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JP2005345368A - 3軸磁気検出素子および3軸磁気検出装置、ならびその製造方法 - Google Patents

3軸磁気検出素子および3軸磁気検出装置、ならびその製造方法 Download PDF

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Naoko Tachibana
奈緒子 橘
Norimitsu Hoshi
則光 星
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Tokin Corp
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Abstract


【課題】 小型でかつ組立強度を保った3軸磁気検出素子の構成および、量産性を考慮した3軸磁気検出素子および3軸磁気検出装置、ならびその製造方法を得る。
【解決手段】 ガラスウエハやシリコンウェハ、セラミック基板からなるチップ型の1軸磁気検出素子1a,1b,1cを非磁性体である正三角柱100の側面に、それぞれ1個ずつ配置した構造を用いた3軸磁気検出素子において、前記1軸磁気検出素子の電極からの電気的接続にプリント基板またはリードフレーム3により接続がなされ、かつ、前記1軸磁気検出素子3個に対して兼用される1個のバイアス磁界印加用コイル2を具備した1パッケージ構造を有し、プリント基板に実装が可能な構造である3軸磁気検出素子とする。
【選択図】 図1

Description

本発明は、磁気センサに関するもので、特に3軸磁気検出素子の構成および、センサ駆動用のICを含めた3軸磁気検出装置ならびにその製造方法に関するものである。
従来の3軸磁気検出素子は、1軸磁気検出素子をXY軸として平面に直交配置し、更にZ軸には、他仕様の磁気検出素子を垂直方向または斜めに配置した組合せで構成されている。図20は、従来の3軸磁気検出素子の説明図であり、特許文献1に記載されているように、1つの基板内で三次元に直交するようにパターニングされたものであった。
1軸磁気検出素子を前記のように配置することは、3軸磁気検出素子の小型化に制限を与え、また、各軸ごとに素子の向きが異なるために組立の自動化に不向きであった。また、3軸磁気検出素子を半導体製造工程を用いて作製する場合は小型化は可能であるが、パターンの作製プロセスが複雑で、かつ工程数が多くなっていた。さらに3軸が独立して配置されているので、磁気バイアスが必要な際には、各軸にコイルを配置する必要があり、電流の消費量が多くなっていた。
また、図21は、従来の他の例の3軸磁気検出素子の説明図である。1軸磁気検出素子を正三角柱に立てた部品と、リードフレームを貼り付けた部品と、コイルを組合わせた3軸磁気検出素子である。しかし、図21に示す磁気検出素子は、主要部品が分割されているために組合わせた際の強度の確保、樹脂による封止等が難しいものであった(特許文献2参照)。
特開2004−006752号公報 特開2004−150994号公報
本発明の課題は、前記の問題点を解決し、小型でかつ組立強度を保った3軸磁気検出素子、かつ量産性のある3軸磁気検出素子および3軸磁気検出装置、ならびその製造方法を提供することである。
本発明は、前記課題を解決するために、一体成型等による小型化および強靭性の向上や、リフローはんだや樹脂封止などの製造方法を用いて自動化への対応による量産性の向上を検討した結果、得られた。
即ち、本発明は、基部と、前記基部と一体化された非磁性体であるブロックと、前記ブロックに形成された3つの面に、それぞれ1個ずつ配置されたチップ型の1軸磁気検出素子と、バイアス磁界印加用コイルと、筐体とで構成される3軸磁気検出素子であって、前記チップ型の1軸磁気検出素子は、前記非磁性体である三角柱の側面に、それぞれ1個ずつ平面方向に密着され、前記1軸磁気検出素子の電極と、前記基部とは、電気的に接続がなされ、かつ、前記バイアス磁界印加用コイルの軸方向は、前記1軸磁気検出素子の平面と略一致されており、前記1軸磁気検出素子、3個に対してバイアス磁界印加を兼用して行う3軸磁気検出素子である。
また、本発明は、前記1軸磁気検出素子の電極と、基部との電気的接続に、クリームはんだ、又は、はんだボールを用い、リフローで一括接合され、また樹脂入りはんだボールを用い、接合時の熱収縮等が緩和された3軸磁気検出素子である。
また、本発明は、前記バイアス磁界印加用コイルは、磁気検出素子の仕様により磁気バイアスが必要な場合は前記1軸磁気検出素子に一括にバイアス磁界を印加でき、巻線には、外経φ20〜50μmの自己融着線が使用され、素子に近接した位置から効率よくバイアス磁界をかける3軸磁気検出素子である。
また、本発明は、前記の3軸磁気検出素子において、組立後の前記筐体は樹脂封止され、実装の際にマウンター等の自動機の使用が可能であり、更に磁気検出素子への外因(塵埃、湿度等)からの影響が防止された3軸磁気検出素子である。
また、本発明は、前記基部は、リードフレームと樹脂とで構成された台座である3軸磁気検出素子である。
また、本発明は、前記基部は、表面に導電パターンが形成されたプリント基板である3軸磁気検出素子である。
また、本発明は、非磁性のリードフレームを有する基部を、ブロックが形成されるベース部分と箱型の壁が形成されるハウジング部分で挟み込み一体成型する工程と、そのブロックに形成された3つの面に1軸磁気検出素子を配置する工程と、前記請求項2のように磁気検出素子の電極と基部を接合する工程と、次に前記請求項3のように形成された巻線と基部を接続する工程と、最後に樹脂封止する工程とを含む3軸磁気検出素子の製造方法である。
また、本発明は、前記基部を、リードフレームと樹脂とで構成された平板とする3軸磁気検出素子の製造方法である。
また、本発明は、前記基部を、表面に導電パターンが形成されたプリント基板とする3軸磁気検出素子の製造方法である。
また、本発明は、前記の3軸磁気検出素子と、検出素子駆動用のICと、充填樹脂と、パッケージとで構成された3軸磁気検出装置である。
また、本発明は、前記1軸磁気検出素子が密着されたブロックを配置し、かつダイパットが形成された基部に、センサ駆動用のICを配置し、ICの各電極からインナーリードへの電気的接続にAuまたはAlまたはCuのワイヤーボンディング等を使用し、全体を樹脂モールディングした構成である3軸磁気検出装置である。
また、本発明は、前記3軸磁気検出装置において、両面に配線パターンが形成された基部の片面に、3軸磁気検出素子を配置し、もう片面にセンサ駆動用のICを配置し、各電極が基部のスルーホールを通してどちらか片面に集約配置された基部を、エポキシ樹脂もしくはアルミナ等で成型されたリード付のハウジングにはめ込み、各電極からインナーリードへの電気的接続にAuまたはAlまたはCuのワイヤーボンディング等を使用し、全体を樹脂モールディングした3軸磁気検出装置である。
また、本発明は、前記基部は、リードフレームと、樹脂とで構成された台座である3軸磁気検出装置である。
また、本発明は、前記基部は、表面に導電パターンが形成されたプリント基板である3軸磁気検出装置である。
本発明による3軸磁気検出素子および3軸磁気検出装置は、前記の構成をとることにより、まず第1に従来の各軸が独立した3軸構成と比較し、3軸一括でバイアス磁界を印加することができるため、消費電流を低減できる。また、ボビンレスの自己融着線コイルにより、磁気検出素子により近接した位置から効率よくバイアスをかけることができる。
第2に、1基板内に三次元の直交軸をパターニングする発明と比較し、本発明に使用される1軸磁気検出素子は検出軸と電極のみの単純化されたパターンであるため、製造工程は短縮され、かつ製造設備も少なくなることから、コストの面でも効果が見込める。
第3に、組立の構成部品を一体成型で提供することで組立強度も向上し、なおかつ箱型の構造をとるため、磁気検出素子およびバイアス磁界印加用コイル等を樹脂封止でき、組立後の外因からの影響を防ぐことも可能になった。
第4に、組立の構成部品を一体成型することや、コイルに自己融着線を用いることにより、大きさ3〜6×3〜6mm、高さt=0.8〜1.2mmの小型化された3軸磁気検出素子が実現できる。
第5に、センサ駆動用のICと1パッケージ化する際に、そのセンサの用途に優先される項目(面積・高さ)に従ってパッケージ形状を選択できる3軸磁気検出素子構成が可能である。
従って、本発明によって、小型でかつ組立強度を保った3軸磁気検出素子の構成を持つ、量産性のある3軸磁気検出素子および3軸磁気検出装置、ならびその製造方法を提供できる。
本発明の実施の形態による3軸磁気検出素子および3軸磁気検出装置、ならびその製造方法について、以下説明する。
本発明の3軸磁気検出素子は、基部と、前記基部に固定された非磁性体である三角柱形状あるいは三角錐形状でなるブロックと、前記ブロックに形成された3つの面に、それぞれ1個ずつ配置されたチップ型の1軸磁気検出素子と、バイアス磁界印加用コイルと、筐体とで構成される3軸磁気検出素子であって、前記チップ型の1軸磁気検出素子は、前記非磁性体であるブロックの側面に、それぞれ1個ずつ平面方向に密着され、前記1軸磁気検出素子の電極と、前記基部とは、電気的に接続がなされ、かつ、前記バイアス磁界印加用コイルの軸方向は、前記非磁性体である三角柱の軸方向と略一致されており、前記1軸磁気検出素子、3個に対してバイアス磁界印加を兼用して行う3軸磁気検出素子とする。
ここで、前記1軸磁気検出素子の電極と、基部との電気的接続に、クリームはんだ、又は、はんだボールを用い、リフローでの一括接合が可能であり、また樹脂入りはんだボールを用い、接合時の熱収縮等が緩和された3軸磁気検出素子である。
前記バイアス磁界印加用コイルは、一括にバイアス磁界を印加でき、巻線には、外経φ20〜50μmの自己融着線が使用され、素子に近接した位置から効率よくバイアス磁界をかける3軸磁気検出素子である。
ここで、前記基部は、リードフレームと、樹脂とで構成された台座か、あるいは表面に導電パターンが形成されたプリント基板である。
本発明の3軸磁気検出装置は、前記の3軸磁気検出素子と、検出素子駆動用のICと、充填樹脂と、パッケージとで構成された3軸磁気検出装置とする。
また、前記3軸磁気検出素子に沿って、ダイパットが形成された基部に、センサ駆動用のICを配置し、ICの各電極からインナーリードへの電気的接続にAuまたはAlまたはCuのワイヤーボンディング等を使用し、全体を樹脂モールディングした構成である3軸磁気検出装置とする。
あるいは、前記3軸磁気検出装置において、両面に配線パターンが形成された基部の片面に、3軸磁気検出素子を配置し、もう片面にセンサ駆動用のICを配置し、各電極が基部のスルーホールを通してどちらか片面に集約配置された基部を、エポキシ樹脂もしくはアルミナ等で成型されたリード付のハウジングにはめ込み、各電極からインナーリードへの電気的接続にAuまたはAlまたはCuのワイヤーボンディング等を使用し、全体を樹脂モールディングした3軸磁気検出装置とする。
ここで、前記基部は、リードフレームと、樹脂とで構成された台座か、あるいは、表面に導電パターンが形成されたプリント基板である。
図1は、本発明の3軸磁気検出素子の説明図であり、図1(a)は上面図、図1(b)は側面図である。この磁気検出素子は、例えば、ガラスウェハやシリコンウェハ、セラミック基板からなるチップ型の1軸磁気検出素子1a,1b,1cの3個と、正三角柱100と、バイアス磁界印加用コイル2と、素子電極との電気的接続のためのリードフレーム3と、ベーク材や成型樹脂からなる、ベース4およびハウジング5と、これらを封止するためのシリコーン系樹脂6とから概略構成されている。ここで、正三角柱100の下には、ベース部110が形成されており、各1軸磁気検出素子1a,1b,1cの接合時の保持用として用いられている。
図2は、この磁気検出素子の製造方法のフローチャートであり、また、図3は、3軸磁気検出素子に使用されるリードフレームの上面図である。この磁気検出素子ユニットの製造方法では、まず図3に示すような、エッチングもしくはプレスで形成された非磁性材のリードフレーム3にSnめっき、もしくは無電解Ni/Auめっきを施した電気的接続端子を作製する。
図4は、ベースの斜視図である。このベースは、請求項に記載した基部に相当し、リードフレームと樹脂とが一体化されたものである。図4に示すように、中心に正三角柱100が形成され、その各辺に向かって2端子ずつ延びるリードフレーム用の溝が形成されている。図5は、ハウジングの斜視図である。図5に示すように、四辺に箱状の壁を形成し、中心部分が抜けた構造になっている。図6は、リードフレーム、ベース、三角柱、ハウジングが一体化された構造体の斜視図である。
図7は、構造体7に組み込まれた1軸磁気検出素子とリードフレームの接合部を示す図である。図7に示すように、前記1軸磁気検出素子1を前記構造体7に形成された正三角柱の各辺に組み込み、前記1軸磁気検出素子の電極部分と電気的接続端子のリードフレームの端部に接合部8(クリームはんだもしくははんだボール)を配置し、リフロー工程を通し、接合させる。
次に、φ30μmの自己融着線を使用してバイアス磁界印加用コイル2を形成する。図8は、バイアス磁界印加用コイルの配置を示す図である。図8に示すように、前記バイアス磁界印加用コイル2を前記構造体7に組み込まれた、3軸の前記1軸磁気検出素子1を囲むように組み込み、コイルの両端を前記リードフレーム3の端部にはんだ、もしくはソフトビーム等で接合させる。
図9は、シリコーン系樹脂による封止図である。図9に示すように、組み込まれた前記1軸磁気検出素子1および前記バイアス磁界印加用コイル2を覆うように、前記構造体7に形成された箱状の空間を満たすまでシリコーン系樹脂6を注入して封止し、前記構造体7より外側のアウターリードに外装めっきを施し、その後、リード形状を挿入型もしくは表面実装型に成型し、3軸磁気検出素子9を得る。
図10は、本発明の3軸磁気検出装置の上面図である。図11は、3軸磁気検出装置の製造方法のフローチャートを示す。この磁気センサの製造方法では、まずエッチングもしくはプレスで形成された非磁性材のリードフレーム10にSnめっき、もしくは無電解Ni/Auめっきを施した電気的接続端子を作製する。
次に、中心に正三角柱100が形成され、その各辺に向かって2端子ずつ延びるリードフレームの溝を形成したベース4と、中心部分が抜けた構造になるハウジング11が形成されるような成型用の型で、前記リードフレーム10の3軸磁気検出素子側を挟み込み、構造体12に一体成型する。図12は、ベース、リードフレーム、ハウジングが一体化された構造体の斜視図である。
次に、前記1軸磁気検出素子1を前記構造体12に形成された正三角柱の各辺に組み込み、前記1軸磁気検出素子1の電極部分と電気的接続端子の前記リードフレーム10の端部にクリームはんだもしくははんだボール8を配置し、リフロー工程を通し、接合させる。次に、φ30μmの自己融着線で形成されたバイアス磁界印加用コイル2を前記構造体12に組み込み、コイルの両端を前記リードフレーム10の端部にはんだ、もしくは接合部等で接合させ、3軸磁気検出素子13とする。
図13は、ダイパットに配置されたセンサ駆動用ICとインナーリードとの配線の説明図である。図13に示すように、ダイパット14が形成されたもう一方のリードフレーム10にセンサ駆動用のIC15を配置し、各電極からインナーリードへの電気的接続にAuのワイヤ16でボンディングし、パッシベーション用の樹脂17を塗布する。次に、エポキシ系の樹脂もしくはセラミック材18でモールディングし、アウターリードに外装めっきを施し、その後、足部分のリード形状をノンリード型もしくは挿入型および表面実装型に成型し、3軸磁気検出装置19を得る。
図14は、本発明の3軸磁気検出装置の斜視図ある。図14に示すように、中心部分にリードフレーム22の梁が形成され、足部分のリード形状がノンリード型もしくは挿入型および表面実装型に成型されたハウジング23にはめ込み、各電極部分とインナーリードをAuのワイヤ16でボンディングし、パッシベーション用樹脂17を塗布する。次に、エポキシ系の樹脂もしくはセラミック材18でモールディングし、3軸磁気検出装置24を得る。図15に、3軸磁気検出装置の製造方法のフローチャートを示す。
図16は、3軸磁気検出素子を示す図である。図16に示すように、3軸磁気検出装置の製造方法では、両面に配線パターンを形成したプリント基板もしくはポリイミド基板20の片面に、正三角柱の各面に貼りつけられた前記1軸磁気検出素子1を配置し、前記1軸磁気検出素子1の電極と前記プリント基板もしくはポリイミド基板20の配線を接合する。次に、φ30μmの自己融着線で作製したバイアス磁界印加用コイル2を前記1軸磁気検出素子1を囲うように配置し、前記バイアス磁界印加用コイル2の両端を基板の電極に接続し、パッシベーション用樹脂17を塗布し、3軸磁気検出素子21とする。
図17は、センサ駆動用ICを示す図である。図17に示すように、もう片面にセンサ駆動用のダイパット14をファイスアップもしくはフェイスダウンで取り付け、その電極を基板のスルーホールを通して反対側の面に配置する。
本発明は、小型および低背型という特徴をいかし移動体端末機器に搭載し、3軸という特徴をもって3次元的に方位を求められる方位センサとしての利用が考えられる。図18は、本発明の3軸磁気検出装置のセンサ出力特性の説明図であり、図18(a)はXY平面の特性を示す図、図18(b)はYZ平面の特性を示す図、図18(c)はZX平面の特性を示す図である。また、図19は、本発明の3軸磁気検出装置の方位出力特性の説明図であり、図19(a)はXY平面の特性を示す図、図19(b)はYZ平面の特性を示す図、図19(c)はZX平面の特性を示す図である。
本発明の3軸磁気検出素子の説明図。図1(a)は上面図、図1(b)は側面図。 図1に示す3軸磁気検出素子の製造方法のフローチャート。 3軸磁気検出素子に使用されるリードフレームの上面図。 ベースの斜視図。 ハウジングの斜視図。 リードフレーム、ベース、ハウジングが一体化された構造体の斜視図。 構造体に組込まれた1軸磁気検出素子とリードフレームの接合部を示す図。 バイアス磁界印加用コイルの配置を示す図。 シリコーン系樹脂による封止図。 本発明の3軸磁気検出装置の上面図。 3軸磁気検出装置の製造方法のフローチャート。 ベース、リードフレーム、ハウジングが一体化された構造体の斜視図。 ダイパットに配置されたセンサ駆動用ICとインナーリードとの配線の説明図。 本発明の3軸磁気検出装置の斜視図。 3軸磁気検出装置の製造方法のフローチャート。 3軸磁気検出素子を示す図。 センサ駆動用ICを示す図。 本発明の3軸磁気検出装置のセンサ出力特性の説明図。図18(a)はXY平面の特性を示す図、図18(b)はYZ平面の特性を示す図、図18(c)はZX平面の特性を示す図。 本発明の3軸磁気検出装置の方位出力特性の説明図。図19(a)はXY平面の特性を示す図、図19(b)はYZ平面の特性を示す図、図19(c)はZX平面の特性を示す図。 従来の3軸磁気検出素子の説明図。図20(a)は上面図、図20(b)は側面図。 従来の他の例の3軸磁気検出素子の説明図。
符号の説明
1a,1b,1c 1軸磁気検出素子
2 バイアス磁界印加用コイル
3 リードフレーム
4 ベース
5 ハウジング
6 シリコーン系樹脂
7 (リードフレーム、ベス、ハウジングが一体化された)構造体
8 接合部(クリームはんだもしくははんだボール)
9 3軸磁気検出素子
10 リードフレーム
10a 基板
11 ハウジング
12 構造体
13 3軸磁気検出素子
14 ダイパット
15 センサ駆動用IC
16 Auのワイヤ
17 パッシベーション用樹脂
18 エポキシ系の樹脂もしくはセラミック材
19 3軸磁気検出装置
20 プリント基板もしくはポリイミド基板
20a X軸磁気検出素子
21 3軸磁気検出素子
22 リードフレーム
23 ハウジング
24 3軸磁気検出装置
30a Y軸磁気検出素子
40a Z軸磁気検出素子
50 溝
50a 斜面
100 正三角柱
110 ベース部
200 磁気検出素子
400 電極
600 巻線
900 導電性接着剤

Claims (14)

  1. 基部と、前記基部と一体化された非磁性体であるブロックと、前記ブロックに形成された3つの面に、それぞれ1個ずつ配置されたチップ型の1軸磁気検出素子と、バイアス磁界印加用コイルと、筐体とで構成される3軸磁気検出素子であって、前記チップ型の1軸磁気検出素子は、前記非磁性体であるブロックの側面に、それぞれ1個ずつ平面方向に密着され、前記1軸磁気検出素子の電極と前記基部とは電気的に接続され、かつ、前記バイアス磁界印加用コイルの軸方向は、前記1軸磁気検出素子の平面と略一致されており、前記1軸磁気検出素子、3個に対してバイアス磁界印加を兼用して行うことを特徴とする3軸磁気検出素子。
  2. 前記1軸磁気検出素子の電極と、基部との電気的接続に、クリームはんだ、又は、はんだボール、又は樹脂入りはんだボールを用いたことを特徴とする請求項1に記載の3軸磁気検出素子。
  3. 前記バイアス磁界印加用コイルは、前記1軸磁気検出素子に一括にバイアス磁界を印加でき、巻線には、外経φ20〜50μmの自己融着線が使用され、素子にバイアス磁界をかけることを特徴とする請求項1または2のいずれかに記載の3軸磁気検出素子。
  4. 請求項1記載の3軸磁気検出素子において、組立後の前記筐体は樹脂封止され、実装にてマウンター等の自動機の使用が可能であり、更に磁気検出素子への外因からの影響が防止されたことを特徴とする請求項1ないし3のいずれかに記載の3軸磁気検出素子。
  5. 前記基部は、リードフレームと、樹脂とで構成された台座であることを特徴とする請求項1ないし4のいずれかに記載の3軸磁気検出素子。
  6. 前記基部は、表面に導電パターンが形成されたプリント基板であることを特徴とする請求項1ないし4のいずれかに記載の3軸磁気検出素子。
  7. 非磁性のリードフレームを有する基部を、ブロックが形成されるベース部分と箱型の壁が形成されるハウジング部分で挟み込み一体成型する工程と、前記ブロックに形成された3つの面に1軸磁気検出素子を配置する工程と、前記磁気検出素子の電極と基部を接合する工程と、次に前記形成された巻線と基部を接続する工程と、最後に樹脂封止する工程とを含むことを特徴とする3軸磁気検出素子の製造方法。
  8. 前記基部を、リードフレームと、樹脂とで構成する台座とすることを特徴とする請求項7に記載の3軸磁気検出素子の製造方法。
  9. 前記基部は、表面に導電パターンを形成したプリント基板とすることを特徴とする請求項7に記載の3軸磁気検出素子の製造方法。
  10. 請求項1ないし6のいずれかに記載の3軸磁気検出素子と、素子駆動用のICと、充填樹脂と、パッケージとで構成されたことを特徴とする3軸磁気検出装置。
  11. 前記1軸磁気検出素子が密着されたブロックを配置し、かつダイパットが形成された基部に、センサ駆動用のICを配置し、ICの各電極からインナーリードへの電気的接続にAuまたはAlまたはCuのワイヤーボンディングを使用し、全体を樹脂モールディングした構成であることを特徴とする請求項10に記載の3軸磁気検出装置。
  12. 前記3軸磁気検出装置において、両面に配線パターンが形成された基部の片面に、3軸磁気検出素子を配置し、もう片面にセンサ駆動用のICを配置し、各電極が基部のスルーホールを通してどちらか片面に集約配置された基部を、エポキシ樹脂もしくはアルミナ等で成型されたリード付のハウジングにはめ込み、各電極からインナーリードへの電気的接続にAuまたはAlまたはCuのワイヤーボンディング等を使用し、全体を樹脂モールディングしたことを特徴とする請求項10に記載の3軸磁気検出装置。
  13. 前記基部は、リードフレームと、樹脂とで構成された台座であることを特徴とする請求項10ないし12のいずれかに記載の3軸磁気検出装置。
  14. 前記基部は、表面に導電パターンが形成されたプリント基板であることを特徴とする請求項10ないし12のいずれかに記載の3軸磁気検出装置。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN113484807A (zh) * 2021-06-30 2021-10-08 杭州电子科技大学 一种嵌套式环形三轴磁通门传感器检测探头

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