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Die Erfindung betrifft eine mikromechanische Sensorvorrichtung und ein entsprechendes Herstellungsverfahren.
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Stand der Technik
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Obwohl auch beliebige mikromechanische Bauelemente anwendbar sind, werden die vorliegende Erfindung und die ihr zugrundeliegende Problematik anhand von mikromechanischen Bauelementen mit Drucksensoren erläutert, wie beispielsweise aus der
DE 10 2014 200 507 A1 bekannt.
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Für den Betrieb von elektrischen Bauteilen von Sensorvorrichtungen werden auf Platinen zusätzliche passive Komponenten, wie z.B. Widerstände, Kondensatoren, Induktivitäten o.Ä., integriert. Derartige passive Bauelemente stellen eine ordnungsgemäße Funktion der Sensorvorrichtung sicher.
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Stützkondensatoren bzw. Abblockkondensatoren stellen beispielsweise in Situationen erhöhten Leistungsbedarfs zusätzliche Energie bereit oder können an Ausgangsleitungen sogenannte Überschwinger und eine möglicherweise daraus resultierende Störung anderer Schaltungskomponenten verhindern.
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Für derartige Kondensatoren wird zusätzlich Platz benötigt, und die Komplexität des Designs ist erschwert, zumal die Stützkondensatoren möglichst in nächster Nähe zur Sensorvorrichtung platziert werden sollen.
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Die
DE 10 2006 059 084 A1 offenbart ein mikromechanisches Bauelement, wobei ein oder mehrere passive Bauelemente in einen MEMS-Chip integriert sind. Derartige passive Bauelemente umfassen Stützkondensatoren zur Pufferung von Spannungsspitzen. Bei dem bekannten mikromechanischen Bauelement werden Pufferkondensatoren zwischen dem Substrat und dem mikromechanischen Funktionselement angeordnet. Als Pufferkondensator dienen in diesem Bereich zwei Flächenelektroden mit dazwischen befindlicher dielektrischer Schicht. Als Oberflächenelektrode wird die im MEMS-Aufbau bereits eingesetzte vergrabene Leiterbahnebene verwendet.
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4 zeigt eine schematische Darstellung zur Erläuterung einer beispielhaften mikromechanischen Sensorvorrichtung.
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In 4 bezeichnet Bezugszeichen 101 ein Sensorsubstrat mit einer ersten Vorderseite VS und einer ersten Rückseite RS, welches einen Sensorbereich SB, z.B. einen Drucksensorbereich, aufweist.
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Aufgebondet auf die erste Vorderseite VS des Sensorsubstrats 101 ist ein Kappensubstrat 101' mit einer zweiten Vorderseite VS' und einer zweiten Rückseite RS'. Dabei ist die zweite Rückseite RS' über eine erste Bondeinrichtung B1 auf die erste Vorderseite VS aufgebondet. Im oberen Bereich einer Kaverne K des Kappensubstrats 101' ist ein Zugangsbereich Z für ein Umweltmedium, beispielsweise Luft, vorgesehen. Dieser Zugangsbereich Z kann beispielsweise eine Vielzahl von schmalen Durchgangslöchern aufweisen.
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Die erste Rückseite RS des Sensorsubstrats 101 ist über eine zweiten Bondeinrichtung B2 auf eine dritte Vorderseite VSa eines Interposersubstrats 101a aufgebondet, welches eine dritte Rückseite RSa aufweist, welche wiederum über eine dritte Bondeinrichtung B3 auf ein Trägersubstrat TS, beispielsweise eine Platine, aufgebondet ist.
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Ebenfalls auf das Trägersubstrat TS aufgebondet ist ein ASIC-Substrat 101" mit einer integrierten Schaltungseinrichtung FE an einer vierten Vorderseite VS" des ASIC-Substrats 101", wobei eine vierte Rückseite RS" des ASIC-Substrats 101" über eine vierte Bondeinrichtung B4 auf das Trägersubstrat TS aufgebondet ist.
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Bei der bekannten mikromechanischen Sensorvorrichtung ist eine Kondensatoreinrichtung CE als passives Bauelement neben der MEMS-Anordnung seitlich beabstandet auf das Trägersubstrat TS mittels einer fünften Bondeinrichtung B5 aufgebondet. Diese Kondensatoreinrichtung CE, welche als Leistungspuffer dient, verbraucht als zusätzlichen Platz auf dem Trägersubstrat.
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Andere beispielhafte mikromechanische Sensorvorrichtungen verzichten auf das Interposersubstrat 101a und integrieren beispielsweise das ASIC-Substrat 101" in den MEMS-Stapel mit dem Sensorsubstrat 101 und dem Kappensubstrat 101'.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Erfindung schafft eine mikromechanische Sensorvorrichtung nach Anspruch 1 und ein entsprechendes Herstellungsverfahren nach Anspruch 12.
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Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
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Vorteile der Erfindung
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Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee besteht in der Bereitstellung einer Grabenkondensatoreinrichtung, welche in ein Sensorsubstrat und/oder ein Kappensubstrat und/oder ein ASIC-Substrat und/oder ein optionales Interposersubstrat der mikromechanischen Sensorvorrichtung integriert ist. Die Integration erfolgt zweckmäßigerweise in nichtfunktionalen, zuvor bereits vorhandenen Substratflächen, wo die Grabenkondensatoreinrichtung keinen störenden Einfluss auf andere Schaltungskomponenten haben kann.
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Vorteilhafterweise ermöglicht die mikromechanische Sensorvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, dass passive Stützkondensatoren nicht auf dem Trägersubstrat vorgesehen werden müssen, sondern in die Sensorvorrichtung integriert sind, was zur Miniaturisierung des Gesamtsystems beiträgt. Hinzu kommt eine Kostenersparnis, da die Anzahl zu bestückender Komponenten für das Trägersubstrat abnimmt und so auch der Arbeitsaufwand für die Verifikation beim Bestückungsprozess reduziert wird.
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Dadurch, dass die Grabenkondensatoreinrichtung nahe den Schaltungskomponenten, deren Spannungsversorgung sie stabilisieren soll, realisiert ist, vermindern sich u. a. parasitäre Verluste und wird die Effektivität erhöht.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist ein Interposersubstrat mit einer vierten Vorderseite und einer vierten Rückseite, welches entweder zwischen dem Kappensubstrat und dem Sensorsubstrat oder an der ersten Rückseite angeordnet ist, vorgesehen.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist im dem Interposersubstrat eine Grabenkondensatoreinrichtung integriert.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist die Grabenkondensatoreinrichtung in der ersten Vorderseite oder der ersten Rückseite integriert ist und weist einen oder mehrere Gräben auf, welche über eine erste Isolationsschicht als Kondensatordielektrikum vom Sensorsubstrat elektrisch isoliert sind, wobei in den oder die Gräben eine erste elektrisch leitfähige Schicht eingebracht ist, welche mit einer ersten Sensorsubstrat-Kondensatorelektrode elektrisch verbunden ist, und wobei eine zweite Sensorsubstrat-Kondensatorelektrode in einer Peripherie des oder der Gräben mit dem Sensorsubstrat elektrisch verbunden ist. Gerade im Sensorsubstrat steht oft viel nicht-funktionaler Platz zur Verfügung.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist die Grabenkondensatoreinrichtung in der vierten Vorderseite oder der vierten Rückseite integriert und weist einen oder mehrere Gräben, welche über eine vierte Isolationsschicht als Kondensatordielektrikum vom Interposersubstrat elektrisch isoliert sind, wobei in den oder die Gräben eine erste elektrisch leitfähige Schicht eingebracht ist, welche mit einer ersten Interposersubstrat-Kondensatorelektrode elektrisch verbunden ist, und wobei eine zweite Interposersubstrat-Kondensatorelektrode in einer Peripherie des oder der Gräben mit dem Interposersubstrat elektrisch verbunden ist. Ein Interposersubstrat bietet sich, falls vorhanden, an, da es regelmäßig keine aktiven Bereiche aufweist.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist die Grabenkondensatoreinrichtung in der zweiten Vorderseite oder der zweiten Rückseite integriert und weist einen oder mehrere Gräben aufweist, welche über eine zweite Isolationsschicht als Kondensatordielektrikum vom Kappensubstrat elektrisch isoliert sind, wobei in den oder die Gräben eine zweite elektrisch leitfähige Schicht eingebracht ist, welche mit einer ersten Kappensubstrat-Kondensatorelektrode elektrisch verbunden ist, und wobei eine zweite Kappensubstrat-Kondensatorelektrode in einer Peripherie des oder der Gräben mit dem Kappensubstrat elektrisch verbunden ist. Ein Kappensubstrat bietet sich ebenfalls an, da es regelmäßig keine aktiven Bereiche aufweist.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist die Grabenkondensatoreinrichtung in der zweiten Rückseite in einer Kaverne des Kappensubstrats integriert, wobei die erste Kappensubstrat-Kondensatorelektrode mit einem ersten Kappensubstrat-Bondbereich und die zweite Kappensubstrat-Kondensatorelektrode mit einem zweiten Kappensubstrat-Bondbereich an der zweiten Rückseite elektrisch verbunden ist. Hier ist die Grabenkondensatoreinrichtung besonders geschützt und nahe am Sensorbereich untergebracht.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist die Grabenkondensatoreinrichtung in der dritten Rückseite integriert und weist einen oder mehrere Gräben auf, welche über eine dritte Isolationsschicht als Kondensatordielektrikum vom ASIC-Substrat elektrisch isoliert sind, wobei in den oder die Gräben eine dritte elektrisch leitfähige Schicht eingebracht ist, welche mit einer ersten ASIC-Substrat-Kondensatorelektrode elektrisch verbunden ist, und wobei eine zweite ASIC-Substrat-Kondensatorelektrode in einer Peripherie des oder der Gräben mit dem ASIC-Substrat elektrisch verbunden ist. Gerade Schaltungskomponenten des ASIC-Substrats benötigen vielfach Pufferkondensatoren, welche zudem durch einfache Durchkontaktierungen elektrisch angeschlossen werden können.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist die erste ASIC-Substrat-Kondensatorelektrode mit einem ersten ASIC-Substrat-Bondbereich und die zweite ASIC-Substrat-Kondensatorelektrode mit einem zweiten ASIC-Substrat-Bondbereich an der dritten Rückseite elektrisch verbunden ist. So lässt sich eine einfache elektrische Anbindung an das Trägersubstrat erreichen.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist die Grabenkondensatoreinrichtung derart gestaltet, dass sie eine Mehrzahl parallel geschalteter Grabenkondensatoren aufweist. So lässt sich auf kleinstem Raum eine hohe Kapazität realisieren.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist die Grabenkondensatoreinrichtung eine Stützkondensatoreinrichtung zur Spannungsstabilisierung für Schaltungskomponenten der Sensorvorrichtung, insbesondere für Schaltungskomponenten des ASIC-Substrats, auf. Eine derartige Stützkondensatoreinrichtung kann somit ganz in der Nähe der elektrischen Komponenten angeordnet werden, welche sie benötigen.
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Figurenliste
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Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand von Ausführungsformen mit Bezug auf die Figuren erläutert.
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Es zeigen:
- 1 eine ausschnittsweise schematische Darstellung zur Erläuterung einer mikromechanischen Sensorvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
- 2 eine ausschnittsweise schematische Darstellung zur Erläuterung einer mikromechanischen Sensorvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
- 3 eine ausschnittsweise schematische Darstellung zur Erläuterung einer mikromechanischen Sensorvorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
- 4 eine schematische Darstellung zur Erläuterung einer beispielhaften mikromechanischen Sensorvorrichtung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente.
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1 ist eine ausschnittsweise schematische Darstellung zur Erläuterung einer mikromechanischen Sensorvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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In 1 ist ein nicht-funktionaler Bereich des Sensorsubstrats 101 bzw. des Interposersubstrats 101a gemäß 4 ausschnittsweise dargestellt, in dem eine Grabenkondensatoreinrichtung CE bzw. CEa gebildet ist.
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In dem nicht-funktionalen Bereich des Sensorsubstrats 101 bzw. des Interposersubstrats 101a sind ein oder mehrere Gräben entweder auf der Vorderseite VS, VSa oder auf der Rückseite RS, RSa vorgesehen, welche Bezugszeichen 102a, 102b, 102c tragen. Beim Beispiel gemäß 1 ist dies die Vorderseite VS, VSa, jedoch ist dies in der Rückseite RS, RSa genauso möglich.
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Die Gräben 102a, 102b, 102c sind über eine erste Isolationsschicht 103 als Kondensatordielektrikum vom Sensorsubstrat 101 bzw. vom Interposersubstrat 101a elektrisch isoliert. Dabei erstreckt sich die erste Isolationsschicht 103, beispielsweise eine Siliziumoxidschicht im Falle eines Siliziumsubstrats, zusammenhängend über sämtliche Gräben und einen peripheren Bereich davon. In den Gräben ist eine elektrisch leitfähige Schicht 104 deponiert und strukturiert, welche eine leitfähige erste Kondensatorplatte bildet. Die zweite Kondensatorplatte ist durch den Bereich des Sensorsubstrats 101 bzw. des Interposersubstrats 101a gebildet. Auf der elektrisch leitfähigen Schicht 104, welche die Gräben 102a, 102b, 102c füllt, ist eine erste Sensorsubstrat-Kondensatorelektrode 1 bzw. Interposersubstrat-Kondensatorelektrode 1 vorgesehen, wobei eine zweite Sensorsubstrat-Kondensatorelektrode 2 bzw. Interposersubstrat-Kondensatorelektrode 2 in einer Peripherie der Gräben 102a, 102b, 102c mit dem Sensorsubstrat 101 bzw. dem Interposersubstrat 101a elektrisch verbunden ist. Die erste Sensorsubstrat-Kondensatorelektrode 1 bzw. Interposersubstrat-Kondensatorelektrode 1 und die zweite Sensorsubstrat-Kondensatorelektrode 2 bzw. Interposersubstrat-Kondensatorelektrode 2 sind beispielsweise aus einer metallischen Schicht durch Abscheidung und Strukturierung gebildet.
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Die Prozesse zur Herstellung der Grabenkondensatoreinrichtung CE, CEa gemäß der ersten Ausführungsform sind wohlbekannt und umfassen bekannte Trenchätzprozesse, beispielsweise mittels DRIE-Ätzen, und Abscheidungsprozesse sowie lithografische Strukturierungsprozesse.
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2 ist eine ausschnittsweise schematische Darstellung zur Erläuterung einer mikromechanischen Sensorvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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In 2 ist ein nicht-funktionaler Bereich des Kappensubstrats 101' gemäß 4 ausschnittsweise dargestellt, in dem eine Grabenkondensatoreinrichtung CE' gebildet ist. In 2 ist der Zugangsbereich Z aus Gründen der Vereinfachung weggelassen.
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In der zweiten Rückseite RS' des Kappensubstrats 101' sind eine Mehrzahl von Gräben 102a'-102d' integriert, welche wie bei der ersten Ausführungsform über eine zweite Isolationsschicht 103' als Kondensatordielektrikum vom Kappensubstrat 101' elektrisch isoliert sind. In den Gräben 102a'-d' ist eine zweite elektrisch leitfähige Schicht 104' eingebracht und strukturiert, welche mit einer ersten Kappensubstrat-Kondensatorelektrode 1' elektrisch verbunden ist. Eine zweite Kappensubstrat-Kondensatorelektrode 2' ist in der Peripherie der Gräben 102a'-d' mit dem Kappensubstrat 101' elektrisch verbunden. Die erste Kappensubstrat-Kondensatorelektrode 1' ist mit einem ersten Kappensubstrat-Bondbereich BR1' und die zweite Kappensubstrat-Kondensatorelektrode 2' ist mit einem zweiten Kappensubstrat-Bondbereich BR2' an der zweiten Rückseite RS' jeweils elektrisch verbunden.
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Im Übrigen ist der Aufbau bzw. die Herstellung analog zu 1.
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Obwohl bei diesem Beispiel die Grabenkondensatoreinrichtung CE' im Deckenbereich der Kaverne K des Kappensubstrats 101' untergebracht ist, ist dies nicht erforderlich, sondern beliebige andere Bereiche sind sowohl auf der zweiten Vorderseite VS' als auch auf der zweiten Rückseite RS' möglich.
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3 ist eine ausschnittsweise schematische Darstellung zur Erläuterung einer mikromechanischen Sensorvorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Bei der dritten Ausführungsform ist die Grabenkondensatoreinrichtung CE" auf der dritten Rückseite RS" des ASIC-Substrats 101" gemäß 4 integriert.
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Auch hier sind eine Mehrzahl von Gräben 102a"-h" an der dritten Rückseite RS" vorgesehen, welche über eine dritte Isolationsschicht 103" als Kondensatordielektrikum vom ASIC-Substrat 101" elektrisch isoliert sind. In den Gräben 102a"-h" ist eine dritte elektrisch leitfähige Schicht 104" eingebracht, welche mit einer ersten ASIC-Substrat-Kondensatorelektrode 1" elektrisch verbunden ist, wobei eine zweite ASIC-Substrat-Kondensatorelektrode 2" in einer Peripherie der Gräben 102a"-h" mit dem ASIC-Substrat 101" elektrisch verbunden ist.
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Auch bei dieser Ausführungsform ist die erste ASIC-Substrat-Kondensatorelektrode 1" mit einem ersten ASIC-Substrat-Bondbereich BR1" und die zweite ASIC-Substrat-Kondensatorelektrode 2" mit einem zweiten ASIC-Substrat-Bondbereich BR2" an der dritten Rückseite RS" elektrisch verbunden.
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Im Übrigen ist der Aufbau bzw. die Herstellung analog zu 1.
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Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt. Insbesondere sind die genannten Materialien und Topologien nur beispielhaft und nicht auf die erläuterten Beispiele beschränkt.
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Die in den obigen Ausführungsbeispielen gezeigten Geometrien und Anordnungen der Grabenkondensatoreinrichtungen sind nur beispielhaft.
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Insbesondere können erfindungsgemäße Grabenkondensatoreinrichtungen sowohl auf der jeweiligen Vorderseite als auch auf der jeweiligen Rückseite integriert werden. Auch ist das Vorsehen mehrerer Grabenkondensatoreinrichtungen in einem oder verschiedenen Substraten möglich.
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Die Anbindung der Grabenkondensatoreinrichtung an die elektrischen Schaltungskomponenten, zu deren Funktion sie beitragen, kann entweder über integrierte Leiterbahnen, wie oben dargestellt, erfolgen oder auch über zusätzliche oder alternative Bondverbindungen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014200507 A1 [0002]
- DE 102006059084 A1 [0006]
