专利名称：传感器装置和用于制造传感器装置的方法
技术领域：
本发明涉及一种根据权利要求1前序部分所述的传感器装置。
背景技术：
这种传感器装置是广泛公知的。例如由文献DE 102 05 127 Al已知一种具有半导体芯片的电子半导体部件，该半导体芯片在有效的正面上具有作为传感器面和/或致动器面起作用的有效芯片面，该有效芯片面被突起的金属框架镶边，其中，半导体芯片通过它的有效正面以倒装芯片技术设置在载体衬底上，半导体芯片镶入塑料壳体中并且载体衬底优选包括陶瓷材料。这种半导体部件的缺点是，为了有效芯片面的侧向气密的密封设有金属框架，该金属框架必须附加地制造或固定在芯片面上。此外，金属框架由于它由金属构成而具有与半导体芯片及陶瓷材料不同的热膨胀系数，使得特别不利地在半导体芯片与衬底之间出现热机械应力。由文献WO 2005/042 426 A2还已知一种玻璃陶瓷，该玻璃陶瓷能够与硅阳极地键合。
发明内容
根据并列权利要求的按照本发明的传感器装置和按照本发明的用于制造传感器装置的方法相对于现有技术具有优点传感器元件和衬底以相对成本有利的方法不仅导电地通过第一接触区域、而且机械地通过第二接触区域在仅一个唯一的方法步骤(对应于第二方法步骤)中相互连接。因此，制造成本以显著的方式降低，因为与现有技术相比可完全地省去至少一个附加的制造步骤，例如机械连接的建立、金属环粘贴、金属环钎焊等。此外， 衬底与传感器元件之间的机械连接的承载能力提高，因为除了倒装芯片技术的连接外还以第二接触区域的形式设置有传感器元件相对于衬底的纯机械的固定。衬底包括陶瓷材料， 使得衬底的热膨胀系数与传感器元件的热膨胀系数相似，其中，传感器元件包括半导体材料以及尤其包括硅。在此，第二接触区域中的阳极键合连接部以有利的方式保证在衬底与传感器元件之间的机械接触区域中不出现热机械应力。这通过以下方式实现阳极键合连接部不需要附加的键合材料，附加的键合材料必然具有附加的热膨胀系数。阳极键合连接部尤其具有一个基本上与传感器元件的热膨胀系数以及与衬底的热膨胀系数可比的热膨胀系数。因此与现有技术不同，通过第二接触区域实现了衬底的热膨胀系数与传感器元件的热膨胀系数的比较好的适配，从而有效地抑制了传感器装置的损坏风险，该损害风险例如通过传感器元件从衬底的脱开、通过在接触区域中形成裂纹或者通过传感器元件的损坏引起，和/或有效地抑制了对传感器元件测量精度的不利影响，该不利影响例如通过传感器元件相对衬底的拱曲、机械扭曲或倾斜引起。因此，根据本发明的传感器装置与现有技术相比具有更高的机械稳定性、更好的温度耐受性和更高的测量精度。在本发明的意义上，倒装芯片技术的连接包括两个基本上平面平行的接触面之间(面对面)的所有连接方式，其中，由导电材料制成的小球(“凸块”)优选设置在这两个接触面之间。这些小球在此优选被加热并且尤其包括焊料膏或导电粘接剂，焊料膏或导电粘接剂优选设置成各向同性地或者各向异性地导电。该衬底、尤其多层的衬底尤其包括传统电路板的功能并且此外具有多个印制导线，这些印制导线平行和/或垂直于主延伸平面相互间隔距离并且相互电绝缘。 衬底此外尤其具有一个可阳极键合的玻璃陶瓷上层。本发明的有利构型方案和扩展方案由从属权利要求以及参照附图的说明得出。根据一种优选的扩展方案规定，传感器元件具有一个压力膜，其中优选在压力膜的区域中设置有压阻元件和/或具有基准压力的空穴。因此特别优选地，传感器装置包括压力传感器形式的传感器元件，使得该传感器装置可用于测量压力，其中，根据要借助压阻元件测量的压力可以测量压力膜垂直于主延伸平面的偏转。由于空穴集成在压力膜中，该传感器装置特别有利地允许根据测得的压力和围在空穴中的已知基准压力确定绝对压力。 传感器元件优选在背对衬底的第二侧上被加载测量介质，该测量介质具有要测量的压力。 该空穴优选通过借助APSM技术在膜中产生和蚀刻多孔层来产生。根据另一种优选的扩展方案规定，第二接触区域构成为至少一个键合环，其中，优选所述至少一个键合环垂直于主延伸平面的投影被设置成包围压力膜。特别优选地，键合环因此包括用于测量介质的壁垒，使得能以有利的方式借助键合环使两个压力室相互分开和/或使第一接触区域、电的和/或电子的电路从测量介质隔离并且由此被保护。因此，第一接触区域、电和/或电子电路的例如通过胶的钝化可完全省去。根据另一种优选的扩展方案规定，传感器元件具有电路，该电路设置在传感器元件的垂直于主延伸平面地面向衬底的第一侧上。因此特别优选的是，该电路借助第一接触区域直接与衬底导电地连接，使得该电路在不需使用敷镀通孔或比较敏感的且费劲地制造的键合导线连接的情况下以倒装芯片技术与衬底导电地连接。因此该电路通过衬底的印制导线可被接通并且尤其是可被控制和/或可被读取。当以测量介质对传感器元件的第二侧加载压力时，该电路通过传感器元件并且尤其通过键合环与测量介质隔离并且由此被保护。传感器元件在第二侧优选具有一个在压力膜的区域中的凹部。根据另一种优选的扩展方案规定，在衬底与压力膜之间包围一个另外的基准压力，其中，优选衬底在压力膜的区域中具有一个空隙。特别有利地，该另外的基准压力被气密地包围、优选借助键合环气密地包围在衬底与传感器元件之间，使得特别有利地不需要压力膜中的空穴。为了构成足够大的用于另外的基准压力的压力室，该衬底优选具有空隙。根据另一种优选的扩展方案规定，衬底包括一个层结构和/或衬底在压力膜的区域中具有一个通道和/或印制导线包括敷镀通孔。特别优选的是，传感器元件的第一侧借助通道与压力室连接，该压力室借助通道可与传感器元件间隔距离地构成或者连接。特别优选地，该通道构成为衬底中的通孔，使得压力膜作为在上表面上的压力与在垂直于主延伸平面与上表面对置的下表面上的压力之间的差压传感器起作用，其中，特别优选的是，第一压力与该另外的压力通过键合环分隔。变换地，在第一侧上和/或在垂直于主延伸平面与第一侧对置的第二侧上的待测量的压力被调节，使得能以有利方式借助传感器装置选择地实现绝对压力传感器或差压传感器。由于多层结构，在衬底中可实现印制导线在衬底材料中的埋置，由此以有利方式保证印制导线的相对良好的防腐蚀保护。根据另一种优选的扩展方案规定，衬底和/或传感器元件具有一个抗附着覆层。 特别有利地，该抗附着覆层阻止在衬底上和/或在传感器元件上的沉积。此外，在传感器装置上的结冰作用被降低。
本发明的另一个主题是用于制造传感器装置的方法，其中，在第一方法步骤中提供衬底和传感器元件，其中，在第二方法步骤中基本上同时地不仅借助倒装芯片技术在传感器元件与所述至少一个印制导线之间建立第一接触区域，而且通过阳极键合在传感器元件与衬底之间建立第二接触区域。如以上已经详细说明的那样，因此允许通过比现有技术更少的制造步骤比较成本有利地制造传感器装置，其中，该传感器装置此外与现有技术相比具有更高的机械稳定性、更好的温度耐受性和更高的测量精度。根据一种优选的扩展方案规定，在第二方法步骤中不仅在传感器元件与衬底之间施加直流电压，而且在传感器元件与衬底之间的一个区域中执行温度升高，优选借助超声波辐射执行温度升高。特别有利地，通过提高第一接触区域的温度并且附加地通过施加直流电压来构成第二接触区域。在此特别优选地，传感器元件垂直于主延伸方向向着衬底的方向被加载，以便建立尽可能牢固的且密封的第二接触区域。根据另一种优选的扩展方案规定，在时间上在第二方法步骤之前的第三方法步骤中将可阳极键合的玻璃陶瓷膏印到衬底上和/或在时间上在第三方法步骤之后的第四方法步骤中烧结该衬底以及尤其接着抛光该衬底，使得以有利的方式在衬底上产生一个被抛光的陶瓷表面。传感器元件的第一侧在第二接触区域的范围中优选具有一个未钝化的且相对光滑的硅表面。根据另一种优选的扩展方案规定，在时间上在第二和/或第三方法步骤之前的第五方法步骤中将印制导线的接触垫印到衬底上和/或在时间上在第五和/或第四方法步骤之后的第六方法步骤中将键合小球设置在接触垫上。特别优选地，接触垫和/或键合小球被压印到衬底上，从而允许比较成本有利地实现第一接触区域。
本发明的实施例在附图中示出并且在下面的说明中详细阐述。其中图Ia示出根据本发明第一实施方式的传感器装置的示意性侧视图，图Ib示出用于制造根据本发明第一实施方式的传感器装置的原始结构的示意性侧视图，图Ic示出用于制造根据本发明第一实施方式的传感器装置的原始结构的部分区域的立体放大视图，图2示出根据本发明第二实施方式的传感器装置的示意性侧视图，图3示出根据本发明第三实施方式的传感器装置的示意性侧视图，图4示出根据本发明第四实施方式的传感器装置的示意性侧视图，图5示出根据本发明第五实施方式的传感器装置的示意性侧视图，图6示出根据本发明第六实施方式的传感器装置的示意性侧视图，图7示出用于制造根据本发明第二实施方式的传感器装置的多个另外的原始结构1”的示意性侧视图。在这些图中相同的元件始终设有相同的附图标记，因此通常也分别仅命名或者提到一次。
具体实施方式
在图Ia中示出根据本发明第一实施方式的传感器装置1的示意性侧视图，并且在图Ib中示出用于制造根据本发明第一实施方式的传感器装置1的原始结构1’的示意性侧视图，其中，该传感器装置1以压力传感器装置的形式构成，该传感器装置1包括一个具有主延伸平面100的衬底2和一个基本上平行于主延伸平面100定向的传感器元件3，其中， 该传感器元件1具有一个压力膜7，该压力膜7设置在传感器元件1的面向衬底2的第一侧3’上并且在压力膜7的区域中在垂直于主延伸平面100地与第一侧3’相对置的第二侧 3”上具有一个缺口 9’。在压力膜7的区域中设置有压阻元件8，这些压阻元件根据测量介质作用在第二侧3”上的压力来测量压力膜7相对传感器元件的且基本上垂直于主延伸平面100的偏转。可选地，在第一侧3’上设置有一个未画出的电的和/或电子的电路，尤其用于分析处理压阻元件8的测量信号。这些压阻元件10优选设置在桥接电路中、例如在惠斯通电桥中。压力膜7或缺口 9’例如借助各向异性的KOH蚀刻制造。传感器元件3尤其包括硅。衬底2包括陶瓷材料，在陶瓷材料中埋置多个导电的印制导线6。传感器元件3借助两个第一接触区域4与印制导线6导电地连接，使得压阻元件10和/或电路设置成可借助印制导线10被控制和/或读取。第一接触区域4包括倒装芯片技术，因此例如在第一接触区域4中设置有焊料凸块4’，这些焊料凸块优选以热压键合方法建立导电接触，该热压键合方法特别优选在300至500摄氏度之间的温度执行。传感器元件3还在第二接触区域 5中与衬底2机械地连接，其中，第二接触区域5包括一在传感器元件3与衬底2之间的阳极键合连接部。传感器元件3在第二接触区域5中具有一个未钝化的且光滑的硅表面，而衬底2在第二接触区域5中具有一个抛光的陶瓷表面，其中，这些表面之间的阳极键合连接通过在传感器元件3与衬底2之间的优选在500至1500伏特之间、特别优选在850至1150 伏特之间以及完全特别优选基本上1000伏特的直流电压建立。衬底2在此之前在第二接触区域5中优选被印上可阳极键合的玻璃陶瓷膏，该玻璃陶瓷膏例如以丝网印刷方法涂覆并且包括垂直于主延伸平面的优选5至15微米、特别优选9至11微米以及完全特别优选基本上10微米的厚度。衬底2在压力膜7的区域中具有一个空隙9，该空隙与第一接触区域4、压力膜7的第一侧3’和/或可选的电路一起通过第二接触区域5中的阳极连接部与第二侧3”上的测量介质隔离并且由此免受腐蚀，该阳极连接部优选平行于主延伸平面100 地构成为围绕压力膜7的封闭环。特别有利的是，空隙9这样地构成，使得压力膜7能够在衬底2的方向上偏转并且空隙9的壁同时作为压力膜7偏转过大时的止挡起作用。在空隙 9中优选设定一个基准压力、优选基准真空，使得借助通过压阻元件8测得的压力膜7的偏转可确定测量介质的绝对压力。传感器元件3和衬底2在暴露于测量介质的面上优选具有一个抗附着覆层10。衬底2优选包括一个层结构，使得许多印制导线6被嵌入到衬底2中， 这些印制导线相互垂直和/或平行地间隔距离、相互隔离并且同时免受腐蚀。第二接触区域5中的阳极键合连接的前提是抛光的陶瓷表面和在传感器元件3正面上定义的键合区域中的未钝化的、光滑的表面。适合于相对高的温度的抗附着覆层10可以例如包括碳化硅或氮化硅，例如硅烷化适合于更低的温度。对于第一接触区域4中的电连接存在多种可能性， 在此一些例子是为了实现电接触，传感器元件3的接触垫借助热压键合(也由超声波支持 =热超声键合)与衬底2或陶瓷载体的匹配地设置的印制导线4或接触垫连接。用于焊料凸块4’的高熔点焊料为了避免空腔优选是无助焊剂的并且对于所使用的衬底印制导线是金属相容的，衬底印制导线对于高温应用由耐高温合金Au、Pt、Pd与Sn或Ni组成。在(陶瓷)衬底2中例如接触垫位于凹部中，以接收焊料凸块4’。“焊料凸块”4’优选在倒装芯片工艺之前键合到传感器元件3或硅芯片的金属化的接触垫上。为了建立第一接触区域4中的电连接，另一种可能性是在第一接触区域4中使用导电粘合剂或者更好的厚膜导体膏， 它们与LTCC或HTCC陶瓷内部的敷镀通孔类似地通过在通孔中印刷导电膏(Via-Filling) 制成。具有嵌入的印制导线6的衬底2的制造例如借助厚膜技术实现。印制导线6在此通过丝网掩膜印刷、接着通过玻璃陶瓷膏覆盖并且在压力下烧结，以便将由于烧结收缩引起的横向尺寸减小保持得很小。仅在印制导线6的用于接触传感器元件5或硅芯片上的垫的稍后的连接垫的位置上保持没有印制导线6。印制导线6的覆盖也可以变换地通过另外的玻璃陶瓷薄膜与露出的键合垫的层压实现。在烧结之后进行平面化，例如通过抛光进行平面化，以便能够执行阳极键合。借助在图Ib中所示的原始结构1’示出了在印刷印制导线 6或者与印制导线电连接的接触垫之后的、用于热压键合工艺的衬底3，其中，衬底2还被印上与陶瓷衬底2相容的、可阳极键合的玻璃陶瓷膏。衬底2的表面接下来被烧结并且在烧结之后为了阳极键合被平面地抛光。尤其构成为层结构的衬底2为了保持平行于主延伸平面100的定位精度优选在负载下被烧结，使得仅出现垂直于主延伸平面100的烧结收缩。在图Ic中示出用于制造根据本发明第一实施方式的传感器装置1的原始结构1’的部分区域的立体放大视图，其中，在图Ic中示出键合小球4’，在传感器元件3借助热压键合工艺与衬底2连接之前，该键合小球被键合到衬底2的印制导线6上或者被键合到衬底2的一个与印制导线5导电地连接的接触垫上。在图2中示出根据本发明第二实施方式的传感器装置1的示意性侧视图，其中，该第二实施方式基本上与在图Ia中说明的第一实施方式相同，衬底2在压力膜7的区域中具有在衬底2中的通孔形式的通道13，使得压力膜7附加地也可在第一侧3’上被加载另外的测量介质。传感器装置1因此可用于测量介质的压力与另外的测量介质的压力之间的相对压力测量。第一接触区域4借助另外的键合环形式的另外的第二接触区域5与另外的测量介质隔离，其中，第一接触区域4设置在键合环与另外的键合环之间。在图3中示出根据本发明第三实施方式的传感器装置1的示意性侧视图，其中，该第三实施方式基本上与在图2中所示的第二实施方式相同，其中，在压力膜7中集成一个空穴15，该空穴具有另外的基准压力，使得传感器装置1还能够实现绝对压力测量。在图4中示出根据本发明第四实施方式的传感器装置1的示意性俯视图，其中，该第四实施方式基本上与在图Ia中所示的第一实施方式相同，其中，传感器装置1包括用于高温应用的高温稳定的绝对压力传感器，其中衬底2从“热的”区域300 —直延伸到“冷的” 区域301，传感器元件3设置在“热的”区域300中并且借助印制导线6与附加芯片304上的分析处理电路303连接，附加芯片304设置在“冷的”区域301中。在图5中示出根据本发明第五实施方式的传感器装置1的示意性侧视图，其中该第五实施方式基本上与在图2中所示的第二实施方式相同，通道13基本上平行于主延伸平面100延伸并且相对主延伸平面100不垂直地表示衬底中的通孔。通过衬底2中的通道14 特别优选地可与传感器元件3间隔距离地设定基准压力。优选通道14延伸到“冷的”区域 301中并且在那里具有一个插接连接部。在图6中示出根据本发明第六实施方式的传感器装置1的示意性侧视图，其中，该第六实施方式基本上与在图4中示出的第四实施方式相同，传感器装置集成在废气传感器181中，废气传感器181具有一个用于对传感器元件3加载测量介质的介质侧115、一个用于借助插接连接装置111接触衬底2中的印制导线6的接触侧116以及一个用于对气体密封地分割介质侧115与接触侧116的密封装置116。 在图7中示出用于制造根据本发明第二实施方式的传感器装置的多个另外的原始结构1”的示意性侧视图，其中，所述另外的原始结构1”分别具有一个未分成单个的传感器元件3和一个未分成单个的衬底2，它们借助第一和第二接触区域4、5相互连接，其中，相应的传感器装置1尤其通过沿着预给定的切割线112锯切未分成单个的传感器元件3和未分成单个的衬底2而被分成单个。
权利要求
1.传感器装置(1)，尤其是压力传感器装置，包括一个具有主延伸平面(100)的衬底 ⑵和一个基本上平行于所述主延伸平面(100)定向的传感器元件(3)，其中，所述衬底⑵ 包括陶瓷材料，所述衬底( 具有至少一个印制导线(6)并且所述传感器元件(3)在第一接触区域(4)中借助倒装芯片技术与所述至少一个印制导线(6)导电地连接，其特征在于， 所述传感器元件C3)在第二接触区域( 中与所述衬底( 机械地连接，其中，在所述第二接触区域(5)中设置有一阳极键合连接部。
2.根据权利要求1所述的传感器装置(1)，其特征在于，所述传感器元件C3)具有一压力膜(7)，其中，优选在所述压力膜(7)的区域中设置有一个具有基准压力(11)的空穴 (14)。
3.根据以上权利要求中任一项所述的传感器装置(1)，其特征在于，所述第二接触区域(5)被构成为至少一个键合环(5’)，其中，优选所述至少一个键合环(5，)的垂直于所述主延伸平面(100)的投影被设置成包围所述压力膜(7)。
4.根据以上权利要求中任一项所述的传感器装置(1)，其特征在于，所述传感器元件 (3)具有一电路(8)，所述电路设置在所述传感器元件(3)的垂直于所述主延伸平面(100) 地面向所述衬底⑵的第一侧(3’ )上。
5.根据以上权利要求中任一项所述的传感器装置(1)，其特征在于，在所述衬底(2)与所述压力膜(7)之间包围一个另外的基准压力(11’)。
6.根据以上权利要求中任一项所述的传感器装置(1)，其特征在于，所述衬底( 包括一个层结构和/或所述衬底( 在所述压力膜(7)的区域中具有一个通道(13)。
7.根据以上权利要求中任一项所述的传感器装置(1)，其特征在于，所述衬底(2)和/ 或所述传感器元件( 具有一个抗附着覆层(10)。
8.用于制造根据以上权利要求中任一项所述的传感器装置(1)的方法，其特征在于， 在第一方法步骤中提供所述衬底( 和所述传感器元件(3)，其中，在第二方法步骤中基本上同时地不仅借助倒装芯片技术在所述传感器元件(3)与所述至少一个印制导线(6)之间建立所述第一接触区域，而且通过阳极键合在所述传感器元件( 与所述衬底( 之间建立所述第二接触区域(5)。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，在所述第二方法步骤中不仅在所述传感器元件( 与所述衬底( 之间施加直流电压，而且在所述传感器元件( 与所述衬底(2) 之间的一个区域中执行温度升高、优选借助超声波辐射执行温度升高。
10.根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于，在时间上在所述第二方法步骤之前的第三方法步骤中将可阳极键合的玻璃陶瓷膏印到所述衬底( 上。
全文摘要
传感器装置，尤其是压力传感器装置，包括一个具有主延伸平面的衬底和一个基本上平行于主延伸平面定向的传感器元件，其中，衬底包括陶瓷材料，所述衬底具有至少一个印制导线并且所述传感器元件在第一接触区域中借助倒装芯片技术与所述至少一个印制导线导电地连接，其中，所述传感器元件还在第二接触区域中与衬底机械地连接，其中，在第二接触区域中设置有一阳极键合连接部。
文档编号G01L9/00GK102272569SQ200980154124
公开日2011年12月7日 申请日期2009年11月25日 优先权日2009年1月7日
发明者H·京舍尔, H·本泽尔, R·京舍尔 申请人:罗伯特·博世有限公司