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DE102018222781A1 - Drucksensoranordnung - Google Patents

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DE102018222781A1
DE102018222781A1 DE102018222781.0A DE102018222781A DE102018222781A1 DE 102018222781 A1 DE102018222781 A1 DE 102018222781A1 DE 102018222781 A DE102018222781 A DE 102018222781A DE 102018222781 A1 DE102018222781 A1 DE 102018222781A1
Authority
DE
Germany
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pressure sensor
carrier substrate
frame part
sensor element
sensor arrangement
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
DE102018222781.0A
Other languages
English (en)
Inventor
Alexander Lux
Christian Hauer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
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Priority to US16/717,282 priority patent/US11307110B2/en
Priority to CN201911314867.3A priority patent/CN111351612B/zh
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Abstract

Für eine Drucksensoranordnung (1), umfassend ein Trägersubstrat (2) mit auf einer ersten Seite (21) des Trägersubstrats (2) angeordneten Leiterbahnen (20), einem an der ersten Seite (21) des Trägersubstrats (2) angeordneten Drucksensorelement (4), welches über eine Bonddrahtverbindung (5) mit einer auf der ersten Seite (21) des Trägersubstrats (2) angeordnete Leiterbahn (23) elektrisch kontaktiert ist, sowie ein Rahmenteil (3) mit einer umlaufenden Rahmenwand (31), wobei das Rahmenteil (3) auf die erste Seite (21) des Trägersubstrats (2) um das Drucksensorelement (4) herum aufgebracht ist und das Rahmenteil (3) mit einem das Drucksensorelement (4) abdeckendem Gel (6) gefüllt ist, wird vorgeschlagen, dass das Rahmenteil (3) zusätzlich zu der umlaufenden Rahmenwand (31) einen Boden (32) aufweist, der auf wenigstens eine auf der ersten Seite (21) des Trägersubstrats (2) angeordnete Leiterbahn (24) aufgebracht ist.

Description

  • Stand der Technik
  • In der Automobilindustrie werden oft Drucksensoranordnungen mit einem Drucksensorelement verwandt, die einen Schutz des Drucksensorelements vor aggressiven Medien erfordern. Derartige Drucksensoranordnungen werden beispielsweise auch zur Erfassung eines Saugdrucks im Saugrohr einer Brennkraftmaschine eingesetzt. So ist beispielsweise aus der EP 0 927 337 B1 eine Drucksensoranordnung bekannt, die ein Trägersubstrat aufweist. Das Trägersubstrat ist auf einer Seite mit einem Siliziumchip als Drucksensorelement versehen, der über Bonddrahtverbindungen mit einer Leiterbahn des Trägersubstrats elektrisch kontaktiert ist. Der Siliziumchip weist eine Membran und druckempfindliche elektronische Bauelemente auf. Die elektronischen Bauelemente bilden beispielsweise eine elektronische Brückenschaltung. Bei einer Druckbeaufschlagung der Membran wird die Membran ausgelenkt, so dass die Brückenschaltung ein den anliegenden Druck repräsentierendes Messsignal erzeugt, das über die Bonddrahtverbindungen an das Trägersubstrat übertragen wird, auf dem sich beispielsweise zusätzlich eine Auswerteschaltung befinden kann.
  • Weiterhin weist die Drucksensorvorrichtung ein das Drucksensorelement umgebendes Rahmenteil auf, das mit einem das Drucksensorelement abdeckendem Gel gefüllt ist. Das mit dem Drucksensorelement versehende Trägersubstrat ist in ein Drucksensorgehäuse eingebracht. Das Gehäuse ist mehrteilig aufgebaut und weist wenigstens einen Druckanschluss zur Zuführung des Drucks auf. Bekannt sind Absolutdrucksensoren, bei denen das Drucksensorelement auf einer Seite mit Druck beaufschlagt wird, sowie Differenzdrucksensoren, bei denen das Drucksensorelement auf zwei Seiten mit einem Druck beaufschlagt wird. Der an einem Druckanschluss anliegende Druck kann über das Gel auf eine Seite des Drucksensorelements beziehungsweise auf die Membran des Drucksensorelementes übertragen werden. Ein zweiter Druck kann gegebenenfalls an der gegenüberliegenden Seite der Membran anliegen. In diesem Fall weist das Gehäuse des Drucksensors einen zweiten Druckanschluss auf, der den zweiten Druck auf die Rückseite der Membran führt.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Drucksensoranordnung, die ein Trägersubstrat mit auf einer ersten Seite des Trägersubstrats angeordneten Leiterbahnen, einem an der ersten Seite des Trägersubstrats angeordneten Drucksensorelement, welches über eine Bonddrahtverbindung mit einer auf der ersten Seite des Trägersubstrats angeordnete Leiterbahn elektrisch kontaktiert ist, sowie ein Rahmenteil mit einer umlaufenden Rahmenwand aufweist, wobei das Rahmenteil auf die erste Seite des Trägersubstrats um das Drucksensorelement herum aufgebracht ist und das Rahmenteil mit einem das Drucksensorelement abdeckendem Gel gefüllt ist. Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass das Rahmenteil zusätzlich zu der umlaufenden Rahmenwand einen Boden aufweist, der auf wenigstens eine auf der ersten Seite des Trägersubstrats angeordnete Leiterbahn aufgebracht ist.
  • Vorteile der Erfindung
  • Bei den bekannten Drucksensoranordnungen wird das Drucksensorelement in der Regel auf das Trägersubstrat aufgeklebt. Dabei besteht die Problematik, dass das in der Regel aus Kunststoff hergestellte Rahmenteil herstellungsbedingt oft mit Graten versehen ist, die eine ebene Auflage auf dem Trägersubstrat erschweren. Außerdem liegt das Rahmenteil nur mit der relativ schmalen Unterseite der Rahmenwand auf dem Trägersubstrat auf. Aggressive Medien können zwischen dem Rahmenteil und dem Trägersubstrat entlang von Leiterbahnen und Spalten in Richtung des Drucksensorelementes vordringen. Um zu verhindern, dass aggressive Medien und Lufteinschlüsse auf der dem Drucksensorelement zugewandten ersten Seite des Trägersubstrats ausgasen und in das Gel eindiffundieren, wo auch kleine Luftblasen bei Druckschwankungen zur schlagartigen Expansion neigen, welche die Bonddrahtverbindungen beschädigen können, kann eine Passivierungsschicht auf die erste Seite des Trägersubstrats aufgetragen werden. Diese Passivierungsschicht muss jedoch relativ großflächig auf die erste Seite des Trägersubstrats innerhalb des Rahmenteils aufgetragen werden, um zuverlässig zu verhindern, dass Lufteinschlüsse innerhalb des Rahmenteils auf der ersten Seite des Trägersubstrats nicht bis zu dem Gel vordringen können. Eine großflächige Auftragung einer Passivierungsschicht oder eine großflächige Veredelung der ersten Seite des Trägersubstrats innerhalb des Rahmenteils ist jedoch relativ teuer.
  • Die erfindungsgemäße Drucksensoranordnung verwendet ein abgewandeltes Rahmenteil, das zusätzlich zu der umlaufenden Rahmenwand einen Boden aufweist, der auf wenigstens eine auf der ersten Seite des Trägersubstrats angeordnete Leiterbahn aufgebracht ist. Der Boden kann Leiterbahnen auf der ersten Seite des Trägersubstrats abdecken. Mittels des Rahmenteils lassen sich Lufteinschlüsse im Gel vermeiden. Eine eventuelle Gradbildung an dem Rahmenteil und Unebenheiten oder Mikrostrukturen auf der ersten Seite des Trägersubstrats werden vorteilhaft von dem Rahmenteil und weitgehend abgedeckt, so dass das Gel innerhalb des Rahmenteils zuverlässig gegen eine Ausgasung von der ersten Seite des Trägersubstrats aus geschützt ist, da hier Lufteinschlüsse oder aggressive Substanzen nicht in das Gel eindiffundieren können.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung werden durch die in den abhängigen Ansprüchen enthaltenen Merkmale ermöglicht.
  • Das innerhalb des Rahmenteils angeordnete Drucksensorelement kann vorteilhaft auf eine von dem Trägersubstrat abweisende Innenseite des Bodens aufgebracht werden, insbesondere aufgeklebt werden. Dadurch können vorteilhaft Kavitäten und Lufteinschlüss im Bereich der Klebung des Drucksensorelementes vermieden werden, da das Drucksensorelement auf eine glatte Oberfläche aufgeklebt werden kann. Der Kleberauftrag auf dem Boden des Rahmenteils kann vorteilhaft mit einem definierten Meniskus eingestellt werden. Dadurch wird vermieden, dass das Drucksensorelement auf einen mit mikroskopisch kleinen Spalten versehenen Bereich des Trägersubstrats, an dem Ausgasungen in das Gel auftreten können, aufgebracht wird. Ein mit dem Gel in Kontakt stehender großflächiger Oberflächenbereich des Trägersubstrats kann dadurch vorteilhaft vermieden werden.
  • Vorteilhaft kann eine dem Trägersubstrat zuweisende Unterseite des Bodens mittels einer Kleberschicht auf die wenigstens eine Leiterbahn aufgeklebt werden. Der Boden des Rahmenteils deckt Mikrostrukturen des Trägersubstrats und der Leiterbahnen des Trägersubstrats, wie Risse und Poren, weitgehend ab, so dass die Klebung zwischen dem Boden und dem Trägersubstrat unkritisch ist.
  • Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Boden wenigstens eine Kontaktierungsöffnung aufweist und wenigstens ein Abschnitt einer Leiterbahn innerhalb der Kontaktierungsöffnung nicht von dem Boden abgedeckt ist. In diesem Fall wird die Bonddrahtverbindung durch die Kontaktierungsöffnung hindurch mit dem in der Kontaktierungsöffnung nicht abgedeckten Abschnitt der Leiterbahn elektrisch kontaktiert, wobei die wenigstens eine Bonddrahtverbindung an einem Ende mit dem Drucksensorelement und mit ihrem anderen Ende innerhalb der Kontaktierungsöffnung auf den Abschnitt gebondet beziehungsweise geschweißt ist.
  • Der nicht von dem Boden abgedeckte Abschnitt der Leiterbahn innerhalb der Kontaktierungsöffnung kann in einfacher Weise mit einer das andere Ende der wenigstens einen Bonddrahtverbindung umgebenden Passivierungsschicht abgedeckt werden. Da der Bereich innerhalb der Rahmenwand des Rahmenteils überwiegend durch den Boden gegenüber dem Trägersubstrat abgedeckt wird, ist hierzu nur die Auftragung einer Passivierungsschicht mit einer relativ kleinen Flächenausdehnung innerhalb der Kontaktierungsöffnung nötig.
  • Das Gel kann innerhalb des Rahmenteils direkt über die Passivierungsschicht aufgetragen werden. Das Geld bedeckt somit den Boden des Rahmenteils, das Drucksensorelement, die Passivierungsschicht und die Bonddrahtverbindung ab und schützt diese vor aggressiven Substanzen.
  • Aufgrund der Verkapselung des Gelraumes des Rahmenteils gegenüber dem Trägersubstrat kann ein relativ preiswertes einfaches Substrat, beispielsweise eine Leiterplatte aus glasfaserverstärktem Epoxidharz, als Trägersubstrat eingesetzt werden.
  • Das Rahmenteil, umfassend die Rahmenwand und den Boden, kann insbesondere einteilig aus Kunststoff oder Metall ausgebildet werden.
  • Figurenliste
  • Es zeigen:
    • 1 zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Drucksensoranordnung.
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • 1 zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine Drucksensoranordnung, die in einem Drucksensorgehäuse verbaut werden kann. Auf weitere Einzelheiten des Einbaus einer solchen Drucksensoranordnung in ein Drucksensorgehäuse wird an dieser Stelle verzichtet. Der Einbau kann etwa ähnlich zu dem in der EP 0 927 337 B1 beschriebenen Integration in ein Drucksensorgehäuse erfolgen.
  • Die Drucksensoranordnung 1 weist ein Trägersubstrat 2 auf, bei dem es sich beispielsweise um ein Keramiksubstrat oder um eine Leiterplatte handeln kann. Das Trägersubstrat 2 kann plattenförmig mit einer ersten Seite 21 und einer davon abgewandten zweiten Seite 22 ausgebildet sein. Zumindest auf der ersten Seite 21 des Trägersubstrats sind Leiterbahnen 20 angeordnet. Die Leiterbahnen 20 können in nicht dargestellter Weise mit inneren Leiterbahnen über Durchkontaktierungen oder VIAs (elektrische Zwischenverbindungen) elektrisch verbunden sein. Von den Leiterbahnen 20 auf der ersten Seite 21 des Trägersubstrats sind zwei Leiterbahnen 23 und 24 dargestellt.
  • Ein Rahmenteil 3 weist eine umlaufende Rahmenwand 31 und einen Boden 32 auf. Das Rahmenteil 3 kann einstückig aus Kunststoff gefertigt sein. Das Rahmenteil 3 ist vorzugsweise mittels einer Kleberschicht 7 auf die erste Seite 21 des Trägersubstrats 2 aufgeklebt. Dabei ist das Rahmenteil 3 mit dem Boden 32 über wenigstens eine auf der ersten Seite 21 des Trägersubstrats 2 angeordnete Leiterbahn 24 aufgebracht. In 1 erkennt man, dass die Kelberschicht 7 zwischen der dem Trägersubstrat 2 zugewandten Seite der Rahmenwand 31 und dem Boden 32 und der ersten Seite des Trägersubstrats 2 mit der Leiterbahn 24 aufgetragen ist.
  • Der Boden 32 des Rahmenteils 3 weist wenigstens eine Kontaktierungsöffnung 35 auf. Die Kontaktierungsöffnung 35 bildet eine Durchgangsöffnung in dem Boden 32. Wenigstens ein Abschnitt 25 einer Leiterbahn 23 ist innerhalb der Kontaktierungsöffnung 35 ist nicht von dem Boden 32 abgedeckt.
  • Ein Drucksensorelement 4, bei dem es sich beispielsweise um einen Siliziumchip handeln kann, auf eine Innenseite 33 des Bodens 32 aufgebracht. Dies kann insbesondere mittels eines weiteren Kleberauftrags 9 auf der Innenseite 33 erreicht werden. Das Drucksensorelement 4 kann eine nicht dargestellte Sensormembran und druckempfindliche elektronische Bauelemente aufweisen, welche bei einer Verformung der Membran ein Drucksignal erzeugen. Das Drucksensorelement kann einseitig oder zweiseitig mit Druck beaufschlagt werden. Bei einer beidseitigen Druckbeaufschlagung ist unterhalb des Drucksensorelementes zusätzlich ein Druckkanal in dem Trägersubstrat 2 vorgesehen, der in 1 nicht dargestellt ist.
  • Das Drucksensorelement 4 kann über Bonddrahtverbindungen 5 mit den Leiterbahnen 20 verbunden sein. In 1 ist eine Bonddrahtverbindung 5 dargestellt, welche durch die Kontaktierungsöffnung 35 hindurch mit einem in der Kontaktierungsöffnung 35 nicht abgedeckten Abschnitt 25 der Leiterbahn 23 elektrisch kontaktiert ist, wobei die Bonddrahtverbindung 5 an einem Ende 51 mit dem Drucksensorelement 3 und mit ihrem anderen Ende 52 innerhalb der Kontaktierungsöffnung 35 auf den Abschnitt 25 gebondet ist. Innerhalb der Kontaktierungsöffnung 35 ist eine Passivierungsschicht 8 aufgetragen. Die Passivierungsschicht kann beispielsweise ein Epoxidharz oder ein Acryl-Kleber ein. Die Passivierungsschicht deckt die Kontaktierungsöffnung 35 und den nicht von dem Boden 32 abgedeckten Abschnitt 25 der Leiterbahn 23 vollständig ab. Das Ende 52 der wenigstens einen Bonddrahtverbindung 5 ist durch die Passivierungsschicht hindurchgeführt.
  • Das Rahmenteil 3 ist mit einem Gel 6, beispielsweise einem Fluor-Silikongel befüllt. Das Gel 6 kann vorzugsweise fast den gesamten Raum innerhalb der Rahmenwand 31 füllen. Insbesondere deckt das Gel das Drucksensorelement 4 und die Bonddrahtverbindungen 5, sowie die nicht von dem Drucksensorelement 4 abgedeckten Bereiche der Innenseite 33 des Bodens 2 und die Passivierungsschicht 8 in der Kontaktierungsöffnung 35 ab.
  • Das Rahmenteil 3 dient mit dem Boden 32 als Auflagefläche für das Drucksensorelement 3. Mittels des Rahmenteils 3 lassen sich Lufteinschlüsse im Bereich des Kleberauftrags 9 vermeiden. Eine eventuelle Gradbildung an dem Rahmenteil 3 und Unebenheiten oder Mikrostrukturen auf der ersten Seite 21 des Trägersubstrats 2 werden von dem Rahmenteil und der Passivierungsschicht 8 vollständig abgedeckt, so dass das Gel 6 in dem Rahmenteil 3 zuverlässig gegen eine Ausgasung auf der ersten Seite 21 der Trägersubstrats 2 geschützt ist, da hier Lufteinschlüsse oder aggressive Substanzen nicht in das Gel eindiffundieren können.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • EP 0927337 B1 [0001, 0015]

Claims (10)

  1. Drucksensoranordnung (1), umfassend ein Trägersubstrat (2) mit auf einer ersten Seite (21) des Trägersubstrats (2) angeordneten Leiterbahnen (20), einem an der ersten Seite (21) des Trägersubstrats (2) angeordneten Drucksensorelement (4), welches über eine Bonddrahtverbindung (5) mit einer auf der ersten Seite (21) des Trägersubstrats (2) angeordnete Leiterbahn (23) elektrisch kontaktiert ist, sowie ein Rahmenteil (3) mit einer umlaufenden Rahmenwand (31), wobei das Rahmenteil (3) auf die erste Seite (21) des Trägersubstrats (2) um das Drucksensorelement (4) herum aufgebracht ist und das Rahmenteil (3) mit einem das Drucksensorelement (4) abdeckendem Gel (6) gefüllt ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Rahmenteil (3) zusätzlich zu der umlaufenden Rahmenwand (31) einen Boden (32) aufweist, der auf wenigstens eine auf der ersten Seite (21) des Trägersubstrats (2) angeordnete Leiterbahn (24) aufgebracht ist.
  2. Drucksensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Drucksensorelement (4) auf eine von dem Trägersubstrat (2) abweisende Innenseite (33) des Bodens (32) aufgebracht ist.
  3. Drucksensoranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine dem Trägersubstrat (2) zuweisende Unterseite (34) des Bodens (32) mittels einer Kleberschicht (7) auf die wenigstens eine Leiterbahn (24) aufgeklebt ist.
  4. Drucksensoranordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Boden (32) wenigstens eine Kontaktierungsöffnung (35) aufweist und dass wenigstens ein Abschnitt (25) einer Leiterbahn (23) innerhalb der Kontaktierungsöffnung (35) nicht von dem Boden (32) abgedeckt ist.
  5. Drucksensoranordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Bonddrahtverbindung (5) durch die Kontaktierungsöffnung (35) hindurch mit dem in der Kontaktierungsöffnung (35) nicht abgedeckten Abschnitt (25) der Leiterbahn (23) elektrisch kontaktiert ist, wobei die wenigstens eine Bonddrahtverbindung (5) an einem Ende (51) mit dem Drucksensorelement (3) und mit ihrem anderen Ende (52) innerhalb der Kontaktierungsöffnung (35) auf den Abschnitt (25) gebondet ist.
  6. Drucksensoranordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der nicht von dem Boden (32) abgedeckte Abschnitt (25) der Leiterbahn (23) innerhalb der Kontaktierungsöffnung (35) mit einer das andere Ende (52) der wenigstens einen Bonddrahtverbindung (5) umgebenden Passivierungsschicht (8) abgedeckt ist.
  7. Drucksensoranordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Gel (6) innerhalb des Rahmenteils (3) die Passivierungsschicht (8) abdeckt.
  8. Drucksensoranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Drucksensorelement (4) auf die von dem Trägersubstrat (2) abweisende Innenseite (33) des Bodens (32) aufgeklebt ist.
  9. Drucksensoranordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägersubstrat (2) eine Leiterplatte aus glasfaserverstärktem Epoxidharz ist.
  10. Drucksensoranordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Rahmenteil (3) mit der Rahmenwand (31) und dem Boden (32) einteilig aus Kunststoff oder Metall ausgebildet ist.
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