CN105980865A

CN105980865A - 集成的电流传感器系统以及用于制造集成的电流传感器系统的方法

Info

Publication number: CN105980865A
Application number: CN201580007546.2A
Authority: CN
Inventors: 哈拉尔德·埃奇迈尔
Original assignee: Austriamicrosystems AG
Current assignee: Ams Osram AG
Priority date: 2014-02-05
Filing date: 2015-01-16
Publication date: 2016-09-28
Anticipated expiration: 2035-01-16
Also published as: EP2905626B1; US10175270B2; US20170010309A1; CN105980865B; EP2905626A1; WO2015117810A1

Abstract

集成的电流传感器系统包括印刷电路板(CB)，该印刷电路板(CB)具有带有传感器接口(SI)的磁场传感器(MS)。印刷电路板(CB)具有第一侧，第一电流导体以与印刷电路板隔离的方式布置在该第一侧，其中第一电流导体的一部分的纵向边缘临近传感器(MS)的敏感区域。印刷电路板(CB)具有第二侧，第二电流导体(CC2)以与印刷电路板(CB)隔离的方式布置在该第二侧，其中第二电流导体(CC2)的一部分的纵向边缘被布置成临近敏感区域。第一电流导体和第二电流导体(CC1，CC2)借助于至少一个导电通孔(PV)电连接。

Description

集成的电流传感器系统以及用于制造集成的电流传感器系统的方法

技术领域

本发明涉及集成的电流传感器系统，具体地用于电流隔离(galvanic isolation)的电流感测，以及涉及用于制造这样的电流传感器系统的方法。

背景技术

电流传感器用于各种应用，例如电流限制、过流保护或者简单地用于监测电流的强度。针对这样的应用，像霍尔传感器的磁场传感器被广泛使用。这样的磁场传感器感测由流经电流导体的电流所生成的磁场，并且提供与电流的强度成比例的测量信号。由于磁场强度随着磁场传感器和电流导体之间的距离增加而减小，所以试图将磁场传感器带到携带要测量的电流的导体附近以具有足够强的磁场。

在各种实现方式中，传感器封装的引线框被用作电流导体。然而，在材料方面和在制造工艺方面，这样的实现方式导致高成本。此外，由于感应效应，导致这样的电流传感器实现方式的灵敏度受到限制。

发明内容

目标在于提供针对集成的电流传感器系统的改进的概念，该改进的概念实现改进的灵敏度以及减小的制造工作。

利用独立权利要求的主题实现这个目标。在从属权利要求中限定了改进的概念的实现和开发。

改进的概念基于下述理念：用于生成要被集成的电流传感器系统的磁场传感器所感测的磁场的电流导体不仅置于敏感区域的一侧(例如上述敏感区域上方)，而且还置于另一侧、因而在磁场传感器下方。因此，由电流导体生成的磁场高于由单侧解决方案生成的磁场，因而增大了磁场传感器的所产生的信号。这实现了整个系统的更高灵敏度。为了实现双侧实现方式，磁场传感器以及优选地还有相应的传感器接口被置于印刷电路板PCB上，优选地嵌入印刷电路板中。两个电流导体置于印刷电路板的两侧，并且借助于穿过印刷电路板的导电通孔连接。所产生的电流导体和印刷电路板的结构可以具有与标准的、表面安装的集成电路封装相同的形状因数。可焊接的引线可以集成于该结构中。用于电流导体的各个端子与用于传感器接口的端子电流隔离。磁场传感器可以被实现为霍尔传感器。

根据改进的概念的实施例，集成的电流传感器系统包括具有磁场传感器并具有耦接至传感器的传感器接口的印刷电路板。该印刷电路板具有限定第一侧的第一主表面、以及与第一主表面相对并限定第二侧的第二主表面。第一电流导体以与印刷电路板隔离的方式在第一侧布置于与印刷电路板平行的平面中，并且连接至第一电流端子。第一电流导体的一部分的纵向边缘被布置成临近传感器的敏感区域。以类似的方式，第二电流导体以与印刷电路板隔离的方式在第二侧布置于与印刷电路板平行的平面上，并且连接至第二电流端子。第二电流导体的一部分的纵向边缘也被布置成临近传感器的敏感区域。第一电流导体和第二电流导体借助于穿过印刷电路板的至少一个导电通孔电连接，以使得在第一电流端子和第二电流端子之间形成电流路径。例如，通过第一电流端子和第二电流端子向电流传感器系统提供要测量的电流。所述至少一个导电通孔可以实现为穿过印刷电路板的镀通孔PTH。

可以利用用于操作和评估磁场传感器的传感器接口以及利用集成于单个半导体片(例如由硅制造)上的磁场传感器来实现改进的概念。在其他实现方式中，为传感器接口和磁场传感器设置两个单独的片，传感器接口和磁场传感器可以分别地置于印刷电路板上。在各种实现方式中，磁场传感器可以实现为一个或更多个霍尔传感器。在优选的实现方式中，磁场传感器实现为以砷化镓技术制造于单个片上的霍尔传感器元件，其中传感器接口可以在单个硅片上实现。

在优选的实现方式中，电流导体以平坦方式形成，厚度仅为几百毫米、平坦部分基本上与印刷电路板平行。因此，可以针对电流传感器系统实现低的总封装高度。

在优选的实现方式中，第一电流导体、至少一个导电通孔和第二电流导体形成具有至少一个绕组的线圈。也就是说，从磁场传感器的有源区的上方来看，整个电流路径自身交叉。

例如，假设磁场传感器的有源区具有矩形形状，可以形成第一电流导体和/或第二电流导体以使得电流导体的纵向边缘临近有源区的四边中的三边。像线圈的结构允许增加临近有源区的纵向部分的长度，以使得在有源区中电流导体所生成的磁场的强度增加。因此，通过电流环可以实现更高的场强。

更一般来说，在各种实现方式中，第一电流导体和/或第二电流导体的一部分的纵向边缘以弯曲的方式至少部分地围绕传感器的敏感区域延伸。

优选地，磁场传感器可以主要地对与印刷电路板或布置有第一电流导体和第二电流导体的一部分的平面相垂直的磁场敏感。

第一电流导体和第二电流导体各自可以由分别堆叠于印刷电路板的第一侧、第二侧的金属箔(例如铜箔)形成。箔可以实现堆叠于印刷电路板的每一侧的相应金属层。优选地，在印刷电路板和金属层(即相应的电流导体)之间的印刷电路板的每一侧堆叠预浸渍的复合纤维层。这样的中间层可以确保第一电流导体与第二电流导体之间和/或电流导体与印刷电路板的电组件之间的预定距离以实现期望的击穿电压。金属箔的厚度可以在100μm和300μm之间，特别地在200μm附近。

在优选实施例中，传感器嵌入印刷电路板中，或者传感器和传感器接口分别嵌入印刷电路板中，以使得实现针对第一主表面和第二主表面的电隔离。可以通过标准的半加成嵌入处理实现这样的嵌入。

在一些实施例中，在印刷电路板内集成抗电磁干扰EMT的屏蔽层。例如，可以实现双侧EMT屏蔽。

在一些实现方式中，传感器接口包括专用集成电路ASIC。可以在系统中设置连接至传感器接口的接口端子。这样的接口端子和/或第一电流端子和第二电流端子可以分别通过在系统单一化(singularize)时使镀通孔被贯穿来形成。例如，在制造期间，可以在印刷电路板的未来边缘处设置相应的镀通孔，其在最终制造步骤中的一个步骤中被穿透。

根据改进的概念的、用于制造集成的电流传感器系统的方法包括设置磁场传感器以及要耦接至传感器的传感器接口。传感器和传感器接口被布线。在布线步骤时或布线步骤之后，传感器嵌入印刷电路板中，或者传感器和传感器接口分别地嵌入印刷电路板中。优选地通过嵌入处理来实现针对印刷电路板的第一主表面以及印刷电路板的与第一主表面相对的第二主表面的电隔离。第一金属箔，例如铜箔，堆叠到由第一主表面限定的印刷电路板的第一侧。第二金属箔，优选地为与第一金属箔相同的材料，堆叠到由第二主表面限定的印刷电路板的第二侧。在减去处理中，第一电流导体由第一金属箔形成，其中特别地执行该形成，以使得第一电流导体的一部分的纵向边缘被布置成临近传感器的敏感区域。此外，还是在减去处理中，第二电流导体由第二金属箔形成。在这样的情况下，也特别地执行该形成，以使得第二电流导体的一部分的纵向边缘被布置成临近传感器的敏感区域。制造穿过印刷电路板的至少一个导电通孔，其例如实现为PTH。借助于至少一个导电通孔在第一电流导体和第二电流导体之间建立电连接。

在优选的实现方式中，在分别堆叠第一金属箔和第二金属箔之前，将预浸渍的复合纤维层分别堆叠到印刷电路板的第一侧和印刷电路板的第二侧。例如，这样的中间的复合纤维层可以直接地堆叠于嵌入的印刷电路板的每一侧，并且相应的金属箔层直接地堆叠到相应的中间层上。

利用根据改进的概念的制造方法的实施例，例如由于PCB技术的高介电强度，导致可以实现高电压处的低的总封装高度。

根据改进的概念的方法还可以包括：制造连接至第一电流导体的第一电流端子以及制造连接至第二电流导体的第二电流端子，以使得在第一电流端子和第二电流端子之间形成电流路径。

如以上针对电流传感器系统的各种实施例而更详细地描述的那样，可以将制造方法实现为使得第一电流导体、至少一个导电通孔和第二电流导体形成具有至少一个绕组的线圈。如之前提到的，至少一个导电通孔可以通过一个或更多个镀通孔实现。

根据对上文中给出的集成的电流传感器系统的各种实施例的描述，制造方法的进一步实现方式无疑变得明显。

附图说明

下文参照附图、使用示例性实施例详细地解释了本发明。在各个附图中，针对相同的元件或电路部件、或者具有相似功能的元件或电路部件而使用了相同的附图标记。因此，在下面的附图中，一幅附图中的元件或电路部件描述不会重复。在附图中：

图1A和图1B示出了根据改进的概念的集成的电流传感器系统的制造期间的印刷电路板的示意图；

图2以剖视图示出了嵌入的电路板的细节；

图3A、图3B和图3C示出了根据改进的概念的集成的电流传感器系统的实施例的不同视图；

图4示出了集成的电流传感器系统的实施例的示例剖视图。

图5示出了根据改进的概念的用于制造集成的电流传感器系统的方法的实施例的流程图；以及

图6A、图6B、图6C示出了根据改进的概念的集成的电流传感器系统的又一实施例的不同视图。

具体实施方式

图1A和图1B分别详细地示出了根据改进的概念的集成的电流传感器系统的中间的制造步骤的印刷电路板(PCB)CB。在电路板CB上集成了磁场传感器MS以及相应的连接至磁场传感器MS的传感器接口SI。在电路板CB上还集成了用于连接传感器接口SI的相应的接口线IW。

在示出的实施例中，磁场传感器MS和传感器接口SI被设置为两个分离的片。然而，在可替选的实现方式中传感器接口SI和磁场传感器MS可以设置为单个片。磁场传感器可以是霍尔传感器，该霍尔传感器优选地以允许霍尔传感器的高灵敏度的砷化镓技术制造。传感器接口SI可以实现为专用集成电路ASIC，该专用集成电路可以由硅制成。磁场传感器MS对与有源区垂直的磁场敏感，该有源区即电路板CB的各个主表面。

当制造集成的电流传感器系统时，在接下来的步骤中印刷电路板CB可能经历嵌入处理，在嵌入处理中利用多层PCB(例如两层PCB)以标准的嵌入处理对包含磁场传感器MS和传感器接口SI的一个片或多个片布线。优选地，以半加成方式执行这个处理。

图2以剖视图示出了这样的嵌入的电路板CB的细节。相应的芯片SC层压于第一层压层LAM1的组内，导电层CL层压于第二层压层LAM2的组内，其中芯片SC可以是传感器接口SI和/或磁场传感器MS。在两个导电层CL上还可以集成EMI屏蔽，其中EMI屏蔽基本上由传感器MS和传感器接口SI之上的金属板组成，该金属板连接至地。

利用这样的结构，用于磁场传感器MS和传感器接口SI的片隔离于第二层压层LAM2上方和下方的主表面。

为了实现根据改进的概念的集成的电流传感器系统，在电路板CB下方和上方设置相应的电流导体，该电路板CB在图3A、图3B和图3C中更详细地示出。图3A示出了集成的电流传感器系统的示意性布置的透视图，其中第一电流导体CC1在电路板CB上方，并且第二电流导体CC2在电路板CB下方。图3B示出了包括第一电流导体CC1的详细俯视图，而图3C示出了具有第二电流导体CC2的系统的俯视图。

第一电流导体CC1连接至第一电流端子CT1，并且第二电流导体CC2连接至第二电流端子CT2。在这个实施例中，通过在传感器系统单一化期间被穿透的或贯穿的镀通孔来形成电流端子CT1、CT2。各个导电通孔PV被设置成穿过电路板CB，这些导电通孔PV建立第一电流导体CC1和第二电流导体CC2之间的接触。传感器接口SI的接口线IW连接至相应的接口端子IT，在这个实施例中，类似于电流端子CT1、CT2，接口端子IT由贯穿的镀通孔形成。

从图3A和图3B可以看到，围绕磁场传感器MS的有源区的侧边缘而导引第一电流导体CC1。因此，通过第一电流导体CC1的电流生成沿着第一电流导体CC1的纵向边缘的磁场。传感器MS可以感测到这个磁场。

以类似的方式，图3A和图3C示出了在电路板CB的另一侧围绕磁场传感器MS而导引第二电流导体CC2或使第二电流导体CC2弯曲。因此，通过第二电流导体CC2的电流也生成通过传感器MS的有源区的相应的电磁场。第一电流导体CC1和第二电流导体CC2被布置和连接，以使得所生成的磁场具有相同的通过有源区的方向并且因此相加。因此，利用电流导体CC1、CC2的双侧应用可以实现更高的磁场强度。应当注意，在如图3B和图3C所示的俯视图中，第一电流导体CC1和第二电流导体CC2的共同的路径自身交叉，并且因此形成具有至少一个绕组的线圈。

为了更好的观察，图3A、图3B和图3C没有示出电流导体层和电路板(即相应的传感器接口SI和传感器MS)之间的任何层压层。

图4示出了集成的电流传感器系统的细节的剖面图，其中可以看到系统的不同层。例如，层410、层420对应于下述层：在这些层中形成电流导体CC1、CC2，并且这些层借助于导电通孔430、435而互连。包含传感器接口SI和传感器MS的片SC嵌入在由层压层440、443和445形成的两层PCB结构中，其中层压层440、层压层443和层压层445被相应的导电层450和导电层455(例如由铜制成)分开。薄铜层450、薄铜层455分别地用于传感器和传感器接口的布线，以及用于设置前文提到的EMT屏蔽。较厚的导电层410、420也可以由厚度在几百微米范围内的铜制成，在导电层410、420中形成电流导体CC1、CC2。例如，电流导体的厚度在100μm和300μm之间的范围内，优选地在200μm附近。层压层的厚度适于系统的期望的击穿电压，从而允许安全操作。

图5示出了用于制造集成的电流传感器系统的方法的示例性流程图，该电流传感器系统例如如此前的附图或者图6A、图6B和图6C所示。

在块510中，如上文所述，在共同的半导体片或者两个分离的片上设置磁场传感器和传感器接口。

在块520中，单个片或者两个分离的片被布线，并且被嵌入在印刷电路板上(例如在半加成处理中)，以实现多层、特别地是双层印刷电路板。

在块530中，在印刷电路板的两侧堆叠金属层，这些金属层例如针对要在块540中形成的电流导体51、52具有期望的厚度。在块540中，电流导体优选地通过减去处理形成，在减去处理期间电流导体CC1、CC2以及与电流端子连接的潜在的进一步结构余留下来。

在接下来的块550中，制造延伸穿过印刷电路板的导电通孔。这些导电通孔可以被制成镀通孔，这些镀通孔可以用作接口端子IT、电流端子CT1、电流端子CT2，和/或用于通过印刷电路板CB的第一电流导体CC1和第二电流导体CC2的电连接。

可以以本领域已知的任何标准的IC封装来单一化和封装所产生的结构。

应当注意，电流导体CC1、CC2和印刷电路板CB之间的中间的层压层可以由分别堆叠在PCB核心的顶部和底部上的预浸渍的复合纤维层形成。可由铜箔形成的金属层可以与复合纤维层一起在压力和热下固化。还应当注意，在堆叠金属层和/或堆叠中间的层压层之前，可以至少部分地执行制造导电通孔的处理。

图6A、图6B和图6C示出了根据改进的概念的集成的电流传感器的另一实施例的不同视图，该另一实施例基于图3A、图3B和图3C示出的实施例，但是具有对电流导体CC1、CC2的不同引导。

具体地，图6A示出了透视图，而图6B示出了具有第一电流导体CC1的俯视图，并且图6C示出了具有第二电流导体CC2的俯视图。

从图6B可以很好地看到，第一电流导体CC1具有大约两个围绕磁场传感器MS的绕组，因此增加了由相应的电流生成的磁场强度。以类似的方式，第二电流导体CC2也具有多于一个的围绕磁场传感器MS的完整绕组，其在图6C可以最佳地看到。如前面的实施例那样，第一电流导体CC1和第二电流导体CC2经由导电通孔PV而电连接。因此，借助于电流导体CC1、CC2，图6A、图6B、图6C的布置形成具有多于一个绕组的线圈。再者，电流导体CC1、CC2围绕磁场传感器MS的有源区而弯曲。

在如上文所述的集成的电流传感器的各种实施例中，可以实现形成相应的电流环的集成的螺线管。这样的电流环实现了整个系统的更好的灵敏度。

再者，电流导体和磁场传感器之间的低的可实现的距离支持更好的灵敏度。利用用于电路板CB的嵌入技术，可以毫不费力地实现一侧或双侧EMI屏蔽的集成。可以实现由于PCB技术的高介电强度而导致的、高电压处的低的总封装高度。

Claims

1.一种集成的电流传感器系统，包括:

-具有磁场传感器(MS)并具有耦接至所述传感器(MS)的传感器接口(SI)的印刷电路板(CB)，所述印刷电路板(CB)具有限定第一侧的第一主表面(M1)、以及与所述第一主表面(M1)相对并限定第二侧的第二主表面(M2)；

-第一电流导体(CC1)，所述第一电流导体(CC1)以与所述印刷电路板(CB)隔离的方式在所述第一侧被布置于与所述印刷电路板(CB)平行的平面中、并且连接至第一电流端子(CT1)，其中所述第一电流导体(CC1)的一部分的纵向边缘被布置成临近所述传感器(MS)的敏感区域；以及

-第二电流导体(CC2)，所述第二电流导体(CC2)以与所述印刷电路板(CB)隔离的方式在所述第二侧被布置于与所述印刷电路板(CB)平行的平面中、并且连接至第二电流端子(CT2)，其中所述第二电流导体(CC2)的一部分的纵向边缘被布置成临近所述传感器(MS)的所述敏感区域；

-其中，所述第一电流导体(CC1)和所述第二电流导体(CC2)借助于穿过所述印刷电路板(CB)的至少一个导电通孔(PV)电连接，以使得在所述第一电流端子(CT1)和所述第二电流端子(CT2)之间形成电流路径。

2.根据权利要求1所述的系统，

其中，所述第一电流导体(CC1)、所述至少一个导电通孔(PV)和所述第二电流导体(CC2)形成具有至少一个绕组的线圈。

3.根据权利要求1或2所述的系统，

其中，所述第一电流导体(CC1)和/或所述第二电流导体(CC2)的所述部分的所述纵向边缘以弯曲的方式至少部分地围绕所述传感器(MS)的所述敏感区域延伸。

4.根据权利要求1至3中的一项所述的系统，

其中，利用至少一个霍尔传感器来实现所述磁场传感器(MS)。

5.根据权利要求1至4中的一项所述的系统，

其中，所述磁场传感器(MS)具有针对与所述印刷电路板(CB)垂直的磁场的主灵敏度。

6.根据权利要求1至5中的一项所述的系统，

其中，利用具有针对与所述印刷电路板(CB)垂直的磁场的主灵敏度的至少一个霍尔传感器来实现所述磁场传感器(MS)。

7.根据权利要求1至6中的一项所述的系统，

其中，所述第一电流导体(CC1)和所述第二电流导体(CC2)各自由金属箔、特别地是铜箔来形成，所述金属箔分别堆叠于所述印刷电路板(CB)的所述第一侧和所述第二侧，并且厚度在100μm和300μm之间、特别地在200μm附近。

8.根据权利要求1至7中的一项所述的系统，

其中，所述传感器(MS)嵌入所述印刷电路板(CB)中或者所述传感器(MS)和所述传感器接口(SI)分别嵌入所述印刷电路板(CB)中，以使得实现针对所述第一主表面(M1)以及所述第二主表面(M2)的电隔离。

9.根据权利要求1至8中的一项所述的系统，

其中，在所述印刷电路板(CB)内集成抗电磁干扰EMI的屏蔽层。

10.根据权利要求1至9中的一项所述的系统，

其中，所述传感器接口(SI)包括专用集成电路ASIC。

11.根据权利要求1至10中的一项所述的系统，

还包括：连接至所述传感器接口(SI)的接口端子。

12.根据权利要求1至11中的一项所述的系统，

其中，通过在所述系统被单一化时使镀通孔PTH被贯穿来形成所述第一电流端子(CT1)和所述第二电流端子(CT2)以及/或者连接至所述传感器接口(SI)的接口端子。

13.一种用于制造集成的电流传感器系统的方法，所述方法包括：

-设置磁场传感器(MS)以及要耦接至所述传感器(MS)的传感器接口(SI)；

-对所述传感器(MS)和所述传感器接口(SI)进行布线，并且使所述传感器(MS)嵌入所述印刷电路板(CB)中或者使所述传感器(MS)和所述传感器接口(SI)分别嵌入所述印刷电路板(CB)中，以使得实现针对所述印刷电路板(CB)的第一主表面(M1)以及所述印刷电路板(CB)的与所述第一主表面(M1)相对的第二主表面(M2)的电隔离；

-将第一金属箔、特别地是铜箔堆叠到由所述第一主表面(M1)限定的所述印刷电路板(CB)的第一侧；

-将第二金属箔、特别地是铜箔堆叠到由所述第二主表面(M2)限定的所述印刷电路板(CB)的第二侧；

-在减去处理中，由所述第一金属箔形成第一电流导体(CC1)，以使得所述第一电流导体(CC1)的一部分的纵向边缘被布置成临近所述传感器(MS)的敏感区域；

-在减去处理中，由所述第二金属箔形成第二电流导体(CC2)，以使得所述第二电流导体(CC2)的一部分的纵向边缘被布置成临近所述传感器(MS)的所述敏感区域；

-制造穿过所述印刷电路板(CB)的至少一个导电通孔(PV)；以及-借助于所述至少一个导电通孔(PV)电连接所述第一电流导体(CC1)和所述第二电流导体(CC2)。

14.根据权利要求13所述的方法，

其中，在分别堆叠所述第一金属箔和第二金属箔之前，将预浸渍的复合纤维层分别堆叠到所述印刷电路板(CB)的所述第一侧和所述印刷电路板(CB)的所述第二侧。

15.根据权利要求13或14所述的方法，

还包括:

-制造连接至所述第一电流导体(CC1)的第一电流端子(CT1)；以及

-制造连接至所述第二电流导体(CC2)的第二电流端子(CT2)，以使得在所述第一电流端子(CT1)和所述第二电流端子(CT2)之间形成电流路径。

16.根据权利要求13至15中的一项所述的方法，

17.根据权利要求13至16中的一项所述的方法，

其中，利用至少一个霍尔传感器来实现所述磁场传感器(MS)。

18.根据权利要求13至17中的一项所述的方法，

19.根据权利要求13至18中的一项所述的方法，

20.根据权利要求13至19中的一项所述的方法，

21.根据权利要求13至20中的一项所述的方法，

其中，在半加成处理中执行所述嵌入。