JP2013205387A - Current sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、請求項１の上位概念による形式の電流センサ、およびこのような電流センサを有する電流測定装置に関する。 The invention relates to a current sensor of the type according to the superordinate concept of claim 1 and to a current measuring device comprising such a current sensor.
電流センサは多種多様の実施形態および変形実施形態で存在する。電流により形成された磁界を検出する電流センサであって、従来のＩＣハウジングに実装されており、測定すべき電流が流れる電流導体がハウジングを通って案内されている電流センサはたとえば、特許文献１、特許文献２、特許文献３および特許文献４から公知である。 Current sensors exist in a wide variety of embodiments and variations. A current sensor that detects a magnetic field formed by an electric current and is mounted on a conventional IC housing, in which a current conductor through which a current to be measured flows is guided through the housing is disclosed in, for example, Patent Document 1 , Patent Document 2, Patent Document 3 and Patent Document 4.
ハウジングを通って案内される電流導体は比較的小さな断面積を有し、磁界センサの領域ではそこでの電流密度および磁界を局所的に高めるためにさらに低減された断面積を有するので、電流導体での損失電力により発生した熱が電流センサを加熱し、この熱が磁界センサの望ましくないドリフト変動を引き起こす。 The current conductor guided through the housing has a relatively small cross-sectional area and in the region of the magnetic field sensor has a further reduced cross-sectional area to locally increase the current density and the magnetic field there, so that the current conductor The heat generated by the lost power heats up the current sensor, which causes undesirable drift fluctuations in the magnetic field sensor.
本発明の基礎とする課題は、必要スペースが小さく、安価に製造することができ、上記欠点を除去した電流センサを開発することである。 The problem underlying the present invention is to develop a current sensor that requires a small space, can be manufactured at low cost, and eliminates the above-mentioned drawbacks.
前記課題は、本発明に基づき請求項１の特徴によって解決される。 The object is solved by the features of claim 1 in accordance with the invention.
本発明の電流センサは、下面と上面と４つの側面とを備えるプラスチック製の平坦なハウジングと、電気端子と、測定すべき電流が流れる電流導体と、２つの磁界センサを備える半導体チップとを有し、前記２つの磁界センサにより当該２つの磁界センサの位置で検出される磁界成分は反対方向を指す。電流導体と電気端子は同じ厚さを有する。電流導体はハウジングの一方の側壁から対向する側壁に伸長しており、かつハウジングの下面に平坦に埋め込まれており、したがってハウジングの下面に露出している。電流導体の対向する２つの端部は、隣接する３つの電気端子がとる幅と少なくとも同じ大きさの幅を超えて伸長している。半導体チップと電流導体の互いに対向する表面は電気絶縁層によって分離されている。 The current sensor of the present invention includes a plastic flat housing having a lower surface, an upper surface, and four side surfaces, an electrical terminal, a current conductor through which a current to be measured flows, and a semiconductor chip including two magnetic field sensors. The magnetic field components detected by the two magnetic field sensors at the positions of the two magnetic field sensors point in opposite directions. The current conductor and the electrical terminal have the same thickness. The current conductor extends from one side wall of the housing to the opposite side wall and is evenly embedded in the lower surface of the housing and is therefore exposed on the lower surface of the housing. The two opposite ends of the current conductor extend beyond a width that is at least as large as the width of the three adjacent electrical terminals. The mutually opposing surfaces of the semiconductor chip and the current conductor are separated by an electrically insulating layer.
好ましくは電気端子も同様に、ハウジングの下面に平坦に組み込まれている。 Preferably, the electrical terminals are likewise integrated flat on the lower surface of the housing.
さらなる有利な改善形態は従属請求項から明らかとなる。 Further advantageous refinements emerge from the dependent claims.
以下、実施形態と図面に基づき本発明を詳細に説明する。図面は縮尺通りには図示されていない。 Hereinafter, the present invention will be described in detail based on embodiments and drawings. The drawings are not drawn to scale.
図１は、本発明の電流センサ１の平面図であり、この例で電流センサ１は導体路基板３（その輪郭はここに図示されていない）にある遮断された導体路２上に実装されている。図２Ａは、半導体チップがフリップチップとして実装された場合において、図１のラインＩ−Ｉに沿った断面に電流センサ１を示し、図２Ｂは、半導体チップが標準的にワイヤボンディングによって実装された場合において、図１のラインＩ−Ｉに沿った断面に電流センサを示す。個々のエレメントは、より良く理解するためにこれらの図面に縮尺通りに図示されていない。電流センサ１はまた導体路基板３にある遮断されていない連続的な導体路２上にも、または任意の導体路にも実装することができ、この場合は分路抵抗（英語：Ｓｈｕｎｔ シャント抵抗）として作用し、このことは大電流の測定を可能にする。電流センサ１は、２つの磁界センサ５を備える半導体チップ４と、磁界センサ５を作動するための電子回路とを有する。磁界センサ５は、半導体チップ４のアクティブ表面６に組み込まれるか、または半導体チップ４の表面６上に取り付けられている。 FIG. 1 is a plan view of a current sensor 1 according to the present invention. In this example, the current sensor 1 is mounted on an interrupted conductor path 2 on a conductor path board 3 (the outline of which is not shown here). ing. FIG. 2A shows the current sensor 1 in a cross section taken along line II of FIG. 1 when the semiconductor chip is mounted as a flip chip, and FIG. 2B shows that the semiconductor chip is typically mounted by wire bonding. In some cases, the current sensor is shown in cross section along line II in FIG. Individual elements are not shown to scale in these drawings for better understanding. The current sensor 1 can also be mounted on an uninterrupted continuous conductor path 2 on the conductor board 3 or on any conductor path, in this case a shunt resistor (English: Shunt shunt resistor) ), Which makes it possible to measure large currents. The current sensor 1 includes a semiconductor chip 4 including two magnetic field sensors 5 and an electronic circuit for operating the magnetic field sensor 5. The magnetic field sensor 5 is built into the active surface 6 of the semiconductor chip 4 or mounted on the surface 6 of the semiconductor chip 4.
電流センサ１はさらに、互いに対向する下面８および上面９と４つの側壁とを備えるプラスチック製の平坦なハウジング７を有する。下面８は少なくとも３つの電気端子１０と平坦な電流導体１１とを含み、それらのうち少なくとも１つの電流導体１１が、好ましくは電気端子１０も、ハウジング７の下面８に平坦に埋め込まれており、ハウジング７の下面８に露出している。電流導体１１は、ハウジング７の互いに対向する側壁まで伸長しており、磁界センサ５の領域で有利には先細になっており、および／または電流方向に対して直交して延在するスリットが設けられており、スリットの上方に磁界センサ５が配置されている。電気端子１０は２つの別の側壁に沿って配置されている。ハウジング７は、専門用語では「モールディング」と称される鋳造によって作製されたプラスチックケースである。ハウジング７は表面に実装可能な構成部材として導体路基板３にロウ付けされ、電気端子１０は対応する端子と導体路基板３上で接続され、電流導体１１は導体路２の互いに対向する端部と接続されている。導体路２における遮断の長さは、導体路２の端部と電流導体１１の端部が重なり合い、申し分なくロウ付けが可能であるように選定されている。ハウジング７たとえばいわゆるＱＦＮハウジングである。ＱＦＮとは、「Ｑｕａｄ Ｆｌａｔ Ｎｏ ｌｅａｄｓ ｐａｃｋａｇｅ」に対する頭字語である。ＱＦＮハウジングは専門分野ではＭＬＦまたはＭＬＰとも称され、ここでＭＬＦは「Ｍｉｃｒｏ Ｌｅａｄ Ｆｒａｍｅ」に対する、ＭＬＰは「Ｍｉｃｒｏ Ｌｅａｄ Ｐａｃｋａｇｅ」に対する頭字語である。電流導体１１と電気端子１０はいわゆるリードフレームから形成されている。すなわち金属、とりわけ銅からなる構造化されたフレームから形成されている。電流導体１１と電気端子１０は、これらが同じリードフレームから形成されているので同じ厚さを有する。リードフレームの厚さは典型的には０．２ｍｍであるが、電流導体１１の電気抵抗、ひいては損失熱を低減するためにたとえば０．３ｍｍまたは０．４ｍｍまたはそれ以上に高めることもできる。電流導体１１と電気端子１０は同じ平面に存在する。なぜならこれらはハウジング７の下面８に露出しているからである。電流導体１１の端部は好ましくはできるだけ広くする、すなわちハウジング７の側壁にスペースを作る電気端子１０全体の幅とほぼ同じ幅とする。典型的なＱＦＮハウジングでは、側壁ごとにｍ個の電気端子１０が存在する。すなわち１つのハウジングに全部で４＊ｍ個の端子が存在する。側壁ごとにｍ＝３の電気端子１０を備えるＱＦＮハウジングでは、電流導体１１の端部が同じスペースに３つの電気端子１０のスペースを作るほどの大きさの幅にわたって伸長する。側壁ごとにｍ＞３の電気端子１０を備えるＱＦＮハウジングでは、電流導体１１の端部が同じスペースに、隣接する少なくとも３つの電気端子１０のスペースを作るほどの大きさの幅にわたって伸長する。ｎ＊ｍ個、ただしｎ≠ｍの電気端子１０、たとえば３＊４、４＊５、４＊６等の電気端子１０を備えるＱＦＮハウジングも存在する。この場合、電流導体１１の端部は、３つの隣接する電気端子１０がとる幅と少なくとも同じ幅である。 The current sensor 1 further comprises a flat housing 7 made of plastic with a lower surface 8 and an upper surface 9 facing each other and four side walls. The lower surface 8 includes at least three electrical terminals 10 and a flat current conductor 11, of which at least one current conductor 11 is preferably also embedded in the lower surface 8 of the housing 7 in a flat manner. It is exposed on the lower surface 8 of the housing 7. The current conductor 11 extends to the opposite side walls of the housing 7 and is preferably tapered in the region of the magnetic field sensor 5 and / or provided with slits extending perpendicular to the current direction. The magnetic field sensor 5 is disposed above the slit. The electrical terminal 10 is arranged along two separate side walls. The housing 7 is a plastic case made by casting, which is called “molding” in technical terms. The housing 7 is brazed to the conductor path board 3 as a component that can be mounted on the surface, the electrical terminals 10 are connected to the corresponding terminals on the conductor path board 3, and the current conductors 11 are opposite ends of the conductor path 2. Connected with. The length of the interruption in the conductor path 2 is selected so that the end of the conductor path 2 and the end of the current conductor 11 overlap and can be brazed perfectly. A housing 7 such as a so-called QFN housing. QFN is an acronym for “Quad Flat No leads package”. The QFN housing is also referred to in the technical field as MLF or MLP, where MLF is an acronym for “Micro Lead Frame” and MLP is an acronym for “Micro Lead Package”. The current conductor 11 and the electrical terminal 10 are formed from a so-called lead frame. That is, it is formed from a structured frame made of metal, especially copper. The current conductor 11 and the electrical terminal 10 have the same thickness because they are formed from the same lead frame. The thickness of the lead frame is typically 0.2 mm, but can be increased to, for example, 0.3 mm or 0.4 mm or more to reduce the electrical resistance of the current conductor 11 and thus the heat loss. The current conductor 11 and the electric terminal 10 exist on the same plane. This is because they are exposed on the lower surface 8 of the housing 7. The end of the current conductor 11 is preferably as wide as possible, i.e., approximately the same width as the entire electrical terminal 10 that creates a space in the side wall of the housing 7. In a typical QFN housing, there are m electrical terminals 10 per side wall. That is, there are a total of 4 * m terminals in one housing. In a QFN housing with m = 3 electrical terminals 10 per side wall, the end of the current conductor 11 extends over a width large enough to create a space for the three electrical terminals 10 in the same space. In a QFN housing with electrical terminals 10 with m> 3 per side wall, the ends of the current conductor 11 extend over the same width to create a space for at least three adjacent electrical terminals 10 in the same space. There are also QFN housings with n * m, but n ≠ m electrical terminals 10, for example 3 * 4, 4 * 5, 4 * 6 etc. In this case, the end of the current conductor 11 is at least as wide as the width taken by the three adjacent electrical terminals 10.
磁界センサ５は、導体路２を流れる電流によって形成される磁界の成分を測定する。導体路２と電流センサ１を流れる電流の方向は矢印によって示されている。磁界センサ５は好ましくは、半導体チップ４のアクティブ表面６に対して垂直に延在する磁界の成分に対して感度のある磁界センサであり、たとえばいわゆる水平ホール素子である。磁界センサ５は、電流導体１１を流れる電流の方向で見て、電流導体１１の側方エッジ１２と１３の領域に配置されており、したがって磁界センサ５によって検出される磁界の成分は２つの磁界センサ５の位置では反対方向を指す。２つの磁界センサ５の出力信号は互いに減算される。差形成により外部の障害磁界の影響が十分に除去される。 The magnetic field sensor 5 measures the component of the magnetic field formed by the current flowing through the conductor path 2. The direction of the current flowing through the conductor path 2 and the current sensor 1 is indicated by an arrow. The magnetic field sensor 5 is preferably a magnetic field sensor sensitive to a magnetic field component extending perpendicularly to the active surface 6 of the semiconductor chip 4, for example a so-called horizontal Hall element. The magnetic field sensor 5 is disposed in the region of the side edges 12 and 13 of the current conductor 11 when viewed in the direction of the current flowing through the current conductor 11, and thus the magnetic field components detected by the magnetic field sensor 5 are two magnetic fields. The position of the sensor 5 indicates the opposite direction. The output signals of the two magnetic field sensors 5 are subtracted from each other. Due to the difference formation, the influence of an external disturbance magnetic field is sufficiently removed.
図２Ａの半導体チップ４はフリップチップ構造である。すなわちそのアクティブ表面６が下方を指しており、いわゆる「ソルダーバンプ」１４を介して電気端子１０と接続されている。これには測定すべき電流の流れる電流導体１１のごく近傍に磁界センサ５が存在するという利点がある。半導体チップ４のアクティブ表面６と電流導体１１とは、破壊電圧に対して所定の絶縁耐力を達成するために絶縁層１５によって分離されている。導体路２が２３０Ｖの電源に接続されている場合、典型的には２．５ｋＶの絶縁耐力が要求される。これはたとえばポリイミドから形成された１０μｍ厚の絶縁層１５によって達成される。絶縁層１５はたとえば鋳込む前に半導体チップ４上に取り付けることができる。または絶縁層１５はいわゆる欠肉層として、ハウジング７のプラスチック材料の鋳造中に形成することができる。 The semiconductor chip 4 in FIG. 2A has a flip chip structure. That is, the active surface 6 points downward, and is connected to the electrical terminal 10 via a so-called “solder bump” 14. This has the advantage that the magnetic field sensor 5 is in the immediate vicinity of the current conductor 11 through which the current to be measured flows. The active surface 6 of the semiconductor chip 4 and the current conductor 11 are separated by an insulating layer 15 in order to achieve a predetermined dielectric strength against breakdown voltage. When the conductor path 2 is connected to a power supply of 230V, typically a dielectric strength of 2.5 kV is required. This is achieved, for example, by a 10 μm thick insulating layer 15 made of polyimide. The insulating layer 15 can be attached on the semiconductor chip 4 before casting, for example. Alternatively, the insulating layer 15 can be formed as a so-called thin layer during casting of the plastic material of the housing 7.
外部の電気的影響に対して効率的なシールドを達成するため、半導体チップ４上には有利には導電層１６が取り付けられ、この導電層１６は電気回路の電気アースと接続される。この層１６は、渦電流の発生を低減するためにスリットおよび／または切欠部を含むことができる。この層１６に対しては、他に必要でない空きの金属化面を使用できる場合であれば、半導体チップ４の金属化面を使用することができる。そうでない場合には、半導体チップ４の表面６上で端子１０と電気接触するための対応する凹部を備えるスリットを取り付けることができる。 In order to achieve an efficient shielding against external electrical influences, a conductive layer 16 is preferably mounted on the semiconductor chip 4 and this conductive layer 16 is connected to the electrical ground of the electrical circuit. This layer 16 can include slits and / or notches to reduce the generation of eddy currents. For this layer 16, the metallized surface of the semiconductor chip 4 can be used if an empty metallized surface that is not required otherwise can be used. Otherwise, a slit with a corresponding recess for electrical contact with the terminal 10 on the surface 6 of the semiconductor chip 4 can be attached.
電流導体１１を流れる電流によって形成される磁界を増強するために、または外部の磁界に対するシールドとして、半導体チップ４の裏側には有利には、強磁性材料からなる層１７が取り付けられる。この層１７の相対的透磁率は少なくとも１０００である。この層１７は半導体チップ４の製造中に、たとえば電気メッキにより、またはフォイルの形態でウェハの裏側に取り付けることができる。この層１６は、電流導体１１を最大で流れる電流により形成される磁界によっても層１６が磁気的に飽和されないような厚さでなければならない。これを達成するために、通常は数１０μｍの層厚で十分である。 A layer 17 made of a ferromagnetic material is advantageously attached to the back side of the semiconductor chip 4 in order to enhance the magnetic field formed by the current flowing through the current conductor 11 or as a shield against an external magnetic field. The relative permeability of this layer 17 is at least 1000. This layer 17 can be attached to the back side of the wafer during the manufacture of the semiconductor chip 4, for example by electroplating or in the form of a foil. This layer 16 must have a thickness such that the layer 16 is not magnetically saturated by the magnetic field formed by the current flowing through the current conductor 11 at the maximum. In order to achieve this, a layer thickness of several tens of μm is usually sufficient.
図２Ｂの半導体チップ４は標準的にワイヤ１８によって端子１０と接続されている。強磁性の層１７は半導体チップ４のアクティブ表面上に取り付けられており、有利には２つの磁界センサ５を覆うだけの幅である。これにより層１７は磁界集束器として作用し、電流導体により形成され、弁別して測定すべき磁界を増強する。 The semiconductor chip 4 in FIG. 2B is typically connected to the terminal 10 by a wire 18. The ferromagnetic layer 17 is mounted on the active surface of the semiconductor chip 4 and is preferably wide enough to cover the two magnetic field sensors 5. Thereby, the layer 17 acts as a magnetic field concentrator, is formed by a current conductor and discriminates to enhance the magnetic field to be measured.
本発明の電流センサ１は表面実装可能な構成部材であり、ＩＣハウジング内にある従来の電流センサとは、測定すべき電流が流れる電流導体１１がハウジング７の外側に、ここでは下面８に露出されている点で異なる。これにより、電流導体１１内で電流によって形成された損失熱が環境へ効率的に放出される。 The current sensor 1 of the present invention is a surface-mountable component. The conventional current sensor in the IC housing is different from the current conductor 11 through which the current to be measured flows on the outside of the housing 7, here the lower surface 8. Different in that it is. Thereby, the heat loss generated by the current in the current conductor 11 is efficiently released to the environment.
すでに述べたように、電流センサ１は、導体路基板３の導体路２を流れる電流を測定するために使用することができる。電流センサ１の電流導体１１は、遮断された導体路１１の端部を接続する。この場合、導体路基板３と電流センサ１はともに１つの電流測定装置を形成する。図３は、導体路基板３（その輪郭はここに図示されていない）の実施例の平面図を示し、導体路基板３は１つまたは複数の金属面１９を有する。金属面１９はここに図示した実施例によれば電流センサ１の取付けの際に電流センサ１の電流導体１１とロウ付けされる。面１９は択一的にまたは付加的に、導体路２の対向する端部に直接接続することができる。面１９は側方で、電流センサ１のハウジング７を超えて伸長しており、電気的に浮遊している。面１９は、電流導体１１内で形成された損失熱をさらに効率的に環境へ排出するために用いられる。面１９の幾何形状は、電流の一部が流れることのできるバイパスが面１９に生じないように構成されており、これにより全電流が２つの磁界センサ５の配置された電流導体１１の区間を通って流れる。電流センサ１の電気端子１０と接触する導体路基板３の導体路は、図面を分かりやすくするため図示されていない。面１９は好ましくは、導体路基板３の電流センサ１に向いた側に、すなわち上側に配置されている。しかし面１９を導体路基板３の下側に配置し、電流導体１１とスルーコンタクトにより直接ロウ付けするように構成することもできる。 As already mentioned, the current sensor 1 can be used to measure the current flowing through the conductor path 2 of the conductor path substrate 3. The current conductor 11 of the current sensor 1 connects the end of the cut conductor path 11. In this case, the conductor board 3 and the current sensor 1 together form one current measuring device. FIG. 3 shows a plan view of an embodiment of a conductor track substrate 3 (the outline of which is not shown here), which has one or more metal surfaces 19. According to the embodiment shown here, the metal surface 19 is brazed with the current conductor 11 of the current sensor 1 when the current sensor 1 is mounted. The surface 19 can alternatively or additionally be connected directly to the opposite end of the conductor track 2. The surface 19 extends laterally beyond the housing 7 of the current sensor 1 and is electrically floating. The surface 19 is used for more efficiently discharging the heat loss formed in the current conductor 11 to the environment. The geometry of the surface 19 is configured such that no bypass is possible in the surface 19 through which part of the current can flow, so that the entire current passes through the section of the current conductor 11 in which the two magnetic field sensors 5 are arranged. Flowing through. The conductor path of the conductor path substrate 3 that contacts the electrical terminal 10 of the current sensor 1 is not shown for the sake of clarity. The surface 19 is preferably arranged on the side of the conductor board 3 facing the current sensor 1, i.e. on the upper side. However, it is also possible to arrange the surface 19 on the lower side of the conductor path substrate 3 and directly braze with the current conductor 11 and the through contact.
図３に示した実施例では、電気端子１０が４つだけ設けられており、面１９と端子１０は重なっていない。図１に示した実施例の場合のように端子１０が相対的に４つのスペースを必要とする場合、面１９は、これらが端子１０のいくつかまたは全部と重なるように構成することもできる。この場合、面１９には端子１０にスペースを空けておくための切欠部が設けられており、したがって電流センサ１を導体路基板３に取り付ける際に、面１９と端子１０との間に電気接触は生じない。さらにこの場合、導体路基板３は少なくとも２つの金属化面を含む。 In the embodiment shown in FIG. 3, only four electrical terminals 10 are provided, and the surface 19 and the terminals 10 do not overlap. If the terminal 10 requires relatively four spaces, as in the embodiment shown in FIG. 1, the surface 19 can also be configured such that they overlap some or all of the terminals 10. In this case, the surface 19 is provided with a notch for leaving a space in the terminal 10. Therefore, when the current sensor 1 is attached to the conductor board 3, electrical contact is made between the surface 19 and the terminal 10. Does not occur. Furthermore, in this case, the conductor track substrate 3 includes at least two metallized surfaces.
面１９上には導体路基板３の実装時に、表面実装可能な構成部材２０を取り付けることができる。この構成部材２０はその３次元形状に基づき熱の排出をさらに改善する。構成部材２０は冷却体、フェライト構成部材、または抵抗もしくはコンデンサとすることもできる。フェライト構成部材は、電流センサ１を外部磁界に対して遮蔽するシールドとしても付加的に作用する。コンデンサおよび抵抗からは少なくとも１つの接点が面１９とロウ付けされている。 On the surface 19, a component member 20 that can be surface-mounted can be attached when the conductor board 3 is mounted. This component 20 further improves heat dissipation based on its three-dimensional shape. The component 20 can be a cooling body, a ferrite component, or a resistor or capacitor. The ferrite constituent member additionally acts as a shield that shields the current sensor 1 from an external magnetic field. At least one contact from the capacitor and resistor is brazed to surface 19.
図４は、電流測定装置の断面を示す。この装置では、導体路基板３上に、電流センサ１とは反対の側で磁気的シールド２１が実装されている。シールド２１はたとえばフェライトからなり、好ましくは同様に表面実装可能な構成部材として構成されている。シールド２１はとりわけ、磁界センサ５の出力信号を増強する。 FIG. 4 shows a cross section of the current measuring device. In this apparatus, a magnetic shield 21 is mounted on the conductor board 3 on the side opposite to the current sensor 1. The shield 21 is made of ferrite, for example, and is preferably configured as a component that can be similarly surface-mounted. The shield 21 in particular enhances the output signal of the magnetic field sensor 5.
電流導体を流れる電流によって形成される磁界の空間的経過、すなわち強度と方向は電流の周波数に依存する。図５は、電流導体１１と半導体チップ４の断面を示し、半導体チップ４は図１の構造のよる２つの磁界センサ５を有する。図６は、半導体チップ４のアクティブ表面６に対して垂直に経過する、平面２２内の磁界の成分ＢＺの強度を示す。この平面２２は、半導体チップ４に向いた電流導体１１の平面側２３に対して平行に間隔Ｄで延在しており、この強度は幅Ｗ＝１．５ｍｍの電流導体１１と間隔Ｄ＝０．３ｍｍについて計算されたものである。四角の点２４は、直流により形成される磁界の成分ＢＺの強度を示す。丸い点２５は、周波数１００ｋＨｚの交流により形成される磁界の成分ＢＺの強度を示す。電流導体１１の側方エッジ１２と１３の位置は破線で示されている。電流導体１１の位置も同様に図示されている。この線図から、電流導体１１を基準にした磁界センサ５の位置に対する以下の基準が得られる。
ａ）磁界センサ５の周波数依存性は、２つの磁界センサ５が電流導体１１の側方エッジ１２と１３の下方に配置されている場合に最小である。
ｂ）半導体チップ４の目標位置からのｘ方向における半導体チップ４の変位を基準にした、２つの磁界センサ５から形成される差信号の感度は、２つの磁界センサ５が磁界の成分ＢＺの強度が変化する個所に配置された場合に、少なくとも部分的にほぼ線形経過を有する。これは、２つの磁界センサ５が電流導体１１の側方エッジ１２と１３の間の領域に配置された場合である。
The spatial progression of the magnetic field formed by the current flowing through the current conductor, ie the strength and direction, depends on the frequency of the current. FIG. 5 shows a cross section of the current conductor 11 and the semiconductor chip 4. The semiconductor chip 4 has two magnetic field sensors 5 having the structure of FIG. Figure 6 is passed perpendicularly to the active surface 6 of the semiconductor chip 4, showing the intensity of the component B Z of the magnetic field in the plane 22. This plane 22 extends parallel to the plane side 23 of the current conductor 11 facing the semiconductor chip 4 with a distance D, and this strength is between the current conductor 11 with a width W = 1.5 mm and the distance D = 0. Calculated for 3 mm. Square point 24 indicates the intensity of the component B Z of the magnetic field formed by direct current. Round dot 25 indicates the intensity of the component B Z of the magnetic field formed by the alternating current of frequency 100kHz. The positions of the side edges 12 and 13 of the current conductor 11 are indicated by broken lines. The position of the current conductor 11 is also illustrated. From this diagram, the following criteria for the position of the magnetic field sensor 5 with respect to the current conductor 11 is obtained.
a) The frequency dependence of the magnetic field sensor 5 is minimal when the two magnetic field sensors 5 are arranged below the side edges 12 and 13 of the current conductor 11.
b) The sensitivity of the difference signal formed from the two magnetic field sensors 5 on the basis of the displacement of the semiconductor chip 4 in the x direction from the target position of the semiconductor chip 4 indicates that the two magnetic field sensors 5 have a magnetic field component BZ . When placed at locations where the intensity varies, it has at least partially a substantially linear course. This is the case when two magnetic field sensors 5 are arranged in the region between the side edges 12 and 13 of the current conductor 11.
電流導体１１は典型的には打ち抜かれた金属フレームから形成されるから、その幅Ｗは製造に起因して、数１０μｍから１００μｍまでの範囲内に収まり得るある程度の変動を受ける。 Since the current conductor 11 is typically formed from a stamped metal frame, its width W is subject to some variation that can fall within the range of tens to 100 μm due to manufacturing.
したがって２つの基準から、磁界センサ５は有利には半導体チップ４上に、これらの大部分が側方エッジ１２または１３の上方領域であり、かつそれぞれの側方エッジの内側、すなわち電流導体１１の中心に向いたそれぞれの側方エッジの側に存在するように位置決めされる。磁界センサ５として好ましくは使用される水平ホール素子は、典型的には正方形または十字形であり、その形状により与えられる対称中心を有する。したがって磁界センサ５の最適の間隔は、２つの磁界センサ５の対称中心間の間隔Ａが、０．９＊Ｗ≦Ａ≦Ｗの範囲であることにより特徴付けることができ、ここでＷは磁界センサ５の領域での電流導体１１の幅である。 Thus, from two criteria, the magnetic field sensor 5 is advantageously on the semiconductor chip 4, most of which are the regions above the side edges 12 or 13 and inside each side edge, ie of the current conductor 11. Positioned to be on the side of each side edge facing the center. The horizontal Hall element preferably used as the magnetic field sensor 5 is typically square or cross-shaped and has a center of symmetry given by its shape. Accordingly, the optimum distance between the magnetic field sensors 5 can be characterized by the distance A between the centers of symmetry of the two magnetic field sensors 5 being in the range of 0.9 * W ≦ A ≦ W, where W is the magnetic field sensor. 5 is the width of the current conductor 11 in the region 5.
図７は好ましい実施形態に基づく、電流導体１１の端部と重なった導体路２の端部の平面図である。２つの端部は重なった歯により歯形に形成されており、これにより電流センサ１と導体路基板３とのロウ付けの際に問題のないロウ接続が生じる。 FIG. 7 is a plan view of the end of the conductor track 2 overlapping the end of the current conductor 11 according to a preferred embodiment. The two end portions are formed in a tooth shape by overlapping teeth, and thereby, a row connection that causes no problem occurs when the current sensor 1 and the conductor path substrate 3 are brazed.
半導体チップ４のアクティブ表面に対して垂直に延在する磁界の成分に対して感度のある磁界センサの代わりに、半導体チップ４のアクティブ表面に対して平行に延在する磁界の成分に対して感度のある磁界センサを使用することもできる。これはたとえばＡＭＲセンサ、ＧＭＲセンサ、いわゆる垂直ホール素子、Ｔｒｉａｘｉｓ（登録商標）ホールセンサ等である。このような２つの磁界センサ５を差分測定のために使用することができるようにするためには、電流が２つの磁界センサ５の領域で互いに反対方向に流れ、これにより２つの磁界センサ５の位置において磁界が互いに反対方向を指すように電流導体１１を構成しなければならない。この条件を満たす電流導体１１はたとえば、図８に示すようなＳ字形の電流導体である。このＳ字形は３つのスリット２６により生じる。磁界センサ５の位置における電流の局所的方向が、この事実関係を明らかにするため矢印２７によって示されている。磁界センサ５の位置における磁界の方向は矢印２８によって示されている。 Instead of a magnetic field sensor sensitive to a magnetic field component extending perpendicular to the active surface of the semiconductor chip 4, it is sensitive to a magnetic field component extending parallel to the active surface of the semiconductor chip 4. It is also possible to use a magnetic field sensor with This is, for example, an AMR sensor, a GMR sensor, a so-called vertical Hall element, a Triaxis (registered trademark) Hall sensor, or the like. In order to be able to use two such magnetic field sensors 5 for differential measurement, currents flow in opposite directions in the region of the two magnetic field sensors 5, thereby The current conductor 11 must be configured so that the magnetic fields point in opposite directions at the position. The current conductor 11 that satisfies this condition is, for example, an S-shaped current conductor as shown in FIG. This S-shape is generated by three slits 26. The local direction of the current at the position of the magnetic field sensor 5 is indicated by an arrow 27 to clarify this fact. The direction of the magnetic field at the position of the magnetic field sensor 5 is indicated by an arrow 28.
図９と１０は、電流導体１１と、半導体チップ４の表面に対して平行に延在する磁界に対して感度のある磁界センサ５とを断面で示し、これは図８による電流導体１１の構成を備える電流センサで使用するのに適するものである。ここでは分かりやすくするため主要な素子だけが図示されている。磁界センサ５はそれぞれ少なくとも１つの水平ホール素子２９と磁界集束器３０とを有する。磁界センサ５は好ましくは、図示のように２つの水平ホール素子２９と２つの磁界集束器３０を有し、これらは空隙により分離されている。１つまたは２つの磁界集束器３０は、薄い強磁性層として、半導体チップ４のアクティブ表面上に取り付けられている。ホール素子２９は空隙の両側に、割り当てられた磁界集束器３０の縁部の下方で配置されている。ホール素子２９は、磁界集束器３０の空隙とは反対の側であって、割り当てられた磁界集束器３０の外側縁部の下方に配置することもできる。図９の実施形態では、半導体チップ４の裏側の上に強磁性層１７が取り付けられており、これが外部磁界を遮蔽する。図９に示した半導体チップは、図示のようにフリップチップ構造で実装することも、回転される場合には標準的構造でワイヤボンディングによって実装することもできる。図１０に示した半導体チップはフリップチップとして実装される。 FIGS. 9 and 10 show in cross section a current conductor 11 and a magnetic field sensor 5 sensitive to a magnetic field extending parallel to the surface of the semiconductor chip 4, which is a configuration of the current conductor 11 according to FIG. It is suitable for use with a current sensor comprising Only the main elements are shown here for the sake of clarity. Each magnetic field sensor 5 has at least one horizontal Hall element 29 and a magnetic field concentrator 30. The magnetic field sensor 5 preferably has two horizontal Hall elements 29 and two magnetic field concentrators 30 as shown, which are separated by an air gap. One or two magnetic field concentrators 30 are mounted on the active surface of the semiconductor chip 4 as a thin ferromagnetic layer. Hall elements 29 are arranged on either side of the air gap, below the edge of the assigned magnetic field concentrator 30. The Hall element 29 can also be arranged on the side opposite the air gap of the magnetic field concentrator 30 and below the outer edge of the assigned magnetic field concentrator 30. In the embodiment of FIG. 9, a ferromagnetic layer 17 is attached on the back side of the semiconductor chip 4, which shields the external magnetic field. The semiconductor chip shown in FIG. 9 can be mounted in a flip chip structure as shown, or can be mounted by wire bonding in a standard structure when rotated. The semiconductor chip shown in FIG. 10 is mounted as a flip chip.
図１と３に示した実施例では、電流導体１１が、導体路２と接触する対向する端部では連続的なコンタクトストライプとして構成されており、このコンタクトストライプは製造技術的に可能である限り完全にまたは少なくともほとんどがハウジング７の全幅にわたって伸長している。図１１は、電流導体１１が導体路２と接触するその対向する端部において、この電流導体１１が接続フィンガによって構成されており、この接続フィンガが電気端子１０と同様に構成されている別の実施例を示す。これにより、テクノロジーに適合する必要なしに電流センサを製造することができる。 In the embodiment shown in FIGS. 1 and 3, the current conductor 11 is configured as a continuous contact stripe at the opposite end in contact with the conductor track 2, as long as this contact stripe is possible in terms of manufacturing technology. Completely or at least almost extends over the entire width of the housing 7. FIG. 11 shows another example in which the current conductor 11 is constituted by a connection finger at the opposite end where the current conductor 11 contacts the conductor path 2, and this connection finger is constituted in the same manner as the electric terminal 10. An example is shown. This allows the current sensor to be manufactured without having to adapt to the technology.
Claims (8)
２つの磁界センサ（５）を備える半導体チップ（４）とを有する電流センサ（１）であって、
前記２つの磁界センサ（５）により検出される当該２つの磁界センサ（５）の位置における磁界の成分は反対方向を示し、
前記電流導体（１１）と前記電気端子（１０）とは同じ厚さを有する電流センサにおいて、
前記電流導体（１１）は、前記ハウジング（７）の一方の側壁から対向する側壁に伸長しており、前記ハウジング（７）の前記下面（８）に平坦に埋め込まれており、かつ該ハウジング（７）の前記下面（８）に露出しており、
前記電流導体（１１）の対向する２つの端部が、隣接する３つの電気端子（１０）がとる幅と少なくとも同じ大きさである幅を越えて伸長しており、
前記半導体チップ（４）と前記電流導体（１１）の互いに対向する表面が電気絶縁層（１５）によって分離されている、ことを特徴とする電流センサ。 A flat plastic housing (7) comprising a lower surface (8), an upper surface (9) and four side walls, an electrical terminal (10) and a current conductor (11) through which the current to be measured flows;
A current sensor (1) having a semiconductor chip (4) comprising two magnetic field sensors (5),
The magnetic field components at the positions of the two magnetic field sensors (5) detected by the two magnetic field sensors (5) indicate opposite directions,
In the current sensor in which the current conductor (11) and the electrical terminal (10) have the same thickness,
The current conductor (11) extends from one side wall of the housing (7) to the opposite side wall, is flatly embedded in the lower surface (8) of the housing (7), and the housing ( 7) exposed on the lower surface (8),
Two opposing ends of the current conductor (11) extend beyond a width that is at least as large as the width of the three adjacent electrical terminals (10);
The current sensor characterized in that the semiconductor chip (4) and the current conductor (11) are opposed to each other by an electrically insulating layer (15).
前記磁界センサ（５）の対称中心間の間隔Ａは、０．９＊Ｗ≦Ａ≦Ｗの範囲にあり、
ここでＷは、前記磁界センサ（５）の領域における前記電流導体（１１）の幅である、ことを特徴とする請求項１に記載の電流センサ。 The magnetic field sensor (5) is arranged in the region of the two lateral edges (12, 13) of the current conductor (11),
The distance A between the symmetry centers of the magnetic field sensor (5) is in the range of 0.9 * W ≦ A ≦ W,
2. The current sensor according to claim 1, wherein W is a width of the current conductor in the region of the magnetic field sensor.
前記導体路（２）は所定の個所で遮断されており、
前記導体路基板（３）はその上面または下面に、電気的に浮遊した金属製の面（１９）を少なくとも１つ有し、当該面（１９）は前記電流センサ（１）の電流導体（１１）とロウ付けされており、および／または前記導体路（２）と接続されている、ことを特徴とする電流測定装置。 In a current measuring device comprising a conductor substrate (3) comprising a conductor track (2) and a current sensor according to any one of claims 1 to 5 for measuring the current flowing through the conductor track (2). ,
The conductor path (2) is interrupted at a predetermined location,
The conductor path substrate (3) has at least one electrically floating metal surface (19) on its upper or lower surface, and the surface (19) is a current conductor (11) of the current sensor (1). ) And / or connected to the conductor track (2).
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