传感器单元及将基板与载体互连的方法与流程

本发明涉及一种传感器单元，其具有至少一个换能器元件，用于监测至少一个被测量并用于产生成与至少一个被测量相关的电输出信号。本发明还涉及互连基板和载体的相应的方法，且特别是组装这样的传感器布置。

背景技术：

特别是对于汽车应用，要监测多个被测量，例如诸如压力或温度的物理被测量，以及诸如气体(例如co2)浓度的电化学被测量。在任何情况下，待监测的介质必须能够接取传感器布置的限定的敏感元件，而另一方面必须确保侵蚀性和潮湿环境不会损坏和/或损害其余部件，特别是传感器布置的电子部件。此外，传感器单元必须进行大批量生产，需要高效的组装程序。

常规地，传感器单元包括至少一个换能器元件，用于监测至少一个被测量并生成与至少一个被测量相关的电输出信号，一个或多个换能器元件布置在传感器基板的第一表面上。该传感器基板通常很薄，也称为膜，主要是陶瓷膜。该膜必须附接到(通常较厚的)电路载体。必须在布置在电路载体上的(多个)换能器元件和接触垫之间建立电连接。此外，焊点(solderjoint)还可以连接位于基板的顶部(或第二表面)上的任何其他种类的电气或电子元件(例如，一个或多个传感器、微调电阻器等)。电连接是通过对开口或凹部的壁进行金属化来完成的。

这通常是复杂的制造过程，或存在由于机械应力而损坏传感器基板的风险。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种传感器单元和对应的组装方法，其改善传感器布置的性能和可靠性，且有助于制造工艺，从而克服或至少基本上减少上述问题和缺点。

上述目的通过独立权利要求的主题来解决。本发明的有利实施例是从属权利要求的主题。

本发明基于以下构思：在传感器基板中设置开口，通过该开口，导电材料(例如可焊接材料、导电胶或其他塑料材料，比如银填充的环氧树脂)可以在传感器基板安装到电路载体上之后施加。因此，可以从传感器基板的背面并以电路载体作为机械支撑来执行施加导电材料的过程。以这种方式，保护了传感器基板，特别是换能器元件，并简化了制造过程。为了机械连接传感器基板和电路载体，可以向设计添加导电胶。如果间隙填充是通过毛细作用实现的，并且开口是由金属化通孔形成的，则该导电胶不是必须的。

特别地，根据本发明的传感器单元包括：至少一个换能器元件，用于监测至少一个被测量并生成与至少一个被测量相关的电输出信号；以及传感器基板，具有第一表面和相对的第二表面，所述传感器基板包括布置在传感器基板的第一表面上的所述换能器元件和至少一个第一导电接触垫，其中所述第一导电接触垫电连接到换能器元件。

凹部设置在传感器基板中，凹部从第一表面引向第二表面。传感器基板安装在电路载体上，使得第一表面面向电路载体。传感器基板可安装在电路载体上，使得穿透电路载体的介质通道允许至少一个被测量对换能器元件的接取。替代地，对被测量的接取也可以设置在传感器基板的第二表面上。

根据本发明，电路载体包括至少一个第二导电垫，其中第一导电接触垫和第二导电接触垫通过导电材料互连，该导电材料从传感器基板的第二表面向第一表面填充，换言之，从面向上的顶表面，以便进行印刷过程。

在本发明的上下文中，术语“电路载体”旨在涵盖具有导电引线的任何种类的基板，在该基板上可以安装传感器基板(以及可选地其他电子部件)。特别地，电路载体可包括印刷电路板(pcb)、柔性电路载体(也称为柔性印刷电路，fpc)、柔性刚性载体(其为fpc或扁平柔性电缆与刚性元件的组合)、陶瓷基板(厚膜、ltcc、htcc)，玻璃等。此外，术语“基板”(或“传感器基板”)也可以涵盖pcb、fpc、刚柔载体、陶瓷基板(厚膜，ltcc，htcc)、玻璃等。

根据本发明的有利实施例，所述导电材料是焊料材料，例如回流焊料材料。回流焊接是集成电路组装和封装的成熟技术。通常，该技术基于在基板上施加焊膏，例如通过丝网印刷、分配、喷射等。将待焊接到电路载体的部件放置，使其导电引线与焊膏直接接触。将焊膏加热直至达到液相状态(被回流)，然后冷却直到焊料硬化并在部件的导电引线与电路载体之间形成永久的互连。根据本发明，传感器基板以及电路载体具有例如由银或银合金制成的引线和焊垫。当然也可以使用任何其他导电材料。导电材料(例如回流焊膏)通过设置在传感器基板中的凹部从传感器基板的背侧朝向电路载体丝网印刷或分配。将传感器模块加热到可焊接材料液化的温度后，在传感器基板上的接触垫和电路载体上的对应的接触垫之间建立导电的焊料连接。

有利地，所述凹部是优选地具有闭合截面的金属化的管状通孔。例如，凹部可以具有圆形截面。然而，对于本领域技术人员显而易见的是，当然也可以使用任何其他截面，例如多边形截面。

替代地，凹部也可以布置在传感器基板的外围区域中并且具有开放的截面。该开放的截面可以例如具有圆弧段的形状。任何其他形状当然也是可能的。该解决方案的优点可以从以下事实中看出：凹部可以在面板水平上制造为管状孔，该孔布置在传感器基板彼此分开的一个或多个切割线处。

特别地，可以提供金属化的通孔，其连接到布置在不同传感器单元上的不同电路的导电引线。通过切割面板并分离传感器单元，可以切割通孔，使得每个传感器单元只有布置在传感器单元的外围的切过的通孔的一部分。对于本领域技术人员显而易见的是，这种使用共享的并最终切分的通孔的技术也可以与其他电子单元一起使用，而不仅是传感器单元。

根据本发明的有利实施例，电路载体包括至少一个连接垫，其互连到所述第二接触垫以将传感器单元连接到外部部件。例如，连接垫可以由与所述第二接触垫互连的表面安装技术(smt)端子形成。smt端子和电路载体之间的电连接有利地可以在执行回流焊接步骤的同时建立。结合回流焊接技术的smt部件特别容易用于根据本发明的构思。

有利地，所述换能器元件至少部分地被附接到传感器基板的第一表面的保护材料包围。该保护材料可以例如包括密封玻璃层。

根据本发明的另一有利实施例，换能器元件包括微机电系统(mems)气体传感器和/或mems压力传感器，特别是用于汽车应用。具有需要与待监测介质直接接触的换能器的任何其他传感器布置当然也可以从根据本发明的接触技术中获益。

根据本发明的有利实施例，传感器基板包括陶瓷芯片载体，例如，其设置有至少一个压电电阻计。

本发明还涉及一种优选地在组装传感器单元时将基板与载体互连的方法，所述方法包括以下步骤：

提供基板(优选地是具有至少一个换能器元件的传感器基板，该换能器元件可操作为监测至少一个被测量并生成与至少一个被测量相关的电输出信号)，其中基板具有第一表面和相对的第二表面，所述基板包括布置在基板的第一表面上的至少一个第一导电接触垫(优选地，所述第一导电接触垫电连接到换能器元件)，且其中凹部设置在传感器基板中，凹部从第一表面引向第二表面；

提供用于安装所述基板的电路载体；

将基板安装在电路载体上，使得传感器基板的第一表面面向电路载体；

通过所述凹部，从基板的第二表面向第一表面填充导电材料；

进行固化步骤，使得电连接(例如焊料连接)形成在至少一个第一导电接触垫和对应的至少一个第二导电垫之间。

例如，可以通过丝网印刷或分配焊膏填充焊料材料。当然，也可以使用喷射阀的喷射技术。

电路载体可以具有穿透电路载体的介质通道，从而允许所述至少一个被测量对换能器元件的接取。

为了最终互连(传感器)基板和电路载体，固化步骤包括加热传感器单元的步骤，以便使导电材料液化。

如上所述，所述凹部形成为具有闭合截面的金属化的管状通孔，和/或所述凹部布置在传感器基板的外围区域中且具有开放的截面。

有利地，将传感器基板安装并焊接在电路载体上的步骤作为面板工艺进行，其中多个单元(优选传感器单元)彼此关联，方法还包括分离传感器单元的步骤。由于这通常适用于面板(或晶片)和批处理过程，因此传感器单元的制造更加可靠且可重复。同时，生产的周转速度更快，因此可以降低单个传感器单元的成本。

特别地，凹部在形成(传感器)单元的角部和/或边缘的区域处形成为管状通孔，其中通过分离单元，具有开放的截面的凹部形成在所述分离的传感器单元的角部和/或边缘处。换言之，每个通孔在相邻单元之间共享。这样做是为了最小化原材料成本，因为管状通孔会严重影响总体材料支出。在外围区域中提供金属化通孔时，在生产期间中，两个或多个传感器单元共享一个通孔。当各个传感器单元被分离时，共享的通孔随后被切成半管或四分之一管(或任何其他合适的截面形状)，形成带有开放的截面的凹部。当然，分开的通孔部分的形状取决于在通孔处相交的切割线的数量和角度。

为了保护换能器元件免受侵蚀性介质的影响，该方法可以进一步包括以下步骤：附接保护材料，使得其至少部分地包围换能器元件。例如，玻璃层或塑料浇铸复合物可用作保护材料。

根据某些实施例，所述传感器基板包括陶瓷芯片载体。然而，对于本领域技术人员显而易见的是，根据本发明，也可以使用任何其他类型的基板，例如pcb、柔性电路板、引线框架等。

附图说明

附图并入说明书中并形成说明书的一部分以说明本发明的若干实施例。这些附图与描述一起用于解释本发明的原理。这些附图仅仅是为了说明如何制造和使用本发明的优选和替代示例的目的，而不应被解释为将本发明限制为仅示出和描述的实施例。此外，实施例的几个方面可以单独地或以不同的组合以形成根据本发明的解决方案。因此可以将以下描述的实施例单独考虑或以其任意组合考虑。从以下对本发明的各种实施例的更具体的描述中，进一步的特征和优点将变得显而易见，如附图中所示，其中相同的附图标记指代相同的元件，并且其中：

图1是根据本发明第一实施例的传感器单元的示意性透视图；

图2是根据图1的传感器布置的示意性剖视图，其中图2a示出了焊料回流之前的传感器单元，而图2b示出了焊料回流之后的传感器单元；

图3示出了图1的细节；

图4示出了图1的另一细节；

图5是根据本发明的另一实施例的传感器单元的示意性透视图；

图6是根据图5的传感器布置的示意性剖视图，其中图6a示出了焊料回流之前的传感器单元，而图6b示出了焊料回流之后的传感器单元；

图7示出了图5的细节；

图8示出了图5的另一细节；

图9以俯视图示出了图5的另一细节；

图10以侧视图示出了图5的另一细节；

图11是根据本发明的另一实施例的传感器单元的示意性透视图；

图12是图11所示的传感器单元的另一透视图；

图13示出了根据有利的实施例的面板布局图案的上侧；

图14示出了根据有利的实施例的面板布局图案的下侧；

图15示出了根据有利实施例的丝网印刷网格图案的细节；

图16是示出根据本发明实施例的制造工艺的示意图；

图17示意性地示出了面板布局图案的上侧，其示出了共享通孔的各种有利实施例；

图18示意性地示出了根据另一有利的实施例的电路载体布局图案的上侧；

图19示出了图18的细节；

图20是在电气/电子部件已经组装并且传感器基板附接到电路载体之后的图18和19的面板的一部分的透视图；

图21是图20所示的布置的透视透明图。

具体实施方式

现在将参考附图进一步解释本发明，并首先参考图1。图1以示意性透视图示意性地示出了根据本发明第一实施例的传感器单元100。

传感器单元100包括安装在电路载体106上的传感器基板104，该电路载体例如由氧化铝制成。传感器基板104在图1的下侧具有面向电路载体106的第一表面108，且在图1的上侧具有第二表面110。必须注意的是，传感器基板104在图1中绘示为透明的。

根据本发明，传感器单元100是压力传感器，并且包括形成换能器元件102的四个压电电阻应变仪。传感器基板104形成可移位的膜。换能器元件102布置在形成可移位的膜的传感器基板104的第一表面108上。电路载体106可以具有穿透电路载体106的开口，从而在换能器元件102下方形成介质接取通道(图中未示出)。替代地，可以用附加的壳体(未示出)从上侧110来进行介质接取。

应变仪检测由于膜的两个表面之间的压力差而引起的膜的位移。

换能元件102连接至导电引线112，该导电引线112例如由银或银合金形成。引线112连接到导电的第一接触垫114。

在每个接触垫114处，传感器单元100具有圆形的凹部116，该凹部116从第二表面110到第一表面108穿透传感器基板104。凹部116的直径足够大以允许焊料材料通过丝网印刷或其他分配技术填充，并到达布置在电路载体106上的对应的第二导电接触垫118(在图1中不可见)。通过回流焊接，可以在第一导电接触垫114和第二导电接触垫118之间建立牢固的电连接。有利地，可以在膜-基板组装之后执行丝网印刷(或以其他方式分配)焊膏。这进一步提供了在面板级别进行处理的优点，这可以节省成本。

特别地，例如，在将传感器基板104在电路载体106上对准之后，将可焊接前体丝网印刷到凹部116中，从而使传感器基板和电路载体106的可焊接接触垫114、118彼此对准。接着，将传感器单元100加热直到前体材料达到液相线状态。在冷却后，建立焊料连接，从而在电路载体106和传感器基板104之间形成电连接。

对于本领域技术人员显而易见的是，根据本发明，也可以使用导电胶或具有暂时流体状态的任何其他导电材料，例如银填充的环氧树脂。

在图1所示的实施例中，接触垫和凹部116与传感器单元100的边缘间隔开，并且由具有闭合的圆形直径的管状开口形成。当然，凹部116的轮廓不必一定是圆形的，而可以是矩形的或具有任何其他合适的形状。

图2示出了根据图1的布置的示意性截面图。图2a示出了已施加可焊接材料但尚未加热的传感器单元100的状态。图2b示出了执行回流加热步骤之后的传感器单元100的最终状态。

从图2a和2b可以看出，压电电阻计102被保护玻璃层120覆盖。保护玻璃层120导致在第一接触垫114和第二导电接触垫118之间形成狭窄的间隙122。

根据本发明，焊膏124在从第二表面110朝向第一表面108的方向上填充到凹部116中，并到达第二导电接触垫118。当向传感器单元100施加热量时，焊膏124液化并通过毛细力吸入间隙122中，从而在第一导电接触垫114和第二导电接触垫118之间形成焊料连接126。

电路载体106还包括金属化通孔128，其将布置在电路载体106的上表面上的第二电连接引线130连接至与端子134连接的导电引线132。根据图2a和2b所示的实施例，通孔128定位为与第一导电接触垫114和第二导电接触垫114、118相距一定距离。

图3和图4详细示出了凹部116的区域，其中图3示出了透明的传感器基板104和电路载体106。从该图示可以看出，焊料连接126没有覆盖整个接触垫118，而是留下了未覆盖的区域136。换句话说，焊料连接126在第一导电接触垫114和第二导电接触垫118之间形成环形导电连接。该特定形状的原因是这样的事实，即在加热步骤期间，液化的焊料通过毛细作用力被吸入传感器基板104和电路载体106之间的间隙122中。

现在将参照图5说明本发明的另一个有利实施例。根据第二实施例的传感器单元200与上述传感器单元100的不同之处主要在于焊料连接226和通孔228的位置。传感器单元200包括附接到电路载体206的传感器基板204。根据第二实施例，凹部216布置在传感器单元200的角部处。对于本领域技术人员显而易见的是，根据本发明，凹部216的非对称布置，或者不在传感器单元200的角部处而是在传感器单元200的边缘处的布置也是可能的。

如图5所示，凹部216和焊料连接226位于金属化通孔228附近。这种布局具有几个优点。首先，通过将第一导电接触垫214布置在通孔228附近，不需要从第二导电垫218到通孔228的额外引线。这节省了电路载体206上的空间。此外，当在面板水平上制造传感器单元200时，可以提供相对较大的开口作为凹部216，从而有利于从膜侧填充可焊接材料。焊料连接226的位置靠近外围区域，特别是在传感器单元200的角部处，是通过分离各个传感器单元200来实现的。下面参考图13至15，该过程将变得更加显而易见。

参照图5，传感器单元200还包括四个换能器元件202，它们通过导电引线212连接至第一导电接触垫214。此外，电子感测和控制电路238设置在电路载体214的下侧。下侧240与面向基板204的表面242相对。

图6a和6b以剖视图示出了图5的传感器单元200。特别地，图6a示出了已经从基板204的第一表面210分配或丝网印刷可焊接材料224之后的传感器单元。图6b示出了焊料回流之后的传感器单元，其中形成了焊料连接126，并且传感器基板204被牢固地结合至电路载体206。

如图6a示意性地所示，可焊接材料224从电路基板204的表面210填充到第二导电接触垫218上，如箭头244所示。根据本发明，在第一导电接触垫214和第二导电接触垫218之间留有间隙222。因此，当在填充可焊接材料224之后加热传感器单元200时，毛细作用力将液化的可焊接材料拉向保护玻璃层220，从而在第一导电接触垫214和第二导电接触垫218之间形成导电结合。

图7至图10示出了图5和图6中所示的传感器单元200的角部区域246的若干详细视图。

如上所述，根据本发明的方面，凹部216位于通孔228的附近。因此，出现的问题是，当填充可焊接材料224时，可能会将其填充到通孔228中。在这种情况下，毛细作用力可能不能在第一导电接触垫214和第二导电接触垫218之间抽吸液化的可焊接材料。

从图11和12中可以看到克服此缺点的可能性。根据该实施例，与通孔228直接相邻地设置无焊料区域248。有利地，这些无焊料区域248是覆盖通孔228的电介质涂层250的一部分。

图13和14在面板水平上图示了根据本发明的传感器单元200的制造过程。

在图13中，示出了具有附接的传感器基板的面板252的俯视图。从该图可以看出，并排布置了多个尚未个体化的传感器单元200。稍后的角部区域246位于模切割线254的相交处。通过稍后切割工艺，每个传感器单元200都具有截面为四分之一圆的通孔228。如上面已经提到的，通孔还可以沿着模切割线254放置，使每个传感器单元200具有半圆形截面的通孔228。此外，连接的数量由特定的应用确定。然而，如上所述的根据第二实施例的布置特别地高效且节省空间。图14示出了面板的底视图，其中仅通孔228的孔是可见的。

图15示出了丝网印刷网格256的细节，该丝网印刷网格256可以用于将材料的焊料丝网印刷到图13所示的凹部216中。对应于图13的每个开口216，丝网印刷网具有中心区域258，该中心区域258阻止可焊接材料分配到通孔中。与稍后的单独的传感器单元200的角部区域246重合的开口260设置在网格256中，用于将焊膏分配到图13所示的凹部216中。当然，可以根据焊膏的特性来改变开口260的特定形状。

现在将参考图16以及图5至图15说明制造压力传感器单元200的示例性方法。

框302描述了传感器基板204的组装(如上所述，传感器基板也可以称为“膜”)。首先，将形成换能器元件的压电层印刷到陶瓷基板上。在步骤306中，印刷结构化的银层，其形成导电引线和接触垫。在下一步骤308中，对膜布置进行烧制，以固结压电层以及导电引线和垫。在步骤310中，将保护玻璃层220添加到传感器基板204。在最后的干燥和/或烧制步骤312中，传感器基板204完成。

制作框314图示了电路载体206的制作，有时也称为“基板”。在步骤316中，将所有必需的玻璃和连接层印刷到陶瓷基板上。干燥和/或烧制步骤318定型电路载体。对于本领域技术人员显而易见的是，如果需要，还可以将附加的电子部件(例如，电阻器或电容器)集成到电路载体中。

制造框320示出了膜和基板的组装。在面板水平上，膜和基板彼此对准，并在堆叠体上放置额外的配重(步骤322)。在步骤324中，对堆叠体进行烧制，以实现玻璃层220与电路载体的上表面242之间的粘附。

接下来，在步骤326中，将焊膏从膜侧丝网印刷到开口216中，并且可以执行回流步骤以固定焊料连接。在步骤328中，通过已知的芯片单体化技术将各个传感器单元彼此分离，例如锯锯、激光切割、拉断(snap)等。

替代地，在步骤326中还没有加热焊料连接，而是仅用印刷的焊膏来单体化传感器单元200。在这种情况下，回流步骤与将传感器单元回流焊接到外部部件(未在图中示出)一起执行，或者在附接电子感测和控制电路238时执行。

图17更详细地说明了在生产期间使用共享通孔直到分离各个单元的构思。必须注意的是，这个概念也可以与其他电气或电子单元一起使用，而不仅仅是传感器单元。

在该图中，示出了具有附接的传感器基板的面板452的俯视图。从该图可以看出，多个尚未个体化的电气或电子单元400(例如，如上所述的传感器单元)并排布置。在此图中示意性地组合了几种不同的几何形状。当然，并非所有这些变体都必须在同一面板452上实现。

稍后的角部区域246例如位于模切割线454的相交处。通过稍后的切割工艺，每个单元400可以具有连接到导电引线430(仅示意性地示出)的具有四分之一圆形的截面的通孔428。如图5所示，在细分步骤之后，金属化的通孔428在电路载体的两侧之间建立电接触。

替代地，可以在中心通孔428周围设置附加通孔429，使得在切割步骤之后，每个电路具有分开的附加凹部，该凹部具有与图1所示的布置类似的闭合(例如圆形)截面。

此外，一个或多个城堡形(castellation)通孔431可以沿着一条模切割线454布置，使得它们仅由一条切割线相交，而不是如对于通孔428所示的多个切割线的交叉点。通过这种配置，在切割步骤之后，沿单元的电路载体的边缘生成城堡形几何形状。

图18示出了根据另一有利实施例的电路载体面板552的布局。在面板552上，通过为电路载体材料提供导电元件来并排制造多个电路载体506。例如，从图20和21可以明显看出，各种导电接触垫518布置在电路载体506的上表面上，用于与传感器基板进行电接触，并用于固定电气和电子部件。提供导电引线530以使电气/电子部件彼此互连或与通孔528互连。通过沿着相交的切割线554的网格切割面板552，可以制造多个分开的单元。然后，每个单元在其每个角部处将具有四分之一的通孔528。

根据本发明，仅在组装传感器基板之后才执行各个单元的分离。在焊接步骤之前，可以在通孔528的内部导电表面上涂覆电绝缘层，以避免焊料材料进入通孔中。通孔528建立到电路载体506的相对表面的电连接。

图19示出了图18的细节，其中通孔528及其周围被放大。从该图可以看出，面板552的布局设计为，沿着切割线554进行切割后，每个电路载体506具有四分之一的体积528，连接到一个导电引线530。有利地，与通孔528的金属化连接的导电引线平行于切割线554行进，使得它们不会被切割工艺损坏。构思是为四个电路共享一个通孔，一个单元的每个角部(仍在图18和19中的阵列中)从板的一侧到另一侧占据电连接的金属化孔的四分之一。在焊接步骤和分离步骤之后，四分之一的金属化通孔528通过每个最终组装的电子单元的每个角部处的电路载体的厚度提供完全接触。

在面板552的背侧，设置有另外的接触垫(对应于图11中的附图标记218)，其通过感测元件(图10的附图标记204和图20的附图标记504)连接到陶瓷膜。

面板552例如由陶瓷材料制成，诸如接触垫518和引线530的导电元件以厚膜技术制成。

然而，面板552也可以是由玻璃增强的环氧层压材料(例如，所谓的fr4材料)形成的印刷电路板(pcb)，其具有导电的铜引线和金属化的通孔。也可以使用用于制造电路载体的任何其他合适的技术。扁平柔性载体也可以用于本发明。

图20示出了在电气/电子部件562已经组装并且传感器基板504附接到电路载体506之后的图18和19的面板552的一部分。根据本发明，每个通孔528通过导电引线530连接到四个周围的传感器基板504。

根据本发明，可以在电路载体506的上表面上布置各种无源和有源部件以及电子电路。有利地，所有的电子电路在沿着切割线554分开各个单元500之前被组装在面板552上。这简化了组装过程并降低了成本。

可选地，导电引线513可以覆盖有非导电保护层564。保护层564可以使一些导电垫518保持敞开，使得它们例如在引线键合步骤或任何其他电连接步骤中保持可接取。必须注意，在图20和21的图示中，仅示出了四个单元500仍然互连，以便示出如何通过分离单元来划分通孔528。当然，四个单元的阵列通常是更大的面板552的一部分。此外，为了说明的目的，传感器单元500a被表示为不具有覆盖引线413的保护层564。

图21以透明视图示出了图20的布置，以便更详细地示出传感器基板504。在该图中，显而易见的是，金属化的通孔528连接到布置在载体506的背侧的导电接触垫514，用于焊料结合传感器基板504。

附图标记列表