專利名稱：氣體傳感器和用于制造氣體傳感器的倒裝芯片方法
技術領域：
本發明基于一種根據權利要求1前序部分所述的傳感器元件，包括至少一個帶有 氣體敏感層的半導體器件。此外，本發明涉及一種用于制造這種傳感器元件的方法及其應用。包括帶有氣體敏感層的至少一個半導體器件的傳感器元件通常用于檢測氣體混 合物中的組分。帶有氣體敏感層的半導體器件在此通常是氣體敏感的場效應晶體管。在這 種氣體敏感的場效應晶體管中，柵電極設置有涂層，在該涂層上可以吸收氣體分子，并且由 此通過載流子密度來改變晶體管的特性曲線。這是存在相應的氣體的信號。作為涂層，在 此相應地選擇如下材料該材料對于確定的要檢測的氣體是選擇性的。為此，涂層通常包含 催化活性材料。通過使用不同的分別具有特定的柵極涂層的氣體敏感的場效應晶體管，可 以檢測不同的氣體。用于檢測氣體組分的傳感器元件例如也可以使用在機動車的排氣系統中。借助這 種傳感器元件，例如可以確定在廢氣中存在氮氧化物、氨或者碳氫化合物。然而，由于內燃 機的廢氣的高溫，對于傳感器元件提出了高要求。此外，在廢氣中會包含顆粒，這些顆粒會 導致柵極涂層的磨損。這使得需要保護柵極涂層，然而其中不允許通過這種保護而影響功 能。例如在DE-A 10 2005 008 051中描述了帶有開孔的多孔敏感層的氣體敏感的場
效應晶體管。
發明內容
根據本發明構建的傳感器元件包括帶有氣體敏感層的至少一個半導體器件，該半 導體器件按照倒裝芯片方法固定在承載體上，其中氣體敏感層朝向承載體的方向并且包括 用于將要研究的氣體輸送給(zufuehren)氣體敏感層的裝置。半導體器件被包覆物包圍。通過按照倒裝芯片方法來固定半導體器件以及隨后的包覆，將半導體器件保護免 受外部影響。這樣，一方面通過如下方式已經實現了對氣體敏感層的保護該氣體敏感層朝 向承載體并且并不背離承載體而朝向環境。通過附加的包覆物，進一步保證了沒有周圍介 質中的有害組成部分會與半導體器件相互作用。通過這種方式，可以有效地防止半導體器 件的損壞。為了能夠將要研究的氣體輸送給氣體敏感層，所述裝置包括多孔層用于輸送氣 體，該多孔層設置在半導體器件和承載體之間，其中多孔層的區域并未被包覆物覆蓋。通過 多孔層的未被包覆物覆蓋的區域，要研究的氣體可以滲入多孔層中。通過多孔層，要研究的 氣體被引導至氣體敏感層。通過使用多孔層避免了要研究的氣體的非氣態組成部分、例如 包含于氣體中的顆粒到達氣體敏感層。通過這種方式，多孔層用作氣體敏感層的附加保護 層。多孔層優選包含開孔多孔陶瓷。優選的是，包含在多孔層中的開孔多孔陶瓷是氧 化鋁、氧化鋯、堇青石及其混合物。
多孔層優選在半導體器件的固定之前被施加到承載體上。在承載體與半導體器件 接觸的位置上在多孔層中設置有凹部。可替選地，也可能的是，例如將穿通接觸部引入多孔 層中。例如通過絲網印刷方法來施加多孔層，該絲網印刷方法通常在燒結步驟之后。然而 多孔層例如也可以通過等離子體噴射方法、刮板、分配方法或者移印來施加。然而優選的 是，多孔層通過絲網印刷方法來施加，其中例如可以通過使用孔形成器來調節多孔層的孔 隙度。絲網印刷方法也能夠實現多孔層的目標精確的取向。借助絲網印刷方法，可以用簡 單的方式來實現平坦的表面。在一個可替選的實施形式中，為了輸送氣體在承載體中構建通道，該通道一方面 通到半導體器件的氣體敏感層中，并且另一方面通到包覆物之外的位置。在此，用于輸送 氣體的通道例如可以被銑削到承載體中，其中入口定位在承載體的與半導體器件相同的側 上。優選的是，通道在此被覆蓋并且僅僅露出小的進入開口，由此沒有要研究的氣體的損壞 氣體敏感層的組成部分可以侵入通道中。 然而優選的是，該通道構建為承載體中的穿通開口。在此，進入孔位于承載體的背 面并且半導體器件在承載體的上側直接位于通道上方。為了避免尤其是包含在氣體流中的顆粒到達氣體敏感層，優選的是，通道用多孔 材料填充。用來填充通道的多孔材料在此優選是也用于前面描述的多孔層相同的材料。在 此，多孔材料至通道中的侵入同樣通過與施加多孔層相同的方法來進行。除了通道之外，還 可能的是，在承載體和半導體器件之間構建多孔層，如前面已經描述的那樣。當設置了承載 體，則多孔層然而完全被包覆物覆蓋，因為通過通道進行氣體輸送。為了可能包含損壞半導體器件的組成部分的要研究的氣體僅僅與氣體敏感層接 觸，可能的是，在使用多孔層時在半導體器件和承載體或者承載體中的通道之間氣密地實 施包覆物，其中氣體通過所述通道被輸送給氣體敏感層。在包覆物的氣密實施的情況下，尤 其是也將要研究的氣體的氣態組成部分保持遠離半導體器件。替代氣密的包覆物和例如多孔層(氣體通過該多孔層輸送給氣體敏感層)或者承 載體中的通道，也可能的是，將包覆物多孔地實施并且將半導體器件和承載體彼此間隔地 安裝，使得要研究的氣體通過多孔包覆物并且在半導體器件和承載體之間被輸送給氣體敏 感層。在該實施例中要注意的是，在承載體上安裝半導體器件時，分別保持在半導體器件和 承載體之間的所需的距離，以便使得氣體敏感層對于要研究的氣體是可到達的。可替選地也可能的是，包覆物多孔地實施，并且在半導體器件之下在承載體中構 建通道，使得要研究的氣體通過多孔包覆物以及通過通道輸送給氣體敏感層。在該實施形 式中也可能的是，將半導體器件直接設置在承載體上，而在半導體器件和承載體之間不保 留間隙。替代在半導體器件和承載體之間的間隙，可替選地也可能的是，在半導體器件和 承載體之間設置多孔層。通道也可以用多孔層填充。當在半導體器件和承載體之間構建多 孔層時，需要在半導體器件和承載體之間通過多孔層設置間距。借助其來包覆半導體器件的包覆物優選包含至少一個選自由氧化鋁、氧化鋯、堇 青石和玻璃構成的組中的材料。然而優選的是，包覆物由氧化鋁、氧化鋯、堇青石或者這些 材料的混合物制成。用于制造傳感器元件的方法優選包括以下步驟(a)將帶有氣體敏感層的半導體器件通過倒裝芯片方法固定在承載體上，使得氣體敏 感層朝著承載體的方向，并且要研究的氣體可以被輸送給氣體敏感層，
(b)在固定半導體器件之后施加包覆物。優選的是，包覆物通過等離子體噴射方法、尤其是通過氣氛(atmosph&isches)等 離子體噴射方法來施加。通過借助等離子體噴射方法來施加包覆物，可能有針對性地設置 包覆物的孔隙度。這樣，包覆物可以強烈多孔地、較少多孔地或者完全不透過氣體地制造。 由于通過倒裝芯片方法來固定半導體器件，其中氣體敏感層朝向承載體的方向，所以在施 加包覆物的情況下實現了對氣體敏感層的附加保護。通過這種方式，氣體敏感層的敏感結 構不會通過等離子體噴射方法而受到損壞。通過等離子體噴射方法也可能有針對性地構建 包覆物。這樣，例如也可以實現例如在包覆物的孔隙度中的梯度。氣氛等離子體噴射方法的優點尤其是通常不需要最終的熱處理。此外，該應用可 以在適當的溫度情況下、即在20至300°C的范圍中進行。此外，也可以讓包覆物的熱膨脹系 數匹配，例如通過用于包覆物的陶瓷的孔隙度或者混合關系，并且可以避免熱導致的機械 應力。使用氣氛等離子體噴射方法具有另外的優點是，其中施加包覆物的涂層室無需被 排空。這能夠實現更快的通過量并且由此降低成本。替代通過等離子體噴射方法施加包覆物，任意其他的對于本領域計數人員而言已 知的施加方法也是可能的。這樣，包覆物尤其是可以在使用包覆物的、不必在高溫下燒結的 材料情況下，或者在溫度穩定的半導體器件情況下，例如也通過分配方法(Dispensen)或 者移印(Tampondruck)來施加。帶有氣體敏感層的半導體器件例如是化學敏感的場效應晶體管。在化學敏感的場 效應晶體管情況下，氣體敏感層通常是柵電極。在氣體敏感層上例如進行要檢測的氣體的 化學反應，由此改變氣體敏感層的特性，例如導電性。為此，氣體敏感層例如由多孔半導體 材料制成，其包含對于要檢測的氣體的催化活性涂層。根據本發明的傳感器元件例如可以用于確定氮氧化物、氨和/或碳氫化合物在內 燃發動機的排氣系統中的含量，尤其是在機動車的內燃發動機的排氣系統中的含量。為了 確定氮氧化物、氨和/或碳氫化合物的含量，例如針對氣體敏感層使用不同的催化活性物 質，使得氣體敏感層分別選擇性地對于這些氣體之一進行反應。通過半導體器件的包覆物，保護半導體器件例如免受廢氣中包含的顆粒、例如炭 黑顆粒，這些顆粒可能是磨蝕性的。通過包覆物也實現了對于半導體器件的溫度保護。
本發明的實施例在附圖中示出并且在下面的描述中進一步闡述。其中
圖1示出了根據本發明構建的第一實施形式的傳感器元件的示意性截面圖， 圖2示出了根據圖1的傳感器元件的俯視圖， 圖3示出了第二實施形式中的根據本發明的傳感器元件的示意圖， 圖4示出了根據圖3的傳感器元件的俯視圖。
具體實施例方式在圖1中示出了根據本發明構建的第一實施形式的傳感器元件的截面圖。傳感器元件1包括承載體3，半導體器件5施加到該承載體上。承載體3例如可以包括半導體材料，例如半導體芯片，并且此外例如可以包括饋 電線、接觸墊等等。可替選地，承載體3也可以例如是帶有相應地施加于其上的印制導線的 電路板。當承載體3是電路板時，任意對于本領域技術人員已知的、通常由其制成電路板的 材料適于作為承載體材料。半導體器件5用倒裝芯片方法固定在承載體3上。在倒裝芯片方法中，半導體器 件以其有源側朝向承載體3安裝。在此，半導體器件5的固定例如借助承載體3上的接觸 點7、所謂的接觸凸塊來進行。半導體器件5具有氣體敏感層，借助該層例如可以檢測環境 中存在確定氣體。合適的半導體器件5例如是氣體敏感的場效應晶體管。通常，半導體器件5的氣體敏感層構建為使得其分別僅僅針對一種確定的氣體敏 感反應。為了例如檢測在環境中包含的不同的氣體，需要多個半導體器件5。半導體器件5 在此例如作為陣列設置在承載體3上。然而，可替選地也可能的是，對于每種要檢測的組分 設置獨立的傳感器元件1，其中分別將一個半導體器件5定位在承載體3上。通過借助倒裝芯片方法將半導體器件5固定在承載體3上，半導體器件5的氣體 敏感層朝向承載體3。為了要檢測的氣體可以到達半導體器件5的氣體敏感層，因此需要設 置用于輸送氣體的裝置。在圖1中所示的實施形式中，用于輸送氣體的裝置包括多孔層9， 其容納在承載體3和半導體器件5之間。多孔層9在此對于要研究的氣體是可穿透的。多 孔層9的厚度一方面例如可以通過合適的施加方法來設置。然而，另一方面也可能的是，多 孔層9的厚度通過半導體器件5與承載體3的距離來設置。該距離例如由接觸點7的高度 得到。多孔層9的施加可以通過任何合適的、對于本領域技術人員熟知的方法來進行。 優選的是，在施加半導體器件之前，多孔層9通過絲網印刷方法來施加。層的孔隙度于是例 如可以通過孔形成器來設置。在通過絲網印刷施加多孔層9之后，通常將多孔層9燒結。優 選的是，使用陶瓷，例如氧化鋁、氧化鋯、堇青石或者其混合物來作為多孔層9的材料。根據本發明，半導體器件5被包覆物11包圍。包覆物11可以多孔或者氣密地實 施。當包覆物11氣密地實施時，多孔層9并未完全被包覆物11包圍，而是多孔層9的一部 分在包覆物11和承載體3之間從包覆物11伸出。由包覆物11伸出的多孔層9的區域用 參考標記13表示。通過多孔層9的從包覆物11伸出的區域13，氣體侵入多孔層9中，并且 被引導至半導體器件5的氣體敏感層。當包覆物11多孔地實施，使得要研究的氣體可以通過包覆物11擴散時，多孔層9 不需要具有從包覆物11伸出的區域13。在這種情況下例如也可以省去多孔層9。在這種 情況中，在半導體器件5和承載體3之間構建距離。該距離在此通過接觸點7的高度預先給定。然而在多孔包覆物11的情況下也可能的是，多孔層9的一個區域13從包覆物11 伸出。通過包覆物11以機械方式保護了半導體器件5。這樣，例如進行針對磨蝕性顆粒 的保護，在輸送給傳感器元件1的氣體中會包含這種顆粒。另一方面，包覆物11也提供了對于熱沖擊負荷的保護，其中該熱沖擊負荷由于在氣流中包含的小水滴遇到加熱的半導體 器件5而出現。包覆物11優選通過等離子體噴射方法來施加。通過等離子體噴射方法，可以調節 包覆物11的有針對性的層厚度。此外，也可以有針對性地設置包覆物11的孔隙度。這樣， 例如可能的是，包覆物11多孔地或者氣密地被實施。包覆物11的材料優選是氧化鋁、氧化鋯、堇青石、玻璃或者其混合物。當包覆物11多孔地實施并且設置多孔層9時，這包覆物11和多孔層9可以由相 同材料或者不同材料制造。然而優選的是，包覆物11和多孔層9由相同材料制成。除了所 選擇的材料，此外也可能的是，包覆物11和多孔層9的孔隙度不同。這樣例如可能的是，多 孔層9比包覆物11更強地多孔。可替選地也可能的是，包覆物11具有比多孔層9更大的 孔隙度。除了包覆物11和多孔層9的不同孔隙度之外，也可能的是，包覆物11和多孔層9 具有相同的孔隙度。由于用倒裝芯片方法來安裝半導體器件5，所以在施加包覆物11的情況下保護了 半導體器件5的氣體敏感層，因為包覆物11的材料不會到達氣體敏感層。由此，防止了氣 體敏感的場效應晶體管的可能敏感的柵極結構受到損壞。在圖2中示出了根據圖1的傳感器元件的俯視圖。如從根據圖2的視圖中可以得到的那樣，多孔層9在所有側面伸出半導體器件5。 多孔層9在此用作半導體器件5的下側的保護裝置。通過多孔層9大于半導體器件5，半導 體器件5的下側的區域并不暴露。在這里所示的實施形式中，多孔層9 一側在包覆物11之下伸出。然而，多孔層9 的從包覆物11伸出的區域13也可以在所有側上在包覆物11之下伸出。在該情況中，包覆 物11完全位于多孔層9上。在一個可替選的實施形式中的傳感器元件1在圖3中示出。在圖3中示出的實施 形式與圖1和2中所示的實施形式的區別在于，多孔層9完全被包覆物11包圍。為了保證 至半導體器件5的氣體進入，在承載體3中構建有穿通開口 15。穿通開口 15可以如圖3中 所示地在半導體器件5之下從承載體3的上側17延伸至承載體3的下側19，其中半導體器 件5安裝在該承載體3上。可替選地也可能的是，替代穿通開口 15在承載體3中構建通道，該通道沿著上側 17延伸并且伸出包覆物11。當在承載體3中構建穿通開口 15或者通道時，可以省去多孔 層9，其中要研究的氣體可以通過穿通開口或者通道被弓I導至半導體器件5的氣體敏感層。 在該情況中，在承載體3和半導體器件5之間構建間距。在承載體3中的通道或者穿通開 口 15的情況下也可能的是，半導體器件5直接設置到承載體3上，而在半導體器件5和承 載體3之間并不設置間距。在承載體3中的通道或者穿通開口 15的情況下，包覆物11也可以不透氣地實施。 至半導體器件5的氣體敏感層的氣體進入通過在承載體3中的通道或者穿通開口 15來保 證。為了避免例如會包含在氣體中并且可能導致半導體器件5的氣體敏感層的機械 損壞的顆粒能夠到達氣體敏感層，優選的是，穿通開口 15或者通道(當其設置在承載體3中 時)用多孔材料填充，該多孔材料透氣，然而防止顆粒通過。
當在承載體3中構建通道或者穿通開口 15時，要注意的是，沒有濕氣可以侵入其 中，因為濕氣會導致損壞半導體器件5。在圖4中示出了根據圖3的傳感器元件的俯視圖。在這里所示的實施形式中可以 看到的是，穿通開口 15以長孔形式構建。通過這種形式，半導體器件5的氣體敏感層的盡 可能大的區域朝向氣體開放。除了如在圖4中所示的作為長孔的實施，穿通開口 15也可以 具有任意其他形狀。也可能的是，替代僅僅一個穿通開口 15設置多個穿通開口。它們例如 可以實施為鉆孔。穿通開口 15的任意其他橫截面也是可能的。除了氣體不可透過的包覆物11，可替選地也可能的是，施加多孔并且由此透氣的 包覆物11。在這種多孔的包覆物11的情況下可以省去如其在圖1和2中所示的從包覆物 11伸出的多孔層9的區域13。當承載體3和半導體器件5彼此間隔時，也不需要在承載體 3中設置穿通開口 15。這例如可以通過多孔層9來保證。在多孔包覆物11的情況下也可 能的是，例如省去多孔層9。在半導體器件5和承載體3之間所需的間隔于是通過接觸點7 的高度來設置，其中需要該間隔來使得氣體可以傳輸至氣體敏感層。在多孔包覆物11的情 況下也可能的是，半導體器件5直接設置到承載體3上而沒有間隔。在該情況中，在承載體 3中構建通道，該通道在半導體器件5之下伸出，使得要研究的氣體通過多孔包覆物和通道 輸送給半導體器件5的氣體敏感層。
權利要求
1.一種傳感器元件，包括帶有氣體敏感層的至少一個半導體器件(5)，該半導體器件 按照倒裝芯片方法固定在承載體(3)上，其中氣體敏感層朝向承載體(3)的方向并且包括 用于將要研究的氣體輸送給氣體敏感層的裝置，其特征在于，所述半導體器件(5)被包覆物 (11)包圍。
2.根據權利要求1所述的傳感器元件，其特征在于，所述裝置包括多孔層(9)用于輸 送氣體，該多孔層設置在半導體器件(5)和承載體(3)之間，其中多孔層(9)的區域(13)并 未被包覆物(11)覆蓋。
3.根據權利要求2所述的傳感器元件，其特征在于，多孔層(9)包含至少一種開孔多 孔陶瓷。
4.根據權利要求1所述的傳感器元件，其特征在于，為了輸送氣體在承載體(3)中 構建通道，該通道一方面通到半導體器件(5)的氣體敏感層中，并且另一方面通到包覆物 (11)之外的位置。
5.根據權利要求4所述的傳感器元件，其特征在于，所述通道構建為承載體(3)中的 穿通開口(15)。
6.根據權利要求2至5之一所述的傳感器元件，其特征在于，包覆物(11)氣密地被實施。
7.根據權利要求1所述的傳感器元件，其特征在于，包覆物(11)多孔地被實施并且半 導體器件(5)和承載體(3)彼此間隔，使得要研究的氣體通過多孔的包覆物(11)以及在半 導體器件(5)和承載體(3)之間的距離被輸送給氣體敏感層。
8.根據權利要求1所述的傳感器元件，其特征在于，包覆物(11)多孔地被實施，并且 在半導體器件(5)之下在承載體(3)中構建有通道，使得要研究的氣體通過多孔的包覆物 (11)以及通過通道被輸送給氣體敏感層。
9.根據權利要求1至8之一所述的傳感器元件，其特征在于，包覆物(11)包含由氧化 鋁、氧化鋯、堇青石和玻璃構成的組中的至少一種材料。
10.根據權利要求1至9之一所述的傳感器元件，其特征在于，帶有氣體敏感層的半導 體器件(5)是化學敏感的場效應晶體管。
11.一種用于制造根據權利要求1至9之一所述的傳感器元件(1)的方法，包括以下 步驟(a)將帶有氣體敏感層的半導體器件(5)通過倒裝芯片方法固定在承載體(3)上，使得 氣體敏感層朝著承載體(3)的方向，并且要研究的氣體可以被輸送給氣體敏感層，(b)在固定半導體器件(5)之后施加包覆物(11)。
12.根據權利要求11所述的方法，其特征在于，包覆物(11)通過等離子體噴射方法、 尤其是通過氣氛等離子體噴射方法來施加。
13.將根據權利要求1至9之一所述的傳感器元件(1)應用于確定氮氧化物、氨和/或 碳氫化合物在內燃發動機的排氣系統中的含量，尤其是在機動車的內燃發動機的排氣系統 中的含量。
全文摘要
本發明涉及一種傳感器元件(1)，包括帶有氣體敏感層的至少一個半導體器件(5)，該半導體器件按照倒裝芯片方法固定在承載體(3)上，其中氣體敏感層朝向承載體(3)的方向并且包括用于將要研究的氣體輸送給氣體敏感層的裝置。所述半導體器件(5)被包覆物(11)包圍。此外，本發明涉及一種用于制造傳感器元件的方法，其中將帶有氣體敏感層的半導體器件(5)通過倒裝芯片方法固定在承載體(3)上，使得氣體敏感層朝著承載體(3)的方向。隨后通過等離子體噴射方法、尤其是氣氛的等離子體噴射方法來施加包覆物(11)。最后，本發明還涉及一種傳感器元件在內燃發動機的排氣系統中的應用。
文檔編號G01N27/414GK102084243SQ200980125775
公開日2011年6月1日 申請日期2009年5月4日 優先權日2008年7月4日
發明者施密特 R., 亨尼克 S. 申請人:羅伯特.博世有限公司