TW201120459A - A hall effect current sensor system and associated flip-chip packaging - Google Patents
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Description
201120459 六、發明說明: 【發明所屬之技術領域】 [0001] 本發明涉及霍爾效應電流感測器,具體涉及用於霍爾效 應電流感測器的倒裝式封裝結構和檢測方法。 【先前技術】 [0002] 磁場可以採用通過CM〇S技術製作的霍爾感測器檢測。簡 單的霍爾感測器為-具有-定尺寸的低摻雜形成的半導 體阻性導體。第1圖示出了霍爾效應原理。如第i圖所示 0 的導體10置於外磁場3中,當垂直於磁場B的電流Ibias 流過導體10時,在垂直於磁場B和電流Ibias的方向產生 -感應電壓Vhall。根據霍爾感應電壓m可計算磁場 值。 同時,電流可產生磁場。通過這個原理,霍爾感測器可 用於檢測電流。 【發明内容】 剛纟發明的目的在於提出-種倒裝式的霍爾效應電流感測 O H统和電流f測方法’通ϋ線;Μ减被檢測電流 路徑和磁場,並且通過檢測磁場得到電流信號。 根據本發明的-個實施例的霍爾效應電流感測器系統包 括:半導體晶片,含霍爾感測器;引線框架,包含至少 兩個電氣引線’所述半導體晶片倒裝於所述引線框架之 上;至少-個外部導體,和所述5丨線框架連接,其中所 述至4兩個電氣引線和所述至少—個外部導體串聯連接 形成閉環形電流路徑,並且所述霍爾感測器位於所述閉 環形電流路徑之内。在—個實施例中外部導體製作於 099121839 表單編號Α0101 第3頁/共20頁 0993372207-0 201120459 /印刷電路板上,而.框架和印刷電路板焊接。所述至 少兩個電氣引線為兩個呈伸展狀的電氣引線。其中一個 所述電氣㈣呈鈞狀。外部導體數量為—個。霍爾感測 器位於所述閉環形電流路徑的中心。在—個實施例令, ”導體ΒΒ >ί上的霍爾感測器為摻雜形成的半導體阻性導 上述電流感測器系統可進—步包含包封材料,將所述半
導體晶片和所述引線《包封,形成四邊扁平封裝(QFN )° 半導體晶片可進—步包含處理單元和輸人/輸出埠。其中 所述處理單H含時間分時介Φ電路、放大電路、類 比數位轉換電路和處理電路β所述輸入/輸出蟑通過倒裝 凸點和引線框架連接。 ::' 根據本發明的一個實施例的一種半導體_裝裝置包括引 線框架,包含兩個伸展狀的電氣引線,其中-個所述電 氣引線呈彎曲她:以及半導義裝式晶片,含霍爾感 測器,所述半導_裝式晶片含所述霍賊測器的一面 與所述引線框架連接;其中所述兩個氣引線形成環狀結 構’所述霍_測器位於所述環狀結構内部。所述外部 導體和所述兩個電氣引線串聯連接,其巾所述兩個電氣 引線和所述外料體構成閉環形路徑。上述的倒裝裝置 可被包封材料包封形成四邊扁平封裝。 本發明還提出了上述的引線框架結構,包含兩個伸展狀 的電氣引線’其中—個所述電氣引線呈彎曲鉤狀,所述 兩個電乳引線形成環狀結構。其中所述兩個電氣引線占 所述引線框架一半以上的面積。 099121839 表單煸號Α0101 第4頁/共20頁 0993372207- 201120459 根據本發明的一個實施例的一種電流檢測方法,包括: 通過引線框架和印刷電路板板形成閉環形的電流路徑; 將霍爾感測器放置於閉環形電流路徑内;將被檢測電流 引入閉環形電流路徑;根據霍爾感測器檢測到的磁場計 算得到被檢測電流資訊。其中將引線框架的兩個電氣引 線通過印刷電路板上的導體串聯連接形成閉環形電流路 徑。 ^ [0004] 〇 【實施方式】 第2圖示出了應用於本發明的一個霍爾效應電流感測器晶 片20實施例的功能框圏β在霍爾效應電流感測器晶片20 上,採用CMOS相容技術製作了霍爾感測器21和處理單元 22。霍爾感測器21檢測霍爾感測器21所在位置的磁場, 輸出霍爾電壓類比信號Vhail至k理單元22 »處理單元 2 2根據該霍爾電壓和霍爾感測器與被檢測電流路徑之間 的位置資訊’經計算處理得到電流值資訊。在另一個實 施例中,處理單元22計算產生輸出磁着值資訊。霍爾 ❹ 效應電流感測器晶片20可包含„多_霍爾感測器。在一個 實施例中’處理單元22包含時間分配和介面電路,放大 電路’類比-數位轉換(ADC)電路和處理電路。類比信 號Vhall經放大電路放大,然後經ADC電路從類比信號轉 換成數位信號,最後經過處理電路的數位信號處理得到 電流信號並將檢測結果通過輸入/輸出埠(I/O) EX1、 Ex2...Exn輸出。其中時間分配和介面電路控制放大電路 、ADC電路和處理電路,並控制信號的輸入輸出。 第3圖示出了本發明的一種電流檢測方法原理《當被檢測 099121839 的電流I通過逆時針的閉環形電流路徑3〇時,在閉環形電 表單編號A_1 第5頁/共20頁 0993372207-0 201120459 路徑3 0内產生一個垂直於紙面向外的磁場b。該磁場b 正比於I值。閉環形電流路徑3〇的中心位置放置一個霍爾 感測器31。當霍爾感測器31内部以從左至右的方向通過 電"il I s時’在霍爾感測器31的上下兩端感應產生霍爾電 勢差V+和V-。通過霍爾電勢差,可得到電流I值。在本發 明的一個實施例中,用於流過被檢測電流的閉環形電流 路徑30由引線框架和印刷電路板(PCB)上的導體構成。 從感應電壓V +與V-的差值,可計算並得到被檢測電流1的 值0 第4圖示出了本發明的一個使用霍爾效魏電流感測器的倒 裝式半導體裝置400實施例的腑視圏》該樹裝式半導體裝 置400包含一引線框架4〇1和::一半導體晶片4{j2。其中半 導體晶片4 0 2倒裝於引線框架'4 〇 1之上。 引線框架401為半導體晶片402提供機械支援以及提供半 導體晶片402和外部電路之間的信號傳遞通道。此外,引 線框架401還參與形成閉環:乘電流路氆奶“為需檢測的電 流提供閉環形的電流通路,該死迴圈形電流路徑“與半 導體晶片402上的藿爾感測器410靠近並形成特定的位置 關係,以便於計算被檢測電流值。引線框架4〇1可通過現 有的任意方法形成,如通過將單片的金屬通過刻蝕等方 法形成。引線框架401包含電氣引線411、412和 421-428。電氣引線411和412用於形成閉環形電流路徑 41,在引線框架401上分別形成被檢測電流的輸入埠和輸 出埠。 半導體晶片402上製作了霍爾感測器41〇。在—個實施例 中,半導體晶片402為第2圖所示的霍爾效應電流感測器 0993372207-0 099121839 表單編號A0101 第6頁/共2〇頁 201120459 晶片20。+導體晶片402也可以和第2圖所示的實施例不 同,如半導體晶片的輸出琿輸出霍爾電壓信號或輸出磁 聂L號等。半導體晶片402的表面製作有倒裝凸點 428Bs。在圖示的實施例中’倒裝凸點421^_428\製& 在半導體晶片402的邊緣部分。倒裝凸點即為第2圖2所示 的半導體晶片的輸入/輸出埠(I/〇) EX1、Ex^..Exi1。 晶片402和引線框架401被包封材料封裝。在一個實施例 中,晶片402和引線框架401的封裝形式為四邊扁平封装 (QFN),引線接觸盤4ΐιΑ、412Α、411Β、412β和 421-428暴露在包封材料外面。包封材料可為塑膠、陶瓷 或其他材料。 如第4圖所示,電氣引線4U、412和42卜428為引線框架 的組成部分,其中電氣引線411和電氣訂線412呈伸展狀 ’占引線框架較大的面積。電氣引線4L1位於引線框架邊 緣的一端含暴露於包封材料外的引線接觸盤4114,作為 被檢測電流的輸入埠/輸出埠。為了使電氣引線411、412 和外部導體形成第4圖所示的同學路禮,電氣引線411呈 彎曲鉤狀《電氣引線411的另一端在霍爾感測器41 〇的附 近含引線接觸盤411B,用於和位於引線框架4〇1外的導體 電連接。同樣’電氣引線412的靠近引線接觸盤411B的一 端含引線接觸盤412B用於和引線框架外的導體電連接, 電氣引線412週邊的另一端含暴露於包封材料外的引線接 觸盤412A,作為被檢測電流的輸出埠/輸入埠。電氣引線 411和電氣引線412形成環狀結構》該環狀結構靠近霍爾 感測器410並使霍爾感測器410位於該環狀結構内部。相 對於半導體晶片402,電氣引線411和41 2的引線接觸盤 099121839 表單編號A0101 第7頁/共20頁 0993372207-0 201120459 411B和412B在引線框架4〇 1的反面。為了形成閉環形電 流通路,電氣引線411和412在引線接觸盤4UB和412Β之 間串聯連接一外部導體,該外部導體與引線框架4〇1位於 不同的深度,使得外部導體和電氣引線411的右側“手柄 ’’區域相互交錯絕緣。絕緣方式可為空氣絕緣或通過絕 緣層絕緣等。但外部導體和引線框架4〇1之間的距離很小 ,使得霍爾感測器41 0與閉環形電流路徑41基本位於同一 平面上,提高檢測準確性。在一個實施例中,外部導體 為印刷於PCB板上的導電層。閉環形電流通路41具體走向 如下:被檢測的電流從引線接觸盤411Α流向電氣引線411 ;經過鉤狀的電氣引線411,從引線接觸盤411Β流向pcB 板上的外部導體;電流再從引線接觸盤412B流向電氣引 線412,然後從弓丨線接觸盤412A流出。這樣,需要被檢測 的電流經過一個閉環形的電流路徑4丨,在閉環形電流通 路41中心區域形成正比於被檢測電流大小的磁場。在一 個實施例中,霍爾感測器4|;〇位於閉環形電流通路4丨的中 心區域用於檢測該磁場。通過檢測到的遶場值以及霍爾 感測器410與閉環形電流路徑·41之間的位置資訊可計算得 到被檢測電流資訊。在另外一個實施例中,被檢測電流 以順時針順序從引線接觸盤412A流進,從引線接觸盤 411A流出。 繼續對第4圖進行說明。引線框架4〇1進一步包含一系列 輸入/輸出電氣引線421-428。電氣引線42卜428用於為 半導體晶片402和外部電路進行電信號傳遞。在一個實施 例中’輸入/輸出電氣引線421_428位於引線框架401的 週邊區域。每個電氣引線如421含一凸點接觸盤,用於和 099121839 表笨編號A〇101 第8頁/共2〇頁 0993 半導體晶片402上的凸點421ΒΖ進行連接。電氣弓丨線 421-428通過凸點421BZ-428B2和第2圖所示的半導體曰 片402的輸入/輸出埠Εχ 1 -Exn進行連接。輪八/輪出電氣 引線的數量不局限於8個,根據實際需要確定。輪入/约 出電氣引線421-428的反面露出包封材料外,形成引線接 觸盤》 第5圖示出了一個霍爾效應電流感測器系統5〇〇實施例的 截面圖。該霍爾效應電流感測器系統500包括倒震式半導 體裝置400和板510。第5圖對應第4圖中沿AB軸形成的截 面圖。霍爾效應電流感測器系統500包括半導體倒裝式晶 :............ ..... ....... 片402、引線拇架401和板510,其中板510上製作有外部 導體511。在一個實施例中,板510為PCB板。半導體晶 片402將製作有裝置的一面朝向引線框架並通過凸點( 423B^〇 426B2)和引線框架(圖中可見423、411、 412和426)倒裝式連接。倒裝式晶片W2和引線框架4〇 1 被包封材料501包封,其中電氣i丨線(423和426 )的反 面露出於包封材料501外形喊弓j:線接觸,盤用於和外部電路 連接。在圖示的實施例中,引:線瘢藥401通過引線接觸盤 ( 423、426 )和PCB板510電連接,使得半導體晶片402 上的輸入/輸出埠Exl-Exn和PCB板上的其他裝置或電路 連接。 繼續第5圖的說明,電氣引線411和412通過引線接觸盤 411B和412B和板510連接。在一個實施例中,引線接觸 盤411B和412B為引線框架401的一部分。由於電氣引線 411呈鉤狀,因此在第5圖所示的截面圖中表現為兩個部 分。在PCB板510上製作有導體511。在一個實施例中, 表單編號A0101 第9頁/共20頁 0993 201120459 導體511為印刷在PCB板510上的銅導體層。導體511的兩 端分別通過引線接觸盤411B和電氣引線411連接,通過引 線接觸盤412B和電氣引線412連接。這樣,串聯連接的電 氣引線411、導體511和電氣引線412形成一個如第4圖所 示關環形電流通路41。圖示中的結構尺寸為示意性的 ’在實際應用中’圖示的封裝形式可使導體511、引線框 架401與半導體晶片4〇2之間的縱向距離很小,例如,導 體511與含霍爾感測器的半導體晶片4〇2之間的距離可小 於90微米’使得㈣感測器靠近雜於閉環形電流路徑 41之内’從而電流檢測的靈敏度和精確度較高。霍爾感 測器可以位於閉環形電流路徑的中心位置,也可以偏離 中心位置位於閉環形電流通路内部β此處的“中心,,、 之内或内部指從第4圖所示的俯視圖方向來看, 霍爾感測器位於閉環形電流路徑的中心、閉環形電流路 徑之内或内部。 第4圖和第5圖所示的實施例中,伸展的電氣引線4ιι和 412占引線框架401大部分的面積。外部導體可為厚導電 層’使得電流路徑的電阻較低,電流檢測耗能低。在一 個實施例中’伸展狀的電氣引線411和412占引線框架 401的一半以上的面積。 在另個實施例中’第3圖所示的閉環形電流路經30可由 多個電氣引線和多個外部導體構成。 雖、、第5圖中所不的封裝為無引腳封裝,如無引腳四邊扁 平封裝㈣’但有㈣的封裝形式如小外形封裝(SS0P) 也可適用本發明。 099121839 μ 個電流檢财法實施例流程 表單編號Α0101 « ^ 0993372207-0
第10頁/共2〇頁 201120459 Ο [0005] 在步驟601,通過引線框架和pcB板形成閉環形的電流路 徑。在一個實施例中,該死迴圈形電流路徑由引線框架 的兩個電氣引線以及PCB板上的導體連接而成。在步驟 602,將半導體晶片連接到引線框架,使半導體晶片上的 霍爾感測器靠近並位於閉環形電流路徑内。在步驟, 將被檢測電流引入閉環形電流路徑,使得電流從引線框 架的一個電氣引線流入,通過外部導體從另一個電氣引 線流出。在步驟604,檢測閉環形電流路徑内的磁場,根 據霍爾感測器檢測到的磁場計算得到被檢測電流資訊。 【圖式簡單說明】 第1圖示出了現有的霍爾效應原理圖《 第2圖示出了根據本發明的一,個實施例的霍爾效應電流感 測器晶片的功能框圖^ 一 第3圖示出了根據本發明的一個實施例的霍爾效應電流檢 測方法示意圖》 〇 第4圖示出了本發明的一個倒裝式半導體裝置實施例的結 構俯視圖,其中霍爾效應電流感測器晶片倒裝於一引線 框架上並採用引線框架形成電流環路。 第5圖示出了根據本發明的一個實施例的電流感測器系統 截面圖,該圖對應第4圖所示倒裝式半導體裝置沿ΑΒ轴的 截面圖。 第6圖示出了基於本發明實施例的電流檢測方法流程圖。 【主要元件符號說明】 [0006] 10、511 :導體 2 0 :霍爾效應電流感測器晶片 099121839 表單編號Α0101 第11頁/共20頁 0993372207-0 201120459 21、31、410 :霍爾感測器 22 :處理單元 30 :閉環形電流路徑 41 :閉環形電流路徑 400 :倒裝式半導體裝置 401 :引線框架 402 :半導體晶片 411、412 :電氣引線 411A、412A、411B、412B、421-428 :引線接觸盤 421B2-428B2 :倒裝凸點 500 :霍爾效應電流感測器系統 501 :包封材料 510 : PCB板 ADC :類比-數位轉換 B .磁場 I、I b i a s、I s :電流 Vhall :類比信號 V+、V-:霍爾電勢差 099121839 表單編號A0101 第12頁/共20頁 0993372207-0
Claims (1)
- 201120459 七、申請專利範圍: 1 . 一種霍爾效應電流感測器系統,包括: 半導體晶片,含霍爾感測器; 引線框架,包含至少兩個電氣引線,所述半導體晶片倒裝 連接所述引線框架; 以及至少一個外部導體,和所述引線框架連接,其中所述 至少兩個電氣引線和所述至少一個外部導體形成閉環形電 流路徑,所述霍爾感測器靠近並位於所述閉環形電流路徑之内。 2 .如申請專利範圍第1項所述的電流感測器系統,其中所述 至少一個外部導體製作於印刷電路板上,所述引線框架和 所述印刷電路板電連接。 3 .如申請專利範圍第1項所述的電流感測器系統,其中所述 至少兩個電氣引線為兩個呈伸展狀的電氣引線。 4 .如申請專利範圍第3項所述的電流感測器系統,其中所述 兩個伸展狀的電氣引線為第一電氣引線和第二電氣引線, 其中: 所述第一電氣引線的位於所述引線框架邊緣的第一端包含 引線接觸盤,作為所述閉環形電流路徑的輸入埠/輸出埠 所述第一電氣引線的靠近所述霍爾感測器的第二端包含引 線接觸盤,用於和所述外部導體的第一端連接; 所述第二電氣引線的靠近所述霍爾感測器的第一端包含引 線接觸盤,用於和所述外部導體的第二端連接; 所述第二電氣引線的位於所述引線框架邊緣的第二端包含 099121839 表單編號A0101 第13頁/共20頁 0993372207-0 201120459 引線接觸盤,作為所述閉環形電流路徑的輸出埠7輸入埠 〇 5 .如申請專利範圍第4項所述的電流感測器系統,其中所述 半導體晶片和所述引線框架的正面連接,所述引線接觸盤 位於所述引線框架的反面。 6 ·如申請專利範圍第1項所述的電流感測器系統,其中一個 所述電氣引線呈彎曲鉤狀。 7 .如申請專利範圍第6項所述的電流感測器系統,其中所述 外部導體數量為一個。 8 .如申請專利範圍第6項所述的電流感測器系統,其中所述 外部導體和所述引線框架位於不同的深:度,使得所述外部 導體和呈彎曲鉤狀的所述電氣引線的手柄區域相互交錯絕 緣。 9 .如申請專利範圍第1項所述的電流感測器系統,其中所述 外部導體和所述半導體晶片之間的距離小於9 0微米。 10 .如申請專利範圍第1項所述的電流感測器系統,其中所述 半導體晶片包含一個霍.爾感測器。 11 .如申請專利範齒第1項所述的電流感測器系統,其中所述 霍爾感測器為摻雜形成的半導體阻性導體。 12 .如申請專利範圍第1項所述的電流感測器系統,其中所述 霍爾感測器位於所述閉環形電流路徑的中心。 13 ’如申請專利範圍第1項所述的電流感測器系統,進一步包 含包封材料,將所述半導體晶片和所述引線框架包封,並 將引線接觸盤暴露在所述包封材料外面。 14 .如申請專利範圍第1 3項所述的電流感測器系統,其中所述 半導體晶片和所述引線框架被包封材料包封形成四邊扁平 099121839 第14頁/共20頁 表單編號A0101 201120459 封裝(QFN)。 15 . 16 . 17 . Ο 18 19 . ❹ 20 . 21 . 099121839 如申請專利範圍第1項所述的電流感測器系統,其中所述 半導體晶片進一步包含處理單元和輸入/輸出埠。 如申請專利範圍第15項所述的電流感測器系統,其中所述 處理單元包含時間分配和介面 電路、放大電路、類比數位 轉換電路和處理電路。 如申清專利範圍第15項所述的電流感測器系統,其中所述 輸入/輸出埠為製作在半導體晶片邊緣的多個倒裝凸點, 所述倒裝凸點和引線框架連接β 一種半導體倒裝裝置,包括: 半導體倒裝式晶片,含霍爾,測器; 以及引線框架’包含兩個伸展狀的電氣引線,其中所述兩 個乳引線形成環狀結構’所述半導體倒裝式晶片倒裝連接 斤述引線框架’所述霍爾感測器靠近並位於所述環狀結構 内部。 ^申β奢專利範圍第18項所述的倒裝裝置,, i中所述兩個電 *引線和外部導體串聯連接構成閉環办路徑。 =申請專利範圍第18項所述的倒裝裝置,其中每個所述電 见引線第-端位於所述引線框架的邊緣,第二端靠近所述 爾感測器,所述電氣引線的第一端和第二端各包含弓卜線 接觸盤。 如申請專利範圍第20項所述的倒裝裝置,其中所述半導雜 倒裝式晶片和所述引線框架的正面連接,所述引線接觸盤 立於所述引線框架的反面。 ^申請專利範圍第18項所述的倒裝裝置,其中-個户斤述電 丨線呈彎曲鉤狀。 表翠編號A0101 第15頁/共20頁 099337220^0 22 . 201120459 23 .如申請專利範圍第18項所述的倒裝裝置被包封材料包封形 成四邊扁平封裝。 24 .如申請專利範圍第18項所述的倒裝裝置,其中所述霍爾感 測器位於所述環狀結構的中心。 25 . —種引線框架結構,包含兩個伸展狀的電氣引線,其中一 個所述電氣引線呈彎曲鉤狀,所述兩個電氣引線形成環狀 結構。 26 .如申請專利範圍第25項所述的引線框架結構,其中所述兩 個電氣引線占所述引線框架一半以上的面積。 27 . —種電流檢測方法,包括: 通過引線框架和印刷電路板形成閉環形的電流路徑; 將霍爾感測器放置於閉環形的電流路徑内; 將被檢測電流引入閉環形電流路徑; 根據霍爾感測器檢測到的磁場計算得到被檢測電流資訊。 28 .如申請專利範圍第27項所述的方法,其中將引線框架的兩 個電氣引線通過印刷電路板上的導體串聯連接形成閉環形 的電流路徑。 099121839 表單編號A0101 第16頁/共20頁 0993372207-0
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