JP2006078248A - 物理量センサ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 回路チップとセンサチップとを積層したものをパッケージ内に収納保持してなる物理量センサ装置において、体格の大型化を抑制しつつ外部振動のセンサチップへの伝達を極力抑制する。
【解決手段】 パッケージ１００と、パッケージ１００に収納されて保持された回路チップ３００と、回路チップ３００に積層されて固定された角速度検出を行うセンサチップ２００とを備える角速度センサ装置Ｓ１において、回路チップ３００とパッケージ１００とは、フレキシブルなテープ４１０とこのテープ４１０に接着された複数個のリード４２０とからなるＴＡＢ実装のキャリアテープからなるテープ状配線部材４００を介して電気的および機械的に接続されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、回路チップとセンサチップとを一体に固定したものをパッケージに収納してなる物理量センサ装置に関する。

従来より、加速度センサや角速度センサなどの物理量検出を行うセンサチップを、回路基板などの基板上にフェースダウン実装してなるセンサ装置が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。

このようなセンサチップのフェースダウン実装は、実装面積の低減につながり、センサ装置の小型化という面で有利である。
特開平９−２１９４２３号公報

本発明者は、センサチップとこのセンサチップからの信号処理を行う回路チップとを備えるセンサ装置において、コストダウンのため実装面積を小さくする手法として回路チップとセンサチップとを積層した構成を採用しており、このような積層構造を持つ物理量センサ装置の開発を進めている。

このような積層構造を持つセンサ装置について、上記特許文献１の技術思想に基づき、フェースダウン実装を採用することとし、装置を試作した。

図６は、本発明者の試作品としての物理量センサ装置の構成を示す図である。図６において、（ａ）は当該物理量センサ装置の概略平面図であり、（ｂ）は同センサ装置の概略断面図である。

ここで、パッケージ１００は、たとえば、複数のアルミナなどの層が積層され、表面や内部に図示しない配線が形成されたものであり、この配線を介して装置と外部とを電気的に接続可能としている。

センサチップ２００は、加速度、角速度、圧力などの物理量（力学量）を検出するもので、たとえば半導体チップに可動部やダイアフラムなどを形成してなるものである。回路チップ３００は、センサチップ２００の信号処理用のチップであり、ＩＣチップなどとして構成されたものである。

そして、図６に示されるように、センサチップ２００と回路チップ３００とがバンプ５００を介して接続された形で積層されている。そして、この両チップ２００、３００の積層体をパッケージ１００にフェースダウン実装するにあたっては、回路チップ３００の周辺部のバンプ５００によりパッケージ１００に接続されている。

しかしながら、このような物理量センサ装置においては、回路チップ３００とパッケージ１００との接合部であるバンプ５００の剛性が高い。すなわち、回路チップ３００のパッケージ１００への保持部であるバンプ５００の剛性が高いため、外部からの不要な振動は抑制されることなく、内部のセンサチップ２００に伝えられてしまう。

そのため、従来では、パッケージ１００の外部にセンサ装置自体を防振ゴム等で防振させるような防振機構を形成する必要がある。

すると、パッケージ１００そのものは小型化可能であるが、実使用上においては、パッケージ１００の周囲に防振ゴムを含む構造となるため、装置全体としては大型化し、パッケージ１００を小型化したメリットが相殺されてしまう。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、回路チップとセンサチップとを積層したものをパッケージ内に収納保持してなる物理量センサ装置において、体格の大型化を抑制しつつ外部振動のセンサチップへの伝達を極力抑制することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、パッケージ（１００）と、パッケージ（１００）に収納されて保持された回路チップ（３００）と、回路チップ（３００）に積層されて固定された物理量検出を行うセンサチップ（２００）とを備える物理量センサ装置において、回路チップ（３００）とパッケージ（１００）とは、フレキシブルなテープ状配線部材（４００）を介して電気的および機械的に接続されていることを特徴としている。

それによれば、装置に外部から不要な振動が加わっても、回路チップ（３００）のパッケージ（１００）への保持部がフレキシブルなものとなっており、ここで当該不要振動は緩和される。

そのため、特に、従来のようにパッケージ（１００）の外部に防振機構を設けなくても、回路チップ（３００）ひいてはセンサチップ（２００）に対して不要振動は伝わりにくくなる。

したがって、本発明によれば、回路チップ（３００）とセンサチップ（２００）とを積層したものをパッケージ（１００）内に収納保持してなる物理量センサ装置において、体格の大型化を抑制しつつ外部振動のセンサチップ（２００）への伝達を極力抑制することができる。

また、請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の物理量センサ装置において、テープ状配線部材（４００）は、回路チップ（３００）の外周を取り囲むように設けられており、テープ状配線部材（４００）の内周の一部が、回路チップ（３００）側へ突出しており、この突出部（４１２）において回路チップ（３００）に接合されていることを特徴としている。

テープ状配線部材（４００）の内周の全周ではなく、その一部においてテープ状配線部材（４００）と回路チップ（３００）とが接合されているため、これら両者（３００、４００）の接合における接合面積を小さくすることができ、当該接合部の剛性を低くする、すなわちフレキシブル性を向上させることができる。

さらに、請求項３に記載の発明では、請求項２に記載の物理量センサ装置において、テープ状配線部材（４００）における突出部（４１２）には、当該突出部（４１２）の面積を小さくするためのスリット（４１３）が設けられていることを特徴としている。

それによれば、突出部（４１２）にスリット（４１３）を設けていることから、テープ状配線部材（４００）と回路チップ（３００）との接合における接合面積をより適切に小さくすることができるため、当該接合部のフレキシブル性を適切に向上させることができ、好ましい。

なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、説明の簡略化を図るべく、図中、同一符号を付してある。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る物理量センサ装置としての角速度センサ装置Ｓ１の構成を示す図である。図１において、（ａ）は当該センサ装置Ｓ１の概略平面図であり、（ｂ）は同センサ装置Ｓ１の概略断面図である。なお、図１（ａ）は、蓋１４０を取り外した状態のものを図１（ｂ）の上方から見た図である。

図１に示されるように、このセンサ装置Ｓ１は、大きくは、パッケージ１００と、パッケージ１００に収納されて保持された回路チップ３００と、回路チップ３００に積層されて固定された角速度検出を行うセンサチップ２００とを備え、回路チップ３００とパッケージ１００とは、フレキシブルなテープ状配線部材４００を介して電気的および機械的に接続されているものである。

パッケージ１００は、両チップ２００、３００を収納するものであって、センサ装置Ｓ１の本体を区画形成する基部となるとともに、センサ装置Ｓ１を被測定体の適所に取り付けるためのものである。

図１に示される例では、パッケージ１００は、たとえば、たとえばアルミナなどのセラミック層１１０が複数積層された積層基板として構成されており、図示しないが各層１１０の表面や各層に形成されたスルーホールの内部に配線が形成されたものである。そして、この配線を介してセンサ装置Ｓ１と外部とが電気的に接続可能となっている。

また、パッケージ１００は、底部に回路チップ３００が収納可能な凹部１２０を有し、この凹部１２０の周囲の内壁面には、テープ状配線部材４００を接続するためのスペースとして段差部１３０が設けられている。また、パッケージ１００の開口部には蓋（リッド）１４０が溶接やロウ付けなどにより取り付けられ、この蓋１４０によってパッケージ１００の内部が封止されている。

次に、センサチップ２００について、主として図２を参照して説明する。図２は、図１に示される角速度センサ装置Ｓ１におけるセンサチップ２００の概略平面構成を示す図であり、図１（ｂ）において、センサチップ２００を構成する基板１０の下面からみた概略平面図である。

このセンサチップ２００は、半導体基板などの基板１０を有し、この基板１０に対して周知のマイクロマシン加工を施すことにより形成される。

たとえば、基板１０としては、第１の半導体層としての第１シリコン層上に絶縁層としての酸化膜を介して第２の半導体層としての第２シリコン層を貼り合わせてなる矩形状のＳＯＩ（シリコン−オン−インシュレータ）基板を採用することができる。

そして、この基板１０の表層、たとえばＳＯＩ基板における第２シリコン層に対して、トレンチエッチングおよびリリースエッチングなどを施すことにより、図２に示されるように、溝で区画された梁構造体２０〜６０が形成されている。

この梁構造体２０〜６０は、大きくは、振動体２０と各梁部２３、４０と各電極５０、６０とから構成されている。

振動体２０は、基板１０と水平な面内すなわち図２中の紙面内にて振動可能なように基板１０の中央部に形成されている。本例では、振動体２０は、中央部に位置する略矩形状の第１の振動部２１と、この第１の振動部２１の外周に位置する矩形枠状の第２の振動部２２と、これら第１および第２の振動部２１、２２を連結する駆動梁部２３とから構成されている。

この振動体２０は、基板１０の周辺部に設けられたアンカー部３０に対して検出梁部４０を介して連結されている。ここで、アンカー部４０は、基板１０のうち当該梁構造体２０が形成されている表層の下部すなわち支持基板部に固定され支持されているものであり、振動体２０は、当該支持基板部から浮遊している。

ここで、図２に示されるように、駆動梁部２３は、たとえばｙ方向に延びる形状をなすものとすることで実質的にｘ方向のみに弾性変形可能なものであり、検出梁部４０は、たとえばｘ方向に延びる形状をなすものとすることで実質的にｙ方向のみに弾性変形可能なものである。

そして、駆動梁２３によって振動体２０のうち第１の振動部２１が、基板１０と水平面内においてｘ方向（駆動振動方向）へ振動可能となっている。一方、検出梁部４０によって振動体２０全体が、基板１０と水平面内においてｙ方向（検出振動方向）へ振動可能となっている。

また、第１の振動部２１と第２の振動部２２との間には、第１の振動部２１をｘ方向に駆動振動させるための駆動電極５０が設けられている。この駆動電極５０は、アンカー部３０と同様に上記支持基板部に固定されている。そして、駆動電極５０は、第１の振動部２１から突出する櫛歯部（駆動用櫛歯部）２１ａに対し、互いの櫛歯が噛み合うように対向して配置されている。

また、第２の振動部２２の外周には、検出電極６０が設けられている。この検出電極６０は、振動体２０の振動に基づいて基板１０と垂直なｚ軸回りの角速度を検出するためのもので、アンカー部３０と同様に上記支持基板部に固定されている。そして、検出電極６０は、第２の振動部２２から突出する櫛歯部（検出用櫛歯部）２２ａに対し、互いの櫛歯が噛み合うように対向して配置されている。

また、図２では示さないが、本センサチップ２００においては、基板１０の適所に、上記振動体２０、駆動電極５０および検出電極６０などに電圧を印加したり、信号を取り出したりするためのパッド７０が、図１に示されるように、複数個設けられている。

本実施形態では、図１に示されるように、このパッド７０は基板１０の周辺部に設けられており、そして、このパッド７０には、Ａｕ（金）やはんだなどのバンプ５００が接続されるようになっている。本センサチップ２００は上記のような構成を有している。

そして、図１に示されるように、センサチップ２００と回路チップ３００とが積層されている。センサチップ２００は回路チップ３００に対してフェースダウン実装されており、センサチップ２００の下面と回路チップ３００とは、上記バンプ５００を介して電気的・機械的に接続されている。

ここで、回路チップ３００は、たとえばシリコン基板等に対してＭＯＳトランジスタやバイポーラトランジスタ等が、周知の半導体プロセスを用いて形成されているＩＣチップなどであり、センサチップ２００へ電圧を送ったり、センサチップ２００からの電気信号を処理して外部へ出力する等の機能を有するものにできる。

そして、上述したが、図１に示されるように、回路チップ３００とパッケージ１００とは、フレキシブルなテープ状配線部材４００を介して電気的および機械的に接続されている。

本実施形態では、テープ状配線部材４００は、ＴＡＢ（テープアシストボンディング）実装のキャリアテープを採用している。具体的には、テープ状配線部材４００は、フレキシブルなテープ４１０とこのテープ４１０に接着された複数個のリード４２０とから構成されている。

テープ４１０は、ポリイミドなどのフレキシブルな材料からなるテープであり、本例では、図１に示されるように、回路チップ３００の外周を取り囲むような枠形状をなしている。

また、リード４２０は、Ｃｕ板などの導電性金属材料などからなり、このリード４２０は、テープ４１０の一面（図１（ｂ）中の上面）に接着などにより貼り付けられ固定されている。

ここで、各リード４２０の一端部は、テープ４１０の内周端部から突出しており、他端部はテープ４１０に設けられた穴４１１を介して、テープ４１０の一面からテープ４１０の他面（図１（ｂ）中の下面）へ露出している。

そして、テープ状配線部材４００において、テープ４１０の外周端部側の部位は、パッケージ１００の段差部１３０に対して、接着剤５１０を介して接着固定されている。一方、図１（ａ）に示されるように、テープ４１０の内周の一部が、回路チップ３００側へ突出している。

そして、テープ４１０と回路チップ３００とは、この突出部４１２において図示しない接着剤などを介して接合されている。また、図１（ａ）に示されるように、このテープ４１０における突出部４１２には、当該突出部４１２の面積を小さくするためのスリット４１３が設けられている。

また、テープ４１０の内周端部から突出する各リード４２０の一端部は、バンプなどからなる回路チップ３００のパッド３１０に対して圧着などにより電気的に接続されている。一方、テープ４１０の他面へ露出している各リード４２０の他端部は、段差部１３０においてパッケージ１００の図示しない配線に対して圧着などにより電気的に接続されている。

このようにして、本実施形態では、回路チップ３００とパッケージ１００との接続において、テープ４１０を介して機械的接続が行われ、リード４２０を介して電気的接続が行われている。

つまり、回路チップ３００とパッケージ１００とは、フレキシブルなテープ状配線部材４００を介して電気的および機械的に接続されている。そして、回路チップ３００からの出力信号はテープ状配線部材４００を介してパッケージ１００の上記配線から外部へ送られるようになっている。

このような構成を有する本センサ装置Ｓ１は、たとえば次のようにして製造することができる。センサチップ２００と回路チップ３００とをフリップチップ実装した後に、テープ状配線部材４００に対して、その回路チップ３００をＴＡＢ実装する。

さらにパッケージ１００に内蔵するため、テープ状配線部材４００をパッケージ１００の大きさに分割後、パッケージ１００に対して固定し、その後、蓋１４０により封止する。こうして、上記角速度センサ装置Ｓ１が完成する。

かかる角速度センサ装置Ｓ１の検出動作について述べる。図２参照のこと。回路チップ３００からバンプ５００を介してセンサチップ２００の駆動電極５０に駆動信号（正弦波電圧等）を印加して、上記第１の振動部２１の櫛歯部２１ａと駆動電極５０との間に静電気力を発生させる。それにより、駆動梁部２３の弾性力によって第１の振動部２１がｘ方向へ駆動振動する。

この第１の振動部２１の駆動振動のもと、ｚ軸回りに角速度Ωが印加されると、第１の振動部２１にはｙ方向にコリオリ力が印加され、振動体２０全体が、検出梁４０の弾性力によってｙ方向へ検出振動する。

すると、この検出振動によって、検出電極６０と検出用櫛歯部２２ａの櫛歯間の容量が変化するため、この容量変化を検出することにより、角速度Ωの大きさを求めることができる。

具体的には、図２において、振動体２０がｙ軸方向に沿って一方向へ変位したとき、図２における左右の検出電極６０において、左側の検出電極６０と右側の検出電極６０とでは、容量変化は互いに逆になるようになっている。そのため、左右の検出電極６０におけるそれぞれの容量変化を電圧に変換し、両電圧値を差動・増幅して出力することで、角速度が求められる。

ところで、本実施形態によれば、パッケージ１００と、パッケージ１００に収納されて保持された回路チップ３００と、回路チップ３００に積層されて固定された角速度検出を行うセンサチップ２００とを備える角速度センサ装置Ｓ１において、回路チップ３００とパッケージ１００とは、フレキシブルなテープ状配線部材４００を介して電気的および機械的に接続されていることを特徴とする角速度センサ装置Ｓ１が提供される。

それによれば、装置Ｓ１に外部から不要な振動が加わっても、回路チップ３００のパッケージ１００への保持部、すなわちテープ状配線部材４００がフレキシブルなものとなっており、ここで当該不要振動は緩和される。

そのため、特に、従来のようにパッケージ１００の外部に防振ゴムなどの防振機構を設けなくても、回路チップ３００ひいてはセンサチップ２００に対して不要振動は伝わりにくくなる。

したがって、本実施形態によれば、回路チップ３００とセンサチップ２００とを積層したものをパッケージ１００内に収納保持してなる角速度センサ装置Ｓ１において、体格の大型化を抑制しつつ、外部振動のセンサチップ２００への伝達を極力抑制することができる。

また、本実施形態では、図１に示したように、テープ状配線部材４００は、回路チップ３００の外周を取り囲むように設けられており、テープ状配線部材４００の内周の一部が、回路チップ３００側へ突出しており、この突出部４１２において回路チップ３００に接合されていることも特徴点である。

テープ状配線部材４００の内周の全周ではなく、その一部においてテープ状配線部材４００と回路チップ３００とが接合されているため、これら両者３００、４００の接合における接合面積を小さくすることができ、当該接合部の剛性を低くする、すなわちフレキシブル性を向上させることができる。

さらに、本実施形態では、図１に示したように、テープ状配線部材４００における突出部４１２には、当該突出部４１２の面積を小さくするためのスリット４１３が設けられていることも特徴点である。

それによれば、突出部４１２にスリット４１３を設ければ、テープ状配線部材４００と回路チップ３００との接合における接合面積をより適切に小さくすることができるため、当該接合部のフレキシブル性を適切に向上させることができ、好ましい。

このように、テープ状配線部材４００において、回路チップ３００との接合部を上記突出部４１２やスリット４１３を有した構成とすれば、接合面積の低減による接合剛性の低減を実現し、接着状態でも容易に変形可能なような構造とすることができる。そして、テープ状配線部材４００と回路チップ３００との接合部において、バネ性を持たせることもできる。

このバネ性は、突出部４１２の形状やスリット４１３の位置およびその幅、深さを変化させることで可変とすることができる。具体的に、突出部４１２およびスリット４１３の変形例を、図３、図４に示しておく。

このようにテープ状配線部材４００のバネ性を変化させることで、内蔵される両チップ２００、３００の質量から決まる構造共振周波数、すなわち両チップ２００、３００の質量とテープ状配線部材４００のバネ定数から決まるバネ−マス系における共振周波数を調整することが可能である。

本実施形態では、内蔵される角速度センサチップ２００が振動型のものとなっており、この場合、そのセンサチップ２００に構成される振動体２０の駆動周波数よりも、上記構造共振周波数を低下させることで、駆動周波数における、外部からの振動伝達を抑制することが可能である。

（第２実施形態）
図５は、本発明の第２実施形態に係る物理量センサ装置としての角速度センサ装置Ｓ２の概略平面構成を示す図である。なお、図５は、上記蓋１４０を取り外した状態のものを見た図である。上記実施形態と相違するところを述べる。

上記実施形態では、テープ状配線部材４００は、フレキシブルなテープ４１０とこのテープ４１０に接着された複数個のリード４２０とからなるＴＡＢ実装のキャリアテープを採用していた。

それに対して、本実施形態では、テープ状配線部材４００としてフレキシブルプリント基板を採用する。このフレキシブルプリント基板は、周知のものであるが、ポリイミドなどからなるフレキシブルな基板にＣｕ箔などからなる配線パターンを形成したもので、全体としてフレキシブルなものである。

本実施形態では、図５に示されるように、フレキシブルプリント基板からなるテープ状配線部材４００を、図中の形にカットして用いる。図５では、隠れ線としての破線によって、テープ状配線部材４００における配線としての銅箔パターン４３０の一本が示されている。

つまり、本実施形態の角速度センサ装置Ｓ２においても、回路チップ３００とパッケージ１００とは、フレキシブルなテープ状配線部材４００を介して電気的および機械的に接続されている。そして、その作用効果は、上記実施形態のものと同様である。

（他の実施形態）
なお、回路チップ３００とセンサチップ２００とはバンプ５００を用いたフリップチップ接続でなくてもよく、たとえば、積層された両チップ２００、３００の間でワイヤボンディングを行い、ボンディングワイヤによる接続を行ってもよい。

また、本発明は、上記した角速度センサ装置以外にも、加速度や圧力などの物理量を検出するセンサ装置に適用可能である。つまり、上記角速度センサ装置において、センサチップ２００を角速度検出するものから、加速度や圧力を検出するセンサチップに置き換えたものであってもよい。

このように、本発明は、パッケージと、パッケージに収納されて保持された回路チップと、回路チップに積層されて固定された角速度検出を行うセンサチップとを備える角速度センサ装置において、回路チップとパッケージとは、フレキシブルなテープ状配線部材を介して電気的および機械的に接続されていることを主要部とするものであり、その他の部分は適宜設計変更が可能である。

本発明の第１実施形態に係る物理量センサ装置としての角速度センサ装置の構成を示す図であり、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は概略断面図である。 図１に示される角速度センサ装置におけるセンサチップの概略平面図である。 上記第１実施形態における突出部およびスリットを変形したセンサチップの一例を示す概略平面図である。 上記第１実施形態における突出部およびスリットを変形したセンサチップの他の一例を示す概略平面図である。 本発明の第２実施形態に係る物理量センサ装置としての角速度センサ装置の概略平面構成を示す図である。 本発明者の試作品としての物理量センサ装置の構成を示す図であり、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は概略断面図である。

符号の説明

１００…パッケージ、２００…センサチップ、３００…回路チップ、４００…テープ状配線部材、４１２…突出部、４１３…スリット。

Claims (3)

1. パッケージ（１００）と、
   前記パッケージ（１００）に収納されて保持された回路チップ（３００）と、
   前記回路チップ（３００）に積層されて固定された物理量検出を行うセンサチップ（２００）とを備える物理量センサ装置において、
   前記回路チップ（３００）と前記パッケージ（１００）とは、フレキシブルなテープ状配線部材（４００）を介して電気的および機械的に接続されていることを特徴とする物理量センサ装置。
2. 前記テープ状配線部材（４００）は、前記回路チップ（３００）の外周を取り囲むように設けられており、
   前記テープ状配線部材（４００）の内周の一部が、前記回路チップ（３００）側へ突出しており、この突出部（４１２）において前記回路チップ（３００）に接合されていることを特徴とする請求項１に記載の物理量センサ装置。
3. 前記テープ状配線部材（４００）における前記突出部（４１２）には、当該突出部（４１２）の面積を小さくするためのスリット（４１３）が設けられていることを特徴とする請求項２に記載の物理量センサ装置。
   

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