JP2020113761A - センサユニットならびに基板およびキャリアを相互接続する方法 - Google Patents

センサユニットならびに基板およびキャリアを相互接続する方法 Download PDF

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Abstract

【課題】センサ装置の性能及び信頼性を改善し、製造プロセスを容易にするセンサユニット及び対応する組立て方法を提供する。【解決手段】センサユニット１００、測定量を監視し、測定量に相関される電気出力信号を生成するトランスデューサ素子１０２と、第１の表面１０８及び反対側の第２の表面１１０を有するセンサ基板１０４と、を備える。センサ基板は、第１の導電性コンタクトパッド１１４を備える。第１の導電性コンタクトパッドは、トランスデューサ素子に電気的に接続される。センサ基板に第２の表面から第１の表面に延びる凹部１１６が設けられる。センサ基板は、第１の表面が回路キャリア１０６に面するように、回路キャリアに取り付けられる。回路キャリアは、第２の導電性コンタクトパッドを備える。第１及び第２の導電性コンタクトパッドは、センサ基板の第２の表面から第１の表面へ充填された導電性材料によって相互接続されている。【選択図】図１

Description

本発明は、少なくとも１つの測定量を監視し、少なくとも１つの測定量に相関される電気出力信号を生成する少なくとも１つのトランスデューサ素子を有するセンサユニットに関する。本発明はさらに、基板およびキャリアを相互接続し、詳細にはそのようなセンサ装置の組立てに対応する方法に関する。
特に自動車の適用分野では、圧力または温度などの物理的測定量、ならびにガス濃度（たとえばＣＯ２）などの電気化学的測定量など、複数の測定量が監視される。いずれにせよ、監視される媒体は、センサ装置の規定のセンシング素子へのアクセスを得ながら、他方では腐食性の多湿環境がセンサ装置の残り部分、特に電子構成部品に損傷および／または障害を与えないことを確実にしなければならない。さらに、センサユニットを大量生産で製作しなければならず、それには効率的な組立て手順が必要である。
従来、センサユニットは、少なくとも１つの測定量を監視し、少なくとも１つの測定量に相関される電気出力信号を生成する少なくとも１つのトランスデューサ素子を備えており、１つまたは複数のトランスデューサ素子は、センサ基板の第１の表面に配置される。このセンサ基板は通常、かなり薄く、膜、多くの場合はセラミック膜とも呼ばれる。この膜を（通常はより厚い）回路キャリアに取り付けなければならない。回路キャリアに配置されたトランスデューサ素子とコンタクトパッドとの間には、電気的接続を確立しなければならない。加えて、はんだ接合により、基板上（または第２の表面）に位置する任意の他の種類の電気または電子素子（たとえば、１つまたは複数のセンサ、トリマ抵抗器など）を接続することもできる。この電気的接続は、開口または凹部の壁の金属化によって行われる。
これは通常、複雑な製作プロセスであり、または機械応力によってセンサ基板を損傷するリスクを伴う。
本発明の根底にある目的は、センサ装置の性能および信頼性を改善し、製造プロセスを容易にし、それによって前述の問題および欠点を克服または少なくとも実質上低減させるセンサユニットおよび対応する組立て方法を提供することである。
この目的は、独立請求項の主題によって解決される。本発明の有利な実施形態は、従属請求項の主題である。
本発明は、センサ基板内に開口を設け、センサ基板を回路キャリアに取り付けた後、その開口を通して導電性材料、たとえばはんだ付け可能材料、導電性接着剤、または別の銀充填エポキシ樹脂などの導電性プラスチック材料を塗布することができるという概念に基づいている。したがって、導電性材料を塗布するプロセスは、回路キャリアを機械的支持体として用いて、センサ基板の裏面から実行することができる。このようにして、センサ基板、特にトランスデューサ素子が保護され、製作プロセスが容易になる。センサ基板および回路キャリアを機械的に接続するために、導電性接着剤を設計に追加することができる。間隙の充填が毛細管作用によって行われ、開口が金属化されたバイアによって形成される場合、この導電性接着剤は必須ではない。
特に、本発明によるセンサユニットは、少なくとも１つの測定量を監視し、少なくとも１つの測定量に相関される電気出力信号を生成する少なくとも１つのトランスデューサ素子と、第１の表面および反対側の第２の表面を有するセンサ基板とを備え、前記センサ基板は、センサ基板の第１の表面に配置された前記トランスデューサ素子および少なくとも１つの第１の導電性コンタクトパッドを備え、前記第１の導電性コンタクトパッドは、トランスデューサ素子に電気的に接続される。
センサ基板に凹部が設けられ、凹部は第１の表面から第２の表面へ通じる。センサ基板は、第１の表面が回路キャリアに面するように、回路キャリアに取り付けられる。センサ基板は、回路キャリアを貫通する媒体チャネルにより、トランスデューサ素子への少なくとも１つの測定量に関するアクセスが可能になるように、回路キャリアに取り付けることができる。別法として、測定量に関するアクセスは、センサ基板の第２の表面に設けることもできる。
本発明によれば、回路キャリアは、少なくとも１つの第２の導電性コンタクトパッドを備え、第１の導電性コンタクトパッドおよび第２の導電性コンタクトパッドは、センサ基板の第２の表面から第１の表面へ、言い換えれば印刷プロセスを可能にするために上を向いている頂面から充填された導電性材料によって相互接続されている。
本発明の文脈では、「回路キャリア」という用語は、センサ基板（および任意選択で、さらなる電子構成部品）を取り付けることができる導電性リードを有するあらゆる種類の基板を包含することを意図したものである。特に、回路キャリアは、プリント回路基板（ＰＣＢ）、フレキシブル回路キャリア（フレキシブル印刷回路、ＦＰＣとも呼ばれる）、フレックスリジッドキャリア（ＦＰＣまたはフラットフレキシブルケーブルと剛性要素との組合せ）、セラミック基板（厚膜、ＬＴＣＣ、ＨＴＣＣ）、ガラスなどを備えることができる。さらに、「基板」（または「センサ基板」）という用語もまた、ＰＣＢ、ＦＰＣ、フレックスリジッドキャリア、セラミック基板（厚膜、ＬＴＣＣ、ＨＴＣＣ）、ガラスなどを含むことができる。
本発明の有利な実施形態によれば、前記導電性材料は、はんだ材料、たとえばリフローはんだ材料である。リフローはんだ付けは、集積回路の組立ておよびパッケージングの十分に確立された技術である。概して、この技法は、たとえばスクリーン印刷、分注、噴射などによって、はんだペーストを基板に塗布することに基づいている。回路キャリアにはんだ付けされる構成部品は、その導電性リードがはんだペーストに直接接触するように配置される。はんだペーストは、液相状態（リフロー）に到達するまで加熱され、次いではんだが硬化するまで冷却され、構成部品の導電性リードと回路キャリアとの間に恒久的な相互接続がもたらされる。本発明によれば、センサ基板ならびに回路キャリアは、たとえば銀または銀合金から製作されたリードおよびはんだ付けパッドを有する。当然ながら、任意の他の導電性材料を使用することもできる。リフローはんだペーストなどの導電性材料は、センサ基板に設けられた凹部を通してセンサ基板の裏面から回路キャリアへスクリーン印刷または分注される。はんだ付け可能材料が液化する温度までセンサユニットを加熱した後、センサ基板上のコンタクトパッドと回路キャリア上の対応するコンタクトパッドとの間に導電性はんだ接続が確立される。
有利には、前記凹部は、好ましくは、閉じた断面を有する金属化された管状のバイアである。たとえば、凹部は、円形の断面を有することができる。しかし当然ながら、任意の他の断面、たとえば多角形の断面を使用することもできることが、当業者には明らかである。
別法として、凹部はまた、センサ基板の周辺領域に配置することができ、開いた断面を有することができる。この開いた断面は、たとえば、円の弧の形状を有することができる。当然ながら、任意の他の形状も可能である。この解決策の利点は、センサ基板が互いに分離される１つまたは複数の切断線に配置された管状の孔として、凹部をパネルレベルで製作することができることに見ることができる。
特に、異なるセンサユニットに配置された異なる回路の導電性リードに接続された金属化バイアを設けることができる。パネルを切断し、センサユニットを分離することによって、バイアが切断され、その結果、各センサユニットは、センサユニットの周辺部に配置されている切断されたバイアの一部のみを有する。共用されて最終的に切断されるバイアを使用するそのような技法は、センサユニットだけでなく他の電子ユニットでも使用することができることが、当業者には明らかである。
本発明の有利な実施形態によれば、回路キャリアは、センサユニットを外部構成部品に接続するために前記第２の導電性コンタクトパッドに相互接続された少なくとも１つの接続パッドを備えている。たとえば、接続パッドは、前記第２の導電性コンタクトパッドに相互接続された表面実装技術（ＳＭＴ）端子によって形成することができる。有利には、ＳＭＴ端子と回路キャリアとの間の電気的接続は、リフローはんだ付けステップの実行と同時に確立することができる。リフローはんだ付け技術と組み合わせたＳＭＴ構成部品は、本発明による概念に対して使用されるのが特に容易である。
有利には、前記トランスデューサ素子は、センサ基板の第１の表面に取り付けられた保護材料によって少なくとも部分的に取り囲まれている。この保護材料は、たとえば、封止ガラス層を備えることができる。
本発明のさらに有利な実施形態によれば、トランスデューサ素子は、特に自動車の適用分野向けに、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）ガスセンサおよび／またはＭＥＭＳ圧力センサを備えている。当然ながら、監視される媒体との直接接触を必要とするトランスデューサを有する任意の他のセンサ装置もまた、本発明による接触技法から利益を得ることができる。
本発明の有利な実施形態によれば、センサ基板はセラミックチップキャリアを備えており、たとえばセラミックチップキャリアには、少なくとも１つの圧電抵抗ゲージが設けられる。
本発明はさらに、好ましくはセンサユニットを組み立てるとき、基板およびキャリアを相互接続する方法に関し、前記方法は、
第１の表面および反対側の第２の表面を有する基板（好ましくは、少なくとも１つの測定量を監視し、少なくとも１つの測定量に相関される電気出力信号を生成するように動作可能な少なくとも１つのトランスデューサ素子を有するセンサ基板）を設けるステップであって、前記基板が、基板の第１の表面に配置された少なくとも１つの第１の導電性コンタクトパッドを備え（好ましくは、前記第１の導電性コンタクトパッドがトランスデューサ素子に電気的に接続される）、センサ基板に凹部が設けられ、凹部が第１の表面から第２の表面へ通じる、基板を設けるステップと、
前記基板を取り付けるための回路キャリアを設けるステップと、
センサ基板の第１の表面が回路キャリアに面するように、基板を回路キャリアに取り付けるステップと、
前記凹部を通して、基板の第２の表面から第１の表面へ導電性材料を充填するステップと、
少なくとも１つの第１の導電性コンタクトパッドと対応する少なくとも１つの第２の導電性コンタクトパッドとの間に電気的接続、たとえば、はんだ接続が形成されるように、硬化ステップを実行するステップとを含む。
たとえば、はんだペーストをスクリーン印刷または分注することによって、はんだ材料を充填することができる。当然ながら、噴射バルブを使用する噴射技法を使用することもできる。
回路キャリアは、トランスデューサ素子への少なくとも１つの測定量に関するアクセスが可能になるように、回路キャリアを貫通する媒体チャネルを有することができる。
（センサ）基板および回路キャリアを最終的に相互接続するために、硬化ステップは、導電性材料が液化するようにセンサユニットを加熱するステップを含む。
上述したように、前記凹部は、閉じた断面を有する管状のバイアとして形成され、かつ／または前記凹部は、センサ基板の周辺領域に配置され、開いた断面を有する。
有利には、センサ基板を回路キャリアに取り付けてはんだ付けするステップは、複数のユニット、好ましくはセンサユニットが互いに関連付けられたパネルプロセスとして実行され、この方法は、センサユニットを分離するステップをさらに含む。したがって、概してパネル（またはウェーハ）およびバッチプロセスに当てはまるように、センサユニットの製作は、より信頼性および再現性が高い。同時に、生産の回転率もはるかに速く、したがって個別のセンサユニットのコストを削減することができる。
特に、凹部は、（センサ）ユニットの隅部および／または縁部を形成する領域に、管状の金属化バイアとして形成することができ、これらのユニットを分離することによって、分離されたセンサユニットの隅部および／または縁部に、開いた断面を有する凹部が形成される。言い換えれば、隣接するユニット間で各バイアが共用される。管状のバイアは全体的な材料経費に大きく影響するため、これは原材料コストを最小にするために行われる。生産中、周辺領域に金属化バイアを設けるとき、２つ以上のセンサユニットが１つのバイアを共用する。共用されているバイアは後に、個別のセンサユニットが分離されるとき、２分の１の管または４分の１の管（または任意の他の好適な断面形状）に切断されて、開いた断面を有する凹部を形成する。当然ながら、分離されたバイア部分の形状は、バイアで交差する切断線の数および角度に依存する。
トランスデューサ素子を腐食性媒体から保護するために、この方法は、トランスデューサ素子を少なくとも部分的に取り囲むように保護材料を取り付けるステップをさらに含むことができる。たとえば、ガラス層またはプラスチック注入成形化合物を保護材料として使用することができる。
特定の実施形態によれば、前記センサ基板は、セラミックチップキャリアを備える。しかし、本発明によれば、任意の他のタイプの基板、たとえばＰＣＢ、フレキシブル回路基板、リードフレームなどを使用することもできることが、当業者には明らかである。
本発明のいくつかの実施形態について説明するために、添付の図面が本明細書に組み込まれており、本明細書の一部を形成する。これらの図面は、本記載とともに、本発明の原理について説明する働きをする。これらの図面は、本発明をどのように形成および使用することができるかに関する好ましい代替の例について例示することのみを目的とし、例示および記載する実施形態に本発明を限定すると解釈されるべきではない。さらに、実施形態のいくつかの態様は、本発明による解決策を、個別にまたは異なる組合せで形成することができる。したがって、以下の記載の実施形態は、単独でまたはその任意の組合せで考慮することができる。さらなる特徴および利点は、添付の図面に示す本発明の様々な実施形態に関する以下のより具体的な説明から明らかになり、添付の図面では、同様の参照は同様の要素を指す。
本発明の第１の実施形態によるセンサユニットの概略斜視図である。 はんだリフロー前のセンサユニットを示す、図１によるセンサ装置の概略断面図である。 はんだリフロー後のセンサユニットを示す、図１によるセンサ装置の概略断面図である。 図１の詳細図である。 図１の別の詳細図である。 本発明のさらなる実施形態によるセンサユニットの概略斜視図である。 はんだリフロー前のセンサユニットを示す、図５によるセンサ装置の概略断面図である。 はんだリフロー後のセンサユニットを示す、図５によるセンサ装置の概略断面図である。 図５の詳細図である。 図５の別の詳細図である。 図５の別の上面詳細図である。 図５の別の側面詳細図である。 本発明のさらなる実施形態によるセンサユニットの概略斜視図である。 図１１に示すセンサユニットの別の斜視図である。 有利な実施形態によるパネルレイアウトパターンの上面図である。 有利な実施形態によるパネルレイアウトパターンの底面図である。 有利な実施形態によるスクリーン印刷メッシュパターンの詳細図である。 本発明の一実施形態による製作プロセスを示す概略図である。 共用されるバイアの様々な有利な実施形態を示すパネルレイアウトパターンの概略上面図である。 さらに有利な実施形態による回路キャリアレイアウトパターンの概略上面図である。 図１９の詳細図である。 電気／電子構成部品が組み立てられた後、センサ基板が回路キャリアに取り付けられている、図１８および図１９のパネルの一部の斜視図である。 図２０に示す配置の斜視透明図である。
本発明について、図を参照し、まず図１を参照して、次にさらに説明する。図１は、本発明の第１の実施形態によるセンサユニット１００を概略斜視図に概略的に示す。
センサユニット１００は、回路キャリア１０６に取り付けられたセンサ基板１０４を備えており、回路キャリア１０６は、たとえばアルミナから製作される。センサ基板１０４は、図１に示す下面にあり、回路キャリア１０６に面している第１の表面１０８と、図１に示す上面にある第２の表面１１０とを有する。図１で、センサ基板１０４は透明であるものとして示されていることに留意されたい。
本発明によれば、センサユニット１００は圧力センサであり、トランスデューサ素子１０２を形成する４つの圧電抵抗歪みゲージを備える。センサ基板１０４は、変位可能な膜を形成する。トランスデューサ素子１０２は、変位可能な膜を形成するセンサ基板１０４の第１の表面１０８に配置される。回路キャリア１０６は、回路キャリア１０６を貫通し、したがってトランスデューサ素子１０２の下に媒体アクセスチャネルを形成する開口を有することができる（図示せず）。別法として、媒体アクセスは、追加のハウジング（図示せず）を有する第２の表面１１０から行われる。
歪みゲージは、膜の２つの表面間の圧力差による膜の変位を検出する。
トランスデューサ素子１０２は、たとえば銀または銀合金から形成された導電性リード１１２に接続される。導電性リード１１２は、導電性の第１の導電性コンタクトパッド１１４に接続される。
センサユニット１００は、各コンタクトパッド１１４に円形の凹部１１６を有し、凹部１１６は、第２の表面１１０から第１の表面１０８へセンサ基板１０４を貫通する。凹部１１６の直径は、スクリーン印刷または他の分注技法によってはんだ材料が充填され、回路キャリア１０６に配置された対応する第２の導電性コンタクトパッド１１８（図１では見えない）に到達することを可能にするのに十分な大きさである。リフローはんだ付けによって、第１の導電性コンタクトパッド１１４と第２の導電性コンタクトパッド１１８との間に堅固な電気的接続を確立することができる。有利には、はんだペーストをスクリーン印刷（または他の方法で分注）することは、膜と基板の組立て後に実行することができる。これにより、パネルレベルでの処理の利点がさらに提供され、これは興味深いコスト節約要因になる。
特に、センサ基板１０４と回路キャリア１０６のはんだ付け可能なコンタクトパッド１１４、１１８同士が互いに位置合わせされるように、センサ基板１０４が回路キャリア１０６に位置合わせされた後、たとえばはんだ付け可能な前駆体が凹部１１６内へスクリーン印刷される。次に、センサユニット１００は、前駆体材料が液相状態に到達するまで加熱される。冷却後、はんだ接続が確立され、回路キャリア１０６とセンサ基板１０４との間に電気的接続が形成される。
本発明によれば、導電性接着剤、または銀充填エポキシなどの一時的な流体状態を有する任意の他の導電性材料を使用することもできることが、当業者には明らかである。
図１に示す実施形態では、コンタクトパッド１１４、１１８および凹部１１６は、センサユニット１００の縁部から隔置され、閉じた円形の直径を有する管状の開口によって形成される。当然ながら、凹部１１６の輪郭は必ずしも円形である必要はなく、方形とすることもでき、または任意の他の好適な形状を有することができる。
図２は、図１による配置の概略断面図を示す。図２Ａは、はんだ付け可能材料が塗布されたがまだ加熱されていないセンサユニット１００の状態を示す。図２Ｂは、リフロー加熱ステップが実行された後のセンサユニット１００の最終的な状態を示す。
図２Ａおよび図２Ｂから見ることができるように、圧電抵抗ゲージ１０２が保護ガラス層１２０によって覆われている。保護ガラス層１２０により、第１の導電性コンタクトパッド１１４と第２の導電性コンタクトパッド１１８との間に狭い間隙１２２が形成される。
本発明によれば、第２の表面１１０から第１の表面１０８に向かう方向にはんだペースト１２４が凹部１１６へ充填され、第２の導電性コンタクトパッド１１８に到達する。センサユニット１００に熱を加えると、はんだペースト１２４は液化し、毛細管力によって間隙１２２へ引き込まれ、それによって第１の導電性コンタクトパッド１１４と第２の導電性コンタクトパッド１１８との間にはんだ接続１２６を形成する。
回路キャリア１０６は、回路キャリア１０６の上面に配置された導電性リード１３０を、端子１３４に接続された導電性リード１３２に接続する金属化されたバイア１２８をさらに備える。図２Ａおよび図２Ｂに示す実施形態によれば、バイア１２８は、第１の導電性コンタクトパッド１１４および第２の導電性コンタクトパッド１１８からある程度の距離をあけて位置する。
図３および図４は、詳細図として凹部１１６の領域を示し、図３は、センサ基板１０４および回路キャリア１０６を透明に示す。この図から見ることができるように、はんだ接続１２６は、コンタクトパッド１１４、１１８全体を覆っておらず、覆われていない領域１３６を残している。言い換えれば、はんだ接続１２６は、第１の導電性コンタクトパッド１１４と第２の導電性コンタクトパッド１１８との間にリング状の導電性接続を形成する。この特定の形状の理由は、加熱ステップ中、液化したはんだが毛細管力によってセンサ基板１０４と回路キャリア１０６との間の間隙１２２へ引き込まれるからである。
本発明の別の有利な実施形態について、図５を参照して次に説明する。第２の実施形態によるセンサユニット２００は、主にはんだ接続２２６およびバイア２２８の場所が、上記で説明したセンサユニット１００とは異なる。センサユニット２００は、回路キャリア２０６に取り付けられたセンサ基板２０４を備える。第２の実施形態によれば、４つの凹部２１６が、センサユニット２００の隅部に配置されている。本発明によれば、凹部２１６の非対称配置、またはセンサユニット２００の隅部ではなく縁部の配置も可能であることが、当業者には明らかである。
図５に示すように、凹部２１６およびはんだ接続２２６は、金属化されたバイア２２８に近接して位置する。このレイアウトにはいくつかの利点がある。第１に、第１の導電性コンタクトパッド２１４をバイア２２８に密接して配置することによって、第２の導電性コンタクトパッド２１８からバイア２２８への追加のリードが不要になる。これにより、回路キャリア２０６の空間が節約される。さらに、センサユニット２００をパネルレベルで製作するとき、凹部２１６に比較的大きい開口を設けることができ、したがってはんだ付け可能材料を膜側から充填することが容易になる。センサユニット２００の周辺領域に近接し、特に隅部に位置するはんだ接続２２６の場所は、個別のセンサユニット２００を分離することによって実現される。このプロセスは、図１３〜図１５を参照して、以下でさらに明らかになる。
図５を参照すると、センサユニット２００は、導電性リード２１２によって第１の導電性コンタクトパッド２１４に接続された４つのトランスデューサ素子２０２をさらに備える。さらに、電子センシングおよび制御回路２３８が、回路キャリア２０６の下面２４０に設けられる。下面２４０は、基板２０４に面している回路キャリア２０６の上面２４２の反対側にある。
図６Ａおよび図６Ｂは、図５のセンサユニット２００を断面図に示す。特に、図６Ａは、はんだ付け可能材料２２４が基板２０４の第２の表面２１０から分注またはスクリーン印刷された後のセンサユニットを示す。図６Ｂは、はんだリフロー後のセンサユニット２００を示し、はんだ接続２２６が形成され、センサ基板２０４が回路キャリア２０６に堅固に接合されている。
図６Ａに概略的に示すように、はんだ付け可能材料２２４は、矢印２４４によって示すように、センサ基板２０４の第２の表面２１０から第２の導電性コンタクトパッド２１８へ充填される。本発明によれば、第１の導電性コンタクトパッド２１４と第２の導電性コンタクトパッド２１８との間に間隙２２２が残っている。したがって、はんだ付け可能材料２２４が充填された後にセンサユニット２００が加熱されると、液化したはんだ付け可能材料が毛細管力により保護ガラス層２２０の方へ引き込まれて、第１の導電性コンタクトパッド２１４と第２の導電性コンタクトパッド２１８との間に導電性接合を形成する。
図７〜図１０は、図５および図６に示すセンサユニット２００の隅部領域２４６のいくつかの詳細図を示す。
上述したように、本発明の態様によれば、凹部２１６は、バイア２２８に密接して位置する。それによって、はんだ付け可能材料２２４を充填するとき、バイア２２８へ充填される可能性があるという問題が生じる。この場合、毛細管力によって液化したはんだ付け可能材料を第１の導電性コンタクトパッド２１４と第２の導電性コンタクトパッド２１８との間に引き込むことができないおそれがある。
この欠点を克服する可能性を、図１１および図１２から見ることができる。この実施形態によれば、バイア２２８にすぐ隣接して、はんだのないエリア２４８が設けられる。有利には、これらのはんだのないエリア２４８は、バイア２２８を覆う誘電体被覆２５０の一部である。
図１３および図１４は、パネルレベルでの本発明によるセンサユニット２００の製作プロセスを示す。
図１３に、センサ基板が取り付けられたパネル２５２の上面図が示されている。この図から見ることができるように、複数のまだ個別化されていないセンサユニット２００が、隣り合わせに配置されている。後の隅部領域２４６は、ダイ切断線２５４の交点に位置する。後の切断プロセスによって、各センサユニット２００は、４分の１の円の形状の断面を有するバイア２２８を有する。上述したように、バイアはまた、ダイ切断線２５４に沿って位置し、各センサユニット２００に半円形の断面を有するバイア２２８を残すこともできる。さらに、接続の数は、特定の応用例によって判定される。しかし、上述した第２の実施形態による配置は、特に効率的かつ省スペースである。図１４は、パネルの底面図を示し、バイア２２８の孔のみが見える。
図１５は、図１３に示す凹部２１６へ材料のはんだをスクリーン印刷するために使用することができるスクリーン印刷メッシュ２５６の詳細図を示す。図１３の開口２１６のそれぞれに対応して、スクリーン印刷メッシュ２５６は、バイアへのはんだ付け可能材料の分注を阻止する中心領域２５８を有する。図１３に示す凹部２１６へはんだペーストを分注するために、後の個別のセンサユニット２００の隅部領域２４６に一致する開口２６０が、スクリーン印刷メッシュ２５６に設けられる。当然ながら、開口２６０の特定の形状は、はんだペーストの特徴に応じて変更することができる。
圧力センサユニットであるセンサユニット２００を製作する例示的な方法について、図５〜図１５とともに図１６を参照して次に説明する。
ブロック３０２は、センサ基板２０４の組立てについて説明する（上述したように、センサ基板を「膜」と呼ぶこともできる）。第１に、トランスデューサ素子を形成する圧電層が、セラミック基板へ印刷される。ステップ３０６で、構造化された銀層が印刷され、導電性リードおよびコンタクトパッドを形成する。次のステップ３０８で、膜構成を焼成して、圧電層ならびに導電性リードおよびパッドを固化する。ステップ３１０で、センサ基板２０４に保護ガラス層２２０が追加される。最後の乾燥および／または焼成ステップ３１２で、センサ基板２０４が仕上げられる。
製作ブロック３１４は、「基板」と呼ばれることもある回路キャリア２０６の製作を示す。ステップ３１６で、すべての必要な保護ガラス層および接続層がセラミック基板へ印刷される。乾燥および／または焼成ステップ３１８により、回路キャリア２０６を完成させる。必要とされる場合、追加の電子構成部品、たとえば抵抗器またはキャパシタを回路キャリアに組み込むこともできることが、当業者には明らかである。
製作ブロック３２０は、膜および基板の組立てを示す。パネルレベルで、膜および基板は互いに位置合わせされ、この積層体に追加の重量が配置される（ステップ３２２）。ステップ３２４で、この積層体を焼成して、保護ガラス層２２０と回路キャリアの上面２４２との間の接着を行う。
次に、ステップ３２６で、はんだペーストが膜側から開口２１６へスクリーン印刷され、リフローステップを実行してはんだ接続を固定することができる。ステップ３２８で、知られているチップ個片化技法、たとえばソーイング、レーザ切断、スナッピングなどによって、個別のセンサユニットが互いに分離される。
別法として、ステップ３２６で、はんだ接続はまだ加熱されていないが、センサユニット２００は個片化され、はんだペーストが印刷されているだけである。この場合、リフローステップは、外部構成部品（図示せず）へのセンサユニットのリフローはんだ付けとともに、または電子センシングおよび制御回路２３８を取り付けるときに実行される。
図１７は、個別のユニットが分離されるまで生産中に共用されるバイアを使用する概念をより詳細に示す。この概念は、センサユニットだけでなく、他の電気または電子ユニットとも同様に使用することができることに留意されたい。
この図では、センサ基板が取り付けられたパネル４５２の上面図が示されている。この図から見ることができるように、複数のまだ個別化されていない電気または電子ユニット４００（たとえば、上述したセンサユニット）が、隣り合わせに配置されている。この図面では、いくつかの異なる幾何形状が概略的に組み合わされている。当然ながら、これらの変形例のすべてを同じパネル４５２で実現する必要はない。
後の隅部領域は、たとえば、ダイ切断線４５４の交点に位置する。後の切断プロセスによって、各ユニット４００は、導電性リード４３０に接続された４分の１の円の形状の断面を有するバイア４２８を有することができる（概略的にのみ表す）。図５に示すように、細分ステップ後、金属化されたバイア４２８は、回路キャリアの両側間の電気的接触を確立する。
別法として、中心のバイア４２８の周りに追加のバイア４２９を設けることもでき、したがって切断ステップ後、各回路は、図１に示す配置に類似している閉じた（たとえば円形の）断面を有する別個の追加の凹部を有する。
さらに、１つのダイ切断線４５４に沿って１つまたは複数のキャスタレーションバイア４３１を配置することができ、したがって、キャスタレーションバイア４３１は、バイア４２８のように複数の切断線の交点ではなく、１つの切断線のみによって交差される。この構成では、ユニットの回路キャリアの縁部に沿ったキャスタレーションの幾何形状が、切断ステップ後に生成される。
図１８は、さらに有利な実施形態による回路キャリアパネルとしてのパネル５５２のレイアウトを示す。パネル５５２では、回路キャリア材料に導電性要素を設けることによって、複数の回路キャリア５０６が隣り合わせに製作される。たとえば、図２０および図２１から明らかになるように、センサ基板に電気的に接触し、電気および電子構成部品を取り付けるために、回路キャリア５０６のこの上面に様々な導電性コンタクトパッド５１８が配置される。電気／電子構成部品を互いにまたはバイア５２８に相互接続するために、導電性リード５３０が設けられる。交差する切断線５５４の格子に沿ってパネル５５２を切断することによって、複数の別個のユニットを製作することができる。このとき、これらのユニットはそれぞれ、その隅部のそれぞれにバイア５２８の４分の１を有する。
本発明によれば、個別のユニットの分離は、センサ基板が組み立てられた後にのみ実行される。はんだ付けステップ前に、はんだ材料がバイアに入るのを防ぐために、バイア５２８の内側の導電性表面を電気絶縁層で被覆することができる。バイア５２８は、回路キャリア５０６の反対側の表面への電気的接続を確立する。
図１９は、図１８の詳細図を示し、バイア５２８およびその周辺が拡大されている。この図から見ることができるように、パネル５５２のレイアウトは、切断線５５４に沿って切断した後、各回路キャリア５０６がバイア５２８の４分の１を有し、１つの導電性リード５３０に接続されるように設計される。有利には、バイア５２８の金属化部分に接続された導電性リードは、切断プロセスによって損傷されないように、切断線５５４に平行に延びる。この概念は、４つの回路に対して１つの単一の貫通孔を共用するために、１つのユニット（まだ図１８および図１９の配列の中）の各隅部が、基板の一方の側から他方の側への電気的接続のための金属化孔の４分の１を占めている。はんだ付けステップおよび分離ステップ後、金属化されたバイア５２８の４分の１が、最終的に組み立てられた各電子ユニットの各隅部において、回路キャリアの厚さを通って完全な接触を提供する。
パネル５５２の裏面には、さらなるコンタクトパッド（図１１の参照番号２１８に対応する）が設けられ、センシング素子（図１０の参照番号２０４および図２０の参照番号５０４）を有するセラミック膜に接続する。
パネル５５２は、たとえば、セラミック材料から製作され、導電性コンタクトパッド５１８および導電性リード５３０などの導電性要素が、厚膜技術で製作される。
しかし、パネル５５２はまた、導電性の銅リードおよび金属化バイアホールを有するガラス繊維強化エポキシ積層材料、たとえばいわゆるＦＲ４材料から形成されたプリント回路基板（ＰＣＢ）とすることもできる。同様に、回路キャリアを製作する任意の他の好適な技術も使用することができる。本発明では、フラットフレキシブルキャリアを使用することもできる。
図２０は、電気／電子構成部品５６２が組み立てられた後、センサ基板５０４が回路キャリア５０６に取り付けられている図１８および図１９のパネル５５２の一部を示す。本発明によれば、各バイア５２８が、導電性リード５３０によって４つの周辺のセンサ基板５０４に接続される。
本発明によれば、回路キャリア５０６の上面に、様々な受動および能動構成部品ならびに電子回路を配置することができる。有利には、切断線５５４に沿って個別のユニット５００を分離する前に、すべての電子回路がパネル５５２に組み立てられる。これにより、組立てプロセスが容易になり、コストが削減される。
任意選択で、導電性リード５３０を非導電性の保護層５６４で覆うことができる。保護層５６４は、たとえばワイヤ接合ステップまたは任意の他の電気的接続ステップのためにアクセス可能のままになるように、導電性コンタクトパッド５１８のいくつかを開いたまま残すことができる。図２０および図２１では、バイア５２８が分離ユニットによってどのように分割されるかを示すために、４つのユニット５００のみがさらに相互接続されるように示されていることに留意されたい。当然ながら、４つのユニットからなるこの配列は通常、はるかに大きいパネル５５２の一部である。さらに、センサユニット５００Ａは、例示の目的で導電性リード５３０を覆う保護層５６４なしで表されている。
図２１は、センサ基板５０４をより詳細に示すために、図２０の配置を透明図に示す。この図では、センサ基板５０４のはんだ接合のために、回路キャリア５０６の裏面に配置された導電性コンタクトパッド５１４に金属化されたバイア５２８が接続されていることが明らかになる。
１００、２００、５００ センサユニット
１０２、２０２ トランスデューサ素子
１０４、２０４、５０４ センサ基板
１０６、２０６、５０６ 回路キャリア
１０８、２０８ センサ基板の第１の表面
１１０、２１０ センサ基板の第２の表面
１１２、２１２ センサ基板上の導電性リード
１１４、２１４、５１４ 第１の導電性コンタクトパッド
１１６、２１６ 凹部
１１８、２１８、５１８ 第２の導電性コンタクトパッド
１２０、２２０ 保護ガラス層
１２２、２２２ 間隙
１２４、２２４ はんだペースト、はんだ材料、はんだ可能材料
１２６、２２６ はんだ接続
１２８、２２８、５２８ バイア
１３０、４３０、５３０ 回路キャリアの上面の導電性リード
１３２ 回路キャリアの下面の導電性リード
１３４ 端子
１３６ 覆われていない領域
２３８ 電子センシングおよび制御回路
２４０ 回路キャリアの下面
２４２ 回路キャリアの上面
２４４ はんだ付け可能材料を充填する方向
２４６ 隅部領域
２４８ はんだのないエリア
２５０ 誘電体被覆
２５２、４５２、５５２ パネル
２５４、４５４、５５４ 切断線
２５６ スクリーン印刷メッシュ
２５８ 中心領域
２６０ スクリーン印刷メッシュ内の開口
３０２〜３２８ 製作方法ステップ
４００ 電気または電子ユニット
４２８、４２９、４３１、５２８ バイア
５６２ 電気／電子構成部品
５６４ 保護層

Claims (15)

  1. 少なくとも１つの測定量を監視し、前記少なくとも１つの測定量に相関される電気出力信号を生成する少なくとも１つのトランスデューサ素子（１０２、２０２）と、
    第１の表面（１０８、２０８）および反対側の第２の表面（１１０、２１０）を有するセンサ基板（１０４、２０４）とを備え、前記センサ基板（１０４、２０４）が、前記センサ基板（１０４、２０４）の前記第１の表面（１０８、２０８）に配置された前記トランスデューサ素子（１０２、２０２）および少なくとも１つの第１の導電性コンタクトパッド（１１４、２１４）を備え、前記第１の導電性コンタクトパッドが、前記トランスデューサ素子に電気的に接続され、
    前記センサ基板（１０４、２０４）に凹部（１１６、２１６）が設けられ、前記凹部（１１６、２１６）が、前記第２の表面（１１０、２１０）から前記第１の表面（１０８、２０８）へ延び、
    前記センサ基板（１０４、２０４）が、前記第１の表面（１０８、２０８）が回路キャリア（１０６、２０６）に面するように、前記回路キャリア（１０６、２０６）に取り付けられ、
    前記回路キャリア（１０６、２０６）が、少なくとも１つの第２の導電性コンタクトパッド（１１８、２１８）を備え、前記第１の導電性コンタクトパッド（１１４、２１４）および前記第２の導電性コンタクトパッド（１１８、２１８）が、前記センサ基板の前記第２の表面から前記第１の表面へ充填された導電性材料（１２４、２２４、１２６、２２６）によって相互接続されている、
    センサユニット。
  2. 前記導電性材料が、はんだ材料（１２４、２２４、１２６、２２６）、導電性接着剤、または金属充填エポキシ樹脂である、請求項１に記載のセンサユニット。
  3. 前記凹部（１１６、２１６）が、閉じた断面を有する管状のバイアである、請求項１または２に記載のセンサユニット。
  4. 前記凹部（１１６、２１６）が、前記センサ基板の周辺領域に配置され、開いた断面を有している、請求項１または２に記載のセンサユニット。
  5. 前記回路キャリア（１０６、２０６）が、前記センサユニット（１００、２００）を外部構成部品に接続するために前記第２の導電性コンタクトパッドに相互接続された少なくとも１つの接続パッド（１３４、２３４）を備えている、請求項１から４のいずれか一項に記載のセンサユニット。
  6. 前記トランスデューサ素子（１０２、２０２）が、前記センサ基板の前記第１の表面に取り付けられた保護材料（１２０、２２０）によって少なくとも部分的に取り囲まれている、請求項１から５のいずれか一項に記載のセンサユニット。
  7. 前記トランスデューサ素子（１０２、２０２）が、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）ガスセンサおよび／またはＭＥＭＳ圧力センサを備えている、請求項１から６のいずれか一項に記載のセンサユニット。
  8. 前記センサ基板（１０４、２０４）および／または前記回路キャリア（１０６、２０６）が、セラミックチップキャリアを備えている、請求項１から７のいずれか一項に記載のセンサユニット。
  9. 基板およびキャリアを相互接続する方法であって、
    第１の表面（１０８、２０８）および反対側の第２の表面（１１０、２１０）を有する基板（１０４、２０４）を設けるステップであって、前記基板が、前記基板の前記第１の表面（１０８、２０８）に配置された少なくとも１つの第１の導電性コンタクトパッド（１１４、２１４）を備え、前記基板に凹部（１１６、２１６）が設けられ、前記凹部が前記第１の表面から前記第２の表面へ通じる、基板（１０４、２０４）を設けるステップと、
    前記基板を取り付けるための回路キャリアを設けるステップであって、前記回路キャリアが、前記少なくとも１つの第１の導電性コンタクトパッドに接続される少なくとも１つの第２の導電性コンタクトパッドを有する、回路キャリアを設けるステップと、
    前記基板の前記第１の表面が前記回路キャリアに面するように、前記基板を前記回路キャリアに取り付けるステップと、
    前記凹部（１１６、２１６）を通して、前記基板の前記第２の表面から前記第１の表面へ導電性材料を充填するステップと、
    前記少なくとも１つの第１の導電性コンタクトパッドと対応する前記少なくとも１つの第２の導電性コンタクトパッドとの間に電気的接続が形成されるように、硬化ステップを実行するステップとを含む方法。
  10. はんだペーストをスクリーン印刷または分注することによって、前記導電性材料が充填され、かつ／または前記硬化ステップが、前記導電性材料が液化するように前記センサユニットを加熱することを含む、請求項９に記載の方法。
  11. 前記凹部（１１６、２１６）が、閉じた断面を有する金属化された管状のバイアとして形成され、かつ／または前記凹部が、前記基板の周辺領域に配置され、開いた断面を有する、請求項９または１０に記載の方法。
  12. 前記基板を前記回路キャリアに取り付けてはんだ付けする前記ステップが、複数のユニットが互いに関連付けられたパネルプロセスとして実行され、前記方法が、前記ユニットを分離するステップをさらに含む、請求項９から１１のいずれか一項に記載の方法。
  13. 前記凹部（１１６、２１６）が、前記ユニットの隅部および／または縁部を形成する領域に、管状のバイアとして形成され、前記ユニットを分離することによって、分離された前記ユニットの前記隅部および／または縁部に、開いた断面を有する前記凹部が形成される、請求項１２に記載の方法。
  14. 前記基板が、少なくとも１つの測定量を監視し、前記少なくとも１つの測定量に相関される電気出力信号を生成するように動作可能な少なくとも１つのトランスデューサ素子（１０２、２０２）を有するセンサ基板（１０４、２０４）である、請求項９から１３のいずれか一項に記載の方法。
  15. 前記トランスデューサ素子を少なくとも部分的に取り囲むように保護材料（１２０、２２０）を取り付けるステップをさらに含む、請求項１４に記載の方法。
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