JP2012229950A - Current sensor and method for manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、導体に流れる電流の電流値を測定する電流センサおよび電流センサの製造方法に関する。 The present invention relates to a current sensor for measuring a current value of a current flowing through a conductor and a method for manufacturing the current sensor.
従来、導体に流れる電流を測定する電流センサとして、測定電流が流れる導体の周囲に発生する磁界を検出する方法が知られている。
例えば電流センサの感度を得るために、測定電流が流れる一次導体近傍に磁場変換素子を配置する方法、或いは、磁性体を用いて磁束を集中させてその近傍に磁場変換素子を配置する方法、また、例えば、LOC(lead on chip)技術を用いて、一次導体端縁部の真下近傍に磁場変換素子を配置したものが提案されている(例えば、特許文献1参照)。
Conventionally, as a current sensor for measuring a current flowing through a conductor, a method of detecting a magnetic field generated around a conductor through which a measurement current flows is known.
For example, in order to obtain the sensitivity of a current sensor, a method of arranging a magnetic field conversion element in the vicinity of a primary conductor through which a measurement current flows, or a method of concentrating magnetic flux using a magnetic material and arranging a magnetic field conversion element in the vicinity thereof, For example, using a LOC (lead on chip) technique, a device in which a magnetic field conversion element is arranged in the vicinity immediately below the edge of the primary conductor has been proposed (see, for example, Patent Document 1).
また、例えば、一次導体をU字状に形成し、磁場変換素子であるホール素子がU字状中心点付近の磁束密度最大値を与える位置の真上にくるように、ホール素子を導体部分に近接する位置に設け、さらには、一次導体がT字型断面形状またはリードフレームの厚みよりも薄い最小寸法の矩形断面を有すること、或いは一次導体に加えて磁束集中層を併用することによって、一次導体表面上方において磁束密度がより集中するように形成させたものも提案されている(例えば、特許文献2、特許文献3参照)。
In addition, for example, the primary conductor is formed in a U-shape, and the Hall element is placed in the conductor portion so that the Hall element as the magnetic field conversion element is directly above the position where the maximum magnetic flux density near the U-shaped center point is given. Further, the primary conductor has a T-shaped cross section or a rectangular cross section with a minimum dimension smaller than the thickness of the lead frame, or the primary conductor is used in combination with a magnetic flux concentration layer in addition to the primary conductor. There has also been proposed one formed such that the magnetic flux density is more concentrated above the conductor surface (see, for example,
しかしながら、上述の特許文献2、特許文献3のように、U字状一次導体の中心点付近の真上にくるようにホール素子を設ける方法にあっては、感度最大且つ位置ズレによる感度変動を最小とするには、磁束が最も集中した中心点にホール素子を一個配置するのが最も適した形態である。また、U字形状を複数箇所形成するとしても、パッケージへの実装上、せいぜい2箇所程度であり、多くのU字形状を持つことは難しい。
However, as in the above-mentioned
また、上述の特許文献2および特許文献3では、感度向上を図るためには、U字状一次導体の磁場中心位置に当たるU字形状の中心点付近真上にホール素子を配置する際に、ホール素子をU字状一次導体に近接して配置することで、観測される誘導磁束密度を上げて磁場感度、すなわち電流感度を高めようとしている。そのために、ICチップを裏返して、ホール素子が一次導体に近接するように、Flip Chipボンディングにより、チップを取り付ける処理が必要となっている。
Further, in
そのために、一次導体と(ホール素子を含む)ICチップとの間に絶縁層を配置し、かつチップ電気端子とパッケージリード端子とをバンプ接続することになり、その際には、絶縁層厚みとバンプ厚みとを調整しつつ、絶縁箇所とバンプ接続箇所とが等しい面位置になるように高さ位置を合わせる事で、バンプ接続工程での安定化を図っている。このように、感度向上のためではあるものの前述のような水平位置をあわせた高さバランスのとれた状態でのバンプ接続処理が必要であって、製造上の手間や製作精度とコストとのバランスがよくなかった。 For this purpose, an insulating layer is disposed between the primary conductor and the IC chip (including the Hall element), and the chip electrical terminal and the package lead terminal are bump-connected. While adjusting the bump thickness, the height position is adjusted so that the insulating part and the bump connection part are at the same surface position, thereby stabilizing the bump connection process. In this way, although it is for improving sensitivity, it is necessary to perform bump connection processing in a state where the height is balanced with the horizontal position as described above, and the balance between manufacturing effort, manufacturing accuracy and cost is required. Was not good.
また、上述の特許文献1のように、LOC技術を用いて一次導体端縁部の真下近傍に磁場変換素子を配置することにより感度向上を図るようにした場合においては、通常のICパッケージング加工だけでなく、絶縁層の形成過程が必須である。
このように、いずれの方法においても、感度向上を図ることはできるものの、製造の簡便さという観点では十分ではなく、簡易な方法で感度向上を図ることの可能な方法が望まれていた。
本発明は、上記従来の未解決の問題に着目してなされたものであり、製造上の手間・コストの削減を図るとともに、感度向上を図ることの可能な電流センサおよび電流センサの製造方法を提供することを目的としている。
Further, as in the above-mentioned
As described above, although any method can improve sensitivity, it is not sufficient from the viewpoint of simplicity of production, and a method capable of improving sensitivity by a simple method has been desired.
The present invention has been made paying attention to the above-mentioned conventional unsolved problems, and is intended to reduce the labor and cost in manufacturing, and to provide a current sensor capable of improving sensitivity and a method of manufacturing the current sensor. It is intended to provide.
本発明者は、鋭意研究を重ねた結果、有限形状、有限寸法を持つ一次導体近傍の磁場分布が一次導体と同程度レベルの寸法領域付近では、それほど数値的にも著しい変化をしないことに着目してなされたものである。一次導体と磁場変換素子とが同一平面内、または、一次導体の厚み程度の段差範囲での略同一平面内の位置関係の下で、一次導体で磁場変換素子を含むICチップを取り囲むように配置し、且つ、一次導体のコーナー部周辺に磁場変換素子を一つ以上配置し、且つ、このような位置関係で磁場変換素子が配置される一次導体のコーナー部を一カ所以上配置することで、十分な磁気感度を得られることを見出した。 As a result of extensive research, the present inventor has noticed that the magnetic field distribution in the vicinity of the primary conductor having a finite shape and a finite dimension does not change so much numerically in the vicinity of the dimension area of the same level as the primary conductor. It was made. The primary conductor and the magnetic field conversion element are arranged so as to surround the IC chip including the magnetic field conversion element by the primary conductor in a positional relationship in the same plane or substantially in the same plane within the step range of the thickness of the primary conductor. And, by arranging one or more magnetic field conversion elements around the corner portion of the primary conductor, and arranging one or more corner portions of the primary conductor where the magnetic field conversion element is arranged in such a positional relationship, It has been found that sufficient magnetic sensitivity can be obtained.
すなわち、本発明の請求項1にかかる電流センサは、測定電流が流れる一次導体と、前記測定電流から誘導される磁束を検出する磁場変換素子を有し且つ平面視方形のICチップと、前記ICチップが載置されるアイランド部、リード端子および前記一次導体が一体に形成されたリードフレームと、を備える電流センサであって、前記一次導体は、前記アイランド部からは電気的に絶縁されるとともに、平面視において、前記ICチップの一つの角とその左右の二辺とにその外側から沿った形状であるコーナー部を少なくとも一つ有し、前記磁場変換素子は、前記ICチップにおける前記コーナー部の内側に位置する角部に配置されていることを特徴とする。
That is, a current sensor according to
請求項2にかかる電流センサは、前記磁場変換素子を複数備えることを特徴とする。
請求項3にかかる電流センサは、前記複数の磁場変換素子は、前記ICチップの前記角部に仮想的に描かれる面取り曲線上に沿って配置されることを特徴とする。
請求項4にかかる電流センサは、前記仮想的に描かれる前記面取り曲線は、前記測定電流により前記一次導体に誘導される磁束が形成する等磁束密度線に沿った曲線であることを特徴とする。
請求項5にかかる電流センサは、前記アイランド部は、前記一次導体よりも垂直方向位置が低くなるようにダウンプレス処理がなされていることを特徴とする。
請求項6にかかる電流センサは、前記磁場変換素子はシリコンホール素子であることを特徴とする。
A current sensor according to a second aspect includes a plurality of the magnetic field conversion elements.
The current sensor according to
The current sensor according to claim 4 is characterized in that the virtually drawn chamfer curve is a curve along an equal magnetic flux density line formed by a magnetic flux induced in the primary conductor by the measurement current. .
The current sensor according to
The current sensor according to
請求項7にかかる電流センサの製造方法は、測定電流が流れる一次導体と、前記測定電流から誘導される磁束を検出する磁場変換素子を有し且つ平面視方形のICチップと、を備えた電流センサの製造方法であって、前記ICチップと同等形状のアイランド本体を有するアイランド部と当該アイランド部と電気的に分離された一次導体とリード端子とが形成され、且つ前記一次導体は、平面視において前記アイランド本体の一つの角とその左右の二辺とにその外側から沿った形状であるコーナー部を少なくとも一つ有してなるリードフレームの前記アイランド本体に、前記ICチップを載置する工程と、前記アイランド本体に載置された前記ICチップと前記リード端子とを電気的に接続する工程と、前記アイランド部および前記ICチップと前記一次導体と前記リード端子とを一体にモールド成形してパッケージ化する工程と、を備えることを特徴とする。 A current sensor manufacturing method according to claim 7 includes: a primary conductor through which a measurement current flows; and an IC chip having a magnetic field conversion element for detecting a magnetic flux induced from the measurement current and having a square shape in plan view. A method for manufacturing a sensor, comprising: an island portion having an island body having a shape equivalent to that of the IC chip; a primary conductor and a lead terminal electrically separated from the island portion; and the primary conductor is a plan view. Placing the IC chip on the island body of the lead frame having at least one corner portion that is shaped from the outside at one corner of the island body and two left and right sides thereof. Electrically connecting the IC chip placed on the island body and the lead terminal, the island portion and the IC chip Characterized in that it and a step of packaging with integrally molded with said lead terminals and said primary conductor.
請求項8にかかる電流センサの製造方法は、前記磁場変換素子を複数備えることを特徴とする。
請求項9にかかる電流センサの製造方法は、前記複数の磁場変換素子は、前記ICチップの前記角部に仮想的に描かれる面取り曲線上に沿って配置されることを特徴とする。
請求項10にかかる電流センサの製造方法は、前記仮想的に描かれる前記面取り曲線は、前記測定電流により前記一次導体に誘導される磁束が形成する等磁束密度線に沿った曲線であることを特徴とする。
According to an eighth aspect of the present invention, there is provided a current sensor manufacturing method including a plurality of the magnetic field conversion elements.
The current sensor manufacturing method according to claim 9 is characterized in that the plurality of magnetic field conversion elements are arranged along a chamfered curve virtually drawn at the corner of the IC chip.
In the method of manufacturing a current sensor according to
本発明によれば、測定電流から誘導される磁束を検出する磁場変換素子を有し且つ平面視方形のICチップが載置されるアイランド部と、リード端子と、一次導体とを、一つのリードフレームから形成し、さらに一次導体を、アイランド部からは電気的に分離されるとともに、平面視において、ICチップの一つの角とその左右の二辺とにその外側から沿った形状であるコーナー部を少なくとも一つ有するように形成し、磁場変換素子を、ICチップにおける前記コーナー部の内側に位置する角部に配置したため、フリップチップ技術やバンプ接続などを必要とすることなく、通常のパッケージング技術を用いて電流センサを作製することができると共に磁気感度も確保することができる。したがって、製造上の手間やコスト削減を図ることができるとともに、感度向上を図ることができる。 According to the present invention, an island portion having a magnetic field conversion element for detecting a magnetic flux induced from a measurement current and having an IC chip having a rectangular shape in plan view, a lead terminal, and a primary conductor are connected to one lead. A corner portion formed from a frame, and further, the primary conductor is electrically separated from the island portion, and in a plan view, the corner portion has a shape extending from the outside to one corner of the IC chip and two left and right sides thereof. Since the magnetic field conversion element is arranged at the corner portion located inside the corner portion of the IC chip, normal packaging is not required without requiring flip chip technology or bump connection. A current sensor can be produced using the technology, and magnetic sensitivity can be ensured. Therefore, it is possible to reduce manufacturing effort and cost, and to improve sensitivity.
以下、本発明の一実施形態を説明する。なお、スリットやディンプルなどは、図示を省略している。
図1は、本発明の電流センサに適用されるリードフレームの一例を示したものである。複数の電流センサを形成するようにしたリードフレーム1の一部を示す一例であり、1つの電流センサについて後述のICチップを搭載していない状態を示したものである。また、図2は、図1のリードフレーム1上にICチップを搭載して電流センサ10を形成した状態を示す。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described. The slits and dimples are not shown in the figure.
FIG. 1 shows an example of a lead frame applied to the current sensor of the present invention. It is an example which shows a part of
図1および図2に示すように、本願発明における電流センサ10は、磁場変換素子を含み且つ平面視方形のICチップ11と、当該ICチップ11を載置するアイランド部12と、測定電流が流れる一次導体13と、ICチップ11の各端子がPAD44aや44bを経て接続され、外部からの信号を入出力するためのセンサリード端子14とから構成され、これらが一体にモールド成形されてパッケージ5内に収納されている。このパッケージ5は、SOP(Small Outline Package)やSSOP(Shrink SOP)などの小型ICパッケージで形成される。
As shown in FIGS. 1 and 2, a
図1に示すように、アイランド部12と一次導体13とセンサリード端子14とは、同一のリードフレーム1から形成され、アイランド部12を一次導体13とセンサリード端子14とで取り囲むように配置される。
図1および図2に示すように、アイランド部12は略アルファベットのT字形状を有し、ICチップ11と略同一の平面視方形のアイランド本体21と端子部22とから構成され、端子部22はアイランド本体21の一辺に一端が垂直に接続され、端子部22の他端は2つに分かれてリード端子を形成している。
As shown in FIG. 1, the
As shown in FIG. 1 and FIG. 2, the
一次導体13は、略カタカナのコの字状のコの字部31と端子部32および33とから形成され、端子部32および端子部33は左右対称の形状を有し且つアイランド部12を挟んで左右対称の位置に配置される。
前記コの字部31は、前記平面視方形のアイランド本体21の、前記端子部22が接合された辺を除く3辺に沿うように略カタカナのコの字状に形成され、且つ前記アイランド本体21とコの字部31の略直線状の3つの部分との間は一定の空隙距離m1をもって形成される。
The
The
端子部32は略長方形に形成され、長辺の一方が前記コの字部31の一端と接合される。このとき、端子部32は、長辺の一方が前記コの字部31と接続されるが、前記長辺の端部よりもやや内側の位置で接合される。さらに、端子部32は、当該端子部32の長辺の一部が、前記アイランド本体21の前記端子部22と接合された辺の一部に沿うように且つ前記一定の空隙距離m1をもって配置され、さらに、前記端子部22の長辺と端子部32の短辺との間に、一定の空隙距離m2をもって配置される。
The
端子部32のコの字部31と接続される側とは逆側の長辺にリード端子形成用のリード端子形成用孔34が長手方向に沿って複数形成されている。そして、リード端子形成用孔34の部分までモールド成形されてパッケージ5が形成され、パッケージ5外のリード端子形成用孔34部分が端子部32のリード端子を形成している。
端子部33は、前述のように端子部32と左右対称の形状を有し、左右対称の位置に配置される。その結果、一次導体13は、図2に示すように、アイランド部12のアイランド本体21の3辺をコの字部31で囲み、且つ、残りの一辺を、端子部32と33とで取り囲むように配置される。
A plurality of lead
The
さらに、このとき、コの字部31とアイランド本体21との間、および端子部32および33とアイランド本体21との間は一定の空隙距離m1をもって配置され、且つ、端子部22と端子部32および33との間は一定の空隙距離m2をもって配置されるため、アイランド部12と一次導体13とは物理的且つ電気的に分離されている。
なお、前記アイランド部12と一次導体13との間には、前記モールド成形によりモールド樹脂が入り込んでもよい。
Further, at this time, the
A mold resin may enter between the
センサリード端子14は、コの字部31を取り囲むように複数配置される。例えば、図2では、センサリード端子14の一端は、コの字部31を取り囲むように配置され、センサリード端子14の他端は、パッケージ5の、端子部32、33のリード端子が形成された側とは逆側の長辺の長手方向に沿って配置され、且つパッケージ5からはみ出すように形成されている。
A plurality of
そして、アイランド部12のアイランド本体21にICチップ11を載置した状態で、支持部5a、センサリード端子14、端子部22、32、33の端部を多少残してモールド成形することによって、パッケージ5の長辺の一方に、センサリード端子14が複数形成され、他方に一次導体13用のリード端子およびアイランド部12用のリード端子が形成されることになる。なお、アイランド部12用のリード端子は、パッケージ5内に収納され、パッケージ5内部で接続が行われることもある。
Then, in a state where the
また、ICチップ11と一次導体13のコの字部31との位置関係は、図3(a)に示すように、コの字部31に対して、ICチップ11は、アイランド本体21の厚み相当だけ上方に位置し、且つ、コの字部31の略カタカナのコの字を形成する略直線状の対向する2辺間の中央に、それぞれ一定の空隙距離m1をもって配置されることになる。
なお、図3(a)および後述の(b)は、図2のA−A′断面を模式的に示したものである。
Further, the positional relationship between the
3A and later-described (b) schematically show the AA 'cross section of FIG.
図3(a)では、ICチップ11と一次導体13のコの字部31とが同一平面に位置するように配置した場合について説明したがこれに限るものではなく、図3(b)に示すように、磁気感度としては向上する方向に働くダウンプレス処理がアイランド本体21に対してなされていてもよい。このとき、ICチップ11に含まれる磁場変換素子の垂直方向位置が一次導体13のコの字部31の(厚み方向中央にあたる)導体中心の垂直方向位置と同等となるようにダウンプレスすれば、一次導体13に誘導された誘導磁束をより効率よく検出することができる。図3(b)は、ICチップ11の上表面付近に磁場変換素子がある場合に、最大磁束密度強度を得るべく、コの字部31の厚み方向の中心に磁場変換素子が位置するように、磁場変換素子の高さ位置を揃えた状態を示す。
In FIG. 3A, the case where the
前記ICチップ11は、例えば、図4に示すように、磁場変換素子41a、41bと、加算器42a、42bと、信号処理器43と、PAD44a、44bと、を備えて構成される。
磁場変換素子41a、41bは例えばシリコンホール素子などの磁場検出可能な同一のセンサで形成され、磁場変換素子41a、41bは、例えばそれぞれ3つずつ設けられている。
As shown in FIG. 4, for example, the
The magnetic
加算器42aは磁場変換素子41a用の加算器であって、3つの磁場変換素子41aの検出信号を加算し、加算結果を信号処理器43に出力する。加算器42bは磁場変換素子41b用の加算器であって、3つの磁場変換素子41bの検出信号を加算し、加算結果を信号処理器43に出力する。
信号処理器43は、加算器42aおよび42bからの加算結果を合計し、これを増幅する。また、その他必要な所定の信号処理を行なう。
The
The
PAD44a、44bは、例えばそれぞれ3つずつ設けられている。なお、PAD44a、44bは、図示しない内部配線で信号処理器43と接続されている。
図2に示すように、平面視方形のICチップ11の一方の長辺を挟む角部を11a、11bとしたとき、ICチップ11は、角部11a、11bが、略カタカナのコの字状のコの字部31の2つのコーナー部31a、31bと対向するように、アイランド本体21に載置される。
For example, three
As shown in FIG. 2, when the corners sandwiching one long side of the
そして、図2に示すように、磁場変換素子41a、41bは、ICチップ11の角部11a、11bに設けられる。具体的には、磁場変換素子41a、41bは、角部11a、11b部分に仮想的に描かれる面取り曲線上に沿って配置される。
つまり、前述のように、ICチップ11は、角部11a、11bが、コの字部31のコーナー部31a、31bと対向するようにアイランド本体21に載置されるため、磁場変換素子41a、41bは、コの字部31のコーナー部31a、31bと対向するように、面取り曲線上に沿って配置される。
As shown in FIG. 2, the magnetic
That is, as described above, the
なお、図2では、例えば、角部11a、11bの全面にわたって、磁場変換素子41a、41bを面取り曲線上に沿って配置している(必ずしも、角部11a、11bの全面にわたって磁場変換素子41a、41bを設ける必要はなく、面取り曲線上に配置されていれば、局所的に配置されていてもよい。)。
また、図2では、例えばPAD44a、44bは、ICチップ11の各短辺に沿って配置され、それぞれ磁場変換素子41a、41bから離れた端子部32、33寄りの位置に配置されている(必ずしも、端子部32、33寄りの位置に配置されていなくてもよい。)。
In FIG. 2, for example, the magnetic
In FIG. 2, for example, the
また、図2では、例えば、前記信号処理器43は、ICチップ11の長辺に沿って左右方向には中央部寄りに、短辺に沿って上下方向には中央よりもやや下側のPAD44a、44bに近い位置付近に配置されている(必ずしも、この位置に配置されていなくても良い。)。
また、図2では、例えば、加算器42aは各磁場変換素子41aと信号処理器43との間の信号処理器43に近い箇所に配置され、加算器42bは各磁場変換素子41bと信号処理器43との間の信号処理器43に近い箇所に配置されている(必ずしも、この位置に配置されていなくても良い。)。
In FIG. 2, for example, the
In FIG. 2, for example, the
以上の構成とすることによって、一次導体13に流れる測定電流に応じて、コーナー部31a、31bに生じる誘導磁束が、ICチップ11を構成する磁場変換素子41a、41bにより検出される。そして、これら磁場変換素子41a、41bで検出された誘導磁束に応じた信号が加算器42a、42bで加算され、信号処理器43で増幅等の必要な信号処理がなされて、測定電流に応じた大きさのセンサ出力として、図示しない内部配線を介してPAD44a、44bに伝達され、そこからボンディングワイヤ45、センサリード端子14を介して外部に出力されるようになっている。
With the above configuration, the induced magnetic flux generated in the
次に、上記電流センサ10の製造方法を、図5を伴って説明する。
なお、図5は、リードフレーム1の一部分を取り出して一個の電流センサに対応する箇所を記載したものである。
まず、図5(a)に示すように、電流センサ10に対応する領域に、アイランド部12と一次導体13とセンサリード端子14と、支持部5aとを同一の板材から打ち出してリードフレーム1を形成する。
Next, a method for manufacturing the
FIG. 5 shows a part corresponding to one current sensor by taking out a part of the
First, as shown in FIG. 5A, the
次に、図5(b)に示すように、アイランド部12にICチップ11を載置する。
更に、図5(c)に示すように、ICチップ11のPAD44a、44bと、センサリード端子14と、をボンディングワイヤ45で接続する。
最後に、ICチップ11、アイランド部12、一次導体13およびセンサリード端子14を一体にモールド成形してパッケージ5を成形する。これにより、電流センサ10が形成される。
Next, as shown in FIG. 5B, the
Further, as shown in FIG. 5C, the
Finally, the
そして、リードフレーム1に形成された電流センサ10を、リードフレーム1から切断して、リード端子を成形することによって、図5(d)に示すように、SOP、SSOPなどの小型ICパッケージにパッケージ化された電流センサを得ることができる。
ここで、上述のように、図2に示される一次導体13は、リードフレーム平面内でICチップ11に沿ってこれを囲むように配置されている。そのため、一次導体13はコーナー部31a、31bを有し、ICチップ11において磁場変換素子41a、41bは、コーナー部31a、31bと対向し且つ仮想的に描かれるICチップ11の角部11a、11bに対する面取り曲線上に配置されている。
Then, the
Here, as described above, the
ここで、図2に示すように、例えば、一次導体13のコーナー部31a、31bがアルファベットのL字状に折れ曲がっている場合、コーナー部31a、31b周辺の等磁束密度線は、後述の図8に示すように円弧状に分布する。
したがって、ICチップ11において、円弧状の等磁束密度線に沿って、図2に示すように、例えば、磁場変換素子41を複数個配置した構成とし、複数の磁場変換素子41の検出信号の出力を加算器42にて合計し、合計した結果をセンサ出力とすることによって感度向上を図ることができる。
Here, as shown in FIG. 2, for example, when the
Therefore, in the
また、図5に示すように、電流センサ10の製造工程においては、アイランド部12のアイランド本体21にICチップ11を載置し、ICチップ11のPAD44a、44bとセンサリード端子14とをボンディングワイヤ45で接続してモールド成形するだけでよい。つまり、ICチップ11をフリップチップボンディグ処理や、バンプ接続する必要はなく、また絶縁膜などを設ける必要もない。また、所望の磁場感度(すなわち、電流感度)を得るために、磁場変換素子41を必要に応じて複数個設けるだけで実現できる。
As shown in FIG. 5, in the manufacturing process of the
このため、製造上の手間やコスト削減を図りつつ、電流センサ10の感度向上を図ることができる。
上述のように、図2を用いて、磁場変換素子41を角部11a、11bに、面取り曲線に沿って1列に配置する場合について説明した。
複数の磁場変換素子41を等磁束密度線に沿って配置することは、信号レベルが同レベル、ノイズレベルが同程度、さらにSN比が同レベルとなる、磁場変換素子出力を複数加算した信号をセンサ出力として得ることになるため、総合した感度もSN比の劣化が無く(少なく)、且つ、高い磁気感度を得る事ができ効果的である。
Therefore, it is possible to improve the sensitivity of the
As described above, the case where the magnetic
Arranging a plurality of magnetic
なお、磁場変換素子41を等磁束密度線に沿って1列に並べる場合以外にも、等磁束密度線を斜めに横切るように複数の磁場変換素子を並べることも可能でありまた、等磁束密度線を垂直に横切るように並べることも可能である。また、磁場変換素子を1列に並べる場合に限らず数列平行に並べたり、面状に並べたりすることも可能である。また、複数の磁場変換素子41を密集させて配置してもよく、また、疎に配置することも可能である。さらに磁場変換素子41を、仮想的な面取り曲線或いは等磁束密度線上に、局所的に配置しても良く、また、全面にわたって配置することも可能である。
In addition to the case where the magnetic
等磁束密度線上にホール素子を複数並べたとき、ある片端側のホール素子では磁束密度が増加し、それとは反対の端側のホール素子では磁束密度が低下する場合には、複数の磁場変換素子出力を加算して得たセンサ出力は、トータルでは変動が相殺される方向に働くので、製造上の組み立てバラつきによる感度変化にも一層強くなる方向に働く。 When multiple Hall elements are arranged on the same magnetic flux density line, the magnetic flux density increases in one Hall element on one end, and the magnetic flux density decreases in the Hall element on the opposite end. Since the sensor output obtained by adding the outputs works in a direction in which the fluctuation is canceled out in total, it works in a direction that becomes stronger against the sensitivity change due to the assembly variation in manufacturing.
なお、上記実施の形態においては、図2および図4に示すように、複数の磁場変換素子41を含んでICチップ11を構成した場合について説明したが、これに限るものではない。例えば、図6(a)に示すように、一個の磁場変換素子41を、ICチップ11の左右何れか一方の角部11aまたは11bのみに設けることも可能であり、この場合には、信号加算器42を通す必然性はなく、磁場変換素子41の検出信号をそのまま信号処理器43に出力することも可能である。また、ICチップ11の左右の角部11a、11bに1つずつ磁場変換素子41を設けることも可能である。
In the above embodiment, as shown in FIGS. 2 and 4, the case where the
さらに、図6(b)に示すように、複数の磁場変換素子41を、ICチップ11の左右の角部11a、11bそれぞれに設け、1つの加算器42により複数の磁場変換素子41の検出信号を加算し、加算結果を信号処理器43で増幅及びそのほかの信号処理をするように構成することも可能である。さらに、加算器42を信号処理器43に含めることも可能であり、これらも本願の発明の範囲内である。
Further, as shown in FIG. 6B, a plurality of magnetic
また、図1、2、5に示したように、上記実施の形態においては、一次導体13を、略カタカナのコの字形状のコの字部31を備える構成とした場合について説明したがこれに限るものではない。例えば、一次導体13を、ICチップ11の角部11aと11bとのうちの何れか一方のみに沿うように、アルファベットのL字状に形成することも可能である。
Also, as shown in FIGS. 1, 2, and 5, in the above-described embodiment, the
この場合には、この1つのコーナー部の仮想的な面取り曲線上、または等磁束密度線上に、磁場変換素子41が配置されるように、ICチップ11における、角部11aまたは11bに対する磁場変換素子41の位置をレイアウトし、且つ、ICチップ11と一次導体13との位置関係を決定すればよい。
これまでの説明では、一次導体13が、平面視において、ICチップ11と同等形状のアイランド本体21の一つの角とその左右の二辺とにその外側から沿った形状であるコーナー部を少なくとも一つ有してなる場合について説明した。
In this case, the magnetic field conversion element for the
In the description so far, the
上述のように、一次導体13のコーナー部において等磁束密度線が形成されるため、要は一次導体13が等磁束密度線を形成するコーナー部を1つ以上備えていればよい。そして、このコーナー部と対向して磁場変換素子41が位置するように、一次導体13とICチップ11との位置関係、およびICチップ11における磁場変換素子41の位置を決定すればよい。
As described above, since the equal magnetic flux density lines are formed at the corner portions of the
また、一次導体13のコーナー部31aおよび31bの角度は、必ずしも略90°である必要はなく、等磁束密度線が形成され、且つ所望の磁気感度(すなわち電流感度)を得ることのできる数の磁場変換素子41をこのコーナー部に配置することができれば、どのような角度であってもよい。また、一次導体13の形状も、L次形状やコの字形状といった、特定形状に限定されるものではない。
Further, the angles of the
以上から分かるように、本願の構成による電流センサは、感度バラツキ抑制効果を図りながら、一層の感度向上とSN比の改善を図ることができる。
なお、図2では、パッケージ5の長辺とICチップ11の長辺とが(或いは、パッケージ5の短辺とICチップ11の短辺とが)対応するように、パッケージ5内にICチップ11を配置しており、パッケージ5内のICチップ11が占める面積占有率が比較的高い構成になっている。
As can be seen from the above, the current sensor according to the configuration of the present application can further improve the sensitivity and improve the SN ratio while achieving the effect of suppressing the sensitivity variation.
In FIG. 2, the
この配置に限定するものではなく、一層の感度向上を図るために、パッケージ5の長辺とICチップ11の短辺とが(或いは、パッケージ5の短辺とICチップ11の長辺とが)対応するように、配置してもよい。つまり、図2において、ICチップ11が90度回転して配置した構成としてもよい。このようにすることによって、ICチップ11に沿うように配置される一次導体13のコの字部31の幅をより狭くすることができるため、その分磁束密度の向上を図ることができ、すなわち、感度向上を図ることができる。
The arrangement is not limited to this, and in order to further improve the sensitivity, the long side of the
また、磁場変換素子41を、サイズ30μm角、配線込みで40μm角程度の領域が占められるホール素子と仮定し、ICチップ11のチップサイズを2.7×1.4mmと仮定する。図2に示すように角部11a、11b周辺を避けるようにICチップ11にPAD44を配置し、角部11a、11bを形成するICチップ11の2辺からそれぞれ内側に200μmの位置を通るように角部11a、11bに円弧状に磁場変換素子41a、41bを配置し、かつ角部11a、11bの角度90度の範囲全面に配置したと仮定する。
Further, it is assumed that the magnetic
この場合、角部11a、11bのそれぞれには、物理的に、1列に配置する場合で14〜15個前後相当の磁場変換素子41a、41bを配置するスペースがあり、数・位置に関する自由度が高い。
また、図2に示す電流センサ10において、磁場変換素子41は、次のような範囲式を満足する位置に配置することができる。
範囲式:
一次導体アスペクト比A/D:4≧A/D≧0
垂直離間距離E〔mm〕:+1≧E≧−1
水平離間距離C〔mm〕:2≧C≧A/2
なお、式中のA、C、D、Eは、磁場変換素子41の素子配置位置および後述の観測点の位置を特定するためのパラメータである。
In this case, each of the
In the
Range formula:
Primary conductor aspect ratio A / D: 4 ≧ A / D ≧ 0
Vertical separation distance E [mm]: + 1 ≧ E ≧ −1
Horizontal separation distance C [mm]: 2 ≧ C ≧ A / 2
A, C, D, and E in the formula are parameters for specifying the element arrangement position of the magnetic
前記パラメータの位置基準となる座標原点Pは以下のように設定される。
すなわち、図1に示すように、コの字部31を形成する3辺のうち、向かい合う部分を対向部31αおよび31β、これら対向部31αと対向部31βとに挟まれる部分を中間部31γとする。そして、中間部31γの幅方向中心位置である導体幅中心と対向部31βの導体幅中心との交点を通り且つコーナー部31bの厚み方向に沿った直線上の、コーナー部31bの厚み方向中心となる位置を、前記パラメータの位置基準となる座標原点Pとする。中間部31γの導体幅中心に沿った方向をX軸方向、対向部31βの導体幅中心に沿った方向をY軸方向、コの字部31の厚み方向をZ軸方向とする。
The coordinate origin P, which is the position reference for the parameters, is set as follows.
That is, as shown in FIG. 1, among the three sides forming the
このように設定したXYZ座標系において、図7(a)に示す図2のA−A′断面の概略図に示すように、座標原点Pから、前記磁場変換素子41または観測点までのX軸方向の離間距離を水平離間距離C〔mm〕とする。
座標原点Pから、前記磁場変換素子41または観測点までのZ軸方向の離間距離を垂直離間距離E〔mm〕とする。
コの字部31の導体幅をA〔mm〕、コの字部31の厚みをD〔mm〕とする。
In the XYZ coordinate system thus set, as shown in the schematic diagram of the AA ′ cross section of FIG. 2 shown in FIG. 7A, the X axis from the coordinate origin P to the magnetic
A separation distance in the Z-axis direction from the coordinate origin P to the magnetic
The conductor width of the
ここで、後述の実施例1、実施例2では、共に、コの字部31のICチップ側端縁とICチップ11の一次導体側端縁間の空隙距離m1を0.100〔mm〕とし、ICチップ11の角部11a、11bを形成する2つの辺からICチップ11内側に、0.3〔mm〕ずつ入った箇所に等磁束密度線上の感磁面中心の一つがある場合を想定している。つまり、一次導体13から0.4〔mm〕ずつ内側に入った箇所に前記感磁面中心がある場合を想定している。
Here, in Example 1 and Example 2 described later, the gap distance m1 between the IC chip side edge of the
一方、前記空隙距離m1を0.200〔mm〕とし、ICチップ11の角部11a、11bを形成する2つの辺からICチップ内側に、0.2〔mm〕ずつ入った箇所に等磁束密度線上の感磁面中心の一つがある場合も、一次導体13から0.4〔mm〕ずつ内側に入った箇所に前記感磁面中心が存在することになる。したがって、空隙距離m1に応じて感磁面中心の位置を決定する必要がある。
On the other hand, the gap distance m1 is set to 0.200 [mm], and the equal magnetic flux density is set at a location of 0.2 [mm] from the two sides forming the
また、図7(a)に示す観測点2(後述の実施例2の観測点2)は、例えば以下のような範囲式として表す事ができる。
範囲式:
コの字部31の導体幅A〔mm〕:0.780≧A≧0.390
導体厚みD〔mm〕:D=0.230
一次導体13のアスペクト比A/D:
(0.780/0.230=)3.4≧A/D≧(0.390/0.230=)1.6
垂直離間距離E=D/2+E′〔mm〕:
(0.230/2+0.300=)+0.42≧E≧−0.42
(E′は、座標原点Pとコの字部31の上表面との垂直方向の離間距離)
水平離間距離C=C′+m1+A/2〔mm〕:
(0.3+0.1+0.780/2=)0.79≧C≧(A/2=0.390/2=)0.19
Moreover, the observation point 2 (
Range formula:
Conductor width A [mm] of the U-shaped portion 31: 0.780 ≧ A ≧ 0.390
Conductor thickness D [mm]: D = 0.230
Aspect ratio A / D of primary conductor 13:
(0.780 / 0.230 =) 3.4 ≧ A / D ≧ (0.390 / 0.230 =) 1.6
Vertical separation distance E = D / 2 + E ′ [mm]:
(0.230 / 2 + 0.300 =) + 0.42 ≧ E ≧ −0.42
(E ′ is the vertical separation distance between the coordinate origin P and the upper surface of the U-shaped portion 31)
Horizontal separation distance C = C ′ + m1 + A / 2 [mm]:
(0.3 + 0.1 + 0.780 / 2 =) 0.79 ≧ C ≧ (A / 2 = 0.390 / 2 =) 0.19
また、図7(a)に示す観測点3(後述の実施例2の観測点3)は、例えば以下のような範囲式として表す事ができる。
範囲式:
コの字部31の導体幅A〔mm〕:0.780≧A≧0.390
導体厚みD〔mm〕:D=0.230
一次導体アスペクト比A/D:
(0.780/0.230=)3.4≧A/D≧(0.390/0.230=)1.6
垂直離間距離E=D/2+E′〔mm〕:
(0.230/2+0.300=)+0.42≧E≧−0.42
水平離間距離C=C′+m1+A/2〔mm〕:
(約0.85+0.3+0.1+0.780/2=)1.6≧C≧(A/2=0.390/2=)0.19
Moreover, the observation point 3 (
Range formula:
Conductor width A [mm] of the U-shaped portion 31: 0.780 ≧ A ≧ 0.390
Conductor thickness D [mm]: D = 0.230
Primary conductor aspect ratio A / D:
(0.780 / 0.230 =) 3.4 ≧ A / D ≧ (0.390 / 0.230 =) 1.6
Vertical separation distance E = D / 2 + E ′ [mm]:
(0.230 / 2 + 0.300 =) + 0.42 ≧ E ≧ −0.42
Horizontal separation distance C = C ′ + m1 + A / 2 [mm]:
(About 0.85 + 0.3 + 0.1 + 0.780 / 2 =) 1.6 ≧ C ≧ (A / 2 = 0.390 / 2 =) 0.19
なお、後述の実施例2の図9(a)、(b)、図10(a)、(b)は上記範囲を満足するものである。
したがって、前記図2に示す電流センサ10における、磁場変換素子41の配置位置は、前記範囲式を満足する位置に設定することができる。ただし、これに限定するものではない。
In addition, FIG. 9 (a), (b) of FIG. 9 mentioned later, FIG. 10 (a), (b) satisfies the said range.
Therefore, the arrangement position of the magnetic
以下に、本発明の実施例を説明するが、本発明はこの実施例に限定されるものではない。
静磁場解析の解析精度に関しては、別途、電流センサの一次導体に電流を流した時の測定と、磁場変換素子としてのホール素子の感磁面に垂直に入るように電流センサに平行磁場を印加した時の測定とを行い、これらの測定結果から、電流感度と磁気感度との関係を求めた。その結果、ラフな3Dモデリングによる静磁場解析から得られた誘導磁束密度の値は、測定から求めた(1〔A〕あたりの)磁束密度と約10%以上の差異があったが、サンプル形状の寸法が異なってもその差異は同程度であった。数値シミュレーションによる電流による誘導磁束密度の算出には相応の確からしさが得られていることが確認された。
Examples of the present invention will be described below, but the present invention is not limited to these examples.
Regarding the analysis accuracy of static magnetic field analysis, separately, when a current is passed through the primary conductor of the current sensor, a parallel magnetic field is applied to the current sensor so as to be perpendicular to the magnetic sensing surface of the Hall element as the magnetic field conversion element. The relationship between current sensitivity and magnetic sensitivity was determined from these measurement results. As a result, the value of the induced magnetic flux density obtained from the static magnetic field analysis by rough 3D modeling was about 10% or more different from the magnetic flux density (per 1 [A]) obtained from the measurement. Even if the dimensions were different, the difference was similar. It was confirmed that a certain degree of certainty was obtained in the calculation of the induced magnetic flux density by the current by numerical simulation.
(実施例1)
リードフレーム1の厚みを0.230〔mm〕とする。
図2に示したように、一次導体13は、平面視で一次導体13のコーナー部31a、31bが左右にある、略カタカナのコの字形状とする。一次導体13のコの字部31とアイランド本体21とが空隙距離m1=0.1〔mm〕を挟んで配置されている。つまり、一次導体13のコの字部31のICチップ側端縁とICチップの一次導体13の側端縁間の空隙距離m1を0.100〔mm〕とする。
Example 1
The thickness of the
As shown in FIG. 2, the
アイランド本体21上に載置するICチップ11の形状を、横幅約2.3×縦幅約1.4×厚み0.20〔mm〕角の平面視方形とする。
一次導体13のコの字部31の電流経路となる導体幅Aは0.390〔mm〕であり、また、一次導体13の厚みDはリードフレームと同じ0.230〔mm〕である。
図7(a)に示すように、ICチップ11を構成する磁場変換素子41としてのホール素子の配置を想定して、ホール素子の感磁面中心を磁束密度の観測点とし、観測点における磁束密度を、積分要素法に基づく磁場シミュレーションにて求めた。
The shape of the
The conductor width A that becomes the current path of the
As shown in FIG. 7A, assuming the arrangement of the Hall element as the magnetic
図7(a)では、磁場変換素子の配置の一例として観測点2なる位置に重ねて描いている(図中では、一例としてICチップ11の上表面に観測点2を描いている)。ICチップ11の端縁からICチップ11の内側に向かって、ICチップ11の角部を形成する二辺両方から内側に入った距離C′=0.3〔mm〕なる箇所を等磁束密度線上にある感磁面中心の一つとする。すなわち、ICチップ11の端縁からチップ内側に入った磁束密度観測点(ホール素子の感磁面中心)までの距離C′を0.300〔mm〕とする。本例では、観測点2がそこに位置する。
In FIG. 7A, as an example of the arrangement of the magnetic field conversion elements, it is drawn so as to overlap with the position of observation point 2 (in the drawing,
観測点1は、X軸方向には座標原点Pを通る線上に位置している(C=0)。また観測点1は、Z軸方向には座標原点Pから一次導体厚みDの半分を介して、一次導体13の上表面からさらに上方に離間距離E′=0.070〔mm〕なる距離だけ離れた位置にある(E=D/2+E′=0.230/2+0.070)。
観測点2は、座標原点Pを通るX軸方向位置にある観測点1からみて、X軸方向に、導体幅Aの半分0.390/2+(m1=)0.100+ICチップ11の端縁から内側に(C′=)0.3〔mm〕だけ入った位置にある。Z軸方向には座標原点P(一次導体13の厚み中心)から、一次導体厚みDの半分を介して、一次導体13の上表面からさらに上方に(離間距離E′=)0.070〔mm〕なる距離だけ離れた位置にある。
The
The
観測点2のX軸方向の位置、すなわち、座標原点Pからの水平離間距離C〔mm〕は、以下で表される。
C=C′+m1+A/2
=0.300+0.100+0.390/2=0.595
観測点2のZ軸方向の位置、すなわち座標原点Pからの垂直離間距離E〔mm〕は、以下で表される。
E=E′+D/2=0.070+0.230/2=0.185
The position of the
C = C '+ m1 + A / 2
= 0.300 + 0.100 + 0.390 / 2 = 0.595
The position of the
E = E ′ + D / 2 = 0.070 + 0.230 / 2 = 0.185
観測点3は、観測点1および観測点2を結ぶ線の延長上にあり、かつ本例におけるICチップ11の長辺の1/2の位置に対応するX軸方向の位置(図7(a)における一次導体13のX軸方向の中心)に位置する。そして、観測点3は(座標原点Pを通るZ軸方向の位置にある観測点1からみて、)X軸方向に、導体幅Aの半分0.390/2+m1(=0.100)+ICチップ11の長辺幅(横幅)の半分(約2.3/2=約1.4〔mm〕)だけ離れ、かつ、Z軸方向には、座標原点Pから一次導体厚みDの半分を介して、一次導体13の上表面からさらに上方に(離間距離E′=)0.070〔mm〕なる距離だけ離れた位置を表す。
The
観測点3のX軸方向の位置(座標原点Pからの水平離間距離)C〔mm〕は、以下で表される。
C=C′+m1+A/2
=約2.3/2〔mm〕+0.100+0.390/2=約1.4〔mm〕
観測点3のZ軸方向の位置(座標原点Pからの垂直離間距離)E〔mm〕は、以下で表される。
E=E′+D/2=0.070+0.230/2=0.185
The position of the
C = C '+ m1 + A / 2
= About 2.3 / 2 [mm] + 0.100 + 0.390 / 2 = About 1.4 [mm]
The position of the
E = E ′ + D / 2 = 0.070 + 0.230 / 2 = 0.185
このように観測点を設定した電流センサ10について、積分要素法にて、一次導体13に1〔A〕を通電して静磁場解析を行い、ICチップ11の角部11a、11bの周辺や、一次導体13のコーナー部31a、31bの周辺を含むようにして磁束密度をプロットしたのが図7(b)である。
For the
図7(b)は、図7(a)において、X軸―Z軸平面において0.05〔mm〕間隔で、3軸合力の磁束密度の強さと磁束の向きをベクトルの長さと向きで表した概略図である。図7(a)に示す一次導体13の断面において、右側のコの字部31Rから電流が入り、他方の左側のコの字部31から出て行く(図2において端子部33から計測電流が入り、端子部32から出て行く)構成とした。
図7(b)において、一次導体13のコーナー部31a、31bに挟まれたX軸方向の空間領域と、その周辺の+Z軸方向及び−Z軸方向の空間領域(例えば、観測点2、観測点3)では、磁束の向きはほぼ+Z軸方向に沿っていることがわかる。
FIG. 7B shows the strength of the magnetic flux density and the direction of the magnetic flux of the triaxial resultant force in terms of vector length and direction at an interval of 0.05 mm in the X-axis to Z-axis plane in FIG. FIG. In the cross section of the
In FIG. 7B, a space region in the X-axis direction sandwiched between the
図8は、図7(a)においてX軸―Y軸平面において0.05〔mm〕間隔で、Z軸方向の磁束密度強度を、0.0001〔T〕間隔の等高線で表した一例を示す。
図8中の観測点1、観測点2、観測点3は、図7(a)で設定した観測点1〜3と同一の観測点であって、観測点1、観測点2および観測点3を通る線分はX軸と平行となる。また、図8中の観測点4、観測点2、観測点5を通る線分はY軸と平行となる。
FIG. 8 shows an example in which the magnetic flux density strength in the Z-axis direction is expressed by contour lines of 0.0001 [T] intervals at intervals of 0.05 [mm] on the X-axis-Y-axis plane in FIG. .
すなわち前記観測点4のX軸方向位置は、観測点2のX軸方向位置と同一である。また、観測点4のY軸方向位置は図8に示すように、導体幅方向の中心位置であって、Z軸方向は、離間距離E′=0.070〔mm〕となる位置である。
観測点5は観測点4と観測点2とを結ぶ線分の−Y軸方向の延長上にあり、X軸方向位置は、座標原点Pから、{導体幅Aの半分0.390/2}+{m1(=0.100〔mm〕)}+{ICチップ11の短辺長(縦幅)の半分(1.4/2〔mm〕)}=0.995〔mm〕である。また、Z軸方向位置は離間距離E′=0.070〔mm〕となる位置である。
That is, the position of the observation point 4 in the X-axis direction is the same as the position of the
The
観測点2は、ICチップ11の1つの角部11bを形成する二辺端縁の両方からC'=0.3〔mm〕ずつ内側に入った感磁面中心の一点である。本実施例では、観測点2での誘導磁束密度は、通電電流1〔A〕に対して、約0.5〔mT〕前後であった。観測点2を含む0.5〜0.6〔mT〕の範囲なる等磁束密度線が、角部11bに対して円弧上に分布しているのが分かる。観測点2付近においては、X軸―Y軸平面において、約0.15〜約0.2〔mm〕間隔幅で、Z軸方向の磁束密度が0.1〔mT〕間隔で変化している。
The
磁場変換素子41を複数個配置することで感度は向上し、特に、磁場変換素子41bを等磁束密度線上に配置することで、同一の信号レベルと同一のノイズレベルとを持つ均一なSN比である磁場変換素子出力を加算する事ができる。よって、磁気感度、すなわち電流感度を最も効率的に向上させることができる。つまり、等磁束密度線上に2個配置すれば、約0.5〔mT〕前後の磁束密度から得られる時の感度の2倍となり、4個設ければ、感度も4倍となる。角部11bに加えて、さらに、角部11aでも磁場変換素子41aを同様に配することで、更に、2倍の感度を得ることができる。
By arranging a plurality of magnetic
以上の構成は、例えば、サイズ8.2×5.3×2.1〔mm〕なるIC用SSOP24ピンパッケージに格納できる。アイランド本体21上に載置するICチップ11のサイズが少し広がった、横幅約2.7×縦幅約1.4×厚み0.20〔mm〕角の平面視方形のものでも、十分にパッケージに収めることができる。
一次導体13の抵抗値は、一例として、約1.9〔mΩ〕程度である。
本願による電流センサ10は、製造上の簡素化による効果を上げながら、安価で実用的な電流センサとして供され得る事を示している。
The above configuration can be stored, for example, in an IC SSOP 24-pin package having a size of 8.2 × 5.3 × 2.1 [mm]. Even if the size of the
The resistance value of the
It has been shown that the
(比較例1)
比較例として背景技術で説明したように、感度向上を図るために、ICチップを裏返してFlip Chipボンディングを行い、一次導体に近接するようにチップを取り付けた構成なる電流センサを想定した。その構成は、特許文献3(国際公開第2006/130393)の図12にあるように、電流316が全て、U字状の電流導体部304aを通過するパターンに相当する。
U字状一次導体の磁場中心位置に当たる、U字形状の中心付近真下にホール効果素子308を配置したとして、感磁面中心での磁束密度を積分要素法による静磁場解析にて求めた。磁場解析に際して、一次導体形状は三角形状に裾野が広がっているのではなく素直な長方形状とした。
(Comparative Example 1)
As described in the background art as a comparative example, in order to improve the sensitivity, a current sensor was assumed in which the IC chip was turned over and flip chip bonding was performed, and the chip was attached so as to be close to the primary conductor. The configuration corresponds to a pattern in which all of the current 316 passes through the U-shaped current conductor portion 304a as shown in FIG. 12 of Patent Document 3 (International Publication No. 2006/130393).
Assuming that the Hall effect element 308 is arranged just below the center of the U-shape corresponding to the magnetic field center position of the U-shaped primary conductor, the magnetic flux density at the center of the magnetosensitive surface was obtained by static magnetic field analysis by the integral element method. In the magnetic field analysis, the primary conductor shape was not a triangular shape but a straight rectangular shape.
磁場解析条件は以下の通りとした。
リードフレーム1の厚みは0.230〔mm〕とした。
一次導体は、上記特許文献3の図12の導体304a、302に相当する電流往復路が単純な長方形状で、曲がっている箇所はアルファベットの綺麗なU字形状であり、そのU字部の内半径を0.135〔mm〕、導体幅を0.43〔mm〕とし、一次導体に測定電流1〔A〕を流した。
The magnetic field analysis conditions were as follows.
The thickness of the
In the primary conductor, the current round trip path corresponding to the conductors 304a and 302 in FIG. 12 of
磁場変換素子を含むICチップの形状を横幅約2.3×縦幅約1.4×厚み0.070mm角の平面視方形とし、ICチップ表面付近にある磁場変換素子を、厚み0.07〔mm〕なる絶縁膜を介して、一次導体のU字形状の中心点付近直上に配置した。
感磁面中心にあたる観測位置での磁束密度は、約1〔mT〕程度の値であった。
比較例1における方式で、感度バラつきを配慮しながら最大感度を得るためにU字形状の磁束集中箇所にホール素子を一個配置し、且つ、U字形状を1箇所とした場合、測定電流1〔A〕に対して、約1〔mT〕程度の誘導磁束密度なる磁場感度が得られ、それに対応した電流感度が得られる。
The shape of the IC chip including the magnetic field conversion element is a square in plan view having a width of about 2.3 × length of about 1.4 × 0.070 mm square, and the magnetic field conversion element in the vicinity of the IC chip surface has a thickness of 0.07 [ mm] through an insulating film of [mm], and arranged just above the center point of the U-shape of the primary conductor.
The magnetic flux density at the observation position corresponding to the center of the magnetic sensitive surface was a value of about 1 [mT].
In the method in Comparative Example 1, in order to obtain maximum sensitivity while considering sensitivity variation, when one Hall element is arranged at a U-shaped magnetic flux concentration portion and the U-shape is one location, a measurement current of 1 [ With respect to A], a magnetic field sensitivity having an induced magnetic flux density of about 1 [mT] is obtained, and a current sensitivity corresponding to that is obtained.
(実施例2)
基本構成は、実施例1と同じである。
リードフレーム1の厚み、すなわち、図7(a)におけるコの字部31の厚みDを0.230〔mm〕とする。座標原点Pとコの字部31の上表面との垂直方向の離間距離E′を0.070〔mm〕とする。コの字部31の導体幅Aを0.390〔mm〕、空隙距離m1を0.100〔mm〕とする。ICチップ11の端縁からICチップ内側に向かって、ICチップ11の角部を形成する2辺の端縁から内側に入った距離C′を0.3〔mm〕とし、そこに磁束密度観測点(または磁場変換素子41としてのホール素子の感磁面中心)の一つを置く。一次導体に測定電流1〔A〕を通電した。ICチップ11は、横幅約2.3×縦幅約1.4×厚み0.20〔mm〕なる平面視方形とする。なお、XYZ座標系および座標原点Pは実施例1と同様に設定した。
(Example 2)
The basic configuration is the same as that of the first embodiment.
The thickness of the
実施例1と異なり、本実施例2では、図7(a)の導体幅Aと離間距離E′をパラメータとして変化させ、水平離間距離Cと垂直離間距離Eとの組み合わせにより決定される位置にある観測点(または磁場変換素子の感磁面の中心点)を通る(Z軸方向の)磁束密度を静磁場シミュレーションで求めた。
観測点1〜観測点5では、垂直方向(Z軸方向)には離間距離E′の値だけ、よって、相応してトータルの垂直離間距離Eが、実施例1と異なっており、各観測点において離間距離E′を変化させた。すなわちコの字部31の導体厚みDは0.230で固定し、感磁面中心と一次導体上表面間の垂直方向の離間距離E′を0.070、0.200、0.300と変化させた。
Unlike the first embodiment, in the second embodiment, the conductor width A and the separation distance E ′ in FIG. 7A are changed as parameters, and the position is determined by the combination of the horizontal separation distance C and the vertical separation distance E. The magnetic flux density (in the Z-axis direction) passing through a certain observation point (or the center point of the magnetic sensitive surface of the magnetic field conversion element) was obtained by static magnetic field simulation.
At observation points 1 to 5, only the value of the separation distance E ′ in the vertical direction (Z-axis direction), and accordingly, the total vertical separation distance E is different from that of the first embodiment. , The separation distance E ′ was changed. That is, the conductor thickness D of the
垂直離間距離E〔mm〕は、次式で表すことができる。
E=E′+D/2=E′+0.230/2
観測点1〜観測点5では、水平方向(X軸方向またはY軸方向)にはパラメータA(導体幅)の値だけ、よって、相応してトータルの水平方向の離間距離Cが、実施例1と異なっており、各観測点においてパラメータAを変化させた。ICチップ11の端縁からICチップ内側に向かって、ICチップ11の角部を形成する2辺の端縁から内側に入った距離C'は0.3〔mm〕のままとし、空隙距離m1も0.1〔mm〕のままとした。コの字部31の導体幅Aを0.390,0.510,0.780と変化させた。
The vertical separation distance E [mm] can be expressed by the following equation.
E = E ′ + D / 2 = E ′ + 0.230 / 2
At
水平離間距離C〔mm〕は、次式で表すことができる。
C=C′+m1+A/2=0.300+0.100+A/2
図9(a)は、X軸―Z軸平面において、観測点1、観測点2、観測点3に沿って、Z軸方向の磁束密度強度をプロットした磁場シミュレーション結果の一例である。
The horizontal separation distance C [mm] can be expressed by the following equation.
C = C ′ + m1 + A / 2 = 0.300 + 0.100 + A / 2
FIG. 9A is an example of a magnetic field simulation result in which the magnetic flux density strength in the Z-axis direction is plotted along
図8の観測点1(すなわち、図9(a)における表記上の横軸X軸の原点)−観測点2−観測点3に沿って(すなわち、図7(a)のパラメータCをX軸方向に0.05〔mm〕間隔で移動させて)、Z軸方向に(すなわち、ホール素子感磁面中心点を垂直に)貫く磁束密度を調べたものである。図7(a)、図7(b)、図8と同様に、XYZ座標系を設定し原点座標Pも同様に設定した。図9(a)では、ICチップ11内側に向かう方向がマイナス符号となる。
図9(b)は、Y軸―Z軸平面において、観測点4、観測点2、観測点5に沿って、Z軸方向の磁束密度強度をプロットした磁場シミュレーション結果の一例である(パラメータA、E′は図9(a)と同様に変化させた。)。図8の観測点4(すなわち、図9(b)における表記上の横軸Y軸の原点)−観測点2−観測点5に沿って、Z軸方向に(すなわち、ホール素子感磁面中心点を垂直に)貫く磁束密度を調べたものである。
FIG. 9B is an example of a magnetic field simulation result in which the magnetic flux density strength in the Z-axis direction is plotted along observation point 4,
図9からわかるように、コの字部31の導体幅Aを0.390とし、離間距離E′をパラメータとして、0.070、0.200,0.300と変化させたとしても、0.5〔mT〕からその値前後レベルの誘導磁束密度が得られることがわかる。
次に、コの字部31の導体幅Aを0.390、0.510、0.780と変化させ、垂直方向の離間距離E′を0.070で固定して、静磁場解析を行なった。
As can be seen from FIG. 9, even when the conductor width A of the
Next, the static magnetic field analysis was performed by changing the conductor width A of the
図10(a)は、X軸―Z軸平面において、観測点1、観測点2、観測点3に沿って、Z軸方向の磁束密度強度をプロットした磁場シミュレーション結果である。
図10(b)は、Y軸―Z軸平面において、観測点4、観測点2、観測点5に沿って、Z軸方向の磁束密度強度をプロットした磁場シミュレーション結果である(なお、パラメータA、E′は図10(a)と同様に変化させた。)。
FIG. 10A shows a magnetic field simulation result in which the magnetic flux density strength in the Z-axis direction is plotted along
FIG. 10B shows a magnetic field simulation result in which the magnetic flux density strength in the Z-axis direction is plotted along observation point 4,
なお、図10(b)においても、図10(a)と同様にして、空間に誘導される磁束密度の水平方向観測範囲を、空間間隔0.05〔mm〕にて(32+1)回分、合計として、空間範囲0.05×32=1.6〔mm〕にわたって計算した。導体幅Aを変化させて計算しても磁束密度を観測する空間範囲は一定とした。そのため、導体幅A中心を原点として水平方向(X軸やY軸方向)にプロットする際に、導体幅Aが増加する分だけ、原点から同じ磁束密度観測点までの距離は増加する。図10(b)では、導体幅Aを増加させる度に、プロットの範囲が(X軸やY軸のマイナス側に)ずれていくのはこのためである。 In FIG. 10B as well, as in FIG. 10A, the horizontal direction observation range of the magnetic flux density induced in the space is totaled for (32 + 1) times at a space interval of 0.05 [mm]. As above, the calculation was performed over a spatial range of 0.05 × 32 = 1.6 [mm]. The spatial range in which the magnetic flux density is observed is constant even when the calculation is performed by changing the conductor width A. Therefore, when plotting in the horizontal direction (X-axis or Y-axis direction) with the center of the conductor width A as the origin, the distance from the origin to the same magnetic flux density observation point increases as the conductor width A increases. In FIG. 10B, this is why the plot range shifts (to the minus side of the X axis or Y axis) every time the conductor width A is increased.
導体幅Aが0.390から2倍の0.780〔mm〕に広がっても、観測点1側、または、観測点4側の一次導体に近い領域から、観測点2を経て、観測点3ないし観測点5にかけて、数10%レベル程度以下の感度低下であった。本例の検討範囲では、観測点2で0.5〔mT〕前後程度の誘導磁束密度を得られることが確認できた。
したがって、図2の平面視した一次導体形状において、一次導体13のコーナー部31a、31b周辺以外の導体部分の幅を、局所的に2倍に広げても、磁気感度を1/10程度も低下させる事なく、一次導体13の電気抵抗を抑制し、また、放熱効果を促進させる事が可能である。図11は、一次導体13のコーナー部31a、31b周辺以外の導体部分の幅を、局所的に広げた電流センサの模式図の一例である。
Even if the conductor width A increases from 0.390 to 0.780 [mm], the
Therefore, in the primary conductor shape in plan view of FIG. 2, even if the width of the conductor portion other than the periphery of the
(実施例3)
実施例1で用いた電流センサ10において、アイランド部12すなわちアイランド本体21を図3(b)に示すようにダウンプレスし、ICチップ11の上表面に設定した観測点2、3および5を、一次導体13のコの字部31の厚み中心と同じ垂直方向の高さに揃えた場合について、実施例1と同一条件で、観測点2、3および5での磁束密度を求めた。
(Example 3)
In the
その結果、観測点2におけるZ軸方向の磁束密度は約0.61〔mT〕であった。観測点3におけるZ軸方向の磁束密度は約0.49〔mT〕であった。観測点5におけるZ軸方向の磁束密度は約0.49〔mT〕であった。
アイランド部12をダウンプレスしない実施例1の場合の、観測点2でのZ軸方向の磁束密度は、前述のように約0.5〔mT〕前後であったのに対し、アイランド部12をダウンプレスした場合には、約0.61〔mT〕となっており、観測点2の磁束密度の値の変化をみても分かるように、アイランド部12をダウンプレスしない実施例1と較べて、アイランド部12をダウンプレスした実施例3は磁束密度が向上しており、ダウンプレスが信号強度向上に役立つ事が分かる。
As a result, the magnetic flux density in the Z-axis direction at the
In the case of Example 1 where the
1 リードフレーム
5 パッケージ
10 電流センサ
11 ICチップ
11a、11b 角部
12 アイランド部
13 一次導体
14 センサリード端子
21 アイランド本体
22 リード端子
31 コの字部
31a、31b コーナー部
32、33 端子部
41 磁場変換素子
DESCRIPTION OF
Claims (10)
前記一次導体は、前記アイランド部からは電気的に絶縁されるとともに、平面視において、前記ICチップの一つの角とその左右の二辺とにその外側から沿った形状であるコーナー部を少なくとも一つ有し、
前記磁場変換素子は、前記ICチップにおける前記コーナー部の内側に位置する角部に配置されていることを特徴とする電流センサ。 An IC chip having a primary conductor through which a measurement current flows, a magnetic field conversion element for detecting a magnetic flux induced from the measurement current and having a square shape in plan view, an island portion on which the IC chip is placed, a lead terminal, and the primary A lead frame integrally formed with a conductor, and a current sensor comprising:
The primary conductor is electrically insulated from the island portion, and has at least one corner portion having a shape extending from the outside at one corner and two left and right sides of the IC chip in plan view. Have
The current sensor, wherein the magnetic field conversion element is disposed at a corner portion located inside the corner portion of the IC chip.
前記ICチップと同等形状のアイランド本体を有するアイランド部と当該アイランド部と電気的に分離された一次導体とリード端子とが形成され、且つ前記一次導体は、平面視において前記アイランド本体の一つの角とその左右の二辺とにその外側から沿った形状であるコーナー部を少なくとも一つ有してなるリードフレームの前記アイランド本体に、前記ICチップを載置する工程と、
前記アイランド本体に載置された前記ICチップと前記リード端子とを電気的に接続する工程と、
前記アイランド部および前記ICチップと前記一次導体と前記リード端子とを一体にモールド成形してパッケージ化する工程と、を備えることを特徴とする電流センサの製造方法。 A method of manufacturing a current sensor comprising: a primary conductor through which a measurement current flows; and an IC chip having a magnetic field conversion element for detecting a magnetic flux induced from the measurement current and having a square shape in plan view,
An island part having an island body having the same shape as the IC chip, a primary conductor and a lead terminal electrically isolated from the island part are formed, and the primary conductor is one corner of the island body in plan view. And placing the IC chip on the island body of the lead frame having at least one corner portion formed on the left and right sides thereof from the outside; and
Electrically connecting the IC chip placed on the island body and the lead terminal;
And a step of integrally molding the island part, the IC chip, the primary conductor, and the lead terminal into a package, and manufacturing the current sensor.
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