JP4750131B2 - ３軸磁気センサのための単一パッケージの設計 - Google Patents

Description

本発明は、センサパッケージ（sensor packages）を製造する方法及びその方法により作成されたパッケージの全般に関する。より詳細には、本発明は、印刷回路板（ＰＣＢ）上のパッケージの垂直方向高さを最小に抑えるための３軸センサパッケージの設計及び製造に関する。

地球の磁場強度は、約０．５から０．６ガウスであり、且つ、常に磁北の方を指す地球の表面に平行な成分を有する。この磁場は双極子モデルで近似することができる。即ち、この磁場は常に北を指すが、地球の表面を基準とした磁場の角度は、赤道における水平から、北半球における準水平（即ち、地面に向かって「下がる」）及び南半球における超水平（即ち、空中に向かって「上がる」）に変化する。全ての場合で、地球の磁場の水平方向は磁北の方を指し、且つ、コンパスの方角を決定するために使用されている。

磁気センサは、優に２，０００年を超えて使用されており、主に方角を見出したり、航路決定のために地球の磁場を感知するために使用されている。今日、磁気センサは未だに航路決定の主要な手段であり、多くの他の用途が進化している。その結果、磁気センサは、医療用、研究室用、及び、電子関連の機器、気象観測用ブイ、仮想現実のシステム、並びに、様々な他のシステムにおいて見出すことができる。

最近の民生用及び商用の電子設備の設計は、多くの本質的に異なる機能の単一のデバイスへの統合及び益々小さな規模のデバイスの進化に全般に関ってきた。小型のデバイス及び多くの機能を組み込んだデバイスは、それらのデバイスの内部の構成部分が可能な限り小さくなることを必要としている。経路発見及び航路決定の技術をそのようなコンパクトなデバイスに組み込むという要望は、不可欠な二次元及び三次元のセンサ、例えば、磁気センサ及び／又は傾きセンサが（即ち、ＰＣＢの平面から）Ｚ軸において最小の高さのものとなることを必要としている。Ｚ軸に沿って垂直センサを搭載することは、特に空間の制限がある実用例に対して、半導体製造業界に対する挑戦である。現在の方法は、空間が制限され、且つ、費用に敏感で、体積の大きい標準的なＰＣＢの工程を伴う実用例に対して、垂直（Ｚ軸）センサを搭載することに失敗している。

従って、例えば携帯電話ならびに他の民生用及び商用の実用例において、輪郭が低くなる方法で３軸センサを搭載することに対する必要性が存在する。この必要性は、費用に敏感で、体積の大きく、且つ、一般のＰＣＢ組立て工程に容易に適合できる実用例により満たされなければならない。

本発明の一態様において、各々が堅固な基板（rigid substrate）の上面に、又は、代わりに印刷回路板（ＰＣＢ）上に搭載されたＸ軸センサ回路構成部分、Ｙ軸センサ回路構成部分、又は、代わりにＸ／Ｙ軸兼用センサ回路構成部分、及びＺ軸センサ回路構成部分を含むセンサパッケージが提供される。この基板は、１６個の入力／出力（Ｉ／Ｏ）パッドを備えて３ｍｍ×３ｍｍの好ましい寸法を有する。パッドはリードレスチップキャリヤ（ＬＣＣ）設計及びボールグリッドアレイ（ＢＧＡ）設計を含む様々な設計に配列することができる。Ｘ軸及びＹ軸又はＸ／Ｙ軸のいずれにせよ、センサは基板の上面に搭載される。パッケージの高さを最小に抑えるため、Ｚ軸センサ構成部分を収容するために、基板の上面に溝が設けられている。この溝はＺ軸センサの厚さに相当する幅を有する。

３個のセンサ全ては、基板に導電的に接続するための入力／出力（Ｉ／Ｏ）パッドを有する。Ｘ軸及びＹ軸、ならびに、Ｘ／Ｙ軸のセンサに対するこれらのＩ／Ｏパッドは、基板に面したセンサの側面上に配列されており、且つ、ハンダ充填導通孔の形態になっている基板の上面上に位置する対応するＩ／Ｏパッドと協力する。Ｚ軸センサ構成部分上に、Ｉ／Ｏパッド全てがセンサの１つの辺縁部に沿ってアレイに配列されており、且つ、溝の最上部辺縁部に位置する基板、ハンダ充填導通孔上のＩ／Ｏパッドと協力する。一旦基板にセンサが全て搭載されれば、パッケージは封入される。封入の後、パッケージの全高は１．２ｍｍ未満である。

本発明の第２の態様において、Ｚ軸センサ回路構成部分を搭載するための方法が提供される。Ｚ軸センサ回路構成部分は、自身のＩ／Ｏパッドの全てがセンサの１つの辺縁部に沿った垂直なアレイに配列されている。Ｉ／ＯパッドはＺ軸センサの辺縁部に沿って形成され、ハンダのバンプがパッド上に定置されている。この方法は、堅固な基板から溝を切り出すステップを含み、この溝はＺ軸センサの厚さに相当する幅、ならびに、Ｚ軸センサが基板の上面を越えてＸ軸センサ及びＹ軸センサよりも遠くに延在しないように十分長い深さを有する。この溝の形成中に、溝の最上部辺縁部に導通孔が作成される。

続いて、これらの導通孔がハンダで充填される。Ｚ軸センサは、同センサがＺ軸において磁場を測定できるように位置決めされており、続いて、バンプが作られたパッドが、ハンダ充填導通孔と導通するように、同パッドが基板の表面上に載った状態で溝内に挿入される。続いて、Ｚ軸センサと堅固な基板との間に導電性の接続を作り出すために、標準的なリフロープロセスを利用することができる。続いて、パッケージが封入され、パッケージの全高は１．２ｍｍ未満となる。

図１を参照すると、参照番号１０により全体が示される本発明の３軸センサパッケージの構造が示されている。この３軸センサは、上面１４にセンサ回路構成部分（即ち、センサ）２０、３０、及び４０が搭載されている堅固な基板１２を含んでいる。センサは、代わりに、印刷回路板（ＰＣＢ）上に搭載することもできる。この基板は、１６個の入力／出力（Ｉ／Ｏ）パッドを備えて３ｍｍ×３ｍｍの好ましい寸法を有している。パッドは、図９に示されたリードレスチップキャリヤ（ＬＣＣ）設計及び図１０に示されたボールグリッドアレイ（ＢＧＡ）設計を含めて、様々な設計に配列することができる。Ｘ軸センサ回路構成部分２０はＸ軸に沿った磁力に敏感であり、Ｙ軸センサ回路構成部分３０はＹ軸に沿った磁力に敏感である。

両センサ２０及び３０は、標準的なフリップチップリフロー・センサ装着プロセスを使用して基板１２に搭載される。一般に、センサは、ワイヤボンディング及びテープ自動ボンディング（ＴＡＢ）を含めて、他の標準的なチップオンボード技術を使用して基板に搭載することもできる。Ｘ軸センサ及びＹ軸センサは、図２に最も良好に示されたように、基板１２上に位置する対応するＩ／Ｏパッド６０、６２に導電的に接続し、且つ、ハンダ充填導通孔の形態となっている図示されていない入力／出力（Ｉ／Ｏ）パッドを有する。

センサパッケージは、Ｚ軸に沿った磁力に敏感であるＺ軸センサ回路構成部分４０も含んでいる。このＺ軸センサは基板１２の上面１４上に形成された溝５０内に位置する。図４Ｃ及び図４Ｄに示されたように、溝５０の幅はＺ軸センサ４０の厚さに相当し、且つ、溝の深さは、Ｚ軸センサ４０がＸ軸センサ及びＹ軸センサの上面よりも遠くに垂直に延在しないような寸法のものである。Ｚ軸センサ４０は、このセンサの１つの辺縁部のみに沿って垂直なアレイに配列されたハンダバンプ６８を含めて、Ｉ／Ｏパッド６６を更に有する。図３において最も良好に見られるように、パッド６６は、基板１２内の溝５０の形成中に作成された対応するハンダ充填導通孔６４と導電的に連絡している。図８に示されたように、ハンダ充填導通孔６４は基板１２を完全に貫通して延在している。センサのハンダバンプ６８が導通孔６４に導通しているので、Ｘ軸センサ及びＹ軸センサとともにＺ軸センサ４０の接続を作成するために、標準的なリフロープロセスを使用することができる。

図３及び図４を参照すると、一旦センサ全てが基板に確実に搭載されれば、パッケージは、図４Ｄにおいて最も良好に示されたように、封入層７０を使用して封入される。封入は、デバイスのパネルが封入剤で覆われるか、又は、同パネルに封入剤が充填され、硬化され、且つ、個々のデバイスに切断されるバッチプロセスである。このプロセスは、カスタムパッケージング技術においては標準的なものである。封入の後、パッケージの全高は１．２ｍｍ未満となる。

図５ないし図７は、Ｘ／Ｙ軸兼用センサ回路構成部分１２０が、別個のＸ軸センサとＹ軸センサの代わりに使用されている本発明の代案実施形態を示す。兼用センサ１２０はＩ／Ｏパッド１６０を使用して基板１１２上に搭載されている。Ｚ軸センサ１４０は、Ｚ軸センサ４０に関して上記に説明した方法と同じ方法で基板１１２中の溝１５０内に挿入されている。各図から示されるように、センサ１４０のＩ／Ｏパッド１６６はハンダ充填導通孔１６４と連絡している。

図９及び図１０を参照すると、センサパッケージ１０’及び１０’’のための代案設計が示されている。図９はリードレスチップキャリヤ（ＬＣＣ）１２’上のＺ軸センサのための溝５０’の配置構成を示す。このＬＣＣは、ＰＣＢに接続するための自身の外周に沿ったＩ／Ｏパッド８０を有する。Ｘ軸センサ及びＹ軸センサは、基板の上面上に横たわる（図示されていない）単一のパッケージ内に位置しており、各センサは（図示されていない）基板の上面上の対応するＩ／Ｏパッドと導電的に接続するためのＩ／Ｏパッドを有する。ＬＣＣ設計では、基板の上面上の対応するＩ／Ｏパッドが、基板の底部表面にまで延在し、且つ、（図示されていない）底部表面上の金属パッドと導通しているハンダ充填導通孔の形態になっている。続いて、導通孔は金属パッドと導通し、この金属パッドは今度は外周上のＩ／Ｏパッド８０と導通している。続いて、基板の外周上に位置するＩ／Ｏパッド８０と導電的な接続を確立することができる。ＬＣＣパッドは完成された配置構成上に露出したまま残される。

図１０はボールグリッドアレイ（ＢＧＡ）１２’’上のＺ軸センサのための溝５０’’を示す。このＢＧＡは、Ｘ軸センサ及びＹ軸センサに装着するために、基板の上面上に定置されたハンダ９０のボールの形態になったＩ／Ｏパッドを有する。これらのＸ軸センサ及びＹ軸センサは、基板の上面上に横たわる（図示されていない）単一のパッケージ内に位置している。ＢＧＡパッド９０は完成された配置構成上に封入される。

Ｚ軸センサ回路構成部分を搭載するための方法も提供されている。上記に説明されたように、このＺ軸センサ回路構成部分は、自身のＩ／Ｏパッドの全てがセンサの１つの辺縁部に沿った垂直アレイに配列されている。これらのパッドはＺ軸センサの辺縁部に沿ってハンダバンプが付けられている。この方法は、堅固な基板、又は、代わりにＰＣＢから溝を切り出すステップを含み、この溝はＺ軸センサの厚さに相当する幅、ならびに、Ｚ軸センサが基板の上面を越えてＸ軸センサ及びＹ軸センサよりも遠くに延在しないように十分長い深さを有する。この溝の形成中に、溝の最上部辺縁部に導通孔が作成される。

続いて、これらの導通孔はハンダで充填される。Ｚ軸センサは、同センサがＺ軸において磁場を測定できるように基板中の溝内に位置決めされている。続いて、同センサは、バンプが作られたパッドが、ハンダ充填導通孔と導通するように、同パッドが基板の表面上に載った状態で溝内に挿入される。パッドを所定の位置に保持するために、ハンダペーストが塗布され、且つ、続いて、Ｚ軸センサと堅固な基板との間に導電的な接続を作り出すために標準的なリフロープロセスを利用することができる。パッケージが封入され、パッケージの全高は１．２ｍｍ未満となる。

上記に検討された実施形態の全てについて、センサ回路構成部分上のＩ／Ｏパッドは、好ましくは、ワイヤボンディング、フリップチップ、ハンダバンピング、スタッドバンピング、導電性エポキシ、及び、例えばテープ自動ボンディング（ＴＡＢ）技術などの柔軟な相互接続ボンディングからなる群から選択される方法を使用して基板上に搭載される。代案として、Ｘ軸センサ回路構成部分はＹ軸センサ回路構成部分への導電的接続のために第１面上にＩ／Ｏパッドを含むことができ、これらのＩ／Ｏパッドは、好ましくは、ワイヤボンディング、フリップチップ、ハンダバンピング、スタッドバンピング、導電性エポキシ、及び、例えばテープ自動ボンディング（ＴＡＢ）技術などの柔軟な相互接続ボンディングからなる群から選択される方法を使用して基板上に搭載される。このように、Ｘ軸センサ回路構成部分はＹ軸センサ回路構成部分に導電的に接続することができる。

更に他の実施形態においてセンサ回路構成部分は固体センサである一方、他の実施形態においてセンサ回路構成部分は磁気センサである。更に他の実施形態において、センサ回路構成部分は傾きセンサである。更に他の実施形態において、センサ回路構成部分の１つ又は複数は、１種類のセンサ、例えば磁気センサ又は傾きセンサなどとすることができ、且つ、１つ又は複数の他のセンサ回路構成部分は、異なる種類のセンサ、例えば垂直な支持辺縁部を提供できる固体チップなどとすることができる。更に他の実施形態において、１つ又は複数のセンサ構成部分は、いかなる種類のセンサ、例えば磁気センサ又は傾きセンサなどとすることができ、且つ、１つ又は複数の他のセンサ回路構成部分は、実際のセンサであってもなくても、センサ回路構成部分に対して支持を提供できるセンサ回路構成部分インターフェイス辺縁部を含んでいれば、いかなる固体チップともすることができる。

特定の実施形態において、Ｚ軸センサ回路構成部分は、ワイヤボンディング、フリップチップ、ハンダバンピング、スタッドバンピング、導電性エポキシ、及び、例えばテープ自動ボンディング（ＴＡＢ）技術などの柔軟な相互接続ボンディングからなる群から選択される方法により基板に導電的に接続される。本発明の特定の特徴及び実施形態が本明細書において詳細に説明された一方、本発明が、特許請求の範囲及び精神の範囲内に全ての修正及び改変を包含することを理解されよう。

堅固な基板に装着されたＸ軸センサ、Ｙ軸センサ、及びＺ軸センサを含むセンサパッケージの概略図である。 ３個のセンサの各々の上のＩ／Ｏパッドに整列している基板上のＩ／Ｏパッドの配置構成を例示するセンサパッケージの概略図である。 ３個のセンサ及びＺ軸センサ上のＩ／Ｏパッドの整列の配置構成を例示するセンサパッケージの概略図である。 Ｉ／Ｏパッドの配置構成を例示する図３に示されたセンサパッケージの上面概略図である。 基板内に切り出された溝を例示する図３に示されたセンサパッケージの側面概略図である。 基板上のセンサの配置構成を例示する図３に示されたセンサパッケージの側面概略図である。 パッケージの封入を例示する図３に示されたセンサパッケージの側面概略図である。 ２個のセンサの各々の上のＩ／Ｏパッドに整列している基板上のＩ／Ｏパッドの配置構成を例示する図３に示されたセンサパッケージの代案実施形態の概略図である。 ２個のセンサの配置構成及びＺ軸センサ上のＩ／Ｏパッドの整列を例示する図５に示された板状センサパッケージの概略図である。 Ｉ／Ｏパッドの配置構成を例示する図６に示されたセンサパッケージの上面概略図である。 基板内に切り出された溝を例示する図６に示されたセンサパッケージの側面概略図である。 基板上のセンサの配置構成を例示する図６に示されたセンサパッケージの側面概略図である。 パッケージの封入を例示する図６に示されたセンサパッケージの側面概略図である。 ハンダ充填導通孔の配置構成を例示する図６に示されたセンサパッケージの断面図である。 溝の配置構成を例示するリードレスチップキャリヤ（ＬＣＣ）Ｉ／Ｏ基板の概略図である。 溝の配置構成を例示するボールグリッドアレイ（ＢＧＡ）Ｉ／Ｏ基板の概略図である。

Claims (3)

1. 堅固な基板上にＺ軸センサを取り付けることにより、センサパッケージを製造する方法であって、該堅固な基板はその上面に取り付けられたＸ軸センサ及びＹ軸センサを有するものであり、前記方法は、
   前記堅固な基板の上面に溝を切り出す工程、
   溝の最上部辺縁部に孔を作成する工程、
   前記孔にハンダを充填する工程、
   Ｚ軸センサの１つの辺縁部にのみ入力／出力パッドを形成する工程、
   前記入力／出力パッド上にハンダバンプを配置する工程、
   Ｚ軸センサを溝内へ挿入し、バンプ付き前記入力／出力パッドを基板の上面に位置させ、ハンダが充填された孔に導通させる工程、を含み、前記堅固な基板の前記上面からの前記Ｚ軸センサの高さが、前記基板の前記上面に取り付けられた前記Ｘ軸センサおよび前記Ｙ軸センサの高さにほぼ等しく、
   前記方法はさらに、センサパッケージを封入する工程、を含む方法。
2. 請求項１の方法であって、前記溝を切り出す工程は、Ｚ軸センサの厚さに相当する幅を有する溝を作る工程を含み、溝の深さは、溝内に位置されたＺ軸センサが前記堅固な基板の前記上面の上に、前記基板の前記上面に取り付けられた前記Ｘ軸センサおよび前記Ｙ軸センサの高さにほぼ等しくなる程度に延びる、深さである、方法。
3. 封入されたセンサパッケージの全高が１．２ｍｍ未満である請求項１の方法。

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