DE4203832C2 - Halbleiter-Druckaufnehmer - Google Patents

Halbleiter-Druckaufnehmer

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Description

Die Erfindung betrifft einen Halbleiter-Druckaufnehmer gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1 oder 2.
Fig. 12 ist ein Querschnitt durch einen konventionellen Druckaufnehmer, der beispielsweise in der US-PS 4 655 088 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 (l/°C) von Silizium, aus dem der Druckaufnehmerchip 1 besteht, und dem linearen Ausdeh­ nungskoeffizienten 33 × 10-6 (l/°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.
Aus der US-PS 4 502 335 ist ein Drucksensor mit Sockel und einem darauf angeordneten selektiven Diaphragma bekannt. Das Diaphragma wird über Bonddrähte mit äußeren Anschlußelementen verbunden. Ein kappenförmiges Gehäuse umgibt das Diaphragma sowie die Anschlußelemente. Das Gehäuse steht dabei mit dem Diaphragma nicht unmittelbar in Verbindung. Dadurch, daß das Gehäuse nicht in einem Formvorgang integral ausgebildet ist, sondern über einen Träger gestülpt und mit diesem verlötet wird, werden mechanische Spannungen im Montageprozeß, die auf das Diaphragma übertragbar sind, von vorneherein minimiert. Nachteilig ist jedoch die außerordentlich aufwendige Gesamt­ konstruktion.
Bei dem gattungsbildenden JP-Abstract 2-69630 (A) wird ein Halbleiter-Drucksensor gezeigt, der einen Träger aufweist, welcher hermetisch mit einer Kappe verlötet ist. Eine integrale Außengehäuseausbildung ist nicht vorgesehen.
Die DE-OS 23 00 254 offenbart einen Druckaufnehmer für Flüssigkeiten oder Gase unter Verwendung einer Membran mit einem verdickten Unterstützungsrand. Durch die Ausbildung von Kanälen für Stromzuführungsleiter in einem Träger soll die elektrische und mechanische Verbindung vereinfacht werden.
Die EP 0 386 959 A2 zeigt ein kostengünstiges Gehäuse für einen Drucksensor, wobei der eigentliche sensitive Chip von einer zusammenhängenden, umlaufenden Wulst umfaßt ist. Die Wulst absorbiert Spannungen, die vom Gehäuse auf den Chip übertragen werden könnten. Das Gehäuse umfaßt den Chip weder unmittelbar noch integral. Nachteilig ist die Notwendigkeit des Vorsehens eines Spannungspuffers in Form der erwähnten umlaufenden Wulst.
Aus Werthschützky, R., "Messen, Steuern, Regeln", Berlin 32 (1989), Band 11, Seiten 486-489, sind unterschiedliche Dimensionierungen und Konstruktionsprinzipien industriell ge­ fertigter piezoresistiver Primärdrucksensoren bekannt.
Einzelheiten zur integralen Außengehäuseausbildung mittels Formvorgang werden nicht beschrieben.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen Halbleiter-Druckaufnehmer anzugeben, dessen Außengehäuse mittels Form­ vorgang ausgebildet werden kann, wobei der eigentliche Halb­ leiter-Druckaufnehmerbereich von mechanischen Spannungen frei bleibt, so daß eine hohe Zuverlässigkeit und ausreichende Meßgenauigkeit derartiger Druckaufnehmer gewährleistet ist.
Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt mit einem Gegen­ stand gemäß den Merkmalen der Patentansprüche 1 oder 2.
Die Erfindung soll nachstehend anhand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die beiliegen­ den Zeichnungen näher erläutert werden. Die Zeichnungen zei­ gen in:
Fig. 1 einen Querschnitt durch ein Ausführungsbeispiel des Druckaufnehmers;
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;
Fig. 8 eine Rückansicht, die ein weiteres Ausführungsbei­ spiel des Druckaufnehmers;
Fig. 9 eine Rückansicht eines anderen Ausführungsbeispiels des Druckaufnehmers;
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 Verdeutlichung 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. Der Leiterrahmen einschließlich der Chipkontaktfläche 7 besteht beispielsweise aus einer 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 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 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 Spannungen, die in dem piezoelektrischen Wi­ derstand 3 auf der Membran 2 des Druckaufnehmerchips 1 auf­ treten, während die weißen Punkte die Absolutwerte der Spannungen zeigen, die auf den Sockel 5 wirken. 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 den Fig. 4 und 6 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 (2)

1. Halbleiter-Druckaufnehmer, umfassend einen Halbleiter-Druckaufnehmerchip (1), auf dem mindestens ein Widerstand (3) vorgesehen und eine Membran (2) gebildet ist;
einen Sockel (5), auf dem der Halbleiter-Druckaufnehmerchip (1) angeordnet ist;
eine Chipkontaktfläche (7), auf die der Sockel (5) positio­ niert ist;
Zuleitungen (8);
Leiter (9) zum elektrischen Verbinden der Zuleitungen (8) mit dem Halbleiter-Druckaufnehmerchip (1) und
ein Außengehäuse (10), welches einen Teil der Oberfläche des Halbleiter-Druckaufnehmerchips (1) und einen Teil der Rückseite der Chipkontaktfläche (7) freiläßt,
dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiter-Druckaufnehmerchip (1), der Sockel (5), die Leiter (9), Teile der Zuleitungen (8) und die Chipkontaktfläche (7) mittels Formvorgang unter integraler Bildung des Außengehäuses (10) umfaßt und gekapselt sind, wobei zur Verringerung mechanischer Spannungen im Halbleiter-Druckaufnehmerchip (1) das Verhältnis der Dicke (T) des Sockels (5) zur Dicke (T1) des Halbleiter-Druckaufnehmerchips (1) 7,5 oder kleinen ist.
2. Halbleiter-Druckaufnehmer, umfassend einen Halbleiter-Druckaufnehmerchip (1), auf dem mindestens ein Widerstand (3) vorgesehen und eine Membran (2) gebildet ist;
einen Sockel (5), auf dem der Halbleiter-Druckaufnehmerchip (1) angeordnet ist;
eine Chipkontaktfläche (7), auf die der Sockel (5) positio­ niert ist;
Zuleitungen (8);
Leiter (9) zum elektrischen Verbinden der Zuleitungen (8) mit dem Halbleiter-Druckaufnehmerchip (1) und
ein Außengehäuse (10), welches einen Teil der Oberfläche des Halbleiter-Druckaufnehmerchips (1) und einen Teil der Rückseite der Chipkontaktfläche (7) freiläßt,
dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiter-Druckaufnehmerchip (1), der Sockel (5), die Leiter (9), Teile der Zuleitungen (8) und die Chipkontaktfläche (7) mittels Formvorgang unter integraler Bildung des Außengehäuses (10) umfaßt und gekapselt sind, wobei zur Verringerung mechanischer Spannungen im Halbleiter-Druckaufnehmerchip (1) das Verhältnis des Durchmessers (D1) des vom Außengehäuse (10) freigelassenen Teiles der Ober­ fläche des Halbleiter-Druckaufnehmerchips (1) zum Durchmesser (D0) der Membran (2) 1 oder größer ist.
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