DE19902450B4

DE19902450B4 - Miniaturisiertes elektronisches System und zu dessen Herstellung geeignetes Verfahren

Info

Publication number: DE19902450B4
Application number: DE1999102450
Authority: DE
Inventors: Dietmar Wagner; Heidemarie Schneider
Original assignee: Festo SE and Co KG
Current assignee: Festo SE and Co KG
Priority date: 1999-01-22
Filing date: 1999-01-22
Publication date: 2006-04-20
Anticipated expiration: 2019-01-23
Also published as: DE19902450A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung miniaturisierter elektronischer Systeme wie Sensor- und/oder Aktuatorsysteme, bei dem ein bondfähiger Halbleiter-Chip (15) mit einem mindestens ein Loch (12, 12') aufweisenden metallisierten Träger (8) in einem Verfahrensschritt durch direktes Chip-Bonden in Flip-Chip-Technologie zugleich elektrisch und mechanisch zu einer Funktionseinheit (16) verbunden wird, wobei mindestens eine bondfähige Kontaktmetallisierung (23) des Halbleiter-Chips (15) mit einem bondfähigen Kontakt-Pad (24) des metallisierten Trägers (8) kontaktiert wird, und bei dem zwischen dem metallisierten Träger (8) und dem Halbleiter-Chip (15) eine mindestens ein Loch (12, 12') des metallisierten Trägers (8) umgrenzende druckdichte Verbindung hergestellt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Funktionseinheit (16) in einem sie umschließenden Gehäuse (35) untergebracht wird, in dem mindestens ein zu mindestens einem Loch (12, 12') des metallisierten Trägers (8) führender und über das betreffende Loch (12, 12') mit dem Halbleiter-Chip (15) in druckdichter Verbindung stehender Mediumkanal (36, 36') verläuft, wobei das Gehäuse (35) durch unmittelbares Umspritzen der Funktionseinheit...

Description

Die Erfindung betrifft ein miniaturisiertes elektronisches
System, mit einer einen metallisierten Träger und einen mit diesem verbundenen Halbleiter-Chip enthaltenden Funktionseinheit, die in einem Gehäuse untergebracht ist, in dem mindestens ein zu der Funktionseinheit führender Mediumkanal verläuft. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung miniaturisierter elektronischer Systeme, bei dem ein bondfähiger Halbleiter-Chip mit einem metallisierten Träger zu einer Funktionseinheit verbunden und diese Funktionseinheit in einem Gehäuse untergebracht wird, in dem mindestens ein zu der Funktionseinheit führender Mediumkanal verläuft. Die Merkmale der Oberbegriffe der undabhängigen Ansprüche sind aus der DE 198 10 060 A1 bekannt.
Miniaturisierte elektronische Systeme der vorgenannten Art benötigen sowohl eine elektrische Kontaktierung als auch eine mediendichte Zuführung des bei seinem Betrieb einge setzten Mediums, bei dem es sich beispielsweise um ein Gas wie Luft handelt. Dabei ist es bekannt, in mehreren verschiedenen Verfahrensschritten die elektrische Kontaktierung herzustellen und die Montage des Systems vorzunehmen. Hierzu werden beispielsweise Klebeverfahren oder mechanische Dichtverfahren mit elektrischen Kontaktierungsverfahren, beispielsweise Mikrodrahtschweißen oder Löttechnologien, kombiniert angewendet. Um die druckdichte und bei Bedarf getrennte Zuführung eines oder mehrerer Medien zu der den Träger und den Halbleiter-Chip enthaltenden Funktionseinheit zu realisieren, wird die Funktionseinheit in der Regel in ein vorgefertigtes Gehäuse eingesetzt, das über mindestens einen geeignet verlaufenden Mediumkanal verfügt.
Nachteilig für die elektronischen Systeme, beispielsweise Aktuator- oder Sensorsysteme, ist die ungünstige Anordnung von Materialien mit unterschiedlichen physikalischen und chemischen Eigenschaften auf engstem Raum. Dies kann zu mechanischen Streßerscheinungen führen, die die Eigenschaften der Systeme negativ beeinflussen und die Funktion gefährden. Ferner müssen unterschiedliche Technologien mit sich teilweise widersprechenden Anforderungen an die zu verwendenden Werkstoffe kombiniert werden, woraus ein höherer Material-, Zeit- und Arbeitsaufwand resultiert. Schließlich sind bei der Anwendung eines Mikrodrahtschweißverfahrens für Mikrosysteme spezielle Gehäuse zum Schutz der Mikrodrähte vor Umwelteinflüssen erforderlich. Bekannt ist beispielsweise die Montage von kapazitiven oder piezoresistiven Halbleiterdrucksensor-Chips mittels Epoxidharz auf aus Keramik oder Leiterplattenmaterial bestehende Träger. Die elektrische Kontaktierung erfolgt hier beispielsweise durch Ultraschall-Drahtbonden mit Aluminiumdraht. Die benötigten Medienkanäle werden durch ein vorgefertigtes, beispielsweise aus Kunststoff oder Metall bestehendes Gehäuse vorgegeben, dessen Bauform speziell an die vorhandene Funktionseinheit angepaßt werden muß und dessen Montage relativ aufwendig ist. Insgesamt verkörpern somit die bekannten Maßnahmen einen relativ hohen technologischen Aufwand, der zu kostenaufwendigen und zum Teil funktionell nachteiligen Produkten führt.
Aus der DE 198 10 060 A1 ist es bekannt, einen Halbleitersensor als Flip-Chip auf ein Substrat mit einer unterliegenden Öffnung als Medienkanal zu montieren und mit einem Unterfüller abzudichten und beim Unterfüllen den Halbleitersensor mit einer Gehäusekappe zu umgeben.
Die DE 43 23 799 A1 lehrt einen Flip-Chip auf eine Leiterplatte durch eine rahmenförmige Elektrode mit einem Wandelement aus Lot zu verbinden, welche die weiteren elektrischen Kontakte dann schützend umgibt.
Die nachveröffentlichte DE 198 26 426 A1 mit älterem Anmeldedatum lehrt einen Halbleitersensor als Flip-Chip auf einem Substrat mit Öffnungen als Medienkanäle zu montieren, wobei Halbleitersensor und Substrat um die Öffnung herum mit lötbaren Metallisierungen versehen werden, welche beim Herstellen der elektrischen Kontakte zudem und gleichzeitig eine hermetisch dichte Anbindung des Medienkanals ergibt. Zudem wird ein Unterfüller zwischen Substrat und Halbleitersensor gegeben. Es wird jedoch kein Hinweis auf eine Herstellung eines Gehäuses durch Umspritzen gegeben.

Es ist somit die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, sowohl ein Verfahren zur Herstellung miniaturisierter elektronischer Systeme als auch ein miniaturisiertes elektronisches System als solches zu schaffen, wobei eine vereinfachte Herstellung mit funktionellen Vorteilen verknüpft wird.

Diese Aufgabe wird durch das Verfahren des Anspruchs 1 und durch das miniaturisierte elektronische System des Anspruchs 11 gelöst.

Auf die erfindungsgemäße Weise ist es möglich, beispielsweise zu Sensor- und/oder Aktuatorzwecken einsetzbare elektronische Mikrosysteme zu schaffen, bei denen die Verbindung zwischen dem insbesondere unverkappten Halbleiter-Chip und dem zugehörigen Träger mittels eines direkten Lötverfahrens in Flip-Chip-Technologie erfolgt, was eine kombinierte elektrische und mechanische Verbindung in einem einzigen Verfahrensschritt gestattet und eine kostengünstige Herstellung bei gleichzeitig sicherer Fixierung der einzelnen Bauteile ermöglicht. Eine weitere wesentliche Kostenreduzierung resultiert aus der unmittelbaren Umspritzung der Funktionseinheit mit dem Gehäusematerial, so daß das Gehäuse direkt an die Funktionseinheit angeformt wird und unter Gewährleistung einer innigen Verbindung mit leichter Vorgabe der gewünschten Kanalverläufe zusätzliche Montagearbeiten entfallen.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Der oder die Mediumkanäle im Gehäuse können entweder unmittelbar vom Gehäuse definiert werden, so daß die Kanalwandungen vom Gehäusewerkstoff gebildet sind. In einer alternativen und ebenfalls vorteilhaften Bauform ist eine Kanalrealisierung aber auch dadurch möglich, daß wenigstens ein in den Gehäusewerkstoff eingebettetes zusätzliches Adaptionsteil vorgesehen ist, das den Kanalverlauf vorgibt. Das Adaptionsteil kann vor dem Umspritzen des Gehäuses am Träger befestigt werden, beispielsweise durch Kleben, Löten oder ein sonstiges Bondverfahren.

Das Gehäuse des elektronischen Systems kann aus einer oder mehreren Werkstoffkomponenten aufgebaut sein. Somit ist es beispielsweise möglich, die Funktionseinheit in eine innere Schicht aus einem ersten Gehäusewerkstoff einzubetten, der gewisse stoßdämpfende Eigenschaften hat, während um diese erste Schicht eine weitere Schicht aus einem zweiten Gehäusewerkstoff herumgespritzt ist, die aus härterem Material besteht und dem gesamten Sensorsystem die erforderliche Festigkeit und Stoßunempfindlichkeit verleiht.

Der Halbleiter-Chip kann beispielsweise ein Ventil-Chip sein, der mit einer miniaturisierten Ventileinheit beispielsweise in Gestalt eines Mikroventils oder eines Piezoventils ausgestattet ist. Eine weitere, besonders vorteilhafte Ausgestaltung ist diejenige als Sensorsystem, wobei als Halbleiter-Chip ein Drucksensor-Chip zum Einsatz gelangt, der über wenigstens eine Druckmembran verfügt, der das zu messende Medium über einen oder mehrere Mediumkanäle des Gehäuses zugeführt wird. Dabei kann der Drucksensor-Chip zur Vornahme von Absolutdruckmessungen mit nur einer Druckmembran ausgestattet sein. Wird die Druckmembran von entgegengesetzten Seiten her beaufschlagt, kann der Drucksensor-Chip auch zur Erfassung von Relativ- oder Differenzdrücken eingesetzt werden. Letzteres läßt sich auch dadurch gewährleisten, daß der Drucksensor-Chip mit wenigstens zwei Druckmembranen ausgestattet wird, die getrennt voneinander mit einem Medium beaufschlagbar sind.

Alle zur Druckerfassung eingesetzten Sensorsysteme haben den besonderen Vorteil, daß sie sowohl bei Absolutdruckanwendungen als auch bei Differenzdruckanwendungen über eine sehr gute Medienverträglichkeit verfügen und häufig auf spezielle Maßnahmen zur Medientrennung verzichtet werden kann.

Zwischen dem Träger und dem Halbleiter-Chip kann bei Bedarf ein sogenannter Underfiller plaziert werden, der die Kompensation von mechanischem Streß verbessert.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigen:
1 ein elektronisches System der erfindungsgemäßen Art in einer Ausgestaltung als Sensorsystem, das in einen vorzugsweise zur Relativdruckmessung eingesetzten Drucksensor integriert ist, wobei der Drucksensor im Bereich des Sensorsystems im Längsschnitt aufgebrochen ist,
2 den Drucksensor aus 1 im Querschnitt gemäß Schnittlinie II-II,
3 das bei dem Drucksensor der 1 eingesetzte Sensorsystem in einer vergrößerten ausschnittsweisen Längsschnittdarstellung,
4 das Sensorsystem aus 3 im Längsschnitt in einer um 90° verdrehten Schnittebene gemäß Pfeil IV-IV mit Blick auf den Träger,
5 einen weiteren Längsschnitt der Anordnung aus 3, wiederum in einer mit Bezug zur 3 um 90° verdrehten Schnittebene gemäß Schnittlinie V-V mit Blick auf den Halbleiter-Chip,
6 eine Variante des elektronischen Systems in einer Ausgestaltung als Drucksensorsystem und in einer der 3 entsprechenden Darstellungsweise, wobei die 4 und 5 wiederum Längsschnitte durch das System darstellen, und
7 eine weitere Bauform des elektronischen Systems in einer vergrößerten Ausschnittsdarstellung, wobei eine sich zur Relativ- oder Differenzdruckmessung eignende Ausführungsform gezeigt ist.
In der Beschreibung sind die übereinstimmenden Bestandteile der verschiedenen Ausführungsformen des elektronischen Systems mit identischen Bezugszeichen versehen. Sofern im einzelnen nichts anderes gesagt, gilt die nachfolgende Beschreibung für alle Ausführungsbeispiele.
Die 1 zeigt einen mit Bezugsziffer 1 bezeichneten Drucksensor, der zur Erfassung bzw. Messung eines Relativdruckes eingesetzt werden kann. Er hat ein beispielsweise zylindrisches Sensorgehäuse 2, das mit einem Taster 3 und einer Leuchtanzeige 4 ausgestattet ist und das rückseitig über eine Anschlußeinrichtung 5 verfügt, über die eine nicht näher dargestellte elektronische Auswerteeinheit angeschlossen werden kann. Im vorderen Bereich des Sensorgehäuses 2 ist ein miniaturisiertes elektronisches System 6 integriert, das beim Ausführungsbeispiel als Sensorsystem 7 ausgeführt ist und vorzugsweise nach dem piezoresistiven Prinzip arbeitet. Der Aufbau des elektronischen Systems 6 kann beispielsweise einer der in 3 bis 7 vergrößert dargestellten Ausführungsvarianten entsprechen, auf die nachstehend näher eingegangen wird.
Das elektronische System 6 enthält einen insbesondere plattenähnlichen metallisierten Träger 8, der rechtwinkelig zu seiner Plattenebene von einem ersten Loch 12 und einem zweiten Loch 12' durchsetzt ist. An seiner nachfolgend als Träger-Unterseite 14 bezeichneten Unterseite trägt er einen Halbleiter-Chip 15, mit dem er mechanisch und elektrisch zu einer nachfolgend mit Bezugsziffer 16 bezeichneten Funktionseinheit als Baueinheit zusammengefaßt ist.
Der metallisierbare Träger 8 kann beispielsweise aus Keramikmaterial oder aus glasfaserverstärktem Kunststoffmaterial bestehen, oder aus einem beliebigen anderen Material, das ein Aufbringen von Leiterbahnen oder lötfähigen Materialien gestattet.
Der Halbleiter-Chip 15, der bei den Ausführungsbeispielen einen Drucksensor-Chip 17 bildet, verfügt an seiner dem Träger 8 zugewandten Chip-Oberseite 22 über zwei erste ringförmige Metallisierungen 18,18' und eine Mehrzahl insbesondere im Randbereich des Halbleiter-Chips 15 plazierte bondfähige Kontaktmetallisierungen 23. Ferner ist der Drucksensor-Chip 17 mit zwei nur schematisch angedeuteten Druckmembranen 25,25' ausgestattet, die jeweils innerhalb einer der beiden ersten ringförmigen Metallisierungen 18,18' plaziert sind.
Der Träger 8 verfügt an seiner aus 4 ersichtlichen Träger-Unterseite 14 über zwei bondfähige zweite ringförmige Metallisierungen 19, 19' und eine zweckmäßigerweise der Anzahl der Kontaktmetallisierungen 23 entsprechende Anzahl bondfähiger Kontakt-Pads 26.
Vorzugsweise die am Träger 8 vorgesehenen zweiten ringförmigen Metallisierungen 19,19' sind zweckmäßigerweise als Lotringe ausgeführt. Ferner verfügt der Träger 8 über mehrere zur Außenkontaktierung dienende elektrische Anschlüsse 27, die über geeignete Leiterzüge 28 mit den Kontakt-Pads 26 verbunden sind.
Die in 7 gezeigte Ausführungsform unterscheidet sich von denjenigen der 3 bis 6 dahingehend, daß der Drucksensor-Chip 17 mit nur einer Druckmembran 25 ausgestattet ist. Dementsprechend enthält er auch nur eine ringförmige Metallisierung, und der Träger 8 ist mit nur einer zugeordneten zweiten ringförmigen Metallisierung ausgestattet, die dem ersten Loch 12 zugeordnet ist. Die Wirkungsweise des gleichwohl vorhandenen zweiten Loches 12' wird später noch erläutert.
Der vorzugsweise unverkappte Halbleiter-Chip 15 ist mit dem Träger 8 in einem einzigen Verfahrensschritt durch direktes Chip-Bonden in Flip-Chip-Technologie zugleich elektrisch und mechanisch verbunden. Die Verbindung wäre beispielsweise als Leitklebung oder als andere leitfähige Bondung realisierbar, ist beim Ausführungsbeispiel aber als Lötverbindung ausgeführt. Beim Bonden werden der Träger 8 und der Halbleiter-Chip 5 einander derart zugeordnet, daß sich zum einen die ersten und zweiten ringförmigen Metallisierungen 18, 19, 18', 19' und zum anderen die Kontaktmetallisierungen 23 und Kontakt-Pads 26 paarweise gegenüberliegen. Bei dem anschließenden direkten Lötverfahren, der sogenannten Flip-Chip-Technologie, resultieren aus den Paaren von Kontaktmetallisierungen 23 und Kontakt-Pads 26 mehrere Kontakt-Bumps 32, die die elektrische Verknüpfung des Halbleiter-Chips 15 mit dem Träger 8 bewirken. über an die elektrischen Anschlüsse 27 angelötete, weiterführende elektrische Leiter 33 ist somit die elektrische Verbindung des Halbleiter-Chips mit einer Auswerteelektronik möglich.
Gleichzeitig mit der Herstellung der Kontakt-Bumps 32 vereinigen sich die Paare von ersten und zweiten ring förmigen Metallisierungen 18, 19; 18', 19' zu ringförmigen Bond-Dichtungen 34, 34', die beim Ausführungsbeispiel von ringförmigen Lotdichtungen gebildet sind und eine druckdichte Verbindung zwischen dem Halbleiter-Chip 15 und dem Träger 8 hervorrufen. Dabei werden beim Ausführungsbeispiel der 3 bis 6 die ersten und zweiten Löcher 12, 12' von jeweils einer der ringförmigen Bond-Dichtungen 34, 34' umgrenzt, und es liegt eine druckdichte Verbindung vom Halbleiter-Chip 15 bzw. der in diesem vorgesehenen Druckmembran 25, 25' zum betreffenden Loch 12, 12' vor. Beim Ausführungsbeispiel der 7 ergibt sich diese Verbindung nur zwischen dem ersten Loch 12 und der dieser zugeordneten ersten Druckmembran 25.
Nachdem die Funktionseinheit 16 hergestellt wurde, wird sie unmittelbar mit mindestens einem spritzgießfähigen Gehäusewerkstoff umspritzt, der das Gehäuse 35 des elektronischen Systems 6 bildet. In diesem Gehäuse 35 verlaufen ein oder mehrere, beim Ausführungsbeispiel ein erster und ein zweiter Mediumkanal 36, 36', die zu der Funktionseinheit 16 und dabei insbesondere zu deren Träger 8 führen, wobei sie einenends mit jeweils einem der Löcher 12, 12' kommunizieren und andernends insbesondere zur Außenfläche des Gehäuses 35 ausmünden. Auf diese Weise liegt schließlich eine medium- bzw. druckdichte Verbindung vom Halbleiter-Chip 15 über den von der zugeordneten ring förmigen Bond-Dichtung 34, 34' umschlossenen Zwischenraum 37, 37' und dem jeweils zugeordneten Loch 12, 12' zum betreffenden Mediumkanal 36, 36' vor. Da die Funktionseinheit 16 vom spritzgießfähigen Gehäusewerkstoff des Gehäuses 35 innig umschlossen wird, liegt eine feste und zugleich druckdichte Kapselung vor, die eine betriebssichere Fixierung der Funktionseinheit 16 bewirkt. Außerdem erübrigen sich aufwendige Montageschritte für ein separat gefertigtes und anschließend an die Funktionseinheit 16 angebautes Gehäuse. Der Gehäusewerkstoff kann die Funktionseinheit formschlüssig umschließen, so daß auf zusätzliche aufwendige mechanische Befestigungsmaßnahmen verzichtet werden kann. Dabei besteht auch die Möglichkeit, das Gehäuse 35 in Ein-Komponenten- oder in Mehrkomponenten-Bauweise auszuführen. Während die 3 bis 7 eine Bauform zeigen, bei der nur ein insbesondere von geeignetem Kunststoffmaterial gebildeter Gehäusewerkstoff verwendet wird, zeigt die 1 eine Variante, bei der eine die Funktionseinheit 16 unmittelbar umschließende innere Schicht 42 aus einem ersten Gehäusewerkstoff und eine die innere Schicht 42 außen umschließende äußere Schicht 43 aus einem zweiten Gehäusewerkstoff vorgesehen ist.
Durch die separate Ausgestaltung der beiden Mediumkanäle 36, 36' liegen zwei voneinander getrennte Verbindungen bzw. Anschlüsse 44, 44' zu den beim Ausführungsbeispiel der 3 bis 6 zwei Druckmembranen 25, 25' vor, was in vorteilhafter Weise die Erfassung von Relativ- und/oder Differenzdrücken gestattet. So kann beispielsweise über den ersten Anschluß 44 ein beispielsweise gasförmiges Meßmedium und über den zweiten Anschluß 44' ein zweites Meßmedium oder beispielsweise das Umgebungsmedium an den Drucksensor-Chip 17 herangeführt werden, um den anstehenden Differenzdruck oder Relativdruck zu messen. Die 1 zeigt in diesem Zusammenhang, daß es möglich ist, den Anschlüssen 44, 44' nach Bedarf eine Filtereinrichtung 45 zuzuordnen, die man zweckmäßigerweise in den betreffenden Mediumkanal 44, 44' integriert.
Die 3 und 6 machen deutlich, daß zur Kompensation von mechanischem Streß bei Bedarf zwischen dem Halbleiter-Chip 15 und dem Träger 8 ein Underfiller 46 appliziert werden kann. Ferner ist aus 3 ersichtlich, daß bei Bedarf auf der Oberfläche des Halbleiter-Chips 15, insbesondere an dessen Träger-Oberseite 47, ein oder mehrere zusätzliche elektronische Bauelemente 48 plaziert werden können.
Die 7 zeigt die Ausführungsform eines relativ- oder differenzdruckfähigen Systems mit nur einer Druckmembran 25. Hier verfügt der Drucksensor-Chip 17 auf der der Bond-Dichtung 34 entgegengesetzten Seite der Druckmembran 25 über einen zur Chip-Unterseite 52 offenen Druchbruch 53, und es ist die Funktionseinheit 16 durch einen beispielsweise kastenähnlichen Abdeckkörper 54 ergänzt, der derart an der Träger-Unterseite 14 insbesondere durch Bonden fixiert ist, daß er den Drucksensor-Chip 17 unter Belassung einer Mediumkammer 55 umschließt. Der Drucksensor-Chip 17 ist somit von der Kombination aus Träger 8 und Abdeckkörper 54 komplett umhüllt, wobei der Abdeckkörper 54 einen festen Bestandteil der Funktionseinheit 16 darstellt, der nach der Flip-Chip-Verbindung von Halbleiter-Chip 15 und Träger 8 an letzterem befestigt wird, bevor das Gehäuse 35 angeformt wird.
Der Abdeckkörper 54 ist so ausgebildet und angeordnet, daß die von ihm begrenzte Mediumkammer 55 zum einen mit dem Durchbruch 53 und zum andern mit dem zweiten Loch 12' des Trägers 8 kommuniziert. Auf diese Weise läßt sich die einzige Druckmembran 25 auf ihrer Oberseite über den ersten Mediumkanal 36 mit einem ersten Medium und auf ihrer entgegengesetzten Unterseite über den zweiten Mediumkanal 36' mit einem zweiten Medium beaufschlagen, was eine unmittelbare Erfassung eines Differenz- oder Relativdruckes gestattet. Gleichwohl ist auch hier die vorteilhafte Möglichkeit gegeben, das Gehäuse 35 in Gießtechnik unmittelbar durch Anformen an die Funktionseinheit 16 herzustellen.
Es versteht sich, daß der Drucksensor-Chip 17 auch so ausgeführt werden kann, daß eine Absolutdruckmessung möglich ist, in welchem Falle wiederum eine einzige Druckmembran ausreicht.
Bei den Ausführungsformen der 6 und 7 ist vorgesehen, daß die Mediumkanäle 36, 36' unmittelbar beim Spritzgießen des Gehäuses 35 ausgebildet werden, so daß die Kanalwände unmittelbar vom Gehäusewerkstoff gebildet sind. Bei den Ausführungsbeispielen der 1 bis 5 ist hingegen nur ein Mediumkanal 36' auf diese Weise gefertigt, während der andere, vorliegend der erste Mediumkanal 36, von einem separaten Adaptionsteil 56 definiert wird, das beim Anspritzen des Gehäuses 35 in den Gehäusewerkstoff eingebettet und von diesem umspritzt wurde. Die Verwendung eines solchen Adaptionsteils 56 hat den Vorteil, daß man die Kanalverläufe vorab durch geeignete Fertigung des betreffenden Adaptionsteils vorgeben kann und hernach nurmehr die Integration in das Gehäuse 35 notwendig ist. Im Vergleich dazu hat die unmittelbar in den Gehäusewerkstoff integrierte Bauform der Mediumkanäle den Vorteil einer Reduzierung separater Herstellungsvorgänge.
Das Adaptionsteil 56 wird zweckmäßigerweise vor dem Anformen des Gehäuses 35 an dem Träger 8 befestigt, und zwar derart, daß die innere Mündung des in ihm verlaufenden Mediumkanals 36 mit dem zugeordneten Loch 12 des Trägers 8 fluchtet. Das Adaptionsteil 56 kann während des Umspritzens des Gehäuses 35 durch geeignete externe Haltevorrichtungen fixiert werden, doch ist es auch möglich, das Adaptionsteil 56 vor dem nachfolgenden Gießverfahren am Träger 8 festzulegen, beispielsweise durch Kleben, Löten oder ein sonstiges Bondverfahren.
Es versteht sich, daß bei Bedarf sämtliche Mediumkanäle in einem Adaptionsteil vorgesehen werden können, wobei mehrere Mediumkanäle in getrennten Adaptionsteilen oder in einem gemeinsamen Adaptionsteil ausgebildet sein können.
Mit dem erfindungsgemäßen elektronischen System und dem zu seiner Herstellung geeigneten Verfahren lassen sich beispielsweise miniaturisierte Relativdruck-Sensoren mit piezoresistiven oder kapazitiven Drucksensor-Chips herstellen. Allgemein lassen sich auch sonstige Drucksensoren, Gassensoren oder Flußsensoren auf diese Weise realisieren. Dabei ist zu betonen, daß keine Beschränkung auf Sensorsysteme vorliegt, da sich auch Aktuatorsysteme beispielsweise in Gestalt miniaturisierter Pumpsysteme oder Ventilsysteme realisieren lassen.
Weitere Vorteile des erläuterten Verfahrens und der daraus resultierenden elektronischen Systeme bestehen darin, daß verfahrensseitig die Kontaktierung und Montage kostengünstig in einem Prozeßschritt erfolgen kann und erzeugnismäßig eine hohe funktionelle Zuverlässigkeit und ein einfacher Schutz der elektrischen Anschlüsse erreicht werden kann, wobei sich Schutzmaßnahmen für Drahtbondanschlüsse erübrigen.
Die Bondverbindung zwischen Halbleiter-Chip 15 und Träger 8 könnte anstelle einer Lötverbindung auch als andere leitfähige Verbindung ausgeführt werden, beispielsweise unter Verwendung eines leitfähigen Klebers (Leitkleber).
Ist das elektronische System aus mehreren Werkstoffkomponenten aufgebaut, kann die die Funktionseinheit enthaltende Schicht bei Bedarf auch lichtleitende Eigenschaften haben, um eine LED-Anzeige zu ermöglichen.

Claims

Verfahren zur Herstellung miniaturisierter elektronischer Systeme wie Sensor- und/oder Aktuatorsysteme, bei dem ein bondfähiger Halbleiter-Chip (15) mit einem mindestens ein Loch (12, 12') aufweisenden metallisierten Träger (8) in einem Verfahrensschritt durch direktes Chip-Bonden in Flip-Chip-Technologie zugleich elektrisch und mechanisch zu einer Funktionseinheit (16) verbunden wird, wobei mindestens eine bondfähige Kontaktmetallisierung (23) des Halbleiter-Chips (15) mit einem bondfähigen Kontakt-Pad (24) des metallisierten Trägers (8) kontaktiert wird, und bei dem zwischen dem metallisierten Träger (8) und dem Halbleiter-Chip (15) eine mindestens ein Loch (12, 12') des metallisierten Trägers (8) umgrenzende druckdichte Verbindung hergestellt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Funktionseinheit (16) in einem sie umschließenden Gehäuse (35) untergebracht wird, in dem mindestens ein zu mindestens einem Loch (12, 12') des metallisierten Trägers (8) führender und über das betreffende Loch (12, 12') mit dem Halbleiter-Chip (15) in druckdichter Verbindung stehender Mediumkanal (36, 36') verläuft, wobei das Gehäuse (35) durch unmittelbares Umspritzen der Funktionseinheit (16) mit mindestens einem spritzgießfähigen Gehäusewerkstoff her gestellt wird, und daß für die Funktionseinheit (16) ein mit mindestens einer bondfähigen ersten ringförmigen Metallisierung (18) versehener Halbleiter-Chip (15) und ein mindestens eine bondfähige zweite ringförmige Metallisierung (19) aufweisender metallisierter Träger (8) verwendet wird, derart, daß bei dem elektrisch-mechanischen Verbindungsschritt die mindestens einem Loch (12, 12') zugeordnete druckdichte Verbindung zwischen dem metallisierten Träger (8) und dem Halbleiter-Chip (15) durch mindestens eine bei der Bondung eines Paares einander zugeordneter erster und zweiter ringförmiger Metallisierungen (18, 19) entstehenden ringförmigen Bond-Dichtung (34, 34') gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Mediumkanal (36, 36') unmittelbar beim Anspritzen des Gehäuses (35) an die Funktionseinheit (16) ausgebildet wird, so daß er vom Gehäusewerkstoff definiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß beim Anspritzen des Gehäuses (35) an die Funktionseinheit (16) mindestens ein wenigstens einen Mediumkanal (36) definierendes Adaptionsteil (56) in den Gehäusewerkstoff eingebettet wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Adaptionsteil (56) vor dem Anformen des Gehäuses (35) an dem Träger (8) befestigt wird, beispielsweise durch Kleben, Löten oder ein sonstiges Bondverfahren.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (35) in Zwei-Komponenten-Bauweise aus zwei Gehäusewerkstoffen hergestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Träger (8) und dem Halbleiter-Chip (15) ein Underfiller (46) plaziert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Halbleiter-Chip (15) ein Drucksensor-Chip (17) verwendet wird, der wenigstens eine Druckmembran (25, 25') aufweist, die sich nach dem elektrisch-mechanischen Verbindungsschritt in dem von einer ringförmigen Bond-Dichtung (34, 34') umgrenzten Bereich befindet.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Schaffung eines zur Erfassung von Relativ- und/oder Differenzdrücken geeigneten Sensorsystems ein Drucksensor-Chip (17) mit zwei Druckmembranen (25, 25') verwendet wird, denen jeweils ein Loch (12, 12') im Träger (8) und ein im Gehäuse (35) verlaufender Mediumkanal (36, 36') zugeordnet wird.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur Schaffung eines zur Erfassung von Relativ- oder Differenzdrücken geeigneten Systems ein nur eine Druckmembran (25) aufweisender Drucksensor-Chip (17) verwendet wird, der auf der der ersten ringförmigen Metallisierung (18) entgegengesetzten Seite der Druckmembran (25) einen zu seiner Unter seite offenen Durchbruch (53) aufweist, wobei die Funktionseinheit (16) vor dem Anspritzen des Gehäuses (35) durch einen den Drucksensor-Chip (17) mit Abstand druckdicht umschließenden Abdeckkörper (54) ergänzt wird, den man durch Bonden so an der Träger-Unterseite (14) festlegt, daß zwischen ihm und dem Drucksensor-Chip (17) eine Mediumkammer (55) definiert wird, die sowohl mit dem Durchbruch (53) des Drucksensor-Chips (17) als auch mit einem mit einem Mediumkanal (36') des Gehäuses (35) kommunizierenden weiteren Loch (12') des Trägers (8) kommuniziert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß man die Bondverbindung zwischen Halbleiter-Chip (15) und Träger (8) als Lötverbindung ausführt, so daß sich als ringförmige Bond-Dichtung (34, 34') eine Lotdichtung ergibt, oder mittels eines Leitklebers oder als andere leitfähige Verbindung.
Miniaturisiertes elektronisches System, insbesondere Sensor- und/oder Aktuatorsystem, mit einer Funktionseinheit (16), die einen mindestens ein Loch (12, 12') aufweisenden metallisierten Träger (8) und einen Halbleiter-Chip (15) enthält, die durch direktes Chip-Bonden in Flip-Chip-Technologie über mindestens einen Kontakt-Bump (32) sowohl mechanisch als auch elektrisch verbunden sind, wobei der Kontakt-Bump (32) aus einer bondfähigen Kontaktmetallisierung (23) des Halbleiter Chips (15) und einem bondfähigen Kontakt-Pad (26) des Trägers (8) gebildet ist, und mit einer mindestens ein Loch (12, 12') des metallisierten Trägers (8) umgrenzenden druck dichten Verbindung zwischen dem metallisierten Träger (8) und dem Halbleiter-Chip (15), dadurch gekennzeichnet, daß die Funktionseinheit (16) in einem sie umschließenden Gehäuse (35) untergebracht ist, in dem mindestens ein zu mindestens einem Loch (12, 12') des metallisierten Trägers (8) führender und über das betreffende Loch (12, 12') mit dem Halbleiter-Chip (15) in druckdichter Verbindung stehender Mediumkanal (36, 36') verläuft, wobei das Gehäuse (35) aus unmittelbar an die Funktionseinheit (16) angespritztem Gehäusewerkstoff besteht, und daß die ein Loch (12, 12') umgrenzende druckdichte Verbindung zwischen dem metallisierten Träger (8) und dem Halbleiter-Chip (15) von mindestens einer beim direkten Chip-Bonden hergestellten ringförmigen Bond-Dichtung (34, 34') aus einer am Halbleiter-Chip (15) vorgesehenen ersten ringförmigen Metallisierung (18) und einer am metallisierten Träger (8) vorgesehenen, das betreffende Loch (12, 12') umgebenden zweiten ringförmigen Metallisierung (19) gebildet ist.
Miniaturisiertes elektronisches System nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Mediumkanal (36, 36') unmittelbar im Gehäusewerkstoff des angespritzten Gehäuses (35) ausgebildet ist.
Miniaturisiertes elektronisches System nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Mediumkanal (36) in einem in den Gehäusewerkstoff des Gehäuses (35) eingebetteten Adaptionsteil (56) ausgebildet ist, das zweckmäßigerweise durch Bonden am Träger (8) fixiert ist.
Miniaturisiertes elektronisches System nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (35) einen Zwei-Komponenten-Aufbau hat, wobei es eine die Funktionseinheit (16) unmittelbar umschließende innere Schicht (42) aus einem ersten Gehäusewerkstoff und eine die innere Schicht (42) umschließende äußere Schicht (43) aus einem zweiten Gehäusewerkstoff aufweist.
Miniaturisiertes elektronisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Halbleiter-Chip (15) und dem Träger (8) ein Underfiller (46) angeordnet ist.
Miniaturisiertes elektronisches System nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiter-Chip (15) ein Drucksensor-Chip (17) ist, der mindestens eine in dem von einer ringförmigen Bond-Dichtung (34, 34') umgrenzten Bereich angeordnete Druckmembran (25, 25') aufweist, die über das zugeordnete Loch (12, 12') mit einem Mediumkanal (36, 36') des Gehäuses (35) in Verbindung steht.
Miniaturisiertes elektronisches System nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Drucksensor-Chip (17) zwei separate, jeweils einer Bond-Dichtung (34, 34') und einem Loch (12, 12') des Trägers (8) zugeordnete Druckmembranen (25, 25') aufweist, die mit getrennten ersten und zweiten Mediumkanälen (36, 36') des Gehäuses (35) in Verbindung stehen.
Miniaturisiertes elektronisches System nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Drucksensor-Chip (17) eine Druckmembran (25) enthält, auf deren der Bond-Dichtung (34) entgegengesetzten Seite er einen zu seiner Unterseite offenen Durchbruch (53) aufweist, wobei die Funktionseinheit (16) einen den Drucksensor-Chip (17) unter Bildung einer mit dem Durchbruch (53) kommunizierenden Mediumkammer (55) umschließenden und am Träger (8) festgelegten Abdeckkörper (54) aufweist und wobei die der Bond-Dichtung (34) zugewandte Seite der Druckmembran (25) mit einem ersten Mediumkanal (36) des Gehäuses (35) und die Mediumkammer (55) über ein weiteres Loch (12') des Trägers (8) mit einem separaten zweiten Mediumkanal (36') des Gehäuses (35) in Verbindung steht.
Miniaturisiertes elektronisches System nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, daß der eine Mediumkanal (36) zur Zuführung eines Meßmediums und der zweite Mediumkanal (36') zur Zuführung eines Umgebungsmediums und/oder eines zweiten Meßmediums vorgesehen ist.
Miniaturisiertes elektronisches System nach einem der Ansprüche 11 bis 19, gekennzeichnet durch auf dem Träger (8) angeordnete elektrische Anschlüsse (27) mit Leiterzügen (28) zu den Kontakt-Bumps (32).
Miniaturisiertes elektronisches System nach einem der Ansprüche 11 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß der metalli sierte Träger (8) aus Keramikmaterial oder aus glasfaserverstärktem Kunststoffmaterial besteht.
Miniaturisiertes elektronisches System nach einem der Ansprüche 11 bis 21, gekennzeichnet durch seine Verwendung als Aktuatorsystem, beispielsweise in Gestalt eines Ventil- oder Miniaturpumpsystems, oder durch seine Verwendung als Sensorsystem, beispielsweise als Druck-, Gas- oder Flußsensorsystem.