JP2006133237A - センサシステム及び該製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】センサ特性における温度ドリフトを低減する。
【解決手段】センサシステム１０１は、センサ装置１０とセンサ装置１０を駆動するための集積回路２０とを備えている。センサ装置１０は、シリコンを基材とするセンサ本体部１と同じくシリコンを基材とする上部封止体２及び下部封止体３とを備えている。集積回路２０は、センサ装置１０とともに積層体を形成している。センサ本体部１は、上部封止体２を貫通する貫通電路４及び上部封止体２の外表面に設けられた実装用電極５を通じて集積回路２０の配線パターン１２に電気的に接続されている。センサ装置１０と集積回路２０との電気的接続を中継するＭＩＤ基板３０がセンサ装置１０と集積回路２０との間に介在している。
【選択図】図１

Description

本発明は、センサ装置と該センサ装置を駆動するための集積回路とを備えるセンサシステムに関し、特に、センサ特性における温度ドリフトを低減することができるセンサシステムに関する。そして、該センサシステムの製造方法に関する。

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たマイクロサイズのセンサ、アクチュエータ等、及び、それらの駆動回路（制御回路を含む）を集積化した微細システムは、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）と称される。

図３は、ＭＥＭＳとして形成された従来のセンサシステムの側面断面図である。このセンサシステム１５０は、セラミクス基板７０、センサ装置７４、集積回路７５、実装用外部電極７７、及び封止材７８を備えている。セラミクス基板７０は、配線パターン７６を有している。

センサ装置７４は、角速度センサであり、シリコンを基材とするセンサ本体部７１、ガラスを材料とする上部封止体７２、及び、同じくガラスを材料とする下部封止体７３を備えている。上部封止体７２と下部封止体７３とは、センサ本体部７１を気密に収納する部材である。集積回路７５は、センサ装置７４を駆動（制御を含む）する駆動回路であり、ベアチップの形態でバンプを通じてセラミクス基板７０の上の配線パターン７６に接続されている。即ち、集積回路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。センサ装置７４もフリップチップ実装と同様の形態でセラミクス基板７０に実装されている。また、センサ装置７４及び集積回路７５は、樹脂の封止材７８によって封止されている。センサシステム１５０は、配線パターン７６に接続された実装用外部電極７７を通じて、外部の回路基板等に実装することができる。このように、センサシステム１５０は、あたかも一つの集積回路と同様に取り扱うことが可能となっている。

センサ装置７４に関して、シリコンを基材とするセンサ本体部７１を、ガラス製の上部封止体７２及び下部封止体７３で封止する技術は、特許文献１にも開示されているように、当分野では一般的に用いられる技術である。しかしながら、シリコンとガラスとの間では、熱膨張係数の差が大きく、温度変化に伴ってセンサ本体部７１に歪が生じるという問題点があった。この歪は、センサ本体部７１の共振周波数を変化させる等により、センサとしての特性に温度ドリフトを生じる要因となっていた。更に、センサシステム１５０は、センサ装置７４と集積回路７５とを互いに横に並ぶように実装するので、システムの小型化に限界を有していた。
特開２００１−１５３８８１号公報

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたもので、センサ特性における温度ドリフトを低減したセンサシステムを提供することを目的とする。そして、センサ特性の設計値からのずれを抑えたセンサシステムの製造方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決し上記目的を達成するために、本発明のうち第１の態様に係るセンサシステムは、一つのウェハから形成される下部封止体と、前記一つのウェハとは別のウェハから形成されるセンサ本体部と、前記一つのウェハ及び前記別のウェハとは更に別のウェハから形成される上部封止体とを備え、前記３枚のウェハを接合した後に個々に切り出されることによって得られた、前記下部封止体、前記センサ本体部及び前記上部封止体が同一の材料であるセンサ装置と、前記センサ装置を駆動するための集積回路と、前記センサ装置と前記集積回路とを互いに積層した状態で支持するように前記センサ装置と前記集積回路との間に介在し、且つ前記センサ装置と前記集積回路との電気的接続を中継するＭＩＤ基板と、前記ＭＩＤ基板に設けられ前記ＭＩＤ基板を通じて前記センサ装置と前記集積回路との少なくとも一方に電気的に接続された実装用外部電極とを備えることを特徴とするものである。

本発明のうち第２の態様に係るものは、第１の態様に係るセンサシステムであって、前記材料が半導体であることを特徴とするものである。

本発明のうち第３の態様に係るものは、第１又は第２の態様に係るセンサシステムを製造する方法であって、前記センサ装置及び前記集積回路の何れかと前記ＭＩＤ基板とを電気的に接続する部分を常温で形成することを特徴とするものである。

本発明のセンサシステムは、センサ装置における下部封止体、センサ本体部及び上部封止体が同一の材料であるので、それらの部材の間で熱膨張係数に差違がない。このため、センサシステムは、それら部材の間の熱膨張係数の差違に起因する温度ドリフトが抑制される。また、センサシステムは、センサ装置と集積回路とが積層状態にあるので、小型化を図ることができる。更に、本発明のセンサシステムの製造方法によれば、センサシステムの製造後にセンサ装置に残留する熱歪を低減して、センサ特性の設計値からずれを抑えることができる。

図１は、本発明の実施形態によるセンサシステムの構成を示す断面図である。図１（ａ）は、同センサシステムの縦断面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ切断線に沿った断面図である。このセンサシステム１０２は、ＭＥＭＳとして形成されており、センサ装置１０、集積回路２０、ＭＩＤ（Molded Interconnect Device）基板３０、実装用外部電極３１、及び、封止材３２を備えている。センサ装置１０は、例えば角速度センサであり、シリコンを基材とするセンサ本体部１、同じくシリコンを基材とする上部封止体２、及び同じくシリコンを基材とする下部封止体３を備えている。「シリコンを基材とする」とは、不純物がドープされたシリコンをも含める趣旨である。

上部封止体２と下部封止体３とは、互いに接合されることにより、その内部に形成する空洞にセンサ本体部１を気密に収納している。上部封止体２と下部封止体３とは、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る。上部封止体２の外側表面には、センサ装置１０を実装するための実装用電極５が設けられている。実装用電極５は、例えばバンプ電極であり、上部封止体２を貫通する導電体である貫通電路４によって、センサ本体部１に電気的に接続されている。

下部封止体３は、基板状部材３５とこれに接合した枠状部材３６とを含んでいる。基板状部材３５を一つのウェハから形成し、センサ本体部１と枠状部材３６とを別のウェハから形成し、上部封止体２を更に別のウェハから形成することができる。各ウェハに貫通電路４を形成するための処理等を行った後に、３枚のウェハを例えば貼り合わせにより接合し、その後に個々のチップに切り出すことにより、センサ装置１０を得ることができる。図１以下の各図では、枠状部材３６は下部封止体３に含めているが、上部封止体２に含めても良い。

集積回路２０は、センサ装置１０を駆動（制御を含む）する駆動回路であり、ベアチップの形態で、ＭＩＤ基板３０を介在してセンサ装置１０と２層の積層体を形成している。集積回路２０は、集積回路基板であるチップ本体１１と、その一主面に形成された配線パターン１２とを有している。センサ装置１０と集積回路２０との積層体は、ＭＩＤ基板３０に設けられた凹部にそれぞれ挿入された状態で、ＭＩＤ基板３０に支持されている。更に、積層体は、樹脂等の封止材３２で封止されている。

ＭＩＤ基板（立体回路形成用基板）３０は、樹脂等を成型することにより形成された絶縁体を材料とする基板本体部２１と、その表面に配設された配線パターン２２とを有している。センサ装置１０は、実装用電極５を通じて配線パターン２２に接続され、集積回路２０は、実装用電極２３を通じて配線パターン２２に接続されている。また、ＭＩＤ基板３０には、開口部２５が設けられており、配線パターン２２は、開口部２５にも配設されている。それにより、ＭＩＤ基板３０は、センサ装置１０と集積回路２０との間の電気的接続をも中継している。また、配線パターン２２を通じて、センサ装置１０及び集積回路２０の少なくとも一方は、実装用外部電極３１に接続されている。なお、図２には、センサ装置１０及び集積回路２０の双方が実装用外部電極３１に接続された例を示している。集積回路２０の配線パターン１２は、集積回路２０を実装するための実装用電極２３を通じて配線パターン２２に接続されている。実装用電極２３は、例えばバンプ電極である。このように、センサシステム１０２は、あたかも一つの集積回路と同様に取り扱うことが可能となっている。

以上のように、センサシステム１０２は、センサ本体部１が、自身と材料を同一にする上部封止体２及び下部封止体３とによって収納され且つ固定されているので、それらの部材の間に熱膨張係数の差違がない。このため、センサ装置１０の構成部材の間での熱膨張係数の差違に起因するセンサ特性の温度ドリフトが解消される。

また、上部封止体２を貫通する貫通電路４によりセンサ本体部１と実装用電極５とが接続されることにより、センサ装置１０について、集積回路のフリップチップと同様の形態を実現するので、センサ装置１０が横に広がらず小型化される。上部封止体２がシリコンを基材とすることから、センサ本体部１と同様に微細加工が可能であり、そのことが貫通電路４の形成を容易にしている。

更に、センサ装置１０と集積回路２０とがＭＩＤ基板３０を介して積層状態にあるので、センサシステム１０２を小型に形成することができる。また、センサ装置１０及び集積回路２０は、フリップチップの形態でＭＩＤ基板３０に実装されており、このこともセンサシステム１０２の小型化に寄与している。また、ＭＩＤ基板３０が用いられるので、実装用外部電極３１を容易に形成することができる。更に、実装用外部電極３１は、バンプ電極として形成されているので、マザーボード等の回路基板上でのセンサシステム１０２の実装面積を更に縮小化することができる。

図２は、上部封止体２に貫通電路４を形成する工程を示す製造工程図である。上部封止体２に貫通電路４を形成するには、まず、例えばＩＣＰを用いることにより上部封止体２に貫通孔４２を形成し、その後、例えば熱酸化により二酸化シリコンの絶縁膜４１を上部封止体２の表面に形成する（図２（ａ））。次に、ＣＶＤ（化学気相成長）を用いることにより、例えば銅などの導電体４３を上部封止体２の表面に堆積させる（図２（ｂ））。導電体４３は、銅以外の金属であっても良く、不純物をドープした多結晶シリコンであってもよい。その後、例えば銅メッキを実行して導電体４４を堆積させることにより、貫通孔４２を導電体４４で埋め込む（図２（ｃ））。銅メッキの代わりに、ＣＶＤを用いても良い。次に、例えばマスクパターンを用いてメタルＲＩＥ（反応性イオンエッチング）を実行し、導電体４４を選択的に除去することにより配線パターン（パッドを含む）４６，４７を形成する（図２（ｄ））。

このように、周知の半導体プロセスを組み合わせることにより、上部封止体２に貫通電路４を容易に形成することができる。また、図２（ｃ）の工程により、貫通孔４２を導電体４４により容易に埋め込むことができるので、センサ本体部１を収納するために上部封止体２と下部封止体３とが内部に形成する収納室を容易に気密に保つことができ、特に、高真空に保つことも可能となる。それにより品質の良いセンサ装置１０を得ることができる。更に、上部封止体２の表面に絶縁膜４１が形成されるので、シリコンを基材とする上部封止体２と貫通電路４との間が良好に電気的に絶縁される。それにより、高精度のセンサ装置１０が得られる。

更に、図２（ｄ）に示すように、上部封止体２の下面を平坦に形成することにより、下部封止体３との貼り合わせを容易化することができる。なお、上部封止体２の代わりに、或いは、それと併せて、下部封止体３に貫通電路４を形成することも可能である。

また、センサ本体部１、上部封止体２及び下部封止体３は、シリコンを基材とする材料以外の半導体であってもよい。しかしながら、数多くの半導体の中で、シリコンについては微細加工を行うための技術が幅広く確立されており、且つ材料も低コストであることから、特に、シリコンを基材とする材料が望ましい。また、センサ本体部１、上部封止体２及び下部封止体３は、半導体を材料としなくても、材料が互いに同一であれば、熱膨張係数の差違に起因する温度ドリフトの問題は解消される。しかしながら、半導体を材料とすることで、半導体プロセスを用いて微細加工を容易に行うことができ、高精度且つ小型のセンサ装置１０及びセンサシステム１０２を容易に得ることができる。

また、センサシステム１０２の製造工程において、望ましくは、実装用電極５を介したセンサ装置１０とＭＩＤ基板３０との接続、及び、実装用電極２３を介した集積回路２０とＭＩＤ基板３０との接続は、常温で行われる。例えば、プラズマを用いて電極表面を活性化しつつ押圧することにより常温での接続を行うことができる。ここで、常温とは、センサシステム１０２の定格としての使用温度範囲（例えば０°Ｃ〜＋８０°Ｃなど）以内の温度であればよい。それにより、完成後のセンサシステム１０２に熱応力が残留することを抑制乃至解消することができ、センサ装置１０のセンサ品質の劣化を抑えることができる。

本発明の実施形態によるセンサシステムの構成を示す縦断面図である。 図１の上部封止体に貫通電路を形成する工程を示す製造工程図である。 従来技術によるセンサシステムの構成を示す縦断面図である。

符号の説明

１ センサ本体部
２ 上部封止体
３ 下部封止体
４ 貫通電路
５、２３ 実装用電極
１０ センサ装置
１１ チップ本体（集積回路基板）
１２ 配線パターン
２０ 集積回路
３０ ＭＩＤ基板
３１ 実装用外部電極
４１ 絶縁膜
４２ 貫通孔
４３、４４ 導電体
１０２ センサシステム

Claims (3)

1. 一つのウェハから形成される下部封止体と、前記一つのウェハとは別のウェハから形成されるセンサ本体部と、前記一つのウェハ及び前記別のウェハとは更に別のウェハから形成される上部封止体とを備え、前記３枚のウェハを接合した後に個々に切り出されることによって得られた、前記下部封止体、前記センサ本体部及び前記上部封止体が同一の材料であるセンサ装置と、
   前記センサ装置を駆動するための集積回路と、
   前記センサ装置と前記集積回路とを互いに積層した状態で支持するように前記センサ装置と前記集積回路との間に介在し、且つ前記センサ装置と前記集積回路との電気的接続を中継するＭＩＤ基板と、
   前記ＭＩＤ基板に設けられ前記ＭＩＤ基板を通じて前記センサ装置と前記集積回路との少なくとも一方に電気的に接続された実装用外部電極とを備えること
   を特徴とするセンサシステム。
2. 前記材料が半導体であること
   を特徴とする請求項１に記載のセンサシステム。
3. 請求項１又は請求項２に記載のセンサシステムを製造する方法であって、
   前記センサ装置及び前記集積回路の何れかと前記ＭＩＤ基板とを電気的に接続する部分を常温で形成すること
   を特徴とするセンサシステムの製造方法。

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