[發明專利]一種單芯片霍爾電流傳感器及其制備方法

在審

• 申請號: 201611200641.7
• 申請日: 2016-12-22
• 公開（公告）號: CN106653999A
• 公開（公告）日: 2017-05-10
• 發明（設計）人: 何云;劉桂芝
• 申請（專利權）人: 上海南麟電子股份有限公司
• 主分類號: H01L43/06
• 分類號: H01L43/06;H01L43/04;H01L43/14
• 代理公司: 上海光華專利事務所31219
• 代理人: 余明偉

技術領域

本發明涉及半導體制造領域，特別是涉及一種單芯片霍爾電流傳感器及其制備方法。

背景技術

開環霍爾電流傳感器基于霍爾直放式工作原理，即當原邊電流Ip流過一根長導線時，在導線周圍將產生一磁場，這一磁場的大小與流過導線的電流成正比，產生的磁場聚集在磁環內，通過磁環氣隙中霍爾器件進行測量，并通過運算放大器等電路，將微弱的電壓信號放大為標準電壓Vs或電流信號Is。其輸出電壓Vs或輸出電流Is精確的反映原邊電流Ip并經過特殊電路的處理，用于原邊電流變化的檢測元件。霍爾電流傳感器廣泛應用于變頻調速裝置、逆變裝置、UPS電源、逆變焊機、電解電鍍、數控機床、微機監測系統、電網監控系統和需要隔離檢測電流電壓的各個領域中。

流過長直導體的電流所產生的磁場與該電流的關系：B＝μI/2πr(公式1)

其中，B為磁感應強度，單位是特斯拉；I為電流，單位是安培；r為測量點與導體的距離，單位是米；μ為真空磁導率。

若電流通過的是扁平導體時，當測量點離導體距離r<<導體寬度W時，扁平導體周圍產生的磁場與該電流的關系：B＝μI/2W(公式2)

其中，W為扁平導線的寬度，單位是米。

傳統的開環霍爾電流傳感器，容易受到外界磁場的磁性干擾。其存在性能不穩定、靈敏度低、體積大、制造工藝復雜、生產成本高等缺陷。因此，現有技術提供一種單芯片開環霍爾傳感器及其制造方法，能夠消除外界磁場干擾，提高性能穩定性和靈敏度，并且通過封裝級單芯片工藝將霍爾傳感器和導體集成在同一芯片上，有效減小產品體積，降低生產成本。

現有技術一般將導體制造在集成電路引線框架上，并將導體置于霍爾感應區的正上方或正下方。如圖1所示為一個典型的霍爾電流傳感器的底視圖結構，包括：一個塑料外殼100，用以提供了一個穩定可靠的工作環境，對內部結構起到機械或環境保護的作用，從而集成電路芯片能夠發揮正常的功能，并保證其具有高穩定性和可靠性；銅制框架101a、101b、101c、101d、101e，并延伸出所述塑料外殼100，形成引腳，一般會在引腳表面電鍍有一層金屬錫，用于應用時焊接在PCB電路板上，其中引腳106a、106b為內部通過框架相連，外部為大于等于1個引腳的結構，互為原邊電流Ip的輸入輸出端，電流方向可以由106a到106b，也可以由106b到106a，框架101e在內部形成一個銅制的導體電流環104，當原邊電流Ip通過導體電流環104時，在霍爾傳感區105周圍產生磁場大小與流過導線的電流成正比的磁場，并由霍爾傳感器103上的霍爾傳感區105感應到，形成線性的霍爾電壓，并由霍爾傳感器103上的內部電路結構經過放大、濾波、與斬波電路，輸出一個電壓信號或電流信號。銅制框架101a、101b、101c、101d延伸出所述塑料外殼100的部分，一般作為霍爾傳感器103的電源端，地端，輸出端，控制端等端口。連接件102a、102b、102c、102d為金屬球或柱，一般由銅、鉛、錫等金屬構成，用于構成銅制框架101a、101b、101c、101d與霍爾傳感器103上的焊盤之間的電連接。

如圖2所示為圖1中的AA’剖面圖，連接件102a、102b生長在霍爾傳感器103的表面焊盤上，霍爾傳感器103表面焊盤以外的部分為鈍化層(圖2中虛線所示)；導體電流環104的橫截面為104a和104b，互為原邊電流Ip的輸入輸出端；霍爾傳感器103上的電路結構位于霍爾感應區105的同一表面。

現有的霍爾電流傳感器的制造，采用的是倒裝芯片(Flip chip)技術，該封裝方式為芯片正面朝下向封裝框架，無需引線鍵合，形成最短電路，降低電阻和其他一些寄生參數；采用金屬球連接框架，縮小了封裝尺寸，改善電性表現。其制造流程如下：

(1)制作非標準的定制框架；

(2)晶圓上制作凸點；

(3)將晶圓切割成獨立的帶凸點的芯片，并倒裝將凸點焊接在框架上。

(4)塑封并將引腳電鍍，切筋成型。

該技術也有一定的缺點，首先倒裝芯片技術需要在晶圓上制作凸點，需要用到掩膜板設計制作，光刻、電鍍、植球等技術，設備昂貴成本較大。且針對霍爾電流傳感器，其框架屬于非標準框架，還需要根據霍爾電流傳感器芯片上的焊盤位置上單獨設計開發并制作框架，且針對不同的導體寬度W，也需要單獨開發框架。也增加了封裝成本和產品研發周期，提高了該產品的技術壁壘。