DE10018404A1 - Halbleiterdehnungssensor - Google Patents

Halbleiterdehnungssensor

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DE10018404A1
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Seiichiro Ishio
Inao Toyoda
Yasutoshi Suzuki
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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.
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.
Erste Ausführungsform
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).
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.
Zweite Ausführungsform
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.
Dritte Ausführungsform
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.
Modifikation
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.
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.
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).
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.
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