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Stand der Technik
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Bekannte Sensorvorrichtungen verwenden verschiedene Typen von Sensorelementen, die mittelbar oder unmittelbar auf einem Leiterplattensubstrat angeordnet sein können. Über Leiterbahnen des Leiterplattensubstrats kann das jeweilige Sensorelement mit einer auf dem Leiterplattensubstrat angeordneten Auswerteschaltung und/oder mit Entstörkondensatoren oder einem elektrisch an das Leiterplattensubstrat angebundenen Steckerteil zur Anschluss der Sensorvorrichtung an ein externes Steuergerät kontaktiert werden. Bei den Sensorvorrichtungen kann es sich um eine Sensorvorrichtung handeln, die einen Parameter eines Mediums, beispielsweise den Druck, die Temperatur oder einen anderen Parameter eines Gases oder einer Flüssigkeit erfassen soll.
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Aus der
DE 197 31 420 A1 ist beispielsweise eine Drucksensorvorrichtung bekannt, welche ein Leiterplattensubstrat als Trägersubstrat verwendet, auf dem ein Drucksensorelement angeordnet ist. Das Drucksensorelement ist über Bonddrähte mit Kontaktierungselementen auf einer ersten Seite des Leiterplattensubstrats elektrisch verbunden. Das Drucksensorelement ist hier als Halbleiterbauelement mit einer druckempfindlichen Membran ausgebildet und wird unter Zwischenlage eines Glassockels auf das Leiterplattensubstrat aufgebracht. Zum Schutz des Drucksensorelementes wird ein Vergussmaterial eingesetzt, das einerseits eine Druckübertragung des Mediums auf das Drucksensorelement erlaubt, andererseits eine Beschädigung des Drucksensorelementes durch einen direkten Kontakt mit dem Medium verhindern soll. Als Vergussmaterial wird beispielsweise ein Gel, insbesondere ein Silikongel verwandt. Damit sich das zähflüssige Vergussmaterial beim Einfüllen nicht über das Leiterplattensubstrat hinaus ausbereitet, ist ein ringförmig geschlossenes Rahmenteil auf dem Leiterplattensubstrat angeordnet, welches das Drucksensorelement an den Seiten umgibt und eine von dem Leiterplattensubstrat abgewandte offene Seite aufweist, durch die das Silikongel in den Rahmen derart eingefüllt wird, dass das Drucksensorelement auf seiner von dem Leiterplattensubstrat abgewandten Seite mit dem Silikongel vollständig bedeckt und dadurch geschützt ist. Die Druckzuführung kann bei einem Einsatz als Absolutdrucksensor über die offene Seite des Rahmenteils und das elastische Silikongel auf die druckempfindliche Membran des Drucksensorelementes erfolgen. Beim Einsatz als Relativdrucksensor wird die dem Leiterplattensubstrat zugewandte Unterseite des Drucksensorelementes und der Membran zusätzlich durch einen Druckkanal im Leiterplattensubstrat und Glassockel mit einem Referenzdruck beaufschlagt.
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Nachteilig ist, dass das Rahmenteil und das Sensorelement in aufwändiger Weise an dem Leiterplattensubstrat befestigt werden müssen. Zur Kostenreduktion ist ein fertigungstechnisch einfach herstellbarer Aufbau mit vereinfachtem Aufbaukonzept wünschenswert, um die Anzahl und Komplexität der Verbindungstechniken und der benötigten Teile zu reduzieren.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Erfindung betrifft eine Sensorvorrichtung, insbesondere eine Drucksensorvorrichtung, mit wenigstens einem Leiterplattensubstrat, einem auf einer ersten Seite des Leiterplattensubstrats zumindest mittelbar angeordneten Sensorelement und einem von der ersten Seite des Leiterplattensubstrats abstehenden und das Sensorelement umgebenden Rahmenteil und einem in das Rahmenteil gefüllten und das Sensorelement abdeckenden Vergussmaterial, insbesondere einem Gel. Erfindungsgemäß ist die erste Seite des Leiterplattensubstrats mit einer Klebefolie versehen ist und sowohl das Sensorelement als auch das Rahmenteil mittels dieser Klebefolie auf die erste Seite des Leiterplattensubstrats aufgeklebt. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer derartigen Sensoranordnung.
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Vorteile der Erfindung
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Unter einer Klebefolie wird im Kontext der vorliegenden Anmeldung ein separat von dem Leiterplattensubstrat bereitstellbares und handhabbares, sich flächenartig ausbreitendes folienartiges Gebilde verstanden, das auf wenigstens einer Oberfläche Klebstoff aufweist oder vollständig aus Klebstoff gebildet ist und das in seiner Form als sich flächenartig ausbreitendes Gebilde auf das Leiterplattensubstrat aufzulegen ist. Unter einer Klebefolie wird also ein auf das Leiterplattensubtrat bestückbares Bauteil und kein auf die Leiterplatte auftragbares, zähflüssiges Beschichtungsmaterial verstanden, das erst nach der Auftragung auf der Oberseite der Leiterplatte einen Beschichtungsfilm bildet. Als Klebefolie wird daher ausdrücklich kein schichtförmiger Klebstoffauftrag auf der Oberfläche des Leiterplattensubstrats verstanden, wie er beispielsweise in der Leiterplattentechnik mit einer Dispens-Vorrichtung auf die Oberfläche von Leiterplatten aufgetragen wird.
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Durch die Verwendung einer Klebefolie ist vorteilhaft die parallele Aufbringung des Sensorelementes und des Rahmenteils auf das Leiterplattensubstrat möglich, wobei nur ein Bauteil, nämlich die Klebefolie, zu Herstellung einer stoffschlüssigen Verbindung von Sensorelement und Rahmenteil dient. Dadurch wird der Fertigungsaufwand spürbar verringert. Außerdem wird durch die Klebefolie auf der ersten Seite des Leiterplattensubstrats ein verbesserter Medienschutz erreicht, da die Klebefolie eine die erste Seite des Leiterplattensubstrats abdeckende Schutzschicht gegen aggressive Medien bildet. Diese vorteilhafte Wirkung lässt sich noch steigern, wenn die Klebefolie aus einem Material gefertigt wird, das gegenüber aggressiven Medien beständig ist. Die Klebstofffolie kann insbesondere vorteilhaft ein Epoxid, ein Acrylat und/oder ein Silikon aufweisen.
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Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung werden durch die in den abhängigen Ansprüchen beschriebenen Merkmale ermöglicht.
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Besonders vorteilhaft ist die Verwendung einer beidseitig mit Klebstoff versehenen Klebefolie. Diese ist vorteilhaft mittels einer ersten mit Klebstoff versehenen Seite auf die erste Seite des Leiterplattensubstrats aufgeklebt und dadurch stoffschlüssig mit dem Leiterplattensubstrat verbunden. Eine von der ersten Seite der Klebefolie abgewandte zweite Seite ist ebenfalls mit Klebstoff versehen und mit dem Rahmenteil und dem Sensorelement klebend verbunden ist.
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Die Klebefolie kann vor ihrer Aufbringung auf das Leiterplattensubstrat zumindest im Bereich von auf der ersten Seite des Leiterplattensubstrats angeordneten Kontaktierungselementen mit die Klebefolie durchdringenden Aussparungen versehen werden. Da die Lage der Kontaktierungselemente auf dem Leiterplattensubstrat genau bekannt ist und die Klebefolie über dem Leiterplattensubstrat genau positioniert werden kann, ist es möglich zuvor die Klebefolie an den auswählten Positionen mit Aussparungen zu versehen, welche beispielweise durch Stanzen oder Schneiden in die Klebefolie eingebracht werden können. Die Aussparungen können daher in einfacher Weise den Kontaktierungselementen auf der ersten Seite des Leiterplattensubstrats jeweils zugeordnet sein.
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Mit dem Sensorelement verbundene elektrische Kontaktelemente können die den Kontaktierungselementen zugeordneten Aussparungen jeweils durchgreifen und mit den Kontaktierungselementen auf der ersten Seite des Leiterplattensubstrats in einfacher Weise elektrisch verbunden sind. Hier sind vielfältige Ausführungsmöglichkeiten der Kontaktelemente vorstellbar. Besonders vorteilhaft erscheinen jedoch die Ausgestaltungen der Kontaktelemente als Bonddrähte, da hier die bewährte und gut beherrschte Bonddrahttechnik zur Herstellung der elektrischen Kontaktierung zwischen Sensorelement und Leiterplattensubstrat verwandt werden kann. Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform welche alternativ oder auch zusätzlich eingesetzt werden kann, ist die Ausgestaltung der Kontaktelemente als Kontakthöcker, welche von einer dem Leiterplattensubstrat zugewandten Seite des Sensorelementes zum Leiterplattensubstrat hin abstehen.
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Das Sensorelement kann unmittelbar auf die Klebefolie aufgebracht werden. Besonders vorteilhaft – da platzsparend – ist der Einsatz eines auf Halbleiterbasis gefertigten Sensorchips, der unmittelbar auf die Klebefolie aufgeklebt ist. In diesem Fall ist es besonders vorteilhaft, die elektrischen Kontaktelemente als Kontakthöcker auszubilden, die von der dem Leiterplattensubstrat zugewandten und auf die Klebefolie aufgeklebten Seite des Sensorchips in den Aussparungen der Klebefolie zu den Kontaktierungselementen hin abstehen.
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Vorteilhaft ist weiterhin ein Verfahren zur Herstellung einer Sensorvorrichtung mit den folgenden Schritten:
- – Bereitstellen eines Leiterplattensubstrat mit einer ersten Seite, auf der Kontaktierungselemente des Leiterplattensubstrats angeordnet sind,
- – Bereitstellen einer Klebefolie, welche eine erste Seite aufweist und zumindest auf einer von der ersten Seite abgewandten zweiten Seite der Klebefolie mit Klebestoff versehen ist,
- – Herstellen von die Klebefolie durchdringenden Aussparungen,
- – Aufkleben der ersten Seite der Klebefolie auf die erste Seite des Leiterplattensubstrats derart, dass die Kontaktierungselemente in den diesen jeweils zugeordneten Aussparungen freiliegen,
- – Aufkleben eines Sensorelementes auf die von dem Leiterplattensubstrat abgewandte zweite Seite der Klebefolie,
- – Herstellen von elektrischen Verbindungen zwischen dem Sensorelement und den Kontaktierungselementen mittels elektrischer Kontaktelemente, deren von dem Sensorelement abgewandte Enden jeweils durch eine Aussparungen hindurch mit einem Kontaktierungselement auf der ersten Seite des Leiterplattensubstrats elektrisch verbunden werden,
- – Aufkleben eines Rahmenteils auf die von dem Leiterplattensubstrat abgewandte zweite Seite der Klebefolie und
- – Befüllen des Rahmenteils mit einem Vergussmaterial derart, dass die von dem Leiterplattensubstrat abgewandte Seite des Sensorelementes von dem Vergussmaterial vollständig abgedeckt wird.
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Zur Vereinfachung der Fertigung kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass im Schritt des Bereitstellens der Klebefolie diese mit einer auf der ersten Seite der Klebefolie angeordneten und diese abdeckenden, ablösbaren ersten Trennlage und/oder mit einer auf der zweiten Seite der Klebefolie angeordneten und diese abdeckenden, ablösbaren zweiten Trennlage bereitgestellt wird. Die erste Trennlage kann vor dem Schritt des Aufkleben der Klebefolie auf die erste Seite des Leiterplattensubstrats entfernt werden, während die zweite Trennlage erst vor dem Schritt des Aufkleben des Sensorelementes entfernt zu werden braucht. Die Trennlagen erleichtern das Handling und den Fertigungsablauf während der Herstellung der Sensorvorrichtung.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Es zeigen:
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1 bis 8 Querschnitte durch eine erfindungsgemäße Sensorvorrichtung in verschiedenen Phasen während der Herstellung der Sensorvorrichtung,
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9 ein Ausführungsbeispiel eines als Sensorchip ausgebildetes Sensorelements mit Kontakthöckern und
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10 die Montage des Sensorelementes aus 9 auf dem Leiterplattensubstrat.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Im Folgenden wird die erfindungsgemäße Sensorvorrichtung anhand ihrer Herstellung erläutert. Ausführungsbeispiele für die verschiedenen Phasen während der Herstellung der Sensorvorrichtung sind in den 1 bis 8 dargestellt, wobei 8 die fertige Sensorvorrichtung zeigt.
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1 zeigt im Querschnitt ein Leiterplattensubstrat 1, bei dem es sich um eine konventionelle Leiterplatte aus epoxidharzgetränktem FR4 oder höherwertig, um eine keramisches Trägersubstrat oder ein anders geeignetes Leiterplattensubstrat handeln kann. Das Leiterplattensubstrat ist plattenförmig mit einer ersten Seite 11 und einer davon abgewandten zweiten Seite 12 aufgebaut. Auf der ersten Seite 11 des Leiterplattensubstrats 1 sind Kontaktierungselemente 13 beispielsweise in Form von Kupferflächen ausgebildet, die über Vias oder Durchkontaktierungen des Leiterplattensubstrats 1 mit nicht dargestellten Leiterbahnen im Inneren desselben verbunden sind.
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2 zeigt eine Klebefolie 2, die in dem dargestellten Ausführungsbeispiel als beidseitig klebende Folie ausgebildet ist. Es kann sich aber auch um eine nur auf der zweiten Seite 22 mit Klebstoff versehene Klebefolie handeln, deren ersten Seite 21 über einen auf das Leiterplattensubstrats 1 aufgetragene Klebeschicht mit dem Leiterplattensubstrat 2 verbunden wird. Vorzugsweise ist die Klebefolie 2 aber derart herstellt, dass sie im Ausgangszustand sowohl auf der ersten Seite als auch auf der zweiten Seiten mit Klebstoff versehen ist. Die Klebefolie 2 kann beispielsweise ein mit Klebstoff getränktes Faserband oder ein beidseitig mit Klebstoff beschichtetes Kunststoffband umfassen. Vorzugsweise umfasst die Klebefolie ein Epoxid, ein Acrylat und/oder ein Silikon. Es kann sich beispielsweise um ein epoxidharzgetränktes Glasfasergewebe handeln. Die Klebefolie 2 weist auf ihrer ersten Seite 21 und ihrer davon abgewandten zweiten Seite 22 klebende Eigenschaften auf. Unter einer klebenden Eigenschaft einer Seite der Klebefolie, beziehungsweise unter einer mit Klebstoff versehenen Seite der Klebefolie wird verstanden, dass diese Seite eine stoffschlüssige Verbindung zu einem darauf aufgesetzten Bauteil durch Oberflächenhaftung und innere Festigkeit wie Adhäsion und Kohäsion eingehen kann. Die Klebefolie kann mit Klebstoff getränkt/beschichtet sein oder die klebenden Eigenschaften können durch das Basismaterial der Klebefolie selbst bereitgestellt sein.
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Zur Abdeckungen der klebenden ersten Seite 21 und zweiten Seite 22 kann eine erste Trennlage 24 und eine zweite Trennlage 23 auf der klebenden erste Seite 21 beziehungsweise zweiten Seite 22 aufgetragen sein. Die Trennlagen (Liner) werden durch ein Material gebildet, das an der Klebefolie anhaftet, jedoch von den klebenden Seiten problemlos abgezogen werden kann. Die Trennlagen 23, 24 bilden einen Schutz der klebenden Oberflächen der Klebefolie 2 und dienen der besseren Handhabung während der Fertigung. Wie in 2 zu erkennen ist, ist die Klebefolie 2 an vordefinierten Positionen mit die Klebefolie von der ersten Seite 22 zur zweiten Seite 21 durchdringenden Aussparungen 25 versehen, welche beispielswiese in die Klebefolie hineingestanzt oder geschnitten werden. Die Positionen der Aussparungen 25 der Klebefolie 2 entsprechen dabei den Positionen der Kontaktierungselemente 13 auf dem Leiterplattensubstrat.
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Im Bedarfsfall können weitere nicht dargestellte Aussparungen in die Klebefolie 2 eingebracht werden, um beispielsweise Haftungseigenschaften zu variieren oder Bereiche zu schaffen in denen Bauelemente direkt auf das Leiterplattensubstrat 2 aufgelötet werden können.
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In einem weiteren Herstellungsschritt kann, wie in 3 gezeigt, die erste Trennlage 24 von der Klebefolie 2 entfernt und die Klebefolie 2 mit der klebefähigen ersten Seite 21 vollflächig auf die erste Seite 11 des Leiterplattensubstrats aufgeklebt werden, wobei die Kontaktierungselemente 13 in Aussparungen 25 der Klebefolie angeordnet werden und dort von oben zugänglich sind. Alternativ kann die ersten Seite 21 der Klebefolie 2 auch über einen auf das Leiterplattensubstrat 1 aufgetragenen Klebstofffilm auf das Leiterplattensubstrat 1 aufgeklebt werden, falls die fertige Klebefolie 2 auf der ersten Seite 21 keinen Klebstoff aufweisen sollte.
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Bei dem in 3 dargestelltem Stadium ist das Verbundteil aus Klebefolie 2 und Leiterplattensubstrat 1 noch durch die zweite Trennlage 23 abgedeckt und kann daher problemlos zwischen Fertigungsstationen transportiert oder zwischengelagert werden. Wie dargestellt, kann die Klebefolie die gesamte erste Seite 11 des Leiterplattensubstrats 1 abdecken oder nur einen Bereich auf der ersten Seite 11 des Leiterplattensubstrats 1. Ergänzend kann die erste Seite 11 des Leiterplattensubstrats 1 zuvor unterhalb der Klebefolie 2 oder auch außerhalb des mit der Klebefolie 2 abgedeckten Bereichs zumindest bereichsweise mit einer Passivierungsschicht beispielsweise einem Lötstopplack beschichtet werden.
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4 zeigt die Verbundanordnung von Leiterplattensubstrat 1 und darauf haftender Klebefolie 2 nach der Entfernung der zweiten Trennlage 23. Wie dargestellt, kann beispielsweise die Oberseite der Verbundanordnung in 3 an den Stellen, an denen die Klebefolie 2 aufgebracht ist, die klebenden Eigenschaften der Klebefolie 2 aufweisen.
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Auf das in 4 dargestellte Verbundmaterial kann nun in beliebiger Reihenfolge oder auch gleichzeitig ein Sensorelement 3 und ein Rahmenteil 4 aufgeklebt werden, was in 5 und 7 dargestellt ist. Vorzugweise wird zunächst das Sensorelement 3 auf die klebende zweite Seite 22 der Klebefolie aufgeklebt. Das Sensorelement kann dabei mittelbar unter Zwischenlage beispielsweise eines Glassockels oder auch wie dargestellt unmittelbar auf die Klebefolie 2 aufgeklebt werden. Das Sensorelement ist beispielswiese ein Halbleiter-Sensorchip der eine von dem Leiterplattensubstrat abgewandte Oberseite 38 und eine dem Leiterplattensubstrat 1 zugewandte Unterseite 37 aufweist.
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Wie in 5 gezeigt, können sodann Bonddrahtverbindungen 31 zwischen dem Sensorelement und den Kontaktierungselementen 13 des Leiterplattensubstrats 1 hergestellt werden. Dazu werden elektrische Kontaktflächen auf der Oberseite 38 des Sensorelemente 3 über Bonddrahtverbindungen 31 mit den Kontaktierungselementen 13 elektrisch verbunden. Dabei werden die von dem Sensorelement 3 abgewandten Enden der Bonddrähte durch die Aussparungen 25 hindurchgeführt und auf die Kontaktierungselemente aufgeschweißt. Vorzugsweise ist jedem Kontaktierungselement 13 eine Bonddrahtverbindung 31 zugeordnet. Es können aber auch mehrere Bonddrähte gleichzeitig mit einem Kontaktierungselement verbunden werden.
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Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, auf der dem Leiterplattensubstrat 1 zugewandte Unterseite 37 des Sensorelementes 3 Kontakthöcker 32 auszubilden, wie in 9 gezeigt, und das Sensorelement 3 wie in 10 dargestellt auf das Leiterplattensubstrat 1 zu bestücken. Dabei greifen die Kontakthöcker 32 durch die Aussparungen 25 hindurch. Die von dem Sensorelement 3 abgewandten Enden der Kontakthöcker 32 gelangen an den Kontaktierungselementen 13 zur Anlage. Gleichzeitig wird die Unterseite 37 auf die zweite Seite 22 der Klebefolie aufgeklebt. Die Kontakthöcker 32 können als Metallanschlüsse oder auch als Lötbumps ausgebildet und mit den Kontaktierungselementen 13 durch Anpressen, Verschweißen oder Löten verbunden werden oder aus einem elektrisch leitfähigen Klebstoff ausgebildet werden.
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Vor oder nach der Aufbringung des Sensorelementes 3 wird das Rahmenteil 4 unmittelbar auf die zweite Seite 22 der Klebefolie 2 aufgeklebt. Das Rahmenteil 4 haftet daher an der gleichen Klebefolie wie das Sensorelement 3. Wie in 7 dargestellt ist, umgebt das Rahmenteil 4 das Sensorelement 3 und bildet derart einen Vergussraum. Dabei ragt das Rahmenteil von dem Leiterplattensubstrat 1 derart weit ab, dass es über das Sensorelement 3 hinaus von dem Leiterplattensubstrat 1 absteht.
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Wie in 8 gezeigt, wird schließlich eine Vergussmaterial 5, bei dem es sich vorzugsweise um ein Gel, insbesondere um ein Silikongel handelt, durch die offene Seite in das Rahmenteil 4 eingefüllt. Das Vergussmaterial 5 füllt den durch das Rahmenteil 4 gebildeten Vergussraum so weit auf, dass auch die Oberseite 38 des Sensorelementes 3 mit dem Vergussmaterial abgedeckt wird. Außerdem werden die Kontaktierungselemente 13 und die Bonddrahtverbindungen 31 mit dem Vergussmaterial abgedeckt und die Aussparungen 25 mit dem Vergussmaterial gefüllt. Das Vergussmaterial 5 füllt also den gesamten das Sensorelement 3 umgebenden Raum zwischen dem Rahmenteil 4 und dem Leiterplattensubstrat 1 und umgibt das Sensorelement 2 schützend an fünf Seiten, während die sechste Seite und Unterseite 37 durch das Aufkleben auf das Leiterplattensubstrat 1 geschützt ist. Das Rahmenteil 4 muss nicht notwendig bis zur Oberkante des Rahmenteils mit Vergussmaterial gefüllt werden. Es reicht, wenn das Sensorelement 3 und die Bonddrahtverbindungen 31 abgedeckt sind.
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Man erkennt in 8, dass die Klebefolie 2 einen zusätzlichen Schutz für das Leiterplattensubstrats 1 darstellt. Aggressive Substanzen, die eventuell in das weiche Vergussmaterial 5 eindringen, werden durch die Klebefolie 2 daran gehindert, bis zum Leiterplattensubstrat 1 vorzudringen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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