發布日期：2022-04-26 點擊率：102
作者：John Sauber 與 Bradley Smith，Allegro MicroSystems, LLC
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霍爾效應是 E. H. Hall 于 1879 發現的，是所有霍爾效應器件的基礎。將這一物理效應與現代的集成電路 (IC) 技術結合在一起就可以設計出很多有用的磁性感測產品。在適當地偏置的情況下，霍爾元件可以產生一個與磁場成正比的輸出電壓。這個小電壓將通過高品質放大器進行處理，從而產生一個與外加通量密度成正比的模擬信號。在 Allegro? 霍爾效應器件中，該信號經過調整處理和優化后適用于各種磁性輸入，以便產生適當的電力輸出。
霍爾效應元件通過修正輸出電壓與磁通密度曲線對應力作出回應。為此，設計人員（從芯片設計到最終客戶）必須了解來自熱源或機械源的環境應力會對霍爾效應元件的輸出產生影響。芯片設計人員要預先考慮芯片的最終用途、設計補償電路并以最大程度地降低預期環境影響的方式將多個霍爾元件連接到一起。當適當的 IC 設計與適當的封裝設計相匹配時，環境影響可以降至最低。
雖然穩健的設計技術可以極大地降低封裝應力可能會對霍爾效應 IC 的運行造成的影響，但還有一點比較重要的是，組件制造商應采取預防措施以避免出現外部應力，例如因包覆成型、膠粘、焊接、引線折彎或成形、引線剪切或修齊、或夾持引起的應力。
除了要避免會影響電氣參數的應力之外，還要避免可能會造成任何可靠性風險的應力。為了避免這類問題的出現，本應用說明提供了進行組件設計的相關指引。
本文概述了適用于霍爾效應器件安裝的大多數裝配方法，但并未闡述傳統電路板的錫焊方法。如需了解關于這一主題的信息，請參考 Allegro 網站上的“ Allegro 產品的錫焊方法（SMD 與穿孔）”板塊。
封裝上的好幾個位置都極易受到應力的影響，如圖 1 所示。無論使用何種方法來構建組件，都必須最大程度地降低這些地方的應力，這一點非常重要。
圖 1：對應力較為敏感的位置。(A) 對晶片面施加的外力可能會引起晶片破裂和參數變化。(B) 對線纜施加的外力可能會對楔形或球形結合點造成損壞。(C) 對引線施加的外力或彎曲力矩可能會導致楔形結合點損壞和封裝破裂。
圖 1 中所示的位置與以下故障模式有關：
(A) 對晶片面施加的外力可能對導致晶片破裂。晶片可能會立即失效，也可能會產生一個裂紋、造成潛在缺陷。請參閱“設計驗證測試”部分了解與識別潛在缺陷相關的信息。對晶片施加的外力還可能會引起電氣參數變化。如果必須對晶片面施加外力，應確保該力均勻地分布在整個上表面上。
(B) 對金絲鍵合線施加的外力可能會對球形結合點（位于線纜的晶片端）造成損壞或導致楔形結合點（位于線纜的引線框端）破裂。這些線纜非常小，橫截面積大約為人的頭發的九分之一（見圖 2）。楔形結合點的“頸部”更小，橫截面積大約為線纜的四分之一。模塑料的任何變形或移動（相對于線纜而言）都可能會造成損害，如圖 2（右面板）所示。此外，它還可能會使部件立即發生故障或造成潛在缺陷。
(C) 對引線施加的外力或彎曲力矩可能會對楔形結合點造成損壞（很可能會造成一個潛在缺陷）或導致封裝破裂。
圖 2：（左邊）金絲鍵合線 (?0.025 mm) 的橫截面積大約相當于人的頭發 (?0.076 mm) 的九分之一，這說明該鍵合線非常脆弱。（右邊）楔形結合點“頸部”的厚度大約相當于鍵合線的四分之一，因此，該結合點很可能會成為故障點。
在封裝內部，僅有一小部分引線嵌入了模塑料中。在采用 K 型封裝的情況下（如圖 3 所示），僅有 0.8 mm 的引線（長度為 15.5 mm）位于模塑料內部。由此產生的杠桿臂以十九倍的系數放大外力，因此，即便是很小的外力也可能會對楔形結合點造成損壞。正因為如此，在引線成形期間務必要遵循引線夾持指引，在執行其他處理步驟時也要避免對引線施加外力。
圖 3：在執行任何引線成形操作之前都必須先夾緊引線。在杠桿作用的影響下，即使是向引線的端部施加一個小負載，其效果也會成倍增加（在這個封裝中將呈 19 倍增加），在楔形結合點處產生一個較大的負載。
在客戶設施內執行引線成形操作通常是使用霍爾效應器件之前必做的一項準備工作。對于大多數 Allegro 器件而言，下一節“標準成形程序”中所述的一些簡單的預防措施可以確保引線成形操作不會為引線、環氧樹脂外殼或內部 IC 帶來損傷應力。雖然應該始終采取這些預防措施，但就某些采用強化引線支撐的 Allegro 齒輪齒傳感器 IC (ATS) 封裝而言，可能存在一些例外情況。這些例外情況將在下文的“ATS 封裝注意事項”小節中進行描述。
一些簡單的預防措施可以確保引線成形操作不會為引線、環氧樹脂外殼或內部 IC 帶來損傷應力。
不應該在距離封裝外殼 0.76 mm 以內的地方對引線進行成型加工或剪切操作，而且必須對引線的上下端加以支撐，以確保在執行引線成形操作時此處不會有任何移動或應力產生（見圖 4）。
圖 4：引線成形操作的設置。
引線成形機應充分夾緊引線（頂部和底部），以確保在成形過程中不會產生試圖將引線拉出環氧樹脂封裝外殼的牽引力。最好是在引線成形期間對封裝主體進行物理隔離，以確保沒有任何外力可以轉移到該封裝主體上。
所有折彎工作都必須在平砧上進行且彎曲半徑至少為引線厚度的一半。
在彎曲區，不得通過擠壓成形機與鐵砧之間的引線使引線變形。必須通過過度彎曲（而非變形）方法來消除回彈。
如果使用了滾壓成形工具而非推桿，那么會有少量的應力轉移到封裝上。應優先選擇使用滾壓成形方法。
在引線成形操作完成后，可能會在引線表面留下加工痕跡。只要這些痕跡不會穿透鍍層、露出引線框基底金屬，那就可以接受。
某些 Allegro 齒輪齒傳感器 IC (ATS) 封裝的設計可以將霍爾傳感器 IC 與極片或反向偏壓稀土球團礦等元件結合在一起、構成一個優化器件。
對于 SA 和 SB 封裝的引線成形，Allegro 建議操作人員遵循“標準成形程序”小節提供的所有建議。
SE、SG、SH 和 SJ 封裝具有一個模制引線棒（如圖 6 所示），它可以讓引線在運輸和處理期間保持在同一平面和適當的位置上。在執行引線成形操作時確保連上了模制引線棒。在所有引線成形工作完成之前，切勿移動該棒。這可以防止引線分散開并且可以優化引線的平面度和間隔間距。
圖 6：用于約束某些封裝上的引線以便于進行處理的模制引線棒。
如前幾小節所述，必須充分夾緊引線以防止在成形過程中發生引線拉扯的情況。檢查鍍層上的“裝配標記”，看是否已充分夾緊。
引線頂端的鍍層上應具有均勻的夾痕。這些痕跡應該：
表明每條引線的大部分寬度上的夾持情況都保持一致，
? 表明所有引線的夾持形狀和深度相同。
引線的底部也應該有均勻的夾痕。此外，還有一項附加標準：應該磨平引線底部的沖模毛邊（壓膜制品）。如果未磨平毛邊，夾持力就會不足。
夾持力也不能太大，否則就會改變基底金屬的橫截面形狀或者對模塑料造成可見損傷。
Allegro 封裝主體所用的熱固性模塑料具有一個玻璃轉化溫度 Tg，范圍一般在 140°C 至 160°C 之間。在模塑料的溫度超過 Tg 水平時，其強度就會大打折扣。正因為如此，在任何流程的溫度超過 Tg 時，都必須注意不要向圖 1 所示的任何位置施加負載。
除了在溫度超過 Tg 時強度會降低以外，模塑料還會受到粘塑性（蠕變）的影響，即，將會隨著時間的流逝逐漸變形。由于隨后的高溫處理流程會引起引線移動，還會對楔形結合點造成損壞，所以必須注意防止引線變形以至于“像彈簧一樣”。
如果一個流程要求對成形引線進行錫焊或焊接，必須牢記以下三個原則：
不要太短 —— 如果可能的話，最好避免使用太短的引線。比較長的引線更容易彎曲且在此過程中不會產生比較大的力。這樣不僅可以允許存在一定的對準和成形偏差，還可降低由于與引線框（引線將被錫焊至該引線框上）之間的膨脹不匹配而產生的應力。
不要太熱 —— 如上所述，模塑料的強度在高溫下會大幅下降。錫焊與焊接操作應在溫度最低時在最短的時間內完成。使用一根比較長的引線還可以最大程度地減少到達器件外殼的熱量。
不要“像彈簧一樣” —— 雖然允許存在一定的成形與對準偏差，這意味著引線在焊接或錫焊過程中通常需要略有變形，但變形幅度越小越好。如果必須對一條正在使用的引線進行大幅度彎曲，則該引線中應該存在彈簧儲能。隨后的任何高溫處理操作（例如包覆成型）或長時間暴露在高溫工作環境下都可能會導致引線在模塑料內移動，從而造成楔形結合點故障。
如果擔心既定工藝或設計可能會對引線帶來高應力，進而可能造成可靠性風險，請參考“設計驗證測試”部分了解如何識別潛在缺陷。
除了本應用說明中提供的信息以外，還可參考 Allegro 網站上的“Allegro 產品的錫焊方法（SMD 與穿孔）”板塊。其中包括引線精加工指南、焊料、助溶劑、應避免的污染物和通用的工藝參數等。
如本節所述，由于器件外殼和鍍層的幾何尺寸較小，在進行焊接時應特別小心并且要做好規劃和進行流程測試。目前已經成功投入使用的焊接方法有兩種：傳統的電阻焊接和一種被稱為“熔錫”的焊接方法。具體選擇使用哪種方法取決于具體應用和生產條件。
電阻焊接是指加熱要連接在一起的部件直至基底金屬（銅）變為塑性狀態，然后將這些部件鍛造到一起。
熔錫是指蒸發一薄層鍍錫液，形成超凈的基底金屬表面，然后施加壓力使兩個部件之間產生極強的擴散粘結力。這是首選方法。
許多傳統電阻焊接設備也適用于熔錫，差別在于后者所使用的電壓和電流更低。
對于小型電子器件而言，熔錫可能比電阻焊接更有優勢：
在不損壞部件的情況下，很難對銅與銅進行電阻焊接。
熔錫的操作速度較快且不需要熔化基底金屬，因此與焊接相比，它引起的變形幅度更小。
熔錫可讓基底金屬與基底金屬之間產生一種擴散粘結力，這種粘結力通常比通過焊接（對銅與銅進行焊接）產生的粘結力更強。
降低所使用的電流水平是這種方法的一種優勢。與電阻焊接相比，熔錫需要更少的電流。為避免器件過熱，應使用最小的電流來產生可靠的粘結力。這樣也有助于降低電力成本。圖 7 和圖 8 為對比示例。
圖 7：焊接期間余熱造成的損壞，包括基底金屬變形和鍍錫液流動。焊接時的電流為 1700 A、電壓為 1.0 V，用時 11 ms。
圖 8：在較低的電流水平（電流為 1100 A、電壓為 0.8 V，用時 10 ms）條件下焊接的引線。所造成的損害微乎其微，接合點的拉引強度基本上與圖 7 中過熱引線的強度相同。
應避免使用較短的引線，這是因為他們可能會引起以下問題：
焊接可以讓引線變平整，如果引線非常短，則平整區域可能會損壞模塑料。另外，在接近封裝外殼的地方平整引線時，引線會發生橫向移動，從而可能會對楔形結合點造成損壞或致使引線之間短路（見圖 9）。
焊接作業會產生高溫，如果引線太短，產生的高溫可能會對封裝主體造成損壞。
圖 9：在焊接較短的引線時因引線平整造成的損壞。
在理想的情況下，應使用約 100% 的鍍錫液進行熔錫。鍍錫液中所包含的鉛 (Pb) 不會影響粘結質量，但 Pb 的處理卻會造成一個潛在的環境健康風險。在熔錫期間，兩個部件接觸處的鍍液會發生汽化。對于涉及到 Allegro 部件的典型焊接而言，這個過程會釋放至少 2 μg 的鉛 (Pb)。必須以安全環保的方式收集并處置鉛 (Pb) 蒸汽。
許多種銅合金都可以順利地進行焊接。應由焊接設備的供應商決定最佳選擇。
一般來說，應避免使用可伐合金或 42 合金等含鐵的合金，這是因為他們很難用鍍錫液焊接到銅制引線框上。
通過使用激光，可以將鍍錫銅引線焊接到銅制引線框上。相關注意事項與熔錫類似；因此，應避免耗費過多功率，這一點非常重要?？梢允褂谩案墒健焙附樱且部梢允褂煤稿a膏，而且焊錫膏可以提供更佳的焊錫圓角，產生更強的粘結力。由于一個激光光斑僅能聚焦于一個非常小的區域，所以必須注意確保粘合表面積足以產生很強的粘結力。
Allegro 采取了一些措施來為熔錫焊接提供鍍錫鐵皮。根據典型的行業標準，鍍層平均厚度應為 14 μm，但是 Allegro 選用了 11.5 μm 的標準平均厚度。厚度的縮減有助于更好地控制電鍍液參數、實現卓越的表面處理效果和優良的焊接性能。它對熔錫而言也比較有利，這是因為在這種情況下只有很少的錫需要熔化，方便控制飛濺。
大多數膠粘、涂覆、灌封或包封方法都會對封裝增加應力，從而可能導致電氣參數變化和部件分散。
將一個器件膠粘到一個制成組件的型腔中是一種常見的霍爾效應接口裝配方法?；驹瓌t如下：
盡可能地使粘合劑或模塑環氧樹脂的膨脹特性與膨脹率為 12 至 30 ppm/°C 的元件用環氧樹脂相匹配。大多數高填充（非導電性）環氧樹脂都屬于這一范疇，通常都是比較好的選擇。
表面貼裝元件裝配用環氧樹脂也可以用于粘合模塑元件。這些材料不符合霍爾器件的特性并且與填充環氧樹脂也不匹配，但是它們的優勢是在處理非常微小的圓點尺寸方面非常有效，而且還能快速固化。
氰基丙烯酸鹽粘合劑（ “強力膠” ）對于膠粘霍爾效應器件而言并不是一個好的選擇，原因在于它在固化時具有很高的收縮率。如果僅在器件的一面使用了粘合劑，那么這種收縮會使器件彎曲并造成危險的應力。這些粘合劑還能進行生物降解并能在多種普通環境中消散。
共形涂覆通常被用于提供環境保護與一定程度的機械保護。在阻隔污染物方面，關鍵屬性包括水蒸氣穿透率和氧氣滲透性?；谶@些標準，最佳選擇為（按順序）：
丙烯酸氨基甲酸酯
環氧樹脂
硅氧樹脂
使用熱固性或熱塑性材料包覆成型的完全包封式霍爾效應器件可能會引起參數變化。應該對采用這種方式包封的霍爾效應器件進行重新測試以檢測其在整個應用溫度范圍內的性能。熱塑性塑料成型所需的溫度通常高于引線鍍層的回流溫度，因此模具設計必須能確保鍍層不會被熔化（錫的熔點是 232°C）。如果鍍層在模制過程中被熔化，它可能會朝與器件主體相反的方向流動并導致相鄰引線之間電氣短路。
熱塑性模具內的型腔壓力非常高。一般來說，純粹的靜水壓力只要完全處于鑄模型腔內就不會損壞器件。模具設計必須能確保在模制過程中不會對霍爾器件產生彎曲力。彎曲應力可能會改變器件參數，如果足夠高，還可能會使環氧樹脂封裝內的晶片破裂。
在霍爾器件構成了注塑模具型腔中的一個塞柱并由引線支承的情況下，必須對器件的端部加以支撐，這一點非常重要。如果器件與模具型腔的端部之間存在空隙，那么該器件可以用作一個活塞推進模具型腔中，以拉引和拉伸引線。
完全封閉一個模塑霍爾效應器件的最安全的方式是設計一個能與器件進行滑配連接的外殼（頂蓋或套管）。然后，可以對器件進行包覆成型、灌封處理或將其膠粘到位。需要牢記以下幾個注意事項：
避免頂蓋或套管與引線之間存在任何干擾。向引線施加的任何外力都可能會造成彈簧加載，從而可能在包覆成型器件對楔形結合點造成損壞或者延長高溫作業時間。
壓裝應用通常都非常緊密，而且需要一個很大的力以便進行插入。這種力可引起線纜、線纜結合點或硅 IC 故障，因此應減小。
在插入期間，有必要適當地撐持著器件，以最大程度地降低作用在封裝上的力。在插入時還不得夾持或壓緊封裝的平面（標記面），可以優先考慮使用封裝的側面和背面。
包膠模具的位置也是一個值得關注的問題：
盡量減小晶片面上包膠模具的厚度，這是最大程度地降低作用在晶片上的應力以及發生晶片破裂和參數變化風險的一種有效方法。
避免將包膠模具的澆口直接安置在晶片上，因為在模制過程中產生的熱沖擊可能會增加晶片破裂的風險。
如果可能的話，模具的分型線應避免出現在晶片面上。由于存在半模錯位，這有時可能會在包膠模具中創造一個“梯階”，它可以作為一個晶片上的一個應力集中點并且（可能）會增加晶片破裂的風險。
避免將頂桿放置在晶片面上，因為這很可能會導致晶片破裂。
可以使用熱固性材料或熱塑性材料。按照以下屬性來選擇材料可以最大程度地減少應力以及參數變化或晶片損壞的風險：
低熱膨脹系數 (CTE)
低彈性模量
低成型溫度
大多數包膠模具材料都不具備密封性，不能完全阻止污染物滲入器件。在汽車應用領域（在這種應用中，組件可能會暴露在惡劣環境中并與自動變速箱油 (ATF)、鹽水和制動液等物質直接接觸），要特別注意這一問題。在進行包覆成型處理之前先進行共形涂覆處理可以防止水分侵入、大幅降低風險，但不能完全消除這些風險。
灌封是最好的裝配方法之一，它不會產生應力。選擇灌封混合物的標準是該材料應具備與上述包覆成型材料相同的屬性，即：低 CTE、低模量和低固化溫度。
采用諸如硅橡膠或聚氨酯橡膠等彈性材料進行灌封可以減少應力。但是，如果彈性材料被密閉在外殼內，由于熱膨脹系數不同，仍有可能會產生應力。彈性材料通常具有較高的膨脹率。因此，要么將灌封容器的一端打開，要么至少在內部留一些空隙以滿足膨脹需求。
采用彈性泡沫體進行灌封可以有效地控制熱膨脹造成的應力和密閉元件。如果所用的泡沫體為開孔結構，則需要使用密封劑來防止水分填充泡沫體。
在接近霍爾效應器件的地方對塑料進行超聲波焊接時，必須特別小心，避免引線中的銅基材料發生加工硬化和內部引線發生破損。應避免封裝或引線與超聲波焊接“頭”直接接觸。
另外，如前所述，在執行錫焊或焊接操作時不要折彎引線以免它們“像彈簧一樣”。如果引線中儲存有彎曲或拉張應力，在施以超聲能量后，可能會很容易對引線或封裝內部的楔形結合點造成損壞。
注：無論使用了哪種裝配方法，都必須進行實證檢驗來評估在整個工作溫度范圍內、最終組件中因應力誘發的參數變化所造成的影響，以確保這些參數保持在允許的限值內。
在應用開發的研究與設計階段，客戶應嚴格按照本 應用說明與 www.allegromicro.com 網站上的所有其他說明中所述的注意事項審核最初預期采用的方法。
這些注意事項大都與可能會造成潛在缺陷（如晶片破裂或鍵合線受損）的機械或熱力條件相關。如果存在造成潛在缺陷的可能性，Allegro 建議采取以下測試計劃，該計劃經常能夠將潛在缺陷變成硬失效。為了避免成形操作產生的影響，建議在未進行最終包覆成型、灌封或包封處理的情況下對組件進行測試。
檢查裝配線以確定所有可能導致成形不良或引線排列不整齊的步驟。這包括：
引線成形
處理
引線剪切或修齊
在錫焊或焊接之前執行的插入組件操作
在錫焊或焊接之前執行的夾持操作
錫焊或焊接操作本身
應用保護蓋或套管
如果這些步驟會導致引線彎曲或排列不整齊，而這些引線又必須在錫焊或焊接之前被夾持到適當的位置（產生一個彈簧彈力），應特意留一些存在這些缺陷的部件樣品，然后將其錫焊或焊接至組件上。
另外，還應該在尺寸規格內裝配一些對照組部件。
所有部件都要經受 500 個熱循環。建議環境條件為：–40°C 至 150°C；在空氣中，非液態；轉換越快越好。
在理想的條件下，在循環過程中，應對這些部件進行監控以查看是否存在故障。如果不可行，也可以在循環后對部件進行測試。
應對部件進行檢查，看是否存在封裝破裂的跡象或引線與封裝之間是否有間隔（這些間隔可能會成為污染物的滲入通道）。另外，也可以采用 C 模式掃描聲學顯微鏡 (CSAM) 進行測試。
如發生任何故障，請通知 Allegro 以便其查明根本原因。雖然這種測試可用于識別裝配流程中的潛在故障點，但不能保證可以識別出每個可能的缺陷?？蛻粲胸熑尾杉銐虻淖罱K產品樣品進行適當的測試，以核實他們是否符合所需的可靠度目標。
在將一個霍爾效應器件裝入組件中時，磁性參數可能會發生一些變化。在許多應用中，這已經成為了一個現場問題，而在這些應用情況下，器件參數和磁鐵強度的選擇都不允許出現微小的參數變化。應該在整個工作溫度范圍內對已完成組件進行測試以確定最終組件的運行參數是否接近磁性限值。
新設計不存在磁性參數問題。Allegro 可提供一種能夠整合到預期設計原型中的已校準線性器件（偽高斯計）。該器件的輸出讀數可以映射出磁場的具體情況，而所得數據可以表明哪種 Allegro 器件類型最適合該磁性回路設計。
Allegro 的現場工程師可以幫助客戶解決各種與成品組件相關的問題。您可以在 Allegro 的聯系方式頁面查找您所在地區的工程師的聯系信息。
參考：27703.1-AN
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