WO2006120061A1 - Bauelementemodul und verfahren zu dessen verwendung - Google Patents

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WO2006120061A1
WO2006120061A1 PCT/EP2006/061082 EP2006061082W WO2006120061A1 WO 2006120061 A1 WO2006120061 A1 WO 2006120061A1 EP 2006061082 W EP2006061082 W EP 2006061082W WO 2006120061 A1 WO2006120061 A1 WO 2006120061A1
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substrate
module according
generating device
voltage
contacted
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PCT/EP2006/061082
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English (en)
French (fr)
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Joerg Muchow
Horst Muenzel
Thorsten Pannek
Simon Armbruster
Ralf Reichenbach
Sonja Knies
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Robert Bosch Gmbh
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Publication date
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60C—VEHICLE TYRES; TYRE INFLATION; TYRE CHANGING; CONNECTING VALVES TO INFLATABLE ELASTIC BODIES IN GENERAL; DEVICES OR ARRANGEMENTS RELATED TO TYRES
    • B60C23/00—Devices for measuring, signalling, controlling, or distributing tyre pressure or temperature, specially adapted for mounting on vehicles; Arrangement of tyre inflating devices on vehicles, e.g. of pumps or of tanks; Tyre cooling arrangements
    • B60C23/02—Signalling devices actuated by tyre pressure
    • B60C23/04—Signalling devices actuated by tyre pressure mounted on the wheel or tyre
    • B60C23/0491—Constructional details of means for attaching the control device
    • B60C23/0493—Constructional details of means for attaching the control device for attachment on the tyre
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K3/00—Apparatus or processes for manufacturing printed circuits
    • H05K3/0058—Laminating printed circuit boards onto other substrates, e.g. metallic substrates
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K1/00—Printed circuits
    • H05K1/02—Details
    • H05K1/0284—Details of three-dimensional rigid printed circuit boards
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K2201/00—Indexing scheme relating to printed circuits covered by H05K1/00
    • H05K2201/10—Details of components or other objects attached to or integrated in a printed circuit board
    • H05K2201/10007—Types of components
    • H05K2201/10037—Printed or non-printed battery

Definitions

  • the invention relates to a component module, in particular a sensor module.
  • the sensor module according to the invention can in particular for measuring a gas or air pressure, for. B. in a vehicle tire, are used.
  • the invention relates to a method for using such a module module.
  • sensor modules For measuring the air pressure in vehicle tires, sensor modules are known which, when the vehicle is stationary or else while driving, are measuring signals via e.g. Send an antenna to a receiver.
  • the recorded measurement signals are generally used to check whether the air pressure is sufficient and can additionally be used for vehicle dynamics control.
  • WO 2004/045260 A1 shows a method for producing a semi-finished printed circuit board from a plurality of intermediate layers, wherein in an intermediate layer, a recess is provided, in which a battery or battery element is used with a thickness not greater than the intermediate layer and contacted with printed conductors of the printed circuit board.
  • the supporting function of serving as a substrate circuit board is ensured by the several stacked individual layers.
  • a voltage-generating device ie a device which outputs an electrical voltage, itself serves as a substrate or at least part of the substrate, ie it has a supporting function in the substrate.
  • the voltage generating device may in particular an energy storage, for. B. be a galvanic cell; it may in particular be a non-rechargeable battery or a rechargeable accumulator; the battery or the accumulator can be designed as a simple button cell or larger cylinder and thus allow different shape bonds.
  • z. B. also a fuel can be used, energy is supplied in the form of a fuel and Oxid dationsffens and generates electrical energy from this and provides a voltage.
  • the voltage-generating device generally has a housing and connection poles.
  • the voltage-generating device may simply be coated with an insulator layer on its upper or lower side or else on both sides, the conductor tracks for contacting the components being formed directly on one or both insulator layers.
  • the insulator layer or insulator layers serve for the electrical insulation of the terminal poles and as a thermomechanical decoupling. In the simple case, they can be designed as non-self-supporting ceramic plates placed on the connection poles. In principle, however, the housing of the voltage-generating device can already serve as such an insulator layer.
  • an intermediate substrate for. As a printed circuit board made of plastic or a ceramic substrate, are attached.
  • the component module according to the invention can be a sensor module in which a sensor chip, advantageously also an evaluation chip and possibly transmitter chips, are mounted on the substrate as components.
  • an antenna can be connected to the substrate.
  • connection poles with the conductor tracks provided on the insulator layer can take place firstly via a through-connection through the insulator layer to the closer connection pole and additionally through an angle-shaped contact guidance to the pole on the opposite side of the voltage-generating device.
  • two angular contact guides are accordingly provided.
  • a positive conductor track and a negative track track which are contacted with the connecting poles, and one or more connecting conductor tracks, which serve - as is known in conventional substrates - for contacting the various terminals of the accommodated components, thus run on top of the insulator.
  • the at least one component is advantageously soldered by means of flip-chip technology, so that no connection pins protrude to the side.
  • An antenna advantageously serves for data transmission, in particular when used in a tire.
  • the entire system is potted, e.g. in temperature-stable epoxy resin, so that the contacts and possibly the antenna are integrated and stably absorbed.
  • the intermediate substrate e.g. a printed circuit board or a ceramic substrate is fabricated in use contacting the electronic components on the at least one intermediate substrate or the two intermediate substrates, e.g. are soldered, the modules thus formed are separated and a stack of the intermediate substrate with the voltage generating device or a sandwich stack of the voltage generating device between two such intermediate substrates is formed.
  • the voltage-generating device is completely surrounded by the insulator material that provides the thermo-mechanical decoupling.
  • the conductor tracks run accordingly in the insulator.
  • On the outer skin of the voltage-generating device here plus minus connections and connecting lines of the sensor chip and evaluation chips and the antenna are provided. The components are in this case soldered directly to the voltage-generating device.
  • the sensor module according to the invention may in particular be an inertial sensor or a sensor directly in contact with external media, e.g. Pressure sensor, flow sensor or chemical sensor. In the latter sensors, no full encapsulation of the entire system takes place, since the sensor element requires contact with the media and thus remains unencapsulated. In this case, the sensor element and the evaluation circuit can be placed on opposite sides of the voltage-generating device.
  • the sensor module according to the invention can withstand great forces, since due to its compact design only small moments arise; Furthermore, a small size is achieved, which allows use in the rubber materal of a tire. Due to its small size and the small number of components used cost-effective production is possible.
  • the sensor module can be advantageously without a direct contact of materials with a high difference in their thermal expansion coefficients, for. As metal and silicon, be constructed so that internal shear forces are kept low.
  • Figure 1 is a perspective view of a substrate according to the invention of battery, insulator layer and conductor tracks on the substrate top, with a flat structure.
  • FIG. 2 shows a perspective view of a sensor module according to a first embodiment with the substrate from FIG. 1 and the sensor chip and evaluation chip accommodated;
  • FIG. 3 shows a cross section through the sensor module from FIG. 2 with additional filling material
  • FIG. 4 shows a sensor module according to a further embodiment with a rod-shaped construction comprising a battery, insulator layers and evaluation chip and sensor chip received on opposite sides;
  • FIG. 5 shows a sensor module according to a further embodiment in exploded view with a substrate in a stacked construction of the battery contacting and the chip receiving intermediate substrates and these connecting contact pins.
  • FIG. 6 shows an arrangement for producing a sensor module according to a further embodiment in cross section with a battery, the battery between receiving intermediate substrates and components mounted thereon.
  • the 1 shows a substrate 2 with a cylindrical battery 1, which has its negative pole M on its underside and its positive pole P on its upper side, and an insulator layer 4 set on the upper side 1.1 of the battery 1.
  • the battery 1 can be a non-rechargeable galvanic Cell or even a rechargeable galvanic cell, ie an accumulator.
  • the insulator layer 4 is also cylindrical with substantially the same circular base area as the battery 1, so that the substrate 2 has a cylindrical shape.
  • the positive pole P and the negative pole M can be used as subregions of the upper side 1.1 or bottom 1.2 of the battery 1 may be formed or each extend completely over the top 1.1 and bottom 1.2 of the battery 1.
  • the positive pole P is contacted by an opening 5 which extends continuously through the insulator layer 4 and into which a contact pin 6 is inserted as pole contact, which rests on the positive pole P or is conductively contacted, eg by means of conductive adhesive or solder.
  • the contact pin 6 extends to the top 4.1 of the insulator 4, with which it terminates flush.
  • the negative pole M For contacting the negative pole M extends an angular terminal 8 from the negative terminal M on the bottom 1.2 of the battery 1 laterally outward and from there along the side surface of the battery 1 and the insulator 4 to the top 4.1.
  • a plus conductor track 10 contacts the contact pin 6 above the opening 5.
  • a negative conductor 12 contacts the angle-shaped terminal contact 8 laterally outside.
  • one or more connecting conductor tracks 14 are in contact the insulator top 4.1 trained.
  • the conductor tracks 10, 12 and 14 advantageously run parallel in accordance with the conductor tracks on a conventional substrate, such as e.g. a circuit board, so that components can be placed directly on the substrate top and contacted with the tracks 10, 12 and 14.
  • FIG. 2 shows a sensor module 20-without passivation-with the substrate 2 from FIG. 1, onto which an evaluation chip 24 and a sensor element 25 or sensor chip are placed as components and contacted with the conductor tracks 10, 12, 14.
  • an evaluation chip 24 and a sensor element 25 or sensor chip are placed as components and contacted with the conductor tracks 10, 12, 14.
  • the connections of the attached components 24, 25 are contacted.
  • the components 24, 25 are contacted here in flip-chip technology directly with their contact pads.
  • the insulator 4-unlike FIG. 1, 2 -can extend laterally beyond the battery 1, with laterally next to the battery 1 further insulator regions.
  • che 22 are provided, around which the angle-shaped terminal contact 8 is placed.
  • On the insulator top 4.1 extend in this embodiment, for example, two parallel interconnect tracks 14; It may also be provided according to other connecting lines 14.
  • a component for example the evaluation chip 24 or the sensor element 25, is contacted on the conductor tracks 10, 12, 14 in a manner known per se by means of contact means 26, eg conductive adhesive bumps 26 and / or solder bumps 26.
  • an underfill material 28 or filling material for example epoxy resin, is filled between the component 24 and the insulator surface 4.1 for passivation and insulation of the conductor tracks 10, 12, 14 and the connecting medium bumps 26, wherein the underfill material 28 also supplements the substrate 2 to the Surrounds sides and towards the bottom so that it includes this advantageously completely.
  • the evaluation chip 24 may, for. B. an ASIC, and the sensor element 25 in particular a pressure sensor or sensor chip for measuring an air pressure, but also z. B. a sensor chip for measuring infrared radiation for spectroscopic detection of at least one gas concentration and / or a mass flow sensor.
  • FIG. 4 shows a sensor module 120 with a rod-shaped structure of its substrate 116.
  • cylindrical insulators 104a, 104b with the same diameter as the battery 1 are provided on the top and bottom sides of the battery 1.
  • Both isolators 104a, 104b respectively have an opening 105a, 105b with contact pins 106a, 106b corresponding to the insulator 4 of FIG.
  • a terminal contact 108a allows the contact of the pole M on the insulator 104a; corresponds speaking, a terminal contact 108b allows the contacting of the pole P on the insulator 104b, so that both the plus and the minus terminal are available on the upper sides of both insulators 104a, 204b.
  • Further contact guides 110 and 111 (largely hidden) between the upper sides of the insulators 104 a, b are used for data transmission.
  • the substrate 216 serves as a substrate on both sides, in which both on the top and on the bottom of components 24 - for example, an evaluation circuit - and 25 - can be contacted - for example, a sensor element 25 -.
  • an elongate or rod-shaped structure can be achieved.
  • FIG. 5 shows a sensor module 220, in which the battery 1 is arranged between an upper intermediate substrate 221 and a lower intermediate substrate 222.
  • a metal contact 224 for the positive pole P of the battery 1 is provided on the underside of the upper intermediate substrate 221.
  • a metal contact 226 for the negative pole M of the underside 1.2 of the battery 1 is formed on the upper side of the lower intermediate substrate 222.
  • the metal contacts 224, 226 are contacted with the upper sides of the respective other intermediate substrate 222, 221 via contact pins 208 extending laterally next to the battery 1.
  • both terminals of the battery 1 are provided on the outside of each intermediate substrate 221, 222, wherein on the intermediate substrates 221, 222, in turn, the conductor tracks 10,12, 14 of the embodiments described above are formed.
  • the substrate 216 comprising the battery 1 and the intermediate substrates 221, 222 advantageously has a rectangular outer shape which is thus compatible with a wide variety of applications.
  • FIG. 6 shows a pressure sensor module 320, in which the poles P and M of the battery 1 with the intermediate substrates 321, 322 arranged above and below them are directly or via angular connection contacts 328 and, if appropriate, plated-through holes 234, 236 corresponding to the through-connections 234, 236 of FIG. 5 are contacted.
  • a sensor element 25 and on the underside of the lower intermediate substrate 322 an evaluation chip 24 via kausungsmittelbumps 26 contacted.
  • the assembly thus formed is lowered head down into a lower mold 332 until upper intermediate substrate 321 on an upper mold 330 or a seal 334 rests and subsequently with a passivation agent, eg Epoxy resin 338 potted.
  • a passivation agent eg Epoxy resin 338 potted.
  • the sensor element 25 provided on the upper side of the upper intermediate substrate 321 remains spared by the passivation agent.
  • an underfiller 329 for passivating the connecting medium bumps 26 can be applied in advance.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Bauelementemodul, insbesondere Sensormodul, das mindestens aufweist: eine spannungserzeugende Einrichtung (1 ), insbesondere Batterie (1 ), mit einer Oberseite und einer Unterseite und zwei Anschlusspolen (P, M), ein Substrat (2), auf dessen Substratoberseite Leiterbahnen (10, 12, 14) ausgebildet sind, von denen mindestens zwei Leiterbahnen (10, 12) mit den Anschlusspolen (P, M) verbunden sind und mindestens eine weitere Leiterbahn (14) als Verbindungsleiterbahn (14) frei von einer Kontaktierung mit den Anschlusspolen ist, ein Bauelement (25), insbesondere Sensorchip (25), das auf den Leiterbahnen (10, 12, 14) auf der Substratoberseite angebracht und kontaktiert ist, wobei die spannungserzeugende Einrichtung (1 ) ein Teil des Substrates (2) ist und in dem Substrat (2) eine tragende Funktion aufweist. Das erfindungsgemäße Bauelementemodul kann insbesondere zur Luftdruckmessung in Fahrzeugreifen verwendet werden und weist einen kompakten Aufbau auf, der hohen Kräften und Temperaturen widersteht und geringen thermischen Scherkräften unterworfen ist. Es kann insbesondere in das Gummimaterial des Fahrzeugreifens einvulkanisiert werden.

Description

Bauelementemodul und Verfahren zu dessen Verwendung
Die Erfindung betrifft ein Bauelementemodul, insbesondere ein Sensormodul. Das erfindungsgemäße Sensormodul kann insbesondere zur Messung eines Gas- bzw. Luftdrucks, z. B. in einem Fahrzeugreifen, eingesetzt werden.
Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Verwendung eines derartigen Bauelementemoduls.
Stand der Technik
Zur Messung des Luftdrucks in Fahrzeugreifen sind Sensormodule bekannt, die bei stehendem Fahrzeug oder auch während der Fahrt Messsignale über z.B. eine Antenne an einen Empfänger aussenden. Die aufgenommenen Messsignale dienen im allgemeinen der Überprüfung, ob der Luftdruck aus- reichend ist, und können ergänzend für Fahrdynamikregelungen herangezogen werden.
In Fahrzeugreifen treten jedoch hohe Belastungen an das Sensormodul auf, insbesondere hohe Druckbelastungen und aufgrund der Zentrifugalkräfte hohe Beschleunigungen, die bei den verwendeten Halbleiterbauelementen Beschädigungen hervorrufen können. Weiterhin treten in Fahrzeugreifen hohe Temperaturen auf, die zum einen zu einer Abnahme des Elastizitätsmoduls der verwendeten Materialien, insbesondere von Kunststoffen führen, wodurch wiederum die Widerstandkraft gegen mechanische Kräfte sinkt, und zum anderen an den Grenzflächen von Materialien unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten sehr hohe Scherkräfte entstehen lassen, die oftmals deutlich größer sind als die von außen einwirkenden mechanischen Kräfte. Da beim Vulkanisieren des Reifens Temperaturbelastungen bis 200 0C und sehr hohe Druckbelastungen von einigen 10 bar auftreten, ist im Allgemeinen nur eine Anbringung in oder an der Felge möglich. Eine derartige Anbringung ist jedoch relativ aufwendig; weiterhin ist für einen Austausch des Sensors eine vollständige Zerlegung des Fahrzeugreifens erforderlich.
Die Ausbildung eines für einen Einsatz im Fahrzeugreifen geeigneten Sensormoduls und seine Anbringung im Fahrzeugreifen sind somit im Allgemeinen schwierig.
Die WO 2004/045260 A1 zeigt ein Verfahren zur Herstellung einer Halberzeugnisleiterplatte aus mehreren Zwischenschichten, wobei in einer Zwischenschicht eine Aussparung vorgesehen ist, in die ein Batterie- oder Akkuelement mit nicht größerer Dicke als die Zwischenschicht eingesetzt und mit Leiterbahnen der Leiterplatte kontaktiert wird. Hierbei wird die tragende Funktion der als Substrat dienenden Leiterplatte von den mehreren aufeinander gestapelten Einzelschichten gewährleistet.
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Bauelementemodul und das Verfahren zu dessen Verwendung weisen demgegenüber einige Vorteile auf:
Erfindungsgemäß dient eine Spannungserzeugende Einrichtung, d.h. eine eine elektrische Spannung ausgebende Einrichtung, selbst als Substrat oder zumindest Teil des Substrates, d.h. sie weist eine tragende Funktion in dem Substrat auf. Die Spannungserzeugende Einrichtung kann hierbei insbesondere ein Energiespeicher, z. B. eine galvanische Zelle sein; sie kann insbesondere eine nicht wiederaufladbare Batterie oder ein wiederaufladbarer Ak- kumulator sein; die Batterie bzw. der Akkumulator kann als einfache Knopfzelle oder größerer Zylinder ausgelegt sein und somit unterschiedliche Formgebunden ermöglichen. Weiterhin kann jedoch z. B. auch eine Brenn- stoffzelle eingesetzt werden, der Energie in Form eines Brennstoffs und Oxi- dationsmittels zugeführt wird und die hieraus elektrische Energie erzeugt und eine Spannung bereitstellt. Die Spannungserzeugende Einrichtung weist hierbei im allgemeinen ein Gehäuse und Anschlusspole auf.
Die spannungserzeugende Einrichtung kann einfach mit einer Isolatorschicht auf ihrer Ober- oder Unterseite oder auch auf beiden Seiten beschichtet sein, wobei auf der einen oder beiden Isolatorschichten direkt die Leiterbahnen zur Kontaktierung der Bauelemente ausgebildet sind. Die Isolatorschicht bzw. Isolatorschichten dienen hierbei zur elektrischen Isolierung der Anschlusspole und als thermomechanische Entkopplung. Sie können im einfachen Fall als auf die Anschlusspole aufgelegte, nicht selbsttragende Keramikplättchen ausgebildet sein. Grundsätzlich kann aber auch bereits das Gehäuse der spannungserzeugenden Einrichtung als eine derartige Isolatorschicht dienen. Weiterhin kann auf der spannungserzeugenden Einrichtung auch ein Zwischensubstrat, z. B. eine Leiterplatte aus Kunststoff oder ein Keramiksubstrat, befestigt werden.
Das erfindungsgemäße Bauelementemodul kann gemäß einer bevorzugten Ausbildung ein Sensormodul sein, bei dem auf dem Substrat als Bauelemente ein Sensorchip, vorteilhafterweise auch ein Auswertechip und gegebenenfalls Transmitterchips befestigt sind. Ergänzend kann eine Antenne an dem Substrat angebunden werden.
Die Kontaktierungen der Anschlusspole mit den auf der Isolatorschicht vorgesehenen Leiterbahnen können zum einen über eine Durchkontaktierung durch die Isolatorschicht zu dem näher gelegenen Anschlusspol und ergänzend durch eine winkelförmige Kontaktführung zu dem Pol auf der entgegengesetzten Seite der spannungserzeugenden Einrichtung erfolgen. Bei Ver- wendung von zwei Isolatorschichten mit Leiterbahnen auf Ober- und Unterseite der spannungserzeugenden Einrichtung sind entsprechend zwei winkelförmige Kontaktführungen vorgesehen. Auf der Isolatoroberseite verlaufen somit eine Plusleiterbahn und eine Minusleiterbahn, die mit den Anschlusspolen kontaktiert sind, sowie ein oder mehrere Verbindungsleiterbahnen, die - wie es bei herkömmlichen Substraten bekannt ist - der Kontaktierung der verschiedenen Anschlüsse der aufgenommenen Bauelemente dienen.
Das mindestens eine Bauelement wird vorteilhafterweise mittels Flip-Chip- Technik gelötet, so dass keine Anschlusspins zur Seite vorstehen. Hierdurch wird ein kompakter, im Wesentlichen zylinderförmiger Aufbau des gesamten Sensormoduls gewährleistet, das gegenüber äußeren Belastungen stabil ausgebildet ist. Eine Antenne dient vorteilhafterweise der Datenübertragung, insbesondere bei Einsatz in einem Reifen. Vorteilhafterweise wird das Gesamtsystem vergossen, z.B. in temperaturstabiles Epoxidharz, so dass die Kontaktierungen und gegebenenfalls die Antenne integriert und stabil aufgenommen sind.
Neben runden bzw. zylinderförmigen Ausbildungen der spannungserzeugen- den Einrichtung und des gesamten Bauelementemoduls können z.B. auch rechtwinklige Ausbildungen geschaffen werden. Hierdurch ist die Herstellung des Substrates mit der Elektronik in einem als solchem bekannten Batch- Verfahren möglich, bei dem das Zwischensubstrat, z.B. eine Leiterplatte oder ein Keramiksubstrat, im Nutzen hergestellt wird, die elektronischen Bauelemente auf dem mindestens einen Zwischensubstrat oder den beiden Zwi- schensubstraten kontaktiert, z.B. gelötet werden, die so gebildeten Module vereinzelt werden und ein Stapel aus dem Zwischensubstrat mit der span- nungserzeugenden Einrichtung bzw. ein Sandwich-Stapel aus der span- nungserzeugenden Einrichtung zwischen zwei derartigen Zwischensubstraten gebildet wird.
Weiterhin ist es grundsätzlich auch möglich, dass Kontakte direkt in das Gehäuse der spannungserzeugenden Einrichtung integriert sind. Hierbei ist die spannungserzeugende Einrichtung vorteilhafterweise vollständig von dem Isolatormaterial umgeben, das für die thermomechanische Entkopplung sorgt. Die Leiterbahnen verlaufen dementsprechend in dem Isolator. Auf der Außenhaut der spannungserzeugenden Einrichtung sind hierbei Plus- Minusanschlüsse und Verbindungsleitungen des Sensorchips und Auswertechips sowie der Antenne vorgesehen. Die Komponenten werden hierbei direkt auf die spannungserzeugende Einrichtung gelötet.
Das erfindungsgemäße Sensormodul kann insbesondere ein Inertialsensor oder ein direkt in Kontakt mit externen Medien stehender Sensor, z.B. Drucksensor, Flusssensor oder chemischer Sensor sein. Bei den letzteren Sensoren findet keine Vollverkapselung des Gesamtsystems statt, da das Sensorelement Kontakt mit den Medien erfordert und somit unverkapselt bleibt. Hierbei können das Sensorelement und die Auswerteschaltung auf entgegen gesetzten Seiten der spannungserzeugenden Einrichtung platziert werden.
Das erfindungsgemäße Sensormodul kann großen Kräften widerstehen, da aufgrund seines kompakten Aufbaus nur geringe Momente entstehen; weiterhin wird eine kleine Baugröße erreicht, die einen Einsatz auch im Gummi- materal eines Reifens ermöglicht. Aufgrund seiner kleinen Baugröße und der geringen Anzahl verwendeter Bestandteile ist eine kostengünstige Herstellung möglich. Das Sensormodul kann vorteilhafterweise ohne einen direkten Kontakt von Materialien mit einem hohen Unterschied in ihren thermischen Ausdehnungskoeffizienten, z. B. Metall und Silizium, aufgebaut sein, so dass interne Scherkräfte gering gehalten werden.
Beschreibung der Ausführungsformen
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der beiliegenden Zeichnungen an einigen Ausführungsformen erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Substrates aus Batterie, Isolatorschicht und Leiterbahnen auf der Substratoberseite, bei flachem Aufbau;
Fig. 2 eine perspektivische Ansicht eines Sensormoduls gemäß einer ersten Ausführungsform mit dem Substrat aus Fig. 1 und aufgenommenem Sensorchip und Auswertechip;
Fig. 3 einen Querschnitt durch das Sensormodul aus Fig. 2 mit zusätzlichem Füllmaterial;
Fig. 4 ein Sensormodul gemäß einer weiteren Ausführungsform mit stabförmigen Aufbau aus Batterie, Isolatorschichten und an entgegen gesetzten Seiten aufgenommenem Auswertechip und Sensorchip;
Fig. 5 ein Sensormodul gemäß einer weiteren Ausführungsform in auseinander gezogener Darstellung mit einem Substrat in Stapel- bauweise aus die Batterie kontaktierenden und die Chips aufnehmenden Zwischensubstraten und diese verbindenden Kontaktstiften;
Fig. 6 eine Anordnung zur Herstellung eines Sensormoduls gemäß einer weiteren Ausführungsform im Querschnitt mit Batterie, die Batterie zwischen sich aufnehmenden Zwischensubstraten und auf diesen angebrachten Bauelementen.
Fig. 1 zeigt ein Substrat 2 mit einer zylinderförmigen Batterie 1 , die auf ihrer Unterseite ihren Minuspol M und auf ihrer Oberseite ihren Pluspol P aufweist, sowie eine auf die Oberseite 1.1 der Batterie 1 gesetzte Isolatorschicht 4. Die Batterie 1 kann eine nicht aufladbare galvanische Zelle oder auch eine wieder aufladbare galvanische Zelle, d.h. ein Akkumulator, sein. Die Isolatorschicht 4 ist ebenfalls zylindrisch mit im Wesentlichen gleicher kreisförmiger Grundfläche wie die Batterie 1 ausgebildet, so dass das Substrat 2 eine zy- lindrische Form aufweist.
Der Pluspol P und der Minuspol M können als Teilbereiche der Oberseite 1.1 bzw. Unterseite 1.2 der Batterie 1 ausgebildet sein oder sich jeweils vollständig über die Oberseite 1.1 und Unterseite 1.2 der Batterie 1 erstrecken. Die Kontaktierung des Pluspols P erfolgt durch eine sich durchgängig durch die Isolatorschicht 4 erstreckende Öffnung 5, in die ein Kontaktstift 6 als Polkon- takt passend eingesetzt ist, der auf dem Pluspol P leitend aufliegt oder leitend kontaktiert ist, z.B. mittels Leitkleber oder Lot. Der Kontaktstift 6 erstreckt sich bis zur Oberseite 4.1 des Isolators 4, mit der er bündig abschließt.
Zur Kontaktierung des Minuspols M erstreckt sich ein winkelförmiger Anschlusskontakt 8 von dem Minuspol M an der Unterseite 1.2 der Batterie 1 seitlich nach außen und von dort entlang der Seitenfläche der Batterie 1 und des Isolators 4 bis zu dessen Oberseite 4.1. Somit sind die beiden Pole P, M der Batterie 1 auf der Oberseite 4.1 des Isolators 4 kontaktierbar bzw. zu- gänglich. Auf der Isolatoroberseite 4.1 verlaufen mehrere Leiterbahnen 10, 12, 14. Hierbei kontaktiert eine Plus-Leiterbahn 10 den Kontaktstift 6 oberhalb der Öffnung 5. Entsprechend kontaktiert eine Minus- Leiterbahn 12 lateral außen den winkelförmigen Anschlusskontakt 8. Ergänzend sind ein oder mehrere Verbindungsleiterbahnen 14 auf der Isolatoroberseite 4.1 ausgebil- det. Die Leiterbahnen 10, 12 und 14 verlaufen hierbei vorteilhafterweise parallel entsprechend den Leiterbahnen auf einem herkömmlichen Substrat, wie z.B. einer Leiterplatte, so dass Bauelemente direkt auf die Substratoberseite gesetzt und mit den Leiterbahnen 10, 12 und 14 kontaktiert werden können.
Fig. 2 zeigt ein Sensormodul 20 - ohne Passivierung - mit dem Substrat 2 aus Fig. 1 , auf das als Bauelemente ein Auswertechip 24 und ein Sensorelement 25 bzw. Sensorchip aufgesetzt und mit den Leiterbahnen 10, 12, 14 kontaktiert sind. Durch die Verbindungsleiterbahnen 14 werden die An- Schlüsse der aufgesetzten Bauelemente 24, 25 kontaktiert. Die Bauelemente 24, 25 sind hierbei in Flip-Chip-Technik direkt mit ihren Kontaktpads kontaktiert. Gemäß dem Querschnitt der Fig. 3 (durch die Ebene A aus Fig. 1 ) kann sich der Isolator 4 - anders als Fig. 1 , 2 - in lateraler Richtung über die Batterie 1 hinaus erstrecken, wobei lateral neben der Batterie 1 weitere Isolatorberei- che 22 vorgesehen sind, um die der winkelförmige Anschlusskontakt 8 gelegt ist. Auf der Isolatoroberseite 4.1 verlaufen bei dieser Ausführungsform beispielhaft zwei parallele Verbindungsleiterbahnen 14; es können entsprechend auch noch weitere Verbindungsleiterbahnen 14 vorgesehen sein. Ein Bauelement, z.B. der Auswertechip 24 oder das Sensorelement 25, ist auf den Leiterbahnen 10, 12, 14 in an sich bekannter Weise mittels Kontaktmit- telbumps 26, z.B. Leitkleberbumps 26 und/oder Lötbumps 26, kontaktiert. Vorteilhafterweise ist ein Underfillermaterial 28 bzw. Füllmaterial, z.B. Epoxidharz, zwischen das Bauelement 24 und die Isolatoroberfläche 4.1 zur Passivierung und Isolation der Leiterbahnen 10, 12, 14 und der Verbin- dungsmittelbumps 26 gefüllt, wobei das Underfillermaterial 28 ergänzend das Substrat 2 auch zu den Seiten und zur Unterseite hin umgibt, so dass es dieses vorteilhafterweise vollständig einschließt.
Der Auswertechip 24 kann z. B. ein ASIC, und das Sensorelement 25 insbe- sondere ein Drucksensor bzw. Sensorchip zur Messung eines Luftdrucks, aber auch z. B. ein Sensorchip zur Messung von Infrarotstrahlung zur spektroskopischen Detektion mindestens einer Gaskonzentration und/oder ein Masseflusssensor sein.
Fig. 4 zeigt ein Sensormodul 120 mit einem stabförmigen Aufbau seines Substrates 116. Hierbei sind an der Ober- und Unterseite der Batterie 1 jeweils zylindrische Isolatoren 104a, 104b mit gleichem Durchmesser wie die Batterie 1 vorgesehen. Beide Isolatoren 104a, 104b weisen - entsprechend dem Isolator 4 der Fig. 1 -jeweils eine Öffnung 105a, 105b mit Kontaktstiften 106a, 106b auf, so dass beide Pole M, P der Batterie 1 über die Kontaktstifte 106a, 106b in axialer Richtung kontaktiert werden. Ein Anschlusskontakt 108a ermöglicht die Kontaktierung des Pols M auf dem Isolator 104a; ent- sprechend ermöglicht ein Anschlusskontakt 108b die Kontaktierung des Pols P auf dem Isolator 104b, so dass auf den Oberseiten beider Isolatoren 104a, 204b sowohl der Plus- als auch der Minusanschluss zur Verfügung stehen. Weitere Kontaktführungen 110 und 111 (weitgehend verdeckt) zwischen den Oberseiten der Isolatoren 104 a, b dienen der Datenübertragung. Somit dient das Substrat 216 als beidseitiges Substrat, bei dem sowohl auf der Ober- als auch der Unterseite Bauelemente 24 - z.B. eine Auswerteschaltung - und 25 - z.B. ein Sensorelement 25 - kontaktiert werden können. Gemäß Fig. 4 kann bei Anbringung der Bauelemente 24, 25 auf den gegenüber liegenden Seiten ein länglicher bzw. stabförmiger Aufbau erreicht werden.
Fig. 5 zeigt ein Sensormodul 220, bei dem die Batterie 1 zwischen einem oberen Zwischensubstrat 221 und einem unteren Zwischensubstrat 222 angeordnet ist. An der Unterseite des oberen Zwischensubstrates 221 ist ein Metallkontakt 224 für den Pluspol P der Batterie 1 vorgesehen. Entsprechend ist an der Oberseite des unteren Zwischensubstrates 222 ein Metallkontakt 226 für den Minuspol M der Unterseite 1.2 der Batterie 1 ausgebildet. Die Metallkontakte 224, 226 sind über seitlich neben der Batterie 1 verlaufende Kontaktstifte 208 mit den Oberseiten des jeweils anderen Zwischensubstra- tes 222, 221 kontaktiert. Weiterhin ist in jedem Zwischensubstrat 221 , 222 eine Durchkontaktierung 234, 236 zwischen dem jeweiligen Metallkontakt 224, 226 und der Außenseite - d.h. der Oberseite 221a des oberen Zwischensubstrates 221 bzw. der Unterseite 222a des unteren Zwischensubstrates 222 - vorgesehen. Somit sind auf der Außenseite jedes Zwischen- Substrates 221 , 222 beide Anschlüsse der Batterie 1 vorgesehen, wobei auf den Zwischensubstraten 221 , 222 wiederum die Leiterbahnen 10,12, 14 der oben beschriebenen Ausführungsformen ausgebildet sind.
Sowohl auf der Oberseite 221a des oberen Zwischensubstrates 221 als auch auf der Unterseite 222a des unteren Zwischensubstrates 222 können auf den Leiterbahnen 10, 12, 14 ein oder mehrere Bauelemente, z.B. der Auswertechip 24 und/oder das Sensorelement 25 kontaktiert werden. Lediglich der Übersichtlichkeit halber ist hier das untere Zwischensubstrat 222 nicht bestückt. Das Substrat 216 aus Batterie 1 und den Zwischensubstraten 221 , 222 weist hierbei vorteilhafterweise eine rechteckige und somit für vielfältige Anwendungen kompatible Außenform auf.
Fig. 6 zeigt ein Drucksensormodul 320, bei dem die Pole P und M der Batterie 1 mit den oberhalb und unterhalb von ihr angeordneten Zwischensubstraten 321 , 322 direkt bzw. über winkelförmige Anschlusskontakte 328 und gegebenenfalls Durchkontaktierungen 234, 236 entsprechend den Durchkon- taktierungen 234, 236 der Fig. 5 kontaktiert sind. Hierbei sind auf der Oberseite des oberen Zwischensubstrates 321 ein Sensorelement 25 und auf der Unterseite des unteren Zwischensubstrates 322 ein Auswertechip 24 über Verbindungsmittelbumps 26 kontaktiert.
Nach dem Zusammenbau des oberen Zwischensubstrates 321 und des unteren Zwischensubstrates 322 mit der Batterie 1 und eventuell einer an dem unteren Zwischensubstrat 322 kontaktierten Antenne 324 wird die so gebildete Baugruppe kopfüber in eine untere Gusform 332 gesenkt, bis das obere Zwischensubstrat 321 auf einer oberen Gusform 330 bzw. einer Dichtung 334 aufliegt und nachfolgend mit einem Passivierungsmittel, z.B. Epoxidharz 338 vergossen. Das an der Oberseite des oberen Zwischensubstrates 321 vorgesehene Sensorelement 25 bleibt hierbei von dem Passivierungsmittel verschont. Zwischen dem Sensorelement 25 und der Oberseite des oberen Zwischensubstrates 321 kann ein Underfiller 329 zur Passivierung der Ver- bindungsmittelbumps 26 vorab aufgebracht sein.

Claims

Patentansprüche
1. Bauelementemodul, insbesondere zur Messung eines Gasdruckes in einem Fahrzeugreifen, das mindestens aufweist: eine spannungserzeugende Einrichtung (1 ) mit einer Oberseite und einer
Unterseite und zwei Anschlusspolen (P, M), ein Substrat (2, 116, 216), auf dessen Substratoberseite Leiterbahnen (10, 12, 14) ausgebildet sind, von denen mindestens zwei Leiterbahnen (10, 12) mit den Anschlusspolen (P, M) verbunden sind und mindestens eine weitere Leiterbahn (14) als Verbindungsleiterbahn (14) frei von einer Kontaktierung mit den Anschlusspolen (P, M) der spannungserzeu- genden Einrichtung (1) ist, ein Bauelement (24, 25), das auf den Leiterbahnen (10, 12, 14) auf der Substratoberseite angebracht und kontaktiert ist, wobei die spannungserzeugende Einrichtung (1 ) ein Teil des Substrates
(2, 116, 216) ist, und wobei die spannungserzeugende Einrichtung (1 ) in dem Substrat (2, 116, 216) eine tragende Funktion aufweist.
2. Bauelementemodul nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die spannungserzeugende Einrichtung (1 ) eine nicht wiederaufladbare Batterie (1 ), ein wiederaufladbarer Akkumulator (1) oder eine Brennstoffzelle ist.
3. Bauelementemodul nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (2, 116, 216) mindestens eine auf der Oberseite und/oder der Unterseite der spannungserzeugenden Einrichtung (1 ) aufgebrachte Isolatorschicht (4; 104a,b) aufweist, auf der zumindest ein Teil der Leiterbahnen (10, 12, 14) ausgebildet ist.
4. Bauelementemodul nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die spannungserzeugende Einrichtung (1 ) ihren ersten Anschlusspol (P) auf ihrer Oberseite (1.1 ) und ihren zweiten Anschlusspol (M) auf ihrer Unterseite (1.2) aufweist, ein erster Polkontakt (6) von dem ersten Anschlusspol (P) durch die Isolatorschicht (4, 104a) zu der Oberseite der Isolatorschicht (4, 104a) ge- führt und mit einer Leiterbahn (10) kontaktiert ist, und ein zweiter Polkontakt (8) von dem zweiten Anschlusspol (M) von der Unterseite der spannungserzeugenden Einrichtung (1 ) seitlich neben der spannungserzeugenden Einrichtung (1 ) nach oben zu der Oberseite der Isolatorschicht (4, 104a) geführt und mit einer zweiten Leiterbahn (12) verbunden ist.
5. Bauelementemodul nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Anschlusspol (P) mit der ersten Leiterbahn (10) mittels eines durch die Isolatorschicht (4, 104a) verlaufenden Kontaktstiftes (6, 106a) kontaktiert ist.
6. Bauelementemodul nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl auf der Oberseite als auch der Unterseite der spannungserzeugenden Einrichtung (1 ) Isolatorschichten (104a,b) mit auf den Isolatorschichten ausgebildeten Leiterbahnen (10, 12, 14) aufgebracht und mit den Anschlusspolen (P, M) der spannungserzeugenden Einrichtung (1 ) kontaktiert sind.
7. Bauelementemodul nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch ge- kennzeichnet, dass die mindestens eine Isolatorschicht (4;104a,b) nicht selbsttragend ist.
8. Bauelementemodul nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungserzeugende Einrichtung (1 ) zwischen zwei Zwischensubstraten (221 , 222) aufgenommen ist, die auf ihrer der spannungserzeugenden Einrichtung (1) zugewandten Seite jeweils einen Metallkontakt (224, 226) zur Kontaktierung mit dem jeweiligen Anschlusspol (P, M) der spannungserzeugenden Einrichtung (1 ) aufweisen, wobei die Zwischensubstrate (221 , 222) über sich vertikal neben der spannungserzeugenden Einrichtung (1 ) erstreckende Kontakte (208) miteinander kontaktiert sind.
9. Bauelementemodul nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Bauelement (24, 25) über auf seiner Unterseite ausgebildete Kontaktpads auf den Leiterbahnen (10, 12, 14) kontaktiert ist.
10. Bauelementemodul nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Bauelement (24, 25) in Flip-Chip-Technik montiert ist.
11. Bauelementemodul nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass um die Spannungserzeugende Einrichtung (1), die Leiterbahnen (10, 12, 14) und gegebenenfalls die mindestens eine Isolatorschicht (4; 104a, b) ein Füllmaterial (28, 338) ausgebildet ist.
12. Bauelementemodul nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es ein Sensormodul (20, 120, 220, 320) ist, wobei mindestens ein auf dem Substrat (2, 116, 216) aufgenommenes Bauelement (25) ein Sensorchip (25) ist.
13. Bauelementemodul nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass es einen Auswertechip (24), z.B. ein ASIC, aufweist, der auf der Substratoberseite des Substrates (2, 116, 216) lateral neben dem Sensorchip (25) angeordnet und kontaktiert ist.
14. Bauelementemodul nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass es einen Auswertechip (24), z.B. ein ASIC, aufweist, der auf der Substratunterseite des Substrates angeordnet und kontaktiert ist.
15. Bauelementemodul nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Füllmaterial (28, 338) zumindest eine Oberseite des Sensorchips (25) freilässt und gegebenenfalls den Auswertechip (24) bedeckt.
16. Bauelementemodul nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Antenne (324) zum Aussenden von Messsignalen oder aus Messwerten gewonnenen Auswertesignalen aufweist.
17. Bauelementemodul nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensorchip ein Drucksensorchip (25) zur Messung eines Gasdruckes ist.
18. Verfahren zu Verwendung eines Bauelementemoduls nach Anspruch 17 in einem Fahrzeugreifen, wobei der Sensorchip (25) ein Drucksensorchip (25) zur Messung eines Gasdruckes in dem Fahrzeugreifen ist.
19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Bau- elementemodul (20, 120, 220, 320) in das Gummimaterial des Fahrzeugreifens einvulkanisiert ist.
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