Drucksensoranordnung und Verfahren zu deren Herstellung Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine Drucksensoranordnung mit zumindest einer

Drucksensoreinrichtung sowie ein Verfahren zur Herstellung einer

Drucksensoranordnung, die zumindest eine Drucksensoreinrichtung aufweist.

Bekannt sind Drucksensoranordnungen mit mikromechanisch bearbeiteten elektronischen Drucksensoren (MEMS-Drucksensoren), die wenigstens eine deformierbare drucksensitive Membran aufweisen, die typischerweise der interessierenden Medienumgebung ausgesetzt wird, um dort den Druck kontinuierlich zu messen und zu überwachen. Während hierbei etwa die

Messung des Atmosphärendrucks in Anwendungen der Verbraucherelektronik lediglich ein stabiles Sensormodul innerhalb eines schützenden Gehäuses (bspw. eines Mobiltelefons) verlangt, benötigt der selbe elektronische

Drucksensor die Verwendung mit einem Isolationsmedium (bspw. eines Gels oder Öl) als zusätzlichen Schutz gegen Staub, Partikel, Feuchte oder Abgase sowie weitere korrosive oder aggressive Medien in industriellen oder Automotive- Anwendungen.

Zu derartigen Herausforderungen der Medienisolation durch Ausbildung eines robusten Moduls kennt man bereits Lösungsansätze etwa aus der US 6,311,561 Bl, US 6,577,244 B2, US 6,938,490 B2. Offenbarung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung schafft eine Drucksensoranordnung mit zumindest einer als System-in-Package, SiP ausgebildeten Drucksensoreinrichtung, wobei die Drucksensoreinrichtung eine Tragstruktur mit einer Kavität sowie ein in der Kavität angeordnetes Sensorelement aufweist; wobei die Tragstruktur durch eine Land Grid Array / Mold Premold-Struktur (LGA/MPM) gebildet ist und in und/oder an der Tragstruktur Signalverarbeitungselemente integriert sind;

wobei die Drucksensoreinrichtung in ein mit einer Membran versehenes

Sensorgehäuse eingebracht und in diesem abgestützt ist und wobei ein

Restvolumen des mit zumindest einer Membran versehenen Sensorgehäuses mit einem inkompressiblen Fluid verfüllt ist; und wobei das Sensorgehäuse eine die Drucksensoreinrichtung umlaufende Nut aufweist, in welcher ein

Dichtungsring anordenbar ist.

Die Erfindung schafft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung einer

Drucksensoranordnung, welche zumindest eine als System-in-Package ausgebildete Drucksensoreinrichtung aufweist, mit zumindest den folgenden Verfahrensschritten:

- Herstellen der Drucksensoreinrichtung durch Bereitstellen eines

Sensorelements, Anordnen des Sensorelements in einer Kavität einer

Tragstruktur, welche durch eine Land Grid Array / Mold Premold-Struktur (LGA/MPM) gebildet ist, wobei in und/oder an der Tragstruktur wenigstens ein Signalverarbeitungselement, insbesondere ein ASIC, integriert ist, und anschließendes Integrieren der Tragstruktur mit dem Sensorelement zu der Drucksensoreinrichtung;

- Bereitstellen eines Drucksensorgehäuses mit einer Membran, einem an der Membran anliegenden Hohlraum sowie einer den Hohlraum umlaufenden Nut, in welcher ein Dichtungsring anbringbar ist;

- Einbringen der Drucksensoreinrichtung in den Hohlraum des

Drucksensorgehäuses Abstützen der Drucksensoreinrichtung in dem

Drucksensorgehäuse;

- Verfüllen eines innerhalb des Drucksensorgehäuses verbleibenden

Restvolumens des Hohlraums mit einem inkompressiblen Fluid; und

- Versiegeln des Hohlraums mit dem inkompressiblen Fluid. Mit der Erfindung wird demnach in geeigneter Weise und insbesondere mit einfachen Mitteln und kostengünstig ein Schutz für eine LGA/MPM-Tragstruktur, die mit einem Sensorelement zu einer Drucksensoreinrichtung einbettbar

(moldbar) ist, gegenüber aggressiven Medien zur Verfügung gestellt. Bei dem Sensorelement kann es sich dementsprechend um ein Drucksensorelement handeln. Vorteilhaft ist bei der beschriebenen Drucksensoranordnung, dass ein Großteil der Elemente der Drucksensoreinrichtung, z.B. eine Sensormembran des Sensorelements, anwendungsspezifische integrierte Schaltungen (ASICs) und andere passive Komponenten wie auch deren Bondpads und/oder Bonddrähte von ein- und derselben Seite (Oberseite) aus durch einen Fluidpuffer, insbesondere einen Ölpuffer (engl,„oil buffer") geschützt sind. Dadurch werden diese Elemente vor aggressiven Medien wie z.B. korrosiven Flüssigkeiten und Gasen beschützt.

Die Drucksensoranordnung ist vorteilhaft so gestaltet, dass Druck auf das LGA/MPM-SiP nur von einer einzigen Seite aus, nämlich der Oberseite aus, ausgeübt wird, auf welcher Seite auch das inkompressible Fluid in Kontakt mit dem Sensorelement ist.

Die Drucksensoranordnung kann mit standardisierten Maschinen der

Halbleiter/MEMS-Herstellung und Verpackung hergestellt werden, z.B. mit Pick- and-Place- Verfahren.

Das LGA/MPM-SiP kann vorteilhaft in großen Stückzahlen (high-volume) vor dem Einbetten in das Drucksensorgehäuse hinsichtlich der Temperatur derart kompensiert eingestellt werden, dass in einer Drucksensoranordnung eine bereits abgeglichene Drucksensoreinrichtung sofort bzw. jederzeit einsetzbar ist, die darüber hinaus kostengünstig bereit gestellt werden kann, da dieser Abgleich bei bekannten Parametern an der LGA/MPM-Drucksensoreinrichtung als System-in-Package für viele Drucksensoreinrichtungen in kurzer Zeit

durchführbar ist. Dies hängt auch mit dem Umstand zusammen, dass diese Drucksensoreinrichtungen durch bei der Fabrikation von Halbleitern,

insbesondere von ME MS- Modulen, sowie deren Zusammenbau zu

Messmodulen gebräuchliche Standardmaschinen gefertigt und verarbeitet werden können.

Die Drucksensoranordnung ist als ein First-Level-Packaging bezeichenbar und ist mittels eines in der Nut angeordneten Dichtungsrings besonders gut mit z.B. einem peripheren Second- Level- Packaging verbindbar, beispielsweise für Sensoren im Automotive- Bereich.

Weitere vorteilhafte Merkmale beinhalten die Gegenstände der Unteransprüche.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist die Nut seitlich von der

Drucksensoreinrichtung angeordnet. Die Nut ist besonders bevorzugt in einem gegenüber einer Ebene, in welcher die Membran angeordnet ist, abgesenkten Bereich des Drucksensorgehäuses angeordnet. Somit kann die

Drucksensoranordnung nach ihrer Fertigstellung besonders platzsparend z .B. in einem peripheren Second- Level- Package gasdicht eingebaut werden.

In einer anderen vorteilhaften Weiterbildung kann das Sensorelement als APSM (Advanced Porous Silicon MEMS) - Sensorelement vorgesehen und eingerichtet sein, das in einer vorgegossenen Kavität des LGA/MPM angeordnet ist. Das Sensorelement ist dabei in vorteilhafter Weise in einem APSM-Prozess

(Advanced Porous Silicon Membrane) hergestellt, bei dem eine monokristalline Startschicht für die spätere Membran erzeugt wird. Diese wird anschließend anhand eines Ätzverfahrens unterätzt und eine poröse Siliziumschicht erzeugt, wo anschließend eine Kavität sein wird. Anschließend wird epitaktisch eine monokristalline Siliziumschicht aufgebracht, die später die

Sensorelementmembran bildet. Durch Temperaturbeaufschlagung

(Atomumlagerung) wird eine Kavität unter Vakuum geschaffen, die später die Absolutdruck-Messung gestattet. An der Membran aufgebrachte

Piezowiderstände messen dann die Durchbiegung der Membran. Mit diesem APSM-Prozess lässt sich eine robuste Membran schaffen, außerdem kommt dieser Prozess in vorteilhafter Weise mit rein oberflächenmechanischer

Bearbeitung aus. Die entstandene monokristalline Schicht ist dabei absolut dicht und stabil. Das Sensorelement kann aber auch anders ausgebildet sein, beispielsweise als sogenanntes stressentkoppeltes Sensorelement.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist die Membran aus einem Stahl oder aus einem Kunststoff ausgebildet. Das Sensorgehäuse ist bevorzugt ebenfalls aus einem Kunststoff ausgebildet. Somit kann die

Drucksensoranordnung besonders robust und gleichzeitig kostengünstig hergestellt werden.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist mindestens eine Fuge zwischen dem Sensorgehäuse und der Drucksensoreinrichtung mit einem Kunstharz, insbesondere einem Epoxidharz, und/oder einem Klebstoff gefüllt ist. Somit kann noch besser verhindert werden, dass das eingefüllte inkompressible Fluid aus dem Drucksensorgehäuse wieder austritt.

In geeigneter Weise das Sensorelement vor aggressiven und /oder korrosiven Medien schützend, kann das inkompressible Fluid als Öl, beispielsweise als synthetisches Öl, ausgebildet sein. Es ist auch die Verwendung anderer inkompressibler Fluide oder Medien, beispielsweise anderer geeigneter Öle, denkbar.

Das Drucksensorgehäuse kann gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung einen engen Fluideinfüllkanal aufweisen, welcher, nach dem erfolgten Einfüllen des inkompressiblen Fluids, durch eine Versiegelungskugel (engl,„ball-press sealing") versiegelt ist oder wird. Der Fluideinfüllkanal mündet bevorzugt an einer lateralen Außenseite des Drucksensorgehäuses und kann sich in bevorzugten Ausführungsformen größtenteils parallel zu der Membran des

Drucksensorgehäuses erstrecken.

Hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile kann auf die obigen, sowie die folgenden Ausführungen zu der erfindungsgemäßen Drucksensor-Anordnung und ihrem Herstellungsverfahren verweisen werden.

Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, sofern sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Weitere mögliche Ausgestaltungen,

Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmalen der Erfindung. Insbesondere wird dabei der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder

Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform der vorliegenden Erfindung hinzufügen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen in den Figuren näher erläutert. In teilweise schematisierter Darstellung zeigen hierbei

Fig. 1 eine Querschnittsansicht einer Drucksensoreinrichtung;

Fig. 2 und Fig. 3

eine Querschnittsansicht der in Herstellung begriffenen

Drucksensoranordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 4 eine Querschnittsansicht der fertiggestellten Drucksensoranordnung gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und

Fig. 5 ein schematisches Flussdiagramm zum Erläutern eines

Herstellungsverfahrens einer Drucksensoranordnung gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

In allen Abbildungen sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente und

Vorrichtungen - sofern nichts anderes angegeben ist - mit denselben

Bezugszeichen versehen.

In der Fig. 1 erkennt man zunächst eine im Ganzen mit 10 bezeichnete

Drucksensoranordnung mit der im Entstehen begriffenen Drucksensoreinrichtung 12. Dabei ist ein LGA-Substrat 14 zu erkennen, an dem passive Komponenten 22 in Form von Wiederständen integriert sind. Das LGA-Substrat 14 ist mittels eines Kunststoffs bereits mit einem ASIC 24 zu einer LGA/MPM-Tragstruktur 16 zusammen gefügt. Bei der Fertigung der Tragstruktur 16 wurde eine Kavität 18 freigelassen, in welche in der Darstellung der Fig. 1 ein APSM-Sensorelement 20, also ein Advanced Porous Silicon MEMS-Sensorelement 20, eingelegt ist. Nach dessen Kontaktierung wird das Sensorelement 20 in die Tragstruktur 16 eingebettet und derart die Drucksensoreinrichtung 12 geschaffen.

An der der Kavität 18 abgewandten Seite des Substrats sind metallisierte Kontaktelemente 26 zu erkennen, die der elektrischen Kontaktierung der Drucksensoreinrichtung 12 dienen.

Fig. 1 erläutert gleichzeitig einen ersten Schritt SOI eines Verfahrens zum Herstellen einer Drucksensoranordnung 10, welches in Fig. 5 durch ein

Flussdiagramm zusätzlich illustriert ist. In dem Schritt S01 wird die

Drucksensoreinrichtung 12 hergestellt, insbesondere durch Bereitstellen eines Sensorelements 20, Anordnen des Sensorelements 20 in einer Kavität 18 einer Trägerstruktur 16, in und/oder an welcher wenigstens ein

Signalverarbeitungselement, insbesondere ein AS IC 24, integriert ist, und anschließendes Einbetten der Trägerstruktur 16 mit dem Sensorelement 20 zu der Drucksensoreinrichtung 12, insbesondere mit den weiteren optionalen Eigenschaften wie im Voranstehenden in Bezug auf die Fig. 1 näher erläutert.

Fig. 2 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines Drucksensorgehäuses 30 zur Verwendung in einer Drucksensoranordnung 10.

Das Drucksensorgehäuse 30 umfasst einen Hohlraum 40, in welchen die Drucksensoreinrichtung 12 zumindest derart einführbar ist, dass die

Kontaktelemente 26 auch bei in den Hohlraum 40 eingesetzter

Drucksensoreinrichtung 12 von außerhalb des Drucksensorgehäuses 30 zugänglich sind.

Das Drucksensorgehäuse 30 weist außerdem eine Membran 32, bevorzugt aus Stahl, auf, welche einerseits an einer Außenseite des Drucksensorgehäuses 30 liegt und anderseits den Hohlraum 40 begrenzt. Über die Membran 32 sind Druckwellen von außerhalb des Drucksensorgehäuses 30 in den Hohlraum 40 einkoppelbar.

Der Hohlraum 40 kann derart ausgebildet sein, dass er grob in eine erste Kammer 41, eine zweite Kammer 42 und einen Fluideinfüllkanal 43 unterteilt ist. Der Fluideinfüllkanal 43 ist, wie in Fig. 2 gezeigt, beispielsweise so angeordnet und ausgebildet, dass er eine längliche, enge Form aufweist und an einem Ende mit der Außenseite des Drucksensorgehäuses 30 und an einem anderen Ende fluidisch zwischen der ersten Kammer 41 und der zweiten Kammer 42 angebunden ist. Die erste Kammer 41 liegt innen an der Membran 32 an, während die zweite Kammer 42 zum Aufnehmen der Drucksensoreinrichtung 12 ausgebildet ist.

Die Unterteilung des Hohlraums 40 in die einzelnen Kammern 41, 42 dient dazu, das Volumen des Hohlraums 40 möglichst zu verkleinern, wobei gleichzeitig a) die möglichst große Membran 32 möglichst vollständig mit dem Hohlraum 40 in Verbindung stehen soll, um eine gute Einkopplung von Druckwellen in den Hohlraum 40 zu ermöglichen, und b) genügend Platz in dem Hohlraum 40 zur Verfügung stehen soll, um die Drucksensoreinrichtung 12 aufnehmen zu können.

Der Fluideinfüllkanal 43 mündet bevorzugt an einer lateralen Außenseite des Drucksensorgehäuses30 und erstreckt sich bevorzugt größtenteils parallel zu der Membran 32 des Drucksensorgehäuses 30. Durch die laterale Mündung nimmt die Öffnung des Fluideinfüllkanals 43 keinen Platz an der Oberseite der

Drucksensoranordnung 10 sowie des Drucksensorgehäuses 30 ein, sodass die gesamte Oberseite möglichst umfassend von der Membran 32 eingenommen werden kann. Dies bewirkt eine große Designfreiheit für Komponenten, in welche die Drucksensoranordnung 10 eingebaut werden soll. In lateraler Richtung umlaufend um den Hohlraum 40 ist eine Nut 34 in dem

Drucksensorgehäuse 30 ausgebildet, welche zur Aufnahme eine Dichtungsrings 36 (welcher auch O-Ring genannt werden kann) vorgesehen ist. Die Nut 34 ist vorzugsweise in einem gegenüber einer Ebene, in welcher die Membran 32 angeordnet ist, abgesenkten Bereich des Drucksensorgehäuses 30 angeordnet, sodass die Drucksensoranordnung 10 nach ihrer Fertigstellung besonders platzsparend z .B. in einem peripheren Second- Level- Package gasdicht eingebaut werden kann. Die laterale Mündung des Fluideinfüllkanals 43 kann an einem konisch geformten Abschnitt des Drucksensorgehäuses 30 angeordnet sein, welcher zwischen der Nut 34 und der Membran 32 angeordnet ist. Fig. 2 erläutert gleichzeitig einen weiteren Schritt S02 des Verfahrens aus Fig. 5 zum Herstellen einer Drucksensoranordnung 10. In dem Schritt S02 wird ein Drucksensorgehäuse 30 bereitgestellt, welches eine Membran 32 und einen an die Membran 32 angrenzenden Hohlraum 40 aufweist, insbesondere mit den weiteren optionalen Eigenschaften wie im Voranstehenden mit Bezug auf die Fig. 2 näher erläutert.

Fig. 3 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines Drucksensorgehäuses 30 zur Verwendung in einer Drucksensoranordnung 10, wobei die

Drucksensoreinrichtung 12 gemäß Fig. 1 in die erste Kammer 41 des Hohlraums 40 des Drucksensorgehäuses 30 eingesetzt und in dem Drucksensorgehäuse 30 abgestützt ist. In der Nut 34 ist zudem ein Dichtungsring 36 eingesetzt.

Fig. 3 erläutert gleichzeitig einen weiteren Schritt S03 des Verfahrens zum Herstellen einer Drucksensoranordnung 10 von Fig. 5. In dem Schritt S03 wird die Drucksensoreinrichtung 12 in das mit der Membran 32 versehene

Drucksensorgehäuse 30 eingebracht in dem Drucksensorgehäuse 30 abgestützt.

Fig. 4 zeigt die fertiggestellte Drucksensoranordnung 10, wobei in den Hohlraum 40 ein inkompressibles Fluid F, insbesondere ein Öl, eingefüllt ist derart, dass das gesamte Restvolumen des Hohlraums 40 mit dem inkompressiblen Fluid F verfüllt ist. Zudem ist der Fluideinfüllkanal 43 durch eine Versiegelungskugel 38 versiegelt. Das inkompressible Fluid überträgt einerseits die Druckwellen von der Membran 32, über die erste Kammer 41 und die zweite Kammer 42, an das Sensorelement 20, und schützt andererseits alle Komponenten, insbesondere das Sensorelement 20, vor potentiell schädigenden Umwelteinflüssen wie Korrosion.

Fig. 5 erläutert gleichzeitig zwei weitere Schritte S04 und S05 des Verfahrens aus Fig. 5 zum Herstellen der Drucksensoranordnung 10. In dem Schritt S04 wird der Hohlraum 40 mit dem inkompressiblen Fluid befüllt, insbesondere wird das (nach dem Einführen der Drucksensoreinrichtung 12 verbliebene) Restvolumen des Hohlraums 40 mit dem inkompressiblen Fluid, z.B. einem Öl, verfüllt.

In dem Schritt S05, welcher nach dem Schritt S04 durchgeführt wird, wird der Fluideinfüllkanal 43 mittels einer Versiegelungskugel 38 (engl,„ball") versiegelt, z.B. in einem so genannten ball-press-sealing.

In einem oder mehreren weiteren Schritten können Fugen zwischen der

Drucksensoreinrichtung 12 und dem Drucksensorgehäuse 30 mit einem

Kunstharz, z.B. einem Epoxidharz (engl,„epoxy" oder„epoxy resin"), und/oder mit einem Klebstoff gefüllt werden.

Fig. 5 zeigt ein schematisches Flussdiagramm, in welchem die anhand von Fig. 1 bis Fig. 4 im Voranstehenden beschriebenen Verfahrensschritte anschaulich zusammengefasst sind.

Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele vorstehend beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar.