CN103066197B - 具有后偏置磁体和半导体芯片元件的设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种设备，具有后偏置磁体和半导体芯片元件，其中半导体芯片元件具有用于测量磁场强度的传感器，并且其中在后偏置磁体的接触侧和半导体芯片元件的接触侧构成接触面，并且其中半导体芯片元件的接触侧如此具有一个或者多个结构，使得后偏置磁体的接触面相应于半导体芯片元件的结构来形成。

Description

具有后偏置磁体和半导体芯片元件的设备

技术领域

本发明涉及具有后偏置磁体和半导体芯片元件的设备。

背景技术

磁场传感器当今典型地包含半导体芯片并且此外可以包括磁体，其如此定向，使得它偏转通过芯片的检测段的磁力线，或者磁化可磁化的元件，例如显极转子(Polrad)的元件。这种磁体也公知为后偏置(Backbias)磁体。具有后偏置磁体的磁场传感器例如作为位置传感器或者转速传感器使用，但是也为磁场的其他检测使用。

磁场传感器的一个例子包含在系统载体上安置的芯片传感器。在一些情况下仅向在永久磁体和可移动的部件例如齿轮之间定位芯片传感器的用户提供芯片传感器。可能的是，用户在此弯曲系统载体，以便把芯片传感器以优选的定向定位。然而除优选的定向外，通过芯片传感器实现希望的磁场方向，例如用于GMR传感器的垂直的磁场穿透，在使用期间可能是困难的。涉及使用常规磁场传感器的上述两个方面是不希望的。

磁场传感器的另一个例子包含芯片传感器组件，其相对于多极磁性齿轮定位。在这种情况下齿轮提供磁场。这种多极磁性齿轮是复杂的和耗费的，并且芯片传感器组件仍然经受上述不希望的限制。

发明内容

本发明所基于的任务在于，提供一种要成本低地制造的并且高度集成的设备。

该任务通过具有权利要求1的特征的设备和通过具有权利要求11的特征的用于制造设备的方法解决。

一个方面是提供一种设备，其具有以下：后偏置磁体、半导体芯片元件，其中半导体芯片元件具有用于测量磁场强度的传感器并且其中在后偏置磁体的接触侧和半导体芯片元件的接触侧构成接触面，并且其中半导体芯片元件的接触侧这样具有一个或者多个结构，使得后偏置磁体的接触面相应于半导体芯片元件的结构来形成。

上述设备通过在对后偏置磁体的接触侧处在半导体芯片元件中设置一个或者多个结构能够实现：相应于在半导体芯片元件的接触侧处的结构可以形成后偏置磁体的接触面。由此能够相应于半导体芯片元件中的结构在接触面处构成后偏置磁体的结构，其确定或者影响由后偏置磁体产生的磁场。通过直接接触能够实现负责形成后偏置磁场的结构的非常精确的定位。这又引起，通过这种制造方法能够通过磁场的非常可再生的调整制造具有后偏置磁体的磁场传感器。这里所述设备能够用很少的生产步骤制造，并且因此也能够以很低成本制造。

该半导体芯片元件可以是单半导体芯片、多个半导体芯片的堆叠或者半导体芯片元件与对于该半导体芯片附加的元件的组合系统(Verbundsystem)。这里半导体芯片元件的接触面可以是半导体材料表面，也就是说例如半导体芯片的后侧的半导体材料表面。此外在实施例中可以在半导体芯片的后侧上设置附加的层，其中所述一个或者多个结构部分地或者完全地设置在该附加的层中。因此在这里半导体芯片元件的接触面可以由该附加的层的材料组成，其可以具有半导体材料或者不同于半导体材料的材料。在组合系统的实施方式中，半导体芯片元件的接触面可以是对于半导体芯片附加的元件的表面。

在一种实施方式中，该设备此外可以具有半导体芯片，其中半导体芯片的朝向后偏置磁体的侧具有另外的结构，并且其中半导体芯片的所述另外的结构和后偏置磁体的结构如此构造，使得它们彼此衔接(greifen)并且半导体芯片和后偏置磁体通过接触面彼此固定连接。由此例如能够避免或者至少强烈地减少不同层的分层(delaminieren)，并且因此能够提高质量和寿命。

在一种实施方式中，该设备的后偏置磁体可以具有可磁化的或者磁性的喷射材料，例如塑料粘结的(kunststoffgebunden)喷射材料，其具有带有可磁化的或者磁性的材料的粒子。塑料粘结的喷射材料能够简单地并且成本低地取得并且例如在压铸方法中能够简单地处理。在本实施例中，在半导体芯片元件中在一侧实现的结构用可磁化的或者磁性的喷射材料包围，其中喷射材料在喷射方法期间匹配于半导体芯片元件中的结构，使得在硬化后构成后偏置磁体的形状，该形状相应于半导体芯片元件中的一个或者多个结构。换句话说，在半导体芯片元件中实现的结构在接触侧表示模型或者形状，其引起在对半导体芯片元件的接触侧相应于该形状构成后偏置磁体。

在一种实施方式中，半导体芯片元件的结构可以通过蚀刻构成。以干蚀刻方法以及以湿蚀刻方法对半导体的蚀刻能够成本低地并且快速地实现。

在另一实施方式中，设备的由后偏置磁体产生的磁力线能够借助半导体芯片元件的结构的造型可调整。由此能够灵活地并且例如精确地匹配于传感器的位置地调整磁力线。

在一种实施方式中，设备的磁性的或可磁化的材料，例如磁性的或者可磁化的喷射材料可以具有永磁性粒子、软磁性粒子和/或硬磁性粒子。通过使用不同可磁化的粒子，能够以理想的方式把设备调整到后偏置磁体的值得希望的磁性特性。

在另一实施方式中，设备可以具有多个与传感器电连接的外部接触元件。

在一种实施方式中，设备的半导体芯片元件可以借助线接合或者焊料球可接触。借助线或者焊料球的接触可以特别容易地实现，并且此外成本低。在使用焊料球时设备例如可以以所谓的BGA或者eWLB封装被封装。由此能够实现特别紧凑的结构方式。

在一种实施方式中，传感器是GMR传感器，其中，后偏置磁体调整GMR传感器的工作点。然而传感器也可以包括其他的磁体传感器类型例如霍尔传感器或者其他的磁阻传感器，例如CMR传感器(Colossal-Magneto-Resistance-Sensor(巨磁阻传感器))或者AMR传感器。根据对要测量的磁场的要求，可以使用不同的传感器。因此设备能够简单地并且灵活地匹配于要测量的任务。

在一种实施方式中，设备具有磁透镜，其中该磁透镜被设立用于加强由后偏置磁体产生的磁力线。通过使用磁透镜，由磁体产生的场强可以得以提高，并且从而提高传感器的测量精度和测量灵敏度。因此弱磁场以及磁场的仅小的变化也能够被证实。

根据一个实施例，用于制造设备的方法具有下面的步骤：

提供半导体芯片元件，其中该半导体芯片元件具有用于测量磁场强度的传感器；并且其中在半导体芯片元件的接触侧构成一个或者多个结构；并且

如此产生后偏置磁体，使得在后偏置磁体的接触侧和半导体芯片元件的接触侧构成接触面，以便相应于半导体芯片元件的结构形成后偏置磁体的接触面。

后偏置磁体的产生例如可以借助在半导体芯片元件的接触侧上喷射物质进行。此外可以把半导体芯片元件首先布置在晶片上，其中将其在产生后偏置磁体前从晶片分离(vereinzeln)。

一个或者多个结构的产生例如可以包括通过在半导体芯片元件的接触侧去除材料。

用于定义分离的结构在一种实施方式中可以至少部分地通过半导体芯片元件的接触侧的一个或者多个结构构成。

此外可以与去除材料用于构成一个或者多个结构一起产生用于定义分离边的其他结构。

在实施方式中可以在传感器和一个或者多个结构之间布置磁透镜。

附图说明

附图被采纳以便促成更深入地理解实施方式，并且被接纳在本说明书中和表示该说明书的一部分。这些附图说明实施方式并且与描述一起用于阐述实施方式的原理。其他的实施方式以及实施方式的许多预期的优点可以容易地被理解，如果其通过参照下面详细的描述更好地被理解的话。附图的元素彼此相对不需按正确比例。相同的参考数字表示相应的相似的部分。

图1是具有磁力线和传感器的后偏置磁体的示意性横剖面图。

图2是具有磁力线和传感器的以几何方式形成的后偏置磁体的示意性横剖面图。

图3是具有传感器和铁磁材料的后偏置磁体的示意性视图，其中传感器检测通过铁磁材料引起的磁场变化。

图4是具有传感器和铁磁材料的以几何方式形成的后偏置磁体的示意性视图，其中传感器检测通过铁磁材料引起的磁场变化。

图5到10示出不同的段和根据本发明的实施方式的制造方法的变型方案。

具体实施方式

在下面详细的描述中参照附图，所述附图构成其的一部分并且在所述附图中作为说明示出特定的实施方式，在这些实施方式中可以实施本发明。在这一方面方向术语例如“上侧”、“下侧”、“前侧”、“后侧”、“较前”、“较后”等参照所描述的(多个)图的定向使用。因为实施方式的部件能够以一系列不同的定向定位，所以方向术语为表示的目的而使用，而绝非是限制性的。不言而喻，可以使用其他的实施方式并且进行结构的或者逻辑的改变，而不离开本发明的保护范围。因此不应在限制的意义上理解下面详细的描述，并且本发明的保护范围通过所附的权利要求定义。

不言而喻，可以彼此组合这里描述的各种实施例的特征，只要没有特定的其他的说明。

尽管一种实施方式的确定的特征或者确定的方面可能仅关于多种实施之一公开，但是此外这种特征或者这种方面能够与另外的实施的一个或者多个另外的特征或者方面组合，如可能对于给出的或者确定的应用是希望的和是有利的。此外，在或者在详细的描述中或者在权利要求中使用表达“包含”、“具有”、“带有”或者其他变型的程度上，这些表达应该以类似于表达“包括”的方式被包括在内。表达“被耦合”和“被连接”可以与引申一起被使用。不言而喻，可以使用这些表达用以说明两个元件彼此合作或者互相作用，而与它们是否以物理方式或者电方式直接接触或者它们彼此不直接接触无关。此外表达“示例性”仅指例子，而不意味最好的或者最优的。因此下面详细的描述不应在限制性意义上理解，并且本发明的保护范围通过所附的权利要求定义。

所述实施方式和这样的半导体芯片元件的制造的实施方式可以使用不同类型的半导体芯片元件或者半导体衬底。在这里半导体芯片元件除了用于测量磁场强度的传感器之外还可以具有其他元件，例如集成的逻辑电路、集成的模拟电路、集成的混合信号电路、传感器电路、MEMS(Micro-Electro-MechanicalSystems(微机电系统))、集成的功率电路、集成的无源元件、分立的无源元件等。半导体芯片元件在实施方式中例如可以是单个半导体芯片、具有附加层或者附加载体的半导体芯片、半导体堆叠或者半导体芯片模块。

在实施方式中可以把层施加到彼此上，或者在层上施加或者沉积材料。不言而喻，所有这些表达如“施加”或者“沉积”应该如实地完全揭示将一个层施加到另一层上的所有的方式和技术。在一种实施方式中它们应该揭示以下技术，其中层一下子作为整体被施加，例如层压技术，以及应该揭示以下技术，其中层以顺序方式被沉积，例如溅射、电镀、成形、气相化学沉积(CVD)等。用于要施加的层的例子是重布线层(RDL-RedistributionLayer(重分布层))。重布线层可以以多重层的形式存在，尤其是以具有重复的层序列的多重层的形式存在。

图1是已知的示例性后偏置磁体30的示意性横剖面图，所述后偏置磁体30产生磁力线35。传感器10位于由后偏置磁体30产生的磁场35内并且例如能够为调整和测量而使用由后偏置磁体产生的磁场。如果传感器10例如具有GMR传感器元件(Giant-Magneto-Resistance-Element(巨大磁阻元件))，则通过所施加的具有竖直的磁场分量的后偏置磁场调整GMR元件的工作点是有利的。但是传感器10的位置在这里不可最优地调整，因为磁力线35的仅一小部分垂直穿过传感器。如果这样调整GMR传感器元件的工作点，使得由后偏置磁体产生的磁力线垂直于GMR传感器元件，则GMR传感器元件理想地工作。

图2是产生磁力线35的另一已知的后偏置磁体30的示意性横剖面图。传感器10位于由后偏置磁体30产生的磁场35内并且因此能够测量由后偏置磁体产生的磁场。后偏置磁体30的形状在该例子中如此被设计，使得由后偏置磁体产生和形成的磁力线35绝大部分地相对于磁场传感器10垂直地伸展。如在图2中所示，这可以通过以下方式进行，即后偏置磁体30具有缺口。因此磁场传感器10能够更好地调整到其工作点。因此可以识别出，通过所引入的缺口引起磁场的改变，这能够有利地用于调整相应希望的磁场方向例如垂直的方向和/或希望的磁场强度。

图3以示意性横剖面图示出可以怎样在用于检测磁场变化的测量设备中布置类似于图1的磁体传感器与后偏置磁体。在这种情况下例如能够检测运动、开关位置或者旋转速度。在该例子中磁性发送器45例如多显极转子经过磁体传感器10。作为磁体传感器例如已知霍尔传感器或者磁阻传感器如AMR和GMR传感器。磁体传感器安装在载体20、例如引线框(Leadframe)上。磁体传感器10和载体20可以用模塑物质(Moldmasse)40包封并且从而保护不受来自外面的不希望的影响。后偏置磁体30产生恒定的磁场。因此磁体传感器10探测由多显极转子产生的磁场变化。

此外图4示出相应于图3的所描绘的测量设备的已知测量设备的示意性横剖面图。但是后偏置磁体30具有特殊的形状60，借助后偏置磁体30的特殊的造型60，能够有针对性地形成磁力线。例如，在GMR传感器的情况下需要有针对性地形成磁场，以便磁力线尽可能相对于磁体传感器10垂直地伸展，以便为GMR传感器调整工作点。通过磁性发送器45引起的磁场变化能够在相应调整磁场传感器10时被探测到。

现在识别出，当相对的定位与所设置的或者计算的定位一致时，根据图2和4的实施方式能够产生希望的磁场，如例如对于GMR传感器元件的工作点调整所需要的。然而在该相对的定位方面的小的变化就已经能够产生与所设置的或者计算的磁场分布的显著偏差，使得例如不再能够最优地调整工作点。另外在后偏置磁体中构成的结构也可能经受由制造决定的波动。因此在制造过程中后偏置磁体经受相应的波动，其一方面通过后偏置磁体相对于磁体传感器的不准确的或者有偏差的定位并且另一方面通过形成磁场的结构的由制造决定的波动自身产生。

现在参照图5到10描述制造方法的实施例，其使得能够以后偏置磁体的较小的由制造决定的波动和以小的成本耗费产生具有后偏置磁体的半导体芯片元件。

图5是在继续执行用于产生后偏置磁体的步骤之前根据实施例的半导体芯片元件100的示意性横剖面图。虽然半导体芯片元件100在图5中作为单个元件表示，但是在实施例中该半导体芯片元件也可以作为多个其他的半导体芯片元件之一布置在晶片上。半导体芯片元件100除例如具有硅的芯片外，还具有电接触500和至少一个用于检测磁场的传感器200，其例如是GMR传感器元件(Giant-Magneto-Resistance-Element(巨大磁阻元件))。GMR传感器元件的作用方式对于技术人员是公知的，并且所以此处不更详细地阐述。借助电接触，半导体芯片元件100可从外部被接触，并且借助传感器200能够测量磁场及其变化。

图6是根据一种实施方式在用于构成结构的加工后半导体芯片元件100的示意性横剖面图。如在图6中可识别出的，在半导体芯片元件100的接触侧或者后侧600上构成结构或者形状。这些结构例如可以借助光掩膜技术和蚀刻制造。蚀刻过程例如可以借助干蚀刻(CxFyHz)或者湿蚀刻(KOH)实现。尤其可以使用各向异性蚀刻方法，以便获得所设置的结构。这里这些结构如此构造，使得其对于要在另外的步骤中在半导体芯片的后侧安置的后偏置磁体在一定程度上用作负像(Negativabbild)。

图8是在图6中所示的实施方式在通过喷射磁性的或者可磁化的模塑物质构成后偏置磁体700后的示意性横剖面图。在把图5或者图6中的半导体芯片元件100布置在晶片上的实施例中必要时还可以附加地执行分离。如在图8中可以识别出的，此外借助焊料球550接触电接触500，以便获得电连接例如用于读出传感器信号。如在图8中所示，此外可以在半导体芯片元件100上涂敷焊料停止层250或者所谓的“underpumpmetallisationpatternmask(泵下金属化图案掩膜)”层250。该层可以用作焊料球的停止层，并且此外可以用作半导体芯片元件100的保护层。在半导体芯片元件100的接触侧600上作为磁性的或者可磁化的模塑物质700施加后偏置磁体700。它例如可以以压铸方法施加。磁化的模塑物质例如可以具有混合的硬铁氧体或者NdFeB磁粉，其嵌入热塑性塑料例如环氧树脂中，并且其可以在经修改的喷射机上被处理。使如此施加的磁化的模塑物质硬化，并且然后具有为其准备的磁性特征。这里半导体芯片元件100的接触侧600可以具有一个或者多个结构，以便后偏置磁体700的接触面相应于半导体芯片元件100的结构来形成。理想地，后偏置磁体700和半导体芯片元件100的结构如此构造，使得它们彼此衔接，并且半导体芯片元件100和后偏置磁体700通过接触面在接触侧600处彼此固定地连接。例如这样调整半导体芯片元件100和后偏置磁体700的结构，使得由后偏置磁体700产生的磁力线借助结构的造型可调整。在设置GMR传感器元件的情况下由此例如可以这样调整磁力线，使得它们垂直于传感器200的主表面伸展。由此相对于已知的装置能够显著地改善传感器元件的灵敏度和测量精度。半导体芯片元件100的接触侧600上的在图6或者8的实施例中所示的结构在横剖面中具有凸出的形状，也就是说向外翻的形状。该形状例如在三维表示中可以是金字塔或者是屋顶形结构。如在图8中可识别出的，半导体芯片元件100的通过该结构形成的接触面与后偏置磁体700的接触面直接接触，使得后偏置磁体700的接触面紧靠半导体芯片元件100的结构并且因此与该结构对应。或者换句话说，在半导体芯片元件100中设置的结构与后偏置的物质啮合或者在后偏置磁体700的物质中留下痕迹，它具有相反的或者负的形状。在设置适宜的形状情况下由此能够引起后偏置磁体700的磁场的形成或整形(Shaping)，以便实现希望的磁场，例如具有在传感器200的位置处垂直取向的磁场。

在其他的实施方式中，结构可以具有其他的形状，例如凸出的结构，也就是说向内翻的形状。在另外的实施方式中结构可以具有凹入的形状和凸出的形状。

图7是根据构成凹入的结构的实施方式的半导体芯片元件100的示意性横剖面图。如已经在图6中所述的，半导体芯片元件100的例如是后侧的接触侧600具有通过例如借助蚀刻移除材料制造的结构或形状，它们在本实施方式中可以具有附加的凹陷和/或突起。半导体芯片元件100的接触侧600上的结构作为凹入的形状构造，并且因此对于图8的结构相反。特别地，半导体芯片元件100分别具有两个凹入的结构，它们侧向地彼此相间隔地在半导体芯片元件100的边缘区处布置。然而在另外的实施例中它们可以仅具有一个凹入的结构或者多于两个的凹入的结构。以三维角度，这些结构例如可以作为倒金字塔或者倒屋顶被形成。

图9是在其从晶片分离并且后偏置磁体700被构成之后具有半导体芯片元件100的设备的示意性横剖面图，如已经在图8和前面的图中所述。已经参照图8的阐述在这里除关于结构的形状的阐述外也可以转用于图9的实施例。应该注意，在分离时可以设置所设置的结构的一部分用于定义分离边，使得能够在边缘处缩小在晶片中为半导体芯片元件最初定义的区域。在另外的实施例中例如利用用于结构的同一蚀刻步骤也可以定义单独的分离结构，其同样引起定义分离边。因此，通过把一个或多个结构自身的一部分用于定义分离边或者能够在相同的制造步骤中、亦即例如在相同的蚀刻步骤中制造为此需要的结构，能够实现协同的效果。

图10是半导体芯片元件100的变体的示意性横剖面图，如参照图6或者8所述的。图10相应于图8示出在构成后偏置磁体700并且必要时分离晶片后的横剖面图。然而与根据图8的实施例不同，根据图10的具有半导体芯片元件100的设备在半导体芯片元件100的接触面的所构成的结构和在其上方布置的传感器元件之间附加地具有相应的磁透镜800。磁透镜例如能够通过所谓的磁通集中器或者磁通集中器层构成。磁透镜例如在一种简单的情况下能够借助具有至少一匝的线环实现，或者在附加地使用铁芯的情况下实现。在使用磁透镜800的情况下能够把磁场350的强度提高超过一个数量级，并且从而同样提高传感器200的测量灵敏度和/或精度，其中附加地能够在传感器200的区域中实现磁场350的有效的平行化。

尽管在这里示出并且描述了特定的实施方式，但是普通技术人员理解的是，大量可替代的和/或等效的实施对于所示的和所述的特定的实施方式能够代替，而不偏离本发明的保护范围。本申请应该覆盖磁体传感器组件的所有改编或者变型，其包含整体浇铸的永久磁体，如在这里所讨论的。因此本发明应该仅通过权利要求及其等价物限制。

Claims (16)

1.具有后偏置磁体和半导体芯片元件的设备，具有

后偏置磁体（700），

半导体芯片元件（100），

磁透镜（800），所述磁透镜被设立用于加强由后偏置磁体（700）产生的磁力线，

其中，半导体芯片元件（100）包括芯片、电接触（500）和用于测量磁场强度的传感器（200），所述芯片具有硅，并且其中在后偏置磁体（700）的接触侧和半导体芯片元件的接触侧构成接触面，并且其中半导体芯片元件（100）的接触侧如此具有一个或者多个结构，使得后偏置磁体（700）的接触面相应于半导体芯片元件的结构形成，以及

其中所述磁透镜（800）布置在半导体芯片元件（100）中。

2.根据权利要求1所述的设备，其中，后偏置磁体（700）的接触面相应于半导体芯片元件（100）的结构形成，并且半导体芯片元件（100）和后偏置磁体（700）在接触面处由此彼此固定地连接。

3.根据权利要求1或2所述的设备，其中，半导体芯片元件（100）的结构借助蚀刻构成。

4.根据权利要求1或2所述的设备，其中，后偏置磁体（700）具有磁化的材料。

5.根据权利要求1或2所述的设备，其中，由后偏置磁体（700）产生的磁力线可借助半导体芯片元件（100）的结构的造型调整。

6.根据权利要求4所述的设备，其中，可磁化的材料具有永磁性粒子、软磁性粒子和/或硬磁性粒子。

7.根据权利要求1或2所述的设备，其中，该设备具有与半导体芯片元件（100）电连接的接触元件。

8.根据权利要求7所述的设备，其中，半导体芯片元件借助线接合或者焊料球被接触。

9.根据权利要求1或2所述的设备，其中，传感器具有霍尔传感器、磁阻。

10.根据权利要求9所述的设备，其中磁阻具有GMR传感器、巨磁阻或者各向异性磁阻。

11.用于制造具有后偏置磁体和半导体芯片元件的设备的方法，具有下面的步骤：

提供半导体芯片元件（100），其中该半导体芯片元件（100）包括芯片、电接触（500）和用于测量磁场强度的传感器（200），所述芯片具有硅；并且其中在半导体芯片元件（100）的接触侧处构成一个或者多个结构；并且

如此产生后偏置磁体（700），使得在后偏置磁体的接触侧和半导体芯片元件的接触侧处构成接触面，以便相应于半导体芯片元件的结构形成后偏置磁体（700）的接触面，

其中在半导体芯片元件（100）中在传感器（200）和一个或者多个结构之间布置磁透镜（800）。

12.根据权利要求11所述的方法，其中，后偏置磁体（700）的产生包括在半导体芯片元件（100）的接触侧上喷射物质。

13.根据权利要求11或12所述的方法，其中，该方法还包括分离半导体芯片元件（100）。

14.根据权利要求11或12所述的方法，其中，该方法包括借助于在半导体芯片元件（100）的接触侧处去除材料产生一个或者多个结构。

15.根据权利要求11或12所述的方法，其中，用于定义分离的结构至少部分地通过半导体芯片元件（100）的接触侧处的一个或者多个结构构成。

16.根据权利要求14所述的方法，其中，与去除材料一起产生用于定义分离边的另一结构。