DE10018404A1 - Halbleiterdehnungssensor - Google Patents
HalbleiterdehnungssensorInfo
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Abstract
Ein Halbleiterdehnungssensor, in welchem ein Sensorelement zum Erfassen eines Dehnungssignals in einem Harzverpackungsteil montiert ist, welches eine Kriechdehnungsspannung darin behindert, von dem Verpackungsteil auf das Sensorelement überzutreten und dieses zu beeinflussen. Erfindungsgemäß wird ein Halbleiterdehnungssensor (100) zur Verfügung gestellt mit einem Leitungsrahmen (20), der einstückig gegossen ist mit einem Harzverpackungsteil (30) und einem Sensorchip (10), hergestellt aus Silicium. Der Sensorchip (10) wird auf einer Oberfläche (20a) eines Elementmontagebereiches (21) des Leitungsrahmens montiert und ist in der Lage, nach außen ein elektrisches Ausgabesignal über einen Draht (50) in Übereinstimmung mit der Dehnung auszugeben, wenn Druck angelegt wird. Ein Öffnungsbereich (31) ist in dem Verpackungsteil vorgesehen, so daß die gesamte Fläche der anderen Oberfläche (20b) des Leitungsrahmens, der unterhalb des Sensorchips angeordnet ist, nicht mit dem Verpackungsteil in Verbindung steht. Da die andere Oberfläche des Leitungsrahmens nicht mit dem Verpackungsteil an dem Öffnungsbereich in Verbindung steht, kann, selbst wenn Kriechdehnung in dem Verpackungsteil auftritt, es verhindert werden, daß Kriechdehnungsspannung, die aufgrund der Kriechdehnungsdeformation entstanden ist, auf den Sensorchip übertragen wird.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft
Halbleiterdehnungssensoren und insbesondere einen
Halbleiterdehnungssensor, in welchem ein Sensorelement
(Sensorchip) auf einem Leitungsrahmen (lead frame)
montiert ist und an einem Harzverpackungsteil (resin
package member) fixiert ist und anwendbar ist für einen
Hochdrucksensor, wie beispielsweise einen
Einlaßdrucksensor (intake pressure sensor) oder einen
Bremsflüssigkeitsdrucksensor, für ein Fahrzeug.
Im Stand der Technik wurde diese Art von
Dehnungssensoren bereits vorgeschlagen zum Beispiel in
der JP-A-9-61271 oder JP-A-5-172674. Gemäß diesen
Halbleiterdehnungssensoren wird ein Leiterrahmen durch
ein Harzverpackungsteil derart eingegossen, daß sowohl
die Haupt- als auch die Rückoberfläche des Leiterrahmens
mit dem Verpackungsteil bedeckt sind und ein
Sensorelement (Sensorchip), der aus Silicium hergestellt
ist und in der Lage ist, eine Dehnung, während eine
äußere Einwirkung (Druck oder Beschleunigung) angelegt
wird, diese in ein elektrisches Signal umzuwandeln, auf
dem Leiterrahmen unter Verwendung eines Harzklebers
montiert ist.
Im Falle einer Druckerfassung, beispielsweise wenn
Druck (z. B. Einlaßdruck eines Verbrennungsmotors oder der
Druck einer Bremsflüssigkeit für Fahrzeuge) auf das
Sensorelement aus einem Zielmedium angelegt wird, welches
gemessen werden soll, dehnt sich das Sensorelement derart
aus, daß ein elektrisches Signal im Verhältnis zu der
Dehnung (im folgenden "Dehnungssignal" genannt) von dem
Sensorelement ausgegeben wird. Das Dehnungssignal,
welches von dem Sensorelement ausgegeben wird, wird nach
außen über einen Bondierungsdraht aus dem Leitungsrahmen
ausgegeben.
Bei den konventionellen Strukturen wurden die
Wärmeausdehnungskoeffizienten des Sensorelementes und des
Leitungsrahmens und einer Verpackung auf ähnliche Werte
zueinander gesetzt, um die thermische Spannung, die auf
das Sensorelement einwirkt, zu reduzieren, um eine
Sensorcharakteristik sicherzustellen. Jedoch wurde gemäß
weiterer Überlegungen herausgefunden, daß eine sogenannte
thermische Hysterese auch in einer solchen Struktur
auftreten wird, in welcher die Sensorcharakteristik sich
von einer anfänglichen Charakteristik als ein Ergebnis
von Abkühlungs-Erwärmungs-Zyklen, welche niedrige und
hohe Temperaturen wiederholen, weg bewegt.
Fig. 7 zeigt ein Diagramm, welches die thermische
Hysterese illustriert. In dieser Figur zeigt eine
horizontale Achse (gezeigt durch eine unterbrochene
Linie) die Zeit, eine linke Vertikalachse zeigt die
Sensorausgabe (Dehnungssignal) (gezeigt durch
durchgezogene Linie) und eine rechte vertikale Achse
zeigt die Temperaturen der Vorrichtung.
Die thermische Hysterese ist eine Differenz zwischen
früheren Sensorausgaben bei Raumtemperatur (z. B. 25°C)
und späteren Sensorausgaben bei der Raumtemperatur nach
Durchlaufen eines Hochtemperaturprozesses (z. B. 120°C).
Mit anderen Worten ist die thermische Hysterese ein
Phänomen, durch welches die Sensorausgaben bei
Raumtemperatur nach Durchlaufen des
Hochtemperaturprozesses mit der Zeit verändert werden.
Dieses Phänomen tritt aus den folgenden Gründen auf:
Es tritt eine anfängliche (mechanische) Spannung auf, während der Leitungsrahmen mit einem Verpackungsteil vergossen wird, oder eine Differenz der Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen den einzelnen Teilen bewirkt eine Verspannung aufgrund der thermischen Beanspruchung. In dem Harz, welches das Verpackungsteil bildet, tritt eine Kriechdehnung auf. In dem Sensorelement entsteht nach Durchlaufen des thermischen Prozesses eine (mechanische) Spannung (im folgenden Kriechdehnungsspannung genannt) aufgrund der Kriechdehnungsverformung des Verpackungsteils an das Sensorelement. Dies ist anders als zu den Anfangsbedingungen vor Durchlaufen des thermischen Prozesses. Deshalb ändert sich die Ausgangscharakteristik (Dehnungssignal) des Sensorelementes und deshalb tritt thermische Hysterese auf.
Es tritt eine anfängliche (mechanische) Spannung auf, während der Leitungsrahmen mit einem Verpackungsteil vergossen wird, oder eine Differenz der Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen den einzelnen Teilen bewirkt eine Verspannung aufgrund der thermischen Beanspruchung. In dem Harz, welches das Verpackungsteil bildet, tritt eine Kriechdehnung auf. In dem Sensorelement entsteht nach Durchlaufen des thermischen Prozesses eine (mechanische) Spannung (im folgenden Kriechdehnungsspannung genannt) aufgrund der Kriechdehnungsverformung des Verpackungsteils an das Sensorelement. Dies ist anders als zu den Anfangsbedingungen vor Durchlaufen des thermischen Prozesses. Deshalb ändert sich die Ausgangscharakteristik (Dehnungssignal) des Sensorelementes und deshalb tritt thermische Hysterese auf.
Ferner, falls das Sensorelement und der
Leitungsrahmen über einen Harzkleber aneinander fixiert
sind, überträgt sich die Kriechdehnungsspannung des
Verpackungsteils ebenfalls auf den Kleber und
Kriechdehnung tritt ebenfalls in dem Harz, welches den
Kleber bildet, auf. Die Kriechdehnungsspannung in dem
Kleber beeinflußt das Sensorelement ebenfalls.
Dieses Problem, daß die Sensorcharakteristik sich
aufgrund von Kriechdehnungsspannung ändert, die in einem
Harz aufgetreten ist, welches eine Verpackung bildet, ist
ein allgemeines Problem für Halbleiterdehnungssensoren,
in welchen ein Sensorelement zum Erfassen eines
Dehnungssignales in einem Harzverpackungsteil montiert
ist.
Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der
vorliegenden Erfindung eine in einem Verpackungsteil
auftretende Kriechdehnungsspannung möglichst stark am
Einwirken auf ein Sensorelement zu hindern sowie einen
Halbleiterdehnungssensor zur Verfügung zu stellen, in
welchem ein Sensorelement zum Erfassen eines
Dehnungssignales in einem Harzverpackungsteil montiert
ist, welches die Einwirkung von Kriechdehnungsspannung in
einem Verpackungsteil auf ein Sensorelement vermindern
kann.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der
Patentansprüche 1 und 7 gelöst.
Gemäß der vorliegenden Erfindung weist ein
Leitungsrahmen eine Oberfläche zum Montieren eines
Sensorelementes und eine andere Oberfläche auf und wird
von einem Verpackungsteil getragen. Das Verpackungsteil
weist einen Raumbereich auf einer Seite der anderen
Oberfläche des Leitungsrahmens auf. Der Raumbereich ist
derart ausgebildet, daß wenigstens eine Fläche oder
spezielle Fläche, die einer Montagefläche entspricht, wo
das Sensorelement montiert wird, in der anderen
Oberfläche des Leitungsrahmens nicht mit dem
Verpackungsteil an dem Raumbereich in Kontakt steht.
Aufgrund der Existenz des Raumbereichs kann es - auch bei
Auftreten von Kriechdehnung in dem Verpackungsteil -
verhindern, daß Kriechdehnungsspannung, welche aufgrund
aufgetretenen Kriechdehnungen entstanden ist, auf das
Sensorelement übertragen wird.
Aufgrund eines weiteren Aspekts der vorliegenden
Erfindung ist ein Sensorelement in einem
Harzverpackungsteil enthalten über einem
Elementmontageteil, welches einen
Wärmeausdehnungskoeffizienten hat, der näher an
demjenigen des Sensorelementes liegt als derjenige des
Harzes, welches das Verpackungsteil bildet. Aufgrund der
Existenz des Elementmontageteils, welches eine derartige
Charakteristik aufweist, kann es thermische Spannung
vermindern, die aufgrund einer Differenz in den
Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen dem Sensorelement
und dem Verpackungsteil auftreten kann, und deshalb kann
es das Auftreten von Kriechdehnung in dem Verpackungsteil
vermindern. Als Ergebnis kann es verhindern, daß
Kriechdehnungsspannung, die aufgrund der
Kriechdehnungsspannung in dem Verpackungsteil entstanden
ist, das Sensorelement beeinflußt.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben
sich aufgrund der Beschreibung von Ausführungsbeispielen
sowie anhand der Zeichnung.
Es zeigt:
Fig. 1 eine Draufsicht auf einen
Halbleiterdehnungssensor gemäß einer ersten
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 eine Schnittansicht des
Halbleiterdehnungssensors entlang der Linie II-II in
Fig. 1;
Fig. 3 ein Diagramm, welches ein Beispiel einer
detaillierten Form eines Leitungsrahmens illustriert;
Fig. 4 eine Draufsicht, die einen Strukturkörper
verdeutlicht, der durch Zusammenbauen eines
Verpackungsteils und dem Leitungsrahmen gebildet wird;
Fig. 5A-5D sind Schnittansichten, die jeweils einen
Raumbereich der vorliegenden Erfindung verdeutlichen;
Fig. 6 eine schematische Schnittansicht eines
Halbleiterdehnungssensors gemäß einer zweiten
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 7 ein Diagramm, welches die thermische Hysterese
des Sensorausgabe verdeutlicht; und
Fig. 8 eine schematische Schnittansicht eines
Halbleiterdehnungssensors gemäß einer dritten
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Fig. 1 zeigt eine Draufsicht, die eine gesamte
Struktur eines Halbleiterdehnungssensors 100 einer ersten
Ausführungsform verdeutlicht, und Fig. 2 ist eine
Schnittansicht entlang einer Linie II-II in Fig. 1.
Dieser Halbleiterdehnungssensor 100 ist zum Beispiel als
Einlaßdrucksensor zum Vorsehen in einer Einlaßleitung in
einem Verbrennungsmotor eines Fahrzeugs, um den
Einlaßdruck darin zu erfassen, einsetzbar. In diesem Fall
wird der Einlaßdrucksensor, zum Beispiel in einem Gehäuse
enthalten, welches mit dem Rohr der Einlaßleitung
verbunden werden kann, zur Verfügung gestellt.
Ein Sensorchip (Sensorelement) 10 ist aus einem
Siliciumsubstrat 11, in welchem ein Hohlraum ausgebildet
ist, und ein Siliciumsubstrat 12, welches mit dem
Siliciumsubstrat 11 bondiert ist, mit einem dazwischen
angeordneten Siliciumoxidfilm hergestellt. Eine
Druckreferenzkammer 13 ist darin gebildet unter
Verwendung des Hohlraums als einem inneren Raum. Die
Druckreferenzkammer 13 wird auf einem konstanten Druck
unter 1 kPa gehalten, zum Beispiel durch Bondieren der
Siliciumsubstrate 11 und 12 in einer Kammer mit
reduziertem Druck.
In dem Sensorchip 10 ist ein Diaphragma 14 in dem
Siliciumsubstrat 11 ausgebildet, welches der
Referenzdruckkammer 13 entspricht, und Meßwiderstände
sind auf dem Diaphragma 14 gebildet, um eine
Brückenschaltung auszubilden. Wenn äußere (mechanische)
Spannung, wie beispielsweise der Einlaßdruck, auf das
Diaphragma 14 einwirkt, wird das Diaphragma gedehnt und
deformiert, und die Dehnung oder die Deformation des
Diaphragmas wird als ein elektrisches Signal über die
Brückenschaltung ausgegeben.
Ein Leitungsrahmen 20 wird gebildet durch Ausstanzen
einer Platte, beispielsweise hergestellt aus
42er-Legierung (42% Ni-Fe-Legierung). Der Leitungsrahmen
wird ausgestattet mit einem Elementmontageteil 21, der
einem Vertiefungsbereich, gebildet in einem
Verpackungsteil 30, exponiert wird, welches durch Gießen
eines Harzes auf Epoxidbasis oder ähnlichem gebildet
wird, einem Leitungsteil 22 und einem Anschlußteil 23,
welches elektrisch mit dem Leitungsteil 22 verbunden wird
und geführt wird zu einem umgebenden Teil des
Verpackungsteils 30. Der Leitungsrahmen 20 ist
ganzheitlich gebildet mit dem Verpackungsteil 30 und
unterstützt durch das Verpackungsteil 30 durch Gießen
einer Oberfläche (obere Oberfläche in Fig. 2) 20a und
einer anderen Oberfläche 20b (entgegengesetzte Oberfläche
der einen Oberfläche 20a) mit dem Verpackungsteil 30.
Das Elementmontageteil 21 wird in Plattenform
gebildet, welches eine Fläche zum Montieren des
Sensorchips 10 aufweist. Der Sensorchip 10 wird mittels
eines Klebers 40 auf eine Oberfläche montiert, welche der
einen Oberfläche 20a des Elementmontageteils 21
entspricht. Der Kleber 40 wird ausgewählt aus Harzklebern
(z. B. Klebern auf Siliconbasis), welche einen Young'schen
Modul aufweisen, der kleiner oder gleich als 10 MPa ist,
so daß eine Kriechdehnung aufgrund des thermischen
Prozesses behindert wird, in dem Kleber 40 aufzutreten.
Der Leitungsrahmen 22 ist elektrisch verbunden mit
der Brückenschaltung des Sensorchips 10 durch einen Draht
50. Das Anschlußteil 23 ist elektrisch verbunden mit
einem externen Schaltkreis (z. B. ECU des Fahrzeugs) durch
ein entsprechendes Drahtteil. Auf diese Weise kann das
elektrische Signal aus dem Sensorchip 10 über den Draht
50, das Leitungsteil 22 und das Anschlußteil 23 nach
außen ausgegeben werden.
Fig. 3 zeigt ein Beispiel einer Struktur des
Leitungsrahmens 20 um das Elementmontageteil 21. Eine
gestrichelte Linie in dieser Figur zeigt einen Umriß des
Vertiefungsbereiches des Verpackungsteils 30 zum
Exponieren des Elementmontageteils 21 und dem
Leitungsteil 22. Das Elementmontageteil 21 ist verbunden
mit dem Teil, welches kontinuierlich aus dem
Leitungsrahmen 22 über einen Aufhängungsstiftteil 24
gebildet ist. Jeder der Teile 21-24 des Leitungsrahmens
20 ist jeweils ganzstückig gebildet.
In dieser Ausführungsform ist ein Öffnungsbereich 31
(Raumbereich) in dem Verpackungsteil 30 gebildet, so daß
eine ganze Fläche eines Speziellen Bereiches der anderen
Oberfläche 20b des Leitungsrahmens, die einem Teil
entspricht, an welchem der Sensorchip 10 montiert ist
(andere Oberfläche 20b, angeordnet unterhalb des
Sensorchips 10, wie in Fig. 2 gezeigt). Als Ergebnis
steht die gesamte Fläche des Speziellen Bereiches der
anderen Oberfläche 20b des Leitungsrahmens 20, wo sich
Positionen unterhalb des Sensorchips 10 befinden, nicht
mit dem Verpackungsteil 30 in Kontakt.
Wie in Fig. 2 gezeigt, ist das Elementmontageteil 21
unterstützt von dem Verpackungsteil 30 an einem
peripheren Teil davon, welches angeordnet ist an dem
äußeren peripheren Bereich einer Montagefläche, wo der
Sensorchip 10 montiert ist. Hier gibt es kein Problem,
wenn die gesamte Fläche des Speziellen Bereichs der
anderen Oberfläche 20b des Leitungsrahmens 20, wo die
Positionen unterhalb des Sensorchips 10 liegen, exponiert
ist, weil das Elementmontageteil 21 durch das
Verpackungsteil 30 über das Aufhängungsstiftteil 24
gestützt wird.
Der Halbleiterdehnungssensor 100 kann wie folgt
hergestellt werden. Der Leitungsrahmen 20 ist fixiert an
einer Halterung, die eine Form aufweist, die dem
Verpackungsteil 30 entspricht. Eine integrierte Struktur,
wie in Fig. 4 gezeigt, wird gebildet durch Integrieren
des Verpackungsteils 30 und des Leitungsrahmens 20. Der
Sensorchip 10 wird an dem Elementmontageteil 21 der
Struktur durch Verwendung des Klebers 40 fixiert.
Schlußendlich wird der Draht oder ähnliches unter
Verwendung eines Drahtbonding oder dergleichen verbunden.
Gemäß dieser Ausführungsform, da die andere
Oberfläche 20b des Leitungsrahmens 20 nicht mit dem
Verpackungsteil 30 an dem Öffnungsbereich 31 in Kontakt
steht, auch wenn Kriechdehnung in dem Verpackungsteil 30
auftritt, kann sie Spannung (Kriechdehnungsspannung),
welche aufgrund der Kriechdehnungsdeformation auftritt,
am Übertreten auf den Sensorchip 10 hindern.
Deshalb kann sie auch das Auftreten von Kriechdehnung
in dem Kleber 40 aufgrund der Kriechdehnung in dem
Verpackungsteil 30 verhindern und kann die thermische
Hysterese vermindern. Als Ergebnis erhält man einen
Halbleiterdehnungssensor, der eine stabile Sensorausgabe
(Anfangsleistung) auch dann realisieren kann, wenn der
Halbleiterdehnungssensor Abkühlungs-Erwärmungs-Zyklen
ausgesetzt ist.
In der vorliegenden Fig. 2 wird der Öffnungsbereich
(Raumbereich) 31 so ausgebildet, daß die gesamte Fläche
des Speziellen Bereiches der anderen Oberfläche 20b des
Leitungsrahmens, welche dem Teil entspricht, bei welchem
der Sensorchip 10 montiert wird, exponiert ist. Der
Raumbereich kann jedoch, wie in Fig. 5A-5D gezeigt,
modifiziert werden.
Demzufolge kann ein innerer Raum 33, wie in den Fig.
5A und 5B gezeigt, in dem Verpackungsteil 30 gebildet
werden, so daß Teile der anderen Oberfläche 20b,
angeordnet unterhalb des Sensorchips 10, nicht mit dem
Verpackungsteil 30 in Kontakt treten. Wie in Fig. 5C
gezeigt, kann das Raumteil gebildet werden durch
Kombinieren des Öffnungsteils 32 und des inneren Raums
33. Des weiteren kann, wie in Fig. 5D gezeigt, ein
interner Raum 34 gebildet werden, so daß eine gesamte
Fläche der anderen Oberfläche 20b, positioniert unterhalb
des Sensorchips 10, nicht mit dem Verpackungsteil 30 in
Kontakt tritt.
Diese Raumbereiche 32-34 können ebenfalls während des
Formens des Verpackungsteils 30 gebildet werden und
können die Kriechdehnungsspannung daran hindern, von dem
Verpackungsteil 30 auf den Sensorchip 10 übertragen zu
werden. Hierdurch kann, wenn die gesamte Fläche der
anderen Oberfläche 20b, unterhalb des Sensorchips 10
positioniert, nicht mit dem Verpackungsteil 30, wie in
Fig. 2 und 5D gezeigt, in Verbindung steht, die
Kriechdehnungsspannung weiter gehindert werden, auf den
Sensorchip 10 übertragen zu werden, verglichen mit dem
Gehäuse, wo die Teile der anderen Oberfläche 20b,
angeordnet unterhalb des Sensorchips 10, nicht in Kontakt
stehen, weil die Gesamtfläche, die mit dem
Verpackungsteil 30 in Kontakt steht, klein ist.
Gemäß dieser Ausführungsform kann die Kriechdehnung
aufgrund des thermischen Prozesses daran gehindert
werden, in dem Kleber 40 aufzutreten, weil der
Harzkleber, der zur Bondierung des Sensorchips 10 an dem
Elementmontageteil 21 des Leitungsrahmens 20 verwendet
wird, einen Young'schen Modul aufweist, der kleiner oder
gleich 10 MPa ist.
In dieser Ausführungsform kann die thermische
Spannung, die auf den Sensorchip 10 einwirkt, weiter
vermindert werden durch Setzen des
Wärmeausdehnungskoeffizienten des Leitungsrahmens 20 auf
Werte größer als diejenigen des Sensorchips 10 und durch
Setzen des Wärmeausdehnungskoeffizienten des
Verpackungsteils auf größer als derjenige des
Leitungsrahmens 20. Wenn der Sensorchip 10 beispielsweise
aus Silicium gebildet ist (Wärmeausdehnungskoeffizient:
2 × 10-6 - 3 × 10-6/°C), der Leitungsrahmen 20 gebildet ist aus der 42er-Legierung (Wärmeausdehnungskoeffizient:
4 × 10-6 - 5 × 10-6/°C), das Verpackungsteil 30 hergestellt ist aus dem Epoxidharz (Wärmeausdehnungskoeffizient:
12 × 10-6 - 14 × 10-6/°C).
2 × 10-6 - 3 × 10-6/°C), der Leitungsrahmen 20 gebildet ist aus der 42er-Legierung (Wärmeausdehnungskoeffizient:
4 × 10-6 - 5 × 10-6/°C), das Verpackungsteil 30 hergestellt ist aus dem Epoxidharz (Wärmeausdehnungskoeffizient:
12 × 10-6 - 14 × 10-6/°C).
Hier ist es bevorzugt, Unterschiede zwischen
benachbarten einzelnen Bauteilen 10, 20, 30 klein zu
setzen (es hängt von der Spezifikation des Sensors ab).
Beispielsweise werden die einzelnen Unterschiede
vorzugsweise auf weniger als 1 × 10-5/°C gesetzt und weiter
kleiner als 1 × 10-6/°C.
Fig. 6 zeigt eine schematische Schnittansicht eines
Halbleiterdehnungssensors 200 gemäß einer zweiten
Ausführungsform. Der Halbleiterdehnungssensor 200 ist
beispielsweise anwendbar als Hochdrucksensor zum Erfassen
eines Bremsflüssigkeitsdrucks eines Fahrzeugs oder eines
Brennstoffeinspritzdruckes eines Verbrennungsmotors.
Im Detail ist der Halbleiterdehnungssensor 200
anwendbar als sogenannte versiegelte Diaphragmatyp-Druck
erfassungsvorrichtung. In dieser Vorrichtung wird
ein Gehäuseteil (nicht gezeigt), welches ein
Siegeldiaphragma aufweist, mit dem Verpackungsteil 30 an
seiner oberen Seite und dem Sensorchip 10 derart
zusammengebaut, daß es luftdicht versiegelt ist zwischen
dem siegelnden Diaphragma und dem Verpackungsteil 30.
Der Leitungsbereich 22 des Leitungsrahmens 20 wird
von der Innenseite des Verpackungsteils 30 zur Außenseite
durch Biegen ausgedehnt. Der Leitungsbereich 22 wird
verwendet als ein Anschlußstecker zum elektrischen
Verbinden mit den externen Schaltungen oder dergleichen.
Ein innerer Raum 35 (Raumbereich) wird in dem
Verpackungsteil 30 gebildet, so daß eine Gesamtfläche
eines Speziellen Bereiches der anderen Oberfläche 20b des
Leitungsrahmens, welche einem Bereich entspricht, an
welchem der Sensorchip 10 montiert ist (die andere
Oberfläche 20b, angeordnet unterhalb des Sensorchips 10,
wie in Fig. 6 gezeigt). Als Ergebnis steht die gesamte
Fläche des Speziellen Bereiches der anderen Oberfläche
20b des Leitungsrahmens 20, die unterhalb des Sensorchips
10 angeordnet ist, nicht mit dem Verpackungsteil 30 in
Kontakt.
Hier kann der innere Raum 35 nach unten ausgedehnt
sein, so daß er ein Teil des Öffnungsbereiches wird.
Gemäß dieser Ausführungsform kann sie (mechanische)
Spannung (Kriechdehnungsspannung), die in dem
Verpackungsteil 30 aufgetreten ist, ähnlich wie in der
ersten Ausführungsform daran hindern, auf den Sensorchip
10 übertragen zu werden.
Fig. 8 zeigt eine schematische Schnittansicht eines
Halbleiterdehnungssensors 300 gemäß einer dritten
Ausführungsform. Der Halbleiterdehnungssensor 300 ist
beispielsweise anwendbar als Einlaßdrucksensor oder
dergleichen. Ein Verbindungsgehäuse 60 als das
Verpackungsteil ist aus Harz hergestellt, wie
beispielsweise PPS (Polyphenylensulfid), und ist gebildet
durch Gießen des PPS.
Ein Gehäusekästchen 70, beispielsweise hergestellt
aus Harz oder dergleichen, wird mit dem
Verbindungsgehäuse 60 zusammengebaut. Das Gehäusekästchen
70 wird in einem zu messenden Einsatzort (target)
montiert (z. B. der Einlaßeinrichtung des
Verbrennungsmotors), und ist ausgerüstet mit einem O-Ring
zum Versiegeln um den Einsatzort, welcher gemessen werden
soll, und einem Druckleitungsloch 72 zum Einführen von
Druck (z. B. Einlaßdruck) aus dem zu messenden Einsatzort.
In dieser Ausführungsform kann das Verbindungsgehäuse
60 und das Gehäusekästchen 70 zusammengebaut und
miteinander fixiert werden durch Einführen eines
Verbindungsteils 73 als einem Vorsprung, geformt an dem
Gehäusekästchen 70 in einen Vertiefungsbereich 61,
geformt in dem Verbindungsgehäuse 60 und aufgefüllt mit
Kleber 62 in dem Vertiefungsbereich.
In der vorliegenden Erfindung wird ein Raumbereich 81
zum Enthalten eines Sensorchips (Sensorelement) 80
gebildet durch Zusammenbauen des Verbindungsgehäuses 60
und dem Gehäusekästchen 70. Der Raumbereich 81 steht in
Verbindung mit dem Druckeinführungsloch 72 des
Gehäusekästchens 70 zum Einführen des Drucks, der über
das Druckeinführungsloch 72 gemessen werden soll. Der
Raumbereich 81 ist durch den Kleber 62 versiegelt.
Ein Chip-enthaltender Vertiefungsbereich 63 wird im
Inneren des Verbindungsgehäuses 60 gebildet, welcher den
Raumbereich 81 definiert. Ein Sensorchip 80 dieser
Ausführungsform ist in dem Chip-enthaltenden
Vertiefungsbereich 63 enthalten. Der Sensorchip 80
verwendet einen Piezowiderstandseffekt und ist mit einem
Diaphragma 80a (Erfassungsteil) ausgestattet und einem
nicht gezeigten Meßwiderstand (Diffusionswiderstand),
wobei beide auf dem Siliciumsubstrat gebildet werden.
Wenn eine äußere Kraft angelegt wird, wird das Diaphragma
80a gedehnt und ein elektrisches Signal wird ausgegeben
aufgrund der Dehnung des Diaphragmas 80a.
Der Sensorchip 80 wird gestützt durch Bondiertsein
auf einem Glassitz 82, welcher einen
Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, der demjenigen
des Siliciumsubstrates ähnlich ist, welcher den
Sensorchip 80 bildet. Eine Platte 90 als ein
Elementmontageteil wird auf einer Bodenoberfläche 64 des
Chip-enthaltenden Vertiefungsbereichs 63 fixiert.
Die Platte 90 wird aus einem besonderen Material
hergestellt (in dieser Ausführungsform 42er-Legierung),
dessen Wärmeausdehnungskoeffizient näher bei dem
Sensorchip (in dieser Ausführungsform Silicium) 80 als
bei dem Harz (in dieser Ausführungsform PPS) liegt,
welches das Verbindungsgehäuse 60 bildet. Der Glassitz 82
ist auf einer Platte 90 über einen Kleber 91, wie
beispielsweise einem Harzkleber, bondiert. Auf diese Art
wird der Sensorchip 80 fixiert und gestützt durch die
Bodenoberfläche 64 des Chip-enthaltenden
Vertiefungsbereichs 63 über den Glassitz 82, den Kleber
91 und die Platte 90.
Das Verbindungsgehäuse 60 hat die Funktion, den
Halbleiterdehnungssensor 300 elektrisch mit den äußeren
Drahtteilen zu verbinden. Ein Anschluß
(Signalausgabeteil) 65 als ein Verbindungsanschluß ist
integral mit dem Verbindungsgehäuse 60 dadurch gebildet,
daß es darin eingefügt ist. Ein Endteil 65a des
Anschlusses 65 wird mit dem äußeren Drahtteil verbunden,
und ein anderer Endbereich 65b wird elektrisch verbunden
mit dem Sensorchip 80 durch einen Draht 83, der durch
Drahtbonding gebildet ist.
Hier ist es bevorzugt, die Platte 90 und den Anschluß
65 aus demselben Material auszubilden (in dieser
Ausführungsform 42er-Legierung). Zum Beispiel kann der
Anschluß gebildet sein aus einem Leitungsteil des
Leitungsrahmens, und die Platte 90 kann gebildet sein aus
einem Inselbereich (Elementmontageteil) des
Leitungsrahmens. Wenn sowohl die Platte 90 als auch der
Anschluß 65 aus demselben Material gebildet werden,
können diese Teile gleichzeitig gebildet werden, wenn
derselbe Leitungsrahmen gebildet wird durch Einfügen,
wenn die Platte 90 und Anschluß 65 in dem
Verbindungsgehäuse 60 gebildet werden.
Wenn darüber hinaus die Platte 90 und der Anschluß 65
aus denselben Materialien gebildet sind, ist dies
aufgrund eines vereinfachten Prozesses und einer
vereinfachten Struktur bevorzugt. Die Platte 90 und der
Anschluß 65 können jedoch auch aus unterschiedlichen
Materialien gebildet sein. In diesem Fall kann die Platte
90 durch Einfügen in das Verbindungsgehäuse 60 gebildet
werden oder kann dadurch gebildet werden, daß sie auf der
Bodenoberfläche 64 des Chip-enthaltenden
Vertiefungsbereichs 63 nach der Bildung des
Verbindungsgehäuses 60 bondiert wird.
In dieser Ausführungsform wird der Chip-enthaltende
Vertiefungsbereich 63 im Vergleich zu einer inneren
Oberfläche des Verbindungsgehäuses 60 abgesenkt, in
welchem ein anderer Endbereich 65b des Anschlusses 65
bereitgestellt wird. Deshalb ist die Platte 90, welche
auf der Bodenoberfläche 64 dieses Chip-enthaltenden
Vertiefungsbereichs 63 fixiert ist, derart angeordnet,
daß ihre Höhe unterschiedlich zu einem anderen Endbereich
(Drahtbondierungsbereich) 65b des Anschlusses 65 ist. Da
die Höhen unterschiedlich zueinander sind, wie in Fig. 8
gezeigt, kann der Sensorchip 80 in der Nähe eines anderen
Endbereiches 65b des Anschlusses 65 angeordnet werden, so
daß es die Drahtbondierung erleichtern kann.
Der Chip-enthaltende Vertiefungsbereich 63, der
Sensorchip 80 und der Drahtbondierungsbereich werden
versiegelt durch Füllen mit Schutzgel 84, wie
beispielsweise Silikongel oder Fluorgel. Als Ergebnis
kann der Sensorchip 80 und der Draht 83 geschützt werden,
elektrisch isoliert werden und ein Verrutschen verhindert
werden. Das Schutzgel 84 kann gebildet werden zum
Beispiel durch Anmalen in einer vorbestimmten Form und
Durchführung einer Wärmebehandlung, um es auszuhärten.
In dem Verbindungsgehäuse 60, wie in Fig. 8 gezeigt,
wird ein dünner Bereich 66 gebildet, welcher eine dünnere
Dicke hat bei einem Bereich, der dem Bereich entspricht,
wo der Sensorchip 80 montiert wird, wobei dies der
Bereich ist, der demjenigen des Chip-enthaltenden
Vertiefungsbereichs 63 entspricht. Als Ergebnis wird
aufgetretene Kriechdehnungsspannung in dem dünneren
Bereich 66 klein, verglichen zu dem dickeren Bereich, der
den dünneren Bereich 66 umgibt.
Gemäß dem Halbleiterdehnungssensor 300 wird der zu
messende Zieldruck durch den Raumbereich 81 über das
Druckeinführungsloch 72 angelegt. Der angelegte Druck
wird auf das Diaphragma 80a auf den Sensorchip 80 über
das Gel 84 übertragen, so daß das Ausgangssignal
(Widerstandsänderung) erzeugt wird. Der Signalausgang
wird an dem Anschluß 65 von dem Draht 83 abgenommen. Dann
wird der Signalausgang aus dem Anschluß 65 als ein
Drucksignal nach außen geführt und in eine externe
Schaltung eingegeben, welche den Druck, der auf dem
Drucksignal beruht, berechnet.
Wie oben beschrieben, wird gemäß dieser
Ausführungsform der Halbleiterdehnungssensor 300 derart
gebildet, daß der Sensorchip (Sensorelement) 80 zum
Ausgeben eines elektrischen Signals im Verhältnis zu der
Dehnung in dem aus Harz hergestellten Verbindungsgehäuse
(Verpackungsteil) 60 enthalten ist. Darüber hinaus wird
ein Sensorchip 80 an dem Verbindungsgehäuse 60 über die
Platte (Elementmontageteil) 90 montiert, welche einen
Wärmeausdehnungskoeffizienten näher an dem Sensorchip 80
als dem Harz, welches das Verbindungsgehäuse 60 bildet,
aufweist.
Da die Platte 90, die den obigen
Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, eingefügt ist
zwischen dem Sensorchip 80 und dem Verbindungsgehäuse 60,
tritt eine Wärmespannung aufgrund eines Unterschieds
zwischen dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des
Sensorchips 80 und dem Verbindungsgehäuse 60 nur
beschränkt auf. Dies kann die Kriechdehnung am Auftreten
in dem Verbindungsgehäuse 60 hindern. Daher kann es
verhindert werden, daß die Kriechdehnungsspannung in dem
Verbindungsgehäuse 60 den Sensorchip 80 beeinflußt.
In diesem Falle liegen der Young'sche Modul und der
Wärmeausdehnungskoeffizient des Sensorchips 80, des
Glassitzes 82, des Klebers 91, der Platte 90 und des
Verbindungsgehäuses 60 wie folgt: Der Sensorchip 80 ist
hergestellt aus einem Silicium mit dem Young'schen Modul
von 200 Kgf/mm2 bei einer <110<-Richtung und von
13300 Kgf/mm2 bei einer <100<-Richtung und dem
Wärmeausdehnungskoeffizienten von 2,4 × 10-6/°C. Der
Glassitz 82 ist hergestellt aus Glas mit einem
Young'schen Modul von 6080 Kgf/mm2 und dem
Wärmeausdehnungskoeffizienten von 2,6 × 10-6/°C.
Der Kleber 91 ist hergestellt aus Harz mit einem
Young'schen Modul von 15 Kgf/mm2 und dem
Wärmeausdehnungskoeffizienten von 2,7 × 10-6/°C. Die Platte
90 ist hergestellt aus der 42er-Legierung mit einem
Young'schen Modul von 14800 Kgf/mm2 und einem
Wärmeausdehnungskoeffizienten von 4,3 × 10-6/°C. Das
Verbindungsgehäuse 60 ist hergestellt aus PPS mit einem
Young'schen Modul von 890 Kgf/mm2 und einem
Wärmeausdehnungskoeffizienten von 10,0 × 10-6/°C. Beim
Setzen der obigen Werte kann die Kriechdehnungsspannung
in dem Verbindungsgehäuse 60 daran gehindert werden, den
Sensorchip 80 zu beeinflussen.
Darüber hinaus wird gemäß dieser Ausführungsform der
dünnere Bereich 66 in dem Verbindungsgehäuse 60 gebildet
als der Bereich, der demjenigen Bereich entspricht, wo
der Sensorchip 80 montiert wird. Deshalb kann
Kriechdehnungsspannung, die in dem dünneren Bereich 66
auftritt, unter derjenigen des dickeren Bereiches
gehalten werden, welcher den dünneren Bereich 66 umgibt.
Als Ergebnis kann die Kriechdehnungsspannung in dem
Verbindungsgehäuse 60 weiter behindert werden, den
Sensorchip 80 zu beeinflussen.
Das Verpackungsteil 30 der ersten und zweiten
Ausführungsformen ist einstückig gebildet mit dem
Leitungsrahmen 20 durch Gießen. Jedoch kann das
Verpackungsteil 30 auch getrennt von dem Leitungsrahmen
20 gebildet werden. Dies bedeutet, wenn das
Elementmontageteil getrennt wird, wird das
Verpackungsteil 30 einstückig gebildet mit einem anderen
Teil als dem Elementmontageteil des Leitungsrahmens. Dann
wird das Elementmontageteil 21 mit dem Verpackungsteil 30
durch den Kleber oder dergleichen an einem Bereich, der
den Raumbereichen 30-35 entspricht, bondiert.
Das Sensorelement ist nicht beschränkt auf den
Sensorchip 10. Das Sensorelement kann eine andere
Halbleitervorrichtung sein, die sich im Einklang mit
äußerer Einwirkung und Ausgangssignalen in
Übereinstimmung mit der Dehnung dehnt, wie beispielsweise
ein Dehnungselement und ein druckempfindliches Element.
Des weiteren wurden in den obigen Ausführungsformen
der Halbleiterdehnungssensor der vorliegenden Erfindung
anhand von beispielhaften Druckerfassungssensoren zum
Erfassen von Druck als der äußeren Kraft, wie
beispielsweise einem Einlaßdrucksensor, erläutert. Der
erfindungsgemäße Dehnungssensor ist jedoch auch für
andere äußere Kräfte (physikalische Größen) als Sensor
anwendbar zum Erfassen der äußeren Kraft (physikalischen
Größe) durch Dehnung aufgrund der äußeren Kraft
(physikalischen Größe), wie beispielsweise einem
Beschleunigungssensor, welcher ein Sensorelement zum
Erfassen der darauf einwirkenden Beschleunigung aufweist.
Claims (10)
1. Halbleiterdehnungssensor mit:
einem Sensorelement (10), welches gedehnt wird als Antwort auf das Anlegen einer äußeren Kraft darauf und zum Ausgeben eines elektrischen Signals als Antwort auf eine Dehnung des Sensorelementes (19);
einem Leitungsrahmen (20), welcher eine Oberfläche (20a) zum Montieren des Sensorelementes (10) sowie eine andere Oberfläche (20b) aufweist, und zum Ableiten der elektrischen Signale nach außen dient;
einem Verpackungsteil (30) zum Unterstützen des Leitungsrahmens und einen Raumbereich (31-35) auf einer Seite der anderen Oberfläche (20b) des Leitungsrahmens (20) aufweisend, wobei der Raumbereich (31-35) derart ausgebildet ist, daß wenigstens ein Bereich eines speziellen Bereichs, der einer Montagefläche entspricht, wo das Sensorelement (10) montiert wird, in der anderen Oberfläche (20b) des Leitungsrahmens (20) nicht mit dem Verpackungsteil (30) an dem Raumbereich (31-35) in Kontakt steht.
einem Sensorelement (10), welches gedehnt wird als Antwort auf das Anlegen einer äußeren Kraft darauf und zum Ausgeben eines elektrischen Signals als Antwort auf eine Dehnung des Sensorelementes (19);
einem Leitungsrahmen (20), welcher eine Oberfläche (20a) zum Montieren des Sensorelementes (10) sowie eine andere Oberfläche (20b) aufweist, und zum Ableiten der elektrischen Signale nach außen dient;
einem Verpackungsteil (30) zum Unterstützen des Leitungsrahmens und einen Raumbereich (31-35) auf einer Seite der anderen Oberfläche (20b) des Leitungsrahmens (20) aufweisend, wobei der Raumbereich (31-35) derart ausgebildet ist, daß wenigstens ein Bereich eines speziellen Bereichs, der einer Montagefläche entspricht, wo das Sensorelement (10) montiert wird, in der anderen Oberfläche (20b) des Leitungsrahmens (20) nicht mit dem Verpackungsteil (30) an dem Raumbereich (31-35) in Kontakt steht.
2. Halbleiterdehnungssensor nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß das Sensorelement (10) aus einem
Halbleiter hergestellt ist und das Verpackungsteil
(30) aus einem Harzmaterial hergestellt ist.
3. Halbleiterdehnungssensor gemäß Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß der Raumbereich (31, 34,
35) des Verpackungsteils (30) derart ausgebildet ist,
daß ein Gesamtbereich des speziellen Bereichs in der
anderen Oberfläche (20b) des Leitungsrahmens (20)
nicht mit dem Verpackungsteil (30) an dem Raumbereich
(31, 34, 35) in Kontakt steht.
4. Halbleiterdehnungssensor nach irgendeinem der
Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß das
Sensorelement (10) an dem Leitungsrahmen (20) mittels
eines Harzklebers (40), welcher einen Young'schen
Modul von kleiner oder gleich 10 MPa aufweist,
bondiert ist.
5. Halbleiterdehnungssensor nach irgendeinem der
Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß ein
Wärmeausdehnungskoeffizient des Leitungsrahmens (29)
größer ist als derjenige des Sensorelementes (10) und
ein Wärmeausdehnungskoeffizient des Verpackungsteils
(30) größer ist als derjenige des Leitungsrahmens
(20).
6. Halbleiterdehnungssensor nach Anspruch 5, dadurch
gekennzeichnet, daß der Leitungsrahmen (20) aus einer
42% Ni-Fe-Legierung hergestellt ist und das
Verpackungsteil (30) hergestellt ist aus einem Harz
auf Epoxidbasis.
7. Halbleiterdehnungssensor mit:
einem Verpackungsteil (60), hergestellt aus Harz;
einem Elementmontageteil (90), montiert an dem Verpackungsteil (60); und
einem Sensorelement (80) zum Dehnen als Antwort auf das Anlegen einer äußeren Kraft daran und zum Ausgeben eines elektrischen Signals als Antwort auf eine Dehnung davon, wobei das Sensorelement (80) in dem Verpackungsteil (60) mittels des Elementmontageteils (90) enthalten ist,
wobei das Elementmontageteil (90) einen Wärmeausdehnungskoeffizienten näher demjenigen des Sensorelementes (80) hat als demjenigen des Harzes, welches das Verpackungsteil (90) bildet.
einem Verpackungsteil (60), hergestellt aus Harz;
einem Elementmontageteil (90), montiert an dem Verpackungsteil (60); und
einem Sensorelement (80) zum Dehnen als Antwort auf das Anlegen einer äußeren Kraft daran und zum Ausgeben eines elektrischen Signals als Antwort auf eine Dehnung davon, wobei das Sensorelement (80) in dem Verpackungsteil (60) mittels des Elementmontageteils (90) enthalten ist,
wobei das Elementmontageteil (90) einen Wärmeausdehnungskoeffizienten näher demjenigen des Sensorelementes (80) hat als demjenigen des Harzes, welches das Verpackungsteil (90) bildet.
8. Halbleiterdehnungssensor nach Anspruch 7, dadurch
gekennzeichnet, daß das Verpackungsteil (60) einen
dünneren Bereich (66) aufweist, der eine dünnere
Dicke aufweist als der andere Bereich bei einem
speziellen Bereich, der der Montagefläche entspricht,
wo das Sensorelement (80) montiert wird.
9. Halbleiterdehnungssensor nach Anspruch 7 oder 8,
dadurch gekennzeichnet, daß ein Signalausgabeteil
(65) zum Ausgeben des elektrischen Signals des
Sensorelementes (80) nach außen ganzstückig in dem
Verpackungsteil (60) gebildet ist; und
das Elementmontageteil (90) aus demselben Material hergestellt ist wie das Signalausgabeteil (65).
das Elementmontageteil (90) aus demselben Material hergestellt ist wie das Signalausgabeteil (65).
10. Halbleiterdehnungssensor nach Anspruch 9, dadurch
gekennzeichnet, daß das Signalausgabeteil (65) an
einer inneren Oberfläche des Verpackungsteils (60)
vorgesehen ist und mit dem Sensorelement (80) durch
Drahtbondieren verbunden ist;
das Verpackungsteil (60) einen Vertiefungsbereich (63) aufweist, der sich in Bezug auf die innere Oberfläche bei einem umgebenden Bereich des Signalausgangsteiles (65) absenkt und der Vertiefungsbereich (63) eine Bodenoberfläche (64) aufweist; und
das Elementmontageteil (90) auf der Bodenoberfläche (64) des Vertiefungsbereiches (63) vorgesehen ist.
das Verpackungsteil (60) einen Vertiefungsbereich (63) aufweist, der sich in Bezug auf die innere Oberfläche bei einem umgebenden Bereich des Signalausgangsteiles (65) absenkt und der Vertiefungsbereich (63) eine Bodenoberfläche (64) aufweist; und
das Elementmontageteil (90) auf der Bodenoberfläche (64) des Vertiefungsbereiches (63) vorgesehen ist.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
8110 | Request for examination paragraph 44 | ||
R002 | Refusal decision in examination/registration proceedings | ||
R003 | Refusal decision now final |
Effective date: 20120403 |