JP5850348B2

JP5850348B2 - 電流センサ

Info

Publication number: JP5850348B2
Application number: JP2014042399A
Authority: JP
Inventors: ロバートラクツ; ジャンチェン; マチューアッカーマン
Original assignee: マレクシステクノロジーズエヌヴィー
Priority date: 2013-03-08
Filing date: 2014-03-05
Publication date: 2016-02-03
Anticipated expiration: 2034-03-05
Also published as: EP2775311B8; CH707687B1; CN104034935A; EP2775311A3; US20140253103A1; EP2775311B1; CH707687A1; JP2014174170A; US9529013B2; CN104034935B; EP2775311A2

Description

本発明は、電流センサ、特にＩＣパッケージ（ＩＣ＝集積回路）内に実装され、導電体をパッケージにリード加工する電流センサに関する。

入手可能な導電体には、多くの構成および変形体がある。電流によって発生する磁場を検出する電流センサは、普通のＩＣパッケージ内に実装され、測定対象の電流が流れている導電体は、このパッケージを通って誘導され、このような電流センサは、例えば欧州特許第１４４３３３２号明細書（特許文献１）、国際特許第２００５０２６７４９号明細書（特許文献２）、国際特許第２００６１３０３９３号明細書（特許文献３）および独国特許第１０２００９０５４８９２号明細書（特許文献４）で知られている。このような電流センサは、マウントに使用され電気端子を生み出すのに使用されるリードフレームの一部として配置される導電体を有するとともに、リードフレームにマウントされる半導体チップであって、少なくとも１つの磁場センサを備えるほか、この磁場センサの動作に必要でかつこの磁場センサの出力信号の処理にも必要な電子回路を備える半導体チップを有する。

パッケージに搭載されている導電体は、断面が比較的小さく、磁場センサ領域の断面はさらに一層縮小していて、その領域の電流密度を上げるとともに、それに伴い磁場を局所的に増大するようになっているため、導電体内で電力が分散することで生じる熱が電流センサを加熱することになり、これによって望ましくない磁場センサのドリフト変動が生じる。導電体および半導体チップに集積された電子回路は、互いに電気的に絶縁している必要があり、機械設備によって所定の絶縁耐力が必要であり、通常は２〜４ｋＶである。

欧州特許第１４４３３３２号明細書国際特許第２００５０２６７４９号明細書国際特許第２００６１３０３９３号明細書独国特許第１０２００９０５４８９２号明細書

本発明は、比較的高い公称電流および高い絶縁耐力を得るための電流センサであって、必要なスペースの量が小さく、低コストで製造できる電流センサを開発するという目的に基づくものである。

本発明による電流センサは、
プラスチック製のパッケージ、
一体型の第１の電気端子および第２の電気端子を有する導電体であって、該導電体を通って測定対象の電流が供給され放出される、導電体、
第３の電気端子、
少なくとも１つの磁場センサを備える活性面を有する半導体チップであって、導電体を流れ、半導体チップの活性面に対して垂直に走る電流によって発生した磁場成分に反応する、半導体チップ、
を備え、
第１の電気端子および第２の電気端子は、パッケージの第１の辺に配置され、第３の電気端子は、第１の辺とは反対側のパッケージの辺に配置され、
半導体チップの活性面は、導電体に面し、半導体チップの電気接続面は、第１のバンプを介して第３の電気端子に接続し、第２のバンプは、導電体上または導電体の突起部上にあり、第２のバンプは、絶縁層を介して半導体チップから電気的に分離されている。

好ましくは、半導体チップの下に位置する第３の電気端子の端部は、実質的に１本の線に沿って配置され、隣接する導電体のエッジがこの線に平行に延び、その結果、第３の電気端子はすべて、ほぼ同一距離を置いて導電体から離れている。

好ましくは、導電体は、少なくとも２つの突起部を備え、この突起部は、パッケージのエッジに向かって延び、そのエッジで曝露している。

好ましくは、絶縁層は、有機材料の層を備える。有機材料は、ポリイミドであってよい。

好ましくは、半導体チップのバルク材料の表面と第２のバンプとの間には、電気接続を起こすために使用される導電構造がない。

導電体は、３辺を強磁性層で完全に覆われてよく、第４の辺が接合領域で半導体チップに面する。

半導体チップは、背面を強磁性層で覆われてよい。

パッケージは、ＱＦＮパッケージであってよく、この場合、電流センサの電気端子のみがＱＦＮパッケージの下側で曝露される。

好ましくは、少なくとも１つの磁場センサは、２つの磁場センサまたは磁場センサ群を備え、この磁場センサは、導電体の様々なエッジに配置され、その結果、導電体を流れる電流によって生じる磁場が、２つの磁場センサがある場所で逆方向を向く。

添付の図面は、本明細書に組み込まれて本明細書の一部をなすものであり、本発明の１つ以上の実施形態を示し、詳細な記載とともに本発明の原理および実施を説明するためのものである。図は原寸通りではない。

本発明による電流センサの第１の実施形態の上面図である。バンプを有する半導体チップの断面図である。本発明による電流センサの第２の実施形態の上面図である。本発明による電流センサの第３の実施形態の上面図である。本発明による電流センサの第３の実施形態の下面図である。本発明による電流センサのさらに別の実施形態の上面図である。本発明による電流センサのさらに別の実施形態の上面図である。本発明による電流センサのさらに別の実施形態の断面図である。本発明による電流センサのさらに別の実施形態の断面図である。

図１は、本発明による電流センサの上面図である。電流センサは、少なくとも１つの磁場センサ２を有するとともに、この少なくとも１つの磁場センサ２を動作させるための電子回路であって、少なくとも１つの磁場センサ２によって供給された測定済みの信号を処理するための電子回路を有する、半導体チップ１を備える。電流センサは、さらに、平坦な導電体３を備え、この導電体の端部は、一体型の第１の電気端子４および第２の電気端子５として形成されている。電流センサは、さらに、第３の電気端子６を備え、この第３の電気端子は、電子回路に電力を供給するのに使用されるとともに、出力信号を出力するのに使用される。第３の電気端子の数は、少なくとも３つであり、例えば４つである。導電体３および半導体チップ１は、ＩＣパッケージ７に実装され、電気端子４、５および６は、いずれもＩＣリードとしてパッケージ７から突出しているか（例えばＳＯＩＣ−８またはＳＯＩＣ−１６パッケージの場合）、あるいはパッケージ７の底面および／または側壁に曝露されている（例えばＱＦＮパッケージの場合）。導電体３および電気端子４、５および６は、製造に使用されたいわゆるリードフレームの一部である。電気端子４および５は、パッケージ７の第１の辺に配置され、電気端子６は、第１の辺の反対側であるパッケージ７の第２の辺に配置されている。半導体チップ１は、フリップチップとしてマウントされる。すなわち、少なくとも１つの磁場センサ２および電子回路が集積されているこのチップの活性面は、導電体３に面し、いわゆる第１のバンプ８が半導体チップ１と電気端子６との間に電気的接続を起こす。導電体３と半導体チップ１との間には第２のバンプ９が追加で配置され、この第２のバンプは、半導体チップ１と導電体３との間に何ら電気的接続を起こさないが、図２に詳細に示したように、絶縁層を介して半導体チップ１から分離されている。絶縁層は、単一の非導電層、例えばパッシベーション層、または互いに重なっている２つ以上の非導電層すなわち電気絶縁層からなるものであってよい。

導電体３は、実質的にＵ字型であり、このＵ字は、３つのセクションで形成される。つまり第１の電気端子４を備える第１のセクション、平行なエッジ１２を有する第２の細長いセクション、および第２の電気端子５を備える第３のセクションである。図１に示したような本発明による電流センサの実施形態では、導電体３は、第１の電気端子４を２つ備え、かつ第２の電気端子５を２つ備え、これらの端子は端子リードとしてパッケージ７から突出している。パッケージ７から突出している第１の電気端子４の端子リードの端部は、その端部部分で互いに接続でき、すなわちいわゆるヒューズ付きリードとして形成でき、パッケージ７から突出している第２の電気端子５の端子リードの端部も同様である。好ましくは、２つの磁場センサ２または磁場センサ群を設け、これを導電体３のエッジ１２の領域で中央セクションの両サイドに配置する。導電体３を流れる電流によって生じる磁場は、２つの磁場センサ２がある場所では逆方向を向いているため、２つの磁場センサ２の出力信号は互いに打ち消される（差動回路）。その結果、均質な外部の干渉磁場の影響を排除することができる。各磁場センサは、好ましくは１つのホール素子またはホール素子群である。

第１のバンプ８および第２のバンプ９は、半導体チップ１に施され、第１のバンプ８は電気接続面１３（図２）と接触しているのに対し、第２のバンプ９は絶縁層を介して半導体チップ１の活性面から電気的に分離している。電流センサの製造過程で、半導体チップ１は、フリップチップとしてリードフレーム上に定置される。第１のバンプ８は、第３の電気端子６の上に載せられ、半導体チップ１と電気端子６との間を電気的に接続する。第２のバンプ９は、導電体３の上に載せられる。両バンプの役割は、半導体チップ１を支持することであり、これによって半導体チップ１の活性面は、導電体３の表面と平行に並び、パッケージ７内に実装される間もそのままの状態であり、これは金型への成形で達成される。絶縁層によって、第２のバンプ９およびそれに伴い導電体３も半導体チップ１から電気的に分離される。

本発明による電流センサは、所定の標準的なＩＣパッケージを用いた状態で、高い絶縁耐力を達成するともに、可能な最大の公称電流を達成するように設計されている。いずれの目標も、フリップチップの下に位置する第３の電気端子６の端部が実質的に線１１に沿って配置されるように達成され、この線は、導電体３の中央セクションの隣接するエッジ１２に平行に延び、第３の電気端子６はすべて、ほぼ同一距離Ａを置いて導電体３から離れている。距離Ａは、必要な絶縁耐力が得られる程度の長さである。第３の電気端子６を線１１に沿って配置することで、導電体３は、全体的にパッケージ７の内部で使用できる領域を広く占有することができ、この領域は、導電体３とパッケージ７との剥離を防止するのに必要である導電体３の凹部および／または開口部を除く。換言すれば、導電体３は、どの部分も比較的幅が広く、これによって導電体の電気抵抗が可能な最小値まで下がるため、所定のパッケージ寸法での電力損失が最小になるとともに、発生した熱が効率よく周囲環境に放散される。

第１のバンプ８および第２のバンプ９は、距離Ｂを置いて互いに離れて位置している。両バンプは、好ましくは半導体チップ１の対面するエッジの近傍に配置されて、距離Ｂが最大になる。距離Ｂは、これより短くてもよい。第２のバンプ９の支持機能は、通常Ｂ＞Ａのときに果たされる。なぜなら、この場合の距離Ａは、普通、半導体チップ１の１辺の長さの少なくとも４分の１から３分の１だからである。第２のバンプ９は２つあることが好ましい。第２のバンプ９を１つのみ設けることもできるが、その場合、そのバンプを半導体チップ１のほぼ中央の軸に配置しなければならない。

曝露している接続面１３を除けば、半導体チップ１の活性面は、パッシベーション層１４で覆われ、このパッシベーション層は、例えば二酸化シリコンまたは窒化シリコンで構成される。パッシベーション層１４は、非導電体である。さらに別の非導電層１５を比較的薄いパッシベーション層１４の上に施し、パッシベーション層の厚みは、導電体３と半導体チップ１との間で必要な絶縁耐力が得られるような寸法にする。非導電層１５の材料には、有機材料が特に適している。ポリイミドが好適な有機材料の一例である。非導電層１５の厚みは、普通１０から２０μｍの範囲内だが、これよりも大きい３０またはさらに４０μｍという値に達してもよい。パッシベーション層１４および非導電層１５は、合わせて二重絶縁層を形成し、これを図２に示し、符号１０で表記している。

導電体３は、電気抵抗を有し、これによって、導電体３を流れる電流は熱を発生させ、この熱を周囲環境に放散する必要がある。許容される最大電流によって発生する熱を最小に抑えるため、導電体３は、全長にわたって可能な限り広く作製する必要がある。一方、導電体３の幅は、少なくとも１つの磁場センサ２の領域で可能な限り狭く作製して、導電体３を流れる電流によって生じる磁場を最大にする必要がある。導電体３の厚みは均一である。なぜなら、この厚みは、リードフレームの厚みによってあらかじめ決まっているからである。端子リードの立体形状、すなわちとりわけ端子リードの幅Ｗ_１は、規格によってあらかじめ決まっている。導電体３の幅は、端子リードの所定幅Ｗ_１よりも常に広いことが有利である。導電体３には、必要であれば追加の開口部またはスリットを設けて、パッケージ７からの剥離をなくすようにすることができる。

機械的安定性を増大するために、導電体８には、任意選択で突起部１６を形成し、この突起部は、元々リードフレームのフレームに接続しているが、製造工程の最後で電気端子４、５および６と一緒にリードフレームのフレームから切断される。したがって、突起部１６は、パッケージ７のエッジで曝露されている。例では２つの突起部１６が設けられ、両突起部は、導電体３の中央セクションの延長部に構成されている。

図２は、第１のバンプ８および第２のバンプ９を有する半導体チップ１の断面図であり、図は原寸通りではない。パッシベーション層１４および新たに設けた非導電層１５は、合わせて絶縁層１０を形成し、第１のバンプ８が半導体チップ１の電気接続面１３と接触する場所を除いて半導体チップ１の活性面を覆っている。バンプ８および９は、標準的な技術を用いて製造される。両バンプは、例えば金属層１７（金属ビアと呼ばれる磁場に）、銅層１８および半田層１９を備える。バンプ８および９は、他の材料で作製されてもよい。金属層１７は、２つ以上の材料を重ねたものであってもよく、このようにすると、金属層１７は、うまく接合するとともに、銅層１８を電着するためのシード層として使用することができる。フリップチップをリードフレームにマウントする際に、バンプ８および９を溶融して電気端子６または導電体３と半田付けする。第１のバンプ８は、半導体チップ１上で電気接続面１３に電気接続し、絶縁層１０は、導電体３と半導体チップ１との間の電気接続を防止する。

有利には、半導体チップ１のバルク材料の表面と第２のバンプ９との間には導電構造がなく、絶縁耐力をさらに増大させる。このような導電構造は、例えば接続面１３の金属化層など、電気接続を起こすために設けた金属化層で作製される。

図３は、本発明による電流センサの第２の実施形態の上面図であり、この電流センサはＳＯＩＣ−１６パッケージ用に設計されている。第１および第２の実施形態では、導電体３は、導電体３に一体形成された突起部または一体に取り付けられた突起部を２つ備え、この突起部の上には第２のバンプ９が配置されている。これらの突起部によって、第１のバンプ８および第２のバンプ９をそれぞれ半導体チップ１のエッジの近傍に配置できるとともに、半導体チップ１を、導電体の中央セクションで導電体３の長手軸に対してほぼ対称になるように配置することができる。比較的広く作製されている導電体３の中央セクションと組み合わせると、最終的に導電体３は、半導体チップ１に対して比較的広い面積を持つ熱源になり、その結果、磁場センサ２およびこの磁場センサ２を動作させるのに必要なアナログ電子回路がある領域では温度勾配が生じない。

図４は、本発明による電流センサの第３の実施形態の上面図であり、この電流センサは、ＱＦＮパッケージ用に構成され、最適化されている。図５は、電流センサを下からすなわち底面から見た図である。リードフレームは、公称厚みである第１の領域２０および厚みの薄い第２の領域２１を含んでいる。第１の領域２０は、パッケージ７の底面で曝露されている。第２の領域２１は、パッケージ７の内側に位置している。第１の領域２０は、電流センサの端子に対応し、この端子を介して電流センサはプリント回路基板に接続される。機械的安定性を増大するために、導電体３も、有利には突起部１６を有するこの実施形態に形成され、この突起部は、元々リードフレームのフレームに接続しているが、製造工程の最後で電気端子４、５および６と一緒にリードフレームのフレームから切断される。突起部１６は、パッケージ７のエッジで曝露されている。２つの突起部１６は、この実施形態ではそれぞれ、導電体３の中央セクションの延長部の両サイドに設けられる。

図６は、第２の実施形態の一変形例を示し、この場合、導電体３の中央セクションは、２つの磁場センサ２の領域で狭くなり、２つの磁場センサ２の間の距離は短くなっている。図７は、第２の実施形態の電流センサのさらに別の変形例であり、この場合、導電体３の中央セクションは、２つの磁場センサ２の領域にある２つのスロット２２によってＳ字型に形成されている。スロット２２は、導電体３が２つの磁場センサ２の領域で狭くなって磁場センサ２をＵ字型に囲むように構成される。図４に示したような電流センサと比較して、この２つの変形例では、公称電流を小さくすることで感度を上げることが達成されている。

図８は、本発明による電流センサの一実施形態の断面図（原寸通りではない）であり、この場合、導電体３は、３辺が強磁性層２３で完全に覆われ、接合領域である第４の辺のみが半導体チップ１に面している。強磁性層２３は、磁場センサ２を覆う程度に広がっている。強磁性層２３の厚みは、約５０から１００μｍだが、これ以上であってもよい。この強磁性層は、導電体３を流れる電流によって発生する磁場を、磁場センサ２の場所で増幅する磁気ヨークである。強磁性層２３は、例えば電気めっきを用いて導電体３の上に施される。

図９は、本発明による電流センサの一実施形態の断面図（原寸通りではない）であり、この場合、半導体チップ１の背面には強磁性層２４が施されている。強磁性層２４は、導電体３によって発生した磁場に対する磁気抵抗を低減し、その磁場を増幅する。その一方で、半導体チップ１がかかっている面に平行に広がっている外側の磁場に対するシールドとして作用する。

図８および図９の実施形態を合わせてもよく、このようにすると、両方の強磁性層２３および２４が存在することになる。

本発明による電流センサの構成は、例えば規格ＵＬ６０９５０−１の要件を満たしている。

本発明の実施形態および適用例を示して説明してきたが、本開示の利益を受ける当業者には、本明細書に記載した発明概念から逸脱しない限り、上記の内容よりもさらに多くの修正を加えてもよいことは明らかであろう。したがって、本発明は、添付の特許請求の範囲の精神およびその均等物を除いて限定されるものではない。

Claims

高い公称電流を得るための電流センサであって、
プラスチック製のパッケージ（７）、
測定対象の電流が供給され放出される、導電体（３）、
少なくとも１つの磁場センサ（２）を備える活性面を有する半導体チップ（１）であって、前記導電体（３）を流れる電流によって発生する、前記半導体チップ（１）の前記活性面に対して垂直な方向の磁場成分に前記少なくとも１つの磁場センサ（２）が反応する、半導体チップ（１）、を備え、
前記導電体（３）はＵ字型を形成する３つのセクション、すなわち、一体型の第１の電気端子（４）を備える第１のセクション、互いに平行な２つのエッジ（１２）を有する細長い第２のセクション、一体型の第２の電気端子（５）を備える第３のセクション、および一体成型された２つの突起を備え、
前記第１の電気端子および第２の電気端子（４、５）は、前記パッケージ（７）の第１の辺に配置され、さらに、第３の電気端子（６）が前記第１の辺とは反対側の前記パッケージ（７）の辺に配置され、
前記半導体チップ（１）は、前記導電体（３）の細長い前記第２のセクションに対して、前記半導体チップ（１）が前記導電体（３）の細長い前記第２のセクションの互いに平行なエッジ（１２）からほぼ対称的に突出するように配置され、
前記半導体チップ（１）の前記活性面は前記導電体（３）に面し、
第１のバンプ（８）が前記半導体チップ（１）の第１のエッジの近くに配置され、２つの第２のバンプ（９）が前記半導体チップ（１）の、前記第１のエッジとは反対側の第２のエッジの近くに配置され、
前記半導体チップ（１）の電気接続面（１３）は、前記第１のバンプ（８）を介して前記第３の電気端子（６）に接続し、
前記第２のバンプ（９）のそれぞれは、前記導電体（３）の前記２つの突起上にあり、絶縁層（１０）を介して前記半導体チップ（１）から電気的に分離されている、ことを特徴とする電流センサ。
前記導電体（３）の幅が、前記第１、第２、および第３の電気端子（４，５，６）の幅（Ｗ _１）よりも常に広いことを特徴とする、請求項１に記載の電流センサ。
前記導電体（３）の前記第２のセクションが２つのスロット（２２）によってＳ字型に形成され、前記半導体チップ（１）の前記活性面の、前記２つのスロット（２２）に対面する位置に２つの前記磁気センサ（２）が配置されることを特徴とする請求項１または２に記載の電流センサ。
前記半導体チップ（１）の下に位置する前記第３の電気端子（６）の端部は、実質的に１本の線（１１）に沿って配置され、隣接する前記導電体（３）のエッジ（１２）が前記線（１１）に平行に延び、その結果、前記第３の電気端子（６）はすべて、ほぼ同一距離（Ａ）を置いて前記導電体（３）から離れている、請求項１〜３のうちいずれか１項に記載の電流センサ。
前記絶縁層（１０）は、有機材料の層を備える、請求項１〜４のうちいずれか一項に記載の電流センサ。
前記半導体チップ（１）のバルク材料の表面と前記第２のバンプ（９）との間には、電気接続を起こすために使用される導電構造がない、請求項１〜５のうちいずれか一項に記載の電流センサ。
前記導電体（３）は、３辺を強磁性層（２３）で完全に覆われ、第４の辺が接合領域で前記半導体チップ（１）に面する、請求項１〜６のうちいずれか一項に記載の電流センサ。
前記半導体チップ（１）は、背面を強磁性層（２４）で覆われる、請求項１〜７のうちいずれか一項に記載の電流センサ。
前記パッケージ（７）は、ＱＦＮパッケージであり、前記電流センサの前記第１、第２、および第３の電気端子（４，５，６）のみが前記ＱＦＮパッケージの下側で曝露される、請求項１〜８のうちいずれか一項に記載の電流センサ。
前記少なくとも１つの磁場センサ（２）は、２つの磁場センサまたは磁場センサ群を備え、該磁場センサは、前記導電体（３）の様々なエッジに配置され、その結果、前記導電体（３）を流れる電流によって生じる磁場が、前記２つの磁場センサ（２）がある場所で逆方向を向く、請求項１〜９のうちいずれか一項に記載の電流センサ。