Titel

Montagevorrichtung für ein Gehäuse sowie Herstellungsverfahren

Die Erfindung betrifft eine Montagevorrichtung für ein Bauelement, welches in einem Gehäuse montiert werden kann sowie ein Herstellungsverfahren für die Montagevorrichtung.

Stand der Technik

Umweltsensoren wie beispielsweise Drucksensoren oder Gassensoren erfordern systembedingt einen Zugang zu der Umgebung, um entsprechende Sensorgrößen erfassen zu können. Zu diesem Zweck ist sicherzustellen, dass das im Sensor enthaltene Sensorelement mit der Umgebung wechselwirken kann, zum Beispiel über einen Zugangskanal, durch den ein Medium bis an das Sensorelement geführt werden kann. Sowohl bei der Nutzung von separaten Umweltsensoren als Einzelbauteile als auch bei der Integration in übergeordnete Auswerte- und/oder Steuergeräte ist erforderlich, dass bestimmte zum Betrieb notwendigen Teile des Sensors oder der Auswerte- /Steuergeräte nicht durch die Umgebung beeinflusst werden. Daher ist die geeignete Positionierung des Sensorelements im Aufbau eines Einzelsensors oder innerhalb eines Auswerte-/Steuergeräts sowohl hinsichtlich der Zuführung des Umgebungsmediums als auch der Abdichtung gegenüber dem Inneren geeignet zu gestalten.

Insbesondere bei mikromechanischen Sensoren (MEMS) erfolgt die Herstellung üblicherweise durch das Aufbringen eines Sensorelements auf ein starres Substrat, um eine Grundlage für die weiteren Sensorbestandteile zu erhalten und unerwünschte Verspannungen bei der späteren Montage des Aufbaus in ein übergeordnetes System zu verhindern. Darüber hinaus sind Dichtungen oder Passivierungen für den Sensor vorgesehen, um ein Eindringen des Umgebungsmediums in Bereiche zu verhindern, die nicht für die Erfassung der Sensorgröße vorgesehen sind. Dichtungen wie Dichtungsringe oder andere Dichtungsmaterialien können zudem dazu verwendet werden, den Sensor oder allgemein das Sensorelement im Gehäuse zu fixieren und zu arretieren, um beispielsweise die Ausrichtung auf einen Zugangskanal festzulegen.

Da der Sensor üblicherweise in einem übergeordneten Kontext, beispielsweise einem Gehäuse oder einem übergeordneten Auswerte- und/oder Steuergerät verwendet wird, wird er häufig mittels einer starren oder flexiblen Leiterplatte angebunden. Insbesondere eine flexible Leiterplatte bietet den Vorteil, den Sensor relativ frei im übergeordneten System positionieren zu können und gleichzeitig eine elektrische Anbindung an weitere elektronische Komponenten und eine Energieversorgung zu ermöglichen.

Die Verwendung eines starren Substrats hat jedoch den Nachteil, dass die Montage sowie die dabei notwendige Kontaktierung unter Umständen zu Einschränkungen in der Positionierung innerhalb eines übergeordneten Systems wie beispielsweise einem Auswerte- und/oder Steuergerät führen kann. Insbesondere kann die Verbindung des starren Substrats des Sensors mit einer starren oder flexiblen Leiterplatte als Verbindung zum übergeordneten Kontext zu einer hohen Gesamthöhe des zu integrierenden Sensors führen, die die Integration in stark miniaturisierte Anwendungen einschränkt oder gar verhindert.

Mit der vorliegenden Erfindung soll ein Aufbau eines Sensors in Form einer Montagevorrichtung beschrieben werden, die eine flexiblere und/oder kompaktere Anordnung oder Positionierung in einem übergeordneten System ermöglicht.

Offenbarung der Erfindung

Zur Erreichung eines flexibleren Einsatzes eines Sensoraufbaus wird gemäß der vorliegenden Erfindung eine Montagevorrichtung für ein insbesondere mikromechanisches Bauelement, wie beispielsweise einem Sensorelement, vorgeschlagen. Hierbei umfasst die Montagevorrichtung wenigstens ein flexibles Trägerelement, das Bauelement sowie ein Versteifungselement. Der Kern der Erfindung besteht dabei darin, dass das Bauelement in einem ersten Bereich auf einer ersten Seite des flexiblen Trägerelements aufgebracht, zum Beispiel aufgelötet und/oder geklebt ist und das Versteifungselement auf der gegenüberliegenden zweiten Seite des Trägerelements in einem zweiten Bereich aufgebracht wird.

Durch eine derartige Anordnung des beispielsweise sensitiven Bauelements auf der eine Seite und des Versteifungselements auf der gegenüberliegenden zweiten Seite des Trägerelements kann erreicht werden, dass nur der Bereich des Trägers starr ausgestaltet wird, der als Basis des sensitiven Bauelements dient, wohingegen der darüber hinausgehende Bereich des Trägerelements weiterhin flexibel und anpassbar bleibt. Als flexibles Trägerelement kann dabei eine flexible Leiterplatte verwendet werden, zum Beispiel ein Flex PCB oder allgemein eine Folie, auf der zu Kontaktierungszwecken Leiterbahnen aufgebracht oder integriert werden können. Derartige Folien auf beispielsweise Polyimidbasis oder ähnlichem werden bereits seit langem in der Aufbau- und Verbindungstechnik eingesetzt. Die Verwendung von Folien als Trägerelement hat zudem den Vorteil, dass der Aufbau gegenüber der Verwendung eines Halbleitersubstrats oder eines PCB-Substrats als Trägerelement flacher ausgestaltet sein kann. Dies wird insbesondere dadurch ermöglicht, dass die Kombination aus flexiblem Trägerelement zur Kontaktierung und vorzugweise metallischem Versteifungselement zur Stabilisierung, einen flacheren Aufbau ermöglichen kann als ein starres Substrat, z.B. aus organischem Material, mit gleicher Gesamtsteifigkeit.

In einer Weiterbildung der Erfindung kann das Bauelement oder das Sensorelement von einem weiteren Bauteil wenigstens teilweise auf der ersten Seite umschlossen werden. Dieses Bauteil kann dabei im ersten Bereich oder angrenzend an den ersten Bereich ebenfalls fest mit dem flexiblen Trägerelement verbunden sein. Bevorzugt weist dieses Bauteil eine Öffnung im Sinne eines Zugangskanals auf, durch die ein Umgebungsmedium an das Bauelement beziehungsweise das Sensorelement geführt werden kann. Um das Bauteil vor schädigenden Stoffen des Umgebungsmediums zu schützen, kann in die Öffnung ein Passivierungsmedium, zum Beispiel ein Gel eingebracht sein. Dabei kann das Passivierungsmedium das Bauteil teilweise oder ganz bedecken. Im Falle eines Sensorelements kann so vorgesehen sein, dass wenigstens ein Erfassungs- und/oder die Kontaktierungsmittel bedeckt sind, um eine Messwertverfälschung und/oder Korrosion zu vermeiden. Alternativ oder zusätzlich kann eine auf oder in das Bauteil eingebrachte insbesondere poröse Membran dazu verwendet werden, schädigende Stoffe des Umgebungsmediums abzuhalten.

Das Bauteil, welches das Bauelement beziehungsweise das Sensorelement wenigstens teilweise umschließt, kann zudem mit einer Aufnahme ausgestattet sein, in die ein Dichtungselement eingebracht oder angebracht wird. Hierbei eigenen sich sowohl Dichtungsringe als auch sonstige Dichtungsmaterialien, die beispielsweise in die Aufnahme eingespritzt werden können. Das Dichtungselement ist dabei bevorzugt dazu ausgerichtet, mit einem auf das Bauteil aufgebrachten Deckel zusammenzuwirken, um das Eindringen des Umgebungsmediums außerhalb des durch die Öffnung definierten Zugangskanals zu verhindern. Dies verhindert insbesondere das Eindringen des Umgebungsmediums in ein übergeordnetes System.

Das Versteifungselement auf der zweiten Seite des Trägerelements kann direkt auf dem Trägerelement erzeugt werden oder als vorgefertigtes Element mit dem Trägerelement verbunden werden. Hierbei kann die Fläche, die vom Versteifungselement bedeckt wird, wenigstens der entsprechenden Fläche entsprechen, die auf der gegenüberliegenden ersten Seite vom Bauelement bedeckt wird. Somit kann beispielsweise erreicht werden, dass zumindest das Bauelement keine mechanischen Kräften bei der Montage ausgesetzt ist. Weiterhin kann vorgesehen sein, dass das Versteifungselement derart aufgebaut ist, dass es auch als elektrische und/oder magnetische Abschirmung des Bauelements dienen kann. Hierzu kann vorgesehen sein, dass das Versteifungselement teilweise oder ganz aus einem Metall oder einer Legierung besteht. Alternativ kann das Versteifungselement auch aus einem keramischen Material oder einem organischen Material wie Kunststoff bestehen.

Zur Erzeugung einer Gegenkraft, die beispielsweise auf das Dichtungselement oder auf einen noch anzubringenden Deckel oder eine Abdeckung im übergeordneten System wirkt, kann das Versteifungselement mit einem Federelement ausgestattet sein. Dabei kann das Federelement direkt oder indirekt mit dem Versteifungselement verbunden sein, das heißt als integraler Teil oder als Zusatzelement.

Die erfindungsgemäße Montagevorrichtung ist vorteilhafterweise dazu geeignet, in einem Gehäuse angeordnet zu werden. Hierzu kann das flexible Trägerelement elektrische Kontaktierungen aufweisen, die sowohl das Bauelement und/oder eine externe elektrische Anbindung ermöglichen. Vorteilhafterweise weist das Gehäuse auch einen Deckel auf, durch den das Bauelement und/oder das auf dem Trägerelement angebrachte Bauteil fixiert wird. Alternativ oder zusätzlich kann der Deckel auch in Zusammenhang mit einem Dichtungselement eine Abdichtung gegenüber dem Umgebungsmedium erzeugen. Selbstverständlich kann auch mit dem Bauteil oder dem Bauelement als solches eine Abdichtung durch den Deckel erreicht werden.

Zur Erzeugung der Abdichtung kann vorgesehen sein, dass der Deckel auf das Dichtungselement eine Kraft ausübt, die eine Kraftkomponente hat, die im Wesentlichen senkrecht auf das Versteifungselement gerichtet ist. Hierdurch kann die so erzeugte Kraft durch das Versteifungselement aufgefangen werden.

Entsprechend kann mit dem Federelement eine zweite Kraftkomponente erzeugt werden, die im Wesentlichen senkrecht auf die zweite Seite des Trägerelements gerichtet ist. Hierbei kann bevorzugt vorgesehen sein, dass diese zweite Kraftkomponente das Dichtungselement gegen den Deckel drückt.

Erfindungsgemäß wird auch ein Verfahren beansprucht, bei dem auf der ersten Seite des flexiblen Trägerelements das insbesondere mikromechanische Bauelement, zum Beispiel ein Sensorelement, und auf der zweite Seite das Versteifungselement erzeugt oder aufgebracht wird.

Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen bzw. aus den abhängigen Patentansprüchen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen Die Figuren la und lb zeigen ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung. Mit den Figuren 2a und 2b wird ein zweites Ausführungsbeispiel gezeigt. In der Figur 3 wird eine Abwandlung des zweiten Ausführungsbeispiels dargestellt.

Die Figuren 4a bis d zeigen mögliche Ausgestaltungen der verwendeten Dichtung. Mit dem Flussdiagramm der Figur 5 wird ein mögliches Herstellungsverfahren der Erfindung beschrieben.

Ausführungsformen der Erfindung

Um Bauelemente wie beispielsweise mikromechanische Sensoren oder ASICs (Application-specific integrated circuit, IC mit vorgegebener Funktionalität) in größere Systeme wie Auswerte-, Steuergeräte oder Anwendungsvorrichtungen einzubauen, sind diese oftmals mittels einer (Mold-)Verkappung in Gehäusen untergebracht. Diese Gehäuse sind üblicherweise starr, unbiegsam und unelastisch ausgestaltet und enthalten Drahtbeinchen zur Kontaktierung, zum Beispiel auf einer Leiterplatte. Viele Anwendungen erfordern jedoch eine flexiblere Anordnung der Bauelemente, so dass eine derart starre Verkappung und Kontaktierung hinderlich sein kann.

Wie mit dem ersten Ausführungsbeispiel nach Figur la und einem Querschnitt beziehungsweise Seitenansicht in Figur lb gezeigt wird, wird mit der vorliegenden Erfindung eine Montagevorrichtung für ein Bauelement beschrieben, das hinsichtlich der Positionierung als auch der Kontaktierung mehr Freiheiten und Möglichkeiten erlaubt. Trotz dieser flexibleren Positionierungsmöglichkeit weist die Montagevorrichtung eine ausreichende Stabilisierung für das Bauelement auf, so dass weder bei der Montage in einem übergeordneten System noch während der Nutzung des Bauelements ungewollte mechanische Störeinflüsse auf das Bauelement wirken.

Als Basis für die flexible Montagevorrichtung wird ein flexibles Trägerelement 100 verwendet, auf der von einer ersten Seite 10 das Bauelement 110 in einem ersten Bereich 115 aufgebracht wird. Bei dem Trägerelement 100 kann es sich um eine flexible Folie, beispielsweise um eine Flex PCB Folie, handeln.

Alternativ kann die flexible Folie jedoch auch aus anderen Materialien wie beispielsweise Polyimid bestehen. Auf der Folie 100 können elektrische Leiterbahnen 170 sowie eine Kontaktierung 160 für einen externen elektrischen Anschluss an das übergeordnete System oder Gehäuse vorgesehen sein. Alternativ können die elektrischen Leiterbahnen 170 auch in die Folie integriert sein. Dies hätte den Vorteil, dass sie noch besser gegen Beschädigung geschützt sind, zum Beispiel während der Montage. Die Kontaktierung 160 kann in beiden Fällen aus einem direkt auf der Folie 100 befindlichen Anschlusselement und einem darauf befindlichen Bereich zur elektrischen und/oder mechanischen Anbindung an eine externe Vorrichtung bestehen. Zur elektrischen Kontaktierung des Bauelements 110 und/oder zu dessen elektrischer Energieversorgung können auch im ersten Bereich 115 oder in seiner Nähe weitere Kontaktierungen vorgesehen sein. Zur Verhinderung von Störeinflüssen auf das Bauelement 110, zum Beispiel aufgrund von mechanischen Spannungen, ist weiterhin vorgesehen, dass von der zweiten Seite 20 des Trägerelements 100 ein Versteifungselement 150 in einem zweiten Bereich 155 aufgebracht wird. Dabei kann das Versteifungselement 150 als vorgefertigtes Element auf das Trägerelement 100 aufgebracht werden oder direkt auf der Oberfläche des Trägerelements 100 erzeugt, zum Beispiel abgeschieden, werden.

Dieses Versteifungselement 150 bewirkt eine lokale Versteifung des flexiblen Trägerelements 100, insbesondere im ersten Bereich 115, in dem das Bauelement 110 aufgebracht oder angeordnet ist. Um das Bauelement 110, welches beispielsweise ein Sensorelement zur Erfassung eines Drucks aufweisen kann, gegen störende mechanische Spannungen während der Montage oder im Betrieb zu schützen, kann die Fläche des zweiten Bereichs 155, in dem das Versteifungselement 150 aufgebracht oder angeordnet ist, größer als die Fläche des ersten Bereichs 115 sein. Bevorzugt ist hier, dass der zweite Bereich 155 über den ersten Bereich 115 hinaus geht.

In einer Weiterbildung der Ausführungsform kann zusätzlich ein Bauteil 120 vorgesehen sein, welches um das Bauelement 110 auf der ersten Seite 10 des Trägerelements 100 aufgebracht oder angeordnet ist. Dieses Bauteil 120 umschließt das Bauelement 110 zumindest teilweise und schützt es so seitlich vor etwaiger Beschädigung. Das Bauteil 120 weist dabei eine Öffnung 190 auf, die einen Zugang des Umgebungsmediums zum Bauelement 110 ermöglicht. Durch den so gestalteten Zugangskanal kann beispielsweise erreicht werden, dass ein Umgebungsdruck an ein Drucksensorelement und/oder die Umgebungsatmosphäre an einen Gassensorelement als Bauelement 110 geführt werden kann. Um auch die Anordnung oder die Befestigung des Bauteils 120 auf dem Trägerelement 100 gegenüber mechanischen Spannungen abzusichern, kann vorgesehen sein, dass der erste Bereich 115 auf die Fläche 125 ausgedehnt wird, das heißt auf die Fläche 125, die das Bauteil 120 auf dem Trägerelement 100 einnimmt. Auch hier kann zur Sicherstellung ungewollter Einkopplung mechanischer Spannungen vorgesehen sein, den zweiten Bereich 155 größer als die Fläche 125 auszubilden.

Zur Passivierung des Bauelements 110 beziehungsweise des verwendeten Sensorelements kann in die Öffnung 190 ein Passivierungsmedium, zum Beispiel ein Gel eingebracht werden. Dabei kann dieses Passivierungsmedium das ganze Bauelement 110 oder auch nur einen Teil davon bedecken, zum Beispiel die Sensierkomponente und/oder Kontaktierungselemente.

Zur Abdichtung und/oder Fixierung/Arretierung der Montagevorrichtung in einem übergeordneten System, zum Beispiel einem Gehäuse oder einer sonstigen Anwendung, kann zusätzlich ein Dichtungselement 140 vorgesehen sein. Dieses Dichtungselement 140 kann wie in Figur lb gezeigt als Dichtungsring ausgestaltet sein, welches im oberen, dem Trägerelement 100 abgewandten Bereich des Bauteils 120 in eine hierfür vorgesehen Aufnahme 130 eingebracht wird. Alternativ kann ein derartiges Dichtungselement auch in anderer Ausgestaltung vorgesehen sein, wie es die Figuren 4a bis d zeigen. Die Figur 4a entspricht dabei dem Aufbau der Figur lb, wobei mit den Pfeilen eine mögliche Kraftkomponente angezeigt wird, die durch einen zusätzlichen Deckel oder ein Gegenelement des Gehäuses auf das Dichtungselement 140 zur Abdichtung ausgeübt wird. In diesem Beispiel wird laterale, d.h. eine zum Trägerelement 100 parallele, jedoch zur Öffnung 190 senkrechte Kraftkomponente 200 erzeugt, die den Dichtungsring 140 in die Aufnahme 130 drückt. In der Ausführung gemäß der Figur 4b ist ein Dichtungsmaterial 142 auf eine insbesondere um die Öffnung 190 umlaufende Aufnahme 132 im oberen Bereich aufgebracht. Auch in dieser Ausführung kann eine seitliche Kraftkomponente 200 durch ein weiteres Gehäuseelement wie einen Deckel erzeugt werden. Gemäß der Ausführung der Figur 4c kann ebenfalls eine Aufnahme 134 am oberen Ende 30 des Bauteils 120 vorgesehen sein, in die ein Dichtungsring 144 oder allgemein ein Dichtungsmaterial aufgebracht werden kann. In diesem Fall kann durch einen aufgesetzten Deckel des Gehäuses eine senkrechte Kraftkomponente 210 erzeugt werden, die in Richtung des Trägerelements 100 und somit auf das Versteifungselement 150 gerichtet ist. Eine derartige Abdichtung ermöglicht die Verwendung des Versteifungselements 150 als Gegenelement. Zusätzlich kann eine derartige Kraftkomponente 210 auch beim Aufbringen des Bauteils 120 auf das Trägerelement 100 verwendet werden, indem der untere Teil 40 des Bauteils 120 mit einem Kleber oder einem Lot auf das Trägerelement 100 gedrückt wird. Die Ausgestaltung der Figur 4d zeigt eine Aufnahme 136 für den Dichtungsring 146 oder allgemein ein Dichtungsmaterial, die am Rand im oberen Bereich des Bauteils 120 angeordnet ist. Hierbei kann sowohl eine senkrechte Kraftkomponente 210 in Richtung des Trägerelements 100 sowie eine laterale Kraftkomponente 200 senkrecht zur Öffnung 190 erforderlich sein. Durch eine derartige kombinierte 2-Punkt Krafteinleitung kann eine noch bessere Abdichtung zum Gehäusedeckel erreicht werden.

In einem zweiten Ausführungsbeispiel gemäß der Figur 2a ist vorgesehen, dass dem Versteifungselement 150 ein Federelement 180 zugeordnet ist, welches die Abdichtung beziehungsweise die Fixierung/Arretierung der Montagevorrichtung im übergeordneten System, zum Beispiel einem Gehäuse, unterstützt. So kann an das Versteifungselement 150 das Federelement 180 seitlich in Form einer einstückigen oder mehrstückigen Verlängerung vorgesehen sein. Hierbei können Ausnehmungen 184 zwischen dem Versteifungselement 150 und dem Federelement 180 vorgesehen sein, wie es in der Figur 2a gezeigt wird. Wie in dem Querschnitt der Figur 2a in Figur 2b zu sehen ist, erzeugt lediglich das seitlich vom Versteifungselement 150 angebrachte Federelement 180 die Federwirkung, wenn die Montagevorrichtung mit der zweiten Seite 20 auf einen Untergrund aufgebracht wird. Alternativ oder zusätzlich kann jedoch auch vorgesehen sein, dass das Versteifungselement 150 im zweiten Bereich 155 gebogen ausgestaltet ist. Die so durch das Federelement 180 erzeugte Gegenkraft kann zusätzlich auf das Dichtungsmaterial wirken und so die Montagevorrichtung an den Deckel drücken. Zur Montage des gebogenen Federelements 180 kann zusätzlich vorgesehen sein, dass die äußeren Enden 186 parallel zum Versteifungselement 150 oder zum Trägerelement 100 ausgestaltet sind. Hierdurch lässt sich die Montagevorrichtung einfacher auf eine ebene Oberfläche aufbringen und lassen sich Beschädigungen durch Kanten des Versteifungselements 150 oder des Federelements 180 an der Oberfläche verhindern.

Mit der Figur 5 wird anhand eines Flussdiagramms ein Herstellungsverfahren der erfindungsgemäßen Montagevorrichtung beschrieben. Dabei stellt der Schritt 500 eine Kombination der Aufbringung des Bauelements 110 auf der ersten Seite 10 des Trägerelements 100 sowie des Versteifungselements 150 auf der zweiten Seite 20 des Trägerelements 100 dar. Dabei kann das Versteifungselement 150 vorproduziert und als Ganzes auf das Trägerelement 100 aufgebracht oder direkt auf der Oberfläche abgeschieden werden.

In einem optionalen Schritt 520 wird das Bauteil 120 auf die erste Seite 10 des Trägerelements 100 derart aufgebracht, dass es wenigstens teilweise das Bauelement 110 umschließt. Gängige Methoden sind dabei das Aufkleben, Löten oder sonstiges Verbinden. Weiterhin kann in einem anschließenden optionalen Verfahrensschritt 540 ein Passivierungsmedium in die Öffnung 190 des Bauteils 120 eingebracht werden, welches wenigstens einen Teil des Bauteils bedeckt und/oder die Öffnung 190 mit einer Membran verschlossen werden, die die relevanten Umgebungseigenschaften, zum Beispiel Luftdruck, durchlässt aber unerwünschte Umgebungsbestandteile wie schädigende Substanzen abhält.