DE4203832A1 - Halbleiter-druckaufnehmer - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft einen Halbleiter-Druckaufnehmer (kurz:
Druckaufnehmer), der insbesondere Druck präzise dadurch mes
sen kann, daß bei der Herstellung erzeugte innere Spannungen
verringert sind.
Fig. 12 ist ein Querschnitt durch einen konventionellen
Druckaufnehmer, der beispielsweise in der US-PS 46 55 088
gezeigt ist. Die Fig. 13 bzw. 14 sind ein Querschnitt bzw.
eine Draufsicht eines Außengehäuses des Druckaufnehmers von
Fig. 12. Nach den Zeichnungen ist ein Druckaufnehmerchip 1
mit einem Chipbondmaterial 6 an einem Außengehäuse 10 befe
stigt, das ein integrales Formteil beispielsweise aus
Epoxidharz ist. In dem Außengehäuse 10 ist eine Öffnung 13
gebildet, und eine Zuleitung 8 ist vorher darin angebracht
worden. Der Druckaufnehmerchip 1 und die Zuleitung 8 sind
miteinander durch einen Leiter 9 verbunden, und der obere
Teil des Druckaufnehmerchips 1 ist mit einem Schutzharz 14
überzogen. Eine Staubschutzscheibe 12 mit einer darin gebil
deten Öffnung 11 ist im oberen Teil des Druckaufnehmerchips 1
angeordnet.
Dieser Druckaufnehmer wird so hergestellt, daß er gemeinsam
mit der Zuleitung 8 integral geformt wird unter Bildung des
Außengehäuses 10. Anschließend erfolgt Chipbonden des Druck
aufnehmerchips 1 mit Hilfe des Chipbondmaterials 6, und der
Druckaufnehmerchip 1 und die Zuleitung 8 werden durch Draht
bonden mit dem Leiter 9 verbunden. Dann wird das Schutzharz
14 auf die Oberfläche des Druckaufnehmerchips 1 aufgebracht,
und eine Scheibe 12 wird mit dem Außengehäuse 10 haftend ver
bunden, so daß damit der Druckaufnehmer fertiggestellt ist.
Wie oben beschrieben, ist der Druckaufnehmerchip 1 durch das
Chipbondmaterial 6 mit dem Außengehäuse 10 fest verbunden,
das gemeinsam mit der Zuleitung 8 integral geformt ist. Daher
sind der Leiter 9 und der Druckaufnehmerchip 1 nicht integral
mit dem Außengehäuse 10 geformt, sondern nur die Zuleitung 8
und das Außengehäuse 10 sind gemeinsam integral geformt.
Um die Charakteristiken des so aufgebauten Druckaufnehmers
durch Verringerung der inneren Spannungen zu verbessern, ist
es am wirksamsten, die herzustellende Komponente aus einem
Material zu fertigen, dessen linearer Ausdehnungskoeffizient
demjenigen von Silizium angenähert ist, das das Material für
den Druckaufnehmerchip 1 ist. Das heißt also, daß die Genau
igkeit des Druckaufnehmers durch die physikalischen Eigen
schaften des eingesetzten Materials bestimmt ist, denn die
bei der Herstellung erzeugten inneren Spannungen wirken auf
den Widerstand des Druckaufnehmers, wodurch die Druckmeßge
nauigkeit verschlechtert wird.
Bisher werden die Linearität der Offsetabwanderung (die
Linearität der Temperaturänderung der Offsetspannung) und die
Linearität der Bereichsabwanderung (die Linearität der Aus
gangsspannung beim Aufbringen von Druck) im wesentlichen
durch den Aufbau und das Material des Druckaufnehmers be
stimmt. Das Material und die Struktur müssen daher geändert
werden, um befriedigende Charakteristiken zu erreichen. Bei
spielsweise hat der Druckaufnehmer von Fig. 12 schlechte
Charakteristiken, und die Anwendungsgebiete, auf denen er
eingesetzt werden kann, sind durch die erreichbare Meßgenau
igkeit begrenzt. Der Grund liegt darin, daß die inneren Span
nungen, die nach der Montage der Komponenten erzeugt werden,
zu groß sind, weil die Differenz zwischen dem linearen Aus
dehnungskoeffizienten 3,5×10-6 (1/°C) von Silizium, aus dem
der Druckaufnehmerchip 1 besteht, und dem linearen Ausdeh
nungskoeffizienten 33×10-6 (1/°C) beispielsweise des
Epoxidharzes des Außengehäuses 10 zu groß ist, da das Außen
gehäuse 10 durch Chipbonden direkt mit dem Druckaufnehmer 1
verbunden ist.
Um also einen genauen Druckaufnehmer zu erhalten, wird ein
Siliziumsockel, der aus dem gleichen Material wie der Sili
ziumchip besteht, oder beispielsweise ein Pyrex-Glassockel
mit im wesentlichen dem gleichen linearen Ausdehnungskoeffi
zienten wie der Siliziumchip mit dem Siliziumchip integral
geformt, und der so geformte Sockel wird durch Chipbonden mit
dem Leiterrahmen oder der Basis verbunden, wodurch die inne
ren Spannungen verringert werden. Je dicker der Sockel, umso
größer ist die Auswirkung in bezug auf eine Verminderung der
inneren Spannungen. Wenn aber der Sockel große Dicke hat,
kann beim Drahtbonden die Temperatur an der Drahtbondstelle
des Druckaufnehmerchips nicht ohne weiteres erhöht werden. Es
ist also notwendig, die Temperatur eines Heizelements zum
Erwärmen der Drahtbondstelle zu erhöhen. Diese Temperatur
darf aber zum Drahtbonden nicht über die Formänderungstem
peratur des Gießharzes erhöht werden. Somit muß das Draht
bonden durch Ultraschallschwingungen und Applikationsdraht
bonden erfolgen, wobei Ultraschallschwingungen und Applika
tionskraft angewandt werden. Wenn jedoch der Pegel der Ultra
schallschwingungen erhöht wird, entsteht das weitere Problem,
daß die Metallisierung auf der Zuleitung relativ dick gemacht
werden muß.
Aufgabe der Erfindung ist daher die Bereitstellung eines
Druckaufnehmers mit befriedigender Genauigkeit, die durch
Verringerung von Spannungen und Dehnungen realisiert wird
(die Spannungen und Dehnungen ändern sich linear innerhalb
einer elastischen Grenze), die aufgrund der Differenz zwi
schen den linearen Ausdehnungskoeffizienten von verschiedenen
Materialien bei der Montage der Komponenten eines Druckauf
nehmers erzeugt werden, indem die Dimensionen (die Dicke)
eines Sockels und die Form eines Außengehäuses, durch die
angegebenen Spannungen und Dehnungen besonders stark beein
flußt werden, richtig bemessen werden.
Zur Lösung der angegebenen Aufgabe wird gemäß einem Aspekt
der Erfindung ein Halbleiter-Druckaufnehmer angegeben, der
folgendes aufweist: einen Halbleiter-Druckaufnehmerchip, an
dem ein Widerstand vorgesehen und eine Membran gebildet ist;
einen Sockel, auf dem der Halbleiter-Druckaufnehmerchip an
geordnet ist; eine Chipkontaktfläche, auf der der Sockel an
geordnet ist; eine Zuleitung; einen Leiter zum elektrischen
Anschluß der Zuleitung an den Halbleiter-Druckaufnehmerchip;
und ein Außengehäuse zum integralen Kapseln des Halbleiter-
Druckaufnehmerchips, des Sockels, der Zuleitung, des Leiters
und der Chipkontaktfläche mit Ausnahme der Membranoberfläche
des Halbleiter-Druckaufnehmerchips und der Rückseite der
Chipkontaktfläche.
Die Erfindung wird nachstehend auch hinsichtlich weiterer
Merkmale und Vorteile anhand der Beschreibung von Ausfüh
rungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die beiliegenden
Zeichnungen näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen in:
Fig. 1 einen Querschnitt durch ein Ausführungsbeispiel des
Druckaufnehmers nach der Erfindung;
Fig. 2 eine Draufsicht auf den Druckaufnehmer von Fig. 1;
Fig. 3 ein Diagramm, das die Beziehung zwischen dem Ver
hältnis des Durchmessers einer im Außengehäuse ge
bildeten Öffnung und des Durchmessers der Membran
zu der mechanischen Spannung der Membran wieder
gibt;
Fig. 4 einen Querschnitt durch den Druckaufnehmer zur
Verdeutlichung der in Fig. 3 dargestellten
Durchmesser der Membran und der im Außengehäuse
gebildeten Öffnung;
Fig. 5 ein Diagramm, das die Beziehung zwischen dem Ver
hältnis der Dicken eines Sockels und des Druckauf
nehmers zu der mechanischen Spannung der Membran
zeigt;
Fig. 6 einen Querschnitt durch den Druckaufnehmer zur
Verdeutlichung der in Fig. 5 angegebenen Dicken des
Druckaufnehmers und des Sockels;
Fig. 7 einen Querschnitt durch ein weiteres Ausführungs
beispiel des Druckaufnehmers nach der Erfindung;
Fig. 8 eine Rückansicht, die ein weiteres Ausführungsbei
spiel des Druckaufnehmers nach der Erfindung zeigt;
Fig. 9 eine Rückansicht eines anderen Ausführungsbeispiels
des Druckaufnehmers nach der Erfindung;
Fig. 10 ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Dicke
des Außengehäuses und der Spannung der Membran
zeigt;
Fig. 11 einen Querschnitt durch den Druckaufnehmer zur Ver
deutlichung der Dicke des Außengehäuses von Fig.
10;
Fig. 12 einen Querschnitt durch einen konventionellen
Druckaufnehmer;
Fig. 13 einen Querschnitt durch das Außengehäuse des Druck
aufnehmers von Fig. 12; und
Fig. 14 eine Draufsicht, die das Außengehäuse des Druckauf
nehmers von Fig. 12 zeigt.
Fig. 1 zeigt im Querschnitt ein Ausführungsbeispiel des
Druckaufnehmers, und Fig. 2 ist eine Draufsicht auf ihn. In
den Zeichnungen sind mit 1, 6 und 8-10 die gleichen Elemente
wie bei dem konventionellen Druckaufnehmer bezeichnet. Der
Druckaufnehmer 1 hat eine durch Ätzen geformte Membran 2, und
auf der Membran 2 ist ein piezoelektrischer Widerstand 3 ge
bildet. Der Druckaufnehmerchip 1 ist auf einem Sockel 5 ange
ordnet, der auf der Oberfläche einer Chipkontaktfläche 7
durch Chipbondmaterial 6, beispielsweise Silikongummi, befe
stigt ist. Die Chipkontaktfläche 7 wird vorher nach unten
umgebogen zur Bildung einer Stufe, die der Gesamtdicke des
Druckaufnehmerchips 1 und des Sockels 5 entspricht. Der
Leiterrahmen einschließlich der Chipkontaktfläche 7 besteht
beispielsweise aus 42-Legierung, und innere und äußere Zu
leitungen des Leiterrahmens werden vorher metallisiert. Eine
vorher auf dem Druckaufnehmerchip 1 gebildete Drahtbondinsel
4 und die Zuleitung 8 sind miteinander durch den Leiter 9
verbunden.
Der oben beschriebene Druckaufnehmerchip 1, der Sockel 5, der
Leiter 9 und die Chipkontaktfläche 7 sind durch das Außenge
häuse 10, das beispielsweise Epoxidharz ist, integral gekap
selt mit Ausnahme der Oberfläche der Membran 2 und der Rück
seite der Chipkontaktfläche 7. Das integrale Kapseln mittels
des Außengehäuses 10 kann durch ein übliches Verfahren zur
Herstellung von ICs vervollständigt werden. Bisher kann der
integrale Formvorgang nicht mit einer allgemeinen IC-Montage
straße kombiniert werden, weil die im Druckaufnehmerchip 1
aufgrund einer thermischen Verformung erzeugten Spannungen
nicht absorbiert werden können. Die Komponenten für den
Druckaufnehmer gemäß der Erfindung können aber unter Anwen
dung konventioneller Einrichtungen und Montagestraßen zu
sammengebaut werden.
Unter Bezugnahme auf die Fig. 3 und 4 wird beschrieben, wie
die in dem piezoelektrischen Widerstand auf der Membran er
zeugten Spannungen bei dem so aufgebauten Druckaufnehmer sich
entsprechend dem Verhältnis des Durchmessers D1 einer in dem
geformten Außengehäuse 10 gebildeten Öffnung zu dem Durch
messer D0 der Membran 2 ändern. Das Diagramm von Fig. 3 zeigt
die Größe der mechanischen Spannung in bezug auf das Verhält
nis D1/D0, wobei die Spannung mit 1 (100%) angenommen ist,
wenn also der Durchmesser D1 der Öffnung gleich der Dimension
D0 der Membran ist. Aus dem Diagramm ist ersichtlich, daß bei
einem Verhältnis D1/D0 von 1,6 die Spannung um 20% herabge
setzt werden kann. Wie oben beschrieben, kann die in dem Teil
des Druckaufnehmerchips 1, in dem der piezoelektrische Wider
stand 3 angeordnet ist, erzeugte Spannung dadurch verringert
werden, daß das Verhältnis D1/D0 zu 1 oder größer gemacht
wird.
Die Fig. 5 bzw. 6 verdeutlichen eine Auswirkung, die erhalten
wird, wenn die Rückseite der Chipkontaktfläche 7 nicht von
dem Außengehäuse 10 umkapselt ist, und zeigen ferner die Be
ziehung des Verhältnisses der Dicke T des Sockels 5 und der
Dicke T1 des Druckaufnehmerchips 1 zu der mechanischen Span
nung, die in einem Teil erzeugt wird, in dem der piezoelek
trische Widerstand 3 angeordnet ist. In Fig. 5 wird davon
ausgegangen, daß die erzeugten mechanischen Spannungen dann 1
(100%) sind, wenn T/T1 = 7,5, und schwarze Punkte zeigen die
Größe der Hauptspannungen, die in dem piezoelektrischen Wi
derstand 3 auf der Membran 2 des Druckaufnehmerchips 1 auf
treten, während die weißen Punkte den Absolutwert der Haupt
spannung zeigen, die auf den Sockel 5 wirkt. Wenn, wie die
Zeichnungen zeigen, T/T1 von 7,5 auf 1,25 verringert wird,
können die mechanischen Spannungen von 100% auf 50% ver
ringert werden. Wie oben beschrieben, können die in dem
Druckaufnehmerchip 1 erzeugten mechanischen Spannungen ver
ringert werden, indem das Verhältnis zwischen der Dicke des
Sockels 5 und der Dicke des Druckaufnehmerchips 1 zu 7,5 oder
kleiner gemacht wird. Da die Dicke des Sockels 5 verringert
ist, kann ferner als die Heizeinrichtung eine zum Formen von
ICs verwendete normale Heizeinrichtung eingesetzt werden, um
die Temperatur auf einen Wert zu erhöhen, der zum Drahtbonden
notwendig ist.
Bei der in Fig. 5 gezeigten Konstruktion ist zwar das Außen
gehäuse 10 nicht an der Rückseite der Chipkontaktfläche 7
vorgesehen, aber es kann auch die Konstruktion gemäß Fig. 7
verwendet werden, bei der das Außengehäuse 10 den Endab
schnitt der Rückseite der Chipkontaktfläche 7 umgibt, um
dadurch den Durchmesser der Öffnung größer als den Durch
messer D1 zu machen. Die Form der Rückseite des Druckauf
nehmers kann verschieden sein. Beispielsweise kann eine
symmetrische Form entsprechend Fig. 8 und eine Konstruktion
gemäß Fig. 9, bei der die gegenüberstehenden Flächen zuein
ander symmetrisch sind, verwendet werden.
Das Diagramm von Fig. 10 zeigt, wie die mechanische Spannung
in dem Teil, in dem der piezoelektrische Widerstand angeord
net ist, geändert wird, wenn die Dicke W des Außengehäuses 10
von Fig. 11 geändert wird. Da die inneren Spannungen in dem
Teil, in dem der piezoelektrische Widerstand 3 angeordnet
ist, durch Vergrößern der Dicke des Seitenteils des Außen
gehäuses 10 verringert werden kann, kann die Dicke des den
Sockel 5, die Chipkontaktfläche 7 und den Druckaufnehmerchip
1 umgebenden Kunstharzes frei bestimmt werden, wenn sie grö
ßer als ein vorbestimmter Wert ist. Wenn man also annimmt,
daß die mechanische Spannung bei W = 0,3 mm (schwarzer Punkt
A) 1 (100%) ist, wird die Spannung in dem Membranteil 93%
bei W = 0,45 mm (schwarzer Punkt B). Ferner zeigt der schwar
ze Punkt C die Tatsache, daß die mechanische Spannung 100%
wird, weil sie um 7% ansteigt, wenn eine Druckeinführleitung
20 für einen Druckaufnehmer vorgesehen wird, der so ausge
legt ist, daß W = 0,45 mm. Da, wie oben beschrieben, der
integral gekapselte Druckaufnehmer eine in seinem Membranteil
gebildete Öffnung hat, wird der Einfluß der Dicke der Kunst
harzschicht, die den Sockel 5, die Chipkontaktfläche 7 und
den Druckaufnehmerchip 1 umgibt, vermindert. Wenn also die
Druckeinführleitung 20 vorgesehen oder die Form aus irgend
welchen Gründen geändert ist, werden die in der Membran er
zeugten mechanischen Spannungen nicht größer. Infolgedessen
kann ein Druckaufnehmer mit großer Konstruktionsfreiheit
erhalten werden.
Bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel hat der Druck
aufnehmer einen Sockel 5. Eine Konstruktion mit Sockel kann
verwendet werden, wenn der Druckaufnehmer sehr hohe Genauig
keit haben soll. Eine Konstruktion ohne Sockel kann verwendet
werden, wenn die große Genauigkeit nicht gefordert ist. In
diesem Fall kann der sockellose Druckaufnehmer durch inte
grales Formen im gleichen Montageablauf hergestellt werden,
wenn die Form für das integrale Formen ausgewechselt wird.
Der Silikongummi, der als Chipkontaktmaterial 6 bei der Er
findung eingesetzt wird, kann durch Epoxidharz oder Lot
ersetzt werden.
Wie oben beschrieben, kann ein Druckaufnehmer mit der ge
wünschten Genauigkeit erhalten werden, weil die in dem Druck
aufnehmerchip erzeugten Wärmespannungen frei vermindert wer
den können. Ferner kann der Druckaufnehmer in einem allge
meinen IC-Herstellungsverfahren hergestellt werden, wodurch
ein billiger Druckaufnehmer hoher Güte erhalten wird. Außer
dem kann das Verhältnis zwischen der Dicke des Sockels und
der Dicke des Druckaufnehmerchips auf 7,5 oder kleiner ver
ringert werden. Die zum Drahtbonden erforderliche Temperatur
kann dadurch gesenkt werden, und das Eindiffundieren von
Grundmetall in die auf dem Leiterrahmen gebildete Metallisie
rungsschicht kann vermindert werden. Infolgedessen kann die
Dicke der Metallisierung herabgesetzt werden.
Claims (5)
1. Halbleiter-Druckaufnehmer,
gekennzeichnet durch
einen Halbleiter-Druckaufnehmerchip (1), auf dem ein Widerstand (3) vorgesehen und eine Membran (2) gebildet ist; einen Sockel (5), auf dem der Halbleiter-Druckaufnehmer chip (1) angeordnet ist;
eine Chipkontaktfläche (7), auf der der Sockel (5) posi tioniert ist;
eine Zuleitung (8);
einen Leiter (9) zum elektrischen Verbinden der Zuleitung (8) mit dem Halbleiter-Druckaufnehmerchip (1); und
ein Außengehäuse (10) zum integralen Kapseln des Halb leiter-Druckaufnehmerchips (1), des Sockels (5), der Zu leitung (8), des Leiters (9) und der Chipkontaktfläche (7) mit Ausnahme der Oberfläche der Membran (5) des Halbleiter- Druckaufnehmerchips (1) und der Rückseite der Chipkontakt fläche (7).
einen Halbleiter-Druckaufnehmerchip (1), auf dem ein Widerstand (3) vorgesehen und eine Membran (2) gebildet ist; einen Sockel (5), auf dem der Halbleiter-Druckaufnehmer chip (1) angeordnet ist;
eine Chipkontaktfläche (7), auf der der Sockel (5) posi tioniert ist;
eine Zuleitung (8);
einen Leiter (9) zum elektrischen Verbinden der Zuleitung (8) mit dem Halbleiter-Druckaufnehmerchip (1); und
ein Außengehäuse (10) zum integralen Kapseln des Halb leiter-Druckaufnehmerchips (1), des Sockels (5), der Zu leitung (8), des Leiters (9) und der Chipkontaktfläche (7) mit Ausnahme der Oberfläche der Membran (5) des Halbleiter- Druckaufnehmerchips (1) und der Rückseite der Chipkontakt fläche (7).
2. Halbleiter-Druckaufnehmer nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Verhältnis der Dicke des Sockels (5) zu der Dicke des
Halbleiter-Druckaufnehmerchips (1) 7,5 oder kleiner ist.
3. Halbleiter-Druckaufnehmer nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Verhältnis des Durchmessers einer in dem Außengehäuse
(10) über der Membran (5) gebildeten Öffnung zu dem Durch
messer der Membran (5) 1 oder größer ist.
4. Halbleiter-Druckaufnehmer nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Außengehäuse (10) aus Epoxidharz besteht.
5. Halbleiter-Druckaufnehmer nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein Chipbondmaterial (6) Silikongummi ist.
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