DE102016111248B4 - Leistungspackage mit integriertem Magnetfeldsensor - Google Patents

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Abstract

Leistungshalbleiter-Package, umfassend:ein Substrat mit mehreren Metallzuleitungen;einen Leistungshalbleiter-Die, der an einer ersten der Zuleitungen angebracht ist; undeinen Magnetfeldsensor, der in das gleiche Leistungshalbleiter-Package wie der Leistungshalbleiter-Die integriert und in unmittelbarer Nähe zu einem Stromweg des Leistungshalbleiter-Die positioniert ist, wobei der Magnetfeldsensor betätigt werden kann zum Generieren eines Signals als Reaktion auf ein Magnetfeld, das durch einen im Stromweg fließenden Strom erzeugt wird, wobei die Größe des Signals proportional zu der im Stromweg fließenden Strommenge ist, wobei der Magnetfeldsensor:in den Leistungshalbleiter-Die eingebettet ist;auf dem Leistungshalbleiter-Die angeordnet ist; oderauf einem Metallclip angeordnet ist, der in dem Leistungshalbleiter-Package enthalten ist und der eine oder mehrere der Zuleitungen elektrisch mit dem Leistungshalbleiter-Die oder einer anderen der Zuleitungen verbindet.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die vorliegende Anmeldung betrifft Leistungshalbleiter-Packages, insbesondere Leistungshalbleiter-Packages mit integrierten Magnetfeldsensoren.
  • HINTERGRUND
  • Leistungspackages enthalten einen oder mehrere Leistungshalbleiter-Dies wie etwa Leistungstransistor- und/oder Leistungsdioden-Dies, die an einem Substrat wie etwa einem Leadframe oder einem Keramiksubstrat mit einer strukturierten metallisierten Oberfläche angebracht sind. In jedem Fall sind präzise Strom- und/oder Temperaturmessungen erforderlich, um einen zuverlässigen und sicheren Betrieb des Leistungspackage sicherzustellen. Einige Strom-/Temperatursensoren werden unter Verwendung externer Komponenten wie etwa Nebenschlusswiderständen (Shunts) implementiert, die hochpräzise sind, aber das Packagedesign kompliziert machen. Bei anderen herkömmlichen Ansätzen wird ein Sensor vom elektrischen Typ in den Leistungshalbleiter-Die integriert. Dieser Ansatz reduziert die Komplexität des Packagedesigns, aber auf Kosten reduzierter Präzision. Typische integrierte Sensoren vom elektrischen Typ wie etwa eine Diode, deren Spannung die Temperatur oder den Strom darstellt, besitzen eine schlechte Erfassungsgenauigkeit von zum Beispiel +/-28%. Die Erfassungsgenauigkeit kann mit Kundenkalibrierung auf z.B. +/- 2% verbessert werden, doch dies erfordert einen Kalibrierungsaufwand, was die Kosten erhöht. Einige Anwendungen arbeiten mit einem definierten Sicherheitsspielraum oder Abschaltmerkmal, um Überstrom/Hitze und Beschädigung der Leistungshalbleiterbauelemente zu vermeiden.
  • Die Druckschrift DE 690 27 821 T2 betrifft eine zusammengesetzte Halbleitervorrichtung für eine Überstromdetektion.
  • Die Druckschrift DE 10 2014 109 816 A1 betrifft ein Leistungshalbleitermodul mit Laststrommessung an einem externen Lastanschluss.
  • Die Druckschrift US 2013 / 0 049 746 A1 betrifft ein Hallsensor-Package und ein zugehöriges Herstellungsverfahren.
  • Die Druckschrift DE 10 2013 113 186 A1 betrifft ein Halbleiterpackage mit einer Stromschiene und einem Magnetfeldsensorchip.
  • Die Druckschrift US 7 199 435 B2 betrifft eine Halbleitervorrichtung mit einem On-Chip-Stromsensor und zugehörige Herstellungsverfahren.
  • Die Druckschrift JP 2006 - 140 217 A betrifft eine Halbleitervorrichtung, die zur Miniaturisierung eines Systems beiträgt.
  • ZUSAMMENFASSUNG
  • Verschiedene Aspekte betreffen ein Leistungshalbleiter-Package. Das Leistungshalbleiter-Package umfasst ein Substrat mit mehreren Metallzuleitungen. Das Leistungshalbleiter-Package umfasst ferner einen Leistungshalbleiter-Die, der an einer ersten der Zuleitungen angebracht ist. Das Leistungshalbleiter-Package umfasst ferner einen Magnetfeldsensor, der in das gleiche Leistungshalbleiter-Package wie der Leistungshalbleiter-Die integriert und in unmittelbarer Nähe zu einem Stromweg des Leistungshalbleiter-Die positioniert ist, wobei der Magnetfeldsensor betätigt werden kann zum Generieren eines Signals als Reaktion auf ein Magnetfeld, das durch einen im Stromweg fließenden Strom erzeugt wird, wobei die Größe des Signals proportional zu der im Stromweg fließenden Strommenge ist. Der Magnetfeldsensor ist in den Leistungshalbleiter-Die eingebettet, auf dem Leistungshalbleiter-Die angeordnet, oder auf einem Metallclip angeordnet, der in dem Leistungshalbleiter-Package enthalten ist und der eine oder mehrere der Zuleitungen elektrisch mit dem Leistungshalbleiter-Die oder einer anderen der Zuleitungen verbindet.
  • Der Fachmann erkennt bei der Lektüre der folgenden Beschreibung und bei der Betrachtung der beiliegenden Zeichnungen zusätzliche Merkmale und Vorteile.
  • Figurenliste
  • Die Elemente der Zeichnungen sind relativ zueinander nicht notwendigerweise maßstabsgetreu. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen entsprechende ähnliche Teile. Die Merkmale der verschiedenen dargestellten Ausführungsformen können kombiniert werden, sofern sie einander nicht ausschließen. Ausführungsformen sind in den Zeichnungen dargestellt und in der Beschreibung, die folgt, detailliert.
    • 1A veranschaulicht eine Draufsicht auf eine erste Ausführungsform eines Leistungshalbleiter-Package mit einem integrierten Magnetfeldsensor.
    • 1B veranschaulicht eine Querschnittsansicht des Package entlang der mit A-A' bezeichneten Linie in 1A.
    • 2 veranschaulicht eine Draufsicht auf eine zweite Ausführungsform eines Leistungshalbleiter-Package mit einem integrierten Magnetfeldsensor.
    • 3 veranschaulicht eine Draufsicht auf eine dritte Ausführungsform eines Leistungshalbleiter-Package mit einem integrierten Magnetfeldsensor.
    • 4 veranschaulicht eine Draufsicht auf eine vierte Ausführungsform eines Leistungshalbleiter-Package mit einem integrierten Magnetfeldsensor.
    • 5 veranschaulicht eine Draufsicht auf eine fünfte Ausführungsform eines Leistungshalbleiter-Package mit einem integrierten Magnetfeldsensor.
    • 6 veranschaulicht eine Draufsicht auf eine sechste Ausführungsform eines Leistungshalbleiter-Package mit einem integrierten Magnetfeldsensor.
    • 7 veranschaulicht eine Draufsicht auf eine siebte Ausführungsform eines Leistungshalbleiter-Package mit einem integrierten Magnetfeldsensor.
    • 8 veranschaulicht eine Draufsicht auf eine achte Ausführungsform eines Leistungshalbleiter-Package mit einem integrierten Magnetfeldsensor.
    • 9A veranschaulicht eine Draufsicht auf eine neunte Ausführungsform eines Leistungshalbleiter-Package mit einem integrierten Magnetfeldsensor.
    • 9B veranschaulicht eine Querschnittsansicht des Package entlang der mit B-B' bezeichneten Linie in 9A.
    • 10 veranschaulicht eine Draufsicht auf eine zehnte Ausführungsform eines Leistungshalbleiter-Package mit einem integrierten Magnetfeldsensor.
    • 11A veranschaulicht eine Draufsicht auf eine elfte Ausführungsform eines Leistungshalbleiter-Package mit einem integrierten Magnetfeldsensor.
    • 11B veranschaulicht eine Querschnittsansicht des Package entlang der mit C-C' bezeichneten Linie in 11A.
    • 12 veranschaulicht eine Draufsicht auf eine zwölfte Ausführungsform eines Leistungshalbleiter-Package mit einem integrierten Magnetfeldsensor.
    • 13A veranschaulicht eine Draufsicht auf eine dreizehnte Ausführungsform eines Leistungshalbleiter-Package mit einem integrierten Magnetfeldsensor.
    • 13B veranschaulicht eine Querschnittsansicht des Package entlang der mit D-D' bezeichneten Linie in 13A.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
  • Hierin beschriebene Ausführungsformen sorgen für die Integration eines Magnetfeldsensors wie etwa eines magnetoresistiven Sensors (XMR-Sensors) oder eines Hall-Sensors in ein Leistungshalbleiter-Package für integrierte Strom- und/oder Temperaturmessung. Der Magnetfeldsensor generiert ein Signal als Reaktion auf ein Magnetfeld, das durch einen in einem Stromweg eines in dem Package enthaltenen Leistungshalbleiter-Die fließenden Strom erzeugt wird. Die Größe des Signals ist proportional zu der in dem Stromweg fließenden Strommenge und zeigt den Stromverbrauch des Leistungshalbleiter-Die und/oder die Temperatur des Package an. Das Leistungshalbleiter-Package kann mit oder ohne galvanische Isolation zwischen den Magnetfeldsensor und den Leistungshalbleiter-Die versehen sein. In jedem Fall ist der Magnetfeldsensor in das gleiche Leistungshalbleiter-Package wie der Leistungshalbleiter-Die integriert, für den Strom- und/oder Temperaturmessungen erwünscht sind. Beispielsweise kann der Magnetfeldsensor in den Leistungshalbleiter-Die eingebettet, auf dem Leistungshalbleiter-Die angeordnet, an einer oder mehreren der Packagezuleitungen angeordnet oder über oder unter einem Metallclip angeordnet sein, der in dem Leistungshalbleiter-Package enthalten ist und der eine oder mehrere der Zuleitungen mit dem Leistungshalbleiter-Die oder mit einer anderen der Zuleitungen verbindet. Der Ausdruck „auf“, wie er hierin verwendet wird, bezeichnet eine Position in Kontakt oder in enger Nähe mit und unterstützt durch eine äußere Oberfläche oder zum Anzeigen einer Quelle der Befestigung oder der Unterstützung.
  • 1A veranschaulicht eine Draufsicht auf eine erste Ausführungsform eines Leistungshalbleiter-Package und 1B veranschaulicht eine Querschnittsansicht des Package entlang der mit A-A' bezeichneten Linie in 1A. Zur Erleichterung der Veranschaulichung sind in 1A und 1B Die-Attach-Material und Chipmetallisierungen nicht gezeigt.
  • Das Leistungshalbleiter-Package enthält ein Substrat mit mehreren Metallzuleitungen (Leads) 100 und einem an einer ersten der Zuleitungen 100-1 angebrachten Leistungshalbleiter-Die 102. Das Package kann einen einzelnen Halbleiter-Die oder mehr als einen Halbleiter-Die enthalten. Es kann jedes standardmäßige Halbleiter-Packagesubstrat verwendet werden. Beispielsweise kann das Substrat ein Leadframe mit einer Die-Paddle-Zuleitung 100-1, an der der Leistungshalbleiter-Die 102 angebracht ist, und mehreren Signal- und Stromzuleitungen 100-2 bis 100-8 zum Liefern von Signal- und Stromverbindungen zu dem Leistungshalbleiter-Die 102 sein. Bei einem weiteren Beispiel kann das Substrat ein keramikbasiertes Substrat wie etwa ein DCB-Substrat (Direct Copper Bonded), ein AMB-Substrat (Active Metal Brazed) oder ein DAB-Substrat (Direct Aluminum Bonded) sein, in dem eine oder beide Hauptseiten einer Keramikbasis eine strukturierte metallisierte Oberfläche besitzen, die die Zuleitungen 100 zum Befestigen des Leistungshalbleiter-Die 102 bilden und Signal- und Stromverbindungen zum Leistungshalbleiter-Die bereitstellen. Bei anderen Beispielen kann das Substrat ein strukturiertes Metallsubstrat, eine Leiterplatte (PCB - Printed Circuit Board) usw. sein. Das Leistungshalbleiter-Package kann eine beliebige Art von Standardhalbleiterpackage mit Zuleitungen 100 zum Befestigen des Leistungshalbleiter-Die 102 und Bereitstellen von Signal- und Stromverbindungen zu dem Leistungshalbleiter-Die 102 sein. Beispielsweise kann das Leistungshalbleiter-Package ein Molded-Package, ein Package mit offenem Hohlraum mit oder ohne Deckel, ein gekapseltes Polymerpackage, ein PCBbasiertes Package usw. sein. In jedem Fall bezieht sich der Ausdruck „Zuleitung“, wie hierin verwendet, auf einen beliebigen isolierten elektrischen Leiter, der physisch oder elektrisch mit einer elektrischen Einrichtung verbunden ist.
  • Ein Magnetfeldsensor 104 ist in das gleiche Package wie der Leistungshalbleiter-Die 102 integriert und in unmittelbarer Nähe zu einem Stromweg des Leistungshalbleiter-Die 102 positioniert, so dass der Sensor 104 ein durch den im Stromweg fließenden Strom erzeugtes Magnetfeld erfassen kann. Gemäß der in 1A und 1B dargestellten Ausführungsform ist der Magnetfeldsensor 104 über einem Metallclip 106 angeordnet, der im Leistungshalbleiter-Package enthalten ist. Der Metallclip 106 verbindet eine oder mehrere der Zuleitungen 100 elektrisch mit dem Leistungshalbleiter-Die 102. In einem Fall besteht der Metallclip 106 aus Kupfer. Der Metallclip 106 kann jedoch aus anderen Materialien bestehen. In jedem Fall generiert der Magnetfeldsensor 104 ein Signal als Reaktion auf ein Magnetfeld, das durch einen in einem Stromweg des Leistungshalbleiter-Die 102 fließenden Strom erzeugt wird. Der Stromweg ist durch Pfeile in 1B dargestellt.
  • Die Größe des durch den Magnetfeldsensor 104 generierten Signals ist proportional zu der im Stromweg fließenden Strommenge und zeigt den Stromverbrauch des Leistungshalbleiter-Die 102 und/oder die Temperatur des Package an. Beispielsweise variiert im Fall eines Hall-Sensors ein im Magnetfeldsensor 104 enthaltener Wandler seine Ausgangsspannung als Reaktion auf das Magnetfeld. Im Fall eines magnetoresistiven Sensors (XMR-Sensors) wie etwa eines AMR-Sensors (Anisotropic Magnetoresistive), eines GMR-Sensors (Giant Magnetoresistive) oder eines TMR-Sensors (Tunnel Magnetoresistive) ändert sich der spezifische elektrische Widerstand eines in dem Magnetfeldsensor 104 enthaltenen Metalls, Halbmetalls oder Halbleiters unter dem Einfluss des Magnetfelds. Die Orientierung und Konfiguration des Magnetfeldsensors 104 können gemäß der verwendeten Art von Sensoreinrichtung variieren. In jedem Fall ist die Größe des durch den Magnetfeldsensor 104 generierten Signals proportional zu der im Stromweg des Leistungshalbleiter-Die 102 fließenden Strommenge. Als solches können der Stromfluss durch den Leistungshalbleiter-Die 102 und die Temperatur innerhalb des Package simultan gemessen werden.
  • Beispielsweise kann im Fall eines Leistungs-MOSFET-Die ein Stromfluss durch die Source-Elektrode oder Drain-Elektrode des Leistungs-MOSFET präzise gemessen werden, indem der Magnetfeldsensor 104 in unmittelbarer Nähe zum Source- oder Drain-Stromweg des Bauelements positioniert wird. Im Fall eines IGBT-Die kann der Stromfluss durch den Emitter oder Kollektor des IGBT präzise gemessen werden, indem der Magnetfeldsensor 104 in unmittelbarer Nähe zu dem Emitter- oder Kollektorstromweg des Bauelements positioniert wird. Im Fall eines Leistungsdioden-Die kann der Stromfluss durch die Anode oder Kathode der Leistungsdiode präzise gemessen werden, indem der Magnetfeldsensor 104 in unmittelbarer Nähe zu dem Anoden- oder Kathodenstromweg des Bauelements positioniert wird.
  • Bei einigen Anwendungen kann der Magnetfeldsensor 104 mit einer signifikant niedrigeren Spannung (z.B. 5 V) bestromt werden oder solche Signale führen im Vergleich zu dem Leistungshalbleiter-Die 102 (z.B. 500 V, 1000 V oder sogar höher). Für diese Anwendungen kann der Magnetfeldsensor 104 galvanisch von dem Metallclip 106 und deshalb von dem Leistungshalbleiter-Die 102 isoliert sein. Bei einer Ausführungsform ist der Magnetfeldsensor 104 durch einen Abstandshalter 108 von dem Metallclip 106 und beabstandet. Der Abstandshalter 108 kann elektrisch leitend oder elektrisch isolierend sein. Beispielsweise kann der Abstandshalter 108 ein leitender Kleber, ein Sintermaterial, ein Lot usw. für Anwendungen im Niedrigbis Mittelspannungsbereich (z.B. bis 500 V) sein. Bei einem anderen Beispiel kann das Material des Abstandshalters 108 so gewählt werden, dass eine galvanische Trennung bereitgestellt wird. Die Dicke des Abstandshalters 108 kann so gewählt werden, dass die Stärke des Magnetfelds, das in den Magnetfeldsensor 104 eintritt, auf einem zerstörungsfreien Pegel reduziert ist. Ein relativ dicker Abstandshalter ist für Hochstromanwendungen besonders vorteilhaft. Bei einer Ausführungsform ist der Abstandshalter 108 ein Halbleiter-Die wie etwa ein Silizium-Die, der zwischen dem Magnetfeldsensor 104 und dem Metallclip 106 angeordnet ist. Bei anderen Ausführungsformen kann der Abstandshalter 108 ein Polymer, eine Keramik, ein nichtleitender Kleber, ein nichtleitender Film oder ein beliebiges anderes ein- oder mehrschichtiges Material sein, das den Magnetfeldsensor 104 vom Metallclip 106 trennt. Alternativ kann der Magnetfeldsensor 104 zum Beispiel durch Lot direkt an dem Metallclip 106 befestigt sein, falls der Sensor 104 eine lötbare Rückseite besitzt, oder durch einen nicht elektrisch leitenden Kleber.
  • Elektrische Verbindungen können zu dem Magnetfeldsensor durch elektrische Leiter 110 wie etwa Bonddrähte, Drahtbänder usw. hergestellt werden, die an einem Ende an dem Magnetfeldsensor 104 und an dem entgegengesetzten Ende an einer oder mehreren der Packagezuleitungen 100 angebracht sind. Ein zusätzlicher elektrischer Leiter 112 verbindet elektrisch ein separates Pad 114 auf der Oberseite des Leistungshalbleiter-Die 102 mit einer entsprechenden Packagezuleitung 100-2, um zum Beispiel eine Gate-Verbindung für einen Transistor-Die auszubilden. Der Metallclip 106 kann die Drain- (MOSFET) oder Kollektorverbindung (IGBT) im Fall eines Leistungstransistors oder die Anoden- oder Kathodenverbindung im Fall einer Leistungsdiode bereitstellen. Eine elektrische Verbindung zur Rückseite des Leistungshalbleiter-Die 102 wird durch die an dieser Seite des Die 102 angebrachte Packagezuleitung 100-1 bereitgestellt. Diese elektrische Verbindung kann die Source- (MOSFET) oder Emitterverbindung (IGBT) im Fall eines Leistungstransistors oder die Kathoden- oder Anodenverbindung im Fall einer Leistungsdiode sein.
  • Das Leistungshalbleiter-Package kann mit einem nichtleitenden Material 117 wie etwa einer Formmasse (engl. mold compound), einem Kleber, Silikon, Silikongel usw. geformt (oder vergossen) oder gekapselt werden. Das nichtleitende Material 117 ist zur Erleichterung der Darstellung in 1A nicht gezeigt. Zusätzlich zu der durch eine derartige Formmasse/ein derartiges Kapselungsmittel 117 bereitgestellten Zuverlässigkeit stellen die dielektrischen Eigenschaften der Formmasse/des Kapselungsmittels 117 auch eine gute elektrische Isolation zwischen dem Sensor 104, der bei einer relativ niedrigen Spannung (z.B. 5 V) arbeitet, und dem Leistungshalbleiter-Die 102 bereit, der bei einer relativ hohen Spannung arbeitet (z.B. mehrere hunderte oder tausende Volt).
  • 2 veranschaulicht eine Draufsicht auf eine zweite Ausführungsform des Leistungshalbleiter-Package. Die in 2 gezeigte Ausführungsform ist ähnlich der in 1A und 1B gezeigten Ausführungsform. Im Unterschied dazu sind jedoch passive Komponenten 118 wie etwa Widerstände und/oder Kondensatoren, die Teil der Erfassungsschaltung umfassen, die den Magnetfeldsensor 104 enthält, ebenfalls im gleichen Package wie der Sensor 104 und der Leistungshalbleiter-Die 102 integriert. Die passiven Komponenten 118 sind an verschiedenen der Packagezuleitungen 100 angebracht. Elektrische Leiter 110 wie etwa Bonddrähte, Drahtbänder usw. verbinden die passiven Komponenten 118 elektrisch mit dem Magnetfeldsensor 104.
  • 3 veranschaulicht eine Draufsicht auf eine dritte Ausführungsform des Leistungshalbleiter-Package. Die in 3 gezeigte Ausführungsform ist ähnlich der in 1A und 1B gezeigten Ausführungsform. Im Unterschied dazu ist jedoch eine Logikeinrichtung 120 zum Steuern des Magnetfeldsensors 104 an dem gleichen Metallclip 106 angebracht, an dem der Sensor 104 angeordnet ist. Es kann eine beliebige Standardlogikeinrichtung wie etwa ein Mikrocontroller, ein ASIC (Application-Specific Integrated Circuit) usw., die in der Lage sind, den Betrieb des Magnetfeldsensors 104 zu steuern, verwendet werden. Elektrische Leiter 110 wie etwa Bonddrähte, Drahtbänder usw. verbinden die Logikeinrichtung 120 elektrisch mit einer oder mehreren Zuleitungen des Package, um elektrische Verbindungen zu der Logikeinrichtung bereitzustellen. Zusätzliche elektrische Leiter 122 wie etwa Bonddrähte, Drahtbänder usw. verbinden die Logikeinrichtung 120 elektrisch mit dem Magnetfeldsensor 104.
  • 4 veranschaulicht eine Draufsicht auf eine vierte Ausführungsform des Leistungshalbleiter-Package. Die in 4 gezeigte Ausführungsform ist ähnlich der in 3 gezeigten Ausführungsform. Im Unterschied dazu sind jedoch passive Komponenten 118 wie etwa Widerstände und/oder Kondensatoren, die Teil der Erfassungsschaltung umfassen, die die Logikeinrichtung 120 und den Magnetfeldsensor 104 enthält, ebenfalls im gleichen Package wie der Sensor 104, die Logikeinrichtung 120 und der Leistungshalbleiter-Die 102 integriert. Die passiven Komponenten 118 sind an verschiedenen der Packagezuleitungen 100 angebracht. Elektrische Leiter 110 wie etwa Bonddrähte, Drahtbänder usw. verbinden die passiven Komponenten 118 mit der Logikeinrichtung 120 und/oder dem Magnetfeldsensor 104. Als solches sind die passiven Komponenten 118 elektrisch mit dem Magnetfeldsensor 104 und der Logikeinrichtung 120 verbunden, um die gewünschte Erfassungsschaltung auszubilden.
  • 5 veranschaulicht eine Draufsicht auf eine fünfte Ausführungsform des Leistungshalbleiter-Package. Die in 5 gezeigte Ausführungsform ist ähnlich der in 1A und 1B gezeigten Ausführungsform. Im Unterschied dazu besitzt jedoch der Metallclip 106 ein verjüngtes Gebiet 124, für das die Breite des Metallclips 106 auf weniger als die Breite des Magnetfeldsensors 104 abnimmt, und der Sensor 104 ist über dem verjüngten Gebiet 124 positioniert. Das verjüngte Gebiet 124 ist zwischen breiteren entgegengesetzten Endgebieten 126, 128 des Metallclips 106 angeordnet. Der Abschnitt des verjüngten Gebiets 124, der unter dem Magnetfeldsensor 104 angeordnet ist und eine geringere Breite als der Sensor 104 aufweist, ist in 5 in gestrichelten Linien gezeigt, da diese Sektion des verjüngten Gebiets 124 durch den Magnetfeldsensor 104 bedeckt ist und deshalb nicht sichtbar ist.
  • 6 veranschaulicht eine Draufsicht auf eine sechste Ausführungsform des Leistungshalbleiter-Package. Die in 6 gezeigte Ausführungsform ist ähnlich der in 5 gezeigten Ausführungsform. Im Unterschied dazu enthält jedoch der Metallclip 106 weiterhin seitliche Zweige 130, 132, die sich parallel zu dem verjüngten Gebiet 124 zwischen den entgegengesetzten Endgebieten 126, 128 erstrecken. Die seitlichen Zweige 130, 132 sind von dem verjüngten Gebiet 124 beabstandet und nicht durch den Magnetfeldsensor 104 bedeckt. Das Hinzufügen der seitlichen Zweige 130, 132 gestattet dem Metallclip 106, mehr Strom zu handhaben als die in 5 dargestellte Clipkonfiguration. Jedoch sind möglicherweise zusätzlicher Kalibrierungsaufwand und Offsetwerte erforderlich, da nicht der ganze Stromweg unter dem Magnetfeldsensor 104 verläuft. Als solches stellt das durch den Magnetfeldsensor 104 erfasste Magnetfeld nicht den Gesamtstrom dar, der durch den Weg verläuft, sondern stattdessen nur den unter dem Sensor 104 fließenden Teil des Stroms.
  • 7 veranschaulicht eine Draufsicht auf eine siebte Ausführungsform des Leistungshalbleiter-Package. Die in 7 gezeigte Ausführungsform ist ähnlich der in 1A und 1B gezeigten Ausführungsform. Im Unterschied dazu ist jedoch der Magnetfeldsensor 104 auf einer Packagezuleitung 100-3 angeordnet, die von der Zuleitung 100-1 verschieden ist, an der der Leistungshalbleiter-Die 102 angebracht ist. Die Zuleitung 100-3, auf der der Magnetfeldsensor 104 angeordnet ist, liefert eine elektrische Verbindung zu dem Leistungshalbleiter-Die 102 durch einen oder mehrere elektrische Leiter 134 wie etwa Bonddrähte, Drahtbänder usw. Einer oder mehrere dieser elektrischen Leiter 134 sind zwischen dem Leistungshalbleiter-Die 102 und dem Magnetfeldsensor 104 angeordnet. Der Magnetfeldsensor 104 kann betätigt werden zum Erfassen des Magnetfelds, das durch den Strom erzeugt wird, der in dem Stromweg fließt, der durch die Zuleitung 100-3, auf der der Magnetfeldsensor 104 angeordnet ist, und jeden mit dieser Zuleitung 100-3 verbundenen und zwischen dem Leistungshalbleiter-Die 102 und dem Magnetfeldsensor 104 angeordneten elektrischen Leiter 134 realisiert ist.
  • 8 veranschaulicht eine Draufsicht auf eine achte Ausführungsform des Leistungshalbleiter-Package. Die in 8 gezeigte Ausführungsform ist ähnlich der in 7 gezeigten Ausführungsform. Im Unterschied dazu ist jedoch die elektrische Verbindung zwischen der Zuleitung 100-3, auf der der Magnetfeldsensor 104 angeordnet ist, und dem Leistungshalbleiter-Die 102 durch einen Metallclip 106 anstatt durch Bonddrähte oder Drahtbänder bereitgestellt. Der Magnetfeldsensor 104 kann betätigt werden zum Erfassen des Magnetfelds, das durch den Strom erzeugt wird, der in dem Stromweg fließt, der durch die Zuleitung 100-3, auf der der Magnetfeldsensor 104 angeordnet ist, und den Metallclip 106, der diese Zuleitung 100-3 elektrisch mit dem Leistungshalbleiter-Die 102 verbindet, realisiert ist.
  • 9A veranschaulicht eine Draufsicht auf eine neunte Ausführungsform des Leistungshalbleiter-Package und 9B veranschaulicht eine Querschnittsansicht des Package entlang der mit B-B' bezeichneten Linie in 9A. Die in 9A und 9B gezeigte Ausführungsform ist ähnlich der in 1A und 1B gezeigten Ausführungsform. Im Unterschied dazu ist jedoch der Magnetfeldsensor 104 unter einem Metallclip 106 angeordnet, der eine der Packagezuleitungen 100-3 elektrisch mit dem Leistungshalbleiter-Die 102 verbindet. Der Magnetfeldsensor 104 ist in 9A als ein gestrichelter Kasten gezeigt, weil der Sensor 104 in dieser Ansicht durch den Metallclip 106 bedeckt ist. Eine oder mehrere der Packagezuleitungen 100 erstrecken sich unter dem Metallclip 106, um elektrische Verbindungen an der Rückseite 103 des Magnetfeldsensors 104 bereitzustellen. Ein mechanischer Kontakt zwischen der Oberseite 105 des Magnetfeldsensors 104 und dem darüber liegenden Metallclip 106 ist nicht notwendig, weil der Sensor 104 durch eine oder mehrere der darunterliegenden Packagezuleitungen 110 getragen wird. Die Oberseite 105 des Magnetfeldsensors 104 kann zum Beispiel durch einen Luftspalt 136 galvanisch von dem darüber liegenden Metallclip 106 getrennt sein. Zusätzlich oder als Alternative kann ein in 9B nicht gezeigter Abstandshalter den Magnetfeldsensor 104 von dem Metallclip 106 trennen, wie zum Beispiel in 1B gezeigt. Beispielsweise kann der Spalt 136 mit irgendeiner Art von Polymer wie etwa einer Formmasse, einem nichtleitenden Kleber oder einem nichtleitenden Film/Band gefüllt sein. Alternativ kann ein leitendes Material den Spalt 136 zwischen dem Sensor 104 und dem darüber liegenden Metallclip 106 im Fall von Niederspannungseinrichtungen füllen. Anders als bei 1B würde der Abstandshalter zwischen der Oberseite 105 des Magnetfeldsensors 104 und dem darüber liegenden Metallclip 106 angeordnet sein.
  • 10 veranschaulicht eine Draufsicht auf eine zehnte Ausführungsform des Leistungshalbleiter-Package. Die in 10 gezeigte Ausführungsform ist ähnlich der in 7 gezeigten Ausführungsform. Im Unterschied dazu besitzt jedoch der Magnetfeldsensor 104 eine Öffnung 138, die sich durch den Sensor 104 erstreckt. Verschiedene Halbleitertechnologien ermöglichen ohne weiteres die Ausbildung einer derartigen Öffnung 138 zum Beispiel durch Maskierungs- und chemische Ätzprozesse, Laserätzprozesse usw. und deshalb erfolgt in dieser Hinsicht keine weitere Erläuterung. Zumindest ein elektrischer Leiter 134-1 ist an der Zuleitung 100-3, auf der der Magnetfeldsensor 104 angeordnet ist, durch die Öffnung 138 im Sensor 104 angebracht. Das andere Ende dieser Zuleitung 134-1 ist an dem Leistungshalbleiter-Die 102 angebracht, um die entsprechende elektrische Verbindung fertigzustellen. Der Magnetfeldsensor 104 kann betätigt werden zum Erfassen des Magnetfelds, das durch den Strom erzeugt wird, der in dem Stromweg fließt, der durch die Zuleitung 100-3, auf dem der Magnetfeldsensor 104 angeordnet ist, und den elektrischen Leiter 134-1, der an dieser Zuleitung 100-3 durch die Öffnung 138 im Magnetfeldsensor 104 angebracht ist, realisiert ist.
  • 11A veranschaulicht eine Draufsicht auf eine elfte Ausführungsform des Leistungshalbleiter-Package und 11B veranschaulicht eine Querschnittsansicht des Package entlang der mit C-C' bezeichneten Linie in 11A. Die in 11A und 11B gezeigte Ausführungsform ist ähnlich der in 1A und 1B gezeigten Ausführungsform. Im Unterschied dazu ist jedoch der Magnetfeldsensor 104 in den gleichen Die 102 wie das oder die Leistungshalbleiterbauelemente 140 eingebettet. Der Die 102 enthält einen Halbleiterkörper 140 aus Si oder einen Verbundhalbleiter wie etwa SiC, GaAs, GaN usw. Das oder die Leistungsbauelemente 138 sind im Halbleiterkörper 140 ausgebildet. Der Magnetfeldsensor 104 ist im gleichen Halbleiterkörper 140 wie das oder die Leistungsbauelemente 138 angeordnet, aber galvanisch von dem oder den Leistungsbauelementen 138 getrennt. Die galvanische Trennung 142 kann in den Halbleiterkörper 140 oder als Teil einer Bondlinie mit der darunterliegenden Packagezuleitung 100-1 integriert sein. In jedem Fall ist der Stromflussweg in das oder die Leistungsbauelemente 138 und aus dem oder den Leistungsbauelementen 138 heraus zu irgendeinem PCB, Keramiksubstrat usw. (nicht gezeigt) in 11B durch eine Reihe von Pfeilen gezeigt. Wie in 11B gezeigt, breitet sich ein Teil des Stroms unter dem Magnetfeldsensor 104 in der Zuleitung 100-1 aus, an der der Die 102 angebracht ist. Das durch den in diesem Teil der Zuleitung 100-1 fließenden Strom erzeugte Magnetfeld wird durch den integrierten Magnetfeldsensor 104 erfasst. Die Größe des durch den Sensor 104 generierten entsprechenden Signals ist proportional zu der in diesem Teil des Stromwegs fließenden Strommenge. Der in 11A gezeigte Metallclip 106 kann durch eine andere Art von elektrischem Leiter wie etwa Bonddrähte, Drahtbänder usw. ersetzt werden.
  • 12 veranschaulicht eine Draufsicht auf eine zwölfte Ausführungsform des Leistungshalbleiter-Package. Die in 12 gezeigte Ausführungsform ist ähnlich der in 7 gezeigten Ausführungsform. Im Unterschied dazu ist jedoch der Magnetfeldsensor 104 auf einer dritten Zuleitung 100-10 angeordnet. Ein erster Satz 144 aus einem oder mehreren elektrischen Leitern wie etwa Bonddrähte, Drahtbänder usw. ist jeweils mit einem ersten Ende an einer zweiten Zuleitung 100-3 und einem zweiten Ende an der dritten Zuleitung 100-10 angebracht. Ein zweiter Satz 146 aus einem oder mehreren elektrischen Leitern wie etwa Bonddrähten, Drahtbänder usw. ist jeweils mit einem ersten Ende an der dritten Zuleitung 100-10 und einem zweiten Ende an dem Leistungshalbleiter-Die 102 angebracht, der an einer ersten Zuleitung 100-1 angebracht ist. Der Magnetfeldsensor 104 ist zwischen dem ersten Satz 144 und dem zweiten Satz 146 aus einem oder mehreren elektrischen Leitern angeordnet und erfasst das Magnetfeld, das durch den Strom erzeugt wird, der von dem ersten Satz 144 aus einem oder mehreren elektrischen Leitern zu dem zweiten Satz 146 aus einem oder mehreren elektrischen Leitern durch die dritte Zuleitung 100-10 fließt.
  • 13A veranschaulicht eine Draufsicht auf eine dreizehnte Ausführungsform des Leistungshalbleiter-Package und die 13B veranschaulicht eine Querschnittsansicht des Package entlang der mit D-D' bezeichneten Linie in 13A. Die in 13A und 13B gezeigte Ausführungsform ist ähnlich der in 1A und 1B gezeigten Ausführungsform. Im Unterschied dazu ist jedoch der Magnetfeldsensor 104 auf dem Leistungshalbleiter-Die 102 anstelle des Metallclips 106 angeordnet, der die entsprechende Packagezuleitung 100-3 elektrisch mit dem Leistungshalbleiter-Die 102 verbindet. Der Magnetfeldsensor 104 ist galvanisch von dem Leistungshalbleiter-Die 102 getrennt. Bei einer Ausführungsform trennt ein Abstandshalter 108 den Magnetfeldsensor 104 von dem Leistungshalbleiter-Die 102. Der Abstandshalter 108 kann bei dem Sensor 104 sowohl eine galvanische Trennung als auch eine Reduktion des Magnetfelds bereitstellen, wie hierin beschrieben.
  • Wie hierin verwendet, sind die Ausdrücke „mit“, „enthaltend“, „einschließlich“, „umfassend“ und dergleichen offene Ausdrücke, die die Anwesenheit erwähnter Elemente oder Merkmale anzeigen, zusätzliche Elemente oder Merkmale aber nicht ausschließen. Die Artikel „ein/eine/einer“ und „der/die/das“ sollen den Plural sowie den Singular beinhalten, sofern nicht der Kontext deutlich etwas anderes angibt.
  • Es versteht sich, dass die Merkmale der hierin beschriebenen verschiedenen Ausführungsformen miteinander kombiniert werden können, sofern nicht spezifisch etwas anderes angegeben ist.
  • Wenngleich hier spezifische Ausführungsformen dargestellt und beschrieben worden sind, versteht der Durchschnittsfachmann, dass eine Vielzahl an alternativen und/oder äquivalenten Implementierungen für die gezeigten und beschriebenen spezifischen Ausführungsformen substituiert werden kann, ohne von dem Konzept der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Diese Anmeldung soll alle Anpassungen oder Varianten der hierin erörterten spezifischen Ausführungsformen abdecken. Deshalb soll die vorliegende Erfindung nur durch die Ansprüche und ihre Äquivalente beschränkt sein.

Claims (16)

  1. Leistungshalbleiter-Package, umfassend: ein Substrat mit mehreren Metallzuleitungen; einen Leistungshalbleiter-Die, der an einer ersten der Zuleitungen angebracht ist; und einen Magnetfeldsensor, der in das gleiche Leistungshalbleiter-Package wie der Leistungshalbleiter-Die integriert und in unmittelbarer Nähe zu einem Stromweg des Leistungshalbleiter-Die positioniert ist, wobei der Magnetfeldsensor betätigt werden kann zum Generieren eines Signals als Reaktion auf ein Magnetfeld, das durch einen im Stromweg fließenden Strom erzeugt wird, wobei die Größe des Signals proportional zu der im Stromweg fließenden Strommenge ist, wobei der Magnetfeldsensor: in den Leistungshalbleiter-Die eingebettet ist; auf dem Leistungshalbleiter-Die angeordnet ist; oder auf einem Metallclip angeordnet ist, der in dem Leistungshalbleiter-Package enthalten ist und der eine oder mehrere der Zuleitungen elektrisch mit dem Leistungshalbleiter-Die oder einer anderen der Zuleitungen verbindet.
  2. Leistungshalbleiter-Package nach Anspruch 1, wobei der Magnetfeldsensor ein magnetoresistiver Sensor oder ein HallSensor ist.
  3. Leistungshalbleiter-Package nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Magnetfeldsensor über oder unter dem Metallclip angeordnet ist und das Leistungshalbleiter-Package ferner einen Abstandshalter umfasst, der den Magnetfeldsensor von dem Metallclip trennt.
  4. Leistungshalbleiter-Package nach Anspruch 3, wobei der Abstandshalter ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: einem Halbleiter-Die; einem Polymer; einer Keramik; einem nichtleitenden Kleber und einem nichtleitenden Film.
  5. Leistungshalbleiter-Package nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Magnetfeldsensor über oder unter dem Metallclip angeordnet und galvanisch von dem Metallclip getrennt ist.
  6. Leistungshalbleiter-Package nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Metallclip ein verjüngtes Gebiet besitzt, für das die Breite des Metallclips auf weniger als die Breite des Magnetfeldsensors abnimmt, und wobei der Magnetfeldsensor über oder unter dem verjüngten Gebiet positioniert ist.
  7. Leistungshalbleiter-Package nach Anspruch 6, wobei das verjüngte Gebiet zwischen breiteren entgegengesetzten Endgebieten des Metallclips angeordnet ist, wobei der Metallclip ferner seitliche Zweige umfasst, die sich parallel zu dem verjüngten Gebiet zwischen den entgegengesetzten Endgebieten erstrecken, wobei die seitlichen Zweige von dem verjüngten Gebiet beabstandet sind und wobei die seitlichen Zweige nicht durch den Magnetfeldsensor bedeckt sind.
  8. Leistungshalbleiter-Package nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Magnetfeldsensor in den Leistungshalbleiter-Die eingebettet und galvanisch von jedem in dem Leistungshalbleiter-Die enthaltenen Leistungsbauelement getrennt ist.
  9. Leistungshalbleiter-Package nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Magnetfeldsensor auf dem Leistungshalbleiter-Die angeordnet ist.
  10. Leistungshalbleiter-Package nach Anspruch 9, wobei der Magnetfeldsensor galvanisch von dem Leistungshalbleiter-Die getrennt ist.
  11. Leistungshalbleiter-Package nach Anspruch 9 oder 10, ferner umfassend einen Abstandshalter, der den Magnetfeldsensor von dem Leistungshalbleiter-Die trennt.
  12. Leistungshalbleiter-Package nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei der Metallclip eine oder mehrere der Leitungen elektrisch mit dem Leistungshalbleiter-Die verbindet.
  13. Leistungshalbleiter-Package nach einem der Ansprüche 9 bis 12, ferner umfassend: mehrere elektrische Leiter jeweils mit einem an einer der Zuleitungen angebrachten ersten Ende und einem an einer Seite des Magnetfeldsensors, die von dem Leistungshalbleiter-Die weggewandt ist, angebrachten zweiten Ende.
  14. Leistungshalbleiter-Package nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend: mehrere passive Komponenten, die an verschiedenen der Zuleitungen angebracht sind; und mehrere elektrische Leiter, die die passiven Komponenten elektrisch mit dem Magnetfeldsensor verbinden.
  15. Leistungshalbleiter-Package nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Magnetfeldsensor über oder unter dem Metallclip angeordnet ist und wobei das Leistungshalbleiter-Package ferner umfasst: eine Logikeinrichtung, die an dem Metallclip angebracht ist und betätigt werden kann zum Steuern des Magnetfeldsensors.
  16. Leistungshalbleiter-Package nach Anspruch 15, ferner umfassend: mehrere passive Komponenten, die an verschiedenen der Zuleitungen angebracht sind; und mehrere elektrische Leiter, die die passiven Komponenten elektrisch mit dem Magnetfeldsensor und der Logikeinrichtung verbinden.
DE102016111248.8A 2015-06-23 2016-06-20 Leistungspackage mit integriertem Magnetfeldsensor Active DE102016111248B4 (de)

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US14/747,382 US9564423B2 (en) 2015-06-23 2015-06-23 Power package with integrated magnetic field sensor

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