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Dokumentenidentifikation DE102005046008B4 24.05.2007
Titel Halbleitersensorbauteil mit Sensorchip und Verfahren zur Herstellung desselben
Anmelder Infineon Technologies AG, 81669 München, DE
Erfinder Theuss, Horst, Dr.rer.nat. Dipl.-Phys., 93173 Wenzenbach, DE;
Dangelmaier, Jochen, Dipl.-Ing.(FH), 93176 Beratzhausen, DE
Vertreter Schweiger & Partner, 80333 München
DE-Anmeldedatum 26.09.2005
DE-Aktenzeichen 102005046008
Offenlegungstag 29.03.2007
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 24.05.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 24.05.2007
IPC-Hauptklasse B81B 1/00(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse B81C 1/00(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Halbleitersensorbauteil mit Sensorchip und ein Verfahren zur Herstellung desselben. Der Sensorchip weist auf seiner Oberseite einen Sensorbereich und Kontaktflächen auf. Ferner ist der Sensorchip in einem Hohlraumgehäuse angeordnet, das Seitenwände und einen Gehäuseboden besitzt. Die Kontaktflächen des Sensorchips stehen mit Außenkontakten außerhalb des Hohlraums des Hohlraumgehäuses elektrisch in Verbindung.

Ein derartiges Halbleitersensorbauteil ist aus der Druckschrift DE 103 30 739 A1 bekannt. Einen schematischen Querschnitt durch das bekannte Halbleitersensorbauteil zeigt 8, wobei dieses Halbleitersensorbauteil ein mikroelektro-mechanisches Modul 51 mit einem Sensorgehäuse 117 und mit einem Sensor 52 darstellt.

Ein Sensorbereich 113 wird von einer Aussparung 57 einer Kunststoffgehäusemasse 56 gebildet und weist auf dem Boden 128 der Aussparung Flachleiterenden 111 auf, die eine zentrale Position 115 umgeben. Ein weiterer Teil 120 der Flachleiter 59 ragt aus dem Sensorgehäuse 117 heraus und bildet Außenkontakte 121, die mit dem Sensorbereich 113 korrespondieren. In ein derartiges Sensorgehäuse 117 können unterschiedliche Sensoren 52 auf der zentralen Position 115 angeordnet werden, wobei die zentrale Position 115 eine metallische Chipinsel 122 auf dem Boden 128 aufweist.

Auf der Chipinsel 122 ist ein auf Siliziumbasis 125 hergestellter Drucksensor 124 fixiert, der auf Druckschwankungen reagiert, die durch eine gummielastische Kunststoffmasse 58 auf den druckempfindlichen Bereich des Drucksensors 124 übertragen werden. Die Durchbiegung einer Siliziummembran 126 bewirkt eine kapazitive Änderung zwischen der Oberseite der Siliziummembran 126 und einer darüber angeordneten starren metallplattierten Glasplatte 129, so dass über die kapazitive Änderung Druckschwankungen erfasst werden können. Dazu sind die Elektroden des Drucksensors 124 über Bondverbindungen 110 und entsprechende Flachleiter 59 mit einem Steuer- und Auswertehalbleiterchip 53 verbunden.

Ein derartiges Halbleitersensorbauteil hat den Nachteil, dass die Siliziumbasis 125 der Siliziummembran 126 auf einer Chipinsel 122 fixiert ist, die ihrerseits von dem Boden 128 aus einer Kunststoffgehäusemasse 56 gehalten wird. Da der Gehäuseboden 128 aus der Kunststoffgehäusemasse 56 einen deutlich größeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten als die Siliziumbasis 125 der Siliziummembran 126 aufweist, besteht die Gefahr, dass thermische Spannungen zwischen dem Material der Siliziumbasis 125 und dem Material der Kunststoffgehäusemasse 56 die Siliziummembran derart vorspannt, dass die Sensorcharakteristik beeinträchtigt wird.

Beruhen die Druckmessungen nicht auf einer kapazitiven Kopplung, sondern auf einer Membran, die mit Piezoelementen bestückt ist, so wirken sich thermomechanische Spannungen noch deutlicher auf die Messsignale aus, da derartige Piezoelemente bei thermomechanischen Spannungen Fehlsignale erzeugen.

Weiterhin hat das bekannte Sensorbauteil dieses mikromechanischen Moduls 51 den Nachteil, dass die gummielastische Kunststoffmasse 58 oberhalb des druckempfindlichen Bereichs und innerhalb der Aussparung 57 eine variable, nicht eindeutig definierte Kontur aufweist, was ebenfalls die Sensorcharakteristik beeinträchtigt, zumal die Sensorempfindlichkeit von der Dicke der über der Membran 127 angeordneten gummielastischen Kunststoffmasse 58 abhängt.

Auch aus der DE 197 54 616 A1 ist ein Halbleitersensorbauelement bekannt, bei dem sich thermische Spannungen zwischen dem Sensorchip und der ihn einbettenden Kunststoffmasse nachteilig auswirken können.

Aus der DE 100 59 178 A1 und der EP 0 782 765 B1 sind Möglichkeiten zur Vermeidung von Schäden durch elastische Spannungen bei Flip-Chip-Kontakten bekannt.

Auch beim Anbringen der Bondverbindungen 110 wirken auf den Sensorchip mechanische Kräfte, wodurch die Kennlinie ungewollt, zum Teil auch unkontrollierbar, beeinträchtigt werden kann. Auch wenn empfindliche Sensorflächen, wie im Stand der Technik, mit weichen gummielastischen Materialien abgedeckt werden, sind die involvierten Dispensprozesse kritisch, zumal die Sensibilität der Sensoren empfindlich von der Höhe des über einer Sensormembran dispensten Materials abhängt.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Halbleitersensorbauteil mit Sensorchip und ein Verfahren zu dessen Herstellung zu schaffen, mit dem die Nachteile im Stand der Technik überwunden werden. Insbesondere ist es Aufgabe der Erfindung, die starre stoffschlüssige Verbindung zwischen der Halbleitersensorbasis und einem Gehäuseboden zu überwinden und die Einkopplung von thermomechanischen Spannungen in den Halbleitersensorchip und insbesondere in den Sensorbereich des Halbleitersensorchips zu vermeiden.

Gelöst wird diese Aufgabe mit dem Gegenstand der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Erfindungsgemäß wird ein Halbleitersensorbauteil mit einem Sensorchip geschaffen, der auf seiner Oberseite einen Sensorbereich und Kontaktflächen aufweist. Ferner weist das Halbleitersensorbauteil ein Hohlraumgehäuse auf, das Seitenwände und einen Gehäuseboden besitzt, wobei Außenkontakte außerhalb des Hohlraums des Hohlraumgehäuses mit Kontaktanschlussflächen auf einer dem Hohlraum zugewandten Oberseite des Gehäusebodens elektrisch über Durchkontakte in Verbindung stehen. Außerdem ist der Hohlraum mit einer gummielastischen Kunststoffmasse aufgefüllt, in welcher der Sensorchip mindestens teilweise eingebettet ist. Erfindungsgemäß ist der Sensorbereich des Sensorchips dem Gehäuse zugewandt und die Kontaktflächen des Sensorchips sind an elastische Flipchip-Kontakte angeschlossen, die mit den Kontaktanschlussflächen auf dem Gehäuseboden elektrisch in Verbindung stehen.

Ein derartiges Halbleitersensorbauteil hat den Vorteil, dass die Empfindlichkeit der Sensorkomponente verbessert wird. Die elastischen Flipchip-Kontakte stellen einen besonders effektiven thermomechanischen Puffer zwischen dem Gehäuseboden und dem Sensorchip dar. Die Verwendung des gummielastischen Materials dient nicht allein der Verkapselung des Sensorchips, sondern liefert aufgrund der Ausrichtung des Sensorbereichs zum Gehäuseboden hin einen gleichbleibend scharf definierten Abstand zwischen der Oberseite des Sensorchips und dem Gehäuseboden, wodurch die Dicke der gummielastischen Schicht über der Sensorfläche ebenfalls scharf definiert ist und eine hohe Sensorempfindlichkeit begünstigt. Schließlich wird durch die elastischen Flipchip-Kontakte eine mechanische Entkopplung des Sensorchips von dem Hohlraumgehäuse erreicht, da der Sensorchip quasi in einem gummielastischen Gel schwimmt und somit Verspannungen des Hohlraumgehäuses und Kräfte, die auf das Hohlraumgehäuse einwirken, die Messergebnisse des Sensorchips nicht beeinträchtigen.

Schließlich können durch die erfindungsgemäße Lösung die Gehäuseabmessungen im Vergleich zu Drahtbondlösungen verkleinert werden, da die Drahtbondschleifen wegfallen und der Platzbedarf für den Drahtbondvorgang ebenfalls eingespart werden kann. Schließlich wird die Zuverlässigkeit verbessert, da die Zyklenfestigkeit durch Einführung der thermomechanischen Puffer aufgrund der elastischen Flipchip-Kontakte erhöht wird. Außerdem sind ungewollte Vorschädigungen beim Anbringen von Bondverbindungen an den Sensorchip praktisch ausgeschlossen.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der Gehäuseboden mindestens eine Gehäusebodenöffnung auf. Über diese Gehäusebodenöffnung kann ein direkter Kontakt des Sensorbereichs des Sensorchips mit der Umgebung sichergestellt werden. Außerdem wird die Empfindlichkeit des Sensorbereichs erhöht, da die Wechselwirkung zwischen Umgebung und Sensorbereich nun nicht über die Rückseite des Sensorchips erfolgt.

Weiterhin ist es vorgesehen, dass die elastischen Flipchip-Kontakte gummielastische Kunststoffhügel aufweisen, auf denen Leitungspfade bis zur Hügelspitze angeordnet sind. Derartige Flipchip-Kontakte sind aus der Druckschrift DE 102 39 080 A1 bekannt, wobei die Druckschrift US 2005/0127527 A1 weitere Ausführungsformen derartiger elastischer Kontakte offenbart.

Weiterhin ist es vorgesehen, dass die Flipchip-Kontakte galvanisch abgeschiedene elastische Fasern aufweisen, wie sie aus der Druckschrift DE 100 17 746 A1 bekannt sind. Derartige elastische Fasern haben den Vorteil, dass sie unmittelbar auf den Kontaktflächen des Sensorchips abgeschieden werden können und somit eine Flächenreduzierung ermöglichen.

Ferner können als elastische Flipchip-Kontakte auch federelastische Bonddrahtstücke eingesetzt werden, wobei ein S-förmig gebogenes Bonddrahtende auf die Kontaktfläche des Sensorchips gebondet wird und mit einer federelastischen Legierung, beispielsweise aus Federbronze, beschichtet ist.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Gehäusebodenöffnung in ihrer flächigen Erstreckung der Fläche des Sensorbereichs angepasst. Andererseits ist es auch möglich, anstelle einer großflächigen einzelnen Gehäusebodenöffnung mehrere Bodenöffnungen vorzusehen, die an die Fläche des Sensorbereichs angepasst sind und über die gummielastische Kunststoffmasse mit dem Sensorbereich des Sensorchips in Wirkverbindung stehen.

Vorzugsweise wird als gummielastische Kunststoffmasse ein Silicongel eingesetzt, wobei für optische Sensoren diese gummielastische Masse optisch transparent ist. Wie bereits oben erwähnt, wird vorzugsweise zwischen der Oberseite des Gehäusebodens und dem Sensorbereich eine gleichbleibend dünne Schicht der gummielastischen Kunststoffmasse angeordnet, um die Empfindlichkeit und Zuverlässigkeit des Halbleitersensorbauteils zu verbessern.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung bilden die Seitenwände des Hohlraumgehäuses einen Spritzgussrahmen aus einer gefüllten Kunststoffgehäusemasse aus. Derartige gefüllte Kunststoffgehäusemassen zeichnen sich durch ihre Robustheit und Stabilität aus, wobei keramische Füllstoffpartikel dafür sorgen, dass der thermische Ausdehnungskoeffizient der Kunststoffgehäusemasse vermindert wird, so dass der Unterschied zu dem Ausdehnungskoeffizienten der Halbleiterbasis des Sensorchips, insbesondere der Siliziumbasis eines Sensorchips, vermindert wird.

Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind die Außenkontakte Flachleiter, die auf einer Unterseite des Gehäusebodens angeordnet sind. Während üblicherweise die Außenflachleiter aus dem Gehäuse herausragen, wird mit dieser Lösung erreicht, dass das Halbleitersensorbauteil oberflächenmontierbar ist, ohne dass zusätzliche Fläche einer übergeordneten Schaltungsplatine für das Montieren der Außenflachleiter erforderlich wird.

Die Außenflachleiter mit ihren Außenkontaktflächen auf der Unterseite des Gehäusebodens erstrecken sich durch den Gehäuseboden hindurch zu Innenflachleitern mit Kontaktanschlussflächen auf der Oberseite des Gehäusebodens in dem Hohlraumbereich. Diese Flachleiterkonstruktion hat den Vorteil, dass für die Herstellung der Halbleitersensorbauteile ein Flachleiterrahmen eingesetzt werden kann, auf dem eine Mehrzahl von Halbleitersensorbauteilen parallel herstellbar ist.

Ein Verfahren zur Herstellung mehrerer Halbleitersensorbauteile weist die nachfolgenden Verfahrensschritte auf. Zunächst wird ein Halbleiterwafer mit einer Vielzahl in Zeilen und Spalten angeordneter Sensorchippositionen hergestellt, wobei in den Sensorchippositionen Kontaktflächen und mindestens ein Sensorchipbereich angeordnet sind. Anschließend werden elastische Flipchip-Kontakte auf den Kontaktflächen und/oder in elektrischer Verbindung mit den Kontaktflächen in den Halbleiterchippositionen positioniert. Danach kann der Halbleiterwafer in eine Vielzahl von Sensorchips aufgetrennt werden.

Die Flipchip-Kontakte einzelner Sensorchips werden dann mit Kontaktanschlussflächen auf einem Schaltungsträger, der mehrere Halbleitersensorbauteilpositionen aufweist, elektrisch verbunden. Dabei sind die Kontaktanschlussflächen auf einem Gehäuseboden eines Hohlraumgehäuses angeordnet und von Seitenwänden des Hohlraumgehäuses umgeben. Anschließend erfolgt ein mindestens teilweises Verpacken der Sensorchips in eine gummielastische Kunststoffmasse innerhalb des Hohlraums des Hohlraumgehäuses. Abschließend werden die Halbleitersensorbauteilpositionen des Schaltungsträgers in einzelne Halbleitersensorbauteile aufgetrennt.

Dieses Verfahren hat den Vorteil, dass auf einem Schaltungsträger gleichzeitig und parallel mehrere Halbleitersensorbauteile hergestellt werden können. Bei dem Schaltungsträger kann es sich um ein Verdrahtungssubstrat mit einer Mehrzahl von Halbleiterbauteilpositionen handeln oder um einen Flachleiterrahmen, der ebenfalls für die parallele Herstellung von mehreren Halbleitersensorbauteilen geeignet ist.

In einem bevorzugten Durchführungsbeispiel des Verfahrens werden zum Aufbringen von elastischen Flipchip-Kontakten gummielastische Kunststoffhügel benachbart zu den Kontaktflächen der Sensorchippositionen auf den Halbleiterwafer aufgebracht und mittels selektiver Metallisierung werden Leitungspfade von den Kontaktflächen in den Halbleiterchippositionen zu den Hügelspitzen geführt. Mit dieser Verfahrensvariante können auf dem Halbleiterwafer bereits die vorgesehenen elastischen Flipchip-Kontakte bereitgestellt werden.

Alternativ können zum Aufbringen von elastischen Flipchip-Kontakten elastische Kontaktfasern auf den Kontaktflächen des Halbleiterwafers in den Sensorchippositionen chemisch oder galvanisch abgeschieden werden. Das Verfahren zur Herstellung derartiger elastischer Kontaktfasern ist in der Druckschrift DE 100 17 746 A1 im Detail beschrieben und liefert in Länge und Querschnitt genau definierbare Kontaktfasern für elastische Verbindungen zwischen einem Halbleiterchip und dem hier zur Verfügung stehenden Gehäuseboden des Halbleitersensorbauteils.

Ferner können zum Aufbringen von elastischen Flipchip-Kontakten Bonddrahtstücke auf den Kontaktflächen des Halbleiterwafers in den Halbleiterchippositionen gebondet werden und die Bonddrahtenden der Bonddrahtstücke S-förmig gebogen werden. Dazu kann der Bonddraht schon vorher mit einem federelastischen Metall, wie einer Federbronze, beschichtet sein oder im Nachhinein mit einem derartigen federelastischen Material beschichtet werden.

Weiterhin ist es vorgesehen, dass zum elektrischen Verbinden die Flipchip-Kontakte einzelner Sensorchips auf Kontaktanschlussflächen des Schaltungsträgers mittels Leitklebstoff fixiert werden. Diese Verfahrensvariante hat den Vorteil, dass äußerst geringe Montagekräfte auf den Halbleiterchip beim Verbinden mit den Kontaktanschlussflächen des Gehäuses ausgeübt werden, so dass die Charakteristik des Sensors praktisch nicht beeinträchtigt wird. Eine andere Möglichkeit besteht darin, die flexiblen Flipchip-Kontakte einzelner Sensorchips auf den Kontaktanschlussflächen des Schaltungsträgers mittels Löten zu fixieren. Bei diesem Vorgang können jedoch bereits thermomechanische Spannungen in den Halbleiterchip induziert werden, was die Charakteristik des Sensors beeinträchtigen könnte.

Zum Herstellen von Hohlraumgehäusen wird vorzugsweise ein Flachleiterrahmen als Schaltungsträger bereitgestellt, auf den in den Halbleitersensorbauteilpositionen die Hohlraumgehäuse mittels Spritzguss aufgebracht werden. Die Flachleiterrahmentechnik ist eine sicher beherrschbare Technik, um Halbleitersensorbauteile, und insbesondere Hohlraumgehäuse auf Flachleitern in geeigneter Qualität herzustellen. Eine Alternative zur Flachleiterrahmentechnik ist das Bereitstellen eines Verdrahtungssubstrats als Schaltungsträger, wobei auch hier auf dem Verdrahtungssubstrat entsprechende Hohlraumgehäuse mittels Spritzguss in den Halbleitersensorbauteilpositionen aufgebracht werden können.

Zum Verpacken der Sensorchips in eine gummielastische Kunststoffmasse wird vorzugsweise eine Dispenstechnik eingesetzt, die in vorteilhafter Weise nur minimale Kräfte auf den Sensorchip ausübt. Dazu ist es von Vorteil, wenn die Gehäusebodenöffnung erst nach dem Dispensvorgang eingebracht wird.

Die Erfindung wird nun anhand der beigefügten Figuren näher erläutert.

1 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Halbleitersensorbauteil einer ersten Ausführungsform der Erfindung;

2 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht eines elastischen nachgiebigen Kontaktelements;

3 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Halbleitersensorbauteil einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;

4 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Halbleitersensorbauteil einer dritten Ausführungsform der Erfindung;

5 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht einer elastischen Kontaktfaser;

6 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Halbleitersensorbauteil gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung;

7 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Halbleitersensorbauteil gemäß einer fünften Ausführungsform der Erfindung;

8 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein mikroelektro-mechanisches Modul mit einem Sensor gemäß dem Stand der Technik.

1 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Halbleitersensorbauteil 1 gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Das Halbleitersensorbauteil 1 weist einen starren Spritzgussrahmen 27 aus Seitenwänden 10 und 11 auf, der einen Hohlraum 14 umgibt, wobei der Hohlraum 14 von einem Gehäuseboden 12 abgeschlossen wird. Gehäuseboden 12 und Spritzgussrahmen 27 weisen in dieser Ausführungsform der Erfindung eine gefüllte Kunststoffgehäusemasse 28 auf, deren Vorteile bereits oben erörtert sind. In dem Hohlraum 14 ist in eine gummielastische Kunststoffmasse 18, die weich und nachgiebig ist, ein Sensorchip 5 eingebettet, dessen Oberseite 6 dem Gehäuseboden 12 zugewandt ist. Die Oberseite 6 weist neben einem Sensorbereich 7 Kontaktflächen 8 auf, welche elektrisch mit elastischen und nachgiebigen Flipchip-Kontakten 19 in Verbindung stehen.

Auf dem starren Gehäuseboden 12 sind Innenflachleiter 32 mit Kontaktanschlussflächen 15 angeordnet, wobei die Kontaktanschlussflächen 15 mit den elastischen Flipchip-Kontakten 19 elektrisch in Verbindung stehen. Die Elastizität und Nachgiebigkeit der in der ersten Ausführungsform der Erfindung eingesetzten Flipchip-Kontakte basiert auf einem gummielastischen Kunststoffhügel 21, der auf die Sensorchipoberseite 6 benachbart zu einer Kontaktfläche 8 angeordnet ist. Ein Leitungspfad 22 erstreckt sich von der Kontaktfläche 8 bis zur Hügelspitze 23 des gummielastischen Kunststoffhügels 21. Dieser Leitungspfad 22 ist an der Kunststoffhügelspitze 23 mit den Kontaktanschlussflächen 15 der Innenflachleiter 32 stoffschlüssig und elektrisch leitend verbunden.

Für ein stoffschlüssiges elektrisch leitendes Verbinden wird vorzugsweise ein Leitkleber eingesetzt, der keine thermomechanischen Spannungen auf die Leitungspfade 22 und auf den Sensorchip 5 ausübt. Durch diese relativ flexible Verbindung zwischen dem starren Hohlraumgehäuse 9 und den elastischen nachgiebigen Kontaktelementen 34, die hier als Flipchip-Kontakte 19 eingesetzt werden, wird gewährleistet, dass der Sensorchip 5 in der gummielastischen Kunststoffmasse 18 quasi schwimmt und mechanisch von dem starren Hohlraumgehäuse 9 entkoppelt ist.

Eine Verfälschung der Messwerte bzw. der Signaldaten wird durch diese flexible und nachgiebige elektrische Verbindung zwischen dem starren Hohlraumgehäuse 9 und dem Sensorchip 5 vermindert, so dass bei thermomechanischen Spannungen, die aufgrund unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten der beteiligten Materialien auftreten, nicht die Charakteristik des Sensorchips beeinträchtigt wird. Darüber hinaus wird durch diese elastischen Flipchip-Kontakte ein definierter Abstand d zwischen der Oberseite 6 des Sensorchips und dem Gehäuseboden 12 erreicht, wodurch eine gleichbleibend dünne Beschichtung 26 des Sensorbereichs 7 durch die gummielastische Kunststoffmasse 18 gewährleistet wird, was ebenfalls die Empfindlichkeit und Zuverlässigkeit des Halbleitersensorbauteils 1 fördert.

Um die Messsignale über die flexiblen Flipchip-Kontakte 19 nach außen zu führen, weist das Halbleitersensorbauteil 1 dieser ersten Ausführungsform der Erfindung Flachleiter auf, die als Innenflachleiter 32 auf der Oberseite 16 des Gehäusebodens 12 angeordnet sind und in einen Durchkontakt 17 übergehen, der durch den Gehäuseboden 12 hindurch auf die Unterseite 30 des Gehäusebodens 12 führt und dort Außenflachleiter 29 als Außenkontakte 13 mit einer Außenkontaktfläche 31 ausbildet. Über diese Außenkontaktfläche 31 besteht ein Zugriff auf den Sensorchip 5 im Hohlraum 14 des Hohlraumgehäuses 9.

Um die Ankopplung des Sensorbereichs 7 an die Umgebung 35 zu verbessern, weist das Halbleitersensorbauteil 1 eine Gehäusebodenöffnung 20 auf, die in ihrer flächigen Erstreckung der Fläche des Sensorbereichs 7 des Sensorchips 5 entspricht. Der Hohlraum 14 kann durch eine Abdeckung verschlossen werden, wozu in den Seitenwänden 10 und 11 Aussparungen 36 vorgesehen sind, in die eine derartige Rückseitenabdeckung eingepasst werden kann.

2 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht eines elastischen nachgiebigen Kontaktelements 34. Das nachgiebige Kontaktelement 34 wird in der ersten Ausführungsform der Erfindung gemäß 1 als elastischer und nachgiebiger Flipchip-Kontakte 19 auf der Oberseite 6 des Sensorchips 5 eingesetzt. Um die Nachgiebigkeit zu gewährleisten, weist das elastische und nachgiebige Kontaktelement 34 einen gummielastischen Kunststoffhügel 21 auf, auf den ein Leitungspfad 22 bis zu seiner Spitze 23 führt. Über diesen Leitungspfad 22 können Messsignale an die Außenkontakte des Halbleitersensorbauteils weitergegeben werden. Die Leitungspfade 22 verbinden außerdem die Hügelspitze 23 mit Kontaktflächen auf der Oberseite des Sensorchips 5 und sind dazu auf einer Isolationsschicht 37 angeordnet, die ihrerseits die Kontaktflächen auf der Oberseite 6 des Halbleiterchips 5 freilassen. Derartige nachgiebige Kontaktelemente 34 werden in den Druckschriften US 2005/0127527 A1 und DE 102 39 080 A1 näher beschrieben.

3 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Halbleitersensorbauteil 2 einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. Komponenten mit gleichen Funktionen wie in 1 werden mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet und nicht extra erläutert. Der Unterschied zwischen der zweiten Ausführungsform der Erfindung und der in 1 gezeigten ersten Ausführungsform der Erfindung besteht darin, dass eine Mehrzahl von Gehäusebodenöffnungen 20 in dem Gehäuseboden 12 vorgesehen sind, die dem Sensorbereich 7 des Sensorchips 5 gegenüber liegen. Diese Gehäusebodenöffnungen 20 müssen nicht von vornherein im Gehäuseboden vorgesehen sein, sondern können nachträglich in den Gehäuseboden 12 durch Laserablation oder andere Techniken eingebracht werden. Das nachträgliche Einbringen der Gehäusebodenöffnungen 20 hat den Vorteil, dass eine definierte Dicke für die gummielastische Masse 18 auf dem Sensorbereich 7 gewährleistet werden kann.

4 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Halbleitersensorbauteil 3 einer dritten Ausführungsform der Erfindung. Komponenten mit gleichen Funktionen wie in den vorhergehenden Figuren werden mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet und nicht extra erläutert. Die dritte Ausführungsform der Erfindung unterscheidet sich von den bisherigen Ausführungsformen dadurch, dass als elastische Flipchip-Kontakte 19 elastische Kontaktfasern 25 eingesetzt werden. Diese elastischen Kontaktfasern 25 können unmittelbar auf den Kontaktflächen 8 der Oberseite 6 des Sensorchips 5 galvanisch oder chemisch abgeschieden werden. Dazu wird die Oberseite entsprechend mit einer Opferschicht maskiert, die lediglich kapillare Öffnungen zu den Kontaktflächen 8 freilässt, so dass von dort aus die kapillaren Öffnungen zu Kontaktfasern galvanisch oder stromlos durch chemische Abscheidung aufgefüllt werden können. Derartige elastische und nachgiebige Kontaktelemente sind aus der Druckschrift DE 100 17 746 A1 bekannt.

Nach Entfernen der maskierenden Opferschicht bleiben die Kontaktfasern 25 erhalten und können als flexible Flipchip-Kontakte 19 in dieser dritten Ausführungsform der Erfindung eingesetzt werden. Die Nachgiebigkeit und Elastizität dieser Kontaktfasern 25 kann mit Hilfe des Winkels, unter dem die Kontaktfasern 25 auf den Kontaktflächen 8 aufwachsen, eingestellt werden. Außerdem wird die Elastizität durch die Dicke der Kontaktfasern 25 bestimmt, die ebenfalls mit Hilfe der Maske aus dem Opfermaterial eingestellt werden kann.

5 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht einer elastischen Kontaktfaser 25, die in der dritten Ausführungsform der Erfindung als Flipchip-Kontakt 19 eingesetzt wird. In dieser Abbildung ist die Opferschicht entfernt und die in der Opferschicht befindliche kapillare Öffnung bereits galvanisch mit einem Kontaktmaterial aufgefüllt, um die elastische Kontaktfaser 25 zu bilden. Bei der galvanischen Abscheidung entsteht auf der Oberseite der Opferschicht eine pilzhutförmige oder nagelkopfförmige Verdickung 38, welche die Verbindung mit entsprechenden Kontaktanschlussflächen in dem Hohlraumgehäuse erleichtert.

Außerdem wird die Nachgiebigkeit einer derartigen elastischen Kontaktfaser 25 verbessert, indem die Kontaktfaser 25 in einem Winkel &agr; abgeschieden wird. Mit einem derartigen nachgiebigen Kontaktelement 34 kann eine Höhe h zwischen der Oberseite des Sensorchips 5 und der Oberseite des Gehäusebodens überbrückt werden. Ein weiterer Vorteil dieser elastischen Kontaktfaser 25 ist es, dass sie direkt auf der Kontaktflächen 8 auf der Oberseite 6 des Sensorchips 5 abgeschieden werden kann, so dass Leitungspfade, wie sie in der ersten und zweiten Ausführungsform der Erfindung erforderlich sind, bei dieser dritten Ausführungsform der Erfindung entfallen.

6 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Halbleitersensorbauteil 4 gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung. Komponenten mit gleichen Funktionen wie in den vorhergehenden Figuren werden mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet und nicht extra erläutert.

Die vierte Ausführungsform der Erfindung unterscheidet sich von den vorhergehenden Ausführungsformen dadurch, dass die Rückseite 33 des Sensorchips 5 frei zugänglich ist und die gummielastische Kunststoffmasse 18 lediglich die Randseiten 39 und 40 sowie die Oberseite 6 des Sensorchips 5 bedeckt. Diese Ausführungsform der Erfindung hat den Vorteil, dass der Sensorchip eine größere Bewegungs- und Reaktionsfreiheit bei mechanischer Beanspruchung besitzt.

7 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Halbleitersensorbauteil 50 gemäß einer fünften Ausführungsform der Erfindung. Die fünfte Ausführungsform der Erfindung unterscheidet sich von den vorhergehenden Ausführungsformen dadurch, dass als elastische Flipchip-Kontakte Bonddrahtstücke 24 eingesetzt werden, die S-förmig gebogen sind und dadurch eine hohe Elastizität und Nachgiebigkeit aufweisen. Um die Elastizität der Bonddrähte zu verstärken, sind sie mit einem federelastischen Material, wie einer Federbronze, beschichtet.

Diese Beschichtung wurde in dieser Ausführungsform der Erfindung erst nach dem Ausformen der Bonddrahtstücke 24 zu S-förmigen Bonddrahtenden durchgeführt. Dies hat den Vorteil, dass während der eigentlichen Formgebung des Bonddrahtstückes das Bonddrahtmaterial aus Gold oder Aluminium plastisch verformbar ist und die Federsteifigkeit erst durch die Beschichtung mit einem federelastischen Material, wie einer Federbronze erreicht wird. Das S-förmige gebogene Bonddrahtstück 24 mit Beschichtung wird dann in dieser Ausführungsform der Erfindung mit der Kontaktanschlussfläche 15 auf dem Innenflachleiter durch einen Leitkleber verbunden, um auch bei der Montage des Halbleitersensorbauteils möglichst geringe Kräfte auf den empfindlichen Sensorchip 5 auszuüben.

1
Halbleitersensorbauteil (1. Ausführungsform)
2
Halbleitersensorbauteil (2. Ausführungsform)
3
Halbleitersensorbauteil (3. Ausführungsform)
4
Halbleitersensorbauteil (4. Ausführungsform)
5
Sensorchip
6
Oberseite des Sensorchips
7
Sensorbereich
8
Kontaktfläche
9
Hohlraumgehäuse
10
Seitenwand
11
Seitenwand
12
Gehäuseboden
13
Außenkontakt
14
Hohlraum
15
Kontaktanschlussfläche
16
Oberseite des Gehäusebodens
17
Durchkontakt
18
gummielastische Kunststoffmasse
19
Flipchip-Kontakt
20
Gehäusebodenöffnung
21
gummielastische Kunststoffhügel
22
Leitungspfad
23
Hügelspitze
24
Bonddrahtstück
25
Elastische Kontaktfaser
26
gleichbleibend dünne Beschichtung
27
Spritzgussrahmen
28
gefüllte Kunststoffgehäusemasse
29
Außenflachleiter
30
Unterseite des Gehäusebodens
31
Außenkontaktfläche
32
Innenflachleiter
33
Rückseite des Sensorchips
34
Kontaktelement
35
Umgebung
36
Aussparungen
37
Isolationsschicht
38
Verdickung
39
Randseite des Sensorchips
40
Randseite des Sensorchips
50
Halbleitersensorbauteil (5. Ausführungsform)
51
mikroeletromechanisches Modul
52
Sensor
53
Steuer- und Auswerteschaltung
56
Kunststoffgehäusemasse
57
Aussparung
58
gummielastische Kunststoffmasse
59
Flachleiter
110
Bondverbindung
113
Sensorbereich
115
zentrale Position
117
Sensorgehäuse
120
weiterer Teil von Flachleitern
121
Außenkontakt
122
Chipinsel
124
Drucksensor
125
Siliziumbasis
126
Siliziummembran
128
Boden
129
Glasplatte
d
Abstand
h
Höhe


Anspruch[de]
Halbleitersensorbauteil mit einem Sensorchip (5), der auf seiner Oberseite (6)

einen Sensorbereich (7) und Kontaktflächen (8) aufweist und mit

einem Hohlraumgehäuse (9), das Seitenwände (10, 11) und einen Gehäuseboden (12) aufweist, und mit

Außenkontakten (13) außerhalb des Hohlraums (14) des Hohlraumgehäuses (9) und Kontaktanschlussflächen (15) auf einer dem Hohlraum (14) zugewandten Oberseite (16) des Gehäusebodens (12), wobei die Kontaktanschlussflächen (15) über Durchkontakte (17) mit den Außenkontakten (13) elektrisch in Verbindung stehen, und mit

einer gummielastischen Kunststoffmasse (18) innerhalb des Hohlraums (14), in die der Sensorchip (5) mindestens teilweise eingebettet ist, so dass sich zwischen Gehäuseboden (12) und der Oberseite (6) des Sensorchips (5) eine Schicht der gummielastischen Kunststoffmasse (18) befindet, wobei der Sensorbereich (7) des Sensorchips (5) dem Gehäuseboden (12) zugewandt ist, und die Kontaktflächen (8) des Sensorchips (5) an elastische Flipchip-Kontakte (19) angeschlossen sind, die mit den Kontaktanschlussflächen (15) auf dem Gehäuseboden (12) elektrisch in Verbindung stehen.
Halbleitersensorbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Gehäuseboden (12) mindestens eine Gehäusebodenöffnung (20) aufweist. Halbleitersensorbauteil nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die elastischen Flipchip-Kontakte (19) gummielastische Kunststoffhügel (21) aufweisen, auf denen Leitungspfade (22) bis zur Hügelspitze (23) angeordnet sind. Halbleitersensorbauteil nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die elastischen Flipchip-Kontakte (19) federelastische Bonddrähte (24) aufweisen. Halbleitersensorbauteil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die elastischen Flipchip-Kontakte (19) galvanisch abgeschiedene elastische Fasern (25) aufweisen. Halbleitersensorbauteil nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Gehäusebodenöffnung (20) in ihrer flächigen Erstreckung der Fläche des Sensorbereichs (7) angepasst ist. Halbleitersensorbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gehäuseboden (12) mehrere Gehäusebodenöffnungen (20) aufweist, die über die gummielastische Kunststoffmasse (18) mit dem Sensorbereich (7) des Sensorchips (5) in Wirkverbindung stehen. Halbleitersensorbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die gummielastische Kunststoffmasse (18) ein Silikongel aufweist. Halbleitersensorbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die gummielastische Kunststoffmasse (18) optisch transparent ist. Halbleitersensorbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Oberseite (16) des Gehäusebodens (12) und dem Sensorbereich (7) eine gleichbleibend dicke Schicht (26) der gummielastischen Kunststoffmasse (18) angeordnet ist. Halbleitersensorbauteil nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Seitenwände (10, 11) einen Spritzgussrahmen (27) aus einer gefüllten Kunststoffgehäusemasse (28) bilden. Halbleitersensorbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenkontakte (13) Außenflachleiter (29) aufweisen, die auf einer Unterseite (30) des Gehäusebodens (16) angeordnet sind. Halbleitersensorbauteil nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenflachleiter (29) mit Außenkontaktflächen (31) von der Unterseite (30) des Gehäusebodens (12) durch den Gehäuseboden (12) hindurch zu Innenflachleitern (32) mit den Kontaktanschlussflächen (15) auf der Oberseite (16) des Gehäusebodens (12) im Hohlraumbereich (14) übergehen. Verfahren zur Herstellung mehrerer Halbleitersensorbauteile, wobei das Verfahren folgende Verfahrensschritte aufweist:

– Herstellen eines Halbleiterwafers mit einer Vielzahl in Zeilen und Spalten angeordneter Sensorchip positionen, in denen Kontaktflächen (8) und mindestens ein Sensorbereich (7) angeordnet sind;

– Positionieren von elastischen Flipchip-Kontakten (19) auf den Kontaktflächen (8) und/oder in elektrischer Verbindung mit den Kontaktflächen (8) in den Halbleiterchippositionen;

– Auftrennen des Halbleiterwafers in eine Vielzahl von Sensorchips (5);

– elektrisches Verbinden der Flipchipkontakte (19) einzelner Sensorchips (5) mit Kontaktanschlussflächen (15) auf einem Schaltungsträger mit mehreren Halbleitersensorbauteilpositionen, wobei die Kontaktanschlussflächen (15) auf einem Gehäuseboden (12) eines Hohlraumgehäuses (9) angeordnet sind und von Seitenwänden (10, 11) des Hohlraumgehäuses (9) umgeben werden;

– teilweises Verpacken der Sensorchips (5) in eine gummielastische Kunststoffmasse (18) innerhalb des Hohlraums (14) des Hohlraumgehäuses (9), so dass sich zwischen Gehäuseboden (12) und der Oberseite (6) des Sensorchips (5) eine Schicht der gummielastischen Kunststoffmasse (18) befindet;

– Auftrennen der Halbleitersensorbauteilpositionen des Schaltungsträgers in einzelne Halbleitersensorbauteile (1).
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass zum Aufbringen von elastischen Flipchipkontakten (19) gummielastische Kunststoffhügel (21) benachbart zu den Kontaktflächen (8) der Sensorchippositionen auf den Halbleiterwafer aufgebracht werden, und mittels selektiver Metallisierung Leitungspfade (22) von den Kontaktflächen (8) zu den Hügelspitzen (23) gelegt werden. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass zum Aufbringen von elastischen Flipchipkontakten (19) elastische Kontaktfasern (25) auf den Kontaktflächen (8) des Halbleiterwafers in den Sensorchippositionen chemisch oder galvanisch abgeschieden werden. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass zum Aufbringen von elastischen Flipchipkontakten (19) Bonddrahtstücke (24) auf den Kontaktflächen (8) des Halbleiterwafers in den Sensorchippositionen gebondet und die Bonddrahtenden der Bonddrahtstücke (24) S-förmig gebogen werden. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass zum elektrischen Verbinden die Flipchipkontakte (19) einzelner Sensorchips (5) auf den Kontaktanschlussflächen (15) des Schaltungsträgers mittels Leitklebstoff fixiert werden. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass zum elektrischen Verbinden die Flipchipkontakte (19) einzelner Sensorchips (5) auf den Kontaktanschlussflächen (15) des Schaltungsträgers mittels Löten fixiert werden. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass zum Herstellen von Hohlraumgehäusen (9) in den Halbleitersensorbauteilpositionen des Schaltungsträgers ein Flachleiterrahmen bereitgestellt wird, auf dem die Hohlraumgehäuse (9) mittels Spritzguss aufgebracht werden. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass zum Herstellen von Hohlraumgehäusen (9) in den Halbleitersensorbauteilpositionen des Schaltungsträgers ein Verdrahtungssubstrat bereitgestellt wird, auf das die Hohlraumgehäuse (9) mittels Spritzguss aufgebracht werden. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass zum teilweisen Verpacken der Sensorchips (5) in eine gummielastische Kunststoffmasse (18) eine Dispenstechnik eingesetzt wird.






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