[发明专利]一种单芯片霍尔电流传感器及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体制造领域，特别是涉及一种单芯片霍尔电流传感器及其制备方法。

背景技术

开环霍尔电流传感器基于霍尔直放式工作原理，即当原边电流Ip流过一根长导线时，在导线周围将产生一磁场，这一磁场的大小与流过导线的电流成正比，产生的磁场聚集在磁环内，通过磁环气隙中霍尔器件进行测量，并通过运算放大器等电路，将微弱的电压信号放大为标准电压Vs或电流信号Is。其输出电压Vs或输出电流Is精确的反映原边电流Ip并经过特殊电路的处理，用于原边电流变化的检测元件。霍尔电流传感器广泛应用于变频调速装置、逆变装置、UPS电源、逆变焊机、电解电镀、数控机床、微机监测系统、电网监控系统和需要隔离检测电流电压的各个领域中。

流过长直导体的电流所产生的磁场与该电流的关系：B＝μI/2πr(公式1)

其中，B为磁感应强度，单位是特斯拉；I为电流，单位是安培；r为测量点与导体的距离，单位是米；μ为真空磁导率。

若电流通过的是扁平导体时，当测量点离导体距离r<<导体宽度W时，扁平导体周围产生的磁场与该电流的关系：B＝μI/2W(公式2)

其中，W为扁平导线的宽度，单位是米。

传统的开环霍尔电流传感器，容易受到外界磁场的磁性干扰。其存在性能不稳定、灵敏度低、体积大、制造工艺复杂、生产成本高等缺陷。因此，现有技术提供一种单芯片开环霍尔传感器及其制造方法，能够消除外界磁场干扰，提高性能稳定性和灵敏度，并且通过封装级单芯片工艺将霍尔传感器和导体集成在同一芯片上，有效减小产品体积，降低生产成本。

现有技术一般将导体制造在集成电路引线框架上，并将导体置于霍尔感应区的正上方或正下方。如图1所示为一个典型的霍尔电流传感器的底视图结构，包括：一个塑料外壳100，用以提供了一个稳定可靠的工作环境，对内部结构起到机械或环境保护的作用，从而集成电路芯片能够发挥正常的功能，并保证其具有高稳定性和可靠性；铜制框架101a、101b、101c、101d、101e，并延伸出所述塑料外壳100，形成引脚，一般会在引脚表面电镀有一层金属锡，用于应用时焊接在PCB电路板上，其中引脚106a、106b为内部通过框架相连，外部为大于等于1个引脚的结构，互为原边电流Ip的输入输出端，电流方向可以由106a到106b，也可以由106b到106a，框架101e在内部形成一个铜制的导体电流环104，当原边电流Ip通过导体电流环104时，在霍尔传感区105周围产生磁场大小与流过导线的电流成正比的磁场，并由霍尔传感器103上的霍尔传感区105感应到，形成线性的霍尔电压，并由霍尔传感器103上的内部电路结构经过放大、滤波、与斩波电路，输出一个电压信号或电流信号。铜制框架101a、101b、101c、101d延伸出所述塑料外壳100的部分，一般作为霍尔传感器103的电源端，地端，输出端，控制端等端口。连接件102a、102b、102c、102d为金属球或柱，一般由铜、铅、锡等金属构成，用于构成铜制框架101a、101b、101c、101d与霍尔传感器103上的焊盘之间的电连接。

如图2所示为图1中的AA’剖面图，连接件102a、102b生长在霍尔传感器103的表面焊盘上，霍尔传感器103表面焊盘以外的部分为钝化层(图2中虚线所示)；导体电流环104的横截面为104a和104b，互为原边电流Ip的输入输出端；霍尔传感器103上的电路结构位于霍尔感应区105的同一表面。

现有的霍尔电流传感器的制造，采用的是倒装芯片(Flip chip)技术，该封装方式为芯片正面朝下向封装框架，无需引线键合，形成最短电路，降低电阻和其他一些寄生参数；采用金属球连接框架，缩小了封装尺寸，改善电性表现。其制造流程如下：

(1)制作非标准的定制框架；

(2)晶圆上制作凸点；

(3)将晶圆切割成独立的带凸点的芯片，并倒装将凸点焊接在框架上。

(4)塑封并将引脚电镀，切筋成型。

该技术也有一定的缺点，首先倒装芯片技术需要在晶圆上制作凸点，需要用到掩膜板设计制作，光刻、电镀、植球等技术，设备昂贵成本较大。且针对霍尔电流传感器，其框架属于非标准框架，还需要根据霍尔电流传感器芯片上的焊盘位置上单独设计开发并制作框架，且针对不同的导体宽度W，也需要单独开发框架。也增加了封装成本和产品研发周期，提高了该产品的技术壁垒。