DE102017220349B3

DE102017220349B3 - Mikromechanische Drucksensorvorrichtung und entsprechendes Herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE102017220349B3
Application number: DE102017220349.8A
Authority: DE
Inventors: Volkmar Senz; Arne Dannenberg; Jochen Franz
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2017-11-15
Filing date: 2017-11-15
Publication date: 2018-06-14
Anticipated expiration: 2037-11-16
Also published as: KR102588550B1; CN111373233A; KR20200087210A; WO2019096560A1; US20200326256A1; CN111373233B; US11441964B2

Abstract

Die Erfindung schafft eine mikromechanische Drucksensorvorrichtung und ein entsprechendes Herstellungsverfahren. Die Mikromechanische Drucksensorvorrichtung ist ausgestattet mit einem Sensorsubstrat (SE) mit einer Vorderseite (VS) und einer Rückseite (RS), einer im Sensorsubstrat (SE) aufgehängten Drucksensoreinrichtung (SB), wobei eine erste Kaverne (K1) oberhalb der Drucksensoreinrichtung (SB) vorgesehen ist, welche über ein oder mehrere Zugangsöffnungen (Z) zur Vorderseite (VS) freigelegt ist, einem oder mehreren Stressentlastungsgräben (T1, T2), welche die Drucksensoreinrichtung (SB) lateral umgeben und eine Fluidverbindung von der Rückseite (RS) zur ersten Kaverne (K1) bilden, und einem Schaltungssubstrat (AS), auf welches die Rückseite (RS) des Sensorsubstrats (SE) aufgebondet ist, wobei unterhalb der Drucksensoreinrichtung (SB) im Schaltungssubstrat (AS) eine zweite Kaverne (K2) ausgebildet ist, welche in Fluidverbindung mit den Stressentlastungsgräben (T1, T2) steht, und wobei in einer Peripherie der Drucksensoreinrichtung (SB) mindestens ein Kanal (ST) vorgesehen ist, welcher in Fluidverbindung mit der zweiten Kaverne (K2) steht und nach außen freigelegt ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine mikromechanische Drucksensorvorrichtung und ein entsprechendes Herstellungsverfahren.
Aus der US 2013/0001710 A1 ist eine mikromechanische Drucksensorvorrichtung mit einem Sensorsubstrat und einem darauf gebondeten Schaltungssubstrat bekannt, wobei das Sensorsubstrat eine darin aufgehängte Drucksensoreinrichtung aufweist.
Weitere MEMS-Drucksensorvorrichtungen sind aus der DE 10 2015 110 351 A1 und der DE 10 2010 064 108 A1 bekannt.
Insbesondere lehrt die DE 10 2010 064 108 A1 einen Medienzugang für einen auf einem Träger aufgebondeten Sensorchip durch eine Bohrung in einer Moldmasse und einen durch den Träger verlaufenden Kanal zu realisieren.
Stand der Technik
Obwohl auf beliebige mikromechanische Drucksensorvorrichtungen anwendbar, werden die vorliegende Erfindung und die ihr zugrundeliegende Problematik anhand von mikromechanischen Drucksensorvorrichtungen auf Siliziumbasis erläutert.
Die DE 10 2014 200 512 A1 beschreibt eine mikromechanische Drucksensorvorrichtung und ein entsprechendes Herstellungsverfahren. Die mikromechanische Drucksensorvorrichtung umfasst einen ASIC-Wafer, auf dessen Vorderseite eine Umverdrahtungseinrichtung mit einer Mehrzahl von gestapelten Leiterbahnebenen und Isolationsschichten vorgesehen ist. Weiterhin umfasst sie einen MEMS-Wafer, in dem eine Drucksensoreinrichtung vorgesehen ist, welche von der Vorderseite über mehrere Durchgangsöffnungen mit Druck beaufschlagbar ist. Die Druckerfassung erfolgt über eine Auslenkung einer membranartigen ersten Elektrode gegenüber einer zweiten feststehenden Elektrode mittels eines kapazitiven Messverfahrens.
Ein piezoresistives Druckmessverfahren, bei dem piezoresistive Halbleiterwiderstände in oder auf einer Membran einer mikromechanischen Drucksensorvorrichtung vorgesehen sind, ist beispielsweise aus der DE 10 2012 205 878 A1 bekannt.
Die piezoresistiven Halbleiterwiderstände, die bei derartigen mikromechanischen Drucksensorvorrichtungen als mechanisch-elektrische Wandler verwendet werden, nehmen nicht nur den mechanischen Stress auf, der sich durch den Druckeinfluss auf die Membran ergibt, sondern ebenfalls den Stress mechanischer Störeinflüsse.
Zu diesen Störeinflüssen tragen verschiedene Faktoren bei, beispielsweise die Verformung der Leiterplatte, auf der die Drucksensorvorrichtung montiert ist, eine Verformung des Packages über die Temperatur, z.B. durch Löten, ein Temperaturverhalten des verwendeten Klebers, ein Temperaturverhalten der Deckschichten der Drucksensorvorrichtung, usw.
Deshalb ist eine mechanische Entkopplung des Kerns der Drucksensorvorrichtung vorgeschlagen worden. Bestehende Ansätze dazu sind ein seitliches Freitrenchen der Membran oder ein allseitiges Freiätzen der Membran, wobei üblicherweise mehrere Verbindungen zum Chiprand stehenbleiben, um elektrische Verbindungen zur Membran zu realisieren.
Die DE 10 2015 116 353 A1 offenbart eine mikromechanische Drucksensorvorrichtung mit mechanischer Entkopplung und ein entsprechendes Herstellungsverfahren. Dabei wird der auf einem SOI-Substrat hergestellte Drucksensorbereich von der Rückseite durch Herausätzen einer vergrabenen Oxidschicht freigestellt.
Eine Medienresistenz einer mikromechanischen Drucksensorvorrichtung lässt sich dadurch erzielen, dass die Sensoroberfläche mit einem Gel verfüllt wird, welches medienresistente Eigenschaften aufweist, wie z.B. aus der DE 10 2011 077 686 A1 bekannt. Allerdings dürfen keine Blasen in diesem Gel enthalten sein, da dies die Performance der Drucksensorvorrichtung verschlechtert.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung schafft eine mikromechanische Drucksensorvorrichtung nach Anspruch 1 und ein entsprechendes Herstellungsverfahren nach Anspruch 8.
Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
Vorteile der Erfindung
Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee liegt im Bereitstellen eines separaten Kanals in der Peripherie der Drucksensoreinrichtung, welcher vorzugsweise einen größeren Durchmesser aufweist als die Zugangsöffnungen oberhalb der Drucksensoreinrichtung und die seitlich umgebenden Stressentlastungsgräben. Somit ist ein blasenfreies Auffüllen der Drucksensorvorrichtung mit einem Passivierungsmedium, beispielsweise einem Gel oder dessen unvernetztem Precursor, über den Kanal stark vereinfacht.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung sind der Kanal, die zweite Kaverne, die Stressentlastungsgräben und die erste Kaverne mit einem Passivierungsmedium befüllt. So lässt sich eine effektive Medienresistenz erzielen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung sind das Sensorsubstrat und das Schaltungssubstrat zumindest teilweise von einem Moldgehäuse umgeben, welches eine erste Durchgangsöffnung aufweist, welche den Kanal und die Zugangsöffnungen freilegt. So können sie Substrate weitgehend gegenüber äußeren Einflüssen geschützt werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung sind das Sensorsubstrat und das Schaltungssubstrat zumindest teilweise von einem Moldgehäuse umgeben, welches eine erste Durchgangsöffnung aufweist, welche die Zugangsöffnungen freilegt, und welches eine zweite Durchgangsöffnung aufweist, welche den Kanal freilegt. So kann das Befüllen über das Moldgehäuse erfolgen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist an einer dem Sensorsubstrat abgewandten Seite des Moldgehäuses ein Anschlussflansch in das Moldgehäuse eingemoldet ist oder auf das Moldgehäuse aufgeklebt. So kann eine leicht dichtbare Verbindung zu einem externen Gehäuse erfolgen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist die Drucksensoreinrichtung eine dritte Kaverne aufweist, welche hermetisch verschlossen ist und welche an einen Membranbereich angrenzt, auf oder in dem eine Piezoeinrichtung zum Erfassen des Drucks über eine Deformation des Membranbereiches vorgesehen ist. Dies sorgt für eine robuste Druckerfassung.
Erfindungsgemäß weist das Schaltungssubstrat eine Leiterbahneinrichtung auf, wobei die zweite Kaverne im Bereich der Leiterbahneinrichtung vorgesehen ist. Dies ist einfach durch Vorsehen eines zu entfernenden Opferschichtbereichs in der Leiterbahneinrichtung realisierbar.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist die Drucksensoreinrichtung über Leiterbahnen im Sensorsubstrat aufgehängt. So lässt sich eine besonders effektive mechanische Entkopplung der Drucksensoreinrichtung erzielen. Die Leiterbahnen können durch Stege des Substratmaterials, beispielsweise Silizium, mechanisch stabilisiert werden werden.
Figurenliste
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand von Ausführungsformen mit Bezug auf die Figuren erläutert.
Es zeigen:

1 eine schematische Querschnittsdarstellung einer mikromechanischen Drucksensorvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 eine schematische Querschnittsdarstellung einer mikromechanischen Drucksensorvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
3 eine schematische Querschnittsdarstellung einer mikromechanischen Drucksensorvorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Ausführungsformen der Erfindung
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente.
1 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung einer mikromechanischen Drucksensorvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
In 1 bezeichnet Bezugszeichen SE ein Sensorsubstrat mit einer Vorderseite VS und einer Rückseite RS. Aufgehängt im Substrat ist eine Drucksensoreinrichtung SB. Die Aufhängung ist in der vorliegenden Ausführungsform über (nicht dargestellte) Leiterbahnen im Sensorsubstrat SE realisiert, kann aber ggf. oder alternativ durch Stege des Substratmaterials, beispielsweise Silizium, realisiert werden.
Eine erste Kaverne K1 ist oberhalb der Drucksensoreinrichtung SB im Sensorsubstrat SE vorgesehen, welche über eine Vielzahl von Zugangsöffnungen Z zur Vorderseite VS hin freigelegt ist.
Umgeben ist die im Sensorsubstrat SE aufgehängte Drucksensoreinrichtung SB von einer Mehrzahl von Stressentlastungsgräben T1, T2, welche die Drucksensoreinrichtung SB seitlich vom restlichen Sensorsubstrat SE entkoppeln und eine Fluidverbindung von der Rückseite RS zur ersten Kaverne K1 hin bilden.
Ein Schaltungssubstrat AS mit einer Leiterbahneinrichtung LB, welche eine Mehrzahl von Leiterbahnebenen und dazwischenliegende Isolationsschichten aufweist, wobei das Sensorsubstrat SE mit seiner Rückseite RS auf das Schaltungssubstrat AS aufgebondet ist. Die mit Bezugszeichen B bezeichnete gestrichelte Linie bezeichnet dabei die Bondebene.
Unterhalb der Drucksensoreinrichtung SB ist im Schaltungssubstrat AS eine zweite Kaverne K2 ausgebildet, welche in Fluidverbindung mit den Stressentlastungsgräben T1, T2 steht. Dies kann beispielsweise durch Vorsehen und Entfernen eines entsprechenden Opferschichtbereichs in der Leiterbahneinrichtung LB, z.B. eines Oxidbereichs. Alternativ kann die Kaverne ausgebildet werden, indem das Schaltungssubstrat AS mit dem Sensorsubstrat SE, z.B. durch eutektisches Bonden, gefügt wird.
In einer Peripherie der Drucksensoreinrichtung SB ist ein Kanal ST vorgesehen, welcher sich von der Vorderseite VS zur Rückseite RS des Sensorsubstrats SE erstreckt und welcher in Fluidverbindung mit der zweiten Kaverne K2 steht, also in diese mündet.
Der Kanal ST weist einen relativ großen Durchmesser auf, welcher größer ist als der Durchmesser der Stressentlastungsgräben T1, T2 und der Zugangsöffnungen Z. Über den Kanal ST kann die Drucksensoreinrichtung SB mit einem Passivierungsmedium SM befüllt werden, wobei die Befüllrichtung mit Bezugszeichen E bezeichnet ist.
Somit wird beim Befüllen zuerst die zweite Kaverne K2 befüllt, und anschließend breitet sich das Passivierungsmedium SM durch die Stressentlastungsgräben T1, T2 weiter in die erste Kaverne K1 aus und anschließend in die Zugangsöffnungen Z. Bei der vorliegenden Ausführungsform erstreckt sich das befüllte Passivierungsmedium SM nicht bis zur Vorderseite VS des Sensorsubstrats SE, dies kann jedoch anwendungsabhängig variieren, und eine Erstreckung kann bis zur Vorderseite VS bzw. darüber hinaus, oder aber auch nur bis zur Kante von der Kaverne K1 zur Zugangsöffnung Z, vorgesehen werden.
Das Sensorsubstrat SE und das Schaltungssubstrat AS sind von einem Moldgehäuse M umgeben, welches eine Durchgangsöffnung H0 aufweist, welche den Kanal ST und die Zugangsöffnungen Z freilegt. Das Befüllen kann entweder vor dem Molden oder nach dem Molden stattfinden. Das Passivierungsmedium SM ist beispielsweise ein Precursor eines medienrobusten Gels oder eine medienrobuste Flüssigkeit, beispielsweise Öl. Falls das Passivierungsmedium SM nicht vernetzbar ist, kann eine (nicht dargestellte) Textilmembran auf die Vorderseite VS des Sensorsubstrats SE geklebt werden, um ein Auslaufen des Passivierungsmediums SM zu vermeiden.
Das Schaltungssubstrat AS kann über Bondverbindungen B0 in üblicher Weise extern elektrisch kontaktiert werden.
Obwohl nicht darauf beschränkt, weist die Drucksensoreinrichtung SB bei der dargestellten Ausführungsform eine dritte Kaverne K0 auf, welche hermetisch verschlossen ist und welche an einem Membranbereich MB angrenzt, auf oder in dem eine Piezoeinrichtung PZ zum Erfassen des Drucks über eine Deformation des Membranbereichs MB vorgesehen ist.
Denkbar ist selbstverständlich auch eine kapazitive oder sonstige Drucksensoreinrichtung SB.
2 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung einer mikromechanischen Drucksensorvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Bei der zweiten Ausführungsform unterscheidet sich das Moldgehäuse M‘ von demjenigen der ersten Ausführungsform. Hier weist das Moldgehäuse M‘ eine erste Durchgangsöffnung H0' auf, welche die Zugangsöffnungen Z freilegt. Weiterhin vorgesehen ist eine zweite Durchgangsöffnung ST1, welche den Kanal ST freilegt. So kann an das Moldgehäuse M‘ bei geeignetem Moldwerkzeug ein Einfüllstutzen angelegt werden, um das Befüllen zu erleichtern.
Ansonsten ist die zweite Ausführungsform gleich wie die erste Ausführungsform ausgestaltet.
3 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung einer mikromechanischen Drucksensorvorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Bei der dritten Ausführungsform weist das Moldgehäuse M“ an einer dem Sensorsubstrat SE abgewandten Seite des Moldgehäuses M“ einen Anschlussflansch AR auf, der in das Moldgehäuse M“ eingemoldet ist. Beispielsweise kann der Anschlussflansch AR ein Metallring sein. Der Anschlussflansch AR kann somit beispielsweise als Auflagefläche für einen (nicht dargestellten) Dichtring dienen, der beispielsweise in das Gehäuse eines Smarttools (z.B. Smart Watch) integriert ist.
Bei anderen, nicht dargestellten Ausführungsformen kann der Anschlussflansch AR auch auf das Moldgehäuse M“aufgeklebt sein.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt. Insbesondere sind die genannten Materialien und Topologien nur beispielhaft und nicht auf die erläuterten Beispiele beschränkt.
Obwohl sich bei den dargestellten Ausführungsformen in der Peripherie der Drucksensoreinrichtung mindestens ein nach außen freigelegter Kanal vorgesehen ist, welcher sich von der Vorderseite zur Rückseite erstreckt und welcher in Fluidverbindung mit der zweiten Kaverne steht, kann bei einer weiteren nicht dargestellten Ausführungsform der Kanal durch das Schaltungssubstrat oder seitlich nach außen verlaufen.

Claims

Mikromechanische Drucksensorvorrichtung mit: einem Sensorsubstrat (SE) mit einer Vorderseite (VS) und einer Rückseite (RS); einer im Sensorsubstrat (SE) aufgehängten Drucksensoreinrichtung (SB); wobei eine erste Kaverne (K1) oberhalb der Drucksensoreinrichtung (SB) angeordnet ist, welche über ein oder mehrere Zugangsöffnungen (Z) zur Vorderseite (VS) freigelegt ist; einem oder mehreren Stressentlastungsgräben (T1, T2), welche die Drucksensoreinrichtung (SB) lateral umgeben und eine Fluidverbindung von der Rückseite (RS) zur ersten Kaverne (K1) bilden; und einem Schaltungssubstrat (AS), auf welches die Rückseite (RS) des Sensorsubstrats (SE) aufgebondet ist; wobei unterhalb der Drucksensoreinrichtung (SB) im Schaltungssubstrat (AS) eine zweite Kaverne (K2) ausgebildet ist, welche in Fluidverbindung mit den Stressentlastungsgräben (T1, T2) steht; und wobei in einer Peripherie der Drucksensoreinrichtung (SB) mindestens ein Kanal (ST) angeordnet ist, welcher in Fluidverbindung mit der zweiten Kaverne (K2) steht und nach außen freigelegt ist; und wobei das Schaltungssubstrat (AS) eine Leiterbahneinrichtung (LB) aufweist und die zweite Kaverne (K2) im Bereich der Leiterbahneinrichtung (LB) angeordnet ist.
Mikromechanische Drucksensorvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Kanal (ST), die zweite Kaverne (K2), die Stressentlastungsgräben (T1, T2) und die erste Kaverne (K1) mit einem Passivierungsmedium (SM) befüllt sind.
Mikromechanische Drucksensorvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Sensorsubstrat (SE) und das Schaltungssubstrat (AS) zumindest teilweise von einem Moldgehäuse (M) umgeben sind, welches eine erste Durchgangsöffnung (H0) aufweist, welche den Kanal (ST) und die Zugangsöffnungen (Z) freilegt.
Mikromechanische Drucksensorvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Sensorsubstrat (SE) und das Schaltungssubstrat (AS) zumindest teilweise von einem Moldgehäuse (M‘) umgeben sind, welches eine erste Durchgangsöffnung (H0') aufweist, welche die Zugangsöffnungen (Z) freilegt, und welches eine zweite Durchgangsöffnung (ST1) aufweist, welche den Kanal (ST) freilegt.
Mikromechanische Drucksensorvorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, wobei an einer dem Sensorsubstrat (SE) abgewandten Seite des Moldgehäuses (M“) ein Anschlussflansch (AR) in das Moldgehäuse (M“) eingemoldet ist oder auf das Moldgehäuse (M“) aufgeklebt ist.
Mikromechanische Drucksensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Drucksensoreinrichtung (SB) eine dritte Kaverne (K0) aufweist, welche hermetisch verschlossen ist und welche an einen Membranbereich (MB) angrenzt, auf oder in dem eine Piezoeinrichtung (PZ) zum Erfassen des Drucks über eine Deformation des Membranbereiches (MB) angeordnet ist.
Mikromechanische Drucksensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Drucksensoreinrichtung (SB) über Leiterbahnen im Sensorsubstrat (SE) aufgehängt ist.
Verfahren zum Herstellen einer mikromechanischen Drucksensorvorrichtung mit den Schritten: Bereitstellen von einem Sensorsubstrat (SE) mit einer Vorderseite (VS) und einer Rückseite (RS); Bilden einer im Sensorsubstrat (SE) aufgehängten Drucksensoreinrichtung (SB); Bilden einer ersten Kaverne (K1) oberhalb der Drucksensoreinrichtung (SB), welche über ein oder mehrere Zugangsöffnungen (Z) zur Vorderseite (VS) freigelegt ist; Bilden von einem oder mehreren Stressentlastungsgräben (T1, T2), welche die Drucksensoreinrichtung (SB) lateral umgeben und eine Fluidverbindung von der Rückseite (RS) zur ersten Kaverne (K1) bilden; Aufbonden von einem Schaltungssubstrat (AS) mit einer Leiterbahneinrichtung (LB) auf die Rückseite (RS) des Sensorsubstrats (SE); Bilden einer zweiten Kaverne (K2) unterhalb der Drucksensoreinrichtung (SB) im Schaltungssubstrat (AS) im Bereich einer Leiterbahneinrichtung (LB), welche in Fluidverbindung mit den Stressentlastungsgräben (T1, T2) steht; Bilden von mindestens einen Kanal (ST) in einer Peripherie der Drucksensoreinrichtung (SB), welcher sich von der Vorderseite (VS) zur Rückseite (RS) erstreckt und welcher in Fluidverbindung mit der zweiten Kaverne (K2) steht.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Kanal (ST), die zweite Kaverne (K2), die Stressentlastungsgräben (T1, T2) und die erste Kaverne (K1) mit einem Passivierungsmedium (SM) befüllt werden.