线性霍尔磁传感芯片用引线框架设计*

叶明盛，时亚南，李菊萍，侯晓伟

（宁波中车时代传感技术有限公司，浙江 宁波 315021）

0 引言

当通有电流的半导体或导体材料置于垂直电流方向的磁场中，在同时垂直于电流和磁场的方向会形成电势，此现象即为霍尔效应［1］。具有霍尔效应的模块被称为霍尔盘，在大规模集成电路中，十字交叉、文氏电桥等模型的霍尔盘被设计并集成在芯片中，辅助以多级放大电路、滤波模块、稳压电路、存储编程等电路模块共同构成霍尔功能集成电路，再经过固晶、打线、塑封、电镀、打标、切筋等标准封装工序能够制备成为霍尔磁传感芯片［2，3］。线性霍尔磁传感芯片的输出信号强度和响应时间等参数与待检测磁场强度相关，霍尔封装结构中对磁场强度干扰最大的部件就是金属引线框架，本文从金属引线框架磁组分和尺寸结构两方面分析了框架对磁场干扰的改善，并对优化后框架制备的霍尔芯片实物进行带宽测试。

1 引线框架设计

一般封装芯片对金属引线框架的设计要求仅从可靠性、应力、机械强度、散热性和电性等角度考量［4］，然而线性霍尔磁传感芯片用框架还需要特别关注电磁学对待检测磁场的干扰：磁性材质框架的聚磁效应会削弱待测磁场，而在交变磁场中的金属框架会诱发涡流，并感应出次生磁场，聚磁效应和涡流效应都会干扰待检测磁场信号，影响检测灵敏度。

1.1 磁组分材料

以图1所示框架的封装结构为例，霍尔功能区（小方框表示）位于结构正中心［5］，定义该封装用的金属引线框架含磁性材料组分，且相对磁导率为50，采用阻抗边界模型，将趋肤深度设为0，使所有感应电流都在导体表面流过，在垂直于芯片的平面分别施加静态磁场（图1（a））和交变磁场（图1（b）），磁场强度均为0.050 T，交变磁场施加的频率为50 kHz，仿真结果如图1所示，静态磁场中霍尔区检测到的实际磁场强度为0.043 T（图1（a）），交变磁场中霍尔区检测到的实际磁场强度为0.045 T（图1（b）），均偏离实际施加值。

图1 仿真结果

根据电磁场理论［6］，在静态或交变磁场环境中，磁性材料的聚磁效应会削弱磁场，因此两种磁场环境下实测值均小于施加值。在交变磁场中，金属导体内部会形成涡流回路，伴随产生用以抵抗外界磁场变化的次生磁场，涡流回路内形成的磁场与外界磁场方向相反，起削弱作用，而涡流回路外形成的磁场与外界磁场方向相同，起增强作用，在聚磁与涡流的共同影响下，交变磁场环境的被测磁场强度值要比静态磁场环境略大。

在电磁场理论中，一般用趋肤深度［7～9］表征涡流强度，其公式为

式中 ω 为角频率，μ 为导磁率，σ 为导电率。从公式看出，导磁率与导电率越大，趋肤深度值越低，涡流越严重。因此引线框架应选取导磁率与导电率小的材料，选择弱磁化或无磁化的框架材质，可以同时降低聚磁效应和涡流效应，但金属框架都要求有导电性，涡流效应无法从材料角度完全规避，因此要通过结构优化来进一步降低电磁场涡流效应的影响。

1.2 结构设计

金属框架置于交变磁场中，其内部都会形成涡流，目前最常见的减弱涡流效应的结构优化方式是框架向内开凹槽设计使霍尔区域悬空，避免最接近霍尔区的框架涡流形成强次生磁场干扰。设定3 种框架均无磁，其中a 为完全无凹槽结构，b为仅将霍尔区悬空的有凹槽结构，c 为包括霍尔区在内大面积芯片悬空的有凹槽结构，具体结构图如表1所示。在垂直于框架的平面施加幅值为0.05 T，频率为50 kHz的交变磁场，对3种结构进行磁场仿真收集位于结构中心的霍尔区检测到的磁场强度，分析不同结构下涡流效应对被测磁场的影响。表1 中，p为实测磁场值，p0为静态磁场值即0.050 T。

表1 3 种结构下仿真结果

在施加的交变磁场环境中，结构a霍尔区检测值误差最大为65.29%，实测磁场仅为0.017 4 T，说明直接与霍尔区接触的金属框架其涡流对霍尔检测准确度有很强干扰。结构b与结构c的霍尔区误差和检测值接近，两种结构的仿真效果如图2所示，在所取的频率区间内误差随频率变化曲线如图3所示，结构c的霍尔区检测磁场误差要优于结构b。这是由于结构c 的框架的面积更小，且框架距霍尔区更远，涡流产生干扰磁场的数量更少，对霍尔的干扰强度更弱，使检测磁场值更接近实际值。

图2 结构b和结构c的仿真效果

图3 结构b和结构c磁场误差随频率变化

1.3 施工设计

磁场中只要有金属框架就难免会产生涡流致次生磁场，根据上述仿真结果可知，减少金属框架面积，增加金属框架与霍尔区距离，可以达到降低涡流影响的效果，但该种小尺寸框架结构增加了固晶工艺的施工难度，工艺规范要求功能芯片与框架的胶水涂敷面积不应低于功能芯片面积的20%，越接近极限值，工艺实施难度越大。此外，小尺寸框架在胶水涂敷时易发生胶水溢出到框架背面现象，形成封装可靠性的潜在失效点［10］。针对此类型小尺寸框架，应采用芯片粘结薄膜（die attach film，DAF）而非胶水作为粘接材料［11］。DAF在晶圆减薄后贴在晶圆背面，使得封装用每颗功能芯片背面均有DAF，在保证粘接强度的同时，可以避免溢胶问题［12］。另外，针对该特殊结构的框架设计，考虑到键合打线工序冲击悬空焊盘，会造成焊盘下器件损伤，因此固晶时要保证功能芯片焊盘不能处于凹槽设计上方，同时，霍尔功能区应尽量远离金属框架。图2（b）结构c所示包括引线框架设计和芯片固晶位置设计，是兼顾安全工艺能力和改善磁场干扰效果的可实施方案。

2 带宽测试

霍尔磁传感芯片带宽指其对频率的响应范围，带宽越大代表可采样范围愈大，因此带宽测试是芯片应用测试中极为重要的一个项点。基于波特图测试原理［13］搭建网络分析仪测试环境［14］：霍尔磁传感芯片在demo 板上接通电源，处于一个闭环工作状态中，环路分析仪生成扫频信号输入至功率放大器，再将放大后的信号输入至demo 板上芯片，芯片的输入与输出分别接至环路分析仪的两个端口，环路分析仪分析并绘制出波特图后，即可以得到芯片的增益曲线，从中读出增益裕量所在的频率，即为霍尔磁传感芯片的带宽［15］。被测试芯片为依据图2（b）结构c的框架制成的封装芯片，测试曲线和数据如图4 所示，该芯片在－3 dB处实测带宽值为354.8 kHz，显示出良好的带宽性能。

图4 带宽测试曲线和数据

3 结论

综上所述，线性霍尔磁传感芯片的特殊性在于要充分考虑金属引线框架对待检测磁场强度的干扰，在静态磁场环境中应优选磁性组分含量较低的框架降低聚磁效应，而在交变磁场环境中要尽可能减少大块金属的面积，使霍尔功能区原理金属框架，从而降低涡流效应影响，本文根据优化的框架结构试制的霍尔芯片实物，实测数据表现出良好的带宽性能。