DE10231194A1 - Lead frame for a sonde magnetic field sensor on a semiconductor chip reduces eddy current production by magnetic fields - Google Patents
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Magnetfeldsensoren und spezieller auf Träger für Halbleiterchips mit einer Magnetfeldsonde.The present invention relates on magnetic field sensors and more specifically on carriers for semiconductor chips with a magnetic field probe.
Mageetfeldsensoren und insbesondere integrierte Magnetfeldsensoren werden heutzutage in vielen Bereichen eingesetzt. Ein solcher Magnetfeldsensor umfaßt typischerweise einen Halbleiterchip mit einer Magentfeldsonde, der auf einem sogenannten Anschlußleitungsrahmen (Leadframe) befestigt ist. Unter einem Anschlußleitungsrahmen ist eine Anordnung zu verstehen, die im wesentlichen aus einem Blättchen, das nachfolgend auch als eine Chipinsel bezeichnet wird, und Zuleitungen (Pins) bzw. Anschlußbeinchen besteht. Bei herkömmlichen Plastikgehäusen wird ein vereinzelter Chip auf dem Anschlußleitungsrahmen, d. h, genauer gesagt auf der Chipinsel, befestigt. Die Zuleitungen sind typischerweise von der Chipinsel getrennt bzw. freigestanzt, wobei eine Massezuleitung zumeist auf der Chipinsel verbleibt.Magnetic field sensors and in particular Integrated magnetic field sensors are used in many areas today used. Such a magnetic field sensor typically comprises a semiconductor chip with a magnetic field probe on a so-called lead frame (Leadframe) is attached. There is an arrangement under a lead frame to understand, which essentially consists of a leaflet, the following also is referred to as a chip island, and leads (pins) or connecting legs consists. With conventional plastic housings a diced chip is placed on the lead frame, i.e. h, more precisely said on the chip island, attached. The leads are typical separated or punched out from the chip island, with a ground lead mostly remains on the chip island.
Alle Teile des Anschlußleitungsrahmens hängen über einen äußeren Rahmen zusammen. Elektrische Verbindungen zwischen speziell dafür vorgesehenen Anschlußbereichen (Pads) am Chip und den jeweils zugeordneten Zuleitungen werden typischerweise mittels eines Bondens hergestellt, wobei ein feiner Draht meist unter Anwendung von Ultraschallenergie und erhöhter Temperatur zur Verbindung der Anschlußbereiche und Anschlußbeinchen angeschweißt wird. Zur weiteren Herstellung wird die gesamte Anordnung mit einer Plastikvergußmasse umspritzt, so daß dieselbe weitgehend von Umwelteinflüssen geschützt ist. Nach dem Entfernen von Plastikgraten (Flashes) wird die integrierte Schaltung samt den Zuleitungen von dem äußeren Rahmen des Anschlußleitungsrahmens freigestanzt und verpackt. Der Anschlußleitungsrahmen weist zumindest zwei Funktionen auf, indem zum einen die Lage der integrierten Schaltungen während des Umspritzens mit Plastikvergußmasse fixiert ist und zweitens die elektrischen Kontakte der integrierten Schaltungen nach außen geführt werden. Daher sollte der Anschlußleitungsrahmen vorzugsweise gut leitfähig und eine gute Lötbarkeit aufweisen. Im Stand der Technik weist der Anschlußleitungsrahmen typischerweise eine Kupferlegierung auf.All parts of the lead frame hang over an outer frame together. Electrical connections between specially designed service areas (Pads) on the chip and the associated supply lines are typically produced by means of bonding, a fine wire usually under Use of ultrasonic energy and elevated temperature for connection the connection areas and connecting legs welded becomes. For further production, the entire arrangement with a Plastikvergußmasse overmolded so that the same largely from environmental influences protected is. After removing plastic burrs (flashes) the integrated Circuit including the leads from the outer frame of the lead frame stamped out and packed. The lead frame has at least two Functions based on the one hand the location of the integrated circuits while the encapsulation is fixed with plastic potting compound and secondly the electrical contacts of the integrated circuits are led outside. Therefore, the lead frame preferably highly conductive and have good solderability. In the prior art, the lead frame typically has a copper alloy.
Die oben beschriebenen Magnetfeldsensoren werden heutzutage zunehmend zur Erfassung immer höherer Frequenzen verwendet. Schaltsensoren für Antiblockiersysteme (ABS), Kurbel- oder Nockenwelle erfassen Magnetpulse bis etwa 10 kHz, wobei es mittelfristig vorgesehen ist, Zählraten von 50 kHz zu erreichen. Bei linearen integrierten Hallsensoren, die beispielsweise für eine elektronische Ventilsteuerung (EVALVE-Steuerungen) oder für eine berührungslose Messung von Strom vorgesehen sind, ist es ebenso wünschenswert, ähnlich hohe Frequenzen exakt zu erfassen.The magnetic field sensors described above are increasingly used to detect ever higher frequencies used. Switch sensors for Anti-lock braking systems (ABS), crankshafts or camshafts record magnetic pulses up to about 10 kHz, whereby it is provided in the medium term, count rates of 50 kHz. With linear integrated Hall sensors, for example for electronic valve control (EVALVE controls) or for non-contact measurement of current are provided, it is also desirable to have similar highs Record frequencies exactly.
Für hohe Frequenzen, d.h. über einer Frequenz von etwa 1 kHz, der zu messenden Magnetfelder bilden sich bei integrierten Hallsonden in allen leitfähigen Schichten der integrierten Schaltung, insbesondere im Siliziumsubstrat und im Anschlußleitungsrahmen, Wirbelströme aus.For high frequencies, i.e. about a frequency of about 1 kHz, the magnetic fields to be measured with integrated Hall probes in all conductive layers of the integrated Circuit, especially in the silicon substrate and in the lead frame, eddy currents out.
Die durch das angelegtes Hochfrequenz-Magnetfeld hervorgerufenen Wirbelströme erzeugen selbst wieder ein sekundäres Magnetfeld, das sich dem zu messenden Magnetfeld überlagert und einen dynamischen Fehler erzeugt.The by the applied high frequency magnetic field induced eddy currents generate a secondary magnetic field themselves, which superimposed magnetic field to be measured and generated a dynamic error.
Die oben beschriebene Beeinträchtigung kann als eine Spezialität von integrierten Magnetfeldsensoren angesehen werden, wobei unter Magnetfeldsensoren sämtliche Sensoren zu verstehen sind, die für ihre Funktion oder die Erweiterung ihrer Funktion ein Magnetfeld messen. Insbesondere umfassen Magnetfeldsensoren auch Stromsensoren, die einen Strom aufgrund des Magnetfelds, das von diesem erzeugt wird, messen, oder Positionssensoren, die die Position eines Elements über ein von der Position abhängiges Magnetfeld messen. Ferner können Magnetfeldsensoren auch eine Vorrichtung umfassen, die bei einer potentialfreien Datenübertragung mittels eines Magnetfelds verwendet wird, wobei Daten eines ersten Schaltkreises als Strom ein Magnetfeld erzeugen und von einem zum ersten Schaltkreis potentialfreien zweiten Schaltkreis erfaßt werden. Dies kann als das magnetische Analogon zum Optokoppler angesehen werden.The impairment described above can as a specialty be viewed by integrated magnetic field sensors, whereby under Magnetic field sensors all Sensors are to be understood that are relevant to their function or extension measure a magnetic field based on their function. In particular include magnetic field sensors also current sensors that detect a current due to the magnetic field that generated by this, measure, or position sensors, which the Position of an element above a position dependent one Measure magnetic field. Can also Magnetic field sensors also include a device that is used in a potential-free data transmission is used by means of a magnetic field, data from a first Circuit generate a magnetic field as current and from one to first circuit potential-free second circuit can be detected. This can be viewed as the magnetic analogue to the optocoupler become.
Magnetfeldsensoren können beispielsweise integrierte Hallsonden sein, die auf Magnetfeldkomponenten senkrecht zur Chipoberfläche reagieren, wie beispielsweise MAGFETs. Ferner können Magnetfeldsensoren auch Sensoren umfassen, die empfindlich auf Feldkomponenten parallel zur Chipoberfläche sind, wie beispielsweise GMR-Sensoren (Giant-magnetoresistive-Sensoren).Magnetic field sensors can for example integrated Hall probes that are perpendicular to magnetic field components to the chip surface react, such as MAGFETs. Magnetic field sensors can also Include sensors that are sensitive to field components in parallel to the chip surface such as GMR sensors (giant magnetoresistive sensors).
Derzeit ist es für spezielle Anwendungen zur Vermeidung von Wirbelstromeinflüssen bekannt, Gehäuseformen aus nichtmagnetischer Keramik vorzusehen, auf denen lediglich minimale Leiterbahnstrukturen aufgebracht sind. Dabei wird der Chip direkt auf das Keramiksubstrat geklebt, so daß aufgrund der kleinen Leiterbahnen lediglich geringe Wirbelstromeinflüsse auftreten können. Nachteilig dabei ist, daß ein derartiges Gehäuse sehr kostenaufwendig ist, was insbesondere bei einer Massenproduktion von entscheidender Bedeutung sein kann. Folglich werden diese Gehäuse lediglich für spezielle Anwendungen verwendet, wobei ein Keramikgehäuse für hochvolumige Produkte mit niedrigem Preis ökonomisch nicht vertretbar ist.It is currently used for special applications Avoiding eddy current influences known housing shapes made of non-magnetic ceramics, on which only minimal Conductor structures are applied. The chip is direct glued to the ceramic substrate so that due to the small conductor tracks only slight eddy current influences can occur. adversely is that a such housing is very expensive, which is particularly the case with mass production can be crucial. As a result, these housings only for special Applications used with a ceramic case for high volume products low price economically is not justifiable.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Konzept zu schaffen, um einen kostengünstigen Magnetfeldsensor zur genauen Erfassung von Hochfrequenz-Magnetfeldern zu ermöglichen.The object of the present invention is to create a concept to make an inexpensive Magnetic field sensor for the precise detection of high-frequency magnetic fields to enable.
Diese Aufgabe wird durch einen Anschlußleitrahmen gemäß Anspruch 1, einen Magnetfeldsensor gemäß Anspruch 15 und einen Magnetfeldsensor gemäß Anspruch 20 gelöst.This task is accomplished through a lead frame according to claim 1, a magnetic field sensor according to claim 15 and a magnetic field sensor according to claim 20 solved.
Die vorliegende Erfindung basiert auf der Erkenntnis, daß ein kostengünstiger und hochfrequenztauglicher Magnetfeldsensor dadurch realisiert werden kann, daß bei dem Magnetfeldsensor ein Chip-Träger verwendet werden kann, der aus einem leitfähigen Material gebildet ist, das im Gegensatz zu dem im Stand der Technik verwendeten Keramikmaterial preisgünstig ist, sofern Maßnahmen an dem Träger und/oder dem Magnetfeldsensor getroffen werden, um einen Wirbelstrom zu unterdrücken.The present invention is based on the knowledge that a cost-effective and high-frequency magnetic field sensor can be realized can that at the magnetic field sensor is a chip carrier can be used, which is formed from a conductive material, in contrast to the ceramic material used in the prior art inexpensive is provided measures on the carrier and / or the magnetic field sensor can be taken to create an eddy current to suppress.
Zum Reduzieren eines Einflusses der Wirbelströme weist der Träger für den Chip ein zusätzliches Merkmal auf, durch das ein durch die Wirbelströme hervorgerufenes Magnetfeld am Ort der Sonde geringer ist als bei dem Träger, der dieses zusätzliches Merkmal nicht aufweist. Dabei kann sowohl ein Einfluß von Magnetfeldkomponenten senkrecht zu der Chipoberfläche eines anzubringenden Chips als auch ein Einfluß einer Magnetfeldkomponente parallel zu der Chipoberfläche reduziert werden.To reduce an influence of the eddy currents points the carrier for the Chip an additional feature through which a magnetic field caused by the eddy currents at the location of the probe is less than that of the wearer who has this additional Feature does not have. Both the influence of magnetic field components perpendicular to the chip surface of a chip to be attached as well as an influence of a magnetic field component parallel to the chip surface be reduced.
Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß bei einer Herstellung die im Stand der Technik bekannten Herstellungsschritte und Einrichtungen verwendet werden können, wobei lediglich geringfügige zusätzliche Schritte, beispielsweise zum Erzeugen von Ausnehmungen in dem Träger, notwendig sind. Dadurch werden ein schneller Anlauf einer Produktion und geringe Kosten bei der Herstellung erreicht.An advantage of the present invention is that at a production the manufacturing steps known in the prior art and facilities can be used, with only minor additional Steps, for example to create recesses in the carrier, are necessary are. This means a quick start of a production and low Manufacturing costs reached.
Bei einem Ausführungsbeispiel ist der Träger ein Anschlußleitungsrahmen, bei dem eine Chipinsel eine oder mehrere Ausnehmungen aufweist. Eine Ausnehmung kann beispielsweise mittig auf der Chipinsel angeordnet sein, so daß in einem Bereich der Chipinsel, auf dem ein Chip befestigt wird, keine Wirbelströme auftreten können. Das Erzeugen einer solchen Ausneh mung kann auf eine einfache Weise erreicht werden, wodurch die Herstellungskosten gering gehalten werden können. Ferner kann der Anschlußleitungsrahmen ein kostengünstiges Material, wie beispielsweise Kupfer oder eine Kupferlegierung, aufweisen.In one embodiment, the carrier is a Lead frame, in which a chip island has one or more recesses. A recess can, for example, be arranged centrally on the chip island be so that in an area of the chip island on which a chip is attached, none Eddy currents occur can. The creation of such an exception can be done in a simple manner can be achieved, keeping the manufacturing costs low can be. Furthermore, the lead frame can cost-effective Have material such as copper or a copper alloy.
Ferner kann bei einem Ausführungsbeispiel eine oder mehrere längliche Ausnehmungen bzw. Schlitze auf der Chipinsel vorgesehen sein, die den Träger vollständig durchtrennen können, von einem seitlichen Umfang in den Träger hineinführen können, oder in einem Bereich innerhalb des Trägers angeordnet sein können. Ferner können auf einer Chipinsel mehrere unterschiedliche Ausnehmungen vorgesehen sein, um eine Struktur zur Reduzierung eines Wirbelstroms zu bilden. Beispielsweise kann zusätzlich zu einer mittig angeordneten großflächigen Ausnehmung mehrere längliche Ausnehmungen vorgesehen sein, die mit der großflächigen Ausnehmung verbunden sein können. Bei einem Ausführungsbeispiel kann die Chipinsel eine Ausnehmung mit einem konvexen Umfang aufweisen, die beispielsweise durch eine erste Ausnehmung in der Mitte des Trägers, die beispielsweise ein Loch oder eine quadratische Ausnehmung umfassen kann, und länglichen Ausnehmungen gebildet wird, die sich von der ersten Ausnehmung in Richtung zu dem seitlichen Umfang des Trägers hin erstrecken. Dies weist den Vorteil auf, daß ein hoher Grad einer Unterdrückung von Wirbelströmen erreicht wird, wobei dennoch eine große mechanische Stabilität erreicht werden kann.Furthermore, in one embodiment one or more elongated Recesses or slots may be provided on the chip island the carrier Completely can sever, can lead into the carrier from a lateral circumference, or in an area inside the vehicle can be arranged. Further can several different recesses are provided on a chip island to form an eddy current reduction structure. For example, in addition several elongated to a centrally arranged large-area recess Recesses may be provided, which are connected to the large-area recess could be. In one embodiment the chip island can have a recess with a convex circumference, which, for example, by a first recess in the middle of the support which include, for example, a hole or a square recess can, and elongated Recesses is formed, which is in the first recess Extend towards the side circumference of the carrier. This indicates the advantage that a high degree of oppression reached by eddy currents being a big one mechanical stability can be achieved.
Vorzugsweise werden die länglichen Ausnehmungen angeordnet, um eine symmetrische Unterteilung des Trägers zu erreichen, wodurch der Einfluß aufgrund von Wirbelströmen auf eine effektive Weise reduziert wird.Preferably the elongated ones Recesses arranged to a symmetrical subdivision of the carrier achieve what the influence due to of eddy currents is reduced in an effective way.
Bei einem Ausführungsbeispiel können die länglichen Ausnehmungen ferner derart angeordnet sein, daß sich eine mäanderförmige Struktur in einem Bereich des Trägers ergibt. Vorzugsweise wird dieser Bereich dort gewählt, wo die Magnet feldsonde angeordnet werden soll. Das Vorsehen einer mäanderförmigen Struktur ermöglicht, daß ein Chip lediglich auf den dünn ausgebildeten Balken der Mäanderstruktur angeordnet werden kann, wodurch sich eine Verbesserung der mechanischen Zuverlässigkeit ergibt.In one embodiment, the elongated Recesses can also be arranged such that there is a meandering structure in an area of the carrier results. This range is preferably chosen where the magnetic field probe is to be arranged. The provision of a meandering structure enables the existence Chip only on the thin trained beams of the meandering structure can be arranged, resulting in an improvement in mechanical reliability results.
Der Anschlußleitungsrahmen kann ferner zur Reduzierung der Wirbelströme ein schlecht leitendes Material aufweisen. Der Bereich der Leitfähigkeit umfaßt vorzugsweise einen Bereich, dessen untere Grenze durch die Eigenleitfähigkeit des Halbleitermaterials des auf dem Anschlußleitungsrahmen angeordneten Chips und dessen obere Grenze durch die Leitfähigkeit von Kupfer oder einer Kupferlegierung gegeben ist. Beispielsweise kann ein spezifischer Widerstand des Anschlußleitungsrahmens höher als eine für Halbleiter typische Eigenleitfähigkeit von 10–3Ωcm sein. Bei einem Ausführungsbeispiel kann auch lediglich die Chipinsel ein schlecht leitendes Material aufweisen, so daß die restlichen Elemente des Anschlußleitungsrahmens, und insbesondere die Zuleitungen, eine hohe Leitfähigkeit aufweisen können.The lead frame may also have a poorly conductive material to reduce eddy currents. The range of conductivity preferably includes a range whose lower limit is given by the intrinsic conductivity of the semiconductor material of the chip arranged on the lead frame and whose upper limit is given by the conductivity of copper or a copper alloy. For example, a specific resistance of the lead frame can be higher than a typical intrinsic conductivity of 10 -3 Ωcm for semiconductors. In one embodiment, only the chip island can have a poorly conductive material, so that the remaining elements of the lead frame, and in particular the leads, can have a high conductivity.
Ferner kann zur Reduzierung der Wirbelströme der Träger für den Chip eine geringere Dicke als im Stand der Technik, beispielsweise geringer als 200 μm, aufweisen. Vorzugsweise kann auch eine Dicke der Chipinsel geringer als eine Dicke der Zuleitungen sein. Dadurch wird ermöglicht, daß der Träger einen hohen ohmschen Widerstand aufweist, während der elektrische Widerstand der Zuleitungen gering gehalten ist.Furthermore, the carrier for the chip can be used to reduce the eddy currents a smaller thickness than in the prior art, for example less than 200 μm, exhibit. The thickness of the chip island can also preferably be smaller than a thickness of the leads. This enables that the carrier has a high ohmic resistance, while the electrical resistance the supply lines are kept low.
Eine weitere Möglichkeit einer Reduzierung des Einflusses von Wirbelströmen kann bei einem Ausführungsbeispiel erreicht werden, indem der Chip mit der Magnetfeldsonde auf der Chipinsel exzentrisch angeordnet ist. Vorzugsweise wird die Sonde dabei in einer Position nahe an dem seitlichem Rand des Trägers angeordnet, bei der der Verlauf eines durch die Wirbelströme hervorgerufenen Magnetfelds einen Nulldurchgang auf weist. Dies ermöglicht eine wirksame und sehr kostengünstige Reduzierung der Wirbelstromeinflüsse auf die Magnetfeldsonde.Another way of reducing the influence of eddy currents can in one embodiment can be achieved by using the chip with the magnetic field probe on the Chipinsel is arranged eccentrically. Preferably the probe arranged in a position close to the side edge of the carrier, in which the course of a magnetic field caused by the eddy currents has a zero crossing. This enables an effective and very inexpensive Reduction of eddy current influences the magnetic field probe.
Bei einem Ausführungsbeispiel eines Magnetfeldsensors gemäß der vorliegenden Erfindung kann der Träger für den Chip ein Zwischensubstrat oder eine Schaltungsplatine umfassen, wobei der Chip mit der Magnetfeldsonde mittels einem oder mehreren Höckern auf dem Substrat oder der Schaltungsplatine befestigbar ist. Die Höcker ermöglichen sowohl die mechanische Befestigung des Chips auf dem Zwischensubstrat oder der Schaltungsplatine als auch ein elektrisches Verbinden von Anschlußflächen des Chips mit jeweils zugeordneten Anschlußbereichen des Substrats.In one embodiment of a magnetic field sensor according to the present invention, the carrier for the chip can comprise an intermediate substrate or a circuit board, the chip with the Ma gnetfeldsonde can be attached by means of one or more bumps on the substrate or the circuit board. The bumps enable both the mechanical fastening of the chip on the intermediate substrate or the circuit board and also an electrical connection of connection areas of the chip with respectively assigned connection areas of the substrate.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:Preferred embodiments of the present Invention are hereinafter made with reference to the accompanying drawings explained in more detail. It demonstrate:
Im folgenden wird unter Bezugnahme
auf
Wie es in
Gemäß
Zur erfindungsgemäßen Reduzierung von Wirbelstromeinflüssen weist
die Chipinsel
Der Chip
Obwohl die Ausnehmung
Da die Chipinsel
Zur Verdeutlichung des Ausführungsbeispiels
von
Zur Erzeugen eines Magnetfeldsensors
kann die oben beschriebene Anordnung auf die bekannte Weise mit
einer Vergußmasse
umspritzt werden, so daß dieselbe
weitgehend von Umwelteinflüssen
geschützt ist,
woraufhin die Chipinsel mit den Zuleitungen von dem Außenrahmen
Im folgenden wird zur Verdeutlichung
der durch die Ausnehmung
Für den Träger wurde eine Kupferlegierung mit einer Leitfähigkeit von 50 MS/m angenommen, wobei die Dicke des Trägers 200 μm und sein Durchmesser 5 mm beträgt. Das in der Figur dargestellte wirbelstrominduzierte Magnetfeld entspricht dem Magnetfeld in einer Höhe von 230 μm über dem Träger, wobei zur Berechnung ein wirbelstromerzeugendes Magnetfeld mit einer Frequenz von 1 kHz angenommen wurde. Die Höhe von 230 μm über dem Träger ist realitätsnah gewählt, da ein Siliziumchip und ein zur Befestigung benötigter Kleber typischerweise eine Gesamtdicke von etwa 230 μm aufweisen.For the carrier a copper alloy with a conductivity of 50 MS / m was assumed, where the thickness of the carrier 200 μm and its diameter is 5 mm. The eddy current-induced magnetic field shown in the figure corresponds the magnetic field at a height of 230 μm above the Carrier, where an eddy current generating magnetic field with a Frequency of 1 kHz was assumed. The height of 230 μm above the carrier is chosen realistically because a silicon chip and an adhesive typically required for attachment a total thickness of about 230 μm exhibit.
Da die Wirbelströme in erster Näherung eine
Phasenverschiebung von –90° gegenüber dem
angelegten Magnetfeld aufweisen, ergibt sich ein rein imaginäres wirbelstromerzeugtes
Sekundärfeld,
weshalb zur Darstellung dieses Sekundärfelds in dem Schaubild von
Wie es zu erkennen ist, verursachen die Wirbelströme in dem Chip einen Magnetfeldverlauf, dessen Betrag einen maximalen Wert von etwa 4 % des angelegten Magnetfelds in der Mitte des Trägers aufweist, so daß sich ein maximaler Fehler dieser Größenordnung ergibt. Gemäß dem Schaubild nimmt der Betrag des wirbelstromerzeugten Magnetfelds mit zunehmendem Abstand von der Mitte des scheibenförmigen Trägers stetig ab, wobei sich bei einem radialen Abstand, der etwa dem 0,9-fachen des Radius a des Trägers entspricht, ein Nulldurchgang des Verlaufs ergibt. Daraufhin steigt das Magnetfeld bis zu einem Maximalwert bei einer Position von etwa dem 1,05-fachen des Radius a an und nähert sich mit zunehmendem Abstand dem Wert Null an. Folglich ist es bei dem kreisrunden Träger vorteilhaft, die Magnetfeldsonde in einem Bereich des Nullfelddurchgangs, beispielsweise in dem radialen Bereich, der größer als das 0,6-fache des Radius des Trägers ist, und besonders bevorzugt in dem radialen Bereich, der größer als das 0,8-fache des Radius des Trägers ist, zu plazieren. Dies läßt sich auf andere Formen des Trägers verallgemeinern, dahingehend, daß es vorteilhaft ist, die Sonde in der Nähe einer Kante des Trägers und besonders vorteilhaft in der Näher einer Ecke zu plazieren.As can be seen, the eddy currents cause a magnetic field profile in the chip, the magnitude of which has a maximum value of approximately 4% of the applied magnetic field in the center of the carrier, so that there is a maximum error of this magnitude. According to the diagram, the magnitude of the eddy current-generated magnetic field decreases steadily with increasing distance from the center of the disk-shaped carrier, with a radial distance, which corresponds approximately to 0.9 times the radius a of the carrier, resulting in a zero crossing of the course. The magnetic field then rises to a maximum value at a position approximately 1.05 times the radius a and approaches the value zero with increasing distance. Consequently, it is advantageous in the case of the circular carrier to place the magnetic field probe in a region of the zero field crossing, for example in the radial region which is greater than 0.6 times the radius of the carrier, and particularly preferably in the radial region which is larger than that 0.8 times the radius of the beam is to be placed. This can be generalized to other forms of the carrier in that it is advantageous to place the probe near an edge of the carrier and particularly advantageously near a corner.
In dem Schaubild von
Entsprechend zu dem in
Analog zu dem in
Wie es in
Wie es zu erkennen ist, steigt der Verlauf des Betrags des Magnetfelds mit zunehmendem Abstand von der Mitte an und nimmt bei einem radialen Abstand von etwa dem 0,75-fachen des äußeren Radius ra2 des ringförmigen Trägers einen Maximalwert von etwa 16% des angelegten Magnetfelds an. Daraufhin nimmt der Magnetfeldbetrag stark ab und weist bei einem radialen Abstand von etwa dem 0,95-fachen des äußeren Radius das durch den Nullfelddurchgang hervorgerufene Minimum auf. Im weiteren Verlauf steigt der Magnetfeldbetrag wieder bis zu einem lokalen Maximum von etwa 6% des angelegten Magnetfelds an, wobei dieses Maximum bei einer Position außerhalb des Trägers, d.h. genauer bei etwa dem 1,05-fachen des äußeren Radius des Trägers, erreicht wird. Daraufhin fällt der Kurvenverlauf ab, um sich mit zunehmendem Abstand von der Mitte dem Wert 0 anzunähern.As can be seen, the Course of the amount of the magnetic field with increasing distance from center and increases at a radial distance of approximately 0.75 times of the outer radius ra2 of the annular carrier a maximum value of about 16% of the applied magnetic field. thereupon the amount of magnetic field decreases sharply and points at a radial one Distance of about 0.95 times the outer radius through the Minimum field crossing caused minimum. In the further course the amount of magnetic field increases again to a local maximum of about 6% of the applied magnetic field, this maximum in a position outside the carrier, i.e. more precisely at about 1.05 times the outer radius of the carrier becomes. Then falls the curve starts to decrease with increasing distance from the center approach the value 0.
Quantitativ kann man für mäßige Frequenzen, d. h. in dem Frequenzbereich, in dem Wirbelstromeffekte gerade einzusetzen beginnen, das Feld in der Mitte des rotationssymmetrischen Trägers auf die folgende Weise beschreiben: For moderate frequencies, ie in the frequency range in which eddy current effects are just beginning to occur, the field in the center of the rotationally symmetrical carrier can be described quantitatively in the following way:
Bei der obigen Formel ist r der radiale Abstand des Aufpunkts von der Mitte des Trägers, z die Höhe des Aufpunkts über dem Träger, j die imaginäre Einheit, ω die Kreisfrequenz des Magnetfelds, μ0 die Permeabilitätskonstante, σ die spezifische Leitfähigkeit des Trägermaterials, h die Dicke des Trägers, B0 die Amplitude des angelegten, d. h. des zu messenden externen Magnetfelds, ra der Außenradius und ri der Innenradius des scheibenförmigen Trägers. Für kleine Abstände z kann man dies annähern durch In the above formula, r is the radial distance of the point from the center of the carrier, z the height of the point above the carrier, j the imaginary unit, ω the angular frequency of the magnetic field, μ 0 the permeability constant, σ the specific conductivity of the carrier material, h the thickness of the support, B 0 the ampli tude of the applied, ie of the external magnetic field to be measured, r a the outer radius and r i the inner radius of the disk-shaped carrier. For small distances z one can approximate this by
Daraus ist zu erkennen, daß der durch
Wirbelströme
verursachte Fehler in der Magnetfeldmessung um so kleiner wird,
je geringer die Differenz des Außenradius und des Innenradius
wird, d.h. je weniger Material von dem Träger übrig bleibt. Ferner ist auch
der Einfluß der
Frequenz zu erkennen, der sich insbesondere bei dem Vergleich der
Maximalwerte gemäß den Schaubildern
von
Nachdem im vorherigen ein Vergleich
zwischen einem Träger
mit Ausnehmung (ringförmiger
Träger) und
einem Träger
ohne Ausnehmung (scheibenförmiger
Träger
durchgeführt
wurde, werden im folgenden unter Bezugnahme auf die
Unter Bezugnahme auf
Die Schlitze
Ein Vorteil dieses Ausführungsbeispiels
besteht darin, daß Wirbelströme mit großem Radius,
die um den Chip herum laufen, unterbunden werden. Es bilden sich
lediglich in jedem der Segmente
Es sei an dieser Stelle bemerkt,
daß die
Schlitze bei anderen Ausführungsbeispielen
auf eine vielfältige
Art und Weise angeordnet sein können
und eine Vielzahl von Ausgestaltungen annehmen können. Insbesondere kann bei
Ausführungsbeispielen
die Ausnehmung
Die Schlitze können ferner so ausgebildet
sein, daß die
Chipinsel
Bei einem Ausführungsbeispiel kann sich beispielsweise
jeder der Schlitze von der Ausnehmung
Vorzugsweise sind die Schlitze derart vorzusehen, daß sie den Wirbelstromverlauf maximal behindern bzw. unterbrechen, beispielsweise indem die Schlitze senkrecht zu den Wirbelströmen angeordnet werden, die sich in einer Chipinsel, die die Schlitze nicht aufweist, ausbilden.The slots are preferably such to provide them maximally hinder or interrupt the eddy current course, for example by arranging the slots perpendicular to the eddy currents that are in a chip island that does not have the slots.
Ein besonders bevorzugtes Verfahren zum Erzeugen der Schlitze wird im folgenden erklärt. Die Schlitze werden dabei so angeordnet, daß die größten, schädlichsten Schleifen der Wirbelstromverteilung in dem Träger geöffnet werden, so daß sich nur noch kleinere Schleifen bilden können, die zudem noch möglichst weit weg von der Sonde liegen sollen. Für die exakte Geometrie gibt es unzählige Varianten, die vorzugsweise auf die folgende Weise erzeugt werden: Man setze einen Schnitt, der die größtmögliche Leiterschleife in Träger in zwei möglichst symmetrische Teile auftrennt. Das Verfahren läßt sich mit den verbleibenden größtmöglichen Leiterschleifen iterativ wiederholen und somit beliebig verfeinern. Dabei ist zu beachten, daß dieses Verfahren lediglich funktioniert, wenn die Sonde auf Magnetfelder reagiert, die senkrecht zu der Trägerebene, d. h. der Chipebene, sind.A particularly preferred method of creating the slots is explained below. The slots are arranged so that the largest, most harmful loops of the eddy current distribution are opened in the carrier, so that only smaller loops can be formed, which should also be as far away from the probe as possible. There are countless variants for the exact geometry, which are preferably based on the following way are generated: Make a cut that separates the largest possible conductor loop in the carrier into two parts that are as symmetrical as possible. The process can be repeated iteratively with the remaining largest possible conductor loops and thus refined as desired. It should be noted that this method only works if the probe reacts to magnetic fields that are perpendicular to the carrier plane, ie the chip plane.
Neben der oben erklärten Wirbelstromthematik
weist das oben erklärte
Ausführungsbeispiel
einen Vorteil hinsichtlich mechanischer Verspannungen des Chips
in dem Gehäuse
auf, da die Chipinsel in Einzelteile zerfällt und sich die mechanische
Spannung lediglich über
einen Bruchteil, d. h. für
das Ausführungsbeispiel
von
Unter Bezugnahme auf
Durch das Vorsehen des mäanderförmigen Bereichs
Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß eine große Freiheit in der Wahl der Plazierung der Sonde besteht, die sowohl in dem Zentrum als auch im gesamten Gebiet über dem Mäander plaziert werden kann, da sich im gesamten mäanderförmigen Bereich keine Wirbelstromschleifen ausbilden können, die ein starkes Sekundärfeld am Ort der Sonde erzeugen.Another advantage is that a size Freedom in choosing the placement of the probe is both can be placed in the center as well as in the entire area above the meander, because in the entire meandering area can not form eddy current loops that have a strong secondary field Generate the location of the probe.
Unter Bezugnahme auf
Unter erneuter Bezugnahme auf das
in
Die in
Daher wird die Verteilung der Wirbelströme vorzugsweise mit numerischen Methoden, wie beispielsweise einem Finite-Elemente-Verfahren oder einem Boundary-Element-Verfahren berechnet und von diesen Ergebnissen ausgehend der optimale Platz für den Magnetfeldsensor ermittelt. Qualitativ ergibt sich jedoch auch für einen realen Träger, daß die Sonde vor zugsweise relativ nahe am Rand des Trägers positioniert werden soll.Therefore, the distribution of the eddy currents is preferred with numerical methods, such as a finite element method or a boundary element method and calculated from these results starting from the optimal place for determined the magnetic field sensor. In terms of quality, however, it also results for one real carrier, that the Probe should preferably be positioned relatively close to the edge of the carrier.
Besonders bevorzugte Gebiete zum Anordnen der Sonde sind nahe den Ecken des Trägers, da dort die Stromdichte der Wirbelströme stark vermindert ist, wodurch der Gradient des Wirbelstromfelds klein wird. Dadurch verläuft die Kurve des Magnetfelds als Funktion des Orts flacher und ist unempfindlicher gegenüber Lagetoleranzen, die bei einer Montage unvermeidlich sind. Dabei ist zu beachten, daß die mechanische Verspannung des Chips in den Ecken des Trägers besonders groß und inhomogen ist, so daß sich in der Praxis für manche Gehäusetypen zeigen kann, daß es aus Zuverlässigkeitsgründen vorteilhaft ist, einen Minimalabstand vom Chip zur Ecke des Trägers einzuhalten. Dabei wird folglich keine vollständige Reduktion des Wirbelstromeinflusses durchgeführt.Particularly preferred areas for arranging the probe are near the corners of the carrier, since there the current density of the eddy currents is greatly reduced, as a result of which the gradient of the eddy current field becomes small. As a result, the curve of the magnetic field is flatter as a function of the location and is less sensitive to positional tolerances, which are unavoidable during assembly. It should be noted that the mechanical tensioning of the chip in the corners of the carrier is particularly large and inhomogeneous, so that in practice it can be shown for some housing types that it is advantageous for reasons of reliability, a minimalab got to stick from the chip to the corner of the carrier. Consequently, there is no complete reduction in the eddy current influence.
Wie es in
Bei einem Ausführungsbeispiel, bei dem die
Chipinsel massiv, d. h. ohne Ausnehmungen, ausgebildet ist, und
eine Reduktion des Wirbelstromfelds durch das exzentrische Plazieren
der Sonde
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann eine Reduzierung des Wirbelstromfelds am Ort der Sonde erreicht werden, indem der Träger bzw. die Chipinsel ein Material mit geringer Leitfähigkeit aufweist. Beispielsweise kann das Material eine Leitfähigkeit aufweisen, die geringer als die Leitfähigkeit von Kupfer oder einer Kupferlegierung, die typischerweise im Stand der Technik verwendet wird, ist. Die Leitfähigkeit sollte jedoch nicht unter der Eigenleitfähigkeit des Substrats des auf dem Träger vorgesehenen Chips bzw. Substrats, beispielsweise eines Si-Substrats, liegen, da die Leitfähigkeit in der Praxis benötigt wird. Die Leitfähigkeit sollte folglich bezüglich der im Stand der Technik verwendeten Kupferlegierung lediglich moderat herabgesetzt werden und vorzugsweise in einem Bereich zwischen der Eigenleitfähigkeit des Substrats und der Leitfähigkeit der Kupferlegierung liegen. Eine Beeinflußung der Leitfähigkeit des Materials des Trägers kann beispielsweise derart erfolgen, daß eine gezielte Verunreinigung eines Materials, das beispielsweise Kupfer sein kann, durchgeführt wird.In another embodiment The present invention can reduce the eddy current field can be reached at the location of the probe by inserting the carrier or the chip island Low conductivity material having. For example, the material can have conductivity have less than the conductivity of copper or one Copper alloy typically used in the prior art will is. The conductivity however, should not be subject to the intrinsic conductivity of the substrate the carrier provided chips or substrate, for example a Si substrate, because the conductivity is needed in practice. The conductivity should therefore be regarding of the copper alloy used in the prior art is only moderate be reduced and preferably in a range between the intrinsic conductivity of the substrate and the conductivity of the copper alloy. An influence on the conductivity the material of the carrier can be done, for example, in such a way that targeted contamination of a material, which may be copper, for example.
Dabei kann entweder der gesamte Anschlußleitungsrahmen aus einem schlechten Leiter bestehen oder vorzugsweise lediglich ein Teil desselben, da zumindest die elektrischen Zuführungen gut leitend sein sollen. Bei einem Ausführungsbeispiel besteht der Anschlußleitungsrahmen aus zwei unterschiedlichen Materialien, wobei die elektrisch leitenden Zuleitungen einen guten Leiter aufweisen, während ein Basissubstrat eine schlechte Leitfähigkeit aufweist. Bei der Montage werden die Zuleitungen und Chips auf das Basissubstrat geklebt, anschließend die Kontakte verbunden und daraufhin das ganze mit einer Vergußmasse umspritzt, wonach die Zuleitungen und möglicherweise auch das Basissubstrat aus dem Außenrahmen des Anschlußleitungsrahmens gestanzt werden.Either the entire lead frame consist of a bad conductor or preferably only part of the same, since at least the electrical leads should be good conductors. In one embodiment, the Lead frame made of two different materials, the electrically conductive Supply lines have a good conductor, while a base substrate has a bad one conductivity having. During assembly, the leads and chips are placed on the Base substrate glued, then the contacts connected and then encapsulated with a potting compound, after which the leads and possibly also the base substrate from the outer frame of the lead frame to be punched.
Eine weitere Möglichkeit zur Reduktion eines Wirbelstromfelds am Ort der Sonde kann erreicht werden, indem der Anschlußleitungsrahmen dünner als im Stand der Technik, d.h. beispielsweise dünner als etwa 200 μm, ausgeführt wird. Die dadurch erreichte Reduktion ist proportional zu der Reduktion der Trägerdicke, so daß beispielsweise bei einer Halbierung der Trägerdicke eine Halbierung des Wirbelstromfelds erreicht wird. Vorzugsweise wird dabei die Chipinsel dünner als der Rest des Anschlußleitungsrahmens ausgeführt, da die Zuleitungen in ihrer Dicke ein gewisses Maß nicht überschreiten sollten, um eine gute elektrische Leitung und eine mechanische Stabilität zu gewährleisten.Another way to reduce one Eddy current field at the location of the probe can be achieved by the Lead frame thinner than in the prior art, i.e. for example, thinner than about 200 microns. The reduction achieved is proportional to the reduction the beam thickness, so that for example with a halving of the beam thickness halving of the eddy current field is achieved. Preferably the chip island becomes thinner than the rest of the lead frame executed because the thickness of the feed lines does not exceed a certain level should to ensure good electrical conduction and mechanical stability.
Im folgenden soll nun ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung erklärt werden, bei dem anstelle eines Anschlußleitungsrahmens ein Träger verwendet wird, der mittels einer Flip-Chip-Technik an einem Substrat befestigt wird. Dabei wird auf die an dem Chip vorgesehene Anschlußflä che ein Höcker aufgebracht, der den Kontakt zu einer Leiterstruktur bzw. Metallisierung, wie beispielsweise eine Cu/Ni/Au-Metallisierung, auf einem Zwischensubstrat oder direkt auf einer Leiterplatte herstellt. Der Höcker, der vorzugsweise ein Löthöcker (solder bump) ist, weist beispielsweise die Form einer Miniaturkugel oder eines flachen Zylinders auf, der beispielsweise einen maximalen Durchmesser von 200 μm und eine Höhe von 50 μm auf weisen kann. Diese Technik wird in zunehmendem Maße für integrierte Schaltungen mit sehr vielen Zuleitungen oder bei extremen Hochfrequenzanwendungen verwendet, da man die Kontakte nicht nur am Umfang sondern an der ganzen Unter-/Oberseite des Chips in Matrixanordnung anbringen kann, wodurch die Länge und Induktivität der Zuleitungen klein wird.A further exemplary embodiment of the present invention will now be explained in the following, in which a carrier is used instead of a lead frame which is attached to a substrate by means of flip-chip technology. In this case, a bump is applied to the connection surface provided on the chip, which makes contact with a conductor structure or metallization, such as a Cu / Ni / Au metallization, on an intermediate substrate or directly on a printed circuit board. The bump, which is preferably a solder bump, has, for example, the shape of a miniature ball or a flat cylinder, which can have a maximum diameter of 200 μm and a height of 50 μm, for example. This technique is increasingly used for integrated circuits with a large number of leads or in extreme high-frequency applications, since the contacts can be attached not only to the circumference but to the entire bottom / top of the chip in a matrix arrangement, which increases the length and inductance the feed lines become small.
In Verbindung mit Magnetfeldsensoren ergibt die Anwendung von Flip-Chip-Techniken einen neuen Vorteil, da das gesamte leitfähige Volumen der Höcker geringer als das Volumen eines herkömmlichen Anschlußleitungsrahmens ausgeführt werden kann. Besonders vorteilhaft ist dies bei integrierten Schaltungen mit nur wenigen Zuleitungen, wie beispielsweise zwei bis vier Zuleitungen.In connection with magnetic field sensors the use of flip-chip techniques gives a new advantage, since the entire conductive Volume of the cusps less than the volume of a conventional lead frame accomplished can be. This is particularly advantageous in the case of integrated circuits with only a few leads, such as two to four leads.
Ferner lassen sich die Höcker in einer größeren räumlichen Entfernung zur Sonde auf dem Chip anordnen, so daß der Einfluß der Wirbelströme in den Höckern auf den Magnetfeldsensor reduziert wird. Vorzugsweise werden die Höcker am Umfang des Chips angebracht, so daß man die Sonde in der Mitte des Chips plazieren kann, wodurch die Höcker einen maximalen Abstand von der Mitte aufweisen. Folglich kann dabei die Sonde an der Stelle belassen werden, an der sie üblicherweise bei herkömmlichen Niederfrequenzanwendungen plaziert ist.Furthermore, the humps can be in a larger spatial Place the distance to the probe on the chip so that the influence of the eddy currents in the cusps is reduced to the magnetic field sensor. Preferably the cusp attached to the periphery of the chip so that you place the probe in the middle of the chip can be placed, giving the bumps a maximum distance from the center. As a result, the probe may be in place are left where they usually are with conventional Low frequency applications is placed.
Bei diesem Ausführungsbeispiel werden folglich
die Höcker
Eine quantitative Darstellung der
Einflüsse
aufgrund der Hökker
wird nachfolgend unter Bezugnahme auf
In erster Näherung weisen die Wirbelströme eine Phasenverschiebung von –90° gegenüber dem angelegten Feld auf, so daß ihr Sekundärfeld rein imaginär ist.In a first approximation, the eddy currents have a Phase shift of –90 ° compared to that field, so that you secondary field purely imaginary is.
In dem Schaubild von
Da reale Sensoren auf den Mittelwert
des Magnetfelds über
einen Bereich auf der Oberfläche
der integrierten Schaltung reagieren, der bei Hallsonden bei einer
einzigen Sonde zumeist ein Quadrat mit 100 μm Seitenlänge, bei einem Sondenquadrupel
ein Quadrat von 300 μm
Seitenlänge
umfaßt,
wird das Zentrum der Sonden vorteilhafterweise auf einen Punkt möglichst
großer
Symmetrie bezüglich
der durch die Wirbelströme hervorgerufenen
Felder gelegt. In dem Ausführungsbeispiel
gemäß
Der Symmetriepunkt kann beispielsweise entsprechend zu der Ermittlung eines „Schwerpunkts" erfolgen, so daß der Magnetfeldsensor in dem Punkt angeordnet ist, bei dem die Summe der Quadrate der Abstände von dem Magnetfeldsensor zu den jeweiligen Höckern minimal ist.The point of symmetry can, for example according to the determination of a "center of gravity" so that the magnetic field sensor is located at the point where the sum of the squares of the distances from the magnetic field sensor to the respective bumps is minimal.
- 100100
- AnschlußleitungsrahmenLead frame
- 110110
- Chipinselchip island
- 112a112a
- Stegweb
- 112b112b
- Stegweb
- 114114
- Außenrahmenouter frame
- 116a–d116a-d
- Zuleitungenleads
- 118a–d118a-d
- Trennbereicheseparating regions
- 120a–b120a-b
- Trennbereicheseparating regions
- 122122
- ChipaufnahmebereichChip receiving area
- 124124
- Chipchip
- 126126
- Ausnehmungrecess
- 128128
- Sondeprobe
- 130130
- Wirbelströmeeddy currents
- 132132
- Klebepunkteadhesive dots
- 134134
- Anschlußflächenlands
- 136136
- Drahtwire
- 200200
- AnschlußleitungsrahmenLead frame
- 210210
- Ausnehmungrecess
- 212a–d212a-d
- Schlitzeslots
- 214a–d214a-d
- Segmente segments
- 308308
- mäanderförmiger Bereichmeandering area
- 310310
- Schlitzeslots
- 312312
- StegeStege
- 314a314a
- WirbelstromschleifeEddy current loop
- 314b314b
- WirbelstromschleifeEddy current loop
- 400400
- Langlöcherslots
- 408408
- Mittecenter
- 410410
- Schlitzeslots
- 412412
- Kanteedge
- 500500
- Chipchip
- 500a500a
- Oberflächesurface
- 510510
- Sondeprobe
- 512512
- Höckercusp
- 514514
- Trägercarrier
- 516516
- Leiterstrukturconductor structure
- 518518
- Anschlußflächenlands
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