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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Offenbarung betrifft allgemein Magnetsensorvorrichtungen umfassend Magnetsensoren und Permanentmagneten und insbesondere Konzepte zur Montage solcher Magnetsensorvorrichtungen auf gedruckten Leiterplatten (engl.: printed circuit board, PCB).
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Hintergrund
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Magnetische Sensoren verwenden typischerweise Technologien wie den Hall-Effekt oder magnetoresistive Effekte (MR). Verwendete Technologien sind z. B. GMR (Giant MR), TMR, (Tunnel MR) oder AMR (Anisotropic MR). Diese Sensoren erkennen Schwankungen im Magnetfeld. Die Mehrzahl der Anwendungen verwendet ein Vormagnetisierungsfeld (Bias-Feld), das von einem Permanentmagneten erzeugt wird, der sich in der Nähe des Sensors befindet. Sich außerhalb bewegende (ferro-)magnetische Teile verändern das Vormagnetisierungsfeld am Ort des Sensors und ermöglichen die Erkennung sich bewegender Teile. Diese Technologie wird zur Geschwindigkeitserfassung, Rotationserfassung, Winkelerfassung, Positionserfassung usw. verwendet.
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Es besteht ein Bedarf, Lösungen für Magnetsensoren und Permanentmagnete für die Leiterplattentechnologie (PCB) anzubieten.
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Zusammenfassung
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Dies wird gelöst durch Vorrichtungen und Verfahren gemäß den unabhängigen Ansprüchen. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird eine Magnetsensorvorrichtung vorgeschlagen, die eine Leiterplatte mit Leiterbahnen umfasst, sowie wenigstens einen auf der Leiterplatte oberflächenmontierten Permanentmagneten und wenigstens einen mit den Leiterbahnen der Leiterplatte verbundenen Magnetfeldsensor. Es wird also eine Kombination von Magnetsensoren und Permanentmagneten in SMD-Bauweise (SMD = Surface-Mounted Device) auf gedruckten Leiterplatten vorgeschlagen. Zur Bestückung der Leiterplatte mit dem Permanentmagneten und dem Magnetfeldsensor können also standardisierte SMD- und Reflow-Prozesse verwendet werden. Reflow-Löten bezeichnet ein Weichlötverfahren zum Löten von SMD-Bauteilen.
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Eine gedruckte Leiterplatte (engl. printed circuit board, PCB) bezeichnet im Rahmen der vorliegenden Offenbarung einen Träger für elektronische Bauteile. Sie dient der mechanischen Befestigung und elektrischen Verbindung. Leiterplatten umfassen elektrisch isolierendes Material mit darauf verlaufenden, leitenden Verbindungen (Leiterbahnen). Als isolierendes Material kann faserverstärkter Kunststoff, oder Hartpapier zum Einsatz kommen. Die Leiterbahnen können beispielsweise aus einer dünnen Schicht Kupfer geätzt werden. Bauelemente können auf Lötflächen (Pads) oder in Lötaugen gelötet werden. So werden sie an diesen footprints gleichzeitig mechanisch gehalten und elektrisch verbunden. Weitere Verbindungstechniken sind ebenfalls möglich.
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Bei dem Magnetsensor kann es sich um einen Sensor einer beliebigen Technologie handeln, wie zum Beispiel einen Hall-Sensor, einen magnetoresistiven Sensor (z.B. AMR-Sensor, GMR-Sensor, TMR-Sensor) oder daraus kombinierte Sensoren.
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Bei dem Permanentmagnet bzw. Dauermagnet kann es sich um einen Magnet aus einem hartmagnetischen Material handeln, wie zum Beispiel Legierungen aus Eisen, Cobalt, Nickel oder bestimmten Ferriten.
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Gemäß manchen Ausführungsbeispielen ist der Permanentmagnet über eine Klebe- Löt-, oder Schnappverbindung mit der Leiterplatte verbunden.
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Gemäß manchen Ausführungsbeispielen ist der Permanentmagnet zwischen der Leiterplatte und dem Magnetfeldsensor oder neben dem Magnetfeldsensor auf der Leiterplatte angeordnet. Eine genaue Geometrie kann beispielsweise vom Einsatzgebiet der Magnetsensorvorrichtung abhängen.
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Gemäß manchen Ausführungsbeispielen ist der Permanentmagnet zumindest teilweise in ein elektrisch leitfähiges Material eingebettet und über das elektrisch leitfähige Material mit der Leiterplatte verlötet. Mit Hilfe von Metallbeschichtungen kann der Permanentmagnet in einem Standard-SMD-Prozess lötbar gemacht werden. Optional kann über den Permanentmagneten bzw. das elektrisch leitfähige Material Strom zu anderen Bauteilen, wie zum Beispiel dem Magnetfeldsensor geleitet werden.
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Gemäß manchen Ausführungsbeispielen ist zwischen dem Permanentmagnet und dem elektrisch leitfähigen Material eine elektrisch isolierende Schicht vorgesehen, damit keine elektrischen Ströme durch den Permanentmagneten fließen können. Wenn also leitendes Magnetmaterial verwendet wird, kann eine Isolationsbeschichtung verwendet werden (zum Beispiel Epoxid).
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Gemäß manchen Ausführungsbeispielen ist der Permanentmagnet an einer Unterseite mit der Leiterplatte verlötet und an einer gegenüberliegenden Oberseite mit dem Magnetfeldsensor verlötet. Somit kann eine kompakte Anordnung von Permanentmagnet und Magnetfeldsensor auf der Leiterplatte erreicht werden.
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Gemäß manchen Ausführungsbeispielen weist das isolierende Material der Leiterplatte eine Ausnehmung bzw. Kavität auf, in welcher der Permanentmagnet aufgenommen ist. Auf diese Weise ist es möglich, den Permanentmagnet zumindest teilweise in der Leiterplatte zu versenken und eine relativ zur Oberfläche der Leiterplatte weniger hoch bauende Anordnung zu erzielen.
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Gemäß manchen Ausführungsbeispielen ist der Magnetfeldsensor über (oberhalb) dem in der Ausnehmung befindlichen Permanentmagneten auf der Leiterplatte angeordnet. Durch den in der Ausnehmung befindlichen Permanentmagneten und den darüber angeordneten Magnetfeldsensor kann also eine Stapelanordnung erzielt werden, die trotzdem relativ zur Oberfläche der Leiterplatte nicht übermäßig hoch baut.
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Gemäß manchen Ausführungsbeispielen weist der Permanentmagnet wenigstens ein elastisches Schnappelement auf und die Leiterplatte ein dazu korrespondierendes elastisches Aufnahmeelement. Somit können Permanentmagnet und Leiterplatte mittels einer (lösbaren) Schnappverbindung miteinander gekoppelt werden. Auf nicht lösbare Verbindungen wie Löten oder Kleben kann also ggf. verzichtet werden. Der Permanentmagnet ist somit auch austauschbar.
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Gemäß manchen Ausführungsbeispielen bilden der Permanentmagnet und der Magnetfeldsensor verschiedene auf die Leiterplatte aufgebrachte SMD-Bauelemente. SMD-Bauelemente haben im Gegensatz zu Bauelementen der Durchsteckmontage, den „bedrahteten Bauelementen“, keine Drahtanschlüsse, sondern werden mittels lötfähiger Anschlussflächen direkt auf die Leiterplatte gelötet (Flachbaugruppe). Eine einfachere Bestückung der Leiterplatte kann somit ermöglicht werden.
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Gemäß manchen Ausführungsbeispielen bilden der Permanentmagnet und der Magnetfeldsensor ein einziges auf die Leiterplatte aufgebrachtes SMD-Bauelement.
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Gemäß manchen Ausführungsbeispielen sind der Permanentmagnet und der Magnetfeldsensor von einem gemeinsamen SMD-Gehäuse umgeben bzw. gehäust.
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Gemäß manchen Ausführungsbeispielen ist der Magnetfeldsensor von einem SMD-Gehäuse umgeben und der Permanentmagnet ist auf einer Außenseite des SMD-Gehäuses angeordnet, zum Beispiel in einer Art Huckepack-Anordnung. Dazu kann der Permanentmagnet beispielsweise mit der Außenseite verklebt sein.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird ein Verfahren zum Herstellen einer Magnetsensorvorrichtung vorgeschlagen. Das Verfahren umfasst ein Bereitstellen einer Leiterplatte aus elektrisch isolierendem Material und mit Leiterbahnen, sowie ein Oberflächenmontieren (SMD-Montage) wenigstens eines Permanentmagneten auf der Leiterplatte und ein Verbinden wenigstens eines Magnetfeldsensors mit den Leiterbahnen der Leiterplatte. Zur Bestückung der Leiterplatte mit dem Permanentmagneten und dem Magnetfeldsensor können also standardisierte SMD- und Reflow-Prozesse verwendet werden. Permanentmagneten und Magnetfeldsensor können also mit Standard-Pick & Place-Techniken auf Leiterplatten montiert werden.
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Gemäß manchen Ausführungsbeispielen wird der Permanentmagnet zwischen der Leiterplatte und dem Magnetfeldsensor oder neben dem Magnetfeldsensor auf der Leiterplatte oberflächenmontiert. Eine genaue Geometrie kann beispielsweise vom Einsatzgebiet des Magnetfeldsensors abhängen.
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Gemäß manchen Ausführungsbeispielen wird beim Oberflächenmontieren des Permanentmagneten die Leiterplatte auf einem weichmagnetischen Material (z.B. weichmagnetische Stahlplatte) platziert, das sich im Magnetfeld des Permanentmagneten magnetisieren lässt. Damit lässt sich der Permanentmagnet während seiner Montage besser fixieren.
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Gemäß manchen Ausführungsbeispielen wird der Permanentmagnet durch Löten oder Kleben auf der Leiterplatte oberflächenmontiert.
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Gemäß manchen Ausführungsbeispielen werden dem Fixieren bzw. Montieren des Permanentmagneten der Magnetfeldsensor und weitere Bauteile auf die Leiterplatte aufgelötet. Dazu kann das weichmagnetische Material (z.B. Stahlplatte) wieder entfernt werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird SMD-Bauteil zur Bestückung einer Leiterplatte vorgeschlagen, das einen Permanentmagneten und einen Magnetfeldsensor aufweist. Bei dem SMD-Bauteil bzw. Package kann es sich um ein SOT (Small Outline Transistor), TSOP (Thin Small Outline Package), QFN (Quad Flat No-lead) oder ähnliche Package-Familien handeln. Der endgültige Sensor enthält den Magneten und bildet das neue oberflächenmontierbare Bauelement (SMD).
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Gemäß manchen Ausführungsbeispielen sind der Permanentmagnet und der Magnetfeldsensor von einem gemeinsamen SMD-Gehäuse umgeben.
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Gemäß manchen Ausführungsbeispielen ist der Magnetfeldsensor von einem SMD-Gehäuse umgeben ist und der Permanentmagnet auf einer Außenseite des SMD-Gehäuses angeordnet.
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Ein Verzicht auf lange Leitungen ermöglicht eine höhere Dichte der Bauelemente auf den Leadframes und damit einen höheren Durchsatz und Parallelität bei der Herstellung. Der Einsatz von Standard-SMT-Prozessen ermöglicht es, spezielle Montageprozesse wie Schweißen, Crimpen oder Laserlöten zu vermeiden. Komplizierte Metallgitter zur Montage von Permanentmagneten und Magnetfeldsensoren können vermieden werden durch kostengünstige Leiterplatten ersetzt werden. Diese Leiterplatte bietet zudem mehr Integrationsmöglichkeiten auf Systemebene.
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Figurenliste
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Einige Beispiele von Vorrichtungen und/oder Verfahren werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Figuren lediglich beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
- 1-6 verschiedene Ausführungsbeispiele von Magnetsensorvorrichtungen;
- 7A, B ein Verfahren zur Bestückung einer Leiterplatte gemäß einem Ausführungsbeispiel;
- 8A-K Seitenansichten verschiedener Ausführungsbeispiele von SMD-Bauteilen mit Magnetsensoren und Permanentmagnet; und
- 9A-E perspektivische Darstellungen verschiedener Ausführungsbeispiele von SMD-Bauteilen mit Magnetsensoren und Permanentmagnet.
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Beschreibung
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Verschiedene Beispiele werden nun ausführlicher Bezug nehmend auf die beiliegenden Figuren beschrieben, in denen einige Beispiele dargestellt sind. In den Figuren können die Stärken von Linien, Schichten und/oder Bereichen zur Verdeutlichung übertrieben sein.
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Während sich weitere Beispiele für verschiedene Modifikationen und alternative Formen eignen, sind dementsprechend einige bestimmte Beispiele derselben in den Figuren gezeigt und werden nachfolgend ausführlich beschrieben. Allerdings beschränkt diese detaillierte Beschreibung weitere Beispiele nicht auf die beschriebenen bestimmten Formen. Weitere Beispiele können alle Modifikationen, Entsprechungen und Alternativen abdecken, die in den Rahmen der Offenbarung fallen. Gleiche oder ähnliche Bezugszeichen beziehen sich in der gesamten Beschreibung der Figuren auf gleiche oder ähnliche Elemente, die bei einem Vergleich miteinander identisch oder in modifizierter Form implementiert sein können, während sie die gleiche oder eine ähnliche Funktion bereitstellen.
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Es versteht sich, dass, wenn ein Element als mit einem anderen Element „verbunden“ oder „gekoppelt“ bezeichnet wird, die Elemente direkt, oder über ein oder mehrere Zwischenelemente, verbunden oder gekoppelt sein können. Wenn zwei Elemente A und B unter Verwendung eines „oder“ kombiniert werden, ist dies so zu verstehen, dass alle möglichen Kombinationen offenbart sind, d. h. nur A, nur B sowie A und B, sofern nicht explizit oder implizit anders definiert. Eine alternative Formulierung für die gleichen Kombinationen ist „zumindest eines von A und B“ oder „A und/oder B“. Das Gleiche gilt, mutatis mutandis, für Kombinationen von mehr als zwei Elementen.
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Die Terminologie, die hier zum Beschreiben bestimmter Beispiele verwendet wird, soll nicht begrenzend für weitere Beispiele sein. Wenn eine Singularform, z. B. „ein, eine“ und „der, die, das“ verwendet wird und die Verwendung nur eines einzelnen Elements weder explizit noch implizit als verpflichtend definiert ist, können weitere Beispiele auch Pluralelemente verwenden, um die gleiche Funktion zu implementieren. Wenn eine Funktion nachfolgend als unter Verwendung mehrerer Elemente implementiert beschrieben ist, können weitere Beispiele die gleiche Funktion unter Verwendung eines einzelnen Elements oder einer einzelnen Verarbeitungsentität implementieren. Es versteht sich weiterhin, dass die Begriffe „umfasst“, „umfassend“, „aufweist“ und/oder „aufweisend“ bei Gebrauch das Vorhandensein der angegebenen Merkmale, Ganzzahlen, Schritte, Operationen, Prozesse, Elemente, Komponenten und/oder einer Gruppe derselben präzisieren, aber nicht das Vorhandensein oder das Hinzufügen eines oder mehrerer anderer Merkmale, Ganzzahlen, Schritte, Operationen, Prozesse, Elemente, Komponenten und/einer Gruppe derselben ausschließen.
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Sofern nicht anderweitig definiert, werden alle Begriffe (einschließlich technischer und wissenschaftlicher Begriffe) hier in ihrer üblichen Bedeutung auf dem Gebiet verwendet, zu dem Beispiele gehören.
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1 zeigt eine Magnetsensorvorrichtung 100 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel.
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Die Magnetsensorvorrichtung 100 weist eine Leiterplatte 110 auf. Die Leiterplatte 110 weist ein elektrisch isolierendes Material auf, wie zum Beispiel faserverstärkten Kunststoff. Die Leiterplatte 110 kann eine oder mehrere Lagen (Multilayer-Leiterplatten) des elektrisch isolierenden Materials aufweisen. Die Leiterplatte 110 weist elektrische Leiterbahnen 120 und ggf. Vias 122 auf. Die Leiterbahnen 120 und Vias 122 können mit herkömmlichen Verfahren auf bzw. in die Leiterplatte 110 auf- bzw. eingebracht werden. Auf einer Oberfläche der Leiterplatte 110 ist eine Mehrzahl von SMD-Bauelementen 130-2, 130-2, 130-3 angebracht. Bei einem ersten SMD-Bauelement 130-1 handelt es sich um einen Magnetsensor. Der Magnetsensor 130-1 kann beispielsweise ein Hall-Sensor, ein AMR-Sensor, ein GMR-Sensor, oder ein TMR-Sensor sein. Der Magnetsensor 130-1 ist in einem SMD-Chipgehäuse untergebracht. Das SMD-Gehäuse des Magnetsensors 130-1 weist Lötanschlüsse 132 auf, um diesen mit den Leiterbahnen 120 zu kontaktieren. Auch wenn die 1 die Lötanschlüsse seitlich am SMD-Gehäuse darstellt, wird dem Fachmann einleuchten, dass in anderen Ausführungsformen sich die Lötanschlüsse auch an anderen Stellen befinden können, wie zum Beispiel an einer Unterseite des SMD-Gehäuses. Lateral neben dem SMD-Magnetsensor 130-1 ist auf der Leiterplatte 110 ein Permanentmagnet 130-2 als Backbias-Magnet für den Magnetsensor 130-1 platziert. Die Magnetpole des Permanentmagneten 130-2 können in lateral Richtung nebeneinander angeordnet sein, sodass ein Vormagnetisierungsfeld (Bias-Feld) den Magnetsensor 130-1 in lateraler Richtung durchzieht. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Permanentmagnet 130-2 von einem lötbaren Metallmantel 134 umgeben. Der Metallmantel 134 ermöglicht ein Auflöten des Permanentmagneten 130-2 auf die Leiterplatte 110 mit für SMD-Technologien üblichen Reflow-Prozessen. Dazu ist an einer Oberfläche der Leiterplatte 110 ein entsprechende Anschlussfläche 136 vorgesehen. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel gehen von der Anschlussfläche für den Permanentmagneten 130-2 keine Leiterbahnen 120 aus. Lateral neben dem Permanentmagnet 130-2 ist ein weiteres SMD-Bauteil 130-3 gezeigt, welches mit seinen (Löt)-Anschlüssen 132 an Leiterbahnen 120 der Leiterplatte 110 gekoppelt ist. In dem in der 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Permanentmagnet 130-2 also über eine Lötverbindung mit der Leiterplatte 110 verbunden. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Permanentmagnet 130-2 lateral neben dem Magnetfeldsensor 130-1 auf der Leiterplatte 110 angeordnet. Sowohl der Magnetsensor 130-1 als auch der Permanentmagnet 130-2 sind als SMD-Bauteile ausgebildet und mittels herkömmlichen SMD-Montageverfahren mit der Leiterplatte 110 verbindbar.
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2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Magnetsensorvorrichtung 200.
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Die Magnetsensorvorrichtung 200 weist ebenfalls eine Leiterplatte 110 aus elektrisch isolierendem Material und mit Leiterbahnen 120 auf. Im Vergleich zum Ausführungsbeispiel der 1 ist hier der Permanentmagnet 130-2 auf eine andere Weise auf die Leiterplatte 110 montiert. Das elektrisch isolierende Material der Leiterplatte 110 weist im gezeigten Ausführungsbeispiel eine Ausnehmung bzw. Kavität 210 auf, in welcher der Permanentmagnet 130-2 aufgenommen ist. Dabei können Abmessungen der Ausnehmung 210 an Abmessungen des Permanentmagneten 130-2 angepasst sein, sodass der Permanentmagnet 130-2 beispielsweise durch einen Formschluss in der Ausnehmung 210 aufgenommen ist. Gegebenenfalls könnte der Permanentmagnet 130-2 auch mittels eines SMD-Klebers in der Ausnehmung 210 befestigt sein. In dem in der 2 gezeigten Ausführungsbeispiel befindet sich der Magnetsensor 130-1 oberhalb des Permanentmagneten 130-2. Der mit seinen Lötanschlüssen 132 mit der Leiterplatte 110 verlötete Magnetsensor 130-1 überdeckt sozusagen die Ausnehmung 210 und den darin eingebetteten Permanentmagneten 130-2. Die Magnetpole des Permanentmagneten 130-2 können in vertikaler Richtung übereinander angeordnet sein, sodass ein Vormagnetisierungsfeld (Bias-Feld) den Magnetsensor 130-1 in vertikaler Richtung durchzieht. Durch die Verwendung der Ausnehmung 210 in der Leiterplatte 110 braucht ein Bauraum in vertikaler Richtung nicht erhöht zu werden.
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Die 3 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Magnetsensorvorrichtung 300, in welcher Permanentmagnet 130-2 und Magnetfeldsensor 130-1 übereinandergestapelt angeordnet sind.
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Im Gegensatz zu der Variante, die in 2 gezeigt ist, ist hier der Permanentmagnet 130-2 nicht in einer Ausnehmung vergraben, sondern auf die Oberfläche der Leiterplatte 110 gelötet. Im Gegensatz zu dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel, ist der Permanentmagnet 130-2 hier nicht komplett von elektrisch leitfähigem Material ummantelt. Stattdessen ist hier eine erste Hälfte des Permanentmagneten 130-2 ummantelt sowie eine zweite Hälfte. Die beiden Teilummantelungen 134-1 und 134-2 sind allerdings elektrisch voneinander isoliert. Die erste elektrisch leitfähige Teilummantelung 134-1 ist in dem gezeigten Ausführungsbeispiel mit einer ersten Leiterbahn 120-1 verbunden. Die zweite elektrisch leitfähige Ummantelung 134-2 ist entsprechend mit einer zweiten Leiterbahn 120-2 verbunden. Dafür können Anschlussflächen der Teilummantelungen 134-1 und 134-2 mit Anschlussflächen der Leiterbahnen 120-1,120-2 verlötet werden. Während Unterseiten der Teilummantelung in 134-1, 134-2 mit der Leiterplatte 110 verlötet sind, sind in dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel Oberseiten der elektrisch leitfähigen Teilummantelung in 134-1, 134-2 mit elektrischen Anschlüssen 132 des Magnetfeldsensors 130-1 verlötet. Der Permanentmagnet 130-2 trägt in dem gezeigten Ausführungsbeispiel den Magnetsensor 130-1 also Huckepack auf seiner Oberseite. Die elektrisch leitfähigen Teilummantelungen (Metallisierungen) 134-1,134-2 dienen als elektrische Verbindungen von den Anschlüssen 132 des Magnetfeldsensors 130-1 zu den Leiterbahnen 120-1, 120-2. Auch hier können die Pole des Permanentmagneten 130-2 in vertikaler Richtung übereinander angeordnet sein, sodass dessen Magnetfeldlinien den Magnetsensor 130-1 im Wesentlichen in vertikaler Richtung durchziehen.
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4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Magnetsensorvorrichtung 400.
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Im Gegensatz zu den im vorhergehenden gezeigten Magnetsensorvorrichtungen ist bei diesem Ausführungsbeispiel der Permanentmagnet 130-2 nicht mittels einer Lötverbindung mit der Leiterplatte 110 verbunden oder in einer Ausnehmung der Leiterplatte angeordnet. Stattdessen ist hier der Permanentmagnet 130-2 mittels einer (lösbaren) Schnappverbindung mit der Leiterplatte 110 gekoppelt. Dazu weist der Permanentmagnet 130-2 ein elastisches (männliches) Schnappelement 410 auf, welches beispielsweise aus Kunststoff gebildet sein kann Der Permanentmagnet 130-2 kann beispielsweise von Kunststoff ummantelt sein. Die Leiterplatte 110 weist entsprechend dazu ein korrespondierendes elastisches (weibliches) Aufnahmeelement 412 auf. Beim Einschnappen verformen sich Schnappelement 410 und/oder Aufnahmeelement 412 derart elastisch, dass das Schnappelement 410 durch das Aufnahmeelement 412 hindurchgedrückt werden kann. Das Schnappelement 410 weist ein Kopfteil und ein Halsteil auf, wobei das Kopfteil größere Abmessungen aufweist als das Halsteil. Dadurch wird verhindert, dass das Schnappelement 410 aus dem Aufnahmeelement 412 herausfällt. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Permanentmagnet 130-2 wieder lateral neben dem Magnetsensor 130-1 angeordnet. Pole des Permanentmagneten 130-2 können sich lateral benachbart voneinander befinden, sodass die von dem permanent Magneten 130-2 ausgehenden Magnetfeldlinien den Magnetsensor 130-2 im Wesentlichen lateral durchziehen. Die in der 4 gezeigte lösbare Schnappverbindung zwischen Leiterplatte 110 und Permanentmagnet 130-2 kann selbstverständlich auch mit den in 2 oder 3 gezeigten Ausführungsformen kombiniert werden.
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5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Schnappverbindung zwischen Permanentmagnet 130-2 und Leiterplatte 110. Im Gegensatz zu dem Ausführungsbeispiel der 4, bei dem der Permanentmagnet 130-2 ein an dessen Unterseite im Wesentlichen mittig angeordnetes Schnappelement 410 aufweist, weist der Permanentmagnet 130-2 der 5 an dessen Unterseite zwei von den Außenseiten sich nach unten erstreckende Schnappelemente 410-1, 410-2 auf. Entsprechend sind als Gegenstücke dazu in der Leiterplatte 110 zwei Aufnahmeelemente 412-1 und 412-2 vorgesehen. Die in 5 gezeigte Variante kann gegebenenfalls mechanisch stabilere Schnappverbindungen ermöglichen.
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Bei dem in 6 angedeuteten Ausführungsbeispiel ist auf der Leiterplatte 110 eine elastische Halterung 610 für den Permanentmagneten 130-2 angebracht, in die der Permanentmagnet 130-2 eingesteckt werden kann. Die Halterung 610 kann gemäß unterschiedlichen Ausführungsbeispielen auf die Leiterplatte 110 aufgelötet, aufgeclipst, oder aufgeklebt sein.
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Die 7A und 7B zeigen schematisch ein Verfahren zum Herstellen einer Magnetsensorvorrichtung gemäß Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung.
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Bei dem Herstellungsverfahren wird zunächst eine Leiterplatte 110 aus elektrisch isolierendem Material mit Leiterbahnen 120 bedruckt. In einem weiteren Schritt kann eine Oberflächenmontage (SMD-Montage) eines Permanentmagneten 130-2 auf der Leiterplatte 110 stattfinden. Diese Oberflächenmontage des Permanentmagneten 130-2 kann auf eine der im Vorhergehenden beschriebenen Weisen erfolgen, also beispielsweise vermittels Löten, Kleben, Schnappverbindung oder Vergraben in einer Ausnehmung der Leiterplatte. Weiterhin kann bei dem Herstellungsverfahren ein SMD-Magnetfeldsensor 130-1 und gegebenenfalls weitere SMD-Bauteile 130-3 mit den Leiterbahnen 120 der Leiterplatte verbunden werden.
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Wie es in der 7A schematisch angedeutet ist, kann bei der Oberflächenmontage des Permanentmagneten 130-2 die Leiterplatte 110 auf einem weichmagnetischen Material 650 platziert werden. Dabei kann es sich beispielsweise um eine weichmagnetische Stahl-Platte 650 handeln. Während der Oberflächenmontage des Permanentmagneten 130-2 kann die weichmagnetische Platte 650 beim Positionieren bzw. Fixieren des Permanentmagneten 130-2 auf der Leiterplatte 110 behilflich sein und ein Verrutschen des Permanentmagneten 130-2 während der Oberflächenmontage verhindern. Nachdem der Permanentmagnet 130-2 auf seiner Unterseite beispielsweise mittels der Leiterplatte 110 verlötet oder verklebt wurde, kann die weichmagnetische Platte 650 wieder entfernt werden (siehe 7B). Daraufhin können weitere SMD-Bauteile 130-1, 130-3 mit den Leiterbahnen 120 der Leiterplatte 110 verlötet werden.
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Während in den vorhergehenden Abschnitten der vorliegenden Offenbarung Magnetfeldsensor 130-1 und Permanentmagnet 130-2 im Wesentlichen als zwei SMD-Bauteile auf einer Leiterplatte angebracht wurden, sieht ein weiterer Aspekt der vorliegenden Offenbarung vor, beide Komponenten in einem einzigen SMD-Bauteil zu vereinen. Es wird also auch ein SMD-Bauteil vorgeschlagen, dass einen Permanentmagneten 130-2 und einen Magnetfeldsensor 130-1 umfasst. Somit können also mit einem einzigen SMD-Montageprozess für ein SMD-Bauteil beide Komponenten mit der Leiterplatte verbunden werden. Dazu zeigen die 8A-K verschiedene Ausführungsbeispiele des vorgeschlagenen SMD-Bauteils.
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Die 8A-E zeigen Ausführungsbeispiele eines SMD Bauteils, bei denen der Magnetfeldsensor 130-1 von einem SMD Gehäuse 710 umgeben ist und der Permanentmagnet 130-2 auf einer Außenseite des SMD-Gehäuses 710 angeordnet ist. Die in 8A gezeigte Ausführungsform umfasst ein SMD-Bauteil mit zweiseitigen Löt-Anschlüssen, um den Magnetsensor 130-1 mit der Leiterplatte zu verbinden. Auf einer Oberseite des SMD-Gehäuses 710, welches den Magnetsensor 130-1 umgibt, befindet sich der Permanentmagnet 130-2. Dieser kann mit der Oberseite des SMD-Gehäuses 710 beispielsweise verklebt sein. Die 8B zeigt ein ähnliches SMD-Bauteil, welches sich von dem der 8A dadurch unterscheidet, dass die Lötanschlüsse 132 des SMD-Bauteils lediglich einseitig vorgesehen sind. Auch hier befindet sich der Permanentmagnet 130-2 in einer Huckepack-Position auf der Oberseite des SMD-Gehäuses 710. Der Permanentmagnet 130-2 ist hier breiter als die Oberseite des SMD-Gehäuses ausgebildet. Die 8C zeigt ein SMD-Bauteil, bei dem sich der Permanentmagnet 130-2 ebenfalls auf einer Oberseite des SMD-Gehäuses 710 des Magnetfeldsensors 130-1 befindet. Im Gegensatz zu den Ausführungsbeispiel der 8A und B ist hier der Permanentmagnet 130-2 schmaler als die Oberseite des SMD-Gehäuses 710. Ferner weist das SMD Gehäuse 710 zur besseren mechanischen Fixierung des Permanentmagneten 130-2 eine Ausnehmung 712 auf der Oberseite auf, um einen unteren Teil des Permanentmagneten 130-2 darin aufzunehmen.
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Während die in den 8A bis 8C gezeigten Ausführungsbeispiele den Permanentmagneten 130-2 auf einer Oberseite des SMD-Gehäuses 710 zeigen, zeigen die 8D und 8E mögliche Ausführungsbeispiele, bei denen der Permanentmagnet 130-2 auf einer Unterseite des SMD-Gehäuses angeordnet ist. In der in 8D gezeigten Ausführungsformen ist der Permanentmagnet 130-2 flächig auf der Unterseite des Gehäuses 710 angebracht, beispielsweise durch Verklebung. In dem in 8E gezeigten Ausführungsbeispiel ist auf der Unterseite des Gehäuses 710 eine an die Größe des Permanentmagneten 130-2 angepasste Ausnehmung 712 vorgesehen, in welcher der Permanentmagnet 130-2 aufgenommen werden kann. Dadurch kann der Permanentmagnet 130-2 zum Beispiel besser vor Umwelteinflüssen geschützt werden.
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Während anhand der 8A bis 8E Ausführungsbeispiele des SMD-Bauteils beschrieben wurden, bei denen der Magnetfeldsensor 130-1 im SMD-Gehäuse angeordnet ist und der Permanentmagnet 130-2 auf einer Außenseite des SMD-Gehäuses angeordnet ist, zeigen die 8F bis 81 Ausführungsbeispiele, bei denen sowohl der Magnetfeldsensor 130-1 als auch der Permanentmagnet 130-2 von einem gemeinsamen SMD-Gehäuse 710 umgeben sind. Gemäß der Ausführungsform der 8F kann der Permanentmagnet 130-2 auf einer Oberseite des Magnetsensors 130-1 innerhalb des SMD-Gehäuses 710 angeordnet sein. Bei der in 8G gezeigten Variante ist der Magnetsensor 130-1 auf einer Oberseite eines Leadframes 720 innerhalb des SMD-Gehäuses 710 angeordnet, wohingegen der Permanentmagnet 130-2 auf einer Unterseite des Leadframes 720 angeordnet ist. Beide Komponenten, d. h. Magnetsensor 130-1 und Permanentmagnet 130-2 befinden sich wiederum innerhalb eines gemeinsamen SMD-Gehäuses 710. Bei dem in 8H gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Permanentmagnet 130-2 auf einer Oberseite des Leadframes 720 angebracht. Auf einer Oberseite des Permanentmagneten 130-2 befindet sich der Magnetsensor 130-1. Auf dessen Oberseite wiederum befinden sich Anschlüsse, welche mit den Anschlüssen 132 des SMD-Gehäuses 720 verbunden sind.
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Neben den bisher beschriebenen vertikalen Stapelanordnungen aus Magnetfeldsensor 130-1 und Permanentmagnet 130-2 sind selbstverständlich auch lateral nebeneinanderliegende Anordnungen möglich. Ein Beispiel dazu zeigt die 81. Hier befinden sich lateral nebeneinander in einem gemeinsamen SMD-Package 710 ein Magnetsensor 130-1 und ein Permanentmagnet 130-2. Beide sind lateral nebeneinander auf einem gemeinsamen Leadframe 720 angeordnet. Elektrische Anschlüsse des Magnetsensor 130-1 sind mit den elektrischen Anschlüssen des SMD-Package 710 verbunden.
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Die 8J zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem neben einem Magnetsensor 130-1 mehrere verschiedene Permanentmagnete 130-2', 130-2" in einem gemeinsamen Package 710 angeordnet sind. Die unterschiedlichen Permanentmagnete 130-2', 130-2" können aus unterschiedlichen Materialien gefertigt sein bzw. unterschiedliche magnetische Eigenschaften aufweisen.
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Neben den bisher gezeigten SMD-Gehäusen, welche Lötanschlüsse an einer oder zwei Seiten des Gehäuses 710 aufweisen, können natürlich auch SMD-Gehäuse mit Lötanschlüssen an vier Seiten des Gehäuses oder Lötanschlüssen an der Unterseite des Gehäuses 710 vorgesehen werden. Ein derartiges Ausführungsbeispiel ist in der 8K gezeigt, bei dem Lötanschlüsse an der Unterseite des SMD-Gehäuses 710 vorgesehen sind.
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Weiter zeigt die 9 in perspektivischer Darstellung unterschiedliche Varianten von SMD-Bauteilen, bei denen ein oder mehrere Permanentmagnete auf einer Außenseite des SMD-Gehäuses angeordnet sind. 9A zeigt ein SMD-Bauteil, bei dem sich ein Permanentmagnet 130-2 auf einer Unterseite des Gehäuses 710 befindet. Dabei ist der Permanentmagnet 130-2 in eine dazu passende Ausnehmung eingelassen. Bei der Variante gemäß 9B sind auf der Unterseite des Gehäuses 710 zwei Permanentmagnete 130-2', 130-2" benachbart zueinander vorgesehen. Jeder der Permanentmagnete 130-2', 130-2" ist dazu in eine entsprechende Ausnehmung eingelassen. Die Variante der 9C zeigt einen Permanentmagneten 130-2 auf einer Unterseite eines SMD-Gehäuses 710, wobei sich der Permanentmagnet 130-2 über eine Länge des SMD-Gehäuses hinaus erstreckt. Der Permanentmagnet 130-2 ist hier also länger als das Gehäuse 710. Die beiden Ausführungsbeispiele der 9D und 9E zeigen Varianten, in denen sich der Permanentmagnet 130-2 jeweils auf einer Oberseite des SMD-Gehäuses 710 befindet. Bei dem Ausführungsbeispiel der 9D ist der Permanentmagnet 130-2 in eine dafür vorgesehene Ausnehmung auf der Oberseite des Gehäuses 710 eingelassen. Der Permanentmagnet 130-2 erstreckt sich hier beispielhaft über eine Länge des Gehäuses 710 hinaus, ist also länger als das Gehäuse 710. Bei der Variante der 9E ist ein Permanentmagnet 130-2 auf eine Oberfläche des Gehäuses 710 angebracht, zum Beispiel durch Verklebung. Der hier gezeigte Permanentmagnet 130-2 ist ungefähr genauso lang wie das Gehäuse 710, allerdings etwas breiter.
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Dem Fachmann wird einleuchten, dass die hier lediglich beispielhaft gezeigten Ausführungsformen nur zur Veranschaulichung des erfindungsgemäßen Prinzips dienen und nur einen kleinen Überblick über mögliche Ausgestaltungen geben können. Eine Vielzahl weiterer Ausführungsformen ist denkbar.
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Die vorliegende Offenbarung schlägt die Kombination von Magnetsensoren und Permanentmagneten auf gedruckten Leiterplatten vor. Eine Vielzahl von Geometrien ist möglich, bei denen der Permanentmagneten hinter, über oder unter dem Sensor-IC angebracht wird. Mit Hilfe von speziellen Metallbeschichtungen kann der Magnet in einem Standard-SMD-Prozess lötbar gemacht werden. Bei Verwendung von leitendem Magnetmaterial kann eine vorherige Isolationsbeschichtung verwendet werden (z.B. Epoxid). Eine selektive Metallbeschichtung des Magneten über dem Sensor für uns vorgeschlagen. Der Magnet kann mit Standard-Pick & Place-Techniken auf Leiterplatten montiert werden.
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Ausführungsbeispiele des vorgeschlagenen SMD-Bauelements sind eine Kombination eines oberflächenmontierbaren Sensorgehäuses (z. B. bekannt als SOT-, TSOP-, QFN- oder ähnliche Gehäusefamilien) mit einem Permanentmagneten. Der endgültige Sensor enthält den Magneten und bildet das neue oberflächenmontierbare Bauelement (SMD). Es gibt verschiedene Optionen, um dies zu erreichen:
- 1. Befestigen (z. B. Kleben) des Permanentmagneten an der Ober- oder Unterseite eines fertigen Standard-SMD-Sensorgehäuses.
- 2. Wie 1., aber statt einer standardisierten Geometrie kann eine produktspezifische Geometrie verwendet werden: Der Formkörper ist so geformt, dass er den Magneten hält. Hohlräume oder andere Strukturen dienen als Positionierungsmerkmale für die Magnetbefestigung. Somit können erweiterte Toleranzen (Magnet zu Sensor) erreicht werden - dies kann wichtig für fortschrittliche Technologien sein, wie TMR oder GMR. Darüber hinaus kann der Luftspalt (oder die Formdicke, die sich in magnetischer Hinsicht wie ein Luftspalt verhält) zwischen Sensor und Magnet weiter reduziert werden. Dies kann zu einer verbesserten Empfindlichkeit führen.
- 3. Der Magnet kann vor dem Verkapseln (Gießen) in das Gehäuse eingebaut werden - typischerweise nach dem Die-/Drahtbonden. Optionen: Stapelung auf dem Chip, Montage zwischen Chip und Leadframe, Montage auf der Unterseite des Leadframes oder Side-by-Side-Montage. Somit kann eine weitere Reduzierung des Luftspaltes Chip-Magnet erreicht werden.
- 4. Montage von mehr als einem magnetischen Teil: Bestimmte Sensoren erfordern eine spezielle Auslegung der Magnetfeldverteilung. Dies kann z.B. durch die Verwendung von mehr als einem Magneten oder durch die Verwendung verschiedener Magnete mit unterschiedlichen Geometrien und/oder magnetischen Eigenschaften erreicht werden. Beispiel: Einer der Magnete kann ein Dauermagnet und der andere ein Flussleitteil sein (dies ist ein Metall mit ferromagnetischen Eigenschaften, einer sehr hohen magnetischen Permeabilität und einem sehr niedrigen Koerzitivfeld. Es zieht die Magnetfeldlinien an und modifiziert so die lokale Magnetfeldverteilung. Bestimmte Geometrien können das Magnetfeld auch lokal verstärken. In diesen Anwendungen wird ein solches Teil manchmal als „Flusskonzentrator“ bezeichnet).
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Erstens ermöglicht der Verzicht auf lange Leitungen eine höhere Dichte der Bauelemente auf den Leadframes und damit einen höheren Durchsatz und eine höhere Parallelität bei der Herstellung. Ferner ermöglicht der Einsatz von Standard-SMT-Prozessen spezielle Montageprozesse wie Schweißen, Crimpen oder Laserlöten zu gestalten. Ein kompliziertes Metallgitter kann durch eine kostengünstige Leiterplatte ersetzt werden. Diese Leiterplatte bietet zudem mehr Integrationsmöglichkeiten auf Systemebene.
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Die Aspekte und Merkmale, die zusammen mit einem oder mehreren der vorher detaillierten Beispiele und Figuren beschrieben sind, können auch mit einem oder mehreren der anderen Beispiele kombiniert werden, um ein gleiches Merkmal des anderen Beispiels zu ersetzen oder um das Merkmal in das andere Beispiel zusätzlich einzuführen.
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Durch die Beschreibung und Zeichnungen werden nur die Grundsätze der Offenbarung dargestellt. Weiterhin sollen alle hier aufgeführten Beispiele grundsätzlich ausdrücklich nur illustrativen Zwecken dienen, um den Leser beim Verständnis der Grundsätze der Offenbarung und der durch den (die) Erfinder beigetragenen Konzepte zur Weiterentwicklung der Technik zu unterstützen. Alle hiesigen Aussagen über Grundsätze, Aspekte und Beispiele der Offenbarung sowie konkrete Beispiele derselben umfassen deren Entsprechungen.
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Ein Blockdiagramm kann zum Beispiel ein grobes Schaltdiagramm darstellen, das die Grundsätze der Offenbarung implementiert. Auf ähnliche Weise können ein Flussdiagramm, ein Ablaufdiagramm, ein Zustandsübergangsdiagramm, ein Pseudocode und dergleichen verschiedene Prozesse, Operationen oder Schritte repräsentieren, die zum Beispiel im Wesentlichen in computerlesbarem Medium dargestellt und so durch einen Computer oder Prozessor ausgeführt werden, ungeachtet dessen, ob ein solcher Computer oder Prozessor explizit gezeigt ist. In der Beschreibung oder in den Patentansprüchen offenbarte Verfahren können durch ein Bauelement implementiert werden, das ein Mittel zum Ausführen eines jeden der jeweiligen Schritte dieser Verfahren aufweist.
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Es versteht sich, dass die Offenbarung mehrerer, in der Beschreibung oder den Ansprüchen offenbarter Schritte, Prozesse, Operationen oder Funktionen nicht als in der bestimmten Reihenfolge befindlich ausgelegt werden soll, sofern dies nicht explizit oder implizit anderweitig, z. B. aus technischen Gründen, angegeben ist. Daher werden diese durch die Offenbarung von mehreren Schritten oder Funktionen nicht auf eine bestimmte Reihenfolge begrenzt, es sei denn, dass diese Schritte oder Funktionen aus technischen Gründen nicht austauschbar sind. Ferner kann bei einigen Beispielen ein einzelner Schritt, Funktion, Prozess oder Operation mehrere Teilschritte, -funktionen, -prozesse oder -operationen einschließen und/oder in dieselben aufgebrochen werden. Solche Teilschritte können eingeschlossen sein und Teil der Offenbarung dieses Einzelschritts sein, sofern sie nicht explizit ausgeschlossen sind.
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Weiterhin sind die folgenden Ansprüche hiermit in die detaillierte Beschreibung aufgenommen, wo jeder Anspruch als getrenntes Beispiel für sich stehen kann. Während jeder Anspruch als getrenntes Beispiel für sich stehen kann, ist zu beachten, dass - obwohl ein abhängiger Anspruch sich in den Ansprüchen auf eine bestimmte Kombination mit einem oder mehreren anderen Ansprüchen beziehen kann - andere Beispiele auch eine Kombination des abhängigen Anspruchs mit dem Gegenstand jedes anderen abhängigen oder unabhängigen Anspruchs umfassen können. Solche Kombinationen werden hier explizit vorgeschlagen, sofern nicht angegeben ist, dass eine bestimmte Kombination nicht beabsichtigt ist. Ferner sollen auch Merkmale eines Anspruchs für jeden anderen unabhängigen Anspruch eingeschlossen sein, selbst wenn dieser Anspruch nicht direkt abhängig von dem unabhängigen Anspruch gemacht ist.
