JP6301823B2 - 磁気検知装置 - Google Patents

Description

本発明は、磁気センサと回路とを搭載したセンサ基板の接合面に、マザー基板に接合するための複数の接合ポイントが設けられている磁気検知装置に関する。

特許文献１に半導体装置が記載されている。この半導体装置は、集積回路を搭載した半導体チップの表面に薄膜磁気素子であるセンサ素子が形成されており、前記半導体チップに複数のパッド電極が設けられている。それぞれのパッド電極に半田ボールが形成され、半田ボールが実装基板の搭載面に接合されて、半導体装置が実装基板に実装される。そして、センサ素子が、パッド電極と厚さ方向で重ならないように配置されて、バンプ電極に集中する応力がセンサ素子に与える影響を軽減できるようにしている。

特許文献２に記載された半導体装置は、半導体基板に各種回路が搭載されているとともに、磁気センサとしてホール素子が搭載されている。この半導体装置も、半田ボールで形成されたコンタクト用ピンと、ホール素子とが重ならないように配置されている。

特開２００５−２７７０３４号公報 特開２０１２−５４３３９号公報

特許文献１に記載された半導体装置では、薄膜磁気素子であるセンサ素子がパッド電極の外側に配置されている。センサ素子とパッド電極は厚さ方向に重なってはいないが、センサ素子が半導体チップの縁とパッド電極との間の狭い領域に配置されているため、センサ素子とパッド電極とが接近することになり、パッド電極に集中する応力がセンサ素子に与える影響を確実に排除できるものではない。

特許文献２に記載された半導体装置は、コンタクト用ピンが、半導体基板の長手方向に沿って２列に配列して、ホール素子が２つの列に挟まれる位置に配置されている。半導体装置が実装基板に半田付けされると、それぞれのコンタクト用ピンに応力が集中する。特許文献２に記載されたものでは、コンタクト用ピンが長手方向に列を成して配列しているので、それぞれのコンタクト用ピンに集中する応力を長さ方向に分散することが可能であるが、長手方向と直交する短幅方向では、ホール素子の両側にコンタクト用ピンが接近して配置されているため、前記応力を短幅方向へ効果的に分散することができず、応力がホール素子に影響を与えるのを軽減することが困難である。

本発明は上記従来の課題を解決するものであり、マザー基板との接合ポイントに作用する応力が磁気センサに影響を与えにくい構造の磁気検知装置を提供することを目的としている。

本発明は、磁気センサと回路とを搭載したセンサ基板が接合面を有し、前記接合面に、マザー基板に接合される複数の接合ポイントが設けられている磁気検知装置において、
前記接合ポイントは、Ｘ方向に間隔を空けてＹ方向に延びる少なくとも２列の縦列と、Ｙ方向に間隔を空けてＸ方向に延びる少なくとも２列の横列とに沿って配列し、前記磁気センサが、２つの前記縦列の間で且つ２つの前記横列の間であって、いずれの前記接合ポイントとも重ならない位置に配置され、
前記磁気センサが長尺形状の磁気抵抗効果素子であり、
Ｘ方向に間隔を空けて配置された前記接合ポイントの中心間を結ぶ応力伝達線と、Ｙ方向に間隔を空けて配置された接合ポイントの中心間を結ぶ応力伝達線のいずれもが、前記磁気抵抗効果素子を長手方向に横断しない位置で、かつ、前記磁気抵抗効果素子を短幅方向に横断する位置に配置されていることを特徴とするものである。

本発明の磁気検知装置は、前記センサ基板が、前記回路を搭載するＩＣ基板である。

本発明は、センサ基板の接合面に接合ポイントが縦列と横列に並んでおり、縦列と縦列との間および横列と横列との間の領域に磁気センサを配置したことにより、磁気センサの配置領域が複数の接合ポイントに囲まれることになる。接合ポイントに応力が集中したときに、この応力が、磁気センサの配置領域に対してＸ方向とＹ方向の双方に対して分散して作用することになるため、磁気センサが過大な応力が作用するのを防止できるようになる。

また、磁気センサとして長尺形状の磁気抵抗効果素子が使用されるときには、接合ポイントの中心間を通る応力伝達線が、磁気抵抗効果素子を長手方向へ横断しないように配置することによって、磁気抵抗効果素子に対する応力の影響を軽減することが可能になる。

本発明の実施の形態の磁気検知装置の側面図、 図１に示す磁気検知装置の底面図、 磁気検知装置の部分断面図、 磁気検知装置の接合ポイントと磁気センサとの配置を示す底面図、 図４の一部拡大図、 本発明の実施の形態の磁気検知装置がマザー基板に取り付けられた状態を示す側面図、 磁気検知装置に作用する熱応力の影響を示す説明図、 基板から磁気検知装置に作用する応力の影響を示す説明図、

図１と図２に示す磁気検知装置１は、センサ基板２を有している。図３にセンサ基板２の断面図が示されているが、このセンサ基板２はＩＣ基板（ＩＣチップ）であり、内部に導電層や電子素子が多層に積層されて搭載されており、これら導電層と電子素子とでＡＳＩＣとして機能する集積回路が構成されている。

図２に示すように、磁気検知装置１を下面側から見たときのセンサ基板２の形状は正方形である。センサ基板２は、Ｘ方向に対向する縁部２ｘ，２ｘと、Ｙ方向に対向する縁部２ｙ，２ｙを有している。

図３の断面図に示すように、センサ基板２は平面状の接合面２ａを有している。接合面２ａには、集積回路（ＡＳＩＣ）のための配線層３が形成されており、その表面が絶縁層４で覆われ、絶縁層４の表面に磁気センサ１０が形成されている。磁気センサ１０の表面が絶縁層５で覆われて、絶縁層５の上に再配線層６が形成されている。

図２と図４に示すように、磁気検知装置１の底部の８か所に接合ポイント２０が設けられている。図４には、前記再配線層６の形状が実線で示されている。図３に示すように、再配線層６は厚めの表面絶縁層７で覆われている。表面絶縁層７には、フォトリソ工程で、断面が円形の接合穴７ａが形成され、接合穴７ａの内部に、再配線層６を電極とする電界メッキが施されて銅のメッキポスト２１が形成されている。表面絶縁層７の表面７ｂとメッキポスト２１の先端面２１ａとが同一面に加工され、メッキポスト２１の先端面２１ａに半田ボール２２が形成されて、メッキポスト２１と半田ボール２とで接合ポイント２０が構成されている。

図２と図４に示すように、磁気検知装置１を下面側から見た状態で、８か所の接合ポイント２０は、Ｘ方向に間隔を空けてＹ方向に延びる２つの縦列Ｙ１，Ｙ２と、Ｙ方向に間隔を空けてＸ方向に延びる２つの横列Ｘ１，Ｘ２に沿って配列している。接合ポイント２０は、縦列Ｙ１，Ｙ２のそれぞれに沿って直線的に３か所で並んでおり、横列Ｘ１，Ｘ２のそれぞれに沿って直線的に３か所で並んでいる。縦列Ｙ１，Ｙ２に並ぶ接合ポイント２０は、センサ基板２の縁部２ｘ，２ｘに接近した位置で縁部２ｘ，２ｘに沿って直線状に並び、横列Ｘ１，Ｘ２に並ぶ接合ポイント２０は、センサ基板２の縁部２ｙ，２ｙに接近した位置で縁部２ｙ，２ｙに沿って直線状に並んでいる。

図４に示すように、磁気センサ１０は、縦列Ｙ１と縦列Ｙ２とで挟まれた領域で且つ横列Ｘ１と横列Ｘ２とで挟まれた領域に配置され、いずれも接合ポイント２０と重ならないように配置されている。すなわち、磁気センサ１０は、Ｘ方向とＹ方向において接合ポイント２０に挟まれ、８か所の接合ポイント２０で囲まれた領域に設けられている。

磁気センサ１０は、Ｘ軸センサ１０ｘとＹ軸センサ１０ｙおよびＺ軸センサ１０ｚとから構成されている。図５には、Ｘ軸センサ１０ｘの平面形状が拡大されて示されている。Ｘ軸センサ１０ｘは複数の長尺形状の素子部１１を有している。素子部１１はＧＭＲ素子（巨大磁気抵抗効果素子）である。

ＧＭＲ素子は、固定磁性層ならびに自由磁性層と、前記固定磁性層と自由磁性層との間に挟まれた非磁性導電層とを有している。固定磁性層は、ＣｏＦｅ合金（コバルト−鉄合金）などの軟磁性材料で形成された２つの層と、この２つの層の間に介在するＲｕ（ルテニウム）層を有する積層フェリ構造である。固定磁性層のうちの非磁性導電層に接合されているＣｏＦｅ合金は、その磁化がＸ方向に固定されている。自由磁性層は、ＮｉＦｅ合金（ニッケル−鉄合金）などの軟磁性材料で形成されている。自由磁性層はＹ方向へ長手方向が向く長尺形状であり、形状異方性によって、磁化がＹ方向へ向けて揃えられている。非磁性導電層はＣｕ（銅）層である。

複数の素子部１１の長手方向の端部は、隣り合うものどうしが接合電極１２で接合されたいわゆるミアンダ形状であり、複数の素子部１１が直列に接続されている。直列の素子部１１の両端部に検知電極１３ａ，１３ｂが設けられており、検知電極１３ａ，１３ｂは、配線層３に接続されて、センサ基板２内の集積回路（ＡＳＩＣ）に導通している。

Ｘ軸センサ１０ｘは、Ｘ方向に向く外部磁界が、固定磁性層の固定磁化の方向と同じ向きに与えられると、抵抗値が最小になり、外部磁化がＸ方向において固定磁化の方向と逆向きに与えられると、抵抗値が最大になる。

なお、Ｘ軸センサ１０ｘは、Ｘ方向の幅寸法に比較してＹ方向の寸法が十分に長い素子部１１を有していれば、ミアンダ形状に限られず、１本の帯形状のものであってもよい。

図４には、縦方向の応力伝達線Ｙｃと横方向の応力伝達線Ｘｃが示されている。応力伝達線Ｙｃは、Ｙ方向に対向する接合ポイント２０の中心間を結んで磁気センサ１０が配置されている中央領域を横断する仮想線であり、応力伝達線Ｘｃは、Ｘ方向に対向する接合ポイントの中心間を結んで磁気センサ１０が配置されている中央領域を横断する仮想線である。

図４と図５に示すように、Ｘ軸センサ１０ｘは、長尺形状の素子部１１が、縦方向の応力伝達線Ｙｃと重ならない位置に配置されている。ただし、横方向の応力伝達線ＸｃはＸ軸センサ１０ｘを短幅方向に横断している。

Ｙ軸センサ１０ｙは、Ｘ軸センサ１０ｘと同様に、ＧＭＲ素子である長尺形状の素子部１１を有しているが、素子部１１の長尺方向の向きがＸ軸センサ１０ｘと９０度相違し、長尺方向がＸ方向に向けられている。Ｙ軸センサ１０ｙは、Ｙ方向に向く外部磁界が、固定磁性層の固定磁化の方向と同じ向きに与えられると、抵抗値が最小になり、外部磁化がＹ方向において固定磁化の方向と逆向きに与えられると、抵抗値が最大になる。

Ｙ軸センサ１０ｙは、長尺形状の素子部１１が、横方向の応力伝達線Ｘｃと重ならない位置に配置されている。ただし、縦方向の応力伝達線ＹｃはＹ軸センサ１０ｙを短幅方向に横断している。

Ｚ軸センサ１０ｚは、Ｘ−Ｙ平面と直交するＺ軸方向の磁界を検知するものであり、Ｚ方向の磁界を導いてＸ−Ｙ平面に沿う磁場に変換する低透磁率の磁性材料で形成されたＺ磁界変換部材を有している。Ｚ軸センサ１０ｚでは、図５に示したのと同等のＧＭＲ素子で形成された長尺状の素子部１１がＸ−Ｙ平面に沿って設けられ、素子部１１の長手方向はＸ方向とＹ方向の少なくとも一方に向けられている。Ｚ軸センサ１０ｚは、応力伝達線ＸｃとＹｃのいずれもが素子部１１を長手方向に横断しない位置に配置されている。ただし、応力伝達線ＸｃとＹｃのいずれかが素子部１１を短幅方向へ横断している。

なお、図５に示すように、Ｘ軸センサ１０ｘとＹ軸センサ１０ｙおよびＺ軸センサ１０ｚの素子部１１がミアンダ形状に接続されている場合において、素子部１１が、応力伝達線Ｘｃ，Ｙｃと重なっていないとの技術的意味、あるいは応力伝達線Ｘｃ，Ｙｃが素子部１１を長手方向へ横断していない、との技術的意味は、センサ全体の幅寸法Ｗの範囲内に応力伝達線ＸｃとＹｃのいずれもが長手方向に向けて存在しないことである。

前記磁気検知装置１の使用方法および動作について説明する。
磁気検知装置１はＸ軸センサ１０ｘで、Ｘ方向の磁界が検知され、Ｙ軸センサ１０ｙで、Ｙ方向の磁界が検知され、Ｚ軸センサ１０ｚでＺ方向の磁界が検知される。Ｘ−Ｙ−Ｚ方向の磁界は、例えば地磁気であり、この場合、磁気検知装置１は地磁気センサや地磁気検知ジャイロとして使用される。

図６に示すように、磁気検知装置１はマザー基板３０に実装されて使用される。マザー基板３０は、例えば携帯電話、携帯情報端末、カーナビゲーション装置などの各種電子機器のメイン基板やサブ基板あるいはフレキシブル基板などである。マザー基板３０の表面には、接合ランド部３１が形成されている。接合ランド部３１は例えば銅バンプであり、マザー基板３０の表面の配線パターンと導通している。磁気検知装置１は、リフロー工程でマザー基板３０に実装され、半田ボール２２が溶融して接合ランド部３１に接合されて固定される。

この種の前記磁気検知装置１では、マザー基板３０に実装された状態で、接合ポイント２０およびセンサ基板２に応力が作用する問題がある。

半田ボール２２の固相点は２４０℃程度である。リフロー工程後に半田が２４０℃で固まると、その後に常温となったときに接合ランド部３１と半田との間に熱応力が発生する。図７は、熱応力によって、常温時に残留した歪みを−２５８μｍ／ｍとしたときの、最大主応力の分布のシミュレーション結果を示している。図７では残留応力の分布がモノクロで示されているが、黒色に近いほど残留応力が大きい。

また、リフロー工程の後では、磁気検知装置１を構成するセンサ基板２とマザー基板との間で熱歪みの差が発生し、その差により磁気検知装置１に歪みが与えられる。図８は、これを想定し、マザー基板に６６０μｍ／ｍの面方向への圧縮歪みが作用したときの、最大主応力の分布のシミュレーション結果を示している。図８では応力の分布がモノクロで示されているが、黒色に近いほど応力が大きい。

図７と図８のシミュレーション結果から明らかなように、磁気検知装置１は、接合ポイント２０が配列している外周部分に応力が集中し、接合ポイント２０で囲まれた中央領域には大きな応力が残らない。すなわち、接合ポイント２０が、センサ基板２の縁部２ｘ，２ｙに沿って配列しているため、応力は、縁部２ｘと縁部２ｙに沿って、接合ポイント２０とその周辺に集中し、応力が周囲各方向に分散して集中するために、接合ポイント２０で各方向が囲まれた中央領域には大きな応力が作用しにくくなっている。

磁気センサ１０はＧＭＲ素子で構成されているため、応力が作用すると磁歪が発生し、正確な磁気検知ができなくなる。しかし、図４に示すように、磁気センサ１０は接合ポイント２０と重ならない位置で、さらに応力の集中しない中央領域に配置されているため、磁気センサ１０が熱応力や基板応力の影響を受けにくくなり、磁気センサ１０による磁界検知精度を高く保つことができる。なお、磁気センサ１０としてはホール素子を使用可能であるが、ホール素子を使用する場合も、接合ポイント２０と重ならない位置で、さらに応力の集中しない中央領域に配置することで、大きな応力が作用するのを防止でき、ホール素子の磁界検知精度を高く維持することができる。

図４に示すように、磁気センサ１０が配置される中央領域には、Ｙ方向に延びる応力伝達線ＹｃとＸ方向に延びる応力伝達線Ｘｃが横断している。前述のように、中央領域は周囲が接合ポイント２０で囲まれているため、大きな応力が作用しにくいが、応力伝達線Ｙｃ上では、Ｙ方向で対向する２つの接合ポイント２０に集中する応力の影響で、その線Ｙｃ上に引っ張り応力または圧縮応力が伝達されやすい。これはＸ方向に延びる応力伝達線Ｘｃ上においても同じである。

磁気センサ１０が、長尺形状の磁気抵抗効果素子で形成されている場合に、長尺方向に応力が作用すると磁歪の影響により磁気検知精度が低下する。その影響は、ＧＭＲ素子の短幅方向へ応力が作用したときよりも、かなり大きくなる。

そこで、前記磁気検知装置１では、Ｘ軸センサ１０ｘは、Ｙ方向に長手方向が向けられる素子部１１とＹ方向の応力伝達線Ｙｃとが重なっておらず、Ｘ方向に延びる応力伝達線Ｘｃが、Ｘ軸センサ１０ｘの素子部１１を短幅方向に横断しているだけである。したがって、Ｘ軸センサ１０ｘでは、素子部１１に対して長手方向へ過大な応力が作用することがなくなり、磁歪の影響を受けにくく、高い検知精度を維持できるようになる。

同様に、Ｙ軸センサ１０ｙにおいても、Ｘ方向に長手方向が向けられる素子部１１と応力伝達線Ｘｃとが重なっておらず、Ｙ方向に延びる応力伝達線Ｙｃが素子部１１を短幅方向へ横断しているだけである。したがって、Ｙ軸センサ１０ｙにおいても、素子部１１に対して長手方向へ向く応力が作用しにくくなり、磁歪の影響を受けにくくなる。

さらに、Ｚ軸センサ１０ｚも、Ｘ−Ｙ平面に沿って形成される長尺状の素子部１１を、応力伝達線Ｘｃ，Ｙｃが素子の長手方向を横断しないように配置することにより、磁歪による影響を低減させることができる。

なお、本発明の磁気検知装置は、センサ基板２に磁気センサ１０と共にコイルが形成されたいわゆるフラックスゲート型磁気センサとしても構成することが可能である。

１ 磁気検知装置
２ センサ基板
１０ 磁気センサ
１０ｘ Ｘ軸センサ
１０ｙ Ｙ軸センサ
１０ｚ Ｚ軸センサ
１１ 素子部
２０ 接合ポイント
２２ 半田ボール
３０ マザー基板
３１ 接合ランド部
Ｘ１，Ｘ２ 横列
Ｘｃ 応力伝達線
Ｙ１，Ｙ２ 縦列
Ｙｃ 応力伝達線

Claims (2)

1. 磁気センサと回路とを搭載したセンサ基板が接合面を有し、前記接合面に、マザー基板に接合される複数の接合ポイントが設けられている磁気検知装置において、
   前記接合ポイントは、Ｘ方向に間隔を空けてＹ方向に延びる少なくとも２列の縦列と、Ｙ方向に間隔を空けてＸ方向に延びる少なくとも２列の横列とに沿って配列し、前記磁気センサが、２つの前記縦列の間で且つ２つの前記横列の間であって、いずれの前記接合ポイントとも重ならない位置に配置され、
   前記磁気センサが長尺形状の磁気抵抗効果素子であり、
   Ｘ方向に間隔を空けて配置された前記接合ポイントの中心間を結ぶ応力伝達線と、Ｙ方向に間隔を空けて配置された接合ポイントの中心間を結ぶ応力伝達線のいずれもが、前記磁気抵抗効果素子を長手方向に横断しない位置で、かつ、前記磁気抵抗効果素子を短幅方向に横断する位置に配置されていることを特徴とする磁気検知装置。
2. 前記センサ基板は、前記回路を搭載するＩＣ基板である請求項１記載の磁気検知装置。