電流傳感器的制造方法
【專利摘要】本發明涉及電流傳感器，其包括：塑料的殼體(7)；電流導體(3)，其具有一體地成形的第一電端子和第二電端子(4,5)，通過所述第一電端子和第二電端子供應并排出要測量的電流；第三電端子(6)；以及半導體芯片(1)，其具有至少一個磁場傳感器(2)，所述磁場傳感器對于由流過電流導體(3)的電流產生的磁場的與半導體芯片(1)的表面垂直的分量敏感。第一電端子和第二電端子(4,5)被設置在殼體(7)的第一側，第三電端子(6)被設置在殼體(7)的與第一側相對的一側。半導體芯片(1)作為倒裝芯片被安裝。半導體芯片(1)包括與第三端子(6)進行電連接的第一凸塊(8)和位于電流導體(3)之上且通過隔離層(10)與半導體芯片(1)電分離的第二凸塊(9)。
【專利說明】電流傳感器【技術領域】
[0001 ] 本發明涉及一種電流傳感器，尤其涉及一種在IC殼體(IC=集成電路)中封裝的電流傳感器，在該電流傳感器中，電流導體引導通過殼體。
【背景技術】
[0002]電流導體以很多配置和變型可用。例如，從EP1443332、W02005026749、W02006130393和DE102009054892已知檢測由電流產生的磁場的電流傳感器，其被封裝在傳統的IC殼體中，并且其中，要測量的電流流過的電流導體被引導通過殼體。這種電流傳感器包含被設置為引線框架的一部分的電流導體和安裝在引線框架上的半導體芯片，引線框架用于安裝和產生電端子，并且，該半導體芯片包括至少一個磁場傳感器和其操作所需的且用于其輸出信號的處理的電子器件。
[0003]由于引導通過殼體的電流導體具有相對較小的橫截面并在磁場傳感器的區域中包括甚至進一步減少的橫截面以便增大此處的電流密度并從而局域地增大磁場，所以由電流導體中的功率耗散而產生的熱導致加熱電流傳感器，這產生磁場傳感器的不期望的漂移波動。在半導體芯片中集成的電流導體和電子器件需要相互電絕緣，其中，安裝需要預定的介電強度，其通常為2至4kV。
【發明內容】
[0004]本發明是基于開發一種用于相對較高的額度電流和較高的介電強度的電流傳感器的目的，該電流傳感器需要小量的空間并可以以低成本制造。
[0005]根據本發明的電流傳感器包括:
[0006]塑料的殼體；
[0007]電流導體，具有一體地成形的第一電端子和第二電端子，通過所述第一電端子和第二電端子供應并排出要測量的電流；
[0008]第三電端子；
[0009]具有有效表面的半導體芯片，具有至少一個磁場傳感器，所述磁場傳感器對于由流過電流導體的電流產生的磁場的與半導體芯片的有效表面垂直的分量敏感，
[0010]其中，第一電端子和第二電端子被設置在殼體的第一側，第三電端子被設置在殼體的與第一側相對的一側，其中，半導體芯片的有效表面面對電流導體，并且，半導體芯片的電連接表面通過第一凸塊(bump)與第三電端子連接，其中，第二凸塊位于電流導體上或者在電流導體的突起上，并且其中，第二凸塊通過隔離層與半導體芯片電分離。
[0011]優選地，位于半導體芯片下方的第三電端子的末端基本上沿著一條線設置，并且，電流導體的相鄰邊緣與所述線 平行地延伸，從而所有的第三電端子以近似相同的距離遠離電流導體。
[0012]優選地，電流導體包括至少兩個突起，所述至少兩個突起延伸到殼體的邊緣并在此處露出。[0013]優選地，隔離層包括有機材料的層。有機材料可以是聚酰亞胺。
[0014]優選地，在半導體芯片的主體材料的表面和第二凸塊之間不存在用于產生電連接的導電結構。
[0015]電流導體可以在三側上完全被鐵磁層覆蓋并在邊界區域中在面對半導體芯片的第四側上被鐵磁層覆蓋。
[0016]半導體芯片可以在背側上被鐵磁層覆蓋。
[0017]殼體可以是QFN殼體，并且其中，僅電流傳感器的電端子在QFN殼體的下側處露出。
[0018]優選地，至少一個磁場傳感器包括被設置在電流導體的不同邊緣處的兩個磁場傳感器或者磁場傳感器的簇，從而由流過電流導體的電流產生的磁場在所述兩個磁場傳感器的位置處指向相反的方向。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0019]被合并在本說明書中并構成本說明書的一部分的附圖示出了本發明的一個或多個實施例，并且與詳細描述一起起到解釋本發明的原理和實施方式的作用。這些圖不是按比例繪制的。在附圖中:
[0020]圖1示出根據本發明的電流傳感器的第一實施例的俯視圖，以及
[0021]圖2示出具有凸塊的半導體芯片的截面圖；
[0022]圖3示出根據本發明的電流傳感器的第二實施例的俯視圖；
[0023]圖4和圖5示出根據本發明的電流傳感器的第三實施例的俯視圖和仰視圖；
[0024]圖6和圖7示出根據本發明的電流傳感器的進一步的實施例的俯視圖，以及
[0025]圖8和圖9示出根據本發明的電流傳感器的進一步的實施例的截面圖。
【具體實施方式】
[0026]圖1示出根據本發明的電流傳感器的俯視圖。電流傳感器包括具有至少一個磁場傳感器2以及用于至少一個磁場傳感器2的操作和對由至少一個磁場傳感器2供應的測量信號的處理的電子電路的半導體芯片I。電流傳感器還包括平坦的電流導體3，該電流導體3的末端被形成為一體地成形的第一電端子4和第二電端子5。電流導體還包括用于向電子電路供應電力并用于輸出信號的輸出的第三電端子6。其數量至少為3，并且，在本例子中，為4。電流導體3和半導體芯片I被封裝在IC殼體7中，其中，電端子4、5和6作為IC引線從殼體7 (例如，在S0IC-8或S0IC-16殼體的情況中)突出，或者在殼體7 (例如，在QFN殼體的情況中)的底側和/或側壁露出。電流導體3和電端子4、5和6是用于制造的所謂的引線框架的部分。電端子4和5被設置在殼體7的第一側，電端子6被設置在殼體7的與第一側相對的第二側。半導體芯片I被安裝為倒裝芯片，即，集成有至少一個磁場傳感器2和電子電路的其有效表面面對電流導體3，并且，所謂的第一凸塊8在半導體芯片I和電端子6之間產生電連接。第二凸塊9還被設置在電流導體3和半導體芯片I之間，所述第二凸塊在半導體芯片I和電流導體3之間沒有產生任何電連接，而通過隔離層與半導體芯片I分離，如圖2中詳細地示出的。隔離層可由例如鈍化層的單個不導電層構成，或者可由位于彼此之上的兩個或更多個不導電(即，電絕緣)層構成。[0027]電流導體3基本上為U形，其中，U由三個部分形成，所述三個部分即包括第一電端子4的第一部分、具有平行邊緣12的第二細長部分和包括第二電端子5的第三部分。在如圖1所示的根據本發明的電流傳感器的實施例中，電流導體3包括作為端子引線從殼體7突出的兩個第二電端子5和兩個第一電端子4。從殼體7突出的第一電端子4的端子引線的末端可在其部分上相互連接，即，它們可被形成為所謂的融合引線，從殼體7突出的第二電端子5的端子引線的末端也是如此。優選地，設置兩個磁場傳感器2或者磁場傳感器的簇，其被設置在電流導體3的邊緣12的區域中的中間部分的兩側。由于由流過電流導體3的電流產生的磁場在兩個磁場傳感器2的位置處指向相反的方向，所以兩個磁場傳感器2的輸出信號彼此相減(差分電路)。結果，可以消除均勻的外部干擾場的影響。每一個磁場傳感器優選地為霍爾元件或霍爾元件的簇。
[0028]第一凸塊8和第二凸塊9被施加到半導體芯片I，其中，第一凸塊8接觸電連接表面13 (圖2)，而第二凸塊9通過隔離層與半導體芯片I的有效表面電分離。在電流傳感器的制造期間，半導體芯片I作為倒裝芯片被定位于引線框架上。第一凸塊8被擱在第三電端子6上，并且在半導體芯片I和電端子6之間進行電連接。第二凸塊9被擱在電流導體3上。它們的任務是支持半導體芯片I，使得半導體芯片I的有效表面與電流導體3的表面平行地對準，并且在封裝在殼體7中的過程中也保持如此，該封裝通過在模子中澆注來進行。隔離層確保第二凸塊9與半導體芯片I電分離，并由此還確保電流導體3與半導體芯片I電分離。
[0029]根據本發明的電流傳感器這樣設計，使得與預定的標準IC殼體組合地一方面實現高介電強度，另一方面實現最高可能的額度電流。這兩個目標以這樣的方式被實現:位于倒裝芯片的下方的第三電端子6的末端基本上沿著與電流導體3的中間部分的相鄰邊緣12平行地延伸的線11設置，從而所有的第三電端子6以近似相同的距離A遠離電流導體3。距離A的尺寸被設計到提供所需的介電強度的程度。沿著線11設置第三電端子6確保電流導體3可以很大程度地填充在殼體7內全部可用的區域，除了用于防止電流導體3和殼體7的分層所需的電流導體3中的凹部和/或孔。換句話說，電流導體3在任何地方都具有相對較大的寬度，這將其電阻減少到最小可能的值，并由此一方面確保在預定的殼體尺寸下最小化功率耗散，另一方面確保將產生的熱高效地耗散到周圍環境。
[0030]第一凸塊8和第二凸塊9以距離B相互分離。這些凸塊有效地被設置為靠近半導體芯片I的相反邊緣，從而距離B為最大值。距離B也可以較小。在B>A時通常實現第二凸塊9的支持功能，因為在這種情況中距離A通常是半導體芯片I的邊長度的至少四分之一至三分之一。優選地，存在兩個第二凸塊9。還可以僅僅設置一個第二凸塊9，于是，該第二凸塊9必須近似地被設置在半導體芯片I的中心軸上。
[0031]除了露出的連接表面13以外，半導體芯片I的有效表面被鈍化層14覆蓋，例如，該鈍化層由二氧化硅或氮化硅組成。鈍化層14是不導電的。另外的不導電層15被施加到相對較薄的鈍化層14，該鈍化層14的厚度的尺寸以這樣的方式被設計，從而實現電流導體3和半導體芯片I之間所需的介電強度。有機材料尤其適合用作不導電層15的材料。聚酰亞胺是優選的有機材料的例子。不導電層15的厚度通常在10至20 μ m的范圍中，但是，它也可以達到30或者甚至40 μ m的較高值。鈍化層14和不導電層15聯合地形成兩層隔離層，該隔離層被示出并在圖2中由附圖標記10表示。[0032]電流導體3具有電阻，這是流過電流導體3的電流產生需要被耗散到周圍環境的熱的原因。為了最少化由最大許可電流產生的熱，電流導體3應該在其整個長度上被制得盡可能寬。另一方面，為了最大化由流過電流導體3的電流產生的磁場，電流導體3的寬度應該在至少一個磁場傳感器2的區域中被制得盡可能窄。電流導體3的厚度是均勻的，因為它由引線框架的厚度預先確定。端子引線的幾何結構，即，尤其是其寬度W1，按照標準被預先確定。電流導體3的寬度有利地總是比端子引線的預定寬度Wl寬。如果需要的話，電流導體3可以被設置有另外的孔或狹縫，以便排除與殼體7的分層。
[0033]為了提高機械穩定性，電流導體3可任選地被形成有突起16，這些突起16起初被連接到引線框架的框架，但是，在制造過程結束時與電端子4、5和6 —起從引線框架的框架切斷。因此，突起16在殼體7的邊緣處露出。在本例子中，設置兩個突起16，其被設置在電流導體3的中間部分的延伸中。
[0034]圖2以不是真正按比例繪制的示圖示出具有第一凸塊8和第二凸塊9的半導體芯片I的截面圖。除了第一凸塊8與半導體芯片I的電連接表面13接觸的位置以外，聯合地形成隔離層10的鈍化層14和另外的不導電層15覆蓋半導體芯片I的有效表面。凸塊8和9通過標準技術來制造。例如，它們包括金屬層17 (在本領域中被稱為金屬通孔)、銅層18和焊料層19。凸塊8和9也可以由其他材料制成。金屬層17也可以是兩個或更多材料的序列，從而一方面金屬層17將被很好地接合，并且，另一方面金屬層17可用作用于電沉積銅層18的籽晶層。當倒裝芯片被安裝在引線框架上時，凸塊8和9與電端子6或電流導體3—起熔解和焊接。第一凸塊8與半導體芯片I上的電連接表面13進行電連接，然而，隔離層10防止電流導體3與半導體芯片I之間的電連接。
[0035]有利地，為了進一步提高介電強度，在半導體芯片I的主體材料的表面和第二凸塊9之間沒有導電結構。這種導電結構由被提供用于制造電連接的金屬化層(例如，連接表面13的金屬化層)制成。
[0036]圖3示出根據本發明的電流傳感器的第二實施例的俯視圖，該電流傳感器被設計用于S0IC-16殼體。在第一實施例和第二實施例中，電流導體3包括被一體地形成或者被一體地附接到電流導體3的兩個突起，在其上方設置第二凸塊9。一方面，這些突起允許分別靠近半導體芯片I的邊緣設置第一凸塊8和第二凸塊9，另一方面，這些突起允許以近似對稱的方式相對于電流導體3的在其中間部分的縱向軸設置半導體芯片I。與以相對較寬的方式制成的電流導體3的中間部分組合，這將導致電流導體3是相對于半導體芯片I的具有相對較大面積的熱源的結果，從而在操作磁場傳感器2所需的模擬電子電路和磁場傳感器2的區域中將不會產生溫度梯度。
[0037]圖4示出根據本發明的電流傳感器的第三實施例的俯視圖，該電流傳感器被設置和優化用于QFN殼體。圖5從下方(S卩，其底側)示出電流傳感器。引線框架包含額度厚度的第一區域20和減小厚度的第二區域21。第一區域20在殼體7的底側露出。第二區域21位于殼體7的內部。第一區域20對應于電流傳感器的端子，通過所述端子，電流傳感器與印刷電路板連接。為了提高機械穩定性的目的，在本實施例中電流導體3也有利地被形成有突起16，這些突起16起初被連接到引線框架的框架，但是，在制造過程結束時與電端子4、5和6 —起從引線框架的框架切斷。突起16在殼體7的邊緣處被露出。在本實施例中，在電流導體3的中間部分的延伸的兩側分別設置兩個突起16。[0038]圖6示出第二實施例的變型，其中，電流傳感器3的中間部分在兩個磁場傳感器2的區域中變窄，并且，兩個磁場傳感器2之間的距離被減小。圖7示出第二實施例的電流傳感器的另外的變型，其中，電流導體3的中間部分由兩個狹縫22以S形狀的方式被形成在兩個磁場傳感器2的區域中。狹縫22以這樣的方式被設置:使得電流導體3在兩個磁場傳感器2的區域中變窄并以U形的方式包圍磁場傳感器2。與如圖4所示的電流傳感器相比，在這兩個變型中以較低的額度電流代價實現靈敏度的提高。
[0039]圖8示出根據本發明的電流傳感器的實施例的橫截面圖(不是真正地按比例繪制的)，其中，電流導體3在三側上完全被鐵磁層23覆蓋，并且在面對半導體芯片I的第四側上僅僅在邊界區域中被鐵磁層23覆蓋。鐵磁層23延伸到其覆蓋磁場傳感器2的程度。鐵磁層23的厚度近似為50至100 μ m,但也可以為更大。它表不磁軛,該磁軛在磁場傳感器2的位置處放大由流過電流導體3的電流產生的磁場。例如，鐵磁層23通過電鍍被施加到電流導體3上。
[0040]圖9示出根據本發明的電流傳感器的實施例的橫截面圖(不是真正地按比例繪制的)，其中，鐵磁層24已經被施加到半導體芯片I的背側。鐵磁層24減少了由電流導體3產生的磁場的磁阻并在另一方面放大了該磁場。另一方面，其充當用于與由半導體芯片I所跨越的平面平行地延伸的外磁場的屏蔽。
[0041]圖8和9的實施例也可以被組合,從而存在兩個鐵磁層23和24。
[0042]例如，根據本發明的電流傳感器的配置滿足了標準UL60950-1的要求。
[0043]雖然本發明的實施例和應用已經被示出和描述，但是對于具有本公開的益處的領域的技術人員來說將顯而易見的是，在不脫離本文中的本發明構思的情況下也可以進行比上述的修改更多的修改。因此，除了在所附權利要求及其等同物的精神的方面以外，對本發明沒有限制。
【權利要求】
1.一種電流傳感器,包括: 塑料的殼體⑵; 電流導體(3)，具有一體地成形的第一電端子和第二電端子(4，5)，通過所述第一電端子和第二電端子供應并排出要測量的電流； 第三電端子(6)； 具有有效表面的半導體芯片(I)，具有至少一個磁場傳感器(2),所述磁場傳感器對于由流過電流導體(3)的電流產生的磁場的與半導體芯片(I)的有效表面垂直的分量敏感， 其中，第一電端子和第二電端子(4,5)被設置在殼體(7)的第一側,而第三電端子(6)被設置在殼體(7)的與第一側相對的一側，其中，半導體芯片(I)的有效表面面對電流導體(3)，并且半導體芯片⑴的電連接表面(13)通過第一凸塊⑶與第三電端子(6)連接，其中，第二凸塊(9)位于電流導體(3)上或者在電流導體(3)的突起上，并且其中，第二凸塊(9)通過隔離層(10)與半導體芯片(I)電分離。
2.根據權利要求1所述的電流傳感器，其中，位于半導體芯片(I)下方的第三電端子(6)的末端基本上沿著一條線(11)設置，并且其中，電流導體(3)的相鄰邊緣(12)與所述線(11)平行地延伸，從而所有的第三電端子(6)以近似相同的距離㈧遠離電流導體(3)。
3.根據權利要求1所述的電流傳感器，其中，電流導體(3)包括至少兩個突起(16)，所述至少兩個突起延伸到殼體(7)的邊緣并在此處露出。
4.根據權利要求1所述的電流傳感器，其中，隔離層(10)包括有機材料的層。
5.根據權利要求4所述的電流傳感器，其中，有機材料是聚酰亞胺。
6.根據權利要求1所述的電流傳感器,其中,在半導體芯片(I)的主體材料的表面和第二凸塊(9)之間不存在用于產生電連接的導電結構。
7.根據權利要求1所述的電流傳感器，其中，電流導體(3)在三側上完全被鐵磁層(23)覆蓋并在面對半導體芯片(I)的第四側上在邊界區域中被鐵磁層(23)覆蓋。
8.根據權利要求1所述的電流傳感器，其中，半導體芯片(I)在背側上被鐵磁層(24)覆蓋。
9.根據權利要求1所述的電流傳感器,其中，殼體(7)是QFN殼體，并且其中，僅電流傳感器的電端子在QFN殼體的下側處露出。
10.根據權利要求1至9中的任意一項所述的電流傳感器，其中，至少一個磁場傳感器(2)包括被設置在電流導體(3)的不同邊緣處的兩個磁場傳感器或者磁場傳感器的簇，從而由流過電流導體(3)的電流產生的磁場在所述兩個磁場傳感器(2)的位置處指向相反的方向。
【文檔編號】G01R19/00GK104034935SQ201410082133
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2014年3月7日 優先權日:2013年3月8日
【發明者】羅伯特·拉茲, 陳健, M·阿克曼 申請人:邁來芯科技有限公司