JP7097671B2

JP7097671B2 - Ｉｃ化磁気センサおよびそれに使用するリードフレーム

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Publication number: JP7097671B2
Application number: JP2017004757A
Authority: JP
Inventors: 信幸新地
Original assignee: Kohshin Electric Corp
Current assignee: Kohshin Electric Corp
Priority date: 2017-01-15
Filing date: 2017-01-15
Publication date: 2022-07-08
Anticipated expiration: 2037-01-15
Also published as: JP2018112537A

Description

本発明は磁気センサおよびそれに使用するリードフレームに関し、特に導体を流れる電流を検出し、それに対応する電気信号を出力するＩＣ（半導体集積回路）化された磁気センサおよびそれに使用するリードフレームに関する。

導体に流れる電流を非接触で検出するため、この電流により生じる磁界を磁気電気変換素子（以下、単に磁電変換素子という）であるホール効果素子（以下、単にホール素子という）等により検出して、電気信号として出力する種々の磁気センサが開発され市販されている。

このような磁気センサは、車両等の電子機器または電子応用機器内の多数の信号または制御用導体とともに使用して、これらの導体を流れる電流（入力電流）を検出するために使用されている。これらの機器は一般に小型、軽量かつ安価であるのが望ましい。また、これらの磁電変換素子の検出出力は微弱であるとともに、周囲温度その他の条件により変化するので、１個以上の磁電変換素子、その検出出力の増幅器および検出出力補正回路等を半導体基板（サブストレート）上に一体化または集積してＩＣチップ化した、ＩＣ化磁気センサとするのが望ましい。

ＩＣは、一般に、半導体基板上に周知の技法で多数個が同時に形成され、導電性金属製のリードフレームに接合し、所定の電気的接続後に、個別に分割してＩＣ化磁気センサが形成される。そのために、リードフレームには、ＩＣチップを支持するＩＣチップマウント部および複数のリード部（端子部）を有する。ＩＣチップの端子（または接続パッド）とリードフレームのリード部とは、一般に細い金線を使用するワイヤボンディング技法により電気的接続される。

磁気センサをＩＣ化するには、磁電変換素子および増幅回路等の各種エレクトロニクス回路が一体的に形成されたＩＣチップを、リードフレームのＩＣパッドマウント部に適当な接着剤により接着（または接合）し、必要な物理的な支持および発生する熱の放熱等を行う。さらに、ＩＣチップ上の複数の接続パッドとリードフレームの複数のリード部間を、上述したワイヤボンディングにより電気的接続する。最後に、外部との接続部分を除き、全体をエポキシ樹脂等により被覆して保護する。ここで、ＩＣ化磁気センサとは、磁電変換素子を含むＩＣチップとリードフレームとを備え、上述のように製造された磁気検出デバイスをいう。

このようなＩＣ化磁気センサは、市販されかつ幾つかの特許文献に開示されている。十分な面積を有するリードフレームにＩＣチップを接合するリードフレームの支持部であるＩＣチップマウント部の略全体に延びる細長いスリットを設けて、被測定磁界の変化に起因してリードフレームのＩＣチップマウント部に生じる渦電流による測定エラー等を防止するＩＣ用リードフレームが開示されている（例えば、特許文献１および特許文献２参照）。

また、ＩＣチップを載置する広い面積を有するリードフレームの１辺から他辺に向けて第１のスロットを形成するとともにこの第１のスロットの端部からこれと直交する第２のスロットを形成するリードフレームを使用するＩＣ化磁気センサも開示されている（例えば、特許文献３参照）。

米国特許公報第６８５３１７８号米国特許公報第６９２２０４８号日本特許第５６７６６３５号公報

検出エラーが少なくしかも磁気検出の応答速度が良好なＩＣ化磁気センサを得るには、上述した渦電流の影響を軽減するために導電体を磁電変換素子の近傍から可能な限り排除または遠ざけることが望ましいことが判明した。換言すると、ＩＣチップマウント領域のうち、磁電変換素子の近傍にはリードフレームの導電部が存在しないことが望ましい。

しかし、リードフレームに対してＩＣチップが正確に配置、すなわち接合固定されていない場合には、後工程であるワイヤボンディング作業等が困難となるとともにリードフレームとＩＣチップとの電気的接続の不具合および接合強度の不足が生じて製品の歩留まりや信頼性が低下する。

本発明は、従来技術の上述した種々の課題に鑑みなされたものであり、これらの課題を解決または軽減するＩＣ化磁気センサおよびそれに使用するリードフレームを提供することを目的とする。

上述した課題を解決するとともに上述した目的を達成するために、本発明のＩＣ化磁気センサは、次のような特徴的な構成を採用している。すなわち、少なくとも１個の磁電変換素子およびワイヤボンディング領域を有する矩形のＩＣチップをリードフレームのＩＣチップマウント部に接合するＩＣ化磁気センサであって、リードフレームはＩＣチップのワイヤボンディング領域が載置される基部とこの基部から直角に突出する少なくとも１個の角状部とを有し、ＩＣチップは、リードフレームを平面視したとき、磁電変換素子がリードフレームの角状部と重複しないように配置されることを特徴とする。

ここで、リードフレームの角状部は、基部に対して線対称に形成される。また、リードフレームの角状部の長さは、リードフレームの基部および角状部の合計寸法を、リードフレームのＩＣチップマウント部に載置されるＩＣチップの対応する辺の寸法に応じて決定される。ＩＣチップの磁電変換素子は、リードフレームの２個の角状部間に配置される。また、磁電変換素子は、リードフレームの角状部の両側に配置される複数である。

また、本発明のＩＣ化磁気センサに使用するリードフレームは、次のような特徴的な構成を採用している。すなわち、少なくとも１個の磁電変換素子を含む略矩形のＩＣチップを有するＩＣ化磁気センサに使用するリードフレームであって、ＩＣチップの接続パッド領域が配置される基部と、

この基部から直角に突出する少なくとも１個の角状部とを備え、角状部の長さは、リードフレームの基部と角状部の合計寸法を、リードフレームのＩＣチップマウント部に載置されるＩＣチップの対応する辺の寸法に応じて決定する。

ここで、リードフレームの角状部は、基部に対して線対称に形成される。リードフレームの角状部は、相互に平行な複数個形成される。また、リードフレームの角状部は単一であり、その両側にＩＣチップの磁電変換素子が配置される。

本発明によるＩＣ化磁気センサは、リードフレームが基部とこれと直角に突出する細長い角状部を有するので、ＩＣチップの磁電変換素子の近傍に配置される導電体が最小であるので、渦電流による悪影響を抑えて磁気検出の応答速度を大幅に改善する。また、リードフレームの角状部は、基部に対して線対称かつＩＣチップの対応する辺の寸法に応じた長さを有するので、リードフレームに正確な平行度かつ十分な強度で安定的に搭載でき、ワイヤボンディング等の後処理を高信頼性で実施可能にし、高い歩留まり、信頼性かつＩＣ化磁気センサの低価格化が実現可能である。さらに、必要に応じて単一または複数の磁電変換素子を有するＩＣチップに対応可能である。

また、本発明のリードフレームを使用することにより、リードフレームに対するＩＣチップの接合精度および接合力が維持されるとともにワイヤボンディング等の後工程を確実に実行可能にするので、ＩＣ化磁気センサの製造工程による製品の歩留まりや信頼性を高く維持でき、低価格化が実現可能である。

次に、添付図面を参照して、本発明によるＩＣ化磁気センサおよびそれに使用するリードフレームの構成および作用効果を詳細に説明する。

本発明によるＩＣ化磁気センサに使用するリードフレームの第１実施形態を示す平面図である。本発明によるＩＣ化磁気センサに使用するリードフレームの第２実施形態を示す平面図である。本発明のＩＣ化磁気センサを応用する具体例の説明図である。図３における磁気コア（単にコアという）の空隙内に配置して使用する本発明によるＩＣ化磁気センサの説明図である。リードフレーム等の導体と変化する磁力線が鎖交する場合に導体に生じる渦電流の説明図である。ＩＣ用リードフレームの従来例を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）はＩＣチップマウント部の他の例を示す平面図である。ＩＣ化磁気センサに使用するリードフレームの他の従来例を示す平面図である。

次に、本発明によるＩＣ化磁気センサおよびそれに使用するリードフレームの実施例を、添付図を参照して詳細に説明する。なお、ここに示す実施例は、本発明の単なる例示に過ぎず、何ら本発明を限定するものではなく、特定用途に応じて種々の変形変更が可能であることに留意されたい。

先ず、図３は、本発明によるＩＣ化磁気センサの応用例を示す説明図である。この応用例において、磁電変換素子（例えば、ホール素子）を含むＩＣ化磁気センサ１００は、入力電流が流れる導体１２０が貫通するコア１１０に形成された空隙１１２（図４参照）内に配置されている。コア１１０は、入力電流が流れることにより導体１２０の周囲に生じる磁界を集磁する。このＩＣ化磁気センサ１００には、その動作に必要な電源等（図示せず）が供給される。ＩＣ化磁気センサ１００の検出出力は一般に微弱であるので、増幅器１３０により適当な振幅に増幅され、出力端子１４０と接地端子１４１間に出力される。なお、増幅器１３０は、ＩＣ化磁気センサ１００と一体に形成、すなわちＩＣ化されるのが望ましい。

次に、図４は、図３のＩＣ化磁気センサ１００が配置されたコア１１０の一部分の拡大図である。コア１１０に形成された微小空隙１１２内に配置されるＩＣ化磁気センサ１００は適当な接着剤等により導電性のリードフレーム１０２に固定される。後述するように、ＩＣ化磁気センサ１００は、導電性のリードフレーム１０２に接合形成され、外部への接続部分（リード端子部）を除き、全体をエポキシ樹脂等により被覆して保護される。

図４のコア１１０の内部および空隙１１２には、導体１２０に流れる入力電流により磁力線が生じる。この磁力線１０３が変化すると、ＩＣ化磁気センサ１００を構成する導体であるリードフレーム１０２には、図５に示すように磁力線１０３の周りに渦電流１０４が不可避的に生じる。この渦電流１０４は、元の磁力線（すなわち、入力電流により導体１２０の周りに生じる磁力線）を打ち消す作用を有するので、これを最小にするのが、ＩＣ化磁気センサ１００にとり望ましい。

ここで、本発明の課題や作用効果の理解を助けるために、先ず、リードフレーム１０２のＩＣチップマウント部の導体に生じる上述した渦電流を軽減する従来技術について、図６および図７を参照して説明する。

図６は、上述した特許文献１および特許文献２に開示された従来のリードフレームの平面図である。図６（a）に示すリードフレームユニット２００は、磁気センサ等を含むＩＣチップを支持する略正方形のチップマウントパッド２０１およびその周囲に配置形成された複数のリードフレームセグメントを備えている。このチップマウントパッド２０１には、略その全長を横断するように、０．０１～０．５ｍｍの極めて細いスリット２０５を形成している。このスリット２０５により、図５を参照して上述した渦電流の抑制を図っている。一方、図６（b）には、図６（a）と同様の目的で、一辺３０３の近傍から対向する他の辺３０４の近傍に亘りスリット３０２が形成された従来のリードフレームのチップマウントパッド３００を開示している。

また、図７は、上述した特許文献３に開示される従来の磁気センサ５００の導電性リードフレーム５０２の平面図である。このリードフレーム５０２には、上述した渦電流を軽減するために、一辺から他辺に向かう第１のスロット５１０およびこの第１スロット５１０の端部から連続する第２スロット５２０が形成されている。ここで、第１スロット５１０の中心軸５１１と第２スロット５２０の中心軸５２１は、相互に直交している。そして、ＩＣチップ５３０は、これらのスロット５１０および５２０と位置合わせして配置されている。

しかし、図６（ａ）および図６（ｂ）に示すスリットが形成されたリードフレーム２００および３００では、上述した渦電流を十分に低減することができず、図７に示すリードフレーム５０２を使用する磁気センサ５００では、磁気検出の応答速度が低いことが実験により判明した。具体的には、上述した従来技術による磁気センサの磁気検出の応答速度は、約１０μｓ以上であり、速い応答速度を必要とする用途には適用できない。

次に、図１および図２を参照して、本発明によるＩＣ化磁気センサおよびそれに使用するリードフレームの好適な実施形態について詳細に説明する。

先ず、図１は、本発明によるＩＣ化磁気センサに使用するリードフレームの第１実施形態の平面図である。図１において、リードフレーム１０は実線で示し、このリードフレーム１０のＩＣチップマウント部に接合するとともに周知技法によりこのリードフレーム１０と電気的接続して本発明によるＩＣ化磁気センサを構成する半導体基板を含むＩＣチップ４０を破線で示している。

このリードフレーム１０は、ＩＣチップ４０を接合するＩＣチップマウント部２０と複数のリード部（端子部）３０とにより構成されている。図１に示す特定実施形態において、ＩＣチップマウント部２０は、比較的幅が広く横方向に延びる基部２１と、この基部２１から直角方向（図上では上方）に突出するとともに相互に離間する細長い１対の角状部２２、２３を含んでいる。ここで、角状部とは、基部２１から延びる細長い突出部を意味する。他方、リード部３０は、ＩＣチップマウント部２０の基部２１の下方に延びる相互に平行な４本のリード（端子）３１～３４を有する。

図１において、ＩＣチップ４０は、略矩形状であり、ＩＣ化磁気センサの組立時には、ＩＣチップマウント部２０の基部２１および１対の角状部２２、２３を覆うように位置決めして配置され、適当な接着剤を用いて、これら基部２１および角状部２２、２３に接合固定される。ＩＣチップマウント部２０の上述した特定構成により、ＩＣチップ４０はリードフレーム１０のＩＣチップマウント部２０に確実に接合される。すなわち、ＩＣチップ４０とリードフレーム１０の面の平行度が正確に維持される。ここで、リードフレーム１０の角状部２２、２３の寸法は、使用されるＩＣチップ４０の寸法に対応して決定される。すなわち、ＩＣチップマウント部２０の基部２１および角状部２２（または２３）の合計寸法（図中縦方向の寸法）は、使用されるＩＣチップ４０の対応する辺の寸法（長さ）と略等しい寸法に選定されていることに注目されたい。

また、ＩＣチップ４０は、ワイヤボンディング部４２および磁電変換素子配置部４４を有する。ワイヤボンディング部４２は、リードフレーム１０のＩＣチップマウント部２０の基部２１に沿って配置形成されている。この特定の構成により、ＩＣチップ４０とリードフレーム１０の接合強度が十分であり、かつＩＣ化磁気センサの組立製造工程において、ＩＣチップ４０およびリードフレーム１０のリード部３０との電気的接続、すなわちワイヤボンディング作業を、エラーを生じることなく確実に実行できるので、ＩＣ化磁気センサを高い歩留まりかつ高信頼性で製造できる。

さらに、ＩＣチップ４０の磁電変換素子配置部４４は、ＩＣチップ４０の略中央位置であり、ＩＣチップマウント部２０の基部２１から十分に離間するとともに隣接する角状部２２、２３からも離間している。したがって、後述するように、被検出磁界の変化による渦電流の影響を最小限に抑えて磁気検出の応答速度を著しく高めることができることに注目されたい。

リードフレーム１０のＩＣチップマウント部２０に接合されたＩＣチップ４０とリード部３０の各リード３１～３４との間の電気的接続は、従来技術、例えばワイヤボンディングにより行われる。なお、ＩＣチップマウント部２０の基部２１とリード部３０の１つのリード３３とは、予め一体化して形成され、ＩＣチップ４０の１つの端子、例えば接地端子とする。

図１に示す本発明の第１実施形態によるリードフレーム１０の具体例について説明する。ＩＣチップ４０は、１辺が約２．４ｍｍの略正方形である。ＩＣチップマウント部２０の横方向の全長（幅）は約５．３ｍｍおよび基部２１の高さは約１．０ｍｍである。また、角状部２２、２３の長さ、幅および間隔はそれぞれ約１．０ｍｍ、約０．３８ｍｍおよび約１．０ｍｍである。しかし、本発明は、何らこの具体例に限定するものではないこと勿論である。

次に、図２を参照して、本発明の第２実施形態によるリードフレームについて説明する。この実施形態のリードフレーム５０は、図１を参照して上述したリードフレーム１０と同様に、ＩＣチップマウント部６０とリード部７０とを備えている。ＩＣチップマウント部６０には、図２中に破線で示すＩＣチップ８０が接合される。リード部７０は、４本のリード７１～７４を有する。ここで、図１および図２の実施例とともに、角状部２２、２３および６２は、基部２１および６１に対して線対称に形成されていることに注目されたい。これによりＩＣチップをリードフレームに安定的に接合または支持可能にする。

以下、図１を参照して上述した第１実施形態との相違点を中心に、図２に示すリードフレーム５０について説明することとする。このリードフレーム５０のＩＣチップマウント部６０は、基部６１および単一の角状部６２を有する。

このリードフレーム５０のＩＣチップマウント部６０に配置して接合されるＩＣチップ８０は、その略中央部に横方向に離間して配置された１対の磁電変換素子配置部８４、８５を有する。そして、ＩＣチップマウント部６０の１個の角状部６２が、１対の磁電変換素子配置部８４、８５の中心と一致するようにＩＣチップ８０とＩＣチップマウント部６０とを位置合わせする。

この実施形態のリードフレーム５０においても、上述したリードフレーム１０と同様に、ＩＣチップマウント部６０の基部６１と角状部６２の合計寸法は、ここに接合されるＩＣチップ８０の対応する辺の寸法に応じて決定または選定されていることに注目されたい。

ＩＣ化磁気センサの磁電変換素子、例えばホール素子の検出出力は、一般にばらつきが大きくかつ微弱であることが知られている。そこで、ＩＣチップに複数の磁電変換素子を使用し、これら複数の磁電変換素子の出力信号を合成して検出出力とすることによりばらつきの低減と出力の増大が望ましい。図２に示す本発明の実施形態のリードフレーム５０は、１対の磁電変換素子を含むＩＣ化磁気センサに好適である。

図２に示すリードフレーム５０において、ＩＣチップマウント部６０に形成された角状部６２の幅の具体例は、約１．０ｍｍである。ＩＣチップ８０が３個以上の磁電変換素子を含む場合には、角状部６２を複数個形成し、それら角状部の間隙に磁電変換素子が配置されるようにするのが望ましい。

磁気検出の応答速度を、ＩＣチップマウント部にスリット等を形成した従来のＩＣ化磁気センサと本発明によるＩＣ化磁気センサの応答速度の比較実験を行った。その結果、上述のような従来技術のリードフレームでは応答速度が約１０～１２μｓであるのに対して、図１および図２に示す本発明のリードフレーム１０、５０を使用するＩＣ化磁気センサでは約２．３μｓであり、応答速度が著しく改善されることが判明した。その理由は、広い面積の導体から磁電変換素子を遠ざけることにより、渦電流の影響を効果的に排除または大幅に低減するためである。

しかも、本発明のＩＣ化磁気センサおよびリードフレームによると、ＩＣチップマウント部の所定寸法に選定された基部と１個以上の角状部とにより、ＩＣチップをリードフレームに正確に位置決めして接合するので、製造工程における高い組立精度および高い歩留まりが可能であるとともにＩＣチップをリードフレームに対して十分な強度で接合できる。また、ＩＣチップのワイヤボンディング部は、リードフレームのＩＣチップマウント部の基部上に配置するので、確実なワイヤボンディング作業を可能にする。

以上、本発明によるＩＣ化磁気センサおよびそれに使用するリードフレームの好適な実施形態の構成および作用効果を詳述した。しかし、本発明の要旨を逸脱することなく、特定用途に応じて種々の変形変更が可能であることが当業者には容易に理解できよう。

１０、５０リードフレーム
２０、６０ＩＣチップマウント部
２１、６１基部
２２、２３、６２角状部
４０、８０ＩＣチップ
４２、８２ワイヤボンディング部
４４、８４、８５磁電変換素子配置部

Claims

磁電変換素子およびワイヤボンディング領域を有する略矩形のＩＣチップがリードフレームのＩＣチップマウント部に接合されたＩＣ化磁気センサにおいて、
前記リードフレームは、前記ＩＣチップの前記ワイヤボンディング領域が載置される基部と、該基部から直角方向に突出するとともに相互に離間する細長い１対の角状部であって、前記基部の前記直角方向の高さおよび該１対の角状部の間隔よりも幅が小さく、前記直角方向の長さが該幅よりも大きい１対の角状部とを有し、
前記ＩＣチップは、前記磁電変換素子が前記リードフレームの前記１対の角状部および前記基部から離間した位置であって、前記直角方向と平行な２辺が前記１対の角状部よりもそれぞれ外側となる位置に配置されることを特徴とするＩＣ化磁気センサ。
磁電変換素子およびワイヤボンディング領域を有する略矩形のＩＣチップを有するＩＣ化磁気センサに使用するリードフレームであって、
前記ＩＣチップの前記ワイヤボンディング領域が載置される基部と、該基部から直角方向に突出するとともに相互に離間する細長い１対の角状部であって、前記基部の前記直角方向の高さおよび該１対の角状部の間隔よりも幅が小さく、前記直角方向の長さが該幅よりも大きい１対の角状部とを有し、
前記ＩＣチップは、前記磁電変換素子が前記１対の角状部および前記基部から離間した位置であって、前記直角方向と平行な２辺が前記１対の角状部よりもそれぞれ外側となる位置に配置されることを特徴とするＩＣ化磁気センサに使用するリードフレーム。