DE102021115598B4

DE102021115598B4 - Stromsensor

Info

Publication number: DE102021115598B4
Application number: DE102021115598.3A
Authority: DE
Inventors: Rainer Markus Schaller; Jochen Dangelmaier; Volker Strutz
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2021-06-16
Filing date: 2021-06-16
Publication date: 2023-02-09
Anticipated expiration: 2041-06-17
Also published as: US20220404440A1; CN115480089A; DE102021115598A1; US20240061054A1; US11835600B2

Abstract

Vorgeschlagen wird ein Stromsensor (100) mit einer Stromschiene (101) mit einem Magnetfeldsensor (102), wobei der Magnetfeldsensor (102) dazu eingerichtet ist, ein von einem durch die Stromschiene (101) fließenden Strom induziertes Magnetfeld zu messen, wobei zwischen der Stromschiene (101) und dem Magnetfeldsensor (102) eine erste Isolationsschicht (103) und eine zweite Isolationsschicht (104) angeordnet sind, wobei eine Grenzfläche zwischen der ersten Isolationsschicht (103) und der zweiten Isolationsschicht (104) frei von einem Kontakt mit der Stromschiene (101) ist und/oder frei von einem Kontakt mit dem Magnetfeldsensor (102) ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Stromsensor.
In der US 8 907 437 B2 wird ein Stromsensor offenbart, der in einem Gehäuse mit integrierter Schaltung untergebracht ist und eine Schaltung zur Erfassung des Magnetfelds, einen Stromleiter und einen Isolator enthält. Der Isolator ist als Isolationsstruktur mit mindestens zwei Schichten aus dünnem Plattenmaterial vorgesehen. Die Isolationsstruktur ist so dimensioniert, dass das Kunststoffmaterial, das einen geformten Kunststoffkörper der Verpackung bildet, eine verstärkte Isolierung bietet. Gemäß einer Ausführungsform weist die Isolationsstruktur zwei Lagen Isolierband auf. Jede Isolierbandschicht enthält eine Polyimidfolie und einen Klebstoff. Die Isolationsstruktur und der geformte Kunststoffkörper können so konstruiert werden, dass mindestens eine Betriebsspannung von 500 VRMS erreicht wird.
Ein weiterer Stromsensor mit integrierter Schaltung wird in der US 7 709 754 B2 beschrieben. Der bekannte Stromsensor umfasst einen Leiterrahmen mit mindestens zwei Leitern, die so gekoppelt sind, dass sie einen Stromleiterabschnitt bilden, und ein Substrat mit einer ersten Oberfläche, in der ein oder mehrere Magnetfeldsensoren angeordnet sind, wobei sich die erste Oberfläche in der Nähe des Stromleiterabschnitts und eine zweite Oberfläche entfernt von dem Stromleiterabschnitt befindet. In Beispielen ist das Substrat so angeordnet, dass die erste Oberfläche des Substrats oberhalb des Stromleiterabschnitts und die zweite Oberfläche des Substrats oberhalb der ersten Oberfläche liegen. Mit anderen Worten ist das Substrat in der integrierten Schaltung relativ zu einer herkömmlichen Ausrichtung auf dem Kopf stehend angeordnet. Dadurch können das oder die Magnetfeldsensoren sehr nahe an dem Stromleiterabschnitt liegen, was zu einem Stromsensor mit verbesserter Empfindlichkeit führt.
Die US 2017 / 0 138 988 A1 betrifft einen Magnetfeldstromsensor mit einem Chip, der mindestens ein Magnetfeldsensorelement aufweist, mit einer Vielzahl von Kontakten, die in einer ersten Ebene angeordnet und mit dem Chip gekoppelt sind, mit einem Leiter, der einen ersten und einen zweiten Kontaktabschnitt aufweist, wobei der erste und der zweite Kontakt elektrisch gekoppelt und in einer zweiten Ebene angeordnet sind, die sich von der ersten Ebene unterscheidet, und der Leiter mit dem Chip gekoppelt und von diesem elektrisch isoliert ist, und mit einem Formkörper, der den Chip, die Vielzahl von Kontakten und den ersten und zweiten Kontaktabschnitt umschließt.
In der US 2014 / 0 253 103 A1 wird ein Stromsensor beschrieben. Der Stromsensor besteht aus einem Gehäuse aus Kunststoff, einem Stromleiter mit angeformten ersten und zweiten elektrischen Anschlüssen, durch die ein zu messender Strom zu- und abgeführt wird, dritten elektrischen Anschlüssen und einem Halbleiterchip mit mindestens einem Magnetfeldsensor, der empfindlich auf eine Komponente des Magnetfeldes reagiert, die durch den Stromfluss durch den Stromleiter erzeugt wird und senkrecht zur Oberfläche des Halbleiterchips verläuft. Die ersten und zweiten elektrischen Anschlüsse sind an einer ersten Seite des Gehäuses angeordnet, die dritten elektrischen Anschlüsse sind an einer der ersten Seite gegenüberliegenden Seite des Gehäuses angeordnet. Der Halbleiterchip ist als Flip-Chip montiert. Der Halbleiterchip umfasst erste Bumps, die elektrische Verbindungen zu den dritten Anschlüssen herstellen, und zweite Bumps, die sich oberhalb des Stromleiters befinden und durch eine Isolationsschicht elektrisch vom Halbleiterchip getrennt sind.
Die US 7 166 807 B2 betrifft einen Stromsensor mit integrierter Schaltung. Der Stromsensor umfasst einen Leiterrahmen mit mindestens zwei Leitern, die so gekoppelt sind, dass sie einen Stromleiterabschnitt bilden, und ein Substrat mit einer ersten Oberfläche, in der ein oder mehrere Magnetfeldwandler angeordnet sind, wobei sich die erste Oberfläche in der Nähe des Stromleiterabschnitts und eine zweite Oberfläche entfernt von dem Stromleiterabschnitt befindet. In einer besonderen Ausführungsform ist das Substrat so angeordnet, dass die erste Oberfläche des Substrats über dem Stromleiterabschnitt und die zweite Oberfläche des Substrats über der ersten Oberfläche liegen. In dieser besonderen Ausführungsform ist das Substrat in der integrierten Schaltung im Vergleich zu einer herkömmlichen Ausrichtung auf dem Kopf stehend angeordnet. Ein Stromleiterabschnitt kann in der Nähe einer Oberfläche des Substrats und in der Nähe des einen oder der mehreren Magnetfeldsensoren aufgebracht werden. Mit dieser Anordnung wird ein Stromsensor bereitgestellt, bei dem der eine oder die mehreren Magnetfeldwandler sehr nahe am Stromleiterabschnitt liegen, was zu einem Stromsensor mit verbesserter Empfindlichkeit führt. Zwischen dem Stromleiterteil und dem Substrat kann eine Isolierschicht angeordnet werden.
In der US 6 356 068 B1 wird ein Stromüberwachungssystem offenbart. Das Stromüberwachungssystem zur galvanisch getrennten Strommessung wird in handelsüblicher IC-Fertigungs- und LOC-Packaging-Technologie hergestellt. Ein Strompfad ist Teil des Leadframes, auf dem ein Die mit Sensormitteln mit Hilfe eines elektrisch isolierenden, entsprechend vorstrukturierten Klebebandes montiert ist, wobei die strukturierte Oberfläche des Die dem Leadframe zugewandt ist. Das so hergestellte System erreicht für Ströme bis zu +/-10 A eine Systemgenauigkeit von besser als 50 mA und ist für Ströme bis zu einer Größenordnung von 50 A einsetzbar.
Es besteht ein Bedarf an einem Stromsensor, der eine noch zuverlässigere galvanische Trennung von einem Magnetfeldsensor zur Messung des durch eine Stromschiene (engl. current rail) fließenden Stroms und dieser Stromschiene gewährleistet.
Vorgeschlagenen wird ein Stromsensor nach Hauptanspruch. Weitere Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angeführt.
Vorgeschlagen wird ein Stromsensor mit einer Stromschiene mit einem Magnetfeldsensor, wobei der Magnetfeldsensor dazu eingerichtet ist, ein von einem durch die Stromschiene fließenden Strom induziertes Magnetfeld zu messen, wobei zwischen der Stromschiene und dem Magnetfeldsensor eine erste Isolationsschicht und eine zweite Isolationsschicht angeordnet sind, wobei eine Grenzfläche zwischen der ersten Isolationsschicht und der zweiten Isolationsschicht frei von einem Kontakt mit der Stromschiene ist und/oder frei von einem Kontakt mit dem Magnetfeldsensor ist.
Verschiedene Ausgestaltungen des vorgeschlagenen Stromsensors werden nunmehr anhand der Zeichnung näher erläutert. Darin zeigt:

1 einen Stromsensor;
2 einen Stromsensor;
3 einen Stromsensor;
4 einen Stromsensor;
5 einen Stromsensor;
6 einen Stromsensor;
7 einen Stromsensor;
8 einen Stromsensor;
9 einen Stromsensor;
10 einen Stromsensor;
11 einen Stromsensor;
12 einen Stromsensor;
13 einen Stromsensor;
14 einen Stromsensor;
15 einen Stromsensor; und
16 einen Stromsensor.

In der 1 zeigt einen Stromsensor 100. Der Stromsensor 100 umfasst eine Stromschiene 101 und einen Magnetfeldsensor 102. Der Magnetfeldsensor 102 ist dazu eingerichtet, ein von einem durch die Stromschiene 101 fließenden Strom induziertes Magnetfeld zu messen. Das Magnetfeld ist dabei abhängig von dem durch die Stromschiene 101 fließenden Strom, so dass ein mittels des Magnetfeldsensors 102 gemessener Messwert indikativ für den durch die Stromschiene 101 fließenden Strom ist.
Stromsensoren werden beispielsweise benötigt, um den Ladestrom von Batterien elektrisch angetriebener Kraftfahrzeuge zu messen, die zunehmend Fahrzeuge mit Verbrennungsmotoren ersetzen. Ebenso werden Stromsensoren benötigt, um den von der Batterie zu den Elektromotoren des Antriebs fließenden Strom zu messen. Immer häufiger werden Stromnetze in Kraftfahrzeugen mit Spannungen betrieben, die ein Vielfaches der Spannung betragen, mit denen Magnetfeldsensoren betrieben werden. Daher ist eine sehr sichere und dauerhafte galvanische Trennung zwischen der Stromschiene 101 und dem Magnetfeldsensor 102 gewünscht.
Zwischen der Stromschiene 101 und dem Magnetfeldsensor 102 ist eine erste Isolationsschicht 103 und eine zweite Isolationsschicht 104 angeordnet. Die Grenzfläche zwischen der ersten Isolationsschicht 103 und der zweiten Isolationsschicht 104 ist dabei bei dem in der 1 gezeigten Stromsensor frei von einem Kontakt mit der Stromschiene 101 und frei von einem Kontakt mit dem Magnetfeldsensor 102.
Die erste Isolationsschicht 103 und die zweite Isolationsschicht 104 sind so ausgelegt, dass sie unabhängig voneinander für eine ausreichende galvanische Trennung zwischen der Stromschiene 101 und dem Magnetfeldsensor sorgen können. Selbst wenn die Funktion einer der beiden Isolationsschichten 103, 104 beeinträchtigt sein sollte, kann die andere Isolationsschicht 104, 103 noch immer das Fließen eines Stroms zwischen der Stromschiene 101 und dem Magnetfeldsensor 102 verhindern.
Indem die erste Isolationsschicht 103 und die zweite Isolationsschicht 104 so angeordnet werden, dass die Grenzfläche zwischen der ersten Isolationsschicht 103 und der zweiten Isolationsschicht 104 frei von einem Kontakt mit der Stromschiene 101 ist und/oder frei von einem Kontakt mit dem Magnetfeldsensor 102 ist, kann das Risiko, dass sich entlang der Grenzfläche ein Strompfad von der Stromschiene 101 zum Magnetfeldsensor 102 ausbildet, verringert werden.
Die Grenzfläche zwischen der ersten Isolationsschicht 103 und der zweiten Isolationsschicht kann insbesondere frei von einem Abschnitt sein, der parallel zu einer Richtung von einem leitenden Abschnitt des Magnetfeldsensors 102 zu einem leitenden Abschnitt der Stromschiene 101 ist. Auf diese Weise kann selbst bei einer Potentialdifferenz zwischen dem leitenden Abschnitt des Magnetfeldsensors 102 zum leitenden Abschnitt der Stromschiene 101, die Wahrscheinlichkeit eines Stromflusses entlang der Grenzfläche reduziert werden.
Die Grenzfläche zwischen der ersten Isolationsschicht 103 und der zweiten Isolationsschicht 104 kann beispielsweise im Wesentlichen senkrecht zu einer Richtung von einem leitenden Abschnitt des Magnetfeldsensors 102 zu einem leitenden Abschnitt der Stromschiene 101 ausgerichtet sein.
Eine Dicke 105 der ersten Isolationsschicht 105 und/oder eine Dicke der zweiten Isolationsschicht 104 in einer Richtung von einem leitenden Abschnitt des Magnetfeldsensors zu einem leitenden Abschnitt der Stromschiene kann insbesondere mal als 10 µm, insbesondere mehr als 100 µm betragen, um eine sichere galvanische Trennung zu ermöglichen.
Eine Dicke 105 der ersten Isolationsschicht 103 und/oder der zweiten Isolationsschicht 104 kann weniger als 1000 µm, insbesondere weniger als 200 µm betragen. Die Empfindlichkeit des Stromsensors 100 hängt typischerweise vom Abstand des Magnetfeldsensors 102 von der Stromschiene 101 ab. Eine Limitierung der Dicke der ersten Isolationsschicht 103 und/oder der zweiten Isolationsschicht 104 kann daher die Genauigkeit des Stromsensors 101 erhöhen.
Bei dem in der 1 gezeigten Stromsensor 100 ist die erste Isolationsschicht 103 aus einem ersten Material gefertigt und die zweite Isolationsschicht 104 ist aus einem zweiten Material gefertigt, wobei sich das erste Material vom zweiten Material unterscheidet. Die Verwendung unterschiedlicher Materialen kann das Risiko reduzierten, dass aufgrund eines Materialfehlers, beide Isolationsschichten gleichzeitig keine ausreichende galvanische Trennung mehr sicherstellen können.
Das erste Material und/oder das zweite Material können eine Dielektrizitätskonstante mit einem Wert zwischen 2 und 12 haben.
Das erste Material und/oder das zweite Material können einen Spanungsfestigkeitswert von mehr als V/µm, insbesondere mehr als 30 V/µm, haben. Dies kann es erlauben, den Stromsensor auch für Hochspannungsgleichstromanwendungen zu nutzen.
Weiter kann das erste Material und/oder das zweite Material einen Isolationswiderstandswert von mehr als 10^10 Ωcm, insbesondere mehr als 10^17 Ωcm haben, so dass Kriechströme wirksam unterbunden werden können.
Die Grenzfläche zwischen der ersten Isolationsschicht und der ersten Isolationsschicht kann einen stetigen, insbesondere einen stetig differenzierbaren Verlauf haben. Eine Grenzfläche ohne Kanten oder Ecken kann dabei helfen, lokale elektrostatische Spannungsspitzen zu vermeiden und die Beständigkeit des Stromsensors weiter zu erhöhen.
Bei der zweiten Isolationsschicht 104 kann es sich um eine Klebeschicht handeln, mit der der Magnetfeldsensor 102 an der ersten Isolationsschicht 103 befestigt ist.
Die zweite Isolationsschicht kann Teil einer Einkapselung des Stromsensors sein.
Der Magnetfeldsensor kann einen integrierten Schaltkreis umfassen, wobei der integrierte Schaltkreis eine Substratseite und eine Bauelementseite aufweist, und wobei ein Magnetfeldsensorelement 105 an der Bauelementseite angeordnet ist.
Bei dem Stromsensor 100 gemäß 1 ist die Substratseite des Magnetfeldsensors 102 der Stromschiene 101 zugewandt. Dies kann das Risiko einer Beschädigung des Magnetfeldsensorelements 106 beim mechanischen Befestigen des Magnetfeldsensors 102 reduzieren. Ebenso ist es denkbar, dass die Anordnung des Magnetfeldsensors 102 mit der Substratseite zur Stromschiene 101 eine elektrische Verbindung von einer Kontaktfläche des Magnetfeldsensors 102 zu einem elektrischen Anschluss 107, z. B. einem Leadframe, des Stromsensors 100 mittels eines Drahtes 108 (z.B. via wire-bonding) vereinfachen.
Der Magnetfeldsensor 102 kann in einer vorgefertigten Wanne 109 angeordnet sein. Dies kann die Herstellung des Stromsensors vereinfachen. Beispielsweise kann die Wanne 109 in einem vorgefertigten Gehäuse des Stromsensors ausgebildet sein. Insbesondere kann die Stromschiene 101 in einem oder dem vorgefertigten Gehäuse des Stromsensors 100 ausgebildet sein.
Der Magnetfeldsensor 102 kann insbesondere ein Hall-Sensorelement umfassen. Alternativ oder ergänzend kann der Magnetfeldsensor 102 ein magnetoresistives Magnetfeldsensorelement umfassen.
Wie in der 1 gezeigt, kann die Stromschiene 101 in dem vorgefertigten Gehäuse des Stromsensors 100 eingebettet sein.
Der Stromsensor 100 kann dazu eingerichtet sein, auf einer Leiterplatte (engl. printed circuit board, PCB) 110 angebracht zu werden. Auf diese Weise kann er auf einfache Weise in elektrische Schaltungen integriert werden.
Der Abstand zwischen dem elektrischen Anschluss 107 und der Stromschiene 101 kann mehr als 300 um, insbesondere mehr als 400 um beantragen, um eine elektrische Beeinflussung der Messsignale durch den durch die Stromlinie geleiteten Strom zu verhindern.
In der 2 ist ein weiterer Stromsensor 200 dargestellt. Der Stromsensor 200 umfasst ebenfalls eine Stromschiene 201 und einen Magnetfeldsensor 202. Zwischen der Stromschiene 201 und dem Magnetfeldsensor 202 sind eine erste Isolationsschicht 203 und eine zweite Isolationsschicht angeordnet. Die Grenzfläche zwischen der ersten Isolationsschicht 203 und der zweiten Isolationsschicht ist frei von einem Kontakt mit der Stromschiene 201 und frei von einem Kontakt mit dem Magnetfeldsensor 202. Die zweite Isolationsschicht umfasst eine erste Klebeschicht 241, eine Dielektrizitätsschicht 242 und eine zweite Klebeschicht 243. Bei einigen Stromsensoren kann auf die zweite Klebeschicht 243 auch verzichtet werden und die Dielektrizitätsschicht 242 direkt mit dem Magnetfeldsensor 202 verbunden sein.
Die Dielektrizitätsschicht 242 kann aus Polimid hergestellt sein. Die Dielektrizitätsschicht 242 kann eine Dicke von mehr als 5 um und/oder weniger als 15 um haben. Insbesondere kann die Dielektrizitätsschicht 242 eine Dicke von ungefähr 10 µm haben. Die Dicke der ersten Klebeschicht 241 und/oder der zweiten Klebeschicht 243 kann weniger als 10 µm, insbesondere weniger als 5 µm betragen. Die erste Klebeschicht 241 und/oder die zweite Klebeschicht 243 können antistatische Klebeschichten sein. Bei dem Stromsensor 200 kann die zweite Klebeschicht eine DDAF(Dicing Die Attach Film)-Klebeschicht sein.
Zur Herstellung des Stromsensors 200 kann beispielsweise eine Wanne 209 in einem vorgefertigten Gehäuse bereitgestellt werden, wobei die Stromschiene 201 und ein elektrischer Anschluss 207 für den Magnetfeldsensor 202 in das vorgefertigte Gehäuse integriert sind. Das vorgefertigte Gehäuse stellt dabei die erste Isolationsschicht 203 bereit. In die Wanne 209 kann anschließend die Dielektrizitätsschicht 242 mit Hilfe der ersten Klebeschicht 241 angebracht werden. Auf die Dielektrizitätsschicht kann anschließend der Magnetfeldsensor 202, der ein Magnetsensorelement 205 aufweist mit der zweiten Klebeschicht 243 aufgeklebt und somit mechanisch fixiert werden. Mittels eines Drahtes 208 wird der Magnetfeldsensor 202 bzw. das Magnetfeldsensorelement 208 mit dem elektrischen Anschluss 207 verbunden. Anschließend kann die Wanne 209 mit einer Vergussmasse gefüllt werden, um den Magnetfeldsensor 202 und die Drahtverbindung vor schädlichen Umwelteinflüssen zu schützen. Der so hergestellte Sensor 200 kann dann beispielsweise auf einer Leiterplatte 210 angebracht werden.
Auch in der 3 ist ein Stromsensor 300 mit einer Stromschiene 301 und einem Magnetfeldsensor 302 dargestellt. Zwischen der Stromschiene 301 und dem Magnetfeldsensor 302 sind wieder eine erste Isolationsschicht 303 und eine zweite Isolationsschicht angeordnet, wobei die zweite Isolationsschicht eine erste Klebeschicht 341, eine Dielektrizitätsschicht 342 und eine zweite Klebeschicht 343 aufweist. Die Grenzfläche zwischen der ersten Isolationsschicht 303 und der zweiten Isolationsschicht ist wiederum frei von einem Kontakt mit dem Magnetfeldsensor 302 und der Stromschiene 301.
Zur Fertigung des Stromsensors 300 kann zunächst eine Wanne 309 in einem vorgefertigten Gehäuse bereitgestellt werden, wobei die Stromschiene 301 und ein elektrischer Anschluss 307 für den Magnetfeldsensor 302 in dem vorgefertigte Gehäuse eingekapselt sind, wobei die erste Isolationsschicht 303 Teil der Einkapselung ist. In der Wanne 309 kann anschließend der mit der ersten Klebeschicht 341, der Dielektrizitätsschicht 342 und der zweiten Klebeschicht 343 versehene Magnetfeldsensor 302 angebracht werden. Mittels eines Drahtes 308 wird der Magnetfeldsensor 302 bzw. das Magnetfeldsensorelement 308 mit dem elektrischen Anschluss 307 verbunden. Anschließend kann die Wanne 309 mit einer Vergussmasse gefüllt werden, um den Magnetfeldsensor 302 und die Drahtverbindung vor schädlichen Umwelteinflüssen zu schützen. Der so hergestellte Sensor 300 kann dann beispielsweise auf einer Leiterplatte 310 angebracht werden.
Bei dem in der 4 dargestellten Stromsensor 400 wird zunächst ein Gehäuse mit einer Wanne 409 vorgefertigt, in welcher eine Stromschiene 401 und ein elektrischer Anschluss 407 integriert sind. Die erste Isolationsschicht 403 ist dabei Teil des Gehäuses. In die Wanne 409 kann ein flüssiges Material eingebracht werden, welches nach Aushärten eine zweite Isolationsschicht 404 bildet. Die Wanne 409 kann so gestaltet sein, dass das flüssige Material nicht mit dem elektrischen Anschluss 407 in Kontakt kommt. Auf die zweite Isolationsschicht 404 kann mittels einer Klebeschicht 444 der eine Magnetfeldsensor 402 aufgeklebt werden. Die Grenzfläche zwischen der ersten Isolationsschicht 403 und der zweiten Isolationsschicht 404 ist frei von einem Kontakt mit der Stromschiene 401 und frei von einem Kontakt mit dem Magnetfeldsensor 402.
Das Material der zweiten Isolationsschicht 404 kann insbesondere ein anorganisches Material sein. Beispielsweise kann die zweite Isolationsschicht 404 aus Glasfritt (engl. glass fritt) oder einem Zement (engl. cement) gefertigt sein. Die zweite Isolationsschicht 404 kann auch aus Silikon, insbesondere Fluorosilikon (engl. fluorinated silicone) hergestellt sein.
Bei der Klebeschicht 444 kann es sich insbesondere um eine antistatische Klebeschicht handeln.
Nach der mechanischen Befestigung des Magnetfeldsensors 402, kann dieser bzw. das Magnetfeldsensorelement 406 mittels eines Drahtes 408 mit dem elektrischen Anschluss 407 verbunden werden. Anschließend kann der Stromsensor 400 auf einer Leiterplatte 410 angebracht werden.
5 zeigt ebenfalls einen Stromsensor 500 mit einer Stromschiene 501 und einem Magnetfeldsensor 502. Zwischen der Stromschiene 501 und der Magnetfeldsensor 502 sind eine erste Isolationsschicht 503 und eine zweite Isolationsschicht 504 angeordnet. Der Magnetfeldsensor 502 umfasst einen Halbleiterschaltkreis, der ein einem Halbleiterchip gefertigt ist. Die zweite Isolationsschicht 504 ist durch ein Rückseitenoxid des Halbleiterchips gebildet. Der Magnetfeldsensor 502 kann nur mit wenigen Erhebungen 512 mechanischen Kontakt mit dem Gehäuse haben. Nach der elektrischen Verbindung des Magnetfeldsensors 502 bzw. des Magnetfeldsensorelements 506 mittels eines Drahtes 508 mit dem elektrischen Anschluss 507, kann die Wanne 509 des vorgefertigten Gehäuses mit einem Gel gefüllt werden. Durch die Nachgiebigkeit des Gels kann eine flexible mechanische des Magnetfeldsensors 502 ermöglicht werden, so dass das Risiko eines Bruchs des Magnetfeldsensors 502 herabgesetzt ist.
Bei dem Stromsensor 600 nach 6 ist die erste Isolationsschicht 603 als eine Beschichtung der Stromschiene 601 ausgebildet. Die Beschichtung der Stromschiene 601 kann beispielsweise aus einem Parylene und/oder einem Metalloxid gebildet sein. Die Beschichtung der Stromschiene 601 kann durch eine elektrophoretische Abscheidung erzeugt sein. Zwischen dem Magnetfeldsensor 602 mit dem Magnetfeldsensorelement 606 ist eine zweite Isolationsschicht 604 angeordnet, welche durch das Gehäuse des Stromsensors 600 gebildet wird. In einer Wanne des Gehäuses ist der Magnetfeldsensor 602 mittels einer Klebeschicht 644 befestigt und mittels eines Drahtes 608 mit einem elektrischen Anschluss 607 des Stromsensors 600 verbunden.
7 zeigt einen Stromsensor 700, bei welchem der Magnetfeldsensor 702 einen integrierten Schaltkreis umfasst, wobei der integrierte Schaltkreis eine Substratseite und eine Bauelementseite aufweist, und wobei ein Magnetfeldsensorelement 706 an der Bauelementseite angeordnet ist. Im Unterschied zu den in den 1 bis 6 gezeigten Stromsensoren ist bei dem Stromsensor 700 die Bauelementseite der Stromschiene 701 des Stromsensors 701 zugewandt. Dies kann es erlauben, das Magnetfeldsensorelement 706 näher ans der Stromschiene 701 zu positionieren, so dass ein empfindlicherer Stromsensor 700 zur Verfügung gestellt werden kann. Gleichwohl sind zwischen dem Magnetfeldsensor 702 und der Stromschiene 701 weiter eine erste Isolationsschicht 703 und eine zweite Isolationsschicht 704 angeordnet.
Eine Kugelgitteranordnung (engl. Ball Grid Array, BGA) 714 kann verwendet werden, um den Magnetfeldsenor 702 elektrisch mit einem Zwischenverbindungselement 713 zu verbinden. Das Zwischenverbindungselement 713 kann durch eine Metallschicht auf einer Polimidfolie realisiert sein, wobei die Polimidfolie die zweite Isolationsschicht 704 bildet. Von dem Zwischenverbindungselement 713 kann ein Draht 708 zur elektrischen Verbindung mit dem elektrischen Anschluss 707 des Stromsensors 700 verwendet werden. Der Magnetfeldsensor 702 kann in der Wanne 709 eines vorgefertigten Gehäuses des Stromsensors 700 angeordnet sein. Mit dem elektrischen Anschluss 707 kann der Stromsensor 700 mit einer Leiterplatte (nicht dargestellt) verbunden werden.
Die Elemente 801, 802, 803, 804, 806, 807, 808, 809, 813, 814 des in der 8 gezeigten Stromsensors 800 entsprechen den Elementen 701, 702, 703, 704, 706, 707, 708, 709, 713, 714 des in der 7 gezeigten Stromsensors 700.
Im Unterschied zu dem Stromsensor 700, ist die Wanne 809 des Stromsensors 800 auf der Seite angeordnet, die bei an der Leiterplatte 810 montiertem Zustand des Stromsensors 800 der Leiterplatte 810 zugewandt ist.
Im Unterschied zu den in den 1 bis 8 gezeigten Stromsensoren, kann ein Stromsensor auch ohne ein vorgefertigtes Gehäuse hergestellt sein.
Der in der 9 dargestellte Stromsensor 900 kann beispielsweise durch filmunterstütztes Spritzgießen (engl. film-assisted transfer modling) hergestellt sein.
Der Stromsensor 900 weist eine Stromschiene 901 und einen Magnetfeldsensor 902 auf. Zwischen der Stromschiene 901 und dem Magnetfeldsensor 902 sind eine erste Isolationsschicht 903 und eine zweite Isolationsschicht 904 vorgesehen. Die Grenzfläche zwischen der ersten Isolationsschicht 903 und der zweiten Isolationsschicht 904 ist frei von einem Kontakt mit der Stromschiene 901.
Zur Herstellung des Stromsensors 900 kann zunächst eine Stromschiene 901 und ein elektrischer Anschluss 907 bereitgestellt werden. Bei der Stromschiene 901 und dem elektrischen Anschluss 907 kann es sich jeweils um einen Abschnitt eines Leadframes handeln. Auf dem elektrischen Anschluss 907 kann mittels einer Klebeschicht 944 der Magnetfeldsensor 902 angebracht werden. Anschließend kann der Magnetfeldsensor 902, welcher ein Magnetfeldsensorelement 906 aufweist, mittels eines Drahtes 908 mit dem elektrischen Anschluss 907 verbunden werden. Anschließend können die Elemente des Stromsensors umgossen werden, so dass nur noch die Anschlüsse der Stromschiene 901 und des elektrischen Anschluss 907 nach außen geführt sind. Das zum Umgießen genutzte Material kann dabei die erste Isolationsschicht 903 bilden.
Der Magnetfeldsensor 902 kann Teil eines in einem Halbleiterchips gebildeten integrierten Schaltkreises sein. Bei der zweiten Isolationsschicht 904 kann es sich insbesondere um eine Passivierungsschicht des Halbleiterchips handeln. Die Passivierungsschicht des Halbleiterchips kann insbesondere aus Siliziumoxid und/oder Siliziumnitrit gebildet sein.
In der 10 ist ein weiterer Stromsensor 1000 dargestellt. Der Stromsensor 1000 umfasst eine Stromschiene 1001 und einen Magnetfeldsensor 1002 mit einem Magnetfeldsensorelement 1006. Wie bei dem in der 9 gezeigten Stromsensor 900 ist bei dem Stromsensor 1000 der Magnetfeldsensor 1002 mittels einer Klebeschicht 1044 an einem elektrischen Anschluss 1007 mechanisch befestigt und mittels eines Drahtes 1008 mit diesem elektrisch verbunden. Die erste Isolationsschicht 1003 wird allerdings nicht durch das Vergussmaterial gebildet, sondern durch eine vor dem Vergießen und vor dem Anbringen des Magnetfeldsensors 1002 aufgebrachte Folie. Die zweite Isolationsschicht 1004 wird durch das Vergussmaterial bereitgestellt.
Auch der Stromsensor 1100 der in der 11 gezeigt ist, weist eine Stromschiene 1101 und einen Magnetfeldsensor 1102 mit einem Magnetfeldsensorelement 1106 auf. Eine erste Isolationsschicht 1103 wird als Beschichtung der Stromschiene 1101 bereitgestellt. Die zweite Isolationsschicht 1104 wird durch das Vergussmaterial bereitgestellt. Die Grenzfläche zwischen der ersten Isolationsschicht 1103 und der zweiten Isolationsschicht 1104 ist sowohl frei von einem Kontakt mit der Stromschiene 1101 als auch von einem Kontakt mit dem Magnetfeldsensor 1102. Der Magnetfeldsensor 1102 ist mit einem Draht 1108 mit einem elektrischen Anschluss 1107 verbunden. Der elektrische Anschluss 1107 kann, abgesehen von der Kontaktstelle mit dem Draht 1108 mit einer Anschlussisolationsschicht 1115 versehen sein, um die galvanische Trennung der Signalleitungen von der Stromschiene 1101 weiter zu verbessern. Die Anschlussisolationssicht 1115 kann insbesondere vor dem Anbringen des Drahts 1108 entfernt werden. Hierzu kann beispielsweise ein Laser verwendet werden. Ebenso ist es denkbar, an dem Kontaktpunkt gar nicht erst eine Anschlussisolationsschicht 1115 vorzusehen. Der Magnetfeldsensor 1102 kann mittels einer Klebeschicht 1144 mechanisch an dem beschichteten elektrischen Anschluss 1107 befestigt sein.
In der 12 ist ebenfalls ein Stromsensor 1200 dargestellt. Der Stromsensor 1200 umfasst eine Stromschiene 1201 und einen Magnetfeldsensor 1202 mit einem Magnetfeldsensorelement 1206. Eine erste Isolationsschicht 1203 wird durch das Vergussmaterial bereitgestellt. Eine zweite Isolationsschicht 1204 wird durch ein vorgefertigtes Plättchen bereitgestellt, auf der Magnetfeldsensor 1202 mittels eines Klebematerials 1245 befestigt ist. Der Magnetfeldsensor 1202 kann insbesondere in einer Vertiefung des Plättchens 1204 angeordnet sein. Das Plättchen 1204 kann mit einer Klebeschicht 1244 an dem elektrischen Anschluss 1207 mechanisch befestigt sein. Der Magnetfeldsensor 1202 kann zuerst an dem Plättchen 1204 befestigt werden und anschließend das Plättchen 1204 an dem elektrischen Anschluss 1207. Beispielsweise kann ein maschinelles Greifens des Plättchens 1204 einfacher sein als ein Greifen des Magnetfeldsensors 1202. Es ist allerdings auch denkbar, zunächst das Plättchen 1204 an dem elektrischen Anschluss 1207 zu befestigen und erst anschließend den Magnetfeldsensor an dem Plättchen 1204 zu befestigen. Anschließend kann die elektrische Verbindung mittels des Drahtes 1208 hergestellt werden.
Der in der 13 gezeigte Stromsensor 1300 weist eine Stromschiene 1301 und einen Magnetfeldsensor 1302 mit einem Magnetfeldsensorelement 1306 auf. Eine erste Isolationsschicht 1303 wird durch das Vergussmaterial des Stromsensors 1300 gebildet. Der Magnetfeldsensor 1302 umfasst einen integrierten Schaltkreis, wobei der integrierte Schaltkreis eine Substratseite und eine Bauelementseite aufweist, und wobei das Magnetfeldsensorelement 1306 an der Bauelementseite angeordnet ist. Das Magnetfeldsensorelement 1306 ist mit einer Passivierungsschicht abgedeckt, die als zweite Isolationsschicht 1304 dient. Die Bauelementseite ist der Stromschiene 1301 zugewandt.
Der Magnetfeldsensor 1302 ist zwischen der Stromschiene 1301 und einem elektrischen Anschluss 1307 angeordnet. Er kann mittels eines Klebefilms 1344 an dem elektrischen Anschluss 1307 befestigt sein. Ein Teil der Bauelementseite des integrierten Schaltkreises ist nicht durch die Passivierungsschicht abgedeckt, so dass der Magnetfeldsensor 1302 mit einem Draht 1308 mit dem elektrischen Anschluss 1307 elektrisch verbunden werden kann.
In der 14 ist ein weiterer Stromsensor 1400 dargestellt. Eine erste Isolationsschicht 1403 wird durch eine an einer Stromschiene 1401 angebrachte Folie gebildet und das Vergussmaterials des Stromsensors 1400 bildet die zweite Isolationsschicht 1404. Der Magnetfeldsensor 1402 ist mit seiner Bauelementseite, an welcher das Magnetfeldsensorelement 1406 vorgesehen ist, zur Stromschiene hin angeordnet. Mittels einer Kugelgitteranordnung 1414 ist der Magnetfeldsensor 1402 mechanisch und elektrisch an dem elektrischen Anschluss 1407 befestigt.
Ferner ist ein Stromsensor 1500 in der 15 dargestellt, dessen Elemente 1501, 1504, 1506, 1503, 1502, 1507 mit den Elementen 1401, 1404, 1406, 1406, 1403, 1402, 1407 des Stromsensors 1400 der 14 übereinstimmen. Allerdings ist der Magnetfeldsensor 1502 mit einer Klebeschicht 1544 mit dem elektrischen Anschluss 1507 mechanisch und über den Draht 1508 elektrisch verbunden.
In der 16 ist ein weiterer Stromsensor 1600 gezeigt, dessen Elemente 1601, 1609, 1603, 1606, 1602, 1608, 1607 den Elementen 201, 209, 203, 206, 202, 208, 207 des in der 2 gezeigten Stromsensors 200 entsprechen. Der Magnetfeldsensor 1602 ist mittels einer Klebeschicht 1644 mit einem Plättchen 1604, z.B. einem Glasplättchen, verbunden, wobei das Plättchen 1604 die zweite Isolationsschicht bereitstellt. Das Plättchen 1604 kann erhitzt werden und anschließend in erhitzten Zustand in die Wanne 1609 des vorgefertigten Gehäuses eingebracht werden, um es mit dem vorgefertigten Gehäuse mechanisch zu verbinden.
In den 17 und 18 sind zwei weitere Stromsensoren 1700 und 1800 dargestellt, die jeweils eine Stromschiene 1701, 1801, einen Magnetfeldsensor 1702, 1802, ein Magnetfeldsensorelement 1706, 1806 einen elektrischen Anschluss 1707, 1807 und einen Draht 1708, 1808 aufweisen, welcher den Magnetfeldsensor 1702, 1802 mit dem elektrischen Anschluss 1707 bzw. 1807 verbindet.
Der Magnetfeldsensor 1702 des Stromsensors 1700 ist mit mittels einer Klebeschicht 1744 mit dem elektrischen Anschluss verbunden. Vor dem Vergießen des Magnetfeldsensor 1702 wird eine konforme Schicht abgeschieden, die die erste Isolationsschicht 1703 zwischen der Stromschiene 1701 und dem Magnetfeldsensor 1702 bildet. Die zweite Isolationsschicht 1704 wird kann durch die Einkapslung gebildet sein.
Der Stromsensor 1800 weist ein vorgefertigtes Gehäuse mit einer Wanne 1809 auf. Das Material des vorgefertigten Gehäuses bildet die erste Isolationsschicht 1803. Auf dem vorgefertigten Gehäuse kann konform eine Schicht abgeschieden werde, die als zweite Isolationsschicht 1804 dient. Anschließend kann der Magnetfeldsensor 1802 in der Wanne 1809 angebracht werden sowie die elektrische Verbindung zum elektrischen Anschluss 1807 hergestellt werden.
Zusammenfassend werden viele Beispiele von Stromsensoren gezeigt, die sich durch die Bereitstellung einer ersten und einer zweiten Isolationsschicht durch eine besonders gute Zuverlässigkeit auszeichnen.

Claims

Stromsensor (100) mit einer Stromschiene (101) mit einem Magnetfeldsensor (102), wobei der Magnetfeldsensor (102) dazu eingerichtet ist, ein von einem durch die Stromschiene (101) fließenden Strom induziertes Magnetfeld zu messen, wobei zwischen der Stromschiene (101) und dem Magnetfeldsensor (102) eine erste Isolationsschicht (103) und eine zweite Isolationsschicht (104) angeordnet sind, wobei eine Grenzfläche zwischen der ersten Isolationsschicht (103) und der zweiten Isolationsschicht (104) frei von einem Kontakt mit der Stromschiene (101) ist und/oder frei von einem Kontakt mit dem Magnetfeldsensor (102) ist, wobei die erste Isolationsschicht (103) aus einem ersten Material gefertigt ist, wobei die zweite Isolationsschicht (104) aus einem zweiten Material gefertigt ist, wobei sich das erste Material vom zweiten Material unterscheidet, und wobei die erste Isolationsschicht (103) und die zweite Isolationsschicht (104) so ausgelegt sind, dass sie unabhängig voneinander für eine ausreichende galvanische Trennung zwischen der Stromschiene (101) und dem Magnetfeldsensor (102) sorgen können.
Stromsensor (100) nach Patentanspruch 1, wobei die Grenzfläche frei von einem Abschnitt ist, der parallel zu einer Richtung von einem leitenden Abschnitt des Magnetfeldsensors (102) zu einem leitenden Abschnitt der Stromschiene (101) ist.
Stromsensor (100) nach Patentanspruch 1 oder 2, wobei die Grenzfläche im Wesentlichen senkrecht zu einer Richtung von einem leitenden Abschnitt des Magnetfeldsensors (102) zu einem leitenden Abschnitt der Stromschiene (101) ausgerichtet ist.
Stromsensor (101) nach einem der Patentansprüche 1 bis 3, wobei eine Dicke der ersten Isolationsschicht (103) und/oder eine Dicke der zweiten Isolationsschicht (104) in einer Richtung von einem leitenden Abschnitt des Magnetfeldsensors (102) zu einem leitenden Abschnitt der Stromschiene (101) mehr als 10 µm, insbesondere mehr als 100 µm und/oder weniger als 1000 µm, insbesondere weniger als 200 µm beträgt.
Stromsensor (100) nach einem der Patentansprüche 1 bis 4, wobei das erste Material und/oder das zweite Material eine Dielektrizitätskonstante mit einem Wert zwischen 2 und 12 hat.
Stromsensor (100) nach einem der Patentansprüche 1 bis 5, wobei das erste Material und/oder das zweite Material einen Spannungsfestigkeitswert von mehr als 10 V/µm, insbesondere mehr als 30 V/µm haben.
Stromsensor (100) nach einem der Patentansprüche 1 bis 6, wobei das erste Material und/oder das zweite Material einen Isolationswiderstandswert von mehr als 10^10 Ωcm, insbesondere mehr als 10^17 Ωcm haben.
Stromsensor (100) nach einem der Patentansprüche 1 bis 7, wobei die Grenzfläche einen stetigen Verlauf hat.
Stromsensor (100) nach einem der Patentansprüche 1 bis 8, wobei die erste Isolationsschicht (103) und/oder die zweite Isolationsschicht (104) eine Klebeschicht umfasst, und wobei die Klebeschicht an der Grenzfläche angeordnet ist.
Stromsensor (900, 1000) nach einem der Patentansprüche 1 bis 9, wobei die erste Isolationsschicht (903) oder die zweite Isolationsschicht (1004) Teil einer Einkapselung des Stromsensors (900, 1000) ist.
Stromsensor (100, 700) nach einem der Patentansprüche 1 bis 10, wobei der Magnetfeldsensor (102, 702) einen integrierten Schaltkreis umfasst, wobei der integrierte Schaltkreis eine Substratseite und eine Bauelementseite aufweist, und wobei ein Magnetfeldsensorelement (106, 706) an der Bauelementseite angeordnet ist.
Stromsensor (100) nach Patentanspruch 11, wobei die Substratseite der Stromschiene (101) zugewandt ist.
Stromsensor (700) nach Patentanspruch 12, wobei die Bauelementseite der Stromschiene (701) zugewandt ist.
Stromsensor (100) nach einem der Patentansprüche 1 bis 13, wobei der Magnetfeldsensor (102) innerhalb einer vorgefertigten Wanne (106) angeordnet ist.
Stromsensor (100) nach Patentanspruch 14, wobei die Wanne (106) in einem vorgefertigten Gehäuse des Stromsensors (100) ausgebildet ist.
Stromsensor (1100) nach einem der Patentansprüche 1 bis 15, wobei die Stromschiene (1101) als Leadframe ausgebildet ist, und wobei die erste Isolationsschicht (1103) und/oder die zweite Isolationsschicht eine Beschichtung des Leadframes ist.
Stromsensor (100) nach einem der Patentansprüche 1 bis 16, wobei der Magnetfeldsensor (102) ein Hall-Sensorelement umfasst.
Stromsensor (100) nach einem der Patentansprüche 1 bis 17, wobei der Magnetfeldsensor (102) ein magnetoresistives Magnetfeldsensorelement umfasst.
Stromsensor (100) nach einem der Patentansprüche 1 bis 18, wobei die Stromschiene (101) in einem oder dem vorgefertigten Gehäuse des Stromsensors eingebettet ist.