WO2018145950A1 - Mikromechanische sensorvorrichtung mit integrierter gehäusedichtung, mikromechanische sensoranordnung und entsprechendes herstellungsverfahren - Google Patents

Mikromechanische sensorvorrichtung mit integrierter gehäusedichtung, mikromechanische sensoranordnung und entsprechendes herstellungsverfahren Download PDF

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WO2018145950A1
WO2018145950A1 PCT/EP2018/052259 EP2018052259W WO2018145950A1 WO 2018145950 A1 WO2018145950 A1 WO 2018145950A1 EP 2018052259 W EP2018052259 W EP 2018052259W WO 2018145950 A1 WO2018145950 A1 WO 2018145950A1
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WO
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sensor
chip
region
sensor chip
micromechanical
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Application number
PCT/EP2018/052259
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Inventor
Timo Lindemann
Frederik ANTE
Cristian Nagel
Sebastian SCHULER-WATKINS
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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Publication date
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L19/00—Details of, or accessories for, apparatus for measuring steady or quasi-steady pressure of a fluent medium insofar as such details or accessories are not special to particular types of pressure gauges
    • G01L19/06—Means for preventing overload or deleterious influence of the measured medium on the measuring device or vice versa
    • G01L19/0627—Protection against aggressive medium in general
    • G01L19/0654—Protection against aggressive medium in general against moisture or humidity
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L19/00—Details of, or accessories for, apparatus for measuring steady or quasi-steady pressure of a fluent medium insofar as such details or accessories are not special to particular types of pressure gauges
    • G01L19/0061—Electrical connection means
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    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01L19/00—Details of, or accessories for, apparatus for measuring steady or quasi-steady pressure of a fluent medium insofar as such details or accessories are not special to particular types of pressure gauges
    • G01L19/14—Housings
    • G01L19/147—Details about the mounting of the sensor to support or covering means

Definitions

  • the invention relates to a micromechanical sensor device with integrated
  • Micromechanical environmental sensors such as pressure sensors, are usually constructed in so-called “cover-based” housings at level 1.
  • the sensor chips for example comprising the sensor with a sensor membrane and necessary evaluation electronics in the form of an ASIC, on a substrate, such as Leadframe or printed circuit board, for example, are applied by means of gluing, the contacting of the components with one another or with the substrate being carried out
  • a lid is glued to the substrate to protect the sensor components from damage.
  • There is an opening in the lid so that environmental influences, such as air pressure, hydrogen content, moisture content, etc., can be detected by the sensor chip.
  • this concept does not provide adequate protection against water due to the structure.
  • waterproof pressure sensors are known, however, they require a special lid shape with chimney, which requires a relatively large amount of space.
  • the Sensors in the system itself are covered with a lot of gel, which in particular can change the offset or the sensitivity via temperature changes or lifetime.
  • the substrate of the sensors above the chimney is mechanically connected to the customer housing, whereby external stress influences, for example due to handling and temperature, can act directly on the sensor.
  • DE 10 2010 030 457 A1 discloses a cased micromechanical component, wherein the housing has a media access to a cavity of a pressure sensor located above a membrane region.
  • DE 10 201 1 084 582 B3 discloses a micromechanical sensor device with a sensor chip, a circuit chip and a mold package.
  • Mold package has a cavity above the sensor chip, which via a
  • Through hole has a media access.
  • the invention provides a micromechanical sensor device with integrated
  • the idea underlying the present invention is a
  • Sealing structure already be prepared at wafer level in batch process. This makes it possible to make a small-sized, waterproof micromechanical sensor arrangement easy to manufacture.
  • the application effort in the customer assembly is reduced to level 2, since the Abdicht Quilten were already manufactured in Level 1 and fully integrated.
  • the trenches for receiving the sealing structure can also be considered vertical
  • the sensor chip has a cavern which is spanned on the underside of the sensor chip by a first membrane region, wherein a recess in the sensor region is formed on the upper side of the sensor chip such that the cavern is spanned by a second membrane region and the recess is at least partially filled with a protective medium.
  • the evaluation chip it is possible to arrange the evaluation chip close to the membrane region, which usually comprises the sensitive structures.
  • the sensor chip has a cavern which is spanned by a third membrane region on the upper side of the sensor chip, and wherein a protective film is applied at least to the sensor region. This simplifies the production, as can be dispensed with the additional recess.
  • a gas-permeable and water-impermeable grating device is provided in the sensor region on the upper side of the sensor chip. This makes it easy to realize media access only for gas.
  • a lattice means a first cavity in which a portion of the sensor chip is suspended via a suspension device which is permeable to fluid to the underside, the region of the sensor chip having a cavity which lies on the underside of the sensor chip
  • Sensor chip is spanned by a fourth membrane region, and wherein the underside of the sensor chip is bonded to an evaluation chip such that below the fourth membrane region, a second cavity is formed, which is fluidically connected to the first cavity. So lets you an effective voltage decoupling of the
  • the underside of the sensor chip is bonded to the evaluation chip by means of a circulating microfluidically sealed bonding frame.
  • the membrane area is only fluidically accessible from the sensor area.
  • the underside of the sensor chip is bonded to an evaluation chip, which preferably has one or more
  • the sensor signals can be conducted over short distances from the sensor chip to the evaluation chip.
  • the sensor chip has one or more plated-through holes.
  • the trench is provided in a mold region, with which the sensor chip is laterally ummoldet. This allows a large area of the chip to be used as the sensor area.
  • the sealing medium and / or the protective medium is a rubber-elastic medium, in particular a silicone gel. These media have particularly good elastic properties and protective and sealing properties.
  • Fig. 1 a), b) are schematic cross-sectional views for explaining a
  • FIG. 2 shows a schematic cross-sectional representation to explain a micromechanical sensor device with integrated housing seal at chip level according to a second embodiment of the present invention
  • Fig. 3 is a schematic cross-sectional view for explaining a
  • micromechanical sensor device with integrated housing seal on chip level according to a third embodiment of the present invention.
  • Fig. 4 is a schematic cross-sectional view for explaining a
  • micromechanical sensor device with integrated housing seal on chip level according to a fourth embodiment of the present invention.
  • Fig. 5 is a schematic cross-sectional view for explaining a
  • micromechanical sensor device with integrated housing seal on chip level according to a fifth embodiment of the present invention.
  • Fig. 1 a), b) are schematic cross-sectional views for explaining a micromechanical sensor device with integrated housing seal according to a first embodiment of the present invention, namely Fig. 1 a) at chip level and Fig. 1 b) in the installed state.
  • reference symbol C2 denotes a micromechanical sensor chip, for example a micromechanical pressure sensor chip, which is formed in a substrate SU, for example a silicon substrate, with an upper side OS and a lower side US.
  • a sensor region SB is provided, which can be brought into contact with an environmental medium, for example in the case of
  • the sensor chip C2 has a peripheral trench DT, which is formed in the substrate SU and opens towards the top side OS, which surrounds the sensor region SB spaced apart in its periphery.
  • the trench DT is filled up with a sealing medium DI, for example silicone, which is used to seal off a sealant DI
  • the sensor chip C2 has a cavity K, which at the bottom US of the
  • Sensor chip C2 is spanned by a first membrane region M.
  • piezoresistive resistors are formed in the first membrane region M, by means of which a pressure change can be detected.
  • a trough-shaped recess W in the sensor region SB is formed such that the cavity K is surrounded by a second
  • Diaphragm area M ' is spanned, which the first membrane area M
  • the recess W is filled with a protective medium V, which is for example a silicone gel, which may be different in its material composition and in its physical properties from the sealing medium DI.
  • the protective medium V protects the second membrane region M 'and possible structures located thereon from damage by liquids or gases, in particular water.
  • the underside US of the sensor chip C2 is bonded to an evaluation chip C1 (also referred to as ASIC), which has plated-through holes DK1, DK2, which terminate on both sides in a solder region L1, L2, L3, L4.
  • the production of the micromechanical sensor device constructed in this way as a chip stack C1, C2 is preferably carried out at the wafer level.
  • the substrates SU are first provided with the required sensor structures.
  • the sensor chip C2 is applied, for example by means of soldering, to the evaluation chip C1 via the solder balls L3, L4.
  • Alternative joining methods include conductive bonding or thermocompression bonding.
  • the sensor chip C2 has the trench DT and the recess W, which were produced for example by means of KOH etching or reactive ion etching.
  • the Sealing medium DI and the protective medium V are, for example, applied inexpensively by dispensing, printing or jetting.
  • the top side of the sealing medium DI or protective medium V is flush with the top side OS of the substrate.
  • the customer is from the isolated
  • Chip stacks with evaluation chip C1 and sensor chip C2 formed a packaged micromechanical sensor assembly.
  • a housing G for example a plastic housing, which has a lower part BT and a cover part DT, which
  • the chip stack is soldered or otherwise bonded via the evaluation chip C1 to the bottom part BT of the housing G by means of the solder balls L1, L2.
  • the cover part DT has an inwardly directed circumferential spacer region B, wherein the sensor chip C2 via the evaluation chip C1 in the interior of the
  • Housing G is mounted on the lower part, that the spacer area B is placed on the sealing medium DI.
  • An access opening ME for the environmental medium is provided in the cover part DT above the sensor area SB. This has the consequence that the environmental medium only in the sensor area SB and a small one
  • Housing G With such a mounting arrangement can typically withstand pressures in the range of up to 50 bar.
  • Fig. 2 is a schematic cross-sectional view for explaining a
  • Micromechanical sensor device with integrated housing seal on chip level according to a second embodiment of the present invention.
  • the trench DT ' is not in the substrate SU of the micromechanical
  • the sealing medium DI is filled in the circumferential groove DT ', which is located in the periphery of the
  • Sensor region SB is located in the mold area MO at the top and is open to the top OS.
  • Such a structure can, for example, by the known process eWLB
  • the trench DT ' has the same function as in the first embodiment and can be realized by, for example, laser or milling.
  • the solder balls L1, L2 and possible further (not shown) solder balls can - are arranged - even below the mold area MO - such that an advantageous distribution of the mechanical stress when connecting to the lower part BT of the housing G can be achieved.
  • the assembly is carried out analogously to the first embodiment according to FIG. 1 b), wherein the spacer region B is adapted according to the dimensioning of the trench DT '.
  • Fig. 3 is a schematic cross-sectional view for explaining a
  • micromechanical sensor device with integrated housing seal on chip level according to a third embodiment of the present invention.
  • the sensor chip C2 ' has a cavern K', which is spanned by a membrane region M "on the upper side OS 'of the sensor chip C2', and the sensor chip C2 'is bonded to an evaluation chip C1 on the underside US'.
  • the substrate SU 'of the micromechanical sensor chip C2' preferably has one or more feedthroughs DK3, by means of which signals from the pressure detecting device (not shown) in the membrane region M "can be electrically conducted through the sensor chip C2 'to the evaluation chip C1 (illustrated schematically here) as a dashed line).
  • the circumferential upwardly open trench is provided on the upper surface OS 'of the substrate SU'.
  • a protective film Fl for example a Silicone film.
  • this protective film Fl covers the entire chip C2 '. Also, this film can be applied to wafer level before separating the chips.
  • the assembly of the chip stack consists of evaluation chip C1 and sensor chip C2 'in FIG
  • FIG. 4 is a schematic cross-sectional view for explaining a
  • Micromechanical sensor device with integrated housing seal on chip level according to a fourth embodiment of the present invention.
  • a gas-permeable and water-impermeable grille device LO is provided in the sensor region SB "on the upper side OS" of the sensor chip C2 ".
  • a block-shaped region BL of the sensor chip C2 "via a US to the underside" fluid-permeable suspension device AG laterally near the bottom US "
  • the block-shaped region BL of the sensor chip C2 has a cavity K" which is spanned on the underside US “of the sensor chip C2" by a fourth membrane region M.
  • the underside US of the sensor chip C2 is by means of a circulating microfluidic-tight bonding frame BR bonded to an evaluation chip C1 in such a way that below the fourth membrane region M "a second cavity Z is formed which is fluidically connected to the first cavity HO.
  • the gaseous environmental medium passes laterally on the block-shaped region BL of the sensor chip C2 "to the bottom US", wherein the fluid-permeable
  • Suspension device AG for example, has holes (not shown) along its periphery.
  • the sensor chip C2 has a circumferential trench DT, which is open in the substrate SU" and is open towards the top side OS "
  • the trench DT is filled up with a sealing medium DI, for example silicone, which serves to seal a corresponding area of a housing G to be mounted thereon
  • micromechanical sensor device with integrated housing seal on chip level according to a fifth embodiment of the present invention.
  • the fifth embodiment differs from the fourth embodiment in that the trench DT 'is not provided in the substrate SU "of the micromechanical sensor chip C2", but in a mold region MO with which the chip stack consisting of evaluation chip C1 and sensor chip C2 "is laterally encapsulated.
  • the mold region MO also extends into the region between the evaluation chip C1 and the
  • the sealing medium DI is filled in the circumferential groove DT ', which is located in the periphery of the
  • Sensor area SB is located in the mold area MO at the top and is open to the top OS.
  • Micromechanical sensor device with integrated housing seal are

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Abstract

Die Erfindung schafft eine mikromechanische Sensorvorrichtung mit integrierter Gehäusedichtung, eine mikromechanische Sensoranordnung und ein entsprechendes Herstellungsverfahren. Die mikromechanische Sensorvorrichtung mit integrierter Gehäusedichtung ist ausgestattet mit einem mikromechanischen Sensorchip (C2; C2'), welcher eine Oberseite (OS) und eine Unterseite (US) aufweist, wobei auf oder an der Oberseite (OS; OS') ein Sensorbereich (SB; SB') vorgesehen ist, der mit einem Umweltmedium in Kontakt bringbar ist, und mindestens einem in der Peripherie des Sensorbereichs (SB; SB') vorgesehenen zur Oberseite (OS) hin offenen, umlaufenden Graben (DT; DT'), welcher mit einem Dichtungsmedium (DI) zum Abdichten eines darauf anzubringenden entsprechenden Bereichs eines Gehäuses zumindest teilweise aufgefüllt ist.

Description

Beschreibung Titel
Mikromechanische Sensorvorrichtung mit integrierter Gehäusedichtung,
mikromechanische Sensoranordnung und entsprechendes Herstellungsverfahren
Die Erfindung betrifft eine mikromechanische Sensorvorrichtung mit integrierter
Gehäusedichtung, mikromechanische Sensoranordnung und ein entsprechendes Herstellungsverfahren.
Stand der Technik Obwohl auch beliebige mikromechanische Bauelemente anwendbar sind, werden die vorliegende Erfindung und die ihr zugrundeliegende Problematik anhand von
mikromechanischen Bauelementen mit Drucksensoren erläutert.
Mikromechanische Umweltsensoren, wie beispielsweise Drucksensoren, werden üblicherweise in sogenannten„Deckel-basierten" Gehäusen auf Level-1 aufgebaut. Dies bedeutet, dass die Sensorchips, beispielsweise umfassend den Sensor mit einer Sensormembran und notwendige Auswerteelektronik in Form eines ASIC, auf einem Substrat, wie z.B. Leadframe oder Leiterplatte, mittels Kleben aufgebracht werden. Die Kontaktierung der Komponenten untereinander oder mit dem Substrat wird durch
Drahtbonds sichergestellt. Anschließend wird ein Deckel auf das Substrat geklebt, um die Sensorkomponenten vor Beschädigung zu schützen. Im Deckel befindet sich eine Öffnung, sodass Umwelteinflüsse, wie z.B. Luftdruck, Wasserstoffgehalt, Feuchtegehalt usw., von dem Sensorchip detektiert werden können. Bei diesem Konzept ist jedoch aufgrund der Aufbauweise kein hinreichender Schutz gegen Wasser vorgesehen. Dies bewirkt, dass derartige Drucksensoren in Applikationen, die eine Wasserdichtheit fordern, wie z.B. Smartphones oder Wearables, nicht verbaut werden können. Es sind zwar wasserdichte Drucksensoren bekannt, jedoch benötigen diese eine spezielle Deckelform mit Schornstein, was einen verhältnismäßig großen Bauraum erfordert. Die Sensoren im System selbst sind mit viel Gel bedeckt, wodurch sich insbesondere der Offset oder die Empfindlichkeit über Temperaturänderungen oder Lebensdauer ändern kann. Zudem ist das Substrat der Sensoren über dem Schornstein mechanisch mit dem Kundengehäuse verbunden, wodurch externe Stresseinflüsse, beispielsweise durch Handling und Temperatur, unmittelbar auf den Sensor wirken können.
Die DE 10 2010 030 457 A1 offenbart ein gehäustes mikromechanisches Bauelement, wobei das Gehäuse einen Medienzugang zu einem oberhalb eines Membranbereichs liegenden Hohlraum eines Drucksensors aufweist.
Die DE 10 201 1 084 582 B3 offenbart eine mikromechanische Sensorvorrichtung mit einem Sensorchip, einem Schaltungschip und einer Moldverpackung. Die
Moldverpackung weist eine Kavität oberhalb des Sensorchips auf, die über ein
Durchgangsloch einen Medienzugang hat.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung schafft eine mikromechanische Sensorvorrichtung mit integrierter
Gehäusedichtung nach Anspruch 1 , eine mikromechanische Sensoranordnung nach Anspruch 12 und ein entsprechendes Herstellungsverfahren nach Anspruch 13.
Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
Vorteile der Erfindung
Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee besteht darin, eine
Abdichtstruktur direkt auf Chiplevel vorzusehen. Beispielsweise kann diese
Abdichtstruktur bereits auf Wafer-Level im Batchverfahren hergestellt werden. Dies ermöglicht es, eine kleinbauende, wasserdichte mikromechanische Sensoranordnung einfach herstellbar zu machen.
Insbesondere ist der Applikationsaufwand bei der Kundenmontage auf Level-2 reduziert, da die Abdichtstrukturen bereits im Level-1 hergestellt und vollständig integriert wurden. Die Gräben zur Aufnahme der Abdichtstruktur können zudem als vertikaler
Toleranzausgleich wirken. Insgesamt besteht eine Kostenreduktion gegenüber bekannten mikromechanischen Sensorvorrichtungen, da insbesondere kein aufwendiges Gehäuse mehr verwendet werden muss, sondern lediglich ein Gehäuse mit einem Abstandshalterbereich
entsprechend dem Bereich der Dichtstruktur.
Die Sensorfunktionstüchtigkeit ist verbessert, da durch die Abdichtgräben und die enthaltene Dichtmasse eine mechanische Entkopplung vom Gehäuse stattfindet, die einen Stressübertrag verhindert. Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist der Sensorchip eine Kaverne auf, welche an der Unterseite des Sensorchips von einem ersten Membranbereich überspannt ist, wobei an der Oberseite des Sensorchips eine Aussparung im Sensorbereich derart ausgebildet ist, das die Kaverne von einem zweiten Membranbereich überspannt ist und wobei die Aussparung mit einem Schutzmedium zumindest teilweise aufgefüllt ist. Hierbei ist es möglich, den Auswertechip nahe am Membranbereich, der üblicherweise die sensitiven Strukturen umfasst, anzuordnen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist der Sensorchip eine Kaverne auf, welche an der Oberseite des Sensorchips von einem dritten Membranbereich überspannt ist und wobei zumindest auf den Sensorbereich eine Schutzfolie aufgebracht ist. Dies vereinfacht die Herstellung, da auf die zusätzliche Aussparung verzichtet werden kann.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist im Sensorbereich an der Oberseite des Sensorchips eine gasdurchlässige und wasserundurchlässige Gittereinrichtung vorgesehen. So lässt sich einfach ein Medienzugang nur für Gas realisieren.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung befindet sich unterhalb der
Gittereinrichtung ein erster Hohlraum, in dem ein Bereich des Sensorchips über eine zur Unterseite hin fluiddurchlässige Aufhängungseinrichtung aufgehängt ist, wobei der Bereich des Sensorchips eine Kaverne aufweist, welche an der Unterseite des
Sensorchips von einem vierten Membranbereich überspannt ist, und wobei die Unterseite des Sensorchips derart auf einen Auswertechip gebondet ist, dass unterhalb des vierten Membranbereichs ein zweiter Hohlraum gebildet ist, der mit dem ersten Hohlraum fluidisch verbunden ist. So lässt dich eine effektive Spannungsentkopplung des
Membranbereichs erzielen. Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist die Unterseite des Sensorchips mittels eines umlaufenden mikrofluidisch dichten Bondrahmens auf den Auswertechip gebondet ist. So ist der Membranbereich nur vom Sensorbereich aus fluidisch zugänglich. Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist die Unterseite des Sensorchips auf einen Auswertechip gebondet ist, welcher vorzugsweise eine oder mehrere
Durchkontaktierungen aufweist. So lassen sich die Sensorsignale über kurze Strecken vom Sensorchip zum Auswertechip leiten. Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist der Sensorchip eine oder mehrere Durchkontaktierungen auf. So lassen sich die Sensorsignale durch den
Sensorchip hindurch leiten.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist der Graben in einem Substrat des
Sensorchips vorgesehen. So lässt sich eine sehr kompakte Sensorvorrichtung herstellen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist der Graben in einem Moldbereich vorgesehen, mit dem der Sensorchip seitlich ummoldet ist. So lässt sich ein großer Bereich des Chips als Sensorbereich verwenden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist das Dichtungsmedium und/oder das Schutzmedium ein gummielastisches Medium, insbesondere ein Silikongel. Diese Medien haben besonders gute elastische Eigenschaften und Schutz- und Dichteigenschaften. Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand von Ausführungsformen mit Bezug auf die Figuren erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 a), b) schematische Querschnittsdarstellungen zur Erläuterung einer
mikromechanischen Sensorvorrichtung mit integrierter Gehäusedichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und zwar Fig. 1 a) auf Chiplevel und Fig. 1 b) im verbauten Zustand; Fig. 2 eine schematische Querschnittsdarstellung zur Erläuterung einer mikromechanischen Sensorvorrichtung mit integrierter Gehäusedichtung auf Chiplevel gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 3 eine schematische Querschnittsdarstellung zur Erläuterung einer
mikromechanischen Sensorvorrichtung mit integrierter Gehäusedichtung auf Chiplevel gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 4 eine schematische Querschnittsdarstellung zur Erläuterung einer
mikromechanischen Sensorvorrichtung mit integrierter Gehäusedichtung auf Chiplevel gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
Fig. 5 eine schematische Querschnittsdarstellung zur Erläuterung einer
mikromechanischen Sensorvorrichtung mit integrierter Gehäusedichtung auf Chiplevel gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Ausführungsformen der Erfindung
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente.
Fig. 1 a), b) sind schematische Querschnittsdarstellungen zur Erläuterung einer mikromechanischen Sensorvorrichtung mit integrierter Gehäusedichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und zwar Fig. 1 a) auf Chiplevel und Fig. 1 b) im verbauten Zustand.
In Fig. 1 a), 1 b) bezeichnet Bezugszeichen C2 einen mikromechanischen Sensorchip, beispielsweise einen mikromechanischen Drucksensorchip, welcher in einem Substrat SU, beispielsweise einem Siliziumsubstrat, mit einer Oberseite OS und einer Unterseite US ausgebildet ist. Auf der Oberseite OS ist ein Sensorbereich SB vorgesehen, der mit einem Umweltmedium in Kontakt bringbar ist, beispielsweise im Fall eines
Drucksensorchips mit der umgebenden Atmosphärenluft. Der Sensorchip C2 weist einen im Substrat SU ausgebildeten zur Oberseite OS hin offenen, umlaufenden Graben DT auf, welcher den Sensorbereich SB beabstandet in seiner Peripherie umgibt. Aufgefüllt ist der Graben DT mit einem Dichtungsmedium DI, beispielsweise Silikon, welches zum Abdichten eines darauf anzubringenden
entsprechenden Bereichs eines Gehäuses G dient (vgl. Fig. 1 b)).
Der Sensorchip C2 weist eine Kaverne K auf, welche an der Unterseite US des
Sensorchips C2 von einem ersten Membranbereich M überspannt ist. Beispielsweise sind im ersten Membranbereich M piezoresistive Widerstände ausgebildet, mittels derer eine Druckänderung erfassbar ist.
An der Oberseite OS des Sensorchips C2 ist eine wannenförmige Aussparung W im Sensorbereich SB derart ausgebildet, dass die Kaverne K von einem zweiten
Membranbereich M' überspannt ist, welcher dem ersten Membranbereich M
gegenüberliegt. Die Aussparung W ist mit einem Schutzmedium V aufgefüllt, welches beispielsweise ein Silikongel ist, das in seiner Materialzusammensetzung und in seinen physikalischen Eigenschaften vom Dichtungsmedium DI verschieden sein kann. Das Schutzmedium V schützt den zweiten Membranbereich M' und mögliche darauf befindliche Strukturen vor Beschädigung durch Flüssigkeiten oder Gase, insbesondere Wasser.
Die Unterseite US des Sensorchips C2 ist auf einen Auswertechip C1 (auch als ASIC bezeichnet) gebondet, welcher Durchkontaktierungen DK1 , DK2 aufweist, welche jeweils beidseitig in einem Lotbereich L1 , L2, L3, L4 enden.
Die Herstellung der derart als Chipstapel C1 , C2 aufgebauten mikromechanischen Sensorvorrichtung erfolgt vorzugsweise auf Wafer-Level. Hierzu werden zunächst die Substrate SU mit den erforderlichen Sensorstrukturen versehen. Anschließend wird der Sensorchip C2 beispielsweise mittels Löten auf den Auswertechip C1 über die Lotkugeln L3, L4 aufgebracht. Alternative Fügeverfahren umfassen Leitkleben oder Thermokompressionsbonden. Der Sensorchip C2 weist den Graben DT sowie die Aussparung W auf, welche beispielsweise mittels KOH-Ätzen oder reaktiven lonenätzen erzeugt wurden. Das Dichtungsmedium DI und das Schutzmedium V werden beispielsweise kostengünstig durch Dispensieren, Drucken oder Jetten aufgebracht.
Im gezeigten Beispiel ist die Oberseite des Dichtungsmediums DI bzw. Schutzmediums V bündig mit der Oberseite OS des Substrats. Je nach Art des Gehäuses und je nach
Anwendungszweck kann jedoch auch ein leichter Überstand oder Unterstand vorgesehen werden, was auch vorteilhafterweise zum Höhenausgleich bei der Montage dienen kann.
Wie in Fig. 1 b) dargestellt, wird beispielsweise kundenseitig aus den vereinzelten
Chipstapeln mit Auswertechip C1 und Sensorchip C2 eine verpackte mikromechanische Sensoranordnung gebildet.
Im vorliegenden Beispiel wird dazu ein Gehäuse G, beispielsweise ein Kunststoffgehäuse, verwendet, das einen Unterteil BT und einen Deckelteil DT aufweist, welche
beispielsweise in einem Verklebungsbereich VK dichtend miteinander verbunden sind. Der Chipstapel wird über den Auswertechip C1 auf den Unterteil BT des Gehäuses G mittels der Lötkugeln L1 , L2 gelötet oder anderweitig gebondet.
Der Deckelteil DT weist einen ins Innere gerichteten umlaufenden Abstandshalterbereich B auf, wobei der Sensorchip C2 über den Auswertechip C1 derart im Inneren des
Gehäuses G auf dem Unterteil montiert ist, dass der Abstandshalterbereich B auf dem Dichtungsmedium DI aufgesetzt ist. Eine Zugangsöffnung ME für das Umweltmedium ist im Deckelteil DT oberhalb des Sensorbereichs SB vorgesehen. Dies hat zur Folge, dass das Umweltmedium lediglich in den Sensorbereich SB und einen kleinen daran
angrenzenden Bereich des Substrats SU gelangen kann, nicht aber in das restliche
Gehäuse G. Mit einer derartigen Montageanordnung lassen sich typischerweise Drucke im Bereich von bis zu 50 bar aushalten.
Fig. 2 ist eine schematische Querschnittsdarstellung zur Erläuterung einer
mikromechanischen Sensorvorrichtung mit integrierter Gehäusedichtung auf Chiplevel gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Bei der zweiten Ausführungsform ist im Unterschied zur oben beschriebenen ersten Ausführungsform der Graben DT' nicht im Substrat SU des mikromechanischen
Sensorchips C2 vorgesehen, sondern in einem Moldbereich MO, mit dem der Chipstapel bestehend aus Auswertechip C1 und Sensorchip C2 seitlich ummoldet ist. Dabei erstreckt sich der Moldbereich MO auch in den Bereich zwischen dem Auswertechip C1 und dem Sensorchip C2. In Analogie zur ersten Ausführungsform ist das Dichtungsmedium DI in den umlaufenden Graben DT' eingefüllt, welcher sich in der Peripherie des
Sensorbereichs SB im Moldbereich MO an der Oberseite befindet und zur Oberseite OS hin offen ist.
Ein derartiger Aufbau kann beispielsweise durch den bekannten Prozess eWLB
(embedded Wafer-Level BGA) realisiert werden. Der Graben DT' hat die gleiche Funktion wie beim ersten Ausführungsbeispiel und kann beispielsweise durch Lasern oder Fräsen realisiert werden. Die Lotkugeln L1 , L2 und mögliche weitere (nicht dargestellte) Lotkugeln können - auch unterhalb des Moldbereichs MO - derart angeordnet werden, dass eine vorteilhafte Verteilung der mechanischen Belastung beim Verbinden zum Unterteil BT des Gehäuses G erzielbar ist. Im Übrigen erfolgt die Montage in Analogie zur ersten Ausführungsform gemäß Fig. 1 b), wobei der Abstandshalterbereich B entsprechend der Dimensionierung des Grabens DT' angepasst ist.
Fig. 3 ist eine schematische Querschnittsdarstellung zur Erläuterung einer
mikromechanischen Sensorvorrichtung mit integrierter Gehäusedichtung auf Chiplevel gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Bei der dritten Ausführungsform weist der Sensorchip C2' eine Kaverne K' auf, welche an der Oberseite OS' des Sensorchips C2' von einem Membranbereich M" überspannt ist. An der Unterseite US' ist der Sensorchip C2' auf einen Auswertechip C1 gebondet.
Das Substrat SU' des mikromechanischen Sensorchips C2' weist in diesem Fall vorzugsweise eine oder mehrere Durchkontaktierungen DK3 auf, mittels derer sich Signale aus der nicht dargestellten Druckerfassungsvorrichtung im Membranbereich M" durch den Sensorchip C2' hindurch zum Auswertechip C1 elektrisch leiten lassen (hier schematisch dargestellt als gestrichelte Linie).
Wie bei der ersten Ausführungsform ist der umlaufende nach oben hin offene Graben an der Oberseite OS' des Substrats SU' vorgesehen. Zum Schutz des Sensorbereichs SB' ist zumindest auf dem Sensorbereich SB' eine Schutzfolie Fl, beispielsweise eine Silikonfolie. Im vorliegenden Beispiel überdeckt diese Schutzfolie Fl den gesamten Chip C2'. Auch diese Folie lässt sich auf Wafer-Level vor dem Vereinzeln der Chips aufbringen.
In Analogie zur oben beschriebenen ersten und zweiten Ausführungsform erfolgt die Montage des Chipstapels bestehend aus Auswertechip C1 und Sensorchip C2' im
Gehäuse G. Die auf dem Dichtungsmedium DI aufgebrachte Schutzfolie Fl wirkt hierbei nicht störend, sofern sie aus einem Schutzmedium mit entsprechenden
Schutzeigenschaften hergestellt ist. Fig. 4 ist eine schematische Querschnittsdarstellung zur Erläuterung einer
mikromechanischen Sensorvorrichtung mit integrierter Gehäusedichtung auf Chiplevel gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Bei der vierten Ausführungsform ist im Sensorbereich SB" an der Oberseite OS" des Sensorchips C2" eine gasdurchlässige und wasserundurchlässige Gittereinrichtung LO vorgesehen.
Unterhalb der Gittereinrichtung LO befindet sich ein erster Hohlraum HO, in dem ein blockförmiger Bereich BL des Sensorchips C2" über eine zur Unterseite US" hin fluiddurchlässige Aufhängungseinrichtung AG seitlich nahe der Unterseite US"
aufgehängt ist.
Der blockförmige Bereich BL des Sensorchips C2" weist eine Kaverne K" auf, welche an der Unterseite US" des Sensorchips C2" von einem vierten Membranbereich M" überspannt ist. Die Unterseite US" des Sensorchips C2" ist mittels eines umlaufenden mikrofluidisch dichten Bondrahmens BR derart auf einen Auswertechip C1 gebondet, dass unterhalb des vierten Membranbereichs M" ein zweiter Hohlraum Z gebildet ist, der mit dem ersten Hohlraum HO fluidisch verbunden ist. So gelangt das gasförmige Umweltmedium seitlich am blockförmigen Bereich BL des Sensorchips C2" vorbei zur Unterseite US" hin, wobei die fluiddurchlässige
Aufhängungseinrichtung AG beispielsweise (nicht dargestellte) Löcher entlang seiner Peripherie aufweist. Bei der vierten Ausführungsform weist der Sensorchip C2" weist einen im Substrat SU" ausgebildeten zur Oberseite OS" hin offenen, umlaufenden Graben DT auf, welcher den Sensorbereich SB" beabstandet in seiner Peripherie umgibt. Aufgefüllt ist der Graben DT mit einem Dichtungsmedium DI, beispielsweise Silikon, welches zum Abdichten eines darauf anzubringenden entsprechenden Bereichs eines Gehäuses G dient. Fig. 5 ist eine schematische Querschnittsdarstellung zur Erläuterung einer
mikromechanischen Sensorvorrichtung mit integrierter Gehäusedichtung auf Chiplevel gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Die fünfte Ausführungsform unterscheidet sich von der vierten Ausführungsform dadurch, dass der Graben DT' nicht im Substrat SU" des mikromechanischen Sensorchips C2" vorgesehen, sondern in einem Moldbereich MO, mit dem der Chipstapel bestehend aus Auswertechip C1 und Sensorchip C2" seitlich ummoldet ist. Dabei erstreckt sich der Moldbereich MO auch in den Bereich zwischen dem Auswertechip C1 und dem
Sensorchip C2", allerdings nicht in den zweiten Hohlraum Z unterhalb des
Membranbereichs M". In Analogie zur zweiten Ausführungsform ist das Dichtungsmedium DI in den umlaufenden Graben DT' eingefüllt, welcher sich in der Peripherie des
Sensorbereichs SB" im Moldbereich MO an der Oberseite befindet und zur Oberseite OS" hin offen ist. Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt. Insbesondere sind die genannten Materialien und Topologien nur beispielhaft und nicht auf die erläuterten Beispiele beschränkt.
Besonders bevorzugte weitere Anwendungen für die erfindungsgemäße
mikromechanische Sensorvorrichtung mit integrierter Gehäusedichtung sind
beispielsweise neben chemischen Gassensoren wie Metalloxidgassensoren,
Wärmeleitfähigkeitssensoren, Pirani-Elemente, Massenflusssensoren, wie
Luftmassenmesser, Lambda-Sonden auf mikromechanischer Membran, Infrarot- Sensorvorrichtungen etc.

Claims

Ansprüche
1 . Mikromechanische Sensorvorrichtung mit integrierter Gehäusedichtung mit: einem mikromechanischen Sensorchip (C2; C2'; C2"), welcher eine Oberseite (OS; OS'; OS") und eine Unterseite (US; US'; US") aufweist, wobei auf oder an der Oberseite (OS; OS'; OS") ein Sensorbereich (SB; SB'; SB") vorgesehen ist, der mit einem
Umweltmedium in Kontakt bringbar ist; und mindestens einem in der Peripherie des Sensorbereichs (SB; SB'; SB") vorgesehenen zur Oberseite (OS; OS'; OS") hin offenen, umlaufenden Graben (DT;), welcher mit einem Dichtungsmedium (DI) zum Abdichten eines darauf anzubringenden entsprechenden Bereichs eines Gehäuses zumindest teilweise aufgefüllt ist; wobei der Graben (DT) in einem Substrat (SU; SU'; SU") des Sensorchips (C2; C2'; C2") vorgesehen ist.
2. Mikromechanische Sensorvorrichtung nach Anspruch 1 , wobei der Sensorchip (C2) eine Kaverne (K) aufweist, welche an der Unterseite (US) des Sensorchips (C2) von einem ersten Membranbereich (M) überspannt ist, wobei im Sensorbereich (SB) an der Oberseite (OS) des Sensorchips (C2) eine Aussparung (W) derart ausgebildet ist, das die Kaverne (K) von einem zweiten Membranbereich (Μ') überspannt ist und wobei die Aussparung (W) mit einem Schutzmedium (V) zumindest teilweise aufgefüllt ist.
3. Mikromechanische Sensorvorrichtung nach Anspruch 1 , wobei der Sensorchip (C2') eine Kaverne (Κ') aufweist, welche an der Oberseite (OS') des Sensorchips (C2') von einem dritten Membranbereich (M") überspannt ist und wobei zumindest auf den
Sensorbereich (SB') eine Schutzfolie (Fl) aus einem Schutzmedium (VI) aufgebracht ist.
4. Mikromechanische Sensorvorrichtung nach Anspruch 1 , wobei im Sensorbereich (SB") an der Oberseite (OS") des Sensorchips (C2") eine gasdurchlässige und
wasserundurchlässige Gittereinrichtung (LO) vorgesehen ist.
5. Mikromechanische Sensorvorrichtung nach Anspruch 4, wobei sich unterhalb der Gittereinrichtung (LO) ein erster Hohlraum (HO) befindet, in dem ein Bereich (BL) des Sensorchips (C2") über eine zur Unterseite (US") hin fluiddurchlässige Aufhängungseinrichtung (AG) aufgehängt ist, wobei der Bereich (BL) des Sensorchips (C2") eine Kaverne (K") aufweist, welche an der Unterseite (US") des Sensorchips (C2") von einem vierten Membranbereich (M") überspannt ist, und wobei die Unterseite (US") des Sensorchips (C2") derart auf einen Auswertechip (C1 ) gebondet ist, dass unterhalb des vierten Membranbereichs (M") ein zweiter Hohlraum (Z) gebildet ist, der mit dem ersten Hohlraum (HO) fluidisch verbunden ist.
6. Mikromechanische Sensorvorrichtung nach Anspruch 5, wobei die Unterseite (US") des Sensorchips (C2") mittels eines umlaufenden mikrofluidisch dichten Bondrahmens (BR) auf den Auswertechip (C1 ) gebondet ist.
7. Mikromechanische Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Unterseite (US; US') des Sensorchips (C2; C2') auf einen Auswertechip (C1 ) gebondet ist, welcher vorzugsweise eine oder mehrere erste Durchkontaktierungen (DK1 ; DK2) aufweist.
8. Mikromechanische Sensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Sensorchip (C2') eine oder mehrere zweite Durchkontaktierungen (DK3) aufweist.
9. Mikromechanische Sensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Dichtungsmedium und/oder das Schutzmedium dritte ein gummielastisches Medium, insbesondere ein Silikongel, ist.
10. Mikromechanische Sensoranordnung mit einer mikromechanischen Sensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 9 und einem Gehäuse (G), wobei das Gehäuse (G) ein Unterteil (BT) und ein Deckelteil (DT) aufweist, der mit dem Unterteil (UT) verbunden ist, wobei der Deckelteil (DT) einen ins Innere gerichteten umlaufenden Abstandshalterbereich (B) aufweist, wobei der Sensorchip (C2; C2'; C2") derart im Innern des Gehäuses (G) mittelbar oder unmittelbar auf den Bodenteil (BT) montiert ist, dass der Abstandshalterbereich (B) auf dem Dichtungsmedium (DT) aufgesetzt ist, und wobei eine Zugangsöffnung (ME) für das Umweltmedium im Deckelteil (DT) oberhalb des
Sensorbereichs (SB; SB'; SB") vorgesehen ist.
1 1. Verfahren zum Herstellen einer mikromechanischen Sensorvorrichtung mit integrierter Gehäusedichtung mit den Schritten: Bilden von einem mikromechanischen Sensorchip (C2; C2'; C2"), welcher eine Oberseite (OS; OS") und eine Unterseite (US; US'; US") aufweist, wobei auf oder an der Oberseite (OS; OS'; OS") ein Sensorbereich (SB; SB'; SB") vorgesehen ist, der mit einem
Umweltmedium in Kontakt bringbar ist; und
Bilden von mindestens einem in der Peripherie des Sensorbereichs (SB; SB'; SB") vorgesehenen zur Oberseite (OS; OS'; OS") hin offenen, umlaufenden Graben (DT;) in einem Substrat (SU; SU'; SU") des Sensorchips (C2; C2'; C2"); und
Auffüllen des Grabens (DT; DT') mit einem Dichtungsmedium (DI) zum Abdichten eines darauf anzubringenden entsprechenden Bereichs eines Gehäuses.
12. Verfahren nach Anspruch 1 1 , wobei der Graben (DT) in einem Substrat (SU; SU'; SU") des Sensorchips (C2; C2'; C2") geätzt wird und das Dichtungsmedium durch Dispensieren, Drucken oder Jetten zumindest teilweise aufgefüllt wird.
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