專利名稱：霍爾效應電流傳感器和電流檢測方法
技術領域：
本發(fā)明涉及霍爾效應電流傳感器，具體涉及用于霍爾效應電流傳感器和電流檢測 方法。
背景技術：
磁場可以采用通過CMOS技術制作的霍爾傳感器檢測。簡單的霍爾傳感器為一具 有一定尺寸的低摻雜形成的半導體阻性導體。圖1示出了霍爾效應原理。如圖1所示的導 體10置于外磁場B中，當垂直于磁場B的電流Ibias流過導體10時，在垂直于磁場B和電 流Ibias的方向產(chǎn)生一感應電壓Vhall。根據(jù)霍爾感應電壓Vhall可計算磁場值。同時，電流可產(chǎn)生磁場。通過這個原理，霍爾傳感器可用于檢測電流。
發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提出一種倒裝式霍爾效應電流傳感器系統(tǒng)和電流檢測方法，通 過弓I線框架形成被檢測電流路徑和磁場，并且通過檢測磁場得到電流信號。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的霍爾效應電流傳感器系統(tǒng)包括半導體芯片，具有霍 爾傳感器；引線框架，包含至少兩個電氣引線，所述半導體芯片倒裝于所述引線框架之上； 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 部導體串聯(lián)連接形成閉環(huán)形電流路徑，并且所述霍爾傳感器位于所述閉環(huán)形電流路徑之 內。在一個實施例中，外部導體制作于印刷電路板上，而引線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。其中一個所述電氣引線呈鉤狀。外部導體 數(shù)量為一個?；魻杺鞲衅魑挥谒鲩]環(huán)形電流路徑的中心。在一個實施例中，半導體芯片 上的霍爾傳感器為摻雜形成的半導體阻性導體。上述電流傳感器系統(tǒng)可進一步包含包封材料，將所述半導體芯片和所述引線框架 包封，形成四邊扁平封裝(QFN)。半導體芯片可進一步包含處理單元和輸入/輸出端口。其中所述處理單元包含時 間分配和接口電路、放大電路、模擬數(shù)字轉換電路和處理電路。所述輸入/輸出端口通過倒 裝凸點和引線框架連接。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的一種半導體倒裝器件包括引線框架，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；以及半導體倒裝式芯片，含霍爾傳感器， 所述半導體倒裝式芯片含所述霍爾傳感器的一面與所述引線框架連接；其中所述兩個電氣 引線形成環(huán)狀結構，所述霍爾傳感器位于所述環(huán)狀結構內部。所述外部導體和所述兩個電 氣引線串聯(lián)連接，其中所述兩個電氣引線和所述外部導體構成閉環(huán)形路徑。上述的倒裝器 件可被包封材料包封形成四邊扁平封裝。本發(fā)明還提出來了上述的引線框架結構，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(huán)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。
根據(jù)本發(fā)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(huán)形的電流路徑；將霍爾傳感器放置于閉環(huán)形電流路徑內；將被檢測電流引入 閉環(huán)形電流路徑；根據(jù)霍爾傳感器檢測到的磁場計算得到被檢測電流信息。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(lián)連接形成閉環(huán)形電流路徑。
圖1示出了現(xiàn)有的霍爾效應原理圖。圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的霍爾效應電流傳感器芯片的功能框圖。圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的霍爾效應電流檢測方法示意圖。圖4示出了本發(fā)明的一個倒裝式半導體器件實施例的結構俯視圖，其中霍爾效應 電流傳感器芯片倒裝于引線框架上并采用弓丨線框架形成電流環(huán)路。圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的電流傳感器系統(tǒng)截面圖，該圖對應圖4所 示倒裝式半導體器件沿AB軸的截面圖。圖6示出了基于本發(fā)明實施例的電流檢測方法流程圖。
具體實施例方式圖2示出了應用于本發(fā)明的一個霍爾效應電流傳感器芯片20實施例的功能框圖。 在霍爾效應電流傳感器芯片20上，采用CMOS兼容技術制作了霍爾傳感器21和處理單元 22。霍爾傳感器21檢測霍爾傳感器21所在位置的磁場，輸出霍爾電壓模擬信號Vhall至 處理單元22。處理單元22根據(jù)該霍爾電壓和霍爾傳感器與被檢測電流路徑之間的位置信 息，經(jīng)計算處理得到電流值信息。在另一個實施例中，處理單元22計算產(chǎn)生并輸出磁場值 信息?；魻栃娏鱾鞲衅餍酒?0可包含多個霍爾傳感器。在一個實施例中，處理單元22 包含時間分配和接口電路，放大電路，模擬-數(shù)字轉換(ADC)電路和處理電路。模擬信號 Vhall經(jīng)放大電路放大，然后經(jīng)ADC電路從模擬信號轉換成數(shù)字信號，最后經(jīng)過處理電路的 數(shù)字信號處理得到電流信號并將檢測結果通過輸入/輸出端口(I/O) EX1、Ex2. . . Exn輸出。 其中時間分配和接口電路控制放大電路、ADC電路和處理電路，并控制信號的輸入輸出。圖3示出了本發(fā)明的一種電流檢測方法原理。當被檢測的電流I通過逆時針的閉 環(huán)形電流路徑30時，在閉環(huán)形電流路徑30內產(chǎn)生一個垂直于紙面向外的磁場B。該磁場 B正比于I值。閉環(huán)形電流路徑30的中心位置放置一個霍爾傳感器31。當霍爾傳感器31 內部以從左至右的方向通過電流Is時，在霍爾傳感器31的上下兩端感應產(chǎn)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(fā)明的一個實施例中，用于流過被檢測 電流的閉環(huán)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，可計算并得到被檢測電流I的值。圖4示出了本發(fā)明的一個使用霍爾效應電流傳感器的倒裝式半導體器件400實施 例的俯視圖。該倒裝式半導體器件400包含引線框架401和半導體芯片402。半導體芯片 402倒裝于引線框架401之上。弓丨線框架401為半導體芯片402提供機械支持以及提供半導體芯片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(huán)形電流路徑41，為需檢測的 電流提供閉環(huán)形的電流通路，該閉環(huán)形電流路徑41與半導體芯片402上的霍爾傳感器410靠近并形成特定的位置關系，以便于計算被檢測電流值。引線框架401可通過現(xiàn)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用于形成閉環(huán)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端和輸出端。半導體芯片402上制作了霍爾傳感器410。在一個實施例中，半導體芯片402為 圖2所示的霍爾效應電流傳感器芯片20。半導體芯片402也可以和圖2所示的實施例不 同，如半導體芯片的輸出端口輸出霍爾電壓信號或輸出磁場信號等。半導體芯片402的表 面制作有倒裝凸點421B2-428B2。在圖示的實施例中，倒裝凸點421B2-428B2制作在半導體 芯片402的邊緣部分。倒裝凸點即為圖2所示的半導體芯片的輸入/輸出端口(I/0)EX1、 Ex2. . . Exn。芯片402和引線框架401被包封材料封裝。在一個實施例中，芯片402和引線框 架401的封裝形式為四邊扁平封裝(0 幻，引線接觸盤41認、412々、4118、4128和421-428暴 露在包封材料外面。包封材料可為塑料、陶瓷或其它材料。如圖4所示，電氣引線411、412和421-428為引線框架的組成部分，其中電氣引線 411和電氣引線412呈伸展狀，占引線框架較大的面積。電氣引線411位于引線框架邊緣的 一端含暴露于包封材料外的引線接觸盤411A，作為被檢測電流的輸入端/輸出端。為了使 電氣引線411、412和外部導體形成圖4所示的閉環(huán)路徑，電氣引線411呈彎曲鉤狀。電氣 引線411的另一端在霍爾傳感器410的附近含引線接觸盤411B，用于和位于引線框架401 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 用于和引線框架外的導體電連接，電氣引線412外圍的另一端含暴露于包封材料外的引線 接觸盤412A，作為被檢測電流的輸出端/輸入端。電氣引線411和電氣引線412形成環(huán)狀 結構。該環(huán)狀結構靠近霍爾傳感器410并使霍爾傳感器410位于該環(huán)狀結構內部。相對于 半導體芯片402，電氣引線411和412的引線接觸盤411B和412B在引線框架401的反面。 為了形成閉環(huán)形電流通路，電氣引線411和412在引線接觸盤411B和412B之間串聯(lián)連接 外部導體，該外部導體與引線框架401位于不同的深度，使得外部導體和電氣引線411的右 側“手柄”區(qū)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401之間的距離很小，使得霍爾傳感器410與閉環(huán)形電流路徑41基本位于同一 平面上，提高檢測準確性。在一個實施例中，外部導體為印刷于PCB板上的導電層。閉環(huán)形 電流通路41具體走向如下被檢測的電流從引線接觸盤411A流向電氣引線411 ；經(jīng)過鉤狀 的電氣引線411，從引線接觸盤411B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，然后從引線接觸盤412A流出。這樣，需要被檢測的電流經(jīng)過一個閉環(huán)形 的電流路徑41，在閉環(huán)形電流通路41中心區(qū)域形成正比于被檢測電流大小的磁場。在一個 實施例中，霍爾傳感器410位于閉環(huán)形電流通路41的中心區(qū)域用于檢測該磁場。通過檢測 到的磁場值以及霍爾傳感器410與閉環(huán)形電流路徑41之間的位置信息可計算得到被檢測 電流信息。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(xù)對圖4進行說明。引線框架401進一步包含一系列輸入/輸出電氣引線 421-428。電氣引線421-428用于為半導體芯片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位于引線框架401的外圍區(qū)域。每個電氣引線如421含一凸點接觸盤，用于和半導體芯片402上的凸點421B2進行連接。電氣引線421-428通過 凸點421B2-428B2和圖2所示的半導體芯片402的輸入/輸出端口 Exl-Exn進行連接。輸 入/輸出電氣引線的數(shù)量不局限于8個，根據(jù)實際需要確定。輸入/輸出電氣引線421-428 的反面露出包封材料外，形成引線接觸盤。圖5示出了一個霍爾效應電流傳感器系統(tǒng)500實施例的截面圖。該霍爾效應電流 傳感器系統(tǒng)500包括倒裝式半導體器件400和板510。圖5對應圖4中沿AB軸形成的截面 圖?；魻栃娏鱾鞲衅飨到y(tǒng)500包括半導體倒裝式芯片402、引線框架401和板510，其中 板510上制作有外部導體511。在一個實施例中，板510為PCB板。半導體芯片402將制作 有器件的一面朝向引線框架并通過凸點(423B2和426B2)和引線框架(圖中可見423、411、 412和426)倒裝式連接。倒裝式芯片402和引線框架401被包封材料501包封，其中電氣 引線(423和426)的反面露出于包封材料501外形成引線接觸盤用于和外部電路連接。在 圖示的實施例中，引線框架401通過引線接觸盤(423、426)和PCB板510電連接，使得半導 體芯片402上的輸入/輸出端口 Exl-Exn和PCB板上的其它器件或電路連接。繼續(xù)圖5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。由于電氣引線 411呈鉤狀，因此在圖5所示的截面圖中表現(xiàn)為兩個部分。在PCB板510上制作有導體511。 在一個實施例中，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(lián)連接的電氣引線411、導體511和電氣引線412形成一個如圖4所示的閉環(huán)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與半導體芯片402之間的縱向距離很小，例如，導體511與含霍爾傳感器的半導體芯片 402之間的距離可小于90微米，使得霍爾傳感器靠近并位于閉環(huán)形電流路徑41之內，從而 電流檢測的靈敏度和精確度較高?；魻杺鞲衅骺梢晕挥陂]環(huán)形電流路徑的中心位置，也可 以偏離中心位置位于閉環(huán)形電流通路內部。此處的“中心”、“之內”或“內部”指從圖4所示 的俯視圖方向來看，霍爾傳感器位于閉環(huán)形電流路徑的中心、閉環(huán)形電流路徑之內或內部。圖4和圖5所示的實施例中，伸展的電氣引線411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。在另一個實施例中，圖3所示的閉環(huán)形電流路徑30可由多個電氣引線和多個外部 導體構成。雖然圖5中所示的封裝為無引腳封裝，如無引腳四邊扁平封裝QFN，但有引腳的封 裝形式如小外形封裝(SS0P)也可適用本發(fā)明。圖6示出了本發(fā)明的一個電流檢測方法實施例流程圖。在步驟601，通過引線框架 和PCB板形成閉環(huán)形的電流路徑。在一個實施例中，該閉環(huán)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，將半導體芯片連接到引線框架，使半 導體芯片上的霍爾傳感器靠近并位于閉環(huán)形電流路徑內。在步驟603，將被檢測電流引入閉 環(huán)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(huán)形電流路徑內的磁場，根據(jù)霍爾傳感器檢測到的磁場計算得 到被檢測電流信息。
權利要求
一種霍爾效應電流傳感器系統(tǒng)，包括半導體芯片，具有霍爾傳感器；引線框架，包含至少兩個電氣引線，所述半導體芯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(huán)形電流路徑，所述霍爾傳感器靠近并位于所述閉環(huán)形電流路徑之內。
2.如權利要求1所述的電流傳感器系統(tǒng)，其中所述至少一個外部導體制作于印刷電路 板上，所述引線框架和所述印刷電路板電連接。
3.如權利要求1所述的電流傳感器系統(tǒng)，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.如權利要求3所述的電流傳感器系統(tǒng)，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于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(huán) 形電流路徑的輸入端/輸出端；所述第一電氣引線的靠近所述霍爾傳感器的第二端包含引線接觸盤，用于和所述外部 導體的第一端連接；所述第二電氣引線的靠近所述霍爾傳感器的第一端包含引線接觸盤，用于和所述外部 導體的第二端連接；所述第二電氣引線的位于所述引線框架邊緣的第二端包含引線接觸盤，作為所述閉環(huán) 形電流路徑的輸出端/輸入端。
5.如權利要求4所述的電流傳感器系統(tǒng)，其中所述半導體芯片和所述引線框架的正面 連接，所述引線接觸盤位于所述引線框架的反面。
6.如權利要求1所述的電流傳感器系統(tǒng)，其中一個所述電氣引線呈彎曲鉤狀。
7.如權利要求6所述的電流傳感器系統(tǒng)，其中所述外部導體數(shù)量為一個。
8.如權利要求6所述的電流傳感器系統(tǒng)，其中所述外部導體和所述引線框架位于不同 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(qū)域相互交錯絕緣。
9.如權利要求1所述的電流傳感器系統(tǒng)，其中所述外部導體和所述半導體芯片之間的 距離小于90微米。
10.如權利要求1所述的電流傳感器系統(tǒng)，其中所述半導體芯片包含一個霍爾傳感器。
11.如權利要求1所述的電流傳感器系統(tǒng)，其中所述霍爾傳感器為摻雜形成的半導體 阻性導體。
12.如權利要求1所述的電流傳感器系統(tǒng)，其中所述霍爾傳感器位于所述閉環(huán)形電流 路徑的中心。
13.如權利要求1所述的電流傳感器系統(tǒng)，進一步包含包封材料，將所述半導體芯片和 所述弓I線框架包封，并將引線接觸盤暴露在所述包封材料外面。
14.如權利要求13所述的電流傳感器系統(tǒng)，其中所述半導體芯片和所述引線框架被包 封材料包封形成四邊扁平封裝。
15.如權利要求1所述的電流傳感器系統(tǒng)，其中所述半導體芯片進一步包含處理單元 和輸入/輸出端口。2
16.如權利要求15所述的電流傳感器系統(tǒng)，其中所述處理單元包含時間分配和接口電 路、放大電路、模擬數(shù)字轉換電路和處理電路。
17.如權利要求15所述的電流傳感器系統(tǒng)，其中所述輸入/輸出端口為制作在半導體 芯片邊緣的多個倒裝凸點，所述倒裝凸點和引線框架連接。
18.一種半導體倒裝器件，包括半導體倒裝式芯片，具有霍爾傳感器；以及引線框架，包含兩個伸展狀的電氣引線，其中所述兩個電氣引線形成環(huán)狀結構，所 述半導體倒裝式芯片倒裝連接所述引線框架，所述霍爾傳感器靠近并位于所述環(huán)狀結構內 部。
19.如權利要求18所述的倒裝器件，其中所述兩個電氣引線和一個外部導體串聯(lián)連接 構成閉環(huán)形路徑。
20.如權利要求18所述的倒裝器件，其中每個所述電氣引線第一端位于所述引線框架 的邊緣，第二端靠近所述霍爾傳感器，所述電氣引線的第一端和第二端各包含引線接觸盤。
21.如權利要求20所述的倒裝器件，其中所述半導體倒裝式芯片和所述引線框架的正 面連接，所述引線接觸盤位于所述引線框架的反面。
22.如權利要求18所述的倒裝器件，其中一個所述電氣引線呈彎曲鉤狀。
23.如權利要求18所述的倒裝器件被包封材料包封形成四邊扁平封裝。
24.如權利要求18所述的倒裝器件，其中所述霍爾傳感器位于所述環(huán)狀結構的中心。
25.一種引線框架結構，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，所述兩個電氣弓丨線形成環(huán)狀結構。
26.如權利要求25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。
27.一種電流檢測方法，包括通過引線框架和印刷電路板形成閉環(huán)形的電流路徑；將霍爾傳感器放置于閉環(huán)形的電流路徑內；將被檢測電流引入閉環(huán)形電流路徑；根據(jù)霍爾傳感器檢測到的磁場計算得到被檢測電流信息。
28.如權利要求27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(lián)連接形成閉環(huán)形的電流路徑。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于霍爾效應的電流傳感器系統(tǒng)，該電流傳感器系統(tǒng)包括具有霍爾傳感器的半導體芯片、引線框架以及外部導體。其中半導體芯片倒裝于引線框架上。引線框架包含兩個伸展狀的電氣引線，與外部導體一起在霍爾傳感器附近形成閉環(huán)形的電流通路。通過檢測閉環(huán)內的磁場得到電流信息。
文檔編號G01R19/25GK101943715SQ201010224619
公開日2011年1月12日 申請日期2010年7月6日 優(yōu)先權日2009年7月7日
發(fā)明者安東尼奧·巴克 申請人:成都芯源系統(tǒng)有限公司