JP6309843B2 - センサ用基板およびセンサ装置 - Google Patents

Description

本発明は、センサ素子の搭載部を有するセンサ用基板、およびセンサ用基板を含むセンサ装置に関するものである。

角速度センサ素子等のセンサ素子が搭載されるセンサ用基板として、上面にセンサ素子の搭載部を有する絶縁基板と、絶縁基板の搭載部から下面等の外表面にかけて設けられた配線導体とを含むものが知られている。搭載部にセンサ素子が搭載され、そのセンサ素子が配線導体と電気的に接続されてセンサ装置が形成される。センサ装置は、例えばデジタルカメラ、自動車、航空機およびその他の各種の機器に実装される。このセンサ装置について、絶縁基板の外表面に位置している配線導体が上記電子機器に含まれている外部電気回路と電気的に接続されれば、センサ素子と外部電気回路が電気的に接続される。

センサ装置は、電子機器の取り扱い時の所定の物理量、例えば自動車の移動時の角速度（直接にはコリオリ力）等を検知し、これを電気信号に変換する。この電気信号が外部電気回路に伝送され、電子機器の制御等に用いられる。

特開2002−195833号公報

上記従来の技術においては、例えば電子機器の振動等の、検知しようとする物理量とは異なる電子機器の運動によって、センサ素子で検知される物理量の精度の低下（いわゆるノイズの混入）等が生じる可能性があるという問題点があった。

本発明の一つの態様のセンサ用基板は、互いに積層された複数のセラミック焼結体からなる絶縁層を含んでおり、上面を有する絶縁基板と、センサ素子の搭載部を含む上面を有しており、前記絶縁基板の前記上面の上方に、中央部が前記絶縁基板の前記上面から離間して配置された実装板とを含んでおり、該実装板は前記絶縁層と同じ材料からなり、前記絶縁層の厚みよりも前記実装板の厚みが小さいことを特徴とする。

本発明の一つの態様のセンサ装置は、上記構成のセンサ用基板と、前記搭載部に搭載されたセンサ素子とを備えている。

本発明の一つの態様のセンサ用基板によれば、例えば絶縁基板が誤って振動したときに、絶縁基板に対して離間しているとともに厚みが比較的小さく絶縁基板とは独立して動きやすい実装板は、慣性のため振動等が抑制される。そのため、実装板に搭載されるセンサ素子に対しても、不要な振動等の影響が低減される。したがって、角速度等の所定の物理量の検知の精度が高いセンサ装置を作製することが容易なセンサ用基板を提供することができる。

本発明の一つの態様のセンサ装置によれば、上記構成のセンサ用基板にセンサ装置が搭載されてなることから、角速度等の物理量の検知の精度が高いセンサ装置を提供することができる。

（ａ）は本発明の実施形態のセンサ用基板およびセンサ装置を示す上面図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線における断面図である。 （ａ）および（ｂ）はそれぞれ図１に示すセンサ用基板およびセンサ装置の変形例を示す断面図である。 （ａ）は図１に示すセンサ用基板およびセンサ装置の他の変形例を示す断面図であり、（ｂ）は図１に示すセンサ用基板およびセンサ装置の他の変形例を示す上面図である。

本発明の実施形態のセンサ用基板およびセンサ装置を、添付の図面を参照して説明する。図１（ａ）は本発明の実施形態のセンサ用基板およびセンサ装置を示す上面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ線における断面図である。複数の絶縁層１ａが積層されてなる絶縁基板１と、絶縁基板１の上方に配置された実装板２とによってセンサ用基板３が基本的に形成されている。また、センサ用基板３に搭載されたセンサ素子４とによってセンサ装置５が基本的に形成されている。

絶縁基板１は、センサ用基板３の基本的な構造部分であり、センサ用基板としての機械的な強度の確保、および後述するセンサ素子搭載用の実装板２の配置スペースの確保等の機能を有している。絶縁基板１は、例えば上から見たときに（平面視において）正方形状等の四角形状である。

この絶縁基板１の上方に実装板２が配置されている。実装板２は、その上面に搭載部２ａを有し、この搭載部２ａにセンサ素子４が搭載される。搭載部２ａは、例えば実装板２の上面の中央部であり、例えば、実装板２の上面のうち、搭載されるセンサ素子４と平面視で同じ程度の大きさの領域である。

センサ素子４としては、例えば角速度センサ素子、角度センサ素子および加速度センサ素子等が挙げられる。これらのセンサ素子４は、例えば、回転運動時のコリオリ力、重力の作用方向または加速度を生じさせる力等の力学量を検知し、これを電気信号に変換する。

上記の力学量は、センサ素子４がセンサ用基板３に搭載されてなるセンサ装置５が実装される機器の運動または傾き等に伴うものである。センサ装置５が実装される機器としては、例えばデジタルカメラ、自動車、航空機、産業用等のロボットおよびその他各種の機器が挙げられる。これらの機器には、その運動または傾き等に応じて上記の力学量が作用する。例えば自動車であれば、カーブした道路の走行時に角速度に応じたコリオリ力が生じるため、これを検知することによって角速度が算出され、検知される。

センサ素子４は、実装板２の搭載部２ａに搭載される。実装板２は、絶縁基板１の上面の上方に配置されている。また、実装板２の中央部は絶縁基板１の上面から離間している。実装板２の中央部２と絶縁基板１の上面との離間の距離に応じて、両者の間に空隙６が生じている。この空隙６によって、実装板２の中央部が変形すること、つまり実装板２のたわみが可能になっている。また、実装板２の厚みが絶縁層１ａの厚みよりも小さい、つまり相当に薄いため、上記の空隙６の存在による実装板２のたわみが容易になっている。言い換えれば、実装板２は絶縁基板１に対して独立して動くことが容易である。これは、絶縁基板１の運動に対して実装板２が静止し続けることが容易であるということもできる。

この場合、次のような効果を得ることが容易である。例えば、センサ装置５が実装された自動車がカーブした道路を走行しているときに、その道路の路面の凹凸によって自動車が振動する場合があり。この振動によって、カーブの走行時の角速度に起因した力以外の力がセンサ装置５に伝わる可能性がある。これに対して、絶縁基板１が誤って振動したとしても、前述したように絶縁基板１とは独立して動きやすい実装板２には振動等の伝達が抑制される。振動等の伝達が抑制された実装板２は、慣性のため静止状態を維持しようとする。そのため、実装板２に搭載されるセンサ素子４に対しても、不要な振動等の影響が低減される。したがって、角速度等の所定の物理量の検知の精度が高いセンサ装置５を作製することが容易なセンサ用基板３を提供することができる。

なお、図１の例では、最上層の絶縁層１ａが枠状に成形され、この枠状の絶縁層１ａの枠部分上に実装板２の下面の外周が接合されている。これにより、実装板２の中央部が絶縁基板１から離間した構造が実現されている。この場合、最上層の絶縁層１ａは、実装板２と絶縁基板１（枠状のものを除く本体部分）との間に空隙６を設けるための凸部（スペーサ）とみなすこともできる。

絶縁基板１は、例えば酸化アルミニウム質焼結体、ガラスセラミック焼結体、ムライト質焼結体または窒化アルミニウム質焼結体等のセラミック材料を含む絶縁材料からなる複数の絶縁層１ａが積層されて形成されている。

絶縁基板１は、例えば酸化アルミニウム質焼結体からなる場合であれば、次のようにして製作することができる。すなわち、まず酸化アルミニウムおよび酸化ケイ素等の原料粉末を適当な有機バインダおよび有機溶剤とともにシート状に成形して四角シート状の複数のセラミックグリーンシートを作製する。次にこれらのセラミックグリーンシートを積層して積層体を作製する。その後、この積層体を1300〜1600℃の温度で焼成することによって絶縁基板１を製作することができる。

絶縁基板１は、絶縁層１ａ以外に、実装板２の絶縁基板１に対する離間距離を確保するためのスペーサ（上記枠状の絶縁層１ａ以外の形態のもの）を含んでいても構わない。このようなスペーサとしては、例えば、絶縁基板１の上面の外周に接合された枠状または柱状等の部材（図示せず）が挙げられる。このような部材は、絶縁層１ａと同じ材料からなるものでもよく、異なる材料からなるものでもよい。このスペーサは、複数の絶縁層１ａ（セラミックグリーンシート）と同時焼成されてなるものでもよく、別途製作されてガラス等の接合材（図示せず）で絶縁基板１に接合されたものでもよい。また、スペーサは、例えば上記のような枠状等の部材が実装板２の下面の外周に接合されて形成されたものであってもよい。

実装板２は、例えば絶縁層１ａと同じ材料によって形成されている。この場合、絶縁層１ａとなるセラミックグリーンシートよりも厚さが小さい（薄い）セラミックグリーンシートを準備し、これを絶縁基板１となる複数のセラミックグリーンシートの積層体上に積層し、同時焼成することによって実装板２を形成することができる。

また、絶縁基板１とは別個に作製した実装板２を、上記のようなスペーサとともに絶縁基板１の上面に接合することによって、実装板２を絶縁基板１の上方に設けることもできる。

絶縁基板１は、例えば平面視において１辺の長さが約５〜20ｍｍ程度の四角形板状である。絶縁基板１に含まれているそれぞれの絶縁層１ａは、例えば酸化アルミニウム質焼結体またはガラスセラミック焼結体からなる、厚みが約200〜300μｍ程度の平板状または枠状等のものである。これに対して、実装板２は、その厚みが絶縁層１ａよりも小さく、絶
縁層１ａに比べてたわみ等の変形をしやすい。実装板２の厚みは、例えば実装板２が絶縁層１ａと同様の酸化アルミニウム質焼結体またかガラスセラミック焼結体からなる場合であれば、約50〜120μｍ程度の範囲に設定される。

なお、実装板２の厚みは、絶縁基板１との独立した動きを容易とする上では小さいほどよいが、この厚みが小さくなり過ぎると実装板２の機械的な強度が低下し、たわみ等の変形に繰り返しによる実装板２の破断等の機械的な破壊が発生しやすくなる可能性がある。そのため、実装板２の厚みは、例えば上記のような範囲に設定されている。

実装板２は、絶縁基板１に対する接合の強度、および実装板２自体の機械的な強度、およびセンサ用基板３としての生産性ならびに経済性等を考慮すれば、絶縁基板１と同様の材料からなるものであることが好ましい。また、絶縁基板１と実装板２とが同様のセラミック焼結体からなり、同時焼成されてなるものであれば、さらに両者の接合強度等が高められる。

絶縁基板１および実装板２を含むセンサ用基板３は、このようなセンサ用基板３となる複数の基板領域が母基板に配列された多数個取り基板（図示せず）として製作することもできる。複数の基板領域を含む母基板を、基板領域毎に分割して複数のセンサ用基板３をより効率よく製作することもできる。この場合には、母基板のうち基板領域の境界に沿って分割用の溝が設けられていてもよい。また、多数個取り基板の各基板領域にセンサ素子が搭載されて多連のセンサ装置（図示せず）が製作された後に、個片の基板領域への分割が行なわれてもよい。

センサ素子４で検知されて電気信号に変換された上記の物理量は、例えば接続用の端子部分７を含む配線導体を介して絶縁基板１の下面等の外表面に電気的に導出される。なお、図１では配線導体のうち端子部分７のみを示している。端子部分７以外の配線導体は、例えば絶縁基板１の厚み方向の少なくとも一部を貫通する貫通導体（いわゆるビア導体等）、絶縁層１ａの層間に設けられた内部配線および絶縁基板１の下面に設けれられた外部接続用の接続パッド等を含む。

センサ素子４は、例えばボンディングワイヤ８等の導電性接続材によって端子部分７と電気的に接続される。例えば、搭載部２ａ（実装板２の上面）にガラスまたは樹脂等の接合材によってセンサ素子４の下面が接合された後、センサ素子４の上面に配置された電極と端子部分７とにボンディングワイヤ８が接続される。これによりセンサ素子４とセンサ用基板３とが電気的に接続される。センサ用基板３の搭載部２ａに搭載され、端子部分７等に電気的に接続されたセンサ素子４が、必要に応じて蓋体または封止樹脂等の封止材（図示せず）で封止されて、センサ装置５が作製される。

センサ装置５について、配線導体のうち絶縁基板１の下面等に設けられた接続パッド等の部分が外部電気回路と電気的に接続されれば、搭載されたセンサ素子４が外部電気回路と電気的に接続される。すなわち、センサ素子４と外部電気回路とが、ボンディングワイヤ８および端子部分７（配線導体）を含む導電路を介して互いに電気的に接続される。外部電気回路は、例えばデジタルカメラや自動車等の機器に実装されているマザーボード等の回路基板が有する電気回路である。センサ素子４で電気信号に変換された物理量が上記導電路を通って外部電気回路に伝送される。伝送された電気信号に基づき、センサ装置５が実装された機器において各種の処理が行なわれる。この処理としては、例えば、自動車の姿勢制御（横転抑制）または進行方向の検知によるナビゲーションシステムでの現在地の特定、およびデジタルカメラの手ぶれ補正等が挙げられる。

なお、端子部分７を含む配線導体は、実装板２の上面等にも形成されているものでも構
わない。例えば、実装板２の上面のうち搭載部２ａよりも外側に端子部分が配置され、この端子部分７から実装板２の上面および側面を経て絶縁基板１まで配線導体の一部が設けられていてもよい。つまり、実装板２の上面から絶縁基板１の下面にかけて配線導体が形成されていても構わない。実装板２の上面に配線導体が形成されている場合には、例えばセンサ素子４と配線導体との接続距離が短くなるため、導通抵抗の低減およびセンサ装置５の生産性等において、より有利である。

端子部分７を含む配線導体は、例えば、タングステン、モリブデン、マンガン、銅、銀、パラジウム、金、白金、ニッケルまたはコバルト等の金属材料、またはこれらの金属材料を含む合金材料等によって形成されている。このような金属材料等は、メタライズ層またはめっき層等の金属層として絶縁基板１の表面に設けられている。この金属層は、１層でもよく、複数層でもよい。

端子部分７を含む配線導体は、例えば、タングステンのメタライズ層である場合には、タングステンの粉末を有機溶剤および有機バインダと混合して作製した金属ペーストを絶縁基板１となるセラミックグリーンシートの所定位置にスクリーン印刷法等の方法で印刷して焼成する方法で形成することができる。また、このメタライズ層の露出表面に、電解めっき法または無電解めっき法等のめっき法でニッケルおよび金等のめっき層がさらに被着されていてもよい。この場合、前述したように多数個取り基板の形態でセンサ用基板３またはセンサ装置５を製作する際に、複数の基板領域の配線導体を互いに電気的に接続させておけば、複数のセンサ用基板３の配線導体に一括してめっき層を被着させることもできる。

また、実装板２の搭載部２ａにもタングステン等のメタライズ層（図示せず）が設けられていてもよい。このメタライズ層は、例えばセンサ素子４を搭載部にはんだ（低融点ろう材）等の金属製の接合材を用いて接合するときの接合用の下地金属層として機能する。搭載部２ａに設けられるメタライズ層も、配線導体（端子部分７）と同様の金属材料を用い、同様の方法で形成することができる。

図２（ａ）および（ｂ）はそれぞれ図１に示すセンサ用基板３およびセンサ装置５の変形例を示す断面図である。図２において図１と同様の部位には同様に符号を付している。図２（ａ）の例では、絶縁基板１の上面が、その外周部において凸部を有している。また、この凸部内に実装板２の外周部が保持されている。すなわち、実装板２の外周部を挟んで保持している凸部が絶縁基板１の上面に設けられている。

この場合には、実装板２の上下両面の外周部が凸部内に保持されている。凸部は、例えば絶縁層１ａと同様のセラミック材料からなり、同時焼成されて形成されている。この場合には、凸部は絶縁基板１の上面部分の一部とみなすこともできる。そのため、凸部を介した絶縁基板１に対する実装板２の接合の強度が向上し、センサ用基板３およびセンサ装置５としての長期信頼性が向上する。図２（ａ）の例では凸部が２層の枠状絶縁層（符号なし）からなる例が示されている。凸部は、平面視において枠状のものに限らず、複数の柱状であって、絶縁基板１の上面に外周部に所定の間隔で配列されたもの（図示せず）等であってもよい。

また、凸部が、例えば図２（ａ）に示されているように互いに積層された複数の枠状絶縁層を含んでいるときに、実装板２の外周部が複数の枠状絶縁層の層間に位置しており、平面視において実装板２の外周と枠状絶縁層の外周とが互いに同じ位置に位置していてもよい。この場合、実装板２と凸部との接合面積を大きく確保することが容易である。そのため、凸部を介した絶縁基板１に対する実装板２の接合の強度の向上に対しては、より有利である。また、絶縁基板１の外側面を平坦な面にする（絶縁基板１の外側面と実装板２
の外側面をいわゆる面一に整える）こともでき、取り扱いの容易さ等の実用性がより高いセンサ用基板３およびセンサ装置５を提供することもできる。

さらにこの場合には、実装板２の搭載部２ａよりも上側に位置している凸部の一部によって、搭載部２ａに搭載されるセンサ素子４をより確実に保護することもできる。

図２（ｂ）の例では、実装板２よりも下側に位置している枠状絶縁層の内側面が、その内側面の下端から上端にかけて外側に傾斜している。すなわち、この枠状絶縁層は、下面において上面よりも幅（外側面と内側面との間の距離）が大きい。言い換えれば、実装板２のすぐ下で空隙６を形成しているスペーサとしての枠状絶縁層は、上端における開口が下端における開口よりも大きい。この場合には、実装板２のたわみ等のための空隙６のスペースを十分に確保しながら、枠状絶縁層の絶縁基板１上面（最上層の平板状の絶縁層１ａ）との接合面積をより大きくして接合強度をさらに高めることもできる。

また、図２（ｂ）の例では、実装板２の厚みが、実装板２と絶縁基板１の上面との離間距離よりも大きい。すなわち、空隙６の高さが比較的小さく抑えられている。この場合には、センサ用基板３およびセンサ装置５としての薄型化に対してより有利である。

また、実装板２の厚みが、たわみ等の変形を容易とする範囲内で極力大きくされているため、実装板２自体の機械的な強度の点でも有利である。このような効果を得る上で、実装板２の厚みが上記のように75〜120μｍ程度の範囲であれば、実装板２と絶縁基板１の
上面との離間距離（空隙６の高さ）は、約30〜50μｍ程度に設定されていればよい。実装板２と絶縁基板１の上面との離間距離を小さく抑えるには、実装板２の下面の外周部に接合されている枠状絶縁層（スペーサ）の厚みを小さく抑えればよい。

図３（ａ）は図１に示すセンサ用基板およびセンサ装置の他の変形例を示す断面図であり、図３（ｂ）は図１に示すセンサ用基板およびセンサ装置の他の変形例を示す上面図である。図３において図１と同様の部位には同様の符号を付している。

図３（ａ）の例では、実装板２の外周部を含む周辺部における厚みが、この周辺部よりも内側の中央部における厚みよりも小さい。すなわち、実装板２の厚みが、絶縁基板１（凸部）に接合されている外周部の近くにおいて比較的小さい。そのため、実装板２の絶縁基板１とは独立した運動がより容易になる。したがって、例えばセンサ装置５に誤って生じた振動等が絶縁基板１に伝わったとしても、その振動等が実装板２に伝わることがより効果的に抑制される。これにより、上記ノイズの影響がより効果的に低減された、角速度等の物理量の検知の精度がより高いセンサ用基板３およびセンサ装置５を提供することができる。

実装板２のうち厚みが比較的小さい周辺部における厚みは、例えば約15〜25μｍ程度に設定されていればよい。図２（ａ）の例では、実装板の周辺部において上面が下方に傾斜して、厚みが次第に（いわゆるテーパ状に）小さくなっているが、実装板２の下面が上方に傾斜して次第に厚みが小さくなっていてもよい。また、周辺部が階段状等の形態になって次第に厚みが小さくなっていてもよい。

また、この例では、実装板２のうち搭載部２ａが含まれている中央部の厚みが比較的大きいため、搭載部２ａにおける実装板２の剛性の確保も容易である。そのため、例えば搭載部２ａに対するセンサ素子４の搭載時の作業性、およびセンサ装置５としての生産性等も良好に確保され得る。

図３（ｂ）の例は、図２（ｂ）をさらに変形した例とみなすこともできる。図３（ｂ）
の例では、平面視において枠状絶縁層の内側の角部を含む円形状の部分において、実装板２が厚み方向に貫通する貫通部を有している。すなわち、実装板２は、その外周部が枠状絶縁層の層間に位置して保持されているとともに、枠状絶縁層の内周の角部では枠状絶縁層に対してフリーになっている。この場合にも、実装板２の絶縁基板１とは独立した動きがより容易になる。そのため、検知しようとする角速度等の物理量とは異なる振動等によるノイズの影響がより効果的に低減された、検知の精度がより高いセンサ用基板３およびセンサ装置５を提供することができる。

また、この場合には、実装板２の厚みを一部において他の部分と異ならせる必要がないため、センサ用基板３およびセンサ装置５としての生産性も高い。

１・・・絶縁基板
１ａ・・・絶縁層
２・・・実装板
２ａ・・・搭載部
３・・・センサ用基板
４・・・センサ素子
５・・・センサ装置
６・・・空隙
７・・・端子部分
８・・・ボンディングワイヤ

Claims (7)

1. 互いに積層された複数のセラミック焼結体からなる絶縁層を含んでおり、上面を有する絶縁基板と、
   センサ素子の搭載部を含む上面を有しており、前記絶縁基板の前記上面の上方に、中央部が前記絶縁基板の前記上面から離間して配置された実装板とを備えており、
   該実装板は前記絶縁層と同じ材料からなり、
   前記絶縁層の厚みよりも前記実装板の厚みが小さいことを特徴とするセンサ用基板。
2. 前記絶縁基板の前記上面が外周部に凸部を有しており、該凸部内に前記実装板の外周部が保持されていることを特徴とする請求項１記載のセンサ用基板。
3. 前記凸部が、互いに積層された複数の枠状絶縁層を含んでいるとともに、前記実装板の外周部が前記複数の枠状絶縁層の層間に位置しており、
   平面視において前記実装板の外周と前記枠状絶縁層の外周とが互いに同じ位置に位置していることを特徴とする請求項２記載のセンサ用基板。
4. 前記実装板よりも下側に位置している前記枠状絶縁層の下面の幅が、該枠状絶縁層の上面の幅よりも大きいことを特徴とする請求項３記載のセンサ用基板。
5. 前記実装板の厚みが、前記実装板と前記絶縁基板の前記上面との離間距離よりも大きいことを特徴とする請求項２〜請求項４のいずれかに記載のセンサ用基板。
6. 前記実装板の前記外周部を含む周辺部における厚みが、該周辺部よりも内側の中央部における厚みよりも小さいことを特徴とする請求項２〜請求項５のいずれかに記載のセンサ用基板。
7. 請求項１〜請求項６のいずれかに記載のセンサ用基板と、
   前記搭載部に搭載されたセンサ素子とを備えることを特徴とするセンサ装置。

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