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CN1249034A - 压力传感器－结构部件及其制造方法 - Google Patents

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CN1249034A
CN1249034A CN98802848.4A CN98802848A CN1249034A CN 1249034 A CN1249034 A CN 1249034A CN 98802848 A CN98802848 A CN 98802848A CN 1249034 A CN1249034 A CN 1249034A
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J·温特雷尔
E·布茨
B·斯塔德勒
A·诺伊
T·杨策克
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Abstract

本发明涉及一种压力传感器－结构部件(1),该构件具有一个接近于平面的芯片载体表面(2)的芯片载体(3),在其上安排的半导体芯片(4)具有一个集成构造的压力传感器,它具有一个置于被测量的压力(P)之下的压力测量面(5),和具有由电绝缘材料制成的、至少以部分区域包围半导体芯片(4)和/或芯片载体(3)的结构部件密封(6)。在结构部件密封(6)中安排和加入了一个相对于压力传感器的压力测量面(5)向上突出的和穿透密封(6)的,与压力传感器连接的烟囱形状的连接柱(10),它用它的安放在半导体芯片(4)上的端部(11)至少压力密封地包围着压力测量面(5)和在它的对面的端部(12)构成向外的开口。本发明进一步涉及制造这样的压力传感器－结构部件(1)的一种方法。

Description

压力传感器-结构部件及其制造方法
本发明涉及一种压力传感器-结构部件，该构件具有一个接近于平面的芯片载体表面的芯片载体，在其上安排的半导体芯片具有一个集成构造的压力传感器，它具有一个置于被测量的压力之下的压力测量面，和具有由电绝缘材料制成的、至少以部分区域包围半导体芯片和/或芯片载体的结构部件密封。本发明进一步还涉及制造这样的压力传感器-结构部件的一种方法。
为了测量压力，测量介质必须进入到传感器里，以及保持在介质中的压力必须被传递到传感器上。另外一方面，半导体压力传感器的应用，在最后使用时要求将传感器芯片用一种适当材料的包封保护封装起来，一般是用塑料。在这里已知，绝大部分以硅作为基础材料的半导体芯片的应用是在一个壳体里的，例如DIP-壳体(双列-直插-包装-壳体)，SMD壳体(表面-封装-设计-壳体)或者也可以用特殊的结构形式，在此这种壳体然后被装配在印刷电路板上。在一种已知的结构中，压力耦合是经过一个覆盖在敏感的传感器上方的，和因而起保护作用的由金属制成的或也可以是用塑料制成的薄膜，它也可以被制成单独的附加结构部件。问题常常出现在当传感器同时被保护时，由于通过壳体到达传感器芯片的只是不充分的压力耦合。总的来说，要求在被测量的介质与传感器之间有一个容易制造的和密封的连接，以避免外界空气侵入使压力测量产生错误。另外一方面，在很多情况下，除此之外要求将被测量的介质与传感器的金属组成部件以及半导体芯片分开，以避免由于介质对传感器敏感组成部件造成腐蚀危险或破坏性影响。已知压力传感器-结构部件的其它的结构，考虑了一种开口的壳体，在其中，传感器芯片对环境影响的保护只作为第二位问题来对待，并且传感器芯片没有保护。这种结构形式一般只适合于没有侵蚀的介质。
所有到目前为止已知的半导体压力传感器共同的是，始终要求将部件罩住以及密封的一个多步骤的制造工艺，利用这个工艺，结构部件被制造成所希望的结构形式。
本发明的任务是，提供一种压力传感器-结构部件以及为了制造开始所述类型的压力传感器  结构部件的一种方法，其中支撑着机械敏感的压力传感器的半导体芯片，以及芯片载体的封装，在结构上可以比较简单和从而也比较便宜地完成，并且同时可以保证比较容易安装的，但是在测量介质和压力传感器之间还足够紧密的连接。
此任务的解决方法是按照权利要求1特征的装置，按照权利要求11特征的方法完成的。
本发明考虑了，在结构部件密封中安排和装入了一个相对于压力传感器的压力测量面向上突出的和穿透密封层的，与压力传感器连接的烟囱形状的连接柱，它用它的安放在半导体芯片上的端部至少压力密封地包围着压力测量面，和在它的对面的端部构成向外的开口。按照本发明制造压力传感器-结构部件的方法考虑了，在半导体芯片在芯片载体上装配和接触连接上以后，但是在压力传感器-结构部件密封以前，还要求在压力传感器上安上一个烟囱形状的连接柱，它用它的安放在半导体芯片上的端部至少压力密封地包围着压力测量面，和在它的对面的端部构造成向外的开口。
按照本发明的一个重要的思路是，在壳体内考虑了一个完整的集成的开口，它是一个最好是作为单独部件形式成形的烟囱形状的连接柱。在这里只有半导体芯片的压力传感表面(压力测量面)是开放的。其余的部件以及半导体芯片周围是用密封材料特别是模压塑料罩住的。在结构部件中的开口，位于半导体芯片的压力传感面的上方，以便在这个位置上使传感各种压力成为可能。压力传感器-结构部件的真正的密封，也就是罩住芯片载体，半导体芯片的其余部分，有时还有键合导线，导致所希望的压力传感器-结构部件相对于环境影响的保护，和使压力传感器的应用和使用，例如在一个印刷电路板上的插装成为可能。从而按照本发明的解决方法的一个重要优点是，在一个实现有目的的压力耦合的条件下，使用一个开口的同时用模压塑料对结构部件密封。
在本发明的一个优异的结构中可以考虑，被测量的压力是通过烟囱形状的连接柱的开口被直接导向半导体芯片的压力测量面上的。在这种情况下，不需要至今已知的压力传感器-结构部件所用的薄膜，如它在对侵蚀性介质压力测量时考虑的；所有情况下，传感器表面可以用一种薄的光刻胶层或类似的薄的保护层进行钝化，和使用这种方法对有害的环境影响是稳定的。按照本发明的压力传感器-结构部件，用这种方法，适用于介质分开的压力传感器也适用于有侵蚀性的介质。余下的芯片表面没必要必须进行钝化，并且因此可以用标准参数被接触连接。
在本发明的一个进一步的优异的实施形式中设计的优点是，一个完全位于结构部件密封内的烟囱形状的连接柱的截面，具有一个固定机构，它承受作用在烟囱形状的连接柱上的拉力。在这里烟囱形状的连接柱的固定机构是由一个在边缘上安装的，垂直于纵向方向的隔开的成型件构成的。另外还可以考虑，烟囱形状的连接柱的固定机构是被成形为具有一个围绕在面向半导体芯片的端部外围的、和支撑在半导体芯片上的支承面的法兰形状的。在使用一个与烟囱形状的连接柱可以连接的压力管路时，该固定机构是特别需要的。尤其是从连接柱上拔出压力管路时，拉力可能作用在埋在模压塑料内的连接柱上，这可以导致，连接柱从结构部件壳体中被拔出来，导致压力传感器-结构部件的损坏。这通过固定机构被避免。
为了与一个压力管路或一个压力软管相连接，其中被测量的介质被导入压力传感器，可以具有优点的设计是，如果用一个结构上特别简单的实施形式中烟囱形状的连接柱结构具有一个向外变细的横截面形状。用这种方法一个压力管路可以通过简单地插入被连接上。此外，这个锥形构造决定了使一个适合的，因为用压铸法制造连接柱以后可以容易脱模成为可能，并且从而具有适合的结构形状。此外可以设计的优点是，在结构部件密封中安装的烟囱形状的连接柱，以其开口突出于结构部件的结构高度，和在它的自由端用一种支撑机构与一个可插入到连接柱上的压力管路的固定机构构成为一个形状封闭的机械的无间隙的连接，这样，当将压力管路插在连接柱上时，固定机构和支撑机构达到交互地进入啮合。
在本发明的压力传感器-结构部件的一个具体的构造中可以考虑的优点是，烟囱形状的连接柱有一个管子形状的具有圆形截面的台阶，它与相对于半导体芯片相反的端部方向呈圆锥形变细，和在它的面向半导体芯片的端部进入一个构成固定机构的基板内，其尺寸和形状与半导体芯片的压力测量面相匹配。
在最简单情况下，烟囱形状的连接柱在密封以前简单地放在半导体芯片上，此时随后的为制造密封的压铸过程是借助于一种模压塑料，特别是热固性-或热塑性模压塑料，负责将连接柱充分压力密封地连接在半导体芯片上。其它的可能性是，烟囱形状的连接柱在密封以前也可以持久地被固定在半导体芯片上，特别是通过粘接或键合，其中，在后一种的情况下，连接柱是由一种金属材料构成的或带有一种金属层涂层的，和其余的是由一种特别是高温稳定的塑料材料制成的。
对于包封和从而保护连接的半导体芯片，最好是使用热固化的热固性塑料挤压过程来达到，如在标准元件被使用的那样。在这里模压塑料不仅起到保护半导体芯片的作用，而且起到在芯片载体和烟囱形状的连接柱的机械化加工方面的作用，同时保证可重复制造，有确定的壳体形状。如在热固性塑料连续压制那样，对于压制过程要求的塑料量，在某个地方被加热和塑性化，和从那里用一个凸模通过若干通道被压入到含有需包封的结构部件的封闭的模具中，在那里这些塑料被固化和然后作为被加工好的产品可以被取出来。作为挤压的塑料，除了热固性塑料(环氧-或有机硅塑料)适合以外，特别是热塑性塑料也适合，在经济性和自动化制造方面占有优势。
作为按照本发明的压力传感器-结构部件的壳体结构形状不仅插装式适用而且表面封装式也适用。已知在插装时结构部件的接线脚被插入一个印刷电路板的孔中，和然后在反面被焊上。相反，在表面封装时，部件接线脚不再被插入印刷电路板的孔中，而是放在印刷电路板的连接面上和在那里被焊上。表面封装使占用面积的显著节约和降低成本成为可能；由于这个原因这种装配方式在按照本发明的压力传感器-结构部件中也有优越性。
下面本发明借助于在附图中表示的实施例进一步地被叙述。简化的附图表示：
附图1按照本发明的一个优异的实施例通过具有烟囱形状的连接柱的压力传感器-结构部件的一个截面简图；和
附图2沿附图1截面线II-II压力传感器的压力测量面的局部顶视图。
这些附图表示了按照本发明的压力传感器-结构部件1用于在印刷电路板的装配表面上的表面封装的一个实施例。压力传感器-结构部件1具有一个有近似于平面的芯片载体表面2的由导电材料制成的芯片载体3，在它的芯片载体表面2上固定了一个由硅基础材料制成的具有集成构造的压力传感器和从属于它的电路的半导体芯片4，其中压力传感器和电路在附图上没有详细表示，只简化表示了一个压力测量面5，它是被置之于被测量的压力P之下的。作为针对外部环境影响的保护，压力传感器1具有由绝缘材料制成的至少部分区域将半导体芯片4和/或将芯片载体3包封的部件密封6，例如热固性-或热塑性材料。芯片载体3是以一个原本已知的结构形式作为所谓的“引线框架”，也就是被构成为预加工好的芯片载体基片，和具有很多数目的穿透部件密封6的，借助于键合导线7与压力传感器以及与从属于它的半导体芯片电路导电连接的电极接线8，9(在附图1上只表示了两个电极接线，其中电极接线9代替一个键合导线直接与半导体芯片4的底面是电连接的)，它们在形状上被构成为至少从芯片载体3的两侧引出的接线脚，它们用已知的方法被弯成和剪成短的弯曲形状的接线头。一种这样的设置保证了结构部件1在(没有详细表示)印刷电路板的装配表面用SMD技术装配。在所表示的实施例中，一种方法是在半导体芯片4上集成构造的压力传感器以及从属于它的电路与电极接线8，9的电连接使用一种导线接触连接法达到的，在这种方法中键合导线7被固定在芯片4上和被拉到相应的要连接的电极脚8上，另一种方法是对于这种电连接也可以使用一个所谓的蜘蛛-接触接线，在其中替代键合导线是使用一种导电的系统载体板达到的，在其上芯片4被直接连接上。
在半导体芯片4上由硅集成的压力传感器展示一种所谓的压电阻抗传感器，在其上安排了在芯片4的表面用微机械方法制造的一个硅-薄膜，它与随压力变化的电阻是电耦合的，它们同样构成在硅基片中和用原本已知的方法连接在一个桥电路上。同样在半导体芯片4上集成了一个从属于传感器的电路，它用于准备信号(放大和修正)，但是还用于传感器的平衡和补偿。相对于其它的结构形式，这个以本发明为基础的半导体压力传感器适合于这样的应用，如要求最小的结构尺寸，即例如在汽车领域的压力测量，例如测量刹车压力，轮胎压力，燃烧室压力和类似的。除了按照压电阻抗压力测量原理工作的半导体-压力传感器以外，也可以应用按电容测量原理工作的地方那些压力传感器。
按照本发明在结构部件密封6中安装以及制作了相对于压力传感器压力测量面5的一个凸出来的和如所表示的穿透密封6的，与压力传感器相连接的烟囱形状的连接柱10，它与它的在半导体芯片4上安放的端部11至少是压力密封地包围住压力测量面5的，和在它的对面的端部12构成为向外是开口的。用这种方法经过一个柔性的压力管路13，它是被插入到连接柱的自由端部12，被测量的压力P经过烟囱形状的连接柱10的开口14直接被引导到半导体芯片4的压力测量面5上，其中在压力测量面5上在任何情况下可以沉积一层薄的光刻胶膜。为了运输的目的开口14可以暂时用一个胶带或一个可卸下的盖子盖起来，以便避免外来物和脏物的进入。安放在半导体芯片上的接线柱10的端部11是构造成方形的，法兰形状的固定机构15，它包围着压力测量面5，在附图2顶视图中固定机构15的边界是用符号15a和15b表示的。在下侧固定机构15从而有一个在半导体芯片4上支撑的支承面16，在其上为了在芯片4上牢固地固定也可以安放上粘接剂或固定剂。向上突出的，穿透密封6的和突出于结构高度的零件17是一个整体的和由一种塑料材料制成的具有一个圆形的，向上变细截面形状的烟囱形状的连接柱10。

Claims (13)

1.压力传感器-结构部件具有一个接近于平面的芯片载体表面的一个芯片载体(3)，在其上安排的半导体芯片(4)具有一个集成构造的压力传感器，它具有一个置于被测量的压力(P)之下的压力测量面(5)，和具有由绝缘材料制成的、至少以部分区域包围半导体芯片(4)和/或芯片载体(3)的结构部件密封(6)，
其特征为，
在结构部件密封(6)中安排和加入了一个相对于压力传感器的压力测量面(5)向上突出的和穿透密封层的，与压力传感器连接的烟囱形状的连接柱(10)，它用它的安放在半导体芯片上的端部(11)至少压力密封地包围着压力测量面(5)，和在它的对面的端部(12)构成向外的开口。
2.按照权利要求1的压力传感器-结构部件，
其特征为，
被测量的压力是通过烟囱形状的连接柱(10)的开口(14)被直接导向半导体芯片(4)的压力测量面(5)上的。
3.按照权利要求1或2的压力传感器-结构部件，
其特征为，
在结构部件(1)的密封(6)中被加入的烟囱形状的连接柱(10)是由一个单独的部件成型的，它特别是一个整体的和由一种塑料材料制成的。
4.按照权利要求1至3之一的压力传感器-结构部件，
其特征为，
一个完整的位于结构部件密封(6)中的烟囱形状的连接柱(10)的截面具有一个固定机构(15)，它承受作用在烟囱形状的连接柱(10)上的拉力。
5.按照权利要求4的压力传感器-结构部件，
其特征为，
烟囱形状的连接柱(10)的固定机构(15)是由一个在边缘上安置的，垂直于纵向的隔开的成型件构成的。
6.按照权利要求4或5的压力传感器-结构部件，
其特征为，
烟囱形状的连接柱(10)的固定机构(15)是被成形为具有一个围绕在面向半导体芯片(4)的端部外围的、和支撑在半导体芯片(4)上的支承面(16)的法兰形状的。
7.按照权利要求1至6之一的压力传感器-结构部件，
其特征为，
在结构部件密封(6)中安置的烟囱形状的连接柱(10)以其开口(14)突出于结构部件的结构高度，和在它的自由端用一种支撑机构与一个可插入到连接柱(10)上的压力管路(13)的固定机构构成为一个形状封闭的机械无间隙的连接，这样，当压力管路(13)插在连接柱(10)上时，固定机构和支撑机构交互地进入啮合。
8.按照权利要求1至7之一的压力传感器-结构部件，
其特征为，
烟囱形状的连接柱(10)具有一个向外变细的截面形状。
9.按照权利要求1至8之一的压力传感器-结构部件，
其特征为，
烟囱形状的连接柱(10)有一个管子形状的具有圆形截面的台阶，它相对于半导体芯片(4)相反的端部方向呈圆锥形变细，和在它的面向半导体芯片(4)的端部进入一个构成固定机构(15)的基板，其尺寸和形状与半导体芯片(4)的压力测量面(5)相匹配。
10.按照权利要求1至9之一的压力传感器-结构部件，
其特征为，
芯片载体(3)与压力传感器以及一个从属于压力传感器的半导体芯片(4)电路的电连接的电极接线(8，9)具有一个可以表面封装的装置，它的电极接线(8，9)贯穿两个部件密封(6)。
11.制造一种压力传感器-结构部件(1)的方法，它具有一个接近于平面的芯片载体表面(2)的一个芯片载体(3)，在其上安排的半导体芯片(4)具有一个集成构造的压力传感器，它具有一个置于被测量压力(P)之下的压力测量面(5)，
其特征为通过以下步骤：
-将半导体芯片(4)装配和连接在芯片载体(3)上，
-安放一个相对于压力传感器的压力测量面(5)向上突出的，与压力传感器连接的烟囱形状的连接柱(10)，它用它位于半导体芯片(4)上的端部(11)至少压力密封地包围着压力测量面(5)，和在它的对面的端部(12)构成向外的开口，和
-压力传感器-结构部件(1)是用一个至少部分区域由电绝缘材料将半导体芯片(4)和/或芯片载体(3)以及烟囱形状的连接柱(10)包围的，结构部件密封(6)包封的。
12.按照权利要求11的方法，
其特征为，
烟囱形状的连接柱在包封前是被牢固地固定在半导体芯片上的，特别是通过粘接或键合。
13.按照权利要求11或12的方法，
其特征为，
压力传感器-结构部件的包封是在芯片载体上安装的和与烟囱形状的连接柱连接的半导体-压力传感器上通过压铸过程完成的。
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