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Die vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf gekapselte (engl. packaged) Chips und insbesondere auf gekapselte Chips mit einem Isolationsstift (engl. isolation pin) oder einem isolierten Chipträger.
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In einer Halbleiterchipbaugruppe (oder einem Halbleiterpackage) ist der Halbleiterchip oder das Die innerhalb des Chipgehäuses (oder des Chippackage) eingebettet oder aufgenommen und die Kontaktstellen (oder Kontaktpads) des Halbleiterchips sind mit externen Kontaktelementen des Chipgehäuses verbunden.
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Kontinuierliche Technologieverbesserungen sind in Gang, um den Bedarf an Vorrichtungen mit kleineren Abmessungen, einer verbesserten Leistung, einer vielseitigeren Funktionalität und einer verbesserten Zuverlässigkeit zu erfüllen.
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Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst eine Chipbaugruppe (oder ein Chippackage) einen Chip, ein Gehäuse (oder Package), das den Chip einkapselt, Kontaktstellen (engl. pads) oder Stifte (engl. pins), die auf einer ersten Seite des Gehäuses angeordnet sind, und eine Isolationskontaktstelle oder einen Isolationsstift, der auf einer zweiten Seite des Gehäuses angeordnet ist, wobei der Isolationsstift oder die Isolationskontaktstelle vom Chip elektrisch isoliert ist, wobei der Chip einen Magnetfeldsensor umfasst, der dazu konfiguriert ist, ein außerhalb des Gehäuses erzeugtes Magnetfeld zu messen.
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Gemäß einer anderen Ausführungsform umfasst ein Verfahren zum Ausbilden einer Chipbaugruppe das Anordnen eines Chips auf einem Chipträger, wobei der Chip einen Magnetfeldsensor umfasst, der dazu konfiguriert ist, ein Magnetfeld außerhalb eines Gehäuses zu messen, das Verbinden des Chips mit mehreren Stiften oder Kontaktstellen auf einer ersten Seite des Chipträgers, das Erzeugen eines Isolationsstifts oder einer Isolationskontaktstelle auf einer zweiten Seite des Chipträgers und das Einkapseln des Chips mit dem Gehäuse.
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Gemäß einer anderen Ausführungsform umfasst ein System einen gekapselten Chip mit einem Chip, einem Gehäuse, das den Chip einkapselt, Stiften oder Kontaktstellen, die auf einer ersten Seite des Gehäuses angeordnet sind, und einem Isolationsstift oder einer Isolationskontaktstelle, die auf einer zweiten Seite des Gehäuses angeordnet ist, wobei der Isolationsstift oder die Isolationskontaktstelle vom Chip elektrisch isoliert ist, wobei der Chip einen Magnetfeldsensor umfasst, der dazu konfiguriert ist, ein außerhalb des Gehäuses erzeugtes Magnetfeld zu messen. Das System umfasst schließlich einen Komponententräger mit einer Stromleiterbahn.
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Gemäß einer anderen Ausführungsform umfasst eine Chipbaugruppe einen Chipträger, eine Isolationsschicht, die auf dem Chipträger angeordnet ist, einen Chip, der auf der Isolationsschicht angeordnet ist, und ein Gehäuse, das den Chip, die Isolationsschicht und zumindest Abschnitte des Chipträgers einkapselt. Die Chipbaugruppe umfasst ferner Kontaktstellen, die auf einer ersten Seite des Gehäuses angeordnet sind, wobei der Chip einen Magnetfeldsensor umfasst, der dazu konfiguriert ist, ein außerhalb des Gehäuses erzeugtes Magnetfeld zu messen.
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Für ein vollständigeres Verständnis der vorliegenden Erfindung und von deren Vorteilen wird nun auf die folgenden Beschreibungen in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen Bezug genommen, in denen:
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1 eine Draufsicht einer Chipbaugruppe mit einer Isolationszuleitung (engl. isolation lead) gemäß einer Ausführungsform der Erfindung darstellt;
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2 eine Querschnittsansicht einer Chipbaugruppe mit einer Isolationszuleitung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung darstellt;
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3A–3C Ausführungsformen einer Chipbaugruppe mit einem Isolationsstift darstellt;
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4A und 4B Ausführungsformen einer Chipbaugruppe mit einem Isolationschipträger darstellen;
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5A eine Draufsicht einer Chipbaugruppe mit einer Isolationszuleitung, die an einem Komponententräger befestigt ist, gemäß einer Ausführungsform der Erfindung darstellt;
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5B eine Querschnittsansicht einer Chipbaugruppe mit einer Isolationszuleitung, die an einem Komponententräger befestigt ist, gemäß einer Ausführungsform der Erfindung darstellt;
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6A eine Ausführungsform eines Komponententrägers mit einer Ankerkontaktstelle darstellt;
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6B eine Draufsicht einer Chipbaugruppe, die an einer Ankerkontaktstelle befestigt ist, die durch einen Komponententräger gestützt ist, gemäß einer Ausführungsform der Erfindung darstellt;
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7A eine weitere Ausführungsform eines Komponententrägers mit einer Ankerkontaktstelle darstellt;
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7B eine Draufsicht einer Chipbaugruppe, die an einer Ankerkontaktstelle befestigt ist, die durch einen Komponententräger gestützt ist, gemäß einer Ausführungsform der Erfindung darstellt; und
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8 einen Ablaufplan eines Prozesses zum Ausbilden einer Chipbaugruppe gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt.
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Die Herstellung und Verwendung der derzeit bevorzugten Ausführungsformen werden nachstehend im Einzelnen erörtert. Es sollte jedoch erkannt werden, dass die vorliegende Erfindung viele anwendbare erfindungsgemäße Konzepte schafft, die in einer breiten Vielfalt von spezifischen Zusammenhängen verkörpert sein können. Die erörterten spezifischen Ausführungsformen erläutern lediglich spezifische Weisen zur Herstellung und Verwendung der Erfindung und begrenzen das Konzept der Erfindung nicht.
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Verschiedene Ausführungsformen erkennen und berücksichtigen, dass es erwünscht ist, eine Position einer Chipbaugruppe (oder eines Chippackage) mit einem Magnetfeldsensor relativ zu einer Stromleiterbahn, die in einer gedruckten Leiterplatte (Printed Circuit Board, PCB) angeordnet ist, aufrechtzuerhalten. Die Stromleiterbahn kann den durch den Magnetfeldsensor zu messenden Strom führen. Mit einigen derzeit verwendeten Konfigurationen für die Chipbaugruppe kann die Baugruppe Positionen relativ zur Stromleiterbahn über die Zeit ändern. Folglich können ungeeignete Abstände zwischen dem Magnetfeldsensor und der Stromleiterbahn zu ungeeigneten Strommessungen führen. Folglich kann der Magnetfeldsensor nicht wie gewünscht funktionieren.
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Magnetfeldsensoren messen den Strom einer Stromleiterbahn in einer gedruckten Leiterplatte über das durch den Strom erzeugte Magnetfeld. Für große Ströme ist es unmöglich, die Breite der Stromleiterbahn in einem Ausmaß zu verringern, dass die Stromleiterbahn zwischen zwei Linien von Stiften oder Kontaktstellen einer SMD-Baugruppe (Surface Mounted Device, Baugruppe einer an der Oberfläche montierten Vorrichtung) passt. Um das Magnetfeld so genau wie möglich zu messen, soll der Magnetfeldsensor auf der Stromleiterbahn angeordnet werden und daher sollen die Stifte der SMD-Baugruppe auch auf der Stromleiterbahn angeordnet werden. Die Anordnung der Stifte auf der Stromleiterbahn ist jedoch nicht erwünscht, da entweder die Isolation durch Löten der Stifte an die Stromleiterbahn zerstört wird oder die SMD nicht korrekt fixiert wird, wenn die SMD an der Stromleiterbahn ohne Stifte befestigt wird.
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Frühere Versuche haben dieses Problem durch Anordnen aller Stifte auf einer Seite der Chipbaugruppe und Verwendung eines Klebstoffs, um den Baugruppenkörper an der Stromleiterbahn zu befestigen, angegangen. Dennoch ist diese Technik nachteilig, da die Dicke des Klebstoffs über die Lebensdauer schlecht gesteuert wird (z.B. Aufquellen aufgrund von Feuchtigkeitsaufnahme) und hohe Betriebstemperaturen verbietet. Überdies ist das Ausgeben eines Klebstoffs in der Produktionslinie teuer. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass die Chipbaugruppe ohne Zuleitungen (engl. leads) auf einer Seite nicht vollständig an der gedruckten Leiterplatte befestigt werden kann und sich daher von der gedruckten Leiterplatte abheben kann.
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Folglich lehren verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung das Ausbilden einer Halbleiterchipbaugruppe mit einem Magnetfeldsensor innerhalb der Baugruppe, wobei der Magnetfeldsensor dazu konfiguriert ist, ein Magnetfeld (z.B. von einem durch einen Leiter fließenden Strom) außerhalb der Baugruppe zu detektieren. Die Chipbaugruppe kann an einem Komponententräger befestigt (z.B. an diesen gelötet) werden, so dass die Verbindung zwischen der Chipbaugruppe und dem Komponententräger über die Zeit stabil bleibt.
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Verschiedene Ausführungsformen verwenden eine neue Konfiguration einer Chipbaugruppe in Bezug auf eine Stromleiterbahn, die im Komponententräger angeordnet ist. Durch elektrisches Isolieren eines Stifts oder einer Zuleitung, die von einer Seite der Chipbaugruppe vorsteht, kann die Chipbaugruppe insbesondere mechanisch am Komponententräger in einer Weise befestigt werden, die einen galvanischen Kontakt und einen ungeeigneten Kriechweg zwischen der Stromleiterbahn und dem Magnetfeldsensor vermeidet. Folglich schaffen verschiedene Ausführungsformen eine Vorrichtung, welche die Zuverlässigkeit des Magnetfeldsensors über die Lebensdauer des gekapselten Chips erhöht.
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Mit Bezug auf 1 umfasst eine Chipbaugruppe (oder ein Chippackage) 10 einen Chipträger 12, einen Chip 14, ein Gehäuse (oder Package) 16 und Stifte (Stifte (Pins) können hier auch als Zuleitungen (Leads) bezeichnet werden). Wie in dieser Draufsicht dargestellt, ist der Chip 14 auf dem Chipträger 12 angeordnet. Insbesondere kann der Chipträger 12 ein Leadframe sein und der Chip 14 kann an einer Chipbefestigung oder Chipinsel (engl. die paddle oder die pad) 15 des Leadframe angeordnet sein.
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In dem erläuternden Beispiel umfasst der Chip 14 einen Stromsensor 20 wie z.B. einen Magnetfeldsensor. In verschiedenen Ausführungsformen kann der Stromsensor 20 ein kernloser magnetischer Stromsensor (CLMCS) oder ein Isolationsdatenkoppler sein. In verschiedenen anderen Ausführungsformen kann der Magnetfeldsensor 20 eine Anzahl von verschiedenen Typen von Sensoren umfassen. Der Stromsensor 20 kann beispielsweise eine Hall-Effekt-Vorrichtung (z.B. eine Hall-Platte oder eine vertikale Hall-Vorrichtung), eine Magnetdiode oder ein Magnettransistor, ein Magnetwiderstand wie z.B. ein anisotroper Magnetwiderstand (AMR), ein Riesenmagnetwiderstand (GMR), ein Tunnelmagnetwiderstand (TMR) oder andere geeignete Typen von Magnetwiderstands- oder Riesenmagnetimpedanzvorrichtungen sein. In einigen Ausführungsformen kann der Magnetfeldsensor 20 zwei oder mehr Magnetfeldsensoren umfassen. Der Chip 14 kann beispielsweise zwei oder mehr Magnetfeldsensoren derselben oder verschiedener Typen umfassen, die auf dieselbe oder auf verschiedene Richtungen des Magnetfeldvektors reagieren. Der Chip 14 kann ferner eine Schaltungsanordnung umfassen, um ein Magnetfeldsignal zu verarbeiten, das vom Magnetfeldsensor empfangen wird.
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Der Magnetfeldsensor 20 kann verwendet werden, um das durch einen Strom erzeugte Magnetfeld, der durch einen Leiter außerhalb der Chipbaugruppe 10 erzeugt wird, zu messen. Der Magnetfeldsensor 20 liefert beispielsweise Informationen über den durch die Stromleiterbahn fließenden Strom, wobei die Stromleiterbahn durch eine gedruckte Leiterplatte (PCB) gestützt ist.
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In dieser Ansicht besteht das Gehäuse oder Einkapselungsmaterial 16 aus einem Material, das verwendet wird, um den Chipträger 12, den Chip 14 sowie andere Komponenten in der Chipbaugruppe 10 einzukapseln. Das Gehäuse 16 kann beispielsweise eine Formverbindung (oder Vergussmasse, engl. molding compound) wie z.B. ein wärmehärtendes Material oder ein thermoplastisches Material umfassen.
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Die Zuleitungen (oder Stifte) 22 stehen von einer ersten Seite der Chipbaugruppe 10 vor. Die Zuleitungen 22 sind mit dem Chip 14 galvanisch verbunden. Die Zuleitungen 22 sind dazu konfiguriert, eine elektrische Konnektivität zwischen dem Chip 14 und einem Komponententräger (nicht dargestellt) zu schaffen. In diesem Beispiel ist die oberste Zuleitung der Zuleitungen 22 mit dem Chipträger 12 physikalisch verbunden. Diese Zuleitung kann vor der Einkapselung mit dem Gehäuse 16 nicht vom Chipträger 12 getrennt worden sein. Die anderen drei Zuleitungen der Zuleitungen 22 weisen einen gewissen physikalischen Abstand vom Chipträger 12 auf. Diese Zuleitungen 22 sind jedoch immer noch mit dem Chip 14 beispielsweise durch Drahtbonden elektrisch verbunden. Obwohl vier Zuleitungen 22 in dieser Ansicht gezeigt sind, können in einigen Ausführungsformen mehr oder weniger Zuleitungen 22 vorhanden sein.
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In dieser Darstellung steht die Isolationszuleitung oder der Isolationsstift 24 von einer zweiten Seite der Chipbaugruppe 10 vor. Die zweite Seite liegt in diesem Beispiel entgegengesetzt zur ersten Seite. In anderen Beispielen kann jedoch der Isolationsstift 24 von einer Seite benachbart zur ersten Seite mit den Zuleitungen 22 vorstehen. Andere Konfigurationen von Stiften können natürlich in Abhängigkeit von der speziellen Implementierung verwirklicht werden.
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Ein interner Kriechweg 26 ist zwischen dem Chipträger 12 und der Isolationszuleitung oder dem Isolationsstift 24 vorhanden. Der interne Kriechweg 26 ist der kürzeste Abstand zwischen zwei benachbarten leitfähigen Elementen, die so konfiguriert sind, dass sie mit verschiedenen Potentialen betrieben werden. Ein leitfähiges Element liegt beispielsweise auf dem Potential eines (äußeren) Leiters (z.B. ein Hochspannungspotential) und das andere leitfähige Element liegt auf dem Potential der Sensorschaltung (z.B. Niederspannungspotential). Das Niederspannungspotential kann die Sensorerdung oder irgendein Potential sein, das sich von der Sensorerdung unterscheidet. Das Niederspannungspotential kann beispielsweise mehrere Volt sein, aber nicht mehr als 100 V. In diesem Beispiel ist der interne Kriechweg 26 der kürzeste Abstand zwischen dem Chipträger 12 und dem Isolationsstift 24.
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In diesem dargestellten Beispiel ist der Isolationsstift 24 von anderen Komponenten in der Chipbaugruppe 10 durch das Kapselungsmaterial (z.B. Formverbindung) des Gehäuses 16 galvanisch isoliert. Folglich dient der Isolationsstift 24 vielmehr als mechanischer Anker zum Befestigen des gekapselten Chips an einem Komponententräger als elektrische Verbindung mit diesem Komponententräger. Da angenommen wird, dass kein Strom über den Isolationsstift 24 in die oder aus der Chipbaugruppe 10 fließt, kann der Isolationsstift 24 sehr klein sein. Folglich weist der Isolationsstift 24 einen minimalen Effekt auf die Stromverteilung in der Stromleiterbahn des Komponententrägers, an dem er befestigt ist, auf.
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Obwohl der Isolationsstift 24 klein sein kann, muss die Größe des Isolationsstifts 24 ausreichend sein, so dass er die Chipbaugruppe 10 an der Stelle halten kann. Insbesondere muss der Isolationsstift 24 stark und groß genug sein, um zu verhindern, dass die Chipbaugruppe 10 vom Komponententräger weg gebogen wird. Diese Biegung würde den Abstand zwischen der Stromleiterbahn im oder am Komponententräger und dem Magnetfeldsensor 20 innerhalb der Chipbaugruppe 10 vergrößern, was für eine zuverlässige Leistung des Chips 14 unerwünscht ist. Die Befestigungsfläche des Stifts kann 0,4 mm × 0,6 mm sein. Alternativ kann die Stiftbefestigungsfläche andere Abmessungen umfassen. Es kann vorteilhaft sein, dass die Befestigungsfläche auf den Stromfluss der Stromleiterbahn des Komponententrägers ausgerichtet ist, so dass sie eine minimale Störung für die Stromflusslinien darstellt.
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Der Isolationsabstand zwischen dem Isolationsstift 24 und dem Chipträger 12 kann auf der Basis einer Anzahl von verschiedenen Parametern ausgewählt werden. Dieser Isolationsabstand kann beispielsweise auf der Basis des Typs des Kapselungsmaterials, das für das Gehäuse 16 verwendet wird, der Klasse der zu erreichenden Isolation, der Eigenschaften der leitfähigen Komponenten in der Chipbaugruppe 10 oder von anderen geeigneten Parametern ausgewählt werden.
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In verschiedenen Ausführungsformen wird der Isolationsabstand durch Leerräume in der Formverbindung bestimmt. Gemäß den viskosen Eigenschaften der Formverbindung und den Bearbeitungsparametern (Temperatur, Gelzeit, Formdruck, Formkanalgeometrie) können sich die Größenverteilung und das Auftreten von Leerräumen ändern. In einigen Ausführungsformen muss der Isolationsabstand groß genug sein, dass eine teilweise Entladung in der gasförmigen Atmosphäre innerhalb der Leerräume selbst unter Szenarios des schlimmsten Falls vermieden wird.
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In einigen Implementierungen kann dieser Abstand 1 mm sein. Der Isolationsabstand kann natürlich mehr oder weniger in Abhängigkeit von der beteiligten Funktionalität sein. In einigen Fällen kann der Isolationsabstand 3 mm erreichen.
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In verschiedenen Ausführungsformen dient der Isolationsstift 24 als mechanische Verbindung zwischen einem Komponententräger und der Chipbaugruppe 10, so dass die Chipbaugruppe 10 in einer gut definierten Position relativ zum Komponententräger bleibt. Ferner kann die Verwendung des Isolationsstifts 24 nicht erfordern, dass die Chipbaugruppe 10 an den Komponententräger unter Verwendung eines Klebstoffs geklebt wird.
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2 stellt eine Querschnittsansicht der Chipbaugruppe 10 mit dem Isolationsstift 24 entlang der Linien 2-2 in 1 dar. In dieser Ansicht ist eine Zuleitung von Zuleitungen 22 galvanisch oder elektrisch mit dem Chip 14 durch eine Bondstelle 28 verbunden. Andere Zuleitungen der Zuleitungen 22 können auch an den Chip 14 (nicht dargestellt) gebondet sein.
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Obwohl die Zuleitungen 22 und der Stift 24 als eine spezielle Form aufweisend gezeigt sind, können andere Formen vorgesehen sein. Obwohl diese Darstellung der Chipbaugruppe 10 vier Zuleitungen 22 und einen Isolationsstift 24 zeigt, können überdies zusätzliche Zuleitungen und Isolationsstifte in Abhängigkeit von der Funktionalität der Chipbaugruppe 10 hinzugefügt sein. Jede dieser Zuleitungen und jeder dieser Isolationsstifte kann an einem Komponententräger (z.B. PCB) unter Verwendung der Oberflächenmontagetechnologie befestigt (z.B. daran gelötet) sein. Die galvanisch isolierten Stifte können an (einer) anderen Seite(n) der Chipbaugruppe 10 als die elektrisch verbundenen Zuleitungen angeordnet sein. In dieser Weise kann die Chipbaugruppe 10 auf die präzisen Bedürfnisse des Komponentenherstellers hergestellt werden, um eine angemessene Stabilität der Vorrichtung über die Lebensdauer ihrer Verwendung zu schaffen.
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Wenn die Baugruppe 10 mehr als einen Isolationsstift 24 umfasst, können die Isolationsstifte 24 folgendermaßen angeordnet sein: 1) Alle Isolationsstifte 24 sind voneinander getrennt und isoliert. 2) Gruppen von Isolationsstiften 24 können durch elektrisches Verbinden der Isolationsstifte 24 gebildet werden. Die Isolationsstifte 24 können beispielsweise ein Teil eines einzelnen Leadframe sein oder können über Bonddrähte oder andere Verbindungen verbunden sein. Im letzteren Fall ist es vorteilhaft, die Isolationsstifte 24 auf Äquipotentiallinien auf der Stromleiterbahn im Komponententräger anzuordnen – eine solche Anordnung kann einen Stromfluss über die Isolationsstifte 24 vermeiden.
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3A–3C stellen eine alternative Konfiguration für den Chip 14 mit den Kontaktstellen dar. Insbesondere kann die Chipbaugruppe 10 eine "zuleitungslose" Baugruppe (engl. "leadless" package) sein, z.B. kann die Chipbaugruppe 10 in diesen Beispielen keine externen Zuleitungen aufweisen. Stattdessen kann die Chipbaugruppe Kontaktstellen aufweisen, um elektrische und mechanische Verbindungen mit einem Komponententräger (z.B. PCB) bereitzustellen.
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3A zeigt den Chip 14 auf der oberen Oberfläche des Chipträgers 12 angeordnet. In diesem Fall ist der Chipträger 12 eine Chipinsel 29. Die Kontaktstellen 23 auf der rechten Seite der Chipbaugruppe 10 sind mit dem Chip 14 galvanisch verbunden. Die Kontaktstellen 23 sind beispielsweise durch Drahtbondstellen 30 an den Chip 14 drahtgebondet. Die Isolationskontaktstelle 25 weist einen internen Isolationsabstand von der Chipinsel 29 auf. Alternativ ist der Chip 14 an der unteren Oberfläche des Chipträgers 12 (nicht dargestellt) angeordnet.
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In diesem erläuternden Beispiel ist die Chipinsel 29 halb geätzt. Mit anderen Worten, ein Abschnitt der Oberfläche der Chipinsel 29 wurde entfernt. Dieses Ätzen kann erwünscht sein, so dass nur ein kleiner Abschnitt der Kontaktstellen 23 von der Chipbaugruppe 10 freiliegt. Wenn ein Abschnitt der Chipinsel 29 geätzt wird, kann das Einkapselungs- oder Kapselungsmaterial im Gehäuse 16 in den geätzten Abschnitt der Chipinsel 29 fließen, wodurch die Chipinsel 29 bedeckt wird.
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3B stellt eine perspektivische Ansicht der Oberseite der Chipbaugruppe 10 dar, sobald das Gehäuse 16 hinzugefügt ist. 3C stellt ebenso eine perspektivische Ansicht der Unterseite der Chipbaugruppe 10 dar. Kontaktstellen 23 und eine Isolationskontaktstelle 25 sind in diesen erläuternden Beispielen gezeigt. Mit anderen Worten, anstatt dass ein großer Abschnitt der Zuleitungen 22 und des Isolationsstifts 24 außerhalb der Chipbaugruppe 10 angeordnet sind, wie in 1 und 2 gezeigt, liegen nur die Kontaktstelle 23 und 25 frei. Folglich sind Abschnitte der Kontaktstellen durch das Gehäuse 16 eingekapselt.
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In dieser speziellen Ausführungsform dienen die Kontaktstellen 23 dem herkömmlichen Zweck des Haltens des Gehäuses an der Stelle und der Herstellung einer galvanischen Verbindung mit der elektronischen Schaltung innerhalb der Chipbaugruppe 10. Ähnlich zum Isolationsstift 24 in 1 weist die Isolationskontaktstelle 25 eine ausreichende Oberfläche auf, so dass die Chipbaugruppe 10 an einem Komponententräger befestigt wird. Die Isolationskontaktstelle 25 weist den Zweck des Haltens der Chipbaugruppe 10 an der Stelle und des gleichzeitigen Garantierens einer hohen Isolationsspannung zwischen der Stromleiterbahn und dem Magnetfeldsensor 20 auf.
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4A und 4B stellen zusätzliche Konfigurationen der Chipbaugruppe 10 dar. In diesen Figuren ist das Gehäuse 16 in Durchsicht gezeigt, so dass die Komponenten innerhalb der Chipbaugruppe 10 deutlicher zu sehen sind.
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In 4A ist eine Isolationsschicht 32 zwischen dem Chip 14 und dem Chipträger 29 vorhanden. Die Isolationsschicht 32 kann ein dielektrisches Material umfassen. Das dielektrische Material kann ein Material mit einer dielektrischen Festigkeit von 1 kV/mm bis 100 kV/mm oder 1 kV/mm bis 10 kV/mm umfassen. Das dielektrische Material der Isolationsschicht 32 kann Keramik, Glas, Oxidbeschichtungen oder Polyimid umfassen. Die Isolationsschicht 32 kann eine Isolationsplatte mit Keramikplättchen oder Glasplättchen sein. Alternativ kann die Isolationsschicht 32 Kapton®-Folie, Papierfolie oder Zellulosefolie umfassen. Die Isolationsschicht 32 kann eine größere Fläche als der Chip 14 umfassen. Die Keramikplättchen oder Glasplättchen können beispielsweise eine größere Fläche als der Chip 14 umfassen, um die Kanten der gekapselten Chips 14 zu schützen.
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In einigen Ausführungsformen bietet die Isolationsschicht 32 eine bessere Spannungsisolation als eine Formverbindung, da sie keine Leerräume mit eingefangenem Gas darin aufweist. Somit können die physikalische Struktur und die chemische Reinheit (d.h. Qualität) der dielektrischen Schicht 32 ein besserer Isolator sein als das Formeinkapselungsmaterial.
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Ein Abschnitt des Chipträgers 29, der in dieser Figur gezeigt ist, liegt von der Chipbaugruppe 10 frei. In diesem Fall schafft der freiliegende Abschnitt der Chipinsel 29 eine stabile Verbindung mit einem Komponententräger wie z.B. einer gedruckten Leiterplatte. Die ganze untere Oberfläche der Chipinsel 29 kann in diesem Beispiel am Komponententräger befestigt (z.B. daran gelötet) sein.
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Obwohl der Strom im Chipträger 29 in dieser Konfiguration fließen kann, fließt der Strom nicht in die Chipbaugruppe 10, da kein Abschnitt des Chipträgers 29 mit irgendeiner zusätzlichen elektrischen Verbindung elektrisch verbunden ist. Folglich ist die Chipbaugruppe 10 am Komponententräger befestigt, aber der Magnetfeldsensor kann immer noch von der Stromleiterbahn, die im Komponententräger angeordnet ist, isoliert bleiben.
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In 4B ist der Chipträger 29 vollständig durch das Chipgehäuse eingekapselt. Der Chipträgerabschnitt 34 des Chipträgers kann dünner sein als ein typischer Chipträger. Der Chipträger kann beispielsweise die halbe Dicke eines typischen Leadframe umfassen. Die typische Leadframedicke kann 100 µm (Mikrometer) bis 1000 µm (Mikrometer) oder alternativ 200 µm (Mikrometer) sein und der halbe geätzte Leadframe kann 50 µm (Mikrometer) bis 500 µm (Mikrometer) oder alternativ 100 µm (Mikrometer) sein. Der Leadframe kann durch einen chemischen Ätzprozess geätzt werden.
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Nachdem der Chipträgerabschnitt 34 vom Chipträger 29 weggeätzt ist, kann ein Formmaterial des Chipgehäuses 16 unter dem Chipträger 29 in den Abschnitt 34 fließen, um den Chipträger 29 einzukapseln. Folglich kann nur eine kleine Isolationskontaktstelle 25 auf der unteren linken Seite des Chipgehäuses 16 frei liegen. Diese Isolationskontaktstelle 25 wird am Komponententräger befestigt (z.B. an diesen gelötet). Mit der Verwendung der Isolationskontaktstelle 25, die am Komponententräger befestigt ist, kann nur ein minimaler Effekt auf die Stromdichte in der Stromleiterbahn des Komponententrägers beobachtet werden.
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Die exakte Anordnung der freiliegenden Kontaktstellen und Isolationskontaktstellen, die in 3A–4B gezeigt sind, können in Bezug auf die Oberflächenspannung des Lötmittels, das zum Verbinden der Kontaktstellen und Isolationskontaktstellen mit dem Komponententräger verwendet wird, optimiert werden. Wenn beispielsweise das Lötmittel sich verflüssigt, weist es eine Oberflächenspannung auf, welche die freigelegten Metallteile der Chipbaugruppe 10 in Richtung des Komponententrägers zieht. Daher können symmetrische Anordnungen bevorzugt sein.
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In einem Beispiel kann die Chipbaugruppe 10 mit zwei Isolationskontaktstellen nahe den linken zwei Ecken der Baugruppe konfiguriert sein, so dass die Chipbaugruppe 10 gleichmäßig in Richtung des Komponententrägers gezogen wird, um Neigungen der Chipbaugruppe 10 gegen den Komponententräger zu vermeiden. Es ist erwünscht, Neigungen zu vermeiden, die den vertikalen Abstand zwischen dem Magnetfeldsensor 20 und der Stromleiterbahn des Komponententrägers vergrößern. In noch anderen Beispielen können drei Isolationskontaktstellen, die gleich voneinander beabstandet sind, verwendet werden. Folglich ist die Konfiguration einer erläuternden Ausführungsform nicht auf die hier beschriebenen Konfigurationen begrenzt.
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5A zeigt die Chipbaugruppe 10 am Komponententräger befestigt. In diesem speziellen Beispiel sind die Zuleitungen 22 an Komponententräger-Kontaktstellen (z.B. Niederspannungs-Sensorleiterbahnen) 36 befestigt und der Isolationsstift (oder die Zuleitung) 24 ist an der Stromleiterbahn 38 montiert, die durch einen Komponententräger 50 abgestützt ist. Strom kann in der Richtung des Pfeils 40 entlang der Stromleiterbahn 38 fließen. Lötmittel 43 kann den Isolationsstift 24 an der Stromleiterbahn 38 befestigen.
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Wie in dieser Draufsicht zu sehen ist, ist die Chipbaugruppe 10 derart orientiert, dass die Hälfte der Länge der Chipbaugruppe 10 die Stromleiterbahn 38 überlappt. Mit anderen Worten, die rechte Kante der Stromleiterbahn 38 verläuft über die Mitte der Chipbaugruppe 10. Diese Konfiguration kann jedoch in anderen erläuternden Beispielen geändert werden.
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Ein Kriechweg 42 ist zusätzlich zum internen Kriechweg 26 vorhanden. Der Kriechweg 42 ist der Abstand zwischen dem Draht, der den Chip galvanisch mit den Niederspannungszuleitungen 22 verbindet, und der Stromleiterbahn 38. In verschiedenen Ausführungsformen sollte der Abstand zwischen dem Magnetfeldsensor 20 und der Stromleiterbahn 38 so klein wie möglich sein, so dass der Magnetfeldsensor 20 ein starkes Magnetfeld pro Ampere messen kann. Kleine Abstände zwischen der Stromleiterbahn 38 und dem Magnetfeldsensor 20 können jedoch eine höhere dielektrische Isolation erfordern, als die Formverbindung bereitstellen kann.
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In verschiedenen Ausführungsformen kann eine solche Isolationsstärke durch eine dielektrische Beschichtung (z.B. Oxidschicht oder Nitridschicht) auf der Oberseite des Chips 14 (z.B. auf der Seite des Chips 14, die dem Komponententräger 50 zugewandt ist) bereitgestellt werden. In einigen Ausführungsformen sind Bondschleifen 28 so weit wie möglich seitlich von der Kante der Stromleiterbahn 38 weg angeordnet, um diesen Abstand zur Kante der Stromleiterbahn 38 zu vergrößern. Dieser Abstand kann in Abhängigkeit von der Anordnung der Bondstelle 28 und der Überlappung der Chipbaugruppe 10 mit der Stromleiterbahn 38 mehr oder weniger als in dieser Figur gezeigt sein.
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5B stellt eine Querschnittsansicht der Chipbaugruppe 10 mit dem Isolationsstift 24, der an der Stromleiterbahn 38 befestigt (z.B. an diese gelötet) ist, dar. Diese Querschnittsansicht ist entlang der Linien 5B-5B in 5A genommen. In diesem dargestellten Beispiel ist ein Kriechweg 44 zusätzlich zum Kriechweg 42 vorhanden. Der Kriechweg 44 ist der Abstand zwischen dem Chipträger 12 und der Stromleiterbahn 38.
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6A zeigt eine alternative Konfiguration für die Stromleiterbahn 38. In diesem Beispiel ist eine Ankerkontaktstelle 46 in oder auf der Stromleiterbahn 38 angeordnet, so dass die Ankerkontaktstelle 46 von der Stromleiterbahn 38 durch einen Isolationsspalt 48 isoliert ist. Der Isolationsspalt 48 ist in dieser Ausführungsform ein ringförmiger oder becherförmiger Spalt. In verschiedenen anderen Ausführungsformen kann der Isolationsspalt eine kreisförmige Form, ovale Form, eine rechteckige Form oder irgendeine andere geeignete geometrische Form umfassen. Die Ankerkontaktstelle 46 kann von der Stromleiterbahn 38 an ihrer unteren Oberfläche isoliert sein.
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Die Ankerkontaktstelle 46 ist von der Stromleiterbahn 38 durch den Spalt 48 isoliert, aber der Kriechweg zwischen der Ankerkontaktstelle 46 und der Stromleiterbahn 38 ist kleiner als Kriechlängen, die für eine Kilovoltisolation erforderlich sind. Der Spalt 48 kann beispielsweise nur 0,1 Millimeter breit sein, wohingegen die Kriechlänge für Kilovoltanwendungen mehrere Millimeter sein kann. Der Spalt 48 kann in anderen erläuternden Ausführungsformen verschiedene Breiten aufweisen. In diesem Beispiel kann der Spalt 48 durch Wegätzen von Material von der Stromleiterbahn 38 ausgebildet werden. Ein Zweck des schmalen Isolationsspalts 48 besteht nicht darin, eine Hochspannungsisolation zu schaffen, sondern das Lötmittel auf diese Insel einzuschränken und zu vermeiden, dass der Strom von der Stromleiterbahn seitlich über diese Lötverbindung fließt.
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6B zeigt die Chipbaugruppe 10 an der Ankerkontaktstelle 46 in oder auf der Stromleiterbahn 38 befestigt (z.B. daran gelötet). In dieser Ausführungsform besteht der Zweck des Spalts 48 darin, eine Niederspannungsisolation zwischen der Stromleiterbahn 38 und dem Lötmittel 43 zu schaffen. Das Lötmittel 43 kann beispielsweise (minimal) eine Stromverteilung der Stromleiterbahn ändern. Das Löten des Isolationsstifts 24 an die isolierte Ankerkontaktstelle 46 kann die Stromverteilung in der Stromleiterbahn 38 nicht ändern und wirkt sich daher nicht negativ auf die Genauigkeit des Magnetfeldsensors 20 aus.
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In diesem Beispiel befestigt das Lötmittel 43 den Isolationsstift 24 an der Ankerkontaktstelle 46, aber befestigt nicht den Isolationsstift 24 direkt an der Stromleiterbahn 38. Folglich ist die Ankerkontaktstelle 46 von der Stromleiterbahn 38 elektrisch isoliert und der Isolationsstift 24 ist von anderen leitfähigen Komponenten innerhalb der Chipbaugruppe 10 elektrisch isoliert. Folglich kann eine Doppelisolation verwirklicht werden.
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Es kann ungewollt sein, dass der Isolationsstift elektrisch potentialfrei ist, da der Isolationsstift ein Potential zwischen dem Hochspannungspotential der Stromleiterbahn 38 und der Niederspannungsschaltung des Magnetfeldsensors aufgrund von kapazitiven Effekten annehmen kann. Diese Streukapazitäten sind schlecht definiert und können sich über die Zeit ändern, z.B. durch Feuchtigkeitsabsorption des Komponententrägers oder der Formverbindung. Daher kann es vorteilhaft sein, den Isolationsstift oder seine Ankerkontaktstelle an das hohe Potential des primären Leiters 38 zu binden. Eine Möglichkeit ist in 7A gegeben.
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7A stellt noch eine weitere Konfiguration für die Stromleiterbahn 38 dar. In dieser Ansicht ist die Ankerkontaktstelle 46 innerhalb des Isolationsspalts 48 angeordnet, ist jedoch galvanisch mit der Stromleiterbahn 38 über eine Brücke 49 verbunden. Obwohl die Ankerkontaktstelle 46 galvanisch mit der Stromleiterbahn 38 verbunden ist, kann kein Strom über die Ankerkontaktstelle 46 fließen. Diese Geometrie für die Ankerkontaktstelle 46 kann Vorteile bereitstellen, da ein sehr gut definiertes Potential existiert, da das Potential des Isolationsstifts 24 nicht schwebt.
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7B stellt die Chipbaugruppe 10 an der Stromleiterbahn 38 mit der Ankerkontaktstelle 46 befestigt (z.B. daran gelötet) dar. Da kein Strom über die Ankerkontaktstelle 46 fließen kann, wird die Stromverteilung durch die exakte Geometrie des Lötmittels 43 an der Ankerkontaktstelle 46 nicht beeinflusst.
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In den vorherigen Ausführungsformen ist die Chipbaugruppe 10 an einem Komponententräger wie z.B. einer gedruckten Leiterplatte (PCB) befestigt. In verschiedenen Ausführungsformen kann jedoch die Chipbaugruppe 10 an alternativen Substraten mit einem Hauptkörper aus elektrisch isolierendem Material (z.B. Keramik, Glas, Polymere) befestigt sein, das elektrisch leitfähige Leiterbahnen (z.B. aus Kupfer oder Aluminium) trägt.
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Die Chipbaugruppe 10 kann beispielsweise an DCB-Substraten (Substrate mit direkter Kupferbondstelle) oder IMS (isolierte Metallsubstrate) befestigt sein. Beide Substrate werden für Schaltungen mit hoher Leistung wie z.B. Inverter oder Motorsteuereinheiten verwendet. Beide Substrate umfassen eine einzelne Verbindungsschicht und der Isolationsstift kann an den Leiter gelötet werden, um die Chipbaugruppe 10 stabil zu befestigen.
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In verschiedenen Ausführungsformen kann die Chipbaugruppe 10 in einer anderen Weise als Löten am Komponententräger befestigt oder angebracht werden. Die Chipbaugruppe 10 kann beispielsweise an der Stelle gehalten werden und ein Kontakt kann durch Ultraschallschweißen oder Kleben mit einem leitfähigen Klebstoff hergestellt werden.
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In einigen Ausführungsformen ist der Isolationsstift oder die Isolationskontaktstelle auf einer Seite der Chipbaugruppe 10 angeordnet, wo kein galvanisch verbundener Stift oder keine galvanisch verbundene Kontaktstelle angeordnet ist. In anderen Ausführungsformen ist der Isolationsstift oder die Isolationskontaktstelle auf einer Seite der Chipbaugruppe 10 angeordnet, wo kein Stift oder keine Kontaktstelle angeordnet ist.
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8 zeigt einen Ablaufplan 60 eines Prozesses zum Ausbilden der Chipbaugruppe 10 gemäß einer Ausführungsform.
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In einem ersten Schritt 62 wird der Chip auf dem Chipträger angeordnet. Der Chip umfasst einen Magnetfeldsensor, wie im Einzelnen in 1 beschrieben. Der Magnetfeldsensor ist dazu konfiguriert, den Strom außerhalb der Chipbaugruppe zu messen.
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In Schritt 64 wird der Chip als nächstes mit mehreren Zuleitungen auf einer ersten Seite des Chipträgers verbunden. Eine oder mehrere Zuleitungen können beispielsweise mit dem Chip durch Drahtbonden, Chipbonden oder Kugelbonden verbunden werden.
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In Schritt 66 wird der Isolationsstift auf einer zweiten Seite des Chipträgers erzeugt. Der Isolationsstift (oder die Zuleitung) kann ursprünglich ein Teil des Chipträgers sein, wenn der Chip auf dem Chipträger angeordnet ist. Wenn der Herstellungsprozess fortfährt, wird der Isolationsstift aus dem Leadframe getrennt oder "ausgestanzt", so dass er mit einem gewünschten Abstand vom Rest des Leadframe isoliert wird (Zuleitungen von den mehreren Zuleitungen können auch aus dem Leadframe getrennt werden). In anderen Beispielen kann der Isolationsstift unter Verwendung eines anderen Prozesses als hier beschrieben erzeugt werden.
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In Schritt 68 werden der Chip und die zum Chip gehörenden Komponenten innerhalb eines Gehäuses oder einer Kapselung eingekapselt. In Abhängigkeit von der Funktionalität, die für die Chipbaugruppe gewünscht ist, können mehr oder weniger der Zuleitungen und des Isolationsstifts eingekapselt werden. Wenn die Chipbaugruppe die Chipinsel umfasst, kann ferner die Chipinsel vollständig eingekapselt werden oder einen Abschnitt außerhalb des Chipgehäuses aufweisen. In einigen Konfigurationen einer erläuternden Ausführungsform können folglich nur Isolationskontaktstellen und/oder Kontaktstellen vom Chipgehäuse frei liegen.
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In Schritt 70 wird die Chipbaugruppe an einem Komponententräger durch Befestigen des Isolationsstifts oder der Isolationskontaktstelle an einer Stromleiterbahn, die in einem Komponententräger angeordnet ist, befestigt. Der Isolationsstift kann beispielsweise an die Stromleiterbahn (oder einen isolierten Abschnitt der Stromleiterbahn) gelötet werden und die Zuleitungen oder Stifte können an die Niederspannungs-Sensorleiterbahnen gelötet werden, wie in Ausführungsformen von 5A–7B gezeigt. Wenn die Stromleiterbahn die Ankerkontaktstelle umfasst, kann der Isolationsstift direkt an diese Ankerkontaktstelle gelötet werden. Alternativ können der Isolationsstift und die Zuleitungen durch andere Verfahren an den Leiter und/oder die PCB geschweißt und/oder geklebt/gebondet/festgeklebt oder fixiert werden.
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Die gemäß dem in dieser Figur beschriebenen Verfahren hergestellte Chipbaugruppe schafft eine Chipbaugruppe mit einem Magnetfeldsensor, der dazu konfiguriert ist, einen Strom außerhalb des Gehäuses zu messen, wobei der Magnetfeldsensor in einer stabilen Position relativ zur Stromleiterbahn, an der er montiert ist, bleibt.
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Folglich verwenden verschiedene Ausführungsformen eine neue Konfiguration der Chipbaugruppe in Bezug auf die Stromleiterbahn am Komponententräger. Insbesondere kann durch elektrisches Isolieren eines Stifts, der vom Chipgehäuse vorsteht, oder einer Isolationskontaktstelle auf einer Seite des Chipgehäuses die Chipbaugruppe mechanisch am Komponententräger in einer Weise befestigt werden, die einen galvanischen Kontakt und einen ungeeigneten Kriechweg zwischen der Stromleiterbahn und der Chipbaugruppe vermeidet. Überdies erhöht die mechanische Verbindung zwischen dem Isolationsstift oder der Isolationskontaktstelle und dem Komponententräger die Stabilität der Anordnung. Folglich schaffen verschiedene Ausführungsformen Vorrichtungen, welche die Zuverlässigkeit des Magnetfeldsensors über die Lebensdauer der Chipbaugruppe erhöhen.
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Obwohl die vorliegende Erfindung und ihre Vorteile im Einzelnen beschrieben wurden, sollte selbstverständlich sein, dass verschiedene Änderungen, Substitutionen und Veränderungen hier durchgeführt werden können, ohne vom Gedanken und Konzept der Erfindung, wie durch die beigefügten Ansprüche definiert, abzuweichen.
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Überdies soll das Konzept der vorliegenden Anmeldung nicht auf die speziellen Ausführungsformen des Prozesses, der Maschine, der Herstellung, der Stoffzusammensetzung, der Mittel, Verfahren und Schritte, die in der Beschreibung beschrieben sind, begrenzt sein. Wie ein Fachmann auf dem Gebiet leicht aus der Offenbarung der vorliegenden Erfindung erkennt, können Prozesse, Maschinen, eine Herstellung, Stoffzusammensetzungen, Mittel, Verfahren oder Schritte, die derzeit existieren oder später entwickelt werden sollen, die im Wesentlichen dieselbe Funktion durchführen oder im Wesentlichen dasselbe Ergebnis erreichen wie die hier beschriebenen entsprechenden Ausführungsformen, gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Folglich sollen die beigefügten Ansprüche innerhalb ihres Konzepts solche Prozesse, Maschinen, eine solche Herstellung, solche Stoffzusammensetzungen, Mittel, Verfahren oder Schritte umfassen.
