wesley Publishing Company, 1990, Seiten 81 bis 133 zeigt ver­ schiedene Vorrichtungen zum Kontaktieren und Halten von Chipstrukturen für integrierte Schaltungen, die im folgenden als IC′s bezeichnet werden. Diese Vorrichtungen zum Kontaktieren sind durch Drahtbondverbindungen zwischen der Chipstruktur auf einem Trägersubstrat gebildet.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der vorliegen­ den Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Kontaktieren und Halten von Chipstrukturen zu vereinfachen.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Patentan­ spruch 1 und Patentanspruch 7 gelöst.

Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in den Unteransprüchen definiert.

Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung kann bei IC′s auf jegliche Gehäuseart verzichtet werden, da sowohl die Be­ festigung als auch die Kontaktierung gleichzeitig durch einen Klemmkontakt realisiert wird. Hiermit ist eine deutliche Platzersparnis verbunden, die eine höhere Packungsdichte der IC′s ermöglicht und kürzere Verdrahtungs­ leitungen auf den Leiterplatten ermöglicht.

Sowohl Sensoren als auch Aktoren werden durch die erfindungsgemäße Vorrichtung am Ort ihrer spezifischen Nutzung gleichzeitig befestigt und kontaktiert. Die erfindungsgemäße Vorrichtung erreicht eine maximale mechanische und thermische Entkopplung des Sensors oder des Aktors von seiner Umgebung. Der Sensor und dessen Kontakt­ bereiche können nach dem Klemmen der Chipstruktur, die den Sensor bildet, durch die Klemmeinrichtung mit einer Isolier­ schicht versehen werden.

Die Zuführung von Medien (Gase, Fluide) an den Sensor wird mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung derart verbessert, daß die Medienzuführung mit einem Fluidverbinder, der auch die Klemmkontakte umfaßt, in einem Schritt an den Sensor ange­ schlossen wird. Durch Verwendung der erfindungsgemäßen Vor­ richtung wird eine sogenannte Fullwafer-Gehäusung er­ möglicht. Wenn zum Schutz von mechanisch empfindlichen Be­ reichen des Sensors oder des Aktors Gegenstücke aus demselben Material, aus dem der Sensor oder der Aktor besteht, an den Sensor oder den Aktor angebracht werden, dann kann dieses bereits auf dem Wafer, vor dem Sägen der einzelnen Sensoren, geschehen. Die Sensoren sind dadurch bereits beim Sägen geschützt. Das Aufbringen von Gegen­ stücken zu einem Zeitpunkt, an dem die Sensoren noch nicht gesägt sind, ist auch möglich, wenn für die Sensoren eine Medienzuführung vorgesehen ist.

Durch das Wegfallen des Drahtbondens können einzelne Sen­ soren/IC′s leicht ausgetauscht werden, so daß das Durch­ führen von Funktionstests vereinfacht wird.

Die Integration der mechanischen Befestigung und der elek­ trischen Kontaktierung führt neben einer großen Platz- und Kostenersparnis zu einer Minimierung der gehäusebedingten Belastungen.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nach­ folgend unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Querschnittsdarstellung eines Drucksensors, mit einer Vorrichtung zum Kontaktieren gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 eine Querschnittsdarstellung eines Drucksensors, mit einer Vorrichtung zum Kontaktieren gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 3 eine Draufsichtsdarstellung eines Drucksensors mit einer Vorrichtung zum Kontaktieren nach der vor­ liegenden Erfindung,

Fig. 4 eine Darstellung des Drucksensors aus Fig. 3 von unten;

Fig. 5 eine seitlichen Darstellung des Drucksensors gemäß Fig. 3;

Fig. 6 eine Querschnittsdarstellung eines Drucksensors mit einer Vorrichtung zum Kontaktieren gemäß einer weiteren Ausführung der vorliegenden Erfindung;

Fig. 7 eine perspektivische Darstellung eines integrierten Schaltungschips mit einem Kühlkörper auf einer Leiterplatte gemäß einer Ausführung der vorliegen­ den Erfindung; und

Fig. 8 eine perspektivische Darstellung integrierter Schaltungschips auf einer gedruckten Leiterplatte gemäß einer weiteren Ausführungsform der Vor­ richtung zum Kontaktieren nach der vorliegenden Erfindung.

Fig. 1 zeigt einen Drucksensor, der in seiner Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet ist. Der Drucksensor 1 besteht aus einer ersten Schicht 2 und einer zweiten Schicht 3, die aus einem ätzbaren Material gebildet sind. Bei der bevorzugten Ausführungsform ist dieses ätzbare Material ein Halbleitermaterial. Die beiden Schichten 2, 3 umfassen je­ weils einen Membranbereich 4, 5. Die Membranbereiche 4, 5 werden durch geätzte Ausnehmungen 6, 7 festgelegt, die sich ausgehend von jeweiligen ersten Hauptflächen 8, 9 der Schichten 3, 2 in deren Inneres erstrecken.

Die beiden Schichten 2, 3 sind an ihren zweiten Hauptflächen 10, 11 mittels eines Abstandshalteteiles 12, das beispiels­ weise aus Pyrex besteht, voneinander beabstandet und mit­ einander abdichtend verbunden. Zur Halterung und gleichzei­ tigen Kontaktierung des Drucksensors 1 dienen zwei Greifarme 13, 14, die federnd gegen die beiden Hauptflächen 8, 11 der zweiten Schicht 2 anliegen, wobei einer der Greifarme 13 auf eine Aluminiumkontaktstelle 15 drückt, die an der zweiten Hauptfläche 10 der zweiten Schicht vorgesehen ist, während der andere Greifarm 14 auf die gegenüberliegende erste Hauptfläche 8 der ersten Schicht 2 drückt.

Die Kontaktstellen 15 sowie die Greifarme 13, 14 können nach dem Einklemmen der ersten Schicht 2 des Drucksensors 1 zwi­ schen die Greifarme 13, 14 mit einer Isolatorschicht (nicht dargestellt), versehen werden, die beispielsweise durch einen Isolierkleber gebildet sein kann.

Wie ein Fachmann bereits aus der Struktur des gezeigten Drucksensors 1 erkennt, kann dieser mittels an sich bekannter Methoden der Photolithographie aus Silizium hergestellt werden. Änderungen des Umgebungsdrucks des Drucksensors gegenüber dem Innendruck, der zwischen den beiden Membranen 4, 5 herrscht, können in an sich bekannter Weise beispielsweise mittels piezoresistiven Widerständen (nicht dargestellt) erfaßt werden, die auf den Membranen 4, 5 angeordnet sind. Die Anschlüsse dieser Widerstände (gleichfalls nicht dargestellt) werden über innere Kontakt­ stellen 16, einen durch Dotierung leitfähig gestalteten Oberflächenbereich 17 zu den außenliegenden Kontaktstellen 15 herausgeführt.

Die in Fig. 2 gezeigte Ausführungsform des Drucksensors ist in ihrer Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 20 bezeichnet. Diese Ausführungsform stimmt bezüglich der Struktur der ersten Schicht 2 sowie der Greifarme 13, 14 identisch mit der ersten Ausführungsform des Drucksensors gemäß Fig. 1 überein, so daß es anstelle einer erneuten Beschreibung dieser Struktur ausreichend ist, auf die jeweils überein­ stimmend gewählten Bezugszeichen zu verweisen.

In Abweichung von der Ausführungsform des Drucksensors 1 gemäß Fig. 1 ist bei der zweiten Ausführungsform des Drucksensors 20 die Dritte Schicht 21 als ebene Silizium­ platte ohne eine Ausnehmung zur Festlegung einer Membran ausgeführt. An der ersten Hauptfläche 8 der ersten Schicht 2 ist ein weiteres Abstandshalteteil 22, das beispielsweise aus Pyrex besteht, vorgesehen, über das eine dritte Schicht 23, die gleichfalls plattenförmig ausgeführt ist, mit der ersten Schicht 2 verbunden ist. Die zweite und dritte Schicht 21, 23 dienen zur Gehäusung der ersten Schicht 2 und damit als mechanischer Schutz der Membran 4 der ersten Schicht 2 sowie zur Abdichtung gegen Feuchtigkeit und andere Umwelteinflüsse.

In den Fig. 3 bis 5 ist eine dritte Ausführungsform eines Drucksensors dargestellt, der in seiner Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 30 bezeichnet ist. Dieser Drucksensor 30 um­ faßt zwei Schichten 31, 32, wobei ähnlich wie bei der Aus­ führungsform gemäß Fig. 1 in der ersten Schicht 31 eine Ausnehmung 33 vorgesehen ist, durch die eine Membran 34 festgelegt wird. Wie insbesondere in Fig. 4 zu sehen ist, sind auf der der Ausnehmung 33 abgewandten ersten Haupt­ fläche 35 Kontaktstellen 37 vorgesehen, die elektrisch mit (nicht dargestellten) piezoresistiven Widerständen verbunden sind, welche zur Erfassung von Dehnungen der Membran 34 an­ geordnet sind. Die Ausnehmung 33 geht in einen Kanal 38 über, der in einem Fluidsteckverbinderteil 39 durch eine längliche Ausätzung gebildet ist. Durch diesen Kanal wird entweder ein Referenzdruck oder ein Meßdruck für den Druck­ sensor 30 angelegt. Wie insbesondere in den Fig. 4 und 5 zu erkennen ist, ist die weitere Schicht 32 im wesentlichen plattenförmig ausgebildet und weist gleichfalls ein Fluid­ steckverbinderteil 40 auf, wobei über die durch die beiden Fluidsteckverbinderteile 39, 40 gebildete Fluidsteckverbin­ dung ein Meßdruck- oder Referenzdruck-Zuleitungsrohr 41 auf­ gesteckt werden kann. Die Kontaktstellen 37 verlaufen auf der ersten Hauptfläche 35 der ersten Schicht 31 im wesent­ lichen parallel zu der Längsachse des Zuleitungsrohres 41.

Beim Einstecken des durch die Fluidsteckverbinderteile 39, 40 gebildeten Fluidsteckverbinders in das Zuleitungsrohr 41 nehmen Greifarme 42, 43 mit den Kontaktstellen 37 der ersten Schicht 31 sowie mit der freiliegenden Hauptfläche 44 der zweiten Schicht 32 Eingriff.

Das zur Druckzuleitung verwendete Zuleitungsrohr 41 kann in Abweichung von der gezeigten Ausführungsform auch in den Kanal 38 eingeschoben und hier mit den Schichten 31, 32 bei­ spielsweise durch Klebung verbunden werden.

Fig. 6 zeigt eine vierte Ausführungsform eines Drucksensors, der in seiner Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 50 bezeichnet ist. Der Sensor umfaßt zwei Schichten 51, 52. Die erste Schicht 51 weist wiederum eine Ausnehmung 53 auf, die eine Membran 54 festlegt. (Nicht dargestellte) piezoresistive Widerstände, die im Bereich der Membran 54 angeordnet sind, dienen zur Erfassung der Membranauslenkung und sind über einen inneren Kontaktstreifen 55 mit einem leitfähig dotierten Oberflächenbereich der der Ausnehmung 53 abgewand­ ten ersten Hauptfläche der ersten Schicht 51 verbunden. Die zweite Schicht 52 ist im wesentlichen plattenförmig ausge­ bildet. Die zweite Schicht 52 hat eine sich senkrecht zu ihren Hauptflächen erstreckende Ausnehmung 60. Die Ausneh­ mung 60 hat derartige Öffnungsmaße in der Richtung parallel zu ihren Hauptflächen, das ein in die Ausnehmung 60 einge­ führter Kontaktstift 61 von den Wänden der Ausnehmung 60 ge­ klemmt wird.

Um das Einklemmen des Kontaktstiftes 61 sicherzustellen, verjüngt sich die Ausnehmung 60 ausgehend von beiden Hauptflächen 58, 59 in Richtung auf das Innere der zweiten Schicht 52. Auf der ersten Hauptfläche 59 der zweiten Schicht 52 ist eine im wesentlichen streifenförmige Kon­ taktstelle 62 angeordnet, die sich an der Wand der Aus­ nehmung 60 fortsetzt. Die beiden Schichten 51, 52 sind mit Abstand zueinander durch ein Abstandshalteteil 63 befestigt.

Das Abstandshalteteil 63 dient gleichzeitig zum Abschließen eines Hohlraumes zwischen der Membran 54 und der zweiten Schicht 52. Das Abstandshalteteil ist zumindest im Bereich des leitfähigen Oberflächenbereiches 56 seinerseits leit­ fähig, um eine elektrische Verbindung zwischen dem leit­ fähigen Oberflächenbereich 56 der ersten Schicht 51 und der Kontaktstelle 62 an der zweiten Hauptfläche 59 der zweiten Schicht 52 herzustellen. Somit steht der Kontaktstift 61 mit den (nicht dargestellten) piezoresistiven Widerständen an der Membran 54 in elektrischer Verbindung.

Eine fünfte und sechste Ausführungsform der erfindungsge­ mäßen Vorrichtung zum Kontaktieren und Halten einer Chip­ struktur sind in den Fig. 7 und 8 dargestellt.

Bei diesen Ausführungsformen sind Klemmkontakte in Form von Greifarmen 70 (vergleiche Fig. 8) an Leiterbahnen 71 be­ festigt, die auf einer Leiterplatte 72 verlaufen. Die von den sich gegenüberliegenden Greifarmen 70 gebildeten Klemm­ kontakte sind in einer Reihe angeordnet und halten inte­ grierte Schaltungschips 73 derart, daß deren Hauptflächen 74, 75 senkrecht zu der Leiterplatte 72 stehen.

Bei der in Fig. 7 dargestellten Ausführungsform ist auf einer Hauptfläche 74 des integrierten Schaltungschips 73 ein Mikrokühler 76 angebracht, der aus Silizium hergestellt ist. Wenn es erforderlich ist, kann auf beiden Hauptflächen 74, 75 ein derartiger Mikrokühler 76 angebracht sein. Anstelle eines derartigen Mikrokühlers 76 können auch andere Gegenstücke (nicht dargestellt) angebracht werden um den integrierten Schaltungschip 73 zu schützen.

Wie insbesondere aus Fig. 8 deutlich wird, ermöglicht die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Kontaktieren und Halten der Schaltungschips 73 eine bedeutende Platzersparnis auf der Leiterplatte 72 durch die senkrechte Anordnung der Haupt­ flächen 74, 75 der Schaltungschips bezogen auf die Leiter­ platte 72.

Um die geringe Anzahl der elektrischen Kontakte, die auf­ grund der Tatsache, daß nur eine Kantenlänge des Schaltungs­ chips 73 für die Kontaktierung zur Verfügung steht, zu erhö­ hen, wird an einer oder mehreren anderen Kanten des inte­ grierten Schaltungschips 73 eine Kontaktschiene 77 mit wei­ teren Klemmkontakten in Form von Greifarmen 78 angebracht.

Diese durch die Greifarme 78 gebildeten Klemmkontakte stellen einen elektrischen Kontakt zu Kontaktstellen auf einer der Hauptflächen 74, 75 des integrierten Schaltungschips 73 her.

Claims (9)

1. Vorrichtung zum Kontaktieren und Halten einer Chip­ struktur (1; 20; 30; 73), die mindestens eine Kontaktstelle (15, 37) an einer ihrer Hauptflächen (10; 35) aufweist, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
eine Klemmeinrichtung (13, 14; 42, 43; 70, 78) zum Klemmen der Chipstruktur (1; 20; 30; 73), die mit den einander gegenüberliegenden Hauptflächen (8, 10; 35, 44) der Chip­ struktur (1; 20; 30; 73) Eingriff nimmt, wobei die Ein­ griffnahme an einer der Hauptflächen (10; 35) im Bereich der Kontaktstelle (15, 37) erfolgt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Chipstruktur (1; 20) aus einer Mehrzahl von Schichten (2, 3; 21, 23) besteht, wobei eine der Schichten (21) zum mechanischen Schutz und zur Abdichtung der Chipstruktur (1; 20) gegen Umwelteinflüsse dient.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Chipstruktur (30) wenigstens zwei Schichten (31; 32) umfaßt, von denen eine einen Membranbereich (34) aufweist, der von der anderen Schicht (32) zur Bildung eines Hohlraums abgedeckt ist, und daß sie ferner einen Kanal (38) aufweist, der sich von dem Hohlraum bis zu einem Fluidsteckverbinder (41, 42, 43) erstreckt, und
daß der der Chipstruktur abgewandte Fluidsteckverbinder­ teil (41, 42, 43) mit der Klemmeinrichtung (42, 43) ver­ bunden ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Klemmeinrichtung (70) durch auf einer Leiter­ platte (72) angeordnete und mit deren Leiterbahnen (71) verbundene Klemmkontakte gebildet ist, die in einer Reihe miteinander angeordnet sind und die Chipstruktur (73) derart halten, daß deren Hauptflächen (74, 75) senkrecht zur Leiterplatte (72) stehen.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine Kühlungseinrichtung (76), die an der Chipstruktur (73) angebracht ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine oder mehrere Klemmleiste(n) (77) mit einer Mehrzahl von in einer Reihe miteinander angeordneten Klemmkontak­ ten, die mit Kontaktstellen der Chipstruktur (73) Ein­ griff nehmen, die im Bereich derjenigen Kante der Chip­ struktur (73) angeordnet sind, die von der Leiterplatte (72) abgewandt sind.

7. Vorrichtung zum Kontaktieren und Halten einer Chip­ struktur (50), die mindestens eine Kontaktstelle (62) aufweist, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
einem Kontaktstift (61),
eine Ausnehmung (60) in der Chipstruktur (50), an deren Wandung die Kontaktstelle (62) angeordnet ist und die derart ausgestaltet ist, daß sie eine klemmende Ver­ bindung mit dem Kontaktstift (61) bei dessen Einführung in die Ausnehmung (60) bildet, durch die die Kontakt­ stelle (62) gegen den Kontaktstift (61) angepreßt wird.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Ausnehmung (60) ausgehend von beiden Haupt­ flächen (58, 59) der Chipstruktur (50) in Richtung auf deren Inneres verjüngt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß sich die Kontaktstelle (62) über die Wandung der Ausnehmung (60) bis zu einer Leiterbahn auf einer Haupt­ fläche (59) der Chipstruktur (50) erstreckt.