JP2009168796A - 一体型３軸場センサおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】多軸の磁場または他の場の感知装置および多軸の磁場または他の場の感知装置の製造方法を提供する。
【解決手段】一体型３軸場センサの例として３軸磁気サンサの例を示す。３軸磁気センサ２０はダイ３０の一方の平面内（Ｘ軸、Ｙ軸）に、１つまたは２つの磁気感知素子３２を備え、ダイ３０の反対側の平面外（Ｚ軸）に磁気感知素子３４を備る。ダイ３０は相互接続バンプ３８により回路板６０に接続し、磁気感知素子３２と回路板６０はボンディングワイヤ４０より接続する。
【選択図】図１

Description

本発明は、一体型３軸場センサおよびその製造方法に関する。

磁気感知装置は、磁場を感知し、磁場を表す信号を提供する１つ以上の磁気センサユニットを用いることによって、様々な応用のための磁場（たとえば、１つ以上の磁場）の測定を容易にする。進行方向を決定するナビゲーション応用は、磁気感知装置の人気のある応用である。進行方向は、北または北東のような方角を示してもよい。近接検知のような磁気監視装置の他の応用も可能である。

磁気感知装置中の１つ以上の磁気センサユニットは、磁場の特定の成分の感知を提供するように配置されてもよい。たとえば、第１の磁気センサユニットは、ｘ軸方向により画定される方向の磁場成分を感知するように配置され、第２の磁気センサユニットは、ｙ軸方向により画定される方向の磁場成分を感知するように配置されてもよい。この例において、磁気感知装置は、ｘ軸方向の磁場成分を示す出力信号を提供するために、第１の出力部を持ち、また、ｙ軸方向の磁場成分を示す出力信号を提供するために、第２の出力部を持つことができる。

リードスイッチ、可変磁気抵抗センサ、フラックスゲート磁気センサ、磁気誘導センサ、スピントンネル装置センサ、フラックスゲート、およびホール効果センサ、などの広範囲の磁気センサユニットのタイプが入手可能である。他の磁気センサユニットのタイプは、磁気抵抗性の物質を有する磁気センサユニットである。磁気抵抗性の物質を有する磁気センサの例は、巨大磁気抵抗センサおよび巨大磁気インピーダンスセンサを含む。他の例もまた可能である。

磁気抵抗性物質は、磁気抵抗性物質付近の磁場に部分的に依存して変化する可変抵抗値を備える物質である。磁場にさらされたとき抵抗値を変化させるため、磁気抵抗性物質の感度は特定の磁気抵抗性物質の特性に部分的に依存する。ありふれた磁気抵抗性物質は、米国特許５，５６９，５４４号明細書に記載されている異方性の磁気抵抗性物質（ＡＭＲ）および巨大磁気抵抗性物質（ＧＭＲ）の両者を含み、また、米国特許５，９８２，１７８号明細書に記載されている超巨大磁気抵抗性物質（ＣＭＲ）も含まれる。ＡＭＲ物質のあるタイプは、ニッケル−鉄物質であり、パーマロイ（Permalloy）（商標）として知られている。ＡＭＲタイプの磁気センサユニットは、シリコンウェハーに堆積され、抵抗としてパターン化されたパーマロイの薄いフィルムを含んでもよい。パーマロイから形成される複数の抵抗は、互いに結合されて電気回路を形成する。電気回路は、ホイートストンブリッジ構成のような、ブリッジ構成の形態をとる。

磁気感知装置は、様々な１軸構成および２軸構成のものが入手可能である。磁気感知装置の軸の数は、感知する軸の数または磁場を測定する方向の数を示す。１軸以上の磁気感知装置は、典型的には、複数の軸が互いに直交するように配置される。いくつかの形態の３軸磁気感知装置が入手可能であるが、それらは以下に述べられるような一体型の形態ではない。

本発明は、複数軸の（磁）場感知装置および複数軸の（磁）場感知装置の製造方法を提供する。感知装置の一例は、基板上の３軸センサパッケージであり、基板の両側にセンサがある。基板の一方の面は、Ｘ軸センサおよびＹ軸センサ（あるいは代替的に一体型のＸ−Ｙ軸センサ）を含み、基板の他方の面は、少なくとも１つの傾斜した表面にＺ軸センサを含み、傾斜した表面は、第１表面領域および第２表面領域の両方に対して傾斜している。一方の表面は機械的および電気的に回路板に伝導バンプを介して結合されている。他方の表面は、結合ワイヤ、および／または基板を通して形成されたビアを通して電気的に回路板に接続される。

本発明の好ましい実施形態および代替実施形態を添付の図面とともに以下に詳細に説明する。
図１は、１つの実施形態に従って形成された３軸磁気センサ２０の例を示す図である。センサ２０は、ダイ３０を含み、ダイ３０は、ダイ３０の一方の面に平面内（ｘ、ｙ軸）の１つまたは２つの磁気感知素子を備え、また、ダイ３０の反対側に、平面外（ｚ軸）の磁気感知素子を備える。これについては素子３２および３４を参照されたい。平面内の感知素子および平面外の感知素子の例は、米国特許７，１２６，３３０号明細書に述べられている。これは参照によりここに統合される。

ダイ３０は、相互接続バンプ３８により回路板６０に機械的および電気的に接続される。バンプ３８は、ダイ３０および回路板６０の両方に接着可能な、任意の数の電気伝導性物質（たとえば、はんだ）とすることができる。危険物質に関する制限（Restriction of Hazardous Substances；ＲｏＨＳ）のバンプ物質は、ＳｎＡｇＣｕおよびＳｎＡｇであり、非ＲｏＨＳはＳｎＰｂである。バンプ３８は、リフロープロセスを用いて、感知素子３４上および回路板６０上の電気トレース（図示せず）に接続する。

感知素子３２は、ダイ３０の感知素子３４の反対側に位置し、かつ回路板６０（およびバンプ３８）とともに感知素子３４から電気的に隔離されているので、回路板６０上および感知素子３４上または近傍のトレースに電気的に接続するため、１つ以上のワイヤ４０が、ダイ３０の感知素子３２側の面上の所定の場所および回路板６０に、はんだ付けまたは他の物理的な方法で取り付けられる。

図２は、図１のダイ３０の部分断面図を示す。ダイ３０の製造方法の例は、シリコンウェハー４２の第１の表面上に、所望の感知素子のための所定のパターンに基づく磁気抵抗センサのための標準マスキング技術およびエッチング技術を経て、第１の感知素子３２を形成する。随意の実施形態として、ウェハー４２は、シリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）ウェハーであり、これは、埋め込まれた誘電体（酸化）層４４を備え、感知素子３２は、誘電体層４４の上面上に位置するシリコンの層の中にエッチングされる。感知素子３２が形成された後、金属化（相互接続）層４６が、所定パターンに従って適用され、こうして、感知素子３２に接続するトレースを生成する。ＡｕおよびＡｌが、金属化（相互接続）層４６に用いられる典型的な金属である。それから、ひっかき保護（パッシベーション）層５０が、ダイ３０の反対側の感知素子３４を製造する間および基板を組み立てる間に生じる、ひっかきおよび化学的劣化から感知素子３２および金属化層４６を保護するために適用される。

次に、第２の感知素子３４が、ダイ３０の第２の面上に形成される。第２の感知素子３４は、ウェハー中に直接形成され、少なくとも１つの傾斜した面を作ることから始められる。それから、金属化（相互接続）層４８が、層４６に類似する所定のパターンに従って感知素子３４の上に適用される。それから、相互接続バンプ３８が、はんだ付けおよび他の公知の技術を用いて、電気的および機械的に金属化（相互接続）層４８に結合される。次に、ひっかき保護層５８が、金属化（相互接続）層４８および感知素子３８の上に適用される。ひっかき保護層５８は、その後、金属化（相互接続）層４８の一部に露出させるために、エッチングされ、バンプ３８の接続を可能にする。最後に、ダイ３０の頂部表面に適用されたひっかき保護層５０は、ワイヤ４０の金属化層４６への接続を可能にするために、所定の位置において取り除かれる。

図３は、一体型３軸磁気センサ１００の他の実施形態を示す。磁気センサ１００はダイ１０６、ダイ１０６の第１の面に位置する第１の感知素子１０８、第１０６の第２の面に位置する第２の感知素子１１０を備える。感知素子１０８および１１０は、図１および２に関して説明したのと同様の、および、米国特許第７，１２６，３３０号に説明されている手法で形成される。センサ１００は、第１の感知素子１０８をダイ１０６の第２の面上の導体に接続するために、ダイ１０６内に形成された１つまたはそれ以上のビアを有する。これは、ダイ１０６を回路板１２０に接続するバンプ１１４を介して、信号が、第１の感知素子１０８と回路板１２０上に位置する回路部品（図示せず）との間を通過することを可能にする。

図４に示されているように、シリコンウェハー１２６の第２の面上に第２の感知素子１１０が形成された後に、金属化（相互接続）層１３０が、第１の感知素子１１０の一部の上に形成される。それから、図２と同様に、保護層１３４が、金属化（相互接続）層１３０および第２の感知素子１１０の上に形成される。次に、ビア１１２が、任意数の所定のエッチング技術（たとえば、ＫＯＨエッチング、ＲＩＥなど）を用いて、シリコンウェハー１２６を第１の面から金属化（相互接続）層１３０までエッチングすることにより形成される。ビア１１２は、第１の感知素子１０８がウェハー１２６の第１の面に形成される前または後に形成されてもよい。ビアが形成された後、金属化層１３６を介して第１の感知素子１０８をウェハー１２６の第２の面に電気的に接続するため、金属化（相互接続）層１３６が所定のパターンに従って適用される。ひっかき保護層１３４が、補助的に、金属化（相互接続）層１３６および第１の感知素子１０８を含む第１の面の上に適用される。最後に、ダイ１０６を回路板１２０に機械的および電気的に接続するため、ひっかき保護層１３４が取り除かれ（たとえば、区域１４０）、所定位置で金属化（相互接続）層１３０の一部が露出される。それから、１つまたはそれ以上のバンプ１１４が、露出された金属化層１３０に結合される。これにより、回路板１２０上の電気部品と任意の感知素子１０８、１１０との間で、信号を伝達できるようになる。

図５は、本発明の他の実施形態を示しており、これは図１および３に示した実施形態の組み合わせであり、センサ１８０を形成している。バンプ３８または１１４は含まれない。ダイ１０６は図３に示したダイに類似しており、感知素子１０８、１１０をダイの対向する面上に備え、ダイ１０６を通るビア１１２を備える。しかし、ダイ１０６は、直接回路板１２０に取り付けられており（バンプがない）、感知素子１０８、１１０は、１つまたはそれ以上の、ワイヤ４０に類似するリードワイヤ１４０により、電気的に回路板１２０に取り付けられる。

図６に示されているように、２つのセンサ１５０、１５２は、ダイ１５４の一方の面上の傾斜した面に形成または取り付けられる。あらかじめエッチングされた傾斜面は、センサ１５０、１５２が直交する場／力を計測することを可能にする。これについては、米国特許第７，１２６，３３０号により詳細に説明されている。

本発明の好ましい実施形態が図示および説明されたが、前述のように、多くの変更形態が、本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく可能である。たとえば、製造工程は、異なる順序で任意に行うことができる。また、保護層のようないくつかの層は、補助的な追加とすることができる。また、センサは、電場、重力場等の他の異なるタイプの場のセンサであってもよい。センサは、場あるいは力（たとえば加速度）を計測する、異なるタイプの任意の数のセンサであってもよい。従って、本発明の範囲は、好ましい実施形態の開示に限定されない。本発明は、添付の特許請求の範囲を参照することにより完全に決定されるべきものである。

３軸磁気センサの例の側面図である。 図１に示すセンサの例の部分断面図である。 本発明の代替実施形態における３軸磁気センサを示す図である。 図３に示すセンサの例の部分断面図である。 本発明の他の例の部分断面図である。 ダイの同じ面に位置する２つの感知素子の拡大断面図である。

Claims (3)

1. 実質的に平行な第１の面および第２の面を備える基板上の、一体型の多軸の場の感知装置であって、
   １つまたはそれ以上の軸に沿った場を感知するための、前記第１の面上に形成された、１つまたはそれ以上の場のセンサ（３４）と、
   １つまたはそれ以上の軸に沿った場を感知するための、前記第２の面上に形成された、１つまたはそれ以上の場のセンサ（３２）と、
   前記第１の面を回路板（６０）に機械的に結合し、前記第１の面上に形成された対応する１つまたはそれ以上の前記センサを、前記回路板上の部品に電気的に結合するように構成された１つまたはそれ以上の結合装置と、
   前記第２の面上の対応する１つまたはそれ以上の前記センサ（３２）を、前記回路板上の部品に電気的に結合するように構成された１つまたはそれ以上の装置と、
   を有する場の感知装置。
2. 請求項１に記載の場の感知装置であって、前記第１の面上に形成された１つまたはそれ以上の前記センサ（３４）は、前記第１の面の平面外の場を測定するように構成されたセンサ、または、前記第１の面の平面内の２つの直交する軸の少なくとも一方に沿って場を測定するように構成されたセンサのうちの１つを有する、場の感知装置。
3. 請求項１に記載の場の感知装置であって、１つまたはそれ以上の前記結合装置は、伝導性バンプ（３８）を有する、場の感知装置。

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