JP2023096583A - センサーモジュール - Google Patents

Abstract

【課題】優れた検出精度を有するセンサーモジュールを提供する。【解決手段】センサーモジュール１は、回路基板１３と、回路基板１３の平面１４方向に沿う検出軸Ｈを有するセンサー素子５０と、センサー素子５０を収容し、回路基板１３上に実装されているセンサーパッケージ１５と、回路基板１３上に配置されているセンサーパッケージ実装用の基板ランドパターン３０と、センサーパッケージ１５の回路基板１３に対向している実装面１６に配置され、半田１８によって基板ランドパターン３０に接合されるパッケージ電極４０と、を備え、基板ランドパターン３０の回路基板１３の平面１４方向に沿う第１方向の幅をＸｐ、パッケージ電極４０の第１方向の幅をＸ１、としたとき、Ｘｐ≦Ｘ１である。【選択図】図３

Description

本発明は、センサーモジュールに関する。

近年、直交する２軸又は３軸まわりの角加速度を検出するために、２つ又は３つのジャイロセンサーを、検出軸を相互に直交させて配置したセンサーモジュールが開発されている。このようなセンサーモジュールとして、例えば特許文献１には、配線基板上に表面実装され、検出軸が配線基板に平行で互いに直交しているセンサー用振動片を収容した２つのパッケージを備えたセンサーモジュールが開示されている。そして、配線基板側のパッケージ実装用のランドパターンとなる接合端子は、平面視で、パッケージの実装用のパッケージ電極となる実装端子よりも大きい構成が記載されている。

特開２００８－５１６２９号公報

しかしながら、特許文献１に記載されたセンサーモジュールは、パッケージ側のパッケージ実装用のランドパターンが、パッケージのパッケージ電極よりも大きいので、パッケージを配線基板に実装する半田リフローの際に溶融した半田の表面張力により、パッケージが配線基板の平面方向に回転移動し、回転に伴い検出軸の方向が変化することによって検出精度が悪化する、という課題があった。

センサーモジュールは、回路基板と、前記回路基板の平面方向に沿う検出軸を有するセンサー素子と、前記センサー素子を収容し、前記回路基板上に実装されているセンサーパッケージと、前記回路基板上に配置されている前記センサーパッケージ実装用の基板ランドパターンと、前記センサーパッケージの前記回路基板に対向している実装面に配置され、半田によって前記基板ランドパターンに接合されるパッケージ電極と、を備え、前記基板ランドパターンの前記回路基板の前記平面方向に沿う第１方向の幅をＸｐ、前記パッケージ電極の前記第１方向の幅をＸ１、としたとき、Ｘｐ≦Ｘ１である。

第１実施形態に係るセンサーモジュールの概略構造を示す斜視図。 センサーモジュールの内部構造を示す斜視図。 センサーモジュールの内部構造を示す側面図。 センサーパッケージに設けられたパッケージ電極を示す平面図。 回路基板の基板ランドパターンとセンサーパッケージのパッケージ電極との位置関係を示す平面図。 センサーパッケージの回転移動に伴う検出軸ずれを説明する図。 センサーパッケージに実装されたセンサー素子の概略構造を示す平面図。 図７中のＡ－Ａ線における断面図。 第２実施形態に係るセンサーモジュールの内部構造を示す側面図。 回路基板の基板ランドパターンとセンサーパッケージのパッケージ電極との位置関係を示す平面図。 第３実施形態に係るセンサーモジュールの備えるセンサーパッケージのパッケージ電極を示す平面図。 回路基板の基板ランドパターンとセンサーパッケージのパッケージ電極との位置関係を示す平面図。

１．第１実施形態
先ず、第１実施形態に係るセンサーモジュール１について、図１～図６を参照して説明する。

尚、センサーモジュール１が備える慣性センサー２１，２２，２３は、検出軸Ｈまわりの角速度を検出するジャイロセンサーを一例として挙げ説明する。また、説明の便宜上、図２では、金属キャップ１２を取り外した状態を図示している。また、図３は、Ｙ方向プラス側から見た側面図である。また、図２、図３、及び図５では、回路基板１３上に設けられた抵抗やコンデンサー等の回路部品及び配線の図示を省略している。

また、以降の斜視図、側面図、及び平面図には、互いに直交する３つの軸として、Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸を図示している。Ｘ軸に沿う方向を「Ｘ方向」、Ｙ軸に沿う方向を「Ｙ方向」、Ｚ軸に沿う方向を「Ｚ方向」と言い、各軸の矢印側を「プラス側」、矢印と反対側を「マイナス側」と言う。

本実施形態に係るセンサーモジュール１は、図１及び図２に示すように、複数のリードフレーム１１を備え、モールド樹脂で構成されたベース部１０、ベース部１０内に配置された回路基板１３、回路基板１３を覆いベース部１０に接合された金属キャップ１２、及び回路基板１３上に実装された３つの慣性センサー２１，２２，２３を有する。第１慣性センサー２１は、検出軸ＨをＸ軸とするＸ軸まわりの角速度を検出するジャイロセンサーであり、第２慣性センサー２２は、検出軸ＨをＹ軸とするＹ軸まわりの角速度を検出するジャイロセンサーであり、第３慣性センサー２３は、検出軸ＨをＺ軸とするＺ軸まわりの角速度を検出するジャイロセンサーである。

回路基板１３は、平板であり、上面である平面１４上にセンサー素子５０を収容したセンサーパッケージ１５実装用の複数の基板ランドパターン３０が配置されており、基板ランドパターン３０上に半田１８を介してセンサーパッケージ１５が実装されている。尚、第３慣性センサー２３は、回路基板１３の平面１４方向と直交する検出軸Ｈを有するセンサー素子５０を備えている。そのため、第３慣性センサー２３は、上下面が回路基板１３の平面１４と平行になるように実装されている。

しかし、第１慣性センサー２１と第２慣性センサー２２とは、回路基板１３の平面１４方向に沿う検出軸Ｈを有するセンサー素子５０を備えている。つまり、第１慣性センサー２１は、第１センサーパッケージ１５Ｘに回路基板１３の平面１４方向に沿うＸ軸を検出軸Ｈとする第１センサー素子５０Ｘを収容している。また、第２慣性センサー２２は、第２センサーパッケージ１５Ｙに回路基板１３の平面１４方向に沿うＹ軸を検出軸Ｈとする第２センサー素子５０Ｙを収容している。つまり、第１センサー素子５０Ｘの検出軸Ｈの方向と第２センサー素子５０Ｙの検出軸Ｈの方向とは、互いに異なっている。そのため、図３に示すように、第１慣性センサー２１と第２慣性センサー２２とは、互いに直交するように配置され、側面を実装面１６として回路基板１３の平面１４と平行になるように実装されている。つまり、第１慣性センサー２１と第２慣性センサー２２とは、同じ実装方法で回路基板１３に実装されている。そのため、以下では、第２慣性センサー２２の実装方法を一例として挙げ説明する。

第２慣性センサー２２は、図３及び図４に示すように、第２センサーパッケージ１５Ｙの回路基板１３に対向している実装面１６に半田１８によって基板ランドパターン３０に接合される複数のパッケージ電極４０が配置されている。また、第２センサーパッケージ１５Ｙの実装面１６には、キャスタレーション１７が形成されており、パッケージ電極４０は、キャスタレーション１７内に配置されている。
また、回路基板１３に設けられた基板ランドパターン３０と第２センサーパッケージ１５Ｙに設けられたパッケージ電極４０とは、図５に示すように、平面視で重なるように配置されている。

基板ランドパターン３０の回路基板１３の平面１４方向に沿う第１方向としてのＸ方向の幅をＸｐ、パッケージ電極４０の第１方向としてのＸ方向の幅をＸ１、としたとき、第１基板ランドパターン３１の幅Ｘｐは、第１パッケージ電極４１の幅Ｘ１に比べ小さく、第１パッケージ電極４１の幅Ｘ１以下つまりＸｐ≦Ｘ１である。また、第２基板ランドパターン３２の幅Ｘｐは、第２パッケージ電極４２の幅Ｘ１に比べ大きい。第１基板ランドパターン３１の幅Ｘｐを第１パッケージ電極４１の幅Ｘ１以下とすることで、図６に示すように、基板ランドパターン３０の幅Ｘｐがパッケージ電極４０の幅Ｘ１に比べ大きい場合に生じる検出軸Ｈのずれを低減することができる。つまり、第１基板ランドパターン３１と第１パッケージ電極４１、及び第２基板ランドパターン３２と第２パッケージ電極４２、の少なくともいずれか一方が、Ｘｐ≦Ｘ１を満たしている。そのため、基板ランドパターン３０の幅Ｘｐがパッケージ電極４０の幅Ｘ１以下とする基板ランドパターン３０を最低１つ形成することで、センサーパッケージ１５を回路基板１３に実装する半田リフローの際に溶融した半田１８の表面張力により、センサーパッケージ１５が回路基板１３の平面１４方向に回転移動し、回転に伴い検出軸Ｈ１が所定の検出軸Ｈから角度θずれ、検出精度が悪化するのを低減することができる。

基板ランドパターン３０の回路基板１３の平面１４方向に沿い第１方向と交差する第２方向としてのＹ方向の幅をＹｐ、パッケージ電極４０の第２方向としてのＹ方向の幅をＹ１、としたとき、基板ランドパターン３０の幅Ｙｐは、パッケージ電極４０の幅Ｙ１に比べ大きく、Ｙｐ＞Ｙ１を満たす。基板ランドパターン３０の幅Ｙｐをパッケージ電極４０の幅Ｙ１より大きくすることで、基板ランドパターン３０のセンサーパッケージ１５と平面視で重ならない部分に、フィレットが形成され、接合強度を高くすることができ、接合信頼性を向上させることができる。

次に、センサーモジュール１の備える慣性センサー２１，２２，２３について、図７及び図８を参照して説明する。
尚、３つの慣性センサー２１，２２，２３は、全て同じ構造なので、第３慣性センサー２３を一例として挙げ説明する。また、説明の便宜上、図７は、リッド４７の図示を省略している。また、図７及び図８では、センサー素子５０とセンサーパッケージ１５に形成されたパッケージ電極４０とを電気的に接続する配線及びセンサー素子５０に形成された駆動電極や検出電極の図示を省略している。

第３慣性センサー２３は、検出軸ＨをＺ軸とし、Ｚ軸まわりの角速度を測定することのできる１軸ジャイロセンサーである。尚、センサー素子５０は、フォトリソグラフィー技術を用いて水晶基板を加工し製造された水晶ジャイロセンサー素子であり、検出振動腕の振動を電気信号に変換し、角速度を検出している。また、水晶を基材としているので温度特性に優れている。そのため、ＭＥＭＳ技術を用いて製造したジャイロセンサー素子に比べ、外部からのノイズや温度の影響を受け難く、検出精度が高い。

第３慣性センサー２３は、図７及び図８に示すように、センサー素子５０と、センサー素子５０を収容するセラミック等からなるセンサーパッケージ１５と、ガラス、セラミック、又は金属等からなるリッド４７と、を有する。

センサーパッケージ１５は、板状の第１基板４４、枠状の第２基板４５、及び枠状の第３基板４６を積層して形成されている。また、センサーパッケージ１５は、上方に開放する内部空間Ｓを有している。尚、センサー素子５０を収容する内部空間Ｓは、リッド４７を低融点ガラス等の接合部材４８により接合することで、減圧状態、好ましくはより真空に近い状態に気密封止されている。

センサーパッケージ１５の内底面４４ａには、上方へ突出する凸部４３が形成されており、凸部４３の上面４３ａに金属バンプ４９等を介してセンサー素子５０が電気的及び機械的に固定されている。そのため、センサー素子５０と第１基板４４との接触を防止することができる。

センサーパッケージ１５の内底面４４ａと反対側の面には、実装端子となる複数のパッケージ電極４０が設けられている。パッケージ電極４０は、図示しない配線を介して、センサー素子５０と電気的に接続されている。

センサー素子５０は、中心部分に位置する基部５１と、基部５１からＸ方向に延出された一対の検出用振動腕５２と、検出用振動腕５２と直交するように、基部５１からＹ方向に延出された一対の連結腕５３と、検出用振動腕５２と平行になるように、各連結腕５３の先端側からＸ方向に延出された各一対の駆動用振動腕５４，５５と、を有する。センサー素子５０は、基部５１において、金属バンプ４９等を介してセンサーパッケージ１５に設けられた凸部４３の上面４３ａに電気的及び機械的に固定されている。

センサー素子５０は、駆動用振動腕５４，５５が互いに逆相でＹ方向に屈曲振動をしている状態において、Ｚ軸まわりの角速度ωｚが加わると、駆動用振動腕５４，５５及び連結腕５３に、Ｘ方向のコリオリ力が働き、Ｘ方向に振動する。この振動により検出用振動腕５２がＹ方向に屈曲振動する。そのため、検出用振動腕５２に形成された検出電極が、振動により発生した水晶の歪を電気信号として検出することで角速度ωｚが求められる。

尚、本実施形態では、慣性センサー２１，２２，２３として水晶ジャイロセンサーを一例として挙げ説明したが、これに限定することはなく、ＭＥＭＳ技術を用いて製造したシリコンジャイロセンサーでも構わない。また、慣性センサー２１，２２，２３は、ジャイロセンサー以外に、加速度センサーでも構わない。

以上述べたように、本実施形態のセンサーモジュール１は、回路基板１３上に基板ランドパターン３０の幅Ｘｐがパッケージ電極４０の幅Ｘ１以下とする基板ランドパターン３０が形成されている。そのため、センサーパッケージ１５を回路基板１３に実装する半田リフローの際に溶融した半田１８の表面張力により、センサーパッケージ１５が回路基板１３の平面１４方向に回転移動し、回転に伴い検出軸Ｈ１が所定の検出軸Ｈから角度θずれるのを低減することができる。従って、検出軸Ｈのずれによる検出精度の悪化を低減し、優れた検出精度を有するセンサーモジュール１を得ることができる。

また、基板ランドパターン３０の幅Ｙｐをパッケージ電極４０の幅Ｙ１より大きくしているので、基板ランドパターン３０のセンサーパッケージ１５と平面視で重ならない部分に、フィレットが形成され、接合強度を高くすることができ、回路基板１３とセンサーパッケージ１５との接合信頼性を向上させることができる。そのため、高い信頼性を有するセンサーモジュール１を得ることができる。

２．第２実施形態
次に、第２実施形態に係るセンサーモジュール１ａについて、図９及び図１０を参照して説明する。尚、説明の便宜上、図９及び図１０では、回路基板１３ａ上に設けられた抵抗やコンデンサー等の回路部品及び配線の図示を省略している。

本実施形態のセンサーモジュール１ａは、第１実施形態のセンサーモジュール１に比べ、回路基板１３ａに設けられた基板ランドパターン３０ａの形状が異なること以外は、第１実施形態のセンサーモジュール１と同様である。尚、前述した第１実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項はその説明を省略する。

センサーモジュール１ａは、図９及び図１０に示すように、第１基板ランドパターン３１ａの第１方向の幅Ｘｐが第１パッケージ電極４１の第１方向としてのＸ方向の幅Ｘ１以下でおり、第２基板ランドパターン３２ａの第１方向の幅Ｘｐが第２パッケージ電極４２の第１方向としてのＸ方向の幅Ｘ１以下である。つまり、第１基板ランドパターン３１ａと第１パッケージ電極４１、及び第２基板ランドパターン３２ａと第２パッケージ電極４２、の各々において、Ｘｐ≦Ｘ１を満たし、回路基板１３ａ上に基板ランドパターン３０ａの第１方向の幅Ｘｐがパッケージ電極４０の第１方向の幅Ｘ１以下の基板ランドパターン３０ａが２つ形成されている。そのため、半田リフローの際に生じるセンサーパッケージ１５が回路基板１３ａの平面１４方向に回転することによる検出軸Ｈのずれをより低減することができる。

このような構成とすることで、第１実施形態のセンサーモジュール１と同等の効果を得ることができる。

３．第３実施形態
次に、第３実施形態に係るセンサーモジュール１ｂについて、図１１及び図１２を参照して説明する。尚、説明の便宜上、図１２では、回路基板１３ｂ上に設けられた抵抗やコンデンサー等の回路部品及び配線の図示を省略している。

本実施形態のセンサーモジュール１ｂは、第１実施形態のセンサーモジュール１に比べ、回路基板１３ｂに設けられた基板ランドパターン３０ｂの形状とセンサーパッケージ１５ｂの実装面１６に設けられたパッケージ電極４０ｂの形状とが異なること以外は、第１実施形態のセンサーモジュール１と同様である。尚、前述した第１実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項はその説明を省略する。

センサーモジュール１ｂは、図１１に示すように、センサーパッケージ１５ｂの実装面１６に複数のパッケージ電極４０ｂが配置されているセンサーパッケージ１５ｂを備えている。複数のパッケージ電極４０ｂは、実装面１６のＹ方向プラス側の端部と実装面１６のＹ方向マイナス側の端部とにＸ方向に並んで配置されている。また、回路基板１３ｂ上には、図１２に示すように、センサーパッケージ１５ｂのパッケージ電極４０ｂと平面視で重なる位置に、複数の基板ランドパターン３０ｂが配置されている。

基板ランドパターン３０ｂの第１方向の幅Ｘｐは、パッケージ電極４０ｂの第１方向の幅Ｘ１以下つまりＸｐ≦Ｘ１である。また、基板ランドパターン３０ｂの第２方向の幅Ｙｐは、パッケージ電極４０ｂの第２方向の幅Ｙ１に比べ大きく、Ｙｐ＞Ｙ１を満たす。

このような構成とすることで、第１実施形態のセンサーモジュール１と同等の効果を得ることができる。

１，１ａ，１ｂ…センサーモジュール、１０…ベース部、１１…リードフレーム、１２…金属キャップ、１３…回路基板、１４…平面、１５…センサーパッケージ、１５Ｘ…第１センサーパッケージ、１５Ｙ…第２センサーパッケージ、１６…実装面、１７…キャスタレーション、１８…半田、２１…第１慣性センサー、２２…第２慣性センサー、２３…第３慣性センサー、３０…基板ランドパターン、３１…第１基板ランドパターン、３２…第２基板ランドパターン、４０…パッケージ電極、４１…第１パッケージ電極、４２…第２パッケージ電極、４３ａ…上面、４４…第１基板、４４ａ…内底面、４５…第２基板、４６…第３基板、４７…リッド、４８…接合部材、４９…金属バンプ、５０…センサー素子、５０Ｘ…第１センサー素子、５０Ｙ…第２センサー素子、５１…基部、５２…検出用振動腕、５３…連結腕、５４，５５…駆動用振動腕、Ｈ，Ｈ１…検出軸、Ｓ…内部空間、Ｘ１，Ｘｐ…幅、Ｙ１，Ｙｐ…幅。

Claims (6)

1. 回路基板と、
   前記回路基板の平面方向に沿う検出軸を有するセンサー素子と、
   前記センサー素子を収容し、前記回路基板上に実装されているセンサーパッケージと、
   前記回路基板上に配置されている前記センサーパッケージ実装用の基板ランドパターンと、
   前記センサーパッケージの前記回路基板に対向している実装面に配置され、半田によって前記基板ランドパターンに接合されるパッケージ電極と、を備え、
   前記基板ランドパターンの前記回路基板の前記平面方向に沿う第１方向の幅をＸｐ、
   前記パッケージ電極の前記第１方向の幅をＸ１、としたとき、
   Ｘｐ≦Ｘ１である、
   センサーモジュール。
2. 前記基板ランドパターンは、第１基板ランドパターン及び第２基板ランドパターンを有し、
   前記パッケージ電極は、前記第１基板ランドパターンに接合される第１パッケージ電極及び前記第２基板ランドパターンに接合される第２パッケージ電極を有し、
   前記第１基板ランドパターンと前記第１パッケージ電極、及び前記第２基板ランドパターンと前記第２パッケージ電極、の少なくともいずれか一方がＸｐ≦Ｘ１を満たす、
   請求項１に記載のセンサーモジュール。
3. 前記基板ランドパターンは、第１基板ランドパターン及び第２基板ランドパターンを有し、
   前記パッケージ電極は、前記第１基板ランドパターンに接合される第１パッケージ電極及び前記第２基板ランドパターンに接合される第２パッケージ電極を有し、
   前記第１基板ランドパターンと前記第１パッケージ電極、及び前記第２基板ランドパターンと前記第２パッケージ電極、の各々において、Ｘｐ≦Ｘ１を満たす、
   請求項１に記載のセンサーモジュール。
4. 前記基板ランドパターンの前記回路基板の前記平面方向に沿い前記第１方向と交差する第２方向の幅をＹｐ、
   前記パッケージ電極の前記第２方向の幅をＹ１、としたとき、
   Ｙｐ＞Ｙ１を満たす、
   請求項１乃至請求項３の何れか一項に記載のセンサーモジュール。
5. 前記センサーパッケージの前記実装面には、キャスタレーションが形成されており、
   前記パッケージ電極は、前記キャスタレーション内に配置されている、
   請求項１乃至請求項４の何れか一項に記載のセンサーモジュール。
6. 前記センサーパッケージとして、第１センサー素子を収容した第１センサーパッケージと、第２センサー素子を収容した第２センサーパッケージと、を備え、
   前記第１センサー素子の前記検出軸の方向と前記第２センサー素子の前記検出軸の方向とは、互いに異なっている、
   請求項１乃至請求項５の何れか一項に記載のセンサーモジュール。

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