DE4400439C2

DE4400439C2 - Halbleiter-Druckmeßfühler

Info

Publication number: DE4400439C2
Application number: DE4400439A
Authority: DE
Inventors: Takanobu Takeuchi; Keiji Nagatsu
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1993-01-11
Filing date: 1994-01-10
Publication date: 1997-01-09
Anticipated expiration: 2014-01-11
Also published as: DE4400439A1; JPH06207870A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Halbleiter- Druckmeßfühler gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, insbesondere zur Verwendung in einem Fahrzeug oder einer Heißwasserentnahme-Einheit oder dergleichen.

Fig. 7 zeigt eine perspektivische Ansicht zur Veranschauli chung eines herkömmlichen Halbleiter-Druckmeßfühlers. In Fig. 7 sind ein Substrat für eine integrierte Hybridschal tung 1 (HIC (Hybrid IC) Substrat; im folgenden als Hy bridschaltungssubstrat bezeichnet) und ein Druckmeßfühler 3 einzeln auf einer gedruckten Schaltungsplatte 4 angeord net. Das Hybridschaltungssubstrat 1 umfaßt einen Dickschicht-Widerstand eine integrierte Schaltung (IC), einen Kondensator, usw. (in der Darstellung weggelassen), die darauf montiert sind. Das Hybridschaltungssubstrat 1 wird mittels von Anschlußdrähten 2, die als Zuführungs drahtvorrichtungen zum Herstellen von elektrischen Verbin dungen mit einer externen Vorrichtung dienen, auf der gedruckten Schaltungsplatte 4 festgehalten. Das Hybrid schaltungssubstrat 1 und der Druckmeßfühler 3 sind mitein ander über Drähte 5 elektrisch verbunden.

Fig. 8 ist eine seitliche Schnittansicht zur Veranschauli chung eines Druckmeßfühlers 3. In Fig. 8 ist ein Druckmeßfühler-Baustein 6 zum Umwandeln eines gemessenen Drucks in eine Spannung auf einen Rahmen, beispielsweise einen Siliziumrahmen 7, montiert. Der Siliziumrahmen 7 ist angeordnet, um eine auf den Druckmeßfühler-Baustein 6 von außerhalb ausgeübten externe Beanspruchung zu verringern Der Siliziumrahmen 7, auf dem zuvor der Druckmeßfühler- Baustein 6 befestigt ist, ist auf einem Stopfen bzw. Fuß bzw. einer Halterung 8 befestigt. Die Halterung 8 besitzt eine Druckzuführröhre 9 zum Übertragen eines externen Drucks auf den Druckmeßfühler-Baustein 6. Der Druckmeßfühler-Baustein 6 ist über die mit dem Druckmeßfühler-Baustein 6 drahtverbundenen (drahtgebonde ten) Drähte 11 und durch die Halterung 8 festgehaltenen Zuführungsdrähte 10 mit einer externen Einrichtung elek trisch verbunden. Der Druckmeßfühler-Baustein 6, die Drähte 11, usw. sind mit einer Metallkappe 12 bedeckt, die eine Luft-Auslaßöffung 12a besitzt.

Da der herkömmliche Halbleiter-Druckmeßfühler wie vorste hend beschrieben aufgebaut ist, wird der über die Druck zuführröhre 9 angelegte Druck zum Druckmeßfühler-Baustein 6 übertragen, wo der Druck dann durch den Druckmeßfühler- Baustein 6 in eine Spannung umgewandelt wird, die über die Drähte 11 und die Zuführungsdrähte 10 nach außen abgegeben wird. Die abgegebene Spannung wird dem Hybridschaltungs substrat 1 über die auf der gedruckten Schaltungsplatte 4 angeordneten Drähte 5 zugeführt. Dann wird dort die Span nung durch das Hybridschaltungssubstrat 1 auf einen gewünschten Pegel verstärkt, um vor der Ausgabe leicht gehandhabt werden zu können.

Da ein Halbleiter-Druckmeßfühler der vorstehenden Art der art angeordnet wurde, daß das Hybridschaltungssubstrat 1 und der Druckmeßfühler 3 einzeln auf der gedruckten Schal tungsplatte 4 angeordnet sind, tritt das Problem auf, daß die Größe des endgültigen Halbleiter-Druckmeßfühlers nicht verringert werden kann.

Das Hybridschaltungssubstrat 1 und der Druckmeßfühler 3, die einzeln montiert und angepaßt wurden, um eine vorbes timmte Charakteristik zu haben, sind paarweise zusammen gestellt, um nach der Auslieferung miteinander kombiniert zu werden, und werden dann auf die gedruckte Schaltungs platte 4 montiert. Jedoch hat die paarweise Zusammenstel lung des einzeln hergestellten und ausgelieferten Hybridschaltungssubstrat 1 und des Druckmeßfühlers 3 zum Zeitpunkt der Montage das Problem der falschen paarweisen Zusammenstellung-zur Folge, was dazu führt, daß das Hy bridschaltungssubstrat 1 und der Druckmeßfühler 3 irrtümlich miteinander verbunden werden.

Die Druckschrift DE 33 15 266 A1 zeigt einen Halbleiter- Druckmeßfühler der eingangs genannten Art. Der Rahmen bzw. ein Meßrohr, an denen der Druckmeßfühler-Baustein angebracht ist, sind mittels einer Metallkappe an einer Bodenplatte be festigt, auf der das Schaltungssubstrat angeordnet ist.

Diese Ausgestaltung weist allerdings den Nachteil auf, daß der Druckmeßfühler-Baustein, der Rahmen und das Meßrohr bei Vibrationseinwirkungen in Schwingung versetzt werden, wogegen die Bodenplatte am Meßgehäuse fixiert ist. Dies führt zu ei ner erhöhten mechanischen Beanspruchung der Zuleitungsdrähte bzw. deren Lötstellen.

Somit ist die Lebensdauer des Druckmeßsensors unter Vibrati onseinwirkungen stark eingeschränkt.

Auch der in der Druckschrift EP 0 014 452 A2 offenbarte Druckmeßfühler-Baustein kann aufgrund der Höhe eines Sockels bei Vibrationseinwirkungen gegenüber dem Keramiksubstrat in Schwingung versetzt werden.

Ferner ist die in der DE 29 13 772 B2 gezeigte Hülse, in der eine Rohreinheit mit darauf befindlichem Druckmeßfühler-Bau stein befestigt ist, lediglich durch Haft- oder Bindekissen an einem Substrat fixiert. Somit bietet auch diese Ausgestal tung keinen ausreichenden Schwingungsschutz bei Vibrations einwirkungen.

In dem Prospekt "Drucksensoren mit piezoresistiver Vollbrücke auf einer Silizium-Chip-Membrane" der Fa. DELTA Regeltechnik GmbH vom November 1986 ist ein Halbleiter-Druckmeßfühler mit einem Gelmaterial als Abdeckung offenbart.

Darüber hinaus zeigt die Druckschrift DE 37 23 561 A1 einen Druckmeßfühler, bei dem Bandträger als Bonddrähte verwendet werden.

Schließlich offenbart der Artikel "piezoresistive Pressure Sensor . . . " von F. Breimesser u. a., Siemens Forsch.- und Ent wickl.-Ber. Bd. 10 (1981) Nr. 2, S. 72-77 einen Druckmeßfüh ler mit einem Schutzring, der den Fühler und die Verbindungs elemente umgibt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Halbleiter- Druckmeßfühler gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 dahingehend weiterzubilden, daß eine verbesserte Zuverlässig keit bei Vibrationseinwirkungen gewährleistet ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Maßnahmen gelöst.

Aufgrund der erfindungsgemäßen Einpassung der Halterung in den Öffnungsteil des Substrats kann die Halterung mit dem Druckmeßfühler-Baustein ähnlich einem Verschlußstopfen paßge nau in das Hybridsubstrat gesteckt und angelötet werden. Dies ermöglicht eine schwingungsarme Befestigung des Druckmeßfüh ler-Bausteins.

Die stopfenförmige Ausgestaltung der Halterung führt zudem zu geringeren Abmessungen des Halbleiter-Druckmeßfühlers und er möglicht eine Zuordnung verschiedener Druckmeßfühler-Bau steine zu den entsprechenden Schaltungssubstraten durch Ver änderung des Öffnungsdurchmessers, so daß der Einbau eines falschen Druckmeßfühler-Bausteins vermeidbar ist.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbei spielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Schnittansicht zur Veranschauli chung eines Hybridschaltungssubstrats, eines Druckmeß fühler-Bausteins, usw., zur Verwendung in einem Halb leiter-Druckmeßfühler gemäß einem ersten Ausführungsbei spiel der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 eine seitliche Schnittansicht zur Veranschaulichung der Halbleiter-Druckmeßfühlers gemäß dem ersten Aus führungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;

Fig. 3 eine seitliche Schnittansicht zur Veranschaulichung eines Halbleiter-Druckmeßfühlers gemäß einem zweiten Aus führungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;

Fig. 4 eine seitliche Schnittansicht zur Veranschaulichung eines Halbleiter-Druckmeßfühlers gemäß einem dritten Aus führungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;

Fig. 5 eine seitliche Schnittansicht zur Veranschaulichung eines Halbleiter-Druckmeßfühlers gemäß einem vierten Aus führungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;

Fig. 6 eine seitliche Schnittansicht zur Veranschaulichung eines Halbleiter-Druckmeßfühlers gemäß einem fünften Aus führungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;

Fig. 7 eine perspektivische Darstellung zur Veranschauli chung eines herkömmlichen Halbleiter-Druckmeßfühlers; und

Fig. 8 eine seitliche Schnittansicht zur Veranschaulichung eine Druckmeßfühlers des in Fig. 7 gezeigten Halbleiter- Druckmeßfühlers.

Erstes Ausführungsbeispiel

Fig. 1 ist eine schematische Schnittansicht zur Veran schaulichung eines Hybridschaltungssubstrats 13, eines Druckmeßfühler-Bausteins 6, usw., zur Verwendung in einem erfindungsgemäßen Halbleiter-Druckmeßfühler. In Fig. 1 besitzt das Hybridschaltungssubstrat 13 einen Dickschicht widerstand, eine integrierte Schaltung (IC), einen Konden sator, usw. (in der Darstellung weggelassen), die darauf gebildet sind. Desweiteren besitzt das Hybridschaltungs substrat 13 einen Öffnungsteil 13a mit einem Durchmesser größer als der äußere Durchmesser des Druckmeßfühler- Bausteins 6. Ein Rahmen, beispielsweise ein Siliziumrahmen 7, auf dem der Druckmeßfühler-Baustein 6 zuvor befestigt wurde, ist auf einem Stopfen bzw. einem Fuß bzw. einer Halterung 8 befestigt. Eine Druckzuführröhre 9 ist mit der Halterung 8 verbunden. Desweiteren sind Durchgangslöcher 8a und 7a zum Zuführen eines Drucks zur rückwärtigen Seite einer Membran des Druckmeßfühler-Bausteins 6 in der Hal terung 8 und im Siliziumrahmen 7 gebildet.

Der wie vorstehend beschrieben aufgebaute Halbleiter- Druckmeßfühler ist derart angeordnet, daß der Siliziumrah men 7 mit dem darauf befestigten Druckmeßfühler-Baustein 6 auf einer Seite der Halterung 8 befestigt ist. Zusätzlich ist die Druckzuführröhre 9 auf der anderen Seite der Hal terung 8 angeordnet. Dann sind der Druckmeßfühler-Baustein 6 und der Siliziumrahmen 7 in den Öffnungsteil 13a einge bracht und das Hybridschaltungssubstrat 13 und die Halte rung 8 sind mittels Löten befestigt. D.h. ein Lot 20 ist auf einer Oberfläche des Hybridschaltungssubstrats 13 be nachbart zum Öffnungsteil 13a angeordnet, wobei die Oberfläche eine Oberfläche ist, an der die Halterung 8 be festigt wird. Dann wird die Halterung 8 mit dem Lot 20 in Kontakt gebracht und anschließend wird das Lot 20 zum Schmelzen erhitzt, so daß das Hybridschaltungssubstrat 13 und die Halterung 8 aufeinander befestigt sind.

Dann werden der Druckmeßfühler-Baustein 6 und das Hybrid schaltungssubstrat 13 elektrisch miteinander über Drähte 11 verbunden, die elektrische Verbindungsvorrichtungen sind. Dann ist ein Gelmaterial, beispielweise Silikongel, mittels Vergießen auf dem im Hybridschaltungssubstrat 13 gebildeten Öffnungsteil 13a aufgebracht, um den Druckmeßfühler-Baustein 6, die Drähte 11, usw., zu bedecken. Eine Vielzahl von Zuführungsdrahtvorrichtungen zum Herstellen einer elektrischen Verbindung mit einer exter nen Vorrichtung, wie beispielsweise Anschlußdrähte 2, führen in derselben Richtung heraus wie die Druckzuführ röhre 9. Auf diese Weise ist ein sogenanntes Dual-In-Line- Gehäuse (d. h. ein Schaltungsgehäuse mit zwei Reihen von Anschlußdrähten) Halbleiter-Druckmeßfühler gebildet, der eine derartige Anordnung besitzt, daß die Anschlußdrähte 2 über die zwei Seiten des Hybridschaltungssubstrats 13 her ausragen. Die Verwendung der Dual-In-Line-Gehäuse-Struktur ermöglicht die gemeinsame Montage der Druckzuführröhre 9 und der Anschlußdrähte 2 aus derselben Richtung. Demzu folge kann der Vorgang vereinfacht werden.

Zweites Ausführungsbeispiel

Fig. 3 ist eine seitliche Schnittansicht zur Veranschauli chung eines Halbleiter-Druckmeßfühlers gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Ausführungsbeispiel in Fig. 3 ist dadurch gekennzeichnet, daß Bandträger 15 für automatisches Kontaktieren (TAB (tape automatic bonding)-Typ Bandträger) angeordnet sind, um als elektrische Verbindungsvorrichtung zur Herstellung der elektrischen Verbindungen zwischen dem Hybridschal tungssubstrat 13 und Elektroden 6a des Druckmeßfühler- Bausteins 6 zu dienen. Die Verwendung der Bandträger 15 ermöglicht, daß der Halbleiter-Druckmeßfühler verbesserte Stabilität gegenüber Schwingungen besitzt.

Drittes Ausführungsbeispiel

Fig. 4 ist eine seitliche Schnittansicht zur Veranschauli chung eines Halbleiter-Druckmeßfühlers gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Ausführungsbeispiel in Fig. 4 ist dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlußdrähte 2 zur Herstellung der elektrischen Verbindung zwischen dem Halbleiter-Druckmeßfühler und ei ner externen Vorrichtung in einer Richtung verschieden von der Richtung der Druckzuführröhre 9 beispielsweise, auf einer von beiden Seiten angeordnet sind. Demzufolge ist ein Single-In-Line-Gehäuse (Gehäuse mit Anschlüssen nur an einer Seite) Halbleiter-Druckmeßfühler gebildet, der eine Anordnung besitzt, in der die Zuführungsdrähte in einer Richtung herausführen. Aus diesem Grund kann der Halbleiter-Druckmeßfühler leicht in einem Fahrzeug oder dergleichen montiert werden, auch wenn die Druck zuführröhre 9 und die Anschlußdrähte 2 vertikal befestigt werden müssen.

Viertes Ausführungsbeispiel

Fig. 5 ist eine seitliche Schnittansicht zur Veranschauli chung eines Halbleiter-Druckmeßfühlers gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Ausführungsbeispiel in Fig. 5 ist dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlußdrähte 2 zur Herstellung der elektrischen Verbindung zwischen dem Halbleiter-Druckmeßfühler und ein er externen Vorrichtung in einer Richtung entgegengesetzt zur Richtung der Druckzuführröhre 9 herausgeführt sind. Demzu folge ist ein Dual-In-Line-Gehäuse (d. h. ein Schaltungs gehäuse mit zwei Reihen von Anschlußdrähten)-Typ Halbleiter-Druckmeßfühler aufgebaut. In diesem Fall kann die Anordnung gemäß diesem Ausführungsbeispiel in einem Fall verwendet werden, in dem die Richtung der An schlußdrähte 2 und eine Röhre zum Verbinden der Druck zuführröhre 9 in entgegengesetzten Richtungen angeordnet sind.

Fünftes Ausführungsbeispiel

Fig. 6 ist eine seitliche Schnittansicht zur Veranschauli chung eines Halbleiter-Druckmeßfühlers gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. In Fig. 6 können der Druckmeßfühler-Baustein 6 und die Drähte 11 weiterhin zufriedenstellend durch eine Schutzring 16 geschützt werden, der so angeordnet ist, daß er den Druckmeßfühler-Baustein 6 und die Drähte 11 umgibt. Der Schutzring 16 besteht, beispielsweise, aus Kunststoff und kann mit einem Klebstoff benachbart zum im Hybridschal tungssubstrat 13 gebildeten Öffnungsteil 13a angeordnet sein. Der Schutzring 16 kann, verglichen mit einer Metall kappe, leicht angeordnet werden und ermöglicht einen wir kungsvolleren Schutz des Druckmeßfühler-Bausteins 6, usw. Daher kann die Stabilität des Halbleiter-Druckmeßfühlers gegenüber Schwingungen weiter verbessert werden.

Wie vorstehend beschrieben, ermöglicht die Integration des Hybridschaltungssubstrats und der Druckmeßfühlers, die Größe des Halbleiter-Druckmeßfühlers zu verringern, so daß falsches paarweises Zusammenstellen des Hybridschaltungs substrats und der Druckmeßfühlers verhindert und die Zu verlässigkeit gegen Schwingungen verbessert werden kann. Desweiteren kann die Zuverlässigkeit des Halbleiter- Druckmeßfühlers gegen Schwingungen verbessert werden. Zusätzlich kann der Schutzring, verglichen mit der Metall kappe, leicht angeordnet werden. Demzufolge ist die Zu verlässigkeit des Halbleiter-Druckmeßfühlers gegen Schwin gungen verbessert.

Claims

1. Halbleiter-Druckmeßfühler, mit:

a) einem Hybridschaltungssubstrat (13) mit einem darin gebil deten Öffnungsteil (13a);
b) einer Halterung (8), die am Hybridschaltungssubstrat (13) befestigt ist und
c) einen Rahmen (7) mit darauf montiertem Druckmeßfühler-Bau stein (6) trägt, so daß der Rahmen (7) im Öffnungsteil (13a) angeordnet ist;
d) elektrischen Verbindungseinrichtungen (11) zum Herstellen einer elektrischen Verbindung zwischen dem Druckmeßfühler-Bau stein (6) und dem Hybridschaltungssubstrat (13); und
e) Zuführungsdrahtvorrichtungen (2) zum Herstellen der elek trischen Verbindung zwischen dem Hybridschaltungssubstrat (13) und einer externen Vorrichtung,

dadurch gekennzeichnet, daß

e) die Halterung (8) in den Öffnungsteil (13a) des Hybridschaltungssubstrats (13) stopfenförmig eingepaßt und am Hybridschaltungssubstrat (13) angelötet ist, und daß
f) ein Gelmaterial (14) derart angeordnet ist, daß der im Hybridschaltungssubstrat (13) gebildete Öffnungsteil (13a), der Rahmen (7), der Druckmeßfühler-Baustein (6) und die elek trischen Verbindungsvorrichtungen (11) davon bedeckt sind.

2. Halbleiter-Druckmeßfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Verbindungsvorrichtungen (11) ein Bandträger für automatisches Kontaktieren sind.

3. Halbleiter-Druckmeßfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schutzring (16) benachbart zu dem im Hybridschaltungs substrat (13) gebildeten Öffnungsteil (13a) angeordnet ist, um den Druckmeßfühler-Baustein (6) und die elektrischen Verbin dungsvorrichtungen (11) zu umgeben.

4. Halbleiter-Druckmeßfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiter-Druckmeßfühler in einer Struktur eines Gehäuses mit zwei Reihen von Zuführungsdrahtvorrichtungen gebildet ist.

5. Halbleiter-Druckmeßfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiter-Druckmeßfühler in einer Struktur eines Gehäuses mit Zuführungsdrahtanschlüssen auf nur einer Seite gebildet ist.