(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電流経路を構成する配線と、
前記配線の近傍に配置されたホール素子と、
前記配線と前記ホール素子とに重なるように設けられ、前記配線に流れる電流により形成される磁界を前記ホール素子に収束する磁性体層と、
前記配線及び前記磁性体層と前記ホール素子との間に配置された絶縁膜と、を有し、
前記磁性体層は磁性体を含む樹脂から構成されている、ことを特徴とする電流検出装置。
【請求項２】
前記配線は、前記磁性体層により前記絶縁膜に固定されている、ことを特徴とする請求項１に記載の電流検出装置。
【請求項３】
前記配線は、折り返し部を有する点対称又は線対称に構成され、前記ホール素子は、前記電流経路の対称中心又は対称軸或いはこれらの近傍に配置され、前記磁性体層は、前記折り返し部の前記絶縁膜に接しない部分の全体を覆うように形成されている、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の電流検出装置。
【請求項４】
前記ホール素子は半導体基体中に形成され、前記配線は前記半導体基体上に前記絶縁膜を介して形成された配線層として構成される、ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の電流検出装置。
【請求項５】
前記磁性体は、フェライト又はパーマロイ或いはこれらの組み合わせから構成される、ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の電流検出装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ホール素子を用いた電流検出装置に関し、特に、高感度で電流を検出可能な電流検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電流検出装置として、ホール素子を用いるホール素子型の装置が知られている。ホール素子型の電流検出装置は一般に、被測定電流の流れる電流経路と、電流経路の近傍に配置されたホール素子と、から構成される。電流の検出は、電流経路を被測定電流が通過したときに発生する磁界をホール素子によって検出することによって行われる。
【０００３】
ホール素子は、半導体内の電流の流れる方向と直角に磁界が形成された場合に、電流及び磁界と直角方向に電流と磁場に比例する起電力を生じるというホール効果を利用して、検出磁界を電圧に変換する。このように、ホール素子型電流検出装置は、電流経路に電流が流れたときに形成される磁界（及びその強さ）を電圧に変換することによって電流（及びその量）を検出する。
【０００４】
ホール素子を備えた半導体装置（ホールセンサ）を用いた電流検出方法には、特開2000-19199号公報に開示されている方法がある。上記開示の方法は、ホールセンサを中心に線対称又は点対称の電流経路を形成して電流検出を行う方法である。上記方法においては、電流経路の対称軸又は対称中心の、ほぼ一定の磁束密度の磁界が形成される領域にホールセンサを配置する。これにより、コイル等の磁路を必要とせずに、一定した磁界（強度）を検出することができ、精度の高い電流検出が可能となる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記開示の電流検出方法においては、コイル等の集磁構造を持たず、簡便かつ省スペースな構造での電流検出が可能である。しかし、逆に、集磁構造により磁束を集めないため、ホールセンサ近傍に形成される磁界の磁束密度は低く、測定する電流量によっては検出感度が不十分である。検出感度の向上のため、フェライトコア等を組み込むことも考えられるが、フェライトコアの製造が困難であるとともに、製造コストがかかりすぎ、現実的ではない。このように、従来の電流検出装置では、低コストかつ簡便に、検出感度を向上させることは困難であった。
【０００６】
上記問題を解決するため、本発明は、ホール素子を用いた、検出感度の高い電流検出装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明にかかる電流検出装置は、
電流経路を構成する配線と、
前記配線の近傍に配置されたホール素子と、
前記配線と前記ホール素子とに重なるように設けられ、前記配線に流れる電流により形成される磁界を前記ホール素子に収束する磁性体層と、
前記配線及び前記磁性体層と前記ホール素子との間に配置された絶縁膜と、を有し、
前記磁性体層は磁性体を含む樹脂から構成されている、ことを特徴とする。
【０００８】
上記構成によれば、ホール素子型の電流検出装置において、磁性体層の有する集磁効果により、電流経路への通電の際にホール素子の近傍には高い磁束密度の磁界が形成される。これにより、ホール素子の感受する磁界の強度が強められ、検出感度の高い電流検出装置が提供される。ここで、磁性体層は、磁性体を含む樹脂から構成されるため、簡便に、かつ、低コストに製造することができる。
【０００９】
上記構成において、前記配線は、前記磁性体層により前記絶縁膜に固定されていることが好ましい。
上記構成において、前記配線は、折り返し部を有する点対称又は線対称に構成され、前記ホール素子は、前記電流経路の対称中心又は対称軸或いはこれらの近傍に配置され、前記磁性体層は、前記折り返し部の前記絶縁膜に接しない部分の全体を覆うように形成されていることが好ましい。これにより、ホール素子の感受する磁界は、強められ、かつ、安定したものとなる。
【００１２】
上記構成において、前記ホール素子は半導体基体中に形成され、前記配線は前記半導体基体上に前記絶縁膜を介して形成された配線層として構成されていてもよい。すなわち、本発明は、いわゆる中電流型の電流検出装置に用いることができる。
【００１３】
上記構成において、前記磁性体は、例えば、フェライト又はパーマロイ或いはこれらの組み合わせから構成される。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態にかかる電流検出装置について、以下図面を参照して説明する。本実施の形態の電流検出装置は、ホール素子を内蔵するホールセンサとリードフレームとを備えた、いわゆる大電流型の電流検出装置である。
【００１５】
図１に、本発明の実施の形態にかかる電流検出装置１１の構成を示す。また、図２は、図１に示す電流検出装置１１の分解図を示し、図３は、Ａ−Ａ線矢視断面を示す。
【００１６】
図１に示すように、本実施の形態にかかる電流検出装置１１は、ホールセンサ１２と、リードフレーム１３と、から構成されている。
また、図２の分解図に示すように、電流検出装置１１は、ホールセンサ１２と、リードフレーム１３と、ポッティング樹脂層１４と、が積層された構成を備える。
【００１７】
ホールセンサ１２は、その内部中央にホール素子１５が配置されたホール素子チップである。ホールセンサ１２は、そのパッケージから延びるリードピン１６を有する。ここで、ホールセンサ１２としては、ホール素子を利用して電流を測定するものであれば、どのようなものでもよい。
【００１８】
リードフレーム１３は帯状に形成され、Ｕ字部１３ａを有する。リードフレーム１３はＵ字部１３ａにおいて折り返された構造を有する。Ｕ字部１３ａはＵ字型に形成され、Ｕ字の底部はほぼ半円形状となっている。Ｕ字部１３ａは、図１中に示す中心線（対称軸）Ｌに関して線対称である。ここで、例えば、帯状のリードフレーム１３の厚さは１０００μｍ程度であり、その幅はＵ字部１３ａの近傍では２００μｍである。また、Ｕ字部１３ａにおける対称な帯状部分の間隔は、例えば、１７０μｍである。
【００１９】
ホールセンサ１２は、その内部のホール素子１５がＵ字部１３ａの半円の中心、すなわち、図１中に示す中心線Ｌと線分Ａ−Ａとの交点にくるように配置されている。従って、ホール素子１５は、Ｕ字部１３ａの形成する線対称な電流経路が形成する面（図１の紙面）に対して垂直方向から見た場合に、電流経路の中心線（対称軸）Ｌ上にあるように配置されている。
【００２０】
Ｕ字部１３ａにおいて折り返されるリードフレーム１３の両端は、図示しない被測定回路の端子に、溶接又はねじ止めなどにより接続される。被測定回路で発生する電流Ｉは図１中に矢印で示すようにリードフレーム１３を流れ、後述するようにホール素子１５によって検出される。
【００２１】
リードフレーム１３に被測定電流Ｉが流れる際、Ｕ字部１３ａには中心線Ｌを境にそれぞれ逆方向に電流Ｉが流れ、中心線Ｌに関して線対称な電流経路が構成される。このように線対称な互いに逆向きの電流経路が構成されることにより、Ｕ字部１３ａへの通電の際には、Ｕ字部１３ａの間に挟まれた中心線Ｌの近傍の領域には、ホール素子による検出に適した、均一性の高い磁束密度の磁界が形成される。
【００２２】
図３に示すＡ−Ａ線矢視断面図に示されるように、ホールセンサ１２は、平板形状の絶縁膜１７の一面に配置されている。ホールセンサ１２は絶縁膜１７に接着樹脂により接着されている。
【００２３】
絶縁膜１７の、ホールセンサ１２の設置されていない側の面には、帯状のリードフレーム１３が接するように設けられている。絶縁膜１７は、ホールセンサ１２のリードピン１６とリードフレーム１３とを絶縁する機能を有する。絶縁膜１７は、ポリイミドフィルム等から構成され、例えば、２００μｍの厚さで形成される。
【００２４】
リードフレーム１３は、絶縁膜１７に対してポッティング樹脂層１４により固定されている。ポッティング樹脂層１４は、図２及び図３に示すように、リードフレーム１３のＵ字部１３ａの全体を覆うように形成されている。ここで、ポッティング樹脂層１４は、Ｕ字部１３ａの一部に重なっていればよいが、後述する十分な集磁効果を得るにはＵ字部１３ａ全体に重なって、全体を覆うように形成されていることが好ましい。
【００２５】
ポッティング樹脂層１４は、ポッティングにより形成され、例えば、エポキシ樹脂から構成される。ポッティング樹脂層１４には磁性体粉末１８、例えば、フェライト粉末が添加され、集磁性が付与されている。
【００２６】
ポッティング樹脂層１４は、例えば、粒径が５００μｍのフェライト粉末１８を、例えば、フェライト粉末：エポキシ樹脂＝８５：１５の重量比でエポキシ樹脂に添加して得られた樹脂を用いて形成される。ポッティング樹脂層１４は、例えば、厚さ２０００μｍで形成され、このとき、７以上の比透磁率が得られる。
【００２７】
ポッティング樹脂層１４によるリードフレーム１３のポッティングは、絶縁膜１７の他面側にホールセンサ１２が接着された状態で行われる。これにより、リードフレーム１３とホールセンサ１２との位置ずれを防ぎつつ、ポッティングを行うことができる。従った、安定した製品製造が可能である。なお、リードフレーム１３を絶縁膜１７に、一度接着材等により固定した後で、ポッティングを行ってもよい。
【００２８】
上記のように、ホール素子１５の近傍に磁性体を添加したポッティング樹脂層１４を形成することにより、磁性体による集磁効果から、ホール素子１５の近傍の磁束密度が高められる。これにより、ホール素子１５の感受可能な磁束量は増大し、ホールセンサ１２による高精度かつ高感度な電流検出が可能となる。
【００２９】
また、絶縁膜１７、及び、絶縁膜１７に固着されたリードフレーム１３のＵ字部とポッティング樹脂層１４とは、ホールセンサ１２の設置された部分を除いて、モールド樹脂１９、例えば、エポキシ樹脂により封止されている。
【００３０】
以上説明したように、本発明によれば、ホール素子１５の近傍に磁性体を添加したポッティング樹脂層１４を形成することにより、ホール素子１５の近傍の高い磁束密度が得られる。ポッティング樹脂層１４は、磁性体粉末１８を添加した樹脂を塗布することにより、微細な配線パターンの間にも形成される。従って、ホールセンサ１２の近傍に低コストかつ簡便に集磁構造を形成することができ、高感度の電流検出が可能となる。
【００３１】
上記実施の形態では、ポッティング樹脂層１４はエポキシ樹脂を用いて形成するものとしたが、シリコーン樹脂等、ポッティングに一般的に用いる他の樹脂を用いることができる。
【００３２】
また、ポッティング樹脂層１４に添加する磁性体は、フェライトに限らず、鉄粉末、ニッケル粉末、パーマロイ粉末など、集磁効果を有する磁性材料であればいかなるものでもよい。また、磁性体は、粉末として樹脂に添加するものとしたが、溶融して添加するなど、他の方法で添加してもよい。
【００３３】
上記実施の形態では、磁性体を添加したポッティング樹脂層１４でリードフレーム１３をポッティングし、さらにモールド樹脂１９により全体をモールドする構成とした。しかし、ポッティング樹脂層１４ではなく、モールド樹脂１９にフェライト等の磁性体を添加して、直接モールドする構成であってもよい。
【００３４】
上記実施の形態では、リードフレーム１３にＵ字部１３ａを形成し、半円形状を有する線対称な電流経路を構成するよう形成するものとした。しかし、リードフレーム１３の構成は、対称な電流経路を形成して、通電の際に一定の磁束密度となる領域を形成可能な構成であればいかなるものでもよい。例えば、リードフレーム１３により形成される電流経路を、図４に示すような完全な線対称に構成してもよい。また、電流経路を図５に示すような、ほぼ円形として、電流経路を点対称に構成してもよい。
【００３５】
上記実施の形態では、ホール素子１５を備えたホールセンサ１２を用い、リードフレーム１３に流れる電流を検出するものとした。上記構成は、いわゆる大電流型の電流検出装置であるが、本発明は、図６に示すような、中電流型の電流検出装置１１に適用することも可能である。
【００３６】
図６に示す電流検出装置１１は、ホール素子１５が形成された半導体基体２２上に、絶縁膜２３を介してアルミニウム等からなる配線層２４を形成したものである。配線層２４は、例えば、リードフレーム１３と同様に対称に形成され、対称な電流経路が形成される。配線層２４には中電流が導通可能であり、ホール素子１５が配線層２４を流れる電流を検出する。ここで、ノイズの低減のため、ホール素子１５と配線層２４との間にシールド電極を設けてもよい。なお、ホール素子１５及び配線層２４を備える半導体基体２２は、半導体基板や半導体基板上に形成されたエピタキシャル成長層など、どのようなものであってもよい。また、配線層２４は、半導体基体２２上に配置されるものに限らず、半導体基体２２中に形成してもよい。
【００３７】
上記のように、ホール素子１５が形成された半導体基体２２上に一体化された配線層２４を覆って、フェライト粉末１８を混練したポッティング樹脂層１４を形成することにより、低コストかつ簡便に中電流型の電流検出装置１１の感度を向上させることができる。
【００３８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、ホール素子を用いた検出感度の高い電流検出装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態にかかる電流検出装置の構成を示す図である。
【図２】図１における電流検出装置の分解図である。
【図３】図１における電流検出装置のＡ−Ａ線矢視断面図である。
【図４】本発明の他の実施の形態にかかる電流検出装置の構成を示す図である。
【図５】本発明の他の実施の形態にかかる電流検出装置の構成を示す図である。
【図６】本発明の他の実施の形態にかかる電流検出装置の構成を示す図である。
【符号の説明】
１１    電流検出装置
１２    ホールセンサ
１３    リードフレーム
１３ａ  Ｕ字部
１４    ポッティング樹脂層
１５    ホール素子
１６    リードピン
１７    絶縁膜
１８    磁性体粉末
１９    モールド樹脂
２２    半導体基体
２４    配線層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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