JP7054609B2 - 計測センサ用パッケージ及び計測センサ - Google Patents

Description

本発明は、電子部品である計測センサ用パッケージ、及び、これを備えた例えば血流センサなどの計測センサに関する。以下、計測センサ用パッケージを、単に「パッケージ」という。

血流等の生体情報を簡単に、かつ高速に測定できる計測センサが求められている。例えば血流は、光のドップラ効果を利用して計測できる。血液に光を照射すると、赤血球等の血球細胞で光が散乱される。照射光の周波数と散乱光の周波数とから血球細胞の移動速度が算出される。

血流を計測する計測センサは、例えば、特許文献１に自発光型計測センサとして記載されており、血液に光を照射する照射部と散乱光を受光する受光部とが基板上に配置されている。

特許第５０３１８９５号公報

しかしながら、従来の計測センサでは、被計測物にほぼ垂直に照射光が入ることにより、被計測物の比較的深い部分に照射光が到達することから、被計測物の浅い部分を計測することが困難であった。

そこで、本発明の目的は、被計測物の浅い部分の計測に適したパッケージ及び計測センサを提供することにある。

本発明に係るパッケージは、
複数の誘電体層が積層されて成り、表裏関係にある第一面及び第二面を有する板状の基体と、
前記第一面に設けられ、発光素子を収容する第一収容凹部と、
前記第一面に設けられ、受光素子を収容する第二収容凹部と、
前記第一収容凹部に設けられ、前記発光素子を載置する第一底面と、
前記第二収容凹部に設けられ、前記受光素子を載置する第二底面と、
前記第一面に位置し、前記第一収容凹部及び前記第二収容凹部の各開口を取り囲んだ蓋側接地導体層と、
該蓋側接地導体層上に位置し、発光側開口及び受光側開口が設けられている金属薄層と、
を備え、
前記第一底面及び前記第二底面の少なくとも一方が、前記第一底面と前記第二底面とが互いに向き合う方向に傾斜しており、
前記第一収容凹部と前記第二収容凹部とが並んだ方向において、前記発光側開口の幅が、前記受光側開口の幅より大きく、前記第一収容凹部の幅より小さく、
前記発光側開口が、前記第一収容凹部に対して前記受光側開口側に近くなるように前記第一収容凹部に重なっている、
ことを特徴とする。

本発明に係る計測センサは、
本発明に係るパッケージと、
光透過性を有するとともに前記第一面を覆う板状の蓋体と、
前記第一収容凹部に収容された発光素子と、
前記第二収容凹部に収容された受光素子と、
を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、発光素子を載置する第一底面と受光素子を載置する第二底面との少なくとも一方が、互いに向き合う方向に傾斜していることにより、被計測物の浅い部分からの散乱光を得やすくなるので、被計測物の浅い部分の計測に適したパッケージ及び計測センサを提供できる。

実施形態のパッケージ及び計測センサを示す断面図であり、図２におけるＩ－Ｉ線断面を含む全体断面図である。 図１において蓋体を取り除いた状態を示す全体平面図である。 実施形態のパッケージを製造する方法を示す部分断面図であり、詳しくは傾斜した第一底面を有する第一収容凹部等の形成工程であり、図３［Ａ］→図３［Ｂ］→図３［Ｃ］の順に工程が進行する。 図４［Ａ］は比較例の計測センサの動作時を示す概念図であり、図４［Ｂ］は実施形態の計測センサの動作時を示す概念図である。 図５［Ａ］は実施形態の変形例１を示す概念図であり、図５［Ｂ］は実施形態の変形例２を示す概念図である。 図６［Ａ］は実施形態における発光素子の一例を示す側面図であり、図６［Ｂ］は実施形態における受光素子の一例を示す側面図である。

本明細書及び特許請求の範囲における「備える」とは、明示した構成要素以外の構成要素を備える場合も含まれる。「有する」や「含む」なども同様である。本明細書及び特許請求の範囲における「接続する」とは、明示した構成要素以外の構成要素を介して接続する場合も含まれる。例えば、要素Ａに接続するとは、要素Ａに直接接続する場合の他に、要素Ａに要素Ｂ等を介して接続する場合も含まれる。以下、添付図面を参照しながら、本発明を実施するための形態（以下「実施形態」という。）について説明する。

図１は、本実施形態のパッケージ及び計測センサを示す断面図であり、図２におけるＩ－Ｉ線断面を含む全体断面図である。図２は、図１において蓋体を取り除いた状態を示す全体平面図である。図１及び図２では、発光素子１４及び受光素子１５を仮想線（二点鎖線）で示す。図２では、金属薄層４２にドットを付す。

本実施形態のパッケージ１０は、複数の誘電体層が積層されて成り、表裏関係にある第一面２１及び第二面２２を有する板状の基体１２と、第一面２１に設けられ、発光素子１４を収容する第一収容凹部２３と、第一面２１に設けられ、受光素子１５を収容する第二収容凹部２４と、第一収容凹部２３に設けられ、発光素子１４を載置する第一底面２６と、第二収容凹部２４に設けられ、受光素子１５を載置する第二底面２７と、を備えている。

そして、第一底面２６及び第二底面２７の少なくとも一方（本実施形態では第一底面２６のみ）が、第一底面２６と第二底面２７とが互いに向き合う方向に傾斜している。すなわち、第一底面２６が第一面２１に非平行であり、第二底面２７が第一面２１に平行である。また、第一底面２６及び第二底面２７の少なくとも一方（本実施形態では両方）に、フリップチップ用の電極パッド５１ａ，５１ｂ，５１ｃ，５１ｄが形成されている。

本実施形態の計測センサ１１は、パッケージ１０と、光透過性を有するとともに第一面２１を覆う板状の蓋体１３と、第一収容凹部２３に収容された発光素子１４と、第二収容凹部２４に収容された受光素子１５と、を備えている。

次に、本実施形態のパッケージ１０及び計測センサ１１の構成について更に詳しく説明する。

パッケージ１０の基体１２は、矩形板状すなわち直方体状であって、複数の誘電体層が積層されて形成されている。また、基体１２には、少なくとも二つの凹部が設けられている。これら二つの凹部のうち、一方は発光素子１４を収容する第一収容凹部２３であり、他方は受光素子１５を収容する第二収容凹部２４である。第一収容凹部２３及び第二収容凹部２４は、基体１２の一方の主面である第一面２１に、開口するように設けられている。また、第一収容凹部２３と第二収容凹部２４とを隔てる遮光壁２５が、第一面２１に設けられている。なお、直方体状には立方体状も含まれる。

パッケージ１０は、光のドップラ効果を利用して、血流等の流体の流れを計測する計測センサ１１に用いられてもよい。光のドップラ効果を利用するために、計測センサ１１は、被計測物に光を照射する発光素子１４と、被計測物によって散乱された光を受光する受光素子１５とを備える。特に、血流を計測する場合には、例えば手指等の身体の一部に外部から光を照射し、皮膚下の血管を流れる血液に含まれる血球細胞によって散乱された光を受光して、周波数の変化から血流を測定する。そのため、パッケージ１０においては、照射光と散乱光の位置関係に基づいて、発光素子１４と受光素子１５とを所定の間隔で配置する。第一収容凹部２３及び第二収容凹部２４は、素子の位置関係に応じて設けられる。

第一収容凹部２３及び第二収容凹部２４の大きさは、収容しようとする発光素子１４及び受光素子１５の大きさに応じて適宜設定すればよい。例えば、発光素子１４として垂直共振器面発光レーザ素子（以下「ＶＣＳＥＬ（Vertical Cavity Surface Emitting LASER）」という。）を用いる場合、第一収容凹部２３の開口は、その形状が矩形であっても正方形であってもよく、その大きさが縦方向長さ０．３ｍｍ～２．０ｍｍ、横方向長さ０．３ｍｍ～２．０ｍｍであり、その深さが０．３ｍｍ～１．０ｍｍである。また、受光素子１５として面入射フォトダイオードを用いる場合、第二収容凹部２４の開口は、その形状が矩形であっても正方形であってもよく、その大きさが縦方向長さ０．３ｍｍ～２．０ｍｍ、横方向長さ０．３ｍｍ～２．０ｍｍであり、その深さが０．４ｍｍ～１．５ｍｍである。

第一収容凹部２３及び第二収容凹部２４の開口形状は、矩形状や正方形状以外にも、例えば円形状、その他の形状であってもよい。また、第一収容凹部２３及び第二収容凹部２４の第一面２１に平行な断面の形状は、本実施形態では深さ方向に一様であるが、所定の深さ以降は小さくなって底部まで一様であるような、段差付きの凹部としてもよい。

第一収容凹部２３は発光素子１４が載置される第一底面２６を有し、第二収容凹部２４は受光素子１５が載置される第二底面２７を有している。第一底面２６には発光素子１４と電気的に接続される電極パッド５１ａ，５１ｂが配設され、第二底面２７には受光素子１５と電気的に接続される電極パッド５１ｃ，５１ｄが配設されている。例えば、電極パッド５１ａ，５１ｃは＋電極であり、電極パッド５１ｂ，５１ｄは－電極である。

基体１２は、発光素子１４及び受光素子１５を収容可能であり、かつ配線用の導体を備えるものであれば、誘電体層がセラミック絶縁材料から成るセラミック配線基板であってもよく、誘電体層が樹脂絶縁材料から成る有機配線基板であってもよい。

基体１２がセラミック配線基板の場合、セラミック材料から成る誘電体層に各導体が形成される。セラミック配線基板は、複数のセラミック誘電体層から形成される。セラミック配線基板で用いられるセラミック材料としては、例えば、酸化アルミニウム質焼結体、ムライト質焼結体、炭化珪素質焼結体、窒化アルミニウム質焼結体、窒化珪素質焼結体又はガラスセラミックス焼結体等が挙げられる。

基体１２が有機配線基板の場合、有機材料から成る絶縁層に配線導体が形成される。有機配線基板は、複数の有機誘電体層から形成される。有機配線基板は、例えば、プリント配線基板、ビルドアップ配線基板又はフレキシブル配線基板等の誘電体層が有機材料から成るものであればよい。有機配線基板で用いられる有機材料としては、例えば、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、ポリエステル樹脂、アクリル樹脂、フェノール樹脂又はフッ素系樹脂等が挙げられる。

蓋体１３は、基体１２の第一面２１を覆っている。発光素子１４及び受光素子１５が収容された第一収容凹部２３及び第二収容凹部２４は、蓋体１３によって塞がれて封止される。蓋体１３は、絶縁材料から成る板状部材であり、第一収容凹部２３に収容される発光素子１４から出射する光が透過し、第二収容凹部２４に収容される受光素子１５に入射する光が透過するような、光透過性を有する材料で構成されていればよい。

パッケージ１０を備える計測センサ１１では、蓋体１３の表面に例えば被計測物である手指を当てた状態で、発光素子１４から出射した光をその手指に照射する。蓋体１３が導電性を有する材料で構成されていると、蓋体１３に手指を接触させたときに、手指に溜まった不要な電荷が手指から放出され、蓋体１３を通して基体１２に電荷が流れ込むことにより、ノイズが発生する。そこで、蓋体１３を絶縁材料で構成することにより、蓋体１３を通して不要な電荷が流れ込むことを抑制している。

また、蓋体１３は、被計測物への照射光及び被計測物からの散乱光が透過する必要がある。照射光及び散乱光の特性は発光素子１４によって決まるので、少なくとも発光素子１４が出射する光が透過するように蓋体１３が構成されていればよい。蓋体１３は、発光素子１４が出射する光の波長に対して好ましくは７０％以上（より好ましくは９０％以上）の透過率を有する絶縁材料で構成されてもよい。

蓋体１３を構成する絶縁材料としては、例えばサファイア等の透明セラミック材料、ガラス材料又は樹脂材料等を用いることができる。ガラス材料としては、ホウケイ酸ガラス、結晶化ガラス、石英、ソーダガラス等を用いることができる。樹脂材料としては、ポリカーボネート樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、エポキシ樹脂等を用いることができる。

蓋体１３は、手指等の被計測物が直接接触するため、所定の強度を要する。蓋体１３の強度は、構成する材料の強度や板厚みによる。上記のように透明セラミック材料やガラス材料であれば、所定の厚み以上とすることで十分な強度が得られる。蓋体１３の構成材料としてガラス材料を用いる場合は、例えば厚みを０．０５ｍｍ～５ｍｍとすればよい。

第一収容凹部２３と第二収容凹部２４との間に遮光壁２５がある。遮光壁２５は遮光性を必要とするが、基体１２がセラミック配線基板や有機配線基板であれば、その条件を満たすことになる。接地ビア導体３２ｂは、導電性を有する材料から成り、遮光壁２５を貫通するように基体１２内に設けられ、第一面２１に設けられた蓋側接地導体層３３と第二面２２に設けられた外部接地端子３４とを電気的に接続する。接地ビア導体３２ｂは、外部接地端子３４によって接地電位が付与され、電磁シールドとして機能する。

基体１２には、接地ビア導体３２ｂの他にも、接地ビア導体３２ａ，３２ｃが設けられている。接地ビア導体３２ａ～３２ｃは、一端が蓋側接地導体層３３に電気的に接続され、他端が内部接地導体層３６に電気的に接続されている。内部接地導体層３６は、接地ビア導体３２ｂを介して外部接地端子３４に電気的に接続されている。つまり、蓋側接地導体層３３、接地ビア導体３２ａ，３２ｃ及び内部接地導体層３６は、外部接地端子３４に電気的に接続されることにより、接地電位が付与され、電磁シールドとして機能する。また、接地ビア導体３２ａ～３２ｃの本数は、特に制限はなく、何本でもよい。接地ビア導体３２ａ～３２ｃの形状は、棒状の他に、例えば板状、網状などとしてもよい。

一般に、自発光型の計測センサ１１では、発光素子１４から被計測物を経て受光素子１５に至る光路長が短いほど、受光素子１５で受光される被計測物からの散乱光が増加するので、感度が向上する。しかし、単に発光素子１４と受光素子１５とを近接して配置した場合、発光素子１４側で発生した電磁波ノイズが受光素子１５側に進入し易くなり、計測センサ１１の計測精度が低下してしまう。特に、血流の計測等に用いられる計測センサ１１では、受光素子１５による受光量が比較的小さいことにより、受光素子１５から出力される電気信号が弱くなるので、電磁波ノイズによる影響が大きい。

パッケージ１０は、発光素子１４が載置される第一底面２６と受光素子１５が載置される第二底面２７とが近接する構成となっている。そのため、第一収容凹部２３と第二収容凹部２４との間に接地ビア導体３２ｂを配設することにより、発光素子１４側で発生して受光素子１５側へ向かって進行する電磁波ノイズを、接地ビア導体３２ｂによって遮蔽している。よって、パッケージ１０によれば、発光素子１４側と受光素子１５側との電気クロストークを低減し、高精度の計測が可能になる。

換言すると、パッケージ１０では、第一収容凹部２３と第二収容凹部２４との間の遮光壁２５に接地ビア導体３２ｂが配設されている。すなわち、接地ビア導体３２ｂは、発光素子１４側で発生した電磁波ノイズが受光素子１５側に向かって伝播する経路上に配設されている。したがって、パッケージ１０によれば、発光素子１４側から接地ビア導体３２ｂを通過して受光素子１５側に進入する電磁波ノイズを接地ビア導体３２ｂによって効果的に抑制できるので、発光素子１４側と受光素子１５側との電気クロストークを効果的に低減できる。

パッケージ１０は、電極パッド５１ａ，５１ｂ，５１ｃ，５１ｄ、信号ビア導体５２ａ，５２ｂ，５２ｃ，５２ｄ、外部信号端子５３ａ，５３ｂ，５３ｃ，５３ｄ等の信号配線導体を更に含む。これらの信号配線導体は、発光素子１４及び受光素子１５と電気的に接続され、発光素子１４に入力される電気信号が伝送され、受光素子１５から出力される電気信号が伝送される。換言すると、本実施形態における信号配線導体は、発光素子１４及び受光素子１５の接続部材であるバンプが接続される電極パッド５１ａ～５１ｄと、電極パッド５１ａ～５１ｄに電気的に接続して電極パッド５１ａ～５１ｄの直下から基体１２の第二面２２にまで延びる信号ビア導体５２ａ～５２ｄと、信号ビア導体５２ａ～５２ｄに電気的に接続する外部信号端子５３ａ～５３ｄとから成る。外部信号端子５３ａ～５３ｄは、基体１２の第二面２２に設けられており、パッケージ１０を備える計測センサ１１が実装される外部実装基板の接続端子に対し、はんだ等の端子接続材料によって電気的に接続される。なお、外部信号端子５３ａ～５３ｄは、図１では四個が一列に並べられているが、これ限らず、例えば平面透視して矩形状の第二面２２の四隅に一個ずつ配設してもよい。

電極パッド５１ａ～５１ｄ、外部信号端子５３ａ～５３ｄ及び外部接地端子３４には、例えば、厚さが０．５～１０μｍのニッケル層と厚さが０．５～５μｍの金層とをめっき法によって順次被着させてもよい。これらの層は、はんだ等の接合材との濡れ性向上、及び、耐食性向上に有効である。

パッケージ１０は、蓋側接地導体層３３、導電性接合材４１及び金属薄層４２を更に含んでもよい。蓋側接地導体層３３、導電性接合材４１及び金属薄層４２は、基体１２に設けられた接地ビア導体３２ａ～３２ｃなどに電気的に接続されることにより、接地電位が付与され、電磁シールドとして機能する。

蓋側接地導体層３３は、基体１２の第一面２１に配設されるメタライズ層であって第一収容凹部２３及び第二収容凹部２４の各開口を取り囲むように設けられる。蓋側接地導体層３３の外形は、基体１２の第一面２１の外形に沿うように矩形状であってもよく、それ以外の円形状、多角形状などであってもよい。本実施形態では、蓋側接地導体層３３の外形を矩形状としている。また、蓋側接地導体層３３は、第一収容凹部２３及び第二収容凹部２４の各開口を取り囲んでいるから、少なくともそれらの開口と同形状又はそれらの開口よりも大きな貫通孔が設けられたメタライズ層である。

金属薄層４２は、基体１２の第一面２１に対向する蓋体１３の対向面１３ａ（すなわち手指が接触する側の主面とは反対側の主面）に配設される金属材料から成る薄膜層である。金属薄層４２には、発光側開口４３及び受光側開口４４が設けられている。発光側開口４３は、発光素子１４から出射された光が通過する。受光側開口４４は、受光素子１５に入射する光の通過を規制する絞り孔として機能する。

また、金属薄層４２は、発光側開口４３及び受光側開口４４の大きさや位置を適宜調整することによって、計測に必要な受光量を確保しつつ、外部から第二収容凹部２４へ進入する不要な光を抑制できる。不要な光が受光素子１５に入射されると、受光素子１５から出力される電気信号は、被計測物からの反射光に不要な光を含んだものになる。つまり、光学的なノイズが発生してしまう。そのため、受光側開口４４（絞り孔）によって、このような光学的ノイズを低減している。

更に、金属薄層４２は、外部から到来する電磁波が第二収容凹部２４に進入することを抑制するための、電磁シールドとしても機能する。電磁波が第二収容凹部２４に進入すると、信号配線導体がアンテナとなって進入した電磁波を受信してしまうので、電磁的ノイズの発生原因となる。蓋体１３の対向面１３ａに、受光側開口４４を除いて金属薄層４２を設けることにより、外部からの電磁波の進入を抑制できるので、電磁的ノイズの発生を低減できる。

このように、金属薄層４２を設けることにより、光学的及び電気的ノイズによる影響を抑制できるので、計測精度が向上する。なお、金属薄層４２は、導電性接合材４１を介して蓋側接地導体層３３と電気的に接続され、接地電位が付与されてもよい。本実施形態では、導電性接合材４１と蓋側接地導体層３３との外形は同じ大きさである。

金属薄層４２は、透明セラミック材料又はガラス材料から成る蓋体１３の表面に、例えば、Ｃｒ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｃｏ、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｓｎ、Ｔａ、Ｆｅ、Ｉｎ、Ｎｉ若しくはＷなどの金属又はこれらの合金等の金属材料を蒸着、スパッタ、焼付け等によって形成する。金属薄層４２の厚みは、例えば、５０ｎｍ～４００ｎｍである。

導電性接合材４１は、蓋側接地導体層３３と金属薄層４２とを接合することにより、基体１２の第一面２１と蓋体１３の対向面１３ａとを接合する。また、導電性接合材４１は、基体１２の第一収容凹部２３及び第二収容凹部２４内の気密性及び水密性を確保するためのシール材でもある。第一収容凹部２３及び第二収容凹部２４に収容される発光素子１４及び受光素子１５はいずれも水分等に弱いので、外部からの水分の浸入を防止するために、導電性接合材４１は途切れの無い環状に設けられる。

また、導電性接合材４１は遮光性を有する。導電性接合材４１が遮光性を有することで、基体１２と蓋体１３との間を通って第一収容凹部２３内及び第二収容凹部２４内に進入する外部からの光を抑制できる。導電性接合材４１が有する遮光性は、光の吸収による遮光性であってもよい。外部からの光の進入を防ぐ観点からは、反射による遮光性であってもよい。しかし、その場合は、計測センサ１１の内部で発生した迷光が、導電性接合材４１で反射して更に受光素子１５に受光されてしまうおそれがある。一方、導電性接合材４１が光を吸収するものであれば、外部からの光を吸収して進入を防ぐとともに、内部で発生した迷光も吸収できる。

導電性接合材４１は、このような光の吸収による遮光性を有する材料を含んで構成される。導電性接合材４１は、例えば、基体１２と蓋体１３との接合性を有するエポキシ樹脂、導電性シリコン樹脂等の樹脂系接着剤に、光吸収性材料を分散させて得られる。光吸収材料としては、例えば、無機顔料を用いることができる。無機顔料としては、例えば、カーボンブラックなどの炭素系顔料、チタンブラックなどの窒化物系顔料、Ｃｒ－Ｆｅ－Ｃｏ系、Ｃｕ－Ｃｏ－Ｍｎ系、Ｆｅ－Ｃｏ－Ｍｎ系、Ｆｅ－Ｃｏ－Ｎｉ－Ｃｒ系などの金属酸化物系顔料等を用いることができる。また、導電性接合剤４１は、はんだなどの金属材料で構成されていてもよい。例えば、Ｓｎ－Ａｇ、Ｓｎ－Ａｇ－Ｃｕ、Ａｕ－Ｓｎ、Ａｕ－Ｓｎ－Ａｇ、Ａｕ－Ｓｉなどのろう材を用いることができる。

次に、本実施形態のパッケージ１０の製造方法について説明する。

まず、公知の多層配線基板の製造方法と同様にして、基体１２を作製する。基体１２が、セラミック配線基板であり、セラミック材料がアルミナである場合は、まずアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）やシリカ（ＳｉＯ₂）、カルシア（ＣａＯ）、マグネシア（ＭｇＯ）等の原料粉末に適当な有機溶剤又は溶媒を添加混合して泥漿状とし、これを周知のドクターブレード法やカレンダーロール法等によってシート状に成形してセラミックグリーンシート（以下「グリーンシート」という。）を得る。その後、グリーンシートを所定形状に打ち抜き加工するとともに、タングステン（Ｗ）とガラス材料等の原料粉末に有機溶剤又は溶媒を添加混合して金属ペーストとし、これをグリーンシート表面にスクリーン印刷等の印刷法でパターン印刷する。

これにより、蓋側接地導体層３３、外部接地端子３４、内部接地導体層３６、電極パッド５１ａ～５１ｄ、外部信号端子５３ａ～５３ｄなどになる導体パターンを得る。また、信号ビア導体５２ａ～５２ｄ、接地ビア導体３２ａ～３２ｃなどは、グリーンシートに貫通孔を設け、スクリーン印刷等によって金属ペーストを貫通孔に充填する。こうして得られたグリーンシートを複数枚積層し、これを約１６００℃の温度で同時焼成することによって基体１２が作製される。

一方、ガラス材料を切削、切断等により所定の形状に切り出して蓋体１３を準備し、その対向面１３ａ上に蒸着、スパッタ、焼付け等によって金属薄層４２を形成する。このとき、フォトリソ（ウェットエッチング）法、ドライエッチング法等によって金属薄膜にパターン加工することにより、発光側開口４３及び受光側開口４４を形成できる。

ここで、図３に基づき、傾斜した第一底面２６を有する第一収容凹部２３等を形成する工程の一例を説明する。

まず、図３［Ａ］に示すように、導体パターン５１ｘ，５３ｘ及びビア導体５２ｘを形成したグリーンシート１２ｘを用意し、グリーンシート１２ｘをキャリア６２上に保持する。モールド６１は、第一収容凹部２３の形状に対応した金型である。続いて、図３［Ｂ］に示すように、グリーンシート１２ｘとモールド６１との位置を合わせてプレス機６３にセットし、グリーンシート１２ｘの上からモールド６１を押し付け、かつグリーンシート１２ｘを加熱する。最後に、グリーンシート１２ｘからモールド６１を外し、グリーンシート１２ｘを焼成する。

図３［Ｃ］に示すように、グリーンシート１２ｘを焼成することにより、グリーンシート１２ｘから第一収容凹部２３を含む基体１２、導体パターン５１ｘから電極パッド５１ａ，５１ｂ、導体パターン５３ｘから外部信号端子５３ａ，５３ｂ、ビア導体５２ｘから信号ビア導体５２ａ，５２ｂがそれぞれ得られる。このとき、第一収容凹部２３は、モールド６１の形状が反映されて、傾斜した第一底面２６を有することになる。なお、図示しないが、第二収容凹部２４、接地ビア導体３２ａ～３２ｃ、内部接地導体層３６なども同時に形成される。第一収容凹部２３及び第二収容凹部２４をこの方法で形成する場合は、打ち抜き加工は省略してもよい。

次に、本実施形態の計測センサ１１について詳しく説明する。

計測センサ１１は、パッケージ１０と、第一面２１を覆う板状の蓋体１３と、第一収容凹部２３に収容される発光素子１４と、第二収容凹部２４に収容される受光素子１５と、を含む。計測センサ１１は、パッケージ１０内において発光素子１４及び受光素子１５をプリップチップ実装によって電極パッド５１ａ～５１ｄに接続した後、蓋体１３を導電性接合材４１を介して基体１２に接合して得られる。

発光素子１４としてはＶＣＳＥＬ等の半導体レーザ素子を用いることができ、受光素子１５としてはシリコンフォトダイオード、ＧａＡｓフォトダイオード、ＩｎＧａＡｓフォトダイオード、ゲルマニウムフォトダイオード等の各種フォトダイオードを用いることができる。発光素子１４及び受光素子１５は、被計測物の種類、計測するパラメータの種類等により適宜選択すればよい。

発光素子１４及び受光素子１５をフリップチップとした場合は、半導体チップの一方の主面に素子（発光面又は受光面）が形成され、他方の主面に接続用のバンプ（突起）が形成される。フリップチップボンディングは、半導体チップの電極と基体１２上の電極パッド５１ａ～５１ｄを向かい合わせてバンプを介して接続する技術である。このため、ワイヤボンディングやＴＡＢ（Tape Automated Bonding）の接続に比べて、最も接続長が短くなる。フリップチップボンディングには、はんだバンプや金バンプなどを用いた金属接合方式の他、導電性樹脂接合や異方性導電部材接合などの有機材料を用いた接着接合方式もある。フリップチップ接続用の電極パッド５１ａ～５１ｄは、バンプによる接続に適した材料から成り、バンプに合わせて大きさや位置などが定められたものである。

発光素子１４の一例を、図６［Ａ］に示す。発光素子１４は、直方体状のチップ本体１４０と、チップ本体１４０の一方の主面に形成された発光面１４１と、チップ本体１４０の他方の主面に形成された接続面１４２と、接続面１４２に形成されたバンプ１４３と、を備えている。発光面１４１からは、照射光Ｌ１が指向半値角φ１で出射される。受光素子１５の一例を、図６［Ｂ］に示す。受光素子１５は、直方体状のチップ本体１５０と、チップ本体１５０の一方の主面に形成された受光面１５１と、チップ本体１５０の他方の主面に形成された接続面１５２と、接続面１５２に形成されたバンプ１５３と、を備えている。受光面１５１には、散乱光Ｌ２が指向半値角φ２で入射される。

血流を測定する場合は、例えば、光のドップラ効果を利用して測定するために、発光素子１４としてのＶＣＳＥＬは波長が８５０ｎｍのレーザ光を出射可能なものであればよい。その他の測定を行う場合は、測定目的に応じた波長のレーザ光を出射する発光素子１４を選択すればよい。受光素子１５で受光される光の波長が発光素子１４から出射されるレーザ光の波長から変化しない場合、受光素子１５は発光素子１４の出射光を受光できるものであればよい。一方、受光素子１５で受光される光の波長が発光素子１４から出射されるレーザ光の波長から変化する場合、受光素子１５は変化後の波長の光を受光できるものであればよい。

発光素子１４及び受光素子１５と電極パッド５１ａ～５１ｄとの接続は、本実施形態ではフリップチップ接続を採用しているが、ボンディングワイヤによる接続、異方性導電フィルムによる接続等他の接続方法を採用してもよい。

計測センサ１１は、外部実装基板に実装されて使用される。外部実装基板には、例えば、発光素子１４の発光を制御する制御素子、受光素子１５の出力信号から血流速度等を算出する演算素子等も実装される。

計測センサ１１による測定では、被計測物として手指の指先を蓋体１３の表面に接触させた状態で、外部実装基板から発光素子制御電流が外部信号端子５３ａ，５３ｂ、信号ビア導体５２ａ，５２ｂ、電極パッド５１ａ，５１ｂを通って発光素子１４に入力される。これにより、発光素子１４から計測用の光が発光側開口４３を通って出射される。出射された光は、蓋体１３を透過して指先に照射されると、血液中の血球細胞で散乱される。蓋体１３を透過し、受光側開口４４（絞り孔）を通過した散乱光が、受光素子１５で受光されると、受光量に応じた電気信号が受光素子１５から出力される。出力された信号は、電極パッド５１ｃ，５１ｄ、信号ビア導体５２ｃ，５２ｄ、外部信号端子５３ｃ，５３ｄを介して計測センサ１１から外部実装基板へと出力される。

外部実装基板では、計測センサ１１から出力された信号が、演算素子に入力され、例えば、発光素子１４から出射された光である照射光の周波数と、受光素子１５が受光した光である散乱光の周波数と、に基づいて血流速度を算出できる。

なお、信号ビア導体５２ａ～５２ｄは、基体１２内で上下方向に一直線状に形成される構成としているが、第二面２２の外部信号端子５３ａ～５３ｄまで電気的に接続されていれば、一直線状でなく、内層配線等によってずれて形成されていてもよい。

また、基体１２には、基体１２の厚み方向に延びる接地ビア導体３２ａ～３２ｃを設けてもよい。接地ビア導体３２ａ～３２ｃは、例えば、蓋側接地導体層３３及び外部接地端子３４と電気的に接続され、基体１２の第一収容凹部２３及び第二収容凹部２４の周囲に配設される。接地ビア導体３２ａ～３２ｃは、被計測物の一つである人の手指が計測センサ１１に接触したときに放出される電荷を、基体１２の第一面２１から基体１２の第二面２２に誘導し、外部へと放出する。

本実施形態の計測センサ１１は、発光素子１４側で発生した電磁波ノイズが受光素子１５側に進入することを抑制する接地ビア導体３２ｂをパッケージ１０内に形成することで、発光素子１４側と受光素子１５側との電気クロストークを低減し、高精度の計測を可能にしている。

次に、本実施形態のパッケージ１０及び計測センサ１１の作用及び効果について総括する。以下、図４及び図５を中心に図１等も適宜参照して説明する。

一例として、発光素子１４の指向半値角をφ１、受光素子１５の指向半値角をφ２として図示する。指向半値角φ１は最大の出射強度の半分以上となる範囲を示す角度であり、指向半値角φ２は最大の入射強度の半分以上となる範囲を示す角度である。ただし、実際の指向半値角φ１，φ２は、レンズを取り付けたり、発光側開口４３及び受光側開口４４（図２）の位置や大きさを変えたりすることによって、いろいろな角度になり得る。

また、第一底面２６の傾斜角をθ１、第二底面２７の傾斜角をθ２とする。傾斜角θ１は、第一底面２６が第一面２１に平行な基準面７２から時計回り（第一底面２６と第二底面２７とが互いに向き合う方向）に傾斜する角度である。傾斜角θ２は、第二底面２７が第一面２１に平行な基準面７２から反時計回り（第一底面２６と第二底面２７とが互いに向き合う方向）に傾斜する角度である。つまり、第一底面２６が第一面２１に平行であればθ１＝０°であり、第二底面２７が第一面２１に平行であればθ２＝０°である。傾斜角θ１，θ２についても、図示は一例であり、いろいろな角度を採り得る。なお、被計測物７０が蓋体１３（図１）の表面に接しているとき、被計測物７０の表面７１と基準面７２とは平行になる。

（１）図４［Ａ］に示す比較例では、第一底面２６と第二底面２７とが同一面又は平行（θ１＝θ２＝０°）である。このとき、発光素子１４から出射された照射光は、被計測物７０にほぼ垂直に入ることにより、被計測物７０の比較的深い部分にまで到達する。そして、発光素子１４の指向半値角φ１と受光素子１５の指向半値角φ２との重なる領域（斜線部）は、被計測物７０の表面７１からの深さＤａよりも更に深い部分になる。そのため、受光素子１５が入射する散乱光は被計測物７０の深い部分からのものが多くなるので、被計測物７０の浅い部分を計測することが困難になる。

これに対し、図４［Ｂ］に示す本実施形態では、第一底面２６と第二底面２７とが互いに向き合う方向に、第一底面２６が傾斜している（θ１＞０°かつθ２＝０°）。このとき、発光素子１４から出射された照射光は、被計測物７０に斜めにかつ受光素子１５側へ傾いて入ることにより、被計測物７０の比較的浅い部分かつ受光素子１５の近くを透過する。そして、発光素子１４の指向半値角φ１と受光素子１５の指向半値角φ２との重なる領域（斜線部）は、比較例における深さＤａよりも浅い深さＤｂになる。そのため、受光素子１５が入射する散乱光は被計測物７０の浅い部分からのものが多くなるので、被計測物７０の浅い部分を計測することが容易になる。

また、図５［Ａ］に示す変形例１では、第一底面２６と第二底面２７とが互いに向き合う方向に、第二底面２７が傾斜している（θ１＝０°かつθ２＞０°）。図５［Ｂ］に示す変形例２では、第一底面２６と第二底面２７とが互いに向き合う方向に、第一底面２６及び第二底面２７が傾斜している（θ１＞０°かつθ２＞０°）。変形例１、２の場合も、本実施形態と同様の作用及び効果を奏する。

傾斜角θ１が大きくなるほど、深さＤｂは浅くなる。しかし、傾斜角θ１が大きくなり過ぎると被計測物７０の表面７１などで反射する光が多くなるので、受光素子１５で得られる散乱光が少なくなる。よって、１°≦θ１≦４９°が好ましい範囲であり、６°≦θ１≦３２°がより好ましい範囲であり、１４°≦θ１≦３２°が最も好ましい範囲である。傾斜角θ２についても同様である。

以上のように、本実施形態によれば、発光素子１４を載置する第一底面２６と受光素子１５を載置する第二底面２７との少なくとも一方が、互いに向き合う方向に傾斜していることにより、被計測物７０の浅い部分からの散乱光を得やすくなるので、被計測物７０の浅い部分の計測に適したパッケージ１０及び計測センサ１１を提供できる。

（２）第一底面２６が第一面２１に非平行であり、第二底面２７が第一面２１に平行である場合、すなわち第一底面２６のみを傾けた場合は、傾斜角θ１の設計値を変えることにより、発光素子１４で生成された照射光を所望の方向へ出射できる。したがって、被計測物７０の所望の深さＤｂから信号を取得可能な、パッケージ１０及び計測センサ１１を提供できる。

（３）従来の計測センサでは更なる小型化が求められているものの、その実現は困難であった。つまり、発光素子や受光素子をワイヤボンディングによってパッケージに実装していたことにより（特許文献１参照）、ワイヤの一端を接続するための電極パッドや、ワイヤを弓なりに保持するための空間がパッケージに必要になるので、小型化が阻まれていた。

これに対し、本実施形態では、フリップチップ接続用の電極パッド５１ａ，５１ｂ（図１）が形成された第一底面２６を第一収容凹部２３に備え、フリップチップ接続用の電極パッド５１ｃ，５１ｄ（図１）が形成された第二底面２７を第二収容凹部２４に備えたことにより、フリップチップから成る発光素子１４及び受光素子１５をパッケージ１０内に実装できる。したがって、本実施形態によれば、ワイヤボンディング接続に比べて、ワイヤの一端を接続するための電極パッドや、ワイヤを弓なりに保持するための空間が不要となるので、パッケージ１０を小型化できる。

（４）本実施形態の計測センサ１１によれば、本実施形態のパッケージ１０と、光透過性を有するとともに第一面２１を覆う板状の蓋体１３と、第一収容凹部２３に収容された発光素子１４と、第二収容凹部２４に収容された受光素子１５と、を備えたことにより、被計測物７０の浅い部分からの散乱光を得やすくなるので、被計測物７０の浅い部分の計測において高精度化を達成できる。例えば、計測センサ１１が血流センサの場合は、皮膚から浅い部分にある毛細血管の計測に適した血流センサが得られる。

以上、上記実施形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。本発明の構成については、当業者が理解し得るさまざまな変更を加えることができる。そのような変更を加えた構成も、本発明の技術的範囲に含まれる。

本発明は、例えば、血流センサや心拍センサなどヘルスケア、ガスセンサやほこりセンサなどの環境測定、モーションセンサなどの動き計測に利用可能である。

１０ パッケージ
１１ 計測センサ
１２ 基体
１３ 蓋体
１３ａ 対向面
１４ 発光素子
１４１ 発光面
１５ 受光素子
１５１ 受光面
１４０，１５０ チップ本体
１４２，１５２ 接続面
１４３，１５３ バンプ
２１ 第一面
２２ 第二面
２３ 第一収容凹部
２４ 第二収容凹部
２５ 遮光壁
２６ 第一底面
２７ 第二底面
３２ａ，３２ｂ，３２ｃ 接地ビア導体
３３ 蓋側接地導体層
３４ 外部接地端子
３６ 内部接地導体層
４１ 導電性接合材
４２ 金属薄層
４３ 発光側開口
４４ 受光側開口
５１ａ，５１ｂ，５１ｃ，５１ｄ 電極パッド
５２ａ，５２ｂ，５２ｃ，５２ｄ 信号ビア導体
５３ａ，５３ｂ，５３ｃ，５３ｄ 外部信号端子
６１ モールド
６２ キャリア
６３ プレス機
１２ｘ グリーンシート
５２ｘ ビア導体
５１ｘ，５３ｘ 導体パターン
７０ 被計測物
７１ 表面
７２ 基準面

Claims (4)

1. 複数の誘電体層が積層されて成り、表裏関係にある第一面及び第二面を有する板状の基体と、
   前記第一面に設けられ、発光素子を収容する第一収容凹部と、
   前記第一面に設けられ、受光素子を収容する第二収容凹部と、
   前記第一収容凹部に設けられ、前記発光素子を載置する第一底面と、
   前記第二収容凹部に設けられ、前記受光素子を載置する第二底面と、
   前記第一面に位置し、前記第一収容凹部及び前記第二収容凹部の各開口を取り囲んだ蓋側接地導体層と、
   該蓋側接地導体層上に位置し、発光側開口及び受光側開口が設けられている金属薄層と、
   を備え、
   前記第一底面及び前記第二底面の少なくとも一方が、前記第一底面と前記第二底面とが互いに向き合う方向に傾斜しており、
   前記第一収容凹部と前記第二収容凹部とが並んだ方向において、前記発光側開口の幅が、前記受光側開口の幅より大きく、前記第一収容凹部の幅より小さく、
   前記発光側開口が、前記第一収容凹部に対して前記受光側開口側に近くなるように前記第一収容凹部に重なっている、
   計測センサ用パッケージ。
2. 前記第一底面が前記第一面に非平行であり、
   前記第二底面が前記第一面に平行である、
   請求項１記載の計測センサ用パッケージ。
3. 請求項１又は２記載の計測センサ用パッケージと、
   光透過性を有するとともに前記第一面を覆う板状の蓋体と、
   前記第一収容凹部に収容された前記発光素子と、
   前記第二収容凹部に収容された前記受光素子と、
   を備えた計測センサ。
4. 前記蓋体は、前記第一面の対向面に位置するとともに、
   前記受光側開口が、前記第二収容凹部と重なっている、
   請求項３記載の計測センサ。

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