DE102011005994B4 - Sensorgehäuse und Verfahren zum Herstellen eines Sensorgehäuses - Google Patents

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Abstract

Sensorgehäuse, das folgende Merkmale aufweist: eine gedruckte Schaltungsplatine (110), die eine erste Hauptoberfläche und eine zweite Hauptoberfläche umfasst, wobei die zweite Hauptoberfläche der ersten Hauptoberfläche gegenüber liegt; einen laminaren Stromleiter (120), der auf der ersten Hauptoberfläche angeordnet ist; einen Sensorchip (130), der auf der zweiten Hauptoberfläche angeordnet ist und durch die gedruckte Schaltungsplatine (110) von dem laminaren Stromleiter (120) elektrisch isoliert ist, wobei der Sensorchip (130) angepasst ist, um einen Strom zu messen, der durch den laminaren Stromleiter (120) fließt, und wobei der Sensorchip (130) einen Magnetfeldsensor aufweist; und wobei der Sensorchip (130) zwischen einem Formmaterial und der gedruckten Schaltungsplatine (110) hermetisch abgedichtet ist, oder wobei der Sensorchip (130) innerhalb der gedruckten Schaltungsplatine (110) hermetisch abgedichtet ist.

Description

  • Einige Ausführungsbeispiele der vorliegenden Offenbarung beziehen sich auf Sensorgehäuse und Verfahren zum Herstellen von Sensorgehäusen, beispielsweise Sensorgehäuse, die Magnetfeldsensoren aufweisen, die das Magnetfeld eines Stroms erfassen.
  • Stromsensoren werden für eine Vielzahl von Anwendungen verwendet, beispielsweise Strombegrenzung, Überstromschutz oder einfach zum Überwachen der Intensität eines Stroms. Für solche Anwendungen werden überwiegend Hall-Sensoren oder ähnliche Sensoren verwendet. Hall-Sensoren erfassen das Magnetfeld des Stroms und liefern eine Spannung (Hall-Spannung) proportional zu der Intensität des Stroms. Da sich das Magnetfeld mit zunehmendem Abstand zwischen dem Magnetfeldsensor und dem Strom verringert, muss das Halbleiterstück (semiconductor die), das den Hall-Sensor aufweist, nahe zu dem Leiter gebracht werden, der den zu messenden Strom trägt, um ein ausreichend starkes Magnetfeld zu haben.
  • Die U.S.-Patentanmeldung US 2008/0 297 138 A1 beschreibt einen Stromsensor mit Leitungsrahmen, die einen Stromleiterabschnitt bilden, und einem Substrat, das ein Magnetfelderfassungselement aufweist, das über einem Stromleiterabschnitt angeordnet ist, der durch den Leitungsrahmen bereitgestellt wird, um den Strom zu messen, der durch den Stromleiterabschnitt fließt. Außerdem beschreiben das U.S.-Patent US 7 166 807 B2 und das U.S.-Patent US 6 995 315 B2 Stromsensoren mit Magnetfeldsensoren basierend auf der Leitungsrahmentechnik als Aufbautechnik.
  • Das U.S.-Patent US 5 041 780 A beschreibt einen integrierbaren Stromsensor, wobei ein Stromleiter auf einem Halbleitersubstrat vorgesehen ist, das die Magnetfelderfassungselemente aufweist. Ein weiteres Beispiel eines Halbleiterbauelements mit einem Hall-Effekt-Element und einem Leiter, der auf dem Halbleitersubstrat angeordnet ist, ist in dem U.S.-Patent US 6 424 018 B1 beschrieben.
  • Stromsensoren basierend auf Leitungsrahmenstrukturen oder Halbleiterträgern oder Keramikträgern verursachen hohe Kosten bezüglich des Materials und bezüglich der Herstellungsverarbeitung. Ferner verursacht der zu messende Strom Wirbelströme in benachbarten Leitern oder leitfähigen Schichten, die beispielsweise als elektrostatische Abschirmungen verwendet werden, wobei die Wirbelströme wiederum Magnetfelder erzeugen, die dem Magnetfeld den zu messenden Strom überlagern, und somit die Empfindlichkeit und Kalibrierung der Strommessung des Sensors verschlechtern.
  • Die deutsche Patentanmeldung DE 10 2006 026 148 A1 beschreibt ein elektronisches Bauelement, das einen Laststromweg aufweist, der aus zwei Leiterbahnen besteht, die in einer mehrschichtigen gedruckten Schaltungsplatine aufeinander angeordnet sind und durch die gedruckte Schaltungsplatine voneinander isoliert sind. Das Bauelement weist ferner einen Hall-Sensor auf, der unter der gedruckten Schaltungsplatine und den zwei Leiterbahnen für eine Strommessung des Laststromwegs angeordnet ist. Der Hall-Sensor ist elektrisch verbunden mit einer Messauswertungseinheit über Leiterbahnen auf der unteren Oberfläche der gedruckten Schaltungsplatine. Stromsensoranordnungen, wie sie in der deutschen Patentanmeldung DE 10 2006 026 148 A1 beschrieben sind, sind teuer herzustellen, teuer zu testen, zeigen nur eine begrenzte Messempfindlichkeit, die sich außerdem im Laufe der Lebensdauer des elektronischen Bauelements verschlechtert.
  • Die US 2006/0 033 487 A1 beschreibt einen Stromsensor, welcher einen Strom innerhalb eines Leiters erfassen soll, wobei der Leiter auf einer Vorderseite einer Schaltungsplatine angeordnet ist. Auf der Rückseite der Schaltungsplatine ist der Stromsensor angeordnet, der Gehäuse aus einer Vergussmasse aufweist, in die ein Hall ASIC vollständig eingebettet ist.
  • Die US 6 734 660 B1 zeigt eine Schaltungsplatine, auf deren oberer Oberfläche ein Stromleiter angeordnet ist, und auf dessen unterer Oberfläche ein IC-Magneterfassungsgerät angeordnet ist.
  • Die US 6 769 166 B1 zeigt eine gedruckte Schaltungsplatine, welche eine Öffnung aufweist, in der ein Hall-Detektor, der innerhalb eines Gehäuses eingekapselt ist, angeordnet ist.
  • Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Sensorgehäuse sowie ein Verfahren zum Herstellen eines Sensorgehäuses mit verbesserten Charakteristika zu schaffen.
  • Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Weiterbildungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.
  • Das Nachfolgende präsentiert eine vereinfachte Zusammenfassung, um ein grundlegendes Verständnis einiger Aspekte der Erfindung bereitzustellen. Diese Zusammenfassung ist keine umfangreiche Übersicht der Erfindung und soll weder Schlüsselelemente noch wesentliche Elemente der Erfindung identifizieren, noch den Schutzbereich der Erfindung beschreiben. Stattdessen ist es der Zweck der Zusammenfassung, einige Konzepte in vereinfachter Form zu präsentieren als eine Einleitung zu der detaillierten Beschreibung unterschiedlicher Ausführungsbeispiele, die nachfolgend präsentiert wird.
  • Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung schaffen ein Sensorgehäuse, das folgende Merkmale aufweist: eine gedruckte Schaltungsplatine mit einem laminaren Stromleiter, der auf einer ersten Hauptoberfläche der gedruckten Schaltungsplatine angeordnet ist; einen Sensorchip, der angepasst ist, um einen Strom zu messen, der durch den laminaren Stromleiter fließt, wobei der Sensorchip einen Magnetfeldsensor aufweist, wobei der Sensorchip durch die gedruckte Schaltungsplatine von dem Stromleiter elektrisch isoliert ist, und wobei der Sensorchip auf einer zweiten Hauptoberfläche der gedruckten Schaltungsplatine gegenüber der ersten Hauptoberfläche angeordnet ist und hermetisch abgedichtet ist zwischen einem Formmaterial und der gedruckten Schaltungsplatine, oder wobei das Sensorhalbleiterstück in der gedruckten Schaltungsplatine angeordnet ist und durch die gedruckte Schaltungsplatine hermetisch abgedichtet ist.
  • Weitere Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung schaffen ein Verfahren zum Herstellen eines Sensorgehäuses, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: Bereitstellen einer gedruckten Schaltungsplatine mit einem laminaren Stromleiter, der auf einer ersten Hauptoberfläche der gedruckten Schaltungsplatine angeordnet ist; Bereitstellen eines Sensorchips, der angepasst ist, um einen Strom zu messen, der durch den laminaren Stromleiter fließt, wobei der Sensorchip einen Magnetfeldsensor aufweist; Anordnen des Sensorchips auf einer zweiten Hauptoberfläche der gedruckten Schaltungsplatine gegenüber der ersten Hauptoberfläche, so dass der Sensorchip durch die gedruckte Schaltungsplatine von dem Stromleiter elektrisch isoliert ist; und hermetisches Abdichten des Sensorchips zwischen einem Formmaterial und einer gedruckten Schaltungsplatine; oder Anordnen eines Sensorhalbleiterchips in der gedruckten Schaltungsplatine, so dass der Sensorchip durch die gedruckte Schaltungsplatine von dem Stromleiter elektrisch isoliert ist, und so dass der Sensorchip hermetisch abgedichtet ist.
  • Stromsensoren zum Messen eines Stroms basierend auf dem Magnetfeld, das durch den zu messenden Strom erzeugt wird, weisen typischerweise (a) einen Stromleiter für den zu messenden Strom, (b) ein Halbleiterstück oder einen Halbleiterchip mit Magnetfeldsensoren, die nahe dem Stromleiter angeordnet sind, und (c) eine Spannungsisolation zwischen dem Stromleiter und dem Halbleiterstück auf. Der Stromleiter für den zu messenden Strom wird auch als Primärleiter bezeichnet und der zu messende Strom auch als Primärstrom.
  • Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung schaffen ein Gehäuse einer gedruckten Schaltungsplatine (PCB-Gehäuse), das eine gedruckte Schaltungsplatine aufweist, die zwischen einem Halbleiterstück oder Halbleiterchip angeordnet ist, der ein oder mehrere kernlose Magnetfeldsensoren auf einer Seite der gedruckten Schaltungsplatine und den Stromleiter oder Primärleiter für den zu messenden Strom aufweist. Die gedruckte Schaltungsplatine dient als mechanischer Träger des Gehäuses (insbesondere während der Herstellung und ersetzt somit herkömmliche Befestigungstechnologien, die Leitungsrahmen, Halbleitersubstrate oder Keramiksubstrate als mechanische Träger während der Herstellung verwenden) und isoliert gleichzeitig den Sensorchip, der auch als Sensorhalbleiterstück bezeichnet wird, und den Stromleiter voneinander. Der Sensorchip ist durch die gedruckte Schaltungsplatine und ein zusätzliches Formmaterial hermetisch von der Umgebung abgedichtet, wobei der Sensorchip teilweise in die gedruckte Schaltungsplatine eingebettet sein kann, z. B. in Ausnehmungen in der gedruckten Schaltungsplatine. Bei alternativen Ausführungsbeispielen ist der Sensorchip allein durch die gedruckte Schaltungsplatine hermetisch abgedichtet von der Umgebung, ist z. B. vollständig in die gedruckte Schaltungsplatine eingebettet, z. B. an einer mehrschichtigen gedruckten Schaltungsplatine.
  • Ausführungsbeispiele des Sensorgehäuses können kostengünstiger hergestellt werden als herkömmliche Sensoren mit Keramikträgern, Halbleiterträgern oder massiven Kupferleitungsrahmen, sowohl weil ihr Rohmaterial aufwendiger ist als das Material für gedruckte Schaltungsplatinen und weil die Verarbeitung, z. B. Schneiden, Fräsen, Bohren, Stanzen, Trimmen usw., aufwendiger ist als die Verarbeitung von Sensorgehäusen von gedruckten Schaltungsplatinen. Außerdem sind unaufwendige Verfahren verfügbar zum genauen Beschichten großer Platten von gedruckten Schaltungsplatinen mit Lötmittelpaste oder Chipbefestigungs- oder Epoxidhaftmitteln oder isolierenden Lacken durch Tintenstrahlmaschinen.
  • Ferner können die leitenden Schichten genauer hergestellt werden durch bekannte Herstellungstechniken für die Herstellung gedruckter Schaltungsplatinen. Insbesondere die Ausrichtung des Sensorchips und des Stromleiters auf gegenüberliegenden Seiten der gedruckten Schaltungsplatine können genauer durchgeführt werden unter Verwendung von Ausrichtungsstrukturen oder Ausrichtungsmarkierungen auf der gedruckten Schaltungsplatinenschicht, beispielsweise auf der Oberfläche der gedruckten Schaltungsplatine, auf die der Sensorchip zu befestigen ist. Ähnliche Ausrichtungsstrukturen oder Markierungen sind für leitungsrahmen-, halbleiter- oder keramikträgerbasierte Herstellungstechnologien nicht bekannt.
  • Die gedruckte Schaltungsplatine kann mehrere Zwecke oder Aufgaben erfüllen. Dieselbe kann als mechanischer Träger des Sensorchips dienen, als Spannungsisolation zwischen dem Sensorchip und dem Stromleiter und als Kontaktierungseinrichtung für den Sensorchip, beispielsweise durch Bereitstellen der Leiterbahnen auf einer Oberfläche der gedruckten Schaltungsplatine, die dem Sensorchip zugewandt ist, oder beispielsweise in mehrschichtigen gedruckten Schaltungsplatinenentwürfen innerhalb der gedruckten Schaltungsplatine. Außerdem kann die gedruckte Schaltungsplatine den Stromleiter und den Sensorchip oder die Sensorelemente in einem gut definierten stabilen Abstand halten, was dazu beiträgt, eine geringe Lebensdauerdrift des Stromsensors sicherzustellen. Kernlose Magnetstromsensoren sind sehr empfindlich gegenüber Änderungen in ihrer Position oder bezüglich des Abstands zu dem Leiter, dessen Strom zu messen ist. Im Gegensatz zu Magnetstromsensoren, die einen Kern als makroskopischen Flusskonzentrator aufweisen, haben kernlose Magnetstromsensoren keinen makroskopischen Flusskonzentrator, der den Fluss um einen Leiter herum sammelt und zu dem Magnetfeldsensorelement führt. Durch hermetisches Abdichten des Sensorchips in dem Sensorgehäuse, oder anders ausgedrückt durch vollständiges Umgeben des Sensorchips durch das Material der gedruckten Schaltungsplatine oder das Material der gedruckten Schaltungsplatine und das Formmaterial wird Verformung aufgrund von Feuchtigkeit oder anderen Umgebungsbedingungen des Sensorchips während der Lebensdauer des Sensorgehäuses vermieden oder zumindest reduziert, und somit auch eine Änderung des vertikalen Abstands des Sensorchips und des Stromleiters. Verformung des Sensorchips führt zu einer Änderung des vertikalen Abstands zwischen dem Sensorchip und dem Magnetfeldsensor bezüglich des Stromleiters und somit zu einer Verminderung oder Verschlechterung des Messsignals oder anders ausgedrückt auf eine Drift zwischen der gemessenen Stromintensität, die durch das Sensorgehäuse ausgegeben wird, und dem tatsächlichen Strom über die Lebensdauer. Durch Vermeiden oder Reduzieren der Möglichkeit von Verformung erhöhen Ausführungsbeispiele des Sensorgehäuses die Zuverlässigkeit des Sensorgehäuses und die Korrektheit der gemessenen Stromintensität.
  • Außerdem können Leiterbahnen der gedruckten Schaltungsplatine genau strukturiert werden mit bekannten kostengünstigen und zuverlässigen Herstellungstechniken, die für die Herstellung gedruckter Schaltungsplatinen bekannt sind, beispielsweise Ätzen. Insbesondere können Stromleiter mit feinen Schlitzen, d. h. Schlitzen mit sehr geringen Abmessungen, kostengünstig und zuverlässig hergestellt werden.
  • Ausführungsbeispiele des Sensorgehäuses können gedruckte Schaltungsplatinen ohne Magnetkomponenten aufweisen, die das Magnetfeld verzerren (PCBs verwenden normalerweise hochreinen Kupfer für ihre Leiterbahnen) und die Stabilität und Genauigkeit des Stromsensors reduzieren würden.
  • Ausführungsbeispiele des Sensorgehäuses können ferner dünne leitfähige Bahnen aufweisen, die als elektrostatische Abschirmung dienen und den Sensorchip oder das Sensorhalbleiterstück kontaktieren, und es gibt keinen Bedarf für andere leitfähige Teile in der gedruckten Schaltungsplatine, was Wirbelströme vermeidet, die in den leitfähigen Teilen durch das Magnetfeld des zu messenden Stroms induziert werden, was die Bandbreite des Sensors reduzieren würde.
  • Außerdem sind gedruckte Schaltungsplatinen für Hochtemperaturoperationen oder -anwendungen bekannt. Das Problem hoher Temperaturen ist ein bekanntes Problem in Stromsensoren aufgrund der Dissipation, die durch den großen Primärstrom in dem Stromleiter verursacht wird, insbesondere im Fall eines Überstroms. Die schwer entflammbaren Eigenschaften der FR4-Familie von Materialien der gedruckten Schaltungsplatine können verwendet werden, um beispielsweise das oben erwähnte Problem der hohen Temperatur zu überwinden.
  • Gut bekannte Technologien zum Implementieren von Kontaktregionen auf der gedruckten Schaltungsplatine, um die Erfassungsanschlussstifte der Sensoren oder des Sensorchips zu verbinden, d. h. alle Kontakte außer denjenigen für den Primärstrom, können verwendet werden.
  • Gehäuse für gedruckte Schaltungsplatinen sind leicht und mechanisch steif, aber nicht zerbrechlich.
  • Außerdem ist die Technik der Herstellung gedruckter Schaltungsplatinen auch ausgereift in dem Sinne, dass sie das Ablösen der leitenden Schichten und Leiterbahnen der gedruckten Schaltungsplatinenschicht vermeidet. Dies ist ein Hauptrisiko für Stromsensoren aufgrund einer kombinierten Wirkung von thermomechanischen, hygromechanischen und elektromagnetischen Kräften bei hohen Strömen, insbesondere im Fall von Impulslasten (thermische Wechselbeanspruchung und mechanische Wechselbeanspruchung). Der Strom, der durch den Stromleiter fließt, übt eine beträchtliche Kraft auf den Stromleiter oder die leitende Schicht aus, die proportional zu dem Quadrat der Stromamplitude ist. Diese Kraft, die durch den Strom erzeugt wird, versucht, Schlitze in der leitenden Schicht zu öffnen, die erzeugt werden, um die Intensität des Magnetfeldes durch Reduzieren des Querschnitts des Stromleiters zu erhöhen.
  • Schließlich haben die meisten Materialien für gedruckte Schaltungsplatinen niedrige relative dielektrische Konstanten von etwa 4,5. Niedrige dielektrische Konstanten halten das unerwünschte kapazitive Nebensprechen von der Primärstromschicht oder dem Stromleiter zu dem Sensorchip klein.
  • Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
  • 1A einen schematischen Querschnitt eines Ausführungsbeispiels eines Sensorgehäuses, wobei der Sensorchip zwischen der gedruckten Schaltungsplatine und einem Formkörper hermetisch abgedichtet ist;
  • 1B Draufsichten von strukturierten Stromleitern, die einen reduzierten Querschnitt aufweisen;
  • 1C einen schematischen Querschnitt eines Ausführungsbeispiels eines Sensorgehäuses, wobei der Sensorchip durch das Gehäuse der gedruckten Schaltungsplatinen hermetisch abgedichtet ist;
  • 1D eine schematische Draufsicht eines Sensorgehäuses gemäß 1A und eines Stromleiters für einen I-förmigen Stromfluss;
  • 2 einen Querschnitt eines Ausführungsbeispiels eines Sensorgehäuses ähnlich demjenigen von 1A, wobei der Sensorchip teilweise in die gedruckte Schaltungsplatine eingebettet ist und durch einen Formkörper bedeckt ist;
  • 3 einen schematischen Querschnitt eines Ausführungsbeispiels gemäß 1A, wobei der Sensorchip auf dem Gehäuse der gedruckten Schaltungsplatinen flip-chip-befestigt ist;
  • 4 eine schematische Querschnittsansicht eines Ausführungsbeispiels gemäß 1A, wobei der Sensorchip mit der Vorderseite nach oben auf dem Gehäuse der gedruckten Schaltungsplatinen befestigt ist;
  • 5 eine schematische Querschnittsansicht eines Ausführungsbeispiels gemäß 1A mit einem Durchgangsloch durch die gedruckte Schaltungsplatine, um den Sensorchip auf der gleichen Seite zu verbinden wie den Stromleiter;
  • 6A–6C schematische Querschnittsansichten und eine Draufsicht von alternativen Ausfüh rungsbeispielen des Sensorgehäuses zum Verbinden des Sensorchips und des Stromleiters auf der gleichen Seite;
  • 7A und 7B schematische Querschnittsansichten von Ausführungsbeispielen des Sensorge häuses ähnlich 1A mit verbessertem Schutz gegenüber lateralem Eindringen von Feuchtigkeit in das Gehäuse der gedruckten Schaltungsplatinen;
  • 8 ein Layout einer elektrischen Verbindung des Sensorchips mit den Sensorkontaktanschlussflächen;
  • 9A eine schematische Querschnittsansicht eines Ausführungsbeispiels des Sensorgehäuses mit einem flip-chip-befestigten Sensorchip und einer zusätzlichen Isolationsschicht zwischen dem Sensorchip und der gedruckten Schaltungsplatine;
  • 9B eine schematische Querschnittsansicht eines Ausführungsbeispiels des Sensorgehäuses mit einem Vorderseite-nach-oben-befestigten Sensorchip und einer zusätzlichen Isolationsschicht zwischen dem Sensorchip und der gedruckten Schaltungsplatine;
  • 10 eine schematische Querschnittsansicht eines Ausführungsbeispiels des Sensorgehäuses mit einer zusätzlichen leitenden Schicht, die unter der leitfähigen Schicht angeordnet ist;
  • 11 eine schematische Draufsicht eines weiteren Ausführungsbeispiels des Stromleiters mit drei Schlitzen;
  • 12 eine schematische Draufsicht eines Prototyps eines Ausführungsbeispiels des Sensorgehäuses;
  • 13 ein Flussdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum Herstellen eines Ausführungsbeispiels des Sensorgehäuses.
  • Gleiche oder äquivalente Elemente oder Elemente mit gleicher oder äquivalenter Funktionalität sind in der folgenden Beschreibung durch gleiche oder äquivalente Bezugszeichen bezeichnet.
  • Einige Aspekte der vorliegenden Offenbarung werden nachfolgend mit Bezugnahme auf die Figuren beschrieben. Es ist klar, dass alle numerischen Referenzen (z. B. Ströme, Spannungen, Längen) lediglich Beispiele sind und den Schutzbereich der Erfindung auf keine Weise begrenzen. Außerdem sind alle diese numerischen Werte lediglich Näherungen und tatsächliche Werte variieren von denjenigen, die tatsächlich hierin beschrieben sind.
  • 1A zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines Ausführungsbeispiels eines Sensorgehäuses 100, das eine gedruckte Schaltungsplatine 110 mit einem laminaren Stromleiter 120 aufweist, der auf einer ersten Hauptoberfläche 110a der gedruckten Schaltungsplatine angeordnet ist, wobei ein Sensorchip 130 angepasst ist, um einen Strom zu messen, der durch den laminaren Stromleiter 120 fließt. Der Sensorchip 130 weist einen Magnetfeldsensor 132 und optional eine Auswertungseinheit (nicht gezeigt) auf. Der Sensorchip 130 ist auf einer zweiten Hauptoberfläche 110b der gedruckten Schaltungsplatine gegenüber der ersten Hauptoberfläche 110a angeordnet. Die Oberflächen des Sensorchips 130, die nicht durch die gedruckte Schaltungsplatine 110 bedeckt sind (in 1A die Seitenoberflächen und die Hauptoberfläche, die von der gedruckten Schaltungsplatine abgewandt sind), sind durch einen Formkörper 140 bedeckt, der ein Formmaterial aufweist. Somit ist der Sensorchip 130 zwischen dem Formkörper 140 und der gedruckten Schaltungsplatine 110 angeordnet, wobei der Formkörper 140 und die gedruckte Schaltungsplatine 110 so um den Sensorchip angeordnet sind, dass der Sensorchip 130 hermetisch von der Umgebung abgedichtet ist. Anders ausgedrückt, der Formkörper 140 ist auf der zweiten Hauptoberfläche 110b der gedruckten Schaltungsplatine und/oder um den Sensorchip 130 herum angeordnet, so dass der Sensorchip 130 zwischen dem Formkörper 140 und der gedruckten Schaltungsplatine angeordnet ist und vollständig umgeben ist durch den Formkörper 140 und die gedruckte Schaltungsplatine 110. Der Stromleiter 120 weist beispielsweise eine erste Kontaktregion 122, eine zweite Kontaktregion 124 und eine magnetfelderzeugende Region 126 auf, die zwischen der ersten Kontaktregion 122 und der zweiten Kontaktregion 124 angeordnet ist und beide elektrisch verbindet. Der Sensorchip 130 und der Magnetfeldsensor 132 sind dem Stromleiter 120 oder der magnetfelderzeugenden Region 126 zugeordnet und angepasst, um einen Strom zu messen, der durch den Stromleiter 120 fließt, beispielsweise von der ersten Kontaktregion 122 über die magnetfelderzeugende Region 126 zu der zweiten Kontaktregion 124, durch Messen des Magnetfelds, das durch den Strom erzeugt wird. Der Stromleiter 120 wird auch als Primärleiter bezeichnet und der Strom, der durch den Stromleiter fließt, wird auch als Primärstrom bezeichnet. Es ist auch anzumerken, dass die PCB den Sensorchip oder das Sensorstück 130 entlang seinem gesamten Umfang um mehrere Zehntel eines Millimeters überlappt, um eine ausreichend lange Kriechstrecke zwischen dem Leiter 120 und dem Chip 130 zu garantieren, zum Zweck der Spannungsisolation.
  • Ausführungsbeispiele des Sensorgehäuses können ohne weiteres auf externen und herkömmlichen Schaltungsplatinen befestigt werden und über die erste und zweite Kontaktregion mit den zu messenden Leitern verbunden werden.
  • 1A bis 1D und die anderen Figuren zeigen die jeweilige Achse eines x-y-z-Koordinatensystems, wobei die x-Achse und die y-Achse eine laterale Ebene oder laterale Abmessungen parallel zu der ersten Hauptoberfläche 110a der gedruckten Schaltungsplatine definieren, und wobei die z-Achse eine vertikale Abmessung vertikal zu der ersten Hauptoberfläche 110a der gedruckten Schaltungsplatine definiert.
  • 1B zeigt schematische Draufsichten von drei unterschiedlichen Ausführungsbeispielen eines strukturierten Stromleiters 120. Das oben in 1B gezeigte Ausführungsbeispiel des Stromleiters 120 zeigt einen strukturierten Stromleiter 120 mit einer lateralen Kerbe 128 in der magnetfelderzeugenden Region 126, die einen lateral reduzierten Querschnitt 129 definiert (es ist anzumerken, dass 126 größer ist als 129, tatsächlich ist 129 ein Teil von 126). Der reduzierte Querschnitt bildet einen Bereich innerhalb der magnetfelderzeugenden Region 126, der einen reduzierten Querschnitt hat, was den Strom, der von der ersten Kontaktregion 122 zu der zweiten Kontaktregion 124 fließt, zwingt, „I”-förmig zu fließen (siehe Pfeil A). Der reduzierte Querschnitt und das Biegen des Stromflusses A, verursacht durch die Kerbe 128, erhöht die Stromdichte an dem reduzierten Querschnitt (insbesondere an der Innenseite der Kurve, die näher zu dem Magnetfeldsensor 132 angeordnet ist) und somit die Magnetfeldstärke des Magnetfelds, das durch den Strom an dem reduzierten Querschnitt erzeugt wird. Dies ermöglicht es, die Empfindlichkeit der Strommessung zu erhöhen. Eine mögliche laterale Position eines Magnetfeldsensorelements 132 des Sensorchips 130 zum Messen des Magnetfelds des Stroms ist durch gepunktete Linien gezeigt.
  • Das Ausführungsbeispiel des Stromleiters 120, das in der Mitte von 1B gezeigt ist, zeigt einen „U”-förmigen Stromfluss (siehe Pfeil B). Ähnlich wie bei dem vorher erwähnten Ausführungsbeispiel weist der Stromleiter eine laterale Kerbe 128 in der magnetfelderzeugenden Region und zwischen der ersten Kontaktregion und der zweiten Kontaktregion auf. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind jedoch die erste und zweite Kontaktregion 122 und 124 nur auf einer gegenüberliegenden Hälfte des Stromleiters angeordnet, gegenüber dem reduzierten Querschnitt 129 in der magnetfelderzeugenden Region 126. Somit ist der Strom, der von der ersten Kontaktregion 122 zu der zweiten Kontaktregion 124 fließt, sogar stärker gebogen als bei dem vorher erwähnten Ausführungsbeispiel. Außerdem ist der Querschnitt 129 des Ausführungsbeispiels, das in der Mitte von 1B gezeigt ist, kleiner als der Querschnitt 129 des Ausführungsbeispiels, das oben in 1B gezeigt ist, und erhöht somit die Magnetfeldstärke des Magnetfelds, das durch den Strom erzeugt wird sogar noch weiter. Erneut ist eine beispielhafte Position eines Magnetfeldsensors 132 gezeigt.
  • Das unten in 1B gezeigte Ausführungsbeispiel zeigt einen Stromleiter mit einem „S”-förmigen Stromfluss (siehe Pfeil C). Um den S-förmigen Stromfluss zu erreichen, weist die magnetfelderzeugende Region 126 zwei Kerben auf, die auf gegenüberliegenden Seiten der magnetfelderzeugenden Region 126 relativ zu der Flussrichtung des Stroms angeordnet sind und in der Flussrichtung zueinander versetzt oder verschoben sind. In jeder der Kerben 128, 128' kann ein Magnetfeldsensor 132, 134 angeordnet sein, um das Magnetfeld des Stroms zu messen. Die Verwendung von zwei oder mehr Magnetfeldsensoren 132, 134 ermöglicht es, unterschiedliche Magnetfeldmessungen zu verwenden, die im Vergleich zu einzelnen Magnetfeldsensormessungen verbesserte Empfindlichkeit und Signalrobustheit liefern.
  • Wie es von 1A und 1B ersichtlich ist, kann die globale Richtung des Stromflusses der strukturierten leitenden Schicht 120 horizontal sein bezüglich 1A oder in die Zeichenebene von 1A hinein oder in jeder anderen Richtung parallel zu der ersten Hauptoberfläche 110a der gedruckten Schaltungsplatine und parallel zu der ersten Hauptoberfläche 130a des Sensorchips 130, der der gedruckten Schaltungsplatine und dem Stromleiter 120 zugewandt ist. Anders ausgedrückt, ein zu messender Strom fließt innerhalb der x-y-Ebene parallel zu der ersten Hauptoberfläche 130a des Sensorchips 130 von der ersten Kontaktregion zu der zweiten Kontaktregion. Die Pfeile A bis C in 1B zeigen den Stromfluss, wenn der Strom oder Primärstrom an der ersten Kontaktregion 122 eingegeben wird und an der zweiten Kontaktregion 124 ausgegeben wird.
  • Noch weitere Ausführungsbeispiele des Stromleiters 120 können andere Strukturen und/oder jede Anzahl von oder jede Form von Schlitzen oder Kerben aufweisen, die auf jeder der zwei gegenüberliegenden Seiten (bezüglich der Flussrichtung) des magnetfelderzeugenden Bereichs 126 angeordnet sind, um den Strom zu biegen und/oder um reduzierte Querschnitte zu liefern, um die Stromdichte zu erhöhen. Der wichtige Aspekt ist, dass zumindest eine Kerbe 128 in dem Primärleiter vorliegt und dass zumindest ein Magnetfeldsensorelement 132 mit hoher Genauigkeit (z. B. +/–150 μm oder vorzugsweise bis zu +/–10 μm in der lateralen Richtung und +/–5 μm oder vorzugsweise bis hinunter auf +/–50 μm in der vertikalen Richtung) bezüglich der Kerbe auszurichten ist.
  • Obwohl es solche strukturierten magnetfelderzeugenden Regionen 126 ermöglichen, die Empfindlichkeit der Strommessung zu verbessern, können einfache Ausführungsbeispiele des Stromleiters auch eine rechteckige magnetfelderzeugende Region 126 ohne irgendwelche Kerben oder andere Strukturen aufweisen, die die erste Kontaktregion 122 und die zweite Kontaktregion 124 kombiniert.
  • Die erste und die zweite Kontaktregion 122, 124 können die gleiche Dicke oder vertikale Abmessung (Dicke der Leiterschicht oder Höhe hc) wie die magnetfelderzeugende Region 126 haben oder können eine andere Höhe haben. Ausführungsbeispiele des Sensorgehäuses können beispielsweise dickere Kontaktregionen 122, 124 (größere vertikale Abmessungen) und eine dünnere magnetfelderzeugende Region 126 (kleinere vertikale Abmessung) aufweisen, um die Stromintensität in der magnetfelderzeugenden Region 126 zu erhöhen und somit das Magnetfeld auf die Magnetfeldsensoren, während der innere Widerstand minimal gehalten wird.
  • Ausführungsbeispiele des Sensorchips können nur einen einzelnen Magnetfeldsensor 132 aufweisen, da ein einzelner Magnetfeldsensor 132 ausreicht, um ein Magnetfeld eines Stroms zu erfassen, der durch eine leitende Schicht 120 fließt. Andere Ausführungsbeispiele weisen zumindest zwei Magnetfeldsensoren 132, 134 auf, um ein anderes Messprinzip zu realisieren, das das Unterdrücken von magnetischen Hintergrundstörungen ermöglicht.
  • Wie es in 1A gezeigt ist, kann der Sensorchip 130 durch Übergießen desselben von der Umgebung geschützt werden. Gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel kann der Sensorchip 130 vor der Umgebung geschützt werden durch Einbetten desselben in die gedruckte Schaltungsplatine 110', wie es in 1C gezeigt ist. 1C zeigt eine Querschnittsansicht des alternativen Ausführungsbeispiels, wobei der Sensorchip in der gedruckten Schaltungsplatine 110 angeordnet ist und durch die gedruckte Schaltungsplatine hermetisch abgedichtet ist. Das Einbetten in die gedruckte Schaltungsplatine 110 kann beispielsweise erreicht werden durch Bereitstellen einer gedruckten Basisschaltungsplatine 110, wie es in 1A gezeigt ist, und Anordnen von einer oder mehreren anderen gedruckten Schaltungsplatinen auf der gedruckten Basisschaltungsplatine 110 von 1A (mehrschichtige gedruckte Schaltungsplatine), wobei die gedruckte Schaltungsplatinenschicht oder die gedruckte Schaltungsplatine, die an die zweite Hauptoberfläche 110b anstößt, einen Hohlraum auf der Oberfläche aufweist, der der gedruckten Basisschaltungsplatine 110 zugewandt ist, um den Sensorchip 130 aufzunehmen. Somit ist das Halbleiterstück oder der Sensorchip 130 zwischen mehreren Schichten von Material für gedruckte Schaltungsplatinen eingebettet, wie es in 1C gezeigt ist.
  • 1D zeigt eine schematische Draufsicht eines Ausführungsbeispiels gemäß 1A mit einem strukturierten Stromleiter 120 gemäß dem oben in 1B gezeigten Ausführungsbeispiel. 1D zeigt die gedruckte Schaltungsplatine 110 mit dem Sensorchip 130 und dem Formkörper 140 angeordnet auf der zweiten Hauptoberfläche (obere Hauptoberfläche gemäß der Ausrichtung von 1A), und den Stromleiter 120 (gestrichelte Linien) angeordnet auf der ersten Hauptoberfläche (untere Oberfläche gemäß der Ausrichtung von 1A). Der Stromleiter 120 weist die erste Kontaktregion 122, die zweite Kontaktregion 124 und die magnetfelderzeugende Region 126 mit einer Kerbe 129 auf einer Seite entlang der Stromflussrichtung auf, die einen reduzierten Querschnitt 129 definiert, wie es basierend auf 1B erläutert ist. Der Sensorchip 130 weist einen einzelnen Magnetfeldsensor 132 auf, der über der Kerbe 129 angeordnet ist und lateral mit der Kerbe 129 ausgerichtet ist, und die Auswertungseinheit 136, die elektrisch mit dem Magnetfeldsensor 132 gekoppelt ist, um die Messsignale des Magnetfeldsensors auszuwerten (Verbindungslinien zwischen dem Magnetfeldsensor 132 und der Auswertungseinheit 136, oder Versorgungsleitungen und Signalleitungen zum Ausgeben der gemessenen Signale durch die Auswertungseinheit 136 sind nicht gezeigt).
  • Wenn ein Strom durch den Stromleiter 120 fließt, erzeugt der Strom ein radiales Magnetfeld (radial zu der Stromflussrichtung), das durch den Magnetfeldsensor gemessen wird. Der Magnetfeldsensor kann beispielsweise ein Hall-Sensor oder magnetoresistiver Wandler sein, der beispielsweise ein Spannungssignal proportional zu der Magnetfeldstärke liefert. Da die Relation zwischen dem Strom, dem Magnetfeld, das durch den Strom erzeugt wird, und dem Spannungssignal, das durch den Magnetfeldsensor basierend auf dem gemessenen Magnetfeld bereitgestellt wird, bekannt ist, kann das Spannungssignal, das durch den Magnetfeldsensor 132 bereitgestellt wird, auf einen entsprechenden Stromwert abgebildet werden durch die Auswertungseinheit 136, bei bestimmten Ausführungsbeispielen unter Verwendung einer Kalibrierungseinrichtung, z. B. einer Kalibrierungstabelle oder einer Kalibrierungsfunktion, oder allgemein Kalibrierungsinformationen oder Kalibrierungsdaten, um eine Abweichung zwischen dem gemessenen Stromintensitätswert gemäß dem Signal, das durch den Magnetfeldsensor bereitgestellt wird, und dem tatsächlichen Stromintensitätswert des Stroms zu reduzieren. Die Kalibrierungsdaten können beispielsweise Werte aufweisen, die anzeigen, wie viele mT (T = Tesla) Magnetfeld durch einen Strom von 1 A erzeugt werden.
  • Um eine optimale Messung zu erreichen, ist der Magnetfeldsensor 132 nahe dem reduzierten Querschnitt angeordnet, vorzugsweise vertikal über der Kerbe und nahe dem reduzierten Querschnitt (siehe auch 1A, die in strichpunktierten Linien den optionalen reduzierten Querschnitt und die laterale Ausrichtung des Magnetfeldsensors 132 bezüglich der Kerbe oder des reduzierten Querschnitts zeigt). 1D zeigt die PCB, die sowohl den Sensorchip als auch den Primärleiter überlappt. Bei anderen Ausführungsbeispielen überlappt die PCB nur den Sensorchip, jedoch nicht den Leiter: Die PCB kann klein genug sein, dass sich beide Kontaktbereiche 122, 124 über dieselbe hinaus erstrecken, so dass dieselben auf ihren oberen oder unteren Oberflächen (oder sogar beiden) kontaktiert werden können.
  • Bei bestimmten Ausführungsbeispielen ist die Dicke oder vertikale Abmessung hp der gedruckten Schaltungsplatine 110 genau unter dem Sensorchip 130, oder anders ausgedrückt, die vertikale Abmessung des isolierenden Bereichs der gedruckten Schaltungsplatine 110, die zwischen dem Sensorchip 130 und dem Stromleiter 120 zum Isolieren der beiden voneinander angeordnet ist, kleiner als eine vertikale Abmessung hc (Dicke oder Höhe) des Stromleiters oder der magnetfelderzeugenden Region 126 genau unterhalb des Sensorchips 130. Es wurde herausgefunden, dass das Magnetfeld des Stromleiters abfällt gegenüber dem vertikalen Abstand zwischen dem Stromleiter und dem Magnetfeldsensor oder Sensorchip und die räumliche Abklingrate skaliert mit der Dicke oder vertikalen Abmessung der leitenden Schicht hc. Daher weisen Ausführungsbeispiele des Sensorkörpers gedruckte Schaltungsplatinen mit einer vertikalen Abmessung hp der gedruckten Schaltungsplatine (zumindest in dem Bereich, der zwischen dem Sensorchip und dem Stromleiter angeordnet ist und die beiden voneinander isoliert), die kleiner ist als eine vertikale Abmessung hc der magnetfelderzeugenden Region 126 des Stromleiters, so dass ein beträchtlicher Betrag des Magnetfelds die Magnetfeldsensoren 132, 134 erreicht.
  • Ausführungsbeispiele des Sensorgehäuses können jedoch nicht nur die gedruckte Schaltungsplatine als isolierende Schicht zwischen dem Sensorchip und dem Stromleiter aufweisen (wie in 1A, 1C und 2), sondern können auch weitere isolierende Schichten oder andere Schichten aufweisen, die zwischen dem Sensorchip und dem Stromleiter angeordnet sind (siehe 9A und 9B). Außerdem können die Stromsensoren flip-chipbefestigt sein (Top-Down, z. B. mit dem Magnetfeldsensor nahe oder an der Hauptoberfläche des Sensorchips angeordnet, die dem Stromleiter zugewandt ist), oder Vorderseite nach oben (z. B. mit dem Magnetfeldsensor nahe oder an der Hauptoberfläche des Sensorchips angeordnet, die von dem Stromleiter abgewandt ist). Daher ist im Allgemeinen für bestimmte Ausführungsbeispiele die vertikale Abmessung hc der magnetfelderzeugenden Region vertikal zu der ersten Hauptoberfläche der gedruckten Schaltungsplatine größer als ein vertikaler Abstand hd vertikal zu der ersten Hauptoberfläche der gedruckten Schaltungsplatine zwischen einem oder allen Magnetfeldsensoren, die dem Stromleiter zugeordnet sind und in dem Sensorchip enthalten sind, und einer Oberfläche des Stromleiters, und insbesondere der magnetfelderzeugenden Region, die dem Sensorchip oder Magnetfeldsensor zugewandt ist. Die vertikale Abmessung hc der magnetfelderzeugenden Region kann mehr als 1,5 mal größer oder mehr als 2 mal größer sein als der vertikale Abstand hd zwischen dem Magnetfeldsensor und dem Stromleiter. Bei weiteren Ausführungsbeispielen des Stromleiters ist der Magnetfeldsensor so angeordnet, dass ein vertikaler Abstand zwischen dem Magnetfeldsensor und der magnetfelderzeugenden Region größer ist als 50 μm und die vertikale Abmessung der magnetfelderzeugenden Region größer ist als 100 μm. Bei noch weiteren Ausführungsbeispielen des Stromsensors ist der Magnetfeldsensor angeordnet, so dass ein vertikaler Abstand zwischen dem Magnetfeldsensor und der magnetfelderzeugenden Region größer als 100 μm ist und die vertikale Abmessung der magnetfelderzeugenden Region größer als 200 μm ist. Bei anderen Ausführungsbeispielen kann der vertikale Abstand hd zwischen der magnetfelderzeugenden Region und dem Magnetfeldsensor in einem Bereich zwischen 50 μm bis 200 μm sein, und eine vertikale Abmessung der magnetfelderzeugenden Region in einem Bereich zwischen 70 μm und 400 μm. Die vorher erwähnten Abmessungen und Relationen gelten unabhängig davon, ob der Sensorchip nur durch die gedruckte Schaltungsplatine von dem Stromleiter isoliert ist oder durch die gedruckte Schaltungsplatine und eine oder mehrere andere isolierende Schichten, und unabhängig von der vertikalen Position des Magnetfeldsensors innerhalb des Sensorchips relativ zu dem Stromleiter (siehe 9A und 9B).
  • Bei weiteren Ausführungsbeispielen, wie es in 9A und 9B gezeigt ist, kann der Stromleiter durch einen isolierenden Bereich der gedruckten Schaltungsplatine von dem Sensorchip elektrisch isoliert sein, die zwischen dem Sensorchip und dem Stromleiter angeordnet ist, und eine zusätzliche isolierende Schicht, die zwischen dem Sensorchip und dem Stromleiter angeordnet ist, wobei die vertikale Abmessung hc der magnetfelderzeugenden Region größer sein kann als eine gesamte vertikale Abmessung hi + hp (siehe 9A und 9B) des isolierenden Bereichs der gedruckten Schaltungsplatine und der zusätzlichen isolierenden Schicht.
  • Die vertikale Abmessung hp der gedruckten Schaltungsplatine in einem Bereich der gedruckten Schaltungsplatine, die zwischen der magnetfelderzeugenden Region und dem Sensorchip und der magnetfelderzeugenden Region angeordnet ist, kann größer als 50 μm sein, und eine vertikale Abmessung des Stromleiters größer als 100 μm. Bei weiteren Ausführungsbeispielen kann die vertikale Abmessung hp der gedruckten Schaltungsplatine in einem Bereich der gedruckten Schaltungsplatine, der zwischen der magnetfelderzeugenden Region und dem Sensorchip angeordnet ist, größer sein als 100 μm, und die vertikale Abmessung des Stromleiters größer als 200 μm. Bei anderen Ausführungsbeispielen kann die vertikale Abmessung hp der gedruckten Schaltungsplatine in einem Bereich der gedruckten Schaltungsplatine, der zwischen der magnetfelderzeugenden Region und dem Sensorchip angeordnet ist, in einem Bereich zwischen 50 μm bis 200 μm liegen, und eine vertikale Abmessung des Stromleiters in einem Bereich zwischen 70 μm und 400 μm.
  • Ein Stromleiter 120 oder eine magnetfelderzeugende Region 126 mit einer vertikalen Abmessung hc, die größer ist als eine vertikale Abmessung hp der gedruckten Schaltungsplatine (siehe 1A, bei der die gedruckte Schaltungsplatine überall die gleiche vertikale Abmessung hp aufweist), kann – über die gesamte Lebensdauer des Gehäuses – zu Verformung des gesamten Gehäuses führen und die damit zusammenhängende mechanische Belastung kann zu Zuverlässigkeitsproblemen führen. Das Verformungsrisiko kann reduziert werden, indem der dünne Teil oder die dünne Region 110i der gedruckten Schaltungsplatine, die zwischen dem Sensorchip 130 und dem Stromleiter 120 angeordnet ist, so klein wie möglich gehalten wird, oder anders ausgedrückt, indem die lateralen Abmessungen des dünnen Zwischen- oder Isolierbereichs 110i der gedruckten Schaltungsplatine 110 so klein wie möglich gehalten werden.
  • 2 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines Ausführungsbeispiels, bei dem die gedruckte Schaltungsplatine 110 an ihrer zweiten Hauptoberfläche 110b eine Ausnehmung aufweist, um den Sensorchip 130 aufzunehmen oder zu enthalten. Somit weist die gedruckte Schaltungsplatine nur einen kleinen dünnen isolierenden Bereich 110i auf, der den Sensorchip 130 von dem Stromleiter 120 isoliert, was den Abstand zwischen dem Sensorchip und dem Stromleiter minimal (definiert durch die gewünschte Isolierspannung und abhängig von dem Material der gedruckten Schaltungsplatinen) oder so gering wie möglich hält. Somit ist die Position des Magnetfeldsensors so nahe wie möglich zu dem Stromleiter und gleichzeitig weisen die verbleibenden Bereiche oder Teile der gedruckten Schaltungsplatine 110 (z. B. alle Teile oder Regionen außer 110i) eine vertikale Abmessung (Dicke oder Höhe) auf, die ausreicht, um das Verformungsrisiko des gesamten Sensorgehäuses zu verhindern oder zumindest zu reduzieren.
  • In 1C wird die Verformung sogar noch effektiver reduziert. Falls bei diesem Beispiel die Dicke des PCB-Materials über dem Sensorchip ähnlich ist wie die Dicke hp des PCB-Materials unter dem Sensorchip, dann werden die Kräfte beider Teile ausgeglichen und das Gehäuse bleibt gerade.
  • Der Magnetfeldsensor 132 oder die Magnetfeldsensoren 132, 134 können auf der oberen oder der unteren Oberfläche des Sensorchips 130 angeordnet sein. Falls die Magnetfeldsensoren auf der oberen Oberfläche angeordnet sind (siehe 3), sind dieselben einem größeren Magnetfeld ausgesetzt als auf der Oberseite (siehe 4), dennoch weist dies typischerweise eine Flip-Chip-Befestigung des Sensorchips oder Sensorstücks 130 auf der gedruckten Schaltungsplatine 110 auf. In 3 ist der Sensorchip 130 auf eine Flip-Chip-Art befestigt und wird durch dünne leitfähige Leiterbahnen 112 auf der gedruckten Schaltungsplatine kontaktiert. In 4 ist der Sensorchip 130 mit seiner Vorderseite, die Magnetfeldsensoren 132, 134 enthält, nach oben befestigt und die Kontakte werden durch Bonddrähte 114 hergestellt.
  • 3 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines Ausführungsbeispiels eines Sensorgehäuses mit dem Sensorchip oder Halbleiterplättchen 130 mit der Vorderseite nach unten auf der zweiten Hauptoberfläche 110b der gedruckten Schaltungsplatine angeordnet, beispielsweise über Flip-Chip-Befestigung. Neben dem Stromleiter 120 auf der ersten Hauptoberfläche weist die gedruckte Schaltungsplatine 110 ferner Leiterbahnen oder leitfähige Bahnen 112 auf der zweiten Hauptoberfläche 110b auf, um den Sensorchip 130 elektrisch zu verbinden. Wie es von 3 ersichtlich ist, sind die Magnetfeldsensoren 132, 134, auf der Hauptoberfläche 130a des Sensorchips 130 angeordnet, der gedruckten Schaltungsplatine zugewandt. Außerdem sind die elektrischen Kontakte zum Verbinden des Sensorchips 130 oder Halbleiterstücks 130 mit den leitfähigen Bahnen 112, die auf der zweiten Hauptoberfläche 110b der gedruckten Schaltungsplatine angeordnet sind (Kontakte nicht gezeigt), ebenfalls auf der Hauptoberfläche 130a des Sensorchips angeordnet, der der gedruckten Schaltungsplatine zugewandt ist. Somit sind die Magnetfeldsensor so nahe wie möglich zu dem Stromleiter und gleichzeitig kann die elektrische Verbindung des Sensorchips, beispielsweise für Leistungsversorgung und die Ausgabe der gemessenen Signale, effizient und leicht bereitgestellt werden.
  • 4 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines Sensorgehäuses, wobei die Magnetfeldsensoren 132, 134 und die elektrischen Kontakte zum Verbinden des Sensorchips 130 mit den leitfähigen Bahnen 112 auf einer Hauptoberfläche 130b des Sensorchips angeordnet sind, die der gedruckten Schaltungsplatine abgewandt ist. Die elektrischen Kontakte (nicht gezeigt) des Sensorchips 130 sind über Bonddrähte 114 mit den leitfähigen Bahnen 112 verbunden. Im Vergleich zu der Flip-Chip-Befestigung von 3 ermöglicht die Vorderseite-nach-Oben-Befestigung von 4 eine erhöhte Zuverlässigkeit und reduzierte Herstellungskosten.
  • Die gedruckte Schaltungsplatine 110 hält den Sensorchip 130 in Position (insbesondere relativ zu dem Stromleiter) und trägt den Sensorchip mechanisch. Darüber hinaus richtet die gedruckte Schaltungsplatine eine Spannungsisolation zwischen dem Sensorchip 130 und dem Stromleiter 120 ein durch den isolierenden Abschnitt oder Bereich 110i der gedruckten Schaltungsplatine. Bei bestimmten Ausführungsbeispielen überlappt die gedruckte Schaltungsplatine der Sensorchip 130 entlang seinem gesamten Umfang (siehe beispielsweise 1A und 1D), da selbst wenn der Sensorchip mit einer isolierenden Polyimid-, Oxid- oder Nitrid-Schicht beschichtet ist, die vor dem Vereinzeln des Halbleiterwafers aufgebracht wird, um den Sensorchip oder das Halbleiterstück zu erzeugen, diese Isolation häufig Risse und/oder Defekte entlang der Sägekante zeigt. Um zumindest diese Sägekanten des Sensorchips 130 vor dem Leiter zu schützen, überlappt die gedruckte Schaltungsplatine den Halbleiterchip in jeder der lateralen Abmessungen (x-y-Ebene, wie es in 1D gezeigt ist).
  • Die Ausrichtung des Sensorchips 130 und des Stromleiters 120 ist entscheidend, da die Magnetfeldsensoren 132, 134 bezüglich des Stromleiters und schließlich bezüglich der lateralen Kerben innerhalb des strukturierten Stromleiters genau positioniert sein müssen. Je kleiner oder je spitzer zulaufend die Enden des Schlitzes in dem Stromleiter gemäß 1B sind, um so mehr wird sich das Magnetfeld nahe diesen Enden konzentrieren. Anders ausgedrückt, je kleiner der reduzierte Querschnitt 129 und je kürzer die Länge des reduzierten Querschnitts in der Flussrichtung ist, um so höher ist das Magnetfeld und um so höher ist die Konzentration eines Magnetfelds nahe den Enden der Kerben. Um eine optimale Messempfindlichkeit zu erhalten, ist es daher wesentlich, die Magnetfeldsensoren 132, 134 genau an diesen Enden der Kerben zu positionieren, wie es in 1B gezeigt ist. Bezüglich der Herstellung ist die genaue Ausrichtung jedoch schwierig, da die undurchlässige gedruckte Schaltungsplatine zwischen dem Stromleiter und dem Sensorchip angeordnet ist. Ausführungsbeispiele des Verfahrens zum Herstellen des Sensorgehäuses sind daher angepasst, um visuelle Markierungen auf der oberen Seite 110b der gedruckten Schaltungsplatine aufzuweisen, die beispielsweise einem automatischen Chipbonder dabei helfen, seine Position zu finden, und den Sensorchip und die jeweiligen Magnetfeldsensoren genau über diesen Kerbenenden anzuordnen. Die Verwendung gedruckter Schaltungsplatinen als mechanische Träger für die Sensorgehäuseproduktion kann hier von der Erfahrung von Herstellern von gedruckten Schaltungsplatinen profitieren bezüglich der Herstellung von mehrschichtigen gedruckten Schaltungsplatinen mit ultrafeinen Leiterbahnen, wo die Ausrichtung verschiedener Schichten der gedruckten Schaltungsplatine entscheidend ist für eine korrekte Verbindung der gedruckten Schaltungsplatinenschichten, z. B. durch leitfähige Durchgangslöcher.
  • Sensorgehäuse auf der Basis gedruckter Schaltungsplatinen sind ebenfalls vorteilhaft bezüglich der Herstellung von fein strukturierten magnetfelderzeugenden Regionen 126 des Stromleiters 120, der das Magnetfeld erzeugt. Bestimmte Ausführungsbeispiele des Sensorgehäuses weisen einen Strukturstromleiter 120 mit Kerben oder Schlitzen 128 auf, die beispielsweise Krümmungsradien von 50 μm bis 200 μm aufweisen. Falls beispielsweise die vertikale Abmessung des Stromleiters hc etwa 100 μm beträgt, ist der Krümmungsradius am Ende der Kerbe etwa 50 μm. Falls der Stromleiter 120 eine vertikale Abmessung hc von etwa 400 μm aufweist, ist der Krümmungsradius etwa 100 μm bis 200 μm. Erneut kann man für die Herstellung solcher strukturierten magnetfelderzeugenden Regionen 126 das vorhandene Wissen von Herstellern von gedruckten Schaltungsplatinen nutzen, um solche leitfähigen Schichten 120, 126 mit ausreichender Genauigkeit herzustellen, beispielsweise über mechanische oder chemische Prozesse wie Fräsen oder Ätzen.
  • Ausführungsbeispiele des Sensorgehäuses können ferner angepasst werden, so dass alle Kontakte, die Hochstromkontakte für den Stromleiter und die kleinen Erfassungskontakte und Leistungsversorgungskontakte für den Sensorchip auf der gleichen Oberfläche oder Seite des Gehäuses verfügbar sind, wie es in 5 gezeigt ist. 5 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines Sensorgehäuses, das eine gedruckte Schaltungsplatine 110 mit einem vorstehenden Teil 510 aufweist, der in einer vertikalen Richtung vorsteht (z-Achse). Der vorstehende Abschnitt 510 steht in der Richtung des Stromleiters 120 vor, oder anders ausgedrückt, steht weg von dem Sensorchip 130 und hat beispielsweise die gleiche vertikale Abmessung wie der Stromleiter 120. Die leitfähigen Bahnen 112, die den Sensorchip 130 verbinden, sind durch leitfähige Durchgangslöcher 512, die vertikal in der gedruckten Schaltungsplatine 110 angeordnet sind, und den vorstehenden Abschnitt 510 mit den Erfassungskontakten 514 verbunden, die auf der ersten Hauptoberfläche 510a angeordnet sind. Die Oberflächen der Erfassungs- oder Sensorkontakte 514 sind bündig mit der Oberfläche des Stromleiters angeordnet, der der gedruckten Schaltungsplatine abgewandt ist.
  • Der Sensorchip 130 in 5 ist mit der Vorderseite nach unten angeordnet oder, anders ausgedrückt, über eine Flip-Chip-Befestigung auf der zweiten Hauptoberfläche 110b der gedruckten Schaltungsplatine und ist über Kontakte (nicht gezeigt), die auf der ersten Hauptoberfläche 130a des Sensorchips angeordnet sind, mit leitfähigen Bahnen 112 verbunden.
  • Ein alternatives Ausführungsbeispiel ist basierend auf 6A und 6B beschrieben, wobei 6A eine schematische Querschnittsansicht des Ausführungsbeispiels zeigt und wobei 6B eine schematische Draufsicht des Ausführungsbeispiels zeigt. 6B zeigt eine Draufsicht des Ausführungsbeispiels gemäß 6A, wobei die zusätzliche gedruckte Schaltungsplatinenschicht 610 entfernt ist, um die Sicht auf den Sensorchip freizugeben. Bei diesem alternativen Ausführungsbeispiel können die massiven Kontakte für den zu messenden Primärstrom bis zu der oberen Oberfläche (Ausrichtung gemäß 6A) des Sensorgehäuses gebracht werden, und das Sensorgehäuse kann beispielsweise Oberseite nach unten verwendet werden. Der Sensorchip in 6A ist flip-chip-befestigt oder, anders ausgedrückt, ist mit der Vorderseite nach unten auf der gedruckten Schaltungsplatine 110 befestigt. Zwei Magnetfeldsensoren 132, 134 und die elektrischen Kontakte zum Verbinden des Sensorchips 130 sind auf der ersten Hauptoberfläche 130a des Sensorchips der gedruckten Schaltungsplatine 110 zugewandt angeordnet. Die elektrischen Kontakte des Sensorchips sind mit leitfähigen Bahnen 112 verbunden, die auf der zweiten Hauptoberfläche der gedruckten Schaltungsplatine angeordnet sind. Eine weitere oder obere gedruckte Schaltungsplatinenschicht 610, beispielsweise ähnlich dem basierend auf 1C beschriebenen Ausführungsbeispiel, ist auf der gedruckten Schaltungsplatine 110 und dem Sensorchip 130 angeordnet und umgibt den Sensorchip 130 vollständig und dichtet denselben ab. Innerhalb der zusätzlichen gedruckten Schaltungsplatinenschicht 610 ist ein vertikal elektrisch leitendes Durchgangsloch 614 angeordnet und verbindet die leitfähigen Bahnen 112 mit den Sensorkontakten 616, die auf der Hauptoberfläche der zusätzlichen gedruckten Schaltungsplatinenschicht 610, die von der gedruckten Schaltungsplatine 110 abgewandt ist, angeordnet sind.
  • 6B zeigt den Sensorchip 113 mit drei Magnetfeldsensoren 132, 134, 136, beispielsweise drei Hall-Platten, die lateral zueinander angeordnet sind, wobei der Sensorchip 130 über drei feine leitfähige Bahnen 112a, 112b und 112c, die auf der zweiten Hauptoberfläche der gedruckten Schaltungsplatine 110 angeordnet sind, mit jeweiligen drei Durchgangslöchern 614a, 614b und 614c verbunden ist, die erneut mit drei Sensorkontakten 616a, 616b und 616c verbunden sind. 6B zeigt zusätzlich die massiven Kontakte für den Primärstromkontakt 614, die über das vertikale Durchgangsloch 622 mit der ersten Kontaktregion 122 verbunden sind, und einen zweiten Primärstromkontakt 634, der über ein zweites massives leitfähiges Durchgangsloch 624, das in einer zusätzlichen gedruckten Schaltungsplatinenschicht 610 angeordnet ist, und schließlich auch in der gedruckten Schaltungsplatine 110, mit der zweiten Kontaktregion 124 des Stromleiters verbunden ist. Weitere Ausführungsbeispiele können anstatt eines einzelnen massiven Durchgangslochs eine große Anzahl von kleineren Durchgangslöchern aufweisen, die elektrisch parallel geschaltet sind und geometrisch in einer Matrixform angeordnet sind.
  • Die gepunktete Linie in 6B zeigt den Rand oder Umfang der leitfähigen Schicht oder des Stromleiters 120. Der Stromleiter 120 weist drei Schlitze 128a, 128b und 128c auf, die auf gegenüberliegenden Seiten des Stromleiters bezüglich der Stromflussrichtung angeordnet sind, um einen „W”-Stromfluss zu definieren. Eine Draufsicht von einer der gedruckten Schaltungsplatinenschichten 110, 610 oder von beiden gedruckten Schaltungsplatinenschichten kann eine Form eines „H” haben (siehe 6B), um einen Durchgang für den zu messenden Strom zu ergeben.
  • 6C zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel zu 6A, bei dem die Kontakte 632, 634 für den zu messenden Strom Teil der zusätzlichen gedruckten Schaltungsplatinenschicht 610 sein können und durch zahlreiche Durchgangslöcher 642 und 644 mit der unteren leitfähigen Schicht 120 gekoppelt sind, um den hohen Strom durchzuleiten.
  • Umgebungsbedingungen können Probleme verursachen bezüglich des Sensorchips und seiner korrekten vertikalen und lateralen Positionierung bezüglich des Stromleiters 120, können aber auch andere Teile des Sensorchips beeinträchtigen. Beispielsweise kann laterales Eindringen von Feuchtigkeit in die gedruckte Schaltungsplatine 110 große Probleme verursachen, da die Feuchtigkeit die laminare Struktur der gedruckten Schaltungsplatine zerstören kann, oder zum Aufquellen der Dicke der gedruckten Schaltungsplatine führen kann (z. B. seiner vertikalen Abmessung hp), was eine Drift beim Lesen des Stroms verursachen würde, ähnlich dem Biegen des Sensorchips allein. Dies ist um so schwerwiegender, da das Sensorgehäuse sehr viel kleiner ist als gewöhnliche gedruckte Schaltungsplatinen, die zahlreiche Bauelemente halten und verbinden und z. B. 100 mal längere Migrationswege für Feuchtigkeit haben im Vergleich zu Ausführungsbeispielen des Sensorgehäuses. Daher weisen Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung eine Isolationsbarriere gegenüber der Feuchtigkeitsaufnahme der gedruckten Schaltungsplatine auf Solche Barrieren können beispielsweise ein Drahtring sein, durch Beschichten der bündigen Oberflächen der gedruckten Schaltungsplatine 110 mit feuchtigkeitsbeständigem Lack oder Schmiere 710, wie es in 7A gezeigt ist, oder durch Übergießen der gesamten gedruckten Schaltungsplatine, wie es in 7B gezeigt ist. 7B zeigt den Formkörper 140', der nicht nur den Sensor 130 hermetisch abdichtet, sondern auch die gedruckte Schaltungsplatine 110 von der Umgebung. Es ist auch möglich, die gedruckte Schaltungsplatine mit einer feuchtigkeitsbeständigen Folie einzuwickeln oder ihre obere Oberfläche mit einer Folie zu bedecken, die die Seitenwände überlappt, wenn dieselbe um dieselben gewickelt wird. Die Folie kann durch Haftmittel an der gedruckten Schaltungsplatine befestigt werden.
  • Es ist möglich, weitere elektronische Komponenten in Ausführungsbeispiele des Gehäuses der gedruckten Schaltungsplatine zu integrieren. Insbesondere ist es vorteilhaft, einen Keramikkondensator zwischen Versorgungsanschlussstifte der Sensorschaltung 130 zu schalten, insbesondere wenn die Sensorschaltung 130 eine aktive integrierte Schaltung mit einem großen digitalen Teil auf derselben ist, das bei jedem Taktereignis große Ströme zieht. Da die Anstiegszeit der Takte weit unter 10 ns liegt, muss der Tankkondensator, der benötigt wird, um die Versorgungsbedürfnisse zu stabilisieren, so nahe wie möglich zu der integrierten Schaltung 130 sein, andernfalls wäre er ineffektiv aufgrund eines großen Reihenwiderstands, der durch die langen Leitungen verursacht wird. Andererseits verwenden die meisten Kondensatoren zumindest teilweise magnetische Materialien. Somit würden diese Kondensatoren das Magnetfeld des zu messenden Primärstroms stören und einen Messfehler verursachen. Daher ermöglicht das Übertragen der Verantwortung für das Auswählen dieses empfindlichen Bauelements (des Tankkondensators) und das Trimmen des gesamten Sensorchips 130, nachdem das Gehäuse vollständig zusammengebaut wurde, an den Halbleiterhersteller die Berücksichtigung von Restmagnetismus des Kondensators, um eine Kalibrierungssequenz des gesamten Stromsensors durchzuführen und einen hochempfindlichen und genauen Stromsensor durch den Hersteller bereitzustellen. Nutzer des Sensorgehäuses müssen sich nicht mit solchen Aspekten befassen und der Entwurf solcher Sensorgehäuse wird erleichtert.
  • Weitere Ausführungsbeispiele des Sensorgehäuses weisen besonders dünne Drähte 112 auf, um den Sensorchip 130 zu kontaktieren. Im Fall eines unbeabsichtigten Kurzschlusses zwischen der Primärstromschaltung und dem Halbleitersensor, beispielsweise aufgrund einer Fehlfunktion der isolierenden gedruckten Schaltungsplatinenschicht 110 zwischen den beiden, wirken die dünnen Drähte 112 somit als Sicherungen und brennen durch, bevor eine letale Ladungsmenge zu den Anschlussstiften des Sensorchips 130 überragen wird. Erneut ist die Verwendung einer gedruckten Schaltungsplatine als ein Träger für das Sensorgehäuse vorteilhaft, da dies die Erzeugung feiner langer Leiterbahnen 112 auf der zweiten Hauptoberfläche der gedruckten Schaltungsplatine ermöglicht, um den Sensorchip 130 zu kontaktieren. Darüber hinaus ist es möglich, ein passives Bauelement, wie z. B. einen Schutzwiderstand oder eine Diode oder ein einzelnes Sicherungsbauelement in die Versorgungs- und Signalleitungen des Halbleiterstücks 130 zu verbinden. Ein Ausführungsbeispiel des Sensorgehäuses, das einige der oben erwähnten Merkmale aufweist, ist in 8 gezeigt. 8 zeigt ein Layout des Sensorchips 130 und seine Verbindung mit Verbindungsanschlussflächen des Sensorgehäuses. 8 zeigt das Sensorgehäuse, das drei Magnetfeldsensoren 132, 134 und 136 aufweist, und drei Kontaktanschlussflächen 832, 834 und 836, wobei die Kontaktanschlussfläche 836 die Ausgangsanschlussfläche (OUT) des Sensorgehäuses zum Ausgeben des gemessenen Stromwerts bildet, die Kontaktanschlussfläche 834 (GND) die Masseanschlussfläche des Sensorgehäuses bildet und die Kontaktanschlussfläche 832 die Spannungsversorgungsanschlussfläche (VDD) zum Liefern von Leistung an den Sensorchip 130 bildet. Die Ausgangsanschlussfläche 836 ist über eine flinke Sicherung 824c mit einer Kontaktanschlussfläche 816c (OUT) des Sensorgehäuses verbunden. Die Masseanschlussfläche 834 ist über eine leitfähige Bahn 112b und eine zweite flinke Sicherung 824b, die in Reihe mit einer Verbindungsleitung 112b angeordnet sind, mit einer Masseanschlussfläche 816b (GND) des Sensorgehäuses verbunden. Die Leistungsversorgungsanschlussfläche 832 ist über eine dritte leitfähige Bahn 112a und eine dritte flinke Sicherung 824a mit einer Leistungsversorgungsanschlussfläche 816a (VDD) des Sensorgehäuses verbunden. Die flinken Sicherungen 824a, b, c brennen durch im Fall von Überstrom, d. h. falls der Strom einen bestimmten Schwellenstrom überschreitet. Bei bestimmten Ausführungsbeispielen des Sensorgehäuses werden alle Anschlussstifte 832, 834 und 836 durch Sicherungen oder dünne Leiterbahnen geschützt, die wie Sicherungen wirken, um einen sicheren Schutz der Erfassungsanschlussstifte VDD, GND und OUT oder 832, 834 und 836 bereitzustellen. Außerdem ist ein erster spannungsstabilisierender Kondensator 822a zwischen die leitfähigen Bahnen 112a und 112b geschaltet, und ein zweiter spannungsstabilisierender Kondensator 822b ist zwischen die leitfähigen Bahnen 812c und 812b geschaltet. Anders ausgedrückt, der Sensorchip 130 ist über ausreichend leitfähige Bahnen 112a, 112b und 112c mit einem Kondensator und einer Reihensicherung in jeder Leitung verbunden, wobei der Abstand dc des Kondensators und der Sicherungen zu dem Sensorchip 130 groß genug ist, um zu garantieren, dass es keine magnetische Interferenz des Sensorbetriebs gibt. Die leitfähigen Bahnen oder Bonddrähte sind dick genug, um ausreichend kleinen Widerstand und Induktivität zu haben. Andere Ausführungsbeispiele des Sensorgehäuses können neben dem Sensorchip ein oder mehrere getrennte Schaltungselemente aufweisen, z. B. getrennte Schaltungselemente, die nicht in den Sensorchip integriert sind, gekoppelt zwischen einen Anschlussstift oder einen Kontakt der Sensorchips, beispielsweise 832, 834 und 836, und einem externen Kontakt oder einer Kontaktanschlussfläche des Sensorgehäuses, beispielsweise 816a, 816b und 816c. Solche getrennten Schaltungselemente weisen typischerweise Leitungsrahmen und/oder Kontakte mit Nickel-(Ni-)Plattierung oder anderen Materialien auf, die magnetisch sind. Um Störungen der Messung des Magnetfelds des Stroms zu reduzieren, die durch Magnetfelder verursacht werden, die durch diese getrennten Schaltungselemente verursacht werden oder durch Magnetmaterialien, die bei deren Aufbau verwendet werden, weisen eines oder alle dieser getrennten Schaltungselemente von Ausführungsbeispielen des Sensorgehäuses nur Materialien mit einer relativen Permeabilität von weniger als 1,1, oder im Fall der getrennten Schaltungselemente Materialien mit einer relativen Permeabilität von 1,1 oder mehr als 1,1 auf (die getrennten Schaltungselemente sind um zumindest 1,5 mm von dem Magnetfeldsensor beabstandet angeordnet). Bei noch weiteren Ausführungsbeispielen weist das Sensorgehäuse 100 keine getrennten Schaltungselemente mit einer relativen Permeabilität von mehr als 1,1 auf, die in einem Abstand von weniger als 1,5 mm zu einem Magnetfeldsensorelement des Sensorchips angeordnet sind. Die oben beschriebenen getrennten Schaltungselemente weisen beispielsweise Kondensatoren, Sicherungen und/oder elektrische Leiter auf, die die leitfähigen Bahnen 112 enthalten, die auf die gedruckte Schaltungsplatine laminiert sind.
  • Übliche Materialien für gedruckte Schaltungsplatinen können eine Spannungsisolation von 4 kV erzeugen bei Dicken oder vertikalen Abmessungen (z-Achse) von 150 μm. Falls beispielsweise eine noch höhere Spannungsisolation von bis zu 12 kV benötigt wird, können zusätzliche Isolationsschichten, wie z. B. Polyimidschichten, die beispielsweise Kapton aufweisen oder daraus hergestellt sind, zwischen der gedruckten Schaltungsplatine 110 und dem Sensorchip 113 angeordnet werden. 9A zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Sensorgehäuses mit einer gedruckten Schaltungsplatine 110, die einen Hohlraum auf einer zweiten Oberfläche 110b aufweist, in dem der Sensorchip 130 angeordnet ist, und bei dem zwischen dem Sensorchip und der gedruckten Schaltungsplatine 110 eine zusätzliche Isolationsschicht 910 angeordnet ist, um die Spannungsisolation oder dielektrische Stärke zu erhöhen. Im Gegensatz zu dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 hat der Hohlraum größere laterale und vertikale Abmessungen als der Sensorchip 130 und auch eine vertikale Abmessung, die größer ist als eine kombnierte vertikale Abmessung des Sensorchips 130 und der zusätzlichen isolierenden Schicht 910, so dass das Formmaterial 140 verwendet wird, um den Hohlraum vollständig zu füllen und somit den Sensorchip 130 von der Umgebung abzudichten. Wie es von 9A ersichtlich ist, hat die Hauptoberfläche des Formkörpers 140, die von dem Stromleiter abgewandt ist, das gleiche Höhenniveau wie die gedruckte Schaltungsplatine 110. Für solche Ausführungsbeispiele können die Kontakte zu dem Sensorchip 130 über dünne Kupferleiterbahnen auf der oberen Oberfläche der zusätzlichen isolierenden Schicht hergestellt werden, beispielsweise ein Kaptonband, falls der Sensorchip umgekehrt angeordnet ist, oder über einfache Bonddrähte, falls der Sensorchip 130 mit der Vorderseite nach oben befestigt ist.
  • Während 9A eine schematische Querschnittsansicht eines Ausführungsbeispiels des Sensorgehäuses mit einem flip-chip-befestigten Sensorchip und einer zusätzlichen Isolationsschicht zwischen dem Sensorchip und der gedruckten Schaltungsplatine zeigt, zeigt 9B eine schematische Querschnittsansicht eines alternativen Ausführungsbeispiels des Sensorgehäuses mit einem Vorderseite-nach-oben-befestigten Sensorchip und einer zusätzlichen Isolationsschicht zwischen dem Sensorchip und der gedruckten Schaltungsplatine. Der Begriff hc bezieht sich auf die vertikale Abmessung der magnetfelderzeugenden Region vertikal zu der ersten Hauptoberfläche 110a der gedruckten Schaltungsplatine 110, hp bezieht sich auf die vertikale Abmessung der Region 110i der gedruckten Schaltungsplatine 110, die zwischen dem Sensorchip 130 und der magnetfelderzeugenden Region 126 des Stromleiters 120 angeordnet ist (siehe auch 1C oder 2), hi bezieht sich auf die vertikale Abmessung der isolierenden Schicht oder der Region der isolierenden Schicht, die zwischen dem Sensorchip 130 und der magnetfelderzeugenden Region 126 angeordnet ist, und hd bezieht sich auf den vertikalen Abstand zwischen einem oder allen Magnetfeldsensoren, die dem Stromleiter zugeordnet sind und in dem Sensorchip enthalten sind, und der Oberfläche 110a des Stromleiters, die dem Sensorchip oder Magnetfeldsensor 132 zugewandt ist. Wie es von 9A ersichtlich ist (Oberseite-nach-unten-Befestigung des Sensorchips), entspricht der vertikale Abstand hd grob (falls der Magnetfeldsensor nahe oder an der Oberfläche 130a des Sensorchips angeordnet ist, die dem Stromleiter zugewandt ist) der vertikalen Abmessung der gedruckten Schaltungsplatine hp (falls keine anderen Schichten zwischen dem Sensorchip und dem Stromleiter angeordnet sind, oder der Gesamtheit der einzelnen vertikalen Abmessungen, z. B. hi + hp, falls eine oder mehrere isolierende oder dielektrische Schichten zwischen dem Sensorchip und dem Stromleiter liegen). Im Fall von Vorderseite-nach-oben-befestigten Sensorgehäusen oder Sensorgehäusen, bei denen der Magnetfeldsensor nahe oder an der Oberfläche 130b des Sensorchips angeordnet ist, die dem Stromleiter abgewandt ist (siehe 9B), ist der Abstand des Magnetfeldsensors zu der Oberfläche 130a des Sensorchips ebenfalls in dem vertikalen Abstand hd enthalten.
  • Es ist möglich, einen weiteren Leiter an der Unterseite des Gehäuses hinzuzufügen, beispielsweise durch Anordnen des Stromleiters 120 auf diesem zusätzlichen Leiter. 10 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines Ausführungsbeispiels des Sensorgehäuses mit einem zusätzlichen Stromleiter 1020, der auf der Hauptoberfläche 120a angeordnet ist, die dem Sensorchip 130 abgewandt ist. Die vertikale Abmessung dieses zusätzlichen Stromleiters 1020 ist größer als die vertikale Abmessung des Stromleiters 120. Somit ist ein Reihenwiderstand des zusätzlichen Stromleiters 1020 geringer als ein Reihenwiderstand des Stromleiters 120. Dies hält die Dissipation niedrig und ermöglicht es, die Dissipation wesentlich zu reduzieren, während das Magnetfeld, das durch die magnetfelderzeugende Region 126 erzeugt wird, nach wie vor hoch gehalten wird. Bei bestimmten Ausführungsbeispielen ist die vertikale Abmessung der zusätzlichen Leiterschicht 2-mal größer als die vertikale Abmessung hc des Stromleiters oder 5-mal größer. Die Schicht 1020 kann eine grob strukturierte dicke leitende Schicht 120 sein, und die Schicht 120 eine fein strukturierte dünne leitende Schicht.
  • 11 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des Stromleiters 120, bei dem die magnetfelderzeugende Region 126 zwei Kerben 1028 und 1028' aufweist, die einander gegenüber angeordnet sind bezüglich der Stromflussrichtung, so dass die zwei Kerben 1028 und 1028' einen zentralen reduzierten Querschnitt definieren, wobei zusätzlich drei Schlitze 128, 128' und 128'' auf gegenüberliegenden Seiten des reduzierten Querschnitts angeordnet sind, um den Stromfluss gemäß einer „W”-Form zu biegen (siehe Pfeil D). Der reduzierte Querschnitt und das zusätzliche Biegen des Stroms durch die Schlitze erhöhen das Magnetfeld an den Schlitzen und liefert eine Basis für eine Hochempfindlichkeitsstrommessung durch Magnetfeldsensoren, die über den Enden der Schlitze 128, 128', 128'' angeordnet sind. Die zwei Schlitze 128 und 128' reichen von der Oberseite nach unten (bezüglich der Ausrichtung von 11) und der mittlere Schlitz 128' reicht von der Unterseite nach oben (bezüglich der Ausrichtung von 11).
  • 12 zeigt eine schematische Draufsicht eines Sensorgehäuses mit einem Stromleiter ähnlich demjenigen, der in 11 gezeigt ist (mit drei Schlitzen, zwei auf einer Seite und der mittlere Schlitz auf der gegenüberliegenden Seite bezüglich der Flussrichtung). 12 zeigt die drei Schlitze 128, 128' und 128'', den Sensorchip 130 mit Kontaktanschlussflächen 1232, 1234 und 1236, wobei die Kontaktanschlussflächen 1232 des Sensorchips 130 über Bonddrähte 114a mit leitfähigen Bahnen 112a verbunden sind und die Kontaktanschlussflächen 1234 und 1236 des Sensorchips 130 durch Bonddrähte 114b mit leitfähigen Bahnen 112b verbunden sind. Zu Demonstrationszwecken wurde als Isolationsschicht zwischen dem Stromleiter und dem Sensorchip 130 nur ein transparenter Lack verwendet.
  • 13 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Herstellen eines Sensorgehäuses. Das Verfahren zum Herstellen eines Sensorgehäuses weist ein Bereitstellen 1310 einer gedruckten Schaltungsplatine mit einem laminaren Stromleiter auf, der auf einer ersten Hauptoberfläche der gedruckten Schaltungsplatine angeordnet ist, und ein Bereitstellen 1320 eines Sensorchips, der angepasst ist, um einen Strom zu messen, der durch den laminaren Stromleiter fließt, wobei der Sensorchip einen Magnetfeldsensor aufweist. Gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel weist das Verfahren ferner ein Anordnen 1330 des Sensorchips auf einer zweiten Hauptoberfläche der gedruckten Schaltungsplatine gegenüber der ersten Hauptoberfläche auf, so dass der Sensorchip durch die gedruckte Schaltungsplatine von dem Stromleiter elektrisch isoliert ist, und ein hermetisches Abdichten 1340 des Sensorchips zwischen einem Formmaterial und einer gedruckten Schaltungsplatine.
  • Gemäß einem zweiten alternativen Ausführungsbeispiel des Verfahrens weist das Verfahren ferner ein Anordnen 1350 eines Sensorchips in der gedruckten Schaltungsplatine auf, so dass der Sensorchip durch die gedruckte Schaltungsplatine von dem Stromleiter elektrisch isoliert ist und so dass der Sensorchip hermetisch abgedichtet ist.
  • Weitere Ausführungsbeispiele des Verfahrens weisen ein Anordnen des Sensorchips auf der zweiten Hauptoberfläche der gedruckten Schaltungsplatine unter Verwendung von Ausrichtungsstrukturen oder Ausrichtungsmarkierungen auf, die auf der zweiten Hauptoberfläche angeordnet sind.
  • Noch weitere Ausführungsbeispiele weisen ein Herstellen des Sensorchips in einer Platte von gedruckten Schaltungsplatinen auf, die eine Mehrzahl von Sensorchips aufweist, wobei einer oder alle der Schritte des Herstellens und Testens durchgeführt werden mit dem Sensorchip angeordnet in der Platte von gedruckten Schaltungsplatinen. Zusätzlich kann das Sensorgehäuse nach einem Endserientest von der Platte von gedruckten Schaltungsplatinen getrennt werden, wobei der Sensorchip getrennt (parallel oder in Reihe) von anderen Sensorchips der Platte von gedruckten Schaltungsplatinen getestet wird.
  • Weitere Ausführungsbeispiele des Verfahrens weisen ein Kalibrieren des Sensorgehäuses auf, z. B. vor dem Trennen des Sensorchips von der Schaltungsplatinenplatte. Die Kalibrierung weist ein Anlegen eines Stroms einer bekannten Intensität an den Stromleiter, Messen des Stroms oder Erhalten des Signals des Magnetfeldsensors oder des Sensorchips, der dem Strom zugeordnet ist, Vergleichen der bekannten Intensität des Stroms mit der gemessenen Intensität des Stroms und Bestimmen einer Abweichung zwischen der bekannten Intensität des Stroms und der gemessenen Stromintensität und Anlegen einer Korrektur des gemessenen Werts auf, um die Abweichung zu reduzieren, so dass die Auswertungseinheit nach der Kalibrierung den korrekten Stromintensitätswert ausgibt. Die Korrektur kann durch die Auswertungseinheit durchgeführt werden, z. B. durch Abbilden des Signals, das durch den Magnetfeldsensor bereitgestellt wird, und/oder Abbilden eines Werts, der basierend auf diesem Wert erhalten wird, auf einen Ausgabewert, der in einer Abbildungstabelle (Kalibrierungstabelle) bereitgestellt wird oder basierend auf einer Abbildungsfunktion (Kalibrierungsfunktion) berechnet wird.
  • Bei bestimmten Ausführungsbeispielen wird die Kalibrierung durchgeführt, nachdem der gesamte Sensorchip gehäust wurde, z. B. nachdem der Sensorchip und jedes andere optionale getrennte Schaltungselement durch die gedruckte Schaltungsplatine und/oder das Abdichtungsmaterial abgedichtet wurde, und nur die externen Kontakte oder Anschlussflächen, z. B. 816a, 816b, 816c, des Sensorgehäuses verbleiben zum elektrischen Verbinden des Sensorchips. Somit kann jede Produktionsschwankung, z. B. bezüglich der elektrischen Charakteristika des Sensorchips, des einen oder der mehreren Magnetfeldsensoren, die in dem Sensorchip enthalten sind, und der einzelnen getrennten Schaltungselemente, und/oder jede Produktionsschwankung, z. B. bezüglich Anordnungs- und Strukturierungsschwankungen wie die Position, Struktur und Abmessungen des Stromleiters und die relative Position der Magnetfeldsensoren bezüglich des Stromleiters und der optionalen Kerben oder Schlitze, korrigiert werden unter Verwendung von Kalibrierungsinformationen, die in dem Sensorchip oder Sensorgehäuse gespeichert sind, um ein zuverlässiges und hochgenaues Stromsensorgehäuse kostengünstig zu erhalten.
  • Die Gehäuse der gedruckten Schaltungsplatinen haben eine geringere thermische Masse als Leitungsrahmengehäuse und somit kürzere thermische Einstellzeiten und kürzere Kalibrierungszeiten, insbesondere beim Kalibrieren des Sensorgehäuses bei unterschiedlichen Temperaturen. Somit entstehen bei der Herstellung von PCB-Stromsensorgehäusen, wie oben beschrieben, geringere Herstellungskosten im Vergleich zu herkömmlichen leitungsrahmenbasierten Stromsensorgehäusen.
  • Weitere Ausführungsbeispiele des Sensorgehäuses können ein Gehäuse für eine integrierte Schaltung 130 mit einem oder mehreren Magnetfeldsensorelementen 132 aufweisen, die den elektrischen Strom messen, der durch den Stromleiter 120 fließt, durch Messen des Magnetfelds, das mit dem Strom gekoppelt ist. Diese Gehäuse 100 weisen einen Stromleiter 120, eine gedruckte Schaltungsplatine oder eine Gedruckte-Schaltungsplatinen-Zwischenschicht 110 und einen integrierten Halbleiterchip 130 auf, der durch die gedruckte Schaltungsplatine oder durch die gedruckte Schaltungsplatine und Formmaterial hermetisch abgedichtet ist.
  • Weiterbildungen solcher Ausführungsbeispiele können einen Stromleiter 120 mit einer laminaren Form aufweisen, d. h. die lateralen Abmessungen des Stromleiters in beiden Ausdehnungsrichtungen (x- und y-Achse) sind beträchtlich größer als die vertikale Abmessung (z-Achse) des Stromleiters.
  • Bei Weiterbildungen solcher Ausführungsbeispiele kann der Stromleiter zwei Kontaktregionen 122, 124 und einen magnetfelderzeugenden Mittelbereich 126 aufweisen, der zwischen den zwei Kontaktregionen angeordnet ist, wobei jede der Kontaktregionen und auch die magnetfelderzeugende Region 126 einen größeren Bereich (Ausdehnung bezüglich der lateralen Abmessungen) aufweist als der Halbleiterchip 130, und/oder wobei die magnetfelderzeugende Region 126 eine vertikale Abmessung (z-Achse) aufweist, die größer ist als die Gedruckte-Schaltungsplatinen-Zwischenschicht 110.
  • Bei Weiterbildungen solcher Ausführungsbeispiele kann die Gedruckte-Schaltungsplatinen-Zwischenschicht 110 so angeordnet werden, dass eine dielektrische Stärke von zumindest 1.000 V erreicht wird und/oder die Gedruckte-Schaltungsplatinen-Zwischenschicht 110 kann angepasst sein, um keine magnetischen Komponenten und keine leitenden Bereiche für große kreisförmige Wirbelströme zu haben, beispielsweise Wirbelströme mit einem Durchmesser von mehr als 1 mm.
  • Bei Weiterbildungen solcher Ausführungsbeispiele bildet die gedruckte Schaltungsplatine eine Einrichtung zum mechanischen Tragen und elektrischen Verbinden elektronischer Komponenten über leitfähige Bahnen, beispielsweise geätzt aus Kupferlagen, die auf eine nichtleitfähige Platine laminiert sind, die ein isolierendes oder dielektrisches zusammengesetztes Material aufweist. Die zusammengesetzten Materialien, die für Schaltungsplatinenherstellung verwendet werden, bestehen beispielsweise aus zwei oder mehr unterschiedlichen Materialien, die auf einer mikroskopischen Ebene innerhalb der fertiggestellten Struktur getrennt und verschieden bleiben. Typischerweise werden zwei Materialkategorien zum Herstellen zusammengesetzten Materials unterschieden, Matrixmaterial und Verstärkungsmaterial, wobei das Verstärkungsmaterial das Matrixmaterial verstärkt, um das stamme zusammengesetzte Material oder die stamme zusammengesetzte Struktur bereitzustellen. Matrixmaterialien sind häufig Polymermaterialien, auch als Harzlösungen bezeichnet, während für Verstärkungsmaterialien häufig Fasern, aber auch gewebte Lagen Papier verwendet werden. Gut bekannte zusammengesetzte Materialien, die für gedruckte Schaltungsplatinen verwendet werden, sind beispielsweise FR-2 (phenolisches Baumwollpapier), FR-3 (Baumwollpapier und Epoxyd), FR-4 (Glasgewebe und Epoxyd), FR-5 (Glasgewebe und Epoxyd), G-10 (Glasgewebe und Epoxyd), CEM-1 (Baumwollpapier und Epoxyd), CEM-2 (Baumwollpapier und Epoxyd), CEM-3 (Glasgewebe und Epoxyd), CEM-4 (Glasgewebe und Epoxyd), CEM-5 (Glasgewebe und Polyester). Insbesondere die FR-Verbundstoffe werden üblicherweise aufgrund ihrer Flammenhemmung (FR = flame retardant = flammenhemmend) verwendet.
  • Typischerweise wird eine Kupferschicht über das gesamte Substrat beschichtet oder laminiert, auf einer Seite oder auf beiden Seiten. Um die gewünschten leitfähigen Bahnen oder Leiter zu erzeugen, z. B. den leitfähigen Träger 120 oder die leitfähigen Bahnen 112, werden die ungewünschten Kernteile entfernt. Neben diesen subtrahierenden Verfahren sind auch additive Prozesse zum Herstellen der leitfähigen Bahnen bekannt. Dünne leitfähigen Bahnen können beispielsweise galvanisch behandelt werden, um Leiter mit größeren vertikalen Abmessungen oder Dicken herzustellen. Mehrere gedruckte Schaltungsplatinen können gestapelt werden, um mehrschichtige gedruckte Schaltungsplatinen zu bilden. Die Leiter der unterschiedlichen gedruckten Schaltungsplatinen innerhalb einer mehrschichtigen gedruckten Schaltungsplatine können durch leitfähige Durchgangslöcher miteinander verbunden werden.
  • Laminare Stromleiter ermöglichen es, den Strom nahe genug zu dem Sensor zu bringen auf der einen Seite und gleichzeitig den inneren Widerstand des Leiters minimal zu halten, um die thermische Kopplung zwischen dem Stromleiter und dem Sensorchip zu optimieren und um eine starke mechanische Verbindung zu liefern durch eine große Bondingoberfläche, die innerhalb eines Mikrometerbereichs über die gesamte Lebensdauer des Sensorgehäuses stabil bleibt.
  • Die Kontaktregionen 122 und 124 haben einen großen Einfluss auf den inneren Widerstand des Stromleiters. Bei bestimmten Ausführungsbeispielen sind die Kontaktregionen 122 und 124 so angeordnet, dass der Strom nur zu einem minimalen Ausmaß gebogen wird, wenn er von dem ersten Stromleiter zu der magnetfelderzeugenden Region verläuft (Stromeingabe) und wenn er von der magnetfelderzeugenden Region zu einer zweiten Kontaktregion verläuft (Stromausgabe). Außerdem ändern die Kontaktregionen typischerweise das Magnetfeld nicht an der Position der Magnetfeldsensoren, selbst falls die genaue Geometrie der Kontaktpositionen variiert, beispielsweise weil die Kontakte nicht überall gelötet sind oder der strombereitstellende Leiter nicht an der Mitte der ersten oder zweiten Kontaktregion gelötet ist.
  • Bei weiteren Ausführungsbeispielen weist die magnetfelderzeugende Region zumindest einen Schlitz oder eine Verjüngung oder, anders ausgedrückt, zumindest ein Merkmal auf, an dem die Stromlinien stark gebogen sind und/oder die Stromdichte wesentlich verringert ist.
  • Die Schaltung für einen Halbleiterchip 130 zum Messen des Magnetfelds eines Leiters kann beispielsweise etwa 7 mm2 erfordern. Ausführungsbeispiele des Sensorgehäuses mit Stromsensoren für Ströme in einem Bereich zwischen 20 A und 500 A können somit innere Widerstände innerhalb eines Bereichs von 20 μΩ bis 200 μΩ aufweisen. Der Sensorchip kann beispielsweise laterale Abmessungen von 2,6 mm × 2,6 mm oder 2 mm (Abmessung in der x-Richtung) × 3,5 mm (Abmessung in y-Richtung oder Flussrichtung) aufweisen. Die Sensorgehäuse, die solche Sensorchips aufweisen, können magnetfelderzeugende Regionen mit einer lateralen Abmessung von 3 mm in Flussrichtung (x-Richtung) und zumindest 4 mm in einer lateralen Abmessung senkrecht zu der Flussrichtung des Stroms (y-Richtung) aufweisen. Falls die magnetfelderzeugende Region eine vertikale Abmessung (Dicke) von 0,1 mm aufweist, ist der Widerstand des magnetfelderzeugenden Bereichs etwa 20 μΩ (für Kupfer). Aufgrund der reduzierten Querschnitte ist der Widerstand erhöht auf grob 30 μΩ bis 50 μΩ, abhängig von der Form und Anzahl der Kerben und Schlitze. Außerdem haben die Kontaktregionen einen zusätzlichen eigenen Widerstand und es gibt einen weiteren Widerstandsabschnitt, da der Stromfluss von der größeren Kontaktregion zu der kleineren magnetfelderzeugenden Region komprimiert ist. Daher haben Stromleiter mit einer vertikalen Dicke von 0,1 mm bis 0,4 mm Widerstandswerte von etwa 20 μΩ bis 2 mΩ oder 3 mΩ.
  • Weitere Ausführungsbeispiele der magnetfelderzeugenden Region haben beispielsweise laterale Abmessungen von 5 mm × 5 mm. Die Kontaktregionen für 20A-Stromsensoren sind kleiner, für 200 A-Stromsensoren bedeckt jede der Kontaktregionen erneut grob einen Bereich von 25 mm2, jedoch typischerweise nicht quadratisch, aber mit einer kürzeren lateralen Abmessung in der Flussrichtung und einer längeren lateralen Abmessung senkrecht zu der Stromflussrichtung.
  • Eine vertikale Abmessung der magnetfelderzeugenden Region 126 definiert, wie stark das Magnetfeld abfällt oder sich verringert mit einem Anstieg des vertikalen Abstands von der Stromleiteroberfläche. Daher ist die vertikale Abmessung des Stromleiters z. B. gewählt, um größer zu sein als die vertikale Abmessung der isolierenden Schicht, beispielsweise die Gedruckte-Schaltungsplatinen-Zwischenschicht 110 oder 110i, oder jede Kombination von oder jeder Stapel von isolierenden Schichten, so dass ein ausreichendes Magnetfeld über die isolierende Schicht zu dem Magnetfeldsensor koppelt.
  • Daher hat die gedruckte Schaltungsplatine 110 bei einer Implementierung z. B. eine minimale vertikale Abmessung von 100 μm, keine leitfähigen Durchgangslöcher zwischen den gegenüberliegenden Hauptoberflächen in der Region unter und genau neben dem Chip und überlappt die Grenzen des Sensorchips 130 μm zumindest 0,2 mm.
  • Kupferlaminierungen, die bei herkömmlichen Schaltungsplatinen verwendet werden, werden häufig unter Verwendung von Nickel plattiert. In der Nachbarschaft der Magnetfeldsensoren, beispielsweise innerhalb des Abstands von weniger als 1,5 mm, werden Materialien mit einer Koerzitivkraft von mehr als 1 A/m häufig vermieden, um die Messung des Magnetfelds nicht zu stören.
  • Weitere Ausführungsbeispiele des Sensorgehäuses weisen eine erste und eine zweite Kontaktregion 122, 124 auf, die nicht durch die Gedruckte-Schaltungsplatinen-Zwischenschicht 110 bedeckt sind. Anders ausgedrückt, die Kontaktregionen 122 und 124 sind direkt zugreifbar von beiden Seiten. Dies ist in einigen Fällen vorteilhaft, beispielsweise falls das Sensorgehäuse an massive Sammelschienen geschraubt wird oder unter Verwendung einer Ultraschalldüse an externe Leiter geschweißt wird. Ferner können externe Leiter an die Kontaktregionen geschweißt werden, beispielsweise unter Verwendung einer Ultraschalldüse.
  • Weitere Ausführungsbeispiele des Sensorgehäuses weisen eine magnetfelderzeugende Region 126 mit zumindest einem Strukturelement auf, das eine starke Inhomogenität der Stromdichte bewirkt, beispielsweise durch einen Anstieg um 150% oder mehr (wobei sich 100% auf die mittlere Stromdichte an der Kontaktfläche bezieht), oder ein starkes Biegen der Stromlinien, beispielsweise um mehr als +/–40° im Vergleich zu einer Hauptstromrichtung oder einer virtuellen direkten Verbindung zwischen der ersten Kontaktregion und der zweiten Kontaktregion, und wobei das Magnetfeldsensorelement genau über diesem Hohlraum oder diesem Schlitz angeordnet ist mit einer Toleranz von +/–1,2 mm.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weist ein Sensorchip 130 eine Speichereinrichtung auf für die Speicherung von Kalibrierungsinformationen, beispielsweise einen EEPROM-Speicher (EEPROM = electrically erasable programmable memory = elektrisch löschbarer programmierbarer Speicher) oder eine Art von analogem speicherartigem Lasertrimmen von Widerständen, und das Sensorgehäuse ist in einer Platte von gedruckten Schaltungsplatinen hergestellt, so dass eine kostengünstige Kalibrierung bei der Massenherstellung durch eine Testen-im-Streifen-Handhabungsvorrichtung (vielleicht sogar bei verschiedenen Temperaturen) möglich ist. Ein Aspekt dieses Ausführungsbeispiels ist, dass jede Vorrichtung oder jedes Sensorgehäuse seine eigenen individuellen Kalibrierungsinformationen aufweist, was Positionstoleranzen des Stromleiters bezüglich der Magnetfeldsensorelemente berücksichtigt.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel wird das Sensorgehäuse 130 in einer Platte von gedruckten Schaltungsplatinen hergestellt, so dass die PCB-Platte getrennt werden kann nach einem Endserientest, durch Stanzen oder Abbrechen der einzelnen Gehäuse aus der KB-Platte. Es sollte angemerkt werden, dass herkömmliche Sensorgehäuse in einer Kupferplatte hergestellt und getestet werden. Bei diesen herkömmlichen Sensorgehäusen ist der Kupfer jedoch zu dick zum leichten Trennen der einzelnen Gehäuse, beispielsweise durch Stanzen. Außerdem bildet der Kupfer eine elektrische Kopplung der einzelnen Bauelemente in der Kupferplatte, so dass die einzelnen Bauelemente nicht unabhängig und einzeln mit Leistung versorgt werden oder getestet werden können. Im Gegensatz dazu verwenden einige Aspekte dieser Offenbarung eine gedruckte Schaltungsplatine als Träger für die Herstellung und zum Herstellen des Sensorgehäuses innerhalb einer Platte von gedruckten Schaltungsplatinen, so dass die einzelnen Sensorgehäuse nicht ohne weiteres getrennt werden können und auch nicht einzeln getestet werden können innerhalb einer Platte von gedruckten Schaltungsplatinen.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die Gedruckte-Schaltungsplatinen-Zwischenschicht 110 an ihrem Umfang abgedichtet, so dass ein Quellen der Laminarstruktur aufgrund von Feuchtigkeit oder eine Ablösung aufgrund von Lebenszyklusbeanspruchung, beispielsweise Zyklusbeanspruchung, vermieden oder begrenzt werden kann. Eine Abdichtung der gedruckten Schaltungsplatine kann durchgeführt werden durch Fertigstellen, Beschichten durch Sprühen oder mit einer Folie, Verdampfung oder Formen.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weist die gedruckte Schaltungsplatine 110 auf einer Hauptoberfläche, auf der der Sensorchip angeordnet ist, eine dünne Leiterschicht auf, beispielsweise eine Kupferlaminierung, die entweder als eine elektrostatische Abschirmung oder als Kontakt für den Sensorchip dient, oder als Einrichtung zum Verbinden des Sensorchips über Löten, insbesondere über Diffusionslöten.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weist die gedruckte Schaltungsplatine 110 auf einer ersten Hauptoberfläche, in der der Stromleiter 120 angeordnet ist, eine dünne Leiterschicht auf, beispielsweise eine Kupferlaminierung, die mit dem Stromleiter elektrisch verbunden ist, beispielsweise durch Löten, z. B. Diffusionslöten oder Verbinden innerhalb eines leitfähigen Haftmittels. Die dünne Leiterschicht oder Leiterschicht kann eine besonders stabile, also temperaturstabile mechanische Verbindung liefern oder kann verwendet werden, um die gedruckte Schaltungsplatinenschicht selbst zu zentrieren relativ zu dem Stromleiter durch Oberflächenspannung des Lötmittels oder des Haftmittels.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weist die gedruckte Schaltungsplatine 110 eine dünne leitfähige Schicht auf der zweiten Hauptoberfläche auf, auf der der Sensorchip befestigt ist, beispielsweise eine Kupferlaminierung, die als Kontakteinrichtung für den Sensorchip dient, wobei die integrierte Schaltung oder der Sensorchip mit der Vorderseite nach unten auf der gedruckten Schaltungsplatine befestigt ist, so dass Bondwege des Sensorchips mit der Kupferlaminierung kontaktiert werden über Lötmittelkugeln, Lötmittelhöcker oder leitfähiges Haftmittel.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weist eine Gedruckte-Schaltungsplatinen-Zwischenschicht 130 eine dünne leitfähige Schicht, beispielsweise eine Kupferlaminierung, auf der zweiten Hauptoberfläche des Chips auf, auf dem der Sensorchip befestigt ist, wobei der Sensorchip mit der Vorderseite nach oben auf der gedruckten Schaltungsplatine befestigt ist, und die elektrische Verbindung zwischen den Bondwegen und den leitfähigen Bahnen auf der gedruckten Schaltungsplatine über Bonddrähte realisiert ist. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weist die Gedruckte-Schaltungsplatinen-Zwischenschicht eine Einrichtung auf zum Zentrieren auf dem Stromleiter, beispielsweise zusammenpassende Bohrlöcher oder Rillen.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weisen alle Kontaktregionen der gedruckten Schaltungsplatine keine Laminierung mit permeablen Materialien mit einer relativen Permeabilität von mehr als 1,1 auf oder sind in einem Abstand von mindestens 1,5 mm zu den Magnetfeldsensorelementen angeordnet.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel sind die Kontaktregionen des Stromleiters und die Kontakte des Sensorchips in einer Ebene angeordnet, so dass das Sensorgehäuse für eine Oberflächenbefestigungsanordnung geeignet ist.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel hat die magnetfelderzeugende Region des Stromleiters an ihrem dünnsten Abschnitt eine vertikale Abmessung von zumindest 0,2 mm.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die dielektrische Stärke der Gedruckte-Schaltungsplatinen-Zwischenschicht 130 verstärkt durch eine laminierte Polyimidschicht, beispielsweise eine Kaptonfolie, beispielsweise mit einer vertikalen Abmessung von weniger als 0,2 mm und insbesondere innerhalb eines Bereichs von 50 μm bis 125 μm.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist der Sensorchip vollständig umgeben durch Material für gedruckte Schaltungsplatinen. Anders ausgedrückt, der Sensorchip 130 ist in das Material für gedruckte Schaltungsplatinen laminiert, so dass die gedruckte Schaltungsplatine nicht nur zwischen dem Sensorchip und dem Stromleiter angeordnet ist, sondern der Sensorchip auch auf der verbleibenden oberen Hauptoberfläche, die von dem Stromleiter abgewandt ist, durch die gedruckte Schaltungsplatine bedeckt ist.
  • Um Wirbelströme zu reduzieren oder zu vermeiden, weisen bestimmte Ausführungsbeispiele des Sensorgehäuses, wie basierend auf 1A bis 12 beschrieben, nur die gedruckte Schaltungsplatine oder andere dielektrische Schichten oder dielektrisches Material zwischen dem Sensorchip 130 und der magnetfelderzeugenden Region 126 auf, und weisen keine elektrisch leitfähigen Schichten auf, insbesondere keine massiven leitfähigen Schichten mit bestimmten Abmessungen von mehr als 100 μm (anders als typische Leitungsrahmengehäuse). Daher weisen Ausführungsbeispiele des Sensorgehäuses mit Vorderseite-nach-oben-befestigten Sensorchips, wie es in 4 gezeigt ist, keine elektrisch leitfähigen Schichten oder Strukturen zwischen dem Sensorchip 130 und dem Stromleiter 120 auf, und insbesondere nicht zwischen einem der Magnetfeldsensoren 132, 134 (dem Stromleiter und der magnetfelderzeugenden Region 126 zugeordnet) und der magnetfelderzeugenden Region 126. Daher weisen bestimmte Ausführungsbeispiele des Sensorgehäuses, die einen flip-chip-befestigten oder Oberseite-nach-unten-befestigten Sensorchip 130 aufweisen, wie es in 3 gezeigt ist, nur dünne laterale leitfähige Bahnen auf, um den Sensorchip zu verbinden, beispielsweise um die Leistungsversorgungsanschlussstifte, Steuernanschlussstifte und Ausgabeanschlussstifte des Sensorchips 130 mit anderen getrennten elektrischen Komponenten zu verbinden, die in dem Sensorgehäuse integriert sind, oder mit den Kontaktanschlussflächen für die externe Verbindung des Sensorgehäuses zwischen dem Sensorchip 130, und dem Stromleiter 120 und keine weiteren leitfähigen Strukturen oder Schichten zwischen dem Sensorchip und dem Stromleiter aufweisen. Außerdem sind diese dünnen lateralen Leiterbahnen nicht zwischen den Magnetfeldsensoren und der magnetfelderzeugenden Region angeordnet.
  • Weitere Ausführungsbeispiele des Sensorgehäuses können eine Isolation aufweisen, die auf einer Oberfläche des Stromleiters angeordnet ist, oder einen zusätzlichen Stromleiter, der einen Teil der Oberfläche oder die gesamte Oberfläche bedeckt. Diese Isolation kann beispielsweise eine weitere gedruckte Schaltungsplatinenschicht oder eine Lötmittelstoppschicht sein.
  • Abhängig von bestimmten Implementierungsanforderungen der erfindungsgemäßen Verfahren können die erfindungsgemäßen Verfahren in Hardware oder Software implementiert sein. Die Implementierung kann durchgeführt werden unter Verwendung eines digitalen Speichermediums, insbesondere einer Disk, einer CD, einer DVD oder einer Blue-Ray-Disk, auf der elektronisch lesbare Steuersignale gespeichert sind, die mit einem programmierbaren Computersystem zusammenarbeitet, so dass ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens durchgeführt wird. Allgemein ist ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung daher ein Computerprogrammprodukt mit einem Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist, wobei der Programmcode wirksam ist zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens, wenn das Computerprogrammprodukt auf einem Computer läuft. Anders ausgedrückt, Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens sind daher ein Computerprogramm mit einem Programmcode zum Durchführen von zumindest einem der erfindungsgemäßen Verfahren, wenn das Computerprogramm auf einem Computer läuft.
  • Aspekte der Erfindung wurden besonders gezeigt und beschrieben mit Bezugnahme auf bestimmte Ausführungsbeispiele derselben. Für Fachleute auf diesem Gebiet ist klar, dass verschiedene andere Änderungen in der Form und in Einzelheiten durchgeführt werden können, ohne von der Wesensart und dem Schutzbereich abzuweichen. Es ist daher klar, dass beim Anpassen der unterschiedlichen Ausführungsbeispiele verschiedene Änderungen durchgeführt werden können, ohne von dem breiteren Konzept abzuweichen, das hierin offenbart ist und in den folgenden Ansprüche enthalten ist.

Claims (24)

  1. Sensorgehäuse, das folgende Merkmale aufweist: eine gedruckte Schaltungsplatine (110), die eine erste Hauptoberfläche und eine zweite Hauptoberfläche umfasst, wobei die zweite Hauptoberfläche der ersten Hauptoberfläche gegenüber liegt; einen laminaren Stromleiter (120), der auf der ersten Hauptoberfläche angeordnet ist; einen Sensorchip (130), der auf der zweiten Hauptoberfläche angeordnet ist und durch die gedruckte Schaltungsplatine (110) von dem laminaren Stromleiter (120) elektrisch isoliert ist, wobei der Sensorchip (130) angepasst ist, um einen Strom zu messen, der durch den laminaren Stromleiter (120) fließt, und wobei der Sensorchip (130) einen Magnetfeldsensor aufweist; und wobei der Sensorchip (130) zwischen einem Formmaterial und der gedruckten Schaltungsplatine (110) hermetisch abgedichtet ist, oder wobei der Sensorchip (130) innerhalb der gedruckten Schaltungsplatine (110) hermetisch abgedichtet ist.
  2. Sensorgehäuse gemäß Anspruch 1, bei dem der Magnetfeldsensor angepasst ist, um ein Signal proportional zu einer Intensität des Stroms zu erzeugen, der durch den Stromleiter (120) fließt, und wobei das Sensorgehäuse ferner folgendes Merkmal aufweist: eine Auswertungseinheit, die angepasst ist, um ein Ausgangssignal des Sensorchips (130) zu bestimmen, das eine Messung der Intensität des Stroms darstellt, der durch den Stromleiter (120) fließt, basierend auf dem Signal des Magnetfeldsensors und auf Kalibrienungsinformationen.
  3. Sensorgehäuse gemäß Anspruch 2, bei dem die Kalibrierungsinformation Positionsschwankungen zwischen dem Stromleiter (120) und dem Magnetfeldsensor berücksichtigt.
  4. Sensorgehäuse gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Sensorgehäuse ferner folgendes Merkmal aufweist: ein getrenntes Schaltungselement, das zwischen einen Anschlussstift des Sensorchips (130) und einen externen Kontakt des Sensorgehäuses gekoppelt ist, wobei das getrennte Schaltungselement nur Material mit einer relativen Permeabilität von weniger als 1,1 aufweist, oder wobei das getrennte Schaltungselement von dem Magnetfeldsensor um zumindest 1,5 mm beabstandet angeordnet ist, falls das getrennte Schaltungselement Material mit einer relativen Permeabilität von 1,1 oder mehr aufweist.
  5. Sensorgehäuse gemäß Anspruch 4, wobei das Sensorgehäuse kein getrenntes Schaltungselement mit einer relativen Permeabilität von mehr als 1,1 aufweist, das in einem Abstand von weniger als 1,5 mm zu einem Magnetfeldsensorelement des Sensorchips (130) angeordnet ist.
  6. Sensorgehäuse gemäß Anspruch 4 oder 5, bei dem das getrennte Schaltungselement ein Kondensator, eine Sicherung oder eine leitfähige Laminierung ist, der/die auf der gedruckten Schaltungsplatine (110) angeordnet ist.
  7. Sensorgehäuse gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem der Stromleiter (120) eine erste Kontaktregion, eine zweite Kontaktregion und eine magnetfelderzeugende Region (126) aufweist, die elektrisch gekoppelt ist zwischen die erste und die zweite Kontaktregion.
  8. Sensorgehäuse gemäß Anspruch 7, bei dem die magnetfelderzeugende Region (126) eine vertikale Abmessung aufweist, die vertikal ist relativ zu der ersten Hauptoberfläche der gedruckten Schaltungsplatine (110), und wobei die vertikale Abmessung der magnetfelderzeugenden Region (126) größer ist als ein vertikaler Abstand zwischen dem Magnetfeldsensor und einer Oberfläche des Stromleiters (120), der der gedruckten Schaltungsplatine (110) zugewandt ist.
  9. Sensorgehäuse gemäß Anspruch 8, bei dem die vertikale Abmessung der magnetfelderzeugenden Region (126) mehr als 1,5 mal größer ist als der vertikale Abstand zwischen dem Magnetfeldsensor und der Oberfläche des Stromleiters (120).
  10. Sensorgehäuse gemäß Anspruch 8 oder 9, bei dem der vertikale Abstand zwischen dem Magnetfeldsensor und dem Stromleiter (120) größer als 50 μm ist und eine vertikale Abmessung des Stromleiters (120) größer als 100 μm ist.
  11. Sensorgehäuse gemäß einem der Ansprüche 8 bis 10, bei dem der Stromleiter (120) von dem Sensorchip (130) elektrisch isoliert ist durch sowohl: einen isolierenden Bereich der gedruckten Schaltungsplatine (110), die zwischen dem Sensorchip (130) und dem Stromleiter (120) angeordnet ist, und eine zusätzliche isolierende Schicht, die zwischen dem Sensorchip (130) und dem Stromleiter (120) angeordnet ist.
  12. Sensorgehäuse gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, bei dem der Sensorchip (130) zumindest teilweise in die gedruckte Schaltungsplatine (110) eingebettet ist.
  13. Sensorgehäuse gemäß einem der Ansprüche 7 bis 12, bei dem eine maximale laterale Abmessung der magnetfelderzeugenden Region (126) parallel zu der ersten Hauptoberfläche der gedruckten Schaltungsplatine (110) und vertikal zu einer Hauptstromflussrichtung der magnetfelderzeugenden Region (126) größer ist als eine maximale vertikale Abmessung der magnetfelderzeugenden Region (126) vertikal zu der ersten Hauptoberfläche der gedruckten Schaltungsplatine (110).
  14. Sensorgehäuse gemäß Anspruch 13, bei dem die maximale laterale Abmessung der magnetfelderzeugenden Region (126) mehr als 5-mal größer ist als die maximale vertikale Abmessung der magnetfelderzeugenden Region (126) vertikal zu der ersten Hauptoberfläche der gedruckten Schaltungsplatine (110).
  15. Sensorgehäuse gemäß einem der Ansprüche 7 bis 14, bei dem die magnetfelderzeugende Region (126) zumindest eine laterale Kerbe aufweist, und bei dem der Magnetfeldsensor über der lateralen Kerbe angeordnet ist und mit der lateralen Kerbe ausgerichtet ist.
  16. Sensorgehäuse gemäß einem der Ansprüche 7 bis 15, bei dem der Sensorchip (130) angepasst ist, um Intensitäten von Strömen in einem Bereich von 20 A bis 500 A zu messen, wobei ein innerer Widerstand der ersten Kontaktregion, der zweiten Kontaktregion und der magnetfelderzeugenden Region (126) in einem Bereich zwischen 20 μOhm bis 3 mOhm liegt, und wobei ein lateraler Bereich der magnetfelderzeugenden Region (126) größer ist als ein lateraler Bereich einer Hauptoberfläche des Sensorchips (130).
  17. Sensorgehäuse, das folgende Merkmale aufweist: eine gedruckte Schaltungsplatine (110), die eine erste Hauptoberfläche und eine zweite Hauptoberfläche aufweist, wobei die zweite Hauptoberfläche der ersten Hauptoberfläche gegenüber liegt; einen laminaren Stromleiter (120), der auf der ersten Hauptoberfläche angeordnet ist und angepasst ist, um einen Strom mit einer Stromintensität zu tragen; einen Sensorchip (130), der auf der zweiten Hauptoberfläche angeordnet ist und durch die gedruckte Schaltungsplatine (110) von dem laminaren Stromleiter (120) elektrisch isoliert ist, wobei der Sensorchip (130) folgende Merkmale aufweist: einen Magnetfeldsensor, der angepasst ist, um ein Signal proportional zu der Stromintensität zu erzeugen; und eine Auswertungseinheit, die angepasst ist, um die Stromintensität auszuwerten, basierend auf sowohl dem Signal des Magnetfeldsensors als auch einzelner Kalibrierungsdaten, wobei die einzelnen Kalibrierungsdaten für verschiedene Sensorgehäuse verschieden sind; und wobei der Sensorchip (130) zwischen einem Formmaterial und der gedruckten Schaltungsplatine (110) hermetisch abgedichtet ist, oder wobei der Sensorchip (130) innerhalb der gedruckten Schaltungsplatine (110) hermetisch abgedichtet ist.
  18. Sensorgehäuse gemäß Anspruch 17, bei dem der laminare Stromleiter (120) eine erste Kontaktregion, eine zweite Kontaktregion und eine magnetfelderzeugende Region (126) aufweist, die elektrisch gekoppelt ist zwischen die erste und zweite Kontaktregion, und wobei eine vertikale Abmessung der magnetfelderzeugenden Region (126) vertikal zu der ersten Hauptoberfläche der gedruckten Schaltungsplatine (110) größer ist als ein vertikaler Abstand vertikal zu der ersten Hauptoberfläche der gedruckten Schaltungsplatine (110) zwischen einer Oberfläche des Stromleiters (120), der dem Sensorchip (130) und dem Magnetfeldsensor zugewandt ist.
  19. Verfahren zum Herstellen eines Sensorgehäuses, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: Bereitstellen (1310) einer gedruckten Schaltungsplatine mit einem laminaren Stromleiter, der auf einer ersten Hauptoberfläche der gedruckten Schaltungsplatine angeordnet ist; Bereitstellen (1320) eines Sensorchips, der angepasst ist, um einen Strom zu messen, der durch den laminaren Stromleiter fließt, wobei der Sensorchip einen Magnetfeldsensor aufweist; Anordnen (1330) des Sensorchips auf einer zweiten Hauptoberfläche der gedruckten Schaltungsplatine gegenüber der ersten Hauptoberfläche, so dass der Sensorchip durch die gedruckte Schaltungsplatine von dem Stromleiter elektrisch isoliert ist; und hermetisches Abdichten (1340) des Sensorchips zwischen einem Formmaterial und einer gedruckten Schaltungsplatine; oder Anordnen (1350) eines Sensorchips in der gedruckten Schaltungsplatine, so dass der Sensorchip durch die gedruckte Schaltungsplatine von dem Stromleiter elektrisch isoliert ist, und so dass der Sensorchip hermetisch abgedichtet ist.
  20. Verfahren gemäß Anspruch 19, bei dem das Anordnen des Sensorchips auf der zweiten Hauptoberfläche der gedruckten Schaltungsplatine (110) durchgeführt wird unter Verwendung von Ausrichtungsstrukturen oder Ausrichtungsmarkierungen, die auf der zweiten Hauptoberfläche angeordnet sind.
  21. Verfahren gemäß Anspruch 19 oder 20, bei dem der Sensorchip (130) in einer Platte von gedruckten Schaltungsplatinen hergestellt wird, die eine Mehrzahl von Sensorchips (130) aufweist, und einer oder alle der Schritte des Verfahrens zum Herstellen durchgeführt werden mit dem Sensorchip (130) angeordnet in der Platte von gedruckten Schaltungsplatinen.
  22. Verfahren gemäß Anspruch 21, bei dem der Sensorchip (130) von der Platte von gedruckten Schaltungsplatinen durch Stanzen oder Abbrechen getrennt wird.
  23. Verfahren gemäß Anspruch 21 oder 22, bei dem das Sensorgehäuse nach einem Endserientest von der Platte von gedruckten Schaltungsplatinen getrennt wird, und bei dem der Sensorchip (130) getrennt von anderen Sensorchips (130) der Platte von gedruckten Schaltungsplatinen getestet wird, vor dem Trennen des Sensorgehäuses von der Platte von gedruckten Schaltungsplatinen.
  24. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 19 bis 23, bei dem das Sensorgehäuse nach dem Häusen des Sensorgehäuses kalibriert wird.
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