使用霍尔效应设备进行组件设计的指引

作者:John Sauber 与 Bradley Smith,Allegro MicroSystems, LLC

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介绍

霍尔效应是 E. H. Hall 于 1879 发现的,是所有霍尔效应器件的基础。将这一物理效应与现代的集成电路 (IC) 技术结合在一起就可以设计出很多有用的磁性感测产品。在适当地偏置的情况下,霍尔元件可以产生一个与磁场成正比的输出电压。这个小电压将通过高品质放大器进行处理,从而产生一个与外加通量密度成正比的模拟信号。在 Allegro® 霍尔效应器件中,该信号经过调整处理和优化后适用于各种磁性输入,以便产生适当的电力输出。

霍尔效应元件通过修正输出电压与磁通密度曲线对应力作出回应。为此,设计人员(从芯片设计到最终客户)必须了解来自热源或机械源的环境应力会对霍尔效应元件的输出产生影响。芯片设计人员要预先考虑芯片的最终用途、设计补偿电路并以最大程度地降低预期环境影响的方式将多个霍尔元件连接到一起。当适当的 IC 设计与适当的封装设计相匹配时,环境影响可以降至最低。

虽然稳健的设计技术可以极大地降低封装应力可能会对霍尔效应 IC 的运行造成的影响,但还有一点比较重要的是,组件制造商应采取预防措施以避免出现外部应力,例如因包覆成型、胶粘、焊接、引线折弯或成形、引线剪切或修齐、或夹持引起的应力。

除了要避免会影响电气参数的应力之外,还要避免可能会造成任何可靠性风险的应力。为了避免这类问题的出现,本应用说明提供了进行组件设计的相关指引。

本文概述了适用于霍尔效应器件安装的大多数装配方法,但并未阐述传统电路板的锡焊方法。如需了解关于这一主题的信息,请参考 Allegro 网站上的“ Allegro 产品的锡焊方法(SMD 与穿孔)”板块。

对应力较为敏感的位置

封装上的好几个位置都极易受到应力的影响,如图 1 所示。无论使用何种方法来构建组件,都必须最大程度地降低这些地方的应力,这一点非常重要。

图 1

图  1:对应力较为敏感的位置。(A)  对晶片面施加的外力可能会引起晶片破裂和参数变化。(B)  对线缆施加的外力可能会对楔形或球形结合点造成损坏。(C)  对引线施加的外力或弯曲力矩可能会导致楔形结合点损坏和封装破裂。



故障模式

图 1 中所示的位置与以下故障模式有关:

(A)  对晶片面施加的外力可能对导致晶片破裂。晶片可能会立即失效,也可能会产生一个裂纹、造成潜在缺陷。请参阅“设计验证测试”部分了解与识别潜在缺陷相关的信息。对晶片施加的外力还可能会引起电气参数变化。如果必须对晶片面施加外力,应确保该力均匀地分布在整个上表面上。

(B)  对金丝键合线施加的外力可能会对球形结合点(位于线缆的晶片端)造成损坏或导致楔形结合点(位于线缆的引线框端)破裂。这些线缆非常小,横截面积大约为人的头发的九分之一(见图 2)。楔形结合点的“颈部”更小,横截面积大约为线缆的四分之一。模塑料的任何变形或移动(相对于线缆而言)都可能会造成损害,如图 2(右面板)所示。此外,它还可能会使部件立即发生故障或造成潜在缺陷。

(C)  对引线施加的外力或弯曲力矩可能会对楔形结合点造成损坏(很可能会造成一个潜在缺陷)或导致封装破裂。

图 2

图  2:(左边)金丝键合线 (Ø0.025 mm) 的横截面积大约相当于人的头发 (Ø0.076 mm) 的九分之一,这说明该键合线非常脆弱。(右边)楔形结合点“颈部”的厚度大约相当于键合线的四分之一,因此,该结合点很可能会成为故障点。



在封装内部,仅有一小部分引线嵌入了模塑料中。在采用 K 型封装的情况下(如图 3 所示),仅有 0.8 mm 的引线(长度为 15.5 mm)位于模塑料内部。由此产生的杠杆臂以十九倍的系数放大外力,因此,即便是很小的外力也可能会对楔形结合点造成损坏。正因为如此,在引线成形期间务必要遵循引线夹持指引,在执行其他处理步骤时也要避免对引线施加外力。

图 3

图  3:在执行任何引线成形操作之前都必须先夹紧引线。在杠杆作用的影响下,即使是向引线的端部施加一个小负载,其效果也会成倍增加(在这个封装中将呈 19 倍增加),在楔形结合点处产生一个较大的负载。



引线成形加工

在客户设施内执行引线成形操作通常是使用霍尔效应器件之前必做的一项准备工作。对于大多数 Allegro 器件而言,下一节“标准成形程序”中所述的一些简单的预防措施可以确保引线成形操作不会为引线、环氧树脂外壳或内部 IC 带来损伤应力。虽然应该始终采取这些预防措施,但就某些采用强化引线支撑的 Allegro 齿轮齿传感器 IC (ATS) 封装而言,可能存在一些例外情况。这些例外情况将在下文的“ATS 封装注意事项”小节中进行描述。

标准成形程序

一些简单的预防措施可以确保引线成形操作不会为引线、环氧树脂外壳或内部 IC 带来损伤应力。

  • 不应该在距离封装外壳 0.76 mm 以内的地方对引线进行成型加工或剪切操作,而且必须对引线的上下端加以支撑,以确保在执行引线成形操作时此处不会有任何移动或应力产生(见图 4)。
  • 图 4

    图  4:引线成形操作的设置。



  • 引线成形机应充分夹紧引线(顶部和底部),以确保在成形过程中不会产生试图将引线拉出环氧树脂封装外壳的牵引力。最好是在引线成形期间对封装主体进行物理隔离,以确保没有任何外力可以转移到该封装主体上。
  • 所有折弯工作都必须在平砧上进行且弯曲半径至少为引线厚度的一半。
  • 在弯曲区,不得通过挤压成形机与铁砧之间的引线使引线变形。必须通过过度弯曲(而非变形)方法来消除回弹。
  • 如果使用了滚压成形工具而非推杆,那么会有少量的应力转移到封装上。应优先选择使用滚压成形方法。
  • 在引线成形操作完成后,可能会在引线表面留下加工痕迹。只要这些痕迹不会穿透镀层、露出引线框基底金属,那就可以接受。

ATS 封装注意事项

某些 Allegro 齿轮齿传感器 IC (ATS) 封装的设计可以将霍尔传感器 IC 与极片或反向偏压稀土球团矿等元件结合在一起、构成一个优化器件。

对于 SA 和 SB 封装的引线成形,Allegro 建议操作人员遵循“标准成形程序”小节提供的所有建议。

SE、SG、SH 和 SJ 封装具有一个模制引线棒(如图  6 所示),它可以让引线在运输和处理期间保持在同一平面和适当的位置上。在执行引线成形操作时确保连上了模制引线棒。在所有引线成形工作完成之前,切勿移动该棒。这可以防止引线分散开并且可以优化引线的平面度和间隔间距。

 

图 6

图  6:用于约束某些封装上的引线以便于进行处理的模制引线棒。



夹持充分性检验标准

如前几小节所述,必须充分夹紧引线以防止在成形过程中发生引线拉扯的情况。检查镀层上的“装配标记”,看是否已充分夹紧。

  • 引线顶端的镀层上应具有均匀的夹痕。这些痕迹应该:
      表明每条引线的大部分宽度上的夹持情况都保持一致,

     • 表明所有引线的夹持形状和深度相同。
  • 引线的底部也应该有均匀的夹痕。此外,还有一项附加标准:应该磨平引线底部的冲模毛边(压膜制品)。如果未磨平毛边,夹持力就会不足。
  • 夹持力也不能太大,否则就会改变基底金属的横截面形状或者对模塑料造成可见损伤。

高温处理注意事项

Allegro 封装主体所用的热固性模塑料具有一个玻璃转化温度 Tg,范围一般在 140°C 至 160°C 之间。在模塑料的温度超过 Tg 水平时,其强度就会大打折扣。正因为如此,在任何流程的温度超过 Tg 时,都必须注意不要向图 1 所示的任何位置施加负载。

除了在温度超过 Tg 时强度会降低以外,模塑料还会受到粘塑性(蠕变)的影响,即,将会随着时间的流逝逐渐变形。由于随后的高温处理流程会引起引线移动,还会对楔形结合点造成损坏,所以必须注意防止引线变形以至于“像弹簧一样”。

锡焊与焊接的一般注意事项

如果一个流程要求对成形引线进行锡焊或焊接,必须牢记以下三个原则:

  • 不要太短 —— 如果可能的话,最好避免使用太短的引线。比较长的引线更容易弯曲且在此过程中不会产生比较大的力。这样不仅可以允许存在一定的对准和成形偏差,还可降低由于与引线框(引线将被锡焊至该引线框上)之间的膨胀不匹配而产生的应力。
  • 不要太热 —— 如上所述,模塑料的强度在高温下会大幅下降。锡焊与焊接操作应在温度最低时在最短的时间内完成。使用一根比较长的引线还可以最大程度地减少到达器件外壳的热量。
  • 不要“像弹簧一样” —— 虽然允许存在一定的成形与对准偏差,这意味着引线在焊接或锡焊过程中通常需要略有变形,但变形幅度越小越好。如果必须对一条正在使用的引线进行大幅度弯曲,则该引线中应该存在弹簧储能。随后的任何高温处理操作(例如包覆成型)或长时间暴露在高温工作环境下都可能会导致引线在模塑料内移动,从而造成楔形结合点故障。

如果担心既定工艺或设计可能会对引线带来高应力,进而可能造成可靠性风险,请参考“设计验证测试”部分了解如何识别潜在缺陷。

引线的锡焊

除了本应用说明中提供的信息以外,还可参考 Allegro 网站上的“Allegro 产品的锡焊方法(SMD 与穿孔)”板块。其中包括引线精加工指南、焊料、助溶剂、应避免的污染物和通用的工艺参数等。

引线的焊接

如本节所述,由于器件外壳和镀层的几何尺寸较小,在进行焊接时应特别小心并且要做好规划和进行流程测试。目前已经成功投入使用的焊接方法有两种:传统的电阻焊接和一种被称为“熔锡”的焊接方法。具体选择使用哪种方法取决于具体应用和生产条件。

熔锡与电阻焊接

  • 电阻焊接是指加热要连接在一起的部件直至基底金属(铜)变为塑性状态,然后将这些部件锻造到一起。
  • 熔锡是指蒸发一薄层镀锡液,形成超净的基底金属表面,然后施加压力使两个部件之间产生极强的扩散粘结力。这是首选方法。
  • 许多传统电阻焊接设备也适用于熔锡,差别在于后者所使用的电压和电流更低。

熔锡的优势

对于小型电子器件而言,熔锡可能比电阻焊接更有优势:

  • 在不损坏部件的情况下,很难对铜与铜进行电阻焊接。
  • 熔锡的操作速度较快且不需要熔化基底金属,因此与焊接相比,它引起的变形幅度更小。
  • 熔锡可让基底金属与基底金属之间产生一种扩散粘结力,这种粘结力通常比通过焊接(对铜与铜进行焊接)产生的粘结力更强。

熔锡指南

  • 降低所使用的电流水平是这种方法的一种优势。与电阻焊接相比,熔锡需要更少的电流。为避免器件过热,应使用最小的电流来产生可靠的粘结力。这样也有助于降低电力成本。图 7 和图 8 为对比示例。
    图 8

    图  7:焊接期间余热造成的损坏,包括基底金属变形和镀锡液流动。焊接时的电流为 1700 A、电压为 1.0 V,用时 11 ms。

    图 9

    图  8:在较低的电流水平(电流为 1100 A、电压为 0.8 V,用时 10 ms)条件下焊接的引线。所造成的损害微乎其微,接合点的拉引强度基本上与图 7 中过热引线的强度相同。



  • 应避免使用较短的引线,这是因为他们可能会引起以下问题:
  • 焊接可以让引线变平整,如果引线非常短,则平整区域可能会损坏模塑料。另外,在接近封装外壳的地方平整引线时,引线会发生横向移动,从而可能会对楔形结合点造成损坏或致使引线之间短路(见图 9)。
  • 焊接作业会产生高温,如果引线太短,产生的高温可能会对封装主体造成损坏。
    图 10

    图  9:在焊接较短的引线时因引线平整造成的损坏。



  • 在理想的情况下,应使用约 100% 的镀锡液进行熔锡。镀锡液中所包含的铅 (Pb) 不会影响粘结质量,但 Pb 的处理却会造成一个潜在的环境健康风险。在熔锡期间,两个部件接触处的镀液会发生汽化。对于涉及到 Allegro 部件的典型焊接而言,这个过程会释放至少 2 µg 的铅 (Pb)。必须以安全环保的方式收集并处置铅 (Pb) 蒸汽。
  • 许多种铜合金都可以顺利地进行焊接。应由焊接设备的供应商决定最佳选择。
  • 一般来说,应避免使用可伐合金或 42 合金等含铁的合金,这是因为他们很难用镀锡液焊接到铜制引线框上。

激光焊接

通过使用激光,可以将镀锡铜引线焊接到铜制引线框上。相关注意事项与熔锡类似;因此,应避免耗费过多功率,这一点非常重要。可以使用“干式”焊接,但是也可以使用焊锡膏,而且焊锡膏可以提供更佳的焊锡圆角,产生更强的粘结力。由于一个激光光斑仅能聚焦于一个非常小的区域,所以必须注意确保粘合表面积足以产生很强的粘结力。

Allegro 引线电镀

Allegro 采取了一些措施来为熔锡焊接提供镀锡铁皮。根据典型的行业标准,镀层平均厚度应为 14 µm,但是 Allegro 选用了 11.5 µm 的标准平均厚度。厚度的缩减有助于更好地控制电镀液参数、实现卓越的表面处理效果和优良的焊接性能。它对熔锡而言也比较有利,这是因为在这种情况下只有很少的锡需要熔化,方便控制飞溅。

将器件与组件粘合在一起

大多数胶粘、涂覆、灌封或包封方法都会对封装增加应力,从而可能导致电气参数变化和部件分散。

胶粘

将一个器件胶粘到一个制成组件的型腔中是一种常见的霍尔效应接口装配方法。基本原则如下:

  • 尽可能地使粘合剂或模塑环氧树脂的膨胀特性与膨胀率为 12 至 30 ppm/°C 的元件用环氧树脂相匹配。大多数高填充(非导电性)环氧树脂都属于这一范畴,通常都是比较好的选择。
  • 表面贴装元件装配用环氧树脂也可以用于粘合模塑元件。这些材料不符合霍尔器件的特性并且与填充环氧树脂也不匹配,但是它们的优势是在处理非常微小的圆点尺寸方面非常有效,而且还能快速固化。
  • 氰基丙烯酸盐粘合剂( “强力胶” )对于胶粘霍尔效应器件而言并不是一个好的选择,原因在于它在固化时具有很高的收缩率。如果仅在器件的一面使用了粘合剂,那么这种收缩会使器件弯曲并造成危险的应力。这些粘合剂还能进行生物降解并能在多种普通环境中消散。

共形涂覆

共形涂覆通常被用于提供环境保护与一定程度的机械保护。在阻隔污染物方面,关键属性包括水蒸气穿透率和氧气渗透性。基于这些标准,最佳选择为(按顺序):

  1. 丙烯酸氨基甲酸酯
  2. 环氧树脂
  3. 硅氧树脂

塑料包封(直接包覆成型)

使用热固性或热塑性材料包覆成型的完全包封式霍尔效应器件可能会引起参数变化。应该对采用这种方式包封的霍尔效应器件进行重新测试以检测其在整个应用温度范围内的性能。热塑性塑料成型所需的温度通常高于引线镀层的回流温度,因此模具设计必须能确保镀层不会被熔化(锡的熔点是 232°C)。如果镀层在模制过程中被熔化,它可能会朝与器件主体相反的方向流动并导致相邻引线之间电气短路。

热塑性模具内的型腔压力非常高。一般来说,纯粹的静水压力只要完全处于铸模型腔内就不会损坏器件。模具设计必须能确保在模制过程中不会对霍尔器件产生弯曲力。弯曲应力可能会改变器件参数,如果足够高,还可能会使环氧树脂封装内的晶片破裂。

在霍尔器件构成了注塑模具型腔中的一个塞柱并由引线支承的情况下,必须对器件的端部加以支撑,这一点非常重要。如果器件与模具型腔的端部之间存在空隙,那么该器件可以用作一个活塞推进模具型腔中,以拉引和拉伸引线。

完全封闭一个模塑霍尔效应器件的最安全的方式是设计一个能与器件进行滑配连接的外壳(顶盖或套管)。然后,可以对器件进行包覆成型、灌封处理或将其胶粘到位。需要牢记以下几个注意事项:

  • 避免顶盖或套管与引线之间存在任何干扰。向引线施加的任何外力都可能会造成弹簧加载,从而可能在包覆成型器件对楔形结合点造成损坏或者延长高温作业时间。
  • 压装应用通常都非常紧密,而且需要一个很大的力以便进行插入。这种力可引起线缆、线缆结合点或硅 IC 故障,因此应减小。
  • 在插入期间,有必要适当地撑持着器件,以最大程度地降低作用在封装上的力。在插入时还不得夹持或压紧封装的平面(标记面),可以优先考虑使用封装的侧面和背面。

包胶模具的位置也是一个值得关注的问题:

  • 尽量减小晶片面上包胶模具的厚度,这是最大程度地降低作用在晶片上的应力以及发生晶片破裂和参数变化风险的一种有效方法。
  • 避免将包胶模具的浇口直接安置在晶片上,因为在模制过程中产生的热冲击可能会增加晶片破裂的风险。
  • 如果可能的话,模具的分型线应避免出现在晶片面上。由于存在半模错位,这有时可能会在包胶模具中创造一个“梯阶”,它可以作为一个晶片上的一个应力集中点并且(可能)会增加晶片破裂的风险。
  • 避免将顶杆放置在晶片面上,因为这很可能会导致晶片破裂。

可以使用热固性材料或热塑性材料。按照以下属性来选择材料可以最大程度地减少应力以及参数变化或晶片损坏的风险:

  • 低热膨胀系数 (CTE)
  • 低弹性模量
  • 低成型温度

大多数包胶模具材料都不具备密封性,不能完全阻止污染物渗入器件。在汽车应用领域(在这种应用中,组件可能会暴露在恶劣环境中并与自动变速箱油 (ATF)、盐水和制动液等物质直接接触),要特别注意这一问题。在进行包覆成型处理之前先进行共形涂覆处理可以防止水分侵入、大幅降低风险,但不能完全消除这些风险。

灌封

灌封是最好的装配方法之一,它不会产生应力。选择灌封混合物的标准是该材料应具备与上述包覆成型材料相同的属性,即:低 CTE、低模量和低固化温度。

采用诸如硅橡胶或聚氨酯橡胶等弹性材料进行灌封可以减少应力。但是,如果弹性材料被密闭在外壳内,由于热膨胀系数不同,仍有可能会产生应力。弹性材料通常具有较高的膨胀率。因此,要么将灌封容器的一端打开,要么至少在内部留一些空隙以满足膨胀需求。

采用弹性泡沫体进行灌封可以有效地控制热膨胀造成的应力和密闭元件。如果所用的泡沫体为开孔结构,则需要使用密封剂来防止水分填充泡沫体。

超声波焊接

在接近霍尔效应器件的地方对塑料进行超声波焊接时,必须特别小心,避免引线中的铜基材料发生加工硬化和内部引线发生破损。应避免封装或引线与超声波焊接“头”直接接触。

另外,如前所述,在执行锡焊或焊接操作时不要折弯引线以免它们“像弹簧一样”。如果引线中储存有弯曲或拉张应力,在施以超声能量后,可能会很容易对引线或封装内部的楔形结合点造成损坏。

注:无论使用了哪种装配方法,都必须进行实证检验来评估在整个工作温度范围内最终组件中因应力诱发的参数变化所造成的影响,以确保这些参数保持在允许的限值内。

设计验证测试

在应用开发的研究与设计阶段,客户应严格按照本 应用说明与 www.allegromicro.com 网站上的所有其他说明中所述的注意事项审核最初预期采用的方法。

这些注意事项大都与可能会造成潜在缺陷(如晶片破裂或键合线受损)的机械或热力条件相关。如果存在造成潜在缺陷的可能性,Allegro 建议采取以下测试计划,该计划经常能够将潜在缺陷变成硬失效。为了避免成形操作产生的影响,建议在未进行最终包覆成型、灌封或包封处理的情况下对组件进行测试。

  1. 检查装配线以确定所有可能导致成形不良或引线排列不整齐的步骤。这包括:
    • 引线成形
    • 处理
    • 引线剪切或修齐
    • 在锡焊或焊接之前执行的插入组件操作
    • 在锡焊或焊接之前执行的夹持操作
    • 锡焊或焊接操作本身
    • 应用保护盖或套管
  2. 如果这些步骤会导致引线弯曲或排列不整齐,而这些引线又必须在锡焊或焊接之前被夹持到适当的位置(产生一个弹簧弹力),应特意留一些存在这些缺陷的部件样品,然后将其锡焊或焊接至组件上。
  3. 另外,还应该在尺寸规格内装配一些对照组部件。
  4. 所有部件都要经受 500 个热循环。建议环境条件为:–40°C 至 150°C;在空气中,非液态;转换越快越好。
  5. 在理想的条件下,在循环过程中,应对这些部件进行监控以查看是否存在故障。如果不可行,也可以在循环后对部件进行测试。
  6. 应对部件进行检查,看是否存在封装破裂的迹象或引线与封装之间是否有间隔(这些间隔可能会成为污染物的渗入通道)。另外,也可以采用 C 模式扫描声学显微镜 (CSAM) 进行测试。
  7. 如发生任何故障,请通知 Allegro 以便其查明根本原因。虽然这种测试可用于识别装配流程中的潜在故障点,但不能保证可以识别出每个可能的缺陷。客户有责任采集足够的最终产品样品进行适当的测试,以核实他们是否符合所需的可靠度目标。

    应用工程

    在将一个霍尔效应器件装入组件中时,磁性参数可能会发生一些变化。在许多应用中,这已经成为了一个现场问题,而在这些应用情况下,器件参数和磁铁强度的选择都不允许出现微小的参数变化。应该在整个工作温度范围内对已完成组件进行测试以确定最终组件的运行参数是否接近磁性限值。

    新设计不存在磁性参数问题。Allegro 可提供一种能够整合到预期设计原型中的已校准线性器件(伪高斯计)。该器件的输出读数可以映射出磁场的具体情况,而所得数据可以表明哪种 Allegro 器件类型最适合该磁性回路设计。

    Allegro 的现场工程师可以帮助客户解决各种与成品组件相关的问题。您可以在 Allegro 的联系方式页面查找您所在地区的工程师的联系信息。

    参考:27703.1-AN

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