DE10231194A1

DE10231194A1 - Anschlussleitrahmen für eine in einem Halbleiterchip ausgeführte Sonde und Magnetfeldsensor

Info

Publication number: DE10231194A1
Application number: DE10231194A
Authority: DE
Inventors: Udo Dipl.-Ing. Dr. Ausserlechner
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2002-07-10
Filing date: 2002-07-10
Publication date: 2004-02-05

Abstract

Ein Anschlußleitungsrahmen für eine in einem Haltleiterchip (124) ausgeführte Magnetfeldsonde (128) weist ein Chipinsel (110) zur Anbringung des Halbleiterchips (124) und Zuleitungen (116a-d) auf, die für eine elektrische Verbindung mit dem Halbleiterchip (124) vorgesehen sind, wobei die Chipinsel (110) ausgebildet ist, um von einem zu erfassenden Magnetfeld hervorgerufene Wirbelströme zu reduzieren.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Magnetfeldsensoren und spezieller auf Träger für Halbleiterchips mit einer Magnetfeldsonde.
Mageetfeldsensoren und insbesondere integrierte Magnetfeldsensoren werden heutzutage in vielen Bereichen eingesetzt. Ein solcher Magnetfeldsensor umfaßt typischerweise einen Halbleiterchip mit einer Magentfeldsonde, der auf einem sogenannten Anschlußleitungsrahmen (Leadframe) befestigt ist. Unter einem Anschlußleitungsrahmen ist eine Anordnung zu verstehen, die im wesentlichen aus einem Blättchen, das nachfolgend auch als eine Chipinsel bezeichnet wird, und Zuleitungen (Pins) bzw. Anschlußbeinchen besteht. Bei herkömmlichen Plastikgehäusen wird ein vereinzelter Chip auf dem Anschlußleitungsrahmen, d. h, genauer gesagt auf der Chipinsel, befestigt. Die Zuleitungen sind typischerweise von der Chipinsel getrennt bzw. freigestanzt, wobei eine Massezuleitung zumeist auf der Chipinsel verbleibt.
Alle Teile des Anschlußleitungsrahmens hängen über einen äußeren Rahmen zusammen. Elektrische Verbindungen zwischen speziell dafür vorgesehenen Anschlußbereichen (Pads) am Chip und den jeweils zugeordneten Zuleitungen werden typischerweise mittels eines Bondens hergestellt, wobei ein feiner Draht meist unter Anwendung von Ultraschallenergie und erhöhter Temperatur zur Verbindung der Anschlußbereiche und Anschlußbeinchen angeschweißt wird. Zur weiteren Herstellung wird die gesamte Anordnung mit einer Plastikvergußmasse umspritzt, so daß dieselbe weitgehend von Umwelteinflüssen geschützt ist. Nach dem Entfernen von Plastikgraten (Flashes) wird die integrierte Schaltung samt den Zuleitungen von dem äußeren Rahmen des Anschlußleitungsrahmens freigestanzt und verpackt. Der Anschlußleitungsrahmen weist zumindest zwei Funktionen auf, indem zum einen die Lage der integrierten Schaltungen während des Umspritzens mit Plastikvergußmasse fixiert ist und zweitens die elektrischen Kontakte der integrierten Schaltungen nach außen geführt werden. Daher sollte der Anschlußleitungsrahmen vorzugsweise gut leitfähig und eine gute Lötbarkeit aufweisen. Im Stand der Technik weist der Anschlußleitungsrahmen typischerweise eine Kupferlegierung auf.
Die oben beschriebenen Magnetfeldsensoren werden heutzutage zunehmend zur Erfassung immer höherer Frequenzen verwendet. Schaltsensoren für Antiblockiersysteme (ABS), Kurbel- oder Nockenwelle erfassen Magnetpulse bis etwa 10 kHz, wobei es mittelfristig vorgesehen ist, Zählraten von 50 kHz zu erreichen. Bei linearen integrierten Hallsensoren, die beispielsweise für eine elektronische Ventilsteuerung (EVALVE-Steuerungen) oder für eine berührungslose Messung von Strom vorgesehen sind, ist es ebenso wünschenswert, ähnlich hohe Frequenzen exakt zu erfassen.
Für hohe Frequenzen, d.h. über einer Frequenz von etwa 1 kHz, der zu messenden Magnetfelder bilden sich bei integrierten Hallsonden in allen leitfähigen Schichten der integrierten Schaltung, insbesondere im Siliziumsubstrat und im Anschlußleitungsrahmen, Wirbelströme aus.
Die durch das angelegtes Hochfrequenz-Magnetfeld hervorgerufenen Wirbelströme erzeugen selbst wieder ein sekundäres Magnetfeld, das sich dem zu messenden Magnetfeld überlagert und einen dynamischen Fehler erzeugt.
Die oben beschriebene Beeinträchtigung kann als eine Spezialität von integrierten Magnetfeldsensoren angesehen werden, wobei unter Magnetfeldsensoren sämtliche Sensoren zu verstehen sind, die für ihre Funktion oder die Erweiterung ihrer Funktion ein Magnetfeld messen. Insbesondere umfassen Magnetfeldsensoren auch Stromsensoren, die einen Strom aufgrund des Magnetfelds, das von diesem erzeugt wird, messen, oder Positionssensoren, die die Position eines Elements über ein von der Position abhängiges Magnetfeld messen. Ferner können Magnetfeldsensoren auch eine Vorrichtung umfassen, die bei einer potentialfreien Datenübertragung mittels eines Magnetfelds verwendet wird, wobei Daten eines ersten Schaltkreises als Strom ein Magnetfeld erzeugen und von einem zum ersten Schaltkreis potentialfreien zweiten Schaltkreis erfaßt werden. Dies kann als das magnetische Analogon zum Optokoppler angesehen werden.
Magnetfeldsensoren können beispielsweise integrierte Hallsonden sein, die auf Magnetfeldkomponenten senkrecht zur Chipoberfläche reagieren, wie beispielsweise MAGFETs. Ferner können Magnetfeldsensoren auch Sensoren umfassen, die empfindlich auf Feldkomponenten parallel zur Chipoberfläche sind, wie beispielsweise GMR-Sensoren (Giant-magnetoresistive-Sensoren).
Derzeit ist es für spezielle Anwendungen zur Vermeidung von Wirbelstromeinflüssen bekannt, Gehäuseformen aus nichtmagnetischer Keramik vorzusehen, auf denen lediglich minimale Leiterbahnstrukturen aufgebracht sind. Dabei wird der Chip direkt auf das Keramiksubstrat geklebt, so daß aufgrund der kleinen Leiterbahnen lediglich geringe Wirbelstromeinflüsse auftreten können. Nachteilig dabei ist, daß ein derartiges Gehäuse sehr kostenaufwendig ist, was insbesondere bei einer Massenproduktion von entscheidender Bedeutung sein kann. Folglich werden diese Gehäuse lediglich für spezielle Anwendungen verwendet, wobei ein Keramikgehäuse für hochvolumige Produkte mit niedrigem Preis ökonomisch nicht vertretbar ist.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Konzept zu schaffen, um einen kostengünstigen Magnetfeldsensor zur genauen Erfassung von Hochfrequenz-Magnetfeldern zu ermöglichen.
Diese Aufgabe wird durch einen Anschlußleitrahmen gemäß Anspruch 1, einen Magnetfeldsensor gemäß Anspruch 15 und einen Magnetfeldsensor gemäß Anspruch 20 gelöst.
Die vorliegende Erfindung basiert auf der Erkenntnis, daß ein kostengünstiger und hochfrequenztauglicher Magnetfeldsensor dadurch realisiert werden kann, daß bei dem Magnetfeldsensor ein Chip-Träger verwendet werden kann, der aus einem leitfähigen Material gebildet ist, das im Gegensatz zu dem im Stand der Technik verwendeten Keramikmaterial preisgünstig ist, sofern Maßnahmen an dem Träger und/oder dem Magnetfeldsensor getroffen werden, um einen Wirbelstrom zu unterdrücken.
Zum Reduzieren eines Einflusses der Wirbelströme weist der Träger für den Chip ein zusätzliches Merkmal auf, durch das ein durch die Wirbelströme hervorgerufenes Magnetfeld am Ort der Sonde geringer ist als bei dem Träger, der dieses zusätzliches Merkmal nicht aufweist. Dabei kann sowohl ein Einfluß von Magnetfeldkomponenten senkrecht zu der Chipoberfläche eines anzubringenden Chips als auch ein Einfluß einer Magnetfeldkomponente parallel zu der Chipoberfläche reduziert werden.
Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß bei einer Herstellung die im Stand der Technik bekannten Herstellungsschritte und Einrichtungen verwendet werden können, wobei lediglich geringfügige zusätzliche Schritte, beispielsweise zum Erzeugen von Ausnehmungen in dem Träger, notwendig sind. Dadurch werden ein schneller Anlauf einer Produktion und geringe Kosten bei der Herstellung erreicht.
Bei einem Ausführungsbeispiel ist der Träger ein Anschlußleitungsrahmen, bei dem eine Chipinsel eine oder mehrere Ausnehmungen aufweist. Eine Ausnehmung kann beispielsweise mittig auf der Chipinsel angeordnet sein, so daß in einem Bereich der Chipinsel, auf dem ein Chip befestigt wird, keine Wirbelströme auftreten können. Das Erzeugen einer solchen Ausneh mung kann auf eine einfache Weise erreicht werden, wodurch die Herstellungskosten gering gehalten werden können. Ferner kann der Anschlußleitungsrahmen ein kostengünstiges Material, wie beispielsweise Kupfer oder eine Kupferlegierung, aufweisen.
Ferner kann bei einem Ausführungsbeispiel eine oder mehrere längliche Ausnehmungen bzw. Schlitze auf der Chipinsel vorgesehen sein, die den Träger vollständig durchtrennen können, von einem seitlichen Umfang in den Träger hineinführen können, oder in einem Bereich innerhalb des Trägers angeordnet sein können. Ferner können auf einer Chipinsel mehrere unterschiedliche Ausnehmungen vorgesehen sein, um eine Struktur zur Reduzierung eines Wirbelstroms zu bilden. Beispielsweise kann zusätzlich zu einer mittig angeordneten großflächigen Ausnehmung mehrere längliche Ausnehmungen vorgesehen sein, die mit der großflächigen Ausnehmung verbunden sein können. Bei einem Ausführungsbeispiel kann die Chipinsel eine Ausnehmung mit einem konvexen Umfang aufweisen, die beispielsweise durch eine erste Ausnehmung in der Mitte des Trägers, die beispielsweise ein Loch oder eine quadratische Ausnehmung umfassen kann, und länglichen Ausnehmungen gebildet wird, die sich von der ersten Ausnehmung in Richtung zu dem seitlichen Umfang des Trägers hin erstrecken. Dies weist den Vorteil auf, daß ein hoher Grad einer Unterdrückung von Wirbelströmen erreicht wird, wobei dennoch eine große mechanische Stabilität erreicht werden kann.
Vorzugsweise werden die länglichen Ausnehmungen angeordnet, um eine symmetrische Unterteilung des Trägers zu erreichen, wodurch der Einfluß aufgrund von Wirbelströmen auf eine effektive Weise reduziert wird.
Bei einem Ausführungsbeispiel können die länglichen Ausnehmungen ferner derart angeordnet sein, daß sich eine mäanderförmige Struktur in einem Bereich des Trägers ergibt. Vorzugsweise wird dieser Bereich dort gewählt, wo die Magnet feldsonde angeordnet werden soll. Das Vorsehen einer mäanderförmigen Struktur ermöglicht, daß ein Chip lediglich auf den dünn ausgebildeten Balken der Mäanderstruktur angeordnet werden kann, wodurch sich eine Verbesserung der mechanischen Zuverlässigkeit ergibt.
Der Anschlußleitungsrahmen kann ferner zur Reduzierung der Wirbelströme ein schlecht leitendes Material aufweisen. Der Bereich der Leitfähigkeit umfaßt vorzugsweise einen Bereich, dessen untere Grenze durch die Eigenleitfähigkeit des Halbleitermaterials des auf dem Anschlußleitungsrahmen angeordneten Chips und dessen obere Grenze durch die Leitfähigkeit von Kupfer oder einer Kupferlegierung gegeben ist. Beispielsweise kann ein spezifischer Widerstand des Anschlußleitungsrahmens höher als eine für Halbleiter typische Eigenleitfähigkeit von 10^–3Ωcm sein. Bei einem Ausführungsbeispiel kann auch lediglich die Chipinsel ein schlecht leitendes Material aufweisen, so daß die restlichen Elemente des Anschlußleitungsrahmens, und insbesondere die Zuleitungen, eine hohe Leitfähigkeit aufweisen können.
Ferner kann zur Reduzierung der Wirbelströme der Träger für den Chip eine geringere Dicke als im Stand der Technik, beispielsweise geringer als 200 μm, aufweisen. Vorzugsweise kann auch eine Dicke der Chipinsel geringer als eine Dicke der Zuleitungen sein. Dadurch wird ermöglicht, daß der Träger einen hohen ohmschen Widerstand aufweist, während der elektrische Widerstand der Zuleitungen gering gehalten ist.
Eine weitere Möglichkeit einer Reduzierung des Einflusses von Wirbelströmen kann bei einem Ausführungsbeispiel erreicht werden, indem der Chip mit der Magnetfeldsonde auf der Chipinsel exzentrisch angeordnet ist. Vorzugsweise wird die Sonde dabei in einer Position nahe an dem seitlichem Rand des Trägers angeordnet, bei der der Verlauf eines durch die Wirbelströme hervorgerufenen Magnetfelds einen Nulldurchgang auf weist. Dies ermöglicht eine wirksame und sehr kostengünstige Reduzierung der Wirbelstromeinflüsse auf die Magnetfeldsonde.
Bei einem Ausführungsbeispiel eines Magnetfeldsensors gemäß der vorliegenden Erfindung kann der Träger für den Chip ein Zwischensubstrat oder eine Schaltungsplatine umfassen, wobei der Chip mit der Magnetfeldsonde mittels einem oder mehreren Höckern auf dem Substrat oder der Schaltungsplatine befestigbar ist. Die Höcker ermöglichen sowohl die mechanische Befestigung des Chips auf dem Zwischensubstrat oder der Schaltungsplatine als auch ein elektrisches Verbinden von Anschlußflächen des Chips mit jeweils zugeordneten Anschlußbereichen des Substrats.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1a eine schematische Darstellung eines Anschlußleitungsrahmens gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, bei dem eine Chipinsel eine kreisrunde Ausnehmung aufweist;
1b eine schematische Querschnittdarstellung des Anschlußleitungsrahmens gemäß 1a;
2 ein Schaubild zur Darstellung eines Verlaufs eines durch Wirbelströme hervorgerufenen Magnetfelds in einem kreisrunden Träger;
3 ein weiteres Schaubild zur Darstellung eines Verlaufs eines durch Wirbelströme in einem kreisrunden Träger hervorgerufenen Magnetfelds;
4 ein Schaubild zur Darstellung eines Verlaufs eines durch Wirbelströme hervorgerufenen Magnetfelds in einem ringförmig ausgebildeten Träger;
5 eine schematische Darstellung eines Anschlußleitungsrahmens gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, bei dem eine Chipinsel eine kreisrunde Ausnehmung mit radial angeordneten Schlitzen aufweist;
6 eine schematische Darstellung eines Anschlußleitungsrahmens gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, bei dem eine Chipinsel einen mäanderförmig ausgebildeten Bereich aufweist;
7 eine schematische Darstellung eines Anschlußleitungsrahmens gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, bei dem eine auf einem Chip angeordnete Sonde bezüglich der Chipinsel exzentrisch angeordnet ist, wobei die Chipinsel ferner seitliche Ausnehmungen und rechtwinklig dazu angeordnete horizontale Schlitze aufweist;
8a eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung, bei der Höcker zur Verbindung des Chips mit einem Träger vorgesehen sind;
8b eine schematische Querschnittdarstellung des Ausführungsbeispiels von 8a; und
9 ein Schaubild, bei dem ein Verlauf eines durch Wirbelströme in Höckern hervorgerufenen Magnetfelds in Abhängigkeit von einer Entfernung zu den Höckern dargestellt ist.
Im folgenden wird unter Bezugnahme auf 1a ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung erklärt. 1a zeigt einen Anschlußleitungsrahmen 100, der eine Chipinsel 110 aufweist, die über zwei seitlich an der Chipinsel 110 angeordnete Stege 112a und 112b mit einem Außenrahmen 114 des Anschlußleitungsrahmens 110 verbunden sind. Ferner weist der Anschlußleitungsrahmen Zuleitungen (Pins) 116a–d auf, die an einer Innenseite des Außenrahmens 114 angeordnet sind. Die Zuleitungen erstrecken sich von der Innenseite des Außenrahmens 114 zu der Chipinsel 110 hin, wobei ein Ende der Zuleitung 116a, die als Massezuleitung verwendbar ist, mit der Chipinsel 110 verbunden ist. Der Anschlußleitungsrahmen ist leitfähig ausgebildet und weist vorzugsweise ein Metall, wie beispielsweise Kupfer, auf, das einerseits preisgünstig ist, und andererseits eine gute elektrische Leitfähigkeit der Zuleitungen und eine Wärmeankopplung eines auf der Chipinsel 110 aufzubringenden Chips ermöglicht. Wie es weiter unten näher erklärt wird, kann bei einem Ausführungsbeispiel der Anschlußleitungsrahmen unterschiedliche Materialien aufweisen, um für Teile desselben unterschiedliche Leitfähigkeit bereitzustellen.
Wie es in 1a gezeigt ist, sind bei den Zuleitungen 116a –d Trennbereiche 118a–d vorgesehen, in denen die Zuleitungen 116a–d durchtrennt werden können, um nach einer Befestigung des Chips auf der Chipinsel 110 und einem Vergießen der Anordnung die Chipinsel 110 mit dem darauf befestigten Chip und die Zuleitungen 116a–d von dem Außenrahmen 114 abzutrennen. Ferner sind bei den Stegen 112a und 112b Trennbereiche 120a und 120b zum Abtrennen der Chipinsel 110 von dem Außenrahmen 114 vorgesehen.
Gemäß 1a weist die Chipinsel 110 ferner einen Chipaufnahmebereich 122 auf, auf dem ein Chip 124 mit einer Sonde 128 befestigbar ist. Der Chip 124 kann jeden bekannten Magnetfeldsensorchip umfassen und beispielsweise als Material Silizium aufweisen. Bei den beschriebenen Ausführungsbeispie len weist der Chip 124 eine quadratische Form auf, wobei derselbe jedoch nicht darauf beschränkt ist und jede andere Form umfassen kann. Wie es ferner in 1a zu erkennen ist, weist der Chip 124 eine Anschlußfläche 134 auf, die über einen Draht 136 mit der Zuleitung 116b verbunden ist. Obwohl in 1a lediglich eine Anschlußfläche gezeigt ist, weist der Chip 124 typischerweise mehrere Anschlußflächen auf, die jeweils mit den zugeordneten Zuleitungen verbunden sind.
Zur erfindungsgemäßen Reduzierung von Wirbelstromeinflüssen weist die Chipinsel 110 eine Ausnehmung 126 auf, die bei diesem Ausführungsbeispiel ein kreisrundes Loch umfaßt. Die Lage und der Durchmesser der Ausnehmung 126 ist bei diesem Ausführungsbeispiel so gewählt, daß der Umfang der Ausnehmung 126 den Rand des Chipaufnahmebereichs 122 berührt. Dadurch entstehen in dem Chipaufnahmebereich 122 vier Segmente, die nach einem Befestigen des Chips 124 denselben tragen. Zum Befestigen des Chips kann ein Haftmittel, wie beispielsweise ein Kleber, verwendet werden, das als Klebepunkte 132 punktförmig in den jeweiligen Segmenten des Chipaufnahmebereichs 122 aufgebracht wird. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel wird die kreisrunde Ausnehmung 126 aus der Mitte der Chipinsel 110 herausgestanzt, wobei jedes bekannte Verfahren, wie beispielsweise ein Ätzen, zum Erzeugen der Ausnehmung verwendet werden kann.
Der Chip 124 wird vorzugsweise bezüglich der kreisrunden Ausnehmung 126 derart plaziert, daß eine auf dem Chip 124 angeordnete Magnetfeldsonde direkt über dem Mittelpunkt der kreisrunden Ausnehmung 126 angeordnet ist. Dadurch ist der Sensor maximal weit von dem umgebenden leitfähigen Material entfernt. Dies ermöglicht, daß die Magnetfeldsonde eine minimale Beeinflussung durch Wirbelströme 130 erfährt, die in der Chipinsel 110 aufgrund eines zu messenden Magnetfelds erzeugt werden.
Obwohl die Ausnehmung 126 bei diesem Ausführungsbeispiel eine kreisrunde Form aufweist, kann dieselbe auch andere Formen, beispielsweise ein rechteckige Form, aufweisen. Dabei ist zu beachten, daß auf der Chipinsel 110 genügend Platz verbleibt, um den Chip 124 an seinen Ecken an die Chipinsel 110 zu kleben, ohne daß ein Kleber von der Chipunterseite hervorquillt. Bei anderen Ausführungsbeispielen kann auch eine kreisrunde Ausnehmung 126 mit einem Durchmesser vorgesehen sein, der kleiner als eine Breite des Chips 124 ist, um das Hervorquellen des Klebers zu vermeiden.
Da die Chipinsel 110 rund um den Chip herum geschlossen ist, können sich in der Chipinsel 110 Wirbelstromschleifen 130 zwar ausbilden, wodurch zwar ein sekundäres Magnetfeld erzeugt wird, das jedoch geringer als ein durch Wirbelströme erzeugtes Magnetfeld ist, das sich für den Fall einer Chipinsel ohne Ausnehmung ergibt. Da der Chip eine endliche Dicke von beispielsweise bis zu 0,7 mm aufweisen kann, sind prinzipiell auch Feldkomponenten parallel zur Chipoberfläche vorhanden, die kleiner als jene senkrecht zur Chipoberfläche sind. Diese können Sensoren, die empfindlich auf Feldkomponenten parallel zur Chipoberfläche sind, wie beispielsweise GMR-Sensoren (GMR-Sensor = Giant-magneto-resistiver Sensor), beeinflussen. Auch für diese Sensoren wird erfindungsgemäß durch das Reduzieren der Wirbelströme eine Verminderung der Beeinflussung gegenüber einer bekannten Chipinsel erreicht. Folglich stellt die in der Chipinsel 110 bereitgestellte Ausnehmung 126 ein konstruktives Merkmal zum Reduzieren eines Einflusses der Wirbelströme auf die Magnetfeldsonde 128 bezogen auf eine Chipinsel, die das konstruktive Merkmal nicht aufweist.
Zur Verdeutlichung des Ausführungsbeispiels von 1a ist in 1b ein Querschnitt des Anschlußleitungsrahmens 100 dargestellt. Der Querschnitt ist entlang einer parallel zu einer Seitenkante der Chipinsel 110 verlaufenden Linie entnommen, die sich durch die Mitte der Chipinsel 110 er streckt. Wie es zu erkennen ist die Chipinsel 110 zwischen den jeweiligen Abschnitten des Außenrahmens 114 angeordnet. Auf der Chipinsel 110 ist der Chip 124 befestigt, der über der Ausnehmung 126 angeordnet, so daß die Sonde 128 zentral bezüglich der Ausnehmung 124 angeordnet ist.
Zur Erzeugen eines Magnetfeldsensors kann die oben beschriebene Anordnung auf die bekannte Weise mit einer Vergußmasse umspritzt werden, so daß dieselbe weitgehend von Umwelteinflüssen geschützt ist, woraufhin die Chipinsel mit den Zuleitungen von dem Außenrahmen 114 des Anschlußleitungsrahmens freigestanzt wird. Dadurch entsteht ein Magnetfeldsensor, bei dem die Zuleitungen über die Vergußmasse mit der Chipinsel mechanisch gekoppelt sind. Dabei sind die Zuleitungen mit Ausnahme der Masse-Zuleitung elektrisch von der Chipinsel isoliert.
Im folgenden wird zur Verdeutlichung der durch die Ausnehmung 126 erzeugten Reduktion des Wirbelstromeinflusses unter Bezugnahme auf die 2–4 Berechnungen des Erfinders hinsichtlich eines durch Wirbelströme hervorgerufenen Magnetfelds in einem Träger erläutert. Zur Berechnung wurden dabei idealisierte Träger angenommen, wobei sich die Schaubilder gemäß 2 und 3 auf einen scheibenförmigen Träger beziehen, während sich das Schaubild gemäß 4 auf einen ringförmigen Träger bezieht.
2 zeigt den Verlauf eines durch Wirbelströme hervorgerufenen Magnetfelds bei einem scheibenförmigen Träger. In dem Schaubild ist auf der x-Achse eine radiale Position eines Magnetfeldsensors, normiert auf den Radius des kreisförmigen Trägers, aufgetragen. Eine y-Achse des Schaubilds stellt einen Imaginärteil einer durch Wirbelströme hervorgerufenen Magnetfeldkomponente senkrecht zu dem Träger dar. Die Einheiten sind auf eine Feldstärke des Magnetfelds bezogen, das die Wirbelströme erzeugt.
Für den Träger wurde eine Kupferlegierung mit einer Leitfähigkeit von 50 MS/m angenommen, wobei die Dicke des Trägers 200 μm und sein Durchmesser 5 mm beträgt. Das in der Figur dargestellte wirbelstrominduzierte Magnetfeld entspricht dem Magnetfeld in einer Höhe von 230 μm über dem Träger, wobei zur Berechnung ein wirbelstromerzeugendes Magnetfeld mit einer Frequenz von 1 kHz angenommen wurde. Die Höhe von 230 μm über dem Träger ist realitätsnah gewählt, da ein Siliziumchip und ein zur Befestigung benötigter Kleber typischerweise eine Gesamtdicke von etwa 230 μm aufweisen.
Da die Wirbelströme in erster Näherung eine Phasenverschiebung von –90° gegenüber dem angelegten Magnetfeld aufweisen, ergibt sich ein rein imaginäres wirbelstromerzeugtes Sekundärfeld, weshalb zur Darstellung dieses Sekundärfelds in dem Schaubild von 2 auf der y-Achse der Imaginärteil aufgetragen ist.
Wie es zu erkennen ist, verursachen die Wirbelströme in dem Chip einen Magnetfeldverlauf, dessen Betrag einen maximalen Wert von etwa 4 % des angelegten Magnetfelds in der Mitte des Trägers aufweist, so daß sich ein maximaler Fehler dieser Größenordnung ergibt. Gemäß dem Schaubild nimmt der Betrag des wirbelstromerzeugten Magnetfelds mit zunehmendem Abstand von der Mitte des scheibenförmigen Trägers stetig ab, wobei sich bei einem radialen Abstand, der etwa dem 0,9-fachen des Radius a des Trägers entspricht, ein Nulldurchgang des Verlaufs ergibt. Daraufhin steigt das Magnetfeld bis zu einem Maximalwert bei einer Position von etwa dem 1,05-fachen des Radius a an und nähert sich mit zunehmendem Abstand dem Wert Null an. Folglich ist es bei dem kreisrunden Träger vorteilhaft, die Magnetfeldsonde in einem Bereich des Nullfelddurchgangs, beispielsweise in dem radialen Bereich, der größer als das 0,6-fache des Radius des Trägers ist, und besonders bevorzugt in dem radialen Bereich, der größer als das 0,8-fache des Radius des Trägers ist, zu plazieren. Dies läßt sich auf andere Formen des Trägers verallgemeinern, dahingehend, daß es vorteilhaft ist, die Sonde in der Nähe einer Kante des Trägers und besonders vorteilhaft in der Näher einer Ecke zu plazieren.
3 zeigt eine weitere Berechnung eines aufgrund eines scheibenförmigen Trägers erzeugten Wirbelstromfelds, wobei im Gegensatz zu 2 bei der Berechnung eine Frequenz von 10 kHz sowie ein Abstand von 300 μm über dem kreisrunden Träger angenommen wurde. Für den Träger wurde eine Kupferlegierung mit einer Leitfähigkeit von 50 MS/m angenommen, wobei die Dicke des Trägers 200 μm und sein Durchmesser 5 mm beträgt.
In dem Schaubild von 3 ist auf der x-Achse der radiale Abstand in mm aufgetragen. Ferner ist bei diesem Schaubild auf der y-Achse ein Betrag des wirbelstrominduzierten Magnetfelds, normiert auf das angelegte Magnetfeld, aufgetragen.
Entsprechend zu dem in 2 gezeigten Schaubild weist auch hier der Betrag des wirbelstrominduzierten Magnetfelds einen maximalen Wert für r = 0 mm, d. h. in der Mitte des kreisförmigen Trägers, auf. Der Maximalwert beträgt hier etwa 36 des angelegten Magnetfelds. Dieser Maximalwert ist im Vergleich zu dem in 2 gezeigten Maximalwert wesentlich höher, was auf die um einen Faktor 10 höhere Frequenz zurückzuführen ist.
Analog zu dem in 2 gezeigten Schaubild nimmt der Betrag des wirbelstrominduzierten Magnetfelds mit zunehmendem Abstand von der Mitte des Trägers ab, wobei ein Minimum, das dem Nulldurchgang von 2 entspricht, bei einem Abstand von etwa 2,2 mm auftritt. Daraufhin steigt der Verlauf bis zu einem lokalen Maximum bei einem Abstand von etwa 2,6 mm von der Mitte an und fällt daraufhin mit zunehmendem Abstand stetig ab.
4 zeigt im Gegensatz dazu einen Verlauf eines Magnetfelds für einen ringförmigen Träger. Der ringförmige Träger weist einen Außendurchmesser von 5 mm und einen Innendurchmesser von 4 mm auf. Der bei der Berechnung des Schaubilds von 4 verwendete ringförmige Träger weist die gleiche Dicke und Leitfähigkeit wie der zur Berechnung des Schaubilds von 3 angenommene Träger auf. Ferner ist auch die Frequenz des Magnetfelds und der Abstand über dem Träger, für den der Verlauf des Magnetfelds berechnet wurde, entsprechend zu dem Schaubild von 3 gewählt, so daß ein Vergleich der durch die beiden Träger hervorgerufenen Einflüsse auf einen Magnetfeldsensor ermöglicht ist.
Wie es in 4 zu erkennen ist, weist das Magnetfeld in der Mitte des Rings, d. h. bei r = 0, einen Wert von etwa 9,5 des angelegten Magnetfelds auf. Vergleicht man diesen Wert mit dem in 3 vorliegenden Wert von 36%, so ergibt sich in der Mitte eine Reduktion um einen Faktor 3,8. Im Gegensatz zu dem Verlauf der in den 2 und 3 gezeigten Schaubilder entspricht der Wert des Magnetfelds in der Mitte nicht dem maximalen Wert.
Wie es zu erkennen ist, steigt der Verlauf des Betrags des Magnetfelds mit zunehmendem Abstand von der Mitte an und nimmt bei einem radialen Abstand von etwa dem 0,75-fachen des äußeren Radius ra2 des ringförmigen Trägers einen Maximalwert von etwa 16% des angelegten Magnetfelds an. Daraufhin nimmt der Magnetfeldbetrag stark ab und weist bei einem radialen Abstand von etwa dem 0,95-fachen des äußeren Radius das durch den Nullfelddurchgang hervorgerufene Minimum auf. Im weiteren Verlauf steigt der Magnetfeldbetrag wieder bis zu einem lokalen Maximum von etwa 6% des angelegten Magnetfelds an, wobei dieses Maximum bei einer Position außerhalb des Trägers, d.h. genauer bei etwa dem 1,05-fachen des äußeren Radius des Trägers, erreicht wird. Daraufhin fällt der Kurvenverlauf ab, um sich mit zunehmendem Abstand von der Mitte dem Wert 0 anzunähern.
Quantitativ kann man für mäßige Frequenzen, d. h. in dem Frequenzbereich, in dem Wirbelstromeffekte gerade einzusetzen beginnen, das Feld in der Mitte des rotationssymmetrischen Trägers auf die folgende Weise beschreiben:
Bei der obigen Formel ist r der radiale Abstand des Aufpunkts von der Mitte des Trägers, z die Höhe des Aufpunkts über dem Träger, j die imaginäre Einheit, ω die Kreisfrequenz des Magnetfelds, μ₀ die Permeabilitätskonstante, σ die spezifische Leitfähigkeit des Trägermaterials, h die Dicke des Trägers, B₀ die Amplitude des angelegten, d. h. des zu messenden externen Magnetfelds, r_a der Außenradius und r_i der Innenradius des scheibenförmigen Trägers. Für kleine Abstände z kann man dies annähern durch
Daraus ist zu erkennen, daß der durch Wirbelströme verursachte Fehler in der Magnetfeldmessung um so kleiner wird, je geringer die Differenz des Außenradius und des Innenradius wird, d.h. je weniger Material von dem Träger übrig bleibt. Ferner ist auch der Einfluß der Frequenz zu erkennen, der sich insbesondere bei dem Vergleich der Maximalwerte gemäß den Schaubildern von 2 und 3 bemerkbar macht. Folglich wird durch eine Ausnehmung in dem Träger ein Magnetfeld in der Mitte reduziert, so daß hier die Mitte des Trägers eine bevorzugte Position zum Anordnen der Sonde ist. Weiter ist hier auch die Position des Nullfelddurchgangs eine bevorzugte Position zur Anordnung der Sonde, da im Vergleich zu einem massiv ausgebildeten Träger das sekundäre Magnetfeld reduziert ist.
Nachdem im vorherigen ein Vergleich zwischen einem Träger mit Ausnehmung (ringförmiger Träger) und einem Träger ohne Ausnehmung (scheibenförmiger Träger durchgeführt wurde, werden im folgenden unter Bezugnahme auf die 5 bis 7 weitere Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung als eine Weiterbildung des Ausführungsbeispiels gemäß Fig.la erklärt. Dabei sind gleichartige Elemente in den verschiedenen Ausführungsbeispielen jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Unter Bezugnahme auf 5 weist ein Anschlußleitungsrahmen 200 die Chipinsel 110 auf, die im Unterschied zu dem Anschlußleitungsrahmen 100 von 1a bei diesem Ausführungsbeispiel eine kreisförmige Ausnehmung 210 und Schlitze 212a–d aufweist. Ferner weist die Ausnehmung 210 in Bezug auf die Ausnehmung 126 des Anschlußrahmens 100 einen geringeren Durchmesser auf. Obwohl bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel eine kreisrunde Ausnehmung 210 beschrieben wurde, können bei anderen Ausführungsbeispielen auch andere Formen der Ausnehmung 210, beispielsweise eine ovale Form, vorgesehen sein.
Die Schlitze 212a–d sind rechtwinklig zueinander angeordnet, wobei sich die Schlitze 212a–c jeweils von dem seitlichen Umfang der Ausnehmung 210 radial zu den jeweiligen Seitenkanten der Chipinsel 110 erstrecken. Im Unterschied zu den Schlitzen 212a–c erstreckt sich der Schlitz 212d lediglich bis zu einem gewissen Abstand zu einer Seitenkante der Chipinsel 110. Die Schlitze 212a–d unterteilen die Chipinsel 110 in vier Segmente 214a–d, wobei die Segmente 214c und 214d aufgrund dessen, daß der Schlitz 212d sich nicht vollständig zu der Seitenkante erstreckt, zusammenhängend sind. Die Segmente 214a und 214b werden über die Stege 112a und 112b von dem Außenrahmen 114 gehalten. Ferner ist das Segment 214b über die Massezuleitung 116a mit dem Außenrahmen des Anschlußleitungsrahmens 200 verbunden.
Ein Vorteil dieses Ausführungsbeispiels besteht darin, daß Wirbelströme mit großem Radius, die um den Chip herum laufen, unterbunden werden. Es bilden sich lediglich in jedem der Segmente 214a–d Wirbelströme 216 mit geringerem Radius aus. Jeder der Wirbelströme weist jedoch einen Mittelpunkt auf, der von der in der Mitte der Chipinsel 110 angeordneten Magnetfeldsonde entfernt ist, so daß sich durch die Wirbelströme sämtlicher Segmente am Ort der Magnetfeldsonde ein sehr geringes Gesamtmagnetfeld ausbildet.
Es sei an dieser Stelle bemerkt, daß die Schlitze bei anderen Ausführungsbeispielen auf eine vielfältige Art und Weise angeordnet sein können und eine Vielzahl von Ausgestaltungen annehmen können. Insbesondere kann bei Ausführungsbeispielen die Ausnehmung 210 gänzlich entfallen, so daß die Chipinsel 110 lediglich die Schlitze zur Reduzierung des Magnetfelds aufweist.
Die Schlitze können ferner so ausgebildet sein, daß die Chipinsel 110 vollständig in Einzelteile zerfällt, so daß die einzelnen Teile derselben vor dem Umspritzen mit Vergußmasse nur noch durch den Außenrahmen 114 zusammengehalten werden. Nach dem Umspritzen hält die Vergußmasse die abgetrennten Teile des Anschlußleitungsrahmens zusammen, so daß der Außenrahmen auf die herkömmliche Weise abgetrennt werden kann.
Bei einem Ausführungsbeispiel kann sich beispielsweise jeder der Schlitze von der Ausnehmung 210 zu einer jeweiligen Seitenkante der Chipinsel 110 erstrecken, so daß die Chipinsel 110 vollständig abgetrennte Segmente aufweist. Dabei muß jedes der Segmente mit dem Außenrahmen 114 verbunden sein, um von demselben getragen zu werden. Ferner kann sich ein oder mehrere Schlitze von einer seitlichen Außenkante der Chipinsel zu der Ausnehmung 210 hin erstrecken, ohne mit derselben verbunden zu sein. Ferner können ein Schlitz auch derart angeordnet sein, daß dieselben weder mit der Ausnehmung 210 noch mit einer seitlichen Außenkante der Chipinsel 110 verbunden sind.
Vorzugsweise sind die Schlitze derart vorzusehen, daß sie den Wirbelstromverlauf maximal behindern bzw. unterbrechen, beispielsweise indem die Schlitze senkrecht zu den Wirbelströmen angeordnet werden, die sich in einer Chipinsel, die die Schlitze nicht aufweist, ausbilden.
Ein besonders bevorzugtes Verfahren zum Erzeugen der Schlitze wird im folgenden erklärt. Die Schlitze werden dabei so angeordnet, daß die größten, schädlichsten Schleifen der Wirbelstromverteilung in dem Träger geöffnet werden, so daß sich nur noch kleinere Schleifen bilden können, die zudem noch möglichst weit weg von der Sonde liegen sollen. Für die exakte Geometrie gibt es unzählige Varianten, die vorzugsweise auf die folgende Weise erzeugt werden: Man setze einen Schnitt, der die größtmögliche Leiterschleife in Träger in zwei möglichst symmetrische Teile auftrennt. Das Verfahren läßt sich mit den verbleibenden größtmöglichen Leiterschleifen iterativ wiederholen und somit beliebig verfeinern. Dabei ist zu beachten, daß dieses Verfahren lediglich funktioniert, wenn die Sonde auf Magnetfelder reagiert, die senkrecht zu der Trägerebene, d. h. der Chipebene, sind.
Neben der oben erklärten Wirbelstromthematik weist das oben erklärte Ausführungsbeispiel einen Vorteil hinsichtlich mechanischer Verspannungen des Chips in dem Gehäuse auf, da die Chipinsel in Einzelteile zerfällt und sich die mechanische Spannung lediglich über einen Bruchteil, d. h. für das Ausführungsbeispiel von 5 über jeweils ein Viertel der ursprünglichen Kontaktfläche an der Grenzschicht Chipinsel/Kleber/Chip aufbauen kann. Dadurch vermindern sich die Normalspannungskomponenten in der Chipebene. Es ist jedoch zu beachten, daß die Schubspannungskomponenten ansteigen, wobei diese jedoch in manchen Anwendungen, insbesondere für integrierte Hallsonden, weniger störend sind. Für diesen Fall ist zu bemerken, daß an der Chipunterseite eine Delaminationsgefahr besteht, wodurch sich ein Zuverlässigkeitsrisiko ergeben kann.
Unter Bezugnahme auf 6 wird im folgenden ein weiteres Ausführungsbeispiel erklärt, bei dem die Chipinsel 110 Schlitze 310 aufweist, die derart angeordnet sind, daß sich in dem Chipaufnahmebereich 122 ein mäanderförmiger Bereich 308 mit Stegen 312 ergibt.
Durch das Vorsehen des mäanderförmigen Bereichs 308 werden die den Magnetfeldsensor umgebenden Wirbelstromschleifen durch die Schlitze 310 in der Chipinsel 110 unterbrochen, so daß sich in dem mäanderförmigen Bereich 308 keine starken Wirbelströme ausbilden. Wie es in 6 gezeigt ist, können sich in der Chipinsel 110 Wirbelstromschleifen 314a und 314b ausbilden, die ferner durch horizontale Schlitze (nicht gezeigt) links und rechts eines anzuordnenden Chips entsprechend zu dem Ausführungsbeispiel von 5 reduziert werden können. Vorzugsweise weist der mäanderförmige Bereich 308 eine solche Größe auf, daß ein Chip vollständig in dem Bereich so angeordnet werden kann, daß der Chip lediglich auf den schmalen Stegen des mäanderförmigen Bereichs aufliegt. Daraus ergeben sich Vorteile bezüglich der mechanischen Zuverlässigkeit, da durch die Flexibilität der dünnen Stege 312 mechanische Spannungen ausgeglichen werden können.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß eine große Freiheit in der Wahl der Plazierung der Sonde besteht, die sowohl in dem Zentrum als auch im gesamten Gebiet über dem Mäander plaziert werden kann, da sich im gesamten mäanderförmigen Bereich keine Wirbelstromschleifen ausbilden können, die ein starkes Sekundärfeld am Ort der Sonde erzeugen.
Unter Bezugnahme auf 7 wird im folgenden ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Anschlußleitungsrahmens erklärt. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird die auf dem Chip 124 an geordnete Sonde 128 exzentrisch bezüglich einer Mitte 408 der Chipinsel 110 plaziert. Dies kann einerseits dadurch erreicht werden, daß die Sonde 128 auf dem Chip exzentrisch und ferner der Chip 124 bezüglich der Chipinsel 110 exzentrisch angeordnet ist. Vorzugsweise wird dabei die Sonde in der Nähe einer Ecke der Chipinsel 110 plaziert, so daß ein großer Abstand der Sonde von der Mitte 408 erreicht werden kann.
Unter erneuter Bezugnahme auf das in 2 gezeigte Schaubild nimmt das Sekundärmagnetfeld der Wirbelströme in einem kreisrunden idealisierten Träger mit zunehmendem Abstand von dem Zentrum ab. Wie es bereits erklärt wurde, ergibt sich in der Mitte der Scheibe das maximale Magnetfeld, das jedoch mit der Distanz zur Mitte rasch abfällt und bei einer radialen Entfernung von etwa 90% des Scheibenradius einen Nulldurchgang aufweist. Dieser Nulldurchgang bleibt auch dann erhalten, wenn man in der Mitte des Trägers ein Loch vorsieht, wie es unter Bezugnahme auf 4 erklärt ist. Daher wird die Sonde 128 vorzugsweise nahe an dem Ort des Nulldurchgangs positioniert.
Die in 2 durchgeführten Berechnungen wurden für einen idealisierten Träger mit einer kreisförmigen Form durchgeführt, da sich lediglich diese Geometrie hinreichend leicht analytisch berechnen läßt. Typischerweise weist der Träger jedoch eine rechteckige Form auf, wobei derselbe oftmals Langlöcher und komplizierte Details an jenen Stellen aufweist, an denen die Verbindungsdrähte mit den Zuleitungen verbunden werden. Diese Stellen werden auch als Bondinseln bezeichnet.
Daher wird die Verteilung der Wirbelströme vorzugsweise mit numerischen Methoden, wie beispielsweise einem Finite-Elemente-Verfahren oder einem Boundary-Element-Verfahren berechnet und von diesen Ergebnissen ausgehend der optimale Platz für den Magnetfeldsensor ermittelt. Qualitativ ergibt sich jedoch auch für einen realen Träger, daß die Sonde vor zugsweise relativ nahe am Rand des Trägers positioniert werden soll.
Besonders bevorzugte Gebiete zum Anordnen der Sonde sind nahe den Ecken des Trägers, da dort die Stromdichte der Wirbelströme stark vermindert ist, wodurch der Gradient des Wirbelstromfelds klein wird. Dadurch verläuft die Kurve des Magnetfelds als Funktion des Orts flacher und ist unempfindlicher gegenüber Lagetoleranzen, die bei einer Montage unvermeidlich sind. Dabei ist zu beachten, daß die mechanische Verspannung des Chips in den Ecken des Trägers besonders groß und inhomogen ist, so daß sich in der Praxis für manche Gehäusetypen zeigen kann, daß es aus Zuverlässigkeitsgründen vorteilhaft ist, einen Minimalabstand vom Chip zur Ecke des Trägers einzuhalten. Dabei wird folglich keine vollständige Reduktion des Wirbelstromeinflusses durchgeführt.
Wie es in 7 zu erkennen ist, weist die Chipinsel 110 parallel zu Seitenkanten der Chipinsel 110 angeordnete Langlöcher 400 auf, wie sie teilweise in herkömmlichen Anschlußleitungsrahmen vorgesehen sind. Dabei können durch das Vorsehen zusätzlicher kleiner horizontaler Schlitze 410 die unter dem Chip seitlich hervorstehenden Teile der Chipinsel 110 für Wirbelströme deaktiviert werden, so daß für die Wirbelströme eine Kante 412 bereits zum effektiven Rand der Chipinsel 110 wird. Dadurch kann der Chip nahe an diesen Rand geführt werden, wodurch der Wirbelstromeinfluß gering gehalten ist. Als eine Weiterbildung kann zusätzlich noch eine Ausnehmung, beispielsweise in der Mitte der Chipinsel vorgesehen werden, um eine zusätzliche Reduktion des sekundären Magnetfelds zu erreichen. Dabei wird lediglich der Betrag des sekundären Magnetfelds, jedoch nicht die Feldverteilung nahe der Sonde, verändert.
Bei einem Ausführungsbeispiel, bei dem die Chipinsel massiv, d. h. ohne Ausnehmungen, ausgebildet ist, und eine Reduktion des Wirbelstromfelds durch das exzentrische Plazieren der Sonde 128 erreicht wird, ergibt sich ein Vorteil dahingehend, daß auf der Chipinsel beliebig große Chips befestigbar sind, während durch eventuelle Ausnehmungen lediglich Chips über einer kritischen Größe auf der Chipinsel 110 befestigbar sind. Vorzugsweise wird die Sonde 128 derart angeordnet, daß der Abstand von einem Mittelpunkt einer größten Wirbelstromschleife in der Chipinsel in einem Bereich von 85% bis 95% des Radius der größten Wirbelstromschleife liegt. Besonders bevorzugt ist die Sonde in einer radialen Position von 90 des Radius R der größten Wirbelstromschleife positioniert. Dabei ist die Größe des Chips 124 irrelevant, da durch eine asymmetrische Verschiebung die Position der Sonde verändert werden kann. Dies ist bei dem Ausführungsbeispiel von 7 angedeutet, bei dem der Chip 124 eine asymmetrische Position bezüglich der Chipinsel 110 aufweist. Bei einer Positionierung der Sonde auf dem Chip ist ferner zu beachten, daß unter Umständen ein Minimalabstand zur Chipecke verbleiben sollte, da die Sonde und ihre elektrischen Anschlüsse nahe der Chipecke bei einer thermischen Wechselbelastung durch mechanische Verspannungen verstört werden kann.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann eine Reduzierung des Wirbelstromfelds am Ort der Sonde erreicht werden, indem der Träger bzw. die Chipinsel ein Material mit geringer Leitfähigkeit aufweist. Beispielsweise kann das Material eine Leitfähigkeit aufweisen, die geringer als die Leitfähigkeit von Kupfer oder einer Kupferlegierung, die typischerweise im Stand der Technik verwendet wird, ist. Die Leitfähigkeit sollte jedoch nicht unter der Eigenleitfähigkeit des Substrats des auf dem Träger vorgesehenen Chips bzw. Substrats, beispielsweise eines Si-Substrats, liegen, da die Leitfähigkeit in der Praxis benötigt wird. Die Leitfähigkeit sollte folglich bezüglich der im Stand der Technik verwendeten Kupferlegierung lediglich moderat herabgesetzt werden und vorzugsweise in einem Bereich zwischen der Eigenleitfähigkeit des Substrats und der Leitfähigkeit der Kupferlegierung liegen. Eine Beeinflußung der Leitfähigkeit des Materials des Trägers kann beispielsweise derart erfolgen, daß eine gezielte Verunreinigung eines Materials, das beispielsweise Kupfer sein kann, durchgeführt wird.
Dabei kann entweder der gesamte Anschlußleitungsrahmen aus einem schlechten Leiter bestehen oder vorzugsweise lediglich ein Teil desselben, da zumindest die elektrischen Zuführungen gut leitend sein sollen. Bei einem Ausführungsbeispiel besteht der Anschlußleitungsrahmen aus zwei unterschiedlichen Materialien, wobei die elektrisch leitenden Zuleitungen einen guten Leiter aufweisen, während ein Basissubstrat eine schlechte Leitfähigkeit aufweist. Bei der Montage werden die Zuleitungen und Chips auf das Basissubstrat geklebt, anschließend die Kontakte verbunden und daraufhin das ganze mit einer Vergußmasse umspritzt, wonach die Zuleitungen und möglicherweise auch das Basissubstrat aus dem Außenrahmen des Anschlußleitungsrahmens gestanzt werden.
Eine weitere Möglichkeit zur Reduktion eines Wirbelstromfelds am Ort der Sonde kann erreicht werden, indem der Anschlußleitungsrahmen dünner als im Stand der Technik, d.h. beispielsweise dünner als etwa 200 μm, ausgeführt wird. Die dadurch erreichte Reduktion ist proportional zu der Reduktion der Trägerdicke, so daß beispielsweise bei einer Halbierung der Trägerdicke eine Halbierung des Wirbelstromfelds erreicht wird. Vorzugsweise wird dabei die Chipinsel dünner als der Rest des Anschlußleitungsrahmens ausgeführt, da die Zuleitungen in ihrer Dicke ein gewisses Maß nicht überschreiten sollten, um eine gute elektrische Leitung und eine mechanische Stabilität zu gewährleisten.
Im folgenden soll nun ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung erklärt werden, bei dem anstelle eines Anschlußleitungsrahmens ein Träger verwendet wird, der mittels einer Flip-Chip-Technik an einem Substrat befestigt wird. Dabei wird auf die an dem Chip vorgesehene Anschlußflä che ein Höcker aufgebracht, der den Kontakt zu einer Leiterstruktur bzw. Metallisierung, wie beispielsweise eine Cu/Ni/Au-Metallisierung, auf einem Zwischensubstrat oder direkt auf einer Leiterplatte herstellt. Der Höcker, der vorzugsweise ein Löthöcker (solder bump) ist, weist beispielsweise die Form einer Miniaturkugel oder eines flachen Zylinders auf, der beispielsweise einen maximalen Durchmesser von 200 μm und eine Höhe von 50 μm auf weisen kann. Diese Technik wird in zunehmendem Maße für integrierte Schaltungen mit sehr vielen Zuleitungen oder bei extremen Hochfrequenzanwendungen verwendet, da man die Kontakte nicht nur am Umfang sondern an der ganzen Unter-/Oberseite des Chips in Matrixanordnung anbringen kann, wodurch die Länge und Induktivität der Zuleitungen klein wird.
In Verbindung mit Magnetfeldsensoren ergibt die Anwendung von Flip-Chip-Techniken einen neuen Vorteil, da das gesamte leitfähige Volumen der Höcker geringer als das Volumen eines herkömmlichen Anschlußleitungsrahmens ausgeführt werden kann. Besonders vorteilhaft ist dies bei integrierten Schaltungen mit nur wenigen Zuleitungen, wie beispielsweise zwei bis vier Zuleitungen.
Ferner lassen sich die Höcker in einer größeren räumlichen Entfernung zur Sonde auf dem Chip anordnen, so daß der Einfluß der Wirbelströme in den Höckern auf den Magnetfeldsensor reduziert wird. Vorzugsweise werden die Höcker am Umfang des Chips angebracht, so daß man die Sonde in der Mitte des Chips plazieren kann, wodurch die Höcker einen maximalen Abstand von der Mitte aufweisen. Folglich kann dabei die Sonde an der Stelle belassen werden, an der sie üblicherweise bei herkömmlichen Niederfrequenzanwendungen plaziert ist.
8a zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem auf einem Chip 500 eine Sonde 510 in der Mitte des Trägers angeordnet ist. Auf dem Chip 500, der beispielsweise Silizium aufweist, sind vier Höcker 512 befestigt, die jeweils symmetrisch zu der Sonde 510 nahe der jeweiligen Ecken des Chips 500 befestigt sind. Die Höcker 512 sind ferner mit einem Träger 514 verbunden, der beispielsweise ein Zwischensubstrat oder eine Schaltungsplatine sein kann. Der Träger 514 weist Leiterstrukturen bzw. Kontaktstrukturen 516 auf, die beispielsweise Leiterbahnen oder Metallisierungen umfassen können. Die Leiterstrukturen 516 werden vorzugsweise so gewählt, daß die Höcker 512 die jeweils zugeordneten Kontakte direkt kontaktieren, wobei sich dieselben vorzugsweise mit einem großen Abstand zu der Sonde erstrecken, um ein Wirbelstromfeld am Ort der Sonde gering zu halten.
Bei diesem Ausführungsbeispiel werden folglich die Höcker 512 verwendet, um einen elektrischen Anschluß von dem Chip 500 zu den Leiterstrukturen 516 auf dem Träger 514 zu erreichen. Der Vorteil dieses Ausführungsbeispiels besteht darin, daß sich die Höcker in großer räumlicher Entfernung zur Sonde anordnen lassen, wobei sich ferner in den Höckern lediglich sehr geringe Wirbelströme ausbilden können. Dies ermöglicht eine sehr gute Reduzierung der Wirbelstrom-Einflüsse, wobei zur Realisierung auf das Wissen der bekannten Flip-Chip-Technik zurückgegriffen werden kann, wodurch eine schnelle Realisierung einer Produktion erreicht wird.
8b zeigt eine Querschnittdarstellung der in 8a gezeigten Anordnung. Wie es zu erkennen ist, sind die Höcker 512 derart angeordnet, daß dieselben Anschlußflächen 518 des Chips 500 mit den Leiterstrukturen 516 verbinden. Die Anschlußflächen 518 und die Magnetfeldsonde 510 sind auf einer Oberfläche 500a des Chips 500a angeordnet, die dem Träger 514 gegenüberliegt.
Eine quantitative Darstellung der Einflüsse aufgrund der Hökker wird nachfolgend unter Bezugnahme auf 9 näher erklärt. In dem Schaubild von 9 ist auf einer x-Achse eine Entfernung des Höckers zu dem Magnetfeldsensor normiert auf einen Radius des Höckers aufgetragen. Auf der y-Achse ist ferner ein Imaginärteil des Wirbelstromfelds in die Richtung senkrecht zu der Chipoberfläche normiert auf das angelegte Magnetfeld in einer logarithmischen Auftragung dargestellt. Für den Radius der Höcker wurde ein Wert von a = 100 μm und eine Höhe von 50 μm gewählt, wobei die Leitfähigkeit desselben mit 50 MS/m angenommen wurde. Da die Höcker direkt auf dem Chip befestigt sind, wird bei der Berechnung ein Abstand der Höcker in Richtung senkrecht zu der Chipoberfläche als Null angenommen. Der in 9 gezeigte Verlauf des Sekundärfelds der Wirbelströme wurde für eine Frequenz von 10 kHz des zu messenden Feldes berechnet.
In erster Näherung weisen die Wirbelströme eine Phasenverschiebung von –90° gegenüber dem angelegten Feld auf, so daß ihr Sekundärfeld rein imaginär ist.
In dem Schaubild von 9 ist zu erkennen, daß das Magnetfeld aufgrund der Wirbelströme in den Höckern generell sehr klein ist. Bezogen auf das wirbelstromerzeugende Primär-Magnetfeld liegt das sekundäre Wirbelstromfeld gemäß 9 in einem Bereich von 10^–4 bis 10^–7 bezogen auf das angelegte Magnetfeld. Der durch die Wirbelströme der Höcker verursachte Fehler liegt folglich bei Frequenzen bis zu 10 kHz wesentlich unter 1 %, so daß der durch die Höcker hervorgerufene Einfluß für die meisten Anwendungen vernachlässigbar ist.
Da reale Sensoren auf den Mittelwert des Magnetfelds über einen Bereich auf der Oberfläche der integrierten Schaltung reagieren, der bei Hallsonden bei einer einzigen Sonde zumeist ein Quadrat mit 100 μm Seitenlänge, bei einem Sondenquadrupel ein Quadrat von 300 μm Seitenlänge umfaßt, wird das Zentrum der Sonden vorteilhafterweise auf einen Punkt möglichst großer Symmetrie bezüglich der durch die Wirbelströme hervorgerufenen Felder gelegt. In dem Ausführungsbeispiel gemäß 8a ist dieser Symmetriepunkt das Chipzentrum.
Der Symmetriepunkt kann beispielsweise entsprechend zu der Ermittlung eines „Schwerpunkts" erfolgen, so daß der Magnetfeldsensor in dem Punkt angeordnet ist, bei dem die Summe der Quadrate der Abstände von dem Magnetfeldsensor zu den jeweiligen Höckern minimal ist.

100: Anschlußleitungsrahmen
110: Chipinsel
112a: Steg
112b: Steg
114: Außenrahmen
116a–d: Zuleitungen
118a–d: Trennbereiche
120a–b: Trennbereiche
122: Chipaufnahmebereich
124: Chip
126: Ausnehmung
128: Sonde
130: Wirbelströme
132: Klebepunkte
134: Anschlußflächen
136: Draht
200: Anschlußleitungsrahmen
210: Ausnehmung
212a–d: Schlitze
214a–d: Segmente
308: mäanderförmiger Bereich
310: Schlitze
312: Stege
314a: Wirbelstromschleife
314b: Wirbelstromschleife
400: Langlöcher
408: Mitte
410: Schlitze
412: Kante
500: Chip
500a: Oberfläche
510: Sonde
512: Höcker
514: Träger
516: Leiterstruktur
518: Anschlußflächen

Claims

Anschlußleitungsrahmen für einen in einem Halbleiterchip (124) ausgeführte Magnetfeldsonde (128), wobei der Anschlußleitungsrahmen folgende Merkmale umfaßt: eine leitfähige Chipinsel (110) zur Anbringung des Halbleiterchips (124); und Zuleitungen (116a–d), die für eine elektrische Verbindung mit Anschlußstrukturen des Halbleiterchips (124) vorgesehen sind, wobei die Chipinsel (110) ausgebildet ist, um von einem zu erfassenden Magnetfeld hervorgerufene Wirbelströme zu reduzieren.
Anschlußleitungsrahmen gemäß Anspruch 1, bei dem die Chipinsel (110) eine Ausnehmung (126; 210, 212a–d; 310; 410) aufweist.
Anschlußleitungsrahmen gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem die Ausnehmung (126) in einem Bereich der Chipinsel (110) angeordnet ist, auf dem der Halbleiterchip (124) zur Befestigung vorgesehen ist.
Anschlußleitungsrahmen gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Ausnehmung (126) mittig auf der Chipinsel (110) angeordnet ist.
Anschlußleitungsrahmen gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Chipinsel (110) eine längliche Ausnehmung (212a–d; 310,; 410) aufweist.
Anschlußleitungsrahmen gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die Chipinsel (110) in einzelne Segmente durchtrennt ist.
Anschlußleitungsrahmen gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die Chipinsel (110) eine erste Ausnehmung (126) und eine zweite längliche Ausnehmung (212a–d) aufweist.
Anschlußleitungsrahmen gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem die Chipinsel (110) eine Mehrzahl von länglichen Ausnehmungen (212a–d) aufweist, die die Chipinsel (110) symmetrisch unterteilen.
Anschlußleitungsrahmen gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem die Chipinsel (110) eine Mehrzahl von länglichen Ausnehmungen (310) aufweist, die derart angeordnet sind, daß in einem Bereich (308) der Chipinsel (110) eine Mäanderstruktur ausgebildet ist.
Anschlußleitungsrahmen gemäß Anspruch 9, bei dem der Bereich der Mäanderstruktur so ausgestaltet ist, daß ein Halbleiterchip (124) lediglich auf Stegen (312) der Mäanderstruktur befestigbar ist.
Anschlußleitungsrahmen gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem die Chipinsel (110) eine Ausnehmung (210, 212a–d) mit einem konvexen Umfang aufweist.
Anschlußleitungsrahmen gemäß Anspruch 11, bei dem die Ausnehmung mit einem konvexen Umfang durch eine erste Ausnehmung (210) und zweiten länglichen Ausnehmungen (212a–d; 310) gebildet ist.
Anschlußleitungsrahmen gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, bei dem die Chipinsel (110) eine geringere Leitfähigkeit als die Zuleitungen (116a–d) aufweist.
Anschlußleitungsrahmen gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13, bei dem die Chipinsel (110) eine Dicke aufweist, die geringer als eine Dicke der Zuleitungen ist.
Magnetfeldsensor mit folgenden Merkmalen: einem Halbleiterchip (500) mit einer Magnetfeldsonde (510); einem Träger (514) für den Halbleiterchip (500); und einer Verbindungseinrichtung (512) zum Verbinden von mit dem Träger gekoppelten Zuleitungen (516) mit dem Halbleiterchip (500), wobei die Magnetfeldsonde (510) bezüglich der Verbindungseinrichtung (512) so angeordnet ist, daß ein Einfluß von Wirbelströmen aufgrund eines zu erfassenden Magnetfelds reduziert ist.
Magnetfeldsensor gemäß Anspruch 15, bei dem die Verbindungseinrichtung einen Höcker (512) aufweist.
Magnetfeldsensor gemäß Anspruch 15 oder 16, bei dem der Träger (514) für den Halbleiterchip (500) ein Substrat oder eine Leiterplatte umfaßt.
Magnetfeldsensor gemäß Anspruch 15 bis 17, bei dem die Verbindungseinrichtung mehrere Höcker (512) aufweist, wobei die Magnetfeldsonde so angeordnet ist, daß die Summe der Quadrate der Abstände von dem Magnetfeldsensor zu den jeweiligen Höckern minimal ist.
Magnetfeldsensor gemäß einem der Ansprüche 15 bis 18, bei dem der Träger eine Leiterplatte mit einer Leiterstruktur (516) aufweist, wobei der Chip auf dem Träger so angeordnet ist, daß der Abstand zu der Leiterstruktur (516) maximal ist.
Magnetfeldsensor mit folgenden Merkmalen: einem Halbleiterchip (124) mit einer Magnetfeldsonde (128); einer leitfähigen Chipinsel (110) zur Anbringung des Halbleiterchips (124); und Zuleitungen (116a–d), die für eine elektrische Verbindung mit Anschlußstrukturen des Halbleiterchips (124) vorgesehen sind, wobei der Halbleiterchip (124) auf der Chipinsel (110) so angeordnet ist, daß ein Einfluß von Wirbelströmen auf die Magnetfeldsonde (128) geringer ist als in einem anderen Bereich der Sonde.
Magnetfeldsensor gemäß Anspruch 20, bei dem die Chipinsel (110) eine Ausnehmung (126; 210, 212a–d; 310; 410) aufweist.
Magnetfeldsensor gemäß Anspruch 20 oder 21, bei dem die Magnetfeldsonde in einem Bereich der Ausnehmung (126) angeordnet ist.
Magnetfeldsensor gemäß einem der Ansprüche 20 bis 22, bei dem die Ausnehmung (126) mittig auf der Chipinsel (110) angeordnet ist.
Magnetfeldsensor gemäß einem der Ansprüche 20 bis 23, bei dem die Chipinsel (110) eine längliche Ausnehmung (212a–d; 310; 410) aufweist.
Magnetfeldsensor gemäß einem der Ansprüche 20 bis 24, bei dem die Chipinsel (110) in einzelne Segmente durchtrennt ist.
Magnetfeldsensor gemäß einem der Ansprüche 20 bis 25, bei dem die Chipinsel (110) eine erste Ausnehmung (126) und eine zweite längliche Ausnehmung (212a–d) aufweist.
Magnetfeldsensor gemäß einem der Ansprüche 20 bis 26, bei dem die Chipinsel (110) eine Mehrzahl von länglichen Aus nehmungen (212a–d) aufweist, die die Chipinsel (110) symmetrisch unterteilen.
Magnetfeldsensor gemäß einem der Ansprüche 20 bis 27, bei dem die Chipinsel (110) eine Mehrzahl von länglichen Ausnehmungen (310) aufweist, die derart angeordnet sind, daß in einem Bereich (308) der Chipinsel (110) eine Mäanderstruktur ausgebildet ist.
Magnetfeldsensor gemäß einem der Ansprüche 20 bis 28, bei dem der Halbleiterchip (124) lediglich auf Stegen (312) der Mäanderstruktur befestigt ist.
Magnetfeldsensor gemäß einem der Ansprüche 20 bis 29, bei dem die Chipinsel (110) eine Ausnehmung (210, 212a–d) mit einem konvexen Umfang aufweist.
Magnetfeldsensor gemäß einem der Ansprüche 20 bis 30, bei dem die Ausnehmung mit einem konvexen Umfang durch eine erste Ausnehmung (210) und zweiten länglichen Ausnehmungen (212a–d; 310) gebildet ist.
Magnetfeldsensor gemäß einem der Ansprüche 20 bis 31, bei dem die Chipinsel (110) eine geringere Leitfähigkeit als die Zuleitungen (116a–d) aufweist.
Magnetfeldsensor gemäß einem der Ansprüche 20 bis 32, bei dem die Chipinsel (110) eine Dicke aufweist, die geringer als eine Dicke der Zuleitungen ist.
Magnetfeldsensor gemäß einem der Ansprüche 20 bis 33, bei dem die Chipinsel (110) einen spezifischen Widerstand aufweist, der geringer als 10^–3Ωcm ist.
Magnetfeldsensor gemäß einem der Ansprüche 20 bis 34, bei dem die Magnetfeldsonde (128) an einem Ort angeordnet ist, bei dem der Einfluß der Wirbelströme auf die Magnetfeldsonde (128) minimal ist.
Magnetfeldsensor gemäß einem der Ansprüche 20 bis 35, bei dem die Magnetfeldsonde (128) an einer Kante der Chipinsel (110) angeordnet ist.
Magnetfeldsensor gemäß einem der Ansprüche 20 bis 35, bei dem die Chipinsel (110) eine rechteckige Form aufweist und die Magnetfeldsonde (128) in einer Ecke der Chipinsel (110) angeordnet ist.
Magnetfeldsensor gemäß einem der Ansprüche 20 bis 35, bei dem die Chipinsel (110) eine runde Form aufweist und die Magnetfeldsonde (128) so angeordnet ist, daß der Abstand der Magnetfeldsonde (128) von der Mitte der Chipinsel (110) größer als 60% des Radius der Chipinsel (110) ist.
Magnetfeldsensor gemäß einem der Ansprüche 20 bis 35, bei dem die Chipinsel (110) eine runde Form aufweist und die Magnetfeldsonde (128) so angeordnet ist, daß der Abstand der Magnetfeldsonde (128) von der Mitte der Chipinsel (110) größer als 80% des Radius der Chipinsel (110) ist.
Magnetfeldsensor gemäß einem der Ansprüche 20 bis 35, bei dem die Magnetfeldsonde (128) derart angeordnet ist, daß der Abstand von einem Mittelpunkt einer größten Wirbelstromschleife in der Chipinsel (110) in einem Bereich von 85% bis 95% des Radius der größten Wirbelstromschleife liegt.