特許 7608613 センサ構成およびセンサ構成を製造する方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-12-20

(45)【発行日】2025-01-06

(54)【発明の名称】センサ構成およびセンサ構成を製造する方法

(51)【国際特許分類】

   G01K 7/22 20060101AFI20241223BHJP

【ＦＩ】

G01K7/22 N

【請求項の数】 23

(21)【出願番号】P 2023536085

(86)(22)【出願日】2021-12-01

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2023-12-27

(86)【国際出願番号】 EP2021083721

(87)【国際公開番号】W WO2022128468

(87)【国際公開日】2022-06-23

【審査請求日】2023-06-14

(31)【優先権主張番号】102020133985.2

(32)【優先日】2020-12-17

(33)【優先権主張国・地域又は機関】DE

(73)【特許権者】

【識別番号】518379278

【氏名又は名称】テーデーカー エレクトロニクス アーゲー

(74)【代理人】

【識別番号】100107766

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠重

(74)【代理人】

【識別番号】100070150

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠彦

(74)【代理人】

【識別番号】100135079

【弁理士】

【氏名又は名称】宮崎 修

(72)【発明者】

【氏名】コー，エイブラハム

(72)【発明者】

【氏名】マウテ，ガイド

(72)【発明者】

【氏名】ペルマナ，アンディ

【審査官】榮永 雅夫

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０１５／１０４８６８（ＷＯ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０１７／０１０２１６（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開平９－８２５０２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｋ７／１６－７／２２

Ｈ０１Ｃ１／００－１／１６

Ｈ０１Ｃ７／０２－７／２２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

温度測定のためのセンサ構成であって、
－ セラミックベースの基板と、
－ ボンディング材料によって水平位置において前記基板に直接接続される少なくとも１つのセンサチップと、
－ 当該センサ構成の外側電極として作用するように構成および配置される少なくとも１つの第１のコンタクト要素および少なくとも１つの第２のコンタクト要素と、
－ 前記センサチップと前記コンタクト要素の少なくとも部分とを囲む絶縁本体と、を含み、
第１のコンタクト要素は、前記ボンディング材料によって前記センサチップに電気的に接触するように構成および配置されるコンタクト部材を含み、
前記基板は、大部分は前記絶縁本体の材料がなく、
前記絶縁本体の前記材料は、少なくとも前記基板の上面の部分の上に直接配置され、前記基板の側面および下面は、前記絶縁本体の前記材料がなく、
前記コンタクト部材は、前記第１のコンタクト要素と前記センサチップとの間の機械的応力を低減するよう設計される、
センサ構成。

【請求項2】

前記絶縁本体の前記材料は、当該センサ構成の電気抵抗および耐湿性を増大させるように構成および配置される、請求項１に記載のセンサ構成。

【請求項3】

それぞれのコンタクト要素が、Ｕ字形状のバネ部材を含む、請求項１または２に記載のセンサ構成。

【請求項4】

それぞれのコンタクト要素が、前記絶縁本体の前記材料がない第１のコンタクト領域を含み、該第１のコンタクト領域は、当該センサ構成の前記外側電極として機能する、請求項１～３のうちのいずれか１項に記載のセンサ構成。

【請求項5】

前記第１のコンタクト領域は、前記それぞれのＵ字形状のバネ部材の２つの脚のうちの１つによって形成される、請求項３を引用するときの請求項４に記載のセンサ構成。

【請求項6】

それぞれのコンタクト要素が、前記絶縁本体内に完全に配置される第２のコンタクト領域を含み、該第２のコンタクト領域は、前記コンタクト要素と前記基板との間の電気的接触を確立するために、前記基板の金属化されたパッドに接合される、請求項１～５のうちのいずれか１項に記載のセンサ構成。

【請求項7】

前記第２のコンタクト領域は、前記それぞれのＵ字形状のバネ部材の２つの脚のうちの他の１つによって形成される、請求項３を引用するときの請求項６に記載のセンサ構成。

【請求項8】

前記コンタクト部材は、前記第１のコンタクト要素の前記第２のコンタクト領域の自由端に配置される追加的なバネを含む、請求項６に記載のセンサ構成。

【請求項9】

前記コンタクト要素は、銅、黄銅またはリン青銅を含む、請求項１～８のうちのいずれか１項に記載のセンサ構成。

【請求項10】

前記基板は、Ａｌ_２Ｏ_３、ＺＴＡ、ケイ酸塩、ＡＩＮまたはＳｉ_３Ｎ_４セラミックを含む、請求項１～９のうちのいずれか１項に記載のセンサ構成。

【請求項11】

当該センサ構成は、少なくとも１つのＮＴＣセンサチップおよび／または少なくとも１つのＰＴＣセンサチップを含む、請求項１～１０のうちのいずれか１項に記載のセンサ構成。

【請求項12】

前記ボンディング材料は、動作温度が＞２００℃である高融点はんだ材料を含む、請求項１～１１のうちのいずれか１項に記載のセンサ構成。

【請求項13】

当該センサ構成は、２００℃までの高温で動作するように構成される、請求項１～１２のうちのいずれか１項に記載のセンサ構成。

【請求項14】

前記第１のコンタクト要素および前記コンタクト部材は、一体的に形成される、請求項１に記載のセンサ構成。

【請求項15】

前記コンタクト部材は、弓形の形状を含む、請求項１に記載のセンサ構成。

【請求項16】

前記第１のコンタクト要素および前記第２のコンタクト要素は、少なくとも一定の程度弾性変形可能である、請求項１に記載のセンサ構成。

【請求項17】

中間領域において、前記第２のコンタクト領域は通過して、前記コンタクト部材になり、前記中間領域は、曲げられる、請求項６に記載のセンサ構成。

【請求項18】

温度を測定するセンサ構成を製造する方法であって、
Ａ）セラミックベースの基板を提供し、複数の金属化されたパッドを前記基板の上面に配置するステップと、
Ｂ）前記複数の金属化されたパッドの少なくとも一部にボンディング材料を提供するステップと、
Ｃ）複数のセンサチップを提供するステップであって、それぞれのセンサチップは、前記センサチップの上側および下側に配置される電極を含む、ステップと、
Ｄ）それぞれのセンサチップが水平位置において前記基板上に配置されるように、それぞれのセンサチップの前記電極のうちの１つを前記基板と電気的に接続するためにリフローはんだ付けするステップと、
Ｅ）それぞれのセンサチップの前記電極のうちの１つおよび前記金属化されたパッドの少なくとも一部に前記ボンディング材料を提供するステップと、
Ｆ）複数の第１および第２のコンタクト要素を提供するステップであって、それぞれのコンタクト要素は、第１のコンタクト領域と、第２のコンタクト領域とを含み、それぞれの第１のコンタクト要素は、コンタクト部材を含む、ステップと、
Ｇ）前記第２のコンタクト領域を前記金属化されたパッドと電気的に接続し且つ前記コンタクト部材を前記センサチップの前記電極のうちの他の１つと電気的に接続するためにリフローはんだ付けするステップと、
Ｈ）絶縁材料で前記基板の上面をパッケージングするステップと、
Ｉ）前記パッケージングされた前記基板をシンギュレーションするステップと、を含む、
方法。

【請求項19】

前記ステップＨ）は、絶縁材料が前記センサチップおよび前記第２のコンタクト領域が接続される前記基板の表面の少なくとも部分を覆うように、絶縁材料を提供し、絶縁本体を成形するステップを含む、請求項１８に記載の方法。

【請求項20】

前記絶縁材料は、前記センサチップ、前記第２のコンタクト領域および前記コンタクト部材を完全に覆い、前記第１のコンタクト領域は、絶縁材料がない、請求項１９に記載の方法。

【請求項21】

前記基板は、Ａｌ_２Ｏ_３、ＺＴＡ、ケイ酸塩、ＡＩＮまたはＳｉ_３Ｎ_４セラミックを含む、請求項１８～２０のうちのいずれか１項に記載の方法。

【請求項22】

前記センサチップは、複数のＮＴＣセンサチップおよび／またはＰＴＣセンサチップを含む、請求項１８～２１のうちのいずれか１項に記載の方法。

【請求項23】

前記ボンディング材料は、動作温度が＞２００℃である高融点はんだ材料を含む、請求項１８～２２のうちのいずれか１項に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、センサ構成、例えば、温度を測定するセンサ構成(sensor arrangement)に関する。その上、本発明は、センサ構成を製造する方法、例えば、温度を測定するセンサ構成を製造する方法に関する。

【背景技術】

【0002】

主に垂直位置における感知素子の位置制約の故に、ＮＴＣ（負温度係数(Negative Temperature Coefficient)）センサ設計において、温度表面感度を最適に得ることができない。これは、高電圧耐性および耐湿性要件を満たすために、強力なパッケージング(packaging)が必要とされるという事実によって悪化する。

【0003】

さらに、２００℃までの高い動作温度を達成することは、利用可能な材料の選択が非常に限定的であるため、困難である。既知のセンサ設計のいずれも、小型サイズのコスト包括的な設計、および大量生産に適したパッケージング解決策において、全ての既述の難題を解決することができない。

【0004】

特許文献１は、キャリア基板と、ＮＴＣ素子と、一対の電極と、ＮＴＣ素子に電気的に接触し且つ絶縁ハウジングの表面に外側電極を形成する金属ブロックとを含む、温度センサを記載している。

【0005】

特許文献２は、絶縁材料と、熱伝導素子と、熱伝導素子の領域内に配置された且つ／或いは熱伝導素子に押し付けられた熱感知センサチップと、少なくとも２つの接続素子とからなるハウジングを有する、温度センサを記載している。少なくとも１つの導電性ピンが設けられる。導電性ピンの端の一方は、センサチップ上で熱伝導要素に対して方向付けられた圧力を印加し、その他方の端は、ハウジングの内側に配置された両方の接続要素のうちの１つの接続要素の端または接触バネの別個の固定部分の端で支持される。

【0006】

特許文献３は、パッドとリードとを有する導電構造を有するキャリアを含む半導体センサを記載しており、導電線が樹脂パッケージから突出している。

【0007】

特許文献４は、セラミックキャリアを有するセンサチップパッケージ、パッドとリードとを有する導電構造、ならびに樹脂パッケージを記載している。

【0008】

特許文書５は、曲げられたリードフレームにはんだ付けされたチップサーミスタの構成を記載している。

【0009】

特許文献６は、少なくとも１つの電極と、金属ブラケットとして成形された少なくとも１つのコンタクト要素とを有する、センサチップを含む、センサ構成を記載している。コンタクト要素は、センサチップの無線接触のために配置され構成されている。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0010】

上述の問題を解決することが、本開示の目的である。この目的は、独立項に従ったセンサ構成及び方法によって解決される。

【課題を解決するための手段】

【0011】

本開示の第１の態様によれば、センサ構成が提供される。センサ構成は、温度を測定するために構成されてよい。センサ構成は、温度センサ構成であってよい。センサ構成は、２００℃までの高温で動作するように構成されてよい。

【0012】

センサ構成は、基板を含む。基板は、セラミックベースであってよい。換言すれば、基板は、セラミック材料を含んでよい。基板は、電気絶縁性及び耐湿性に優れ、高い熱伝導率を有する、高性能セラミック基板であることがある。基板は、さらに、センサ構成のさらなるコンポーネント(構成要素)を機械的に安定化させ且つ電気的に絶縁するように構成および配置されることがある。

【0013】

セラミック材料は、例えば、Ａｌ２Ｏ３を含んでよい。Ａｌ_２Ｏ_３（アルミナ）セラミックは、一般的に使用され、よく知られた特性、すなわち、高い熱伝導率、高い電気絶縁性、低い熱膨張を有する。しかしながら、酸化物セラミックおよび非酸化物セラミックの両方の代替的な材料も利用可能である。ケイ酸塩セラミックは、あるいはＺＴＡ（Zirconia Toughen Alumina）さえも、より高い機械的強度のために、酸化物セラミックの例である。代替的に、ＡＩＮ（窒化アルミナ）またはＳｉ_３Ｎ_４（窒化シリコン）セラミックのような非酸化物セラミックが使用されてよい。

【0014】

センサ構成は、少なくとも１つのセンサチップをさらに含む。センサチップは、ＮＴＣセンサチップであってよい。代替的に、センサチップは、ＰＴＣ（正温度係数(Positive Temperature Coefficient)）センサチップであってよい。センサ構成は、１つよりも多くのセンサチップを含んでよい。例えば、センサ構成は、ＮＴＣセンサチップとＰＴＣセンサチップとの組み合わせを含んでよい。

【0015】

センサチップ、特に、センサチップの表面（例えば、下面）上に配置された電極は、水平位置において基板に直接接続される。「水平(horizontal)」とは、最大延伸を有するセンサチップの表面が基板に接続されることを意味する。これはセンサチップの表面感度を高める。センサチップ３は直接接合されるが、センサチップ３は、それにもかかわらず、セラミック基板の優れた電気的絶縁性および耐湿性の特性の故に、完全に絶縁される。

【0016】

センサチップは、ボンディング材料によって基板に接続される。換言すれば、センサチップは、基板、特に、基板の金属化されたパッドに接合される。ボンディング材料は、動作温度が＞２００℃である高融点はんだ材料であってよい。ボンディング材料は、鉛または無鉛であってよい。適切な材料は、例えば、Ｐｂ_９７．５ＳｎＡｇ_１．５、ＳｎＡｇ_０．３Ｃｕ_０．７またはＳｎ_９０Ｓｂ_１０であることがある。

【0017】

センサ構成は、さらに、第１のコンタクト要素および第２のコンタクト要素を含む。コンタクト要素は、例えば、銅、黄銅またはリン青銅を含む。コンタクト要素は、センサ構成の外側電極として作用するように構成および配置される。これは、コンタクト要素がセンサ構成の外側からセンサ構成の電気接続を可能にすることを意味する。

【0018】

コンタクト要素は、基板に、特に、基板の金属化されたパッドに電気的および機械的に接続される。コンタクト要素は、前述のボンディング材料によって基板に接続される。

【0019】

第１のコンタクト要素は、コンタクト部材をさらに含む。第１のコンタクト要素及びコンタクト部材は、一体的に形成されてよい。コンタクト部材は、ボンディング材料によってセンサチップに電気的に接触するように構成される。換言すれば、コンタクト部材は、前述のボンディング材料によって、センサチップに、特に、センサチップの表面（例えば、上面）上に配置された電極に接合される。

【0020】

センサ構成は、絶縁本体をさらに含む。絶縁本体は、センサ構成を電気的に絶縁し、センサ構成を環境の影響から保護する、ように設計される。絶縁本体は、センサチップを完全に囲む。絶縁本体は、コンタクト要素の少なくとも部分を囲む。例えば、絶縁本体は、コンタクト部材を完全に覆う。しかしながら、基板は、大部分が絶縁本体の材料を含まない。

【0021】

その特定の設計および組成の故に、センサ構成は、優れた表面感度のために高性能熱結合を提供する。換言すれば、センサ構成は、高速応答センサである。その上、センサ構成は、高い電圧耐力を備え、２００℃までの温度で動作することができる。加えて、センサ構成は、コンパクトで小型サイズであり、大量生産に適している。全体として、使用中に非常に柔軟性がある、非常にロバスト(堅牢)で、高速で、費用効果的なセンサ構成が提供される。

【0022】

一実施形態によれば、絶縁本体の材料は、センサ構成の電気抵抗および耐湿性を増加させるように構成される。絶縁本体の絶縁材料は、２００℃に近い温度のガラス転移を伴う熱硬化性エポキシ材料を含む。

【0023】

セラミック基板と絶縁材料との間の組み合わせは、高い電圧耐性、耐湿性、高い動作温度（２００℃まで）の要求を満足する。さらに、それはコンパクトで小さなセンサ構成のための特定の設計を提供する。材料の特定の選択および周知の生産プロセスにより、センサ構成は、追加的に、非常に費用効果的である。材料は、ＲＯＨＳ、無鉛および無ハロゲン要求に従うグリーン製品(green product)を満たすように選択される。

【0024】

絶縁本体の材料は、基板の上面に直接配置される。特に、絶縁本体の材料は、センサチップおよびコンタクト要素が接続される基板の表面、すなわち、基板の上面の少なくとも部分を覆う。

【0025】

センサチップと基板との間の接続部、ならびにコンタクト要素と基板との間の接続部は、絶縁本体の材料によってパッケージ化される。基板の側面および下面は、絶縁本体の材料がない。基板のこの自由領域は、センサ構成の感知部として機能する。その上、基板の上面の円周方向エッジ領域も、絶縁本体の材料がないことがある。

【0026】

一実施形態によれば、それぞれのコンタクト要素は、Ｕ字形状である。具体的には、コンタクト要素は、Ｕ字形状のブラケットまたはバネ部材を含む。換言すれば、それぞれのコンタクト要素は、バー(棒)またはブリッジ(橋)によって接続される２つの脚(レッグ)を含むことがある。脚およびバーは、一体に形成される。これは、第１の脚がバーに合体し、バーがそれぞれのコンタクト要素の第２の脚に合体することを意味する。換言すれば、脚およびバーは、一体成形品に作られることがある。

【0027】

コンタクト要素の特定の形状は、接合プロセスの間に、良好なはんだ付け能力、より少ない質量密度、およびより少ない機械的応力をセンサチップに提供する。

【0028】

一実施形態によれば、それぞれのコンタクト要素は、第１のコンタクト領域を含む。第１のコンタクト領域は、それぞれのＵ字形状のバネ部材の２つの脚のうちの１つによって形成／提供されてよい。第１のコンタクト領域は、絶縁本体の絶縁材料がない。換言すれば、第１のコンタクト領域は、絶縁本体の絶縁材料から突出する。第１のコンタクト領域は、センサ構成の外側電極として機能する。このようにして、センサ構成の効果的なさらなる処理が可能とされる。

【0029】

一実施形態によれば、それぞれのコンタクト要素は、第２のコンタクト領域を含む。第２のコンタクト領域は、それぞれのＵ字形状のバネ部材の２つの脚部のうちの他の１つの脚によって形成される。第２のコンタクト領域は、絶縁本体の絶縁材料で完全に囲まれる。換言すれば、それはセンサ構成の絶縁本体内に配置される。

【0030】

第２のコンタクト領域は、コンタクト要素と基板との間の電気的接触を確立するために、基板の金属化されたパッドに結合される。このようにして、基板とコンタクト要素との間の効果的な電気的接続が可能にされる。その上、コンタクト要素の特定の形状は、例えば、金属ブロックと比較して、より少ない熱を蓄える。高速消散の故に、これはより正確な測定結果をもたらす。

【0031】

一実施形態によれば、コンタクト部材は、第１のコンタクト要素とセンサチップとの間の機械的応力を低減するように設計される。コンタクト部材は、平坦な形状または弓形の形状を含むことがある。コンタクト部材は、第１のコンタクト要素の第２のコンタクト領域の自由端に配置される追加のバネを含むことがある。コンタクト部材は、本体の絶縁材料内に配置される。コンタクト部材の特定の形状は、センサチップが、ワイヤボンドのない感知要素として使用されることを許容して、よりロバストな接続および非常に経済的な解決策を可能にする。

【0032】

さらなる態様によれば、センサ構成を製造する方法が記載される。センサ構成は、前述のセンサ構成であってよい。センサ構成に関連して記載される全ての構成は、方法に当て嵌まり、その逆もまた同様である。

【0033】

方法は、以下のステップを含む。

【0034】

Ａ）セラミックベースの基板を提供し、複数の金属化されたパッドを基板の上面に、特に、基板の上面に配置するステップ。基板は、電気絶縁性及び耐湿性に優れ、高い熱伝導率を有する、高性能セラミック基板であってよい。基板は、Ａｌ_２Ｏ_３、ＺＴＡ、ケイ酸塩、ＡｌＮまたはＳｉ_３Ｎ_４セラミックを含んでよい。

【0035】

Ｂ）ボンディング材料を提供するステップ。ボンディング材料は、はんだペーストを含むことがある。ボンディング材料は、動作温度が＞２００℃である高融点はんだ材料であってよい。ボンディング材料は、鉛または無鉛であってよい。高溶融はんだであるが、鉛が添加された材料の例は、Ｐｂ_９７．５ＳｎＡｇ_１．５であることがある。代替的に、ＳｎＡｇ_０．３Ｃｕ_０．７またはＳｎ_９０Ｓｂ_１０が、２００℃を超える用途について無鉛および高温はんだ材料のためのオプションであることがある。

【0036】

ボンディング材料は、点状に塗布されることがある。特に、ボンディング材料の１つのそれぞれの点が、金属化されたパッドの一部に塗布されることがある。ボンディング材料は、金属化されたパッド上に計量分配されてよく、あるいはスクリーン印刷されてよい。

【0037】

Ｃ）複数のセンサチップを提供するステップ。それぞれのセンサチップは、センサチップの上側および下側に配置される電極（上方電極および下方電極）を含むことがある。センサチップは、ＮＴＣおよび／またはＰＴＣセンサチップを含むことがある。

【0038】

センサチップは、基板上に、特に、基板の金属化されたパッド上に塗布されたボンディング材料上に配置されてよい。特に、それぞれのセンサチップの先端が、点状ボンディング材料上に配置される。センサチップは、それぞれのセンサチップが水平位置において基板上に配置されるように配置される。

【0039】

Ｄ）それぞれのセンサチップが水平位置において基板上に配置されるように、それぞれのセンサチップの電極のうちの１つ（すなわち、下方電極）を基板と電気的に接続するためにリフローはんだ付けする(reflow soldering)ステップ。

【0040】

Ｅ）ボンディング材料を再び提供するステップ。ボンディング材料は、ステップＢ）において塗布されたボンディング材料と同じボンディング材料であってよい。

【0041】

ボンディング材料は、点状に塗布(適用)されてよい。具体的には、ボンディング材料の１つのそれぞれの点が、それぞれのセンサチップの上方電極に塗布されてよい。ボンディング材料のさらなる点が、金属化されたパッドの少なくとも部分に塗布(適用)されてよい。特に、ボンディング材料の２つの点が、１つの最終的なセンサ構成を達成するために、金属化されたパッドのうちの２つに塗布(適用)されてよい。ボンディング材料は、金属化されたパッドおよびセンサチップ上に計量分配されてよく、あるいはスクリーン印刷されてよい。

【0042】

Ｆ）複数の第１および第２のコンタクト要素を提供するステップ。それぞれのコンタクト要素は、第１のコンタクト領域と、第２のコンタクト領域とを含む。第１のコンタクト領域は、センサ構成の外側電極として作用するのに適している。第２のコンタクト領域は、基板をそれぞれのコンタクト要素に電気的に接続するのに適している。それぞれの第１のコンタクト要素は、コンタクト部材を含む。コンタクト部材は、センサチップと第１のコンタクト要素との間に電気的接続を確立するように構成および配置される。

【0043】

コンタクト要素は、１つのそれぞれの第２のコンタクト領域が金属化されたパッド上に配置されたボンディング材料の１つのそれぞれの点の上に配置されるように、基板上に配置される。その上、コンタクト要素は、それぞれのコンタクト部材がセンサチップの上方電極上に配置された点状ボンディング材料上に配置されるように、配置される。

【0044】

第２のコンタクト領域を金属化されたパッドと電気的に接続し且つコンタクト部材をセンサチップの電極のうちの他の１つ（即ち、上方電極）と電気的に接続するためにリフローはんだ付けするステップ。

【0045】

Ｈ）パッケージングするステップ。このステップは、絶縁材料を提供し、絶縁材料から絶縁本体を成形することを含む。絶縁材料は、センサチップおよび第２のコンタクト領域が接続される基板の表面の部分、すなわち、基板の上面のみを覆うように成形される。

【0046】

絶縁材料は、コンタクト要素と基板との間の接続部およびセンサチップと基板との間の接続部を完全にパッケージ化するように配置される。絶縁材料は、センサチップ、第２のコンタクト領域およびコンタクト部材を完全に覆うようにさらに配置される。第１のコンタクト領域ならびに基板の側面および下面は、絶縁材料がないままである。その上、基板の上面の部分（例えば、円周方向エッジ領域）も、絶縁材料がないままであってよい。

【0047】

絶縁材料は、２００℃に近い温度のガラス転移を伴う熱硬化性エポキシ材料を含む。

【0048】

Ｉ）シンギュレーションするステップ。このステップは、基板を個々のコンポーネントに切断して、複数のセンサ構成を提供することを含む。

【0049】

既述の方法によって、高速で費用効果的なプロセスが、高表面感度、小型サイズ、高電圧耐性、耐湿性、および２００℃までの高動作温度を有する複数のセンサ構成を製造するために提供される。２つのロバスト(堅牢)な電極（コンタクト要素）を備えるセンサ構成は、容易なさらなる処理を可能にし、最適なシステム統合をもたらす。

【0050】

さらなる構成、改良点、および便宜性は、図面に関連する例示的な実施形態の以下の説明から明らかになる。

【図面の簡単な説明】

【0051】

【図1】第１の実施形態によるセンサ構成の側断面図を図式的に示している。

【図2】第２の実施形態によるセンサ構成の側断面図を図式的に示している。

【図3】さらなる実施形態によるセンサ構成の側断面図を図式的に示している。

【図4】マルチセンサ構成パッケージの頂面図を図式的に示している。

【図5】さらなる実施形態によるマルチセンサ構成パッケージの頂面図を図式的に示している。

【発明を実施するための形態】

【0052】

図において、同じ構造及び／又は機能性の要素は、同じ参照番号によって参照されることがある。図に示す実施形態は例示的な表現であり、必ずしも縮尺通りに描かれていないことが理解されるべきである。

【0053】

図１は、第１の実施形態による温度測定のためのセンサ構成１を示している。センサ構成１は、高表面感度、高電圧耐性、および２００℃までの動作温度を提供するように構成される。センサ構成は、小型でコンパクトな設計である。

【0054】

センサ構成１は、セラミックベースの基板２を含む。基板２のセラミック材料は、例えば、Ａｌ_２Ｏ_３、ＺＴＡ、ケイ酸塩、ＡｌＮまたはＳｉ_３Ｎ_４を含む。基板２は、電気絶縁性であり、高耐湿性を備えている。

【0055】

基板２は、上面２ａと、下面２ｃと、側面２ｂとを含む。基板２は、基板２の電気的接続を可能にするメタライゼーションパッド４(metallization pads)を含む。メタライゼーションパッド４は、基板２の上面２ａに直接配置されている。

【0056】

センサ構成１は、センサチップ３をさらに含む。この実施形態において、センサチップ３は、ＮＴＣ温度センサチップである。しかしながら、代替的な実施形態において、センサ構成１は、ＰＴＣセンサ、またはＮＴＣセンサとＰＴＣセンサとの組み合わせを含んでもよい。

【0057】

センサチップ３は、センサチップ３の上面に配置された電極３ａ（上方電極）と、センサチップ３の下面に配置された電極３ａ（下方電極）とを含む。

【0058】

センサチップ３、特に、下方電極３ａは、良好な表面感度を達成するために、水平位置において基板２のメタライゼーションパッド４に直接接合される。この文脈において、「水平位置」という用語は、基板２に接合されるセンサチップ３の下面が、基板２の上面２ａに対して垂直に延在するセンサチップ３の側面よりも大きな伸延(extension)を有することを意味する。

【0059】

センサチップ３は、ボンディング材料５によって基板２に接合される。ボンディング材料５は、動作温度が＞２００℃の高融点はんだ材料である。例えば、ボンディング材料５は、高融点はんだであるが、Ｐｂ_９７．５ＳｎＡｇ_１．５のような鉛化された材料を含む。代替的に、ボンディング材料５は、例えば、無鉛のＳｎＡｇ_０．３Ｃｕ_０．７またはＳｎ_９０Ｓｂ_１０を含む。

【0060】

センサ構成１は、さらに、第１のコンタクト要素８ａと、第２のコンタクト要素８ｂとを含む。コンタクト要素８ａ、８ｂ(接触要素)は、Ｕ字形状である。特に、それらは、バー(bar)又は中間片(middle piece)９によって接続された２つの脚(レッグ)を含む。脚およびバー９は、一体的に形成される、すなわち、それらは一体成形品から作られる。

【0061】

コンタクト要素８ａ、８ｂは、少なくともある程度弾性変形可能である。これは、センサ構成１のコンポーネント(構成要素)が互いに接続されるときに生じる機械的応力を低減するのに役立つ。コンタクト要素８ａ、８ｂは、Ｕ字形状のバネ部材である。それらは、金属を含む。コンタクト要素８ａ、８ｂのための適切な材料は、銅、黄銅、またはリン青銅であることがある。

【0062】

コンタクト要素８ａ、８ｂは、それぞれ、第１のコンタクト領域１２および第２のコンタクト領域１３を含む。この実施形態において、第１のコンタクト領域１２および第２のコンタクト領域１３は、反対に配置されている。第１のコンタクト領域１２は、センサ構成１の上方領域に位置する。第２のコンタクト領域１３は、センサ構成１の下方領域に配置される。第１のコンタクト領域１２は、それぞれのＵ字形状バネ部材の２つの脚のうちの一方の脚（特に、上方脚）によって提供される。第２のコンタクト領域１３は、それぞれのＵ字形状バネ部材の２つの脚のうちの他方の脚（特に、下方脚）によって提供される。

【0063】

第１のコンタクト領域１２は、センサ構成１の絶縁本体７から突出する。絶縁本体７の詳細は、後述される。しかしながら、図１からわかるように、コンタクト領域１２は、絶縁本体７／センサ構成１の上面から突出しない。むしろ、絶縁本体７／センサ構成１の上面は、平坦である。コンタクト領域１２は、上面に一体化され、絶縁本体７／センサ構成１の上面の一部を形成する。

【0064】

既述のように、本実施形態において、第１のコンタクト領域１２は、センサ構成１の上面に形成される。換言すれば、第１のコンタクト領域１２は、さらなる処理を可能にするために、センサ構成１の上側からアクセス可能である。第１のコンタクト領域１２は、センサ構成１の外側電極６として作用する。それぞれのコンタクト要素８ａ、８ｂの上方脚の自由端１４が、第１の接触面１２に対して曲げられる。特に、自由端１４は、基板２に向かって曲げられる。これは、機械的応力をさらに減少させるのに役立つことがある。

【0065】

第２のコンタクト領域１３は、前述のボンディング材料５によって金属化されたパッド４(metallized pads)に接続される。

【0066】

第１のコンタクト要素８ａは、前述のボンディング材料５によってセンサチップ３の上方電極３ａに接合されるコンタクト部材１１をさらに含む。

【0067】

コンタクト部材１１は、第１のコンタクト要素８ａの一部である。特に、それは第１のコンタクト要素８ａと一体的に形成される。コンタクト部材１１は、第１のコンタクト要素８ａの第２のコンタクト領域１３の自由端によって形成される。中間領域１５において、第２のコンタクト領域１３は通過して、コンタクト部材１１になる。中間領域１５は、曲げられる。

【0068】

コンタクト部材１１は、第１のコンタクト部材８ａとセンサチップ３との間の機械的応力を低減するように設計される。コンタクト部材１１は、第２のコンタクト領域１３の自由端に配置された追加のバネを含む。この実施形態において、コンタクト部材１１は、平坦な形状を備える。コンタクト部材１１は、センサチップ３の上方電極３ａ上に完全に載置されている。

【0069】

センサ構成１は、上述の絶縁本体７をさらに含む。絶縁本体７は、センサ構成１の電気抵抗および耐湿性を増加させる。それは、２００℃に近い温度のガラス転移を伴う熱硬化性エポキシ材料を含む。

【0070】

絶縁本体７の材料（絶縁材料）は、センサチップ３、コンタクト部材１１および第２のコンタクト領域１３を完全に覆う。第１のコンタクト領域１２の自由端１４も、絶縁本体７内に完全に配置される。

【0071】

しかしながら、第１のコンタクト領域１２、特に、第１のコンタクト領域１２の上面は、絶縁本体７の絶縁材料がない。換言すれば、それらは、絶縁本体７から突出し、よって、センサ構成１の外側電極６として作用する。

【0072】

その上、絶縁本体７は、基板２の一部のみを覆う。絶縁本体７の材料は、少なくとも部分的に基板２の上面２ａに配置される。特に、絶縁材料は、センサチップ３とコンタクト要素８ａ、８ｂとが接続される基板２の表面の部分を覆う。従って、コンタクト要素８ａ、８ｂと基板２との間の接続部、およびセンサチップ３と基板２との間の接続部は、絶縁本体７の材料によって完全にパッケージ化される。

【0073】

しかしながら、図１からわかるように、絶縁本体７の材料は、基板２の上面２ａ上に突出しない。基板２の側面２ｂ及び下面２ｃは、絶縁本体７の材料がない。絶縁材料のないこの部分は、センサ構成１の感知部として機能する。

【0074】

センサ構成１の上述の設計および材料は、センサ構成１の高い表面感度、高い電圧耐性、高い耐湿性、および高い動作温度（２００℃まで）をもたらす。

【0075】

図２は、第２の実施形態による温度測定のためのセンサ構成１を示している。センサ構成１は、上述のセンサ構成１と同じコンポーネント、すなわち、基板２と、センサチップ３と、第１および第２のコンタクト領域１２、１３を有するコンタクト要素８ａ、８ｂと、絶縁本体７とを含む。これらのコンポーネントについては、図１の説明を参照のこと。

【0076】

図１に関連して説明したセンサ構成とは対照的に、第１のコンタクト要素８ａのコンタクト部材１１は、平坦でなく、弓形の形状を有する。よって、コンタクト部材１１は、センサチップ３の上方電極３ａ上に完全に、すなわち、その伸延全体に亘って位置しない。むしろ、それは、小さな領域、すなわち、中央領域１６においてのみ、上方電極３に接合される。コンタクト部材１１の中央領域１６を囲む側方領域１７が、センサ構成１の上面に向かって上向きに曲げられる。

【0077】

この設計は、センサチップ３と第１のコンタクト要素８ａとの間の機械的応力をさらに低減するのに役立つ。その上、センサチップ３の厚さのばらつきは、コンタクト部材１１の弓形の形状とするのにより良い方法で補償されることがある。

【0078】

図３は、第３の実施形態による温度測定のためのセンサ構成１を示している。センサ構成１は、上述のセンサ構成１と同じコンポーネント、すなわち、基板２と、センサチップ３と、第１および第２のコンタクト領域１２、１３を有するコンタクト要素８ａ、８ｂと、絶縁本体７と、コンタクト部材１１とを含む。これらのコンポーネントについては、図１の説明を参照のこと。

【0079】

上述の実施形態とは対照的に、第１のコンタクト領域１２は、絶縁本体７／センサ構成１の上面に形成されない。この実施形態において、第１のコンタクト領域１２は、絶縁本体７／センサ構成１の側面に形成される。従って、外側電極６として作用する第１の接触面１２は、さらなる処理を可能にするために、センサ構成１の側面からアクセス可能である。

【0080】

その上、この実施形態において、それぞれのコンタクト要素８ａ、８ｂの上方脚の自由端１４は、第１の接触面１２に対して曲げられない。むしろ、自由端は、絶縁本体７の側面に沿って延在し、絶縁本体７の外側からアクセス可能である。

【0081】

図１に関連して既に説明したように、コンタクト領域１２は、側面から突出せず、側面に一体化され、側面の一部を形成する。

【0082】

図４および図５は、マルチチップパッケージ１０の上面図を図式的に示している。マルチチップパッケージ１０は、複数のセンサチップ３、例えば、２つのセンサチップ３（図４を参照）または３つのセンサチップ３（図５を参照）を含む。もちろん、マルチチップパッケージ１０は、３つよりも多くのセンサチップ３、例えば５つまたは１０のセンサチップ３を含むことができる。

【0083】

マルチチップパッケージ１０は、上述のように、コンタクト要素８ａ、８ｂの第１のコンタクト領域１２によって形成される外側電極６によって電気的に接続されることができる。コンタクト要素８ａ、８ｂおよびセンサチップ３は、基板２（図示せず、図１～図３を参照）に接合され、絶縁本体７に埋め込まれる。

【0084】

以下では、センサ構成１および／またはマルチチップパッケージ１０を製造する方法が説明される。特に、この方法によって、前述のセンサ構成１／マルチチップパッケージ１０が製造される。

【0085】

本方法は、以下のステップを含む。

【0086】

Ａ）第１のステップでは、セラミックベースの基板２が提供される。基板２は、電気絶縁および耐湿性に優れる高性能セラミック基板であり、高熱伝導性を有する。基板２は、Ａｌ_２Ｏ_３、ＺＴＡ、ケイ酸塩、ＡｌＮまたはＳｉ_３Ｎ_４セラミックを含む。然る後、複数の金属化されたパッド４が、基板２上に配置される。金属化されたパッド４は、基板２の上面２ａに配置される。

【0087】

Ｂ）第２のステップでは、ボンディング材料５が提供される。ボンディング材料５は、動作温度が＞２００℃の高融点はんだ材料である。ボンディング材料５は、例えば、Ｐｂ_９７．５ＳｎＡｇ_１．５、ＳｎＡｇ_０．３Ｃｕ_０．７またはＳｎ_９０Ｓｂ_１０を含むことがある。

【0088】

ボンディング材料５の１つのそれぞれの点(ポイント)が、金属化されたパッド４の部分的な量に塗布(適用)される。特に、ボンディング材料５の１つの特定の点が、センサチップ３のうちの１つのセンサチップの電気的接続を可能にするために、１つの金属化されたパッド４に塗布される。ボンディング材料５は、金属化されたパッド４の部分的な量の上に計量分配されるか、あるいはスクリーン印刷される。

【0089】

Ｃ）さらなるステップでは、複数のセンサチップ３が設けられる。センサチップ３は、ＮＴＣまたはＰＴＣチップまたはそれらの組み合わせであってよい。ＮＴＣチップとＰＴＣチップとの組み合わせは、温度計測に安全性機能要件が装備されている用途に使用される。それぞれのセンサチップ３は、センサチップ３の上側および下側に配置される電極３ａを含む。

【0090】

センサチップ３は、基板２上に配置され、特に、点状ボンディング材料５上に配置される。センサチップ３は、それぞれのセンサチップ３が水平位置において基板２上に配置されるように配置される。

【0091】

Ｄ）次のステップでは、リフローはんだ付けが行われる。このようにして、それぞれのセンサチップ３の下方電極３ａは、基板２に電気的に接続される。下方電極３ａは、それぞれのセンサチップ３が水平位置において基板２上に配置されるように、ボンディング材料５によって金属化されたパッド４に接続される。このようにして、センサ構成１／マルチチップパッケージ１０の表面感度は増加する。

【0092】

Ｅ）次のステップでは、ボンディング材料５が、再度、例えば、スクリーン印刷されるか、あるいは計量分配される。ボンディング材料５は、それぞれのセンサチップ３の上方電極３ａに点状に塗布される。

【0093】

ボンディング材料５のさらなる点が、金属化されたパッド４の残量の金属化されたパッド４に塗布される。特に、ボンディング材料５の２つの点が、１つの最終的なセンサ構成１を達成するために、金属化されたパッド４のうちの２つに塗布される。従って、この方法のステップでは、１つの最終的なセンサ構成１を得るために、ボンディング材料５の全部で３つの点が塗布される。

【0094】

Ｆ）さらなるステップでは、複数の第１および第２のコンタクト要素８ａ、８ｂが提供される。それによって、１つのセンサチップ３について、１対のコンタクト要素８ａ、８ｂが提供される。それぞれのコンタクト要素８ａ、８ｂは、第１のコンタクト領域１２と、第２のコンタクト領域１３とを含む。

【0095】

第１のコンタクト領域１２は、センサ構成１／マルチチップパッケージ１０の外側電極６として作用し、よって、センサ構成１／マルチチップパッケージ１０の外側からアクセス可能である。

【0096】

第２のコンタクト領域１３は、基板２をそれぞれのコンタクト要素８ａ、８ｂに電気的に接続するために使用される。それぞれの第１のコンタクト要素８ａは、センサチップ３および第１のコンタクト要素８ａを電気的に接続するために使用されるコンタクト部材１１を含む。

【0097】

１つのそれぞれのコンタクト要素８ａ、８ｂは、金属化されたパッド４上に配置されたボンディング材料５の１つの点の上に配置される。その上、コンタクト要素８ａ、８ｂは、それぞれのコンタクト部材１１がセンサチップ３の上方電極３ａ上に配置された点状ボンディング材料５上に配置されるように配置される。換言すれば、ボンディング材料５の３つ点は、１対のコンタクト要素８ａ、８ｂを基板２に電気的に接続し、さらに第１のコンタクト要素８ａ（特に、コンタクト部材１１）をセンサチップ３に電気的に接続するために、必要とされる。

【0098】

Ｇ）次のステップでは、コンタクト要素８ａ、８ｂ、特に、第２のコンタクト領域１３を金属化されたパッド４と電気的に接続し、コンタクト部材１１をそれぞれのセンサチップ３の上方電極３ａと電気的に接続するために、リフローはんだ付けが行われる。

【0099】

Ｈ）次のステップでは、パッケージングが行われる。これによって、絶縁材料が設けられ、絶縁本体７が絶縁材料から成形される。絶縁材料は、２００℃に近い温度のガラス転移を伴う熱硬化性エポキシ材料を含む。

【0100】

絶縁本体７は、絶縁材料が基板２の上面２ａの少なくとも部分を覆うように形成される。例えば、上面２の円周方向エッジ領域は、絶縁材料がないままであってよい。しかしながら、絶縁材料は、コンタクト要素８ａ、８ｂと基板２との間の接続部、およびセンサチップ３と基板２との間の接続部を完全に覆う。

【0101】

絶縁材料は、さらに、センサチップ３、第２のコンタクト領域１３、およびコンタクト部材１１を完全に覆う。第１のコンタクト領域１２は、絶縁材料がないままである。その上、基板２の側面２ａおよび下面２ｃも、絶縁材料がないままである。

【0102】

Ｉ）最後のステップでは、シンギュレーション(単一化)(singulation)が行われる。それによって、基板２は、個々のコンポーネントに切断されて、複数のセンサ構成１を提供する。切断パターンは、マルチチップパッケージ１０を得るために異なることがある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0103】

【文献】米国特許出願公開第２０１８／１２２５３７Ａ号明細書

【文献】国際公開第９６／０４５３６Ａ１号

【文献】米国特許出願公開第２００８／３０８８８６Ａ号明細書

【文献】米国特許出願公開第２０１７／３５２６０３Ａ号明細書

【文献】韓国公開特許第２００５／０１１２７１９Ａ号公報

【文献】米国特許出願公開第２０１８／０３０６６４６ＡＡ号明細書

【符号の説明】

【0104】

１ センサ構成
２ 基板
２ａ 上面
２ｂ 側面
２ｃ 下面
３ センサチップ
３ａ センサチップの電極
４ 金属化されたパッド
５ ボンディング材料
６ 外側電極
７ 絶縁／本体
８ａ 第１のコンタクト要素
８ｂ 第２のコンタクト要素
９ バー
１０ マルチチップパッケージ
１１ コンタクト部材
１２ 第１のコンタクト領域
１３ 第２のコンタクト領域
１４ 自由端
１５ 中央領域
１６ 側方領域

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】