JP2009537802A - 振動の入力が低減されたチップケーシング - Google Patents

Abstract

本発明は、チップ構造を収容するためのプレモールドケーシングに関する。このプレモールドケーシングは、前記チップ構造（２）と接合されるケーシングの部分（１）が、前記ケーシング全体を支える支持構造に固定される前記ケーシングの別の部分（３）と、弾性に変位可能に結合されており、ここで前記チップ構造（２）と接合される前記ケーシングの部分（１）の変位を減衰させるための手段（５）が設けられていることを特徴とする。

Description

従来技術
本発明は、チップ構造、とりわけマイクロメカニカルセンサを収容するためのチップケーシングに関し、このチップケーシングは、チップ構造への振動の入力が低減されることを特徴としている。

電子構成素子およびマイクロメカニカルセンサは、規格化された工場生産の工程において、準備されたコンタクト手段を備えるケーシングの中に実装される。このコンタクト手段は、通常は導体路基板である大きい回路構造または別の支持体と基本的にしっかり固定されている。マイクロメカニカルセンサは応力に脆弱であるので、このセンサを実装するためにいわゆるプレモールドケーシングが定着してきた。プレモールドケーシングの基本構造は、センサ機能を備える本来のチップ構造とこのチップ構造を収容しているケーシングとが接合される前に、鋳造技術によって成型される。このため通常このチップ構造は、接着剤によってプレモールドケーシングの中央領域に接合される。例えばチップ構造の１つの面を、準備された空洞部の底部領域と接着することによって接合される。その後このケーシングは閉じられる。

とりわけ種々異なる加速度測定や運動測定のために使用されるマイクロメカニカルセンサを、障害的加速度から保護し、損傷または誤機能を回避しなければならない。このような障害的加速度は、当該構成素子への衝撃作用によって、または十分に減衰されていない支持構造を介した振動の入力によって、それぞれのセンサに影響を与えることもある。振動が入力する危険性は、とりわけセンサを自動車エレクトロニクスの分野に使用する場合に比較的高い。したがってこのような影響を、構造的手段によって小さく留めることが試みられる。

このような構造的手段には、とりわけ自動車製造においては、さほど障害的加速度にさらされない取り付け場所を選択すること、および障害的加速度に対して敏感な構成素子を支持する構成素子グループを、衝撃から守るようにして、ないしは振動を減衰させるようにして取り付けることが含まれる。衝撃を減衰させるようにして取り付けるためのコストは現在のところ比較的高い。なぜなら通常、導体路基板全体または組込装置全体を、自動車のその他の個所から振動技術的に隔離しなければならないからである。取り付け場所を障害的加速度による負荷の少ないところに限定することも、同様に高いコストと部分的に結びついている。なぜなら構成素子グループ全部または組込装置全体を、このマイクロメカニカルセンサを配置するために考えられる取り付け場所に配置することは不可能であり、望まれないことが多いからである。これによって、本来のセンサと後置接続された評価電子回路との間を接続するためのコストが格段に高くなることがある。したがってこれらの２つの解決手段は、望まれないコスト要因による負担がかかり、とりわけマイクロメカニカルセンサをカプセル化して使用する場合の融通性を制限してしまう。

発明の開示
技術課題
本発明の課題は、センサ素子を障害的加速度から保護するためのコストを削減し、とりわけ自動車の適用において、マイクロメカニカルセンサのための付加的な取り付け場所を開拓することである。

技術的解決手段
この課題は、請求項１記載のプレモールドケーシングによって解決される。請求項２から１０は本発明のケーシングの有利な実施形態を示す。

本発明は、構成素子グループ全体または組込装置全体を、マイクロメカニカルセンサ素子に関連して振動分離し、衝撃保護するための従来の構成部材の機能を、少なくとも部分的にセンサ素子のケーシング内に実現することから出発する。このために、プレモールドケーシングを以下のように構成する。すなわち本来のセンサ素子、例えばマイクロメカニックチップ構造を固定すべき場所が、機械的ローパスフィルタ構造に組み込まれるようにし、この機械的ローパスフィルタ構造を介して、導体路または同様の支持構造と接続されたプレモールドケーシングの残りの部分と結合されるようにするのである。

本発明は、チップ構造を収容するためのプレモールドケーシングからなり、ここではチップ構造と接合されるケーシングの部分が、ケーシング全体を支える支持構造に固定されるケーシングの別の部分と、弾性に変位可能に接続されている。ここでは、チップ構造に接合されるケーシング部分の変位を減衰させる手段が設けられている。

有利な機能
したがって本発明により、外部の構成素子グループと固定結合することのできるケーシング部分の障害的加速度が、チップ構造を支持するケーシング部分に伝達されることが阻止される。とりわけマイクロメカニック加速度センサまたはマイクロメカニックヨーレートセンサ（慣性センサ）に使用する場合、このようなプレモールドケーシングは有利である。

有利には、チップ構造に接合されるケーシング部分は基板を有しており、この基板は、少なくとも１つのばね構造によって、この基板を枠状に取り囲んでいる別のケーシング部分と結合されている。このばね構造は、少なくとも部分的に減衰材料と接触している。この別のケーシング部分は、ケーシング全体を支える支持構造に結合されている。このばね構造が前記２つのケーシング部分と同じ材料からなる場合、技術的コストが特に小さくなる。この場合、ばね構造と２つのケーシング部分は、１つの作業工程で製作できる成形部材とすることができ、基本的にはプラスティックからなる。ケーシングの材料として、熱可塑性材料またはエポキシドが有利である。

ケーシングの形状が十分に対称的であれば非常に頑強であり、有利である。このことは例えば、チップ構造と接合されるケーシング部分を、この部分を取り囲んでいる折り畳み蛇腹構造を介して弾性に変位可能に、ケーシング全体を支える支持構造に固定されるケーシング部分と結合することによって実現することができる。択一的に、チップ構造と接合されるケーシング部分を、棒状ばねを介して弾性に変位可能に、ケーシング全体を支える支持構造に固定されるケーシング部分と結合することもできる。

このようなケーシング形状では、保護作用の方向依存性が小さくなる。この他にも、ばね構造を、チップを支える構成部分の変位を減衰させる手段と自動的に接合させることによる構造手段が得られる。とりわけ、折り畳み蛇腹構造の折り畳み部または棒状ばねを取り囲んでいる空洞部を、少なくとも部分的に振動減衰物質によって充填すると有利であることが判明している。ここでこの振動減衰物質は、有利にはシリコーンを含むか、またはもっぱらシリコーンからなる。ここではこのシリコーンの機械的特性が重要である。シリコーンは弾性に変形しやすい媒体として使用され、シリコーンの粘性は、ばね構造にしっかりと付着するのに適している。シリコーンの、弾性かつ減衰させるという容積特性は、本発明によれば十分に減衰した場合でも変位を可能とするのに適している。またシリコーンは弾性率が低いから、シリコーンが示す復元力は、ばね構造が示す復元力に、比較的わずかしか付加的に重畳されない。本発明の範囲において、減衰材料としてのシリコーンのかわりに、同様または同じ作用をする媒体を使用することもできる。

使用可能な容積を振動減衰物質で完全に充填すると、減衰作用は最大となる。このようにしてばね構造と振動減衰物質との間の強固な接合を、広い接触面にわたって形成することができる。このことは、この装置の効果を高め、ばね構造の保護に役立つ。

本発明を実施例および図に基づいて詳細に説明する。
図１は、本発明のプレモールドケーシングの概略図である。
図２は、棒状ばねを備える本発明のプレモールドケーシングの概略図である。
図３は、折り畳み蛇腹構造を備える本発明のプレモールドケーシングの概略断面図である。
図４は、折り畳み蛇腹構造を備える本発明のプレモールドケーシングの概略平面図である。

本発明の実施例
図１は本発明のプレモールドケーシングの概略図を示し、この図を用いて基本的な機能方法を説明する。このケーシングの部分１はチップ構造２と接合され、実質的にこのチップ構造２を収容するために形成された底部領域を含んでいる。ケーシングの第２部分３は、このケーシング全体を支える支持構造に固定することができ、この第２部分３の主延在平面は、ケーシングの第1部分１を完全に取り囲んでいる。２つのケーシング部分１と部分３は、ばね構造４によって結合されている。このばね構造４によって、ケーシングの第1部分１は、ケーシングの第2部分３に対して弾性に変位可能となる。この変位を減衰させるための手段５はこのばね構造４を把持しており、とりわけ共振作用の発生または後振動が長時間発生することを阻止する。

このような構成では、ばね−質量−減衰システム、すなわち機械的ローパスフィルタが実現される。ここでばね４と減衰手段５は、十分に機能的に分離されている。ばねと減衰手段とを分けることにより、ばね構造用の材料を選択する際に、弾性率の温度依存性を可能な限り小さくすることに集中できる。この弾性率は、実質的に質量が一定であるとき、共振周波数、ないし外部からの励振なしにこの装置が振動する周波数を決定する。とりわけ自動車に適用する場合においては、振動が障害的加速度の形態で入力すると予想される周波数領域が既知であるから、本発明のケーシングは、この共振周波数がこの予想される周波数領域より下になるように構成されている。弾性率が温度に依存しない材料を選択することによって、この構成はとりわけ広い温度領域をカバーすることができる。このとき特定の動作温度において、強力な振動が入力する危険はない。

ばね構造を形成する材料の減衰特性は、本発明では無視できる。なぜなら減衰機能は、別の材料が引き受けているからである。これによりばね構造を形成するために、チップケーシングを製造するために通常使用されている材料、とりわけ熱可塑性材料またはエポキシドを使用することができる。これらの材料は基本的に、温度依存性が小さいときに弾性率が大きいことを特徴するが、減衰特性は良くない。減衰手段として、減衰特性の良い弾力性のあるプラスティック、とりわけ上述の理由によりシリコーン材料が使用される。

図２は、接続するばね構造として棒状ばね６を備える本発明のプレモールドケーシングの中央領域を概略的に示す図である。チップ構造と接合されるケーシングの第1部分１は、正方形領域として構成されている。この正方形領域は、それぞれこの正方形領域の角と接続された４つの棒状ばね６を介して、ケーシングの第2部分３と接続されている。

ケーシングの第2部分３は裏面に図示しない手段を有する。この手段は、導体路基板とのはんだ接合を可能にし、これにより、ケーシング全体を支える支持構造に固定することが、本発明の実施例で有利に実現される。

２つのケーシング部分１，３の間には中間室７があり、この中間室によって、中央にある正方形領域は十分に変位することができる。この中間室７は、棒状ばね６によって橋絡される。ただし、この棒状ばね６によって完全にふさがれることはない。この棒状ばね６を取り囲む空洞部８は、２つのケーシング部分１，３によって制限されており、この空洞部は振動減衰物質として作用するシリコーンで充填されている。

棒状ばね６の長さは、正方形領域の縁部の長さに近似的に相応している。この棒状ばね６の主伸長方向はこの正方形領域の縁部に平行であり、この棒状ばね６は、それぞれ曲げられた領域を介して、２つのケーシング部分１，３と接続している。このような幾何学的形状によって、必要スペースが小さい場合でもばねの長さを比較的長くすることができる。棒状ばね６のばね長さおよび／または断面積を変化させることによって、チップに実装された領域１の質量が既知であれば、装置の共振周波数を決めることができ、したがって機械的ローパスフィルタとして機能するシステムの遮断周波数を決めることができる。

このように棒状ばね６の長さが長いこと、およびこのばねの周囲がシリコーンによって完全に充填されていることによって、ばね構造と振動減衰物質とは、広い接触面にわたって強固に接合される。このことによって減衰作用が向上し、同時にばね構造が保護される。図示した幾何学的形状は、ただ１つの成形部材を製造することによって実現することができる。このように、４つの棒状ばね６と２つのケーシング部分１，３とからなるばね構造は、PEEK（ポリエーテルエーテルケトン）からなる成形部材である。

チップ構造と接合されるケーシング部分１は、振動の入力が低減された底部面を形成し、この底部面は、ばね−減衰手段−システムによってケーシングの別の部分３と接続されている。機械的ローパスフィルタとして機能するこのシステムの遮断周波数以上では、振動はこの底部面に非常にわずかしか入力されないか、または無視できる程度の小さな振動しか入力されない。これによって、この種の障害的加速度ならびに短時間の衝撃作用は、構造に起因する変位可能な範囲内で、ケーシング部分１の上に固定されたチップ構造から遠ざけられる。

図３は、折り畳み蛇腹構造を備える本発明のプレモールドケーシングの概略断面図である。チップ構造と接合されるケーシングの第１部分１は、底部領域として形成されており、周回する折り畳み蛇腹構造９を介してケーシングの第２部分２と接続している。この折り畳み蛇腹構造９によって、チップを支える底部領域を周回する溝が形成され、この溝の幾何学的形状によって、ばね特性を所望のように適合することができる。ここではこれらの溝は、平行な壁状の複数の切欠溝１０として形成されている。この溝は、振動減衰物質として作用するシリコーンで充填されている。折り畳み蛇腹構造の領域においてこの溝の深さおよび／または材料の断面積を変化させることによって、チップを実装する領域１の質量が既知であれば、装置の共振周波数を決めることができ、したがって機械的ローパスフィルタとして機能するシステムの遮断周波数を決めることができる。

図４は、図３の折り畳み蛇腹構造９を備える本発明のプレモールドケーシングの平面図を示す。ここでもチップ構造と接合されるケーシングの部分１は、正方形領域として形成されている。この正方形領域を、ばね構造として作用する折り畳み蛇腹構造９のために特徴づけられた複数の溝が取り囲んでいる。

上述の実施例のケーシング形状、とりわけばね構造の幾何学的形状は、対称性が高いことを特徴としているから、本発明のケーシング形状の保護作用の方向依存性は小さくなる。このことにより、とりわけ本発明を自動車に適用する場合に、多数の取り付け場所を開拓することができる。なぜなら、構成部材の特別な調整についてほとんど考慮する必要がないからである。

本発明によれば、完全な機械的ローパスフィルタをプレモールドケーシングに組み込むことによって、センサチップを振動技術的に隔離するための別の手段を省略することができる。通常のチップ構造の質量は小さいので、とりわけ自動車において生じる１kHz領域の振動を確実に遮断するために必要とされるばね定数は非常に小さいから、技術的に低コストで実施例のばね構造の幾何学的形状を適合できることは、本発明のさらなる利点である。

本発明のケーシング内に集積されたチップは、自動車の種々異なる取り付け場所に問題なく使用することができる。このとき、このチップと後置接続された評価電子回路とを、空間的に分離する必要はない。このことは、種々異なる適用のための接続コスト、とりわけマイクロメカニカルセンサの接続コストを削減するのに有利である。

図１は、本発明のプレモールドケーシングの概略図である。 図２は、棒状ばねを備える本発明のプレモールドケーシングの概略図である。 図３は、折り畳み蛇腹構造を備える本発明のプレモールドケーシングの概略断面図である。 図４は、折り畳み蛇腹構造を備える本発明のプレモールドケーシングの概略平面図である。

Claims (10)

1. チップ構造を収容するためのプレモールドケーシングにおいて、
   前記チップ構造（２）と接合されるケーシングの部分（１）は、前記ケーシング全体を支える支持構造に固定される前記ケーシングの別の部分（３）と、弾性に変位可能に結合されており、
   前記チップ構造（２）と接合される前記ケーシングの部分（１）の変位を減衰させるための手段（５）が設けられている、
   ことを特徴とするプレモールドケーシング。
2. 請求項１記載のプレモールドケーシングにおいて、
   前記チップ構造（２）と接合される前記ケーシングの部分（１）は、基板を含み、
   該基板は、少なくとも１つのばね構造（４）を介して、前記基板を枠状に取り囲むケーシングの別の部分（３）と結合されており、
   前記ばね構造は、少なくとも部分的に減衰材料（５）と接触しており、
   前記ケーシングの別の部分（３）は、前記ケーシング全体を支える支持構造に固定されている、
   ことを特徴とするプレモールドケーシング。
3. 請求項２記載のプレモールドケーシングにおいて、
   前記ばね構造（４）は、前記ケーシングの前記２つの部分（１，３）と同じ材料から作製されている、
   ことを特徴とするプレモールドケーシング。
4. 請求項２または３記載のプレモールドケーシングにおいて、
   前記ばね構造（４）および前記ケーシングの前記２つの部分（１，３）は、１つの作業工程で製作できるプラスティック部材、有利には熱可塑性材料またはエポキシドからなる部材である、
   ことを特徴とするプレモールドケーシング。
5. 請求項４記載のプレモールドケーシングにおいて、
   前記ばね構造（４）および前記ケーシングの前記２つの部分（１，３）は、PEEK（ポリエーテルエーテルケトン）からなる成形部材である、
   ことを特徴とするプレモールドケーシング。
6. 請求項１から５記載のプレモールドケーシングにおいて、
   前記チップ構造と接合される前記ケーシングの部分（１）は、該部材を取り囲んでいる折り畳み蛇腹構造（９）によって、前記ケーシング全体を支える支持構造に固定される前記ケーシングの別の部分（３）と、弾性に変位可能に結合されている、
   ことを特徴とするプレモールドケーシング。
7. 請求項１から５記載のプレモールドケーシングにおいて、
   前記チップ構造と接合される前記ケーシング部分（１）は、棒状ばね（６）によって、前記ケーシング全体を支える支持構造に固定される前記ケーシングの別の部分（３）と、弾性に変位可能に結合されている、
   ことを特徴とするプレモールドケーシング。
8. 請求項６または７記載のプレモールドケーシングにおいて、
   前記折り畳み蛇腹構造（９）の折り畳み部または前記棒状ばね（６）を取り囲んでいる空洞部（８）は、振動減衰物質によって少なくとも部分的に充填されている、
   ことを特徴とするプレモールドケーシング。
9. 請求項８記載のプレモールドケーシングにおいて、
   前記振動減衰物質はシリコーンを含む、
   ことを特徴とするプレモールドケーシング。
10. 請求項１から９のいずれか一項記載のプレモールドケーシングにおいて、
    収容すべき前記チップ構造（２）は、マイクロメカニカルセンサまたはヨーレートセンサを含み、
    前記ケーシング全体を支える支持構造と固定される前記ケーシングの部分（３）は、導体路基板とのはんだ接合を可能にする手段を有する、
    ことを特徴とするプレモールドケーシング。

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