(57)【要約】ＵＬ６０９５０−１規格下の強化絶縁のための安全絶縁要件を満たす磁界感知回路、電流導体、および絶縁体を含むように集積回路パッケージ内にパッケージングされた電流センサが提示される。絶縁体は、少なくとも２つの薄いシート材料層を有する絶縁構造として提供される。絶縁構造は、パッケージの成形プラスチック本体を形成するプラスチック材料が強化絶縁を提供するように寸法設定される。一実施形態によれば、絶縁構造は、２つの絶縁テープ層を有する。各絶縁テープ層は、ポリイミド膜および接着剤を含む。絶縁構造および成形プラスチック本体は、少なくとも５００ＶＲＭＳの動作電圧定格を実現するように構築することができる。
2014521935.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
１次電流を運搬するための電流導体を形成するように接続された電流リードを含む第１の部分、および信号リードを含む第２の部分を有するリードフレームと、
相互接続によって前記第２のリードフレーム部分に結合されたダイであって、前記１次電流に関連する磁界を感知し、前記感知した磁界に基づいて前記信号リードの１つで出力を生成する磁界感知回路を含むダイと、
前記電流導体と前記ダイとの間に配置された絶縁構造であって、第１の絶縁層および第２の絶縁層を含む絶縁構造と、
前記ダイ、前記相互接続、および前記リードフレームの少なくとも一部分を取り囲み、成形パッケージ本体を形成するプラスチック材料と
を含み、
前記絶縁構造が、前記プラスチック材料が強化絶縁を提供するように寸法設定される、電流センサ。
【請求項２】
前記第１の絶縁層と第２の絶縁層がそれぞれ、ポリイミド膜を含む、請求項１に記載の電流センサ。
【請求項３】
前記第１の絶縁層と第２の絶縁層がそれぞれ、接着剤層をさらに含む、請求項２に記載の電流センサ。
【請求項４】
前記ポリイミド膜および前記接着剤層が、テープ内に設けられる、請求項３に記載の電流センサ。
【請求項５】
前記テープが、約４０ミクロンの厚さを有する、請求項４に記載の電流センサ。
【請求項６】
前記ポリイミド膜が、約２５ミクロンの厚さを有する、請求項５に記載の電流センサ。
【請求項７】
前記ポリイミド膜が、少なくとも７０００ｋＶの絶縁電圧に耐えることが可能な絶縁特性および厚さを有する、請求項２に記載の電流センサ。
【請求項８】
前記第１の絶縁層と第２の絶縁層が、実質上等しい厚さである、請求項１に記載の電流センサ。
【請求項９】
前記磁界感知回路が、ホール効果型感知要素または磁気抵抗型感知要素の１つから選択された感知要素を有する磁界変換器を含む、請求項１に記載の電流センサ。
【請求項１０】
前記相互接続による前記ダイと前記第２のリードフレーム部分の前記結合が、フリップチップアセンブリを含む、請求項１に記載の電流センサ。
【請求項１１】
前記相互接続が、前記ダイの表面上に形成されたはんだめっき付き銅ピラーを含む、請求項１０に記載の電流センサ。
【請求項１２】
前記相互接続による前記ダイと前記第２のリードフレーム部分の前記結合がダイアップアセンブリを含み、前記相互接続がワイアボンドを含む、請求項１に記載の電流センサデバイス。
【請求項１３】
前記第１の絶縁層と第２の絶縁層のそれぞれの前記厚さが、ＵＬ６０９５０−１下の５００ＶＲＭＳの最小動作電圧定格を満たすのに十分な厚さである、請求項１に記載の電流センサ。
【請求項１４】
前記絶縁構造が、前記電流導体の少なくとも一部分を覆い、前記成形プラスチック材料が単層の絶縁としてＵＬ６０９５０−１下の強化絶縁定格を実現するのに必要な距離だけ、前記部分の周辺部を越えて横方向に延びる、請求項１に記載の電流センサ。
【請求項１５】
前記プラスチック材料が、ＵＬ６０９５０−１下でグループＩＩの材料として区分される成形化合物を含む、請求項１に記載の電流センサ。
【請求項１６】
前記パッケージ本体が、ＵＬ６０９５０−１下のクリーページおよびクリアランス要件を満たすように寸法設定される、請求項１に記載の電流センサ。
【請求項１７】
前記第１の絶縁層が、前記電流導体の上面および前記第２の絶縁層に接触する、請求項１に記載の電流センサ。
【請求項１８】
前記電流導体が、湾曲した周辺部分を有し、前記絶縁構造が、実質上半円形の形状を有し、すべての公差を含めて最小０．４ｍｍの張出し寸法だけ前記電流導体の前記湾曲した周辺部分を越えて横方向に延びる湾曲部分を有する、請求項１に記載の電流センサ。
【請求項１９】
前記第１の絶縁層と第２の絶縁層がそれぞれ、ポリイミド膜層および接着剤層を含むテープを含む、請求項１８に記載の電流センサ。
【請求項２０】
前記ポリイミド膜層が、少なくとも２５ミクロンの厚さを有する、請求項１９に記載の電流センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、磁界感知要素および電流導体を含む集積回路（ＩＣ）電流センサに関し、より詳細には、そのような電流センサのための安全絶縁手法に関する。
【背景技術】
【０００２】
安全絶縁（safety isolation）は、潜在的に危険な電圧レベルにユーザを露出させる可能性のあるどのような電気製品の設計においても重要な問題である。そのような製品の製造業者は、自身の製品が感電から十分に保護されるように確実に設計する必要がある。
【０００３】
あらゆる安全絶縁方式において、１次回路と２次回路との間に保護絶縁障壁を設けるには、特定の量の絶縁が必要とされる。１次回路とは線間電圧に直接接続された回路であり、したがって、危険な電圧レベルに到達する潜在性を有することは明らかである。２次回路は、１次回路には電気的に接続されない（すなわち、２次回路と１次回路との間には導電接続が存在しない）が、絶縁が破壊された場合は危険な電圧レベルを受ける可能性もある。
【０００４】
Ｕｎｄｅｒｗｒｉｔｅｒｓ  Ｌａｂｏｒａｔｏｒｉｅｓ  Ｉｎｃ．（ＵＬ）は、感電による負傷のリスクを防止するための高レベルの安全絶縁を指定するＵＬ６０９５０−１（第２版）と呼ばれる安全規格を開発した。ＵＬ６０９５０−１規格は、国際電気標準会議（ＩＥＣ）規格のＩＥＣ６０９５０−１（第２版）に基づくものである。ＵＬ６０９５０−１規格は、５種類の絶縁、すなわち機能絶縁、基礎絶縁、補助絶縁、２重絶縁、および強化絶縁について規定している。機能絶縁は、感電を防止しない。基礎絶縁は、感電からの基礎的な保護を提供する単一レベルの絶縁である。補助絶縁は、基礎絶縁が破壊された場合に感電のリスクを低減させるために基礎絶縁に加えて適用できる独立した絶縁である。２重絶縁は、基礎絶縁と補助絶縁の両方を含む。したがって、基礎絶縁が１次回路と２次回路との間に単一の絶縁障壁層を提供するのに対して、２重絶縁は１次回路と２次回路との間に２つの絶縁障壁層を提供する。強化絶縁とは、２重絶縁に同等の感電防止を提供する単一の絶縁システムである。
【０００５】
２次回路にユーザがアクセスできない場合、基礎レベルの絶縁保護、すなわち基礎絶縁を許容できることがある。他方では、ユーザがアクセスできる２次回路を含む製品に対する安全上の必要により、２重絶縁によって提供される２つのレベルの保護、または強化絶縁における同等の保護が求められる。
【０００６】
ＵＬ６０９５０−１規格は、情報技術機器での使用を目的とするものであるが、多くの他の製品で採用されており、ガルバニック絶縁を必要とする製品設計に対する主要な標準と見なされている。ガルバニック絶縁を必要とする１つの製品は、電流センサである。いくつかの電流センサは、電流導体に近接して磁界変換器（たとえば、ホール効果型または磁気抵抗型の変換器）を使用する。磁界変換器は、電流導体を流れる電流によって引き起こされる磁界に比例する大きさを有する出力信号を生成する。
【０００７】
磁界変換器は、電流導体も含むＩＣパッケージ内の集積回路（ＩＣ）として設けられることがある。このタイプの例示的な電流センサは、本出願の譲受人であるＷｏｒｃｅｓｔｅｒ，ＭＡ０１６１５のＡｌｌｅｇｒｏ  ＭｉｃｒｏＳｙｓｔｅｍｓ，Ｉｎｃ．によって部品番号ＡＣＳ７１２およびＡＣＳ７５８ｘＣＢで販売されている。
【０００８】
様々なパラメータが、感度を含むそのような電流センサの性能を特徴付ける。感度は、感知した電流に応答して磁界変換器からの出力電圧が変化する大きさに関係する。電流センサの感度は、様々な要因に関係する。１つの重要な要因は、磁界変換器と電流導体との間の物理的な離隔距離である。電流導体をＩＣパッケージ内に集積することで、磁界変換器に対して電流導体を密接かつ精密に位置決めすることが可能になる。
【０００９】
現在、２重絶縁または強化絶縁に対するより厳しい要件を満たすために、そのような集積回路電流センサを使用する応用例は、電流センサのパッケージアセンブリによって提供される基礎絶縁、たとえば成形プラスチックまたは他の絶縁と、別個の光アイソレータまたは類似のデバイスの使用によって提供される外部の補助的なレベルの絶縁とを組み合わせることに依拠する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
磁界変換器を有する電流センサの強化絶縁を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
一般に、一態様では、本発明は電流センサを対象とする。電流センサは、１次電流を運搬するための電流導体を形成するように接続された電流リードを含む第１の部分と、信号リードを含む第２の部分とを有するリードフレーム含む。電流センサは、相互接続によって第２のリードフレーム部分に結合されたダイをさらに含む。ダイは、１次電流に関連する磁界を感知し、感知した磁界に基づいて信号リードの１つで出力を生成する磁界感知回路を提供する。また、電流センサ内には、絶縁構造およびプラスチック材料が含まれる。絶縁構造は、電流導体とダイとの間に配置され、第１の絶縁層および第２の絶縁層を含む。プラスチック材料は、ダイ、相互接続、およびリードフレームの少なくとも一部分を取り囲み、成形パッケージ本体を形成する。絶縁構造は、プラスチック材料が強化絶縁を提供するように寸法設定される。
【００１２】
本発明の実施形態は、以下の特徴の１つまたは複数を含むことができる。第１の絶縁層と第２の絶縁層はそれぞれ、ポリイミド膜を含むことができる。第１の絶縁層と第２の絶縁層はそれぞれ、接着剤層をさらに含むことができる。ポリイミド膜および接着剤層は、テープ内に設けることができる。テープは、約４０ミクロンの厚さを有することができる。ポリイミド膜は、約２５ミクロンの厚さを有することができる。ポリイミド膜は、少なくとも７０００ｋＶの絶縁電圧に耐えることが可能な絶縁特性および厚さを有することができる。第１の絶縁層と第２の絶縁層は、実質上等しい厚さとすることができる。磁界感知回路は、ホール効果型感知要素または磁気抵抗型感知要素の１つから選択された感知要素を有する磁界変換器を含むことができる。相互接続によるダイと第２のリードフレーム部分の結合は、フリップチップアセンブリを含むことができる。相互接続は、ダイの表面上に形成されたはんだめっき付き銅ピラーを含むことができる。別法として、相互接続によるダイと第２のリードフレーム部分の結合は、ダイアップアセンブリ（die-up assembly）を含むことができ、相互接続はワイアボンドを含む。第１の絶縁層と第２の絶縁層のそれぞれの厚さは、ＵＬ６０９５０−１下の５００ＶＲＭＳの最小動作電圧定格（minimum working voltage rating）を満たすのに十分な厚さとすることができる。絶縁構造は、電流導体の少なくとも一部分を覆うことができ、成形プラスチック材料が単層の絶縁としてＵＬ６０９５０−１下の強化絶縁定格を実現するのに必要な距離だけ、その部分の周辺部を越えて横方向に延びることができる。プラスチック材料は、ＵＬ６０９５０−１下でグループＩＩの材料として区分される成形化合物（molding compound）を含むことができる。パッケージ本体は、ＵＬ６０９５０−１下のクリーページおよびクリアランス要件を満たすように寸法設定することができる。第１の絶縁層は、電流導体の上面および第２の絶縁層に接触することができる。電流導体は、湾曲した周辺部分を有することができ、絶縁構造は、実質上半円形の形状を有することができ、すべての公差を含めて最小０．４ｍｍの張出し寸法だけ電流導体の湾曲した周辺部分を越えて横方向に延びる湾曲部分を有する。第１の絶縁層と第２の絶縁層はそれぞれ、ポリイミド膜層および接着剤層を含むテープを含むことができる。ポリイミド膜層は、少なくとも２５ミクロンの厚さを有することができる。
【００１３】
本発明の上記の特徴、ならびに本発明自体は、以下の図面の詳細な説明から理解することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１Ａ】電流感知構成内の外部電流導体に結合された一体型の電流路を有する従来技術の電流センサの斜視図である。
【図１Ｂ】図１Ａの電流センサの部分横断面図である。
【図２】図１Ａ〜１Ｂに示すタイプの電流センサを用いて、電流センサパッケージと光アイソレータとを組み合わせて利用し、この応用例に対する２重絶縁を実現する、従来技術の電流感知応用例の回路図である。
【図３Ａ】強化絶縁のための絶縁構造を含む一体型の電流路を有する電流センサの例示的な構造を示す図である。
【図３Ｂ】強化絶縁のための絶縁構造を含む一体型の電流路を有する電流センサの例示的な構造を示す図である。
【図３Ｃ】強化絶縁のための絶縁構造を含む一体型の電流路を有する電流センサの例示的な構造を示す図である。
【図４Ａ】強化絶縁のための絶縁構造を含む一体型の電流路を有する電流センサの代替の例示的な構造を示す図である。
【図４Ｂ】強化絶縁のための絶縁構造を含む一体型の電流路を有する電流センサの代替の例示的な構造を示す図である。
【図４Ｃ】強化絶縁のための絶縁構造を含む一体型の電流路を有する電流センサの代替の例示的な構造を示す図である。
【図５】１つの例示的な実施形態による図３Ａ〜３Ｃおよび図４Ａ〜４Ｃの絶縁構造の横断面図である。
【図６Ａ】クリーページおよびクリアランスに関係する寸法を有する電流センサパッケージ（図３Ａ〜３Ｃおよび図４Ａ〜４Ｃの電流センサ向け）の平面図である。
【図６Ｂ】クリーページおよびクリアランスに関係する寸法を有する電流センサパッケージ（図３Ａ〜３Ｃおよび図４Ａ〜４Ｃの電流センサ向け）の平面図である。
【図７Ａ】図６Ａおよび図６Ｂに示す電流センサパッケージで異なるクリーページ仕様を実現する例示的な中実のプリント回路基板（ＰＣＢ）レイアウト（図７Ａ）の平面図である。
【図７Ｂ】図６Ａおよび図６Ｂに示す電流センサパッケージで異なるクリーページ仕様を実現するスロット付きのＰＣＢレイアウト（図７Ｂ）の平面図である。
【図８】図３Ａ〜３Ｃおよび図４Ａ〜４Ｃに示すタイプの電流センサに対する簡略化された例示的な機能ブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
強化絶縁向けのＵｎｄｅｒｗｒｉｔｅｒｓ  Ｌａｂｏｒａｔｏｒｉｅｓ  Ｉｎｃ．（ＵＬ）規格ＵＬ６０９５０−１、第２版（以下、「ＵＬ６０９５０−１」または「規格」）の要件に準拠している内部の絶縁体または絶縁構造を有する電流センサについて、本明細書に提示する。電流センサ設計の実施形態では、後述するように、最大５００ＶＲＭＳの動作電圧に対して最小の実装面積、たとえば表面実装スモールアウトライン集積回路（ＳＯＩＣ）パッケージを有する単一のパッケージシステム内で強化絶縁を実現することができる。
【００１６】
電流センサおよびその絶縁構造の詳細について説明する前に、いくつかの規格の仕様用語、絶縁要件、および試験手順について説明することが有用であろう。
【００１７】
第１に、規格では、４つのタイプまたはレベルの絶縁障壁保護、すなわち基礎絶縁、補助絶縁、２重絶縁、および強化絶縁について説明する。これらの用語の定義は、規格の第１．２．９項に提供されており、背景技術で上述した。
【００１８】
規格では、基礎絶縁向けの絶縁の最小の厚さを指定していない。しかし、絶縁を規格下の補助絶縁または強化絶縁であると見なす場合、絶縁は０．４ｍｍという最小の厚さを有していなければならない。補助および強化絶縁では、少なくとも２つのそのような材料層が使用される場合、その厚さにかかわらず、薄いシート材料、たとえば「薄膜」材料の形式の絶縁を使用することができる。薄いシート材料に対する要件は、規格の第２．１０．５項に論じられている。
【００１９】
重要な他の用語は、特定の構成要素またはパッケージの絶縁電圧に関する。規格の第１項にすべて定義されている「動作電圧」、「ＲＭＳ動作電圧」、「ピーク動作電圧」、および「必要耐電圧（required withstand voltage）」という用語について、簡単に論じることとする。
【００２０】
「動作電圧」という用語は、電流センサなどのデバイスが正常な使用下で動作しているときに当該の絶縁が受ける可能性のある最も高い電圧レベルを指す。通常、動作電圧は線間電圧であり、国ごとに変動する。たとえば、動作電圧は、位相−中性の応用例では、米国で約１２０ＶＲＭＳ、欧州で約２４０ＶＲＭＳであり、または線間の応用例では、米国で約２４０ＶＲＭＳ、欧州で約４８０ＶＲＭＳである。デバイスは、特定の動作電圧定格を実現するために、規格に概説されている特定の試験に合格しなければならない。非常に有用な動作電圧定格は５００ＶＲＭＳである。５００ＶＲＭＳの動作電圧定格で認証されたデバイスは、世界中の多くの応用例で使用することができる。
【００２１】
「ＲＭＳ動作電圧」という用語は、あらゆるＤＣ成分を含む動作電圧のＲＭＳ値を指し、「動作電圧」と区別なく使用されることが多い。
【００２２】
「ピーク動作電圧」という用語は、デバイスによって生成されるあらゆるＤＣ成分またはあらゆる繰返しピークインパルスを含む動作電圧のピーク値を指す。この電圧は、ピークまたはＤＣ電圧として指定されることが多い。デバイスが１２０ＶＲＭＳに耐えなければならない場合、ピーク動作電圧は、１．４１４＊１２０ＶＲＭＳ、すなわち１７０ＶＰｅａｋになるはずである。デバイスは、定格が１７０ＶＰｅａｋである場合、１７０ＶＤＣで動作することができる。
【００２３】
「必要耐電圧」という用語は、当該の絶縁が耐える必要のあるピーク電圧を指す。この電圧は、絶縁電圧としても知られている。必要耐電圧は、デバイスが規格の試験要件に準拠して実現する動作電圧定格を判定するため、非常に重要である。通常、必要耐電圧ははるかに高く、たとえば３０００〜４８００ＶＲＭＳの範囲内である。デバイスは、連続してこの電圧で動作する必要はない。デバイスは、６０秒間だけこの電圧に耐えればよい。
【００２４】
規格に記載されている手順による試験では、デバイスの動作電圧、したがってデバイスに印加できる線間電圧が判定される。たとえば、電流センサは、動作電圧定格を達成することができ、それによって、どのように構築されているか、および規格の要件に関してどれだけうまく機能するかに応じて、特定の線間電圧、たとえば１２０、２４０、または４８０ＶＲＭＳの線間電圧に確実に接続することができる。
【００２５】
一体型の電流導体および磁界変換器を有する電流センサは、１次導体（すなわち、外部電流導体を介して高い線間電圧に接続されたリードを有する電流導体）と、１次導体に近接する２次導体（すなわち、より低い電圧感知回路および信号ピン）とを有する。デバイスの１次導体が線間電圧（たとえば、１２０、２４０、または４８０ＶＲＭＳ）に接続された応用例では、１次導体と２次導体との間でガルバニック絶縁を維持することが重要である。
【００２６】
いくつかの従来のホール効果型電流センサは、電流導体（上記のように、線間電圧に接続され、１次導体または回路と見なすことができる）と、デバイスのうち、構築された状態で１次導体から電気的に独立した他の導電部品（たとえば、２次導体または回路と見なすことができる感知回路、相互接続、および信号ピン）との間で、ガルバニック絶縁、さらに基礎絶縁を提供するように設計される。そのような構造の一例を図１Ａ〜１Ｂに示す。
【００２７】
図１Ａを参照すると、例示的な電流感知構成１０は、電流導体１４に結合された電流センサ１２を含む。電流導体は、たとえば、図示のように、プリント回路基板（ＰＣＢ）トレースもしくは層または母線とすることができる。電流は、電流導体１４によって提供される外部の電流路を通って電流センサ１２に出入りする。この図は、「ファントム」図、すなわち電流センサ１２の内部構造を明らかにする図を提供する。この図に見られるように、電流センサ１２はリードフレーム１６を含み、リードフレーム１６は、内部の電流路または導体として働き、１次電流リード１８を含む第１の部分１６ａと、信号リード２０を含む第２のリードフレーム部分１６ｂとを有する。一体型の電流導体１６ａは、線間電圧に接続される（外部導体１４を介して）。したがって、一体型の電流導体１６ａは１次回路の一部であり、１次導体と呼ぶことができる。電流センサ１２はまた、集積回路（ＩＣ）ダイ２１を含み、ダイ２１内には、少なくとも１つの磁界変換器または感知要素２２、たとえばホール効果要素と、磁界センサのインターフェース回路（図示せず）とが設けられる。ダイ２１は、感知要素２２が内部電流導体１６ａの近傍に位置し、電流導体１６ａの一部がダイ２１の下に位置するように、リードフレーム１６の上に配置される。その部分は、電流導体１６ａを流れる電流が変換器２２付近を通るような形状である。ダイ２１は、第２のリードフレーム部分１６ｂに取り付けられ、または結合される。ダイおよびリードフレームの一部分は、プラスチック材料２４内にカプセル化される。それぞれはんだパッド２８ａおよびはんだパッド２８ｂを介して、一体型の電流導体リード１８は電流導体１４に結合され、信号リード２０はＰＣＢ信号線２６に結合される。
【００２８】
図示のパッケージ形式は、ＳＯＩＣである。本明細書では、単一のパッケージ、たとえばＳＯＩＣなどの表面実装ＩＣパッケージ内にともにパッケージングされた一体型の電流導体およびセンサダイ（ダイ２１など）を有する電流センサを、ＩＣ電流センサ、または単に電流センサと呼ぶ。
【００２９】
電流感知構成では、電流センサ１２によって測定される「Ｉｓｅｎｓｅ」と呼ばれる電流が、電流導体１４に印加される。この電流は、電流導体を通って、リード１８のうち、入力ピン（並列に電気的に結合されたところを示す）として使用されるリードへ流れ、ループ部分を通って、リード１８のうち、出力ピン（図示のように、同じく並列に電気的に結合される）として使用されるリードから出る。Ｉｓｅｎｓｅ電流は、デバイスの１次側で電流センサ１２に出入りし、「１次電流」と呼ばれる。
【００３０】
図１Ｂは、電流センサ１２の一部分の横断面図を示す。この横断面図は、磁界変換器２２の断面であり、デバイスの１次側から見たものである。この図に見られるように、ダイ２１は電流導体１６ａの上に位置決めされているが、電流導体１６ａに接触していない。また、変換器２２、ならびに内部電流導体１６ａのうち、変換器２２付近を通る（変換器２２によって感知される）部分も示されている。１次電流が電流導体１６ａを流れることによって生成される磁界に関連する磁束線を、参照番号３０によって示す。
【００３１】
動作の際には、１次電流が電流導体１６ａを流れているとき、変換器２２は、感知した磁界を比例電圧（proportional voltage）に変換する。その電圧に基づく出力が、信号リード２０の１つで利用可能になる。
【００３２】
図１Ａ〜１Ｂの図示の構造では、ダイ２１は、はんだバンプとして示されている相互接続３２を介して、第２のリードフレーム部分１６ｂの信号リード２０に取り付けられる。はんだバンプは、ダイの上面または活性表面、すなわち表面３４上に形成することができる。図示の構成でリードフレームにダイを取り付けるために、ダイ２１は文字どおり「反転」され、その結果、ダイが下向きになり、すなわち、ダイの上面３４は下向きになる（この例では電流導体１６ａの方向を向く）。相互接続（たとえば、図示のようにリードフレーム、または基板、回路基板などに対する）のためにダイが下向きになるこのタイプの構成は、「フリップチップ」アセンブリまたは構成として知られている。相互接続３２は、ダイ上に形成されたはんだバンプ、またははんだめっき（もしくはキャップ）付き銅ピラーなどの他のタイプの構造とすることができる。ダイが反転されたとき、バンプはリードフレーム上の箇所で停止する。相互接続は、リードフレーム上へ配置（ダイを反転させる前に）されたはんだバンプまたはペーストの形式で設けることもできる。組立て処理中、バンプ（またはダイ構造）とリードフレームとの間に接合部が形成される。ダイ２１、リードフレーム信号リード２０、および相互接続（たとえば、はんだバンプ）３２は、線間電圧に接続されず、１次回路／導体（すなわち、電流導体１６ａ）から電気的に独立しているとき、ともに２次回路または導体を形成する。ダイ、信号リード、および相互接続上の点はすべて、電流センサの２次接点、接続、または導電部品と見なすことができ、そのように呼ぶことができる。
【００３３】
図１Ａおよび１Ｂの電流センサ設計では、フリップチップアセンブリ内でダイ（２次導体）と電流導体１６ａ（１次導体）との間に生じる空間または「スタンドオフ」は、絶縁特性を有する移送成形プラスチック、すなわちプラスチック材料２４で充填される。したがって、このタイプの電流センサ構造は、ガルバニック（１次から２次）絶縁を有し、プラスチック材料は、基礎絶縁として働く。
【００３４】
プラスチック材料の絶縁特性により、絶縁障壁が壊れて破壊されるまでにどれだけの電圧を１次電流リード１８に印加できるかが決まる。通常、デバイスの１次側で電圧が高いと、絶縁から樹枝状晶が成長し、その結果、線間電圧から２次側へ抵抗の低い経路が形成される。いくつかの応用例では、センサの２次信号リードは、絶縁特性を持たないユーザアクセス可能な回路、たとえばマイクロプロセッサに接続され、したがってユーザは、このタイプの障害機構が生じたときに感電による危害を受けるリスクに露出される。そのような応用例では、第２の補助的な絶縁層または絶縁レベルの形式で、２重化された保護レベルが必要とされる。
【００３５】
図示の電流センサ１２は、ダイと電流導体との間の絶縁のためにプラスチック材料のみを有するが、いくつかの従来の電流センサは、ダイと電流導体との間でアンダーフィル材料層を用い、または絶縁テープを有することに留意されたい。そのようなデバイスの例は、米国特許第６，３５６，０６８号および米国特許第７，０７５，２８７号に記載されている（後者は、本出願の譲受人であるＡｌｌｅｇｒｏ  ＭｉｃｒｏＳｙｓｔｅｍｓ，Ｉｎｃ．に譲渡されている）。そのような設計（図１Ａ〜１Ｂに示すものを含む）では、基礎レベルを超える絶縁は実現されない。
【００３６】
図２を参照すると、電流センサ１２を用いて２つの絶縁レベルを有する応用回路４０の一例が示されている。電流センサ１２は、線間電圧源４２（１２０〜４８０ＶＲＭＳの範囲内の線間電圧を提供する）および負荷４４と直列に接続される。１次電流は、図１Ａ〜１Ｂに示す電流センサ１２（すなわち、一体型の電流導体）を流れ、負荷４４に電力供給し、次いで中性線に戻る。ＰＣＢ信号リード線２６（電流センサ１２の信号リードに結合される）はそれぞれ、光アイソレータ４６を通って送出されており、その結果、ユーザは、光アイソレータ４６の絶縁側４６ａに接続された回路（図示せず）に安全にアクセスすることができる。ここで光アイソレータ４６は、誘電体障壁によって絶縁された発光ダイオードおよびフォトトランジスタを含むものとして概略的に表されている。
【００３７】
基礎絶縁によって提供される安全保護は、２次回路と１次回路がパッケージの成形材料を通じて互いから絶縁されるとき（または、単一のテープもしくはポリイミド層などの基礎絶縁層が使用され、次いで任意の２次接点でこれらの２つの絶縁体の１つを通る場合）、２次リードで利用可能である。光アイソレータ４６などの光アイソレータ（または他の絶縁構成要素）が、第２の絶縁または補助絶縁として電流センサの信号リードに接続された場合、２重絶縁設計が実現される。単一のシステムで２重絶縁の保護を提供することができ、図２の回路４０を単一のシステムと見ることができることに留意されたい。
【００３８】
本発明によれば、以下で詳細に説明するように、強化絶縁のための規格の要件を満たすように構築された絶縁体を集積回路電流センサ内へ組み込むことによって、単一の一体型パッケージ内で、ある程度の強化絶縁を実現することができる。そのような絶縁体をＩＣ電流センサ内に含むと、外部の補助絶縁、たとえば光アイソレータ（図２に示す）のような高価な外部構成要素を基板レベルの設計から排除することができることが有利である。
【００３９】
一体型の電流導体を有し、強化絶縁のための絶縁構造をさらに含む電流センサについて、次に説明する。絶縁構造は、異なるタイプの完全に一体型の電流センサアセンブリに適用することができる。たとえば、図３Ａ〜３Ｃに示すように、絶縁構造は、フリップチップアセンブリ（図１Ａ〜１Ｂを参照して前述した）とともに使用することができる。別の例として、図４Ａ〜４Ｃに示すように、絶縁構造は、「ダイアップ」アセンブリとともに使用することができる。
【００４０】
図３Ａ〜３Ｃをまず参照すると、フリップチップアセンブリを有するＳＯＩＣパッケージ内の電流センサ５０が示されている。図３Ａおよび図３Ｂは「ファントム」平面図を示し、図３Ｃは電流センサ５０の一部分の横断側面図である。図３Ａに見られるように、電流センサ５０は、第１の部分５２ａおよび第２の部分５２ｂを含むリードフレーム５２を有する。第１の部分５２ａは、１次電流リードまたはピン５４を有する電流導体を提供し、第２の部分５２ｂは信号リード５６を提供し、信号リード５６の外部部分は、対応する信号リードまたはピン５６ａとして示されている。１次電流リード５４のいくつかは入力電流リードであり、他のリードは１次電流出力リードである。電流センサ５０は、磁界変換器６０を有する磁界感知回路（および図示されていない回路）を含むダイ５８を含む。磁界感知回路は集積回路である。電流導体５２ａ内の１次電流によって生成される磁界に関連する磁束線を、参照番号６１によって示す。ダイ５８は反転されており（上面または活性表面６２が下向きである）、ここでははんだめっき付き銅ピラーとして示す相互接続６３を通じて、リードフレームの第２の部分５２ｂ、すなわち内部信号リード５６に接触する。はんだめっき付き銅ピラーの代わりに、他の適したタイプのバンプまたは同様の構造を使用することもできる。
【００４１】
ダイと電流導体５２ａとの間には、絶縁構造６４が配置される。１つの可能な組立て技法によれば、絶縁構造６４は、絶縁被覆された電流導体の上に配置された電流導体５２ａおよびＩＣダイ５８に接して形成することができ、または電流導体５２ａおよびＩＣダイ５８に付着させることができる。絶縁構造６４は、２つの絶縁材料層、すなわち第１の層６６ａおよび第２の層６６ｂによって形成される。各層は、薄いシート材料、たとえばポリイミドもしくはヘンゾシクロブテン（ＢＣＢ）などの有機ポリマー、または二酸化ケイ素のような酸化物絶縁材料を含む（そのような材料を２つの層内に提供できる場合）。２重層構造は、単一のパッケージ内に基礎絶縁層および補助絶縁層、または強化絶縁を提供する。これらの２つの層は、分離可能でも分離可能でなくてもよい。各層は、必要耐電圧で高電圧の「タイプ」の試験に合格できなければならない。これらの層が分離可能でない層である場合、２層絶縁は２００％の必要耐電圧で試験される。これらの層が分離可能である場合、各絶縁層は１００％の必要耐電圧で試験することができる。材料および／または厚さに関しては、これらの層は同じであっても異なるものであってもよい。たとえば、１つの例示的な実施形態によれば、図５を参照して後述するように、両方の層に絶縁テープを使用することができる。
【００４２】
リードフレーム、絶縁構造、およびダイアセンブリは、外部リード（信号ピン５６ａおよび電流ピン５４）を除いて、プラスチック材料６８内にカプセル化される。例示のみを目的として、パッケージは、２０ピンＳＯＩＣとして示されている（１０本のピンが１次電流ピンとして使用され、１０本のピンが２次信号ピンとして使用される）。簡略化して分かりやすくするために、図３Ｂおよび図３Ｃ（ならびに後述する図４Ｂおよび図４Ｃ）の図からプラスチック材料６８を省略した。
【００４３】
図３Ａに示す図では、パッケージが完全に一体型であることを見ることができる。１次電流は、パッケージの左側または右側の５つのリードに入り、電流導体を進み、他の５つのリードから出る。この構造では、上面図（図３Ａ〜３Ｂ）から、２重層絶縁構造は半円形状を有するが、この形状は、下にある電流導体（リードフレーム）の形状とともに変動させることができる。
【００４４】
前述のように、強化絶縁には、単一の絶縁層を通る１次導体と２次導体との間のあらゆる経路を最小０．４ｍｍにする必要がある。この０．４ｍｍという要件は、単一の絶縁層（前述のように最小の厚さ要件のない薄いシート絶縁層ではない）に当てはまり、パッケージのプラスチック成形化合物は単一の絶縁層と見なされる。図３Ｂ〜３Ｃは、絶縁構造６４を使用して１次導体から２次導体まで成形プラスチックを通って少なくとも０．４ｍｍの経路を生成できることを示す。この最小０．４ｍｍの経路は、絶縁構造６４を１次導体から最小０．４ｍｍだけ張り出させることによって実現される。この「張出し」寸法を、参照番号７０によって示す。その結果、ダイ、はんだめっき付き銅ピラー、または信号リードを含めて、０．４ｍｍ未満のプラスチックを通る１次導体上の点から２次点への経路は存在しない。
【００４５】
第２の実施形態では、図４Ａ〜４Ｃを次に参照すると、電流センサ５０’として示されているダイアップアセンブリ版の電流センサもまた、図３Ａ〜３Ｃに示す絶縁構造６４の特定の特徴、すなわち２重の薄いシート絶縁層および０．４ｍｍの張出し（１次導体に対する）を有する絶縁構造を組み込むように構築することができる。図３Ａ〜３Ｃの電流センサ５０と同様に、電流センサ５０’もＳＯＩＣパッケージ内の電流センサである。図４Ａ〜４Ｂは平面図であり、図４Ｃは電流センサ５０’の一部分の横断側面図である。図４Ａに見られるように、電流センサ５０’は、第１の部分５２ａ’および第２の部分５２ｂ’を含むリードフレーム５２’を有する。第１の部分５２ａ’は、１次電流リードまたはピン５４’を有する電流導体を提供し、第２の部分５２ｂ’は信号リード５６’を提供し、信号リード５６’の外部部分は、対応する信号リードまたはピン５６ａ’として示されている。１次電流リード５４’のいくつかは入力電流リードであり、他のリードは１次電流出力リードである。電流センサ５０’は、磁界変換器６０を有する磁界感知回路または集積回路（および図示されていない回路）を含むダイ５８’を含む。この実装形態のダイアップ構成では、ダイ５８’と２次信号リード５６ａ’との間の接点は、従来の半導体の金ワイアボンド７２で作られる。ダイ５８’は上向きであり、すなわち上面または活性表面６２が上向きである。ダイ５８’と電流導体５２ａ’との間には、絶縁構造６４’が配置される。図３Ａ〜３Ｃからの絶縁構造６４と同様に、絶縁構造６４’は、２つの絶縁性の薄いシート材料層、すなわち第１の層６６ａ’および第２の層６６ｂ’によって形成される。材料の組成および／または厚さに関しては、図５に関してさらに詳細に論じるように、これらの層は同じであっても異なるものであってもよい。リードフレーム、絶縁構造、およびダイアセンブリは、外部リード（信号ピン５６ａ’および電流ピン５４）を除いて、プラスチック成形化合物６８’内にカプセル化される。
【００４６】
図３Ａ〜３Ｃからの絶縁構造６４と同様に、絶縁構造６４’は、１次導体５２ａ’を越えて延びる張出し部分を含むように寸法設定され、絶縁構造６４’を使用して、１次導体から２次導体まで成形プラスチックを通って距離が少なくとも０．４ｍｍの経路を生成する。したがって、ダイ、ボンドワイア、および信号リードを含めて、０．４ｍｍ未満のプラスチックを通る１次導体５２ａ’上の点から２次点への経路は存在しない。
【００４７】
絶縁構造の全体的な寸法および形状は、下にある電流導体の寸法／形状とともに変動する。重要な１つの寸法は０．４ｍｍの張出し寸法であり、これは構造が電流導体を越えて延びる量である。張出しの量は、製造処理におけるあらゆる欠陥または固有の変動性を考慮に入れるために、特定の実際上の限度、たとえば±０．１５ｍｍの公差の範囲内で変動させることができる。０．４ｍｍの寸法は、あらゆる公差を含む必要最小限の値である。したがって、張出しはより大きくすることもできるが、公差を考慮した後は少なくとも０．４ｍｍとしなければならない。最小でも、絶縁構造６４または６４’は、電流導体のうち、少なくともダイの下に位置する部分を覆うような寸法および形状としなければならない。図示の構造ではどちらも、絶縁構造のその部分は半円形状を有する。絶縁構造の湾曲した周辺部は、電流導体の対応する湾曲した周辺部を少なくとも０．４ｍｍだけ越えて延びる（上記のように、公差を考慮した後）。図示の例に示すように、半円形状の湾曲部分は、０．４ｍｍの要件を十分に満たすため、電流導体のうち、ダイの下に位置しない追加の部分を覆うようにやや細長くすることもできる。
【００４８】
ＩＣ電流センサの性能は磁界生成源と磁界変換器との間の物理的な分離に応じて決まるため、この設計ではダイと電流導体との間で２重の絶縁層を使用することが重要である。前述のように、ダイ（より具体的には磁界変換器）と電流導体との間の間隔が小さければ小さいほど、信号結合はより最適になる。この領域内で単一の絶縁層が使用された場合、０．４ｍｍの要件を満たす必要があり、ダイを電流導体から絶縁する距離を０．４ｍｍにした結果、電流導体と変換器との間の信号結合が極めて不十分になるはずである。同時に、張出し部分を有する構造の形状／寸法により、パッケージのうち、保護絶縁に関して単一のパッケージ本体プラスチック層のみに依拠する領域において、０．４ｍｍの要件への準拠が保証される。したがって、１次および２次導電部品または部分間で、２つの部品間が近接していることが重要である２重絶縁を満たすように設計された厚さおよび組成と、他のすべての１次および２次導電部品または部分間で絶縁の距離が確実に少なくとも０．４０ｍｍになるような面積（寸法）とを有するように寸法設定された１つの構造により、強化絶縁に対する規格下の構造要件が満たされる。
【００４９】
例示のみを目的として、フリップチップアセンブリとダイアップアセンブリの両方において、パッケージは、２０ピンＳＯＩＣとして示されている（１０本のピンが１次電流ピンとして使用され、１０本のピンが２次信号ピンとして使用される）。ダイ寸法は、フリップチップ設計（図３Ｂ）に対して３．７ｍｍ×１．９ｍｍとして、またダイアップ設計（図４Ｂ）に対して１．９ｍｍ×１．９ｍｍとして示されている。異なるピン数および異なるダイ寸法を有する他のパッケージ寸法を使用することもできる。
【００５０】
フリップチップ設計（図３Ａ〜３Ｃ）の１つの大きな利点は、ダイの活性表面上に位置する磁界変換器が、１次導体のさらに近くに位置決めされることである。変換器を１次導体に近づけることで、磁界信号結合が増大し、したがって信号対雑音比がより高くなり、ならびにセンサの分解能および精度が改善される。フリップチップ設計の欠点は、ダイアップ設計よりダイ寸法が大きく、最小寸法も大きいことである。フリップチップアセンブリでは、２次リードに一致するとともに、ダイへの２次接点と１次導体との間で最小距離を提供するのに十分なほどダイを大きくする必要がある。ダイ面積を増大させると、ダイコストも増大し、したがって全体的なセンサコストが増大する。また、図３Ａ〜３Ｂおよび図４Ａ〜４Ｂを精査すると、図３Ａ〜３Ｃのフリップチップ設計では１次導体の１次導体ループ部分がより狭くなっている（幅に関して）ことが明らかである。１次導体が狭くなると抵抗がより大きくなり、したがって所与の電流に対するパッケージ内部の電力損失がより大きくなる。図４Ａ〜４Ｃのダイアップ設計では、はるかに広く、したがってより低抵抗の１次導体ループを使用することが可能である。ダイアップ設計はまた、テープがより大きく張り出すことに対応しており、０．４ｍｍが最小要件であるときにもう少し大きい安全余裕を提供する。この張出しがわずかに増大しただけでも、パッケージの絶縁特性が劇的に改善される。
【００５１】
図５は、１つの例示的な実施形態による絶縁構造６４（または６４’）の拡大横断面図を示す。この実施形態では、各層がテープ層として設けられる。第１のテープ層６６ａ（または６６ａ’）は、第１のポリイミド膜層８０ａおよび第１の接着剤層８２ａを含む。第２のテープ層６６ｂ（または６６ｂ’）は、第２のポリイミド膜層８０ｂおよび第２の接着剤層８２ｂを含む。下から上に、これらの層の順序は接着剤層８２ａ（電流導体５２ａに接触している）、ポリイミド膜層８０ａ、接着剤層８２ｂ、およびポリイミド膜層８０ｂである。ダイ５８（または５８’）は、ポリイミド膜層８０ｂに接触している。第１のテープ層６６ａは厚さ「Ｔ，テープ１」８４ａを有し、第２のテープ層６６ｂは厚さ「Ｔ，テープ２」８４ｂを有する。第１のポリイミド膜層８０ａは厚さＴ１８６ａを有し、第２のポリイミド膜層８０ｂは厚さＴ１８６ｂを有する。第１の接着剤層８２ａおよび第２の接着剤層８２ｂは、それぞれ厚さ「Ｔ２」８８ａおよび８８ｂを有する。テープ層の厚さ８４ａおよび８４ｂは、同じ（または実質上同じ）であっても異なるものであってもよい。同様に、１つの層内の接着剤層およびポリイミド膜層の厚さは、他のテープ層内の対応する層と同じであっても異なるものであってもよい。たとえば、Ｔ１８６ａは、Ｔ１８６ｂより小さくすることができる。両方の層に同じタイプのテープを使用することができ、その場合、２つの層の組成および寸法は同じ（または実質上同じ）である。各層は、ポリイミド膜のみを含むこともできる。
【００５２】
テープ層６６ａ、６６ｂのそれぞれに使用できる１つのタイプのテープは、日本のＴｏｍｅｇａｗａ  Ｃｏ．，Ｌｔｄ．から入手可能なＲ  Ｓｅｒｉｅｓの半導体接着テープである。製品番号「Ｒ−７４０」で市販されているこれらのテープの１つは、厚さ２５μｍのポリイミド層および厚さ１５μｍの接着剤層を有する。このテープは、層ごとに特に高いレベルの絶縁を提供する。このテープは、厚さ１ミリメートル当たり約３３０ＫＶの絶縁特性を有する。各ポリイミド膜層は２５ミクロンであり、したがって１次導体と２次導体と間で３３０ＫＶ＊０．０２５、すなわち８．２５ＫＶの絶縁を提供することができる。
【００５３】
テープが薄いシート絶縁層として使用される場合、各層は別個に付着させることができ、すなわち第１の層を電流導体の上面に付着させ、第２の層を第１の層に付着させることができ、またはともに付着させることができる（２重のテープ層を電流導体に付着させる）。フリップチップアセンブリでは、テープを電流導体に付着させるのではなく、ダイに付着させてからリードフレームに取り付けることもできる。別法として、テープ以外の実装形態では、それぞれの薄いシート材料層は、スピン被覆またはスパッタリングなどの従来の堆積処理を使用して、電流導体の上面に堆積させることができ、または他の形で形成することができる。またそのような処理では、絶縁の張出し部分を形成するために、電流導体の側面を被覆する必要があるはずである。
【００５４】
電流センサが強化絶縁のための規格の試験に合格し、５００ＶＲＭＳという高い動作電圧定格を実現するには、単一の各テープ層（または他の薄いシート）が６０秒間にわたって４８００ＶＲＭＳに耐えなければならない。この電圧は、上記で定義した必要耐電圧である。４８００ＶＲＭＳの信号は、約６８００Ｖのピーク電圧を有する。各絶縁層は、この試験に耐えなければならない。したがって、各層は、わずかに薄くまたは厚くすることもできるが、高い信頼性のためには７ＫＶ以上に耐えるのに十分な厚さにしなければならない。２重層を使用することで、上記の強化絶縁定格を実現する補助絶縁が提供される。
【００５５】
プラスチックパッケージ材料は、薄いシート層よりはるかに低い絶縁特性を有するが、それでもなお良好な絶縁障壁を提供する。プラスチックパッケージ材料は、ＵＬ６０９５０−１下で３種類、すなわち材料Ｉ、ＩＩ、およびＩＩＩの１つに分類することができる。絶縁材料は、そのＣＴＩ（比較トラッキング指数）試験結果によって材料グループに区分される。絶縁材料がＣＴＩ試験に通らなかった場合、ＵＬ６０９５０−１では、その材料を材料グループＩＩＩの材料と見なす。材料グループＩＩＩは最も低い区分であり、最も低い動作電圧定格をもたらす。したがって、Ｓｕｍｉｔｏｍｏ  Ｅ６７０Ｃなどの材料グループＩＩに区分された成形化合物を、電流センサ内で使用するために選択することもできる。同様に、他の成形化合物、たとえばＨｅｎｋｅｌ  ＭＧ−５２Ｆも、ＣＴＩ試験に通って材料グループＩＩの区分を実現する場合、選択肢に適しているであろう。材料グループＩＩＩの絶縁材料を用いる設計では５００ＶＲＭＳの動作電圧定格を実現できないことがあるため、材料グループＩＩとして区分されたプラスチックを選択することが重要である。
【００５６】
部品が耐えなければならない６０秒間の高電圧絶縁試験（必要耐電圧）は、タイプ試験と呼ばれる。５００ＶＲＭＳという動作電圧定格を実現するには、電流センサデバイスのすべてが６０秒間にわたって４８００ＶＲＭＳに耐えなければならない。パッケージに４８００ＶＲＭＳを印加すると、いわゆるコロナ電圧、すなわち樹枝状晶が成長し始める電圧を超過し、デバイスの１次導電部品から２次導電部品への障害経路を生成するため、タイプ試験は本質的に破壊的である。規格では、認証されるには、３つのデバイスのサンプルがこのタイプ試験に合格する必要がある。デバイスが合格するレベルは、前述の定格動作電圧に変換される。生産時にすべてのデバイスを品質検査するため、規格では、パッケージの完全性のために高い電圧ではるかに短い１秒の試験を行う必要がある。この試験は、ルーチン試験と呼ばれる。通常、ルーチン試験は、１秒間にわたって３０００ＶＲＭＳで実行され、すべての生産ユニットを試験しなければならない。ルーチン試験もまた破壊的な試験であるが、その持続時間は、パッケージの完全性を著しく劣化させないように十分に短い。
【００５７】
ここまで、絶縁に関する議論は、パッケージ内部の絶縁特性に焦点を当ててきた。次にパッケージの外側に注目すると、電流センサの動作電圧を判定するときには、クリーページおよびクリアランスについても考慮しなければならない。「クリアランス」という用語は、１次および２次リードなどの２つの導電部品間で最も短い空気の距離を指す。「クリーページ」という用語は、２つの導電部品間で両部品に共通の絶縁材料の表面に沿って最も短い距離を指す。所与の動作電圧に耐える必要のある構成要素間の間隔距離は、クリーページおよびクリアランスに関して指定される。
【００５８】
規格下で高い動作電圧定格を得るには、電流センサ５０または５０’のＳＯＩＣパッケージは、規格に指定されている所望の動作電圧に対して必要最小限のクリーページおよびクリアランス距離に準拠しなければならない。クリーページ要件およびクリアランス要件は、それぞれ表２Ｎおよび表２Ｋ〜２Ｍ（規格）に指定されている。高い動作電圧定格に必要な最小のクリアランスはクリーページ要件より小さく、したがってより早く満たされるため、クリアランスについてはこれ以上詳細に論じない。表２Ｎによれば、材料グループＩＩ内の材料を使用して強化絶縁または２重絶縁のための５００ＶのＲＭＳ動作電圧に対する定格を実現するには、７．２ｍｍの最小クリーページを実現しなければならない。パッケージがこの最小値を満たすかどうかを判定する際には、パッケージとＰＣＢ上のパッケージ実装面積の両方を調べなければならない。
【００５９】
図６Ａ〜６Ｂは、電流センサ５０（または５０’）の平面図を示す。これらの図は、電流センサ’のＳＯＩＣパッケージ（この場合も、２０ピンＳＯＩＣとして示す）の外側のみを示す。具体的には、これらの図は、クリーページに関するこの例示的なＳＯＩＣパッケージの物理的な限度を示す。図６Ａに示すように、図示のパッケージは、１２．８ｍｍ±０．２０ｍｍの本体長さ、ならびに１０．３０ｍｍ±０．３３ｍｍのリード先端部からリード先端部までの幅、および７．５ｍｍ±０．１０ｍｍの本体幅を有する。本体幅（プラスチック本体）は、参照番号９０によって示されている。クリーページ距離を判定するには、参照番号９２によって示されているパッケージの一部分を参照すると、１次電流ピンから第２の電流ピンまでプラスチック本体（絶縁）に沿って距離全体を判定する必要がある。図６Ｂは、部分９２の拡大図を示す。クリーページは、空間１００ａおよび１００ｂ（図に０．４８ｍｍとして示す）の寸法を、幅１０２ａおよび１０２ｂ（図に３．６５ｍｍとして示す）の和として判定される本体幅に加算することによって判定される。あらゆるバリ突起（burr protrusion）（図に幅０．２１ｍｍとして示す）は測定から除外されることに留意されたい。したがって、１次側から２次側へパッケージに沿って動くと、８．２６ｍｍのクリーページが得られる。これは、この特定のパッケージが実現できる最も高いクリーページの数値である。したがって、このパッケージは、５００ＶＲＭＳの動作電圧に必要な７．２ｍｍの最小クリーページを容易に満たす。
【００６０】
このパッケージがＰＣＢにはんだ付けされたとき、ＰＣＢはんだパッドは、クリーページ（およびクリアランス）をさらに低減させる。図７Ａを参照すると、図６Ａ〜６Ｂに示す２０ピンＳＯＩＣに対するＰＣＢ機械レイアウト１１０では、中実のＰＣＢ１１４の一部分上で２次ピンに対する標準はんだパッド１１２および１次ピンに対する標準はんだパッド１１３を使用すると、ＰＣＢに沿って１次および２次はんだパッドの間で７．２５ｍｍの距離が得られる。はんだパッド１１２および１１３間のこの距離は、応用例におけるパッケージに対する実際のクリーページである。この距離はそれでもなお必要最小限の７．２ｍｍより大きいが、最小７．２ｍｍに対する安全余裕は大きく低減される。クリーページは、ＰＣＢにスリットを入れてＰＣＢに沿って１次はんだパッドから２次はんだパッドまでの距離を改善することによって、やや改善することができる。そのような解決策が図７Ｂに示されており、図７Ｂは、２次ピンに対するはんだパッド１２２および１次ピンに対するはんだパッド１２４を有し、ＰＣＢ１２６の一部分がスロット１３０を有するＰＣＢ機械レイアウト１２０を示す。スロット１３０の幅は、スロット幅１３２である。この例では、その幅１３２は２．００ｍｍである。１次側はんだパッド１２４からスロット１３０までの距離は、距離または空間１３４である。２次側はんだパッド１２２からスロットまでの距離は、距離または空間１３６である。この例では、これらの距離はどちらも３．３０ｍｍである。したがって、スロット付きのＰＣＢ実装形態に対するｍｍ単位の総クリーページは、（２×３．３０）＋２．００、すなわち８．６０である。これは、スロット付きのＰＣＢを使用することによって、ＰＣＢ上のクリーページを最大８．２６ｍｍの値まで改善することができることを意味する。この手法は、５００ＶＲＭＳの動作の場合、７．２ｍｍの最小値に関して大きな安全余裕を提供する。材料グループＩＩの成形化合物を用いてさらに高い動作電圧定格に対してより大きなクリーページが必要とされる場合、より広い本体パッケージを使用することもできる。ＰＣＢスロット寸法はまた、クリーページの改善を実現するために調整することもできる。
【００６１】
図８は、１つの例示的な実装形態による電流センサ５０（または５０’）の簡略化された機能図である。電流センサ５０は、磁界感知デバイス６０として示されている磁界変換器６０（図３Ａ〜３Ｃ、図４Ａ〜４Ｃから）を含む。磁界感知デバイス６０は、ホール効果型または磁気抵抗型（ＭＲ）の感知要素などの１つまたは複数の感知要素によって形成することができる。これらの感知要素は、ブリッジ回路内で接続することができる。磁界感知デバイス６０は、インターフェース回路１４０に結合される。磁界感知デバイス６０とインターフェース回路１４０はともに、ダイ５８（図３Ａ〜３Ｃ）によって提供される回路を形成し、この回路は磁界感知回路と呼ばれる。電流センサ５０はまた、内部または一体型の電流導体５２ａを含む。図８では、１次電流リード（図３Ａでは１次電流リード５４として示されていた）は、２群のリード、すなわちＩＰＩＮ１４２ａとして集合的に示されている１群の入力ピンおよびＩＰＯＵＴ１４２ｂとして集合的に示されている１群の出力ピンとして示されている。この図は機能ブロック図であり、磁界変換器６０に対する電流導体５２ａの物理的な位置を描写しようとするものではない。
【００６２】
動作中、センサ５０によって測定される電流は、１次電流リードまたはピン１４２ａを介して導電経路５２ａに印加され、磁界感知デバイス６０付近で電流を運搬する経路の「ループ」部分１４４を流れ、１次電流出力ピン１４２ｂを介して電流センサ５０から出る。印加された電流が導電経路５２ａを流れることで磁界が生成され、この磁界は、磁界センサデバイス６０によって感知され、デバイスの出力、すなわち出力１４６で比例電圧に変換される。インターフェース回路１４０は、出力１４６を調整および処理する様々なブロックを含む。たとえば、図示のように、回路１４０は、磁界信号生成器１４８と、出力生成ブロック１５０と、汎用インターフェース１５２として示されているインターフェースと、ＥＥＰＲＯＭなどの何らかのタイプの不揮発性メモリ１５４とを含む。
【００６３】
１次側リード１４２ａ、１４２ｂに加えて、電流センサは、電流センサを電源、接地、ならびに電流センサの測定特性を制御および／または利用する外部回路、たとえば外部のマイクロコントローラに接続する信号ピンまたは端子を含む。図３Ａ〜３Ｃに２次信号ピン５６ａとして示されているこれらの他の信号ピンは、ＶＣＣ端子１５６（外部電源に接続）、ＧＮＤ端子１５８（接地に接続）、少なくとも１つの入力１６０、および少なくとも１つの出力１６２のそれぞれに対応する少なくとも１つのピン（端子またはリード）を含むことが示されている。出力は、電流センサによって生成される情報を受け取って使用するための漏電遮断器（ＧＦＩ）回路などの外部電流センサの応用例または他の電流監視の応用例を可能にするはずである。ＶＣＣピン１５６を通って電流センサ５０に電力が供給され、ＶＣＣピン１５６は、図示のように内部で様々な分岐回路に接続される。ＧＮＤピン１５８は、センサの分岐回路に対する接地接続を提供するように内部で接続される。他の端子またはピン、集合的にピン１６４は、図示のようにプログラミング制御（たとえば、ＥＥＰＲＯＭをプログラムする）など、入力、たとえばデータ入力、クロック信号、および他の制御信号に対応することができ、または他の出力ピンもしくは供給／接地線を含むこともできる。特定の応用例の必要に適するように、電流センサの機能性およびセンサのピン配列を変動させることができることが理解される。
【００６４】
磁界センサデバイス６０および出力生成ブロック１５０に結合された磁界信号生成器１４８は、感知デバイスの出力１４６から磁界信号生成器出力信号（または磁界信号）１６６を生成するように集合的に動作する様々な従来の回路を含むことができる。通常、回路１４８は、感知デバイス６０の出力信号を増幅する少なくとも１つの増幅器を含む。磁界信号生成器１４８内には他の回路を含むこともできる。たとえば、磁界信号生成器１４８は、動的オフセット補正を実施する回路を含むことができる。感知要素がホール板である場合、チョッパ安定化回路を設けて、ホール板および関連する増幅器のオフセット電圧を最小にすることができる。また別法として、回路１４８は、オフセット調整および／またはゲイン調整の特徴を実施することができる。
【００６５】
１つの簡単な実装形態では、出力生成ブロック１５０は、磁界信号１６６を処理して出力信号１６８を生成する低域フィルタおよび出力増幅器／バッファを含むことができる。出力信号は、感知された電流の振幅を示す値であるはずである。処理機能およびさらに高いレベルのプログラミング性に対応するために、出力生成ブロック１５０は、プロセッサもしくはマイクロプロセッサ、またはデータ信号プロセッサを含むように実施することもできる。マイクロプロセッサは、計算および他のタスクを実行するようにプログラムすることもできる。
【００６６】
汎用インターフェース１５２は、ピン１６０に接続された入力線１７０上で少なくとも１つの入力を受け取る。汎用インターフェース１５２はまた、入力ピンとして定義されたピン１６４を介して他の入力を受け取ることができる。これらの入力を外部のコントローラまたは他の応用回路によって使用して、ユーザ定義の内部パラメータ、たとえばゲインおよび温度の補償を設定またはプログラムすることができ、ならびに汎用インターフェース１５２、出力生成ブロック１５０、および／または不揮発性メモリ１５４の動作によって必要とされる入力データおよび制御情報を提供することができる。汎用インターフェース１５２は、インター集積回路（Ｉ２Ｃ）、シングルエッジニブル伝送（ＳＥＮＴ）、周辺センサインターフェース５（ＰＳＩ５）、シリアル周辺インターフェース（ＳＰＩ）、またはＲＳ２３２などの異なるプロトコル、たとえば、シリアル通信プロトコルに対応するように実施することができる。汎用インターフェース１５２は、それぞれ相互接続または線１７２および１７４を介して、出力生成ブロック１５０および不揮発性メモリ１５４に接続される。不揮発性メモリは、接続１７６を介して磁界信号生成器１４８に結合される。接続１７６を使用して、不揮発性メモリ１５４上に記憶されているユーザ定義の値、たとえばゲイン調整を、磁界信号生成器１４８の回路に適用することができる。センサＩＣの信号経路は、アナログまたはデジタルのドメインで実施することができる。
【００６７】
図３Ａ〜３Ｃ、図４Ａ〜４Ｃ、図６Ａ〜６Ｂ、図７Ａ〜７Ｂ、および図８に示すデバイスは２０本のピンを有するが、他のピン数も可能であり、いくつかのリードは１次電流路を提供し、他のリードは信号（たとえば、出力、電源、および接地）に対する接続を提供する。また、センサＩＣ内には図８に示すもの以外の追加の機能も同様に含むこともできることが理解されるであろう。
【００６８】
磁界感知デバイス６０を構成する感知要素は、ケイ素、または砒化ガリウム（ＧａＡｓ）もしくはインジウム化合物、たとえば砒化インジウム（ＩｎＡｓ）もしくはアンチモン化インジウム（ＩｎＳｂ）などのケイ素以外の半導体材料から作ることができる。
【００６９】
要約すると、電流センサ５０（または５０’）は、特に高い動作電圧（たとえば、少なくとも５００ＶＲＭＳの動作電圧）の場合に強化定格を実現することが可能な設計を有する。電流センサ５０（または５０’）は、ａ）２重の薄いシート材料層と、ｂ）パッケージプラスチックを通って１次構成要素から２次構成要素まで最小０．４ｍｍの距離を提供する張出し寸法とを含む固有の構成を有する絶縁構造を特徴とする。したがって、絶縁構造の構成のため、パッケージの２重の薄いシート絶縁およびプラスチック絶縁は、規格の強化絶縁要件に準拠している。また、パッケージプラスチックは、規格下でグループＩＩの材料として区分された材料になるように選択される。最後に、図６Ａ〜６Ｂおよび図７Ａ〜７Ｂを参照して上記で論じたように、電流センサは、少なくとも７．２ｍｍのクリーページ距離を維持するような寸法を有するＳＯＩＣ内にパッケージングすることができ、そのようなＰＣＢはんだ実装面積で使用することができる。
【００７０】
電流センサおよび特有のパッケージは、高いレベルの試験に耐えるために、規格による構成要件に準拠する。これは、２重保護による３０００ＶＲＭＳ（最小）レベルのガルバニック絶縁および最大５００ＶＲＭＳの動作電圧を提供する。パッケージはまた、３０００ＶＲＭＳのガルバニック（電圧）絶縁定格を実現するために、４８００ＶＲＭＳという高い電圧で６０秒の破壊試験に合格することが可能な１次から２次の絶縁材料の距離を維持する。この試験はまた、高い動作電圧定格に必要であり、デバイスが最大５００ＶＲＭＳというより高い動作電圧で機能することを可能にする。
【００７１】
本明細書に引用したあらゆる参考文献は、全体として参照により本明細書に組み込まれている。
【００７２】
本発明の好ましい実施形態について説明したが、それらの概念を組み込む他の実施形態も使用できることが、当業者には明らかであろう。したがって、これらの実施形態は開示の実施形態に限定されるものではなく、添付の特許請求の範囲の精神および範囲のみによって限定されるべきであると考えられる。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８】
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【国際調査報告】
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