JP2005308631A

JP2005308631A - 半導体力学量センサ

Info

Publication number: JP2005308631A
Application number: JP2004128216A
Authority: JP
Inventors: Koji Tsuji; 幸司辻; Masao Kirihara; 昌男桐原; Kazuo Eda; 和夫江田; Yoichi Nishijima; 洋一西嶋
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2004-04-23
Filing date: 2004-04-23
Publication date: 2005-11-04

Abstract

【課題】力学量をより高精度に測定することのできる半導体力学量センサを提供する。
【解決手段】半導体基板から形成され、受けた力学量に応じた電気信号を出力するセンサチップ１０と、このセンサチップ１０の出力した電気信号を処理する集積回路チップ１１と、センサチップ１０及び上記集積回路チップ１１が搭載される立体パッケージ１２４と、立体パッケージ１２４の実装面１２４ｃに設けられ、その実装面１２４ｃを外部の回路基板に実装可能に形成された実装用外部電極１２８と、実装用外部電極１２８及びセンサチップ１０及び集積回路チップ１１間を電気的に接続する、立体パッケージ１２４表面に形成された配線１２３とを備えてなり、立体パッケージ１２４は、その表面のうち、実装面１２４ｃに隣接する壁面１２４ｆに、立体パッケージ１２４の厚み方向の全体を貫通する貫通孔１２１が形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、角速度、加速度等の力学量を測定する半導体力学量センサに関する。

従来より、半導体プロセスを基盤としたマイクロマシン技術を用いて、マイクロサイズのセンサやアクチュエータ、並びにそれらの駆動回路や制御回路をも含めて集積化して実装した微細システムが製造されている。この微細システムは、ＭＥＭＳ（ＭｉｃｒｏＥｌｅｃｔｒｏＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍ）と称されている。

図５は、ＭＥＭＳとして形成された、角速度を測定可能な力学量センサの断面図である。この角速度センサ１５０は、セラミクス基板７０と、センサチップ７４と、集積回路チップ７５と、実装用外部電極７７と、封止材７８とを備えて構成されている。なお、セラミクス基板７０は、その表面に配線パターン７６が形成されており、この配線パターン７６を介して、実装用外部電極７７とセンサチップ７４と集積回路チップ７５間が電気的に接続されている。

センサチップ７４は、角速度を検出する角速度センサ本体７１と、この角速度センサ本体７１を機密に収納した上部封止体７２及び下部封止体７３とを備えている。角速度センサ本体７１は、基材としてのシリコンに半導体プロセスが施されることで形成されている。また、上部封止体７２及び下部封止体７３は、ガラスが加工されて形成されている。そして、これらの封止体を相互に陽極接合して貼り合わせることで、角速度センサ本体７１を機密に収納している。

集積回路チップ７５は、センサチップ７４を駆動する駆動回路であり、ベアチップの形態でチップ実装用電極１２６を介して配線パターン７６に電気的に接続されている。すなわち、集積回路チップ７５はセラミクス基板７０にフリップチップ実装されている。また、この集積回路チップ７５と同様に、センサチップ７４も、チップ実装用電極１２７を介してセラミクス基板７０にフリップチップ実装されている。このようにして、セラミクス基板７０に実装されたセンサチップ７４及び集積回路チップ７５は、樹脂を材料とする絶縁性の封止材７８により封止され、セラミクス基板７０に固定されている。また、セラミクス基板７０の表面のうち、センサチップ７４や集積回路チップ７５が搭載されていない方の実装面７０ｃには、マザーボード等の外部回路基板に実装可能に形成された実装用外部電極７７が設けられている。この実装用外部電極７７が、外部回路基板に実装されることで、角速度センサ１５０がその外部回路基板に実装される。

外部回路基板に実装された角速度センサ１５０は、その外部回路基板から実装用外部電極７７を介して電力を受け、角速度を測定する。そして測定した測定値は、再び実装用外部電極７７を介して外部回路基板に出力する。このように、ＭＥＭＳとして形成された角速度センサ１５０は、あたかも一つの集積回路と同じように取り扱うことができる。

また、図６に示すように、センサチップ７４と集積回路チップ７５を、立体パッケージ７９内に積層して実装した加速度センサ１６０もある（特許文献１）。この加速度センサ１６０は、集積回路チップ７５での信号処理に必要な情報を記憶した記憶素子チップ８１と、実装用外部電極７７からの電力を記憶素子チップ８１に中継する電極パッド８３及びワイヤ８２を備えている。また、センサチップ７４と集積回路チップ７５と記憶素子チップ８１間は、立体パッケージ７９の表面に形成された配線（図示せず）により電気的に接続されている。この加速度センサ１６０では、センサチップ７４と集積回路チップ７５が立体パッケージ７９内に積層されているので、加速度センサ１６０自体が小型化されている。上記の角速度センサ１５０や加速度センサ１６０のようなマイクロサイズの半導体力学量センサを、実装用外部電極７７を介して外部回路基板に実装することは、この技術分野においてはそれほど困難ではない。
特開２００３−３４４４３９号公報

しかしながら、このような半導体力学量センサを外部回路基板等に実装した場合、半導体力学量センサのセラミクス基板７０や立体パッケージ７９と、実装しようとする外部回路基板等との間では、その熱膨張係数の大きさに差がある。そのため、温度変化に伴って、セラミクス基板７０や立体パッケージ７９が歪んでしまい、搭載した角速度センサ本体７１にも歪みが生じるという問題があった。このようにして発生した歪みは、角速度センサ本体７１の共振周波数を変化させるなど、センサとしての特性に温度ドリフトを生じさせ、力学量を精度よく測定することを困難にしていた。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたもので、より高精度に力学量を測定することのできる半導体力学量センサを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本願発明は、半導体基板から形成され、受けた力学量の大きさに応じた電気信号を出力するセンサチップと、このセンサチップの出力した電気信号を処理する集積回路チップと、上記センサチップ及び上記集積回路チップが搭載される立体パッケージと、上記立体パッケージの一面に設けられ、その一面を外部の回路基板に実装可能にさせる実装用外部電極と、上記実装用外部電極及び上記センサチップ及び上記集積回路チップ間を電気的に接続する、上記立体パッケージ表面に形成された配線とを備えてなり、上記立体パッケージは、その表面のうち、上記一面に隣接する表面に、その厚み方向の全体を貫通する貫通孔が形成されているものである。

本願発明の半導体力学量センサにおいては、立体パッケージの表面のうち、実装用外部電極が形成された一面に隣接する表面に、立体パッケージの厚み方向の全体を貫通する貫通孔を設けたので、実装しようとする外部の回路基板とこの半導体力学量センサの熱膨張係数の大きさに差があり、それにより熱応力が半導体力学量センサに加わったとしても、形成した貫通孔がこの熱応力を低減させ、力学量を高精度に測定することが可能となる。

（第１実施形態）
本発明の半導体力学量センサに関する第１の実施の形態を、図１及び図２を参照して以下に説明する。

図１は、力学量として角速度を測定可能に形成された半導体角速度センサ１の断面を示す図であり、図２は、半導体角速度センサ１の側面を示す図である。この半導体角速度センサ１は、センサチップ１０と、集積回路チップ１１と、ＭＩＤ（ＭｏｌｄｅｄＩｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔＤｅｖｉｃｅ）基板１２とを備え、ＭＥＭＳとして形成されている。

ＭＩＤ基板１２は、樹脂等を立体的に成形することにより作られた絶縁性の立体パッケージ１２４と、外部の回路基板等に実装可能に形成された実装用外部電極１２８と、実装用外部電極１２８及び搭載するチップ間を電気的に接続する配線１２３とを備えて構成されている。

立体パッケージ１２４は、図１に示すように、その断面が略Ｈ形状をなしており、２つの脚部１２４ａにより、梁部１２４ｂが支持された形態になっている。すなわち、この立体パッケージ１２４をマザーボード等の外部回路基板に実装した際には、脚部１２４ａは、外部回路基板の表面に立設して実装され、また、梁部１２４ｂは、脚部１２４ａにより外部回路基板の表面に平行に支持される。脚部１２４ａは、その一端面に、外部回路基板に実装される実装面１２４ｃを有し、その実装面１２４ｃには、実装用外部電極１２８が設けられている。また、梁部１２４ｂには、その厚み方向の全体を貫通する開口部１２５が形成されている。この開口部１２５内には、その表面に配線１２３が形成されており、センサチップ１０と集積回路チップ１１は、この開口部１２５内の配線１２３を介して電気的に接続されている。また、図１と図２に示すように、脚部１２４ａ表面のうち、実装面１２４ｃに隣接した壁面１２４ｆには、その厚み方向の全体を貫通する貫通孔１２１が複数形成されている。さらに、壁面１２４ｆ内の、実装面１２４ｃの近傍部分には、その実装面１２４ｃを含んで形成された貫通孔が、実装面１２４ｃ側に開放され凹部１２２として形成されている。なお、実装用外部電極１２８は、凹部１２２が形成されなかった部分の実装面１２４ｃに形成されている。

センサチップ１０は、図１に示すように、角速度を検出するセンサ本体１０１と、このセンサ本体１０１を機密に収納する上部封止体１０２及び下部封止体１０３とを備えて構成されている。センサ本体１０１は、シリコン基板に半導体プロセスを施すことで形成されている。また、上部封止体１０２及び下部封止体１０３も、シリコンを基材とする半導体基板から形成されており、これらが互いに接合されることで、その内部に形成された空隙部分にセンサ本体１０１を気密に収納している。この上部封止体１０２と下部封止体１０３の接合は、周知のシリコン基板の貼り合わせ技術を用いて接合することができ、例えば陽極接合を用いればよい。このセンサチップ１０は、上部封止体１０２及び下部封止体１０３の側壁部分に、センサチップ１０をセンサチップ実装面１２４ｄに実装するためのチップ実装用電極１２７を有している。すなわち、センサチップ１０は、チップ実装用電極１２７を介して立体パッケージ１２４の脚部１２４ａに実装され、片持ち梁の状態で立体パッケージ１２４に支持されている。このチップ実装用電極１２７は、立体パッケージ１２４の表面のうち、実装面１２４ｃに直交するセンサチップ実装面１２４ｄに接合されている。なお、上部封止体１０２及び下部封止体１０３には、その厚み方向の全体を貫通する導電性の貫通電路１０４が形成されており、この貫通電路１０４及び配線１２３を通じて、実装用外部電極１２８から受けた電力をセンサ本体１０１に供給している。また、センサチップ１０と集積回路チップ１１は、立体パッケージ１２４の梁部１２４ｂを挟んで相互に積層するように立体パッケージ１２４に実装されている。なお、本実施の形態では、センサチップ１０が梁部１２４ｂの上側、集積回路チップ１１が梁部１２４ｂの下側になるように積層されているが、この位置関係は逆であってもよい。

集積回路チップ１１は、その表面に配線（図示せず）が形成されており、この配線を通じて集積回路チップ１１上の電子部品が電気的に接続されている。また、チップ実装用電極１２６，１２７には、バンプ電極が用いられている。

なお、本実施の形態では、図２に示すように貫通孔１２１の断面が、四角形に形成されていたが、これは四角形に限定されるものではなく、他にも例えば円や三角形などあらゆる形状に形成することができ、要は、脚部１２４ａの厚み方向の全体を貫通していればよい。また、この半導体力学量センサでは、角速度を測定するセンサチップ１０が実装されていたが、これ以外にも例えば加速度センサチップ、圧力センサチップなど、半導体プロセスを用いて半導体基板から形成されるセンサチップであればどのようなものでも適用することができる。また、センサ本体１０１は、高純度のシリコン基板からだけではなく、不純物がドープされたシリコン基板からでも形成することができる。

以上のように、本実施形態の半導体角速度センサ１によれば、立体パッケージ１２４に貫通孔１２１，１２２を形成したので、半導体角速度センサ１が実装される外部回路基板と半導体角速度センサ１間の熱膨張係数の差により発生する熱応力を、センサ本体１０１に伝達しにくくさせることができる。これにより、センサ本体１０１の共振周波数等の機械的特性が変化しにくくなるので、温度ドリフトを低く抑えられ、角速度を高精度に測定することが可能となる。さらに、センサチップ１０と集積回路チップ１１が相互に積層するように立体パッケージ１２４に搭載されているので、半導体角速度センサ１自体が小型化されている。また、センサチップ１０が実装されるセンサチップ実装面１２４ｄは、実装面１２４ｃに直交しているので、立体パッケージ１２４が実装面１２４ｃの面内方向に熱膨張、熱収縮した場合でも、実装面１２４ｃに直交するセンサチップ実装面１２４ｄにはその影響が及びにくい。これにより、センサチップ１０は、角速度を高精度に測定することが可能となる。

（第２実施形態）
本発明の半導体力学量センサに関する第２の実施の形態を、図３及び図４を参照して以下に説明する。

図３は、力学量として角速度を測定可能に形成された半導体角速度センサ２の断面を示す図であり、図４は、半導体角速度センサ２の側面を示す図である。なお、本実施の形態において、第１の実施の形態と同じものには同じ符号を付している。

本実施形態の半導体角速度センサ２は、立体パッケージ１２４の表面のうち、センサチップ１０が実装されるセンサチップ実装面１２４ｄに凹部１２４ｅが形成されている。図３及び図４に示すように、この凹部１２４ｅは、センサチップ実装面１２４ｄに実装される２つのチップ実装用電極１２７，１２７を分離している。このようにセンサチップ１０の複数のチップ実装用電極１２７，１２７を、連続しない表面にそれぞれ実装させることで、立体パッケージ１２４とセンサチップ１０の熱膨張係数の差により発生する熱応力を、センサ本体１０１にさらに伝達しにくくさせている。なお、凹部１２４ｅの形状は特に限定されるものではなく、例えば、四角形や円形などに適宜形成すればよい。また、その凹部１２４ｅの深さも特に限定されるものではないが、浅い場合には、熱応力伝達の低減効果が低くなることがあるので、ある程度深く、例えば脚部１２４ａの厚みの２０％程度はある方が好ましい。

以上のように、本実施形態の半導体角速度センサ２によれば、立体パッケージ１２４の表面の一部に凹部１２４ｅが形成され、その凹部１２４ｅを挟んで、２つのチップ実装用電極１２７，１２７が実装されているので、立体パッケージ１２４とセンサチップ１０の熱膨張係数の差により発生する熱応力がセンサ本体１０１に伝わりにくく、さらに高精度に角速度を測定することが可能となる。

以上、本発明の好適な実施の形態を説明したが、本発明はこの実施の形態に限らず、種々の形態で実施することができる。

本発明の第１の実施の形態において、半導体力学量センサの断面図である。上記実施の形態において、半導体力学量センサの側面図である。本発明の第２の実施の形態において、半導体力学量センサの断面図である。上記実施の形態において、半導体力学量センサの側面図である。従来の半導体角速度センサの断面図である。従来の半導体加速度センサの断面図である。

符号の説明

１半導体角速度センサ
２半導体角速度センサ
１０センサチップ
１１集積回路チップ
１２１貫通孔
１２２凹部
１２３配線
１２４立体パッケージ
１２４ｃ実装面
１２４ｄセンサチップ実装面
１２４ｅ凹部
１２４ｆ壁面
１２８実装用外部電極

Claims

半導体基板から形成され、受けた力学量の大きさに応じた電気信号を出力するセンサチップと、
このセンサチップの出力した電気信号を処理する集積回路チップと、
上記センサチップ及び上記集積回路チップが搭載される立体パッケージと、
上記立体パッケージの一面に設けられ、その一面を外部の回路基板に実装可能にさせる実装用外部電極と、
上記実装用外部電極及び上記センサチップ及び上記集積回路チップ間を電気的に接続する、上記立体パッケージ表面に形成された配線とを備えてなり、
上記立体パッケージは、その表面のうち、上記一面に隣接する表面に、その厚み方向の全体を貫通する貫通孔が形成されていることを特徴とする半導体力学量センサ。
上記センサチップと上記集積回路チップは、上記立体パッケージの一部を挟んで相互に積み重なるように上記立体パッケージに搭載されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体力学量センサ。
上記センサチップは、上記立体パッケージの表面のうち、上記一面に直交する面に実装されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の半導体力学量センサ。
上記貫通孔は、上記一面の一部を含んで形成されることで、上記一面側に開放されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の半導体力学量センサ。
上記立体パッケージは、上記センサチップが実装される面の一部に凹部を有し、上記センサチップは、その凹部を挟んで少なくとも２箇所で当該面に実装されていることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の半導体力学量センサ。