JP2009505088A - 基板とケーシングとを備えたセンサ配置構造およびセンサ配置構造を製造する方法 - Google Patents

Abstract

基板とケーシングとを備えたセンサ配置構造ならびにセンサ配置構造を製造する方法が提案されており、ケーシングが、基板を第１の基板領域でほぼ完全に包囲しており、ケーシングが、第２の基板領域で開口によって少なくとも部分的に開放して設けられており、開口の領域で、第２の基板領域が、ケーシングから突出して設けられている。

Description

本発明は、独立請求項の上位概念に記載の形式の、基板とケーシングとを備えたセンサ配置構造から出発する。ドイツ連邦共和国特許出願公開第１９９２９０２６号明細書から、圧力センサを製造する方法が公知であり、ここでは半導体圧力センサが、導体フレームの取付区分に取り付けられ、半導体圧力センサは、導体フレームのコンタクト区分と電気接続され、導体フレームは、半導体圧力センサと共に、射出成形型に挿入され、次いで半導体圧力センサは、射出成形型内で、成形材料から成るケーシングで包囲され、この場合射出成形型に、構成手段が設けられており、構成手段によって、被覆および成形材料から半導体圧力センサの圧力供給部が切り欠かれ、この場合プランジャが、射出成形型内で、ギャップによって、取付区分の、半導体圧力センサとは反対側に対して間隔を有して配置されている。これに対して選択的に、外側の媒体に対するアプローチを要するセンサ、たとえば圧力センサを、予備成形ケーシング内でパッケージングすることが公知である。このために先ずケーシング成形体が射出成形され、次いでチップが、既に予備製作されたケーシングに取り付けられ、次いで適当にコンタクトされる。いわゆる予備成形ケーシング成形体は、標準型成形ケーシングに対して高価であるので、既に記載の明細書によって、圧力センサを標準型成形ケーシングにパッケージングするよう試みられた。このためにたとえばプランジャなどによって、構成素子表面の部分領域が解放される。既に存在するあらゆるケーシング成形体では、センサエレメントは、プラスチック材料に少なくとも部分的に埋め込まれている。熱膨張によって、センサエレメントの特性曲線は大きく影響され得る。このことは異なる熱膨張係数によってセンサエレメントに負荷が生じることによって起こり得るので、測定エラーもしくは機能障害の原因となる。

独立請求項の特徴部に記載の構成を有する、本発明による基板とケーシングとを備えたセンサ配置構造もしくは本発明によるセンサ配置構造を製造する方法の利点によれば、センサ配置構造のアクティブなセンサ領域は、極めて良好に、ケーシングによって誘導される負荷作用から分離することができる。このために基板は、第１の基板領域と第２の基板領域とを備えており、この場合アクティブなセンサ領域、たとえば圧力センサダイヤフラムなどが、第２の基板領域に位置し、第２の基板領域は、ケーシングから突出して設けられている。第１の基板領域と第２の基板領域との間の移行領域において、ケーシングは、第２の基板領域で開口を備えている。第２の基板領域がケーシングから突出して設けられていることによって、ケーシングは、センサもしくはアクティブなセンサ領域を備えた基板が専ら片側で、つまり第１の基板領域の範囲で、成形材料もしくはケーシング材料に埋め込まれるように形成されている。このことは本発明によれば、たとえばセンサがビーム（梁）状に形成されていることによって達成される。したがって有利には、第２の基板領域に位置するセンサエレメントもしくはアクティブ領域を備えた基板は、専ら第１の基板領域でケーシングに埋め込まれている。さらに有利には、第１の基板領域および第２の基板領域は、一体的に結合されているか、もしくはケーシングによって包囲されている。これの意味するところによれば、第１の基板領域および第２の基板領域は、有利には連続する基板材料であり、この場合第１の基板領域と第２の基板領域との分割は、基板の一部がケーシングに埋め込まれており（第１の基板領域）、一部がケーシングから突出する（第２の基板領域）ことによって得られる。もちろん基板は、複合基板材料、たとえばキャップウェハを有する半導体基板、複合基板、ボンディング基板またはＳＯＩ基板などのような成長基板であってよい。さらに有利には、ケーシングとして射出成形材料が設けられている。これに関して、半導体素子もしくは一般的な電子素子のためのケーシングを準備するための実証された製造法が用いられ、特にトランスファ成形とも呼ばれるいわゆるトランスファモールド法（圧入成形法）が用いられる。この場合成形材料（モールドコンパウンド）から成るケーシングは、素子もしくは半導体センサ配置構造がケーシングに埋め込まれることによって製造される。

さらに有利には、ケーシングは、少なくとも基板の主平面上で間隔を有して第２の基板領域を部分的に包囲する。本発明によれば、これによって有利には、ケーシングから突出する第２の基板領域は、ケーシングに起因する機械負荷から保護され、しかも同時に第２の基板領域の範囲で基板から間隔を有して配置されたケーシング自体によって保護され、特に落下などによる外部作用力から保護される。さらに本発明によれば、有利には、第２の基板領域が、検出可能な単数または複数の値をセンシングするためのアクティブ領域を備えており、この場合単数または複数の値は、単に媒体とセンサ配置構造の少なくとも一部との少なくとも間接的なコンタクトによって検出可能である。したがって本発明によれば、有利には、一方ではアクティブセンサ領域は、圧力下で存在していてその圧力を測定される媒体たとえば液体にとって侵入可能であり、他方ではそれゆえ全体の、つまりアクティブ領域を備えた基板のケーシングを含むセンサ配置構造の安価で簡単かつ迅速な製造が本発明によって実現される。これに対して、つまりアクティブセンサ領域と媒体との間で形成される媒体コンタクトに対して選択的に、本発明によるセンサ配置構造は、もちろん媒体コンタクトが存在しないか、または不要である、たとえば慣性センサであるセンサ原理に用いることもできる。媒体コンタクトを必要としないそのようなセンサ原理でも、特に有利には、ケーシングから出発してアクティブセンサ領域に向かう応力伝達が大体において回避される。本発明によれば、さらに有利には、第１の基板領域は、電気コンタクトのためのコンタクト手段および／または回路手段を備えており、第１の基板領域と第２の基板領域との間の移行部において、基板に比較的低い感度を有する構造体が設けられている。そのような比較的感度の低い構造体は、たとえば第１の基板領域における回路部分から第２の基板領域におけるアクティブ領域に向かうコンタクトラインをガイドするか、もしくは提供する導体路である。これによって本発明によれば、出力損失などもしくは追加コストなしに、専ら本発明による半導体配置構造もしくはセンサ配置構造上に種々異なる機能領域を有利な形式で配置したことに基づいて、第１の基板領域から第２の基板領域に向かう正確な機能の移行部が実現され、つまり特に成形材料により第１の基板領域を射出成形で包囲する際に、射出成形型とセンサ配置構造の基板との間の効果的なシールが実現される。さらに有利には、第１の基板領域と第２の基板領域との間の移行部に、シール材料、特にゲルまたはシートが設けられている。これによって有利には、一方では射出成形型と基板との間の高い緊密性が得られ、他方では第１の基板領域と第２の基板領域との間の移行領域に存在する基板構造体の良好な保護が得られる。さらにこれによって移行領域で敏感な構造体を配置することもできるので、総じてセンサ配置構造の基板を製造するために要するチップ面積を低減することができる。

本発明の別の対象は、本発明によるセンサ配置構造の製造法であり、この場合特にケーシングは、射出成形による基板の包囲によって製造され、この場合基板は、単に第１の基板領域でケーシングによってほぼ完全に包囲される。残りの基板領域（第２の基板領域）は、ケーシングから突出する。この場合有利には、射出成形を行う際に、第１の基板領域と第２の基板領域との間で射出成形型をシールするために、射出成形型の一部が直に基板と接触するか、または射出成形を行う際に、第１の基板領域と第２の基板領域との間で射出成形型をシールするために、射出成形型の一部がシール材料に押し付けられる。この場合シール材料は、ケーシングを製造する際にセンサ配置構造に埋め込まれ、たとえば（第１の基板領域と第２の基板領域との間で）基板にシール材料を取り付けて、次いでケーシング材料を注入する、つまり次いでケーシングにシール材料を少なくとも部分的に埋め込む（ケーシングの製造時にシール材料を使用する）ことによって埋め込むことができる。これに対して選択的にシール材料は、射出成形型の一部であってよく、もしくは少なくともシールのために射出成形型の一部に取り付けてもよい（たとえばシールシートまたは軟性のシール材料として）。この場合シール材料は、少なくとも一部でケーシングに埋め込まれる。

本発明の実施例を図示して、以下に詳しく説明する。

図1には、本発明のセンサ配置構造１０を概略的に平面図で示した。センサ配置構造１０は、ケーシング３０と基板２０とを備えている。基板材料は、特に半導体材料として、もしくはたとえば様々な材料または同じ材料のウェハの複合基板として設けられている。以下に基板材料は、基板２０と記載する。基板２０は、第１の領域２１と第２の領域２２とを備えており、この場合第２の領域２２に、アクティブ領域２３が別個に形成されており、アクティブ領域２３は、本発明によるセンサ配置構造１０によって測定しようとする値をセンシングするため、もしくは検出するために役立つ。第２の基板領域２２で、第１の基板領域２１への移行領域に、ケーシング３０に開口３３が設けられているので、第２の基板領域２２は突出することができる。アクティブ領域２３によって検出される値は、特に第２の基板領域２２もしくは特にアクティブ領域２３と図示していない媒体との間の少なくとも間接的なコンタクトによって検出可能な値である。媒体は、たとえばガスであってよく、その圧力は、アクティブ領域２３としての圧力測定ダイヤフラムによって測定することができる。この場合媒体、たとえば空気または別のガスは、領域２３つまり圧力測定ダイヤフラムへのアプローチを有している。アクティブ領域２３へのアプローチは、本発明によれば、第２の基板領域２２がケーシング３０から突出して、第１の基板領域２１がケーシング３０に埋め込まれていることによって実現される。図１には、Ａ−Ａ線を示しており、この場合図２には、幾分か変化した本発明によるセンサ配置構造１０を図１のＡ−Ａ線に沿った断面図で概略的に示した。さらに図１から判るように、ケーシング３０から、特に接続エレメント３１、たとえばピンまたはコンタクト脚部などが突出している。また本発明によれば、コンタクトエレメント３１がケーシング３０から突出せずに、ケーシング３０の上面、下面および／または側面に、コンタクト面（図示していない）を設けてもよく、コンタクト面は、たとえばフリップ−チップ−マウンティングなどによる素子もしくはセンサ配置構造のコンタクトに役立つ。

図２には、本発明による、第１の基板領域２１と第２の基板領域２２とアクティブ領域２３とケーシング３０と開口３３とを備えたセンサ配置構造１０を示した。図２には、追加的に特別な実施例を例示しており、ここでは基板２０に対して追加的に別の基板２６が設けられており、別の基板２６は、たとえばアクティブな領域２３の信号を評価するための別の回路手段を備えている。このために基板２０と別の基板２６とは、特にボンディングワイヤ２７の構成をした接続線路２７によって相互接続されている。基板２０だけでなく別の基板２６も、たとえば図２の配置構造では、リードフレーム２５とも呼ばれるいわゆる導体フレーム２５上に配置されているか、もしくはリードフレーム２５に接着されるか、またはその他の形式で取り付けられる。

図３には、本発明によるセンサ配置構造を別の平面図で概略的に示しており、図３ではセンサ配置構造１０の内側が詳細に看取され、基板２０、第１の基板領域２１、第２の基板領域２２、アクティブ領域２３、別の基板２６およびボンディングワイヤ２７の他に、接続エレメント３１と別の基板２６とをコンタクトするための別のボンディングワイヤ３２が看取される。追加的に図３には、リードフレームもしくは導体フレーム２５を示した。

図４には、本発明によるセンサ配置構造１０の第２実施例を平面図で示した。ここでも基板２０は、第１の基板領域２１と第２の基板領域２２とを備えており、この場合第２の基板領域２２は、一方ではアクティブ領域２３を備えていて、他方では開口３３でケーシング３０から突出している。第１実施例とは異なって、ケーシング３０は、延長領域３５を備えており、延長領域３５は、実質的に基板２０の主平面上で第２の基板領域２２の周りに延びていて、ひいては第２の基板領域２２を、特に機械的な作用から保護する。この場合本発明によるセンサ配置構造の利点は、ケーシングの追加領域３５もしくは延長領域３５が第２の基板領域２２を保護して、たとえば異なる温度係数などによる機械的な力がセンサ配置構造の第２の基板領域２２、特にアクティブ領域２３に及ぼされないことによって得られる。これについては、延長領域３５が第２の基板領域２２に対して間隔を有していることに起因し、この場合間隔は図４において符合２４で示した。さらに図４にはＡ−Ａ線を示しており、図５は、図４のＡ−Ａ線に沿った断面図（幾分か異なるが）である。

図５には、既に述べた図４のＡ−Ａ線に沿った断面図（幾分か異なるが）であり、ここでも本発明によるセンサ配置構造１０は、基板２０と第１の基板領域２１と第２の基板領域２２とアクティブ領域２３と別の基板２６と延長領域３５と導体フレーム２５もしくはリードフレーム２５とを備えている。

図６には、本発明のセンサ配置構造の第３実施例を示しており、ここでも基板２０は、第１の基板領域２１と第２の基板領域２２とアクティブ領域２３とを備えており、この場合第１の基板領域２１と第２の基板領域２２との間の移行領域、つまり開口３３の領域に、シール材料２９が設けられており、シール材料２９は、センサ配置構造１０のケーシング３０を製造する際に使用され、第１の基板領域２１を射出成形で包囲するための装置の、図示していない射出成形型もしくは注型が、ケーシング材料と直接接触するか、もしくは第１の基板領域２１と第２の基板領域２２との間の移行領域で基板２０に直に押圧力を及ぼす必要がなく、シール材料２９に及ぼして、したがってこの基板領域に存在する構造物を、及ぼされる押圧力から保護する。したがってケーシング３０の材料は、射出成形で包囲しようとする領域（第１の基板領域２１）において、必要な圧力および必要な温度で導入することができ、さらにこれによって本発明によるセンサ配置構造１０の製作プロセスの速度に不都合な影響が及ぼされることはない。要するに基板２０の部分領域２１だけを射出成形で包囲する際の主な問題は、ケーシング３０の成形材料もしくは注入材料に対する型のシールが潜在的な問題を生じさせることである。トレランスに基づいて、シールの際に過剰にプレスする必要がある。なぜならば余剰のプラスチック材料（ばり）が、センサもしくは基板２０のアクティブ領域２３に流れて、そこで注入材料の不都合な堆積をもたらすからである。この問題を解決するために、本発明によれば、第１の基板領域２１と第２の基板領域２２との間の移行領域もしくは必要なシールの領域に、射出成形型によってアクティブな構造体が存在せずに単にプリント基板が存在するか、またはケイ素に型を直に押圧することによるシールが回避され、たとえばゲルまたはシートもしくはフィルムのような軟質材料によるシールが実現される。さらに本発明による別の構成によれば、必要なシールの領域に、アクティブもしくは敏感な構造体が設けられておらず、追加的に軟質材料（シール材料２９）によるシールが設けられている。シール材料２９は、本発明によれば、図６に示したように、ケーシング３０に埋め込む（つまり完成したセンサ配置構造１０に残る）か、または特に本発明の方法の、図示していない選択的な実施例では、単に射出成形型に設けることができるので、射出成形型は、シールのために、「硬質」材料で基板２０に押圧せずに、シートまたはゲルのような軟質材料で押圧する。後者の場合シール材料２９は、ケーシング３０に埋め込まれない（もしくは少なくとも大部分で埋め込まれない）。

この場合ケイ素側は、シールが困難である。なぜならば場合によっては角度の捻れがギャップ形成を助成するからである。この場合有利には、センサのアクティブ領域は、ビームもしくは基板領域２２で突出する基板２０の上面に配置されていて、したがってセンサの機能に関して、僅かな側方（つまり基板２０の側方の挟幅側）のばり形成は問題ではない。本発明によるセンサ配置構造１０の第３実施例は、もちろん第１実施例および／または第２実施例と組み合わせることができる。

本発明によれば、センサは、電子評価装置から分離されており、要するに図２、３および５で示したように、センサ配置構造１０の内側にいわゆる２チップモジュールが設けられており、またはセンサもしくは基板２０は、既に評価電子装置を備えていて、したがって別の基板２６は不要であるので、センサ配置構造１０は、１チップモジュールとして実現することができる。

本発明によるセンサ配置構造１０の第１実施例（図１、２および３）は、できるだけ小さな寸法のセンサ配置構造が所望されるか、またはたとえばバイオセンサなどのセンサエレメントが望ましくは流体または一般的に液体に含浸される場合に特に有利であり、センサ配置構造は、成形材料もしくはケーシング３０の注入材料に接触しない。第２実施例（図４および５）によるセンサ配置構造１０のケーシング成形体（ここではケーシング３０の延長領域３５が第２の基板領域２２のその周りでガイドされている）は、アクティブ領域２３を保護し、センサ配置構造１０のセンサエレメント２３もしくはアクティブ領域２３に掛かる機械作用から最大限保護する。本発明によれば、第２の基板領域２２は、ケーシングと、片側でしか接触しない（もしくは延長領域３５に全く接触しない）。ケーシング３０は、本発明によればピンもしくは接続領域を備えたケーシング成形体または最近のリードレス成形体であってよい。

本発明によるセンサ配置構造を概略的に示す平面図である。 図１のＡ−Ａ線に沿った、本発明によるセンサ配置構造を概略的に示す断面図である。 本発明によるセンサ配置構造の内側を詳しく示す平面図である。 本発明によるセンサ配置構造の第２実施例を概略的に示す平面図である。 図４のＡ−Ａ線に沿った、本発明によるセンサ配置構造の第２実施例を概略的に示す断面図である。 本発明によるセンサ配置構造の第３実施例を概略的に示す断面図である。

Claims (10)

1. 基板（２０）とケーシング（３０）とを備えたセンサ配置構造（１０）であって、
   ケーシング（３０）が、基板（２０）を第１の基板領域（２１）でほぼ完全に包囲しており、ケーシング（３０）が、第２の基板領域（２２）で開口（３３）によって少なくとも部分的に開放して設けられている形式のものにおいて、
   開口（３３）の領域で、第２の基板領域（２２）が、ケーシング（３０）から突出して設けられていることを特徴とする、基板とケーシングとを備えたセンサ配置構造。
2. 基板（２０）が、専ら第１の基板領域（２１）で、ケーシング（３０）に埋め込んで設けられている、請求項１記載のセンサ配置構造。
3. 第１の基板領域（２１）と第２の基板領域（２２）とが、一体的に形成されている、請求項１または２記載のセンサ配置構造。
4. ケーシング（３０）として、射出成形材料が設けられている、請求項１から３までのいずれか１項記載のセンサ配置構造。
5. ケーシング（３０）が、第２の基板領域（２２）を、少なくとも基板（２０）の主平面上で間隔を有して少なくとも部分的に包囲している、請求項１から４までのいずれか１項記載のセンサ配置構造。
6. 第２の基板領域（２２）が、媒体とセンサ配置構造の少なくとも一部との少なくとも間接的なコンタクトによって検出可能な単数または複数の値をセンシングするためのアクティブ領域を備えている、請求項１から５までのいずれか１項記載のセンサ配置構造。
7. 第１の基板領域（２１）が、電気コンタクトのためのコンタクト手段および／または回路手段を備えており、第１の基板領域（２１）と第２の基板領域（２２）との間の移行部において、基板（２０）に比較的感度の低い構造体が設けられている、請求項１から６までのいずれか１項記載のセンサ配置構造。
8. 第１の基板領域（２１）と第２の基板領域（２２）との間の移行部に、シール材料（２９）、特にゲルまたはシートが設けられている、請求項１から７までのいずれか１項記載のセンサ配置構造。
9. 請求項１から８までのいずれか１項記載のセンサ配置構造を製造する方法において、
   ケーシング（３０）を、基板（２０）を射出成形により包囲することによって製作し、基板（２０）が専ら第１の基板領域（２１）でケーシング（３０）によってほぼ完全に包囲されるようにすることを特徴とする、センサ配置構造を製造する方法。
10. 射出成形で包囲する際に、第１の基板領域（２１）と第２の基板領域（２２）との間で射出成形型をシールするために、射出成形型の一部を直に基板（２０）と接触させるか、または射出成形する際に、第１の基板領域（２１）と第２の基板領域（２２）との間で射出成形型をシールするために、射出成形型の一部をシール材料（２９）に押圧する、請求項９記載の方法。

Images