CN113574403A - 磁场传感器 - Google Patents

Abstract

一种磁场传感器(2)，包括信号调节IC(4)和磁场传感器IC(6)，磁场传感器IC(6)被安装在信号调节IC(4)上并且被连接到信号调节IC。磁场传感器IC包括半导体衬底(13)，其具有设置在磁场传感器(2)的与信号调节IC相对的面向外的侧面(13a)上的传感器有源层(5)。传感器有源层(5)连接到导电通孔(9)，该导电通孔从所述面向外的侧面(13a)穿过半导体衬底延伸到面向信号调节IC的下侧(13b)，导电通孔(9)的下侧经由包括导电珠连接(10)和焊料连接(12)的芯片上芯片互连(8)电互连到信号调节IC(4)上的连接焊垫(3)。

Description

磁场传感器

技术领域

本发明涉及集成电路上的磁场传感器。

背景技术

对于高精度磁场传感器，需要信号调节电子器件来补偿原始场传感器的缺陷(偏移、温度相关性)，并且这些信号调节电路通常在CMOS集成电路(IC)中实现。磁传感器可以结合在CMOS中，然而它们的灵敏度非常低，这是缺点。具有高灵敏度的霍尔单元可以用表现出高电子迁移率的材料来实现，如由某些化合物半导体(如GaAs、InSb、InAs)或这样的化合物半导体的异质结构所例示的，其被布置为获得其中可以产生高迁移率2D“电子气”的深量子阱。与硅相比，这些材料的每表面积更昂贵，并且与硅上CMOS工艺中可用的相比，用于精确电子电路的设计选项非常有限。

其他磁场传感器包括磁阻场传感器(AMR、GMR、TMR、CMR、EMR等......)。这些传感器需要与CMOS电子器件不同的工艺步骤。它们不依赖于特定的衬底材料，并且可以沉积在若干衬底的顶部上，包括在单片集成步骤中在专门制备的CMOS衬底上，但是工艺和产量考虑(与场传感器管芯的相对表面和信号调节IC相关)通常使得在单独的管芯上制造这些传感器是有利的。

上述磁场传感器产生的输出信号的水平虽然高于硅霍尔单元产生的水平，但在mV范围内仍然非常低，且因此容易受到来自周围系统的通过电容耦合到其互连件的表面的到信号调节IC的扰动，或受到来自这些互连件的环路区域上的时变外部磁场产生的感应电压的扰动。

因此，提供由两个单独的半导体组件(即，连接到信号调节半导体管芯(例如，CMOSIC)的磁场传感器半导体管芯)制成的磁场传感器是有利的。

已知的芯片到芯片组装方法包括：

引线接合，如图4a中所说明，其中接合线8a将信号调节IC4互连到磁场传感器IC6'，其中金属化连接轨道7连接到传感器有源层5(例如霍尔效应层)，所述磁场传感器IC6'接合在信号调节IC4上。

导电层沉积，如图4b所示，存在实现非常薄(几μm)和小(＜100μm边长)的有源半导体部件(称为小芯片)的方法，所述有源半导体部件可以通过压印印刷工艺从其源衬底转移到目标衬底。由于其高度小，所以有可能通过图案化薄导电层利用光刻工艺来沉积电互连。

芯片上倒装芯片，如图4c所示，其中导电珠8c被钎焊到信号调节IC4的连接焊垫3和钎焊到磁场传感器IC6'的金属化连接轨道7，磁场传感器IC6'被翻转，使得传感器有源层5面对信号调节IC4。

引线接合技术的缺点之一是需要在传感器芯片和引线接合之上模制的相对厚的绝缘层。厚的绝缘层增加了部件的体积，特别是封装的传感器的厚度。

通常有利的是，具有更薄的磁场传感器，以便减小传感器插入其中的磁芯的气隙，或者允许传感器定位成更靠近磁场的最佳测量点。例如，对于在电流感测应用中使用的磁场传感器，有利的是，在磁芯中具有尽可能薄的磁路间隙，以减小未使用的磁通量。这允许使用更小的磁芯并且增加换能器的灵敏度。

这些缺点可以通过图4b和4c中所示的现有技术解决方案来克服，特别是图4c中所示的倒装芯片布置，鉴于不存在引线接合，由此可以提供更薄的封装层。这样的磁场传感器对于插入磁芯的气隙中能够是有利的。图4b的配置的缺点是与倒装芯片解决方案相比半导体部件的制造成本。然而，所有常规解决方案不能很好地适于连接密集布置的多个磁场传感器。

在某些应用中，存在使磁有源感测层尽可能靠近要测量的磁场源的优点。例如，在电路板或引线框架上的电流感测应用中，将感测层定位成尽可能靠近要测量的电流在其中流动的导体，考虑到较高的信噪比，允许在测量中的较大灵敏度以及对外部噪声的较低灵敏度。

发明内容

鉴于上述内容，本发明的目的是提供一种磁场传感器，其克服了上述缺点，并且允许提供一种磁场传感器，其可以被定位成非常靠近要测量的磁场，但是具有最佳的磁场感测属性和信号调节属性。

本发明的目的已经通过提供根据权利要求1所述的磁场传感器而实现。

本文公开了一种磁场传感器，其包括信号调节IC和磁场传感器IC，磁场传感器IC安装在信号调节IC上并连接到信号调节IC。磁场传感器IC包括半导体衬底，其具有设置在磁场传感器的与信号调节IC相对的外侧面上的传感器有源层。传感器有源层连接到导电通孔，导电通孔从所述外侧面延伸穿过半导体衬底到达面向信号调节IC的下侧，导电通孔的下侧经由芯片上芯片互连电互连到信号调节IC上的连接焊垫。

芯片上芯片互连可以具有导电互连领域本身已知的各种配置，包括以凸块、螺柱、螺柱-凸块、铜柱等形式的导电连接珠。导电珠可以使用各种方法连接到下面的芯片，包括钎焊、压缩接合(一种焊接形式)、热压和导电粘合剂。在有利的实施例中，导电连接包括珠连接和焊料连接。

在有利的实施例中，传感器有源层包括霍尔效应传感器元件形式的传感器元件或其它形式的对磁场敏感的磁阻传感器元件，或者由其构成。

在有利的实施例中，传感器有源层在多个边缘位置处连接到对应的导电通孔，其中连接轨道位于传感器有源层与对应的导电通孔之间桥接的面向外侧上或面向外侧中。

在有利的实施例中，磁场传感器IC的半导体衬底的下侧包括覆盖导电通孔的连接焊垫，用于经由焊接(welding)、钎焊(soldering)或与其一体形成地连接到珠连接。

在实施例中，珠连接直接安装在信号调节IC上并且经由所述焊料连接直接地或通过形成在磁场感测集成电路上的连接焊垫连接到导电通孔。

在实施例中，珠连接直接安装在磁场传感器IC上连接到导电通孔或连接到安装在导电通孔之上的连接焊垫，并且经由所述焊料连接连接到信号调节IC上的连接焊垫。

在有利的实施例中，磁场传感器IC包括多个所述传感器有源层和对应的导电通孔以及芯片上芯片互连。

在有利的实施例中，磁场传感器IC包括至少2×2传感器元件的阵列。

在有利的实施例中，磁场传感器IC包括至少2×4有源传感器元件的阵列。

在有利的实施例中，磁场传感器IC包括至少4×4传感器元件的阵列和对应的导电通孔。

在有利的实施例中，所述传感器元件在四个角位置处连接到对应的四个导电通孔。

附图说明

本发明的其它目的和有利特征将从权利要求书、详细描述和附图中变得明显，在附图中：

图1是根据本发明的实施例的磁场传感器的示意性横截面视图；

图2是本发明的一个变型的与图1类似的视图；

图3a是根据本发明的实施例的磁场传感器的磁场传感器集成电路的透视图，其示出传感器有源层；

图3b是图3a的磁场传感器集成电路的相对侧的透视图；

图3c是类似于图3a的视图，以部分透明方式示出了半导体衬底内的导电通孔；

图4a至4c是现有技术磁场传感器的示意性截面图。

具体实施方式

参照图1至3c，根据本发明实施例的磁场传感器2包括信号调节集成电路4和安装在其上的磁场传感器集成电路6，具有芯片上芯片互连8。

在优选实施例中，信号调节IC4是CMOS集成电路，其包括用于处理来自磁场传感器IC6的信号的电路。信号调节IC包括连接焊垫3，特别是用于电连接到磁场传感器IC6的金属化层的形式。

磁场传感器IC6包括半导体衬底13，在半导体衬底13中嵌入有传感器有源层5，传感器有源层5感测磁场并产生与穿过有源层5的磁场的振幅成比例的信号。传感器有源层5可以特别地包括霍尔效应感测单元(在本文中也称为传感器元件)，尽管在本发明的范围内，可以使用感测有源层中的本身在磁场传感器的领域中众所周知的其他磁阻感测元件。

磁场传感器IC还包括导电通孔9，导电通孔9从感测侧13A延伸穿过半导体衬底到达远离传感器有源层5的相对下侧13b。每个导电通孔9可以是穿过半导体衬底13形成的金属化塔或柱的形式。连接轨道7将一部分(特别是传感器有源层5的边缘)电互连到感测侧13A处的导电通孔9的端部。

磁场传感器IC6在优选实施例中是化合物半导体(例如GaAs)或产生具有高电子迁移率的2D电子气的化合物半导体异质结构集成电路，导电通孔由金或铜形成。

如图3a中最佳地看到的，其示出了包括或构成霍尔效应传感器元件的传感器有源层5，存在四个连接轨道7，其连接到传感器有源层5的分别四个角位置，被配置为如本领域中所公知地被连接。

导电通孔9在半导体衬底13的下侧13b处电连接到芯片上芯片互连8。例如金属化层形式的连接焊垫11可以形成在下侧13b上，覆盖导电通孔9并且可选地延伸超过导体通孔9的直径，如图1和图2所示。芯片上芯片互连8包括导电珠连接10，特别是以与导体通孔9一体形成的金属凸块的形式，或者焊接或钎焊到导体通孔9。珠连接10被配置为用于经由焊料连接12钎焊到信号调节IC4上的连接焊垫3。在图2所示的变型中，与图1相反，以金属材料凸块的形式的珠连接10与信号调节IC4上的连接焊垫3焊接、钎焊或直接形成。

有利地，根据本发明的实施例提供了在磁场传感器2的面向外的一侧上的传感器有源层5，从而允许传感器有源层被定位在非常靠近要测量磁场的点。此外，接合引线的缺失允许磁场传感器的总厚度(包括封装的或包围IC4、6的任何绝缘层)非常薄。

根据本发明的实施例的使用导电通孔9的信号调节IC4上的磁场传感器IC6的连接还非常有利地允许提供与现有技术的配置(诸如图4C中所示的传感器有源层面向磁场传感器的外侧的配置)相比具有高连接密度的配置。如从图3a至3C中所示的实施例可以容易理解的，传感器有源层5可以紧密封装的布置被定位在半导体衬底13上，因为珠连接10被设置在没有传感器有源层5的下侧13b上，并且因此可以容易地且直接地连接到信号调节IC上的对应连接焊垫。因此，半导体衬底的下侧上的连接点相对于感测层的分离即使相对于常规倒装芯片布置也是特别有利的，因为传感器有源层的缺失提供了更多的表面积用于与连接珠的焊料连接。密集的布置还意味着可以在半导体衬底13上设置大量传感器有源层5。

所用的附图标记列表

电流换能器 1

磁场传感器 2

信号调节集成电路 4(信号调节IC)

连接焊垫 3

磁场传感器集成电路 6(磁场传感器IC)

半导体衬底 13

外侧(上侧) 13a

下侧 13b

传感器有源层 5

连接轨道 7

导电通孔 9

连接焊垫 11

芯片上芯片互连 8

珠连接 10

焊料 12

接合线 8'

Claims (13)

1.一种磁场传感器(2)，包括信号调节IC(4)和磁场传感器IC(6)，磁场传感器IC(6)安装在信号调节IC(4)上并且连接到信号调节IC(4)，磁场传感器IC包括半导体衬底(13)，其中传感器有源层(5)设置在磁场传感器(2)的与信号调节IC相对的面向外的侧面(13a)上，传感器有源层(5)连接到导电通孔(9)，导电通孔从所述面向外的侧面(13a)延伸穿过半导体衬底到面向信号调节IC的底侧面(13b)，导电通孔(9)的底侧面经由芯片上芯片互连(8)电互连到信号调节IC(4)上的连接焊垫(3)。

2.如前述权利要求所述的磁场传感器，其中芯片上芯片互连(8)包括珠连接(10)。

3.如前述权利要求中的任一项所述的磁场传感器，其中芯片上芯片互连(8)包括焊料连接(12)。

4.如前述权利要求中的任一项所述的磁场传感器，其中传感器有源层(5)包括霍尔效应传感器元件或对磁场敏感的其它形式的磁阻传感器元件。

5.如前述权利要求中的任一项所述的磁场传感器，其中传感器有源层(5)在多个拐角位置连接到相应的导电通孔(9)，其中在面向外的侧面(13a)上或中的连接轨道(7)桥接在传感器有源层和相应的导电通孔(9)之间。

6.如前述权利要求中的任一项所述的磁场传感器，其中在磁场传感器IC(6)的半导体衬底的下侧(13b)上，提供覆盖导电通孔(9)的连接焊垫(11)，以通过焊接、钎焊或与其一体成形地连接到珠连接(10)。

7.如前述权利要求中的任一项所述的磁场传感器，其中珠连接直接安装在信号调节IC(4)上，并且经由所述焊料连接(12)直接连接到或通过形成在磁场感测集成电路(6)上的连接焊垫(11)连接到导电通孔(9)。

8.如前述权利要求中的任一项所述的磁场传感器，其中珠连接(10)直接安装在磁场传感器IC上到导电通孔(9)或到安装在导电通孔(9)之上的连接焊垫(11)，并且经由所述焊料连接(12)连接到信号调节IC上的连接焊垫(3)。

9.如前述权利要求中的任一项所述的磁场传感器(2)，其中磁场传感器IC(6)包括多个所述传感器有源层和相应的导电通孔(9)以及芯片上芯片互连(8)。

10.如前述权利要求中的任一项所述的磁场传感器，其中磁场传感器IC(6)包括至少2×2传感器元件的阵列。

11.如前述权利要求中的任一项所述的磁场传感器，其中磁场传感器IC包括至少2×4传感器元件的阵列。

12.如前述权利要求所述的磁场传感器，其中磁场传感器IC(6)包括至少4×4传感器元件的阵列和相应的导电通孔(9)。

13.如前述权利要求中的任一项所述的磁场传感器，其中每个所述传感器有源层(5)在四个位置连接到相应的四个导电通孔(9)。

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