Sensoren im Auto – mehr Sicherheit durch weniger Druck

Ob im Getriebe, in der Klimaanlage oder für die Steuerung von Airbags – Sensoren sind aus modernen Fahrzeugen nicht mehr wegzudenken. Eine Verkapselung soll den Sensor vor Umwelteinflüssen schützen, kann jedoch ihrerseits eine erhebliche mechanische Belastung erzeugen, die den Sensor funktionsunfähig macht.

Mit einem speziell entwickelten Röntgendiffraktometer gelang Wissenschaftlern der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) eine Messung des mechanischen Spannungszustands von verkapselten Sensoren aus Silizium.

Dies ist ein wichtiger Schritt auf dem Weg, Kfz-Sensoren verlässlicher zu machen und somit für mehr Sicherheit zu sorgen. Das Röntgendiffraktometer steht Herstellern und Anwendern verkapselter Sensoren und anderer Chips aus Silizium für eine zerstörungsfreie Spannungsanalyse zur Verfügung.

Schon in Kompaktklasse-Fahrzeugen sind heutzutage mehr als 50 Sensoren integriert, die Sicherheitssysteme, Komfortfunktionen und den Energiehaushalt steuern. Zum Schutz vor Umwelteinflüssen, wie Temperaturschwankungen, Spritzwasser, Streusalz und Kraftstoff, wird das empfindliche Sensorelement eng mit einem Spritzgussgehäuse aus Kunststoff umhüllt – dieser Produktionsschritt wird „Verkapselung“ genannt. Dabei kann der Sensor jedoch Schaden nehmen, da das Silizium des Sensors und der Kunststoff der Verkapselung sich bei unterschiedlichen Temperaturen unterschiedlich stark ausdehnen. Die dadurch entstehenden Spannungen im Sensor können zu einem vorzeitigen Ausfall der Elektronik führen. Für eine zuverlässige und damit sichere Automobilelektronik muss der Verkapselungsprozess auf Basis von genauen Spannungsmessungen verbessert werden.

Zu diesem Zweck wurde in der PTB nun ein Röntgendiffraktometer entwickelt, das die Spannungen in einem Sensor zerstörungsfrei messen kann: Mit hochenergetischer Röntgenstrahlung von mehr als 15 keV gelingt es, die Spritzgussverpackung der Sensoren zu durchdringen. Auf diese Weise wurden Spannungswerte von bis zu 200 MPa am verkapselten Chip ermittelt, die von einer enormen Druckbelastung durch die Verkapselung zeugen. Eine besondere messtechnische Herausforderung war dabei die Verstärkung des schwachen Messsignals. Dies gelang durch die Kombination einer Mikrofokus-Röntgenquelle mit Molybdänanode und einer speziell adaptierten Glaskapillaroptik.

Die röntgendiffraktometrische Spannungsmessung war Teil des BMBF-Verbundprojekts „iForceSens“ unter der Koordination der Robert Bosch GmbH. Ziel des Projektes war die Entwicklung eines Stressmesschips, der anstelle eines Sensors den Verkapselungsprozess durchläuft. Die dabei im Stressmesschip elektrisch ermittelten mechanischen Spannungen geben Hinweise auf Produktionsschritte, die sich negativ auf die Funktionstüchtigkeit der Sensoren auswirken könnten. Die mit dem Stressmesschip ermittelten Ergebnisse konnten mit Hilfe des Röntgendiffraktometers validiert werden.

Das Röntgendiffraktometer steht Herstellern und Anwendern von verkapselten Sensoren und anderer Chips aus Silizium für eine zerstörungsfreie Spannungsanalyse zur Verfügung. Durch einen universell gestalteten Probenraum können die Siliziumchips in beliebig geformten Kunststoffgehäusen untersucht werden. Weitere Informationen gibt es auf der SENSOR und TEST vom 26.-28. Mai in Nürnberg, Halle 12, Stand 582.

PTB-Ansprechpartner:
Dr. Ulrich Kuetgens, Arbeitsgruppe 4.33 Röntgenoptik, Tel. (0531) 592-4330, E-Mail: Ulrich.Kuetgens@ptb.de
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