"Feldmesseinrichtung, Messbaugruppe für eine Feldmesseinrichtung und Herstellungsmethode für eine Mehrzahl von Messbaugruppen"

Die Erfindung betrifft eine Feldmesseinrichtung mit einer Messbaugruppe, die mit einer Basisplatte verbunden ist, eine Messbaugruppe für eine Feldmesseinrichtung und eine Herstellungsmethode für eine Mehrzahl von Messbaugruppen.

Insbesondere betrifft die Erfindung eine Feldmesseinrichtung für magnetische und elektrische Felder, Strömungs- und Beschleunigungsfelder und nimmt die Priorität der deutschen Patentanmeldung 10 2005 023 591.3-33 in Anspruch, auf die inhaltlich Bezug genommen wird.

Aus DE 196 10 554 A1 ist eine Beschleunigungssensorbaugruppe bekannt, bei der drei ebene Siliziumchips, in deren Mittenbereich jeweils ein zum Chip einstückiger Drehbeschleunigungssensor angeordnet ist, der die Form einer Stimmgabel aufweist und durch mikromechanische Bearbeitung hergestellt wurde, jeweils im rechten Winkel zueinander angeordnet sind. Damit können die insgesamt drei Drehbeschleunigungssensoren das Beschleunigungsfeld in die drei orthogonalen Raumrichtungen X, Y und Z ermitteln. Die dort beschriebenen ebenen Siliziumchips weisen Vorsprünge und Vertiefungen an ihren Rändern auf, so daß die Siliziumchips randseitig verzahnend ineinander greifen, um eine dreidimensionale Feldmesseinrichtung zu schaffen, die in der Lage ist, Drehbewegungen um die rechtwinklig zueinander verlaufenden Achsen X, Y und Z zu erfassen.

Ferner ist es aus DE 196 10 554 bekannt, eine derartige Messbaugruppe einer Feldmesseinrichtung mit einem Sockelchip zu verbinden, der Leiterbahnen aufweist, welche in Kontakt mit den entsprechenden Leiterbahnen der jeweiligen

BESTATIGUNGSKOPIE

Siliziumchips treten, wobei diese Leiterbahnen über weitere Leiterbahnen in elektrischer Verbindung stehen mit den flachen Leiterbahnen am Rande des Sockelchips.

Nachteilig an einer derartigen Feldmesseinrichtung ist die für bestimmte Einsatzgebiete zu hohe Bauhöhe. Beispielsweise beim Einbau von Feldmesseinrichtungen für magnetische Felder in Mobiltelefone ist gefordert worden, daß eine Feldmesseinrichtung eine Basisplatte um nicht mehr als 0,9 mm überragt.

Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Feldmesseinrichtung mit einer Messbaugruppe, die mit einer Basisplatte verbunden ist, vorzuschlagen, die eine geringe Bauhöhe aufweist. Ferner soll eine einfach herzustellende Messbaugruppe für eine Feldmesseinrichtung und eine einfache Herstellungsmethode für eine Mehrzahl von Messbaugruppen vorgeschlagen werden.

Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der nebengeordneten Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung geht von dem Grundgedanken aus, bei einer Messgruppe, die mit einer Basisplatte verbunden ist, und bei der die Messbaugruppe einen ersten Feldsensor-Chip aufweist, der in einer ersten Ebene angeordnet ist, und einen zweiten Feldsensor-Chip aufweist, der in einer zweiten, zur ersten in einem Winkel 0° < α < 180° angeordneten Ebene angeordnet ist und bei der der erste Feldsensor- Chip oberhalb der Basisplatte angeordnet ist, den zweiten Feldsensor-Chip zwischen dem ersten Feldsensor und der Basisplatte anzuordnen. Bei der Montage von Messbaugruppen auf Basisplatten ist häufig ohnehin ein Zwischenraum zwischen der Basisplatte und einem ersten Feldsensor-Chip vorhanden. Dieser Zwischenraum entsteht beispielsweise durch die Art der Verbindung, mit der beispielsweise der erste Feldsensor-Chip, beispielsweise eine den Messsensor tragende Träger-Platte, mit der Basisplatte verbunden werden. Da der zweite Feldsensor-Chip in einem Winkel 0° < α < 180° zu dem ersten Feldsensor-Chip angeordnet ist, steht das entfernteste Ende des zweiten Feldsensor-Chips um eine Bauhöhe h von dem ersten Feldsensor-Chip ab. Wird die Messbaugruppe, wie beispielsweise aus DE 196 10 554 A1 bekannt, so mit der Basisplatte verbunden, daß der zweite Feldsensor-Chip vom ersten Feldsensor-Chip in Richtung von der

Basisplatte fort absteht, so entsteht eine Bauhöhe, die als Komponenten den möglicherweise gegebenen Abstand zwischen dem ersten Feldsensor-Chip und der Basisplatte und die Bauhöhe h hat.

Wird erfindungsgemäß der zweite Feldsensor-Chip zwischen dem ersten Feldsensor-Chip und der Basisplatte angeordnet, so ist die Bauhöhe h der Gesamtbauhöhe nicht mehr zuzurechnen, da sie Teil des gegebenen Abstands zwischen der Basisplatte und dem ersten Feldsensor-Chip ist.

Dabei ist es für die mechanische Stabilität von Vorteil wenn in einer bevorzugten Ausführungsform ein Teil des zweiten Feldsensor-Chips in einer Vertiefung des ersten Feldsensor-Chips eingeführt wird. Diese Vertiefungen können durch Verfahren, wie sie in der Mikrosystemtechnologie üblich sind, wie beispielsweise ätzen, Sägen, Fräsen, Bohren oder Stanzen, erstellt werden. Auf diese Weise kann der Abstand zwischen der Basisplatte und dem ersten Feldsensor-Chip optimal ausgenutzt werden. Gegebenfalls sind die so erzeugten Vertiefungen mit Verfahren, wie sie in der Mikrosystemtechnologie üblich sind, zu behandeln um elektrische, mechanische oder andere Eigenschaften zu verändern.

Als Feldsensor-Chips im Sinne der Erfindung werden insbesondere Bauelemente mit Sensoren verstanden, die einen Hall-Effekt (oder einen dem Hall-Sensor verwandten Sensor, wie milled FIB Hall-Sensoren, nano und micro Hall-Sensoren), einen magnetoresistiven, insbesondere anisotropen-, gigantischen oder Tunnel- Effekt oder einen Giant Magnetoimpedance-Effekt zeigen, aber auch Beschleunigungs-, Strömungs- und elektrische Feldsensoren. Dabei kann als Teil des Feldsensor-Chips eine Träger-Platte vorgesehen sein, die den Sensor trägt bzw. in der der Sensor ausgebildet ist, so wie beispielsweise DE 196 10 554 A1 die in den ebenen Siliziumchips ausgebildeten Drehbeschleunigungssensoren darstellt. Vorzugsweise weist der Feldsensor-Chip einen Sensor für ein Magnetfeld auf, der von einer Silizium-Platte als Träger-Platte getragen wird. Als Träger-Platten können im Sinne der Erfindung auch Keramik-Platten Metall-Platten, Glas-Platten oder kristalline Platten oder Einkristalle verwendet werden.

Als Teil der Messbaugruppe kann auch ein dritter Feldsensor-Chip vorgesehen sein, mit dem auf einfache Weise eine weitere Feldkomponente bestimmt werden kann.

Alternativ ist vorzugsweise ein weiterer Sensor in der ersten Ebene angeordnet.

Vorzugsweise sind der erste Feldsensor-Chip und der dritte Feldsensor-Chip bzw. die beiden Sensoren des ersten Feldsensor-Chips derart angeordnet, daß ihre jeweiligen Erfassungsrichtungen der von ihnen erfassten Feldkomponenten senkrecht zueinander stehen. Der dritte Feldsensor-Chip kann als separate Komponente der Messbaugruppe, beispielsweise in einer dritten Ebene angeordnet sein.

Die Messgruppe ist mit einer Basisplatte verbunden. Diese Basisplatte ist insbesondere ein Leiterplatte (PCB) oder eine weitere Silizium-, Glas-, Metall-, oder Kristallplatte, die leitende Verbindungen oder Strukturen, die elektrisch leitend sind, aufweist.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist der erste Feldsensor-Chip über Abstandshalter mit der Basisplatte verbunden. Diese Abstandshalter können einstückig mit der Basisplatte oder mit dem Feldsensor-Chip oder teilweise einstückig mit dem ersten Feldsensor-Chip und teilweise einstückig mit der Basisplatte ausgebildet sein. Insbesondere können derartige Abstandshalter mit allen gängigen Metallisierungverfahren wie lonenstrahlverdampfen, Sputtern, Physical Vapour Deposition (PVD) oder galvanischem Elektroplating aufgebracht und ggf. mittels ätzen strukturiert werden. Auf diese Weise können die Abstandshalter einstückig mit dem Feldsensor-Chip und/oder der Basisplatte hergestellt werden.

Alternativ kann in der Basisplatte eine Ausnehmung ausgebildet sein, die Teile eines von dem ersten Feldsensor-Chip abstehenden zweiten Feldsensor-Chips aufnimmt, um eine besonders niedrige Bauhöhe zu bewirken.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist der erste Feldsensor-Chip über Solder- Balls mit der Basisplatte verbunden. In einer Mehrzahl von Anwendungsfällen werden von den Sensoren der Feldsensor-Chips aufgenommene Signale über Leitungen übertragen, die mit Leitungen auf der Basisplatte verbunden werden. Hierzu eignet sich besonders die Solder-Ball-Technologie, die aus der Halbleitertechnik und Mikrosystemtechnologie gut bekannt ist. Insbesondere bevorzugt werden die Solder-Balls mit einem Durchmesser erstellt, der größer h ist.

Es können jedoch auch andere Technologien eingesetzt werden, um elektrische Leitungen der Feldsensor-Chips mit elektrischen Leitungen auf der Basisplatte zu verbinden. Hier können insbesondere auch die in den Fig. 6, 7, 8, 9a, 9b, 10a, 10b, 11a, 11b, 11c vorgeschlagenen Verbindungsmethoden eingesetzt werden.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist die zweite Ebene in einem Winkel von 90° zur ersten Ebene angeordnet. Auf diese Weise können der erste Feldsensor-Chip und der zweite Feldsensor-Chip auf einfache Weise zur Ermittlung zweier orthogonaler Feldkomponenten eingesetzt werden. Ist der Winkel α ungleich 90°, so kann aus dem Signal des zweiten Feldsensor-Chips zwar auch das zum vom ersten Feldsensor-Chip aufgenommene Feldsignal orthogonale Feldsignal mittels Rechenmethoden ermittelt werden. Diese können jedoch aufwendig sein, so daß zur raschen Feldmessung ein Winkel von 90° bevorzugt wird.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist die erste Ebene im wesentlichen parallel zur Basisplatte angeordnet. Hierdurch wird eine besonders flache Bauhöhe erreicht.

Die erfindungsgemäße Messbaugruppe für eine Feldmesseinrichtung, insbesondere für eine zuvor beschriebene Feldmesseinrichtung weist einen ersten Feldsensor- Chip, der in einer ersten Ebene angeordnet ist, eine erste Träger-Platte aufweist und einen oder mehrere Feldsensoren, beispielsweise der vorgenannten Art, aufweist, und einen zweiten Feldsensor-Chip, der in einer zweiten, zur ersten in einem Winkel angeordneten Ebene angeordnet ist, eine zweite Träger-Platte aufweist, auf, wobei die erste Träger-Platte an die zweite Träger-Platte angrenzt.

Indem die Träger-Platten der Feldsensor-Chips unmittelbar aneinander grenzen und nicht wie bei Ausführungen des Standes der Technik zunächst mit weiteren, gegebenenfalls zu den Träger-Platten der Feldsensor-Chips selbst hinzu kommenden Träger-Platten verbunden werden, um dann über die Träger-Platten miteinander verbunden zu werden, wird wiederum eine geringe Bauhöhe erreicht, da der durch die Träger-Platten eingenommene Raum eingespart wird. Von einem Aneinandergrenzen der Träger-Platten, beispielsweise den Halbleiter-Platten, bei derartigen Feldsensor-Chips war in der Vergangenheit abgesehen worden, da die Handhabung der einige Hundert μm großen Chips nicht als wirtschaftlich realisierbar angesehen wurde. Aufgrund der nachstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Herstellungsmethode ist es jedoch nun möglich, derartige Messbaugruppen

kostengünstig herzustellen, so daß solche Messbaugruppen nun auch vorgeschlagen werden können.

Eine weitere erfindungsgemäße Messbaugruppe für eine Feldmesseinrichtung, insbesondere für eine zuvor beschriebene Feldmesseinrichtung, weist ergänzend oder alternativ einen ersten Feldsensor-Chip, der in einer ersten Ebene angeordnet ist und eine erste Träger-Platte aufweist und einen zweiten Feldsensor-Chip, der in einer zweiten, zur ersten in einem Winkel angeordneten Ebene angeordnet ist und eine zweite Träger-Platte aufweist, auf, wobei die erste Träger-Platte an die zweite Träger-Platte mittels Bonden verbunden ist. So läßt sich auf einfache Weise eine besonders stabile Verbindung zwischen den Träger-Platten herstellen, insbesondere wenn diese als Halbleiter-Platten ausgebildet sind. Es ist jedoch auch ohne weiteres möglich, die Träger-Platten mittels SoI-GeI Verfahren, Kleben mit Polymeren, leitfähigen Klebern, mechanische Klemmen oder einfach durch Lotverbindungen zu verbinden.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird eine erste elektrische Leitung auf der ersten Träger-Platte über einen Lot- oder Klebekontakt mit einer zweiten elektrischen Leitung auf der zweiten Träger-Platte verbunden. Zur Vereinfachung der Verdrahtung ist es zweckmäßig, elektrische Leitungen des zweiten Feldsensor- Chips über den ersten Feldsensor-Chip mit weiterführenden Leitungen zu verbinden. Eine besonders gute Verbindung zwischen elektrischen Leitungen des zweiten Feldsensor-Chips und den elektrischen Leitungen des ersten Feldsensor- Chips lassen sich mit bekannten Lottechnologien bereitstellen. Alternativ können beispielsweise die in DE 196 10 554 A1 in den Fig. 6 bis 11c gezeigten Verbindungsmethoden eingesetzt werden.

Die erfindungsgemäße Herstellungsmethode für eine Mehrzahl von erfindungsgemäßen Messbaugruppen sieht vor,

eine Mehrzahl erster Feldsensor-Chips und ihre ersten Träger-Platten in einer ersten Reihe nebeneinander angeordnet als Teil eines ersten Wafers herzustellen,

eine Mehrzahl zweiter Feldsensor-Chips und ihre zweiten Träger-Platten in einer zweiten Reihe nebeneinander angeordnet als Teil eines zweiten Wafers herzustellen,

- zumindest die zweite Reihe aus dem zweiten Wafer herauszutrennen,

die zweite Reihe in dem Winkel zu der ersten Reihe anzuordnen und

die zweite Reihe mit der ersten Reihe zu verbinden.

Die erfindungsgemäße Herstellungsmethode sieht vor, nicht den einzelnen Feldsensor-Chip zu handhaben, sondern eine zusammenhängende Reihe von Feldsensor-Chips zu handhaben. Eine solche Reihe ist naturgemäß größer als der einzelne Feldsensor-Chip, so daß eine leichte Handhabung, wie beispielsweise ein Ergreifen, gut möglich ist.

Dabei kann die im Winkel zur ersten Reihe anzuordnende zweite Reihe eine vollständig heraus getrennte Reihe sein, oder aber ein Waferstück (Quad). Ebenso kann die erste Reihe, zu der die zweite Reihe in einem Winkel angeordnet wird, eine vollständig heraus getrennte Reihe, ein Waferstück (Quad) oder aber ein Wafer sein. Bei all diesen Einheiten wird der Vorteil der Erfindung erreicht, daß anstelle des schlecht zu handhabenden Feldsensor-Chips eine größere Einheit gehandhabt wird.

In einer bevorzugten Ausführungsform werden die ersten Träger-Platten mit den zweiten Träger-Platten mittels Bonden verbunden.

Die erfindungsgemäße Feldmesseinrichtung wird vorzugsweise für das Messen von Magnetfeldern, elektrischen Feldern, Strömungs- und Beschleunigungsfeldern eingesetzt.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer lediglich Ausführungsbeispiele darstellenden Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen

Fig. 1 die erfindungsgemäße Feldmesseinrichtung in einer schematischen Seitenansicht,

Fig. 2 eine erfindungsgemäße Messbaugruppe in einer perspektivischen Ansicht,

Fig. 3 Verbindungsmöglichkeiten des ersten Feldsensor-Chips einer erfin- dungsgemäßen Messbaugruppe mit einem zweiten Feldsensor-Chip in einer schematischen Seitenansicht und

Fig. 4 Verbindungsmöglichkeiten für elektrische Leitungen auf der ersten Halbleiter-Platte mit elektrischen Leitungen auf der zweiten Halbleiter-Platte einer erfindungsgemäßen Messbaugruppe in einer schematischen

Seitenansicht ,

Fig. 5 die Einzelschritte eines Herstellungsprozesses für eine Mehrzahl von Messbaugruppen.

Fig. 1 zeigt die erfindungsgemäße Feldmesseinrichtung mit einer Messbaugruppe 1 und einer Basisplatte 2. Die Messbaugruppe 1 weist einen ersten Feldsensor-Chip 3 auf, der in einer ersten, zur Basisplatte 2 parallelen Ebene A angeordnet ist. Ferner weist die Messbaugruppe 1 einen zweiten Feldsensor-Chip 4 auf, der in einer zweiten Ebene B angeordnet ist, die in einem Winkel α gleich 90° zur ersten Ebene A angeordnet ist.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich, ist der zweite Feldsensor-Chip 4 zwischen dem ersten Feldsensor-Chip 3 und der Basisplatte angeordnet.

Der erste Feldsensor-Chip 3 ist über Lot- oder Klebekontakte 5 mit der Basisplatte 2 verbunden. Nicht dargestellte erste Leitungen des ersten Feldsensor-Chips 3 sind über einen Solder-Ball 6 mit nicht dargestellten zweiten elektrischen Leitungen des zweiten Feldsensor-Chips 4 verbunden.

Wie aus Fig. 2 ersichtlich, weist der erste Feldsensor-Chip 3 eine erste Halbleiter- Platte 10 auf. Der zweite Feldsensor-Chip 4 weist eine zweite Halbleiter-Platte 11 auf. Auf der ersten Halbleiter-Platte 10 sind zwei Messsensoren 12, 13 angeordnet. Wie in Fig. 2 durch Pfeile sichtbar gemacht, ist der Messsensor 12 im Vergleich zum Messsensor 13 derart ausgebildet, daß er eine Feldkomponente messen kann, die im rechten Winkel zu der vom Messsensor 13 erfassbaren Feldkomponente steht.

Auf der zweiten Halbleiter-Platte 11 ist ein Messsensor 14 vorgesehen. Wie ebenfalls durch einen Pfeil verdeutlicht, ist die von dem Messsensor 14 aufnehmbare Feldkomponente senkrecht zu den Feldkomponenten der Messsensoren 12, 13 ausgerichtet, so daß eine mit dieser Messbaugruppe 1 versehene Feldmesseinrichtung alle drei orthogonalen Komponenten eines dreidimensionalen Felds erfassen kann.

Fig. 2 zeigt ferner Leitungen 20 und Anschlüsse 21 mittels derer die Messsensoren 12, 13, 14 mit nicht dargestellten Anschlussleitungen verbunden werden können. Beispielsweise können die Anschlüsse 21 über die Lot- oder Klebekontakte 5 mit nicht dargestellten Leitungen auf der Basisplatte 2 (Fig. 1) verbunden werden.

Fig. 2 zeigt ebenfalls die Verbindung der Leitungen des zweiten Feldsensor-Chips 4 mit Leitungen des ersten Feldsensor-Chips 3 über Lot- oder Klebekontakte 6.

Wie aus Fig. 3 ersichtlich, kann der zweite Feldsensor-Chip 4 in verschiedener Weise mit dem ersten Feldsensor-Chip verbunden werden. Hierfür zeigt Fig. 3 beispielhaft das endseitige Aneinandersetzen der beiden Feldsensor-Chips (Fig. 3 (a)), das Einsetzen des zweiten Feldsensor-Chips 4 in einer in dem ersten Feldsensor-Chip 3 ausgebildeten Ausnehmung (Fig. 3 (b)), das Einsetzen des zweiten Feldsensor-Chips 4 in einer in dem ersten Feldsensor-Chip 3 ausgebildete schmale Nut (Fig. 3 (c)) , das Einsetzen des zweiten Feldsensor-Chips 4 in eine den ersten Feldsensor-Chip 3 vollständig durchgreifende Ausnehmung (Fig. 3 (d)) und das Aufsetzen des zweiten Feldsensor-Chips 4 auf den ersten Feldsensor-Chip 3 (Fig. 3(e)).

Fig. 4 zeigt beispielhaft zwei Verbindungsmöglichkeiten für Leitungen des ersten Feldsensor-Chips 3 mit Leitungen des zweiten Feldsensor-Chips 4, nämlich den Einsatz einer Solder-Ball Technologie (Fig. 4 (a)) und den Einsatz einer Verdrahtungstechnologie (Fig. 4 (b)).

Fig. 5a zeigt einen zweiten Wafer 30 mit einer Mehrzahl zweiter Feldsensor-Chips 4, die in einer zweiten Reihe nebeneinander angeordnet als Teil des zweiten Wavers 30 hergestellt wurden. Fig. 5b zeigt die Vereinzelung eines Waferstücks (Quad) 31

aus dem Wafer 30. Fig. 5c zeigt die Vereinzelung der zweiten Reihe zweiter Feldsensor-Chips in einer Reihe 32.

Fig. 5d zeigt einen ersten Wafer 33 mit einer Mehrzahl erster Feldsensor-Chips 3, die in einer ersten Reihe nebeneinander angeordnet als Teil des ersten Wavers hergestellt wurden. Die Reihe 32 aus der zweiten Reihe der zweiten Feldsensor- Chips wurde in einem Winkel zur ersten Reihe auf der Reihe angeordnet und wird mit der ersten Reihe verbunden. Anschließend kann eine Mehrzahl von Messbaugruppen erzeugt werden, indem der erste Wafer 33 zerteilt wird.

Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren sieht die Handhabung von Reihe von Feldsensor-Chips vor. Dadurch wird vermieden, daß der einzelne Feldsensor-Chip auf einen anderen einzelnen Feldsensor-Chip gesetzt werden muß, was aufgrund der geringen Abmaße der Feldsensor-Chips wirtschaftlich nicht möglich ist.