應用錫球陣列與覆晶技術之CMOS微磁通閘設計及製作

Design and Fabrication of CMOS Micro-Fluxgate Magnetic Field Sensors with BGA and Flip-Chip Technologies

邱士良(Shih-Liang Chiu)

指導教授 ： 呂志誠 ； 鄭振宗

國立臺北科技大學/機電學院/機電整合研究所/碩士(2014年)

摘要

本研究設計並製作運用CMOS製程及BGA錫球覆晶技術之雙磁芯微磁通閘感測器，並分析各種設計條件對元件的影響。覆晶式微磁通閘為先前銲線式微磁通閘的改良，由兩片具有相同感應與激發線圈的CMOS晶片以覆晶形態組成，透過的錫球陣列作上下晶片的電極連接。相較於銲線式微磁通閘，覆晶式微磁通閘具有兩倍的感應線圈的匝數，可達到更高的靈敏度。CMOS晶片的感應線圈及激發線圈採用TSMC 0.35μm 2P4M 製程，晶片整體面積為2.7 mm 2.4 mm，磁芯的製作及晶片貼合採用微影蝕刻及覆晶技術。為充份探討激發條作對覆晶式磁通閘的影響，我們也利用印刷電路板製作大尺度覆晶微磁通閘並測定其特性，證明此種設計可以達到高靈敏度以及低雜訊。經實驗結果證實，在激發頻率50 kHz及激發電流600 mA下，轉移率為593.44 V/T而雜訊可達0.054 nT/√Hz。此感測器設計充分改善本實驗室先前銲線式磁通閘之設計，除了增加其結構之穩定性外，更使感應訊號強度增為兩倍。未來針對設計與製程持續改良，將可實現靈敏且易於製造的微磁通閘感測器。

關鍵字

磁通閘 ； 磁場感測器 ； CMOS ； 覆晶技術 ； BGA錫球

並列摘要

In this study, we design and fabricate a micro fluxgate magnetic sensor with dual magnetic cores by CMOS process and BGA (Ball Grid Array) flip-chip techniques, and analyze the effect caused by different design. The micro fluxgate fabricated by flip-chip improves from wire-bonding, using two identical chips to complete the whole excitation and be connected by BGA attached to electrode.
Compared to wire-bonding type, this new design contains a pick-up coil with double turns ,which can increase the sensitivity. The chips is fabricated by TSMC 0.35 μm 2P4M processes. The overall area of a single chip is 2.7 mm 2.4 mm. We use photo-lithography technique to fabricate the magnetic cores and use flip-chip concept to design the whole structure. In order to discuss more about the influence about the excitation toward the performance, we also use PCB to design a micro fluxgate with larger scale to verify the feasibility of the flip-chip concept and found that this design has a higher sensitivity and lower noise. In 50 kHz excitation frequency, and excitation current is 600 mA, the transfer coefficient is 593.44 V/T and the noise is 0.054 nT/√Hz.
In this new design we improve the previous wire-bonding structure, enhance the stability and double the pick-up signal. In the future, the design and fabrication processes can be improved consistently to realize a sensitive and easy-to-fabricate micro fluxgate sensor.

並列關鍵字

Fluxgate ； Magnetic Sensors ； CMOS ； Flip-chip ； BGA

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