基于偏心槽對芯片結構渦流效應的設計策略

邱永松

（惠州城市職業學院）

0 引言

霍爾傳感器是利用半導體材料的霍爾效應進行測量磁場強度大小的一種傳感器。霍爾電流傳感器由線性霍爾芯片、鐵芯以及外殼組成，通過檢測與流經導體的電流成比例產生的磁場大小，然后計算出流經導體的電流大小。

隨著工業自動化、電動汽車、光伏風電、信息處理及檢測等技術的進步和發展，電流測量的需求也越來越多，對霍爾傳感器的技術性能也提出了更高的要求，現有市面上的霍爾傳感器是將一塊閉合的金屬芯片封裝而成，在交變的磁場作用下金屬基板會產生渦流磁場，隨著頻繁的開關和輸出電流頻繁變換，將使霍爾芯片受到的實際磁場因渦電流產生的磁場相抵消而有所減少，導致電壓輸出誤差較大以及響應時間較慢，針對現有芯片結構封裝技術存在的問題，本文研究提出一種新的封裝結構設計，以解決現有技術存在的問題[1-15]。

1 結構設計

本設計首先采用含有鎳、鉻、鋁等導電金屬的鎳基高溫合金材料制作成的金屬基板框架10，其目的是增加電阻率，起到抑制和降低因磁通變化而產生的渦流效應。其次，在金屬基板框架上通過沖壓或腐蝕技術開設一個高約1.7mm，寬約0.5mm的偏心槽11，其中一側開穿基板框架，并將芯片20中的霍爾元件21與凹槽口對中安裝，其目的是降低渦流感應和霍爾元件受到的影響，進一步提高霍爾傳感器的帶寬。再次，通過COMS技術一體化設置霍爾元件和信號電路，且使霍爾元件要置于霍爾芯片的中心位置，其目的是保證霍爾元件四周所受應力在封裝后保持一致。最后，采用銀錠通過綁定焊接技術固定基板與芯片，并采用熱固性材料進行一體化塑封以提高封裝應力和連接的可靠性。本新型結構正面和其反面參考圖如圖1和圖2所示。

圖1 本封裝正面結構示意圖

圖2 本封裝反面結構示意圖

2 結果與分析

2.1 實驗

現有封裝結構為一封閉結構，在交變磁場的作用下易產生渦流效應，從而導致芯片輸出電壓值誤差較大和輸出電壓響應時間較慢的問題，為進一步說明現有結構和本新型結構兩者的不同，驗證本新型封裝結構的效果，將通過實驗進行對比分析。現有封裝結構正面和其反面參考圖如圖3和圖4所示。

圖3 現有封裝正面結構示意圖

圖4 現有封裝反面結構示意圖

采用磁場仿真軟件對現有金屬基板框架和本制備的金屬基板框架處于同一位置和同一磁場進行仿真分析，其結果如仿真效果如圖5所示，從圖中可看出，曲線1為仿真軟件施加的30Hz外部磁場曲線，曲線2為現有封裝結構磁場曲線，曲線3為本新型結構磁場曲線。通過曲線圖對比，不難看出其幅值和相移的變化情況，且曲線1和曲線3兩者基本一致，說明本新型結構能有效抑制和降低渦流效應所產生的負面影響。

圖5 仿真效果圖

采用di/dt設備對兩封裝結構進行對比測試，其結果如圖6和圖7所示。通過對比兩者的波形圖不難看出，當外部磁場產生較大變化時，現有封裝結構的波形圖易失真，而本新型封裝結構的霍爾輸出能隨輸入波形產生相應的變化。

圖6 現有封裝結構霍爾測試圖的輸入輸出波形圖

2.2 分析

通過上述磁場仿真軟件分析和di/dt設備對比測試，說明本新型封裝結構相比現有封裝結構能有效抑制和降低芯片渦電流效應、降低電壓輸出誤差和響應時間、提高霍爾傳感器的帶寬，進而提高霍爾傳感器的技術性能。

利用沖壓技術或者腐蝕技術在金屬基板框架上開設一個凹槽，且將凹槽偏心設置，然后采用綁定焊接技術將金屬基板框架與線性霍爾芯片綁定焊接固定，以保證線性霍爾芯片上的霍爾元件能夠精準地落入該凹槽的中心部位，從而抑制和降低由于磁通密度變化而引起的渦電流效應，進而使霍爾元件受渦電流引起的磁通密度變得極其微小，提高霍爾電流傳感器的帶寬，降低輸出響應時間和輸出誤差。

金屬基板框架與線性霍爾芯片之間的塑封材料采用熱固性材料，可減少線性霍爾芯片由于外界溫度變化而引起的封裝應力，提高金屬基板框架與線性霍爾芯片之間連接的可靠性，保證可靠的信號輸出。同時，將霍爾元件和COMS信號調理電路采用COMS技術進行一體化設計，并將霍爾元件安于線性霍爾芯片的中心位置，這樣封裝后可保證霍爾元件的四周感受到的應力保持一致，提高金屬基板框架與線性霍爾芯片之間連接的可靠性，保證信號輸出的可靠性。其熱固性塑封材料按質量百分比計包括如下組分：尺寸為0.6～1.0μm的片狀硅粉78%～84%，尺寸為5～10μm的α-Al2 O3顆粒2%～3%，由雙酚A甲醛環氧樹脂和三官能團環氧樹脂組成的環氧樹脂8%～12%（磷含量為1.8%～2.0%，環氧當量為390～410g/eq），硬化劑4%～6%，脫模劑＜1%，促進劑＜1%，著色劑0.5%～4%，其具有良好的耐高壓性能，較低的吸濕率，粘結力強等性能，能夠提高電子元器件的可靠性、使用壽命，防止擊穿現象、短路現象、形變現象，有效避免了器件失效等問題。

金屬基板框架采用含有鎳、鉻、鋁等導電材料的鎳基高溫合金材料制作，因其具有很高的電阻率和耐高溫性能、很小的電阻溫度系數，從而增加金屬基板框架的電阻率，進而抑制和降低由于磁通密度變化而引起的渦電流效應，提高霍爾電流傳感器的帶寬，降低輸出響應時間和輸出誤差。

3 結束語

隨著工業自動化、光伏風電、信息處理及檢測等技術的進步和發展，人們對霍爾傳感器的技術性能也提出了更高的要求。

通過腐蝕技術或者沖壓技術在金屬基板框架上開設一個凹槽，通過焊接技術實現線性霍爾芯片和金屬基板框架的固化連接，且將線性霍爾芯片上的霍爾元件的位置與凹槽的位置相對應，從而抑制和降低由于磁通密度變化而引起的渦電流效應，提高霍爾電流傳感器的帶寬，降低輸出響應時間和輸出誤差。通過將凹槽偏心設置，是為保證線性霍爾芯片上的霍爾元件能夠精準地落入該凹槽的中心部位，從而進一步降低渦電流引起的電磁感應，以及霍爾元件受渦電流引起的磁通密度變得極其微小，提高霍爾電流傳感器的帶寬，降低輸出響應時間和輸出誤差。

通過COMS技術實現霍爾元件與COMS信號調理電路一體化設置，這樣保證線性霍爾芯片在進行封裝后，使得霍爾元件的四周感受到的應力保持一致，提高金屬基板框架與線性霍爾芯片之間連接的可靠性，保證可靠的信號輸出。通過特制的熱固性材料，將金屬基板框架與線性霍爾芯片固化連接，可減少線性霍爾芯片由于外界溫度變化而引起的封裝應力，提高金屬基板框架與線性霍爾芯片之間連接的可靠性，保證可靠的信號輸出。

通過采用含有鎳、鉻、鋁等導電材料的鎳基高溫合金材料制作金屬基板框架可增加金屬基板框架的電阻率，進而抑制和降低由于磁通密度變化而引起的渦電流效應，提高霍爾電流傳感器的帶寬，降低輸出響應時間和輸出誤差。

通過上述工藝和設計形成的封裝結構，其設計結果經磁場仿真軟件分析和di/dt設備對比測試，證明本設計的封裝結構相比現有封裝結構能夠有效地避免渦流效應的影響，保證可靠的信號輸出，進而提高了霍爾電流傳感器的帶寬及技術性能，降低了輸出響應時間和輸出誤差，因而具有一定的實際意義。