DE102007022852A1 - Differenzdruck-Sensoranordnung und entsprechendes Herstellungsverfahren - Google Patents

Differenzdruck-Sensoranordnung und entsprechendes Herstellungsverfahren Download PDF

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Abstract

Die vorliegende Erfindung schafft eine Differenzdruck-Sensoranordnung und ein entsprechendes Herstellungsverfahren. Die Differenzdruck-Sensoranordnung umfasst: einen Differenzdruck-Sensorchip (1), welcher einen ersten Druckbeaufschlagungsbereich (B) zum Beaufschlagen des Differenzdruck-Sensorchips (1) mit einem ersten Druck (P1) als zu erfassendem Druck und einen zweiten Druckbeaufschlagungsbereich (D) zum Beaufschlagen des Differenzdruck-Sensorchips (1) mit einem zweiten Druck (P2) als Referenzdruck aufweist; ein Gehäuse (13), welches den Differenzdruck-Sensorchip (1) teilweise umgibt; wobei das Gehäuse (13) eine Durchgangsöffnung (17) aufweist, durch welche der erste Druckbeaufschlagungsbereich (B) nach außen freigelegt ist; und wobei das Gehäuse (13) eine Eingangsöffnung (17a; 17b) aufweist, durch welche der zweite Druckbeaufschlagungsbereich (D) nach außen freigelegt ist.

Description

  • STAND DER TECHNIK
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Differenzdruck-Sensoranordnung und ein entsprechendes Herstellungsverfahren.
  • Obwohl auf beliebige Halbleiterchipanordnungen anwendbar, werden die vorliegende Erfindung sowie die ihr zugrundeliegende Problematik in bezug auf eine mikromechanische Silizium-Halbleiterchipanordnung mit einem integrierten Differenzdrucksensor erläutert.
  • Die DE 10 2004 051 468 A1 offenbart ein Verfahren zum Montieren von Halbleiterchips, welches folgende Schritte aufweist:
    • – Bereitstellen eines Halbleiterchips mit einer Oberfläche, die einen Membranbereich und einen Peripheriebereich aufweist, wobei der Peripheriebereich einen Montagebereich aufweist, und wobei unter dem Membranbereich eine Kaverne liegt, die sich bis in den Montagebereich erstreckt und dort in einer Öffnung mündet;
    • – Vorsehen eines Substrats, welches eine Oberfläche mit einer Aussparung aufweist;
    • – Montieren des Montagebereich des Halbleiterchips in Flip-Chip-Technik auf die Oberfläche des Substrats derart, dass eine Kante der Aussparung zwischen dem Montagebereich und dem Membranbereich liegt und die Öffnung zum Substrat gerichtet ist;
    • – Unterfüllen des Montagebereichs mit einer Unterfüllung, wobei die Kante der Aussparung als Abrissbereich für die Unterfüllung dient, sodass keine Unterfüllung in den Membranbereich gelangt; und
    • – Vorsehen einer Durchgangsöffnung durch das Substrat zur Öffnung der Kaverne.
  • Die DE 10 2005 038 443 A1 offenbart eine Sensoranordnung mit einem Substrat und mit einem Gehäuse, wobei das Gehäuse das Substrat in einem ersten Substratbereich im Wesentlichen vollständig umgibt und wobei das Gehäuse in einem zweiten Substratbereich zumindest teilweise mit einer Öff nung vorgesehen ist. Im Bereich der Öffnung ist der zweite Substratbereich aus dem Gehäuse ragend vorgesehen. Weiterhin ist dieser Druckschrift entnehmbar, dass das Gehäuse den zweiten Substratbereich zumindest in einer Hauptebene des Substrats beabstandet zumindest teilweise umgibt, sodass dadurch eine Durchgangsöffnung gebildet ist, in die der zweite Substratbereich einseitig hineinragt.
  • Allgemein sind heutzutage mikromechanische Silizium-Drucksensoren mit piezoresistiven Wandlerelementen weit verbreitet. Zur Herstellung einer Membran wird eine Kaverne in einen Siliziumchip eingebracht, beispielsweise durch anisotropes Ätzen. Eine Glasplatte, die auf die Waferrückseite anodisch gebondet wird, dient dabei der Reduzierung des mechanischen Stresses, der durch Lot oder Kleber hervorgerufen wird. Der Sensorchip wird üblicherweise in ein Metallgehäuse, z. B. TO8, eingelötet, und mit einer Metallkappe hermetisch dicht verschweißt. Ein alternatives Montageverfahren besteht darin, den Sensorchip auf eine Keramik oder in ein Premould-Gehäuse zu kleben, und zum Schutz gegen Umwelteinflüsse mit einem Gel zu passivieren.
  • Aus der WO 02/02458 A1 ist die Herstellung eines Absolutdruck-Sensorchips bekannt, wobei die Membran durch poröses Silizium hergestellt wird, das vor einer Epitaxie-Schicht im Bereich der Membran erzeugt wird und sich bei der Epitaxie derart umlagert, dass ein Hohlraum entsteht.
  • VORTEILE DER ERFINDUNG
  • Die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Idee besteht darin, einen Differenzdruck-Sensorchip mit einem überhängenden Sensorbereich in Open-Cavity-Mould-Technik aufzubauen und einen zweiten Druckanschluss für die Beaufschlagung mit dem Referenzdruck im Gehäuse vorzusehen. Die erfindungsgemäße Differenzdruck-Sensoranordnung ist medienresistent und auch für partikelhaltige und ätzende Medien tauglich.
  • Die erfindungsgemäße Differenzdruck-Sensoranordnung nach Anspruch 1 und das entsprechende Herstellungsverfahren nach Anspruch 11 weisen gegenüber den bekannten Lösungsansätzen den Vorteil auf, dass ein einfacher kostengünstiger und Umgebungseinfluss-unempfindlicher Aufbau ermöglicht wird. Es ergeben sich Vorteile hinsichtlich geringer Verpackungskosten beim Einmoulden. Gegenüber einem Absolutdruck-Sensor ohne zweiten Druckanschluss werden bis auf einen zusätzlichen Silizium-Trennschritt zum Öffnen einer zweiten Druckzugangsöffnung keine weiteren Prozessschritte benötigt. Der Ätzschritt zum Öffnen der zweiten Druckzugangsöffnung muss nicht durch den gesamten Wafer erfolgen, sondern nur durch die Dicke der Membran. Dies spart Prozesszeit. Das potentielle Verstopfen des Verbindungskanals vom Membranhohlraum zur zweiten Druckzugangsöffnung durch Partikel im Medium kann durch ein großflächiges feinmaschiges Filtersieb bzw. Gitter verhindert werden.
  • Der erfindungsgemäße Aufbau ist medienresistent, da die elektrischen Anschlüsse (typischerweise aus Aluminium hergestellt) durch die Mouldmasse geschützt sind. Es gibt nur Oberflächen aus Silizium oder Siliziumnitrid (Passivierung), an die das Druckmedium gelangen kann. Silizium oder Siliziumnitrid sind besonders medienresistent und damit der gesamte Sensor. Es ist kein Gel zur Passivierung der elektrischen Chipanschlüsse (Bond-Pads) nötig. Ein besonderer Vorteil ist deshalb eine sehr geringe Querempfindlichkeit zur Beschleunigung und die Einsetzbarkeit bei höheren Drücken. Bei gelgeschützten Sensoren würde die Struktur des Gels zerstört bei plötzlichen Druckabfällen, durch Gasbläschen die dabei im Gel entstehen (ähnlich Taucherkrankheit). Eine einkristalline Siliziummembran kann hergestellt werden. Ein besonderer Vorteil davon ist die hohe mechanische Festigkeit bzw. der hohe K-Faktor von darin dotierten Piezo-Widerständen. Vorhandene Herstellungsprozesse von Drucksensoren können größtenteils beibehalten werden. Eine gute Stressentkopplung von der Sensormembran ist durch den überhängenden Chip möglich. Durch die räumliche Entfernung des Montagebereichs vom Membranbereich wird mechanischer Stress abgebaut. Das elektrische Vormessen im Waferverbund ist möglich und ein Bandenabgleich ist nach der Montage möglich. Die Geometrie des Membranbereichs kann beliebig gestaltet werden, vorzugsweise jedoch quadratisch, rechteckig oder runde.
  • In den Unteransprüchen finden sich vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des jeweiligen Gegenstandes der Erfindung.
  • ZEICHNUNGEN
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
  • Es illustrieren:
  • 1a, b schematische Schnittdarstellungen eines Teils des Herstellungablaufs einer mikromechanischen Silizium-Halbleiterchipanordnung mit einem integrierten Differenzdrucksensor, welche bei der erfindungsgemäßen Differenzdruck-Sensoranordnung verwendbar ist;
  • 2a, b schematische Schnittdarstellungen einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Differenzdruck-Sensoranordnung;
  • 3 eine schematische Schnittdarstellung einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Differenzdruck-Sensoranordnung;
  • 4 eine schematische Schnittdarstellung einer dritten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Differenzdruck-Sensoranordnung;
  • 5 eine schematische Schnittdarstellung einer vierten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Differenzdruck-Sensoranordnung; und
  • 6 eine schematische Schnittdarstellung einer fünften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Differenzdruck-Sensoranordnung.
  • BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
  • In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Komponenten.
  • 1a, b zeigen schematische Schnittdarstellungen eines Teils des Herstellungablaufs einer mikromechanischen Silizium-Halbleiterchipanordnung mit einem integrierten Differenzdrucksensor, welche bei der erfindungsgemäßen Differenzdruck-Sensoranordnung verwendbar ist.
  • In 1a, b bezeichnet Bezugszeichen 1 einen Silizium-Halbleiterchip mit einem Auswerteschaltungsbereich A, einem Messdruckzugangsbereich bzw. -beaufschlagungsbereich B, einem Verbindungskanalbereich C und einem Referenzruckzugangsbereich bzw. -beaufschlagungsbereich D.
  • Beispielsweise gemäß dem Verfahren der WO 02/02458 A1 hergestellt sind eine Membran 5, unter der ein Membranhohlraum 2, ein Verbindungskanal 3 sowie ein Referenzdruckzugangsraum 4 hergestellt worden sind. An der Oberseite der Membran 5 vorgesehen sind piezoresistive Widerstände 6, deren elektrisches Verhalten bei Verformung der Membran 5 zur Erfassung des anliegenden Messdrucks verwendet wird, wobei durch den Referenzdruck ein entsprechender Gegendruck erzeugt wird. Bezugszeichen 8 bezeichnet eine optionale integrierte Auswerteschaltung. Oberhalb der Membran ist eine Chip-Passivierung 7, beispielsweise aus Siliziumnitrid, vorgesehen.
  • Zur Herstellung einer zweiten Druckzugangsöffnung wird eine Photomaske 9 mit Maskenöffnungen 9a oberhalb der Chip-Passivierungsschicht 7 vorgesehen. Anschließend erfolgt ein Trench-Ätzschritt zur Bildung von einem (Bezugszeichen 10a in 2 bis 6) oder mehreren Durchgängen 10 (beispielsweise gitterförmig), welche das Anlegen eines externen Referenzdrucks an den Referenzdruckzugangsraum 4 ermöglichen.
  • Die Funktionsweise eines derartigen Differenzdruck-Sensorchips 1 besteht also darin, einen zu messenden Druck im Bereich der Membran 5 mit den piezoresistiven Widerständen 6 anzulegen und gleichzeitig einen Referenzdruck im Bereich der Öffnung(en) 10a bzw. 10 anzulegen. Um mögliche Stresseinkopplungen des Verbindungskanals in die piezoresistiven Elemente 6 zu vermeiden, ist es vorteilhaft, den Verbindungskanal 3 in geeigneter Entfernung von den piezoresistiven Elementen 6 vorzusehen (vgl. 2b)). Wird die Membran 5 im Bereich des zweiten Druckanschlussbereichs 4 nicht vollständig entfernt, sondern ein Gitter erzeugt, kann verhindert werden, dass Partikel eindringen. Werden in diesem Gitter sehr viele, sehr kleine Zugangsöffnungen großflächig eingebracht, kann auch ein Zusetzen des Gitters abgeschwächt werden, ähnlich wie dies bei einer Gel-Passivierung geschieht.
  • 2a, b zeigen schematische Schnittdarstellungen einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Differenzdruck-Sensoranordnung.
  • Gemäß 2a erfolgt die Montage des Sensorchips 1 durch Vorsehen einer Kleberschicht 15 auf einem Montagebereich 11a von einem Leadframe mit Anschlussbereichen 11 und dem Montagebereich 11a. Im Anschluss daran wird eine elektrische Verbindung zwischen einem Bond-Pad 21 des Differenzdruck-Sensorchips 1 und einem Anschlussbereich 11 des Leadframes mittels eines Bond-Drahtes 20 erstellt. Anschließend wird der Differenzdruck-Sensorchip 1 mit einer Spritzgussmasse bzw. Mouldmasse umspritzt, wobei durch entsprechende Stempel bzw. Platzhalter eine Durchgangsöffnung 17 im Messdruckzugangsbereich B und eine Eingangsöffnung 17a im Referenzdruckzugangsbereich D freigehalten werden. Nach dem Umspritzen und Aushärten der Mouldmasse wird zweckmäßigerweise ein Partikelfilter 19 oberhalb der Eingangsöffnung 17a zum Schutz des zweiten Druckanschlusses 10a auf dem Gehäuse beispielsweise durch Verkleben vorgesehen.
  • Wie in 2b dargestellt, verläuft der Verbindungskanalbereich C zum Rande des Messdruckzugangsbereich B hin, um eine geeignete Stressentkopplung zu bewirken. Bezugszeichen P1 in 2a bezeichnet den anzulegenden zu messenden Druck, wohingegen Bezugszeichen P2 den im Bereich D anzulegenden Referenzdruck bezeichnet.
  • 3 zeigen eine schematische Schnittdarstellung einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Differenzdruck-Sensoranordnung.
  • Bei der zweiten Ausführungsform gemäß 3 ist eine Auswerteschaltung in einem separaten Auswertechip 1a vorgesehen, welche mittels der Klebeschicht 15 in einem weiteren Montagebereich 11b des Leadframes vorgesehen ist. Der Auswertechip 1a ist durch eine erste Bondverbindung 20a mit dem Differenzdruck-Sensorchip 1 verbunden und durch einen zweiten Bonddraht 20b mit einem Anschlussbereich 11 des Leadframes.
  • Der Auswertechip 1a wird gemeinsam mit dem Differenzdruck-Sensorchip 1 auf das Leadframe geklebt, ist aber im Gegensatz zum Differenzdruck-Sensorchip 1 vollständig von der Mouldmasse des Gehäuses 13 umgeben.
  • 4 zeigen eine schematische Schnittdarstellung einer dritten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Differenzdruck-Sensoranordnung.
  • Bei der dritten Ausführungsform gemäß 4 wird zusätzlich zur zweiten Ausführungsform gemäß 3 ein Druckanschlussstutzen 30 oberhalb der Eingangsöffnung 17a mittels eines O-Ringes 32 angedichtet. Alternativermaßen könnte der Druckanschlussstutzen 30 auch aufgeklebt bzw. aufgelötet werden.
  • 5 zeigen eine schematische Schnittdarstellung einer vierten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Differenzdruck-Sensoranordnung.
  • Bei der vierten Ausführungsform gemäß 5 sind eine erste und zweite Druckanschlussplatte 40 bzw. 42 oberhalb und unterhalb des Gehäuses 13 vorgesehen und damit über eine jeweilige Kunststoffdichtung 36, 38 mit entsprechenden Öffnungen dichtend verbunden. Integriert in die erste Druckanschlussplatte 40 sind Druckanschlussstutzen 33, 35 entsprechend Druckzugängen zur Durchgangsöffnung 17 bzw. Eingangsöffnung 17a.
  • Die zweite Druckanschlussplatte 42 hat einen integrierten Druckanschlussstutzen 37 entsprechend dem Druckauslass der Durchgangsöffnung 17. Selbstverständlich kann der Druckanschluss des zu messenden Drucks P1 auch an der Unterseite erfolgen. Nicht gezeigt sind eine mögliche Verschraubung oder Klemmung zum dichtenden Verbinden der Druckanschlussplatten 40, 42 mit dem Gehäuse 13.
  • 6 zeigen eine schematische Schnittdarstellung einer fünften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Differenzdruck-Sensoranordnung.
  • Bei der in 6 gezeigten fünften Ausführungsform ist die Eingangsöffnung 17b zum Anlegen des Referenzdrucks P2 schräg im Gehäuse 13 gebildet. Mit anderen Worten weist sie eine Erstreckung im Gehäuse 13 auf, die bezüglich einer Normalen zur Chipoberfläche des Differenzdruck-Sensorchips 1 im zweiten Druckbeaufschlagungsbereich D schräg gerichtet ist. Durch eine derartige Anordnung ist es möglich, den Abstand für die Abdichtung zwischen ersten und zweiten Druckzugang zu vergrößern. Dies erleichtert die Abdichtung der beiden Druckzugänge an beispielsweise die Druckanschlussstutzen oder separate Druckleitungen.
  • Obwohl die vorliegende Erfindung vorstehend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele erläutert worden ist, ist sie nicht darauf beschränkt, sondern auch in anderer Weise ausführbar.
  • In den obigen Beispielen wurden nur piezoresistive Sensorstrukturen betrachtet. Die Erfindung ist jedoch auch für kapazitive oder sonstige Sensorstrukturen geeignet, bei denen Differenzdruck-Messmembranen verwendet werden.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - DE 102004051468 A1 [0003]
    • - DE 102005038443 A1 [0004]
    • - WO 02/02458 A1 [0006, 0022]

Claims (11)

  1. Differenzdruck-Sensoranordnung mit: einem Differenzdruck-Sensorchip (1), welcher einen ersten Druckbeaufschlagungsbereich (B) zum Beaufschlagen des Differenzdruck-Sensorchips (1) mit einem ersten Druck (P1) als zu erfassendem Druck und einen zweiten Druckbeaufschlagungsbereich (D) zum Beaufschlagen des Differenzdruck-Sensorchips (1) mit einem zweiten Druck (P2) als Referenzdruck aufweist; einem Gehäuse (13), welches den Differenzdruck-Sensorchip (1) teilweise umgibt; wobei das Gehäuse (13) eine Durchgangsöffnung (17) aufweist, durch welche der erste Druckbeaufschlagungsbereich (B) nach außen freigelegt ist; und wobei das Gehäuse (13) eine Eingangsöffnung (17a; 17b) aufweist, durch welche der zweite Druckbeaufschlagungsbereich (D) nach außen freigelegt ist.
  2. Differenzdruck-Sensoranordnung nach Anspruch 1, wobei der erste Druckbeaufschlagungsbereich (B) einseitig in die Durchgangsöffnung (17) hineinragt.
  3. Differenzdruck-Sensoranordnung nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Gehäuse (13) aus einer Spritzgussmasse gebildet ist.
  4. Differenzdruck-Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei oberhalb der Eingangsöffnung (17a; 17b) auf dem Gehäuse (13) ein Filter (19) angebracht ist.
  5. Differenzdruck-Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Auswertechip (1a), der elektrisch mit dem Differenzdruck-Sensorchip (1) verbunden ist, von dem Gehäuse (13) zumindest teilweise umgeben ist.
  6. Differenzdruck-Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Differenzdruck-Sensorchip (1) auf einem Leadframe (11, 11a; 11, 11a, 11b) angebracht ist.
  7. Differenzdruck-Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei oberhalb der Eingangsöffnung (17a; 17b) auf dem Gehäuse (13) ein Druckanschlussstutzen (30) dichtend angebracht ist.
  8. Differenzdruck-Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei oberhalb der Eingangsöffnung (17a; 17b) und oberhalb der Durchgangsöffnung (17) auf dem Gehäuse (13) eine erste Druckanschlussplatte (40) mit einem entsprechenden ersten und zweiten integrierten Druckanschlussstutzen (33, 35) dichtend angebracht ist.
  9. Differenzdruck-Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei unterhalb der Durchgangsöffnung (17) auf dem Gehäuse (13) eine zweite Druckanschlussplatte (40) mit einem entsprechenden dritten integrierten Druckanschlussstutzen (37) dichtend angebracht ist.
  10. Differenzdruck-Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Eingangsöffnung (17a; 17b) eine Erstreckung im Gehäuse (13) aufweist, die bezüglich einer Normalen zur Chipoberfläche im zweiten Druckbeaufschlagungsbereich (D) schräg gerichtet ist.
  11. Verfahren zum Herstellen einer Differenzdruck-Sensoranordnung nach Anspruch 3, wobei das Gehäuse (13) durch Umspritzen des Differenzdruck-Sensorchips (1) mit der Spritzgussmasse hergestellt wird und wobei die Eingangsöffnung (17a; 17b) und die Durchgangsöffnung (17) durch entsprechende Platzhalter beim Umspritzen gebildet werden.
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