Die Erfindung betrifft ein Bauelementemodul, insbesondere ein Sensormodul. Das erfindungsgemäße Sensormodul kann insbesondere zur Messung eines Gas- bzw. Luftdrucks, z. B. in einem Fahrzeugreifen, eingesetzt werden.

Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Verwendung eines derartigen Bauelementemoduls.

Stand der Technik

Zur Messung des Luftdrucks in Fahrzeugreifen sind Sensormodule bekannt, die bei stehendem Fahrzeug oder auch während der Fahrt Messsignale über z.B. eine Antenne an einen Empfänger aussenden. Die aufgenommenen Messsignale dienen im allgemeinen der Überprüfung, ob der Luftdruck aus- reichend ist, und können ergänzend für Fahrdynamikregelungen herangezogen werden.

In Fahrzeugreifen treten jedoch hohe Belastungen an das Sensormodul auf, insbesondere hohe Druckbelastungen und aufgrund der Zentrifugalkräfte hohe Beschleunigungen, die bei den verwendeten Halbleiterbauelementen Beschädigungen hervorrufen können. Weiterhin treten in Fahrzeugreifen hohe Temperaturen auf, die zum einen zu einer Abnahme des Elastizitätsmoduls der verwendeten Materialien, insbesondere von Kunststoffen führen, wodurch wiederum die Widerstandkraft gegen mechanische Kräfte sinkt, und zum anderen an den Grenzflächen von Materialien unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten sehr hohe Scherkräfte entstehen lassen, die oftmals deutlich größer sind als die von außen einwirkenden mechanischen Kräfte.

Da beim Vulkanisieren des Reifens Temperaturbelastungen bis 200 ⁰ C und sehr hohe Druckbelastungen von einigen 10 bar auftreten, ist im Allgemeinen nur eine Anbringung in oder an der Felge möglich. Eine derartige Anbringung ist jedoch relativ aufwendig; weiterhin ist für einen Austausch des Sensors eine vollständige Zerlegung des Fahrzeugreifens erforderlich.

Die Ausbildung eines für einen Einsatz im Fahrzeugreifen geeigneten Sensormoduls und seine Anbringung im Fahrzeugreifen sind somit im Allgemeinen schwierig.

Die WO 2004/045260 A1 zeigt ein Verfahren zur Herstellung einer Halberzeugnisleiterplatte aus mehreren Zwischenschichten, wobei in einer Zwischenschicht eine Aussparung vorgesehen ist, in die ein Batterie- oder Akkuelement mit nicht größerer Dicke als die Zwischenschicht eingesetzt und mit Leiterbahnen der Leiterplatte kontaktiert wird. Hierbei wird die tragende Funktion der als Substrat dienenden Leiterplatte von den mehreren aufeinander gestapelten Einzelschichten gewährleistet.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Bauelementemodul und das Verfahren zu dessen Verwendung weisen demgegenüber einige Vorteile auf:

Erfindungsgemäß dient eine Spannungserzeugende Einrichtung, d.h. eine eine elektrische Spannung ausgebende Einrichtung, selbst als Substrat oder zumindest Teil des Substrates, d.h. sie weist eine tragende Funktion in dem Substrat auf. Die Spannungserzeugende Einrichtung kann hierbei insbesondere ein Energiespeicher, z. B. eine galvanische Zelle sein; sie kann insbesondere eine nicht wiederaufladbare Batterie oder ein wiederaufladbarer Ak- kumulator sein; die Batterie bzw. der Akkumulator kann als einfache Knopfzelle oder größerer Zylinder ausgelegt sein und somit unterschiedliche Formgebunden ermöglichen. Weiterhin kann jedoch z. B. auch eine Brenn-

stoffzelle eingesetzt werden, der Energie in Form eines Brennstoffs und Oxi- dationsmittels zugeführt wird und die hieraus elektrische Energie erzeugt und eine Spannung bereitstellt. Die Spannungserzeugende Einrichtung weist hierbei im allgemeinen ein Gehäuse und Anschlusspole auf.

Die spannungserzeugende Einrichtung kann einfach mit einer Isolatorschicht auf ihrer Ober- oder Unterseite oder auch auf beiden Seiten beschichtet sein, wobei auf der einen oder beiden Isolatorschichten direkt die Leiterbahnen zur Kontaktierung der Bauelemente ausgebildet sind. Die Isolatorschicht bzw. Isolatorschichten dienen hierbei zur elektrischen Isolierung der Anschlusspole und als thermomechanische Entkopplung. Sie können im einfachen Fall als auf die Anschlusspole aufgelegte, nicht selbsttragende Keramikplättchen ausgebildet sein. Grundsätzlich kann aber auch bereits das Gehäuse der spannungserzeugenden Einrichtung als eine derartige Isolatorschicht dienen. Weiterhin kann auf der spannungserzeugenden Einrichtung auch ein Zwischensubstrat, z. B. eine Leiterplatte aus Kunststoff oder ein Keramiksubstrat, befestigt werden.

Das erfindungsgemäße Bauelementemodul kann gemäß einer bevorzugten Ausbildung ein Sensormodul sein, bei dem auf dem Substrat als Bauelemente ein Sensorchip, vorteilhafterweise auch ein Auswertechip und gegebenenfalls Transmitterchips befestigt sind. Ergänzend kann eine Antenne an dem Substrat angebunden werden.

Die Kontaktierungen der Anschlusspole mit den auf der Isolatorschicht vorgesehenen Leiterbahnen können zum einen über eine Durchkontaktierung durch die Isolatorschicht zu dem näher gelegenen Anschlusspol und ergänzend durch eine winkelförmige Kontaktführung zu dem Pol auf der entgegengesetzten Seite der spannungserzeugenden Einrichtung erfolgen. Bei Ver- wendung von zwei Isolatorschichten mit Leiterbahnen auf Ober- und Unterseite der spannungserzeugenden Einrichtung sind entsprechend zwei winkelförmige Kontaktführungen vorgesehen.

Auf der Isolatoroberseite verlaufen somit eine Plusleiterbahn und eine Minusleiterbahn, die mit den Anschlusspolen kontaktiert sind, sowie ein oder mehrere Verbindungsleiterbahnen, die - wie es bei herkömmlichen Substraten bekannt ist - der Kontaktierung der verschiedenen Anschlüsse der aufgenommenen Bauelemente dienen.

Das mindestens eine Bauelement wird vorteilhafterweise mittels Flip-Chip- Technik gelötet, so dass keine Anschlusspins zur Seite vorstehen. Hierdurch wird ein kompakter, im Wesentlichen zylinderförmiger Aufbau des gesamten Sensormoduls gewährleistet, das gegenüber äußeren Belastungen stabil ausgebildet ist. Eine Antenne dient vorteilhafterweise der Datenübertragung, insbesondere bei Einsatz in einem Reifen. Vorteilhafterweise wird das Gesamtsystem vergossen, z.B. in temperaturstabiles Epoxidharz, so dass die Kontaktierungen und gegebenenfalls die Antenne integriert und stabil aufgenommen sind.

Neben runden bzw. zylinderförmigen Ausbildungen der spannungserzeugen- den Einrichtung und des gesamten Bauelementemoduls können z.B. auch rechtwinklige Ausbildungen geschaffen werden. Hierdurch ist die Herstellung des Substrates mit der Elektronik in einem als solchem bekannten Batch- Verfahren möglich, bei dem das Zwischensubstrat, z.B. eine Leiterplatte oder ein Keramiksubstrat, im Nutzen hergestellt wird, die elektronischen Bauelemente auf dem mindestens einen Zwischensubstrat oder den beiden Zwi- schensubstraten kontaktiert, z.B. gelötet werden, die so gebildeten Module vereinzelt werden und ein Stapel aus dem Zwischensubstrat mit der span- nungserzeugenden Einrichtung bzw. ein Sandwich-Stapel aus der span- nungserzeugenden Einrichtung zwischen zwei derartigen Zwischensubstraten gebildet wird.

Weiterhin ist es grundsätzlich auch möglich, dass Kontakte direkt in das Gehäuse der spannungserzeugenden Einrichtung integriert sind. Hierbei ist die

spannungserzeugende Einrichtung vorteilhafterweise vollständig von dem Isolatormaterial umgeben, das für die thermomechanische Entkopplung sorgt. Die Leiterbahnen verlaufen dementsprechend in dem Isolator. Auf der Außenhaut der spannungserzeugenden Einrichtung sind hierbei Plus- Minusanschlüsse und Verbindungsleitungen des Sensorchips und Auswertechips sowie der Antenne vorgesehen. Die Komponenten werden hierbei direkt auf die spannungserzeugende Einrichtung gelötet.

Das erfindungsgemäße Sensormodul kann insbesondere ein Inertialsensor oder ein direkt in Kontakt mit externen Medien stehender Sensor, z.B. Drucksensor, Flusssensor oder chemischer Sensor sein. Bei den letzteren Sensoren findet keine Vollverkapselung des Gesamtsystems statt, da das Sensorelement Kontakt mit den Medien erfordert und somit unverkapselt bleibt. Hierbei können das Sensorelement und die Auswerteschaltung auf entgegen gesetzten Seiten der spannungserzeugenden Einrichtung platziert werden.

Das erfindungsgemäße Sensormodul kann großen Kräften widerstehen, da aufgrund seines kompakten Aufbaus nur geringe Momente entstehen; weiterhin wird eine kleine Baugröße erreicht, die einen Einsatz auch im Gummi- materal eines Reifens ermöglicht. Aufgrund seiner kleinen Baugröße und der geringen Anzahl verwendeter Bestandteile ist eine kostengünstige Herstellung möglich. Das Sensormodul kann vorteilhafterweise ohne einen direkten Kontakt von Materialien mit einem hohen Unterschied in ihren thermischen Ausdehnungskoeffizienten, z. B. Metall und Silizium, aufgebaut sein, so dass interne Scherkräfte gering gehalten werden.

Beschreibung der Ausführungsformen

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der beiliegenden Zeichnungen an einigen Ausführungsformen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Substrates aus Batterie, Isolatorschicht und Leiterbahnen auf der Substratoberseite, bei flachem Aufbau;

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht eines Sensormoduls gemäß einer ersten Ausführungsform mit dem Substrat aus Fig. 1 und aufgenommenem Sensorchip und Auswertechip;

Fig. 3 einen Querschnitt durch das Sensormodul aus Fig. 2 mit zusätzlichem Füllmaterial;

Fig. 4 ein Sensormodul gemäß einer weiteren Ausführungsform mit stabförmigen Aufbau aus Batterie, Isolatorschichten und an entgegen gesetzten Seiten aufgenommenem Auswertechip und Sensorchip;

Fig. 5 ein Sensormodul gemäß einer weiteren Ausführungsform in auseinander gezogener Darstellung mit einem Substrat in Stapel- bauweise aus die Batterie kontaktierenden und die Chips aufnehmenden Zwischensubstraten und diese verbindenden Kontaktstiften;

Fig. 6 eine Anordnung zur Herstellung eines Sensormoduls gemäß einer weiteren Ausführungsform im Querschnitt mit Batterie, die Batterie zwischen sich aufnehmenden Zwischensubstraten und auf diesen angebrachten Bauelementen.

Fig. 1 zeigt ein Substrat 2 mit einer zylinderförmigen Batterie 1 , die auf ihrer Unterseite ihren Minuspol M und auf ihrer Oberseite ihren Pluspol P aufweist, sowie eine auf die Oberseite 1.1 der Batterie 1 gesetzte Isolatorschicht 4. Die Batterie 1 kann eine nicht aufladbare galvanische Zelle oder auch eine wieder aufladbare galvanische Zelle, d.h. ein Akkumulator, sein. Die Isolatorschicht 4 ist ebenfalls zylindrisch mit im Wesentlichen gleicher kreisförmiger Grundfläche wie die Batterie 1 ausgebildet, so dass das Substrat 2 eine zy- lindrische Form aufweist.

Der Pluspol P und der Minuspol M können als Teilbereiche der Oberseite 1.1

bzw. Unterseite 1.2 der Batterie 1 ausgebildet sein oder sich jeweils vollständig über die Oberseite 1.1 und Unterseite 1.2 der Batterie 1 erstrecken. Die Kontaktierung des Pluspols P erfolgt durch eine sich durchgängig durch die Isolatorschicht 4 erstreckende Öffnung 5, in die ein Kontaktstift 6 als Polkon- takt passend eingesetzt ist, der auf dem Pluspol P leitend aufliegt oder leitend kontaktiert ist, z.B. mittels Leitkleber oder Lot. Der Kontaktstift 6 erstreckt sich bis zur Oberseite 4.1 des Isolators 4, mit der er bündig abschließt.

Zur Kontaktierung des Minuspols M erstreckt sich ein winkelförmiger Anschlusskontakt 8 von dem Minuspol M an der Unterseite 1.2 der Batterie 1 seitlich nach außen und von dort entlang der Seitenfläche der Batterie 1 und des Isolators 4 bis zu dessen Oberseite 4.1. Somit sind die beiden Pole P, M der Batterie 1 auf der Oberseite 4.1 des Isolators 4 kontaktierbar bzw. zu- gänglich. Auf der Isolatoroberseite 4.1 verlaufen mehrere Leiterbahnen 10, 12, 14. Hierbei kontaktiert eine Plus-Leiterbahn 10 den Kontaktstift 6 oberhalb der Öffnung 5. Entsprechend kontaktiert eine Minus- Leiterbahn 12 lateral außen den winkelförmigen Anschlusskontakt 8. Ergänzend sind ein oder mehrere Verbindungsleiterbahnen 14 auf der Isolatoroberseite 4.1 ausgebil- det. Die Leiterbahnen 10, 12 und 14 verlaufen hierbei vorteilhafterweise parallel entsprechend den Leiterbahnen auf einem herkömmlichen Substrat, wie z.B. einer Leiterplatte, so dass Bauelemente direkt auf die Substratoberseite gesetzt und mit den Leiterbahnen 10, 12 und 14 kontaktiert werden können.

Fig. 2 zeigt ein Sensormodul 20 - ohne Passivierung - mit dem Substrat 2 aus Fig. 1 , auf das als Bauelemente ein Auswertechip 24 und ein Sensorelement 25 bzw. Sensorchip aufgesetzt und mit den Leiterbahnen 10, 12, 14 kontaktiert sind. Durch die Verbindungsleiterbahnen 14 werden die An- Schlüsse der aufgesetzten Bauelemente 24, 25 kontaktiert. Die Bauelemente 24, 25 sind hierbei in Flip-Chip-Technik direkt mit ihren Kontaktpads kontaktiert.

Gemäß dem Querschnitt der Fig. 3 (durch die Ebene A aus Fig. 1 ) kann sich der Isolator 4 - anders als Fig. 1 , 2 - in lateraler Richtung über die Batterie 1 hinaus erstrecken, wobei lateral neben der Batterie 1 weitere Isolatorberei- che 22 vorgesehen sind, um die der winkelförmige Anschlusskontakt 8 gelegt ist. Auf der Isolatoroberseite 4.1 verlaufen bei dieser Ausführungsform beispielhaft zwei parallele Verbindungsleiterbahnen 14; es können entsprechend auch noch weitere Verbindungsleiterbahnen 14 vorgesehen sein. Ein Bauelement, z.B. der Auswertechip 24 oder das Sensorelement 25, ist auf den Leiterbahnen 10, 12, 14 in an sich bekannter Weise mittels Kontaktmit- telbumps 26, z.B. Leitkleberbumps 26 und/oder Lötbumps 26, kontaktiert. Vorteilhafterweise ist ein Underfillermaterial 28 bzw. Füllmaterial, z.B. Epoxidharz, zwischen das Bauelement 24 und die Isolatoroberfläche 4.1 zur Passivierung und Isolation der Leiterbahnen 10, 12, 14 und der Verbin- dungsmittelbumps 26 gefüllt, wobei das Underfillermaterial 28 ergänzend das Substrat 2 auch zu den Seiten und zur Unterseite hin umgibt, so dass es dieses vorteilhafterweise vollständig einschließt.

Der Auswertechip 24 kann z. B. ein ASIC, und das Sensorelement 25 insbe- sondere ein Drucksensor bzw. Sensorchip zur Messung eines Luftdrucks, aber auch z. B. ein Sensorchip zur Messung von Infrarotstrahlung zur spektroskopischen Detektion mindestens einer Gaskonzentration und/oder ein Masseflusssensor sein.

Fig. 4 zeigt ein Sensormodul 120 mit einem stabförmigen Aufbau seines Substrates 116. Hierbei sind an der Ober- und Unterseite der Batterie 1 jeweils zylindrische Isolatoren 104a, 104b mit gleichem Durchmesser wie die Batterie 1 vorgesehen. Beide Isolatoren 104a, 104b weisen - entsprechend dem Isolator 4 der Fig. 1 -jeweils eine Öffnung 105a, 105b mit Kontaktstiften 106a, 106b auf, so dass beide Pole M, P der Batterie 1 über die Kontaktstifte 106a, 106b in axialer Richtung kontaktiert werden. Ein Anschlusskontakt 108a ermöglicht die Kontaktierung des Pols M auf dem Isolator 104a; ent-

sprechend ermöglicht ein Anschlusskontakt 108b die Kontaktierung des Pols P auf dem Isolator 104b, so dass auf den Oberseiten beider Isolatoren 104a, 204b sowohl der Plus- als auch der Minusanschluss zur Verfügung stehen. Weitere Kontaktführungen 110 und 111 (weitgehend verdeckt) zwischen den Oberseiten der Isolatoren 104 a, b dienen der Datenübertragung. Somit dient das Substrat 216 als beidseitiges Substrat, bei dem sowohl auf der Ober- als auch der Unterseite Bauelemente 24 - z.B. eine Auswerteschaltung - und 25 - z.B. ein Sensorelement 25 - kontaktiert werden können. Gemäß Fig. 4 kann bei Anbringung der Bauelemente 24, 25 auf den gegenüber liegenden Seiten ein länglicher bzw. stabförmiger Aufbau erreicht werden.

Fig. 5 zeigt ein Sensormodul 220, bei dem die Batterie 1 zwischen einem oberen Zwischensubstrat 221 und einem unteren Zwischensubstrat 222 angeordnet ist. An der Unterseite des oberen Zwischensubstrates 221 ist ein Metallkontakt 224 für den Pluspol P der Batterie 1 vorgesehen. Entsprechend ist an der Oberseite des unteren Zwischensubstrates 222 ein Metallkontakt 226 für den Minuspol M der Unterseite 1.2 der Batterie 1 ausgebildet. Die Metallkontakte 224, 226 sind über seitlich neben der Batterie 1 verlaufende Kontaktstifte 208 mit den Oberseiten des jeweils anderen Zwischensubstra- tes 222, 221 kontaktiert. Weiterhin ist in jedem Zwischensubstrat 221 , 222 eine Durchkontaktierung 234, 236 zwischen dem jeweiligen Metallkontakt 224, 226 und der Außenseite - d.h. der Oberseite 221a des oberen Zwischensubstrates 221 bzw. der Unterseite 222a des unteren Zwischensubstrates 222 - vorgesehen. Somit sind auf der Außenseite jedes Zwischen- Substrates 221 , 222 beide Anschlüsse der Batterie 1 vorgesehen, wobei auf den Zwischensubstraten 221 , 222 wiederum die Leiterbahnen 10,12, 14 der oben beschriebenen Ausführungsformen ausgebildet sind.

Sowohl auf der Oberseite 221a des oberen Zwischensubstrates 221 als auch auf der Unterseite 222a des unteren Zwischensubstrates 222 können auf den Leiterbahnen 10, 12, 14 ein oder mehrere Bauelemente, z.B. der Auswertechip 24 und/oder das Sensorelement 25 kontaktiert werden. Lediglich der

Übersichtlichkeit halber ist hier das untere Zwischensubstrat 222 nicht bestückt. Das Substrat 216 aus Batterie 1 und den Zwischensubstraten 221 , 222 weist hierbei vorteilhafterweise eine rechteckige und somit für vielfältige Anwendungen kompatible Außenform auf.

Fig. 6 zeigt ein Drucksensormodul 320, bei dem die Pole P und M der Batterie 1 mit den oberhalb und unterhalb von ihr angeordneten Zwischensubstraten 321 , 322 direkt bzw. über winkelförmige Anschlusskontakte 328 und gegebenenfalls Durchkontaktierungen 234, 236 entsprechend den Durchkon- taktierungen 234, 236 der Fig. 5 kontaktiert sind. Hierbei sind auf der Oberseite des oberen Zwischensubstrates 321 ein Sensorelement 25 und auf der Unterseite des unteren Zwischensubstrates 322 ein Auswertechip 24 über Verbindungsmittelbumps 26 kontaktiert.

Nach dem Zusammenbau des oberen Zwischensubstrates 321 und des unteren Zwischensubstrates 322 mit der Batterie 1 und eventuell einer an dem unteren Zwischensubstrat 322 kontaktierten Antenne 324 wird die so gebildete Baugruppe kopfüber in eine untere Gusform 332 gesenkt, bis das obere Zwischensubstrat 321 auf einer oberen Gusform 330 bzw. einer Dichtung 334 aufliegt und nachfolgend mit einem Passivierungsmittel, z.B. Epoxidharz 338 vergossen. Das an der Oberseite des oberen Zwischensubstrates 321 vorgesehene Sensorelement 25 bleibt hierbei von dem Passivierungsmittel verschont. Zwischen dem Sensorelement 25 und der Oberseite des oberen Zwischensubstrates 321 kann ein Underfiller 329 zur Passivierung der Ver- bindungsmittelbumps 26 vorab aufgebracht sein.