DE19651384A1

DE19651384A1 - Verfahren zur Überprüfung der Dichtheit einer Verpackung und Vorrichtung zur Messung der Viskosität

Info

Publication number: DE19651384A1
Application number: DE19651384A
Authority: DE
Inventors: Stefan Dr Pinter
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1996-12-11
Filing date: 1996-12-11
Publication date: 1998-06-18
Also published as: US5872309A; JPH10185740A

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Überprüfung der Dichtheit einer Verpackung und einer Vorrichtung zur Messung der Viskosität nach der Gattung der unabhängigen Pa tentansprüche. Zur Überprüfung der Dichtheit einer Verpac kung, insbesondere einer Verpackung für Halbleiterbauelemen te, ist bereits der sogenannte Dampfdruckkochtopftest be kannt, bei dem in einer ersten Testphase verpackte Halblei terelemente mit Wasser erhöhtem Drucks und erhöhter Tempera tur beaufschlagt werden. In einer zweiten Testphase werden dann die Halbleiterbauelemente daraufhin untersucht, ob sie durch Eindringen des Wassers zerstört worden sind.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren mit den kennzeichnenden Merk malen des unabhängigen Patentanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß auch kleine Beeinträchtigungen der Dichtheit der Verpackung sicher nachgewiesen werden können bevor eine Zerstörung des Inhalts der Verpackung erfolgt. Es können so geeignete Maßnahmen ergriffen werden, die Dichtheit der Ver packung zu verbessern oder aber es kann über eine Langzeit betrachtung ermittelt werden, für welchen Zeitraum die Dichtheit der Verpackung ausreichend ist. Durch die in den abhängigen Patentansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vor teilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des Verfahrens nach dem unabhängigen Patentanspruch möglich. Die Messung der Viskosität erfolgt besonders einfach, indem ein schwing fähiges Bauelement im Hohlraum angeordnet wird. Dabei kann die Resonanzüberhöhung die Verschiebung der Resonanzfrequenz oder die Phase ausgewertet werden. Zur zeitlich gerafften Überprüfung der Dichtheit kann die Verpackung bei erhöhter Temperatur oder bei erhöhtem Druck überprüft werden. Beson ders vorteilhaft ist das Verfahren, wenn die Verpackung nach der Verpackung eines schwingfähigen mikromechanischen Bau elements wie beispielsweise einem Beschleunigungssensor oder einem Drehratensensor ausgebildet ist. Das zu verpackende Bauelement kann hier gleichzeitig zur Überprüfung der Dicht heit herangezogen werden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist besonders einfach herzustellen und kann zur Messung ei ner Vielzahl von physikalischen Parametern, die von der Vis kosität abhängen, genutzt werden.

Zeichnungen

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher er läutert. Es zeigen die Fig. 1 einen Querschnitt durch eine Verpackung und Fig. 2 eine Aufsicht auf das Bodenteil einer Verpackung.

Beschreibung

In der Fig. 1 wird ein Querschnitt durch eine Verpackung 1 gezeigt, die von einem Bodenteil 2 und einem Deckel 3 gebil det wird. Das Bodenteil 2 und der Deckel 3 sind so miteinan der verbunden, daß ein Hohlraum 4 gebildet wird. In dem Hohlraum 4 ist ein schwingfähiges Bauelement 10 eingebracht, wobei im Querschnitt der Fig. 1 nur die Verankerungen 13, 23 und ein Biegeelement 12 zu erkennen ist. Diese Seitenan sicht des schwingfähigen Bauelements 10 entspricht einer Seitenansicht entlang der Linie I.I der Fig. 2. Es ist die Aufgabe der Verpackung 1, den Hohlraum 4 hermetisch von der Umgebung abzuschließen. Insbesondere soll dabei im Hohl raum 4 ein eingeschlossenes Gas erhalten bleiben und kein Gas oder Flüssigkeiten von außerhalb in die Verpackung 1 eindringen. Zur Überprüfung der Qualität der Dichtheit der Verpackung kann das schwingfähige Element 10 verwendet wer den. Dies wird zur Fig. 2 näher erläutert.

In der Fig. 2 wird eine Aufsicht auf das Bodenteil 2 einer geöffneten Verpackung 1 gezeigt. Im Inneren der Verpackung ist der Schwinger 10 angeordnet. Der Schwinger 10 weist ei nen Zentralbalken 11 auf, an dem bewegliche Elektroden 14 befestigt sind. Der Zentralbalken 11 ist durch Biegeelemen te 4 an den Verankerungen 13 aufgehängt. Die Verankerun gen 13 sind fest mit dem Bodenteil 2 verbunden, während die Biegeelemente 12, der Zentralbalken 11 und die beweglichen Elektroden 14 keinen unmittelbaren Kontakt zum Bodenteil 2 aufweisen. Diese Elemente können sich daher relativ am Bo denteil 2 verschieben, insbesondere wenn Kräfte auftreten, die senkrecht zur Längsachse der Biegeelemente 12 sind. Bei derartigen Kräften kann es sich um Beschleunigungskräfte handeln. Die Position der beweglichen Elektroden 14, relativ zu den feststehenden Elektroden 21 und 22, wird in diesem Fall verändert. Die feststehenden Elektroden 21 und 22 sind jeweils durch Verankerungen 23 mit der Bodenplatte 2 verbun den, so daß diese durch auftretende äußere Kräfte nicht re lativ zum Bodenteil 2 verschoben werden können. Aufgrund des sich ändernden Abstandes zwischen den beweglichen Elektro den 14 und den feststehenden Elektroden 21 und 22 kann durch eine Messung der Kapazität zwischen den Elektroden die Ver schiebung der beweglichen Elektroden 14 nachgewiesen werden. Weiterhin können an die feststehenden Elektroden 21 und 22 elektrische Potentiale angelegt werden, die eine Kraftwir kung auf die beweglichen Elektroden 14 ausüben. Dabei kann gleichzeitig gemessen werden, wie sehr sich die beweglichen Elektroden 14 von diesen Kräften bewegen lassen.

Der bewegliche Teil des schwingfähigen Bauelements 10 der von den Biegeelementen 12, dem beweglichen Zentralbalken 11 und den beweglichen Elektroden 14 gebildet wird, läßt sich durch Anlegen externer Kräfte oder durch Anlegen von elek trischen Wechselspannungen an den feststehenden Elektro den 21 und 22 zu Schwingungen anregen. Besonders groß werden dabei die Auslenkungen, wenn die Frequenz der anregenden Schwingungen mit der mechanischen Resonanzfrequenz des schwingfähigen Bauelements 10 übereinstimmt. Weiterhin wird die Schwingung des schwingfähigen Bauelements wesentlich von der Viskosität des im Hohlraum 4 eingeschlossenen Gases be einflußt. Der Hohlraum 4 kann beispielsweise mit reinem Neon (Viskosität 29,8 µPas bei 0°C; 101,3 kPa) gefüllt sein. Wenn dann durch ein Leck normale Luft, d. h. eine Mischung von Stickstoff und Sauerstoff in den Hohlraum 4 eindringt, so verändert sich die Viskosität (Luft: 17,2 µPas bei 0°C; 101,3 kPa) und damit auch die Schwingungseigenschaften des schwingfähigen Bauelements 10. Durch die erhöhte Viskosität wird die Dämpfung der Schwingung des schwingfähigen Ele ments 10 verändert. Dies läßt sich besonders einfach im Re sonanzfall nachweisen, d. h. wenn die anregende Kraft die mechanische Resonanzfrequenz des Schwingsystems bestehend aus Biegeelemente 10, beweglichem Zentralbalken 11 und be wegliche Elektroden 14 aufweist. Bereits geringe Änderungen der Dämpfung bewirken eine Veränderung der Amplitude der Schwingung, der Frequenz bei der die größte Amplitude auf tritt und der Phase zwischen der anregenden Kraft und der dadurch verursachten Bewegung des schwingfähigen Elements 10. Aufgrund der Auswertung der Schwingung kann somit eine empfindliche Aussage über die Dichtheit der Verpackung getroffen werden. Da die Viskosität weiterhin temperaturab hängig ist, kann so auch die Temperatur des im Hohlraum ein geschlossenen Gases bestimmt werden. Da weiterhin die Visko sität auch von der Wärmeleitfähigkeit des eingeschlossenen Gases abhängt, können Veränderungen dieser Wärmeleitfähig keit nachgewiesen werden.

Zur Überprüfung der Verpackung kann diese bei erhöhten Tem peraturen und bei einem erhöhten Druck mit einem zweiten Gas beaufschlagt werden, wobei dieses zweite Gas eine möglichst verschiedene Viskosität vom im Hohlraum 4 eingeschlossenen Gas aufweisen soll. Es kann so in relativ kurzer Zeit die Dichtheit überprüft werden, wobei auch Vorhersagen über den zeitlichen Verlauf des Eindringens externer Gase in den Hohlraum 4 möglich sind. Weiterhin kann die Dichte der Ver packung jederzeit auch außerhalb der Testumgebung überprüft werden. Die Qualität der Verpackung kann somit auch noch nach einem längerem Zeitraum überprüft werden. Dies ist in besonderem Maße interessant, wenn die Verpackung zur Aufnah me von elektronischen oder mikromechanischen Bauelementen vorgesehen ist, die beispielsweise in einem Kraftfahrzeug eingebaut über mehrere Jahre hinweg zuverlässig funktionie ren sollen. Es kann so beispielsweise im Rahmen einer jähr lichen Inspektion überprüft werden, ob die Verpackung auf grund aggressiver Umwelteinflüsse undicht geworden ist und somit im weiteren Zeitverlauf mit einem Ausfall des verpack ten elektronischen oder mikromechanischen Bauelements zu rechnen ist. Derartige Komponenten, insbesondere sicher heitsrelevante Bauelemente wie Beschleunigungssensoren für die Auslösung von Rückhaltesystemen, könnten dann rechtzei tig vor einem Funktionsausfall ausgetauscht werden.

Bei dem in der Fig. 2 gezeigten schwingfähigen Bauele ment 10 handelt es sich beispielsweise um einen Sensor, der auch zur Messung von Beschleunigungen Verwendung findet. Ein derartiger Beschleunigungssensor kann somit nach dem erfin dungsgemäßen Verfahren gleichzeitig auch zur Überprüfung der Dichtheit der Verpackung herangezogen werden. Dies gilt ge nerell für alle schwingfähigen mikromechanischen Bauelemen te, wie beispielsweise Drehratensensoren oder auch schwing fähige Membranen.

In der Beschreibung wird hier nur der Einschluß eines Gases in dem Hohlraum 4 beschrieben. Alle Ausführungen gelten je doch entsprechend auch für eine Flüssigkeit.

Der in den Fig. 1 und 2 gezeigte Schwinger kann generell, d. h. auch außerhalb eines Gehäuses zur Messung der Viskosi tät genutzt werden. Durch die Messung der Viskosität lassen sich so eine Vielzahl von Größen detektieren, die mit der Viskosität in Zusammenhang stehen. Es kann so die Zusammen setzung eines Mediums bestehend aus zwei Komponenten unter schiedlicher Viskosität (z. B. Anteil von Stickstoff in der Luft) bestimmt werden. Weiterhin kann die Temperatur be stimmt werden, da die Viskosität temperaturabhängig ist. Weiterhin kann auch die Wärmeleitfähigkeit von Gasen mit

λ = α.η.C_v

bestimmt werden, wobei λ die Wärmeleitfähigkeit, α eine Zahl von 2,4 für einatomige, 1,9 für zweiatomige, 1,6 für dreia tomige Gase, η die Viskosität und C_v die spezifische Wärme bei konstanten Volumen ist. Als Vorrichtung für die Messung der Viskosität sind neben der in den Fig. 1 und 2 gezeig ten kammartigen Struktur auch noch andere Oberflächenmikro mechanische Strukturen wie Balken, Platten, Membranen oder Zylinder geeignet. Oberflächenmikromechanische Elemente wer den durch Herstellungsverfahren die aus der Halbleitertech nik bekannt sind gefertigt, wobei dabei Opferschichten ver wendet werden um bewegliche Strukturen zu erzeugen.

Claims

1. Verfahren zur Überprüfung der Dichtheit einer Verpac kung (1), wobei im Inneren der Verpackung (1) in einem Hohl raum (4) ein Gas oder eine Flüssigkeit eingeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Hohlraum (4) ein erstes Gas oder eine erste Flüssigkeit vorgegebener Viskosität ein geschlossen wird, und daß eine Veränderung der Viskosität durch ein von außen in den Hohlraum eindringendes zweites Gas oder zweite Flüssigkeit anderer Viskosität nachgewiesen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für den Nachweis der Viskosität ein schwingfähiges Bauele ment (10) im Hohlraum (4) in Schwingungen versetzt wird und daß die Viskosität durch die Dämpfung der Schwingungen nach gewiesen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dämpfung durch Auswertung einer Resonanzüberhöhung, ei ner Resonanzfrequenz oder einer Phase des schwingfähigen Bauelements (10) bestimmt wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß die Verpackung (1) bei erhöhter Temperatur in dem zweiten Gas oder der zweiten Flüssigkeit gelagert wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß die Verpackung (1) bei erhöhtem Druck in dem zweiten Gas oder der zweiten Flüssigkeit gela gert wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß das schwingfähige Bauelement (10) nur in einer Testphase zur Bestimmung der Viskosität heran gezogen wird und in einer normalen Betriebsphase zur Messung einer physikalischen Größe, z. B. einer Beschleunigung, Drehrate oder eines Druckes herangezogen wird.

7. Vorrichtung zur Messung der Viskosität eines Mediums, da durch gekennzeichnet, daß ein mikromechanisches Schwingele ment vorgesehen ist, daß Mittel vorgesehen sind, das Schwingelement in Schwingungen zu versetzen und daß durch Auswertung der Schwingung die Viskosität ermittelt wird.