線性霍爾磁傳感芯片用引線框架設計*

葉明盛，時亞南，李菊萍，侯曉偉

（寧波中車時代傳感技術有限公司，浙江 寧波 315021）

0 引言

當通有電流的半導體或導體材料置于垂直電流方向的磁場中，在同時垂直于電流和磁場的方向會形成電勢，此現(xiàn)象即為霍爾效應［1］。具有霍爾效應的模塊被稱為霍爾盤，在大規(guī)模集成電路中，十字交叉、文氏電橋等模型的霍爾盤被設計并集成在芯片中，輔助以多級放大電路、濾波模塊、穩(wěn)壓電路、存儲編程等電路模塊共同構成霍爾功能集成電路，再經(jīng)過固晶、打線、塑封、電鍍、打標、切筋等標準封裝工序能夠制備成為霍爾磁傳感芯片［2，3］。線性霍爾磁傳感芯片的輸出信號強度和響應時間等參數(shù)與待檢測磁場強度相關，霍爾封裝結構中對磁場強度干擾最大的部件就是金屬引線框架，本文從金屬引線框架磁組分和尺寸結構兩方面分析了框架對磁場干擾的改善，并對優(yōu)化后框架制備的霍爾芯片實物進行帶寬測試。

1 引線框架設計

一般封裝芯片對金屬引線框架的設計要求僅從可靠性、應力、機械強度、散熱性和電性等角度考量［4］，然而線性霍爾磁傳感芯片用框架還需要特別關注電磁學對待檢測磁場的干擾：磁性材質(zhì)框架的聚磁效應會削弱待測磁場，而在交變磁場中的金屬框架會誘發(fā)渦流，并感應出次生磁場，聚磁效應和渦流效應都會干擾待檢測磁場信號，影響檢測靈敏度。

1.1 磁組分材料

以圖1所示框架的封裝結構為例，霍爾功能區(qū)（小方框表示）位于結構正中心［5］，定義該封裝用的金屬引線框架含磁性材料組分，且相對磁導率為50，采用阻抗邊界模型，將趨膚深度設為0，使所有感應電流都在導體表面流過，在垂直于芯片的平面分別施加靜態(tài)磁場（圖1（a））和交變磁場（圖1（b）），磁場強度均為0.050 T，交變磁場施加的頻率為50 kHz，仿真結果如圖1所示，靜態(tài)磁場中霍爾區(qū)檢測到的實際磁場強度為0.043 T（圖1（a）），交變磁場中霍爾區(qū)檢測到的實際磁場強度為0.045 T（圖1（b）），均偏離實際施加值。

圖1 仿真結果

根據(jù)電磁場理論［6］，在靜態(tài)或交變磁場環(huán)境中，磁性材料的聚磁效應會削弱磁場，因此兩種磁場環(huán)境下實測值均小于施加值。在交變磁場中，金屬導體內(nèi)部會形成渦流回路，伴隨產(chǎn)生用以抵抗外界磁場變化的次生磁場，渦流回路內(nèi)形成的磁場與外界磁場方向相反，起削弱作用，而渦流回路外形成的磁場與外界磁場方向相同，起增強作用，在聚磁與渦流的共同影響下，交變磁場環(huán)境的被測磁場強度值要比靜態(tài)磁場環(huán)境略大。

在電磁場理論中，一般用趨膚深度［7～9］表征渦流強度，其公式為

式中 ω 為角頻率，μ 為導磁率，σ 為導電率。從公式看出，導磁率與導電率越大，趨膚深度值越低，渦流越嚴重。因此引線框架應選取導磁率與導電率小的材料，選擇弱磁化或無磁化的框架材質(zhì)，可以同時降低聚磁效應和渦流效應，但金屬框架都要求有導電性，渦流效應無法從材料角度完全規(guī)避，因此要通過結構優(yōu)化來進一步降低電磁場渦流效應的影響。

1.2 結構設計

金屬框架置于交變磁場中，其內(nèi)部都會形成渦流，目前最常見的減弱渦流效應的結構優(yōu)化方式是框架向內(nèi)開凹槽設計使霍爾區(qū)域懸空，避免最接近霍爾區(qū)的框架渦流形成強次生磁場干擾。設定3 種框架均無磁，其中a 為完全無凹槽結構，b為僅將霍爾區(qū)懸空的有凹槽結構，c 為包括霍爾區(qū)在內(nèi)大面積芯片懸空的有凹槽結構，具體結構圖如表1所示。在垂直于框架的平面施加幅值為0.05 T，頻率為50 kHz的交變磁場，對3種結構進行磁場仿真收集位于結構中心的霍爾區(qū)檢測到的磁場強度，分析不同結構下渦流效應對被測磁場的影響。表1 中，p為實測磁場值，p0為靜態(tài)磁場值即0.050 T。

表1 3 種結構下仿真結果

在施加的交變磁場環(huán)境中，結構a霍爾區(qū)檢測值誤差最大為65.29%，實測磁場僅為0.017 4 T，說明直接與霍爾區(qū)接觸的金屬框架其渦流對霍爾檢測準確度有很強干擾。結構b與結構c的霍爾區(qū)誤差和檢測值接近，兩種結構的仿真效果如圖2所示，在所取的頻率區(qū)間內(nèi)誤差隨頻率變化曲線如圖3所示，結構c的霍爾區(qū)檢測磁場誤差要優(yōu)于結構b。這是由于結構c 的框架的面積更小，且框架距霍爾區(qū)更遠，渦流產(chǎn)生干擾磁場的數(shù)量更少，對霍爾的干擾強度更弱，使檢測磁場值更接近實際值。

圖2 結構b和結構c的仿真效果

圖3 結構b和結構c磁場誤差隨頻率變化

1.3 施工設計

磁場中只要有金屬框架就難免會產(chǎn)生渦流致次生磁場，根據(jù)上述仿真結果可知，減少金屬框架面積，增加金屬框架與霍爾區(qū)距離，可以達到降低渦流影響的效果，但該種小尺寸框架結構增加了固晶工藝的施工難度，工藝規(guī)范要求功能芯片與框架的膠水涂敷面積不應低于功能芯片面積的20%，越接近極限值，工藝實施難度越大。此外，小尺寸框架在膠水涂敷時易發(fā)生膠水溢出到框架背面現(xiàn)象，形成封裝可靠性的潛在失效點［10］。針對此類型小尺寸框架，應采用芯片粘結薄膜（die attach film，DAF）而非膠水作為粘接材料［11］。DAF在晶圓減薄后貼在晶圓背面，使得封裝用每顆功能芯片背面均有DAF，在保證粘接強度的同時，可以避免溢膠問題［12］。另外，針對該特殊結構的框架設計，考慮到鍵合打線工序沖擊懸空焊盤，會造成焊盤下器件損傷，因此固晶時要保證功能芯片焊盤不能處于凹槽設計上方，同時，霍爾功能區(qū)應盡量遠離金屬框架。圖2（b）結構c所示包括引線框架設計和芯片固晶位置設計，是兼顧安全工藝能力和改善磁場干擾效果的可實施方案。

2 帶寬測試

霍爾磁傳感芯片帶寬指其對頻率的響應范圍，帶寬越大代表可采樣范圍愈大，因此帶寬測試是芯片應用測試中極為重要的一個項點。基于波特圖測試原理［13］搭建網(wǎng)絡分析儀測試環(huán)境［14］：霍爾磁傳感芯片在demo 板上接通電源，處于一個閉環(huán)工作狀態(tài)中，環(huán)路分析儀生成掃頻信號輸入至功率放大器，再將放大后的信號輸入至demo 板上芯片，芯片的輸入與輸出分別接至環(huán)路分析儀的兩個端口，環(huán)路分析儀分析并繪制出波特圖后，即可以得到芯片的增益曲線，從中讀出增益裕量所在的頻率，即為霍爾磁傳感芯片的帶寬［15］。被測試芯片為依據(jù)圖2（b）結構c的框架制成的封裝芯片，測試曲線和數(shù)據(jù)如圖4 所示，該芯片在－3 dB處實測帶寬值為354.8 kHz，顯示出良好的帶寬性能。

圖4 帶寬測試曲線和數(shù)據(jù)

3 結論

綜上所述，線性霍爾磁傳感芯片的特殊性在于要充分考慮金屬引線框架對待檢測磁場強度的干擾，在靜態(tài)磁場環(huán)境中應優(yōu)選磁性組分含量較低的框架降低聚磁效應，而在交變磁場環(huán)境中要盡可能減少大塊金屬的面積，使霍爾功能區(qū)原理金屬框架，從而降低渦流效應影響，本文根據(jù)優(yōu)化的框架結構試制的霍爾芯片實物，實測數(shù)據(jù)表現(xiàn)出良好的帶寬性能。