MIKROELEKTROMECHANISCHER DRUCKSENSOR UND VERFAHREN ZU SEINER HERSTELLUNG Die Erfindung betrifft ein mikroelektromechanisches Bauteil und ein Verfahren zu seiner Herstellung. Das mikroelektrome- chanische Bauteil weist einen Halbleiterchip mit einem druck- empfindlichen Bereich auf. Der Halbleiterchip ist in einem vorgefertigten, einseitig offenen Hohlraumgehäuse angeordnet, wobei sein druckempfindlicher Bereich dem Außendruck durch das vorgefertigte einseitig offene Hohlraumgehäuse ausgesetzt werden kann.

Ein derartiges elektronisches Bauteil ist aus der Druck- schrift DE 42 03 832-A bekannt. Der bekannte Halbleitersensor ist in einer äußeren Umhüllung aus Epoxidharz eingebettet, wobei der druckempfindliche Bereich in Form einer Membran auf der aktiven Oberseite des Halbleiters frei zugänglich ist.

Der gesamte Halbleiterchip ist auf einem Träger, der eben- falls in die Umhüllung eingegossen ist, angeordnet. Ein der- artiger Sensor hat den Nachteil, dass er in aggressiven Medi- en nicht einsetzbar ist, zumal die druckempfindliche Fläche des Halbleiterchips ungeschützt der Umgebung ausgesetzt ist.

Ein weiteres mikroelektromechanisches Bauteil ist aus der Druckschrift US 6,401, 545 B1 bekannt, bei dem der druckemp- findliche Bereich des Halbleiterchips durch eine gummielasti- sche Abdeckung vor Beschädigungen und aggressiven Medien ge- schützt wird. Eine derartige Lösung hat jedoch den Nachteil, dass diese Abdeckung den gesamten Hohlraum eines Hohlraumge- häuses abdeckt, und dass bei hohen Druckwechseln die gummie- lastische Schicht dazu neigt zu reißen und Luftblasenein-

schlüsse zu bilden. Diese Luftblaseneinschlüsse verschlech- tern die Sensitivität des druckempfindlichen Bereichs und die Gesamtstabilität des Sensors.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein mikroelektromechanisches Bauteil anzugeben, bei dem die Luftblasenbildung unter extre- men Betriebsbedingungen, wie hohen Druckwechseln, vermindert wird und die Sensitivität über die gesamte Lebensdauer des mikroelektromechanischen Bauteils ohne Degradation erhalten bleibt.

Gelöst wird diese Aufgabe mit dem Gegenstand der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Erfindungsgemäß wird ein mikroelektromechanisches Bauteil an- gegeben, das einen Halbleiterchip mit einem druckempfindli- chen Bereich auf seiner aktiven Oberseite aufweist. Der druk- kempfindliche Bereich ist von einer gummielastischen Schicht bedeckt, während außerhalb des druckempfindlichen Bereichs Kontaktflächen auf der aktiven Oberseite des Halbleiterchips angeordnet sind.

Darüber hinaus weist das mikroelektromechanische Bauteil ein vorgefertigtes, einseitig offenes Hohlraumgehäuse mit elek- trischen Verbindungen zwischen Außenanschlüssen des Bauteils und den Kontaktflächen des Halbleiterchips auf. Diese elek- trischen Verbindungen werden beim Fertigen des Hohlraumgehäu- ses, das heißt beim Spritzgießen der Seitenwände des Hohl- raumgehäuses, in diese mit eingegossen. Dieses Eingießen er- folgt in der Weise, dass sich nach außen Außenanschlüsse er- strecken und dass nach innen zum Hohlraum hin Teilbereiche der elektrischen Verbindungen in Form von Kontaktanschluss-

flächen vorhanden sind. Eine gummielastische Abdeckung, wel- che die Oberseite des Halbleiterchips, Teilbereiche der elek- trischen Verbindungen im Inneren des Hohlraumgehäuses und In- nenseiten des Hohlraumgehäuses abdeckt, ist in dem einseitig offenen Hohlraumgehäuse über dem Halbleiterchip angeordnet.

Um zu vermeiden, dass sich in der gummielastischen Abdeckung Luftblasen und Risse bilden, insbesondere bei hohen Beschleu- nigungsbeanspruchungen, ist dieser Bereich des mikroelektro- mechanischen Bauteils mit einer steifen Kunststoffumhüllung bedeckt, die nicht nur die gummielastische Abdeckung schützt, sonder auch die Außenseiten des vorgefertigten Hohlraumgehäu- ses abdeckt.

Lediglich eine Öffnung, deren Größe dem druckempfindlichen Bereich entspricht, ist in der Kunststoffumhüllung freigehal- ten und weist eine Öffnungsstiefe auf, so dass der druckemp- findliche Bereich des Halbleiterchips lediglich von einer dünnen, gummielastischen Schicht bedeckt bleibt. Derartige dünne, gummielastische Schichten neigen nicht zur Bildung von Luftblasen und gewährleisten eine sichere Funktion des druck- empfindlichen Bereichs auch bei höchsten Belastungen. Die gummielastische Schicht weist somit eine geringere Dicke auf, als die gummielastische Abdeckung und die Größe der gummiela- stischen Schicht entspricht der Größe der Öffnung in der Kunststoffumhüllung und der Größe des druckempfindlichen Be- reichs des Halbleiterchips.

Diese aufeinander abgestimmten Größen und Dicken verbessern die Lebensdauer des druckempfindlichen Halbleiterchips und damit auch die Lebensdauer des mikroelektromechanischen Bau- teils. Dabei wirkt die Kunststoffumhüllung wie eine Klammer, die eine hohe Formstabilität gewährleistet und die gummiela-

stische Abdeckung formstabil umschließt. Damit wird ein mi- kroelektromechanisches Bauteil realisiert, das im Prinzip ei- ne doppelwandige Hohlraumform aufweist, wobei lediglich eine Öffnung in dieser doppelwandigen Hohlraumform dem zu messen- den Medium ausgesetzt wird, und zwar in exakt der Größe, die dem Sensorbereich des Halbleiterchips entspricht.

Um die Drucksignale von dem Sensorbereich des Halbleiterchips an die Außenanschlüsse zu transportieren, weist der Halblei- terchip, auf seiner aktiven Oberseite, Kontaktflächen auf, die über Bonddrähte zu Teilbereichen in Form von Kontaktan- schlussflächen der elektrischen Verbindungen führen, welche durch die Doppelwand des Hohlraumgehäuses mit Umhüllung hin- durchgehen und mit Außenanschlüssen elektrisch verbunden sind.

Zur Verankerung des Hohlraumgehäuses in der Kunststoffumhül- lung weist das vorgefertigte Hohlraumgehäuse auf seinen Au- ßenseiten, Verankerungselemente auf. Die Verankerungselemente sind formschlüssig mit der Kunststoffumhüllung verzahnt, so dass ein sicherer Sitz des vorgefertigten Hohlraumgehäuses in der Kunststoffumhüllung gewährleistet bleibt. Während das vorgefertigte Hohlraumgehäuse und die Kunststoffumhüllung aus einem Epoxidharz hergestellt sind, weist die gummielastische Abdeckung und die gummielastische Schicht einen Silikongummi beziehungsweise ein Silikongel auf, das einen in der Öffnung der Kunststoffumhüllung anstehenden Druck auf den druckemp- findlichen Bereich auf der aktiven Oberseite des Halbleiter- chips spannungsfrei überträgt.

Über entsprechende Leiterbahnen vom druckempfindlichen Be- reich, zu außerhalb des Druckbereichs angeordneten Kontakt- flächen, werden die Sensorsignale über Bonddrähte auf die

elektrischen Verbindungen zu den Außenanschlüssen geführt.

Das erfindungsgemäße mikroelektromechanische Bauteil hat den Vorteil einer erhöhten Lebensdauer und wird selbst bei hohen Druckwechseln, sowie bei hohen Beschleunigungskräften nicht beschädigt.

Ein Verfahren zur Herstellung eines mikroelektromechanischen Bauteils mit einem druckempfindlichen Halbleiterchip weist die nachfolgenden Verfahrensschritte auf. Zunächst wird ein Halbleiterchip mit einem druckempfindlichen Bereich auf sei- ner aktiven Oberseite und mit Kontaktflächen außerhalb des druckempfindlichen Bereichs bereitgestellt. Außerdem wird ein einseitig offenes Hohlraumgehäuse mit Seitenwänden und einem Hohlraumboden spritzgegossen. In die Spritzgussform für das Hohlraumgehäuse werden elektrische Durchführungen eingelegt, die Außenanschlüsse und innere Kontaktanschlussflächen auf- weisen und in die Seitenwände des Hohlraumgehäuses beim Spritzgießen mit eingegossen werden. Anschließend wird der Halbleiterchip auf dem Hohlraumboden angeordnet und fixiert, wobei druckfeste Klebstoffschichten zum Einsatz kommen. Nach dem Fixieren des druckempfindlichen Halbleiterchips auf dem Hohlraumboden werden elektrische Verbindungen zwischen den Kontaktanschlussflächen des Hohlraumgehäuses und den Kontakt- flächen des Halbleiterchips hergestellt. Dieses kann durch Einbringen von Bondverbindungen erfolgen.

Nach dem elektrischen Verdrahten des Halbleiterchips in dem Hohlraumgehäuse wird eine gummielastische Abdeckmasse in das Hohlraumgehäuse unter Auffüllen des Hohlraums mit einer Ab- deckung eingebracht. Diese Abdeckung bettet sowohl die Bond- verbindungen als auch den Halbleiterchip mit seinem druckemp- findlichen Bereich in die Abdeckmasse ein, die vorzugsweise ein Silikongel aufweist. Danach wird das Hohlraumgehäuse mit

Abdeckmasse in eine geöffnete Spritzgussform unter Beibehal- tung eines Abstands zu den Innenseiten der-Spritzgussform eingebaut.

Die Spritzgussform weist einen Stempel zum Eintauchen in die gummielastische Abdeckmasse auf. Dieser Stempel ist derart angeordnet, dass er beim Eintauchen in die gummielastische Abdeckmasse den druckempfindlichen Bereich des Halbleiter- chips abdeckt, jedoch einen Abstand zu diesem druckempfindli- chen Bereich einhält. Beim Schließen der Spritzgussform bil- det sich, somit einem dem Abstand entsprechende, gummielasti- sche Schicht zwischen dem Stempel und dem druckempfindlichen Bereich des Halbleiterchips. Die Dicke dieser gummielasti- schen Schicht entspricht dem Abstand zwischen Stempel und druckempfindlichen Bereich und ist somit dünner als die gum- mielastische Abdeckung auf dem übrigen Halbleiterchipbereich, sowie in dem verbliebenen Hohlraum des vorgefertigten Hohl- raumgehäuses. Nach dem Schließen der Spritzgussform wird eine Kunststoffmasse als Kunststoffumhüllung in die Spritzgussform eingelassen. Dabei werden die Außenseiten des vorgefertigten Hohlraumgehäuses und die gummielastische Abdeckung von der Kunststoffmasse umhüllt. Es bildet sich im Bereich des Stem- pels eine Öffnung zu der gummielastischen Schicht auf dem druckempfindlichen Bereich des Halbleiterchips aus. Nach ei- nem Aushärten der Kunststoffumhüllung unter thermischer Be- handlung des Epoxidharzes der Kunststoffumhüllung wird die Spritzgussform auseinandergefahren und das fertige mikroelek- tromechanische Bauteil kann der Spritzgussform entnommen wer- den.

Zusammenfassend ist festzustellen, dass das mikroelektrome- chanisch Bauteil entsprechend der Erfindung ein doppeltes Ge- häuse aufweist, nämlich ein vorgefertigtes Hohlraumgehäuse

und eine dieses Hohlraumgehäuse und den mit Gel aufgefüllten Hohlraum umschließende Kunststoffumhüllung. Der mit Gel auf- gefüllte Hohlraum dient als Spannungspuffer, das heißt auf den Halbleiterchip wirken keine mechanischen Vorspannungen.

Die Kunststoffumhüllung dient dem Schutz gegen äußere mecha- nische Einflüsse und schützt insbesondere die gummielasti- sche, gelartige Abdeckmasse vor Luftblasenbildung, Rissbil- dung und chemomechanischer Zersetzung.

Des weiteren ist festzustellen, dass die beiden Gehäuse in- einander mechanisch fest verankert sind, zumal die Außensei- ten des Hohlraumgehäuses Ankerelemente aufweisen, welche in die Kunststoffumhüllung eingegossen sind. Schließlich wird beim Spitzgießen durch den Stempel eine Öffnung erzeugt, die einerseits in ihrer Größe dem druckempfindlichen Bereich des Halbleiterchips entspricht und andererseits eine Gelschicht- dicke unmittelbar über der druckempfindlichen Membran her- stellt, die stark reduziert ist und somit bei hohen Beschleu- nigungen keine Signalverfälschung bewirkt, wie es unter Bei- behaltung der Dicke der Abdeckmasse auftreten würde.

Die Erfindung wird nun anhand der beigefügten Figuren näher erläutert.

Figur 1 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein mi- kroelektromechanisches Bauteil einer Ausführungs- form der Erfindung, Figur 2 zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine geöffnete Spritzgussform mit eingesetztem mikro- elektromechanischen Bauteil mit einem Hohlraumge- häuse und gummielastischer Silikongel-Abdeckung,

Figur 3 zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine wgeschlossene Spritzgussform gemäß Figur 2 einem Einspritzen einer Kunststoffumhüllung, Figur 4 zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine geschlossene Spritzgussform gemäß Figur 3 nach Ein- spritzen der Kunststoffumhüllung, Figur 5 zeigt einen schematischen Querschnitt des mikro- elektromechanischen Bauteils nach Entnahme aus der Spritzgussform gemäß Figur 4.

Figur 1 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein mi- kroelektromechanisches Bauteil 1 einer Ausführungsform der Erfindung. Dieses mikroelektromechanische Bauteil weist zwei ineinander geschachtelte Gehäuse auf. In einem äußeren Be- reich besitzt es als äußeres Gehäuse eine Kunststoffumhüllung 12 aus einem Epoxidharz und darin eingebettet als inneres Ge- häuse ein Hohlraumgehäuse 7. Das Hohlraumgehäuse 7 ist ein- stückig und weist Hohlraumwände 16 und einen Hohlraumboden 17 auf.

Der Hohlraum des Hohlraumgehäuses 7 ist mit einem gummiela- stischen Silicongel aufgefüllt. In diesem Silicongel ist der Halbleiterchip 2 spannungsfrei mit seinem druckempfindlichen Bereich 3 eingebettet. Das Silicongel bildet eine gummiela- stische Abdeckung 10, die im druckempfindlichen Bereich 3 des Halbleiterchips 2 auf eine gummielastische Schicht 5 redu- ziert ist. Die Dicke der gummielastischen Schicht ist gerin- ger, als die Dicke der gummielastischen Abdeckung 10. Die Größe der gummielastischen Schicht 5 entspricht der Größe des druckempfindlichen Bereichs 3 auf der aktiven Oberseite 4 des Halbleiterchips 2. Außerdem korrespondiert die Größe der gum-

mielastischen Schicht 5 mit der Größe einer Öffnung 14 in der Kunststoffumhüllung 12.

Über diese auf die Größe des druckempfindlichen Bereichs 3 reduzierten Öffnung, in dem sonst nach oben hin offenen Hohl- raumgehäuse 7, kann ein Druckaustausch zwischen der Umgebung und dem druckempfindlichen Bereich 3 spannungsfrei stattfin- den, da der Halbleiterchip auf seiner gesamten Oberseite eine gummielastische Abdeckschicht 10 aufweist. Die gummielasti- sche Abdeckung bedeckt teilweise aud die Innenseiten 11 des Hohlraumgehäuses 7. Durch die Verminderung der Dicke der Ab- deckung 10 auf die Dicke der gummielastischen Schicht 5 ist die Wahrscheinlichkeit einer Beschädigung durch Risse oder Blasenbildung in der Schicht 5 bei Belastungen durch hohe Be- schleunigungen vermindert.

Durch die starre Kunststoffumhüllung wird darüber hinaus er- reicht, dass sich auch in der gummielastischen Abdeckschicht keine Blasen bilden, welche die Empfindlichkeit des Sensors vermindern und eine Ursache für Signalverfälschungen sind.

Der druckempfindliche Bereich 3 erzeugt ein Drucksignal, das über Leiterbahnen auf der aktiven Oberseite 4 des Halbleiter- chips 2 zu den Kontaktflächen 6 in einem Bereich außerhalb des druckempfindlichen Bereichs übertragen wird. Von dort werden die Seusorsignale über führen Bondverbindungen 23 zu Kontaktanschlussflächen 19 der elektrischen Verbindungen 8 über Durchführungen 18 zu Außenanschlüssen 9 des mikroelek- tromechanischen Bauteils 1 geführt. Um ein sicheres Bonden zu gewährleisten, sind die Kontaktanschlussflächen 19 auf einem sockelartigen Vorsprung im Inneren des Hohlraumgehäuses 7 an- geordnet und mit einer bondbaren Schicht bedeckt. Das Hohl- raumgehäuse 7 mit den elektrischen Verbindungen 8 wird ein- stückig in einem einzigen Spritzguss-Schritt gegossen. In ei-

nem weiteren Spritzguss-Schritt wird dann nach Aufbringen der gummielastischen Abdeckung die Kunststoffumhüllung aufge- bracht. Mit Hilfe von Verankerungselementen 15 auf den Außen- seiten 13 des Hohlraumgehäuses 7 werden Hohlraumgehäuse 7 und Kunststoffumhüllung 12 miteinander verankert. Bis auf die Öffnung 14 deckt die Kunststoffumhüllung 12 auch die gummie- lastische Abdeckung 10 im Hohlraum des Hohlraumgehäuses 7 ab, so dass die Abdeckmasse der gummiartigen Abdeckung 10 vor Be- schädigungen wie Blasenbildung und/oder Rissbildung geschützt bleibt.

Figur 2 zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine ge- öffnete Spritzgussform 20 mit eingesetztem mikroelektromecha- nischen Bauteil 1 mit einem Hohlraumgehäuse 7 und gummiarti- ger Silikongel-Abdeckung 10. Diese Spritzgussform 20 weist eine erste Moldwerkzeughälfte 24 auf, in die das Hohlraumge- häuse 7 mit Hilfe der Außenanschlüsse 9 eingehängt und ausge- richtet werden kann. Dabei verbleibt ein Zwischenraum 25 zwi- schen dem Hohlraumgehäuse 7 und den Innenseiten 21 der ersten Moldwerkzeughälfte 24. Darüber hinaus weist die Spritzguss- form 20 eine zweite Moldwerkzeughälfte 26 auf, die einen Stempel 22 besitzt, der bei geöffneter Spritzgussform 20 über der gummielastischen Abdeckung 10 angeordnet ist und einen Querschnitt aufweist, welcher der Größe des druckempfindli- chen Bereichs 3 des Halbleiterchips 2 entspricht. Dieser Stempel 22 ist auf den druckempfindlichen Bereich 3 ausge- richtet.

Figur 3 zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine ge- schlossene Spritzgussform 20 gemäß Figur 2 vor einem Ein- spritzen einer Kunststoffumhüllung. Bei dem Zusammenfahren der beiden Moldwerkzeughälften 24 und 26 dringt der Stempel 22 in die gummielastische Abdeckung 10 ein und verdrängt die-

se bis auf eine gummielastische Schicht 5 über dem druckemp- findlichen Bereich 3 des Halbleiterchips 2. Bei geschlossener Spritzgussform 20 bildet sich ein Zwischenraum 25 zwischen den Innenwänden 21 der Spritzgussform 20 und dem Hohlraumge- häuse 7 mit gummielastischer Abdeckung 10, der in einem wei- teren Verfahrensschritt mit einer Kunststoffumhüllung aufge- füllt wird.

Figur 4 zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine ge- schlossene Spritzgussform 20 gemäß Figur 3 nach Einspritzen der Kunststoffumhüllung 12. Bei dem Einspritzen der Kunst- stoffumhüllung 12 entsteht gleichzeitig, aufgrund des Stem- pels 22 der zweiten Moldwerkzeughälfte 26, eine Öffnung in der Kunststoffumhüllung 12, die aufgrund der Länge des Stem- pels 22 durckempfindlichen Bereich 3 des Halbleiterchips 2 reicht.

Figur 5 zeigt einen schematischen Querschnitt durch das mi- kroelektromechanische Bauteil 1 nach Entnahme aus der Spritz- gussform 20 gemäß Figur 4, wobei nun die Kunststoffumhüllung 12 das Bauteil 1 vollständig bis auf die Öffnung 14 und die Außenanschlüsse 9 umschließt, wobei lediglich eine dünne gum- mielastische Schicht 5 nach Abzug des Stempels auf dem druck- empfindlichen Bereich 3 des Halbleiterchips 2 verbleibt.