DE4436298C1 - Chipstruktur mit einer Vorrichtung zum Kontaktieren und Halten derselben - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Chipstruktur mit einer Vorrichtung zum Kontaktieren und Halten derselben nach dem deutschen Patent 43 45 219.

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 wer­ den und die elektrische Kontaktierung erfolgt daraufhin direkt zum Gehäuse.

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 Kontak­ tieren sind durch Drahtbondverbindungen zwischen der Chip­ struktur auf einem Trägersubstrat gebildet.

Die DE 42 21 017 A1 offenbart eine Vorrichtung zum Kontaktieren und Halten einer Chipstruktur, die Kontaktstellen aufweist, mit Kontakten zum Erzeugen einer klemmenden Verbindung zwischen den Kontaktstellen der Chipstruktur und einem Kontaktelement. Die Kontakte zum Erzeugen einer klemmenden Verbindung haben die Gestalt von geschwungenen Kontaktfedern, die auf Kontaktstellen an der Oberfläche der Chipstruktur aufdrücken.

Aus der JP 63-248 154 A ist eine Haltevorrichtung für einen Chip bekannt, die einen Haltebügel, der auf einer Platine angeordnet ist, umfaßt. Der Chip ist mit einem Hüllkörper ummantelt. Anschlußkontakte erstrecken sich durch den Halte­ bügel und den Hüllkörper bis zum Chip.

Aus der US 4,670,770 ist eine Chip-Substrat-Anordnug be­ kannt, bei der Kontakte an rückseitigen, abgeschrägten Flanken des Chips angeordnet sind, die an Gegenkontakt­ flächen anliegen, welche an den Wand einer Ausnehmung in dem Substrat vorgesehen sind.

Aus der DE 33 18 135 C3 ist eine Kontaktmesserleiste zur lötfreien Verbindung mit durchkontaktierten Bohrlöchern einer Leiterplatte bekannt, deren Kontaktstifte Einpreß­ abschnitte haben, die bei ihrer Einführung in die Bohrlöcher fest gegen diese anliegen.

Der Erfindung nach der vorliegenden Zusatzanmeldung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Chipstruktur mit einer Vorrichtung zum Kontaktieren und Halten derselben zu vereinfachen.

Diese Aufgabe wird durch eine Chipstruktur mit einer Vorrichtung zum Kontaktieren und Halten derselben gemäß Patentanspruch 1 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 deut­ liche Platzersparnis verbunden, die eine höhere Packungs­ dichte der IC′s ermöglicht und kürzere Verdrahtungsleitungen auf den Leiterplatten ermöglicht.

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

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 Aus­ führung nach der Hauptanmeldung;

Fig. 2 eine Querschnittsdarstellung des Drucksensors aus Fig. 1 mit der Stützstruktur gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel der Stützstruktur;

Fig. 4 eine geschnittene Draufsichtsdarstellung eines zwei­ ten Ausführungsbeispiels eines Drucksensors;

Fig. 5 ein drittes Ausführungsbeispiel eines Drucksensors;

Fig. 6 ein viertes Ausführungsbeispiel eines Drucksensors;

Fig. 7 ein Ausführungsbeispiel eines thermischen Sensors mit einer Stützstruktur;

Fig. 8 ein Ausführungsbeispiel einer mehrschichtigen Sen­ sorstruktur mit der Stützstruktur; und

Fig. 9 eine mehrschichtige Sensorstruktur mit auf den ein­ ander gegenüberliegenden Hauptflächen angeordneten Stützstrukturen.

Die Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform eines Drucksensors gemäß dem Hauptpatent, der in seiner Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 50 bezeichnet ist. Der Sensor umfaßt zwei Schichten 51, 52. Die erste Schicht 51 weist eine Ausnehmung 53 auf, die eine Membran 54 festlegt.

(Nicht dargestellte) piezoresistive Widerstände, die im Be­ reich der Membran 54 angeordnet sind, dienen zur Erfassung der Membranauslenkung und sind über einen inneren Kontakt­ streifen 55 mit einem leitfähig dotierten Oberflächenbereich der der Ausnehmung 53 abgewandten ersten Hauptfläche der ersten Schicht 51 verbunden.

Die zweite Schicht 52 ist im wesentlichen plattenförmig aus­ gebildet. 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 eines Kontaktstiftes 61 sicherzustellen, verjüngt sich die Ausnehmung 60 ausgehend von beiden Haupt­ flächen 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 Kontaktstelle 62 ange­ ordnet, die sich an der Wand der Ausnehmung 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 dargestel­ lten) piezoresistiven Widerständen an der Membran 54 in elektrischer Verbindung.

Die in Fig. 2 dargestellte Ausführungsform eines Drucksen­ sors entspricht im wesentlichen dem in Fig. 1 gezeigten Drucksensor. Sich in den Figuren entsprechende Bauteile sind mit denselben Bezugszeichen versehen.

Um eine bessere mechanische Abstützung des in die Ausnehmung 60 eingeführten Stiftes 61 zu erreichen, ist dieser mit einer Stützstruktur 70 umgeben, die mit der Hauptfläche 58 des Drucksensors 50 verbunden ist. Bei diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel erfolgt die Verbindung der Stützstruktur 70 mit der Hauptfläche 58 durch Klebung.

Auf die verschiedenen möglichen Formen der Stützstruktur 70 wird im folgenden näher eingegangen. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Stützstruktur 70 kegelförmig und ummantelt den Kontaktstift 61, wie es in Fig. 2 zu sehen ist.

Abhängig von der Beschaffenheit, insbesondere den elektri­ schen Eigenschaften, der Hauptfläche 58 kann es notwendig sein, die Stützstruktur 70 aus einem isolierenden Material zu bilden, um beispielsweise einen Kurzschluß zu vermeiden.

Die oben beschriebene Stützstruktur kann entweder nach der elektrischen Kontaktierung des Kontaktstiftes, d. h. nach dem Einbringen des Kontaktstiftes 61 in die Ausnehmung 60, auf­ gebracht werden, oder sie kann bereits vorher mit dem Kon­ taktstift 61 verbunden werden, wodurch sich ein "Verbinder" ergibt.

Bei der Beschreibung der nachfolgenden Ausführungsbeispiele wird angenommen, daß die Stützstruktur 70 und der Kontakt­ stift 61 als Verbinder ausgebildet sind. Ferner wird für die weitere Beschreibung eine Stützstruktur verwendet, deren Querschnittsfläche im wesentlichen trapezförmig ist, wie es in Fig. 2 dargestellt ist.

Fig. 3 zeigt eine geschnittene Draufsichtsdarstellung des Drucksensors aus Fig. 2, der eine Mehrzahl von Kontaktstiften 61a-61g aufweist, die von der Stützstruktur 70 umgeben sind.

Um eine elektrische Kontaktierung der Kontaktstifte 61a-61g zu ermöglichen, ist auf der der Hauptfläche 58 abgewandten Seite der Stützstruktur 70 eine Kontaktierungseinrichtung 72 vorgesehen, die bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ein Flachbandkabel ist. Durch das Flachbandkabel 72 und über die Kontaktstifte 61a-61g wird der Drucksensor 50 beispielsweise mit einer Leistungsversorgungsquelle und einer Auswertungs­ schaltung verbunden.

Nachdem in Fig. 3 bereits eine Mehrzahl von Kontaktstiften 61a-61g dargestellt sind, werden nun anhand der Fig. 4 und 5 unterschiedliche Formen der Ausnehmungen 60 beschrie­ ben, die diese Kontaktstifte 61a-61g aufnehmen.

Bei dem Ausführungsbeispiel in Fig. 4 erfolgt die Aufnahme der Kontaktstifte 61a durch eine Mehrzahl einzelner Ausnehmungen (60a-60d), die bei dem dargestellten Ausfüh­ rungsbeispiel eine rechteckige Form aufweisen.

Es ist offensichtlich, daß auch andere Formen, beispiels­ weise runde Formen, der Ausnehmungen 60a-60d möglich sind.

In Fig. 5 erfolgt die Kontaktierung der Kontaktstifte 61 mittels eines Kanals 60, der eine Mehrzahl von von­ einander getrennten Kontaktbereichen (nicht dargestellt) aufweist, so daß das Kontaktieren verschiedener Leiterbahnen durch verschiedene Kontaktstifte ermöglicht ist.

Neben der elektrischen Kontaktierung einer Chipstruktur kann es ebenfalls erforderlich sein, bestimmte Medien der Chip­ struktur zuzuführen. Dies ist beispielsweise bei dem in Fig. 6 dargestellten Drucksensor 50 notwendig, um einen vorbe­ stimmten Referenzdruck in den Drucksensor einzuleiten.

Um eine Medienzuführung in den Sensor 50 zu ermöglichen, weist dieser eine weitere Ausnehmung 74 auf, die sich bei dem in Fig. 6 dargestellten Ausführungsbeispiel durch die Schicht 52 erstreckt. Um das Medium dem Drucksensor zuzu­ führen, ist ein Zuleitungsrohr 76 vorgesehen, das mit der Ausnehmung 74 Eingriff nimmt.

Zur Halterung dieses Zuleitungsrohres umfaßt die Stützstruk­ tur einen Abschnitt 78, der im wesentlichen die gleiche Form wie der Rest der Stützstruktur 70 aufweist. Dieser Abschnitt 78 umhüllt das Zuleitungsrohr 76 und stützt dieses dadurch.

Es ist offensichtlich, daß abhängig vom Ort der Ausnehmung 74 die Stützstruktur 70 eine beliebig geartete Form auf­ weist, um sowohl die Medienzuführung bzw. Medienabführung als auch die elektrischen Kontaktierungen zu stützen.

Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel in Fig. 6 sind die Medienzuführung 76, die Kontaktstifte 61a-61e und die Stütz­ struktur als Verbinder ausgeführt, d. h. beim Kontaktieren und beim Anschluß der Medienzufuhr erfolgt gleichzeitig die Abstützung dieser Elemente.

Es ist offensichtlich, daß die Anwendung der Stützstruktur nicht auf Drucksensoren, wie sie in Fig. 1 bis 6 be­ schrieben wurden, beschränkt ist, sondern daß jegliche an­ dere Form von Sensoren und Chipstrukturen durch die oben beschriebene Kombination der Kontaktstifte und der Stütz­ struktur kontaktiert werden können.

Als Beispiel ist in Fig. 7 ein thermischer Sensor 100 dar­ gestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel entspricht die Stützstruktur 70 derjenigen, die in den vorherigen Figuren beschrieben wurde. Der dargestellte thermische Sensor umfaßt in seiner Schicht 51 eine Ausnehmung 53, durch die in der Schicht 51 ein Membranbereich 54 definiert ist.

Die Art der Kontaktierung, d. h. das Vorsehen der Ausnehmung 60 der Kontaktstifte 61a-61c und der Kontaktstreifen 52 bzw. 56 entspricht im wesent­ lichen der Kontaktierungsart, wie sie anhand der Fig. 1 bis 6 beschrieben wurde.

Anhand der nachfolgenden Figuren wird im folgenden erläu­ tert, daß die vorliegende Erfindung nicht auf zweischichtige Chipstrukturen beschränkt ist.

In Fig. 8 ist eine beliebige Chipstruktur 200 dargestellt, die drei Schichten 202, 204 und 206 umfaßt. Zwischen diesen Schichten ist jeweils ein Abstandshalteteil 208 vorgesehen. Jede der Schichten umfaßt eine Ausnehmung 202a, 204a und 206a. Die Stützstruktur 70 und die Kontaktstifte 61a-61e sind auf einer Hauptfläche 206b der Schicht 206 angeordnet und die Kontaktstifte 61a-61e erstrecken sich durch die Aus­ nehmungen 206a, 204a und 202a, wobei in der Ausnehmung 202a das Klemmen des Kontaktstiftes 61a erfolgt.

Die übrigen Kontaktstifte können sich entweder ebenfalls bis zur Schicht 202 erstrecken, oder sie werden bereits in einer der Schichten 204 bzw. 206 kontaktiert.

Bei diesem Ausführungsbeispiel sind diejenigen Ausnehmungen, bei denen keine Kontaktierung des Kontaktstiftes 61a er­ folgt, z. B. die Ausnehmungen 204a, 206a mit einem Isola­ tionsmaterial 210 gefüllt, um eine Kontaktierung des Kon­ taktstiftes 61a sicher zu vermeiden.

Neben der Verwendung einer Stützstruktur 70 ist die Verwen­ dung mehrerer Stützstrukturen ebenfalls möglich. In Fig. 9 ist eine beliebige Chipstruktur 300 dargestellt, die drei Schichten 302, 304 und 306 umfaßt, die jeweils durch einen Abstandshalteteil 308 voneinander getrennt sind. Die Schicht 306 weist eine Ausnehmung 306a auf, in der der Kontaktstift 61a eingeklemmt ist, der von der Stützstruktur 70 gestützt wird. Die Stützstruktur 70 ist auf einer Hauptfläche 306b der Schicht 306 angeordnet.

Die Schichten 302 und 304 weisen jeweils eine Ausnehmung 302a und 304a auf. Auf einer Hauptfläche 302b der Schicht 302 ist eine weitere Stützstruktur 70′ angeordnet, die einen weiteren Kontaktstift 61′a stützt. Dieser Kontaktstift 61′a erstreckt sich durch die Ausnehmung 302a und wird in der Ausnehmung 304a eingeklemmt und damit kontaktiert.

Wie bereits anhand von Fig. 8 beschrieben wurde, ist auch bei diesem Ausführungsbeispiel die Ausnehmung 302a mit einem isolierenden Material 302c gefüllt, um eine Kontaktierung des Kontaktstiftes 61′a in der Ausnehmung 302a wirksam zu vermeiden.

Es ist offensichtlich, daß die erfindungsgemäße Vorrichtung auf andere Chipstrukturen anwendbar ist, wie z. B. auf Sen­ soren, Aktoren oder Systeme aus Sensor/Aktor oder auf inte­ grierte Schaltungen, die eine elektrische Leistungszuführung und/oder eine Medienzuführung (Gas, Flüssigkeit) erfordern.

Beispiele für solche Sensoren sind Durchfluß-, Strömungs-, Temperatur-, Druck-, Kraft-, Beschleunigungs-, Strahlungs- Sensoren oder Sensoren mit Anwendungen im thermischen, che­ mischen und biochemischen Bereich. Beispiele für Aktoren sind Pumpen oder Ventile.

Im allgemeinen hat die Mediumzuführung entweder den Zweck eine zu pumpende oder zu messende Flüssigkeit (oder Gas) zu transportieren, d. h. in den Sensor hinein oder aus diesem heraus, oder sie soll eine Temperatur-stabilisierende Flüs­ sigkeit (oder Gas) in den mehrschichtigen Sensor befördern.

Die elektrische Zuführung dient zur Energieversorgung des Aktors/Sensors, um dessen Betrieb zu ermöglichen, und ferner dient diese dazu, die vom Aktor/Sensor/System erzeugten Si­ gnale auszugeben.

Im Fall von integrierten Schaltungen ist es möglich, eine Kühlung der ICs über eine der oben beschriebenen Ausnehmun­ gen zuzuführen und durch eine weitere Ausnehmung wieder her­ auszuführen.

Der Begriff "Chipstruktur" im Sinne der vorliegenden Be­ schreibung und der Ansprüche umfaßt einen Sensor und/ oder einen Aktor und/oder einen IC.

Claims (10)

1. Chipstruktur mit einer Vorrichtung zum Kontaktieren und Halten derselben, wobei die Chipstruktur mindestens eine Kontaktstelle aufweist, mit Kontaktmitteln zum Erzeugen einer klemmenden Verbindung zwischen der Kontaktstelle der Chipstruktur und einem Kontaktelement, wobei das Kontaktelement als Kontaktstift gebildet ist, und eine Ausnehmung in der Chipstruktur ausgebildet ist, an deren Wandung die Kontaktstelle angeordnet ist, wobei die Wandung derart ausgestaltet ist, daß sie eine klemmende Verbindung mit dem Kontaktstift bei dessen Einführung in die Ausnehmung bildet, durch die die Kontaktstelle gegen den Kontaktstift angepreßt wird, nach dem deutschen Patent 43 45 219, gekennzeichnet durch eine Abstützstruktur (70) in einem Bereich des Kontakt­ stiftes (61), die den Kontaktstift (61) gegenüber der Chipstruktur (50; 100; 200; 300) mechanisch abstützt.

2. Chipstruktur mit einer Vorrichtung zum Kontaktieren und Halten derselben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Abstützstruktur (70; 70′) aus einem isolierenden Mater­ ial hergestellt ist.

3. Chipstruktur mit einer Vorrichtung zum Kontaktieren und Halten derselben nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Abstützstruktur (70, 70′) kegelförmig ist und den Kon­ taktstift (61) umgibt.

4. Chipstruktur mit einer Vorrichtung zum Kontaktieren und Halten derselben nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Abstützstruktur (70, 70′) einen im wesentlichen trapez­ förmigen Querschnitt aufweist und den Kontaktstift (61) umgibt.

5. Chipstruktur mit einer Vorrichtung zum Kontaktieren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstützstruktur (70) auf ihrer von der Chipstruktur (50) abgewandten Seite eine Kontaktierungseinrichtung (72) für den Kontaktstift (61) aufweist.

6. Chipstruktur mit einer Vorrichtung zum Kontaktieren und Halten derselben nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktierungsvorrichtung ein Flachbandkabel (72) ist.

7. Chipstruktur mit einer Vorrichtung zum Kontaktieren und Halten derselben nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmung (60; 202a, 204a, 206a; 302a, 304a, 306a) rund oder rechteckförmig ist.

8. Chipstruktur mit einer Vorrichtung zum Kontaktieren und Halten derselben nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmung (60) als länglicher Kanal ausgebildet ist.

9. Chipstruktur mit einer Vorrichtung zum Kontaktieren und Halten derselben nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstützstruktur (70) mit einer Mehrzahl von Kontakt­ streifen (61a-61g) verbunden ist.

10. Chipstruktur mit einer Vorrichtung zum Kontaktieren und Halten derselben nach einem der Ansprüche 1 bis 9, da­ durch gekennzeichnet, daß die Abstützstruktur (70) durch eine Klebung oder Bondung mit der Chipstruktur (50; 100; 200; 300) verbunden ist.