电子系统和用于制造电子系统的方法
【专利摘要】本发明涉及一种电子系统，所述电子系统具有：微机械部件或微电子部件（10）；用于容纳所述微机械部件或微电子部件（10）的衬底（12）；至少一个接触所述衬底（12）的接触区域（14）以用于接触热源；和第一热能量存储装置（16），所述第一热能量存储装置将所述至少一个接触区域（14）与所述微机械部件或微电子部件（10）热耦合。本发明还涉及一种用于制造电子系统的方法、一种传感器以及一种传感器系统。
【专利说明】
电子系统和用于制造电子系统的方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种电子系统和一种用于制造电子系统的方法。
【背景技术】
[0002]物联网被称作信息技术领域中最重要的未来发展之一。物联网理解为，不仅人访问互联网并与其联网，而且设备也通过互联网相互联网。物联网领域涉及生产自动化和家庭自动化，例如用于温度测量。这些传感器已经可用，但具有非常高的制造成本。此外，目标在于开发同时从环境获得所需的电能量的传感器。这不仅通过光伏电池而且通过热电发生器实现，所述热电发生器从温差中获得能量。
[0003]热电发生器的所获得的能量直接与存在的温度梯度相关。为了在热电发生器上引导温度梯度，必须借助建造与连接技术来在热电发生器的壳体内制造热路径。该热路径在理想情况下应具有低的热电阻，以便使在壳体内的损耗最小化。
[0004]AT 0190151 BI公开了一种具有热电发生器的电压发生器，所述热电发生器在通过废热源保持在高的温度上的区域与位于较低的温度上的、由布置在冷却空气流中的多个散热片构成的区域之间延伸以便产生温度梯度，其中所述散热片长形构造并且布置在具有基本上平行的轴线的组中，其中每个散热片具有第一纵向棱边，所述第一纵向棱边与废热源直接热接触。因此，在第一棱边附近产生散热片的高温区域。此外，第二纵向棱边相对第一棱边与废热源间隔开地设置，其中所述散热片的第二棱边是未经包封的自由棱边并且所述散热片的组布置在空气流之内，使得冷却空气可以自由地沿着散热片流动，使得散热片被冷却并且散热片的低温区域在其第二边缘区域附近形成，并且发生器由多个热电偶组成，所述多个热电偶安装在每一个散热片上，其中每一个热电偶具有与散热片的高温区域的连接和与散热片的低温区域的连接。
【发明内容】
[0005]本发明实现一种电子系统，所述电子系统具有:微机械部件或微电子部件；用于容纳所述微机械部件或微电子部件的衬底;至少一个接触所述衬底的接触区域以用于接触热源;和第一热能量存储装置，所述第一热能量存储装置将所述至少一个接触区域与所述微机械部件或微电子部件热耦合。
[0006]本发明还实现一种用于制造电子系统的方法。所述方法包括:借助衬底容纳微机械部件或微电子部件;构造至少一个第一热能量存储装置;和借助所述第一热能量存储装置将所述至少一个接触区域与所述微机械部件或微电子部件热耦合。
[0007]本发明还实现一种传感器，所述传感器具有:热电发生器；用于容纳所述热电发生器的衬底;第一接触区域和第二接触区域，所述第一接触区域和第二接触区域接触所述衬底并且被构造用于接触热源，和至少一个热能量存储装置，所述至少一个热能量存储装置将第一接触区域和/或第二接触区域与所述微机械部件或微电子部件热耦合。
[0008]本发明还实现一种传感器系统，其具有根据本发明所述的传感器。所述传感器系统还包括用于开关通过所述热电发生器所产生的电压的功率电路；用于控制所述热电发生器的微控制器；用于存储由所述热电发生器产生的能量的能量存储装置；用于传感器数据的无线传输的无线电模块;和天线。
[0009]本发明的优点
本发明的一个优点是，设置一种电子系统，所述电子系统具有:微机械部件或微电子部件和热能量存储装置，其中所述热能量存储装置将所述微机械部件或微电子部件至少部分地热耦合至接触区域。热耦合通过热能量的缓冲来引起热能量存储装置和微机械部件或微电子部件的相互物理影响。
[0010]尤其在设置热电发生器形式的微机械部件或微电子部件的情况下，当不能够不中断地保证在热电发生器上存在的温度梯度的时候或者例如在热电发生器的冷侧和热侧交换时，热耦合、也即热能量的缓冲是有利的。
[0011]因此可以使热电发生器相对温度变化更鲁棒并且能够拦截或者过滤可能的温度峰值。
[0012]有利的实施方式和扩展方案由从属权利要求以及由参考附图的描述得出。
[0013]优选地设置，第一热能量存储装置在衬底与微机械部件或微电子部件之间在至少部分地包围微机械部件或微电子部件的壳体的内侧上嵌入到所述衬底中或者布置在构造在所述衬底中的凹部中。因此，第一热能量存储装置可以根据结构要求或者根据系统要求布置在微机械部件或微电子部件的上侧或者下侧上。
[0014]优选地还设置，所述第一热能量存储装置以漆、胶、薄膜、膏、箔、粘合剂、分散体、粉、颗粒、层的形式构造或者通过丝网印刷、模板印刷、喷撒、层压、注射、喷射、压铸、注塑成型或者挤压构造为材料复合体或者填料。因此，热能量存储装置能够以有利的方式匹配于电子系统的结构要求和系统要求。
[0015]根据另一种优选的构型设置，所述第一热能量存储装置通过相变材料构造，其中所述相变材料在-40°C_150°C的温度范围中、优选在0-100°C的温度范围中通过吸收和释放能量来改变其弹性模量。弹性模量的变化有利地导致微机械部件或微电子部件到衬底或者电子系统的壳体上的较硬或者较软的耦合。
[0016]优选地还设置，所述微机械部件或微电子部件通过加速度传感器、转速传感器、磁传感器、霍尔传感器、压力传感器、专用集成电路或者热电发生器来构造。因此，电子系统可以具有多个不同的传感器、集成电路或者热电发生器。
[0017]根据另一个优选的实施例设置，所述微机械部件或微电子部件通过热电发生器构造。此外设置，在所述热电发生器的侧面上布置有用于冷却所述热电发生器的冷却体。热电发生器的侧面、优选热电发生器的冷侧因此可以优选地通过冷却体来冷却，这引起在热电发生器上的改善的热梯度。
[0018]根据另一种优选的构型设置，第二热能量存储装置至少分区段地布置在在所述衬底上布置的用于包裹所述热电发生器的浇铸料上并且至少分区段地在所述热电发生器的上侧上布置在所述热电发生器的上侧和用于冷却所述热电发生器的冷却体之间。第二热能量存储装置的设置能够实现:能够使热电发生器相对温度变化更鲁棒并且能够拦截或者过滤可能的温度峰值。这通过在热电发生器的热侧和冷侧上分别设置热能量存储装置因此涉及热电发生器的热侧和冷侧。因此可以有效地拦截、缓冲或者过滤热电发生器的热侧和/或冷侧上的温度变化。
[0019]此外优选地设置，所述至少一个接触区域与所述第一热能量存储装置并且所述第一热能量存储装置与所述微机械部件或微电子部件借助各一个热导体路径连接。因此可以将热从接触区域有效地输送给热能量存储装置。
[0020]根据另一种优选的构型设置，所述至少一个接触区域构造壳体的至少一部分和/或至所述微机械部件或微电子部件的上侧的热导体路径构造所述壳体的至少一部分。因此，接触区域例如可以集成到壳体中，这能够实现重量节省或者更紧凑的结构形式。
[0021]此外优选地设置，所述第一热能量存储装置构造至少部分地包围所述微机械部件或微电子部件的壳体的至少一部分或者作为填料插入到所述壳体的至少一个壁中。因此能够实现电子系统的节省空间的和重量优化的结构形式。
[0022]所描述的构型和扩展方案可以任意相互组合。
[0023]本发明的其他可能的构型、扩展方案和实现方案也包括本发明的先前或者接下来关于实施例描述的特征的未明确提到的组合。
【附图说明】
[0024]附图应促进本发明的实施方式的进一步理解。所述【附图说明】实施方式并且与说明书结合地用于阐述本发明的原理和方案。
[0025]其他实施方式和所述优点中的多个关于附图得出。所述附图的所示元件不必相互按比例地示出。
[0026]其中:
图1示出根据本发明的第一实施方式的电子系统的剖视图；
图2示出根据本发明的第二实施方式的电子系统的剖视图；
图3示出根据本发明的第三实施方式的电子系统的剖视图；
图4示出根据本发明的第四实施方式的电子系统的剖视图；
图5示出根据本发明的第五实施方式的电子系统的剖视图；
图6示出根据本发明的第六实施方式的电子系统的剖视图；
图7示出根据本发明的第七实施方式的电子系统的剖视图；
图8示出根据本发明的第八实施方式的电子系统的剖视图；以及图9示出用于制造根据本发明的第一至第八实施方式的电子系统的方法的流程图。
[0027]在附图的图中，相同的附图标记表示相同的或者功能相同的元件、部件和构件，除非另有说明。
【具体实施方式】
[0028]图1示出根据本发明的第一实施方式的电子系统的剖视图。
[0029]电子系统I具有微机械部件10、优选传感器、尤其优选加速度传感器。微机械部件10具有上侧1a和下侧10b。
[0030]替代地，也可以设置转速传感器、磁传感器、霍尔传感器、压力传感器、微电子部件、例如专用集成电路或者热电发生器。微机械部件10布置在衬底12上，其中在所述微机械部件10和衬底12之间构造有热能量存储装置16。热能量存储装置16通过相变材料构造，其中所述相变材料在-40-150°C的温度范围中、优选在0-100°C的温度范围中通过吸收和释放能量来改变其弹性模量。
[0031]相变材料在本实施材料中以漆的形式构造。替代地，相变材料也可以以粘合剂、胶、薄膜、膏、箔、分散体、颗粒、粉或层的形式通过丝网印刷、模板印刷、喷撒、层压、注射、喷射、压铸、注塑成型或者挤压来施加。相变材料通过增附剂施加在衬底12上。替代地，相变材料也可以通过粘合剂或者通过压入来施加。
[0032]此外，设置第一接触区域14和第二接触区域15，它们布置在衬底12的下侧上。第一接触区域14和第二接触区域15借助(在图1中未示出的)热导体路径与热能量存储装置16连接。(在图1中未示出的)热导体路径在本实施例中通过铜插入件构造。替代地，热导体路径也可以构造为金属通孔接触、金属印制导线、导热好的聚合物或者构造为具有导热间隔件的导热差的聚合物。
[0033]替代地，例如也可以设置仅仅一个接触区域。相应的接触区域也可以布置在电子系统的其他合适的位置上。
[0034]此外，热能量存储装置16与微机械部件10借助(在图1中未示出的)热导体路径连接。电子系统I还具有壳体18，所述壳体被构造成，使得所述壳体安放到衬底12上并且完全包封微机械部件10和热能量存储装置16。壳体18具有与衬底12的宽度相同的宽度。衬底12优选通过印刷电路板构造。替代地，衬底12也可以由其他合适的材料如陶瓷、硅、铜或者聚酰亚胺构造。
[0035]相变材料布置在接触区域14、15和微机械部件之间，以便将系统相互热耦合和/或机械耦合。通过耦合一方面可以缓冲热能量并且另一方面可以由系统拦截和平滑热峰值。在相变点与相变材料的工作点的精确匹配的情况下，因此可以将附加的相变能量中间存储在相变材料中。在本实施例中，相变材料优选用于微机械部件1与电子系统I的衬底12的应力脱耦。在优选20-80°C的温度范围中，相变材料被构造用于通过能量的吸收和释放来改变相变材料的弹性模量或者其机械特性。通过所述改变可以更硬或者更软地调节微机械部件1在衬底12和/或接触区域14、15上的耦合。
[0036]图2示出根据本发明的第二实施方式的电子系统的剖视图。
[0037]在图2中，热能量存储装置16布置在微机械部件10的上侧1a和壳体18的内侧18a之间，所述热能量存储装置以相变材料形式构造。(在图2中未示出的)热导体路径如在参考图1描述的实施方式中那样将第一和第二接触区域14、15与微机械部件10连接。热能量存储装置16将微机械部件10与接触区域14、15热耦合和/或机械耦合。
[0038]图3示出根据本发明的第三实施方式的电子系统的剖视图。
[0039]在图3中，热能量存储装置16以相变材料的形式嵌入到衬底12中。微机械部件10如在参考图1描述的实施方式中那样布置在衬底12上。根据本实施方式，衬底12的上侧具有类似梁的结构。替代地，代替上侧，下侧也可以具有类似梁的结构。衬底12在本实施方式中具有两个平面。两个平面之一在此机械柔韧地构造。
[0040]根据本实施方式，衬底由聚酰亚胺构成。替代地，衬底也可以例如由FR4、BT或者PTFE构造。
[0041]衬底12的具有类似梁的结构的上侧在本实施例中由热固性材料构造。热能量存储装置施加在热固性平面和机械柔韧的平面之间。机械柔韧的平面在本实施例中由聚酰亚胺构造。替代地，机械柔韧的平面也可以由其他合适的材料构造。
[0042]图4示出根据本发明的第四实施方式的电子系统的剖视图。
[0043]在本实施例中，电子系统I通过传感器构造。在本实施例中，微机械部件10通过热电发生器构造，其中热电发生器具有上侧1a和下侧10b，它们相应于冷侧和热侧。热电发生器的下侧1b借助引线接合26与衬底12的印制导线连接。相变材料形式的热能量存储装置16如在参考图3描述的实施方式中那样嵌入在衬底中。接触区域14布置在衬底12的下侧上并且与热能量存储装置16通过金属插入件热连接。热能量存储装置16此外与热电发生器的下侧1b借助以金属插入件形式的热导体路径24热连接。用于在热电发生器的上侧1b上提供热梯度的第二接触区域在图4中未示出。
[0044]图5示出根据本发明的第五实施方式的电子系统的剖视图。
[0045]在图5中，与在图4中描述的实施方式不同，在衬底12上附加地构造浇铸料25。浇铸料用于热电发生器的包裹并且包围热电发生器(热电发生器的上侧1a的上表面除外)，在所述上表面上布置有用于冷却热电发生器的冷却体20。通过设置冷却体20可以改善在热电发生器上存在的温度梯度。冷却体20也具有传感器的盖的功能，以便保护可能的构件以防外部条件影响。对于热电发生器替代地，也可以设置另外的微机械部件或微电子部件10。
[0046]图6不出根据本发明的第六实施方式的电子系统的剖视图。
[0047]在图6中，热能量存储装置16以相变材料形式嵌入到衬底12中，尤其嵌入到在衬底12中构造的凹部中。热能量存储装置16自身同样具有凹部，在所述凹部中容纳有热电发生器10、尤其热电发生器10的下侧10b。传感器的本实施方案相对于先前描述的实施方式具有较小的结构高度并且因此可以以有利的方式应用在以下地方，在所述地方传感器的小的结构高度是必要的。
[0048]图7示出根据本发明的第七实施方式的电子系统的剖视图。
[0049]在图7中示出的实施方式中，与在图5中示出的实施方式不同，除了在衬底12中嵌入的第一热能量存储装置16之外，设置有第二热能量存储装置22。第二热能量存储装置22布置在浇铸料25的上侧上，其中第二热能量存储装置22布置在热电发生器10的上侧1a和冷却体20的下侧之间。第二热能量存储装置22因此被构造用于将热电发生器10的上侧1a与冷却体20热耦合和/或机械耦合以及使得热电发生器相对温度变化更鲁棒并且拦截或者缓冲可能的温度峰值。
[0050]图8示出根据本发明的第八实施方式的电子系统的剖视图。
[0051 ]在图8中示出的实施方式中，与参考图7示出的实施方式不同，传感器的封装的几何结构被构造成，使得在衬底12上布置的用于包裹热电发生器的浇铸料25—方面更薄地构造并且另一方面以统一的结构高度来构造。传感器I因此可以与结构要求一致地构造。
[0052]图9示出用于制造根据本发明的第一至第八实施方式的电子系统的方法的流程图。
[0053]用于制造电子系统的方法包括:借助衬底12容纳SI微机械部件或微电子部件10;构造S2至少一个接触所述衬底12的接触区域14以用于接触热源;和构造S3至少一个第一热能量存储装置16，所述至少一个第一热能量存储装置布置在至少一个接触区域14与所述微机械部件或微电子部件10之间的区域中；以及将所述第一热能量存储装置16与所述至少一个接触区域14和所述微机械部件或微电子部件10热连接S4。
[0054]尽管先前已根据优选的实施例描述了本发明，但本发明不限于此，而是可以通过多种方式修改。本发明尤其可以以多种多样的方式来改动或修改，而不偏尚本发明的核心。
[0055]例如，接触区域14、15，第一和/或第二热能量存储装置16、22以及微机械部件或微电子部件10可以布置在电子系统中的另外合适的位置上或者具有变化的材料特性。
【主权项】
1.一种电子系统，所述电子系统具有: 微机械部件或微电子部件(10); 用于容纳所述微机械部件或微电子部件(10)的衬底(12); 至少一个接触所述衬底(12)的接触区域(14)以用于接触热源;和 第一热能量存储装置(16)，所述第一热能量存储装置将所述至少一个接触区域(14)与所述微机械部件或微电子部件(10)热耦合。2.根据权利要求1所述的电子系统，其特征在于，所述第一热能量存储装置(16)在所述衬底(12)和所述微机械部件或微电子部件(10)之间在至少部分地包围所述微机械部件或微电子部件(10)的壳体(18)的内侧(18a)上嵌入到所述衬底(12)中或者布置在在所述衬底(12)中构造的凹部中。3.根据权利要求1或2所述的电子系统，其特征在于，所述第一热能量存储装置(16)以漆、胶、薄膜、膏、箔、粘合剂、分散体、粉、颗粒、层的形式构造或者通过丝网印刷、模板印刷、喷撒、层压、注射、喷射、压铸、注塑成型、挤压构造为材料复合体或者填料。4.根据以上权利要求中任一项所述的电子系统，其特征在于，所述第一热能量存储装置(16)通过相变材料构造，其中所述相变材料在-40°C_150°C的温度范围中、优选在0-100°C的温度范围中通过吸收和释放能量来改变其弹性模量。5.根据以上权利要求中任一项所述的电子系统，其特征在于，所述微机械部件或微电子部件(10)通过加速度传感器、转速传感器、磁传感器、霍尔传感器、压力传感器、专用集成电路或者热电发生器来构造。6.根据权利要求5所述的电子系统，其特征在于，所述微机械部件或微电子部件(10)通过热电发生器构造，其中在所述热电发生器的侧面上构造有用于冷却所述热电发生器的冷却体(20)。7.根据权利要求6所述的电子系统，其特征在于，第二热能量存储装置(22)至少分区段地布置在在所述衬底(12)上布置的用于包裹所述热电发生器的浇铸料(25)上并且至少分区段地在所述热电发生器的上侧上布置在所述热电发生器的上侧和用于冷却所述热电发生器的冷却体(20)之间。8.根据以上权利要求中任一项所述的电子系统，其特征在于，所述至少一个接触区域(14)与所述第一热能量存储装置(16)并且所述第一热能量存储装置(16)与所述微机械部件或微电子部件(10)借助各一个热导体路径(24)连接。9.根据权利要求8所述的电子系统，其特征在于，所述至少一个接触区域(14)构造壳体(8)的至少一部分和/或至所述微机械部件或微电子部件(10)的上侧的热导体路径(24)构造所述壳体(18)的至少一部分。10.根据权利要求1所述的电子系统，其特征在于，所述第一热能量存储装置(16)构造至少部分地包围所述微机械部件或微电子部件(10)的壳体(18)的至少一部分或者作为填料嵌入到所述壳体(18)的至少一个壁中。11.用于制造电子系统的方法，所述方法具有以下步骤: 借助衬底(12 )容纳(SI)微机械部件或微电子部件(10 ); 构造(S2)至少一个接触所述衬底(12)的接触区域(14)以用于接触热源； 构造(S3)至少一个第一热能量存储装置(16);和 借助所述第一热能量存储装置(16)将所述至少一个接触区域(14)与所述微机械部件或微电子部件(10)热親合(S4)。12.一种传感器，所述传感器具有: 热电发生器(10); 用于容纳所述热电发生器(10)的衬底(12); 第一接触区域(14)和第二接触区域(15)，所述第一接触区域和第二接触区域接触所述衬底(12)并且被构造用于接触热源，和 第一热能量存储装置(16)，所述第一热能量存储装置将第一接触区域(14)和/或所述第二接触区域(15)与所述微机械部件或微电子部件(10)热耦合。13.一种传感器系统，具有:根据权利要求12所述的传感器； 用于开关通过所述热电发生器(10)产生的电压的功率电路； 用于控制所述热电发生器(10)的微控制器； 用于存储由所述热电发生器(10)产生的能量的能量存储装置； 用于传感器数据的无线传输的无线电模块;和天线。
【文档编号】H01L35/30GK105940513SQ201580007202
【公开日】2016年9月14日
【申请日】2015年1月20日
【发明人】T.措勒, T.皮尔克, J.肯特纳, R.埃伦普福特, F.安特
【申请人】罗伯特·博世有限公司