专利名称：霍尔效应电流传感器和电流检测方法
技术领域：
本发明涉及霍尔效应电流传感器，具体涉及用于霍尔效应电流传感器和电流检测 方法。
背景技术：
磁场可以采用通过CMOS技术制作的霍尔传感器检测。简单的霍尔传感器为一具 有一定尺寸的低掺杂形成的半导体阻性导体。图1示出了霍尔效应原理。如图1所示的导 体10置于外磁场B中，当垂直于磁场B的电流Ibias流过导体10时，在垂直于磁场B和电 流Ibias的方向产生一感应电压Vhall。根据霍尔感应电压Vhall可计算磁场值。同时，电流可产生磁场。通过这个原理，霍尔传感器可用于检测电流。
发明内容
本发明的目的在于提出一种倒装式霍尔效应电流传感器系统和电流检测方法，通 过弓I线框架形成被检测电流路径和磁场，并且通过检测磁场得到电流信号。根据本发明的一个实施例的霍尔效应电流传感器系统包括半导体芯片，具有霍 尔传感器；引线框架，包含至少两个电气引线，所述半导体芯片倒装于所述引线框架之上； 至少一个外部导体，和所述引线框架连接，其中所述至少两个电气引线和所述至少一个外 部导体串联连接形成闭环形电流路径，并且所述霍尔传感器位于所述闭环形电流路径之 内。在一个实施例中，外部导体制作于印刷电路板上，而引线框架和印刷电路板焊接。所述 至少两个电气引线为两个呈伸展状的电气引线。其中一个所述电气引线呈钩状。外部导体 数量为一个。霍尔传感器位于所述闭环形电流路径的中心。在一个实施例中，半导体芯片 上的霍尔传感器为掺杂形成的半导体阻性导体。上述电流传感器系统可进一步包含包封材料，将所述半导体芯片和所述引线框架 包封，形成四边扁平封装(QFN)。半导体芯片可进一步包含处理单元和输入/输出端口。其中所述处理单元包含时 间分配和接口电路、放大电路、模拟数字转换电路和处理电路。所述输入/输出端口通过倒 装凸点和引线框架连接。根据本发明的一个实施例的一种半导体倒装器件包括引线框架，包含两个伸展状 的电气引线，其中一个所述电气引线呈弯曲钩状；以及半导体倒装式芯片，含霍尔传感器， 所述半导体倒装式芯片含所述霍尔传感器的一面与所述引线框架连接；其中所述两个电气 引线形成环状结构，所述霍尔传感器位于所述环状结构内部。所述外部导体和所述两个电 气引线串联连接，其中所述两个电气引线和所述外部导体构成闭环形路径。上述的倒装器 件可被包封材料包封形成四边扁平封装。本发明还提出来了上述的引线框架结构，包含两个伸展状的电气引线，其中一个 所述电气引线呈弯曲钩状，所述两个电气引线形成环状结构。其中所述两个电气引线占所 述引线框架一半以上的面积。
根据本发明的一个实施例的一种电流检测方法，包括通过引线框架和印刷电路 板板形成闭环形的电流路径；将霍尔传感器放置于闭环形电流路径内；将被检测电流引入 闭环形电流路径；根据霍尔传感器检测到的磁场计算得到被检测电流信息。其中将引线框 架的两个电气引线通过印刷电路板上的导体串联连接形成闭环形电流路径。
图1示出了现有的霍尔效应原理图。图2示出了根据本发明的一个实施例的霍尔效应电流传感器芯片的功能框图。图3示出了根据本发明的一个实施例的霍尔效应电流检测方法示意图。图4示出了本发明的一个倒装式半导体器件实施例的结构俯视图，其中霍尔效应 电流传感器芯片倒装于引线框架上并采用弓丨线框架形成电流环路。图5示出了根据本发明的一个实施例的电流传感器系统截面图，该图对应图4所 示倒装式半导体器件沿AB轴的截面图。图6示出了基于本发明实施例的电流检测方法流程图。
具体实施例方式图2示出了应用于本发明的一个霍尔效应电流传感器芯片20实施例的功能框图。 在霍尔效应电流传感器芯片20上，采用CMOS兼容技术制作了霍尔传感器21和处理单元 22。霍尔传感器21检测霍尔传感器21所在位置的磁场，输出霍尔电压模拟信号Vhall至 处理单元22。处理单元22根据该霍尔电压和霍尔传感器与被检测电流路径之间的位置信 息，经计算处理得到电流值信息。在另一个实施例中，处理单元22计算产生并输出磁场值 信息。霍尔效应电流传感器芯片20可包含多个霍尔传感器。在一个实施例中，处理单元22 包含时间分配和接口电路，放大电路，模拟-数字转换(ADC)电路和处理电路。模拟信号 Vhall经放大电路放大，然后经ADC电路从模拟信号转换成数字信号，最后经过处理电路的 数字信号处理得到电流信号并将检测结果通过输入/输出端口(I/O) EX1、Ex2. . . Exn输出。 其中时间分配和接口电路控制放大电路、ADC电路和处理电路，并控制信号的输入输出。图3示出了本发明的一种电流检测方法原理。当被检测的电流I通过逆时针的闭 环形电流路径30时，在闭环形电流路径30内产生一个垂直于纸面向外的磁场B。该磁场 B正比于I值。闭环形电流路径30的中心位置放置一个霍尔传感器31。当霍尔传感器31 内部以从左至右的方向通过电流Is时，在霍尔传感器31的上下两端感应产生霍尔电势差 V+和V-。通过霍尔电势差，可得到电流I值。在本发明的一个实施例中，用于流过被检测 电流的闭环形电流路径30由引线框架和印刷电路板(PCB)上的导体构成。从感应电压V+ 与V-的差值，可计算并得到被检测电流I的值。图4示出了本发明的一个使用霍尔效应电流传感器的倒装式半导体器件400实施 例的俯视图。该倒装式半导体器件400包含引线框架401和半导体芯片402。半导体芯片 402倒装于引线框架401之上。弓丨线框架401为半导体芯片402提供机械支持以及提供半导体芯片402和外部电 路之间的信号传递通道。此外，引线框架401还参与形成闭环形电流路径41，为需检测的 电流提供闭环形的电流通路，该闭环形电流路径41与半导体芯片402上的霍尔传感器410靠近并形成特定的位置关系，以便于计算被检测电流值。引线框架401可通过现有的任意 方法形成，如通过将单片的金属通过刻蚀等方法形成。引线框架401包含电气引线411、412 和421-428。电气引线411和412用于形成闭环形电流路径41，在引线框架401上分别形 成被检测电流的输入端和输出端。半导体芯片402上制作了霍尔传感器410。在一个实施例中，半导体芯片402为 图2所示的霍尔效应电流传感器芯片20。半导体芯片402也可以和图2所示的实施例不 同，如半导体芯片的输出端口输出霍尔电压信号或输出磁场信号等。半导体芯片402的表 面制作有倒装凸点421B2-428B2。在图示的实施例中，倒装凸点421B2-428B2制作在半导体 芯片402的边缘部分。倒装凸点即为图2所示的半导体芯片的输入/输出端口(I/0)EX1、 Ex2. . . Exn。芯片402和引线框架401被包封材料封装。在一个实施例中，芯片402和引线框 架401的封装形式为四边扁平封装(0 幻，引线接触盘41认、412々、4118、4128和421-428暴 露在包封材料外面。包封材料可为塑料、陶瓷或其它材料。如图4所示，电气引线411、412和421-428为引线框架的组成部分，其中电气引线 411和电气引线412呈伸展状，占引线框架较大的面积。电气引线411位于引线框架边缘的 一端含暴露于包封材料外的引线接触盘411A，作为被检测电流的输入端/输出端。为了使 电气引线411、412和外部导体形成图4所示的闭环路径，电气引线411呈弯曲钩状。电气 引线411的另一端在霍尔传感器410的附近含引线接触盘411B，用于和位于引线框架401 外的导体电连接。同样，电气引线412的靠近引线接触盘411B的一端含引线接触盘412B 用于和引线框架外的导体电连接，电气引线412外围的另一端含暴露于包封材料外的引线 接触盘412A，作为被检测电流的输出端/输入端。电气引线411和电气引线412形成环状 结构。该环状结构靠近霍尔传感器410并使霍尔传感器410位于该环状结构内部。相对于 半导体芯片402，电气引线411和412的引线接触盘411B和412B在引线框架401的反面。 为了形成闭环形电流通路，电气引线411和412在引线接触盘411B和412B之间串联连接 外部导体，该外部导体与引线框架401位于不同的深度，使得外部导体和电气引线411的右 侧“手柄”区域相互交错绝缘。绝缘方式可为空气绝缘或通过绝缘层绝缘等。但外部导体 和引线框架401之间的距离很小，使得霍尔传感器410与闭环形电流路径41基本位于同一 平面上，提高检测准确性。在一个实施例中，外部导体为印刷于PCB板上的导电层。闭环形 电流通路41具体走向如下被检测的电流从引线接触盘411A流向电气引线411 ；经过钩状 的电气引线411，从引线接触盘411B流向PCB板上的外部导体；电流再从引线接触盘412B 流向电气引线412，然后从引线接触盘412A流出。这样，需要被检测的电流经过一个闭环形 的电流路径41，在闭环形电流通路41中心区域形成正比于被检测电流大小的磁场。在一个 实施例中，霍尔传感器410位于闭环形电流通路41的中心区域用于检测该磁场。通过检测 到的磁场值以及霍尔传感器410与闭环形电流路径41之间的位置信息可计算得到被检测 电流信息。在另外一个实施例中，被检测电流以顺时针顺序从引线接触盘412A流进，从引 线接触盘411A流出。继续对图4进行说明。引线框架401进一步包含一系列输入/输出电气引线 421-428。电气引线421-428用于为半导体芯片402和外部电路进行电信号传递。在一个实 施例中，输入/输出电气引线421-428位于引线框架401的外围区域。每个电气引线如421含一凸点接触盘，用于和半导体芯片402上的凸点421B2进行连接。电气引线421-428通过 凸点421B2-428B2和图2所示的半导体芯片402的输入/输出端口 Exl-Exn进行连接。输 入/输出电气引线的数量不局限于8个，根据实际需要确定。输入/输出电气引线421-428 的反面露出包封材料外，形成引线接触盘。图5示出了一个霍尔效应电流传感器系统500实施例的截面图。该霍尔效应电流 传感器系统500包括倒装式半导体器件400和板510。图5对应图4中沿AB轴形成的截面 图。霍尔效应电流传感器系统500包括半导体倒装式芯片402、引线框架401和板510，其中 板510上制作有外部导体511。在一个实施例中，板510为PCB板。半导体芯片402将制作 有器件的一面朝向引线框架并通过凸点(423B2和426B2)和引线框架(图中可见423、411、 412和426)倒装式连接。倒装式芯片402和引线框架401被包封材料501包封，其中电气 引线(423和426)的反面露出于包封材料501外形成引线接触盘用于和外部电路连接。在 图示的实施例中，引线框架401通过引线接触盘(423、426)和PCB板510电连接，使得半导 体芯片402上的输入/输出端口 Exl-Exn和PCB板上的其它器件或电路连接。继续图5的说明，电气引线411和412通过引线接触盘411B和412B和板510连 接。在一个实施例中，引线接触盘411B和412B为引线框架401的一部分。由于电气引线 411呈钩状，因此在图5所示的截面图中表现为两个部分。在PCB板510上制作有导体511。 在一个实施例中，导体511为印刷在PCB板510上的铜导体层。导体511的两端分别通过 引线接触盘411B和电气引线411连接，通过引线接触盘412B和电气引线412连接。这样， 串联连接的电气引线411、导体511和电气引线412形成一个如图4所示的闭环形电流通路 41。图示中的结构尺寸为示意性的，在实际应用中，图示的封装形式可使导体511、引线框架 401与半导体芯片402之间的纵向距离很小，例如，导体511与含霍尔传感器的半导体芯片 402之间的距离可小于90微米，使得霍尔传感器靠近并位于闭环形电流路径41之内，从而 电流检测的灵敏度和精确度较高。霍尔传感器可以位于闭环形电流路径的中心位置，也可 以偏离中心位置位于闭环形电流通路内部。此处的“中心”、“之内”或“内部”指从图4所示 的俯视图方向来看，霍尔传感器位于闭环形电流路径的中心、闭环形电流路径之内或内部。图4和图5所示的实施例中，伸展的电气引线411和412占引线框架401大部分 的面积。外部导体可为厚导电层，使得电流路径的电阻较低，电流检测耗能低。在一个实施 例中，伸展状的电气引线411和412占引线框架401的一半以上的面积。在另一个实施例中，图3所示的闭环形电流路径30可由多个电气引线和多个外部 导体构成。虽然图5中所示的封装为无引脚封装，如无引脚四边扁平封装QFN，但有引脚的封 装形式如小外形封装(SS0P)也可适用本发明。图6示出了本发明的一个电流检测方法实施例流程图。在步骤601，通过引线框架 和PCB板形成闭环形的电流路径。在一个实施例中，该闭环形电流路径由引线框架的两个 电气引线以及PCB板上的导体连接而成。在步骤602，将半导体芯片连接到引线框架，使半 导体芯片上的霍尔传感器靠近并位于闭环形电流路径内。在步骤603，将被检测电流引入闭 环形电流路径，使得电流从引线框架的一个电气引线流入，通过外部导体从另一个电气引 线流出。在步骤604，检测闭环形电流路径内的磁场，根据霍尔传感器检测到的磁场计算得 到被检测电流信息。
权利要求
一种霍尔效应电流传感器系统，包括半导体芯片，具有霍尔传感器；引线框架，包含至少两个电气引线，所述半导体芯片倒装连接所述引线框架；以及至少一个外部导体，和所述引线框架连接，其中，所述至少两个电气引线和所述至少一个外部导体形成闭环形电流路径，所述霍尔传感器靠近并位于所述闭环形电流路径之内。
2.如权利要求1所述的电流传感器系统，其中所述至少一个外部导体制作于印刷电路 板上，所述引线框架和所述印刷电路板电连接。
3.如权利要求1所述的电流传感器系统，其中所述至少两个电气引线为两个呈伸展状 的电气引线。
4.如权利要求3所述的电流传感器系统，其中所述两个伸展状的电气引线为第一电气 引线和第二电气引线，其中所述第一电气引线的位于所述引线框架边缘的第一端包含引线接触盘，作为所述闭环 形电流路径的输入端/输出端；所述第一电气引线的靠近所述霍尔传感器的第二端包含引线接触盘，用于和所述外部 导体的第一端连接；所述第二电气引线的靠近所述霍尔传感器的第一端包含引线接触盘，用于和所述外部 导体的第二端连接；所述第二电气引线的位于所述引线框架边缘的第二端包含引线接触盘，作为所述闭环 形电流路径的输出端/输入端。
5.如权利要求4所述的电流传感器系统，其中所述半导体芯片和所述引线框架的正面 连接，所述引线接触盘位于所述引线框架的反面。
6.如权利要求1所述的电流传感器系统，其中一个所述电气引线呈弯曲钩状。
7.如权利要求6所述的电流传感器系统，其中所述外部导体数量为一个。
8.如权利要求6所述的电流传感器系统，其中所述外部导体和所述引线框架位于不同 的深度，使得所述外部导体和呈弯曲钩状的所述电气引线的手柄区域相互交错绝缘。
9.如权利要求1所述的电流传感器系统，其中所述外部导体和所述半导体芯片之间的 距离小于90微米。
10.如权利要求1所述的电流传感器系统，其中所述半导体芯片包含一个霍尔传感器。
11.如权利要求1所述的电流传感器系统，其中所述霍尔传感器为掺杂形成的半导体 阻性导体。
12.如权利要求1所述的电流传感器系统，其中所述霍尔传感器位于所述闭环形电流 路径的中心。
13.如权利要求1所述的电流传感器系统，进一步包含包封材料，将所述半导体芯片和 所述弓I线框架包封，并将引线接触盘暴露在所述包封材料外面。
14.如权利要求13所述的电流传感器系统，其中所述半导体芯片和所述引线框架被包 封材料包封形成四边扁平封装。
15.如权利要求1所述的电流传感器系统，其中所述半导体芯片进一步包含处理单元 和输入/输出端口。2
16.如权利要求15所述的电流传感器系统，其中所述处理单元包含时间分配和接口电 路、放大电路、模拟数字转换电路和处理电路。
17.如权利要求15所述的电流传感器系统，其中所述输入/输出端口为制作在半导体 芯片边缘的多个倒装凸点，所述倒装凸点和引线框架连接。
18.一种半导体倒装器件，包括半导体倒装式芯片，具有霍尔传感器；以及引线框架，包含两个伸展状的电气引线，其中所述两个电气引线形成环状结构，所 述半导体倒装式芯片倒装连接所述引线框架，所述霍尔传感器靠近并位于所述环状结构内 部。
19.如权利要求18所述的倒装器件，其中所述两个电气引线和一个外部导体串联连接 构成闭环形路径。
20.如权利要求18所述的倒装器件，其中每个所述电气引线第一端位于所述引线框架 的边缘，第二端靠近所述霍尔传感器，所述电气引线的第一端和第二端各包含引线接触盘。
21.如权利要求20所述的倒装器件，其中所述半导体倒装式芯片和所述引线框架的正 面连接，所述引线接触盘位于所述引线框架的反面。
22.如权利要求18所述的倒装器件，其中一个所述电气引线呈弯曲钩状。
23.如权利要求18所述的倒装器件被包封材料包封形成四边扁平封装。
24.如权利要求18所述的倒装器件，其中所述霍尔传感器位于所述环状结构的中心。
25.一种引线框架结构，包含两个伸展状的电气引线，其中一个所述电气引线呈弯曲钩 状，所述两个电气弓丨线形成环状结构。
26.如权利要求25所述的引线框架结构，其中所述两个电气引线占所述引线框架一半 以上的面积。
27.一种电流检测方法，包括通过引线框架和印刷电路板形成闭环形的电流路径；将霍尔传感器放置于闭环形的电流路径内；将被检测电流引入闭环形电流路径；根据霍尔传感器检测到的磁场计算得到被检测电流信息。
28.如权利要求27所述的方法，其中将引线框架的两个电气引线通过印刷电路板上的 导体串联连接形成闭环形的电流路径。
全文摘要
本发明公开了一种基于霍尔效应的电流传感器系统，该电流传感器系统包括具有霍尔传感器的半导体芯片、引线框架以及外部导体。其中半导体芯片倒装于引线框架上。引线框架包含两个伸展状的电气引线，与外部导体一起在霍尔传感器附近形成闭环形的电流通路。通过检测闭环内的磁场得到电流信息。
文档编号G01R19/25GK101943715SQ201010224619
公开日2011年1月12日 申请日期2010年7月6日 优先权日2009年7月7日
发明者安东尼奥·巴克 申请人:成都芯源系统有限公司