DE20218044U1

DE20218044U1 - Drucksensor

Info

Publication number: DE20218044U1
Application number: DE20218044U
Authority: DE
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2002-11-20
Filing date: 2002-11-20
Publication date: 2003-02-27
Anticipated expiration: 2012-11-21

Description

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Beschreibung
Drucksensor

Die Erfindung betrifft einen Drucksensor, der einem Außendruck ausgesetzt ist, mit einem Halbleiterchip, der einen druckempfindlichen Bereich aufweist.

Derartige auf der Basis von Halbleitermaterialien aufgebaute Drucksensoren in sogenannter MEM-Technik bzw. Mikro-Elektro-Mechänik-Technik werden für automotive Anwendungen, wie Kraftfahrzeugreifen, eingesetzt und zeigen eine hohe Ausfallrate bei erhöhten Anforderungen in Bezug auf erhöhten Angriff aggressiver Medien und erhöhten Beschleunigungsbelastungen. 15

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Drucksensor zu schaffen, der den gestiegenen Anforderungen in Bezug auf Umwelteinflüsse, auf Beschleunigungs- und Außendruckbelastungen, sowie Angriffen aggressiver Medien standhält. 20

Diese Aufgabe wird mit dem Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Erfindungsgemäß weist der Drucksensor einen Halbleiterchip mit einem druckempfindlichen Bereich, der einem Außendruck ausgesetzt ist, und mit Kontaktflächen auf, die auf einem druckunempfindlichen Bereich des Halbleiterchips angeordnet sind. Der Halbleiterchip ist in einem Hohlgehäuse angeordnet, das einen Gehäuseboden, auf dem der Halbleiterchip aufgeklebt ist aufweist. Das Hohlgehäuse weist außerdem eine den Halbleiterchip umgebende Gehäusewandung auf, durch die Flachlei-

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ter mit einem Innenabschnitt in einen Gehäuseinnenraum hineinragen. Aus der Gehäusewandung ragen Außenabschnitte der Flachleiter heraus. Zwischen den Kontaktflächen des Halbleiterchips und den Innenabschnitten der Flachleiter sind Verbindungselemente angeordnet, welche vorbestimmte Kontaktflächen mit entsprechenden Innenabschnitten elektrisch verbinden.

Die Verbindungselemente, die Innenabschnitte und die Kontaktflächen innerhalb der umgebenden Gehäusewandung sind mit einer, ersten Kunststoffmasse bedeckt. Der druckempfindliche Bereich des Halbleiterchips ist wenigstens teilweise mit einer zweiten Kunststoffmasse bedeckt. Aufgrund ihrer stofflichen Eigenschaften unterliegt die erste Kunststoffmasse bei gleieher Außendruckbelastung geringeren Verformungen als die zweite Kunststoffmasse.

Dieser erfindungsgemäße Drucksensor hat den Vorteil, dass durch ein weitgehendes Abdecken der druckunempfindlichen Bereiche innerhalb des Gehäuses einer ersten Kunststoffmasse mit vernachlässigbarer Verformung, die Verformungsbelastungen bei erhöhtem Außendruck insbesondere für verformungsempfindliche Komponenten, wie den Verbindungselementen, vermindert wird. Durch ein Begrenzen der sich stark verformenden zweiten Kunststoffmasse auf einen druckempfindlichen Bereich des Sensors, werden die übrigen Bereiche und Komponenten innerhalb des Gehäuses vor Verbiegungen und Verschiebungen durch Zug-, Druck- und Scheerspannungen beim Verformen des druckempfindlichen Bereichs geschützt.

Der erfindungsgemäße Drucksensor kann den gestiegenen Anforderungen an Temperaturwechselfestigkeit und Druckbeständigkeit sowie an Erosionsfestigkeit gegenüber aggressiven Medien

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genügen, ohne zu versagen. Ein derart von zwei unterschiedlichen Kunststoffkomponenten geschützter Drucksensor kann vorteilhafterweise für eine ständige betriebliche Überwachung des Reifendrucks in rotierenden Fahrzeugreifen bis zu einem Reifendruck von 100 MPa eingesetzt werden, ohne dass sich im Betriebstemperaturbereich zwischen -50⁰C und +150⁰C große Temperaturhysteresewerte feststellen lassen. Die Streuungen im Temperaturgang sind ebenfalls gegenüber Drucksensoren mit allseitiger alleiniger Silikongel-Abdeckung vermindert.

Die erste Kunststoffmasse weist vorzugsweise einen Duroplast aus einem Epoxidharz oder einem Silikonharz auf. Diese Harze können mit entsprechenden Füllstoffe einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen, der an den Ausdehnungskoeffizienten des Halbleitermaterials und/oder des Materials des Hohlgehäuses angepasst ist. Das Hohlgehäuse weist entweder eine keramische Substanz oder ein Kunststoffmaterial auf. In der Keramiksubstanz oder dem Kunststoffmaterial ist ein Übergangsabschnitt eines Flachleiters derart eingebettet, dass ein Innenabschnitt des Flachleiters in den Innenraum des Hohlgehäuses hineinragt und ein Außenabschnitt des Flachleiters aus der Gehäusewandung nach außen herausragt.

Mit dem Übergangsabschnitt ist der Flachleiter in dem Hohlgehäuse verankert. Zur Stützung des Innenabschnitts kann das Hohlgehäuse einen Absatz an der Gehäuseinnenwand aufweisen, auf dem der Innenabschnitt des Flachleiters aufgebracht ist. Damit wird ein sicheres Bonden eines Bonddrahtes zwischen einer Kontaktanschlussfläche des Innenabschnitts des Flachleiters und einem Bonddraht, der den Flachleiter mit Kontaktflächen auf den druckunempfindlichen Bereichen des Halbleiterchips verbinden soll, sichergestellt.

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Bei thermischer Belastung sind besonders die flächigen Verbindungen zwischen Bonddraht und Kontaktanschlussfläche und Bonddraht und Kontaktfläche gefährdet, wenn in diesen an sich druckunempfindlichen Bereichen des Drucksensors stark verformbare Kunststoffschutzschichten aus einem gummielastischen Elastomer aufgebracht werden. Es ist somit vorteilhaft, diese nicht der Sensorik dienenden Bereiche vor thermischen Spannungen und starken Verformungen einer abdeckenden Kunststoffmasse wie der zweiten Kunststoffmasse zu schützen. Darüber hinaus haftet die erste Kunststoffmasse sowohl an den drukkunempfindlichen Bereichen des Halbleiterchips als auch den Innenwänden des Hohlgehäuses, so dass die Grenzflächen zwischen erster Kunststoffmasse und Halbleiterchip sowie zwischen erster Kunststoffmasse und Hohlgehäuse vor aggressiven Medien geschützt sind.

Die zweite Kunststoffmasse weist vorzugsweise ein Kunststoffgel eines gummielastischen Elastomers auf Silikonbasis auf. Dabei erlaubt die hohe Gummielastizität einen Schutz einer darunter angeordneten Membran aus Halbleitermaterial im drucksensitiven Bereich des Halbleiterchips ohne dass sich Hystereseeffekte ausbilden. Derartige gummielastische Elastomere basieren auf Dimethyl-Polysiloxan oder Phenyl-Polysiloxan und sind für Betriebstemperaturen im Bereich von minus 55°C bis plus 200⁰C bzw. minus 12O⁰C bis plus 200⁰C in Abhängigkeit von dem Basisstoff einsetzbar. Ein weiteres bevorzugtes gummielastisches Elastomer basiert auf Fluor-Siloxan und kann bei Betriebstemperaturen zwischen minus 55⁰C und plus 175°C eingesetzt werden. Derartige Fluor-Siloxan sind besonders für den Fahrzeugbereich einsetzbar, da sie resistent gegenüber Treibstoff- und Lösungsmitteln sind.

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Für derartige gummielastische Elastomere auf Silikonbasis ist der Energieverlustfaktor bei vorgegebener Druckwechselfrequenz in der Größenordnung von minus vier Zehnerpotenzen extrem gering, so dass eine derartige zweite Kunststoffmasse den Verformungen des druckempfindlichen Bereichs des Halbleiterchips unter vernachlässigbarem Energieverlust folgt. Darüber hinaus haben Elastomere auf Silikonbasis den Vorteil, dass sie eine intensive Adhäsion zu Silikonharzen ausbilden können. Somit kann die Gefahr von Mikrorissen in der Grenzfläche zwischen der ersten Kunststoffmasse und der zweiten Kunststoffmasse vermindert werden, wenn als erste Kunststoffmasse ein Silikonharz und als zweite Kunststoffmasse ein Elastomer auf Silikonbasis eingesetzt wird.

Das Hohlgehäuse kann einen Gehäusedeckel mit einer den druckempfindlichen Bereich und die zweite Kunststoffmasse freilassenden Öffnung aufweisen. Ein derartiger Gehäusedeckel kann vorteilhafterweise an die Innenmaße der Gehäusewandung angepasst werden, indem seine Außenmaße eine Spielpassung zu den Innenmaßen der Gehäusewandung des Hohlgehäuses zulassen. Dieser Gehäusedeckel wird nach Aufbringen der ersten Kunststoffmasse und noch vor dem Vernetzen des Harzes auf dieses aufgedrückt, wobei gleichzeitig eventuelle Fugen zur Gehäusewandung abgedichtet werden. Eine zweite Kunststoffmasse kann vor oder auch nach dem Aufbringen des Gehäusedeckels in die den druckempfindlichen Bereich des Halbleiterchips freilassende Öffnung eingebracht werden.

Um den Halbleiterchip als Drucksensor auszubilden, weist der Halbleiterchip eine hermetisch abgeschlossene, unter Referenzdruck stehende Kavität auf. Diese Kavität kann eine zylindrische Form haben, die von einer starren Halbleiterwandung aus Halbleiterchipmaterial umgeben ist. Diese zylindri-

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sehe Form wird von einer druckempfindlich Membran aus Halbleiterchipmaterial einseitig abgeschlossen. Somit kann diese Membran aus Halbleiterchipmaterial den druckempfindlichen Bereich des Halbleiterchips bilden. Dazu weist die Membran aus Halbleiterchipmaterial mindestens eine wenige Nanometer dicke aufgesputterte Elektrode auf, über die ein elektrisches Signal, das der Durchbiegung der Membran bei Druckbelastung entspricht, erzeugt werden kann.

Die Kavität in dem Halbleiterchipmaterial wird zum Gehäuseboden hin durch eine gasdichte Klebstoffschicht zwischen dem Gehäuseboden und der Halbleiterwandung hermetisch abgeschlossen. Beim Anlegen beispielsweise eines Reifendruckes an den Drucksensor wölbt sich die Membran aus Halbleiterchipmaterial nach innen, so dass sich der Abstand zwischen der auf der Membran angeordneten Elektrode und einer am Gehäuseboden angebrachten Elektrode vermindert. Damit läßt sich beispielseine Resonanzfrequenz eines RC-Schwingkreises oder eines LC-Schwingkreises verschieben, so dass die Frequenzverschiebung ein Maß für die Durchbiegung der Membran und somit ein Maß für den Außendruck gegenüber dem Referenzdruck in der Kavität darstellt. Ein derartiger erfindungsgemäßer Druckmesser hat den Vorteil, dass er aufgrund der beiden unterschiedlichen Kunststoffabdeckmassen gegen aggressive Medien geschützt ist, und andererseits aufgrund der Gummielastizität des Halbleiterchipmaterials große Außendruckveränderungen unbeschadet und unter vernachlässigbaren Energie- bzw. Dämpfungsverlust messen kann.

Um Versorgungsspannungen und Versorgungsströme an die Kontaktflächen des Halbleiterchips anlegen zu können und druckspezifische elektrische Signale von dem Drucksensor abnehmen zu können, weisen die Flachleiter aus der Gehäusewandung des

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Hohlgehäuses herausragende Außenabschnitte auf. Diese Außenabschnitte der Flachleiter können in der Höhe einer äußeren Unterseite des Bodens oder in der Höhe der inneren Oberseite des Gehäusebodens angeordnet sein. Durch eine Anordnung in der Höhe des inneren Gehäusebodens wird gewährleistet, dass die Unterseite des Gehäusebodens vollkommen aus Hohlgehäusematerial besteht, wodurch die Flachleiter geschützter und besser verankert in der Gehäusewandung des Hohlgehäuses eingebettet sind. Die Verankerung der Flachleiter mit ihren Übergangsabschnitten in der Gehäusewandung kann weiter verbessert werden, wenn die Flachleiter nicht geradlinig durch die Gehäusewandung hindurchragen, sondern wenn die Flachleiter zusätzlich innerhalb der Gehäusewandung eine Z-förmige Abwinkelung aufweisen.

Der erfindungsgemäße Drucksensor kann Außendruckbelastungen widerstehen, wie sie in Fahrzeugreifen auftreten und kann darüber hinaus extremen Beschleunigungen, wie sie beim Drehen von Fahrzeugreifen auftreten, unbeschadet standhalten. Der erfindungsgemäße Drucksensor ist somit geeignet als Dauerdruckaufnehmer im drehenden Fahrzeugreifen angeordnet zu werden. Darüber hinaus kann der Drucksensor in Kraftfahrzeugen an allen Stellen eingesetzt werden, die einerseits hohen mechanische Belastungen und andererseits Umwelteinflüssen insbesondere aggressive Medien ausgesetzt sind.

Ein Druckmesser kann mit den nachfolgenden Verfahrensschritten hergestellt werden.

Zunächst wird ein Hohlgehäuse bereitgestellt, und zwar mit einem eingebauten Halbleiterchip, der einen druckempfindlichen Bereich und druckunempfindliche Bereiche aufweist. Das Hohlgehäuse weist darüber hinaus eine Öffnung auf, die minde-

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stens den druckempfindlichen Bereich freilässt. Das Gehäuse und der Halbleiterchip sind bereits über entsprechende elektrische Verbindungselemente miteinander derart verbunden, dass Außenabschnitte von Flachleitern einen Zugriff zu den Elektroden des Halbleiterchips haben. Das Hohlgehäuse mit Halbleiterchip und Verbindungselementen wird anschließend unter Abdichten der Oberflächen von Gehäuseinnenwänden sowie Oberflächen der druckunempfindlichen Bereiche des Halbleiterchips mit einer ersten Kunststoffmasse abgedeckt. Bei diesem Aufbringen einer ersten Kunststoffmasse wird der druckempfindliche Bereich des Halbleiterchips im wesentlichen freigelassen. Danach wird eine zweite Kunststoffmasse auf den drukkempfindlichen Bereich des Halbleiterchips unter gasdichtem Abdichten der Grenzflächen zwischen erster und zweiter Kunststoffmasse aufgebracht.

Die erste Kunststoffmasse unterscheidet sich aufgrund ihrer stofflichen Eigenschaften bzw. aufgrund ihrer geometrischen Ausbildung von der zweiten Kunststoffmasse in der Weise, dass bei gleichen Außendruckbedingungen in der ersten Kunststoffmasse geringere Verformungen auftreten. Dieses Verfahren hat den Vorteil, dass ein Drucksensor gebildet wird, der eine Abdeckung aus zwei unterschiedlichen Kunststoffkomponenten aufweist, die sich in ihrem Verformungsverhalten grundlegend unterscheiden. Somit werden Verformungen, die im druckempfindlichen Bereich auftreten, nicht auf die verformungsempfindlichen Verbindungselemente übertragen.

Sowohl das Aufbringen einer ersten Kunststoffmasse als auch das Aufbringen einer zweiten Kunststoffmasse kann mit einer einfachen Dispensionstechnik erfolgen. Andererseits ist es möglich, durch ein Molden zunächst die erste Kunststoffmasse aufzubringen, die aus einem verformungsresistenten Duroplast

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aufgebaut sein kann, und als nächstes die gummielastisch verformbare zweite Kunststoffmasse durch Dispensen, Aufschleudern oder Auflackieren auf die druckempfindlichen Bereiche des Halbleiterchips aufzubringen. Auch diese Techniken sind äußerst preiswert und kostengünstig durchführbar, so dass die Prozesskosten gering bleiben.

Eine Vielzahl von Halbleiterchips mit druckempfindlichen Bereichen, wie sie für den Einbau in ein Hohlgehäuse erforderlieh sind, können auf folgende Weise gleichzeitig und parallel hergestellt werden. Zunächst werden auf einen Halbleiterwafer Halbleiterchippositionen definiert. Anschließend werden von der Rückseite des Halbleiterwafer aus mehrere Kavitäten an den Halbleiterchippositionen eingeätzt. Diese nasschemisehe Ätzung mittels Laugen oder Säuren oder trockene Ätzung mittels eines reaktiven Plasmas wird solange fortgesetzt bis eine lichtdurchlässige und/oder druckempfindliche Membran auf der Oberseite des Halbleiterchips in den Halbleiterchippositionen übrig bleibt.

Danach können auf den Halbleiterwafer, das heißt auf seine Oberseite selektiv Elektroden auf die druckempfindlichen Membranen aufgebracht werden. Derartige Elektroden können als Kondensatorplatte oder als Meßstreifen oder als Filtermuster als Elektrode eines Wanderfeldverstärkers strukturiert sein. Anschließend werden auf der druckunempfindlichen Oberseite des Halbleiterwafers, das heißt in den Bereichen, in denen sich keine Membran befindet, Kontaktflächen angebracht, die über Leiterbahnen mit den Elektroden in Verbindung stehen.

Auch können auf den druckunempfindlichen Bereichen des Halbleiterchips bereits passive und aktive Halbleiterbauelemente zu integrierten Schaltungen und Auswertestrukturen eingebracht werden. Abschließend wird der Halbleiterwafer in ein-

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zelne Halbleiterchips mit einer Kavität und einer druckempfindlichen Membran sowie Kontaktflächen zerteilt.

Ein Vorteil dieses Verfahrens ist es, dass für mehrere HaIbleiterchips sowohl die Kavitäten für einen Referenzdruck als auch Sensorelektroden, Kontaktflächen und Steuer und Auswerteschaltungen parallel und gleichzeitig auf einem Halbleiterwafer entstehen.

Parallel zu der Herstellung geeigneter Halbleiterchips können auf einem Flachleiterrahmen Hohlgehäuse mit einem Gehäuseboden unter Einbetten von Übergangsabschnitten von Flachleitern in Gehäusewandungen druckgegossen oder druckgepresst werden. Das Druckgießen wird dann angewandt, wenn Kunststoffhohlgehäuse herzustellen sind, während ein Druckpressen mit anschließendem Sintern für keramische Hohlgehäuse bevorzugt wird. Ein derartiger Flachleiterrahmen kann mehrere Hohlgehäuse hintereinander auf einem Flachleiterband und in Reihen nebeneinander an entsprechenden Bauteilpositionen aufweisen.

In einer Bestückungsmaschine können dann die Halbleiterchips mit ihren Kavitäten unter gasdichtem Abdichten der Kavitäten auf die Gehäuseböden der Hohlgehäuse geklebt werden. Nach der Bestückung kann der Flachleiterrahmen mit mehreren Hohlgehäusen, die nun die Halbleiterchips aufweisen, in eine Bondmaschine eingegeben werden, in der Innenabschnitte der Flachleiter mit Kontaktflächen des Halbleiterchips über Bonddrähte elektrisch verbunden werden. Auch ein derartiges Verfahren ist für die Massenproduktion von Drucksensoren geeignet, so dass eine kostengünstige Produktion möglich wird.

Anschließend wird bereits wie oben erwähnt die erste Kunststoffmasse aufgebracht, in welche die Verbindungselemente

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eingebettet werden. Danach wird der nicht abgedeckte druckempfindliche Bereich des Halbleiterchips mit der zweiten Kunststoffmasse wie oben erwähnt abgedeckt. Schließlich kann noch ein Gehäusedeckel unter Freilassen des druckempfindlichen Bereichs und unter Freilassen der zweiten Kunststoffmasse auf das Hohlgehäuse aufgebracht werden.

Zusammenfassend ist festzustellen, dass ein erfindungsgemäßer Drucksensor in MEM-Struktur (micro elektro mechanical structure) eine druckdurchlässige Schicht in Form eines Gels über der MEM-Struktur aufweist und diese druckdurchlässige Schicht aus Gel auf ein Flächenminimum reduziert werden kann, ohne auf den verbleibenden Rest des Halbleiterchips Spannungen auszuüben, wenn der Halbleiterchip mittels zweier verschiedener Prozesse und zweier verschiedener Materialien spannungsarm abgedeckt wird. Dazu wird in einem wannenförmigen Körper eines Hohlgehäuses der Halbleiterchip kontaktiert und mittels dieser zweier verschiedener Prozesse werden zwei unterschiedliche Materialien aufgebracht. Ein derartiger Drucksensor in MEM-Struktur zeigt in den Funktionstests folgende Vorteile:

spannungsarme Umhüllung bei verbesserter Genauigkeit des

MEM-Outputs,

verbesserte Haftung zwischen den verwendeten Umhüllmaterialien, so dass erstmalig eine geforderte Medienkompatibilität für einen Reifendrucksensor erreicht wird, erstmaliges Erfüllen der geforderter mechanischer Beschleunigungstests für einen derartigen Reifendrucksensor,

- Optimierung der Kunststoffmassen auf der MEM-Struktur des Halbleiterchips.

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Im Kern umfasst die Erfindung eine Kombination von Globtop um den Halbleiterchip herum und auch auf der druckunempfindlichen Oberfläche des Halbleiterchips und einem druckdurchlässigen Silikongel in möglichst geringer Menge auf dem druckempfindlichen Bereich des Halbleiterchips.

Die Erfindung wird nun anhand der beigefügten Figuren näher erläutert.

Figur 1 zeigt einen schematischen Querschnitt durch 'einen

Drucksensor einer ersten Ausführungsform der Erfindung,

Figur 2 zeigt eine Draufsicht auf den Drucksensor mit HaIbleiterchip gemäß Figur 1 unter Weglassen von Kunst

stoff abdeckungen des Drucksensors.

Figur 3 zeigt einen schematischen Querschnitt durch einen Drucksensor einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.

Figur 1 zeigt einen schematischen Querschnitt durch einen Drucksensor 1 gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Der Drucksensor 1 weist im wesentlichen zwei Komponenten auf, nämlich ein Hohlgehäuse 8 und einen Halbleiterchip 2, der in dem Hohlgehäuse 8 angeordnet ist. Das Hohlgehäuse ist wannenförmig ausgebildet und hat eine obenseitige Öffnung 18 zu einem Innenraum 12, der von einem Gehäuseboden 9 nach unten abgeschlossen wird. Das Hohlgehäuse 8 weist zusätzlich in Gehäusewandungen 10 eingebettete Übergangsabschnitte 32 von Flachleitern 30 auf. Diese Flachleiter 30 ragen mit äußeren Flachleiterabschnitten 33 aus der Gehäusewandung 10 seitlich heraus. Die Flachleiter 30 weisen in den Innenraum 12

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hineinragende Innenabschnitte 31 auf. Die Innenabschnitte 31 sind auf einem Absatz 19 der Gehäusewandung 10 angeordnet und bilden eine Kontaktanschlussfläche 14 aus, die zum Aufbonden eines Verbindungselements 14 in Form eines Bonddrahtes 13 geeignet ist. Dazu sind die Kontaktanschlußflächen 11 der Innneabschnitte 31 mit einer bondbaren Beschichtung versehen.

Das Hohlgehäuse 8 ist in dieser ersten Ausführungsform der Erfindung aus einer Kunststoffgehäusemasse auf einem Flachleiterrahmen in entsprechenden Sensorpositionen druckgegossen. Bei dem Druckgießen werden gleichzeitig die Übergangsabschnitte 32 der Flachleiter 30 in die Gehäusewandung 10 eingeschlossen und in dieser verankert. Zur besseren Verankerung ist der Übergangsabschnitt 32 des Flachleiters Z-förmig abgewinkelt. Außerdem weist der Übergangsbereich 32 eine haftungsverbessernde Schicht für die Kunststoffgehäusemasse auf.

Auf dem im wesentlichen ebenen Gehäuseboden 9 ist der Halbleiterchip 2 angeordnet. Zur Ausbildung des druckempfindlichen Bereichs 4 weist der Halbleiterchip 2 eine Kavität 3 auf, die von der Rückseite des Halbleiterchips 2 aus in das Halbleitermaterial hineingeätzt ist. Diese Ätzung wird so ausgeführt, daß eine lichttransparente und druckempfindliche Membran 22 im Bereich der Oberseite des Halbleiterchips 2 verbleibt. Diese Membran 22 ist zur Erzeugung einer kapazitiven elektromechanischen Kopplung mit einer Elektrode 5 von wenigen Nanometern Dicke abgedeckt. Die Kavität 3 weist eine formstabile, druckunempfindliche Halbleiterwandung 21 auf, die auf ihrer Oberseite Kontaktflächen 6 trägt. Die Halbleiterwandung 21 ist mit ihrer Unterseite auf dem Gehäuseboden 9 mit einer hermetisch abschließenden, gasdichten Klebstoffschicht 20 befestigt.

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In dieser ersten Ausführungsform der Erfindung ist ein weiterer Flachleiter als Elektrode 23 auf dem Gehäuseboden 9 angeordnet. Von den Kontaktflächen 6 auf der druckunempfindlichen Halbleiterwandung 21 führen elektrische Verbindungselemente 14 in Form von Bonddrähten 13 zu den Innenabschnitten 31 der Flachleiter 30. Über diese Bonddrähte und über die Elektrode 23 am Gehäuseboden 9 können sowohl Versorgungsspannungen zugeführt als auch Signalspannungen abgenommen werden. Der Innenraum 12 ist mit einer ersten Kunststoffmasse 15 aufgefüllt, die gleichzeitig die Bonddrähte 13 einbettet und den Zwischenraum zwischen den Gehäusewänden 26 und den Halbleiteroberflächen 25 im druckunempfindlichen Bereich des Halbleiterchips 2 gasdicht abdichtet.

Eine zweite Kunststoffmasse 16 auf Fluoro-Polysiloxan basierendem Silikon bildet eine vollständige Abdeckung des druckempfindlichen Bereichs 4 des Halbleiterchips 2. Gleichzeitig dichtet die zweite Kunststoffmasse 16 die Grenzschicht 27 zu der ersten Kunststoffmasse 15 gasdicht ab. Während die erste Kunststoffmasse 15 relativ steif und formstabil ist, folgt die zweite Kunststoffmasse 16 den Bewegungen der Membran 22 im druckempfindlichen Bereich 4 des Halbleiterchips 2. Damit wird einerseits der Halbleiterchip 2 insbesondere im druckempfindlichen Bereich 4 vor aggressiven Lösungsmitteln und Säuren geschützt. Andererseits wird ein zuverlässiges Messergebnis des Drucksensors 1 durch die gummielastischen Eigenschaften der zweiten Kunststoffschicht 16 bereitgestellt. Durch die bessere Verformbarkeit gegenüber der ersten Kunststoffschicht 15 wird eine energieverlustarme Druckübertragung erreicht. Durch die Abdeckung mit zwei unterschiedlichen Kunststoffmassen 15 und 16 wird ferner erreicht, dass ein Druck von bis zu 100 MPa gemessen werden kann, ohne dass Mikrorisse in den Grenzflächen zwischen den Kunstoffmassen 15

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und 16 und zum Material des Hohlgehäuses auftreten und ohne dass der Temperaturgang der Messung von minus 5O⁰C bis plus 15O⁰C eine Hysterese zeigt.

Die Temperaturfestigkeit dieses auf Fluor-Polysiloxan basierenden Silikongels liegt zwischen minus 55°C und plus 175⁰C. Dieses Silikongel hat darüber hinaus den Vorteil, dass es kraftstoff- und lösungsmittelresistent ist. Somit ist die erste Ausführungsform der Erfindung besonders für eine Dauer-Überprüfung und Messung des Reifendruckes von Fahrzeugen geeignet. Ferner konnte für diesen Drucksensor 1 eine große Beschleunigungsfestigkeit festgestellt werden, ohne dass die Funktionsfähigkeit des Drucksensors 1 beeinträchtigt wird.

Zur Herstellung eines derartigen Drucksensors 1 werden zunächst mehrere Halbleiterchips 2 auf einem Siliziumwafer hergestellt, wobei der Siliziumwafer von seiner Rückseite aus an Halbleiterchippositionen solange geätzt wird, bis Kavitäten 3 entstehen und bis von der Oberseite aus eine transparente dünne Siliziummembran 4 übrigbleibt. Auch die Elektroden 5 und die Kontaktflächen 6 werden noch auf den Siliziumwafer aufgebracht. Ferner werden Auswerteschaltungen in einem druckfesten Bereich des Halbleitermaterials des Siliziumwafers angeordnet bevor der Siliziumwafer in einzelne Halbleiterchips 2 aufgetrennt wird.

Parallel dazu wurde für diese erste Ausführungsform gemäß Figur 1 ein hier nicht gezeigter Flachleiterrahmen bereitgestellt, und zwar mit drei Sensorpositionen in Reihe und mehrere Sensorpositionen in entsprechenden Spalten. In jeder der Sensorpositionen sind Z-förmig abgewinkelte Flachleiter angeordnet, über die in deren Übergangsabschnitt 32 ein Kunststoffgehäuse gemoldet wird. Dabei wird sowohl der Absatz 19

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für die Aufnahme von Kontaktanschlussflächen 11 der Innenabschnitte 31 der Flachleiter 30 ausgebildet, als auch der ebene Gehäuseboden 9.

Auf den Gehäuseboden 9 wird gasdicht die Rückseite des Halbleiterchips 2 geklebt, so dass eine hermetisch abgeschlossene Kavität 3 beim Bestücken des Flachleiterrahmens mit Halbleiterchips 2 entsteht. Diese hermetisch abgeschlossene Kavität 3 steht dann unter einem Referenzdruck. Nach dem Bestücken der Hohlgehäuse 8 in jeder Drucksensorposition des Flachleiterrahmens werden Verbindungselemente 14 zwischen den Kontaktanschlussflächen 11 und den Kontaktflächen 6 hergestellt, indem Bonddrähte 14 von der Kontaktfläche 6 aus zu der Kontaktanschlussfläche 11 gebonded werden. Anschließend wird eine erste Kunststoffmasse 15 in einem Globtop-Verfahren unter Freilassung der Membran 22 aufgebracht, der aus einem Duroplast besteht und bei einer Temperatur von 15O⁰C für vier Stunden gehärtet wird. Anschließend kann der zweite Kunststoff in Form eines Silikongels aufgebracht werden, das wie oben beschrieben auf einem Fluor-Polysiloxan basiert und in diesem Ausführungsbeispiel bei 15O⁰C für dreißig Minuten ausgehärtet wird. Während die -erste Kunststoffmasse 15 einen hohen Dissipationsfaktor von etwa 6 &khgr; 10~³ aufweist, liegt der Dissipationsfaktor des gummielastischen Silikongels der zweiten Kunststoffmasse 16 in der Größenordnung von 10~⁴.

Figur 2 zeigt eine Draufsicht auf den Drucksensor 1 mit Halbleiterchip 2 gemäß Figur 1 unter Weglassen der Kunststoffabdeckungen aus erster und zweiter Kunststoffschicht 15 und 16. Komponenten mit gleichen Funktionen wie in Figur 1 werden mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet und nicht extra erörtert. Das gleiche gilt auch für Figur 3, die im Anschluss erörtert wird.

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Figur 2 zeigt das Gehäuse 8, das von einem Gehäuseaußenrand 28 umgeben ist und die Gehäuseinnenwände 26 aufweist, wobei ein Absatz 19 den Innenraum 12 für die Aufnahme des Halbleiterchips 2 verkleinert. Auf dem Absatz 19 sind Innenabschnitte 31 der Flachleiter 33 zu sehen. Diese Innenabschnitte 31 dienen gleichzeitig als Kontaktanschlussflächen 11 für Verbindungselemente 14, die in dieser Ausführungsform aus Bonddrähten 13 bestehen. Diese Verbindungselemente 14 verbinden die Kontaktanschlussflächen 11 mit Kontaktflächen 6 auf der Oberseite 35 des Halbleiterchips 2. Die Oberseite 35 des Halbleiterchips 2 weist einen druckunempfindlichen Bereich 7 und einen druckempfindlichen Bereich 4 auf, wobei eine gestrichelte Linie 34 die Grenze zwischen den beiden Bereichen andeutet.

Die unter dem druckempfindlichen Bereich 4 angeordnete zylinderförmige Kavität 3 wird zur Oberseite 35 hin durch eine Membran 22 aus Halbleitermaterial abgeschlossen. Diese Membran 22 wird von einer Elektrode 5 bedeckt, die mit einer der Kontaktflächen 6 über eine nicht gezeigte Leiterbahn verbunden ist. Die in Figur 2 dargestellte Struktur wird sichtbar, sobald das Hohlgehäuse 8 mit den Halbleiterchips 2 bestückt ist und die Kontaktflächen 6 des Halbleiterchips 2 mit den Kontaktanschlussflächen 11 auf dem Gehäuseabsatz 19 über Bonddrähte 13 verbunden sind. Danach wird zur Komplettierung des Drucksensors 1 lediglich die in Figur 1 gezeigte erste Kunststoffmasse 15 auf die druckunempfindlichen Bereiche unter Abdichten der Grenzfläche zwischen Gehäuseinnenwänden 26, Gehäuseboden 9, Halbleiterchipaußenrand 29 und dem drukkunempfindlichen Bereich 7 der Oberseite des Halbleiterchips 2 aufgebracht. Dabei werden gleichzeitig die Kontaktflächen 6, die Kontaktanschlussflächen 11 sowie die Innenabschnitte

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31 der Flachleiter und die Verbindungselemente 14 von der ersten Kunststoffmassel5 unter Freilassung des druckempfindlichen Bereichs 4 abgedeckt. Anschließend wird die zweite Kunststoffmasse 16 auf den druckempfindlichen Bereich 4 und auf Teile der ersten Kunststoffmasse 16 aufgebracht.

Figur 3 zeigt einen schematischen Querschnitt durch einen Drucksensor 100 einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. Der Drucksensor 100 gemäß Figur 3 unterscheidet sich von dem Drucksensor 1 gemäß Figur 1 dadurch, dass die erste Kunststoffmasse 15 von einem scheibenförmigen Gehäusedeckel 17 abgedeckt ist, während die zweite Kunststoffmasse 16 über eine Öffnung 18 in dem Kunststoffgehäusedeckel 17 frei zugänglich bleibt. Für das Aufbringen des Gehäusedeckels 17 ergeben sich zwei Möglichkeiten. In dieser zweiten Ausführungsform der Erfindung ist der Deckel 17 vor dem Aufbringen der zweiten Kunststoffmasse 16 und vor dem Aushärten der ersten Kunststoffmasse 15 in die weiche Kunststoffmasse 15 eingebracht worden, so dass eine unmittelbare Adhäsion zwischen Gehäusedeckel 17 und erster Kunststoffmasse 15 auftritt. Danach wurde das Bauteil ohne die zweite Kunststoffmasse 16 zunächst auf 15O⁰C für vier Stunden zum Aushärten beziehungsweise zum Vernetzen des Epoxidharzes der ersten Kunststoffmasse 15 aufgeheizt. Anschließend ist die zweite Kunststoffmasse 16 durch die Öffnung 18 in dem Gehäusedeckel 17 auf die druckempfindliche Membran 22 aufgebracht worden. Bei dem Aufbringen der zweiten Kunststoffmasse kann auch die Öffnung 18 in dem Gehäusedeckel 17 mit der zweiten Kunststoffmasse 16 aufgefüllt werden, was durch die gestrichelte Schraffur 36 in Figur 3 gezeigt wird.

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Bezugszeichenliste

1 Drucksensor

2 Halbleiterchip 3 Kavität

4 druckempfindlicher Bereich

5 Elektroden auf dem druckempfindlichen Bereich

6 Kontaktflächen

7 druckunempfindlicher Bereich 8 Hohlgehäuse

9 ' Gehäuseboden

10 Gehäusewandung

11 Kontaktanschlussfläche

12 Gehäuseinnenraum 13 Bonddraht

14 Verbindungselement

15 erste Kunststoffmasse

16 zweite Kunststoffmasse

17 Gehäusedeckel
18 Öffnung

19 innerer Absatz der Gehäusewandung

20 gasdichte Klebstoffschicht

21 Halbleiterwandung

22 druckempfindliche Membran 23 Elektrode auf Gehäuseboden

24 äußere Unterseite

25 Halbleiteroberfläche

26 Gehäuseinnenwand

27 Grenzfläche zwischen erster Kunststoffmasse und zweiter Kunststoffmasse

28 Gehäuseaußenrand

29 Halbleiterchipaußenrand 30. Flachleiter

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31 Innenabschnitt des Flachleiters

32 Übergangsabschnitt des Flachleiters

33 Außenabschnitt des Flachleiters

34 gestrichelte Linie

35 Oberseite des Halbleiterchips

36 gestrichelte Schraffur 100 Drucksensor

Claims

1. Drucksensor, der folgende Merkmale aufweist:

- einen Halbleiterchip (2) mit

- einem druckempfindlichen Bereich (4), der einem Außendruck ausgesetzt ist, und

- Kontaktflächen (6), die auf einem druckunempfindlichen Bereich (7) des Halbleiterchips (2) angeordnet sind,

- ein Hohlgehäuse (8) mit

- einem Gehäuseboden (9), auf dem der Halbleiterchip (2) angeordnet ist

- einer den Halbleiterchip (2) umgebenden Gehäusewandung (10), durch die Flachleiter (30) mit einem Innenabschnitt (31) in einen Gehäuseinnenraum (12) hineinragen und aus der Außenabschnitte (33) der Flachleiter (30) herausragen,

- Verbindungselemente (14), welche die Kontaktflächen (6) mit den Innenabschnitten (31) elektrisch verbinden,

wobei die Verbindungselemente (14), die Innenabschnitte (31) und die Kontaktflächen (6) innerhalb der umgebenden Gehäusewandung (10) mit einer ersten Kunststoffmasse (15) bedeckt sind und wobei der druckempfindliche Bereich (4) wenigstens teilweise mit einer zweiten Kunststoffmasse (16) bedeckt ist, wobei die ersten Kunststoffmasse (15) bei gleicher Druckbelastung geringeren Verformungen unterliegt als die zweite Kunststoffmasse (16).

2. Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Kunststoffmasse (16) ein Kunststoffgel eines gummielastischen Elastomers auf Silikonbasis ist.

3. Drucksensor nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste (15) Kunststoffmasse ein Duroplast, vorzugsweise ein Epoxidharz oder ein Silikonharz aufweist.

4. Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Hohlgehäuse (8) einen Gehäusedeckel (17) mit einer den druckempfindlichen Bereich (4) und die zweite Kunststoffmasse (16) freilassenden Öffnung (18) aufweist.

5. Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiterchip (2) eine hermetisch abgeschlossene unter Referenzdruck stehende Kavität (3) aufweist.

6. Drucksensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kavität (3) eine zylindrische Form aufweist, die eine starre Halbleiterwandung (21) aus Halbleiterchipmaterial aufweist, und die von einer druckempfindlichen Membran (22) des Halbleiterchipmaterials, welche den druckempfindlichen Bereich (4) des Halbleiterchips (2) bildet, abgeschlossen ist, wobei zwischen der Halbleiterwandung (21) und Gehäuseboden (9) eine gasdichte Klebstoffschicht (20) als hermetischer Verschluss der Kavität (3) vorgesehen ist.

7. Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenabschnitte (33) des Flachleiters (30) in der Höhe einer äußeren Unterseite (24) des Gehäusebodens (9) oder in der Höhe des Gehäusebodens (9) angeordnet sind.

8. Fahrzeugreifen mit einem Drucksensor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.

9. Kraftfahrzeug mit einem Drucksensor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7.