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Die Erfindung betrifft ein Halbleiterbauteil mit einem Magnetfeldsensor. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Halbleiterbauteils.
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Halbleiterbauteile mit Magnetfeldsensoren werden z. B. als Positionssensoren oder Drehratensensoren eingesetzt. Beispielsweise werden derartige Halbleiterbauteile in Klapptelefone oder in Türen oder deren Umgebung integriert, um feststellen zu können, ob das Klapptelefon bzw. die Tür geöffnet oder geschlossen ist.
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Aus der Schrift
US 5 196 821 A ist ein integrierter Magnetfeldsensor mit einem darauf aufgebrachten Permanentmagneten bekannt. Die Schrift
JP H04- 106 988 A offenbart ein mit Vergussmaterial vergossenes Hall-Element. Weitere Magnetfeldsensoren mit Permanentmagneten zeigen die
US 2006/0097332 A1 und die
US 2006/0255797 A1 .
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Vor diesem Hintergrund wird ein Halbleiterbauteil gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren gemäß Anspruch 7 angegeben. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Beispielsweise umfasst ein Halbleiterbauteil einen Halbleiterchip mit einer Hauptoberfläche, in die ein Magnetfeldsensor integriert ist, und einen Magnet, der auf die Hauptoberfläche des Halbleiterchips aufgebracht ist. Ferner umhüllt ein Vergussmaterial den Halbleiterchip und den Magnet.
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Die Erfindung wird nachfolgend in beispielhafter Weise unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. In diesen zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines nicht erfindungsgemäßen Halbleiterbauteils 100;
- 2 eine schematische Darstellung eines nicht erfindungsgemäßen Halbleiterbauteils 200;
- 3 eine schematische Darstellung des nicht erfindungsgemäßen auf einer Leiterplatte 17 angeordneten Halbleiterbauteils 200;
- 4 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Halbleiterbauteils 300;
- 5 eine schematische Darstellung eines nicht erfindungsgemäßen Halbleiterbauteils 400;
- 6A bis 6D schematische Darstellungen eines Verfahrens zur Herstellung des nicht erfindungsgemäßen Halbleiterbauteils 200;
- 7 eine schematische Darstellung eines nicht erfindungsgemäßen Halbleiterbauteils 500;
- 8A und 8B schematische Darstellungen der von dem nicht erfindungsgemäßen Halbleiterbauteil 400 erzeugten Magnetfeldlinien 27;
- 9 eine schematische Darstellung einer Anwendung des nicht erfindungsgemäßen Halbleiterbauteils 400 als Drehratensensor;
- 10 eine schematische Darstellungen eines in ein Halbleiterbauteil integrierten Magnetfeldsensors 1000;
- 11 eine mikroskopische Aufnahme eines Teils eines Magnetfeldsensors; und
- 12 eine schematische Darstellungen eines Magnetfeldsensors und einer Auswerteschaltung.
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Im Folgenden werden Halbleiterbauteile mit Halbleiterchips beschrieben, die Magnetfeldsensoren aufweisen. Die Erfindung ist unabhängig von der Art der Magnetfeldsensoren. Beispielsweise können die Magnetfeldsensoren Hall-Elemente oder GMR-Sensoren sein, die zur Messung eines Magnetfelds den Hall-Effekt bzw. den GMR (Giant Magneto Resistance)-Effekt nutzen. Die Magnetfeldsensoren können beispielsweise eine absolute Bestimmungsgröße eines Magnetfelds, wie z. B. die magnetische Feldstärke, oder Änderungen eines Magnetfelds messen.
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Beispielsweise ist der Halbleiterchip, in den ein Magnetfeldsensor integriert ist, als Wafer-Level-Package (WLP) ausgebildet. Der Begriff „Wafer-Level-Package“ bezieht sich dabei auf Halbleiterchips, deren eine aktive Hauptoberfläche auf Wafer-Ebene mit Außenkontaktelementen, die für eine spätere Kontaktierung mit einer Leiterplatte erforderlich sind, bestückt worden sind. Erst nach dem Aufbringen der Außenkontaktelemente sind die Halbleiterchips (Dies) vereinzelt worden. Nach dem Vereinzeln kann ein WLP ohne wesentliche weitere Bearbeitungen der Hauptoberfläche auf eine Leiterplatte montiert werden. Insbesondere ist eine Montage der WLPs auf ein Zwischensubstrat (Interposer) oder einen Leiterbahnrahmen (Leadframe) sowie ein Vergießen der einzelnen WLPs mit einem Vergussmaterial nicht mehr erforderlich. Vergussmaterial braucht auch nicht nachträglich in den Zwischenraum zwischen WLP und Leiterplatte („Underfill“) gefüllt werden. WLPs zeichnen sich daher durch kleine Größe, kleines Gewicht und geringe Herstellungskosten aus.
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Da die Abmessungen eines Wafer-Level-Package entweder genauso groß wie die des Halbleiterchips oder nur unwesentlich größer sind, spricht man häufig auch von Chip-Size-Packages oder Chip-Scale-Packages. Ein Chip-Size-Package weist in etwa die Größe des Halbleiterchips auf, während ein Chip-Scale-Package um bis zu 30% größer als der Halbleiterchip ist.
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Beispielsweise ist die aktive Hauptoberfläche des Halbleiterchips mit Außenkontaktelementen versehen. Unter aktiver Hauptoberfläche ist die Oberfläche des Halbleiterchips zu verstehen, auf oder in der sich z. B. der Magnetfeldsensor oder elektrisch betreibbare Strukturen bzw. Schaltungen befinden. Die Außenkontaktelemente können z. B. aus metallisierten Kontaktflächen, Underbump-Metallisierungen oder Lotdepots, beispielsweise in der Form von Lotkugeln, bestehen. Die Außenkontaktelemente sind dazu vorgesehen, um den Halbleiterchip von außen elektrisch zu kontaktieren. Gleichzeitig können die Außenkontaktelemente dazu dienen, den Halbleiterchip mechanisch in fester Position in Bezug zu einem Leiterbahnsubstrat, z. B. einer PCB-Platte (Printed Circuit Board) oder Keramik, zu halten. Beispielsweise wird der Halbleiterchip in Flip-Chip-Lage auf eine Leiterplatte montiert und die Außenkontaktelemente stellen eine elektrische Verbindung zwischen dem Halbleiterchip und der Leiterplatte her.
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In 1 ist ein nicht erfindungsgemäßes Halbleiterbauteil 100 im Querschnitt dargestellt. Das Halbleiterbauteil 100 weist einen Halbleiterchip 10 auf, in den ein Magnetfeldsensor 11 integriert ist. Ferner weist das Halbleiterbauteil 100 auf einer aktiven Hauptoberfläche 12 des Halbleiterchips 10 angeordnete Außenkontaktelemente auf, die bei dem Halbleiterbauteil 100 aus einer strukturierten Metallisierungsschicht 13 und Underbump-Metallisierungen 14 bestehen.
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Der in den Halbleiterchip 10 integrierte Magnetfeldsensor 11 ist dazu ausgelegt, ein Magnetfeld oder Änderungen eines Magnetfelds zu messen. Dazu kann der Magnetfeldsensor 11 eine Größe, die das Magnetfeld bestimmt, wie z. B. die Magnetfeldstärke, oder Änderungen einer solchen Größe messen. Ferner kann der Magnetfeldsensor 11 derart ausgestaltet sein, dass er feststellt, ob das am Ort des Magnetfeldsensors 11 herrschende Magnetfeld einen vorgegebenen Schwellwert übersteigt oder nicht. Beispielsweise kann der Magnetfeldsensor 11 ein Hall-Element oder ein GMR-Sensor sein, der zur Messung des Magnetfelds den Hall-Effekt bzw. den GMR-Effekt nutzt. Der Halbleiterchip 10 kann Schaltungen enthalten, die den Magnetfeldsensor 11 ansteuern und/oder von dem Magnetfeldsensor 11 aufgenommene Messsignale auswerten. Derartige Steuer- und Auswerteschaltungen können alternativ auch in einen weiteren Halbleiterchip integriert sein, der mit dem Halbleiterchip 10 zusammenwirkt. Ferner kann der Halbleiterchip 10 beispielsweise als Positions- und/oder Drehratensensor ausgestaltet sein.
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Die aktive Hauptoberfläche 12 weist Kontaktelemente auf, mit denen die elektrisch betreibbaren Strukturen bzw. Schaltungen elektrisch kontaktiert werden können. Auf den Kontaktelementen der aktiven Hauptoberfläche 12 ist die strukturierte Metallisierungsschicht 13 abgeschieden. Die strukturierte Metallisierungsschicht 13 kann aus einem Metall, wie z. B. Aluminium, Kupfer oder Gold, oder einer elektrisch leitfähigen Legierung bestehen.
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Des Weiteren ist auf der aktiven Hauptoberfläche 12 des Halbleiterchips 10 eine Passivierungsschicht 15, die beispielsweise aus einem polymerhaltigen Material besteht, abgeschieden. Die Passivierungsschicht ist typischerweise 5 µm bis 20 µm dick und kann beispielsweise auch aus mehreren Lagen bestehen. Sie dient dazu, die aktive Hauptoberfläche 12 vor Umwelteinflüssen, wie z. B. Schmutz, Nässe oder auch mechanischen Stößen, zu schützen. Die Passivierungsschicht 15 ist in den Bereichen der strukturierten Metallisierungsschicht 13 mittels photolithografischer Methoden geöffnet worden, sodass diese Bereiche für eine externe Kontaktierung des Halbleiterchips 10 zur Verfügung stehen. Auf die frei liegenden Bereiche der strukturierten Metallisierungsschicht 13 sind die Underbump-Metallisierungen 14 aufgebracht.
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Die Underbump-Metallisierungen 14 können beispielsweise als Haftvermittler für das später aufzubringende Lotmaterial dienen. Ferner können die Underbump-Metallisierungen 14 dazu vorgesehen sein, eine Diffusionssperre zu bilden, die verhindert, dass das Material der strukturierten Metallisierungsschicht 13 in das Lotmaterial diffundiert. Eine weitere Aufgabe der Underbump-Metallisierungen 14 kann es sein, den Kontaktwiderstand zwischen der strukturierten Metallisierungsschicht 13 und dem Lotmaterial zu verringern. Als Materialien für die Underbump-Metallisierungen 14 seien beispielhaft AlNiVCu, TiW, Au, Ni und NiP erwähnt. Die Underbump-Metallisierungen 14 können beispielsweise wie Metallisierungsschichten abgeschieden und strukturiert werden.
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Auf die Underbump-Metallisierungen 14 können Lotdepots, beispielsweise in der Form von Lotkugeln 16, aufgebracht sein. Dies ist in 2 dargestellt. Das dort gezeigte nicht erfindungsgemäße Halbleiterbauteil 200 entspricht ansonsten dem Halbleiterbauteil 100. Als Lotmaterial kommen Legierungen infrage, die sich beispielsweise aus folgenden Materialien zusammensetzen: SnPb, SnAg, SnAgCu, SnAgCuNi, AuSn, CuSn und SnBi. Die Lotkugeln 16 werden beispielsweise durch sogenanntes „Ball Placement“ aufgebracht, bei welchem vorgeformte Kugeln aus Lotmaterial auf die Underbump-Metallisierungen 14 aufgebracht werden. Die Haftung zwischen den Lotkugeln 16 und den Underbump-Metallisierungen 14 wird durch ein Flussmittel bewirkt, das zuvor mittels Schablonendruck aufgedruckt wurde. Dem Aufbringen der Lotkugeln 14 kann ein Temperaturprozess (Reflow) nachgeschaltet sein, bei dem das Lotmaterial aufschmilzt und die Kontaktelemente benetzt. Alternativ zum „Ball Placement“ können die Lotkugeln beispielsweise mittels eines Schablonendrucks mit einer Lotpaste mit einem nachgeschalteten Temperaturprozess (Reflow) oder durch galvanisches Plating und optionalem nachgeschalteten Temperaturprozess (Reflow) aufgebracht werden.
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Bei dem Halbleiterbauteil 100 bildet der Halbleiterchip zusammen mit den aus der strukturierten Metallisierungsschicht 13 und den Underbump-Metallisierungen 14 bestehenden Außenkontaktelementen ein Wafer-Level-Package. Bei dem Halbleiterbauteil 200 enthalten die Außenkontaktelemente zusätzlich noch die Lotkugeln 16. Bei einem Wafer-Level-Package werden die Außenkontaktelemente zu einem Zeitpunkt auf die aktive Hauptoberfläche 12 des Halbleiterchips 10 aufgebracht, zu dem der Halbleiterchip 10 noch Bestandteil eines Halbleiterwafers ist. Erst in einem späteren Arbeitsschritt wird der Halbleiterchip 10 aus dem Halbleiterwafer herausgetrennt. Ein solches Herstellungsverfahren wird weiter unten im Zusammenhang mit 6 noch detaillierter erläutert.
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Das Halbleiterbauteil 100 bzw. 200 kann auf eine Leiterplatte oder ein anderes Substrat montiert werden. Am Beispiel des Halbleiterbauteils 200 ist dies in 3 dargestellt. Das Halbleiterbauteil 200 ist in Flip-Chip-Lage auf eine Leiterplatte 17 montiert, d.h. die aktive Hauptoberfläche 12 des Halbleiterchips 10 ist der Leiterplatte 17 zugewandt. Mittels der Lotkugeln 16 wurden Lötverbindungen zwischen dem Halbleiterchip 10 und Kontaktelementen 18 der Leiterplatte 17 geschaffen.
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Der Zwischenraum zwischen dem Halbleiterbauteil 200 und der Leiterplatte 17 ist bei der in 3 gezeigten Anordnung nicht mit einer Vergussmasse, wie z. B. einem Kunststoffmaterial oder Glob-Top, ausgefüllt, d.h. es wird kein sogenanntes Underfill zwischen das Halbleiterbauteil 200 und die Leiterplatte 17 eingebracht.
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Mit Hilfe von Wafer-Level-Packaging-Technologien können die Halbleiterbauteile 100 und 200 auf einfache und kostengünstige Art und Weise hergestellt werden. Für die Fertigung der Au-ßenkontaktelemente können kostengünstige Waferprozesse eingesetzt werden und ansonsten übliche Schritte zur Herstellung eines Gehäuses, wie z. B. das Umspritzen mit einer Vergussmasse, können entfallen. Ferner weisen die Halbleiterbauteile 100 und 200 eine kompakte Größe auf, sodass sie sich platzsparend in Anwendungsgeräte, wie z. B. Telefone, integrieren lassen.
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Optional kann zwischen der aktiven Hauptoberfläche 12 des Halbleiterchips 10 und der Metallisierungsschicht 13 eine Umverdrahtungslage angeordnet sein. Die Umverdrahtungslage dient dazu, die in die aktive Hauptoberfläche 12 integrierten Kontaktelemente mit den Außenkontaktelementen zu verbinden, sofern sich die Außenkontaktelemente nicht direkt oberhalb der Kontaktelemente der aktiven Hauptoberfläche 12 befinden. Demnach wird durch eine Umverdrahtungslage jede beliebige Anordnung der Außenkontaktelemente ermöglicht. Die Umverdrahtungslage besteht aus Leiterbahnen, die von den Kontaktelementen der aktiven Hauptoberfläche 12 zu den gewünschten Stellen für die Außenkontaktelemente führen. Gegebenenfalls können ober- und/oder unterhalb der Umverdrahtungslage weitere Isolationsschichten vorgesehen sein.
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In den 4 und 5 sind ein erfindungsgemäßes Halbleiterbauteil 300 und ein nicht erfindungsgemäßes Halbleiterbauteil 400 gezeigt, die Weiterbildungen der Halbleiterbauteile 100 und 200 darstellen. Bei beiden Halbleiterbauteilen 300 und 400 wurde ein Magnet auf das jeweilige Wafer-Level-Package aufgebracht. Das Halbleiterbauteil 300 weist einen Magnet 19 auf der Passivierungsschicht 15 direkt oberhalb des Magnetfeldsensors 11 auf. Bei dem Halbleiterbauteil 400 wurde ein Magnet 20 auf die Rückseite des Halbleiterchips 10 aufgebracht.
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Die Magnete 19 und 20 dienen dazu, am Ort des Magnetfeldsensors 11 ein Magnetfeld zu erzeugen. Dadurch wird es ermöglicht, die Annäherung eines Magneten oder von weichmagnetischen Materialien mit geringen Koerzitivfeldstärken an den Magnetfeldsensor 11 zu detektieren. Wird ein Magnet oder ein weichmagnetisches Material in die Nähe des Magnetfeldsensors 11 gebracht, so verändert sich dadurch das von dem Magnet 19 bzw. 20 erzeugte Magnetfeld. Diese Änderung kann der Magnetfeldsensor 11 detektieren. Ein Vorteil der Halbleiterbauteile 300 und 400 ist, dass sich die Magnete 19 und 20 sehr nahe bei dem Magnetfeldsensor 11 befinden. Dies erhöht die Empfindlichkeit des Magnetfeldsensors 11.
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Weichmagnetische Materialien können beispielsweise Legierungen aus Eisen, Nickel oder Kobalt sein.
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Bei den Magneten 19 und 20 kann es sich beispielsweise um einstückige Permanentmagnete handeln, die eine permanente Magnetisierung aufweisen. Die Permanentmagnete können auf die Vorder- oder Rückseite des Halbleiterchips 10, z. B. durch Verkleben, montiert werden. Die Permanentmagnete können aus jeglichem permanentmagnetischen Material bestehen, wie z. B. aus AlNiCo-Legierungen, FeTb-Legierungen, Ferritverbindungen, Seltenen Erden, Samarium oder Neodym.
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Als Alternative zu einem einstückigen Permanentmagnet kann eine permanentmagnetische dünne Schicht auf der Vorder- oder Rückseite des Halbleiterchips 10, z. B. durch Sputtern, Aufdampfen oder galvanische Abscheidung, aufgebracht werden. Als Materialien für die permanentmagnetischen dünnen Schichten können beispielsweise die gleichen Materialien wie für die einstückigen Permanentmagnete verwendet werden.
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Eine permanentmagnetische Schicht ist nach der Abscheidung auf den Halbleiterchip 10 häufig nur schwach magnetisiert. Daher kann es erforderlich sein, die Schicht nach dem Abscheiden zu magnetisieren. Beispielsweise können die Halbleiterbauteile 300 oder 400 zu diesem Zweck einem ausreichend großen Magnetfeld während eines Temperschritts ausgesetzt werden. Dabei kann unter Umständen auch die Orientierung der Magnetisierung beeinflusst werden.
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In den 6A bis 6D ist ein Verfahren zur Herstellung des Bauelements 200 schematisch dargestellt. Bei dem Verfahren wird zunächst ein Träger 21 bereitgestellt, in den eine Mehrzahl von Schaltungen integriert ist. Zu diesen Schaltungen zählen der Magnetfeldsensor 11 und evtl. weitere Schaltungen, die der Halbleiterchip 10 umfasst. Der Träger 21 kann beispielsweise ein Halbleiterwafer 21, z. B. ein Siliziumwafer, sein.
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Wie in 6A gezeigt ist, wird auf die aktive Hauptoberfläche 12 des Halbleiterwafers 21 die strukturierte Metallisierungsschicht 13 sowie die Passivierungsschicht 15 aufgebracht. Gegebenenfalls kann auch eine Umverdrahtungslage auf den Halbleiterwafer 21 aufgebracht werden. Anschließend werden die Underbump-Metallisierungen 14 (vgl. 6B) und die Lotkugeln 16 (vgl. 6C) aufgebracht. Ferner ist es möglich, noch auf Wafer-Ebene die Magnete 19 oder 20 aufzubringen. Da in diesem Herstellungsstadium noch Wafer-Prozess-Technologien verwendet werden können, ist es besonders aufwandsgünstig, eine permanentmagnetische dünne Schichte auf der aktiven Hauptoberfläche 12 des Halbleiterwafers 21 abzuscheiden. Dies hat ferner den Vorteil, dass sich die permanentmagnetische Schicht in unmittelbarer Nähe zu dem Magnetfeldsensor 11 befindet.
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Nach dem Aufbringen der Außenkontaktelemente, die in 6 aus der strukturierten Metallisierungsschicht 13, den Underbump-Metallisierungen 14 und den Lotkugeln 16 bestehen, auf die aktive Hauptoberfläche 12 des Halbleiterwafers 21 können die einzelnen Halbleiterchips des Halbleiterwafers 21, z. B. durch Sägen, vereinzelt werden.
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In 7 ist ein nicht erfindungsgemäßes Halbleiterbauteil 500 im Querschnitt dargestellt. Im Unterschied zu den Halbleiterbauteilen 100 bis 400 ist das Halbleiterbauteil 500 kein Wafer-Level-Package. Wie in 7 gezeigt ist, wurde der Halbleiterchip 10, in den der Magnetfeldsensor 11 integriert ist, auf einen Träger 22, beispielsweise ein aus Kupferblech bestehendes Die-Pad eines Leiterbahnrahmens (lead frame), montiert. Die aktive Hauptoberfläche 12 des Halbleiterchips 10 ist dabei nach oben orientiert. Die Kontaktelemente der aktiven Hauptoberfläche 12 sind über Verbindungsleitungen 23, insbesondere Bonddrähte, mit Außenkontaktelementen 24 verbunden. Über die Außenkontaktelemente 24 kann der Halbleiterchip 10 von außerhalb des Halbleiterbauteils 500 elektrisch kontaktiert werden. Die Außenkontaktelemente 24 können z. B. metallische Pins eines Leiterbahnrahmens sein. Die Pins 24 können, wie in 7 gezeigt ist, abgewinkelt sein, damit sie auf eine Leiterplatte aufgebracht und dort verlötet werden können.
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Auf die aktive Hauptoberfläche 12 des Halbleiterchips 10 ist ein Magnet 25 aufgebracht. Der Magnet 25 kann genauso wie die Magneten 19 und 20 der oben beschriebenen Halbleiterbauteile 300 bzw. 400 ausgestaltet sein. Folglich kann es sich bei dem Magnet 25 um einen einstückigen Permanentmagnet handeln, der beispielsweise mit dem Halbleiterchip 10 verklebt ist, oder es kann eine permanentmagnetische dünne strukturierte Schicht auf dem Halbleiterchip 10 abgeschieden sein.
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Wie in 7 gezeigt ist, sind der Träger 22 sowie die auf dem Träger 22 angeordneten Bauelemente zusammen mit dem Magnet 25 in ein Gehäuse integriert. Das Gehäuse kann aus einem Vergussmaterial 26, z. B. einem Kunststoffmaterial, bestehen, das den Träger 22 sowie die darauf angeordneten Bauelemente umhüllt. Einzig die Enden der Pins 24 wurden frei gelassen, um eine Kontaktierung des Halbleiterchips 10 von außen zu ermöglichen.
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Ein Vorteil des Halbleiterbauteils 500 ist, dass sich der Magnet 25 genauso wie bei den Halbleiterbauteilen 300 und 400 in unmittelbarer Nähe des Magnetfeldsensors 11 befindet.
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Als Alternative zu der in 7 gezeigten Kontaktierung mittels Drahtbond-Technologie kann der Halbleiterchip 10 auch mittels einer Flip-Chip-Technologie kontaktiert werden.
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In den 8A und 8B sind beispielhafte Orientierungen des von dem Magnet 20 des Halbleiterbauteils 400 erzeugten Magnetfelds gezeigt. Dazu sind in die 8A und 8B schematische Magnetfeldlinien 27 eingezeichnet. In 8A ist der Magnet 20 senkrecht zu der aktiven Hauptoberfläche 12 des Halbleiterchips 10 magnetisiert, während in 8B die Magnetisierung parallel zu der aktiven Hauptoberfläche 12 ausgerichtet ist.
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Bei einem einstückigen Permanentmagnet 20 kann die Orientierung des von ihm erzeugten Magnetfelds 27 durch eine entsprechende Orientierung des Permanentmagneten 20 bestimmt werden. Sofern der Magnet 20 durch Abscheiden einer dünnen permanentmagnetischen Schicht erzeugt wird, besteht grundsätzlich die Möglichkeit, eine gewünschte Orientierung des Magnetfelds 27 durch einen nachträglichen Magnetisierungsschritt einzustellen. Dies ist jedoch nicht bei allen permanentmagnetischen Materialien möglich. Sofern z. B. eine senkrechte Orientierung des Magnetfelds 27 für eine bestimmte Anwendung benötigt wird (vgl. 8A), kann für die auf dem Halbleiterchip 10 abgeschiedene dünne permanentmagnetische Schicht ein Material gewählt werden, das in Schichtform eine intrinsische senkrechte Anisotropie zeigt. Solch eine intrinsische senkrechte Anisotropie zeigen beispielsweise FeTb-Legierungen.
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In 9 ist beispielhaft eine Anwendung des Halbleiterbauteils 400 als Drehratensensor dargestellt. Das Halbleiterbauteil 400 ist in Flip-Chip-Lage auf eine Leiterplatte 28 montiert. Mittels der Lotkugeln 26 wurden Lötverbindungen zwischen dem Halbleiterbauteil 400 und Kontaktelementen 29 der Leiterplatte 28 geschaffen. Innerhalb des von dem Magnet 20 erzeugten Magnetfelds 27 ist ein Zahnrad 30 aus einem weichmagnetischen Material mit einer geringen Koerzitivfeldstärke angeordnet. Bei einer Drehung des Zahnrads 30 verändert sich, wie in 9 gezeigt ist, das Magnetfeld 27 aufgrund der Struktur des Zahnrads 30 periodisch. Derartige Änderungen des Magnetfelds 27 werden von dem Magnetfeldsensor 10 gemessen. Eine in den Halbleiterchip 10 integrierte Auswerteschaltung kann anhand der von dem Magnetfeldsensor 10 gelieferten periodisch sich wiederholenden Messdaten die Drehrate des Zahnrads 30 bestimmen.
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Bei der Anwendung gemäß 9 ist eine Orientierung des Magnetisierung des Magneten 20 senkrecht zur aktiven Hauptoberfläche 12 günstig, da dadurch Änderungen des Magnetfelds 27 mit einer hohen Genauigkeit detektiert werden können.
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Bei der Anwendung der hier beschriebenen Halbleiterbauteile muss nicht notwendigerweise ein Magnet in das Halbleiterbauteil integriert sein. Beispielsweise kann auch vorgesehen sein, dass ein Magnet an einem Gegenwerkstück befestigt ist und der Magnetfeldsensor 10 misst, ob sich das Gegenwerkstück in der Nähe des Halbleiterbauteils befindet oder nicht bzw. ob sich das Gegenwerkstück dem Halbleiterbauteil annähert oder nicht. Anstatt zur Messung der Drehrate eines sich drehenden Zahnrads kann diese Anwendung auch zur Messung von Drehwinkeln von Drehgelenken, z. B. in Klapptelefonen oder in der Umgebung von Türen, eingesetzt werden. Damit kann festgestellt werden, ob das Klapptelefon oder eine Tür geöffnet oder geschlossen ist.
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In 10 ist der Querschnitt durch ein Halbleiterbauteil schematisch dargestellt, in das ein Magnetfeldsensor 1000 integriert ist. In ähnlicher Weise können z. B. die Magnetfeldsensoren 11 in die Halbleiterbauteile 100 bis 500 integriert sein. Der Magnetfeldsensor 1000 nutzt zur Messung eines Magnetfelds z. B. den GMR-Effekt. Eine Möglichkeit zur Ausnutzung des GMR-Effekts stellen Spin-Valve-Sensoren dar, bei denen dünne weichmagnetische Schichten durch nichtmagetische Schichten voneinander getrennt sind. Die Richtung der Magnetisierung von mindestens einer der weichmagnetischen Schichten wird durch geeignete Mittel, beispielsweise eine antiferromagnetische Schicht, festgehalten. Die Magnetisierungen der anderen weichmagnetischen Schichten können in einem von außerhalb des Halbleiterbauteils angelegten Magnetfeld frei rotieren. Zur Messung des externen Magnetfelds wird ausgenutzt, dass der elektrische Widerstand zwischen den weichmagnetischen Schichten von dem Winkel zwischen den Magnetisierungen der einzelnen Schichten abhängt.
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In 10 ist gezeigt, dass auf einen Halbleiterchip 1001 Metallisierungsschichten 1002 und 1003 aufgebracht sind, die durch Via-Verbindungen miteinander verbunden sind. Darüber ist der Magnetfeldsensor 1000 angeordnet, der mit einer Passivierungsschicht 1004 überzogen worden ist.
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In 11 ist eine mit einem Mikroskop aufgenommene Aufnahme eines in ein Halbleiterbauteil integrierten GMR-Magnetfeldsensors zur Messung von Drehwinkeln gezeigt. Der GMR-Magnetfeldsensor weist zwei Vollbrücken 1005 und 1006 auf, die um 90° versetzt sind. Jede der Vollbrücken 1005 und 1006 besteht aus zwei in Serie geschalteten Halbbrücken, die jeweils eine mäanderförmige Struktur aufweisen. Die beiden Vollbrücken 1005 und 1006 sind jeweils als Wheatstone'sche Brücke beschaltet. Jede der beiden Vollbrücken 1005 und 1006 ermöglicht die eindeutige Zuordnung zu einem Winkelbereich von 180° . Durch den Einsatz von zwei um 90° versetzte Vollbrücken 1005 und 1006 kann mit Hilfe einer Arctan-Berechnung der volle 360°-Bereich abgedeckt werden.
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In 12 ist eine Auswerteschaltung zur Auswertung der von den Vollbrücken 1005 und 1006 gelieferten Messsignale gezeigt. Ein Digitalsignalprozessor (DSP) dient dazu, die erforderlichen Rechnungen auszuführen, um nach einer Offset-Subtraktion das Signal in einen Winkel im 360°-Bereich zu wandeln. Die in 12 dargestellte Auswerteschaltung kann zusammen mit dem GMR-Magnetfeldsensor auf einen Halbleiterchip integriert werden.
