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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Sensor, auf ein Verfahren zum Herstellen eines ersten Sensors und zumindest eines zweiten Sensors sowie auf ein Verfahren zum Montieren eines Sensors auf einer Trägerstruktur.
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Magnetfeldsensoren werden heute mit Beschleunigungs- und Drehratensensoren in einem Gehäuse kombiniert und für Navigationszwecke eingesetzt. Dabei werden die Magnetfeldkomponenten in x- und y-Achse mittels Fluxgate-Sensoren gemessen, während die z-Komponente mit einem Hall-IC ermittelt wird.
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Die
DE 10 2009 028 815 A1 beschreibt ein Magnetometer mit einem Substrat und einem Magnetkern. Das Substrat weist eine Anregungsspule zur Erzeugung eines magnetischen Flusses im Magnetkern auf und die Anregungsspule weist einen Spulenquerschnitt auf, welcher im Wesentlichen senkrecht zu einer Haupterstreckungsebene des Substrats ausgerichtet ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund wird mit der vorliegenden Erfindung ein Sensor, ein Verfahren zum Herstellen eines ersten Sensors und zumindest eines zweiten Sensors sowie ein Verfahren zum Montieren eines Sensors auf einer Trägerstruktur gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
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Bei einem Magnetfeldsensor nach dem Fluxgate/Flipcore-Prinzip, z. B. einer Fluxgate-Sonde, wird ein weichmagnetischer Kern alternierend periodisch in Sättigung getrieben. Der Kern ist dabei von zwei gegensinnigen Spulen umwickelt. Fließt in einer (Erreger-)Spule ein beispielsweise sägezahnförmiger Wechselstrom, induziert er, vermittelt über den gemeinsamen weichmagnetischen Spulenkern, beim Umklappen der Magnetisierung in der anderen (Empfangs-)Spule ebenfalls einen Strom. Die Erregerspannung und die Empfangsspannung sind in Abwesenheit eines äußeren Feldes gleich groß und heben sich durch die gegensinnige Wicklung auf. Liegt nun ein äußeres Magnetfeld an, so erzeugt die vektorielle Komponente in Richtung des Kerns ein resultierendes Signal in der Empfängerspule, das proportional zum angelegten Feld ist. Mit diesem Prinzip sind sehr kleine Magnetfelder messbar.
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An einer Grenzfläche einer Flüssigkeit zu einem Gas stellt sich eine Grenzflächenspannung ein, die darauf hinwirkt, dass die Flüssigkeit eine geringstmögliche Oberfläche aufweist. Beispielsweise nimmt ein Tropfen Wasser eine möglichst kugelförmige Gestalt an, da so die Oberfläche des Wasservolumens am kleinsten ist.
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Wenn die Flüssigkeit auf eine Oberfläche gelangt, so weist sie an einer Tropfengrenze auf der Oberfläche einen charakteristischen Kontaktwinkel auf. Der Kontaktwinkel ist abhängig von einer Materialpaarung der Oberfläche zu der Flüssigkeit. Wenn die Oberfläche eine gute Benetzbarkeit gegenüber der Flüssigkeit aufweist, ist der Kontaktwinkel kleiner als 90°. Wenn die Oberfläche eine schlechte Benetzbarkeit gegenüber der Flüssigkeit aufweist, ist der Kontaktwinkel größer als 90°.
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Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass die Grenzflächenspannung einer Flüssigkeit, beispielsweise schmelzflüssiges Lot, zwei Flächen, zwischen denen ein Tropfen der Flüssigkeit angeordnet ist, zusammenziehen kann, wenn die Flüssigkeit einen geringen Kontaktwinkel und/oder eine hohe Benetzbarkeit an den Flächen aufweist. Eine dabei auftretende Kraft kann groß genug sein, um ein Bauteil zu drehen. Die Flüssigkeit kann ein Montagematerial zur Montage von Bauteilen auf einem Trägermaterial sein. Insbesondere kann ein Bauteil von der Flüssigkeit auf eine abgeschrägte Seite gedreht werden, obwohl das Bauteil auf einer geraden Fläche abgesetzt worden ist.
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Die vorliegende Erfindung schafft einen Sensor, wobei der Sensor die folgenden Merkmale aufweist:
eine Sensorfläche, auf der ein Sensorelement angeordnet ist, das dazu ausgebildet ist, eine Richtungskomponente einer gerichteten Messgröße aufzunehmen;
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eine Schrägfläche, auf der zumindest eine Kontaktierungsfläche zum Kontaktieren des Sensorelements angeordnet ist, wobei die Schrägfläche einen Winkel zu einer Gitterstruktur von Trägermaterial des Sensors aufweist und wobei die Schrägfläche in eine andere Richtung ausgerichtet ist als die Sensorfläche.
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Ferner schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines ersten Sensors und zumindest eines zweiten Sensors, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
Bereitstellen eines Wafers aus kristallinem Trägermaterial, wobei auf einer Sensorfläche des Wafers ein erstes Sensorelement und zumindest ein zweites Sensorelement angeordnet sind;
Festlegen einer Bearbeitungsfläche auf der Sensorfläche des Wafers, wobei die Bearbeitungsfläche zwischen dem ersten Sensorelement und dem zweiten Sensorelement angeordnet ist und die herzustellenden Sensorelemente voneinander trennt;
Entfernen eines Teils des Wafers im Bereich der Bearbeitungsfläche, um eine erste Schrägfläche und eine zweite, gegenüberliegende Schrägfläche herzustellen, wobei das Entfernen unter Verwendung eines anisotropen Ätzprozesses durchgeführt wird, bei dem das Trägermaterial unter einem vorbestimmten Winkel zu einer Gitterstruktur des Trägermaterials entfernt wird, um die Schrägflächen herzustellen;
Einbringen von zumindest einer ersten Kontaktierungsfläche zum Kontaktieren des ersten Sensorelements in die erste Schrägfläche und zumindest einer zweiten Kontaktierungsfläche zum Kontaktieren des zweiten Sensorelements in die zweite Schrägfläche; und
Trennen der Sensoren zwischen der ersten Schrägfläche und der zweiten Schrägfläche, um die Sensoren zu vereinzeln.
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Des Weiteren schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Montieren eines Sensors auf einer Trägerstruktur, wobei der Sensor eine Sensorfläche aufweist, auf der ein Sensorelement angeordnet ist, das dazu ausgebildet ist, eine Richtungskomponente einer gerichteten Messgröße aufzunehmen, und der Sensor eine Schrägfläche aufweist, auf der zumindest eine Kontaktierungsfläche zum Kontaktieren des Sensorelements angeordnet ist, wobei die Schrägfläche einen Winkel zu einer Gitterstruktur von Trägermaterial des Sensors aufweist, und wobei die Schrägfläche in eine andere Richtung ausgerichtet ist als die Sensorfläche, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
Platzieren des Sensors auf der Trägerstruktur, wobei die Schrägfläche des Sensors mit einer Oberfläche der Trägerstruktur auf einer Montagefläche einen spitzen Winkel bildet und wobei zumindest ein Teilbereich der Schrägfläche und/oder der Montagefläche mit einem Montagematerial bedeckt ist;
Verflüssigen von auf der Montagefläche angeordnetem Montagematerial, um die Schrägfläche unter Verwendung einer Grenzflächenspannung des verflüssigten Montagematerials durch Kippen des Sensors über eine Kante auf der Montagefläche anzuordnen; und
Verhärten des Montagematerials, um den Sensor mit der Trägerstruktur zu verbinden.
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Unter einem Sensor kann ein Halbleiterbauelement und/oder eine mikroelektromechanische Struktur verstanden werden. Der Sensor kann dazu ausgebildet sein, eine messbare physikalische Größe in einem elektrischen Signal abzubilden. Die messbare Größe kann eine räumliche Richtung aufweisen. Der Sensor kann dazu ausgebildet sein, einen vektoriellen Anteil der Größe in einer Raumrichtung aufzunehmen. Beispielsweise kann der Sensor dazu ausgebildet sein, einen Anteil eines magnetischen Felds aufzunehmen. Dazu kann der Sensor ein Sensorelement, beispielsweise einen magnetisierbaren Kern aufweisen, der in einem Einflussbereich von zwei entgegengerichteten Spulen angeordnet ist. Eine Wirkrichtung der Spulen kann die Richtung des vektoriellen Anteils bestimmen. Das Sensorelement kann mittels Mikrosystemtechnik in eine Platte aus Trägermaterial, in einen Wafer eingebracht werden. Ein Wafer kann beispielsweise aus einem Halbleitermaterial bestehen. Beispielsweise kann der Wafer aus einkristallinem Silizium bestehen. Erforderliche Arbeitsschritte können von einer Oberseite und/oder Unterseite des Wafers erfolgen. Unter einer Sensorfläche kann eine Fläche des Wafers verstanden werden, auf und/oder in der das Sensorelement angeordnet ist. Eine Schrägfläche kann einen vorbestimmten Winkel zu einer Kristallstruktur des Trägermaterials aufweisen. Ein Verlauf oder eine Ausrichtung der Schrägfläche kann in einer Kristallebene des Trägermaterials angeordnet sein oder dieser entsprechen. Die Schrägfläche kann einen vorbestimmten Winkel zu der Sensorfläche aufweisen, wobei die Schrägfläche günstigerweise gegenüber der Sensorfläche geneigt ausgerichtet ist. Eine Kontaktierungsfläche kann eine elektrisch leitende Struktur sein. Beispielsweise kann die Kontaktierungsfläche eine metallische Fläche auf dem Trägermaterial sein, auf der das Sensorelement kontaktiert werden kann. Beispielsweise kann das Kontaktieren über Bonddraht erfolgen oder auch über ein Lötpad auf einer Trägerstruktur. Eine Bearbeitungsfläche kann beispielsweise mittels einer Maske aus z.B. Siliziumnitrid festgelegt werden. Das Entfernen kann mittels eines Lösungsmittels oder Ätzmittels erfolgen, das das Trägermaterial anisotrop angreift. Beispielsweise kann das Ätzmittel Kaliumhydroxid KOH sein. Das Lösungsmittel oder Ätzmittel kann das Trägermaterial bis zu einer definierten Kristallebene abtragen, die den bestimmten Winkel zu der Kristallstruktur des Wafers aufweist. Um eine Kontaktierungsfläche in die Schrägfläche einzubringen, kann die Schrägfläche erneut maskiert werden. Die Schrägfläche kann unter der Kontaktierungsfläche eine isolierende Schicht aufweisen. Die isolierende Schicht kann vor dem Maskieren aufgebracht werden. Zum Trennen der Sensoren kann der Wafer zersägt werden. Der Wafer kann auch mittels Laserstrahlschneiden getrennt werden. Ein Montageplatz (auch als Montagefläche bezeichnet) kann ein für den Sensor vorgesehener Platz bzw. eine hierfür vorgesehene Fläche auf der Trägerstruktur sein. Die Trägerstruktur kann beispielsweise eine Wand eines Gehäuses oder eine Leiterplatte sein. Der Montageplatz kann beispielsweise ein Lotpad oder ein Kleberpad sein. Beispielsweise kann das Lot als Lotpaste aufgetragen werden und unter Wärmeeinwirkung schmelzflüssig werden. Die isolierende Schicht kann für das Lot abstoßend sein. Die Kontaktierungsfläche kann von dem Lot gut benetzbar sein. Eine Grenzflächenspannung kann eine Oberflächenspannung sein, die zwischen zwei Medien, die nicht mischbar sind, auftreten kann, und einen Drang der Medien repräsentiert, eine möglichst geringe gemeinsame Oberfläche auszubilden. Das verflüssigte Montagematerial kann eine Zugkraft auf die Kontaktierungsfläche ausüben und den Sensor drehen. Wenn das Montagematerial erkaltet, kann der Sensor in gedrehter Position mit der Trägerstruktur verbunden sein.
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Der Sensor kann auch einen Grundkörper mit einer ersten Befestigungsfläche zum Befestigen des Sensors an einer Trägerstruktur in einer ersten Raumrichtung und zumindest einer zweiten Befestigungsfläche zum Befestigen des Sensors an der Trägerstruktur in einer zweiten Raumrichtung aufweisen, wobei die erste Befestigungsfläche unter einem Winkel zu der zweiten Befestigungsfläche ausgerichtet ist, wobei die erste Befestigungsfläche und die zweite Befestigungsfläche eine gemeinsame Kante aufweisen. Der Sensor kann ein Sensorelement aufweisen, das an der ersten Befestigungsfläche oder an einer, der ersten Befestigungsfläche gegenüber angeordneten, Oberfläche des Sensors angeordnet ist, wobei der Sensor dazu ausgebildet ist, eine Richtungskomponente einer gerichteten Messgröße aufzunehmen. Der Sensor kann zumindest eine erste Kontaktierungsfläche aufweisen, die auf der Oberfläche oder der ersten Befestigungsfläche angeordnet ist und mit dem Sensorelement verbunden ist. Der Sensor kann zumindest eine zweite Kontaktierungsfläche aufweisen, die auf der zweiten Befestigungsfläche oder einer, der zweiten Befestigungsfläche gegenüber angeordneten, Schräge des Sensors angeordnet ist und elektrisch leitend mit der ersten Kontaktierungsfläche verbunden ist. Die zweite Kontaktierungsfläche kann größer als die erste Kontaktierungsfläche sein.
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Die Sensorfläche und die Schrägfläche können eine gemeinsame Kante aufweisen. Der Sensor kann beim Montieren über die gemeinsame Kante gekippt werden. Die gemeinsame Kante kann innerhalb des Montageplatzes platziert werden.
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Auf der Sensorfläche kann zumindest eine weitere Kontaktierungsfläche angeordnet sein, wobei die weitere Kontaktierungsfläche geringere Abmessungen aufweist, als die Kontaktierungsfläche auf der Schrägseite. Das verflüssigte Montagematerial kann eine größere Kraft auf die größere Fläche ausüben, damit kann der Sensor beim Verflüssigen des Montagematerials gekippt werden.
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Die Bearbeitungsfläche kann unter Verwendung eines Zusammenhangs zwischen einer gewünschten Bearbeitungstiefe und dem bestimmten Winkel festgelegt werden. Insbesondere kann die Bearbeitungstiefe näherungsweise halb so groß sein, wie eine Breite der Bearbeitungsfläche. Damit kann der Wafer beinahe vollständig durchtrennt werden, wodurch im Schritt des Trennens eine geringere Schichtdicke durchtrennt werden muss.
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Im Schritt des Festlegens kann eine zweite Bearbeitungsfläche auf einer der Sensorfläche gegenüberliegenden Unterseite des Wafers festgelegt werden. Im Schritt des Entfernens kann Trägermaterial im Bereich der zweiten Bearbeitungsfläche unter Verwendung des anisotropen Ätzprozesses entfernt werden, um weitere Schrägflächen herzustellen. Weitere Schrägflächen können rückwärtig in den Wafer eingebracht werden. Durch die weiteren Schrägflächen können die Sensoren symmetrisch hergestellt werden.
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Die zweite Bearbeitungsfläche auf der Unterseite kann in einem vorbestimmten seitlichen Versatz zu der Bearbeitungsfläche auf der Sensorfläche festgelegt werden. Der Sensor kann damit einen parallelogrammähnlichen Querschnitt aufweisen. Ein Schwerpunkt des Sensors kann dann nahe an einer Kippkante sein.
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Das Trägermaterial kann für das Montagematerial abstoßend sein. Im Schritt des Verflüssigens kann das verflüssigte Montagematerial von dem Trägermaterial abgestoßen werden. Das Montagematerial kann an der Kontaktierungsfläche haften. Durch eine Haftung an den Kontaktierungsflächen und nicht am Trägermaterial kann eine Isolation der einzelnen Kontaktierungsflächen untereinander erreicht werden. So können Kurzschlüsse verhindert werden.
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Der Sensor kann versetzt zu zumindest zwei Montageflächen platziert werden, wobei die Montageflächen als Kontaktflächen der Trägerstruktur zur elektrischen Kontaktierung des Sensors ausgebildet sind, und im Schritt des Verhärtens auf der Schrägfläche angeordnete Kontaktierungsflächen des Sensors, mit den Kontaktflächen der Trägerstruktur elektrisch leitend verbunden werden. Damit können mehrere elektrische Verbindungen zu dem Sensor hergestellt werden. Für einen Magnetfeldsensor können beispielsweise zumindest vier elektrische Kontakte erstellt werden.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
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1 einen Ausschnitt eines Sensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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2 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Herstellen eines Sensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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3 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Montieren eines Sensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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Die 4a bis 4d Darstellungen von Anordnungen von Komponenten nach Ausführung von Prozessschritten zur Herstellung eines Sensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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Die 5a bis 5c Darstellungen von Anordnungen von Komponenten nach Ausführung von Montageschritten eines Sensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
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Die 6a und 6b Darstellungen von Anordnungen von Komponenten nach Ausführung von alternativen Montageschritten eines Sensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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In der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
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1 zeigt einen Ausschnitt eines Sensors 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der Sensor 100 weist eine Sensorfläche 102 und eine Schrägfläche 104 auf. Die Schrägfläche 104 weist einen Winkel zu einer Gitterstruktur von Trägermaterial des Sensors 100 auf. Beispielsweise entspricht der Winkel dem Kristallwinkel zwischen einer „111-Ebene“ und einer „001-Ebene“. Auf der Sensorfläche 102 ist ein Sensorelement 106 angeordnet, das dazu ausgebildet ist, eine Richtungskomponente einer gerichteten Messgröße aufzunehmen. Beispielsweise ist das Sensorelement 106 ein Magnetfeldsensor, der dazu ausgebildet ist, eine seiner Messrichtung entsprechende Magnetfeldkomponente eines umgebenden Magnetfelds aufzunehmen. Auf der Schrägfläche 104 ist zumindest eine Kontaktierungsfläche 108 zum Kontaktieren des Sensorelements 106 angeordnet. Die Kontaktierungsfläche 108 ist über eine elektrische Leiterbahn 110 mit dem Sensorelement 106 verbunden. Wenn mehrere Kontaktierungsflächen 108 auf der Schrägfläche 104 vorhanden sind, dann ist das Sensorelement 106 über mehrere Leiterbahnen 110 mit den Kontaktierungsflächen 108 verbunden.
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Mit anderen Worten zeigt 1 ein Bauelement 100, das dadurch gekennzeichnet ist, dass alle Kontaktflächen 108 auf ein und derselben schräg zu einer ersten Oberfläche 102 angeordneten Seitenkante 104 vorgesehen sind. Auf der ersten Oberfläche 102 ist eine elektrische Schaltung oder ein MEMS-Element 106 integriert. Das MEMS-Element 106 kann ein Magnetometer sein. Die Kontaktflächen 108 sind an der Kante mit der größten Ausdehnung angeordnet. Die Kontaktflächen 108 weisen auf der ersten Oberfläche 102 eine kleinere Ausdehnung auf, als auf der dazu schräg angeordneten Seite 104. Das Bauelement kann mittels der Kontaktflächen 108 auf einem Gehäuseboden (z. B. einer Leiterplatte) verkippt angeordnet werden, wobei insbesondere der Grabsteineffekt zum Kippen ausgenutzt wird.
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2 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 200 zum Herstellen eines Sensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. In dem Verfahren 200 werden zumindest ein erster Sensor und zumindest ein zweiter Sensor, wie sie in 1 beschrieben sind, hergestellt. Das Verfahren 200 weist einen Schritt des Bereitstellens 202, einen Schritt des Festlegens 204, einen Schritt des Entfernens 206, einen Schritt des Einbringens 208 und einen Schritt des Trennens 210 auf. Im Schritt des Bereitstellens 202 wird ein Wafer aus kristallinem Trägermaterial bereitgestellt. Auf einer Sensorfläche des Wafers sind ein erstes Sensorelement und zumindest ein zweites Sensorelement angeordnet. Die Sensorelemente sind in vorhergehenden Bearbeitungsschritten in die Sensorfläche des Wafers eingebracht worden. Im Schritt des Festlegens 204 wird eine Bearbeitungsfläche auf der Sensorfläche des Wafers festgelegt. Die Bearbeitungsfläche ist zwischen dem ersten Sensorelement und dem zweiten Sensorelement angeordnet. Die Bearbeitungsfläche trennt die herzustellenden Sensorelemente voneinander. In der Bearbeitungsfläche liegt das Trägermaterial der Wafers frei. Außerhalb der Bearbeitungsfläche ist der Wafer einschließlich der Sensorelemente mit einer Ätzmaske abgedeckt und somit geschützt. Im Schritt des Entfernens 206 wird ein Teil des Wafers im Bereich der Bearbeitungsfläche entfernt, um eine erste Schrägfläche und eine zweite, gegenüberliegende Schrägfläche herzustellen. Hierbei können die erste und die zweite Schrägfläche verschiedene Winkel mit der Oberfläche des Trägermaterials bilden. Die erste Schrägfläche ist im Bereich des ersten Sensors angeordnet, die zweite Schrägfläche ist im Bereich des zweiten Sensors angeordnet. Das Entfernen wird unter Verwendung eines anisotropen Ätzprozesses durchgeführt. Bei dem anisotropen Ätzprozess wird das Trägermaterial unter einem bestimmten Winkel zu einer Gitterstruktur des Trägermaterials entfernt, um die Schrägflächen herzustellen. Im Schritt des Einbringens 208 wird zumindest eine erste Kontaktierungsfläche zum Kontaktieren des ersten Sensorelements in die erste Schrägfläche eingebracht. Eine zweite Kontaktierungsfläche zum Kontaktieren des zweiten Sensorelements kann vorteilhafterweise gleichzeitig in die zweite Schrägfläche eingebracht werden. Das Einbringen kann unter Verwendung bekannter Herstellungsprozesse, wie Trenchen, Bedampfen, Galvanisieren, Passivieren, ... durchgeführt werden. Die Kontaktierungsflächen sind je mit einem der Sensorelemente elektrisch verbunden. Im Schritt des Trennens 210 werden die Sensoren zwischen der ersten Schrägfläche und der zweiten Schrägfläche getrennt, um die Sensoren zu vereinzeln. Das Trennen kann unter Verwendung bekannter Prozesse, wie Sägen, Ätzen, Laserschneiden, ... durchgeführt werden.
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3 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 300 zum Montieren eines Sensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der Sensor entspricht dabei einem Sensor, wie er in 1 beschrieben ist und kann gemäß einem Verfahren zum Herstellen, wie es in 2 beschrieben ist, hergestellt werden. Der Sensor weist eine Sensorfläche auf, auf der ein Sensorelement angeordnet ist, das dazu ausgebildet ist, eine Richtungskomponente einer gerichteten Messgröße aufzunehmen. Der Sensor weist ferner eine Schrägfläche auf, auf der zumindest eine Kontaktierungsfläche zum Kontaktieren des Sensorelements angeordnet ist. Die Schrägfläche weist einen Winkel zu einer Gitterstruktur von Trägermaterial des Sensors auf, wobei die Schrägfläche in eine andere Richtung ausgerichtet ist als die Sensorfläche. Der Sensor kann einem Bestückungsautomaten als vereinzeltes Bauelement beispielsweise auf einem Tape zugeführt werden. Das Verfahren 300 weist einen Schritt des Platzierens 302, einen Schritt des Verflüssigens 304 und einen Schritt des Verhärtens 306 auf. Im Schritt des Platzierens 302 wird der Sensor auf der Trägerstruktur platziert, wobei die Schrägfläche des Sensors mit einer Oberfläche der Trägerstruktur auf einer Montagefläche einen spitzen Winkel bildet, und wobei zumindest ein Teilbereich der Schrägfläche und/oder der Montagefläche mit einem Montagematerial bedeckt ist. Die Sensorfläche des Sensors ist also nach dem Platzieren näherungsweise parallel zu einer Oberfläche der Trägerstruktur ausgerichtet. Im Schritt des Verflüssigens 304 wird Montagematerial verflüssigt, das auf der Montagefläche angeordnet ist. Beispielsweise wird das Montagematerial erwärmt, bis es schmilzt. Die Schrägfläche wird unter Verwendung einer Grenzflächenspannung des verflüssigten Montagematerials auf die Montagefläche gezogen. Dabei wird der Sensor über eine Kante gekippt. Im Schritt des Verhärtens 306 wird das Montagematerial verfestigt, um den Sensor mit der Trägerstruktur zu verbinden. Beispielsweise wird das Montagematerial abgekühlt.
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Mit anderen Worten zeigt 3 ein Verfahren 300 zum gezielten Kippen eines Bauelements um einen definierten Winkel bzw. zum Kontaktieren eines Sensorchips an einer schrägen Chipkante. Das Sensorelement wird dabei um ca. 55° gedreht, sodass die sensitiven Schichten seitlich schräg zu liegen kommen. So kann die xz- bzw. die yz-Komponente eines Magnetfelds mit nur zwei Fluxgates ohne Hall-Element gemessen werden.
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Die 4a bis 4d zeigen Darstellungen von Anordnungen von Komponenten nach Ausführung von Prozessschritten zur Herstellung eines Sensors 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Gezeigt sind Entstehungsschritte von vier Sensoren 100a bis 100d, die je ein Sensorelement 106 aufweisen.
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In 4a ist ein Wafer 400 dargestellt, auf dessen einer Oberfläche stellvertretend für eine Vielzahl von Sensorelementen 106, die auch flächig auf dem Wafer 400 verteilt sein können, vier Sensorelemente 106a, 106b, 106c und 106d in einer Reihe angeordnet sind. Die Sensorelemente 106 weisen zwischen dem Sensorelement 106a und dem Sensorelement 106b einen großen Abstand auf. Zwischen dem Sensorelement 106b und dem Sensorelement 106c besteht ein kleiner Abstand. Zwischen dem Sensorelement 106c und dem Sensorelement 106d besteht wieder der große Abstand, wie zwischen den Sensorelementen 106a und 106b. Auf einer Unterseite des Wafers 400 ist kein Sensorelement angeordnet. Der Wafer 400 besteht aus einem kristallinen Trägermaterial, beispielsweise monokristallines Silizium. Der große Abstand entspricht beispielsweise einer Dicke des Wafers 400.
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In 4b ist der Wafer 400 nach dem vorhergehenden Schritt des Entfernens, wie in 2 beschrieben, dargestellt. Vor dem Entfernen wurde der Wafer 400 maskiert. Eine Ätzmaske aus z. B. Siliziumntrid 402 bedeckt die Sensorelemente 106. Dabei lässt die Ätzmaske 402 zwischen dem Sensorelement 106a und dem Sensorelement 106b eine Bearbeitungsfläche 404a frei. Das Sensorelement 406b und 406c sind ohne zwischenliegende Bearbeitungsfläche gemeinsam von der Ätzmaske 402 bedeckt. Zwischen dem Sensorelement 406c und dem Sensorelement 406d ist erneut eine Bearbeitungsfläche 404b angeordnet. Die Bearbeitungsflächen 404 sind gleich groß. Auf der Unterseite des Wafers 400 ist ebenso eine Ätzmaske 402 aufgetragen worden. Die untere Ätzmaske 402 spart eine weitere Bearbeitungsfläche 404c aus, die mittig zwischen dem Sensorelement 106b und dem Sensorelement 406 c angeordnet ist. Die Flächen der Ätzmaske 402 auf der Unterseite können den Flächen auf der Oberseite entsprechen. Unterhalb der Sensorelemente 106a und 106b ist ebenfalls je eine Bearbeitungsfläche angeordnet. Im Bereich der Bearbeitungsflächen 404 ist Trägermaterial aus dem Wafer 400 herausgeätzt worden. Da ein anisotroper Ätzprozess verwendet worden ist, weisen Seitenflanken im Bereich der Bearbeitungsflächen 404 einen vorbestimmten Winkel zur Kristallstruktur des Trägermaterials auf. Durch das Ätzen entstehen Schrägflächen. Die Ätzungen sind soweit in den Wafer 400 eingedrungen, bis sich die Schrägflächen direkt treffen. Der Wafer 400 weist dadurch ein kantiges, wellenförmiges Profil auf.
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In 4c ist die Ätzmaske entfernt worden. In einem, in 2 beschriebenen Schritt des Einbringens sind Kontaktierungsflächen 108 in und/oder auf die Sensorfläche des Wafers 400 und in und/oder auf die Schrägflächen eingebracht worden. Die Kontaktierungsflächen 108 verlaufen dabei jeweils von einem Sensor 106 auf der Sensorfläche bis zu einer Kante mit der Schrägfläche und weiter auf der Schrägfläche.
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In 4d sind die Sensoren 100a bis 100d nach einem Trennen dargestellt. Der Wafer 400 ist dazu mit der Unterseite auf einem Tape 406 aufgeklebt worden. Die Sensoren 100a bis 100d sind in diesem Ausführungsbeispiel zum Trennen gesägt worden. Sägeschnitte weisen dazu einen gleichmäßigen Abstand auf und reichen bis in das Tape 406. Die Sägeschnitte sind zwischen den Schrägflächen beiderseits des Wafers 400 angeordnet und verlaufen in Richtung der entstandenen Ätzkerben mittig entlang eines Verlaufs der Bearbeitungsflächen aus 4b. Die Sensoren weisen jetzt eine Grundform eines Parallelogramms mit gebrochenen Kanten auf. Die gebrochenen Kanten sind dabei die beim Trennen entstandenen Sägekanten. Die Sensoren 100b und 100d sind spiegelbildlich zu den Sensoren 100a und 100c ausgerichtet.
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Mit anderen Worten zeigen die 4a bis 4d Anordnungen von Komponenten nach Ausführung von Schritten eines Herstellverfahrens, in dem V-förmige Gruben in ein Substrat eingebracht werden. Anschließend wird eine Isolationsschicht in die Gruben eingebracht. Danach werden elektrische Leitungen angelegt, die teilweise sowohl auf der ersten Oberfläche, der Sensorfläche, als auch im Bereich der Grubenwände, der Schrägfläche, verlaufen.
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Der Herstellprozess kann mit einem Aufbringen der Magnetfeldsensoren 106 (Fluxgates, FG) beginnen. Dabei kann zuerst eine Isolationsschicht (z. B. ein Oxid) für die Fluxgates aufgebracht werden. Anschließend kann eine untere Metallebene der Fluxgates aufgebracht werden. Im Anschluss kann eine weitere Isolationsschicht (z. B. das Oxid) für die Fluxgates aufgebracht werden. Darauf kann ein Magnetkern des Fluxgates aufgebracht werden. Optional kann darauf eine zusätzliche Isolationsschicht (z. B. das Oxid) für die Fluxgates aufgebracht werden.
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Vor dem Ätzen wird eine Maske 402 für das KOH-Ätzen (z. B. SiN) aufgebracht und strukturiert. Anschließend kann, wie in 4b dargestellt, das KOH-Ätzen auf der Vorderseite erfolgen. Optional kann gleichzeitig auf der Rückseite geätzt werden. Dabei wird die Ätztiefe kleiner als die Waferdicke gewählt.
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Nach dem Ätzen kann die KOH-Ätzmaske 402 entfernt werden. Anschließend wird auf dem Trägermaterial 400 ein Isolationsoxid (z. B. mit PECVD) abgeschieden. Kontaktlöcher für eine zweite Metallebene (Fluxgates+Kontaktpads) werden geöffnet, um eine Kontaktierung zu ermöglichen. Daraufhin wird die zweite Metallebene aufgebracht und beispielsweise mittels einem Sprühlackprozess strukturiert. Optional wird eine Passivierungsschicht, z. B. eine Nitridschicht aufgebracht. Die Kontaktpads 108 werden über einen weiteren Sprühlackprozess und ein weiteres Ätzen der Passivierung geöffnet (siehe 4c).
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Die Sensoren 100 werden durch Sägen oder Laserstrahlschneiden vereinzelt, was auch mit aktiver Struktur zum Tape 406 hin erfolgen kann (siehe 4d).
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Die 5a bis 5c zeigen Darstellungen von Anordnungen von Komponenten nach Ausführung von Montageschritten eines Sensors 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der Sensor 100 weist einen Grundkörper mit einer Querschnittsfläche in Form eines Parallelogramms auf. Zwei einander gegenüberliegende spitze Ecken des Parallelogramms weisen eine Facette auf. Der Sensor 100 weist auf einer Sensorfläche 102 ein Sensorelement 106 auf. Das Sensorelement 106 ist in diesem Ausführungsbeispiel ein Flipcore-Element. Auf einer Schrägfläche 104 weist der Sensor 100 Kontaktflächen 108 auf. Die Kontaktflächen 108 sind mit dem Sensorelement 106 verbunden und weisen Fortsetzungen auf der Sensorfläche 102 auf. Der Grundkörper ist symmetrisch und weist einen mittig gelegenen Schwerpunkt S auf. Der Schwerpunkt S befindet sich auf einer Kreuzung einer kurzen Achse und einer langen Achse des Parallelogramms. Die Sensorfläche 102 und die Schrägfläche 104 weisen eine gemeinsame Knicklinie auf. Die Sensorfläche 102 ist in diesem Ausführungsbeispiel nach unten ausgerichtet, die Schrägfläche 104 weist an der Knicklinie einen Winkel von ca. 55° zu der Sensorfläche 102 auf.
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In 5a ist der Sensor 100 unmittelbar nach einem Aufnehmen des Sensors 100 von einem Tape 406 abgebildet. Der Sensor 100 war mit der Sensorfläche 102 auf dem Tape 406 angeordnet gewesen. Die Sensorfläche 102 ist parallel zu dem Tape 406 ausgerichtet.
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In 5b ist der Sensor 100 dargestellt, wie er auf einer Leiterplatte 500 als Trägerstruktur platziert worden ist. Der Sensor 100 ist mit der Sensorfläche 102 zur Leiterplatte 500 ausgerichtet. Die Schrägfläche 104 ist über einem Lötpad 502 als Montagefläche auf der Leiterplatte 500 angeordnet. Auf dem Lötpad 502 ist Lötpaste als Montagemittel aufgebracht. Die Lötpaste reicht ein kurzes Stück bis auf die Sensorfläche 102, um den Sensor 100 nach dem Platzieren durch Adhäsion zu halten, sodass der Sensor 100 nicht verrutschen kann. Die Knicklinie ist dazu in die Lötpaste gedrückt.
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In 5c ist der Sensor 100 nach einem Verflüssigen des Montagemittels auf dem Lötpad 502 dargestellt. Das verflüssigte Lot benetzt die Kontaktflächen 108 gut, weshalb das Lot über den Kapillareffekt an den schräg ausgerichteten Kontaktflächen 108 die Schrägfläche 104 hinauf wandert. Dabei übt das Lot über seine Grenzflächenspannung eine Zugkraft auf die Schrägfläche 104 aus. Wenn die Zugkraft groß genug ist, wird der Sensor 100 über die Knicklinie gekippt und liegt damit auf der Schrägfläche. Die Sensorfläche 102 ist jetzt schräg zu der Leiterplatte 500 ausgerichtet.
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Mit anderen Worten zeigen die 5a bis 5c Anordnungen von Komponenten nach Ausführung von Schritten eines Montageverfahrens, in dem ein Bauelement 100 mit einer angeschrägten Oberfläche 104 auf einem Substrat 500 asymmetrisch zu einer Lotoberfläche 502 aufgebracht wird, sodass nur ein vergleichsweise geringer Überlapp zwischen der Kontaktfläche auf der ersten Oberfläche 102 und dem Lotpad 502 besteht. Dabei ist das Herstellungs- und Montageverfahren selbstjustierend, da der Kippwinkel sich selbst durch den anisotropen KOH-Ätzprozess einstellt, bzw. das Kippen auf die schräge Fläche 104 durch den Grabsteineffekt erfolgt.
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Das mit der Vorderseite nach unten zeigende Sensorelement 100 wird vom Tape 406 abgepickt (siehe 5a) und auf der am Gehäuseboden 500 bereits dispensten Lotpaste platziert (siehe 5b). Der Schwerpunkt S des Bauelements 100 befindet sich vorteilhafterweise sehr nahe über der Knicklinie 495, was den Grabsteineffekt und damit das Kippen über die Knicklinie 495 erleichtert. Beim Reflow-Löten schmilzt die Lotpaste auf, die Oberflächenspannung des Lotes übt dabei ein Drehmoment auf das Bauelement 100 aus, da es nur an einer Kante 495) fixiert ist. Das Sensorelement 100 kippt deshalb auf die schrägliegende Seite 104 (siehe 5c). So können nun die xz- bzw. yz-Komponenten des Magnetfeldes gemessen werden. Ein besonderer Vorteil des hier vorgestellten Montageverfahrens ist, dass der Prozess selbstjustierend abläuft.
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Eine Kurzschlussgefahr kann durch kurze Leiterbahnen 502 auf denen das Lot auf dem Trägersubstrat 500 aufgebracht wird, und einen Bondpadbereich 108, der länger als die Leiterbahnen ist, vermieden werden. Dadurch wird das Sensorelement 100 zentriert und der sich ausbildende Meniskus zieht das Lot weg von der Chipoberfläche. Die KOH-Flanke 104 ist durch eine Oxid- oder Nitridschicht unter der Metallisierung isoliert, sodass kein Lot an der Si-Oberfläche anhaften kann. Dadurch kann kein Lot an die Sägefläche gelangen.
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Die 6a und 6b zeigen Darstellungen von alternativen Montageschritten eines Sensors 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der Sensor 100 entspricht dem Sensor, wie er anhand des unter Bezugnahme auf 5 beschriebenen Montageverfahrens herstellbar ist.
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In 5a ist wie in 6a gezeigt, wie der Sensor 100 von einem Tape 406 abgehoben wurde. Im Gegensatz zu 5 ist die Sensorfläche 102 mit dem Sensorelement 106 vom Tape 406 weg ausgerichtet. Die Schrägfläche 104 mit den Kontaktierungsflächen 108 ist ebenfalls von dem Tape 406 weg ausgerichtet.
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In 6b ist der Sensor 100 wie in 5c auf einer Platte 500 befestigt dargestellt. Im Gegensatz zu der Befestigung in 5c ist der Sensor 100 in der Luft, vor dem Aufsetzen, um ca. 55° gedreht worden, sodass eine, der Schrägfläche 104 gegenüberliegende Parallelfläche zur Platte 500 ausgerichtet ist. Die Sensorfläche 102 ist dadurch schräg ausgerichtet. Anschließend ist der Sensor 100 auf ein Klebepad 600 abgesetzt worden. Die Schrägfläche 104 mit den Kontaktierungsflächen 108 zeigt jetzt nach oben. Auf einer der Kontaktierungsflächen 108 ist zur Illustration ein Bonddraht 602 aufgebondet abgebildet.
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Mit anderen Worten wird in den 6a und 6b das Sensorelement 100 vom Tape 406 abgepickt, anschließend um ca. 55° geneigt und auf dem am Gehäuseboden 500 bereits dispensten Kleber platziert. Das Sensorelement 100 liegt nun schräg, wodurch die xz- bzw. yz-Komponenten des Magnetfeldes gemessen werden können. Die Bondpads 108 liegen jedoch auf der parallel zum Gehäuseboden verlaufenden Oberseite des Chips 100 (KOH-Flanke 104). Ein besonderer Vorteil ist, dass die Pads 108 etwa über Zentrum der Klebefläche 600 liegen, sodass das Drahtbonden besonders gut funktioniert (keine Zugkräfte im Kleber).
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Die beschriebenen und in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt. Unterschiedliche Ausführungsbeispiele können vollständig oder in Bezug auf einzelne Merkmale miteinander kombiniert werden. Auch kann ein Ausführungsbeispiel durch Merkmale eines weiteren Ausführungsbeispiels ergänzt werden.
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Ferner können erfindungsgemäße Verfahrensschritte wiederholt sowie in einer anderen als in der beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden.
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Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder“-Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so ist dies so zu lesen, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009028815 A1 [0003]
