JP2006047327A - 圧力検出装置用パッケージおよび圧力検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】圧力の検出精度を向上させた圧力検出装置を実現すること。
【解決手段】表面に第一メタライズ電極７を有するセラミック基体１と、第一メタライズ電極７に対向する第二メタライズ電極８を有し、セラミック基体１に対して配置されたセラミックダイアフラム２と、セラミック基体１に形成され、第一メタライズ電極７および第二メタライズ電極８により形成される静電容量に基づいてセラミックダイアフラム２に加わる圧力を検出するための半導体素子３の電極が接続される配線導体５とを備え、セラミック基体１とセラミックダイアフラム２とが焼結一体化されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧力検出装置用パッケージおよび圧力検出装置に関するものである。

従来、圧力を検出するための圧力検出装置として静電容量型の圧力検出装置が知られている。この静電容量型の圧力検出装置は、例えば図２に断面図で示すように、セラミックス材料や樹脂材料から成る配線基板21上に、静電容量型の感圧素子22と、パッケージ28に収容された演算用の半導体素子29とを備えている。感圧素子22は、例えばセラミックス材料等の電気絶縁材料から成り、上面中央部に静電容量形成用の一方の電極23が被着された凹部を有する絶縁基体24と、この絶縁基体24の上面に絶縁基体24との間に密閉空間を形成するようにして可撓な状態で接合され、下面に静電容量形成用の他方の電極25が被着された絶縁板26と、各静電容量形成用の電極23・25をそれぞれ外部に電気的に接続するための外部リード端子27とから構成されており、外部の圧力に応じて絶縁板26が撓むことにより各静電容量形成用の電極23・25間に形成される静電容量が変化する。そして、この静電容量の変化を演算用の半導体素子29により演算処理することにより外部の圧力を検出することができる。

しかしながら、この従来の圧力検出装置によると、感圧素子22と半導体素子29とを配線基板21上に個別に実装していることから、圧力検出装置が大型化してしまうとともに圧力検出用の電極23・25と半導体素子29との間の配線が長いものとなり、この長い配線間に不要な静電容量が形成されるため感度が低いという問題点を有していた。

そこで、本願出願人は、先に特願2000-178618において、一方の主面に半導体素子が搭載される搭載部を有する絶縁基体と、この絶縁基体の表面および内部に配設され、半導体素子の各電極が電気的に接続される複数の配線導体と、絶縁基体の他方の主面の中央部に被着され、配線導体の一つに電気的に接続された静電容量形成用の第一電極と、絶縁基体の他方の主面に、この主面の中央部との間に密閉空間を形成するように可撓な状態で接合された絶縁板と、この絶縁板の内側主面に第一電極に対向して被着され、配線導体の他の一つに電気的に接続された静電容量形成用の第二電極とを具備する圧力検出装置用パッケージを提案した。

この圧力検出装置用パッケージによると、一方の主面に半導体素子が搭載される搭載部を有する絶縁基体の他方の主面に静電容量形成用の第一電極を設けるとともに、この第一電極に対向する静電容量形成用の第二電極を内側面に有する絶縁板を、絶縁基体の他方の主面との間に密閉空間を形成するようにして可撓な状態で接合させたことから、半導体素子を収容するパッケージに感圧素子が一体に形成され、その結果、圧力検出装置を小型とすることができるとともに圧力検出用の電極と半導体素子とを接続する配線を短いものとして、これらの配線間に発生する不要な静電容量を小さなものとすることができる。なお、この特願2000-178618で提案した圧力検出装置用パッケージにおいては、絶縁基体の他方の主面の外周部にセラミックスや金属から成る枠体を第一電極を取り囲むようにして設けておき、この枠体上に第二電極の外周部を銀−銅ろう等のろう材を介してろう付けすることにより絶縁板が絶縁基体に接合されていた。

しかしながら、この特願2000-178618で提案した圧力検出装置用パッケージによると、セラミックスや金属から成る枠体上に絶縁板の第二電極の外周部を銀−銅ろう等のろう材を介してろう付けする際に、両者を接合するろう材の厚みがろう付けの温度や雰囲気・荷重等のばらつきに起因して一定となりにくく、そのため第一電極と第二電極との間隔が大きくばらついてしまうとともに、両者を接合するろう材の一部が第二電極の中央部に多量に流れ出してしまいやすく、このように多量に流れ出したろう材により第一電極と第二電極との間に形成される静電容量が大きくばらついてしまい、そのため外部の圧力を正確に検出することが困難であるという問題点を有していた。

本発明は、かかる上述の問題点に鑑み完成されたものであり、その目的は、小型でかつ感度が高く、しかも外部の圧力をばらつきなく正確に検出することが可能な圧力検出装置を提供することにある。

本発明は、表面に第一メタライズ電極を有するセラミック基体と、前記第一メタライズ電極に対向する第二メタライズ電極を有し、セラミック基体に対して配置されたセラミックダイアフラムと、前記セラミック基体に形成され、前記第一メタライズ電極および第二メタライズ電極により形成される静電容量に基づいて前記セラミックダイアフラムに加わる圧力を検出するための半導体素子の電極が接続される配線導体とを備え、前記セラミック基体と前記セラミックダイアフラムとが焼結一体的に形成されていることを特徴とするものである。

本発明は、セラミック基体とセラミックダイアフラムとが一体的に形成されていることにより、セラミック基体とセラミックダイアフラムとの接合部におけるヒステリシスを低減でき、圧力検出の精度を向上させることが可能となる。

本発明を添付の図面を基に詳細に説明する。図１は、本発明の圧力検出装置用パッケージの実施の形態の一例を示す断面図であり、図中、１はセラミック基体、２はセラミック板、３は半導体素子である。

セラミック基体１は、下面中央部に半導体素子３を収容するための凹部１ａを有するとともに上面中央部に後述するセラミック板２との間に密閉空間を形成するための凹部１ｃを有する酸化アルミニウム質焼結体や窒化アルミニウム質焼結体・ムライト質焼結体・ガラス−セラミックス等のセラミックス材料から成る積層体であり、例えば酸化アルミニウム質焼結体から成る場合であれば、酸化アルミニウム・酸化珪素・酸化マグネシウム・酸化カルシウム等のセラミック原料粉末に適当な有機バインダ・溶剤・可塑剤・分散剤を添加混合して泥漿状となすとともにこれを従来周知のドクタブレード法を採用してシート状に成形することにより複数枚のセラミックグリーンシートを得、しかる後、これらのセラミックグリーンシートに適当な打ち抜き加工・積層加工・切断加工を施すことによりセラミック基体１用の生セラミック成形体を得るとともにこの生セラミック成形体を後述するセラミック板２用のセラミックグリーンシートとともに約1600℃の温度で焼成することにより製作される。

セラミック基体１は、その下面中央部に形成された凹部１ａの底面中央部が半導体素子３が搭載される搭載部１ｂとなっており、この搭載部１ｂに半導体素子３を搭載するとともに凹部１ａ内に例えばエポキシ樹脂等の樹脂製封止材４を充填することにより半導体素子３が封止される。なお、この例では半導体素子３は樹脂製封止材４を凹部１ａ内に充填することにより封止されるが、半導体素子３はセラミック基体１の下面に金属やセラミックスから成る蓋体を凹部１ａを塞ぐように接合させることにより封止されてもよい。

また、搭載部１ｂには半導体素子３の各電極に接続される複数のメタライズ配線導体５が導出しており、このメタライズ配線導体５と半導体素子３の各電極を半田バンプ６等の導電性材料から成る導電性接合部材を介して接合することにより半導体素子３の各電極と各メタライズ配線導体５とが電気的に接続されるとともに半導体素子３が搭載部１ｂに固定される。なお、この例では、半導体素子３の電極とメタライズ配線導体５とは半田バンプ６を介して接続されるが、半導体素子３の電極とメタライズ配線導体５とはボンディングワイヤ等の他の種類の電気的接続手段により接続されてもよい。

メタライズ配線導体５は、半導体素子３の各電極を外部電気回路および後述する第一メタライズ電極７・第二メタライズ電極８に電気的に接続するための導電路として機能し、その一部はセラミック基体１の外周下面に導出し、別の一部は第一メタライズ電極７・第二メタライズ電極８に電気的に接続されている。そして、半導体素子３の各電極をこれらのメタライズ配線導体５に導電性接合材を介して電気的に接続するとともに半導体素子３を樹脂製封止材４で封止した後、メタライズ配線導体５の絶縁基体１外周下面に導出した部位を外部電気回路基板の配線導体に半田等の導電性接合材を介して接合することにより、内部に収容する半導体素子３が外部電気回路に電気的に接続されることとなる。

このようなメタライズ配線導体５は、タングステンやモリブデン・銅・銀等の金属粉末メタライズから成り、タングステン等の金属粉末に適当な有機バインダ・溶剤・可塑剤・分散剤等を添加混合して得たメタライズペーストを従来周知のスクリーン印刷法を採用してセラミック基体１用のセラミックグリーンシートに所定のパターンに印刷塗布し、これをセラミック基体１用の生セラミック成形体とともに焼成することによってセラミック基体１の内部および表面に所定のパターンに形成される。なお、メタライズ配線導体５の露出表面には、メタライズ配線導体５が酸化腐食するのを防止するとともにメタライズ配線導体５と半田等の導電性接合材との接合を良好なものとするために、通常であれば、厚みが１〜10μｍ程度のニッケルめっき層と厚みが0.1〜３μｍ程度の金めっき層とが順次被着されている。

また、セラミック基体１の上面中央部に形成された凹部１ｃ底面には静電容量形成用の第一メタライズ電極７が被着されている。この第一メタライズ電極７は、後述するセラミック板２の第二メタライズ電極８とともに感圧素子用の静電容量を形成するためのものであり、例えば略円形のパターンに形成されている。そして、この第一メタライズ電極７にはメタライズ配線導体５の一つ５ａが接続されており、それによりこのメタライズ配線導体５ａに半導体素子３の電極を半田バンプ６等の導電性接合材を介して接続すると半導体素子３の電極と第一メタライズ電極７とが電気的に接続されるようになっている。

このような第一メタライズ電極７は、タングステンやモリブデン・銅・銀等の金属粉末メタライズから成り、タングステン等の金属粉末に適当な有機バインダ・溶剤・可塑剤・分散剤を添加混合して得たメタライズペーストを従来周知のスクリーン印刷法を採用してセラミック基体１用のセラミックグリーンシートに印刷塗布し、これをセラミック基体１用の生セラミック成形体とともに焼成することによってセラミック基体１の上面中央部に所定のパターンに形成される。

また、セラミック基体１の上面には凹部１ｃを覆う略平板状のセラミック板２がセラミック基板１の上面との間に密閉空間を形成するようにして可撓な状態でセラミック基体１と焼結一体化されて接合されている。セラミック板２は、酸化アルミニウム質焼結体や窒化アルミニウム質焼結体・ムライト質焼結体・ガラス−セラミックス等のセラミックス材料から成る厚みが0.01〜５ｍｍの略四角または略八角あるいは円形等の平板であり、外部の圧力に応じてセラミック基体１側に撓むいわゆる圧力検出用のダイアフラムとして機能する。

このようなセラミック板２は、例えば酸化アルミニウム質焼結体から成る場合であれば、酸化アルミニウム・酸化珪素・酸化マグネシウム・酸化カルシウム等のセラミック原料粉末に適当な有機バインダ・溶剤・可塑剤・分散剤を添加混合して泥漿状となすとともにこれを従来周知のドクタブレード法を採用してシート状に成形することによりセラミック板２用のセラミックグリーンシートを得、しかる後、このセラミックグリーンシートに適当な打ち抜き加工や切断加工を施すとともにセラミック基体１用の生セラミック成形体上に積層し、これをセラミック基体１用の生セラミック成形体とともに約1600℃の温度で焼成し、セラミック基体１と焼結一体化することにより製作される。

なお、セラミック板２は、その厚みが0.01ｍｍ未満では、その機械的強度が小さいものとなってしまうため、これに大きな外部圧力が印加された場合に破壊されてしまう危険性が大きなものとなり、他方、５ｍｍを超えると、小さな圧力では撓みにくくなり、圧力検出用のダイアフラムとしては不適となってしまう。したがって、絶縁板２の厚みは0.01〜５ｍｍの範囲が好ましい。

また、セラミック板２の下面には静電容量形成用の略円形の第二メタライズ電極８が第一メタライズ電極７と対向するようにして被着されている。この第二メタライズ電極８は、前述の第一メタライズ電極７とともに感圧素子用の静電容量を形成するための電極として機能する。そして、第二メタライズ電極８にはメタライズ配線導体５の他の一つ５ｂが接続されており、それによりメタライズ配線導体５ｂに半導体素子３の電極を半田バンプ６等の導電性接合材を介して接続すると半導体素子３の電極と第二メタライズ電極８とが電気的に接続されるようになっている。

このとき、第一メタライズ電極７と第二メタライズ電極８とは、セラミック基体１とセラミック板２との間に形成された密閉空間を挟んで対向しており、これらの間には、第一メタライズ電極７や第二メタライズ電極８の面積および第一メタライズ電極７と第二メタライズ電極８との間隔に応じて所定の静電容量が形成される。そして、セラミック板２の上面に外部の圧力が印加されると、その圧力に応じてセラミック板２がセラミック基体１側に撓んで第一メタライズ電極７と第二メタライズ電極８との間隔が変わり、それにより第一メタライズ電極７と第二メタライズ電極８との間の静電容量が変化するので、外部の圧力の変化を静電容量の変化として感知する感圧素子として機能する。そして、この静電容量の変化を凹部１ａ内に収容した半導体素子３にメタライズ配線導体５ａ・５ｂを介して伝達し、これを半導体素子３で演算処理することによって外部の圧力の大きさを知ることができる。

なお、第二メタライズ電極８は、タングステンやモリブデン・銅・銀等の金属粉末メタライズから成り、タングステン等の金属粉末に適当な有機バインダ・溶剤・可塑剤・分散剤を添加混合して得たメタライズペーストを従来周知のスクリーン印刷法を採用してセラミック板２用のセラミックグリーンシートに印刷塗布し、これをセラミック板２用のセラミックグリーンシートとともに焼成することによってセラミック板２の下面に第一メタライズ電極７と対向する所定のパターンに形成される。

そして本発明においては、セラミック基板１とセラミック板２とが焼結一体化されていることが重要である。セラミック基体１とセラミック板２とが焼結一体化されていることから、セラミック基体１とセラミック板２とを接合するためのろう材を必要としない。したがって、第一メタライズ電極７と第二メタライズ電極８との間にろう付けに起因する間隔のばらつきが発生したり第二メタライズ電極８にろう材が流出したりすることは一切ない。そのため、第一メタライズ電極７と第二メタライズ電極８との間に形成される静電容量に大きなばらつきが発生することはなく、外部の圧力を正確に検出することが可能な圧力検出装置を提供することができる。また同時に、セラミック基体１とセラミック板２とを焼結一体化することにより接合していることから、両者をろう付けする工程を必要とせず、パッケージの製造を極めて簡便なものとすることができる。

このように、本発明の圧力検出装置用パッケージによれば、一方の主面に半導体素子３が搭載されるセラミック基体１の他方の主面に静電容量形成用の第一メタライズ電極７を設けるとともに、この第一メタライズ電極７に対向する静電容量形成用の第二メタライズ電極８を内側面に有するセラミック板２をセラミック基体１の他方の主面との間に密閉空間を形成するように可撓な状態でセラミック基体１と焼結一体化することにより接合させたことから、半導体素子３を収容する容器と感圧素子とが一体となり、その結果、圧力検出装置を小型化することができる。また、静電容量形成用の第一メタライズ電極７および第二メタライズ電極８を、セラミック基体１に設けたメタライズ配線導体５ａ・５ｂを介して半導体素子３に接続することから、第一メタライズ電極７および第二メタライズ電極８を短い距離で半導体素子３に接続することができ、その結果、これらのメタライズ配線導体５ａ・５ｂ間に発生する不要な静電容量を小さなものとして感度の高い圧力検出装置を提供することができる。

かくして、上述の圧力検出装置用パッケージによれば、搭載部１ｂに半導体素子３を搭載するとともに半導体素子３の各電極とメタライズ配線導体５とを電気的に接続し、しかる後、半導体素子３を封止することによって小型でかつ感度が高く、しかも外部の圧力をばらつきなく正確に検出することが可能な圧力検出装置となる。

なお、本発明は、上述の実施の形態の一例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲であれば種々の変更は可能である。

本発明の圧力検出装置用パッケージの実施の形態の一例を示す断面図である。 従来の圧力検出装置を示す断面図である。

符号の説明

１・・・・・セラミック基体
２・・・・・セラミック板
３・・・・・半導体素子
７・・・・・第一メタライズ電極
８・・・・・第二メタライズ電極

Claims (7)

1. 表面に第一メタライズ電極を有するセラミック基体と、
   前記第一メタライズ電極に対向する第二メタライズ電極を有し、セラミック基体に対して配置されたセラミックダイアフラムと、
   前記セラミック基体に形成され、前記第一メタライズ電極および第二メタライズ電極により形成される静電容量に基づいて前記セラミックダイアフラムに加わる圧力を検出するための半導体素子の電極が接続される配線導体とを備え、
   前記セラミック基体と前記セラミックダイアフラムとが一体的に形成されていることを特徴とする圧力検出装置用パッケージ。
2. 前記セラミック基体に、前記半導体素子が収容される凹部が形成されていることを特徴とする請求項１記載の圧力検出装置用パッケージ。
3. 前記セラミック基体および前記セラミックダイアフラムにより形成された空間に対向するように、前記半導体素子が収容される前記凹部が形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２記載の圧力検出装置用パッケージ。
4. 前記配線導体が、前記セラミック基体の前記凹部の周囲に導出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圧力検出装置用パッケージ。
5. 前記セラミックダイアフラムの厚みが、０．０１ｍｍ〜５ｍｍであ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圧力検出装置用パッケージ。
6. 表面に第一メタライズ電極を有するセラミック基体と、
   前記第一メタライズ電極に対向する第二メタライズ電極を有し、セラミック基体に対して配置されたセラミックダイアフラムと、
   前記セラミック基体に搭載され、前記第一メタライズ電極および第二メタライズ電極により形成される静電容量に基づいて前記セラミックダイアフラムに加わる圧力を検出するための半導体素子とを備え、
   前記セラミック基体と前記セラミックダイアフラムとが一体的に形成されていることを特徴とする圧力検出装置。
7. 前記半導体素子が、前記セラミック基体に形成された凹部に収容されており、
   前記セラミック基体の前記凹部に、前記半導体素子を覆うように樹脂製封止材が設けられていることを特徴とする請求項６記載の圧力検出装置。

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