JP6256819B2 - 電流センサ及び電流測定装置 - Google Patents

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。

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。

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。

欧州特許第１４４３３３２号明細書 国際公開第２００５０２６７４９号パンフレット 国際公開第２００６１３０３９３号パンフレット ドイツ特許公開公報第１０２００９０５４８９２号

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。

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。

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。

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。

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。

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。

導体路基板にある遮断された導体路に実装された第１の実施例による本発明の電流センサの平面図である。 電流センサの実施例を図１のラインＩ−Ｉに沿った断面に示す図である。 電流センサの実施例を図１のラインＩ−Ｉに沿った断面に示す図である。 別の導体路基板とその上に実装された電流センサを示す平面図である。 導体路基板とその上に実装された電流センサを有する電流測定装置の断面図である。 電流センサの電流導体と磁界センサの断面図である。 シミュレーション結果を示す線図である。 電流センサの電流導体と導体路基板の導体路の詳細を示す平面図である。 別の実施例による電流センサの電流導体を示す平面図である。 電流センサの別の実施例を示す図である。 電流センサの別の実施例を示す図である。 電流導体の別の実施形態を備える図１の電流センサを示す図である。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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Ｂ_Ｚ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Ｂ_Ｚ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Ｂ_Ｚ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Ｂ_Ｚ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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

Claims (8)

1. 下面（８）、上面（９）および４つの側壁と、電気端子（１０）と、測定すべき電流が流れる電流導体（１１）とを備えるプラスチック製の平坦なハウジング（７）と、
   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、
   前記半導体チップ（４）は前記電流導体（１１）の真上に位置しており、互いに向き合っている前記半導体チップ（４）の表面と前記電流導体（１１）は１層以上の電気絶縁層（１５）のみによって隔てられ、
   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前記電流導体（１１）の対向する２つの端部は前記ハウジング（７）の互いに対向する側壁に位置し、前記電流導体（１１）は前記ハウジング（７）の前記下面（８）に平坦に埋め込まれ、かつ前記ハウジング（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つの端部のそれぞれの幅が、隣接する２つの電気端子（１０）の中心の間の距離の２倍以上であり、
   前記電流導体（１１）は中心付近にテーパ部を有することを特徴とする電流センサ。
2. 前記磁界センサ（５）は、前記電流導体（１１）の２つの側方エッジ（１２，１３）の領域に配置されており、
   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。
3. 前記電気端子（１０）は、前記ハウジング（７）の前記下面（８）に平坦に組み込まれている、ことを特徴とする請求項１から２までのいずれか１項に記載の電流センサ。
4. 前記半導体チップ（４）の裏側には強磁性層（１７）が被覆されている、ことを特徴とする請求項１から３までのいずれか１項に記載の電流センサ。
5. 前記半導体チップ（４）はフリップチップ構造で前記電気端子（１０）と接続されている、ことを特徴とする請求項１から４までのいずれか１項に記載の電流センサ。
6. 導体路（２）を備える導体路基板（３）と、該導体路（２）を流れる電流を測定するための請求項１から５までのいずれか１項による電流センサとを有する電流測定装置において、
   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。
7. 前記少なくとも１つの面（１９）の少なくとも１つの上には表面実装可能な構成部材（２０）が実装されている、ことを特徴とする請求項６に記載の電流測定装置。
8. 前記電流センサ（１）とは反対の側の導体路基板（３）上には磁気的シールド（２１）が実装されている、ことを特徴とする請求項６または７に記載の電流測定装置。