專利名稱：壓力傳感器－結(jié)構(gòu)部件及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種壓力傳感器-結(jié)構(gòu)部件，該構(gòu)件具有一個接近于平面的芯片載體表面的芯片載體，在其上安排的半導(dǎo)體芯片具有一個集成構(gòu)造的壓力傳感器，它具有一個置于被測量的壓力之下的壓力測量面，和具有由電絕緣材料制成的、至少以部分區(qū)域包圍半導(dǎo)體芯片和/或芯片載體的結(jié)構(gòu)部件密封。本發(fā)明進(jìn)一步還涉及制造這樣的壓力傳感器-結(jié)構(gòu)部件的一種方法。
為了測量壓力，測量介質(zhì)必須進(jìn)入到傳感器里，以及保持在介質(zhì)中的壓力必須被傳遞到傳感器上。另外一方面，半導(dǎo)體壓力傳感器的應(yīng)用，在最后使用時要求將傳感器芯片用一種適當(dāng)材料的包封保護(hù)封裝起來，一般是用塑料。在這里已知，絕大部分以硅作為基礎(chǔ)材料的半導(dǎo)體芯片的應(yīng)用是在一個殼體里的，例如DIP-殼體(雙列-直插-包裝-殼體)，SMD殼體(表面-封裝-設(shè)計-殼體)或者也可以用特殊的結(jié)構(gòu)形式，在此這種殼體然后被裝配在印刷電路板上。在一種已知的結(jié)構(gòu)中，壓力耦合是經(jīng)過一個覆蓋在敏感的傳感器上方的，和因而起保護(hù)作用的由金屬制成的或也可以是用塑料制成的薄膜，它也可以被制成單獨(dú)的附加結(jié)構(gòu)部件。問題常常出現(xiàn)在當(dāng)傳感器同時被保護(hù)時，由于通過殼體到達(dá)傳感器芯片的只是不充分的壓力耦合。總的來說，要求在被測量的介質(zhì)與傳感器之間有一個容易制造的和密封的連接，以避免外界空氣侵入使壓力測量產(chǎn)生錯誤。另外一方面，在很多情況下，除此之外要求將被測量的介質(zhì)與傳感器的金屬組成部件以及半導(dǎo)體芯片分開，以避免由于介質(zhì)對傳感器敏感組成部件造成腐蝕危險或破壞性影響。已知壓力傳感器-結(jié)構(gòu)部件的其它的結(jié)構(gòu)，考慮了一種開口的殼體，在其中，傳感器芯片對環(huán)境影響的保護(hù)只作為第二位問題來對待，并且傳感器芯片沒有保護(hù)。這種結(jié)構(gòu)形式一般只適合于沒有侵蝕的介質(zhì)。
所有到目前為止已知的半導(dǎo)體壓力傳感器共同的是，始終要求將部件罩住以及密封的一個多步驟的制造工藝，利用這個工藝，結(jié)構(gòu)部件被制造成所希望的結(jié)構(gòu)形式。
本發(fā)明的任務(wù)是，提供一種壓力傳感器-結(jié)構(gòu)部件以及為了制造開始所述類型的壓力傳感器 結(jié)構(gòu)部件的一種方法，其中支撐著機(jī)械敏感的壓力傳感器的半導(dǎo)體芯片，以及芯片載體的封裝，在結(jié)構(gòu)上可以比較簡單和從而也比較便宜地完成，并且同時可以保證比較容易安裝的，但是在測量介質(zhì)和壓力傳感器之間還足夠緊密的連接。
此任務(wù)的解決方法是按照權(quán)利要求1特征的裝置，按照權(quán)利要求11特征的方法完成的。
本發(fā)明考慮了，在結(jié)構(gòu)部件密封中安排和裝入了一個相對于壓力傳感器的壓力測量面向上突出的和穿透密封層的，與壓力傳感器連接的煙囪形狀的連接柱，它用它的安放在半導(dǎo)體芯片上的端部至少壓力密封地包圍著壓力測量面，和在它的對面的端部構(gòu)成向外的開口。按照本發(fā)明制造壓力傳感器-結(jié)構(gòu)部件的方法考慮了，在半導(dǎo)體芯片在芯片載體上裝配和接觸連接上以后，但是在壓力傳感器-結(jié)構(gòu)部件密封以前，還要求在壓力傳感器上安上一個煙囪形狀的連接柱，它用它的安放在半導(dǎo)體芯片上的端部至少壓力密封地包圍著壓力測量面，和在它的對面的端部構(gòu)造成向外的開口。
按照本發(fā)明的一個重要的思路是，在殼體內(nèi)考慮了一個完整的集成的開口，它是一個最好是作為單獨(dú)部件形式成形的煙囪形狀的連接柱。在這里只有半導(dǎo)體芯片的壓力傳感表面(壓力測量面)是開放的。其余的部件以及半導(dǎo)體芯片周圍是用密封材料特別是模壓塑料罩住的。在結(jié)構(gòu)部件中的開口，位于半導(dǎo)體芯片的壓力傳感面的上方，以便在這個位置上使傳感各種壓力成為可能。壓力傳感器-結(jié)構(gòu)部件的真正的密封，也就是罩住芯片載體，半導(dǎo)體芯片的其余部分，有時還有鍵合導(dǎo)線，導(dǎo)致所希望的壓力傳感器-結(jié)構(gòu)部件相對于環(huán)境影響的保護(hù)，和使壓力傳感器的應(yīng)用和使用，例如在一個印刷電路板上的插裝成為可能。從而按照本發(fā)明的解決方法的一個重要優(yōu)點(diǎn)是，在一個實現(xiàn)有目的的壓力耦合的條件下，使用一個開口的同時用模壓塑料對結(jié)構(gòu)部件密封。
在本發(fā)明的一個優(yōu)異的結(jié)構(gòu)中可以考慮，被測量的壓力是通過煙囪形狀的連接柱的開口被直接導(dǎo)向半導(dǎo)體芯片的壓力測量面上的。在這種情況下，不需要至今已知的壓力傳感器-結(jié)構(gòu)部件所用的薄膜，如它在對侵蝕性介質(zhì)壓力測量時考慮的；所有情況下，傳感器表面可以用一種薄的光刻膠層或類似的薄的保護(hù)層進(jìn)行鈍化，和使用這種方法對有害的環(huán)境影響是穩(wěn)定的。按照本發(fā)明的壓力傳感器-結(jié)構(gòu)部件，用這種方法，適用于介質(zhì)分開的壓力傳感器也適用于有侵蝕性的介質(zhì)。余下的芯片表面沒必要必須進(jìn)行鈍化，并且因此可以用標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)被接觸連接。
在本發(fā)明的一個進(jìn)一步的優(yōu)異的實施形式中設(shè)計的優(yōu)點(diǎn)是，一個完全位于結(jié)構(gòu)部件密封內(nèi)的煙囪形狀的連接柱的截面，具有一個固定機(jī)構(gòu)，它承受作用在煙囪形狀的連接柱上的拉力。在這里煙囪形狀的連接柱的固定機(jī)構(gòu)是由一個在邊緣上安裝的，垂直于縱向方向的隔開的成型件構(gòu)成的。另外還可以考慮，煙囪形狀的連接柱的固定機(jī)構(gòu)是被成形為具有一個圍繞在面向半導(dǎo)體芯片的端部外圍的、和支撐在半導(dǎo)體芯片上的支承面的法蘭形狀的。在使用一個與煙囪形狀的連接柱可以連接的壓力管路時，該固定機(jī)構(gòu)是特別需要的。尤其是從連接柱上拔出壓力管路時，拉力可能作用在埋在模壓塑料內(nèi)的連接柱上，這可以導(dǎo)致，連接柱從結(jié)構(gòu)部件殼體中被拔出來，導(dǎo)致壓力傳感器-結(jié)構(gòu)部件的損壞。這通過固定機(jī)構(gòu)被避免。
為了與一個壓力管路或一個壓力軟管相連接，其中被測量的介質(zhì)被導(dǎo)入壓力傳感器，可以具有優(yōu)點(diǎn)的設(shè)計是，如果用一個結(jié)構(gòu)上特別簡單的實施形式中煙囪形狀的連接柱結(jié)構(gòu)具有一個向外變細(xì)的橫截面形狀。用這種方法一個壓力管路可以通過簡單地插入被連接上。此外，這個錐形構(gòu)造決定了使一個適合的，因為用壓鑄法制造連接柱以后可以容易脫模成為可能，并且從而具有適合的結(jié)構(gòu)形狀。此外可以設(shè)計的優(yōu)點(diǎn)是，在結(jié)構(gòu)部件密封中安裝的煙囪形狀的連接柱，以其開口突出于結(jié)構(gòu)部件的結(jié)構(gòu)高度，和在它的自由端用一種支撐機(jī)構(gòu)與一個可插入到連接柱上的壓力管路的固定機(jī)構(gòu)構(gòu)成為一個形狀封閉的機(jī)械的無間隙的連接，這樣，當(dāng)將壓力管路插在連接柱上時，固定機(jī)構(gòu)和支撐機(jī)構(gòu)達(dá)到交互地進(jìn)入嚙合。
在本發(fā)明的壓力傳感器-結(jié)構(gòu)部件的一個具體的構(gòu)造中可以考慮的優(yōu)點(diǎn)是，煙囪形狀的連接柱有一個管子形狀的具有圓形截面的臺階，它與相對于半導(dǎo)體芯片相反的端部方向呈圓錐形變細(xì)，和在它的面向半導(dǎo)體芯片的端部進(jìn)入一個構(gòu)成固定機(jī)構(gòu)的基板內(nèi)，其尺寸和形狀與半導(dǎo)體芯片的壓力測量面相匹配。
在最簡單情況下，煙囪形狀的連接柱在密封以前簡單地放在半導(dǎo)體芯片上，此時隨后的為制造密封的壓鑄過程是借助于一種模壓塑料，特別是熱固性-或熱塑性模壓塑料，負(fù)責(zé)將連接柱充分壓力密封地連接在半導(dǎo)體芯片上。其它的可能性是，煙囪形狀的連接柱在密封以前也可以持久地被固定在半導(dǎo)體芯片上，特別是通過粘接或鍵合，其中，在后一種的情況下，連接柱是由一種金屬材料構(gòu)成的或帶有一種金屬層涂層的，和其余的是由一種特別是高溫穩(wěn)定的塑料材料制成的。
對于包封和從而保護(hù)連接的半導(dǎo)體芯片，最好是使用熱固化的熱固性塑料擠壓過程來達(dá)到，如在標(biāo)準(zhǔn)元件被使用的那樣。在這里模壓塑料不僅起到保護(hù)半導(dǎo)體芯片的作用，而且起到在芯片載體和煙囪形狀的連接柱的機(jī)械化加工方面的作用，同時保證可重復(fù)制造，有確定的殼體形狀。如在熱固性塑料連續(xù)壓制那樣，對于壓制過程要求的塑料量，在某個地方被加熱和塑性化，和從那里用一個凸模通過若干通道被壓入到含有需包封的結(jié)構(gòu)部件的封閉的模具中，在那里這些塑料被固化和然后作為被加工好的產(chǎn)品可以被取出來。作為擠壓的塑料，除了熱固性塑料(環(huán)氧-或有機(jī)硅塑料)適合以外，特別是熱塑性塑料也適合，在經(jīng)濟(jì)性和自動化制造方面占有優(yōu)勢。
作為按照本發(fā)明的壓力傳感器-結(jié)構(gòu)部件的殼體結(jié)構(gòu)形狀不僅插裝式適用而且表面封裝式也適用。已知在插裝時結(jié)構(gòu)部件的接線腳被插入一個印刷電路板的孔中，和然后在反面被焊上。相反，在表面封裝時，部件接線腳不再被插入印刷電路板的孔中，而是放在印刷電路板的連接面上和在那里被焊上。表面封裝使占用面積的顯著節(jié)約和降低成本成為可能；由于這個原因這種裝配方式在按照本發(fā)明的壓力傳感器-結(jié)構(gòu)部件中也有優(yōu)越性。
下面本發(fā)明借助于在附圖中表示的實施例進(jìn)一步地被敘述。簡化的附圖表示附

圖1按照本發(fā)明的一個優(yōu)異的實施例通過具有煙囪形狀的連接柱的壓力傳感器-結(jié)構(gòu)部件的一個截面簡圖；和附圖2沿附圖1截面線II-II壓力傳感器的壓力測量面的局部頂視圖。
這些附圖表示了按照本發(fā)明的壓力傳感器-結(jié)構(gòu)部件1用于在印刷電路板的裝配表面上的表面封裝的一個實施例。壓力傳感器-結(jié)構(gòu)部件1具有一個有近似于平面的芯片載體表面2的由導(dǎo)電材料制成的芯片載體3，在它的芯片載體表面2上固定了一個由硅基礎(chǔ)材料制成的具有集成構(gòu)造的壓力傳感器和從屬于它的電路的半導(dǎo)體芯片4，其中壓力傳感器和電路在附圖上沒有詳細(xì)表示，只簡化表示了一個壓力測量面5，它是被置之于被測量的壓力P之下的。作為針對外部環(huán)境影響的保護(hù)，壓力傳感器1具有由絕緣材料制成的至少部分區(qū)域?qū)雽?dǎo)體芯片4和/或?qū)⑿酒d體3包封的部件密封6，例如熱固性-或熱塑性材料。芯片載體3是以一個原本已知的結(jié)構(gòu)形式作為所謂的“引線框架”，也就是被構(gòu)成為預(yù)加工好的芯片載體基片，和具有很多數(shù)目的穿透部件密封6的，借助于鍵合導(dǎo)線7與壓力傳感器以及與從屬于它的半導(dǎo)體芯片電路導(dǎo)電連接的電極接線8，9(在附圖1上只表示了兩個電極接線，其中電極接線9代替一個鍵合導(dǎo)線直接與半導(dǎo)體芯片4的底面是電連接的)，它們在形狀上被構(gòu)成為至少從芯片載體3的兩側(cè)引出的接線腳，它們用已知的方法被彎成和剪成短的彎曲形狀的接線頭。一種這樣的設(shè)置保證了結(jié)構(gòu)部件1在(沒有詳細(xì)表示)印刷電路板的裝配表面用SMD技術(shù)裝配。在所表示的實施例中，一種方法是在半導(dǎo)體芯片4上集成構(gòu)造的壓力傳感器以及從屬于它的電路與電極接線8，9的電連接使用一種導(dǎo)線接觸連接法達(dá)到的，在這種方法中鍵合導(dǎo)線7被固定在芯片4上和被拉到相應(yīng)的要連接的電極腳8上，另一種方法是對于這種電連接也可以使用一個所謂的蜘蛛-接觸接線，在其中替代鍵合導(dǎo)線是使用一種導(dǎo)電的系統(tǒng)載體板達(dá)到的，在其上芯片4被直接連接上。
在半導(dǎo)體芯片4上由硅集成的壓力傳感器展示一種所謂的壓電阻抗傳感器，在其上安排了在芯片4的表面用微機(jī)械方法制造的一個硅-薄膜，它與隨壓力變化的電阻是電耦合的，它們同樣構(gòu)成在硅基片中和用原本已知的方法連接在一個橋電路上。同樣在半導(dǎo)體芯片4上集成了一個從屬于傳感器的電路，它用于準(zhǔn)備信號(放大和修正)，但是還用于傳感器的平衡和補(bǔ)償。相對于其它的結(jié)構(gòu)形式，這個以本發(fā)明為基礎(chǔ)的半導(dǎo)體壓力傳感器適合于這樣的應(yīng)用，如要求最小的結(jié)構(gòu)尺寸，即例如在汽車領(lǐng)域的壓力測量，例如測量剎車壓力，輪胎壓力，燃燒室壓力和類似的。除了按照壓電阻抗壓力測量原理工作的半導(dǎo)體-壓力傳感器以外，也可以應(yīng)用按電容測量原理工作的地方那些壓力傳感器。
按照本發(fā)明在結(jié)構(gòu)部件密封6中安裝以及制作了相對于壓力傳感器壓力測量面5的一個凸出來的和如所表示的穿透密封6的，與壓力傳感器相連接的煙囪形狀的連接柱10，它與它的在半導(dǎo)體芯片4上安放的端部11至少是壓力密封地包圍住壓力測量面5的，和在它的對面的端部12構(gòu)成為向外是開口的。用這種方法經(jīng)過一個柔性的壓力管路13，它是被插入到連接柱的自由端部12，被測量的壓力P經(jīng)過煙囪形狀的連接柱10的開口14直接被引導(dǎo)到半導(dǎo)體芯片4的壓力測量面5上，其中在壓力測量面5上在任何情況下可以沉積一層薄的光刻膠膜。為了運(yùn)輸?shù)哪康拈_口14可以暫時用一個膠帶或一個可卸下的蓋子蓋起來，以便避免外來物和臟物的進(jìn)入。安放在半導(dǎo)體芯片上的接線柱10的端部11是構(gòu)造成方形的，法蘭形狀的固定機(jī)構(gòu)15，它包圍著壓力測量面5，在附圖2頂視圖中固定機(jī)構(gòu)15的邊界是用符號15a和15b表示的。在下側(cè)固定機(jī)構(gòu)15從而有一個在半導(dǎo)體芯片4上支撐的支承面16，在其上為了在芯片4上牢固地固定也可以安放上粘接劑或固定劑。向上突出的，穿透密封6的和突出于結(jié)構(gòu)高度的零件17是一個整體的和由一種塑料材料制成的具有一個圓形的，向上變細(xì)截面形狀的煙囪形狀的連接柱10。
權(quán)利要求
1.壓力傳感器-結(jié)構(gòu)部件具有一個接近于平面的芯片載體表面的一個芯片載體(3)，在其上安排的半導(dǎo)體芯片(4)具有一個集成構(gòu)造的壓力傳感器，它具有一個置于被測量的壓力(P)之下的壓力測量面(5)，和具有由絕緣材料制成的、至少以部分區(qū)域包圍半導(dǎo)體芯片(4)和/或芯片載體(3)的結(jié)構(gòu)部件密封(6)，其特征為，在結(jié)構(gòu)部件密封(6)中安排和加入了一個相對于壓力傳感器的壓力測量面(5)向上突出的和穿透密封層的，與壓力傳感器連接的煙囪形狀的連接柱(10)，它用它的安放在半導(dǎo)體芯片上的端部(11)至少壓力密封地包圍著壓力測量面(5)，和在它的對面的端部(12)構(gòu)成向外的開口。
2.按照權(quán)利要求1的壓力傳感器-結(jié)構(gòu)部件，其特征為，被測量的壓力是通過煙囪形狀的連接柱(10)的開口(14)被直接導(dǎo)向半導(dǎo)體芯片(4)的壓力測量面(5)上的。
3.按照權(quán)利要求1或2的壓力傳感器-結(jié)構(gòu)部件，其特征為，在結(jié)構(gòu)部件(1)的密封(6)中被加入的煙囪形狀的連接柱(10)是由一個單獨(dú)的部件成型的，它特別是一個整體的和由一種塑料材料制成的。
4.按照權(quán)利要求1至3之一的壓力傳感器-結(jié)構(gòu)部件，其特征為，一個完整的位于結(jié)構(gòu)部件密封(6)中的煙囪形狀的連接柱(10)的截面具有一個固定機(jī)構(gòu)(15)，它承受作用在煙囪形狀的連接柱(10)上的拉力。
5.按照權(quán)利要求4的壓力傳感器-結(jié)構(gòu)部件，其特征為，煙囪形狀的連接柱(10)的固定機(jī)構(gòu)(15)是由一個在邊緣上安置的，垂直于縱向的隔開的成型件構(gòu)成的。
6.按照權(quán)利要求4或5的壓力傳感器-結(jié)構(gòu)部件，其特征為，煙囪形狀的連接柱(10)的固定機(jī)構(gòu)(15)是被成形為具有一個圍繞在面向半導(dǎo)體芯片(4)的端部外圍的、和支撐在半導(dǎo)體芯片(4)上的支承面(16)的法蘭形狀的。
7.按照權(quán)利要求1至6之一的壓力傳感器-結(jié)構(gòu)部件，其特征為，在結(jié)構(gòu)部件密封(6)中安置的煙囪形狀的連接柱(10)以其開口(14)突出于結(jié)構(gòu)部件的結(jié)構(gòu)高度，和在它的自由端用一種支撐機(jī)構(gòu)與一個可插入到連接柱(10)上的壓力管路(13)的固定機(jī)構(gòu)構(gòu)成為一個形狀封閉的機(jī)械無間隙的連接，這樣，當(dāng)壓力管路(13)插在連接柱(10)上時，固定機(jī)構(gòu)和支撐機(jī)構(gòu)交互地進(jìn)入嚙合。
8.按照權(quán)利要求1至7之一的壓力傳感器-結(jié)構(gòu)部件，其特征為，煙囪形狀的連接柱(10)具有一個向外變細(xì)的截面形狀。
9.按照權(quán)利要求1至8之一的壓力傳感器-結(jié)構(gòu)部件，其特征為，煙囪形狀的連接柱(10)有一個管子形狀的具有圓形截面的臺階，它相對于半導(dǎo)體芯片(4)相反的端部方向呈圓錐形變細(xì)，和在它的面向半導(dǎo)體芯片(4)的端部進(jìn)入一個構(gòu)成固定機(jī)構(gòu)(15)的基板，其尺寸和形狀與半導(dǎo)體芯片(4)的壓力測量面(5)相匹配。
10.按照權(quán)利要求1至9之一的壓力傳感器-結(jié)構(gòu)部件，其特征為，芯片載體(3)與壓力傳感器以及一個從屬于壓力傳感器的半導(dǎo)體芯片(4)電路的電連接的電極接線(8，9)具有一個可以表面封裝的裝置，它的電極接線(8，9)貫穿兩個部件密封(6)。
11.制造一種壓力傳感器-結(jié)構(gòu)部件(1)的方法，它具有一個接近于平面的芯片載體表面(2)的一個芯片載體(3)，在其上安排的半導(dǎo)體芯片(4)具有一個集成構(gòu)造的壓力傳感器，它具有一個置于被測量壓力(P)之下的壓力測量面(5)，其特征為通過以下步驟-將半導(dǎo)體芯片(4)裝配和連接在芯片載體(3)上，-安放一個相對于壓力傳感器的壓力測量面(5)向上突出的，與壓力傳感器連接的煙囪形狀的連接柱(10)，它用它位于半導(dǎo)體芯片(4)上的端部(11)至少壓力密封地包圍著壓力測量面(5)，和在它的對面的端部(12)構(gòu)成向外的開口，和-壓力傳感器-結(jié)構(gòu)部件(1)是用一個至少部分區(qū)域由電絕緣材料將半導(dǎo)體芯片(4)和/或芯片載體(3)以及煙囪形狀的連接柱(10)包圍的，結(jié)構(gòu)部件密封(6)包封的。
12.按照權(quán)利要求11的方法，其特征為，煙囪形狀的連接柱在包封前是被牢固地固定在半導(dǎo)體芯片上的，特別是通過粘接或鍵合。
13.按照權(quán)利要求11或12的方法，其特征為，壓力傳感器-結(jié)構(gòu)部件的包封是在芯片載體上安裝的和與煙囪形狀的連接柱連接的半導(dǎo)體-壓力傳感器上通過壓鑄過程完成的。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種壓力傳感器－結(jié)構(gòu)部件(1),該構(gòu)件具有一個接近于平面的芯片載體表面(2)的芯片載體(3),在其上安排的半導(dǎo)體芯片(4)具有一個集成構(gòu)造的壓力傳感器,它具有一個置于被測量的壓力(P)之下的壓力測量面(5),和具有由電絕緣材料制成的、至少以部分區(qū)域包圍半導(dǎo)體芯片(4)和/或芯片載體(3)的結(jié)構(gòu)部件密封(6)。在結(jié)構(gòu)部件密封(6)中安排和加入了一個相對于壓力傳感器的壓力測量面(5)向上突出的和穿透密封(6)的,與壓力傳感器連接的煙囪形狀的連接柱(10),它用它的安放在半導(dǎo)體芯片(4)上的端部(11)至少壓力密封地包圍著壓力測量面(5)和在它的對面的端部(12)構(gòu)成向外的開口。本發(fā)明進(jìn)一步涉及制造這樣的壓力傳感器－結(jié)構(gòu)部件(1)的一種方法。
文檔編號G01L9/00GK1249034SQ98802848
公開日2000年3月29日 申請日期1998年2月12日 優(yōu)先權(quán)日1997年2月25日
發(fā)明者J·溫特雷爾, E·布茨, B·斯塔德勒, A·諾伊, T·楊策克 申請人:西門子公司