WO2004114403A1 - Optische sensoranordnung und entsprechendes herstellungsverfahren - Google Patents

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WO2004114403A1
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optical sensor
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Robert Bosch GmbH
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    • G01J5/10—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using electric radiation detectors
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Definitions

  • the present invention relates to an optical sensor arrangement and a corresponding manufacturing method.
  • thermopile sensor arrangement Although applicable to any optical sensor arrangement, the present invention and the problem on which it is based are explained in relation to a thermopile sensor arrangement.
  • Thermopile sensors belong to the group of thermal radiation sensors, which means that incident radiation leads to a temperature difference between a receiver surface and a differential area (heat sink). This temperature difference is converted into an electrical voltage using thermocouples due to the Seebeck effect. The output voltage is not dependent on the geometric dimensions of the thermocouples, but only on the material combination selected. By connecting several thermocouples irradiated in the same way, the output voltage of the thermopiles thus realized is increased.
  • thermopiles With the technologies of micromechanics, it is possible to manufacture the thermopiles as silicon chips analogous to the classic semiconductor components using the typical semiconductor processes. The use of multi-level technologies also allows a further reduction in the geometric dimensions of the thermopiles. In order to achieve maximum sensitivity, the thermopiles are provided on a thermally insulating membrane that is as free-standing as possible. An etched silicon frame serves as a support for the membrane and also as a thermal reference medium.
  • thermopile sensors eg with infrared filters for gas detection
  • TO05 or TO08 packages with optical windows.
  • the thermopile element sits with its optically inactive side on the housing base, while the filters are glued in the TO cap.
  • the filter medium or the window material By selecting the filter medium or the window material, essential sensor properties such as sensitivity, time constant and recorded spectral range can be influenced during the assembly of the sensors in such metal hermetic housings.
  • This type of housing is very expensive and no longer hermetically sealed due to the necessary openings in the cap.
  • there is no passivation of the bond wires which questions the suitability for outdoor applications, in particular automotive applications, because of condensation, corrosion, etc.
  • thermopile sensors for example micromechanical acceleration sensors
  • the sensor element with its inactive back is attached (glued or soldered) to a carrier strip (lead frame). With wire bond connections, an electrical contact is made on contact surfaces provided for this purpose (so-called leads) on the edge of the chip mounting surface.
  • the leadframe is then overmolded or molded with a plastic compound or mold compound. Since the mold compound in the interesting frequency range for thermopile sensors for gas detection (e.g. in the infrared range> 4000 ntn wavelength) is not sufficiently transparent, there would be no optical access to the sensor with such an assembly technique (complete extrusion coating) for thermopile sensors ,
  • IC housings with an exposed (so-called exposed) chip mounting area (so-called die pad) for power ICs for the purpose of better heat dissipation are generally known.
  • optical sensor arrangement according to the invention with the features of claim 1 and the corresponding manufacturing method according to claim 16 have the advantage over the known approaches that they enable simple and very inexpensive assembly, with all bond connections being passivated. This results in a sensor suitable for automotive applications.
  • the idea on which the present invention is based is to provide a packaging device, for example in the form of a moldable housing, with an optically open area in the form of a window on the chip mounting surface, in which an optical sensor is provided, which is essentially only through the window is exposed to optical radiation to be detected.
  • the sensor chip arrangement has a first chip with a first and a second opposite surface and a second chip with a third and a fourth opposite surface, which are connected via the first and third surface and enclose a cavity in which the sensor structure is arranged; and the first chip on the first surface has a contact area for wire bonds, which projects laterally beyond the second chip (bond area) and onto which at least one bond wire bonded to a connection element (lead) is guided.
  • the optically transparent irradiation area and the surrounding assembly area are provided on the second surface (base area) of the first chip.
  • the optically transparent irradiation area and the surrounding assembly area are provided on the fourth surface of the second chip.
  • the chip receiving area e.g. the die pad of a lead frame used
  • the chip receiving area has a fifth and a sixth opposite surface, the fifth surface being connected to the mounting area.
  • the sixth surface is not covered by the packaging device and lies in one plane with an underside of the packaging device.
  • connection elements protrude from opposite side surfaces of the packaging device, their ends (for example in accordance with the norm for molded housings) lying in the plane of the underside.
  • the ends of the connection elements and the sixth surface are connected (for example glued or soldered) to a substrate which has a through hole in the region of the window.
  • the sixth surface is partially covered by the packaging device and an underside of the packaging device lies in a plane below the sixth surface.
  • an optical filter device is provided on the second or fourth surface of the first chip and / or on the substrate in the region of the through hole.
  • Fig. La-d a first embodiment of the sensor device according to the invention and its
  • Fig. La-d show a first embodiment of the sensor device according to the invention and its structure.
  • reference numeral 10 generally designates an optical sensor arrangement in the form of a thermopile sensor arrangement.
  • the sensor arrangement 10 comprises a lower chip 1 a with a cavity 2 a over which a membrane M is provided.
  • Thermopile sensor elements TP and an overlying absorber layer A are applied to the membrane M.
  • An electrical connection is made from the thermopile elements TP to the outer edge region of the first chip 1 a via a conductor track LB, which is also referred to below as a wire bond region BB ,
  • a second chip 1b is bonded to the upper surface 01 of the first chip 1a with its surface 03 as a cap, the second chip 1b likewise having a cavity 2b which is aligned with the cavity 2a of the first chip.
  • the second chip 1b is dimensioned and aligned such that it leaves the wire bond area BB of the first chip 1 a free.
  • Filter layers FS for filtering out certain wavelengths are applied to the lower surface 02 of the first chip 1 a.
  • the silicon of the first and second chips 1a, 1b is sufficiently transparent for the optical wavelengths to be detected in the middle infrared range.
  • the optical radiation to be detected is directed directly onto the absorber layer A. In the construction according to FIG. 1 a, this would mean that the optical radiation would have to be prepared for the upper surface 04 of the second chip 1 b.
  • the optical irradiation area OB is defined on the surface 02 and, due to its structure, extends over the diameter of the absorber layer A or the thermopile elements TP below it. Investigations have shown that the losses caused by this type of radiation through the thermopile elements TP themselves are relatively small and only make up a few percent of the total radiation yield.
  • the central optical irradiation area OB on the surface 02 is surrounded in a ring shape by an assembly area RB, which, as explained in detail below, is used to assemble this sensor arrangement 10, the optical irradiation area being left exposed.
  • FIG. 1b shows a top view of the surface 02 of the first chip 1 a (without the filter layer FS).
  • the hollow lines 2a, the optical irradiation area OB, the mounting area RB and the wire bond area BB lying on the opposite surface 01 are highlighted by the dashed lines.
  • the sensor arrangement 10 according to FIG. 1 a, b is glued or soldered to a mounting frame MLF in the form of a conventional lead frame by means of a mounting area LBR.
  • the mounting frame MLF comprises a chip receiving area DP provided with a window F and a plurality of connection elements or legs AB.
  • the section of FIG. 1c does not show the suspension of the chip receiving area DP on corresponding connection elements - usually in the corners of the mounting frame MLF.
  • the mounting area RB which surrounds the optical irradiation area OB in a ring, is connected to the chip receiving area DP in such a way that the optical irradiation area OB is not covered by the chip receiving area DP, that is to say is exposed through the window F to the outside.
  • connection elements AB are connected to the conductor track LB and further conductor tracks (not shown) on corresponding bond surfaces via corresponding bond wires BD.
  • the sensor arrangement 10 is encapsulated with a molded packaging MV after all connection processes or soldering or adhesive processes have been completed.
  • the underside US of the molded packaging MV runs essentially flush in a plane with a lower surface 06 of the chip receiving area DP, the surface 06 lying opposite a surface 05 on which the assembly area RB of the chip la is mounted.
  • the connection between the chip la and the chip receiving area DP must be tight for the molding process.
  • connection elements AB protrude from side surfaces SSI, SS2 of the molded packaging MV, the planar upper side of which is designated OS, and are bent upwards or downwards in the usual way.
  • This type of assembly provides a sensor arrangement 10 in which optical radiation can fall essentially only through the window F onto the thermopile elements TP or the absorber layer A, since the molded packaging MV or the metallic assembly frame MLF for the optical radiation in question are not transparent or have a shielding effect.
  • the underside US of the molded packaging MV is essentially also in one plane with the ends of the connection elements AB '(according to the JEDEC standard for molded housings of the SOP shape).
  • the sensor arrangement 10 packaged in this way can be soldered to a substrate SUB which has a corresponding through hole DL in the region of the window F.
  • Corresponding solder areas LBR can be provided not only on the contact elements AB, but also on the exposed lower surface 06 of the chip receiving area DP, which further increases the stability of the arrangement and ensures a good thermal connection to the substrate SUB.
  • This possibility of additionally soldering or gluing the packaged sensor arrangement to the chip receiving area DP exposed on the surface 06 not only results in a higher stability, but also a better dynamic coupling to the substrate SUB.
  • an additional filter device FI can optionally be provided on a surface of the substrate SUB or in the through hole DL.
  • this additional filter device can also be designed to be exchangeable or adjustable, which additionally increases the flexibility of the sensor arrangement.
  • FIG. 2a, b show a second embodiment of the sensor device according to the invention and its construction.
  • the molded packaging MV ' is designed differently than in the first embodiment according to FIG. 1c.
  • the mold packaging MV ' here has an underside US 5 , which lies in a lower level than the lower surface 06 of the chip receiving area DP, which in turn is also partially covered by the mold packaging MV'.
  • the underside US 'of the molded packaging MV' is essentially in one plane with the ends of the connection elements AB 'and in any case leaves the window F in the optical irradiation area OB of the sensor arrangement 10 free through an opening MA.
  • this allows the lower surface 06 of the chip holding area DP to be left free realize that when molding a corresponding stamp is provided on the mold in this area, the chips la, b being protected from the stamp by the mounting frame MLF.
  • this arrangement can also be mounted on a substrate SUB 'by means of corresponding solder areas LBR via the connection elements AB', which can have a corresponding filter device FT.
  • the through hole DL 'of the substrate SUB' is provided with a larger diameter than in the above first embodiment, which increases the solid angle for the irradiation of the optical irradiation area OB.
  • 3a-d show a third embodiment of the sensor device according to the invention and its construction.
  • the third embodiment of the present invention shown in FIG. 3a differs from the first and second embodiments explained above in particular in that the optical irradiation area OB 'lies on the fourth surface 04 of the second chip 1b, that is to say on its upper surface.
  • the absorber layer A is irradiated in the usual way.
  • the filter layers FS ' are also not provided on the second surface 02, but rather on the fourth surface 04 in accordance with the optical irradiation region OB'.
  • FIG. 3 a corresponds to the components already explained in connection with FIG. 1 a.
  • bond pads In the top plan view of this sensor device according to FIG. also called bond pads.
  • the fourth surface 04 is mounted on the chip receiving area DP 'via the filter area FS' and a mounting area LBR (gluing or soldering) such that the window F 'of the chip receiving area DP 'leaves the optical irradiation window OB' of the sensor arrangement 10 'free.
  • the orientation of the window F 'in the chip receiving area DP' is also arranged asymmetrically to the center thereof due to the asymmetrical assembly area RB '.
  • the wire bonding area BB is laterally offset in relation to the chip receiving area DP 'in order to enable contacting by means of the bonding wire BD from the connection element AB "in a simple manner.
  • the overmolding with the mold packaging MV "takes place analogously to the first embodiment according to FIG. 1c, the lower surface 06 of the chip connection area DP 'again running in one plane with the underside US of the mold packaging MV" and completely exposed.
  • the connection elements AB also run at their ends in the area of this level in accordance with the JEDEC standard, as can be clearly seen in FIG. 3c.
  • the chip arrangement constructed in this way is mounted on a substrate SUB "with a through opening DL" analogously to the through opening according to FIG. 1d.
  • the connection is made via solder areas LBR between the connection elements RB “and the substrate SUB” and optionally between the surface 06 of the chip receiving area DP 'and the substrate SUB ".
  • FIG. 4a, b show a fourth embodiment of the sensor device according to the invention and its construction.
  • the underside US ' runs in a plane below the surface 06 of the chip receiving area DP'.
  • an opening MA ' is provided in the molded packaging MV' ', which leaves the window F' and thus the optical irradiation area OB 'open.
  • the packaged chip arrangement 10 ' is mounted on the connection elements AB' "on a substrate SUB '" via solder areas LBR.
  • the filter device FT is also provided here on the side of the substrate facing away from the chip arrangement.
  • connection elements can of course be directed in any direction with respect to the chip receiving area DP, so that “reverse” mounting on the substrate is also possible and the substrate does not require a window.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung schafft eine optische Sensoranordnung, insbesondere eine Thermopile-Sensoranordnung, mit einer Sensorchipanordnung (10; 10') mit einem optisch transparenten Bestrahlungsbereich (OB; OB'), einem diesen umgebenden Montagebereich (RB; RB') und einem Drahtbondbereich (BB); einem optisch isolierenden Montagerahmen (MLF: MLF') mit einem Chipaufnahmebereich (DP; DP') und einer Mehrzahl Anschlusselementen (AB-AB'''); und einer optisch isolierenden Verpackungeinrichtung (MV-MV'''); wobei die Sensorchipanordnung (10; 10') im Montagebereich (RB; RB') mit der Chipaufnahmebereich (LB: LB') und im Drahtbondbereich (BB) mit einem oder mehreren der Anschlusselemente (AB-AB''') verbunden ist; der Chipaufnahmebereich (DP; DP') ein derart angeordnetes Fenster (F; F') aufweist, das zumindest ein Teil des optischen Bestrahlungsbereichs (OB; OB') nicht von dem Chipaufnahmebereich (DP; DP') bedeckt ist; und die Verpackungeinrichtung (MV-MV''') die Sensorchipanordnung (10; 10') und den Montagerahmen (MLF: MLF') derart umgibt, dass optische Strahlung im wesentlichen nur durch das Fenster (F; F' in die Sensorchipanordnung (10; 10') eintreten kann.

Description

Optische Sensoranordnung und entsprechendes Herstellungsverfahren
STAND DER TECHNIK
Die vorliegende Erfindung betrifft eine optische Sensoranordnung und ein entsprechendes Herstellungsverfahren.
Obwohl auf beliebige optische Sensoranordnungen anwendbar, werden die vorliegende Erfindung sowie die ihr zugrundeliegende Problematik in bezug auf eine Thermopile-Sensoranordnung erläutert.
Thermopile-Sensoren gehören zur Gruppe der thermischen Strahlungssensoren, dass heißt eine einfallende Strahlung führt zu einer Temperaturdifferenz zwischen einer Empfängerfläche und einem Differenzbereich (Wärmesenke). Diese Temperaturdifferenz wird mit Thermoelementen aufgrund des Seebeck-Effektes in eine elektrische Spannung gewandelt. Die Ausgangsspannung ist nicht von den geometrischen Abmessungen der Thermoelemente, sondern lediglich von der gewählten Materialkombination abhängig. Durch Reihenschaltung mehrer gleichbestrahlter Thermoelemente wird die Ausgangsspannung der so realisierten Thermopile's erhöht.
Mit den Technologien der Mikromechanik ist es möglich, die Thermopiles als Siliziumchips analog zu den klassischen Halbleiterbauelementen unter Verwendung der typischen Halbleiterprozesse herzustellen. Die Anwendungen von mehrebenen Technologien erlaubt zusätzlich eine weitere Reduzierung der geometrischen Abmessungen der Thermopiles. Die Thermopiles werden dabei zur Realisierung einer maximalen Empfindlichkeit auf einer möglichst freistehenden thermisch isolierenden Membran vorgesehen. Ein geätzter Siliziumrahmen dient als Träger der Membran und zugleich als thermisches Referenzmedium.
Herkömmliche mikromechanische Thermopile-Sensoren, z.B. mit Infrarotfϊlter zur Gas-Detektion, werden in TO05- oder TO08-Packages mit optischen Fenstern verbaut. Dabei sitzt das Thermopile- Element mit seiner optisch inaktiven Seite auf den Gehäuseboden, während die Filter in der TO- Kappe verklebt sind. Durch die Wahl des Filtermediums bzw. des Fenstermaterials können während der Konfektionierung der Sensoren in derartigen Metall-Hermetikgehäusen wesentliche Sensoreigenschaften wie Empfindlichkeit, Zeitkonstante und erfasster Spektralbereich beeinflusst werden. Diese Art des Gehäuses ist sehr teuer und durch die notwendigen Öffnungen in der Kappe auch nicht mehr hermetisch dicht. Es erfolgt in der Regel keine Passivierung der Bonddrähte, was die Tauglichkeit für Anwendungen im Freien, insbesondere Automobilanwendungen, wegen Betauung, Korrosion, etc. in Frage stellt.
Weiterhin bekannt sind vollständig umspritzte beziehungsweise gemoldete Sensoren, zum Beispiel mikromechanische Beschleunigungssensoren. Hierbei wird das Sensorelement mit seiner inaktiven Rückseite auf einen Trägerstreifen (Leadframe) befestigt (geklebt oder gelötet). Mit Drahtbondverbindungen wird ein elektrischer Kontakt auf dafür vorgesehenen Kontaktflächen (sog. Leads) am Rande der Chipmontagefläche hergestellt. Danach wird der Leadframe mit Kunststoffmasse beziehungsweise Mold-Compound umspritzt beziehungsweise gemoldet. Da das Mold-Compound im interessanten Frequenzbereich für Thermopile-Sensoren zur Gas-Detektion (beispielsweise im Infrarotbereich > 4000 ntn Wellenlänge) nicht ausreichend transparent ist, wäre bei einer derartigen Montagetechnik (vollständiges Umspritzen) für Thermopile-Sensoren kein optischer Zugang zum Sensor mehr vorhanden.
Schliesslich sind allgemein IC-Gehäuse mit einem an der Rückseite freiliegenden (sog. exposed) Chipmontagebereich (sog. Die-Pad) für Leistungs-IC's zum Zwecke der besseren Wärmeableitung bekannt.
VORTEILE DER ERFINDUNG
Die erfindungsgemässe optische Sensoranordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und das entsprechende Herstellungsverfahren gemäss Anspruch 16 weisen gegenüber den bekannten Lösungsansätzen den Vorteil auf, dass sie eine einfache und sehr kostengünstige Montage, wobei alle Bondverbindungen passiviert sind, ermöglicht. Somit ergibt sich ein für Automobilanwendungen tauglicher Sensor.
Die der vorliegenden Erfindung zu Grunde liegende Idee besteht darin, eine Verpackungseinrichtung, beispielsweise in Form eines moldbaren Gehäuses, mit einem optisch offenen Bereich in Form eines Fensters auf der Chipmontagefläche vorzusehen, in dem ein optischer Sensor vorgesehen ist, der im wesentlichen nur durch das Fenster zu detektierender optischer Strahlung ausgesetzt ist.
Im Vergleich zu einen bekannten Package mit einer Kavität an der Oberseite, bei dem die Montagetoleranzen im Aufbau sehr groß sein können und ein Stempel die aktive Chipfläche vor dem Mold- Compound schützen muss, wird bei der erfindungsgemäßen Sensoranordnung kein Stempel benötigt, der direkt auf den Chip drückt und diesen eventuell beschädigen kann. Lediglich das Fenster im Chipaufnahmebereich muss vor dem Verpackungsmaterial (z.B. Kunststoff, Molding Compound) geschützt werden. Eine Passivierung mit einem nichttransparenten Standard-Mold-Compound ist möglich, so dass kein weiteres Passivierungsmaterial benötigt wird. Im Falle der Montage auf ein Substrat besteht die Möglichkeit der Anbringung weiterer optischer Filter auf dem Substrat oder der Verpackung selbst. Somit lassen sich beispielsweise austauschbare oder nachrüstbare Filter vorsehen.
In den Unteransprüchen finden sich vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des jeweiligen Gegenstandes der Erfindung.
Gemäss einer bevorzugten Weiterbildung weist die Sensorchipanordnung einen ersten Chip mit einer ersten und einer zweiten gegenüberliegenden Oberfläche und einen zweiten Chip mit einer dritten und einer vierten gegenüberliegenden Oberfläche auf, welche über die erste und dritte Oberfläche verbunden sind und einen Hohlraum einschliessen, in dem die Sensorstruktur angeordnet ist; und der erste Chip auf der ersten Oberfläche einen Kontaktbereich für Drahtbonds aufweist, der seitlich über den zweiten Chip vorsteht (Bondbereich) und auf den mindestens ein an ein Anschlusselement (Lead) gebondeter Bonddraht geführt ist.
Gemäss einer weiteren bevorzugten Weiterbildung sind der optisch transparente BeStrahlungsbereich und der umgebende Montagebereich auf der zweiten Oberfläche (Grundfläche) des ersten Chips vorgesehen.
Gemäss einer weiteren bevorzugten Weiterbildung sind der optisch transparent BeStrahlungsbereich und der umgebende Montagebereich auf der vierten Oberfläche des zweiten Chips vorgesehen.
Gemäss einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist der Chipaufnahmebereich (z.B. das Die-Pad eines verwendeten Leadframes) eine fünfte und eine sechste gegenüberliegende Oberfläche auf, wobei die fünfte Oberfläche mit dem Montagebereich verbunden ist.
Gemäss einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist die sechste Oberfläche nicht von der Verpackungeinrichtung bedeckt ist und liegt mit einer Unterseite der Verpackungeinrichtung in einer Ebene.
Gemäss einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ragen die Anschlusselementen aus gegenüberliegenden Seitenflächen der Verpackungeinrichtung heraus, wobei ihre Enden (z.B. gemäss der Norm für gemoldete Gehäuse) in der Ebene der Unterseite liegen. Gemäss einer weiteren bevorzugten Weiterbildung sind die Enden der Anschlusselemente und die sechste Oberfläche mit einem Substrat verbunden (z.B. verklebt oder gelötet), welches ein Durchgangsloch im Bereich des Fensters aufweist.
Gemäss einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist die sechste Oberfläche teilweise von der Verpackungeinrichtung bedeckt ist und eine Unterseite der Verpackungeinrichtung in einer Ebene unterhalb der sechsten Oberfläche liegt.
Gemäss einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist auf der zweiten bzw. vierten Oberfläche des ersten Chips und/oder am Substrat im Bereich des Durchgangslochs eine optische Filtereinrichtung vorgesehen.
ZEICHNUNGEN
Ausfuhrungsbeispiele der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. la-d eine erste Ausführungsform der erfmdungsgemässen Sensorvorrichtung und deren
Aufbau;
Fig. 2a,b eine zweite Ausfuhrungsform der erfindungsgemässen Sensorvorrichtung und deren
Aufbau;
Fig. 3a-d eine dritte Ausführungsform der erfindungsgemässen Sensorvorrichtung und deren
Aufbau; und
Fig. 4a,b eine vierte Ausführungsform der erfindungsgemässen Sensorvorrichtung und deren
Aufbau.
BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Komponenten. Ohne Beschränkung der Allgemeinheit beschreiben die nachstehenden Ausführungsformen eine optische Sensoranordnung für einen optischen Thermopile-Sensor für Automobilanwendungen. Insbesondere betreffen die Beispiele einen mikromechanischen optischen Thermopile-Sensor mit integriertem Filter zur Detektion von infraroter Strahlung im Bereich > 4000 nm Wellenlänge zur Gas-Detektion (COrSensor).
Fig. la-d zeigen eine erste Ausführungsform der erfindungsgemässen Sensorvorrichtung und deren Aufbau.
In Figur la bezeichnet Bezugszeichen 10 allgemein eine optische Sensoranordnung in Form einer Thermopile-Sensoranordnung. Die Sensoranordnung 10 umfasst einen unteren Chip la mit einem Hohlraum 2a, über dem eine Membran M vorgesehen ist. Auf der Membran M aufgebracht sind Thermopile-Sensorelemente TP und eine darüber liegende Absorberschicht A. Über eine Leiterbahn LB ist eine elektrische Verbindung von den Thermopile-Elementen TP in den äußeren Randbereich des ersten Chips la geführt, welcher im folgenden auch als Drahtbondbereich BB bezeichnet wird.
Auf die obere Oberfläche 01 des ersten Chips la ist ein zweiter Chip lb mit seiner Oberfläche 03 als Kappe gebondet, wobei der zweite Chip lb ebenfalls einen Hohlraum 2b aufweist, der zu dem Hohlraum 2a des ersten Chips ausgerichtet ist. Der zweite Chip lb ist dermaßen bemessen und ausgerichtet, dass er den Drahtbondbereich BB des ersten Chips la freilässt. Auf die untere Oberfläche 02 des ersten Chips la aufgebracht sind Filterschichten FS zum Ausfiltern bestimmter Wellenlängen.
Zu dieser ersten Ausführungsform sei bemerkt, dass das Silizium des ersten und zweiten Chips la, lb für die zu erfassenden optischen Wellenlängen im mittleren Infrarotbereich ausreichend transparent ist. Bei üblichen Thermopile-Elementen TP wird die zu erfassende optische Strahlung direkt auf die Absorberschicht A gerichtet. Dies würde bei dem Aufbau nach Figur la bedeuten, dass die optische Strahlung die obere Oberfläche 04 des zweiten Chips lb zugerichtet werden müsste.
Im Gegensatz zu dieser üblichen Vorgehensweise ist jedoch bei dieser ersten Ausführungsform der optische Bestrahlungsbereich OB auf der Oberfläche 02 definiert und erstreckt sich aufbaubedingt über den Durchmesser der Absorberschicht A beziehungsweise der darunter liegenden Thermopile- Elemente TP. Untersuchungen haben ergeben, dass die durch diese Bestrahlungsart auftretenden Verluste durch die Thermopile-Elemente TP selbst relativ gering sind und nur wenige Prozent der gesamten Strahlungsausbeute ausmachen. Ringförmig umgeben ist der zentrale optische Bestrahlungsbereich OB auf der Oberfläche 02 von einem Montagebereich RB, welcher, wie nachstehend ausführlich erläutert, zur Montage dieser Sensoranordnung 10 herangezogen wird, wobei der optische Bestrahlungsbereich freiliegend gelassen wird.
In Figur lb ist eine Draufsicht auf die Oberfläche 02 des ersten Chips la (ohne die Filterschicht FS) gezeigt. Durch die gestrichelten Linien hervorgehoben sind der Hohlraum 2a, der optische Bestrahlungsbereich OB, der Montagebereich RB sowie der auf der gegenüberliegenden Oberfläche 01 liegende Drahtbondbereich BB.
Gemäß Figur lc wird die Sensoranordnung 10 gemäß Figur la,b auf einen Montagerahmen MLF in Form eines üblichen Leadframes mittels eines Montagebereichs LBR geklebt oder gelötet. Der Montagerahmen MLF umfasst dazu einen mit einem Fenster F versehenen Chipaufnahmebereich DP sowie eine Mehrzahl von Anschlusselementen beziehungsweise -beinen AB. In der Schnittsdarstellung von Figur lc nicht dargestellt ist die Aufhängung des Chipaufnahmebereichs DP an entsprechenden Anschlusselementen - üblicherweise in den Ecken des Montagerahmens MLF.
Bei der Montage der Sensorchipanordnung 10 wird der Montagebereich RB, welcher dem optischen Bestrahlungsbereich OB ringförmig umgibtj mit dem Chipaufnahmebereich DP derart verbunden, dass der optische Bestrahlungsbereich OB nicht vom Chipaufnahmebereich DP bedeckt ist, also durch das Fenster F nach außen hin frei liegt.
Des weiteren werden Anschlusselemente AB über entsprechende Bondrähte BD mit der Leiterbahn LB und weiteren nicht gezeigten Leiterbahnen an entsprechenden Bondflächen verbunden.
In einem anschliessenden Schritt wird die Sensoranordnung 10 nach Abschluss sämtlicher Verbindungsvorgänge beziehungsweise Löt- oder Klebevorgänge mit einer Moldverpackung MV umspritzt. Dabei verläuft die Unterseite US der Moldverpackung MV im wesentlichen bündig in einer Ebene mit einer unteren Oberfläche 06 des Chipaufnahmebereichs DP, wobei die Oberfläche 06 einer Oberfläche 05 gegenüber liegt, auf die der Montagebereich RB des Chips la montiert ist. Die Verbindung zwischen dem Chip la und dem Chipaufnahmebereich DP muss dabei für den Moldprozess dicht sein.
Die Anschlusselemente AB ragen aus Seitenflächen SSI, SS2 der Moldverpackung MV, deren plana- re Oberseite mit OS bezeichnet ist, und sind in üblicher Weise nach oben oder unten gebogen. Durch diese Art der Montage liegt eine Sensoranordnung 10 vor, bei der optische Strahlung im wesentlichen nur durch das Fenster F auf die Thermopile-Elemente TP bzw. die Absorberschicht A fallen kann, da die Moldverpackung MV beziehungsweise der metallische Montagerahmen MLF für die betreffende optische Strahlung nicht transparent sind bzw. abschirmend wirken.
Die Unterseite US der Moldverpackung MV ist im wesentlichen auch in einer Ebene mit den Enden der Anschlusselemente AB' (gemäss JEDEC-Norm für gemoldete Gehäuse der SOP-Form).
Weiter mit Bezug auf Figur ld kann die derart verpackte Sensoranordnung 10 auf ein Substrat SUB gelötet werden, welches ein entsprechendes Durchgangsloch DL im Bereich des Fenster F aufweist. Entsprechende Lotbereiche LBR können dabei nicht nur an den Kontaktelementen AB vorgesehen werden, sondern auch an der freiliegenden unteren Oberfläche 06 des Chipaufnahmebereichs DP, was die Stabilität der Anordnung zusätzlich erhöht und für eine gute thermische Anbindung an das Substrat SUB sorgt. Diese Möglichkeit, die verpackte Sensoranordnung am an der Oberfläche 06 freiliegenden Chipaufnahmebereich DP zusätzlich mit den Substrat SUB zu verlöten oder zu verkleben bewirkt nicht nur eine höhere Stabilität, sondern auch eine bessere dynamische Ankopplung an das Substrat SUB.
Der weiteren kann optional auf einer Oberfläche des Substrats SUB beziehungsweise im Durchgangsloch DL eine zusätzliche Filtereinrichtung FI vorgesehen werden. Beispielsweise kann diese zusätzliche Filtereinrichtung auch auswechselbar beziehungsweise einstellbar gestaltet werden, was die Flexibilität der Sensoranordnung zusätzlich erhöht.
Fig. 2a,b zeigen eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemässen Sensorvorrichtung und deren Aufbau.
Bei der in Figur 2a gezeigten zweiten Ausführungsform ist die Moldverpackung MV' andersartig gestaltet als bei der ersten Ausführungsform gemäß Figur lc. Insbesondere weist die Moldverpackung MV' hier eine Unterseite US5 auf, welche in einer tieferen Ebene liegt als die untere Oberfläche 06 des Chipaufnahmebereichs DP, welche ihrerseits auch teilweise von der Moldverpackung MV' bedeckt ist.
Auch bei dieser Ausführungsform ist die Unterseite US' der Moldverpackung MV' im wesentlichen in einer Ebene mit den Enden der Anschlusselementen AB' und lässt durch eine Öffnung MA jedenfalls das Fenster F im optischen Bestrahlungsbereich OB der Sensoranordnung 10 frei. Verfahrensmäßig lässt sich das Freilassen der unteren Oberfläche 06 des Chipaufnahmebereichs DP dadurch realisieren, dass beim Molden ein entsprechender Stempel am Moldwerkzeug in diesem Bereich vorgesehen wird, wobei die Chips la,b durch den Montagerahmen MLF vor dem Stempel geschützt sind.
Mit Bezug auf Figur 2b lässt sich diese Anordnung durch entsprechende Lotbereiche LBR über die Anschlusselemente AB' ebenfalls auf ein Substrat SUB' montieren, dass eine entsprechende Filtereinrichtung FT aufweisen kann. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 2b ist das Durchgangsloch DL' das Substrats SUB' mit einem größeren Durchmesser versehen als bei der obigen ersten Ausführungsform, was den Raumwinkel für die Bestrahlung des optischen Bestrahlungsbereichs OB erhöht.
Fig. 3a-d zeigen eine dritte Ausfuhrungsform der erfindungsgemässen Sensorvorrichtung und deren Aufbau.
Die in Figur 3 a gezeigt dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unterscheidet sich von der oben erläuterten ersten und zweiten Ausführungsform insbesondere darin, dass der optische Bestrahlungsbereich OB' auf der vierten Oberfläche 04 des zweiten Chips lb liegt, also auf dessen oberer Oberfläche. Somit wird bei dieser dritten Ausführungsform in üblicher Weise die Absorberschicht A bestrahlt. Dem entsprechend ergibt sich ein ringförmiger asymmetrischer Montagebereich RB', der den optischen Bestrahlungsbereich OB umgibt. Auch sind die Filterschichten FS' bei dieser Ausführungsform nicht auf der zweiten Oberfläche 02, sondern entsprechend dem optischen Bestrahlungsbereich OB' auf der vierten Oberfläche 04 vorgesehen.
Ansonsten entsprechen die weiteren Komponenten von Figur 3 a den bereits im Zusammenhang mit Figur 1 a erläuterten Komponenten.
In der oberen Draufsicht auf diese Sensorvorrichtung gemäß Figur 3b sind der optische Bestrahlungsbereich OB', der diesen umgebende (unter Umständen asymmetrische) Montagebereich RB' und der Drahtbondbereich BB erkennbar, wobei an den Enden der Leiterbahnen LB jeweilige verbreiterte Drahtbondbereiche BP1, BP2, BP3 (auch Bondpads genannt) vorgesehen sind.
In Analogie zur ersten Ausführungsform gemäß Figur lc wird, wie in Figur 3c dargestellt, die vierte Oberfläche 04 über den Filterbereich FS' und einen Montagebereich LBR (Kleben oder Löten) auf dem Chipaufnahmebereich DP' derart montiert, dass das Fenster F' des Chipaufnahmebereichs DP' das optische Bestrahlungsfenster OB' der Sensoranordnung 10' freilässt.
Wie aus Figur 3c deutlich erkennbar, ist aufgrund des asymmetrischen Montagebereichs RB' auch die Orientierung des Fensters F' im Chipaufnahmebereich DP' asymmetrisch zu dessen Mitte angeordnet. Insbesondere ist der Drahtbondbereich BB seitlich gegenüber dem Chipaufnahmebereich DP' versetzt, um eine Kontaktierung mittels des Bonddrahtes BD vom Anschlusselement AB" in einfacher Weise zu ermöglichen.
Nach Montage der Chips und Kontaktierung mit Drähten erfolgt das Umspritzen mit der Moldverpackung MV" analog zu der ersten Ausführungsform gemäß Figur lc, wobei wiederum die untere O- berfläche 06 des Chipanschlussbereichs DP' in einer Ebene mit der Unterseite US der Moldverpackung MV" verläuft und vollständig freiliegt. Auch die Anschlusselemente AB" verlaufen an ihren Enden im Bereich dieser Ebene nach JEDEC-Norm, wie Figur 3c deutlich entnehmbar.
Mit Bezug auf Figur 3d wird die derart aufgebaute Chipanordnung auf einem Substrat SUB" mit einer Durchgangsöffnung DL" analog zur Durchgangsöffnung gemäß Figur ld montiert. Die Verbindung erfolgt über Lotbereiche LBR zwischen den Anschlusselementen RB" und dem Substrat SUB" und optional zwischen der Oberfläche 06 des Chipaufnahmebereichs DP' und dem Substrat SUB".
Ebenfalls vorgesehen ist eine optionale Filtereinrichtung FI" auf der der Chipanordnung 10' abgewandten Seite des Substrats SUB".
Fig. 4a,b zeigen eine vierte Ausführungsform der erfindungsgemässen Sensorvorrichtung und deren Aufbau.
Mit Bezug auf Figur 4a verläuft bei dieser vierten Ausführungsform die Unterseite US' in einer Ebene unterhalb der Oberfläche 06 des Chipaufnahmebereichs DP'. Entsprechend ist eine Öffnung MA' in der Moldverpackung MV'" vorgesehen, welche das Fenster F' und damit den optischen Bestrahlungsbereich OB' freilässt.
Schließlich mit bezug auf Figur 4b erfolgt bei dieser Ausführungsform analog zu Figur 3b eine Montage der verpackten Chipanordnung 10' über die Anschlusselemente AB'" auf einen Substrat SUB'" über Lotbereiche LBR.
Ebenfalls vorgesehen hier ist die Filtereinrichtung FT" auf der der Chipanordnung abgewandten Seite des Substrats.
Obwohl die vorliegende Erfindung vorstehend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifizierbar. Obwohl bei den obigen Ausführungsformen nicht gezeigt, können selbstverständlich die Anschlusselemente in beliebige Richtungen hinsichtlich des Chipaufnahmebereichs DP gerichtet sein, so dass auch eine „umgekehrte" Montage auf dem Substrat möglich ist und das Substrat kein Fenster benötigt.
Auch ist es möglich, die Chipanordnung nicht auf den Montagerahmen zu löten, sondern zu kleben.
Des weiteren können alternative oder weitere Filteranordnungen auf die freiliegende Oberfläche des Chipaufnahmebereichs aufgebracht werden.

Claims

berichtigter Anspruchssatz
1. Optische Sensoranordnung, insbesondere Thermopile-Sensoranordnung, mit: einer Sensorchipanordnung (10; 10') mit einem optisch transparenten Bestrahlungsbereich (OB; OB'), einem diesen umgebenden Montagebereich (RB; RB') und einem Drahtbondbereich (BB); einem optisch isolierenden Montagerahmen (MLF; MLF') mit einem Chipaufnahmebereich (DP; DP') und einer Mehrzahl Anschlusselementen (AB-AB'"); und einer optisch isolierenden Verpackungeinrichtung (MV-MV'"); wobei die Sensorchipanordnung (10; 10') im Montagebereich (RB; RB') mit dem Chipaufnahmebereich (DP; DP') und im Drahtbondbereich (BB) mit einem oder mehreren der Anschlusselemente (AB-AB'") verbunden ist; die Chipaufnahmebereich (LB; LB') ein derart angeordnetes Fenster (F; F') aufweist, das zumindest ein Teil des optischen Bestrahlungsbereichs (OB; OB') nicht von dem Chipaufnahmebereich (DP; DP') bedeckt ist; und die Verpackungeinrichtung (MV-MV") die Sensorchipanordnung (10; 10') und den Montagerahmen (MLF: MLF') derart umgibt, dass optische Strahlung im wesentlichen nur durch das Fenster (F; F') in die Sensorchipanordnung (10; 10') eintreten kann.
2. Optische Sensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorchipanordnung (10; 10') einen ersten Chip (la) mit einer ersten und einer zweiten gegenüberliegenden Oberfläche (01, 02) und einen zweiten Chip (lb) mit einer dritten und einer vierten gegenüberliegenden Oberfläche (03, 04) aufweist, welche über die erste und dritte Oberfläche (01, 03) verbunden sind und einen Hohlraum (2a, 2b) einschliessen, in dem ein Sensor (A, TP, M) angeordnet ist; und der erste Chip (la) auf der ersten Oberfläche (Ol) den Drahtbondbereich (BB) aufweist, der seitlich über den zweiten Chip (lb) vorsteht und auf den mindestens eine an ein Anschlusselement (AB-AB ' ' ') mit einem Bondpad am Ende einer Leiterbahn (LB) kontaktiert ist.
3. Optische Sensoranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der optisch transparent Bestrahlungsbereich (OB; OB') und der umgebende Montagebereich (RB; RB') auf der zweiten Oberfläche (02) des ersten Chips (la) vorgesehen sind.
4. Optische Sensoranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der optisch transparent Bestrahlungsbereich (OB; OB') und der umgebende Montagebereich (RB; RB') auf der vierten Oberfläche (04) des zweiten Chips (lb) vorgesehen sind.
5. Optische Sensoranordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Chipaufnahmebereich (DP; DP') eine fünfte und eine sechste gegenüberliegende Oberfläche (05, 06) aufweist und die fünfte Oberfläche (05) mit dem Montagebereich (RB) verbunden ist.
Ersatzblatt
6. Optische Sensoranordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die sechste Oberfläche (06) nicht von der Verpackungeinrichtung (MV, MV") bedeckt ist und mit einer Unterseite (US) der Verpackungeinrichtung (MV, MV") in einer Ebene liegt.
7. Optische Sensoranordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlusselementen (AB, AB") aus gegenüberliegenden Seitenflächen (SSW1, SS2) der Verpackungeinrichtung (MV, MV") herausragen und ihre Enden in der Ebene der Unterseite (US) liegen.
8. Optische Sensoranordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Enden der Anschlusselemente (AB, AB") und optional die sechste Oberfläche (06) mit einem Substrat (SUB, SUB") verbunden sind, welches ein Durchgangsloch (DL-DL'") im Bereich des Fensters (F; F') aufweist.
9. Optische Sensoranordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die sechste Oberfläche (06) teilweise von der Verpackungeinrichtung (MV, MV") bedeckt ist und eine Unterseite (US') der Verpackungeinrichtung (MV, MV") in einer Ebene unterhalb der sechsten Oberfläche (06) liegt.
10. Optische Sensoranordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlusselemente (AB, AB") aus gegenüberliegenden Seitenflächen (SSW1, SS2) der Verpackungeinrichtung (MV, MV") herausragen und ihre Enden in der Ebene der Unterseite (US') liegen.
11. Optische Sensoranordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Enden der Anschlusselemente (AB, AB") mit einem Substrat (SUB, SUB") verbunden sind, welches ein Durchgangsloch (DL-DL") im Bereich des Fensters (F; F') aufweist.
12. Optische Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 8 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass auf der zweiten bzw. vierten Oberfläche (02, 04) des ersten Chips (la) und/oder am Substrat (SUB, SUB") im Bereich des Durchgangslochs (DL-DL'") eine optische Filtereinrichtung (FS; FI; FI") vorgesehen ist.
13. Optische Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Montagerahmen (MLF: MLF') ein Lötrahmen ist.
14. Optische Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 4 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Drahtbondbereich (BB) seitlich über den Chipaufnahmebereich (DP') vorsteht.
15. Verfahren zur Herstellung einer optische Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Schritte:
Verbinden der Sensorchipanordnung (10; 10') im Montagebereich (RB; RB') mit dem Chipaufnahmebereich (DP; DP') und im Drahtbondbereich (BB) mit dem einem oder den mehreren der Anschlusselemente (AB-AB ' ' '); und
Aufbringen der Verpackungeinrichtung (MV-MV") in einem Molding-Prozess.
12. Optische Sensoranordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Enden der Anschlusselemente (AB, AB") mit einem Substrat (SUB, SUB") verbunden sind, welches ein Durchgangsloch (DL-DL") im Bereich des Fensters (F; F') aufweist.
13. Optische Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 8 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass auf der zweiten bzw. vierten Oberfläche (02, 04) des ersten Chips (la) und/oder am Substrat (SUB, SUB") im Bereich des Durchgangslochs (DL-DL'") eine optische Filtereinrichtung (FS; FI; FI") vorgesehen ist.
14. Optische Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Montagerahmen (MLF: MLF') ein Lötrahmen ist.
15. Optische Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 4 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Drahtbondbereich (BB) seitlich über den Chipaufnahmebereich (DP') vorsteht.
16. Verfahren zur Herstellung einer optische Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Schritte:
Verbinden der Sensorchipanordnung (10; 10') im Montagebereich (RB; RB') mit dem Chipaufnahmebereich (DP; DP') und im Drahtbondbereich (BB) mit dem einem oder den mehreren der Anschlusselemente (AB-AB'"); und
Aufbringen der Verpackungeinrichtung (MV-MV") in einem Molding-Prozess.
BEZUGSZEICHENLISTE:
Figure imgf000016_0001
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