CN106653999A - 一种单芯片霍尔电流传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种单芯片霍尔电流传感器及其制备方法，包括：将霍尔传感器芯片正装于框架的承载区，所述霍尔传感器芯片的焊盘通过金属连线与框架的第一引脚区连接；导体电流环通过条带技术设置于所述霍尔传感器芯片的霍尔感应区域上方，其中，所述导体电流环为金属条带，与所述框架的第二引脚区连接；所述霍尔传感器芯片到所述导体电流环的距离小于所述导体电流环的宽度。本发明的条带宽度可调，通过调节条带宽度使霍尔电流传感器适应不同的电流强度；同时，不受凸点工艺中凸点高度的限制，可以进一步减小测量点与导体的距离r，增强传感器的线性度；此外，可以降低封装成本和产品研发周期，提高霍尔电流传感器的经济效益。
Description
技术领域
本发明涉及半导体制造领域，特别是涉及一种单芯片霍尔电流传感器及其制备方法。
背景技术
开环霍尔电流传感器基于霍尔直放式工作原理，即当原边电流Ip流过一根长导线时，在导线周围将产生一磁场，这一磁场的大小与流过导线的电流成正比，产生的磁场聚集在磁环内，通过磁环气隙中霍尔器件进行测量，并通过运算放大器等电路，将微弱的电压信号放大为标准电压Vs或电流信号Is。其输出电压Vs或输出电流Is精确的反映原边电流Ip并经过特殊电路的处理，用于原边电流变化的检测元件。霍尔电流传感器广泛应用于变频调速装置、逆变装置、UPS电源、逆变焊机、电解电镀、数控机床、微机监测系统、电网监控系统和需要隔离检测电流电压的各个领域中。
流过长直导体的电流所产生的磁场与该电流的关系：B＝μI/2πr(公式1)
其中，B为磁感应强度，单位是特斯拉；I为电流，单位是安培；r为测量点与导体的距离，单位是米；μ为真空磁导率。
若电流通过的是扁平导体时，当测量点离导体距离r<<导体宽度W时，扁平导体周围产生的磁场与该电流的关系：B＝μI/2W(公式2)
其中，W为扁平导线的宽度，单位是米。
传统的开环霍尔电流传感器，容易受到外界磁场的磁性干扰。其存在性能不稳定、灵敏度低、体积大、制造工艺复杂、生产成本高等缺陷。因此，现有技术提供一种单芯片开环霍尔传感器及其制造方法，能够消除外界磁场干扰，提高性能稳定性和灵敏度，并且通过封装级单芯片工艺将霍尔传感器和导体集成在同一芯片上，有效减小产品体积，降低生产成本。
现有技术一般将导体制造在集成电路引线框架上，并将导体置于霍尔感应区的正上方或正下方。如图1所示为一个典型的霍尔电流传感器的底视图结构，包括：一个塑料外壳100，用以提供了一个稳定可靠的工作环境，对内部结构起到机械或环境保护的作用，从而集成电路芯片能够发挥正常的功能，并保证其具有高稳定性和可靠性；铜制框架101a、101b、101c、101d、101e，并延伸出所述塑料外壳100，形成引脚，一般会在引脚表面电镀有一层金属锡，用于应用时焊接在PCB电路板上，其中引脚106a、106b为内部通过框架相连，外部为大于等于1个引脚的结构，互为原边电流Ip的输入输出端，电流方向可以由106a到106b，也可以由106b到106a，框架101e在内部形成一个铜制的导体电流环104，当原边电流Ip通过导体电流环104时，在霍尔传感区105周围产生磁场大小与流过导线的电流成正比的磁场，并由霍尔传感器103上的霍尔传感区105感应到，形成线性的霍尔电压，并由霍尔传感器103上的内部电路结构经过放大、滤波、与斩波电路，输出一个电压信号或电流信号。铜制框架101a、101b、101c、101d延伸出所述塑料外壳100的部分，一般作为霍尔传感器103的电源端，地端，输出端，控制端等端口。连接件102a、102b、102c、102d为金属球或柱，一般由铜、铅、锡等金属构成，用于构成铜制框架101a、101b、101c、101d与霍尔传感器103上的焊盘之间的电连接。
如图2所示为图1中的AA’剖面图，连接件102a、102b生长在霍尔传感器103的表面焊盘上，霍尔传感器103表面焊盘以外的部分为钝化层(图2中虚线所示)；导体电流环104的横截面为104a和104b，互为原边电流Ip的输入输出端；霍尔传感器103上的电路结构位于霍尔感应区105的同一表面。
现有的霍尔电流传感器的制造，采用的是倒装芯片(Flip chip)技术，该封装方式为芯片正面朝下向封装框架，无需引线键合，形成最短电路，降低电阻和其他一些寄生参数；采用金属球连接框架，缩小了封装尺寸，改善电性表现。其制造流程如下：
(1)制作非标准的定制框架；
(2)晶圆上制作凸点；
(3)将晶圆切割成独立的带凸点的芯片，并倒装将凸点焊接在框架上。
(4)塑封并将引脚电镀，切筋成型。
该技术也有一定的缺点，首先倒装芯片技术需要在晶圆上制作凸点，需要用到掩膜板设计制作，光刻、电镀、植球等技术，设备昂贵成本较大。且针对霍尔电流传感器，其框架属于非标准框架，还需要根据霍尔电流传感器芯片上的焊盘位置上单独设计开发并制作框架，且针对不同的导体宽度W，也需要单独开发框架。也增加了封装成本和产品研发周期，提高了该产品的技术壁垒。
另外，因为制作的导体是框架，是扁平的导体电流环，需要满足测量点离导体电流环的距离r<<导体电流环宽度W这一线性假设条件，而受凸点工艺的限制，凸点具有一定的高度，不一定满足距离r<<导体电流环宽度W这一假设条件。
因此，如何降低霍尔传感器芯片的封装成本，减小框架的制作难度，满足测量点到导体电流环的距离与导体宽度的关系，已成为本领域技术人员亟待解决的问题之一。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种单芯片霍尔电流传感器及其制备方法，用于解决现有技术中霍尔传感器封装成本大，框架单独设计，测量点到导体电流环的距离与导体宽度的关系不满足等问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种单芯片霍尔电流传感器，所述单芯片霍尔电流传感器至少包括：
正装于框架的承载区的霍尔传感器芯片，所述霍尔传感器芯片的焊盘通过金属连线与框架的第一引脚区连接；导体电流环位于所述霍尔传感器芯片的霍尔感应区域上方，其中，所述导体电流环为金属条带，与所述框架的第二引脚区连接；所述霍尔传感器芯片到所述导体电流环的距离小于所述导体电流环的宽度。
优选地，所述所述金属连线为焊线。
优选地，所述金属线为金属条带。
优选地，所述导体电流环的材质为铜。
更优选地，所述导体电流环的两端分别连接所述第二引脚区的两个引脚，作为的输入输出端。
优选地，所述霍尔传感器芯片通过粘片胶与所述框架的承载区连接。
优选地，所述霍尔传感器芯片中的电路结构与所述霍尔感应区域位于同一面。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明还提供一种上述单芯片霍尔电流传感器的制备方法，所述单芯片霍尔电流传感器的制备方法至少包括：
选取框架，所述框架包括引脚区及承载区；
将晶圆切割成独立的霍尔传感器芯片，并将所述霍尔传感器芯片固定于所述框架的承载区；
制作形成导体电流环，并采用条带键合工艺将所述导体电流环与所述框架上的第二引脚区连接；
对所述导体电流环与所述框架的第二引脚区之间的连接进行回流焊和清洗工艺；
将所述霍尔传感器芯片上的焊盘与所述框架上的第一引脚区连接；
通过塑封将所述框架、所述霍尔传感器芯片及所述导体电流环封装于一外壳内，其中，各引脚引出所述外壳。
优选地，所述霍尔传感器芯片上的焊盘与所述框架上的第一引脚区通过条带键合工艺实现连接。
优选地，对所述霍尔传感器芯片上的焊盘与所述框架上的第一引脚区之间的连接进行回流焊和清洗工艺。
优选地，所述霍尔传感器芯片上的焊盘与所述框架上的第一引脚区通过焊线工艺实现连接。
优选地，对各引脚进行电镀，并通过切筋成型。
如上所述，本发明的单芯片霍尔电流传感器及其制备方法，具有以下有益效果：
本发明的单芯片霍尔电流传感器及其制备方法中导体电流环不是制造在框架上，而是通过铜制条带进行制作，在不影响性能指标的情况下，利用条带键合封装技术实现导体电流环与框架上的引脚连接。本发明不需要制作晶圆凸点，不需要定制非标准的框架，且针对不同的导体电流环宽度，只要修改条带的宽度即可，可大大降低封装成本和产品研发周期，提高霍尔电流传感器的经济效益。
附图说明
图1显示为现有技术中的单芯片开环霍尔传感器的俯视示意图。
图2显示为现有技术中的单芯片开环霍尔传感器的剖视示意图。
图3显示为本发明的一种单芯片霍尔电流传感器的俯视示意图。
图4显示为图3中单芯片霍尔电流传感器的AA’向剖视图。
图5显示为图3中单芯片霍尔电流传感器的BB’向剖视图。
图6显示为本发明的另一种单芯片霍尔电流传感器的俯视示意图。
图7显示为图6中单芯片霍尔电流传感器的AA’向剖视图。
图8显示为图6中单芯片霍尔电流传感器的BB’向剖视图。
元件标号说明
100 塑料外壳
101a、101b、101c、101d、101e 铜制框架
102a、102b、102c、102d 连接件
103 霍尔传感器
104、104a、104b 导体电流环
105 霍尔感应区
106a、106b 引脚
200 外壳
201a、201b、201c、201d、201f、 引脚
201g、201h、201i
201e 基岛
202a、202b、202c、202d 焊线
202e、202f、202g、202h 条带
203 霍尔传感器芯片
204、204a、204b 导体电流环
205 霍尔感应区域
206 贴片胶
S1～S6 步骤
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图3～图8。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
实施例一
如图3～图5所示，本发明提供一种单芯片霍尔电流传感器，所述单芯片霍尔电流传感器至少包括：
外壳200、框架、霍尔传感器芯片203及导体电流环204。
如图3～图5所示，所述外壳200用于装载所述框架、所述导体电流环203及所述霍尔传感器芯片203。
具体地，在本实施例中，所述外壳200为长方体结构，其材质为塑料。
如图3～图5所示，所述框架包括引脚区和承载区，分别用于引出引脚和承载芯片。
具体地，在本实施例中，所述框架的引脚区包括第一引脚区和第二引脚区，所述第一引脚区与所述霍尔传感器芯片203上的焊盘连接，实现所述霍尔传感器芯片203与外部信号的传递，包括第一引脚201a、第二引脚201b、第三引脚201c及第四引脚201d。所述第二引脚区与所述导体电流环204连接，实现所述导体电流环204的输入端和输出端的引出，包括第五引脚201f、第六引脚201g、第七引脚201h及第八引脚201i，其中，所述第五引脚201f及所述第六引脚201g为一组，所述第七引脚201h及所述第八引脚201i为一组，互为原边电流的输入端和输出端。所述承载区包括基岛201e，如图4所示，所述基岛201e固定于所述外壳200中，用于承载所述霍尔传感器芯片203。所述框架可选用标准封装框架，无需单独设计，可大大减小封装成本。
如图3～图5所示，所述霍尔传感器芯片203正装于所述基岛201e上。
具体地，如图4～图5所示，所述霍尔传感器芯片203通过粘片胶206固定于所述基岛201e上。所述霍尔传感器芯片203为正装结构，其电路结构及霍尔感应区域205位于所述霍尔传感器芯片203的上侧，所述霍尔传感器芯片203的上表面设置有焊盘，未设置焊盘处为钝化层，用于对内部电路进行绝缘保护。
具体地，如图4～图5所示，所述霍尔传感器芯片203上的焊盘通过金属连线与所述框架的第一引脚区连接，在本实施例中，所述金属连线为焊线。如图3所示，第一焊线202a将一焊盘与所述第一引脚201a连接，第二焊线202b将另一焊盘与所述第二引脚201b连接，第三焊线202c将又一焊盘与所述第三引脚201c连接，第四焊线202d将又一焊盘与所述第四引脚201d连接。在本实施例中以4个焊盘为例，在实际设计中可包括多个焊盘，分别用于作为电源端，地端，输出端，控制端等端口，在此不一一赘述。
如图3～图5所示，所述导体电流环204位于所述霍尔传感器芯片203的霍尔感应区域205上方。
具体地，如图3所示，所述导体电流环204为金属条带，在本实施例中，其材质为铜。在本实施例中，所述导体电流环204为U型结构。所述霍尔感应区域205位于所述导体电流环204的中间。如图4所示，所述导体电流环204的两端分别作为输入端和输出端(204a及204b)。所述导体电流环204与所述框架的第二引脚区连接，如图5所示，在本实施例中，采用条带键合技术将所述导体电流环204与所述第五～第六引脚进行焊锡205连接。由于所述导体电流环204不是制造在所述框架上，而是通过铜条单独制作，因此，无需重新设计框架，所述导体电流环204的宽度w也可随时调整。在本实施例中，所述霍尔传感器芯片203到所述导体电流环204的距离r小于所述导体电流环204的宽度w，以满足测量点到导体电流环的距离与导体宽度的关系。
实施例二
如图6～图8所示，本实施例提供一种单芯片霍尔电流传感器，所述单芯片霍尔电流传感器与实施例一中的单芯片霍尔电流传感器结构基本一致，不同之处在于，本实施例中，所述霍尔传感器芯片203上的焊盘与所述框架的第一引脚区通过条带连接。
具体地，如图6～图8所示，第一条带202f将一焊盘与所述第一引脚201a连接，第二条带202g将另一焊盘与所述第二引脚201b连接，第三条带202h将又一焊盘与所述第三引脚201c连接，第四条带202i将又一焊盘与所述第四引脚201d连接。在本实施例中以4个焊盘为例，在实际设计中可包括多个焊盘，分别用于作为电源端，地端，输出端，控制端等端口，在此不一一赘述。
本发明还提供一种上述单芯片霍尔电流传感器的制备方法，所述单芯片霍尔电流传感器的制备方法至少包括：
步骤S1：选取框架，所述框架包括引脚区及承载区。
具体地，在本实施例中，所述框架为标准框架，无需单独设计。
步骤S2：将晶圆切割成独立的霍尔传感器芯片，并将所述霍尔传感器芯片固定于所述框架的承载区。
具体地，在本实施例中，利用贴片胶206将所述霍尔传感器芯203黏贴于所述框架的基岛201e上。
步骤S3：制作形成导体电流环，并采用条带键合工艺(Clip Bond)将所述导体电流环与所述框架上的第二引脚区连接。
具体地，在本实施例中，制作铜制条带形成导体电流环204，利用锡膏将所述导体电流环204粘贴于框架的焊区。若所述霍尔传感器芯片203上的焊盘与所述框架上的第一引脚区通过条带连接，则同样利用锡膏将条带粘贴于框架的焊区和芯片的焊盘之间。
步骤S4：对所述导体电流环204与所述框架的第二引脚区之间的连接进行回流焊(Reflow)和清洗工艺，以形成牢固的连接。若所述霍尔传感器芯片203上的焊盘与所述框架上的第一引脚区通过条带连接，则同样对条带与所述霍尔传感器芯片203上的焊盘之间及条带与引脚之间的连接进行回流焊(Reflow)和清洗工艺，以形成牢固的连接。
步骤S5：将所述霍尔传感器芯片203上的焊盘与所述框架上的第一引脚区连接。
具体地，若所述霍尔传感器芯片203上的焊盘与所述框架上的第一引脚区通过条带连接，则省略此步骤。若所述霍尔传感器芯片203上的焊盘与所述框架上的第一引脚区通过焊线连接，则采用焊线工艺(Wire Bond)将所述焊线粘贴于框架的焊区和芯片的焊盘之间。
步骤S6：通过塑封将所述框架、所述霍尔传感器芯片及所述导体电流环封装于一外壳内，其中，各引脚引出所述外壳。
具体地，进一步对各引脚进行电镀，并通过切筋成型，形成完整封装。
如上所述，本发明的单芯片霍尔电流传感器及其制备方法，具有以下有益效果：
本发明的单芯片霍尔电流传感器及其制备方法可以省略掉非标准框架设计制造工序和晶圆凸点制造工序，且在使用标准框架的条件下，条带宽度可调，可以通过调节条带宽度使霍尔电流传感器适应不同的电流强度，而无需重新设计制造框架。本发明的单芯片霍尔电流传感器及其制备方法不受凸点工艺中凸点高度的限制，可以进一步减小测量点与导体的距离r，增强传感器的线性度。同时，可以降低封装成本和产品研发周期，提高霍尔电流传感器的经济效益。
综上所述，本发明提供一种单芯片霍尔电流传感器及其制备方法，包括：正装于框架的承载区的霍尔传感器芯片，所述霍尔传感器芯片的焊盘通过金属连线与框架的第一引脚区连接；导体电流环位于所述霍尔传感器芯片的霍尔感应区域上方，其中，所述导体电流环为金属条带，与所述框架的第二引脚区连接；所述霍尔传感器芯片到所述导体电流环的距离小于所述导体电流环的宽度。本发明的单芯片霍尔电流传感器及其制备方法中导体电流环不是制造在框架上，而是通过铜制条带进行制作，在不影响性能指标的情况下，利用条带键合封装技术实现导体电流环与框架上的引脚连接。本发明不需要制作晶圆凸点，不需要定制非标准的框架，且针对不同的导体电流环宽度，只要修改条带的宽度即可，可大大降低封装成本和产品研发周期，提高霍尔电流传感器的经济效益。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (12)
1.一种单芯片霍尔电流传感器，其特征在于，所述单芯片霍尔电流传感器至少包括：
正装于框架的承载区的霍尔传感器芯片，所述霍尔传感器芯片的焊盘通过金属连线与框架的第一引脚区连接；导体电流环位于所述霍尔传感器芯片的霍尔感应区域上方，其中，所述导体电流环为金属条带，与所述框架的第二引脚区连接；所述霍尔传感器芯片到所述导体电流环的距离小于所述导体电流环的宽度。
2.根据权利要求1所述的单芯片霍尔电流传感器，其特征在于：所述金属连线为焊线。
3.根据权利要求1所述的单芯片霍尔电流传感器，其特征在于：所述金属线为金属条带。
4.根据权利要求1所述的单芯片霍尔电流传感器，其特征在于：所述导体电流环的材质为铜。
5.根据权利要求1或4所述的单芯片霍尔电流传感器，其特征在于：所述导体电流环的两端分别连接所述第二引脚区的两个引脚，作为原边电流的输入输出端。
6.根据权利要求1所述的单芯片霍尔电流传感器，其特征在于：所述霍尔传感器芯片通过粘片胶与所述框架的承载区连接。
7.根据权利要求1所述的单芯片霍尔电流传感器，其特征在于：所述霍尔传感器芯片中的电路结构与所述霍尔感应区域位于同一面。
8.一种如权利要求1～7任意一项所述的单芯片霍尔电流传感器的制备方法，其特征在于，所述单芯片霍尔电流传感器的制备方法包括：
选取框架，所述框架包括引脚区及承载区；
将晶圆切割成独立的霍尔传感器芯片，并将所述霍尔传感器芯片固定于所述框架的承载区；
制作形成导体电流环，并采用条带键合工艺将所述导体电流环与所述框架上的第二引脚区连接；
对所述导体电流环与所述框架的第二引脚区之间的连接进行回流焊和清洗工艺；
将所述霍尔传感器芯片上的焊盘与所述框架上的第一引脚区连接；
通过塑封将所述框架、所述霍尔传感器芯片及所述导体电流环封装于一外壳内，其中，各引脚引出所述外壳。
9.根据权利要求8所述的单芯片霍尔电流传感器的制备方法，其特征在于：所述霍尔传感器芯片上的焊盘与所述框架上的第一引脚区通过条带键合工艺实现连接。
10.根据权利要求9所述的单芯片霍尔电流传感器的制备方法，其特征在于：对所述霍尔传感器芯片上的焊盘与所述框架上的第一引脚区之间的连接进行回流焊和清洗工艺。
11.根据权利要求8所述的单芯片霍尔电流传感器的制备方法，其特征在于：所述霍尔传感器芯片上的焊盘与所述框架上的第一引脚区通过焊线工艺实现连接。
12.根据权利要求8所述的单芯片霍尔电流传感器的制备方法，其特征在于：对各引脚进行电镀，并通过切筋成型。
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