JP2009516159A - センサ、センサエレメントおよびセンサの製造方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、センサによって供給される絶対的な測定値の長時間安定性が損なわれることなく、とりわけ絶対値の測定用のセンサを低コストかつ技術的に簡単な従来のタイプのプラスチックケーシングに挿入できる、センサ、センサエレメントおよびセンサの製造方法とを開示する。とりわけ、センサ素子の信号を評価するアプリケーション固有の半導体素子上のセンサ素子の配置によって、パラメータのパラメータドリフトおよびオフセットが引き起こされる。これらはフリップチップ接続によって接続されている。機械的負荷、熱負荷および湿度負荷は、適切な量のゲルをプラスチックケーシングに挿入することによって阻止されて補償される。

Description

従来技術
電子装置が交通技術に、とりわけ自動車技術にますます入り込むにつれ、自動車工業におけるセーフティ要素および快適性要素をさらに良好に確立できるようにするためには、支援するセンサの必要性がますます上昇する。ここでは、回転速度センサおよび加速度センサに特別な意義が与えられる。このようなセンサを介してたとえば、自動車の安定性を保証するための監視機能および制御機能を保証することができる。このことはたとえば、広く知られているエレクトロニックスタビリティプログラム（ＥＳＰ）によって実現される。このようなプログラムが動作するのを可能にするためには、該プログラムに相応に信頼性を有するセンサデータを供給し、自動車のその時点の運転状態を評価して相応に適切な監視手段および制御手段を開始できるようにしなければならない。

特に、たとえばエアバッグトリガの領域で、交通事故時ないしは所定の強度の定義された衝突時に加速度センサが使用される。この加速度センサは、所定の減速度が検出された場合にエアバッグをトリガする。別の例に、エレクトロニックスタビリティプログラムによってクリティカルな状況が識別された場合に自動車のカーブ速度を検出して個々のホイールで相応にコーディネートされた制動過程を開始する回転速度センサがある。

しばしば、マイクロメカニカル部品として製造されたセンサを使用することが多い。ＤＥ１０１０４８６８に加速度センサの一例が記載されている。ここでは、このような部品の相応の製造方法も記載されている。

回転速度センサおよび加速度センサとして構成された上記のセンサ素子の中には、次のようなセンサ素子、すなわち、相対量のみが検出されて絶対量は検出されず、部品の動作パラメータのオフセット精度すなわちドリフトに関する精度はこの適用例では著しくないセンサ素子が幾つか存在する。というのも、センサ情報を評価するために相対量が検出され、評価結果で相応のパラメータシフトが相殺されるか、または大きく作用することがないからである。このようなパラメータシフトの原因の例に、使用される部品の温度変動、熱膨張係数の変動、ケーシング内への湿度侵入があり、これらも、センサ測定のパラメータと、センサがケーシング内に取り付けられた場合に生じる張力とに影響する。

たとえばＰＬＣＣ（Plactic Leaded Chip Carrier）、ＳＯＩＣ（Small Outline IC）、ＱＦＮおよびＳＯ（Small Outline）等である低コストのプラスチックケーシングは、センサアプリケーションでは欠点を有する。このようなケーシングは、たとえば機械的負荷の形態である妨害影響を生成する。この機械的負荷は、プラスチック‐シリコンの材料の組み合わせと、これらの材料の異なる熱膨張係数とによって引き起こされる。

また、このようなケーシングの不都合な特性は、該ケーシング内に配置されて共働するコンポーネントの相互作用に悪影響を与えることもある。

このことはたとえば、ケーシング内に配置されたセンサと、該センサの測定データを処理して後続の評価のために調製する半導体素子との間の相互作用に当てはまる。たとえばプラスチックケーシングでは、経時吸湿性および温度効果を有するプラスチックまたはゲル材料が重要な役割を果たす。周辺環境のこのような変化によって、包囲されている素子の出力にパラメータドリフトが引き起こされる。このことは特に、加熱、経時作用、ヒステリシスに関して当てはまる。

現在の技術を使用すると、プラスチックパッケージを使用する場合にオフセット耐性のセンサに対し、ドリフト耐性の高い要求が課されることはない。特にこのことは、センサ素子の温度かつ寿命に関して当てはまる。その代わり、最終製品を高コストにすることにもなる非常に高価なケーシング、たとえばセラミックケーシングを使用しなければならない。したがって、低コストで製造できる次のようなセンサ素子、すなわち、高い長時間安定性を有し、実際にはオフセットを有さず、寿命全体にわたって絶対的な測定量に関して高い測定精度を提供するセンサ素子、とりわけマイクロメカニカルセンサ素子の必要性が大きくなる。

本発明の基礎となる課題は、次のようなセンサ、センサエレメントおよびセンサの製造方法、すなわち、技術的に簡単な従来のケーシングによって実現でき、かつ公知の従来技術の欠点を有さないセンサ、センサ素子およびセンサの製造方法を提供することである。

前記課題は、請求項１の構成によるセンサエレメントと、請求項１０の構成によるセンサの製造方法と、請求項１５の構成によるセンサとによって解決される。

従属請求項に本発明の有利な実施形態が記載されている。

本発明によるセンサエレメントにおいて特に有利には、センサ素子および所属の担体エレメントは相互に積層されて配置され、短い接続部を介して相互に接続されている。この所属の担体エレメントは、有利にはアプリケーション固有の半導体素子の形態の所属の評価電子回路の形態で設けられている。このようにして、能動素子間の接続経路は短くなり、センサ情報の評価に悪影響を与え接続ワイヤを介して引き起こされる容量性の影響が低減される。

有利には、このような構成の中間領域に弾性のバッファエレメントが配置され、とりわけ接着材クッションが配置される。これはセンサ素子を固定すると同時に、その弾性に起因して機械的な周辺影響からセンサ素子を分離する。

有利には、本発明による構造の発展形態による第１の接続部はフリップチップ形式で形成される。

有利には、センサエレメントを外部に電気的に接続する際にのみ、ボンディングワイヤを使用する。このことによって、複雑な製造ステップが最小限に縮小される。

有利には、本発明によるセンサエレメントの発展形態ではセンサ素子の部分領域に、感度を有するセンサ素子の領域において熱的および機械的な影響を補償するゲルがコンタクトする。このようにして、センサ素子の測定結果の長時間安定性が保証され、プラスチックケーシングにもかかわらずケーシング内部において高い機械的安定性が保証される。というのも、ゲルは機械的および熱的な負荷を均質に分布させるからである。

有利には、ゲルはプラスチックケーシングにもコンタクトする。というのもこのようにして、熱的かつ機械的な負荷の最適な補償が実現されるからである。

有利には、ゲルは担体エレメントにもコンタクトする。というのもこのようにして、ケーシング内部に存在する素子に対して、ケーシング内部の条件がより良好に適合され、熱的かつ機械的な負荷の補償がさらに最適に実現されるからである。

有利には、フリップチップ接続部はボールグリッドアレイとして形成される。というのも、ボールグリッドアレイの優良さは実証されており、部品間に良好な接続が形成されるからである。

有利には、センサ素子と評価機能を有する担体エレメントとの間をコンタクトするために導電性接着材が使用される。ここで有利には、この導電性接着材は異方導電性の接着材でもある。

有利には、センサ素子はリフローはんだによって担体エレメントにはんだ付けされる。というのもこのようにして、チップエレメント間の接続領域に長時間影響が生じなくなるからである。

特に有利には、本発明のセンサエレメントの発展形態では、センサ素子はマイクロメカニカルセンサ素子として構成される。というのも、このようなセンサ素子の測定は高精度であり、このようなセンサ素子は低コストで量産できるからである。

特に有利には本発明のセンサ構造体の発展形態では、担体エレメントは、第１のセンサ素子のセンサ情報を処理するためのアプリケーション固有の半導体素子として構成される。というのもこのようにして、センサの両構成部分を相互に最適に整合することができ、それぞれの素子に課される機械的および熱的および電気的な長時間安定性に関する特別な要求が特に考慮されるからである。

本発明によるセンサの製造方法において有利には、センサ素子と、有利には評価半導体素子の形態で設けられた担体エレメントとから成り高精度で測定する長時間安定性の構造が得られることが保証される。ここで有利には、評価半導体素子はボンディングワイヤを介して外部に、チップケーシングの接続ピンに接続されるだけであるが、低コストかつ技術的に簡単なプラスチックケーシングを使用することができるようになる。このことに関しては、感度を有するセンサ素子と所属の評価半導体素子との間に形成された接続経路を可能な限り短くすることにより、センサ情報が劣化されず、構成の高い長時間安定性が保証されるようにすることも重要である。

有利には本発明の製造方法の発展形態では、プラスチックケーシング内部の構造体の部分領域をゲルによって包囲する。というのも、ゲルによって熱的および機械的な補償が実現され、機械的負荷を均質に分布し、ドリフトを引き起こす外部影響が良好に遮蔽されることで、センサパラメータの高い長時間安定性が保証されるからである。

多かれ少なかれゲルと、ゲル量に適合されたケーシングの内部容積とを使用し、ケーシング内に適切な切欠部を設けることにより、ケーシングの内部構成をその時点の使用要件に適合することができる。

有利には、高感度のセンサ素子のみにゲルをコンタクトし、センサ素子とボンディングワイヤの領域とをゲルによって包囲するか、または、センサ素子の周辺領域全体と半導体素子の周辺領域全体とボンディングワイヤの周辺領域全体とをゲルによって包囲することができる。ゲルの量と該ゲルによってコンタクトされる素子の量とが増加する程度に応じて、既存の周辺条件に対する良好な適合が実現され、負荷がより均質に分布されて引き出される。

本発明の製造方法において有利には、たとえばボールグリッドアレイの形態であるフリップチップ接続部が使用される。というのも、このような接続部の長時間安定性を脅かすことなく、センサ素子と評価担体エレメントとの間で、確実なコンタクトと、脆弱なセンサ信号の伝送とが実現されるからである。

本発明による製造方法にしたがって製造されるセンサは特に有利である。というのも、本発明による製造方法によって次のようなセンサ、すなわち、高い長時間安定性を有し、低コストのケーシングを使用し、寿命全体にわたって精確な測定結果を提供するセンサが構成されることが保証されるからである。

有利には、１つの発展形態のセンサは慣性センサとして構成される。その理由は、この市場区分において需要が大きく、このようなセンサを低コストのセンサとして、自動車分野で良好に使用できるからである。

以下で本発明の実施例を、図面に基づいて詳細に説明する。

図１ 従来技術によるセンサシステムの平面図である。

図２ 従来技術によるセンサシステムの側面図である。

図３ 本発明の実施例によるセンサエレメントの原理図である。

図４ 本発明によるセンサエレメントの実施例を示す。

図５ 本発明によるセンサエレメントの別の実施例を示す。

図６ 本発明によるセンサエレメントの別の実施例を示す。

図１および２に示されているように、センサ素子と、該センサによって測定されたデータの情報の評価に使用される半導体素子とは、共通のケーシング１４内に相互に隣接して配置されている。評価電子回路１１の形態の半導体素子は、１つまたは複数のボンディングワイヤ１２を介してセンサ素子１０に接続されている。この例では、低いｇ領域用の加速度センサが示されている。ここでは、カスタマ固有に構成された半導体素子がセンサ情報を処理し、センサ素子は表面マイクロメカニカル技術によって形成されている。センサ素子１０はここでは、容量評価を使用して測定を行う。この点では、センサ素子１０および評価電子回路１１との間にボンディングワイヤ１２を介して電気的に形成される接続部は不都合である。というのも、ボンディングワイヤは付加的な寄生容量を形成し、センサの振舞いに直接影響を与えるからである。

図３は、本発明によるセンサエレメントの実施例を示す。この実施例では、マイクロメカニカルセンサ素子としてたとえば櫛状構造で形成されたセンサ素子は、１つの担体エレメント上に垂直に配置されている。有利には担体エレメントは、アプリケーション固有の半導体素子１１の形態の評価電子回路によって構成されている。図３および４に示されているように、センサ素子１０および担体エレメント１１は接着材１３を介して相互に接続されている。有利には接着材は、弾性クッションの形態で形成され、これは弾性によって、感度を有するセンサ素子１０を機械的負荷から分離する。さらに図３には、センサ素子１０と担体エレメント１１との間にフリップチップ接続部１９が明らかに見て取れる。これを介して、両構成部品間の電気的接続部が形成される。

このクッションはこの実施形態では、たとえばセンサ素子１０と担体エレメント１１との異なる熱膨張係数によって熱的負荷時に生じる機械的な張力が該クッションによって補償されるように形成されている。

フリップチップ接続部として、たとえばボールグリッドアレイが高信頼性であることが実証されている。これはリフローはんだによってはんだ付けされるか、または特別な特性を有する接着材によって接続部を提供する。たとえば、接続接着材を異方導電性とするか、または硬化中に収縮することにより、ボールグリッドアレイのボールは相応の対向するコンタクト面に引きつけられ、コンタクト部が確実に形成される。また、非導電性の接着材を介して接続部を形成することもできる。その際には、センサのコンタクトにいわゆるバンプを設け、ワイヤボンディング法で取り付けた後、ボンディング場所で直接引きちぎる。バンプはたとえば、アルミニウムまたは金ワイヤを有することができる。基板上、この場合には評価電子回路ＩＣ上に接着材を被着し、該接着材を介してチップをボンディングする。この場合には、乾燥時に収縮する接着材を使用して、バンプが半導体素子のコンタクト面に引きつけられるようにすることで、確実な接続を行うことが重要である。

図４は、本発明によるセンサの実施例を示す。ここで明らかに見て取れるように、ボンディングワイヤ１２が設けられている。このボンディングワイヤ１２は、有利には半導体素子１８として設けられた担体エレメントと、チップケーシング１５の外部コンタクトとを接続する。感度を有するセンサ素子１７はここでは、担体エレメント上に配置された評価電子回路上に垂直に配置されており、これと電気的に接続されている。また、プラスチックケーシング１５のドーム状の切欠部内にもゲル領域１６が存在することも、明らかに見て取れる。このゲル領域１６はこの実施例の場合、センサ素子上にのみ存在し、このゲルによって熱的および機械的な補償が実現され、熱的および機械的な負荷はプラスチックケーシング１５へ直接伝導される。

図５に、本発明による別のセンサエレメント例が示されている。ここでは、図４と同一または同機能の構成部分には、同一の参照番号が付されている。ここでは、センサ素子１７と、評価半導体素子１８を有する担体エレメントとの領域内に、比較的大きなゲル領域１６が形成されている。ここでは、プラスチックケーシングのドーム状の切欠部がゲルを収容し、センサ素子１７を包囲し、かつ担体エレメント１８の表面も完全または部分的に被覆することにより、これらの構成要素間の熱負荷が機械的負荷と同様にゲル１６を介して補償され、ケーシング１５、センサ素子１７および評価回路１８との結合で最適に伝達される。

このようなゲルの一例として、たとえばシリコーンゲルが使用される。シリコーンゲルを使用することができるのは、このシリコーンゲルは優れた流動性（Fliessbarkeit）を有し、微細なスペースを充填することができると同時に、非常に良好な粘性付着力と封止特性と耐液性とを有し、高い耐衝撃性も兼ね備えているからである。シリコーンゲルは軟質であることにより、小さい圧力または小さい質量を加えることで変形することができる。弾性が小さいので、熱膨張により形成される張力が回避される。

図６は、本発明によるセンサエレメントの別の実施例を示す。図６でも、上記の各図と同じ参照記号の構成要素は、同じ機能を果たす。

図６で明らかに見て取れるように、この実施形態は図４および５と比較して非常に大きなゲル領域１６を有し、それとは逆に、プラスチックケーシング１５が占有する領域は非常に小さい。この実施形態で特徴的なのは、評価機能を有するアプリケーション固有の回路は担体エレメント１８上に設けられ、かつ感度を有するセンサ素子１７はゲルによって包囲されていることにより、最適な温度補償が行われ、外部からケーシングを介してセンサ構造体に及ぼされる機械的負荷がゲルによって補償され、補整されて伝達されることである。

つまり要約すると、本発明によるセンサエレメントの構成によって、高い測定精度と技術的に簡単な構成および高い長時間安定性とを両立させる長時間安定性のセンサが得られ、このようなセンサによって供給される絶対値、たとえば加速度値は寿命全体にわたって安定的になる。 とりわけ本発明によるセンサは、プラスチック、ゲルによる影響、または信号経路におけるボンディングワイヤの領域に誘電率の変化または異なるボンディングワイヤ間隔または湿度シャントとして現れる機械的負荷による影響、または機械的に分断される恐れのある露出された非常に高感度のボンディングワイヤによる影響に対して耐性であるという利点を有する。このことは有利には、センサの接続部と評価半導体素子と間の領域にフリップチップ技術による電気的接続を使用することが重要である。

従来技術によるセンサシステムの平面図である。 従来技術によるセンサシステムの側面図である。 本発明の実施例によるセンサエレメントの原理図である。 本発明によるセンサエレメントの実施例を示す。 本発明によるセンサエレメントの別の実施例を示す。 本発明によるセンサエレメントの別の実施例を示す。

Claims (16)

1. センサエレメントにおいて、
   センサ素子（１７）と担体エレメント（１８）とが相互に積層されており、中間領域において接続方式（１９）によって相互に電気的に接続されており、
   該センサ素子（１７）および担体エレメント（１８）とがケーシング（１５）によって包囲されていることを特徴とする、センサエレメント。
2. 前記中間領域に弾性バッファが配置されており、
   該弾性バッファは、とりわけ接着材クッション（１３）の形態である、請求項１記載のセンサエレメント。
3. 前記接続方式（１９）はフリップフロップ接続として実施される、請求項１または２記載のセンサエレメント。
4. 前記担体エレメント（１８）はボンディングワイヤ（１２）を介して、該担体エレメント（１８）を前記ケーシング（１５）に貫通させて外部コンタクト面に電気的に接続する外部コンタクトに接続されている、請求項１から３までのいずれか１項記載のセンサエレメント。
5. 前記センサ素子（１７）の少なくとも１つの部分領域と前記ケーシング（１５）との間にゲル（１６）が配置されている、請求項１から４までのいずれか１項記載のセンサエレメント。
6. 前記ゲルは前記センサ素子を包囲し、前記担体エレメントの表面を少なくとも部分的に被覆する、請求項５記載のセンサエレメント。
7. 前記ゲルは前記担体エレメント（１８）およびセンサ素子を包囲する、請求項５または６記載のセンサエレメント。
8. 前記センサ素子（１７）はマイクロメカニカルセンサ素子である、請求項１から７までのいずれか１項記載のセンサエレメント。
9. 前記担体エレメント（１８）は、前記センサ素子（１７）のセンサ信号を処理するためのアプリケーション固有の半導体素子を含む、請求項１から８までのいずれか１項記載のセンサエレメント。
10. センサの製造方法において、
    ・センサ素子（１７）を製造するステップと、
    ・担体エレメント（１８）を製造するステップと、
    ・該センサ素子（１７）と担体エレメント（１８）とをフリップチップ方式（１９）にしたがって相互に接続するステップと、
    ・該センサ素子（１７）および担体エレメント（１８）をケーシング（１５）に挿入するステップ
    とを有することを特徴とする製造方法。
11. ボンディングワイヤ（１２）を介して前記担体エレメント（１８）を、外部コンタクト面に対する電気的接続部に接続する、請求項１０記載の製造方法。
12. 前記ケーシング（１５）と前記センサ素子（１７）の少なくとも一部との間にゲル（１６）を配置する、請求項１０または１１記載の製造方法。
13. 前記ゲル（１６）は前記センサ素子（１７）を包囲し、前記担体エレメントの表面を少なくとも部分的に被覆する、請求項１２記載の製造方法。
14. 前記ゲルが前記センサ素子（１７）と前記担体エレメント（１８）とを包囲するように、該ゲルを配置する、請求項１２または１３記載の製造方法。
15. 請求項９から１３までのいずれか１項記載の製造方法によって製造されたセンサ。
16. 慣性センサとして構成された、請求項１４記載の製造方法によるセンサ。

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