JP6430201B2

JP6430201B2 - センサ

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Publication number: JP6430201B2
Application number: JP2014202632A
Authority: JP
Inventors: 啓壽山田; 幹也飯田; 桂増西; 下川　一生; 一生下川; 福澤　英明; 英明福澤; 通子原
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2014-09-30
Filing date: 2014-09-30
Publication date: 2018-11-28
Anticipated expiration: 2034-09-30
Also published as: JP2016070848A; US9885762B2; TW201618271A; US20160091575A1

Description

本発明の実施形態は磁気シールドパッケージに関する。

磁気デバイスを用いたセンサは、外部からの磁気ノイズの影響を受ける。そこで、磁気デバイスを磁気シールド部材で囲うことにより、外部からの磁気的影響を低減させる磁気シールドパッケージが提案されている。

特開２００９−３６５７９号公報

磁気シールドパッケージ内に音波を検出する圧力検知素子を搭載する場合、磁気シールドパッケージの適切な位置に開口が設けられていないと、パッケージ内に音波を効率よく伝搬させることができず、圧力検知の感度を高めることができない。

そこで本発明は、外部からの磁気ノイズの影響を低減しながらも、センサ感度を高めることができる磁気シールドパッケージを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の実施形態による磁気シールドパッケージは、磁気デバイスと、前記磁気デバイスの下方に設けられた第１の磁気シールド部材と、前記第１の磁気シールド部材上に設けられ、前記磁気デバイスを覆う第２のシールド部材とを有し、前記第１の磁気シールド部材の外周に接しない位置、または前記第２の磁気シールド部材の上面、のいずれかに開口が設けられる。

本発明の第１の実施形態に係る磁気シールドパッケージ。本発明の第１の実施形態に係る磁気シールドパッケージ。本発明の第１の実施形態に係る磁気シールドパッケージの第１の接着剤の厚さと磁界シールド効果との関係を表すグラフ。本発明の第１の実施形態に係る磁気シールドパッケージの第１の磁気シールド部材の開口部およびパッケージ基板の開口部の上面透視図。本発明の第１の実施形態の変形例１に係る磁気シールドパッケージ。本発明の第１の実施形態の変形例１に係る磁気シールドパッケージ。本発明の第１の実施形態の変形例２に係る磁気シールドパッケージ。本発明の第２の実施形態に係る磁気シールドパッケージ。本発明の第２の実施形態の変形例１に係る磁気シールドパッケージ。本発明の第２の実施形態の変形例２に係る磁気シールドパッケージ。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る磁気シールドパッケージの斜視図（図１（ａ））および断面図（図１（ｂ））である。第１の実施形態に係る磁気シールドパッケージ１は、パッケージ基板１０、第１の磁気シールド部材１１、第２の磁気シールド部材１２、圧力検知素子１３、磁気デバイス１４、集積回路１５を有する。図２には、磁気シールドパッケージ１から第２の磁気シールド部材１２を外した状態での上面図を示す。

磁気シールドパッケージ１は、音波等を電気的信号に変換するために用いられる。磁気デバイス１４は、ＧＭＲ（Giant Magneto Resistance）素子のように、外部磁界や外部からの圧力によって抵抗などの電気的性能が変化する素子である。磁気デバイス１４は、圧力検知素子１３上に配置される。

圧力検知素子１３は、Ｓｉを加工したＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）素子等によって構成される。圧力検知素子１３は、外部からの音波等を受けて振動する。圧力検知素子１３が振動すると、磁気デバイス１４に応力が加わり、磁気デバイスの抵抗等の電気的性能が変化する。このようにして、音波等を電気的信号に変換することができる。

磁気デバイス１４は、外部からの不要磁気ノイズの影響を受けて電気的性能が変化してしまう。そこで、第１の磁気シールド部材１１および第２の磁気シールド部材１２で磁気デバイス１４の周囲を囲うことによって、磁気シールドパッケージ１内を磁気的に遮蔽する。これによって、磁気デバイス１４に対する外部からの不要磁界ノイズの影響を低減することができる。ただし、第１の磁気シールド部材１１および第２の磁気シールド部材１２によって完全に圧力検知素子１３および磁気デバイス１４を覆うと、パッケージ内に効率良く音波を伝搬させることができない。そこで、第１の磁気シールド部材１１に開口部１１ｈを設ける。開口部１１ｈについては後程詳細に説明する。

磁気シールドパッケージ１の構成について説明する。パッケージ基板１０は、ＦＲ４等のガラスエポキシ基板等である。パッケージ基板１０は、１層または複数層の配線層を含む。パッケージ基板１０は、ＬＧＡ（Land Grid Array）タイプでも良いし、ＢＧＡ（Ball Grid Array）タイプでも良い。図１に示す例は、ＬＧＡタイプのパッケージ基板１０であって、第１の配線層１０ａおよび第２の配線層１０ｂが設けられる。第２の配線層１０ｂは電極として用いられる。第１の配線層１０ａと第２の配線層１０ｂとはビア１０ｃによって接続される。

パッケージ基板１０上には、第１の磁気シールド部材１１および第２の磁気シールド部材１２が設けられる。パッケージ基板１０上に板状の第１の磁気シールド部材１１が接着される。第１の磁気シールド部材１１上には、磁気デバイス１４の上部と側面を覆う磁気シールド部材１２が設けられる。こうして、第１の磁気シールド部材１１および第２の磁気シールド部材が、磁気デバイス１４の周囲を囲う。なお、図１では、第１の磁気シールド部材１１が板状であり、第２の磁気シールド部材１２が直方体から一面が除かれたような形状であるとして示しているが、第１の磁気シールド部材１１と第２の磁気シールド部材１２の形状はこれに限られない。第１の磁気シールド部材１１および第２の磁気シールド部材１２によって磁気デバイス１４の周囲を囲うことができれば良い。

第１の磁気シールド部材１１および第２の磁気シールド部材１２の材質は鉄、炭素鋼、珪素鋼、パーマロイ等の軟磁性体が考えられる。第１の磁気シールド部材１１と第２の磁気シールド部材１２の材質は同じでも良いし、異なっても良い。

磁気シールドパッケージ１の磁界シールド効果は、第１および第２の磁気シールド部材１１，１２の比透磁率μｒと厚さｔｍにより決まる。磁気シールド部材の厚さｔｍをミリメートル単位で表した場合、比透磁率μｒと厚さｔｍの積を１０以上にすると、１０ｄＢ以上の磁界シールド効果を得ることができる。

第１の磁気シールド部材１１および第２の磁気シールド部材１２は、例えば、第１の接着剤１６によって接着される。第１の接着剤１６は、比透磁率が２以上の磁性粒子等を用いると、第１の磁気シールド部材１１と第２の磁気シールド部材１２の磁路が繋がり、磁界シールド効果を高めることができる。

図３は第１の接着剤１６の厚さと磁界シールド効果との関係を表すグラフである。第１の接着剤１６として、非磁性の接着剤を用いた場合と、比透磁率２０の磁性粒子を含む接着剤を用いた場合とを比較した。非磁性の接着剤を用いた場合、第１の接着剤１６の厚さ３μｍ以上で磁界シールド効果が４８ｄＢ以下となり、厚さ３０μｍの場合には、磁界シールド効果が３４ｄＢとなった。一方、非磁性粒子を含む接着剤を用いた場合、第１の接着剤１６の厚さが３０μｍ以下の範囲で４８ｄＢ以上の高い磁界シールド効果が得られた。この比較結果からも、第１の接着剤１６として磁性粒子が含まれる接着剤を用いると、非磁性の接着剤を用いた場合よりも高い磁気シールド効果が得られることが分かる。

第１の接着剤１６に用いられる磁性粒子は、直径１μｍ〜数１０μｍのマイクロ粒子、直径数ｎｍ〜数１０ｎｍのナノ粒子、もしくはその両方が混合されたものが考えられる。例えば、鉄、パーマロイ、フェライト、センダスト等の鉄やニッケルを主成分にするマイクロ粒子や、鉄や酸化鉄、鉄白金等のナノ粒子が考えられる。また、粒子のバインダーはエポキシ樹脂やシリコーン等が考えられ、第１の磁気シールド部材と第２の磁気シールド部材の接合性の良さから選択すればよい。なお、第１の接着剤１６として、シリコーン等の非酸性の接着剤や絶縁体や銀ペースト、はんだ等の導体の接着剤を用いることもできる。

また、第１の磁気シールド部材と第２の磁気シールド部材は、比透磁率が２以上の磁性粒子等を用いた接着剤で接着される以外にも、例えば両面テープで接着することも考えられる。

圧力検知素子１３は第１の磁気シールド部材１１上に設けられる。圧力検知素子１３と磁気シールド部材１１とは、第２の接着剤１７によって接着される。第２の接着剤１７として、磁性粒子を含まないシリコーンなどの非磁性の接着剤や絶縁体や銀ペースト、はんだ等の非磁性の導体接着剤等が用いられる。

圧力検知素子１３上には、単数または複数個の磁気デバイス１４が設けられる。磁気デバイス１４を複数設けることで、音波に対する感度を向上させることができる。磁気デバイス１４は、圧力検知素子１３上に設けられた配線やワイヤ１８を介して集積回路１５に電気的に接続される。圧力検知素子１３および磁気デバイス１４を用いて検知されたアナログ信号は、集積回路１５に入力される。

集積回路１５は、入力されたアナログ信号を信号処理し、ディジタル信号を出力する。集積回路１５から出力されたディジタル信号は、ワイヤ１８やパッケージ基板上を通り、電極１０ｂに出力される。ワイヤ１８をパッケージ基板に接続する必要があるため、図２に示すように第１の磁気シールド部材１１にはワイヤ１８を通すための開口１１ｉが設けられている。なお、本実施形態の集積回路１５は、第１の磁気シールド部材１１および第２の磁気シールド部材１２に囲まれた空間内に配置されているが、第１の磁気シールド部材１１および第２の磁気シールド部材１２で囲まれた空間の外に配置することもできる。

次に、第１の磁気シールド部材１１に設けられる開口部１１ｈについて説明する。開口部１１ｈは、圧力検知素子１３の下方に設けられる。圧力検知素子１３の下方に開口部１１ｈを設けることによって、磁気シールドパッケージ１内に音波を効率よく伝搬させることができる。また、第１の磁気シールド部材１１の開口部１１ｈの下方には、パッケージ基板１０の開口部１０ｈが設けられる。

図４に、第１の磁気シールド部材１１の開口部１１ｈおよびパッケージ基板１０の開口部１０ｈの上面透視図を示す。図４では、第１の磁気シールド部材１１の開口部１１ｈを実線で示し、パッケージ基板１０の開口部１０ｈを破線で示す。パッケージ基板１０には例えば円形の開口から成る開口部１０ｈが設けられる。第１の磁気シールド部材１１の開口部１１ｈは、図４（ａ）に示すように円形（例えばパッケージ基板１０と同心円）の開口部でも良いし、図４（ｂ）に示すように扇状の開口から成る開口部でも良いし、図４（ｃ）に示すようにパッケージ基板１０の開口よりも面積が小さい円形の複数の開口から成る開口部でも良いし、図４（ｄ）に示すようにパッケージ基板１０の開口よりも面積が十分小さい複数の開口から成る網目状の開口部であっても良い。図４（ａ）の磁気シールド部材の開口部１１ｈおよびパッケージ基板１０の開口部１０ｈの寸法は、ヘルムホルツ共鳴がおこらないように、パッケージ基板厚さ、ダイヤフラムの空間等を考慮し、設計する。また図４（ｄ）の第１の磁気シールド部材１１の開口部１１ｈの各開口の寸法は、センシングする最大周波数における音波の波長の１／１０００以上にするとよい。具体的には最大周波数を１０ｋＨｚとすると、波長は３．４ｃｍになるので、開口の直径、または最も短い辺の寸法は１／１０００以上だと３４μｍ以上にするとよい。また、開口の形状は、上記に限定されることはなく、楕円、多角形、正方形、長方形、菱形、三角形、星型などでも良い。

なお、開口部１０ｈが開口部１１ｈよりも大きくても良いし、開口部１１ｈが開口部１０ｈよりも大きくても良い。図４（ａ）や図４（ｃ）のような円形の開口はドリルによって開けられても良いし、打ち抜きやエッチングによって加工されても良い。また、図４（ｂ）や図４（ｄ）のような開口は打ち抜きやエッチングによって加工されても良い。

磁気シールド効果を図４（ａ）〜（ｄ）間で比較すると、図４（ａ）場合には３９．８ｄＢとなり、図４（ｂ）の場合には４９．４ｄＢとなり、図４（ｃ）の場合には４９．５ｄＢとなり、図４（ｄ）の場合には、４９．８ｄＢとなった。つまり、パッケージ基板１０の開口部１０ｈと同じ円形の開口部１１ｈよりも、パッケージ基板１０の開口部１０ｈよりも小さい複数の開口から成る開口部１１ｈの方が高い磁界シールド効果を得ることができる。

このような磁気シールドパッケージ１は、例えばＧＭＲ素子等の磁気デバイスを用いた音響センサや、磁界強度を測定する電流センサ、ＭＲＡＭ（Magnetoresistive random access memory）の磁気シールドパッケージに用いることができる。

（第１の実施形態の変形例）
図５は、本発明の第１の実施形態の変形例に係る磁気シールドパッケージの断面図である。図５では、図１と同様の構成要素には同じ記号を付して、その構成要素についての詳細な説明は省略する。本変形例に係る磁気シールドパッケージ２は、第１の実施形態に係る磁気シールドパッケージに第３の磁気シールド部材２１を加えた構成である。図６は磁気シールドパッケージ２から第２の磁気シールド部材１２を外した状態での斜視図である。

第３の磁気シールド部材２１は、第１の磁気シールド部材１１上に配置され、圧力検知素子１３と磁気デバイス１４の四方を囲う。圧力検知素子１３と磁気デバイス１４の上方は、圧力検知素子１３と集積回路１５とを接続するワイヤ１８を通すために第３の磁気シールド部材２１が設けられない。もしくは、圧力検知素子１３と磁気デバイス１４の上方には、ワイヤボンディングの妨げにならない部分に第３の磁気シールド部材２１を設けても良い。

第３の磁気シールド部材２１は、第３の接着剤２２を用いて第１の磁気シールド部材１１に接着される。第３の接着剤２２としては、磁性粒子を含まないシリコーン等の非磁性の接着剤や、絶縁体や、銀ペーストや、はんだ等の非磁性の導体の接着剤が用いられる。このように第３の磁気シールド部材２１を設けることで、磁気デバイス１４周辺の磁気シールド効果をさらに高めることができる。

第３の磁気シールド部材２１の有無および、第３の接着剤２２として非磁性の接着剤を用いる点について、磁界解析結果を用いて説明する。（１）第３の磁気シールド部材２１を配置しない場合（第１の磁気シールドパッケージ１）と、（２）第２の磁気シールドパッケージ２において５０μｍ厚の非磁性の第３の接着剤２２によって第３の磁気シールド部材を接着した場合と、（３）第２の磁気シールドパッケージ２において１０μｍ厚の磁性粒子を含む接着剤で接着した場合の磁界シールド効果について比較した。

このとき、第１の磁気シールド部材１１、第２の磁気シールド部材１３、第３の磁気シールド部材２１は比透磁率５０００のパーマロイで、第１の磁気シールド部材１１および第２の磁気シールド部材１３の厚さは０．２ｍｍとした。第１の接着剤１６には厚さ１０μｍで比透磁率２０の磁性粒子を含む接着剤を用いた。第１の磁気シールド部材１１の開口部１１ｈは、図４（ｃ）に示すような形状とした。第３の磁気シールド部材２１は高さが０．５ｍｍで、外周が１辺の１．２ｍｍの正方形、内周が０．８ｍｍの正方形とした。

その結果、（１）第３の磁気シールド部材２１を配置しない場合には、磁界シールド効果は４９．５ｄＢとなった。（２）第２の磁気シールドパッケージ２において５０μｍ厚の非磁性の第３の接着剤２２によって第３の磁気シールド部材を接着した場合には、５６．５ｄＢとなった。（３）第２の磁気シールドパッケージ２において１０μｍ厚の磁性粒子を含む接着剤で接着した場合には、５１．５ｄＢとなった。つまり、第３の磁気シールド部材を配置することにより、磁界シールド効果は上昇し、特に第３の接着剤２２として、非磁性体の接着剤を用いた方が磁性体の接着剤を用いた場合よりも磁界シールド効果が高くなることが示された。

（第１の実施形態の変形例２）
図７は、本発明の第１の実施形態の変形例２に係る磁気シールドパッケージの斜視図（図７（ａ））および断面図（図７（ｂ））である。図７に示す磁気シールドパッケージ５では、図１の磁気シールドパッケージ１と同じ構成要素は同じ記号を付す。図７に示すように、磁気シールドパッケージ５は、第１の磁気シールド部材１１ではなく、第２の磁気シールド部材１２に開口部１２ｈを設ける。

図７では、開口部１２ｈが集積回路１５の直上に設けられた場合の磁気シールドパッケージ５を示している。しかし、開口部１２ｈは集積回路１５の直上に限定されず、第２の磁気シールド部材１２のどこに設けても良い。ただし、第２の磁気シールド部材１２の第１の磁気シールド部材１１と接しない面であって、外周に接しない箇所に設けると開口部の加工が容易である。開口部１２ｈは、円、楕円、多角形、正方形、長方形、菱形、三角形、星型など、どのような形状でも良い。また、図４を用いて説明した開口部１１ｈと同様に、開口部１２ｈは、１つの開口から構成されても良いし、複数の開口から構成されても良い。

さらに、第１の実施形態の変形例２は変形例１と組み合わせても良い。つまり、磁気シールドパッケージ５の圧力検知素子１３と磁気デバイス１４の四方を囲う第３の磁気シールド部材２１を設けても良い。

（第２の実施形態）
図８は、本発明の第２の実施形態に係る磁気シールドパッケージの断面図である。第２の実施形態に係る磁気シールドパッケージ３は、パッケージ基板３０、第１の磁気シールド部材３１、第２の磁気シールド部材３２、圧力検知素子１３、磁気デバイス１４、集積回路１５、半田ボール３９を有する。圧力検知素子１３、磁気デバイス１４、集積回路１５等の構成要素は第１の実施形態の磁気シールドパッケージ１と同様であるため、同じ記号を付し、詳細な説明は省略する。

磁気シールドパッケージ３では、第１の磁気シールド部材３１がパッケージ基板１０の下に設けられる。そして、第２の磁気シールド部材３２は、パッケージ基板１０の四方を囲んで、第１の磁気シールド部材３１に第１の接着剤１６を用いて接着される。これによって、第１の磁気シールド部材３１と第２の磁気シールド部材３２とによって、磁気デバイス１４の周囲を囲うことができ、外部からの不要磁気ノイズの影響を低減することができる。更に、第１の接着剤１６は、第１の実施形態にて説明したとおり、磁性粒子を含む比透磁率２以上の接着剤を用いると、磁界シールド効果を高めることができる。

パッケージ基板３０は、磁気シールドパッケージ３の外部へ電極を取り出すために、半田ボール３９が搭載されている。このため、第１の磁気シールド部材３１の半田ボール３９直下の部分にも開口部３１ｊが設けられる。例えば、半田ボール３９の直径を０．３ｍｍ、開口部３１ｊの直径を０．６ｍｍとする。

なお、磁気シールドパッケージ３は、回路配線との短絡を防ぐ目的や、腐食に耐性持たせる目的で、絶縁体の表面処理を施しても良い。表面処理の材質にはポリイミド等が用いられる。

また、本実施形態においても、第１の実施形態の変形例と同様の変形が可能である。図９に示すように、変形例１に係る磁気シールドパッケージ４は、第３の磁気シールド部材２１を更に有し、第３の磁気シールド部材２１が、パッケージ基板３０上に配置され、圧力検知素子１３と磁気デバイス１４の四方を囲うように配置する。第３の磁気シールド部材２１とパッケージ基板３０は第３の接着剤を用いて接着される。

また、図１０に示すように、変形例２に係る磁気シールドパッケージ６は、第２の磁気シールド部材３２に開口部３２ｈを設ける。開口部３２ｈを設ける位置は第２の磁気シールド部材３２のどこでも良く、開口部３２ｈは１つの開口から構成されても複数の開口から構成されても良く、開口はどのような形状でも良い。さらに、変形例１と変形例２とは組み合わせても良い。

以上本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１，２，３，４，５，６…磁気シールドパッケージ、１０，３０…パッケージ基板、１０ａ，３０ａ…第１の配線層、１０ｂ，３０ｂ…第２の配線層、１０ｃ，３０ｃ…ビア、１０ｈ，１２ｈ，３０ｈ，３２ｈ…開口部、１１，３１…第１の磁気シールド部材、１１ｈ，３１ｈ…開口部、１１ｉ…開口部、１２，３２…第２の磁気シールド部材、１３…圧力検知素子、１４…磁気デバイス、１５…集積回路、１６…第１の接着剤、１７…第２の接着剤、１８…ワイヤ、３１ｊ…開口部、３９…半田ボール

Claims

磁気デバイスと、
前記磁気デバイスの下方に設けられた第１の磁性体と、
前記磁気デバイスを覆う第２の磁性体と、
前記磁気デバイスの四方に設けられた第３の磁性体と、を有し、
前記第１の磁性体、または、前記第２の磁性体に開口が設けられ、
前記第２の磁性体は、前記磁気デバイスおよび前記第３の磁性体を覆い、
前記第３の磁性体は、非磁性の接着剤により前記第１の磁性体に接着される、
センサ。
磁気デバイスと、
前記磁気デバイスの下に設けられた圧力検知素子と、
前記圧力検知素子の下方に設けられ、前記圧力検知素子の直下の少なくとも一部に第１の開口が設けられた第１の磁性体と、
前記磁気デバイスを覆う第２の磁性体と、
前記磁気デバイスの四方に設けられた第３の磁性体と、を有し、
前記第２の磁性体は、前記磁気デバイスおよび前記第３の磁性体を覆い、
前記第３の磁性体は、非磁性の接着剤により前記第１の磁性体に接着される、
センサ。
磁気デバイスと、
前記磁気デバイスの下に設けられた圧力検知素子と、
前記圧力検知素子の下方に設けられ、前記圧力検知素子の直下の少なくとも一部に第１の開口が設けられた第１の磁性体と、
前記磁気デバイスを覆う第２の磁性体と、
前記圧力検知素子の下方に設けられ、前記圧力検知素子の直下の少なくとも一部に第２の開口が設けられた基板と、を有し、
前記第１の磁性体には、複数の前記第１の開口が設けられ、複数の前記第１の開口のそれぞれは、前記第２の開口よりも面積が小さい、
センサ。
磁気デバイスと、
前記磁気デバイスの下に設けられた圧力検知素子と、
前記圧力検知素子の下方に設けられ、前記圧力検知素子の直下の少なくとも一部に第１の開口が設けられた第１の磁性体と、
前記磁気デバイスを覆う第２の磁性体と、
前記圧力検知素子の下方に設けられ、前記圧力検知素子の直下の少なくとも一部に第２の開口が設けられた基板と、を有し、
前記第１の開口は、前記第２の開口よりも面積が小さい、
センサ。
前記第１の磁性体と前記第２の磁性体とは、磁性粒子を含む接着剤によって接着されている請求項１〜４のいずれか１項に記載のセンサ。
前記磁気デバイスの四方に設けられた第３の磁性体を更に有し、
前記第２の磁性体は、前記磁気デバイスおよび前記第３の磁性体を覆い、前記基板は前記第１の磁性体上に設けられ、前記第３の磁性体は非磁性の接着剤により前記基板に接着される請求項３または４に記載のセンサ。
前記第２の磁性体は、前記第１の磁性体の上方に設けられる、請求項１〜４のいずれか１項に記載のセンサ。