DE102011003998B4 - Stromsensor, der eine gesinterte Metallschicht umfasst - Google Patents

Stromsensor, der eine gesinterte Metallschicht umfasst Download PDF

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Abstract

Integrierte Schaltung, die folgende Merkmale aufweist:
einen Halbleiterchip (122), der einen ersten Magnetfeldsensor (124) aufweist;
eine Isoliermaterialschicht (128), die über dem ersten Magnetfeldsensor (124) auf dem Halbleiterchip (122) aufgebracht ist; und
eine gesinterte Metallschicht (130), die über der Isoliermaterialschicht (128) auf dem Halbleiterchip (122) gebildet ist,
wobei der erste Magnetfeldsensor (124) konfiguriert ist, um ein Magnetfeld zu erfassen, dass durch einen Strom erzeugt wird, der durch die gesinterte Metallschicht (130) fließt.

Description

  • Bekannt ist beispielsweise aus US 4 860 138 A ein Magnet Schreib- Lesekopf. Die Druckschrift offenbart eine vereinfachte Schreibspulenstruktur und eine verbesserte, kombinierte magnetische Vorspannungs- und Sensorstruktur.
  • In der DE 10 2006 037 070 A1 ist ferner ein Verfahren zur Herstellung einer Platine offenbart. Das Verfahren umfasst das Bereitstellens einer leitfähigen Paste mit Metallnanopartikeln auf einem isolierenden Substrat. Ferner das Sintern Sinterns der leitfähigen Paste in eine sauerstoffarmen Umgebung mit Alkohol, um einen Schaltungsleiter auszubilden.
  • Die DE 10 2004 038 847 B3 beschreibt eine Einrichtung zur potenzialfreien Messung eines in wenigstens einer elektrischen Leiterbahn fließenden Stromes, unter Verwendung eines mehrlagigen Aufbaus in LTCC-Technologie, so dass der Sensor in einer Ausnehmung einer isolierenden LTCC-Keramiklage angeordnet ist, und sodass oberhalb oder unterhalb der Ausnehmung wenigstens eine Stromleiterbahn unter Einhaltung eines die geforderte Durchschlagfestigkeit gewährleistenden, materialabhängigen Mindestabstandes verläuft.
  • Typische Stromsensoren, die Magnetfeldsensoren zum Messen von Strom verwenden, umfassen einen Leiter und einen Magnetfeldsensor. Ein Strom, der durch den Leiter fließt, erzeugt ein Magnetfeld, das durch den Magnetfeldsensor erfasst wird. Das erfasste Magnetfeld seinerseits liefert eine Anzeige des Stroms, der durch den Leiter fließt. Typische Stromsensoren dieser Art können spezielle Leitungsrahmen für den Leiter verwenden, können einen Magnetkern umfassen und/oder können spezielle magnetische Schichten umfassen. Jeder dieser typischen Stromsensoren verwendet teure Herstellungsprozesse und kann Störmagnetfelder nicht abweisen. Aus diesem und aus anderen Gründen besteht ein Bedarf nach der vorliegenden Erfindung.
  • Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine integrierte Schaltung, einen Stromsensor und ein Verfahren zum Herstellen eines Stromsensors mit verbesserten Charakteristika zu schaffen.
  • Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Weiterbildungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.
  • Die beiliegenden Zeichnungen sind umfasst, um ein weiteres Verständnis der Ausführungsbeispiele zu geben und sind in diese Beschreibung eingelagert und bilden einen Teil derselben. Die Zeichnungen stellen Ausführungsbeispiele dar und dienen zusammen mit der Beschreibung dazu, Prinzipien von Ausführungsbeispielen zu erklären. Andere Ausführungsbeispiele und viele der gewollten Vorteile der Ausführungsbeispiele sind ohne Weiteres erkennbar, wenn sie durch Bezugnahme auf die nachfolgende, detaillierte Beschreibung besser verständlich werden. Die Elemente der Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu relativ zueinander. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen entsprechende ähnliche Teile.
  • Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
    • 1 ein Blockdiagramm, das ein Ausführungsbeispiel eines Systems darstellt;
    • 2 eine Querschnittansicht eines Ausführungsbeispiels eines Stromsensors;
    • 3 eine Querschnittansicht eines anderen Ausführungsbeispiels eines Stromsensors;
    • 4a eine Bodenansicht eines anderen Ausführungsbeispiels eines Stromsensors.
    • 4b eine erste Querschnittansicht eines Ausführungsbeispiels des Stromsensors, der in 4a dargestellt ist;
    • 4c eine zweite Querschnittansicht eines Ausführungsbeispiels des Stromsensors, der in 4a dargestellt ist;
    • 5a eine perspektivische Ansicht eines anderen Ausführungsbeispiels eines Stromsensors;
    • 5b eine erste Querschnittansicht eines Ausführungsbeispiels des Stromsensors, der in 5a dargestellt ist;
    • 5c eine zweite Querschnittansicht von einem Ausführungsbeispiel des Stromsensors, der in 5a dargestellt ist;
    • 6 eine Bodenansicht eines anderen Ausführungsbeispiels eines Stromsensors;
    • 7 eine perspektivische Ansicht von einem Ausführungsbeispiel des Stromsensors, der in 6 dargestellt ist, der an eine gedruckte Schaltungsplatine (PCB; Printed Circuit Board) angebracht ist;
    • 8 eine Bodenansicht eines anderen Ausführungsbeispiels eines Stromsensors; und
    • 9 eine perspektivische Querschnittansicht eines anderen Ausführungsbeispiels eines Stromsensors.
  • In der nachfolgenden, detaillierten Beschreibung wird Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen genommen, die einen Teil derselben bilden und in denen auf darstellende Weise spezifische Ausführungsbeispiele gezeigt sind, in denen die Erfindung ausgeführt werden kann. Diesbezüglich wird eine Richtungsterminologie verwendet, wie z.B. „oben“, „unten“, „vorne“, „hinten“, „vorder“, „hinter“, etc., Bezug nehmend auf die Ausrichtung der Figur(en), die beschrieben werden. Da Komponenten von Ausführungsbeispielen in einer Anzahl von unterschiedlichen Ausrichtungen positioniert sein können, wird die Richtungsterminologie zu Zwecken der Darstellung verwendet und ist auf keine Weise einschränkend. Es wird darauf hingewiesen, dass andere Ausführungsbeispiele verwendet werden können und strukturelle oder logische Änderungen ausgeführt werden können, ohne von dem Schutzbereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Die nachfolgende, detaillierte Beschreibung wird daher nicht in einem einschränkenden Sinn genommen und der Schutzbereich der vorliegenden Erfindung ist durch die beiliegenden Ansprüche definiert.
  • Es wird darauf hingewiesen, dass die Merkmale der verschiedenen, exemplarischen Ausführungsbeispiele, die hierin beschrieben sind, miteinander kombiniert werden können, außer dies ist spezifisch anderweitig angegeben.
  • 1 ist ein Blockdiagramm, das ein Ausführungsbeispiel eines Systems 100 darstellt. Das System 100 umfasst einen Host 102 und einen Stromsensor 106. Der Host 102 ist kommunikativ mit dem Stromsensor 106 durch eine Kommunikationsverknüpfung 104 gekoppelt. Der Host 102 umfasst einen Computer, einen Mikroprozessor, eine Steuerung, eine Mikrosteuerung und/oder eine andere geeignete Logikschaltungsanordnung zum Steuern der Operation des Stromsensors 106. Bei einem Ausführungsbeispiel leitet der Host 102 Leistungssignale zu dem Stromsensor 106 und empfängt Strommesssignale von dem Stromsensor 106 durch die Kommunikationsverknüpfung 104.
  • Der Stromsensor 106 ist ein galvanisch isolierter Stromsensor, der eine integrierte Schaltung mit einem oder mehreren monolithisch integrierten Magnetfeldsensorelementen, eine Isolationsschicht und eine gesinterte Metallschicht aufweist. Das eine oder die mehreren Magnetfeldsensorelemente sind elektrisch von der gesinterten Metallschicht über die Isolationsschicht isoliert. Die gesinterte Metallschicht liefert einen Stromleiter, durch den der zu erfassende Strom fließt. Ein Strom, der durch die gesinterte Metallschicht fließt, erzeugt ein Magnetfeld proportional zu dem Strom. Der eine oder die mehreren Magnetfeldsensoren erfassen das erzeugte Magnetfeld, um ein Messsignal für den Strom zu liefern.
  • Das System 100 kann bei einer Vielzahl von Anwendungen verwendet werden, wo ein Strom gemessen werden soll. Zum Beispiel kann der Host 102 Teil eines elektrischen oder Hybrid-Auto- oder Fahrzeug-Steuersystem sein und der Stromsensor 106 kann verwendet werden, um den Strom zu messen, der durch die Batterien des Autos oder des Fahrzeugs geliefert wird. Bei anderen Ausführungsbeispielen wird das System 100 bei anderen geeigneten Anwendungen verwendet.
  • 2 stellt eine Querschnittansicht von einem Ausführungsbeispiel eines Stromsensors 120 dar. Bei einem Ausführungsbeispiel liefert der Stromsensor 120 den Stromsensor 106, der vorangehend Bezug nehmend auf 1 beschrieben und dargestellt wurde. Der Stromsensor 120 umfasst einen Halbleiterchip 122, eine Isolationsschicht 128 und eine gesinterte Metallschicht 130. Der Halbleiterchip 122 umfasst zumindest einen Magnetfeldsensor 124, einen Kontakt 126 und andere Elemente (z.B. Leistungsverstärker, Schutzdioden, Widerstände und andere Schaltungselemente), die elektrisch mit dem Magnetfeldsensor 124 und/oder dem Kontakt 126 gekoppelt sind. Der Magnetfeldsensor 124 umfasst einen Hall-Sensor, einen Giant-Magnetoresistenz-Sensor (GMR-Sensor), einen anisotropen Magnetoresistenz-Sensor (AMR; Anisotropie Magnetoresistive Sensor), einen Tunnel-Magnetoresistenz-Sensor (TMR; Tunnel Magnetoresistive Sensor) oder einen anderen, geeigneten Magnetfeldsensor.
  • Bei einem Ausführungsbeispiel ist der Halbleiterchip 122 ein Siliziumchip, der unter Verwendung von Komplementär-Metalloxid-Halbleiter-Prozessen (CMOS; Complementary Metal Oxide Semiconductor) oder anderen geeigneten Prozessen hergestellt wird. Ein Isolationsmaterial, wie z.B. SiO2, Polyimid oder ein anderes geeignetes Isolationsmaterial wird über den Magnetfeldsensor 124 aufgebracht, um eine Isolationsschicht 128 zu liefern. Bei einem Ausführungsbeispiel wird das Isolationsmaterial selektiv über dem Magnetfeldsensor 124 aufgebracht, um eine Isolationsschicht 128 zu liefern. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel wird das Isolationsmaterial über den gesamten Halbleiterchip 122 aufgebracht und wird dann von über dem Kontakt 126 entfernt, um die Isolationsschicht 128 zu liefern. Bei einem Ausführungsbeispiel weist die Isolationsschicht 128 eine Dicke zwischen ungefähr 10 µm und 20 µm auf und liefert eine Isolation von mehr als ungefähr 2 kV zwischen dem Halbleiterchip 122 und der gesinterten Metallschicht 130.
  • Eine Metallpaste wird dann über die Isolationsschicht 128 aufgebracht. Bei einem Ausführungsbeispiel umfasst die Metallpaste Nanopartikel und/oder Mikropartikel aus Metall, wie z.B. Ag, Cu, Au und/oder andere geeignete Metalle und/oder Metallpräkursorverbindungen. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel umfasst die Metallpaste eine Lötpaste. Die Metallpaste umfasst ferner ein oder mehrere Lösungsmittel, um die Viskosität der Metallpaste zu steuern. Bei einem Ausführungsbeispiel sind die Lösungsmittel der Metallpaste ausgewählt, um sich bei einer Temperatur indem Bereich von 80°C bis 400°C zu zersetzen.
  • Bei einem Ausführungsbeispiel wird eine Haftförderungsmetallschicht über die Isolationsschicht 128 vor dem Aufbringen der Metallpaste aufgebracht. Die Haftförderungsmetallschicht wird aufgebracht durch Sputtern, Drucken oder eine andere geeignete Aufbringungstechnik. Die Metallpaste wird über die Haftförderungsmetallschicht oder Isolationsschicht 128 durch Siebdrucken, Seidenrasterdrucken, Tintenstrahldrucken, eine Kombination derselben oder eine andere geeignete Technik aufgebracht. Bei einem Ausführungsbeispiel wird die Metallpaste mit einer Dicke zwischen 5 µm und 100 µm aufgebracht, wie z.B. 50 µm. Die Metallpaste wird bei einer Temperatur zwischen 80°C und 400°C getrocknet und gesintert, um eine gesinterte Metallschicht 130 zu liefern.
  • Die gesinterte Metallschicht 130 liefert den Stromleiter für den Stromsensor 120. Die gesinterte Metallschicht 130 weist einen niedrigen Widerstand auf und ist weniger teuer herzustellen im Vergleich zu typischen Stromsensoren. Zusätzlich dazu kann die gesinterte Metallschicht 130 an den Magnetfeldsensor 124 in dem Halbleiterchip 122 unter Verwendung von Waferherstellungsmasken angepasst werden. Mehrere Magnetfeldsensorelemente können relativ zu der gesinterten Metallschicht 130 derart positioniert werden, dass externe Störmagnetfelder abgewiesen werden (z.B. Differenz-Hall-Sensoren, Tripel-Hall-Sensoren, Differenz-GMR-Sensoren, Differenz-TMR-Sensoren, etc.). Der Herstellungsprozess des Stromsensors 120 verhindert teurere Häusungskosten und teurere spezielle Prozessschritte im Vergleich zu typischen Stromsensoren.
  • Bei einem anderen Ausführungsbeispiel wird die gesinterte Metallschicht 130 auch zum Homogenisieren des Temperaturgradienten über den Halbleiterchip 122 verwendet. Der Temperaturgradient kann aus der Leistungsableitung innerhalb des Halbleiterchips 122 stammen aufgrund von Leistungsverstärkern, Schutzdioden, Widerständen und/oder ähnlichen Schaltungselementen. Der Temperaturgradient kann auch aus der Ableitung innerhalb der gesinterten Metallschicht 130 selbst stammen aufgrund des Flusses an Hochstrom durch die gesinterte Metallschicht 130. Daher wird bei einem Ausführungsbeispiel die gesinterte Metallschicht 130 größer hergestellt (z.B. dicker und/oder größerer Bereich) als für die reinen Stromleitprozesse benötigt wird, um die Wärme über einen größeren Bereich hinaus zu verteilen und den Temperaturgradienten zu homogenisieren.
  • Bei einem anderen Ausführungsbeispiel wird die gesinterte Metallschicht 130 ferner verwendet, um die maximale Nennleistung bzw. Einstufung einer integrierten Schaltung zu erhöhen, insbesondere wenn die maximale Einstufung auf die thermische Erwärmung beschränkt ist. Wenn sich z.B. eine Elektrostatische-Entladung- (ESD; ESD = Electrostatic Discharge)-Diode in einem Fall eines Hochspannungspulses erwärmt, kann ein großer Bereich, der durch die gesinterte Metallschicht 130 abgedeckt ist, nicht nur den Wärmewiderstand des Übergangs auf Umgebung erhöhen, sondern auch die Wärmekapazität.
  • 3 stellt eine Querschnittansicht eines anderen Ausführungsbeispiels eines Stromsensors 140 dar. Bei einem Ausführungsbeispiel liefert der Stromsensor 140 einen Stromsensor 106, der vorangehend Bezug nehmend auf 1 beschrieben und dargestellt wurde. Der Stromsensor 140 ist ähnlich zu dem Stromsensor 120, der vorangehend Bezug nehmend auf 2 dargestellt und beschrieben wurde, außer dass der Stromsensor 140 einen Kontakt 130b umfasst, der elektrisch mit dem Kontakt 126 durch ein Durchgangsloch 142 gekoppelt ist.
  • Bei diesem Ausführungsbeispiel deckt die Isolationsschicht 128 die Fläche des Halbleiterchips 122 ab und umgibt seitlich das Durchgangsloch 142. Das Durchgangsloch 142 umfasst ein leitfähiges Material, das den Kontakt 126 des Halbleiterchips 122 elektrisch mit dem Kontakt 130b koppelt. Der Kontakt 130b ist Teil der gesinterten Metallschicht 130. Abschnitt 130a der gesinterten Metallschicht 130 liefert den Stromleiter für den Stromsensor 140. Der Stromsensor 140 wird unter Verwendung eines Prozesses hergestellt, der ähnlich zu dem Prozess ist, der zum Herstellen des Stromsensors 120 verwendet wird, der vorangehend Bezug nehmend auf 2 beschrieben und dargestellt wurde.
  • 4a stellt eine Bodenansicht eines anderen Ausführungsbeispiels eines Stromsensors 200 dar. 4b stellt eine erste Querschnittansicht dar und 4c stellt eine zweite Querschnittansicht des Stromsensors 200 dar, wie in 4a angezeigt ist. Der Stromsensor 200 ist ein abwärtsgewandt befestigter Stromsensor an einem Leitungsrahmen. Bei einem Ausführungsbeispiel liefert der Stromsensor 200 den Stromsensor 106, der vorangehend Bezug nehmend auf 1 beschrieben und dargestellt wurde. Der Stromsensor 200 umfasst einen Halbleiterchip 202, eine Isolationsschicht 210, Durchgangslöcher 212, eine gesinterte Metallschicht 208 und einen Leitungsrahmen 206.
  • Der Halbleiterchip 202 umfasst zwei Magnetfeldsensoren 204a und 204b und andere Elemente (z.B. Kontakte, Leistungsverstärker, Schutzdioden, Widerstände und andere Schaltungselemente), die elektrisch mit den Magnetfeldsensoren 204a und 204b gekoppelt sind. Bei anderen Ausführungsbeispielen umfasst der Halbleiterchip 202 eine andere geeignete Anzahl von Magnetfeldsensoren. Bei diesen Ausführungsbeispielen umfassen die Magnetfeldsensoren 204a und 204b Hall-Sensoren oder andere geeignete Magnetfeldsensoren. Die Isolationsschicht 210 deckt die Fläche des Halbleiterchips 202 ab und umgibt die Durchgangslöcher 212 seitlich. Jedes Durchgangsloch 212 umfasst ein leitfähiges Material, das den Halbleiterchip 202 elektrisch mit einem Kontakt 208b koppelt. Kontakte 208b sind Teil der gesinterten Metallschicht 208.
  • Der Abschnitt 208a der gesinterten Metallschicht 208 liefert den Stromleiter für den Stromsensor 200. Der Abschnitt 208a der gesinterten Metallschicht 208 ist I-förmig, derart, dass der Magnetfeldsensor 204a benachbart zu einer Seite der Mitte des I-förmigen Leiters angeordnet ist und der Magnetfeldsensor 204b benachbart zu der anderen Seite der Mitte des I-förmigen Leiters positioniert ist. Auf diese Weise wird ein Differenzstromsensor geliefert, der externe Störmagnetfelder abweist. Bei anderen Ausführungsbeispielen weist ein Abschnitt 208a einer gesinterten Metallschicht 208 andere geeignete Formen auf, die auf Anzahl, Typ und Ort der Magnetfeldsensoren in dem Halbleiterchip 202 basieren.
  • Abschnitte 208b einer gesinterten Metallschicht 208 auf einer ersten Seite eines Halbleiterchips 202 sind mit Anschlussleitungen 206c eines Leitungsrahmens 206 gekoppelt. Abschnitte 208b einer gesinterten Metallschicht 208 auf einer zweiten Seite des Halbleiterchips 202 gegenüberliegend zu der ersten Seite sind mit Anschlussleitungen 206d des Leitungsrahmens 206 gekoppelt. Bei einem Ausführungsbeispiel sind die Anschlussleitungen 206c und 206d des Leitungsrahmens 206 elektrisch mit einem Host gekoppelt, um Leistung von dem Host für den Stromsensor 200 zu empfangen und um Strommesssignale zu dem Host von dem Stromsensor 200 zu liefern.
  • Eine erste Seite eines Abschnitts 208a der gesinterten Metallschicht 208 ist mit Anschlussleitungen 206a des Leitungsrahmens 206 gekoppelt. Eine zweite Seite des Abschnitts 208a der gesinterten Metallschicht 208 gegenüberliegend zu der ersten Seite ist mit Anschlussleitungen 206b von dem Leitungsrahmen 206 gekoppelt. Bei einem Ausführungsbeispiel sind die Anschlussleitungen 206a und 206b elektrisch mit einer Schaltung derart gekoppelt, dass der zu messende Strom durch den Abschnitt 208a einer gesinterten Metallschicht 208 fließt. Ein Strom, der durch den Abschnitt 208a der gesinterten Metallschicht 208 fließt, erzeugt ein positives Magnetfeld an einem der Magnetfeldsensoren 204a und 204b und ein negatives Magnetfeld an dem anderen einen der Magnetfeldsensoren 204a und 204b. Auf diese Weise misst der Stromsensor 200 das Magnetfeld, das durch die gesinterte Metallschicht 208 erzeugt wird, differentiell und weist externe Störmagnetfelder ab.
  • Der Halbleiterchip 202, die Isolationsschicht 210 und die gesinterte Metallschicht 208 werden unter Verwendung eines Prozesses hergestellt, der ähnlich zu dem Prozess ist, der zum Herstellen des Stromsensors 120 verwendet wird, der vorangehend Bezug nehmend auf 2 beschrieben und dargestellt wurde. Bei diesem Ausführungsbeispiel weist die Isolationsschicht 210 eine Dicke von ungefähr 14 µm auf und die gesinterte Metallschicht 208 weist eine Dicke zwischen 20 µm und 50 µm auf. Bei anderen Ausführungsbeispielen weist die Isolationsschicht 210 eine andere geeignete Dicke auf und die gesinterte Metallschicht 208 weist eine andere geeignete Dicke auf. Der Halbleiterchip 202, die Isolationsschicht 210 und die gesinterte Metallschicht 208 werden dann in einer abwärts gewandten Befestigungsanordnung auf den Leitungsrahmen 206 platziert und an den Leitungsrahmen 206 gelötet oder an den Leitungsrahmen 206 unter Verwendung einer anderen geeigneten Technik angebracht.
  • 5A stellt eine perspektivische Ansicht eines anderen Ausführungsbeispiels eines Stromsensors 300 dar. 5B stellt eine erste Querschnittansicht dar und 5C stellt eine zweite Querschnittansicht des Stromsensors 300 dar, wie in 5A angezeigt ist. Der Stromsensor 300 ist ein aufwärts gewandt befestigter Stromsensor an einem Leitungsrahmen. Bei einem Ausführungsbeispiel liefert der Stromsensor 300 den Stromsensor 106, der vorangehend Bezug nehmend auf 1 beschrieben und dargestellt wurde. Der Stromsensor 300 umfasst einen Halbleiterchip 302, eine Isolationsschicht 310, Durchgangslöcher 312, eine gesinterte Metallschicht 308, Bonddrähte 314 und einen Leitungsrahmen 306.
  • Der Halbleiterchip 302 umfasst zwei Magnetfeldsensoren 304a und 304b und andere Elemente (z.B. Kontakte, Leistungsverstärker, Schutzdioden, Widerstände und andere Schaltungselemente), die elektrisch mit den Magnetfeldsensoren 304a und 304b gekoppelt sind. Bei anderen Ausführungsbeispielen umfasst der Halbleiterchip 302 eine andere geeignete Anzahl von Magnetfeldsensoren. Bei diesem Ausführungsbeispiel umfassen die Magnetfeldsensoren 304a und 304b Hall-Sensoren oder andere geeignete Magnetfeldsensoren. Die Isolationsschicht 310 deckt die Fläche des Halbleiterchips 302 ab und umgibt die Durchgangslöcher 312 seitlich. Jedes Durchgangsloch 312 umfasst ein leitfähiges Material, das den Halbleiterchip 302 elektrisch mit einem Kontakt 308b koppelt. Die Kontakte 308b sind Teil der gesinterten Metallschicht 308.
  • Abschnitt 308a der gesinterten Metallschicht 308 liefert den Stromleiter für den Stromsensor 300. Abschnitt 308a der gesinterten Metallschicht 308 ist I-förmig, derart, dass der Magnetfeldsensor 304a benachbart zu einer Seite der Mitte des I-förmigen Leiters positioniert ist und der Magnetfeldsensor 304b benachbart zu der anderen Seite der Mitte des I-förmigen Leiters positioniert ist. Auf diese Weise wird ein Differenzstromsensor geliefert, der externe Störmagnetfelder abweist. Bei anderen Ausführungsbeispielen weist Abschnitt 308a der gesinterten Metallschicht 308 andere geeignete Formen auf, basierend auf Anzahl, Typ und Ort der Magnetfeldsensoren in dem Halbleiterchip 302.
  • Abschnitte 308b der gesinterten Metallschicht 308 auf einer ersten Seite des Halbleiterchips 302 sind mit Anschlussleitungen 306c des Leitungsrahmens 306 durch Bonddrähte 314 gekoppelt. Abschnitte 308b der gesinterten Metallschicht 308 auf einer zweiten Seite des Halbleiterchips 302 gegenüberliegend zu der ersten Seite sind mit Anschlussleitungen 306b des Leitungsrahmens 306 durch Bonddrähte 314 gekoppelt. Bei einem Ausführungsbeispiel sind Anschlussleitungen 306c des Leitungsrahmens 306 elektrisch mit einem Host gekoppelt, um Strommesssignale zu dem Host von dem Stromsensor 300 zu liefern. Bei einem Ausführungsbeispiel sind Anschlussleitungen 306d des Leitungsrahmens 306 elektrisch mit einem Host gekoppelt, um Leistung von dem Host für den Stromsensor 300 zu empfangen.
  • Eine erste Seite des Abschnitts 308a der gesinterten Metallschicht 308 ist mit Anschlussleitungen 306a des Leitungsrahmens 306 durch Bonddrähte 314 gekoppelt. Eine zweite Seite des Abschnitts 308a der gesinterten Metallschicht 308 gegenüberliegend zu der ersten Seite ist mit Anschlussleitungen 306b des Leitungsrahmens 306 durch Bonddrähte 314 gekoppelt. Bei einem Ausführungsbeispiel sind Anschlussleitungen 306a und 306b elektrisch mit einer Schaltung derart gekoppelt, dass der Strom, der gemessen werden soll, durch den Abschnitt 308a der gesinterten Metallschicht 308 fließt. Ein Strom, der durch den Abschnitt 308a der gesinterten Metallschicht 308 fließt, erzeugt ein positives Magnetfeld an einem der Magnetfeldsensoren 304a und 304b und ein negatives Magnetfeld an dem anderen der Magnetfeldsensoren 304a und 304b. Auf diese Weise misst der Stromsensor 300 das Magnetfeld, das durch die gesinterte Metallschicht 308 erzeugt wird, differentiell und weist externe Störmagnetfelder ab.
  • Der Halbleiterchip 302, die Isolationsschicht 310 und die gesinterte Metallschicht 308 werden unter Verwendung eines ähnlichen Prozesses zu dem Prozess hergestellt, der zum Herstellen des Stromsensors 120 verwendet wird, wie vorangehend Bezug nehmend auf 2 beschrieben und dargestellt wurde. Bei diesem Ausführungsbeispiel weist die Isolationsschicht 310 eine Dicke zwischen 10 µm und 20 µm auf und die gesinterte Metallschicht 308 weist eine Dicke von ungefähr 50 µm auf. Bei anderen Ausführungsbeispielen weist die Isolationsschicht 310 eine andere geeignete Dicke auf und die gesinterte Metallschicht 308 weist eine andere geeignete Dicke auf. Der Halbleiterchip 302, die Isolationsschicht 310 und die gesinterte Metallschicht 308 sind an den Leitungsrahmen 306 in einer nach oben gewandten Befestigungsanordnung angebracht. Bonddrähte 314 werden dann zwischen die gesinterte Metallschicht 308 und den Leitungsrahmen 306 unter Verwendung einer geeigneten Drahtbondtechnik angebracht.
  • 6 stellt eine Bodenansicht eines anderen Ausführungsbeispiels eines Stromsensors 400 dar. 7 stellt eine perspektivische Ansicht des Stromsensors 400 dar, der an eine gedruckte Schaltungsplatine (PCB; Printed Circuit Board) 420 angebracht ist. Der Stromsensor 400 ist ein Nacktchipstromsensor (bare die current sensor). Bei einem Ausführungsbeispiel liefert der Stromsensor 400 den Stromsensor 106, wie vorangehend Bezug nehmend auf 1 beschrieben und dargestellt wurde. Der Stromsensor 400 umfasst einen Halbleiterchip 402, eine Isolationsschicht 410, Durchgangslöcher 412 und eine gesinterte Metallschicht 408.
  • Der Halbleiterchip 402 umfasst drei Magnetfeldsensoren 404a, 404b und 404c und andere Elemente (z.B. Kontakte, Leistungsverstärker, Schutzdioden, Widerstände und andere Schaltungselemente), die elektrisch mit den Magnetfeldsensoren 404a, 404b und 404c gekoppelt sind. Bei anderen Ausführungsbeispielen umfasst der Halbleiterchip 402 eine andere geeignete Anzahl von Magnetfeldsensoren. Bei diesem Ausführungsbeispiel umfassen die Magnetfeldsensoren 404a, 404b und 404c Hall-Sensoren oder andere, geeignete Magnetfeldsensoren. Die Isolationsschicht 410 deckt die Fläche des Halbleiterchips 402 ab und umgibt die Durchgangslöcher 412 seitlich. Jedes Durchgangsloch 412 umfasst ein leitfähiges Material, das den Halbleiterchip 402 elektrisch mit einem Kontakt 408b koppelt. Kontakte 408b sind Teil der gesinterten Metallschicht 408.
  • Ein Abschnitt 408a der gesinterten Metallschicht 408 liefert den Stromleiter für den Stromsensor 400. Der Abschnitt 408a der gesinterten Metallschicht 408 ist M-förmig, derart, dass der Magnetfeldsensor 404a zwischen einem ersten Schenkel und dem Mittelabschnitt des M-förmigen Leiters angeordnet ist, der Magnetfeldsensor 404b in dem Mittelabschnitt des M-förmigen Leiters angeordnet ist und der Magnetfeldsensor 404c zwischen dem zweiten Schenkel und dem Mittelabschnitt des M-förmigen Leiters angeordnet ist. Auf diese Weise wird ein Differenzstromsensor geliefert, der externe Störmagnetfelder abweist. Bei anderen Ausführungsbeispielen weist der Abschnitt 408a der gesinterten Metallschicht 408 andere geeignete Formen basierend auf der Anzahl, dem Typ und dem Ort der Magnetfeldsensoren in dem Halbleiterchip 402 auf. Zum Beispiel ist bei einem anderen Ausführungsbeispiel der Abschnitt 408a der gesinterten Metallschicht 408 U-förmig, derart, dass der Magnetfeldsensor 404a auf einer ersten Seite des U-förmigen Leiters angeordnet ist, der Magnetfeldsensor 404b in dem Mittelabschnitt des U-förmigen Leiters angeordnet ist und der Magnetfeldsensor 404c auf einer zweiten Seite des U-förmigen Leiters gegenüberliegend zu der ersten Seite angeordnet ist.
  • Abschnitte 408b der gesinterten Metallschicht 408 sind mit leitfähigen Leitungen 420c der PCB 420 gekoppelt. Bei einem Ausführungsbeispiel sind die leitfähigen Leitungen 420c der PCB 420 elektrisch mit einem Host gekoppelt, um Leistung von dem Host für den Stromsensor 400 zu empfangen und um Strommesssignale zu dem Host von dem Stromsensor 400 zu liefern. Eine erste Seite des Abschnitts 408a der gesinterten Metallschicht 408 ist mit der leitfähigen Leitung 420a der PCB 420 gekoppelt. Eine zweite Seite des Abschnitts 408a der gesinterten Metallschicht 408 gegenüberliegend zu der ersten Seite ist mit der leitfähigen Leitung 420b der PCB 420 gekoppelt. Leitfähige Leitungen 420a und 420b sind elektrisch mit einer Schaltung derart gekoppelt, dass der Strom, der gemessen werden soll, durch den Abschnitt 408a der gesinterten Metallschicht 408 fließt. Ein Strom, der durch den Abschnitt 408a der gesinterten Metallschicht 408 fließt, erzeugt ein positives Magnetfeld an den Magnetfeldsensoren 404a und 404c oder an dem Magnetfeldsensor 404b und ein negatives Magnetfeld an dem anderen der Magnetfeldsensoren 404a und 404c oder dem Magnetfeldsensor 404b. Auf diese Weise misst der Stromsensor 400 das Magnetfeld, das durch die gesinterte Metallschicht 404 erzeugt wird, differentiell und weist externe Störmagnetfelder ab.
  • Der Halbleiterchip 402, die Isolationsschicht 410 und die gesinterte Metallschicht 408 werden unter Verwendung eines Prozesses hergestellt, ähnlich zu dem Prozess, der zum Herstellen des Stromsensors 120 verwendet wird, der vorangehend Bezug nehmend auf 2 beschrieben und dargestellt wurde. Bei diesem Ausführungsbeispiel weist die Isolationsschicht 410 eine Dicke von ungefähr 12 µm auf und die gesinterte Metallschicht 408 weist eine Dicke zwischen 20 µm und 50 µm auf. Bei anderen Ausführungsbeispielen weist die Isolationsschicht 410 eine andere geeignete Dicke auf und die gesinterte Metallschicht 408 weist eine andere geeignete Dicke auf. Der Halbleiterchip 402, die Isolationsschicht 410 und die gesinterte Metallschicht 408 werden dann in einer nach unten gewandten Befestigungsanordnung auf der PCB 420 platziert und an die PCB 420 gelötet oder an die PCB 420 unter Verwendung einer anderen geeigneten Technik angebracht.
  • 8 stellt eine Unteransicht eines anderen Ausführungsbeispiels eines Stromsensors 430 dar. Bei einem Ausführungsbeispiel liefert der Stromsensor 430 den Stromsensor 106, der vorangehend Bezug nehmend auf 1 beschrieben und dargestellt wurde. Der Stromsensor 430 ist ähnlich zu dem Stromsensor 400, der vorangehend Bezug nehmend auf 6 beschrieben und dargestellt wurde, außer dass bei dem Stromsensor 430 die gesinterte Metallschicht 408 durch eine Leistungsmetallschicht 432 ersetzt ist und der Stromsensor 430 eine gesinterte Metallschicht 434 umfasst. Bei diesem Ausführungsbeispiel liefert der Abschnitt 432a der Leistungsmetallschicht 432 den Stromleiter für den Stromsensor 430. Kontakte 432b sind ebenfalls Teil der Leistungsmetallschicht 432. Die Leistungsmetallschicht 432 ist dünner als die gesinterte Metallschicht 408, die vorangehend Bezug nehmend auf 6 beschrieben und dargestellt wurde, aber die Leistungsmetallschicht 432 liefert eine verbesserte Ausrichtung mit den Magnetfeldsensoren 404a, 404b und 404c. Die Leistungsmetallschicht 432 umfasst Cu, Al oder ein anderes geeignetes Metall.
  • Die gesinterte Metallschicht 434 umfasst einen ersten Abschnitt 434a auf einer ersten Seite der Leistungsmetallschicht 432 und einen zweiten Abschnitt 434b auf einer zweiten Seite der Leistungsmetallschicht 432 gegenüberliegend zu der ersten Seite. Die gesinterte Metallschicht 434 liefert eine verbesserte thermische und elektrische Verbindung mit einer anderen Vorrichtung, wie z.B. der PCB 420, wie vorangehend Bezug nehmend auf 7 beschrieben und dargestellt wurde.
  • 9 stellt eine perspektivische Querschnittansicht eines anderen Ausführungsbeispiels eines Stromsensors 500 dar. Bei einem Ausführungsbeispiel liefert der Stromsensor 500 den Stromsensor 106, der vorangehend Bezug nehmend auf 1 beschrieben und dargestellt wurde. Der Stromsensor 500 umfasst einen Halbleiterchip 502, eine Isolationsschicht 506, eine Leistungsmetallschicht 508 und gestapelte, gesinterte Metallschichten 510. Bei einem Ausführungsbeispiel ist die Leistungsmetallschicht 508 durch eine andere, gesinterte Metallschicht ersetzt.
  • Der Halbleiterschicht 502 umfasst einen oder mehrere Magnetfeldsensoren 504 und andere Elemente (z.B. Kontakte, Leistungsverstärker, Schutzdioden, Widerstände und andere Schaltungselemente), die elektrisch mit dem einen oder den mehreren Magnetfeldsensoren 504 gekoppelt sind. Bei diesem Ausführungsbeispiel umfassen der eine oder die mehreren Magnetfeldsensoren 504 Hall-Sensoren oder andere geeignete Magnetfeldsensoren. Die Isolationsschicht 506 deckt die Fläche des Halbleiterchips 502 ab.
  • Die Leistungsmetallschicht 508 liefert den Stromleiter für den Stromsensor 500. Bei diesem Ausführungsbeispiel umfasst die Leistungsmetallschicht 508 einen oder mehrere Schlitze, wo einer oder mehrere der Magnetfeldsensoren 504 angeordnet sind. Ein Strom, der durch die Leistungsmetallschicht 508 fließt, erzeugt ein Magnetfeld an dem einen oder den mehreren Magnetfeldsensoren 504. Auf diese Weise misst der Stromsensor 500 das Magnetfeld, das durch die Leistungsmetallschicht 508 erzeugt wird. Bei anderen Ausführungsbeispielen weist die Leistungsmetallschicht 508 andere geeignete Formen auf, was eine geeignete Anzahl von Schlitzen umfasst, basierend auf Anzahl, Typ und Ort der Magnetfeldsensoren in dem Halbleiterchip 502.
  • Gestapelte, gesinterte Metallschichten 510 umfassen einen ersten Stapel aus gesinterten Metallschichten 510a auf einer ersten Seite einer Leistungsmetallschicht 508 und einem zweiten Stapel aus gesinterten Metallschichten 510b auf einer zweiten Seite der Leistungsmetallschicht 508 gegenüberliegend zu der ersten Seite. Gestapelte, gesinterte Metallschichten 510 liefern eine verbesserte, thermische und elektrische Verbindung zu einer anderen Vorrichtung, wie z.B. der PCB 420, wie vorangehend Bezug nehmend auf 7 beschrieben und dargestellt wurde. Jeder Stapel aus gesinterten Metallschichten 510a und 510b umfasst zwei oder mehr Schichten, wie z.B. vier Schichten, wie in 9 dargestellt ist. Bei einem Ausführungsbeispiel weist jede zusätzliche Schicht von jedem Stapel aus gesinterten Metallschichten 510a und 510b einen kleineren Bereich auf als die vorangehende Schicht, derart, dass eine pyramidenförmige, gestapelte Struktur geliefert wird. Die obere Schicht 512a und 512b jedes Stapels aus gesinterten Metallschichten 510a bzw. 510b liefert einen Kontaktbereich zum Löten von Bonddrähten, Goldhöckern oder anderen geeigneten Verbindungselementen.
  • Wie in 4a, 5a und 6 dargestellt ist, liefern Ausführungsbeispiele Stromsensoren, wo die Topologie der gesinterten Metallschicht ein relativ großes Profil aufweist, um Kontaktierungselemente, wie z.B. Clips, Bonddrähte, Höcker und Bälle oder Lötpaste entfernt von dem Rand des Halbleiterchips und entfernt von den Magnetfeldsensoren auf der Oberfläche des Halbleiterchips zu halten. Klammern und Leitungsrahmenteile sind üblicherweise durch Ni beschichtet, das magnetisch ist, und das Störmagnetfelder an den Magnetfeldsensoren fördern kann. Bei einer größeren Distanz zwischen den Kontaktierungselementen und den Magnetfeldsensoren werden Störmagnetfelder reduziert.
  • Ausführungsbeispiele liefern Stromsensoren mit einer gesinterten Metallschicht als Stromleitungsdraht. Die gesinterte Metallschicht liefert eine niedrige Reihenimpedanz und einen niedrigen Kontaktwiderstand für Klammern, Bonddrähte, Höcker und Bälle oder Lötpaste. Die gesinterte Metallschicht liefert ferner einen niedrigen Wärmewiderstand für Klammern, Bonddrähte, Höcker und Bälle oder Lötpaste. Die gesinterte Metallschicht ist chemisch rein und weist keine magnetische Verunreinigung auf. Die gesinterte Metallschicht liefert ferner eine reduzierte Stromdichte aufgrund ihrer Dicke, um auf Elektromigration bezogene Probleme zu vermeiden.
  • Obwohl spezifische Ausführungsbeispiele hierin dargestellt und beschrieben wurden, werden Fachleute auf dem Gebiet erkennen, dass eine Vielzahl von alternativen und/oder entsprechenden Implementierungen für die spezifischen Ausführungsbeispiele eingesetzt werden können, die gezeigt und beschrieben sind, ohne von dem Schutzbereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Diese Anmeldung soll jegliche Anpassungen oder Abweichungen der spezifischen, hierin erörterten Ausführungsbeispiele abdecken. Daher ist es die Absicht, dass die Erfindung nur durch die Ansprüche und ihre Entsprechungen eingeschränkt ist.

Claims (20)

  1. Integrierte Schaltung, die folgende Merkmale aufweist: einen Halbleiterchip (122), der einen ersten Magnetfeldsensor (124) aufweist; eine Isoliermaterialschicht (128), die über dem ersten Magnetfeldsensor (124) auf dem Halbleiterchip (122) aufgebracht ist; und eine gesinterte Metallschicht (130), die über der Isoliermaterialschicht (128) auf dem Halbleiterchip (122) gebildet ist, wobei der erste Magnetfeldsensor (124) konfiguriert ist, um ein Magnetfeld zu erfassen, dass durch einen Strom erzeugt wird, der durch die gesinterte Metallschicht (130) fließt.
  2. Integrierte Schaltung gemäß Anspruch 1, bei der die gesinterte Metallschicht (130) entweder Ag, Cu oder Au aufweist.
  3. Integrierte Schaltung gemäß Anspruch 1 oder 2, bei der eine Dicke der gesinterten Metallschicht (130) zwischen 5 µm und 100 µm liegt.
  4. Integrierte Schaltung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der eine Dicke der Isolierschicht kleiner ist als eine Dicke der gesinterten Metallschicht (130).
  5. Integrierte Schaltung gemäß einem der Ansprüche 1-4, bei der der Magnetfeldsensor (124) entweder einen Hall-Sensor, einen Giant-Magnetoresistenz-Sensor, einen anisotropen Magnetoresistenz-Sensor oder einen Tunnel-Magnetoresistenz-Sensor aufweist.
  6. Integrierte Schaltung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, die ferner folgendes Merkmal aufweist: einen Leistungsrahmen, der zumindest zwei Anschlussleitungen aufweist, die mit der gesinterten Metallschicht (130) gekoppelt sind.
  7. Integrierte Schaltung gemäß Anspruch 6, bei der die zumindest zwei Anschlussleitungen mit der gesinterten Metallschicht (130) über Bonddrähte gekoppelt sind.
  8. Integrierte Schaltung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der der Halbleiterchip (122) einen zweiten Magnetfeldsensor aufweist, und bei der der erste Magnetfeldsensor (124) und der zweite Magnetfeldsensor konfiguriert sind, um ein Magnetfeld differentiell zu erfassen, das durch einen Strom erzeugt wird, der durch die gesinterte Metallschicht (130) fließt.
  9. Integrierte Schaltung gemäß Anspruch 8, bei der die gesinterte Metallschicht (130) I-förmig ist.
  10. Integrierte Schaltung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der der Halbleiterchip (122) einen zweiten Magnetfeldsensor und einen dritten Magnetfeldsensor aufweist, und bei der der erste Magnetfeldsensor (124), der zweite Magnetfeldsensor und der dritte Magnetfeldsensor konfiguriert sind, um ein Magnetfeld differentiell zu erfassen, das durch einen Strom erzeugt wird, der durch die gesinterte Metallschicht (130) fließt.
  11. Integrierte Schaltung gemäß Anspruch 10, bei der die gesinterte Metallschicht (130) entweder M-förmig oder U-förmig ist.
  12. Integrierte Schaltung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, mit einer Leistungsmetallschicht über der Isoliermaterialschicht (128), wobei die gesinterte Metallschicht über der Leistungsmetallschicht gebildet ist.
  13. Integrierte Schaltung gemäß Anspruch 12, mit einem Stapel aus gesinterten Metallschichten über der Leistungsmetallschicht.
  14. Verfahren zum Herstellen eines Stromsensors, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: Bereitstellen eines Halbleiterchips (122), der einen Magnetfeldsensor (124) aufweist; Aufbringen einer Isolationsschicht (128) auf dem Halbleiterchip (122), so dass die Isolationsschicht (128) über dem Magnetfeldsensor (124) angeordnet ist; Aufbringen einer Metallpaste auf dem Halbleiterchip (122), so dass die Metallpaste über die Isolationsschicht (128) angeordnet ist; und Trocknen und Sintern der Metallpaste, um eine gesinterte Metallschicht (130) zu erhalten, die über der Isolationsschicht (128) auf dem Halbleiterchip (122) angeordnet ist.
  15. Verfahren gemäß Anspruch 14, bei dem das Aufbringen der Metallpaste ein Tintenstrahldrucken der Metallpaste über die Isolationsschicht (128) aufweist.
  16. Verfahren gemäß Anspruch 14 oder 15, bei dem das Aufbringen der Metallpaste das Siebdrucken der Metallpaste über die Isolationsschicht (128) aufweist.
  17. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 14 bis 16, bei dem das Aufbringen der Metallpaste das Seidenrasterdrucken der Metallpaste über die Isolationsschicht (128) aufweist.
  18. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 14 bis 17, bei dem das Trocknen und Sintern der Metallpaste das Trocknen und Sintern der Metallpaste bei einer Temperatur zwischen 80°C und 400°C aufweist.
  19. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 14 bis 18, das ferner folgenden Schritt aufweist: Koppeln von zumindest zwei Anschlussleitungen eines Leitungsrahmens mit der gesinterten Metallschicht (130).
  20. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 14 bis 19, das ferner folgenden Schritt aufweist: Aufbringen einer Haftförderungsmetallschicht über der Isolationsschicht (128) vor dem Aufbringen der Metallpaste.
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