JP2023534971A - 磁束コンセントレータを備える集積された電流センサ - Google Patents

Abstract

パッケージ電流センサ（１００）が、リードフレーム（１０２）と、集積回路（１０６）と、絶縁スペーサ（１０４）と、第１の磁気コンセントレータ（１０８）と、第２の磁気コンセントレータ（１１０）とを含む。リードフレーム（１０２）は導体（１０３）を含む。絶縁スペーサ（１０４）は、リードフレーム（１０２）と集積回路（１０６）との間にある。第１の磁気コンセントレータ（１０８）は、導体（１０３）と整合される。第２の磁気コンセントレータ（１１０）は、導体（１０３）と整合される。

Description

非接触電流感知は、特に高電流レベルに対し、電流フローを安全に測定するために様々な用途で用いられている。開ループ電流感知はコスト効率の高い解決策を提供し、この解決策において、導電体を通る電流の流れによって生成された磁場が磁気コア内部に集束され、磁気センサが、磁場を測定し、電流フローを推定するために用いられる出力信号を提供する。開ループアプローチは、典型的に、ほとんど電力を消費せず、高電流を測定するために低感度センサを使用することができる。

高電圧絶縁及び浮遊磁場に対する耐性を提供する電流センサにおいて、パッケージ化された電流センサが、リードフレームと、集積回路と、絶縁スペーサと、第１の磁気コンセントレータと、第２の磁気コンセントレータとを含む。リードフレームは導体を含む。絶縁スペーサは、リードフレームと集積回路との間にある。第１の磁気コンセントレータは、導体と整合される。第２の磁気コンセントレータは、導体と整合される。

別の例において、電流センサが、リードフレームと、集積回路と、絶縁スペーサと、第１の磁気コンセントレータと、第２の磁気コンセントレータとを含む。リードフレームは導体を含む。導体は、電流入力セグメント及び電流出力セグメントを含む。集積回路は、ホール効果センサを含む。絶縁スペーサは、リードフレームと集積回路との間にある。第１の磁気コンセントレータは、電流入力セグメントと整合され、ホール効果センサに重なる。第２の磁気コンセントレータは、電流出力セグメントと整合される。

更なる例において、電流センサが、リードフレームと、第１の磁気コンセントレータと、第２の磁気コンセントレータと、集積回路と、絶縁スペーサとを含む。リードフレームは導体を含む。導体は、電流入力セグメント及び電流出力セグメントを含む。集積回路は、第１のホール効果センサと、第２のホール効果センサと、第３のホール効果センサと、第４のホール効果センサとを含む。絶縁スペーサは、リードフレームと集積回路との間にある。第１の磁気コンセントレータは、集積回路上に金属層として形成され、電流入力セグメント、第１のホール効果センサ、及び第２のホール効果センサに重なる。第２の磁気コンセントレータは、集積回路上に金属層として形成され、電流出力セグメント、第３のホール効果センサ、及び第４のホール効果センサに重なる。

２つの磁気コンセントレータに重なるホール効果センサを含む電流センサの側面図を示す。

２つの磁気コンセントレータに重なるホール効果センサを含む電流センサの上面図を示す。

２つの磁気コンセントレータに重なる４つのホール効果センサを含む電流センサの側面図を示す。

２つの磁気コンセントレータに重なる４つのホール効果センサを含む電流センサの上面図を示す。

浮遊磁場のない、図３の磁気コンセントレータにおける磁場を示す。

浮遊磁場のある、図３の磁気コンセントレータにおける磁場を示す。

本記載に従った電流センサの製造方法のフローチャートを示す。

パッケージ化された電流感知回路の欠点には、集積回路（ホール効果センサ及び／又は他の回路要素を含む）と電流搬送導体との間の制限された電圧絶縁、及び浮遊磁場によって生じる誤差に対する感受性がある。本明細書に記載の電流センサは、集積回路を保護する高電圧絶縁を含む。また、電流センサの幾つかの実装は、浮遊磁場に起因する誤差に対する耐性を提供する、磁気コンセントレータ及びホール効果センサの配置を含む。

図１は、本明細書に従った電流センサ１００の側面図を示す。電流センサ１００は、リードフレーム１０２と、絶縁スペーサ１０４と、集積回路１０６と、磁気コンセントレータ１０８と、磁気コンセントレータ１１０とを含む。リードフレーム１０２は、測定されるべき電流を搬送する導体１０３を含む。導体１０３は、それを介して電流センサ１００に電流が流れる、入力レッグ／セグメント１０３Ａと、それを介して電流センサ１００から電流が流れる、出力レッグ／セグメント１０３Ｂとを含む。絶縁スペーサ１０４は、リードフレーム１０２と集積回路１０６との間に配置されて、導体１０３上に存在し得る高電圧から集積回路１０６を絶縁する。絶縁スペーサ１０４は、ガラス誘電体材料、ポリマーベースの誘電体材料、又はシリコンベースの誘電体材料などの、高絶縁強度（dielectric strength）を有する材料から形成される。電流センサ１００の幾つかの実装において、絶縁スペーサ１０４は、約１００～１５０マイクロメートル（μｍ）の厚みを有する。

集積回路１０６は、上に形成されるホール効果センサ１１２を含む、シリコンダイである。ホール効果センサ１１２は、水平ホール効果センサである。集積回路１０６は、絶縁スペーサ１０４と磁気コンセントレータ１０８と磁気コンセントレータ１１０との間に配置される。幾つかの実装において、集積回路１０６は、約１５０～２５０μｍの厚みを有する。集積回路１０６は、リードフレーム１０２と集積回路１０６との間の電気信号の転送のためにボンドワイヤ１１４によってリードフレーム１０２に結合される。

磁気コンセントレータ１０８は、電流出力レッグ／セグメント１０３Ｂと整合され、これに重なり、そのため電流出力レッグ／セグメント１０３Ｂ内の電流フローによって生成される磁束を集束させるようにする。同様に、磁気コンセントレータ１１０は、電流入力レッグ／セグメント１０３Ａと整合され、これに重なり、そのため電流入力レッグ／セグメント１０３Ａ内の電流フローによって生成される磁束を集束させるようにする。磁気コンセントレータ１０８及び磁気コンセントレータ１１０の周りの磁束は、電流入力レッグ／セグメント１０３Ａ及び電流出力レッグ／セグメント１０３Ｂ内を流れる電流に比例する。１００の幾つかの実装において、磁気コンセントレータ１０８及び１１０は、ウェハレベル処理の一部として電気めっきによって集積回路１０６上に形成／堆積される。このように、磁気コンセントレータ１０８及び１１０ならびにホール効果センサ１１２の整合は、正確に制御される。磁気コンセントレータ１０８及び１１０は、鉄－ニッケル合金などの軟磁性材料で形成されてもよい。

ホール効果センサ１１２は、磁気コンセントレータ１０８と磁気コンセントレータ１１０との間に配置され、磁気コンセントレータ１０８及び磁気コンセントレータ１１０の両方の一部に重なる。例えば、ホール効果センサ１１２は、磁気コンセントレータ１０８の端部１０８Ａと磁気コンセントレータ１１０の端部１１０Ａとに重なる。ホール効果センサ１１２は磁気コンセントレータ１０８及び磁気コンセントレータ１１０の周りの磁束を検出し、検出された磁束に基づいて、電流入力レッグ／セグメント１０３Ａ及び電流出力レッグ／セグメント１０３Ｂ内を流れる電流に比例する出力電圧を生成する。

図２は、電流センサ１００の上面図を示す。導体１０３、磁気コンセントレータ１０８、磁気コンセントレータ１１０、及びホール効果センサ１１２が図２に示されている。図２に示されるように、導体１０３は「Ｕ字形」又は「馬蹄形」である。電流センサ１００の様々な実装において、導体１０３は、任意の形状を有し得る。磁気コンセントレータ１０８は電流出力レッグ／セグメント１０３Ｂ及びホール効果センサ１１２に重なり、磁気コンセントレータ１１０は、電流入力レッグ／セグメント１０３Ａ及びホール効果センサ１１２に重なる

図３は、本記載に従った電流センサ３００の側面図を示す。電流センサ３００は、リードフレーム３０２と、絶縁スペーサ３０４と、集積回路３０６と、磁気コンセントレータ３０８と、磁気コンセントレータ３１０とを含む。リードフレーム３０２は、測定されるべき電流を搬送する導体３０３を含む。導体３０３は、それを介して電流センサ３００に電流が流れる入力レッグ／セグメント３０３Ａと、それを介して電流センサ３００から電流が流れる出力レッグ／セグメント３０３Ｂとを含む。絶縁スペーサ３０４は、リードフレーム３０２と集積回路３０６との間に配置されて、導体３０３上に存在し得る高電圧から集積回路３０６を絶縁する。絶縁スペーサ３０４は、ガラス誘電体材料、ポリマーベースの誘電体材料、又はシリコンベースの誘電体材料などの、高絶縁強度を有する材料から形成される。幾つかの実装において、絶縁スペーサ３０４は、約１００～１５０マイクロメートル（μｍ）の厚みを有する。

集積回路３０６は、その上に形成される、ホール効果センサ３１２と、ホール効果センサ３１４と、ホール効果センサ３１６と、ホール効果センサ３１８とを含むシリコンダイである。ホール効果センサ３１２、ホール効果センサ３１４、ホール効果センサ３１６、及びホール効果センサ３１８は、水平ホール効果センサである。集積回路３０６は、絶縁スペーサ３０４と磁気コンセントレータ３０８と磁気コンセントレータ３１０との間に配置される。幾つかの実装において、集積回路３０６は、約１５０～２５０μｍの厚みを有する。集積回路３０６は、リードフレーム３０２と集積回路３０６との間の電気信号の転送のためにボンドワイヤ３２０によってリードフレーム３０２に結合される。

磁気コンセントレータ３０８は、電流出力レッグ／セグメント３０３Ｂと整合され、これに重なり、そのため電流出力レッグ／セグメント３０３Ｂ内の電流フローによって生成される磁束を集束させるようにする。同様に、磁気コンセントレータ３１０は、電流入力レッグ／セグメント３０３Ａと整合され、これに重なり、そのため電流入力レッグ／セグメント３０３Ａ内の電流フローによって生成される磁束を集束させるようにする。磁気コンセントレータ３０８及び磁気コンセントレータ３１０の周りの磁束は、電流入力レッグ／セグメント３０３Ａ及び電流出力レッグ／セグメント３０３Ｂ内を流れる電流に比例する。磁気コンセントレータ３０８及び磁気コンセントレータ３１０は、鉄－ニッケル合金などの軟磁性材料の、円形磁気ディスク、八角形磁気ディスク、楕円形磁気ディスク、多角形磁気ディスクなどの形態で提供され得る。３００の幾つかの実装において、磁気コンセントレータ３０８及び３１０は、ウェハレベル処理の一部として電気めっきによって集積回路３０６上に形成／堆積される。このように、磁気コンセントレータ３０８及び３１０ならびにホール効果センサ３１２～３１８の整合は、正確に制御される。

ホール効果センサ３１２は、磁気コンセントレータ３０８の端部３０８Ａに重なるように配置される。ホール効果センサ３１４は、ホール効果センサ３１２とは反対の磁気コンセントレータ３０８の端部に重なるように配置される。ホール効果センサ３１２及びホール効果センサ３１４は、磁気コンセントレータ３０８の周りの磁束を検出し、検出された磁束に基づいて、電流出力レッグ／セグメント３０３Ｂ内を流れる電流に比例する出力電圧を生成する。

ホール効果センサ３１６は、磁気コンセントレータ３１０の端部３１０Ａに重なるように配置される。ホール効果センサ３１８は、ホール効果センサ３１６とは反対の磁気コンセントレータ３１０の端部に重なるように配置される。ホール効果センサ３１６及びホール効果センサ３１８は、磁気コンセントレータ３１０の周りの磁束を検出し、検出された磁束に基づいて、電流入力レッグ／セグメント３０３Ａ内を流れる電流に比例する出力電圧を生成する。

図４は、電流センサ３００の上面図を示す。導体３０３、磁気コンセントレータ３０８、磁気コンセントレータ３１０、ホール効果センサ３１２、ホール効果センサ３１４、ホール効果センサ３１６、及びホール効果センサ３１８が図４に示されている。図４に示されるように、導体３０３は「Ｕ字形」である。磁気コンセントレータ３０８は、電流出力レッグ／セグメント３０３Ｂ、ホール効果センサ３１２、及びホール効果センサ３１４に重なる。磁気コンセントレータ３１０は、電流入力レッグ／セグメント３０３Ａ、ホール効果センサ３１６、及びホール効果センサ３１８に重なる。

磁気コンセントレータ３０８は、電流出力レッグ／セグメント３０３Ｂの線形部分に重なるように配置される。例えば、磁気コンセントレータ３０８は、導体３０３の頂点４０４よりも電流入力レッグ／セグメント３０３Ｂの端部４０２に近い。磁気コンセントレータ３１０は、電流入力レッグ／セグメント３０３Ａの線形部分を覆うように配置される。例えば、磁気コンセントレータ３１０は、導体３０３の頂点４０４よりも電流入力レッグ／セグメント３０３Ａの端部４０６に近い。磁気コンセントレータ３０８及び磁気コンセントレータ３１０の位置決めは、浮遊磁場による誤差の相殺を助ける。

図５は、浮遊磁場が存在しない、磁気コンセントレータ３０８及び３１０内の磁場を示す。こういった磁場の場合、集積回路３０６上に設けられた加算回路要素は、ホール効果センサ３１２～３１８の出力を以下のように加算する。
Ｖ_ｏｕｔ＝－Ｖ_{Ｈａｌｌ１}＋Ｖ_{Ｈａｌｌ２}＋Ｖ_{Ｈａｌｌ３}－Ｖ_{Ｈａｌｌ４}
ここで、Ｖ_ｏｕｔは加算回路要素の出力であり、電流入力レッグ／セグメント３０３Ａ及び電流出力レッグ／セグメント３０３Ｂ内を流れる電流に比例する。Ｖ_{Ｈａｌｌ１}は、ホール効果センサ３１２の出力である。Ｖ_{Ｈａｌｌ２}は、ホール効果センサ３１４の出力である。Ｖ_{Ｈａｌｌ３}はホール効果センサ３１６の出力であり、Ｖ_{Ｈａｌｌ４}はホール効果センサ３１８の出力である。

図６は、浮遊磁場が存在する、磁気コンセントレータ３０８及び３１０内の磁場を示す。
Ｖ_ｏｕｔ＝－（Ｖ_{Ｈａｌｌ１}＋Ｖ_{ｓｔｒａｙ}）＋（Ｖ_{Ｈａｌｌ２}－Ｖ_{ｓｔｒａｙ}）＋（Ｖ_{Ｈａｌｌ３}＋Ｖ_{ｓｔｒａｙ}）－（Ｖ_{Ｈａｌｌ４}－Ｖ_{ｓｔｒａｙ}）
ここで、Ｖ_{ｓｔｒａｙ}は、浮遊磁場によってホール効果センサ３１２～３１８に誘起される電圧である。

導体３０３内を流れる電流は、磁気コンセントレータ３０８及び磁気コンセントレータ３１０の周りで相対する面内磁場を生成する。ホール効果センサ３１２～３１８は、出力電圧を生成するためこれらの相対する磁場を測定する。ホール効果センサ３１２～３１８の出力の加算は、浮遊磁場による電圧を相殺する。このように、電流センサ３００の実装は、浮遊磁場によって生じる電流測定誤差を受けない。

図７は、本記載に従った電流センサを製造するための方法７００のフローチャートを示す。便宜上順次示されているが、示されている行為の少なくとも幾つかが、異なる順で実施され得、及び/又は並列に実施され得る。また、幾つかの実装が、示された行為のうちの幾つかのみを行い得る。方法７００において、ブロック７０２及び７０４の動作は、ウェハレベル処理中に実施され、ブロック７０６～７１０の動作はパッケージレベル処理中に実施される。

ブロック７０２において、電気回路要素が集積回路３０６上に形成される。従って、回路要素はウェハのダイ上に形成され、ダイは集積回路１０６のインスタンスに対応する。ダイ上に形成された電気回路要素は、ホール効果センサ３１２～３１８と、ホール効果センサ３１２～３１８の出力を処理する加算回路要素とを含む。

ブロック７０４において、磁気コンセントレータ３０８及び３１０は、集積回路１０６上に形成される。従って、ウェハ上に設けられた集積回路１０６上の各インスタンス上に磁気コンセントレータ３０８、３１０のインスタンスが形成される。磁気コンセントレータ３０８及び３１０は、磁性材料の１つ又は複数の層として各ダイの表面上に電気めっきされる。磁気コンセントレータ３０８及び３１０の位置は、ウェハレベルでのマスキングによって確立されるので、磁気コンセントレータ３０８及び３１０とホール効果センサ３１２～３１８との整合は磁気コンセントレータ３０８及び３１０とホール効果センサ３１２～３１８との間の磁場の通信を改善するために、正確に制御され得る。

個片化の後、集積回路１０６は、ブロック７０６～７１０においてパッケージ化される。ブロック７０６において、絶縁スペーサ３０４がリードフレーム３０２上に配置される。例えば、絶縁スペーサ３０４は、エポキシ又は他の接着剤を用いてリードフレーム３０２に接合され得る。方法７００の幾つかの実装において、絶縁スペーサ３００は、個片化の後ではなく、個片化の前にウェハに接合される

ブロック７０８において、集積回路３０６は、絶縁スペーサ３０４上に配置される。例えば、集積回路３０６は、エポキシ又は他の接着剤を用いて絶縁スペーサ３０４に接合され得る。

ブロック７１０において、集積回路３０６をリードフレーム３０２に電気的に結合するために、ボンドワイヤ３２０が付加される。リードフレーム３０２（又はその一部）、絶縁スペーサ３０４、及び集積回路３０６を保護するために、封止化合物が適用され得る。

本記載では、「結合する」という用語が本記載と一貫する機能的関係を可能にする、接続、通信、又は信号経路を包含し得る。例えば、デバイスＡが、或る行為を実施するためデバイスＢを制御する信号を生成する場合、第１の例において、デバイスＡはデバイスＢに結合され、又は第２の例において、介在構成要素ＣがデバイスＡとデバイスＢとの間の機能的関係を実質的に変更しない場合に、デバイスＡは、介在構成要素Ｃを介してデバイスＢに結合され、そのため、デバイスＢは、デバイスＡによって生成された制御信号を介してデバイスＡによって制御される。

本発明の特許請求の範囲内で、説明した例示の実施例に改変が成され得、他の実施例が可能である。

Claims (20)

1. パッケージ化された電流センサであって、
   導体を含むリードフレームと、
   集積回路と、
   前記リードフレームと前記集積回路との間の絶縁スペーサと、
   前記導体と整合される磁気コンセントレータと、
   を含む、パッケージ化された電流センサ。
2. 請求項１に記載のパッケージ化された電流センサであって、前記集積回路が、前記磁気コンセントレータと整合されるホール効果センサを含む、パッケージ化された電流センサ。
3. 請求項２に記載のパッケージ化された電流センサであって、
   前記磁気コンセントレータが第１の磁気コンセントレータであり、
   前記パッケージ化された電流センサが第２の磁気コンセントレータを含み、
   前記ホール効果センサが第１の磁気コンセントレータと第２の磁気コンセントレータとの間にある、
   パッケージ化された電流センサ。
4. 請求項３に記載のパッケージ化された電流センサであって、前記ホール効果センサが、第１の磁気コンセントレータの端部と前記第２の磁気コンセントレータの端部とに重なる、パッケージ化された電流センサ。
5. 請求項１に記載のパッケージ化された電流センサであって、前記集積回路が、
   前記磁気コンセントレータの端部と整合される第１のホール効果センサと、
   前記第１のホール効果センサとは反対の前記磁気コンセントレータの端部と整合される第２のホール効果センサと、
   を含む、パッケージ化された電流センサ。
6. 請求項５に記載のパッケージ化された電流センサであって、
   前記磁気コンセントレータが第１の磁気コンセントレータであり、
   前記パッケージ化された電流センサが、第２の磁気コンセントレータを含み、
   前記集積回路が、
   前記第２の磁気コンセントレータの端部と整合される第３のホール効果センサと、
   前記第３のホール効果センサとは反対の前記第２の磁気コンセントレータの端部と整合される第４のホール効果センサと、
   を含む、
   パッケージ化された電流センサ。
7. 請求項６に記載のパッケージ化された電流センサであって、
   前記導体が、電流入力レッグと、電流出力レッグとを含み、
   前記第１の磁気コンセントレータが前記電流入力レッグと整合され、
   前記第２の磁気コンセントレータが前記電流出力レッグと整合される、
   パッケージ化された電流センサ。
8. 請求項３に記載のパッケージ化された電流センサであって、前記第１の磁気コンセントレータ及び前記第２の磁気コンセントレータが前記集積回路上に電気めっきされる、パッケージ化された電流センサ。
9. 請求項３に記載のパッケージ化された電流センサであって、前記第１の磁気コンセントレータ及び前記第２の磁気コンセントレータが、軟磁性材料の円形ディスク又は軟磁性材料の多角形ディスクを含む、パッケージ電流センサ。
10. 電流センサであって、
    電流入力セグメントと電流出力セグメントとを含む導体を含む、リードフレームと、
    ホール効果センサを含む集積回路と、
    前記リードフレームと前記集積回路との間の絶縁スペーサと、
    前記電流入力セグメントと整合され、前記ホール効果センサに重なる第１
    の磁気コンセントレータと、
    前記電流出力セグメントと整合される第２の磁気コンセントレータと、
    を含む、電流センサ。
11. 請求項１０に記載の電流センサであって、前記第２の磁気コンセントレータが前記ホール効果センサに重なる、電流センサ。
12. 請求項１０に記載の電流センサであって、
    前記ホール効果センサが第１のホール効果センサであり、
    前記集積回路が、前記第１のホール効果センサとは反対の前記第１の磁気コンセントレータの端部に重なる第２のホール効果センサを含む、
    電流センサ。
13. 請求項１２に記載の電流センサであって、前記集積回路が、前記第２の磁気コンセントレータの端部に重なる第３のホール効果センサを含む、電流センサ。
14. 請求項１３に記載の電流センサであって、前記集積回路が、前記第３のホール効果センサとは反対の前記第２の磁気コンセントレータの端部に重なる第４のホール効果センサを含む、電流センサ。
15. 請求項１０に記載の電流センサであって、前記第１の磁気コンセントレータ及び前記第２の磁気コンセントレータが、軟磁性材料の円形ディスクを含む、電流センサ。
16. 請求項１０に記載の電流センサであって、前記第１の磁気コンセントレータ及び前記第２の磁気コンセントレータが、軟磁性材料の多角形ディスクを含む、電流センサ。
17. 電流センサであって、
    電流入力セグメントと電流出力セグメントとを含む導体を含む、リードフレーム
    と、
    集積回路であって、第１ホール効果センサと、第２のホール効果センサと、第３のホール効果センサと、第４のホール効果センサとを含む、前記集積回路と、
    前記リードフレームと前記集積回路との間の絶縁スペーサと、
    前記集積回路上に金属層として形成される第１の磁気コンセントレータと第２の磁気コンセントレータと、
    を含み、
    前記第１の磁気コンセントレータが、前記電流入力セグメントと、前記第１のホール効果センサと、前記第２のホール効果センサとに重なり、
    前記第２の磁気コンセントレータが、前記電流出力セグメントと、前記第３のホール効果センサと、前記第４のホール効果センサとに重なる、
    電流センサ。
18. 請求項１７に記載の電流センサであって、
    前記第１のホール効果センサが前記第１の磁気コンセントレータの端部に重なり、
    前記第２のホール効果センサが前記第１のホール効果センサとは反対の前記第１の磁気コンセントレータの端部に重なる、
    電流センサ。
19. 請求項１７に記載の電流センサであって、
    前記第３のホール効果センサが前記第２の磁気コンセントレータの端部に重なり、
    前記第４のホール効果センサが前記第１のホール効果センサとは反対の前記第２の磁気コンセントレータの端部に重なる、
    電流センサ。
20. 請求項１７に記載の電流センサであって、前記第１の磁気コンセントレータ及び前記第２の磁気コンセントレータが、円形磁気ディスク又は多角形磁気ディスクを含む、電流センサ。

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