WO2023232377A1 - Verbindung eines sensorchips mit einem messobjekt - Google Patents

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WO2023232377A1
WO2023232377A1 PCT/EP2023/061736 EP2023061736W WO2023232377A1 WO 2023232377 A1 WO2023232377 A1 WO 2023232377A1 EP 2023061736 W EP2023061736 W EP 2023061736W WO 2023232377 A1 WO2023232377 A1 WO 2023232377A1
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WO
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Prior art keywords
measurement object
sensor chip
connecting film
layer
channel system
Prior art date
Application number
PCT/EP2023/061736
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Erwin Biegger
Philipp Lang
Original Assignee
Zf Friedrichshafen Ag
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Zf Friedrichshafen Ag filed Critical Zf Friedrichshafen Ag
Publication of WO2023232377A1 publication Critical patent/WO2023232377A1/de

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/26—Auxiliary measures taken, or devices used, in connection with the measurement of force, e.g. for preventing influence of transverse components of force, for preventing overload
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D11/00—Component parts of measuring arrangements not specially adapted for a specific variable
    • G01D11/24—Housings ; Casings for instruments
    • G01D11/245—Housings for sensors
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/352—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring for surface treatment
    • B23K26/355—Texturing

Definitions

  • the invention relates to a connection of a sensor chip to a measurement object. What is required in this context is in particular a method for attaching the sensor chip to the measurement object and an arrangement of the sensor chip on the measurement object.
  • the measurement object For various applications it is necessary to attach a sensor chip to a larger mechanical component, the measurement object. This is important for the placement of the sensor system and for interconnecting the physical signals that are to be measured. Sensors for force measurement or deformation measurement are heavily dependent on the connecting layer between the sensor chip and the measurement object.
  • the measurement object and the sensor chip can consist of different materials such as metal, silicon or an organic material.
  • the connecting layer must provide strong adhesion and be dimensionally stable to ensure good force and deformation transfer without (additional and unpredictable) damping or time delays. Sensor performance over lifetime depends on the long-term stability of the interconnect layer, particularly temperature/humidity/chemical stability, to avoid signal drift, signal amplitude shrinkage and time delays.
  • Gluing and soldering are known for contacting these sensors on a larger measurement object. These methods are relatively easy to implement for industrial manufacturing, but usually require a manual process that is time-consuming and not cost-effective.
  • the adhesive/solder connections are associated with different temperature gradients, moisture-chemical dependency and long-term aging. This can reduce signal quality or even destroy the sensor.
  • Other joining techniques are impractical due to process parameters involving high temperatures, mechanical pressures or high vacuum or inert gas. Other methods require strong electromagnetic fields. In this context, impractical means that it could destroy the sensor chip or the measurement object.
  • the US 2017/096066 A1 discloses a hybrid vehicle with a hybrid power control unit.
  • the hybrid power control unit includes a power module with chips disposed therein, each of which generates heat during operation.
  • the control unit further includes a cooler that cools the heat from the power module. Additionally, chip solder interface materials connecting the chips and the power module are provided to form internal solder layers. Further, a cooler solder interface material connects the power module and the coolers to form outer interconnect layers.
  • the object of the present invention is to provide an alternative connection between a sensor chip and a measurement object which takes into account the problems described above.
  • the problem is solved by the subject matter of independent patent claim 1.
  • Advantageous embodiments are the subject of the subclaims, the following description and the figures.
  • the present invention proposes a reactive foil soldering process in order to obtain a particularly intermetallic connection for sensor chips on a larger measurement object, also called a target.
  • the joining process is based on the use of a reactive multi-layer film as a local heat source.
  • the film consists of a new class of nanotechnological material in which self-propagating exothermic reactions can be triggered at room temperature by an ignition process.
  • the heat generated by the reaction in the foil melts the solder layers so that the connections are completed in about one second at room temperature.
  • the heat induced during the reaction is very low due to the fast reaction speed (e.g. 10 m/s) and the small material thickness (e.g. ⁇ 100pm).
  • a method for connecting a sensor chip to a measurement object is provided.
  • a measurement object is provided.
  • a Sensor chip provided, which is set up to detect a physical property of a measurement object.
  • a connecting film is provided which contains metallic materials which react exothermically when activated.
  • the measurement object can in particular be significantly larger than the sensor chip.
  • the measurement object can be, for example, a target, in particular an axis, a shaft for a motor, a transmission of a motor vehicle, a robot arm segment for a robot or a cooler.
  • the sensor chip is connected directly to the target using the method according to the invention.
  • the measurement object can alternatively be a component that is arranged between the target and the sensor chip, or by means of which the sensor chip is attached to the target.
  • the measurement object can be an adapter plate via which the sensor is attached to the target. It is also conceivable that the measurement object is a so-called lead frame, a so-called power pad or, more generally, a force transmitter between the sensor chip and the target.
  • the sensor chip is in particular set up to measure a deformation, an elongation, a force and/or a torque that is generated by the measurement object or originates from it or is transmitted with it.
  • NanoFoil® is a reactive multi-layer foil that is produced by vapor deposition of thousands of alternating nanoscale layers made of aluminum and nickel, for example.
  • Other binary layer systems are also conceivable, such as titanium and aluminum, zirconium and silicon or paladium and aluminum.
  • ternary systems for forming the multilayer film are also conceivable.
  • the formation of the connecting film in particular the selection of materials, is essentially dependent on the desired reaction when activating the connecting film, in particular the reaction temperature during activation.
  • the connecting film is placed between the sensor chip and the measurement object in a second method step (200).
  • the placement can be done in such a way that the connecting film lies in a sandwich configuration either directly on facing surfaces of the sensor chip and the measurement object.
  • the placement can take place in such a way that the connecting film is arranged in a sandwich configuration between two solder layers, with the solder layers being applied to mutually facing surfaces of the sensor chip and the measurement object.
  • These surfaces of the sensor chip and the measurement object are in particular flat surfaces that can be brought into contact with one another in order to be welded or soldered.
  • the microstructure which is formed in or on the connecting film and/or on the measurement object, is designed in such a way that mechanical properties in the joining surface between the measurement object and the sensor chip are improved. Furthermore, the microstructure can be designed to carry a cooling medium.
  • the sensor chip or several sensor chips can be provided and arranged in a power module, where it or they generate heat during operation.
  • the sensor chip can be cooled externally, for example by cooling devices. As described here, cooling can take place during operation of the sensor chip by means of the cooling medium accommodated and guided within the microstructure, the cooling medium being integrated in a connection level between the measurement object and the sensor chip. This makes it possible, for example, to save installation space for the power module and the cooling can be carried out individually and efficiently for the respective sensor chip. In particular, additional external cooling devices can be dispensed with.
  • the measurement object has a microstructure with the mentioned properties and advantages.
  • the microstructure is formed in particular on a surface of the measurement object that accommodates the sensor chip.
  • the microstructure can, for example, be a surface structure that has mechanical properties of the connection between the sensor chip and the Measurement object improved.
  • a cooling channel system can be formed on the surface of the measurement object.
  • only the connecting film has a microstructure with the mentioned properties and advantages.
  • the microstructure can be formed on a surface facing the measurement object and/or the sensor chip. Furthermore, the microstructure can be formed within the multi-layered connecting film.
  • both the measurement object, analogous to the first-mentioned exemplary embodiment, and the connecting film, analogous to the second-mentioned exemplary embodiment, have a respective microstructure.
  • the connecting film When activated, the connecting film forms a joining surface between the measurement object and the sensor chip. If this does not already occur on the joining section forming the joining surface, the connecting film can also have an activation section on which the metallic material of the connecting film is activated.
  • the joining section and, if applicable, the activation section are arranged between the sensor chip and the measurement object.
  • the activated connecting film connects the measurement object to the sensor chip at least in the joining surface, preferably in the joining surface and in the activation section. If an activation section is provided, it lies outside the joining surface between the sensor chip and the measurement object.
  • At least one, preferably several, activation means is electrically connected to the connecting film, in particular to the activation section, if one is provided.
  • the activating means can have one or more wires, preferably two wires, one with a positive pole, i.e. a plus pole, and one with a negative pole, i.e. a negative pole, with a potential difference between the poles.
  • the wires can be designed and handled separately. Alternatively, the two wires can be combined at their ends to form a kind of connector in order to maintain a defined distance between the wires or not to fall below.
  • the activation means can also be or include a voltage source, in particular a battery, or a heat needle. Alternatively, the activation means can be designed to be connected to the voltage source to activate the connecting film.
  • a third method step (300) the metallic materials of the connecting film are activated via the respective activation agent, so that the connecting film is heated in such a way that the sensor chip is cohesively connected to the measurement object.
  • Activation can be done, for example, by ignition. The process requires no special heat, no vacuum and no gas atmosphere.
  • the connecting film can be ignited, for example, with a commercially available 9V battery, the battery being connected to the connecting film via the respective activation agent.
  • the material of the sensor chip and/or the measurement object can be melted or melted so that the sensor chip is welded directly to the measurement object.
  • the sensor chip can be indirectly soldered to the measurement object by melting solder layers on the measurement object and/or on the sensor chip.
  • the continuous, metallic connection layer or bonding surface between the sensor chip and the measurement object created by activating the metallic materials of the connecting film has, in particular, high dimensional stability as well as high thermal conductivity and electrical conductivity due to the improved contacting.
  • a bonding surface with low porosity is achieved.
  • a substantially pore-free bonding surface can be achieved.
  • the method according to the invention is characterized by lower temperatures and stresses during connection. These lower voltages induce less bias in the sensor chip and increase the performance and stability of the sensor chip.
  • the low temperatures and pressure allow for a wider range of materials such as polymers.
  • the bond between the sensor chip and the measurement object created by the method according to the invention does not age with time and temperatures. Steam, pressure or the like do not cause any change in the parameters of the connection.
  • the composite material (metal) is particularly resistant to moisture, chemicals, high/low temperatures and rapid temperature changes. The composite therefore does not change its parameters, in particular due to temperature, humidity, pressure or the like.
  • the composite material (particularly metal) further provides elastic deformation for repeatability.
  • the electrical connection between the activating agent and the connecting film can be carried out using the same device with which the sensor chip is placed on the measurement object and the pressure is exerted for a material connection.
  • the microstructure is designed to accommodate and guide a cooling medium
  • the microstructure is designed as a channel system that extends between the measurement object and the sensor chip in a joining surface in such a way that the cooling medium can be guided at least in sections.
  • the channel system is formed by several channel sections and/or channels in which the cooling medium is guided during operation.
  • the connecting film is processed by laser cutting in such a way that the microstructure is formed and the connecting film takes on a shape and dimensions that cover an intended joining surface between the sensor chip and the measurement object.
  • the connecting film, and in particular the microstructure can thus be shaped particularly precisely and efficiently to the desired dimensions, is placed in front of the connecting film between the two surfaces.
  • the laser cutting therefore takes place before the connecting film is placed between the sensor chip and the measurement object in step (200).
  • the connecting film comprises at least one fluidic layer in which the channel system is formed, a cover layer facing the sensor chip, which is cohesively connected to the sensor chip after activating the connecting film, and a connecting layer facing the measurement object, which is cohesively connected to it after activating the connecting film connected to the measurement object.
  • the connecting film therefore has several layers, each of which has metallic materials that react exothermically when activated.
  • the connecting film with the microstructure can be produced by first producing the channel system in the fluidic layer, i.e. in essentially one plane, for example by means of laser cutting. The channel system can then be covered in a fluid-tight manner by the cover layer and the connecting layer from above and below, i.e. on the side facing the measurement object or the sensor chip.
  • At least one access and at least one exit is formed on the measurement object, the respective access and the respective exit being fluidically connected at least indirectly to the channel system.
  • the measurement object can be processed before activating the connecting film in such a way that the respective access and the respective outlet are in fluid connection with the channel system after activating the connecting film.
  • the channel system can be of any design, and depending on the design and shape of the channel system, several entrances and/or several exits can be provided on the measurement object, which are fluidly connected to the channel system.
  • the channel system preferably has a substantially meandering structure with loops formed alternately and at a distance from one another.
  • the channel system can have an inlet that is fluidly connected to the access of the measurement object is connected and through which the cooling medium is conveyed into the duct system.
  • the channel system can have a drain that is fluidly connected to the output of the measurement object and via which the cooling medium is drained from the channel system.
  • the cooling medium can be conveyed in a cooling medium circuit, with a pressure increasing device, for example in the form of a pump, conveying the cooling medium in the circuit.
  • the channel system has at least two channel sections arranged essentially in parallel.
  • the meandering structure of the channel system can have loops arranged essentially in parallel.
  • the channel system can have several independent channels or channel sections into which cooling medium is conveyed via separate accesses and drains via corresponding outlets.
  • the channel system can also alternatively or additionally have a tree-like structure, comprising at least two second channel sections of the second generation, which are fluidically connected to a first channel section of the first generation via a connecting section.
  • Channel sections of third or further generations are also conceivable, with the exception of the first generation, at least two channel sections of one generation being fluidically connected to a channel section of the previous generation via a connecting section.
  • the channels or channel sections of the channel system are preferably designed with varying channel cross sections. This is advantageous, for example, in the case of a tree-like structure of the channel system in order to keep a flow pressure constant in the direction of flow of the cooling medium.
  • connection method according to the present invention is particularly suitable for so-called “bare die” sensor chips (micro electro mechanical systems MEMS) due to the elimination or reduction of compressive stresses.
  • Such sensor chips can have an outer layer made of silicon facing the measurement object or a material comprising silicon, which is used in a previous process step was metallized.
  • Such sensor chips are not installed in a housing, but can be connected to the measurement object via the layer comprising silicon, onto which silver particles, for example, are previously applied for metallization. Silver particles are preferably glued to the silicon layer. This improves the conductivity between the measurement object and the sensor chip.
  • the sensor chip can also be metallized with gold, nickel, silicon nitride (SisN4), silicon dioxide (SiO2), titanium tungsten (TiW). In this sense, the sensor chip is preferably a bare-die sensor chip, where
  • the sensor chip has a metallized layer facing the measurement object and comprising silicon
  • step (300) the metallic materials of the connecting film are activated in step (300), so that the connecting film heats up in such a way that the layer of the sensor chip is bonded to the measurement object.
  • the sensor chip can therefore have a layer that includes silicon.
  • the sensor chip is made of a material comprising silicon, the layer being formed in one piece with the sensor chip.
  • the sensor chip is made of silicon or a material comprising silicon.
  • solder layers are applied to the sensor chip and the measurement object. This takes place in particular before the connecting film is placed between the sensor chip and the measurement object in the second method step (200). By subsequently activating the connecting foil, sufficient heat is generated to melt the solder layers and solder the sensor chip to the measurement object. In this sense, according to one embodiment it is provided that
  • a first solder layer is applied to the sensor chip and a second solder layer is applied to the measurement object, - the connecting foil is placed in the second step (200) between the first solder layer and the second solder layer, and
  • step (300) the metallic materials of the connecting foil are activated in step (300), so that the connecting foil is heated in such a way that the first soldering layer and the second soldering layer melt and the sensor chip is soldered to the measurement object through the melted first soldering layer and the melted second soldering layer, to create the cohesive, structured connection.
  • soldering layers can consist, for example, of copper, gold, palladium or nickel. These materials can be applied as metallic starting layers (first and second soldering layers) particularly advantageously by plasma processes, sputtering processes or vapor deposition on mutually facing surfaces of the parts to be connected (sensor chip, measurement object). Other options include two-shot injection molding, additive manufacturing, etc.
  • a fixing pad can be placed on the layers with low pressure.
  • deformation of the soldering layers and the connecting foil during activation and connection in step (300) is preferably counteracted by means of a fixing pad that exerts pressure on the sensor chip and/or the measurement object.
  • the pressure is so low that it does not lead to any tensions within the sensor chip and/or the measurement object, which could affect the strength of the connection between the sensor chip and the measurement object or the measurement accuracy.
  • the sensor chip can have a metal surface to ensure an optimal connection between the metallic measurement object and the sensor chip.
  • the first solder layer is preferably applied to a metallic or metallized surface of the sensor chip, with the second solder layer being applied to a metallic or metallized surface of the measurement object.
  • a metallic surface exists if the sensor chip or the measurement object is made of a metallic material.
  • a metallized surface is present, if the surface was coated or glued with a metal in an intermediate step.
  • an intermetallic, cohesive bond can be created between the sensor chip and the measurement object, which does not require high temperatures, pressures, electromagnetic fields, etc. for production.
  • This intermetallic connection can be created in particular between a metallic or metallized sensor chip and a metallic or metallized part of the measurement object, which can preferably consist entirely of a metal.
  • the intermetallic connection enables 1:1 signal transmission from the measurement object to the sensor chip.
  • the detectable measurement variable can be increased by special structures (force shunt) of the measurement object.
  • Special structures in the measurement object can be used to increase, reduce or filter the forces in certain directions. Similar to connection technologies or gear design, forces can be distributed or directed in this way.
  • the measurement object can form a base that protrudes from an outer surface of the measurement object, to which the sensor chip is attached and which causes a force reduction.
  • depressions, ribs or beads that increase or reduce forces in certain spatial directions are also possible, as is the case, for example, with a bead in a sheet of metal.
  • the advantage lies in particularly precise control of the sensor chip by increasing or decreasing a desired direction of force. This means that the same sensor chip can be used for different measuring ranges without having to adapt the sensor chip itself.
  • an arrangement of a sensor chip on a measurement object wherein the sensor chip has been connected to the measurement object by a method according to a method according to the first aspect of the invention, and wherein the connecting film and / or the measurement object has a microstructure according to the previous statements.
  • the above definitions and statements on technical effects, advantages and advantageous embodiments of the method according to the invention also apply mutatis mutandis to the arrangement according to the invention according to the second aspect of the invention. It is understood that the features mentioned above and those to be explained below can be used not only in the combination specified in each case, but also in other combinations or alone, without departing from the scope of the present invention.
  • FIG. 1 shows a longitudinal sectional view of an arrangement according to the invention of a sensor chip on a measurement object according to a preferred embodiment, wherein the sensor chip is attached to the measurement object by means of a structured connecting film,
  • FIG. 2 shows two perspective views of a top and a bottom of a sensor chip according to FIG. 1,
  • FIG. 3 shows an exploded view of layers and tools for connecting the sensor chip to a measurement object using the connecting film and the arrangement resulting from the connection according to an alternative embodiment
  • FIGS. 1 to 3 shows a sequence of a method according to the invention for connecting the sensor chip to the measurement object according to FIGS. 1 to 3,
  • FIG. 5 shows a greatly enlarged cross-sectional view of the connecting film for the arrangement according to FIGS. 1 to 4,
  • FIG. 6 is a greatly simplified cross-sectional view of the connecting film according to FIG. 5, 7 shows a highly simplified top view of a fluidic layer of the connecting film according to FIGS. 5 and 6 with a channel system according to a first exemplary embodiment variant,
  • FIGS. 5 and 6 shows a highly simplified top view of the fluidic layer of the connecting film according to FIGS. 5 and 6 with a channel system according to a second exemplary embodiment variant
  • FIGS. 5 and 6 show a highly simplified top view of the fluidic layer of the connecting film according to FIGS. 5 and 6 with a channel system according to a third exemplary embodiment variant
  • FIGS. 5 and 6 show a highly simplified top view of the fluidic layer of the connecting film according to FIGS. 5 and 6 with a channel system according to a fourth exemplary embodiment variant
  • FIG. 11 shows a highly simplified top view of the fluidic layer of the connecting film according to FIGS. 5 and 6 with a channel system according to a fifth exemplary embodiment variant.
  • the sensor chip 1 shows a preferred embodiment of an arrangement of a sensor chip 1 on a measurement object 2, the sensor chip 1 being connected to the measurement object 2 by a method according to FIG.
  • the sensor chip 1 is a bare die sensor chip that is made of silicon and has a metallized layer 5 made of silver particles on a sensor chip surface 4 facing the measurement object 2.
  • the sensor chip 1 was metallized in an intermediate step - not described in detail here.
  • the metallized layer 5 is formed in one piece with the sensor chip 1.
  • the measurement object 2 is significantly larger than the sensor chip 1.
  • the measurement object 2 can be, for example, a shaft of a motor or a transmission for a motor vehicle.
  • the sensor chip 1 is set up to measure a deformation, an elongation, a tension, a force and/or a torque that is generated by the shaft.
  • the sensor chip 1 points variable resistances that react to deformation. This allows us to draw conclusions about the deformation in the measurement object 2 in proportion to the quality of the connection with the measurement object 2.
  • a firm, here a cohesive, structured connection of the sensor chip 1 to the measurement object 2 is realized.
  • This connection transmits forces of the measured variable as well as disturbances caused by thermal expansion.
  • the type of connection places demands on the surface quality of the measurement object 2 and sensor chip 1.
  • Two force arrows F shown on the far right in Fig. 1 illustrate an exchange of forces through deformation, which represents the actual measurement variable.
  • To the left of it is a bidirectional force arrow F, which illustrates an exchange of forces through stresses and through different thermal expansion, which represents a disturbance variable.
  • the measurement object 2 has a measurement object surface 6 facing the metallic layer 5 of the sensor chip 1.
  • the measurement object surface 6 consists of a metal, from which the remaining part of the measurement object 2 is made, and is located on a base 8.
  • the base 8 is formed by the measurement object 2.
  • the base 8 projects radially from an outer surface 9 of the measurement object 2.
  • the sensor chip 1, the measurement object 2 and the connecting film 10 are provided.
  • the connecting foil 10 is a so-called NanoFoil®, i.e. a reactive multilayer foil that is produced by vapor deposition of thousands of alternating nanoscale layers of aluminum 11 and nickel 12.
  • NanoFoil® i.e. a reactive multilayer foil that is produced by vapor deposition of thousands of alternating nanoscale layers of aluminum 11 and nickel 12.
  • FIG. 5 A greatly enlarged cross-sectional view of the connecting foil 10 with the aluminum 11 and nickel layers 12 is shown in FIG. 5.
  • the bonding film 10 reacts exothermically to produce precise local heat up to temperatures of 1500 ° C in a fraction of a second.
  • the connecting film 10 also has a microstructure 13, which, on the one hand, is designed to have mechanical properties in the joining surface 19 between the measurement object 2 and the sensor chip 1, and on the other hand is designed such that it forms a channel system 14, in which a cooling medium for cooling the sensor chip 1 is received, in particular after the measurement object 2 and the sensor chip 1 have been joined and can be guided.
  • a microstructure 13 which, on the one hand, is designed to have mechanical properties in the joining surface 19 between the measurement object 2 and the sensor chip 1, and on the other hand is designed such that it forms a channel system 14, in which a cooling medium for cooling the sensor chip 1 is received, in particular after the measurement object 2 and the sensor chip 1 have been joined and can be guided.
  • a second method step 200 the connecting film 10 is placed between the sensor chip 1 and the measurement object 2, as shown by FIGS. 1 and 3.
  • the connecting film 10 touches on one side the metallic layer 5 of the sensor chip surface 4 according to FIG. 2 and on the other side the metallic measurement object surface 6 of the base 8 of the measurement object 2.
  • the aluminum layers 11 and the nickel layers 12 of the connecting film 10 is arranged alternately next to one another, as shown in FIG.
  • a third method step 300 the aluminum layers 11 and the nickel layers 12 of the connecting foil 10 according to FIG. 5 are activated by means of a battery 20 shown by way of example in FIG. 3.
  • a DC voltage source can be used to activate the connecting film 10.
  • the nickel layers 12 of the connecting foil 10 then react strongly exothermically, so that the metallic layer 5 of the sensor chip 1 is welded to the measurement object surface 6 of the measurement object 2.
  • a cohesive connection between the sensor chip 1 and the measurement object 2 is therefore realized.
  • the measurement object surface 6 can have a surface structure such that molten material of the aluminum layers 11 and/or the nickel layers 12 can penetrate into spaces in the measurement object surface 6 and, after solidification, can cause a positive connection between the sensor chip 1 and the measurement object 2.
  • the detectable measurement variable can be increased by special structures (force shunt) of the measurement object 2.
  • the base 8 causes a reduction in force.
  • the measurement object 2 can also form, for example, depressions, ribs, beads or the like, which increase or reduce forces in certain spatial directions.
  • the sensor chip 1 also has no housing.
  • the connecting film 10 is arranged between the previously metallized silicon layer 5 of the sensor chip 1 and the measurement object surface 6 of the measurement object 2, then activated and thereby materially connected to the silicon layer 5 and to the measurement object surface 6.
  • the measurement object 2 is also designed to be significantly larger than the sensor chip 1, with the measurement object 2 not having a base 8 according to the first example.
  • the measurement object 2, the connecting film 10 and the sensor chip 1 can otherwise be designed identically to the previous versions.
  • a first method step 100 the sensor chip 1, the measurement object 2 and the connecting film 10 are first provided.
  • Fig. 3 shows this state in the left part, in which no connection has yet been created between the measurement object 2 and the sensor chip 1.
  • the right part of Fig. 3 shows the state after formation of the connection between the measurement object 2 and the sensor chip 1.
  • a first solder layer 21 made of nickel is applied to the sensor chip 1.
  • copper, silver, gold, silicon nitride (SisN4), silicon dioxide (SiO2), titanium tungsten (TiW), palladium or the like can also be used. This can be applied to the metallic surface 5 of the sensor chip 1 in the exemplary embodiments according to FIG. 1.
  • a second soldering layer 22, also made of copper, is applied to the measurement object 2. This can be applied to the measurement object surface 6.
  • the surface of the measurement object 2 can be designed analogously to the previous versions.
  • the connecting film 10 was previously processed by laser cutting in such a way that the connecting film 10 has the mentioned microstructure 13, takes on a shape and dimensions that form the intended joining surface 19 between the sensor chip 1 and the measurement object 2, and mechanically due to the specific design of the microstructure 13 has advantageous properties.
  • the one previously mentioned Battery 20 is to be understood as an activation means 18, which is electrically connected to the connecting film 10.
  • the connecting film 10 was cut by laser cutting in such a way that it has an activation section 25, which in the exemplary embodiment shown is not covered by the sensor chip 1 and is therefore freely accessible for applying the activation agent 18.
  • the connecting foil 10 is placed between the first solder layer 21 and the second solder layer 22 in step 200.
  • the activation section 25 protrudes from the stack formed by the sensor chip 1, the measurement object 2 and the two solder layers 21, 22 when all layers are adjacent to one another.
  • a fixing pad 23 exerts a pressure p via a flexible layer 17 on the stack formed by the sensor chip 1, the measurement object 2 and the two solder layers 21, 22.
  • This pressure is very low and acts vertically on an outer surface of the sensor chip 1.
  • the pressure serves to counteract deformation of the solder layers 21, 22 and the connecting foil 10 during activation and connection in step 300.
  • the aluminum layers 11 and the nickel layers 12 of the connecting foil 10 are electrically activated by means of the activating agent 18.
  • the aluminum layers 11 and the nickel layers 12 of the connecting foil 10 then react strongly exothermically, so that the connecting foil 10 heats up in such a way that the first soldering layer 21 and the second soldering layer 22 melt and the sensor chip 1 is soldered to the measurement object 2 through the melted soldering layers 21, 22 as shown by the right part of Fig. 3.
  • the soldering layers 21, 22 can be used analogously in the previously described exemplary embodiments.
  • the method proposed here makes it possible to produce a substantially continuous bonding surface 16 with low porosity, which improves heat transfer.
  • the microstructure 13 of the connecting film 10 is in the present case designed as a channel system 14, which is extends between the measurement object 2 and the sensor chip 1 in a joining surface 19 in such a way that a cooling medium can be guided at least in sections.
  • a cooling medium for example, air or a coolant can be used as a cooling medium.
  • Fig. 6 shows a cross-sectional view of the connecting film 10 to illustrate the multi-layer structure.
  • the connecting film 10 is a multilayer film comprising a fluidic layer 13a in which the channel system 14 is formed, the fluidic layer 13a being arranged and formed spatially between a cover layer 13b facing the sensor chip 1 and a connecting layer 13c facing the measurement object.
  • the cover layer 13b is cohesively connected to the sensor chip 1 and the connecting layer 13c is cohesively connected to the measurement object 2. Therefore, after activating the connecting film 10, there is a cohesive, structured connection between the measurement object 2 and the sensor chip 1. All layers of the connecting film 10 are designed analogously to the structure shown in FIG. 5.
  • a single access 15a and a single output 15b are formed on the measurement object 2, the access 15a being fluidly connected to an inflow 24a of the channel system 14 and the output 15b to an outflow 24b of the channel system 14.
  • the entrance 15a and the exit 15b are shown as an example in FIG. 6, whereas the inflow 24a and the outflow 24b of the channel system 14 are shown in FIGS. 7 and 8.
  • the access 15a and the outlet 15b are arranged essentially perpendicular to the plane of the fluidic layer 13a or to the channel system 14. This means that the sensor chip 1 is cooled during operation via the measurement object 2. Alternatively, it is conceivable that the sensor chip 1 is cooled via the sensor chip 1 itself.
  • the sensor chip 1 can have channels for guiding cooling medium to the microstructure 13 of the connecting film 10. This can realize advantages in the cooling effect for the sensor chip 1.
  • 7 to 11 show different embodiment variants of the channel system 14 as examples, with the fluidic layer 13a or the remaining connecting film 10 not being shown for reasons of simplicity. These examples are merely intended to make it clear that the channel system 14 can in principle have any shape.
  • the design of the channel system 14 essentially depends on the cooling requirements and the design in the device in which the respective arrangement proposed here is provided.
  • the channel system 14 has a plurality of channel sections 14a, 14b that are fluidly connected to one another.
  • the channel system 14 in the fluidic layer 13a is produced in the present case by means of laser cutting and is covered and sealed by the cover layer 13b and the connecting layer 13c in such a way that the cooling medium can only flow in via the inflow 24a or flow out via the outflow 24b.
  • the channel sections 14a, 14b of the channel system 14 fluidly connect the inflow 24a and the outflow 24b to one another.
  • the channel system 14 has a substantially meander-shaped structure.
  • the channel sections 14a, 14b are designed as loops. 8, the channels of the respective channel section are zigzag-shaped and thus achieve good cooling properties.
  • a first channel section 14b is formed starting from the inflow 24a, in which the cooling medium is distributed over a plurality of second channel sections 14b arranged essentially parallel to one another with a comparatively smaller cross section. At the end of the second channel sections 14b, these in turn open into a common third channel section 14c, where the cooling medium is brought together again and led to the drain 24b.
  • the first and third channel sections 14a, 14c are essentially identical in terms of their cross-sectional dimensions.
  • the present six second channel sections 14b arranged in parallel are essentially identical.
  • the total cross-sectional area of all second channel sections 14b is preferably as large as the cross-sectional area of the first or second channel section 14a, 14b, so that the flow pressure within the channel system 14 remains constant.
  • the connecting sections that connect the channel sections 14a - 14c to one another can also be rounded.
  • the arrangement of the channel sections 14a, 14b, 14c relative to one another can be carried out in any way, as will be made clear by the exemplary examples.
  • the cross-sectional shape of the individual channels or the channel sections 14a, 14b, 14c can be of any design. From a fluid technology perspective, essentially round cross-sectional shapes are suitable, in particular a circular, oval and/or elliptical cross-sectional shape. Other cross-sectional shapes are also conceivable.
  • the cooling medium is deflected from the first to the second channel section 14a, 14b or from the second to the third channel section 14b, 14c by essentially 90°.
  • the cooling medium flows in from the left and flows out to the right.
  • the cooling medium from the inflow 24a to the outflow 24b essentially maintains the flow direction, here downwards, with the cooling medium being fanned out at the first channel section 14a and the cooling medium being merged at the third channel section 14c.
  • the cooling medium flows in from above and drains downwards.
  • the inflow 24a and the outflow 24b are therefore located on opposite sides of the connecting film 10. In other words, the cooling medium is guided in a Z-shape.
  • the cooling medium from the inflow 24a to the outflow 24b essentially maintains the flow direction, here downwards, with the cooling medium being fanned out at the first channel section 14a and the cooling medium being merged at the third channel section 14c.
  • the cooling medium flows in from above and drains downwards.
  • the inflow 24a and the outflow 24b are therefore on opposite sides of the connecting film 10.
  • the inflow 24a and the outflow 24b are on the same side of the connecting film 10.
  • the cooling medium - here coming from the left - is divided into the second channel sections 14b in the first channel section 14a and brought together again at the third channel section 14c .
  • the third channel section 14c is designed in such a way that the cooling medium is guided to the left again.
  • the cooling medium is guided in LI form.
  • the invention is not limited to the exemplary embodiments disclosed here. These are merely exemplary configurations, although other variants are also possible.
  • the microstructure 13 of the connecting film 10, designed as a channel system 14 can be designed in any conceivable geometric shape, depending on the cooling requirements and the available installation space and size of the joining surface 19. More than three channel sections 14a - 14c are also conceivable. Alternatively or additionally, it is conceivable to provide a microstructure on the measurement object.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbindung eines Sensorchips (1) mit einem Messobjekt (2), das Verfahren umfassend die Schritte (100) Bereitstellen - eines Messobjekts (2), - eines Sensorchips (1), der dazu eingerichtet ist, eine physikalische Eigenschaft eines Messobjekts (2) zu erfassen, und - einer Verbindungsfolie (10), die metallische Materialien (11, 12) enthält, die bei ihrer Aktivierung exotherm reagieren, wobei die Verbindungsfolie (10) und/oder das Messobjekt (2) eine Mikrostruktur (13) aufweist, (200) Platzieren der Verbindungsfolie (10) zwischen dem Sensorchip (1) und dem Messobjekt (2), und (300) Aktivieren der metallischen Materialien (11, 12) der Verbindungsfolie (10), sodass sich die Verbindungsfolie (10) derart erhitzt, dass zwischen der Sensorchip (1) und dem Messobjekt (2) eine stoffschlüssige, strukturierte Verbindung erzeugt wird. Ferner betrifft die Erfindung eine Anordnung eines Sensorchips (1) an einem Messobjekt (2), wobei der Sensorchip (1) durch ein solches Verfahren mit dem Messobjekt (2) verbunden worden ist, wobei die Verbindungsfolie (10) und/oder das Messobjekt (2) eine Mikrostruktur (13) aufweist.

Description

Verbindung eines Sensorchips mit einem Messobjekt
Die Erfindung betrifft eine Verbindung eines Sensorchips mit einem Messobjekt. Beansprucht werden in diesem Zusammenhang insbesondere ein Verfahren zur Befestigung des Sensorchips an dem Messobjekt sowie eine Anordnung des Sensorchips an dem Messobjekt.
Für verschiedene Anwendungsfälle ist es notwendig, einen Sensorchip an einem größeren mechanischen Bauteil, dem Messobjekt, zu befestigen. Dies ist wichtig für die Platzierung des Sensorsystems und für eine Verschaltung der physikalischen Signale, die gemessen werden sollen. Sensoren zur Kraftmessung oder zur Verformungsmessung sind dabei stark von der Verbindungsschicht zwischen dem Sensorchip und dem Messobjekt abhängig. Das Messobjekt und der Sensorchip können aus verschiedenen Materialien wie Metall, Silizium oder einem organischen Material bestehen. Die Verbindungsschicht muss eine starke Haftung bieten und formstabil sein, um eine gute Kraft- und Deformationsübertragung ohne eine (zusätzliche und unvorhersehbare) Dämpfung oder Zeitverzögerungen zu gewährleisten. Die Sensorleistung über die Lebensdauer hängt von der Langzeitstabilität der Verbindungsschicht ab, insbesondere von der Temperatur-/Feuchtigkeits-/Chemikalienstabilität, um Signaldrift, Signalamplitudenschrumpfung und Zeitverzögerungen zu vermeiden.
Für die Kontaktierung dieser Sensoren auf einem größeren Messobjekt sind Kleben und Löten bekannt. Diese Methoden sind für die industrielle Fertigung relativ einfach zu realisieren, erfordern aber meist einen manuellen Prozess, der zeitaufwendig und nicht kosteneffizient ist. Die Klebe-/Lötverbindungen sind mit unterschiedlichen Temperaturgradienten, Feuchtigkeits-ZChemikalienabhängigkeit und Langzeitalterung verbunden. Dies kann die Signalqualität verringern oder den Sensor sogar zerstören. Andere Verbindungstechniken sind aufgrund der Prozessparameter mit hohen Temperaturen, mechanischen Drücken oder hohem Vakuum bzw. Schutzgas unpraktisch. Andere Methoden benötigen starke elektromagnetische Felder. Unpraktisch heißt in diesem Zusammenhang, es könnte den Sensorchip oder das Messobjekt zerstören. Die US 2017/096066 A1 offenbart ein Hybridfahrzeug mit einer Hybridleistungssteuereinheit. Die Hybridleistungssteuereinheit umfasst ein Leistungsmodul mit darin angeordneten Chips, von denen jeder während des Betriebs Wärme erzeugt. Die Steuereinheit umfasst ferner einen Kühler, der die Wärme von dem Leistungsmodul kühlt. Zusätzlich werden Chip-Lötschnittstellenmaterialien, die die Chips und das Leistungsmodul verbinden, bereitgestellt, um innere Lötschichten zu bilden. Ferner verbindet ein kühleres Lötschnittstellenmaterial das Leistungsmodul und die Kühler, um äußere Verbindungsschichten zu bilden.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine alternative Verbindung zwischen einem Sensorchip und einem Messobjekt bereitzustellen, welche den vorstehend beschriebenen Problemen Rechnung trägt. Die Aufgabe wird gelöst durch den Gegenstand des unabhängigen Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche, der folgenden Beschreibung sowie der Figuren.
Die vorliegende Erfindung schlägt einen reaktiven Folienlötprozess vor, um eine insbesondere intermetallische Verbindung für Sensorchips auf einem größeren Messobjekt, auch Target genannt, zu erhalten. Der Fügeprozess basiert auf der Verwendung einer reaktiven Multischichtfolie als lokale Wärmequelle. Die Folie besteht aus einer neuen Klasse von nanotechnologischem Material, in dem sich selbst ausbreitende exotherme Reaktionen bei Raumtemperatur durch einen Zündprozess auslösen lassen. Durch das Einbringen einer solchen Folie beispielsweise zwischen zwei Lötschichten zwischen dem Sensorchip sowie dem Messobjekt schmilzt die durch die Reaktion in der Folie erzeugte Wärme die Lötschichten auf, sodass die Verbindungen bei Raumtemperatur in etwa einer Sekunde abgeschlossen sind. Die induzierte Wärme während der Reaktion ist aufgrund der schnellen Reaktionsgeschwindigkeit (beispielsweise 10 m/s) und der geringen Materialdicke (beispielsweise <100pm) sehr gering.
In diesem Sinne wird gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung ein Verfahren zur Verbindung eines Sensorchips mit einem Messobjekt bereitgestellt. In einem ersten Schritt (100) des Verfahrens wird ein Messobjekt bereitgestellt. Weiterhin wird ein Sensorchip bereitgestellt, der dazu eingerichtet ist, eine physikalische Eigenschaft eines Messobjekts zu erfassen. Ferner wird eine Verbindungsfolie bereitgestellt, die metallische Materialien enthält, die bei ihrer Aktivierung exotherm reagieren.
Das Messobjekt kann insbesondere deutlich größer sein als der Sensorchip. Bei dem Messobjekt kann es sich beispielsweise um ein Target, insbesondere eine Achse, eine Welle für einen Motor, ein Getriebe eines Kraftfahrzeugs, ein Roboterarmsegment für einen Roboter oder ein Kühler, handeln. In diesem Fall wird der Sensorchip mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens direkt mit dem Target verbunden. Das Messobjekt kann alternativ ein Bauteil sein, das zwischen dem Target und dem Sensorchip angeordnet ist, bzw. mittels dessen der Sensorchip am Target befestigt wird. Insbesondere kann das Messobjekt eine Adapterplatte sein, über die der Sensor am Target befestigt wird. Denkbar ist auch, dass das Messobjekt ein sogenannter Lead- Frame, ein sogenanntes Power-Pad oder ganz allgemein ein Kraftübertrager zwischen dem Sensorchip und dem Target ist.
Der Sensorchip ist insbesondere dazu eingerichtet, eine Verformung, eine Dehnung, eine Kraft und/oder ein Drehmoment zu messen, die bzw. das von dem Messobjekt erzeugt wird bzw. davon ausgeht bzw. damit übertragen wird.
Als Verbindungsfolie kann beispielsweise eine sogenannte NanoFoil® der Indium Corporation zum Einsatz kommen. Die NanoFoil® ist eine reaktive Multischichtfolie, die durch Aufdampfen von Tausenden von abwechselnden nanoskaligen Schichten beispielsweise aus Aluminium und Nickel hergestellt wird. Denkbar sind auch andere binäre Schichtsysteme, wie Titan und Aluminium, Zirkonium und Silizium oder Pala- dium und Aluminium. Darüber hinaus sind auch ternäre Systeme zur Ausbildung der Multischichtfolie denkbar. Die Ausbildung der Verbindungsfolie, insbesondere die Auswahl der Materialien, ist im Wesentlichen abhängig von der gewünschten Reaktion beim Aktivieren der Verbindungsfolie, insbesondere der Reaktionstemperatur während der Aktivierung. Wenn die Folie durch einen kleinen Impuls lokaler Energie aus elektrischen, optischen oder thermischen Quellen aktiviert wird, reagiert sie exotherm, um in Bruchteilen einer Sekunde präzise lokale Hitze bis zu Temperaturen von 1500 °C zu erzeugen. Die Verbindungsfolie wird in einem zweiten Verfahrensschritt (200) zwischen dem Sensorchip und dem Messobjekt platziert. Das Platzieren kann derart erfolgen, dass die Verbindungsfolie in einer Sandwich-Konfiguration entweder direkt an einander zugewandten Oberflächen des Sensorchips und des Messobjekts anliegt. Alternativ kann das Platzieren derart erfolgen, dass die Verbindungsfolie in einer Sandwich- Konfiguration zwischen zwei Lötschichten angeordnet ist, wobei die Lötschichten auf einander zugewandten Oberflächen des Sensorchips und des Messobjekts aufgetragen sind. Diese Oberflächen des Sensorchips und des Messobjekts sind insbesondere ebene Oberflächen, die aneinander in Anlage gebracht werden können, um verschweißt oder verlötet zu werden.
Die Mikrostruktur, die in oder an der Verbindungsfolie und/oder am Messobjekt ausgebildet ist, ist derart ausgebildet, das mechanische Eigenschaften in der Fügefläche zwischen dem Messobjekt und dem Sensorchip verbessert werden. Ferner kann die Mikrostruktur dazu ausgebildet sein, ein Kühlmedium zu führen. Der Sensorchip oder mehrere Sensorchips kann bzw. können in einem Leistungsmodul vorgesehen und angeordnet sein, wo er bzw. sie während des Betriebs Wärme erzeugt bzw. erzeugen. Die Kühlung des Sensorchips kann von extern, beispielsweise durch Kühlvorrichtungen, erfolgen. Wie hier beschrieben wird, kann während des Betriebs des Sensorchips eine Kühlung mittels des innerhalb der Mikrostruktur aufgenommenen und geführten Kühlmediums erfolgen, wobei das Kühlmedium in einer Verbindungsebene zwischen dem Messobjekt und dem Sensorchip integriert ist. Dadurch kann beispielsweise Bauraum des Leistungsmoduls eingespart werden und die Kühlung kann für den jeweiligen Sensorchip individuell und effizient erfolgen. Insbesondere kann auf weitere externe Kühlvorrichtungen verzichtet werden.
In einem Ausführungsbeispiel weist nur das Messobjekt eine Mikrostruktur mit den genannten Eigenschaften und Vorteilen auf. Die Mikrostruktur ist insbesondere an einer den Sensorchip aufnehmenden Oberfläche des Messobjekts ausgebildet. Die Mikrostruktur kann in diesem Fall beispielsweise eine Oberflächenstruktur sein, die mechanische Eigenschaften der Verbindung zwischen dem Sensorchip und dem Messobjekt verbessert. Außerdem kann ein Kühlkanalsystem auf der Oberfläche des Messobjekts ausgebildet sein.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel weist nur die Verbindungsfolie eine Mikrostruktur mit den genannten Eigenschaften und Vorteilen auf. Die Mikrostruktur kann an einer dem Messobjekt und/oder dem Sensorchip zugewandten Oberfläche ausgebildet sein. Ferner kann die Mikrostruktur innerhalb des mehrschichtig ausgebildeten Verbindungsfolie ausgebildet sein.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel weist sowohl das Messobjekt analog zum erstgenannten Ausführungsbeispiel als auch die Verbindungsfolie analog zum zweitgenannten Ausführungsbeispiel eine jeweilige Mikrostruktur auf.
Die Verbindungsfolie bildet im aktivierten Zustand eine Fügefläche zwischen dem Messobjekt und dem Sensorchip. Die Verbindungsfolie kann, wenn dies nicht bereits am die Fügefläche bildenden Fügeabschnitt erfolgt, ferner einen Aktivierungsabschnitt aufweisen, an dem die Aktivierung des metallischen Materials der Verbindungsfolie erfolgt. Der Fügeabschnitt und ggfs. der Aktivierungsabschnitt sind zwischen dem Sensorchip und dem Messobjekt angeordnet. Die aktivierte Verbindungsfolie verbindet das Messobjekt mit dem Sensorchip zumindest in der Fügefläche, vorzugsweise in der Fügefläche sowie im Aktivierungsabschnitt. Sofern ein Aktivierungsabschnitt vorgesehen ist, liegt dieser damit außerhalb der Fügefläche zwischen dem Sensorchip und dem Messobjekt.
Mit der Verbindungsfolie, insbesondere mit dem Aktivierungsabschnitt, sofern ein solcher vorgesehen ist, ist wenigstens ein, vorzugsweise mehrere Aktivierungsmittel elektrisch verbunden. Das Aktivierungsmittel kann einen oder mehrere Drähte aufweisen, vorzugsweise zwei Drähte, einer mit positivem Pol, also einem Pluspol, und einer mit negativem Pol, also einem Minuspol, wobei zwischen den Polen eine Po- tentialdifferenz vorliegt. Die Drähte können separat ausgebildet sein und hantiert werden. Alternativ können die beiden Drähte an ihren Enden zu einer Art Stecker zusammengefasst sein, um einen definierten Abstand der Drähte beizubehalten bzw. nicht zu unterschreiten. Das Aktivierungsmittel kann ferner eine Spannungsquelle, insbesondere eine Batterie, oder eine Wärmenadel sein oder umfassen. Alternativ kann das Aktivierungsmittel dazu ausgebildet sein, zur Aktivierung der Verbindungsfolie mit der Spannungsquelle verbunden zu werden.
In einem dritten Verfahrensschritt (300) erfolgt ein Aktivieren der metallischen Materialien der Verbindungsfolie über das jeweilige Aktivierungsmittel, sodass sich die Verbindungsfolie derart erhitzt, dass der Sensorchip mit dem Messobjekt stoffschlüssig verbunden wird. Zwischen dem Sensorchip und dem Messobjekt liegt nach dem Aktivieren der Verbindungsfolie eine stoffschlüssige, strukturierte Verbindung vor. Das Aktivieren kann beispielsweise durch eine Zündung erfolgen. Das Verfahren benötigt keine besondere Hitze, kein Vakuum und keine Gasatmosphäre. Die Zündung der Verbindungsfolie kann beispielsweise mit einer handelsüblichen 9V-Batterie erfolgen, wobei die Batterie über das jeweilige Aktivierungsmittel mit der Verbindungsfolie verbunden ist. In dem Verfahrensschritt (300) kann das Material des Sensorchips und/oder des Messobjekts aufgeschmolzen oder angeschmolzen werden, sodass der Sensorchip direkt mit dem Messobjekt verschweißt wird. Alternativ kann der Sensorchip durch Aufschmelzen von Lötschichten am Messobjekt und/oder am Sensorchip indirekt mit dem Messobjekt verlötet werden.
Während des Verfahrens müssen keine hohen Drücke und keine hohen Temperaturen auf den Sensorchip und/oder das Messobjekt ausgeübt werden. Auch auf hohe elektromagnetische Felder kann verzichtet werden. Die durch das Aktivieren der metallischen Materialien der Verbindungsfolie entstehende durchgängige, metallische Verbindungsschicht oder Bondfläche zwischen dem Sensorchip und dem Messobjekt weist aufgrund der verbesserten Kontaktierung insbesondere eine hohe Formstabilität sowie eine hohe Wärmeleitfähigkeit und elektrische Leitfähigkeit auf. Zudem wird eine Bondfläche mit einer geringen Porosität realisiert. Mit anderen Worten ist eine im Wesentlichen porenfreie Bondfläche realisierbar. Weiterhin vereinfacht sich der Herstellungsprozess bzw. der Bondprozess, was eine besonders kostengünstige Produktion ermöglicht. Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich durch geringere Temperaturen und Spannungen während des Verbindens aus. Diese geringeren Spannungen induzieren weniger Vorspannungen in den Sensorchip und erhöhen die Leistung und die Stabilität des Sensorchips. Darüber hinaus ermöglichen die niedrigen Temperaturen und der niedrige Druck eine breitere Palette von Materialien wie beispielsweise Polymere. Der durch das erfindungsgemäße Verfahren erzeugte Verbund zwischen Sensorchip und Messobjekt altert nicht mit der Zeit und Temperaturen. Dampf, Druck oder ähnliches bewirken keine Veränderung von Parametern der Verbindung. Das Verbundmaterial (Metall) ist insbesondere beständig gegen Feuchtigkeit, Chemikalien, hohe/niedrige Temperaturen und schnelle Temperaturwechsel. Der Verbund verändert deshalb seine Parameter nicht, insbesondere durch Temperatur, Feuchtigkeit, Druck oder Ähnliches. Das Verbundmaterial (insbesondere Metall) bietet weiterhin eine elastische Verformung für Wiederholbarkeit.
Vorteilhafterweise kann die elektrische Verbindung zwischen dem Aktivierungsmittel und der Verbindungsfolie mit der gleichen Vorrichtung erfolgen, mit der der Sensorchip auf dem Messobjekt platziert und der Druck zur stoffschlüssigen Verbindung ausgeübt wird.
Sofern die Mikrostruktur dazu ausgebildet ist ein Kühlmedium aufzunehmen und zu führen, ist die Mikrostruktur als Kanalsystem ausgebildet, das sich derart zwischen dem Messobjekt und dem Sensorchip in einer Fügefläche erstreckt, dass darin das Kühlmedium wenigstens abschnittsweise geführt werden kann. Das Kanalsystem wird gebildet durch mehrere Kanalabschnitte und/oder Kanäle, in der das Kühlmedium während des Betriebs geführt wird.
Die Verbindungsfolie wird durch Laserschneiden derart bearbeitet, dass die Mikrostruktur ausgebildet wird und die Verbindungsfolie eine Form und Maße annimmt, die eine vorgesehene Fügefläche zwischen dem Sensorchip und dem Messobjekt abdeckt. Die Verbindungsfolie, sowie insbesondere die Mikrostruktur, kann damit besonders genau und effizient in den gewünschten Abmessungen geformt werden, be- vor die Verbindungsfolie zwischen den beiden Oberflächen platziert wird. Mithin erfolgt das Laserschneiden bevor die Verbindungsfolie in dem Schritt (200) zwischen dem Sensorchip und dem Messobjekt platziert wird.
Vorzugsweise umfasst die Verbindungsfolie zumindest eine fluidische Schicht, in der das Kanalsystem ausgebildet ist, eine dem Sensorchip zugewandte Deckschicht, die nach dem Aktivieren der Verbindungsfolie stoffschlüssig mit dem Sensorchip verbunden ist, sowie eine dem Messobjekt zugewandte Verbindungsschicht, die nach dem Aktivieren der Verbindungsfolie stoffschlüssig mit dem Messobjekt verbunden ist. Mithin weist die Verbindungsfolie mehrere Schichten auf, die jeweils metallische Materialien aufweisen, die bei ihrer Aktivierung exotherm reagieren. Die Verbindungsfolie mit der Mikrostruktur kann hergestellt werden, indem zunächst das Kanalsystem in der fluidischen Schicht, also in im Wesentlichen einer Ebene, hergestellt wird, beispielsweise mittels Laserschneiden. Anschließend kann das Kanalsystem von oben und unten, also auf der dem Messobjekt bzw. dem Sensorchip zugewandten Seite, durch die Deckschicht und der Verbindungsschicht fluiddicht abgedeckt werden.
Bevorzugt ist am Messobjekt wenigstens ein Zugang und wenigstens ein Ausgang ausgebildet, wobei der jeweilige Zugang und der jeweilige Ausgang zumindest mittelbar mit dem Kanalsystem fluidisch verbunden sind. Das Messobjekt kann vor dem Aktivieren der Verbindungsfolie derart bearbeitet sein, dass die der jeweilige Zugang und der jeweilige Abgang nach dem Aktivieren der Verbindungsfolie in fluidischer Verbindung mit dem Kanalsystem stehen.
Das Kanalsystem kann prinzipiell beliebig ausgebildet sein, wobei in Abhängigkeit der Ausbildung und Form des Kanalsystems auch mehrere Zugänge und/oder mehrere Ausgänge am Messobjekt vorgesehen sein können, die mit dem Kanalsystem fluidisch verbunden sind.
Das Kanalsystem weist bevorzugt eine im Wesentlichen meanderförmige Struktur mit wechselweise und beabstandet zueinander ausgebildeten Schlaufen auf. Das Kanalsystem kann einen Einlauf aufweisen, der mit dem Zugang des Messobjekts fluidisch verbunden ist und über den das Kühlmedium in das Kanalsystem gefördert wird. Zudem kann das Kanalsystem einen Ablauf aufweisen, der mit dem Ausgang des Messobjekts fluidisch verbunden ist und über den das Kühlmedium aus dem Kanalsystem abgeleitet wird. Das Kühlmedium kann in einem Kühlmediumkreislauf gefördert werden, wobei eine Druckerhöhungsvorrichtung, beispielsweise in Form einer Pumpe, das Kühlmedium im Kreislauf fördert.
Alternativ oder ergänzend weist das Kanalsystem wenigstens zwei im Wesentlichen parallel angeordnete Kanalabschnitte auf. Beispielsweise kann die meanderförmige Struktur des Kanalsystems im Wesentlichen parallel angeordnete Schlaufen aufweisen. Ferner kann das Kanalsystem mehrere unabhängige Kanäle oder Kanalabschnitte aufweisen, in die über separate Zugänge Kühlmedium gefördert wird und über entsprechende Abgänge abläuft.
Das Kanalsystem kann ferner alternativ oder ergänzend eine baumartige Struktur aufweisen, umfassend zumindest zwei zweite Kanalabschnitte zweiter Generation, die über einen Verbindungsabschnitt mit einem ersten Kanalabschnitt erster Generation fluidisch verbunden sind. Auch Kanalabschnitte dritter oder weiterer Generationen sind denkbar, wobei, mit Ausnahme der ersten Generation, jeweils mindestens zwei Kanalabschnitte einer Generation über einen Verbindungsabschnitt mit einem Kanalabschnitt der vorherigen Generation fluidisch verbunden sind.
Die Kanäle oder Kanalabschnitte des Kanalsystems sind vorzugsweise mit variierendem Kanalquerschnitt ausgebildet. Dies ist beispielsweise bei einer baumartigen Struktur des Kanalsystems von Vorteil, um einen Strömungsdruck in Fließrichtung des Kühlmediums konstant zu halten.
Das Verbindungsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung eignet sich aufgrund der Eliminierung oder Reduzierung von Druckspannungen besonders für sogenannte "bare Die" Sensorchips (micro electro mechanical systems MEMS). Solche Sensorchips können eine dem Messobjekt zugewandte Außenschicht aus Silizium oder ein Silizium umfassendes Material aufweisen, die in einem vorherigen Prozessschritt metallisiert wurde. Derartige Sensorchips sind nicht in einem Gehäuse verbaut, sondern können über die Silizium umfassende Schicht, auf welche vorher zur Metallisierung beispielsweise Silberpartikel aufgebracht werden, mit dem Messobjekt verbunden werden. Vorzugsweise sind also Silberpartikel auf der Siliziumschicht aufgeklebt. Dies verbessert die Leitfähigkeit zwischen dem Messobjekt und dem Sensorchip. Alternativ kann der Sensorchip auch mit Gold, Nickel, Siliciumnitrid (SisN4), Siliciumdioxid (SiO2), Titanwolfram (TiW) metallisiert sein. In diesem Sinn ist der Sensorchip vorzugsweise ein bare-Die-Sensorchip, wobei
- der Sensorchip eine dem Messobjekt zugewandte, Silizium umfassende, metallisierte Schicht aufweist,
- die Verbindungsfolie in Schritt (200) zwischen der Schicht und dem Messobjekt platziert wird, und
- die metallischen Materialien der Verbindungsfolie in Schritt (300) aktiviert werden, sodass sich die Verbindungsfolie derart erhitzt, dass die Schicht des Sensorchips mit dem Messobjekt stoffschlüssig verbunden wird.
Der Sensorchip kann also eine Schicht aufweisen, die Silizium umfasst. Nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Sensorchip aus einem Silizium umfassenden Material ausgebildet, wobei die Schicht einstückig mit dem Sensorchip ausgebildet ist. Mit anderen Worten ist der Sensorchip aus Silizium oder einem Silizium umfassenden Material ausgebildet. Mittels der Verbindungsfolie und der metallisierten Schicht des Sensorchips kann zwischen dem Sensorchip und dem Messobjekt eine intermetallische, stoffschlüssige Bindung geschaffen werden, die keine hohen Temperaturen, Drücke, elektromagnetische Felder, etc. zur Herstellung benötigt.
Alternativ oder ergänzend werden Lötschichten auf den Sensorchip und das Messobjekt aufgetragen. Dies erfolgt insbesondere, bevor die Verbindungsfolie in dem zweiten Verfahrensschritt (200) zwischen dem Sensorchip und dem Messobjekt platziert wird. Durch anschließendes Aktivieren der Verbindungsfolie entsteht ausreichend Wärme, um die Lötschichten aufzuschmelzen und den Sensorchip mit dem Messobjekt zu verlöten. In diesem Sinne ist gemäß einer Ausführungsform vorgesehen, dass
- eine erste Lötschicht auf dem Sensorchip aufgetragen wird und eine zweite Lötschicht auf dem Messobjekt aufgetragen wird, - die Verbindungsfolie in dem zweiten Schritt (200) zwischen der ersten Lötschicht und der zweiten Lötschicht platziert wird, und
- die metallischen Materialien der Verbindungsfolie in dem Schritt (300) aktiviert werden, sodass sich die Verbindungsfolie derart erhitzt, dass die erste Lötschicht und die zweite Lötschicht schmelzen und der Sensorchip durch die aufgeschmolzene erste Lötschicht und die aufgeschmolzene zweite Lötschicht mit dem Messobjekt verlötet wird, um die stoffschlüssige, strukturierte Verbindung zu erzeugen.
Die Lötschichten können beispielsweise aus Kupfer, Gold, Palladium oder Nickel bestehen. Diese Materialien können als metallische Startschichten (erste und zweite Lötschicht) besonders vorteilhaft durch Plasmaverfahren, Sputterverfahren oder Aufdampfen auf einander zugewandten Oberflächen der zu verbindenden Teile (Sensorchip, Messobjekt) aufgebracht werden. Weitere Möglichkeiten sind durch Zwei- Schuss-Spritzgießen, additive Fertigung usw. gegeben.
Um eine unvorhersehbare Verformung des Verbundes zu verhindern, kann ein Fixierpad mit geringem Druck auf die Schichten gelegt werden. In diesem Sinne wird bevorzugt mittels eines Fixierpads, das auf den Sensorchip und/oder das Messobjekt einen Druck ausübt, einer Verformung der Lötschichten und der Verbindungsfolie während des Aktivierens und Verbindens in Schritt (300) entgegengewirkt. Der Druck ist dabei derart gering, dass er zu keinen Spannungen innerhalb des Sensorchips und/oder des Messobjekts führt, welche die Festigkeit der Verbindung zwischen dem Sensorchip und dem Messobjekt oder die Messgenauigkeit beinträchtigen könnten.
Der Sensorchip kann eine Metalloberfläche aufweisen, um eine optimale Verbindung zwischen dem metallischen Messobjekt und dem Sensorchip zu gewährleisten.
Diese Verbindung ist besonders relevant für die Messgenauigkeit des Sensorchips. Vorzugsweise wird in diesem Sinn die erste Lötschicht auf eine metallische oder metallisierte Oberfläche des Sensorchips aufgetragen, wobei die zweite Lötschicht auf eine metallische oder metallisierte Oberfläche des Messobjekts aufgetragen wird. Eine metallische Oberfläche liegt vor, wenn der Sensorchip bzw. das Messobjekt aus einem metallischen Material ausgebildet sind. Eine metallisierte Oberfläche liegt vor, wenn die Oberfläche in einem Zwischenschritt mit einem Metall beschichtet oder beklebt wurde.
Mittels der Verbindungsfolie und der Lötschichten kann zwischen dem Sensorchip und dem Messobjekt eine intermetallische, stoffschlüssige Bindung geschaffen werden, die keine hohen Temperaturen, Drücke, elektromagnetische Felder, etc. zur Herstellung benötigt. Diese intermetallische Verbindung kann insbesondere zwischen einem metallischen oder metallisierten Sensorchip und einem metallischen oder metallisierten Teil des Messobjekts, das vorzugsweise ganz aus einem Metall bestehen kann, geschaffen werden. Durch die intermetallische Verbindung wird eine 1 :1 -Signalübertragung vom Messobjekt zum Sensorchip ermöglicht.
Die detektierbare Messgröße kann durch besondere Strukturen (Kraftnebenschluss) des Messobjekts erhöht werden. Durch spezielle Strukturen im Messobjekt können die Kräfte in bestimmten Richtungen verstärkt, verringert oder gefiltert werden. Ähnlich wie bei Verbindungstechniken oder auch im Getriebedesign können auf diese Weise Kräfte verteilt oder gelenkt werden. Beispielsweise kann das Messobjekt einen Sockel bilden, der von einer äußeren Oberfläche des Messobjekts absteht, an dem der Sensorchip befestigt wird und der eine Kraftverringerung bewirkt. Möglich sind aber auch beispielsweise Vertiefungen, Rippen oder Sicken, die Kräfte in bestimmten Raumrichtungen verstärken oder verringern, so wie dies beispielsweise bei einer Sicke in einem Blech der Fall ist. Der Vorteil liegt in einer besonders präzisen Ansteuerung des Sensorchips, indem eine gewünschte Kraftrichtung verstärkt oder verringert wird. Dadurch kann derselbe Sensorchip für unterschiedliche Messbereiche eingesetzt werden, ohne dass der Sensorchip selbst angepasst werden muss.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird eine Anordnung eines Sensorchips an einem Messobjekt bereitgestellt, wobei der Sensorchip durch ein Verfahren nach einem Verfahren gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung mit dem Messobjekt verbunden worden ist, und wobei die Verbindungsfolie und/oder das Messobjekt eine Mikrostruktur gemäß den vorherigen Ausführungen aufweist. Die obigen Definitionen sowie Ausführungen zu technischen Effekten, Vorteilen und vorteilhaften Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens gelten sinngemäß ebenfalls für die erfindungsgemäße Anordnung gemäß dem zweiten Erfindungsaspekt. Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der schematischen Zeichnungen näher erläutert, wobei gleiche oder ähnliche Elemente mit dem gleichen Bezugszeichen versehen sind. Hierbei zeigt
Fig. 1 eine Längsschnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Anordnung eines Sensorchips an einem Messobjekt gemäß einer bevorzugten Ausführungsform, wobei der Sensorchip mittels einer strukturierten Verbindungsfolie an dem Messobjekt befestigt ist,
Fig. 2 zwei perspektivische Ansichten einer Oberseite und einer Unterseite eines Sensorchips nach Fig. 1 ,
Fig. 3 eine Explosionsdarstellung von Schichten und Werkzeugen zur Verbindung des Sensorchips mit einem Messobjekt mittels der Verbindungsfolie sowie die durch das Verbinden entstehende Anordnung nach einer alternativen Ausführungsform,
Fig. 4 einen Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Verbindung des Sensorchips mit dem Messobjekt nach Fig. 1 bis Fig. 3,
Fig. 5 eine stark vergrößerte Querschnittsansicht der Verbindungsfolie für die Anordnung nach Fig. 1 bis Fig. 4,
Fig. 6 eine stark vereinfachte Querschnittsansicht der Verbindungsfolie nach Fig. 5, Fig. 7 eine stark vereinfachte Draufsicht einer fluidischen Schicht der Verbindungsfolie nach Fig. 5 und Fig. 6 mit einem Kanalsystem gemäß einer ersten beispielhaften Ausführungsvariante,
Fig. 8 eine stark vereinfachte Draufsicht der fluidischen Schicht der Verbindungsfolie nach Fig. 5 und Fig. 6 mit einem Kanalsystem gemäß einer zweiten beispielhaften Ausführungsvariante,
Fig. 9 eine stark vereinfachte Draufsicht der fluidischen Schicht der Verbindungsfolie nach Fig. 5 und Fig. 6 mit einem Kanalsystem gemäß einer dritten beispielhaften Ausführungsvariante,
Fig. 10 eine stark vereinfachte Draufsicht der fluidischen Schicht der Verbindungsfolie nach Fig. 5 und Fig. 6 mit einem Kanalsystem gemäß einer vierten beispielhaften Ausführungsvariante, und
Fig. 11 eine stark vereinfachte Draufsicht der fluidischen Schicht der Verbindungsfolie nach Fig. 5 und Fig. 6 mit einem Kanalsystem gemäß einer fünften beispielhaften Ausführungsvariante.
Fig. 1 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform einer Anordnung eines Sensorchips 1 an einem Messobjekt 2, wobei der Sensorchip 1 durch ein Verfahren nach Fig. 4 mit dem Messobjekt 2 verbunden worden ist. Der Sensorchip 1 ist ein bare-Die-Sen- sorchip, der aus Silizium ausgebildet ist und an einer dem Messobjekt 2 zugewandten Sensorchip-Oberfläche 4 eine metallisierte Schicht 5 aus Silberpartikeln aufweist. Der Sensorchip 1 wurde in einem - hier nicht näher beschriebenen - Zwischenschritt metallisiert. Die metallisierte Schicht 5 ist einstückig mit dem Sensorchip 1 ausgebildet. Das Messobjekt 2 ist vorliegend deutlich größer als der Sensorchip 1 . Bei dem Messobjekt 2 kann es sich beispielsweise um eine Welle eines Motors oder eines Getriebes für ein Kraftfahrzeug handeln. Der Sensorchip 1 ist dazu eingerichtet, eine Verformung, eine Dehnung, eine Spannung, eine Kraft und/oder ein Drehmoment zu messen, die bzw. das von der Welle erzeugt wird. Der Sensorchip 1 weist veränderliche Widerstände auf, die auf Verformung reagieren. Das lässt proportional zur Qualität der Verbindung mit dem Messobjekt 2 auf die Verformung im Messobjekt 2 schließen.
Mittels einer weiter unten näher beschriebenen Verbindungsfolie 10 wird eine feste, hier eine stoffschlüssige, strukturierte Verbindung des Sensorchips 1 mit dem Messobjekt 2 realisiert. Diese Verbindung überträgt Kräfte der Messgröße sowie auch Störgrößen durch thermische Ausdehnung. Die Art der Verbindung stellt dabei Anforderungen an die Oberflächenbeschaffenheit von Messobjekt 2 und Sensorchip 1 . Zwei rechts außen in Fig. 1 dargestellte Kraftpfeile F verdeutlichen einen Austausch von Kräften durch Verformung, was die eigentliche Messgröße darstellt. Links daneben ist ein bidirektionaler Kraftpfeil F dargestellt, welcher einen Austausch von Kräften durch Spannungen sowie durch unterschiedliche Wärmeausdehnung verdeutlicht, was eine Störgröße darstellt.
Das Messobjekt 2 weist eine der metallischen Schicht 5 des Sensorchips 1 zugewandte Messobjekt-Oberfläche 6 auf. Die Messobjekt-Oberfläche 6 besteht aus einem Metall, aus dem auch der übrige Teil des Messobjekts 2 hergestellt ist, und befindet sich auf einem Sockel 8. Der Sockel 8 wird durch das Messobjekt 2 geformt. Der Sockel 8 steht radial von einer äußeren Oberfläche 9 des Messobjekts 2 ab.
In einem ersten Verfahrensschritt 100 werden der Sensorchip 1 , das Messobjekt 2 und die Verbindungsfolie 10 bereitgestellt. Die Verbindungsfolie 10 ist in allen Ausführungsbeispielen eine sogenannte NanoFoil®, also eine reaktive Multischichtfolie, die durch Aufdampfen von Tausenden von abwechselnden nanoskaligen Schichten aus Aluminium 11 und Nickel 12 hergestellt wird. Eine stark vergrößerte Querschnittsansicht der Verbindungsfolie 10 mit den Aluminium- 11 und Nickelschichten 12 ist in Fig. 5 gezeigt. Wenn die Verbindungsfolie 10 durch einen kleinen Impuls lokaler Energie aus elektrischen, optischen oder thermischen Quellen aktiviert wird, reagiert sie exotherm, um in Bruchteilen einer Sekunde präzise lokale Hitze bis zu Temperaturen von 1500 °C zu erzeugen. Die Verbindungsfolie 10 weist zudem eine Mikrostruktur 13 auf, die zum einen dazu ausgebildet ist, mechanische Eigenschaften in der Fügefläche 19 zwischen dem Messobjekt 2 und dem Sensorchip 1 zu verbessern, und zum anderen derart ausgebildet ist, dass sie ein Kanalsystem 14 bildet, in dem insbesondere nach dem Fügen des Messobjekts 2 und des Sensorchips 1 ein Kühlmedium zum Kühlen des Sensorchips 1 aufgenommen und geführt werden kann. Die Ausbildung der Verbindungsfolie 10, insbesondere des Kanalsystems 14 in der Verbindungsfolie 10 wird weiter unten näher erläutert.
In einem zweiten Verfahrensschritt 200 wird die Verbindungsfolie 10 zwischen dem Sensorchip 1 und dem Messobjekt 2 platziert, wie dies durch Fig. 1 und Fig. 3 gezeigt ist. Dabei berührt die Verbindungsfolie 10 auf einer Seite die metallische Schicht 5 der Sensorchip-Oberfläche 4 gemäß Fig. 2 und auf der anderen Seite die metallische Messobjekt-Oberfläche 6 des Sockels 8 des Messobjekts 2. Während des Verfahrensschritts 200 sind die Aluminiumschichten 11 und die Nickelschichten 12 der Verbindungsfolie 10 noch so abwechselnd nebeneinander angeordnet, wie dies durch Fig. 5 gezeigt ist.
In einem dritten Verfahrensschritt 300 werden die Aluminiumschichten 11 und die Nickelschichten 12 der Verbindungsfolie 10 nach Fig. 5 mittels einer beispielhaft in Fig. 3 gezeigten Batterie 20, aktiviert. Anstelle der Batterie 20 kann eine Gleichspannungsquelle genutzt werden, um die Verbindungsfolie 10 zu aktivieren. Die Nickelschichten 12 der Verbindungsfolie 10 reagieren daraufhin stark exotherm, sodass die metallische Schicht 5 des Sensorchips 1 mit der Messobjekt-Oberfläche 6 des Messobjekts 2 verschweißt wird. Mithin wird eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Sensorchip 1 und dem Messobjekt 2 realisiert. Die Messobjekt-Oberfläche 6 kann eine derartige Oberflächenstruktur aufweisen, dass aufgeschmolzenes Material der Aluminiumschichten 11 und/oder der Nickelschichten 12 in Zwischenräume der Messobjekt-Oberfläche 6 eindringen und nach der Erstarrung einen Formschluss zwischen dem Sensorchip 1 und dem Messobjekt 2 bewirken kann.
Die detektierbare Messgröße kann durch besondere Strukturen (Kraftnebenschluss) des Messobjekts 2 erhöht werden. In dem jeweiligen Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 und Fig. 2 bewirkt der Sockel 8 eine Kraftverringerung. Alternativ oder zusätzlich kann das Messobjekt 2 auch beispielsweise Vertiefungen, Rippen, Sicken oder ähnliches bilden, die Kräfte in bestimmten Raumrichtungen verstärken oder verringern.
In einer weiteren in Fig. 3 stark schematisch gezeigten Ausführungsform weist der Sensorchip 1 ebenfalls kein Gehäuse auf. Die Verbindungsfolie 10 wird in diesem Fall zwischen der zuvor metallisierten Siliziumschicht 5 des Sensorchips 1 und der Messobjekt-Oberfläche 6 des Messobjekts 2 angeordnet, anschließend aktiviert und dadurch mit der Siliziumschicht 5 sowie mit der Messobjekt-Oberfläche 6 stoffschlüssig verbunden. Das Messobjekt 2 ist auch in diesem Beispiel deutlich größer als der Sensorchip 1 ausgebildet, wobei das Messobjekt 2 keinen Sockel 8 gemäß dem ersten Beispiel aufweist. Das Messobjekt 2, die Verbindungsfolie 10 und der Sensorchip 1 können im Übrigen identisch zu den vorherigen Ausführungen ausgebildet sein.
In einem ersten Verfahrensschritt 100 werden zunächst der Sensorchip 1 , das Messobjekt 2 und die Verbindungsfolie 10 bereitgestellt. Fig. 3 zeigt diesen Zustand im linken Teil, bei dem noch keine Verbindung zwischen dem Messobjekt 2 und dem Sensorchip 1 erzeugt wurde. Der rechte Teil von Fig. 3 zeigt den Zustand nach Bildung der Verbindung zwischen dem Messobjekt 2 und dem Sensorchip 1. Auf dem Sensorchip 1 ist eine aus Nickel ausgebildete erste Lötschicht 21 aufgetragen. Anstelle von Nickel kann auch Kupfer, Silber, Gold, Siliciumnitrid (SisN4), Siliciumdioxid (SiO2), Titanwolfram (TiW), Palladium oder dergleichen eingesetzt werden. Diese kann in den Ausführungsbeispielen nach Fig. 1 auf der metallischen Oberfläche 5 des Sensorchips 1 aufgetragen sein. Ferner ist eine ebenfalls aus Kupfer ausgebildete zweite Lötschicht 22 auf dem Messobjekt 2 aufgetragen. Diese kann auf der Messobjekt-Oberfläche 6 aufgetragen sein. Die Oberfläche des Messobjekts 2 kann analog zu den vorherigen Ausführungen ausgebildet sein.
Die Verbindungsfolie 10 wurde zuvor durch Laserschneiden derart bearbeitet, dass die Verbindungsfolie 10 die genannte Mikrostruktur 13 aufweist, eine Form und Maße annimmt, die die vorgesehene Fügefläche 19 zwischen dem Sensorchip 1 und dem Messobjekt 2 bildet, sowie aufgrund der spezifischen Ausgestaltung der Mikrostruktur 13 mechanisch vorteilhafte Eigenschaften aufweist. Die zuvor bereits erwähnte Batterie 20 ist als Aktivierungsmittel 18 zu verstehen, das elektrisch mit der Verbindungsfolie 10 verbunden ist. Die Verbindungsfolie 10 wurde durch Laserschneiden derart geschnitten, dass sie einen Aktivierungsabschnitt 25 aufweist, der in dem gezeigten Ausführungsbeispiel nicht von dem Sensorchip 1 verdeckt ist und somit zum Anlegen des Aktivierungsmittels 18 frei zugänglich ist.
Die Verbindungsfolie 10 wird in dem Schritt 200 zwischen der ersten Lötschicht 21 und der zweiten Lötschicht 22 platziert. Der Aktivierungsabschnitt 25 ragt dabei aus dem durch den Sensorchip 1 , dem Messobjekt 2 sowie den beiden Lötschichten 21 , 22 gebildeten Stapel heraus, wenn alle Schichten aneinander liegen.
Ein Fixierpad 23 übt in dem gezeigten Ausführungsbeispiel über eine nachgiebige Schicht 17 einen Druck p auf den durch den Sensorchip 1 , das Messobjekt 2 sowie durch die beiden Lötschichten 21 , 22 gebildeten Stapel aus. Dieser Druck ist sehr gering und wirkt senkrecht auf eine äußere Oberfläche des Sensorchips 1 aus. Der Druck dient dazu, einer Verformung der Lötschichten 21 , 22 und der Verbindungsfolie 10 während des Aktivierens und Verbindens in Schritt 300 entgegenzuwirken.
Im dritten Verfahrensschritt 300 werden die Aluminiumschichten 11 und die Nickelschichten 12 der Verbindungsfolie 10 mittels des Aktivierungsmittels 18 elektrisch aktiviert. Die Aluminiumschichten 11 und die Nickelschichten 12 der Verbindungsfolie 10 reagieren daraufhin stark exotherm, sodass sich die Verbindungsfolie 10 derart erhitzt, dass die erste Lötschicht 21 und die zweite Lötschicht 22 schmelzen und der Sensorchip 1 durch die aufgeschmolzenen Lötschichten 21 , 22 mit dem Messobjekt 2 verlötet wird, wie dies durch den rechten Teil der Fig. 3 gezeigt ist. Dabei entsteht eine stabile Bondfläche 16 zwischen dem Sensorchip 1 und dem Messobjekt 2. Die Lötschichten 21 , 22 können analog in den vorher beschriebenen Ausführungsbeispielen eingesetzt werden. Durch das hier vorgeschlagene Verfahren lässt sich eine im Wesentlichen durchgängige Bondfläche 16 mit geringer Porosität erzeugen, die eine Wärmeübertragung verbessert.
Wie bereits weiter oben zu den Ausführungsbeispielen gesagt, ist die Mikrostruktur 13 der Verbindungsfolie 10 vorliegend als Kanalsystem 14 ausgebildet, das sich derart zwischen dem Messobjekt 2 und dem Sensorchip 1 in einer Fügefläche 19 erstreckt, dass darin ein Kühlmedium wenigstens abschnittsweise geführt werden kann. Als Kühlmedium kann beispielsweise Luft oder eine Kühlflüssigkeit genutzt werden.
Fig. 6 zeigt einen Querschnittsansicht der Verbindungsfolie 10 zur Veranschaulichung des mehrschichtigen Aufbaus. Die Verbindungsfolie 10 ist eine Multischichtfolie, umfassend eine fluidische Schicht 13a, in der das Kanalsystem 14 ausgebildet ist, wobei die fluidische Schicht 13a räumlich zwischen einer dem Sensorchip 1 zugewandten Deckschicht 13b und einer dem Messobjekt zugewandten Verbindungsschicht 13c angeordnet und ausgebildet ist. Nach dem Verfahrensschritt 300, also dem Aktivieren der Verbindungsfolie 10, ist die Deckschicht 13b stoffschlüssig mit dem Sensorchip 1 verbunden und die Verbindungsschicht 13c ist stoffschlüssig mit dem Messobjekt 2 verbunden. Mithin liegt nach dem Aktivieren der Verbindungsfolie 10 eine stoffschlüssige, strukturierte Verbindung zwischen dem Messobjekt 2 und dem Sensorchip 1 vor. Alle Schichten der Verbindungsfolie 10 sind analog zum in Fig. 5 gezeigten Aufbau ausgebildet.
Am Messobjekt 2 ist vorliegend ein einziger Zugang 15a und ein einziger Ausgang 15b ausgebildet, wobei der Zugang 15a mit einem Zufluss 24a des Kanalsystems 14 und der Ausgang 15b mit einem Abfluss 24b des Kanalsystems 14 fluidisch verbunden sind. Der Zugang 15a und der Ausgang 15b sind exemplarisch in Fig. 6 gezeigt, wohingegen der Zufluss 24a bzw. der Abfluss 24b des Kanalsystems 14 in Fig. 7 und Fig. 8 dargestellt sind. Der Zugang 15a und der Abgang 15b sind vorliegend im Wesentlichen senkrecht zur Ebene der fluidischen Schicht 13a bzw. zum Kanalsystem 14 angeordnet. Damit erfolgt die Kühlung des Sensorchips 1 während des Betriebs über das Messobjekt 2. Alternativ ist denkbar, dass die Kühlung des Sensorchips 1 über den Sensorchip 1 selbst erfolgt. Entsprechend kann der Sensorchip 1 Kanäle zur Führung von Kühlmedium zur Mikrostruktur 13 der Verbindungsfolie 10 aufweisen. Dies kann Vorteile in der Kühlwirkung für den Sensorchip 1 realisieren. In Fig. 7 bis Fig. 11 sind unterschiedliche Ausführungsvarianten des Kanalsystems 14 exemplarisch dargestellt, wobei auf eine Darstellung der fluidischen Schicht 13a bzw. der übrigen Verbindungsfolie 10 aus Vereinfachungsgründen verzichtet wird. Es soll anhand dieser Beispiele lediglich verdeutlicht werden, dass das Kanalsystem 14 prinzipiell beliebig ausgeformt sein kann. Die Ausbildung des Kanalsystems 14 richtet sich im Wesentlichen nach den Kühlungsanforderungen und der Ausbildung in der Vorrichtung, in der die jeweilige hier vorgeschlagene Anordnung vorgesehen ist. Das Kanalsystem 14 weist mehrere Kanalabschnitte 14a, 14b auf, die fluidisch miteinander verbunden sind. Das Kanalsystem 14 in der fluidischen Schicht 13a ist vorliegend mittels Laserschneiden hergestellt und wird durch die Deckschicht 13b und die Verbindungsschicht 13c derart bedeckt und abgedichtet, dass das Kühlmedium lediglich über den Zufluss 24a zufließen bzw. über den Abfluss 24b abfließen kann. Die Kanalabschnitte 14a, 14b des Kanalsystems 14 verbinden den Zufluss 24a und den Abfluss 24b fluidisch miteinander.
Nach Fig. 7 und Fig. 8 weist das das Kanalsystem 14 eine im Wesentlichen mean- derförmige Struktur auf. Die Kanalabschnitte 14a, 14b sind dabei als Schlaufen ausgebildet. Gemäß Fig. 8 sind die Kanäle des jeweiligen Kanalabschnitts Zickzack-förmig ausgebildet und erreichen so gute Kühleigenschaften.
Nach Fig. 9 bis Fig. 11 ist in Fließrichtung des Kühlmediums, hier dargestellt durch einen sich teilenden und wieder zusammengeführten Pfeil 7, ausgehend vom Zufluss 24a ein erster Kanalabschnitt 14b ausgebildet, in dem das Kühlmedium auf mehrere im Wesentlichen parallel zueinander angeordnete zweite Kanalabschnitte 14b mit im Vergleich dazu geringerem Querschnitt aufgeteilt wird. Am Ende der zweiten Kanalabschnitte 14b münden diese wiederum in einen gemeinsamen dritten Kanalabschnitt 14c, wo das Kühlmedium wieder zusammengeführt und zum Abfluss 24b geführt wird. Der erste und dritte Kanalabschnitt 14a, 14c sind hinsichtlich ihrer Querschnittsabmessungen im Wesentlichen identisch ausgebildet. Ebenso sind die vorliegend sechs parallel angeordneten zweiten Kanal abschnitte 14b im Wesentlichen identisch ausgebildet. Die Gesamtquerschnittsfläche aller zweiten Kanalabschnitte 14b ist vorzugsweise so groß wie die Querschnittsfläche des ersten bzw. zweiten Kanalabschnitts 14a, 14b, sodass der Strömungsdruck innerhalb des Kanalsystems 14 konstant bleibt. Die Verbindungsabschnitte, die die Kanalabschnitte 14a - 14c miteinander verbinden, können zudem abgerundet sein.
Die Anordnung der Kanalabschnitte 14a, 14b, 14c zueinander kann dabei beliebig ausgeführt sein, wie durch die exemplarischen Beispiele verdeutlicht werden soll. Ebenso kann die Querschnittsform der einzelnen Kanäle bzw. der Kanalabschnitte 14a, 14b, 14c beliebig ausgebildet sein. Aus strömungstechnischer Sicht eignen sich im Wesentlichen runde Querschnittsformen, insbesondere eine kreisrunde, ovale und/oder elliptische Querschnittsform. Andere Querschnittsformen sind ebenfalls denkbar.
Gemäß Fig. 9 erfolgt eine Umlenkung des Kühlmediums vom ersten auf den zweiten Kanalabschnitt 14a, 14b bzw. vom zweiten auf den dritten Kanalabschnitt 14b, 14c jeweils um im Wesentlichen 90°. Der Zufluss des Kühlmediums erfolgt hier von links und der Abfluss erfolgt nach rechts.
Im Beispiel nach Fig. 10 behält das Kühlmedium vom Zufluss 24a zum Abfluss 24b die Fließrichtung, hier nach unten, im Wesentlichen bei, wobei am ersten Kanalabschnitt 14a ein Auffächern des Kühlmediums erfolgt und am dritten Kanalabschnitt 14c ein Zusammenführen des Kühlmediums erfolgt. Der Zufluss des Kühlmediums erfolgt hier von oben und der Abfluss erfolgt nach unten. Der Zufluss 24a und der Abfluss 24b liegen somit auf gegenüberliegenden Seiten der Verbindungsfolie 10. Mit anderen Worten erfolgt ein Führung des Kühlmediums in Z-Form.
Im Beispiel nach Fig. 10 behält das Kühlmedium vom Zufluss 24a zum Abfluss 24b die Fließrichtung, hier nach unten, im Wesentlichen bei, wobei am ersten Kanalabschnitt 14a ein Auffächern des Kühlmediums erfolgt und am dritten Kanalabschnitt 14c ein Zusammenführen des Kühlmediums erfolgt. Der Zufluss des Kühlmediums erfolgt hier von oben und der Abfluss erfolgt nach unten. Der Zufluss 24a und der Abfluss 24b liegen somit auf gegenüberliegenden Seiten der Verbindungsfolie 10. Gemäß der Variante nach Fig. 11 liegen der Zufluss 24a und der Abfluss 24b auf der gleichen Seite der Verbindungsfolie 10. Vorliegend wird das - hier von links kommende - Kühlmedium im ersten Kanalabschnitt 14a auf die zweiten Kanalabschnitte 14b aufgeteilt und am dritten Kanalabschnitt 14c wieder zusammengeführt. Der dritte Kanalabschnitt 14c ist im Gegensatz zum Beispiel nach Fig. 9 jedoch derart ausgebildet, dass das Kühlmedium wieder nach links geführt wird. Es erfolgt eine Führung des Kühlmediums in LI-Form.
Es sei ausdrücklich darauf hingewiesen, dass die Erfindung nicht auf die hier offenbarten Ausführungsbeispiele beschränkt ist. Es handelt sich lediglich um beispielhafte Ausgestaltungen, wobei auch weitere Varianten möglich sind. Insbesondere kann die als Kanalsystem 14 ausgebildete Mikrostruktur 13 der Verbindungsfolie 10 in jeder denkbaren, geometrischen Form ausgebildet sein, je nach Anforderung an die Kühlung sowie den vorhanden Bauraum und Größe der Fügefläche 19. Auch mehr als drei Kanalabschnitte 14a - 14c sind denkbar. Alternativ oder ergänzend ist denkbar, eine Mikrostruktur am Messobjekt vorzusehen.
Bezugszeichen
F Kraft p Druck
1 Sensorchip
2 Messobjekt
4 Sensorchip-Oberfläche
5 metallisierte Schicht des Sensorchips
6 Messobjekt-Oberfläche
7 Pfeil
8 Sockel
9 äußere Oberfläche des Messobjekts
10 Verbindungsfolie
11 Aluminiumschicht
12 Nickelschicht
13 Mikrostruktur
13a fluidische Schicht
13b Deckschicht
13c Verbindungsschicht
14 Kanalsystem
14a Erster Kanalabschnitt
14b Zweiter Kanalabschnitt
14c Dritter Kanalabschnitt
15a Zugang
15b Ausgang
16 Bondfläche
17 nachgiebige Schicht
18 Aktivierungsmittel
19 Fügefläche
20 Batterie
21 erste Lötschicht
22 zweite Lötschicht
23 Fixierpad a Zufluss b Abfluss
Aktivierungsabschnitt0 erster Verfahrensschritt0 zweiter Verfahrensschritt0 dritter Verfahrensschritt

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Verbindung eines Sensorchips (1 ) mit einem Messobjekt (2), das Verfahren umfassend die Schritte
(100) Bereitstellen
- eines Messobjekts (2),
- eines Sensorchips (1), der dazu eingerichtet ist, eine physikalische Eigenschaft eines Messobjekts (2) zu erfassen, und
- einer Verbindungsfolie (10), die metallische Materialien (11 , 12) enthält, die bei ihrer Aktivierung exotherm reagieren, wobei die Verbindungsfolie (10) und/oder das Messobjekt (2) eine Mikrostruktur (13) aufweist,
(200) Platzieren der Verbindungsfolie (10) zwischen dem Sensorchip (1) und dem Messobjekt (2), und
(300) Aktivieren der metallischen Materialien (11 , 12) der Verbindungsfolie (10), sodass sich die Verbindungsfolie (10) derart erhitzt, dass zwischen der Sensorchip (1) und dem Messobjekt (2) eine stoffschlüssige, strukturierte Verbindung erzeugt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei die Mikrostruktur (13) als Kanalsystem (14) ausgebildet ist, das sich derart zwischen dem Messobjekt (2) und dem Sensorchip (1 ) in einer Fügefläche (19) erstreckt, dass darin ein Kühlmedium wenigstens abschnittsweise geführt werden kann.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Verbindungsfolie (10) durch Laserschneiden derart bearbeitet wird, dass die Mikrostruktur (13) ausgebildet wird und die Verbindungsfolie (10) eine Form und Maße annimmt, die eine vorgesehene Fügefläche (17) zwischen dem Sensorchip (1 ) und dem Messobjekt (2) abdeckt.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Verbindungsfolie (10) zumindest eine fluidische Schicht (13a), in der das Kanalsystem (14) ausgebildet ist, eine dem Sensorchip (1 ) zugewandte Deckschicht (13b), die nach dem Aktivieren der Verbindungsfolie (10) stoffschlüssig mit dem Sensorchip (1 ) verbunden ist, sowie eine dem Messobjekt (2) zugewandte Verbindungsschicht (13c), die nach dem Aktivieren der Verbindungsfolie (10) stoffschlüssig mit dem Messobjekt (2) verbunden ist, umfasst.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei am Messobjekt (2) wenigstens ein Zugang (15a) und wenigstens ein Ausgang (15b) ausgebildet ist, wobei der jeweilige Zugang (15a) und der jeweilige Ausgang (15b) zumindest mittelbar mit dem Kanalsystem (14) fluidisch verbunden sind.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei das Kanalsystem (14) eine im Wesentlichen meanderförmige Struktur aufweist.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, wobei das Kanalsystem (14) wenigstens zwei im Wesentlichen parallel angeordnete Kanalabschnitte (14a, 14b) aufweist.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 8, wobei das Kanalsystem (14) Kanäle oder Kanalabschnitte (14a, 14b) mit variierendem Kanalquerschnitt aufweist.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Sensorchip (1 ) ein bare-Die-Sensorchip ist, wobei
- der Sensorchip (1 ) eine dem Messobjekt (2) zugewandte, Silizium umfassende, metallisierte Schicht (5) aufweist,
- die Verbindungsfolie (10) in Schritt (200) zwischen der Schicht (5) und dem Messobjekt (2) platziert wird, und
- die metallischen Materialien (1 1 , 12) der Verbindungsfolie (10) in Schritt (300) aktiviert werden, sodass sich die Verbindungsfolie (10) derart erhitzt, dass die Schicht (5) des Sensorchips (1 ) mit dem Messobjekt (2) stoffschlüssig verbunden wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Sensorchip (1 ) aus einem Silizium umfassenden Material ausgebildet ist, wobei die Schicht (5) einstückig mit dem Sensorchip (1 ) ausgebildet ist.
11 . Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei
- eine erste Lötschicht (21 ) auf dem Sensorchip (1 ) aufgetragen wird und eine zweite Lötschicht (22) auf dem Messobjekt (2) aufgetragen wird, - die Verbindungsfolie (10) in dem Schritt (200) zwischen der ersten Lötschicht (21 ) und der zweiten Lötschicht (22) platziert wird, und
- die metallischen Materialien (11 , 12) der Verbindungsfolie (10) in dem Schritt (300) aktiviert werden, sodass sich die Verbindungsfolie (10) derart erhitzt, dass die erste Lötschicht (21 ) und die zweite Lötschicht (22) schmelzen und der Sensorchip (1 ) durch die aufgeschmolzene erste Lötschicht (21 ) und die aufgeschmolzene zweite Lötschicht (22) mit dem Messobjekt (2) verlötet wird, um die stoffschlüssige, strukturierte Verbindung zu erzeugen.
12. Verfahren nach Anspruch 11 , wobei mittels eines Fixierpads (23), das auf den Sensorchip (1 ) und/oder das Messobjekt (2) einen Druck (p) ausübt, einer Verformung der Lötschichten (21 , 22) und der Verbindungsfolie (10) während des Aktivierens und Verbindens in Schritt (300) entgegengewirkt wird.
13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, wobei
- die erste Lötschicht (21 ) auf eine metallische oder metallisierte Oberfläche des Sensorchips (1 ) aufgetragen wird, und
- die zweite Lötschicht (22) auf eine metallische oder metallisierte Oberfläche des Messobjekts (2) aufgetragen wird.
14. Anordnung eines Sensorchips (1 ) an einem Messobjekt (2), wobei der Sensorchip (1 ) durch ein Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche mit dem Messobjekt (2) verbunden worden ist, wobei die Verbindungsfolie (10) und/oder das Messobjekt (2) eine Mikrostruktur (13) aufweist.
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SPIES IRINA ET AL: "Acceleration measurements during reactive bonding processes", 2017 21ST EUROPEAN MICROELECTRONICS AND PACKAGING CONFERENCE (EMPC) & EXHIBITION, IMAPS EUROPE, 10 September 2017 (2017-09-10), pages 1 - 6, XP033335164, DOI: 10.23919/EMPC.2017.8346881 *

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