JP2006261469A - Micro-electronic-machine device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、物理的力学量を感知する加速度センサやジャイロセンサのような物理センサなどの微小電子機械デバイスに関する。 The present invention relates to a microelectromechanical device such as a physical sensor such as an acceleration sensor or a gyro sensor that senses a physical mechanical quantity.
従来より、物理量センサのような微小電子機械デバイスとして自動車等に搭載され各種の車両の運動制御に利用される加速度センサがあり、一般に加速度センサとしては、重り部と重り部に対向して備えられた電極面との間で構成される静電容量の変化を検出する静電容量式や、撓み部に加えられた機械的な歪みをピエゾ抵抗などによって電気抵抗の変化として検出するピエゾ抵抗式の半導体センサ等が知られている。 2. Description of the Related Art Conventionally, there is an acceleration sensor that is mounted on an automobile or the like as a microelectromechanical device such as a physical quantity sensor and used for motion control of various vehicles. Generally, an acceleration sensor is provided to face a weight part and a weight part. Capacitance type that detects the change in capacitance formed between the electrodes and the piezoresistive type that detects mechanical distortion applied to the flexure as piezoresistance, etc. Semiconductor sensors and the like are known.
このような半導体センサは、シリコンの半導体基板を微細加工して構成されるセンサチップを、上下からガラス基板等で覆ったパッケージにより密封された微小電子機械デバイスとして形成されている。そして、このような微小電子機械デバイスの出力は、導体バンプなどによって実装されるプリント基板から取り出される。この取り出されたセンサ信号は、プリント基板から半導体集積回路(ASIC)に結合されて、静電容量―電圧変換、又は抵抗―電圧変換されて、加速度の大きさが電気信号として測定される。そして、このような物理センサにおける微小電子機械デバイスでは、測定物理量が微小であるため、特に、センサチップと基板の接合傾きにより、その特性に影響を受け易い。 Such a semiconductor sensor is formed as a microelectromechanical device in which a sensor chip formed by microfabrication of a silicon semiconductor substrate is sealed by a package covered with a glass substrate or the like from above and below. And the output of such a micro electro mechanical device is taken out from the printed circuit board mounted by a conductor bump etc. The extracted sensor signal is coupled from a printed circuit board to a semiconductor integrated circuit (ASIC) and subjected to capacitance-voltage conversion or resistance-voltage conversion, and the magnitude of acceleration is measured as an electric signal. And in such a micro electro mechanical device in a physical sensor, since the measurement physical quantity is very small, it is easily influenced by the characteristic especially by the joint inclination of a sensor chip and a board | substrate.
従って、このような微小電子機械デバイスでは、デバイスの基板実装時におけるデバイスの取り付け姿勢によって、検出出力が大きく影響される。このため、バンプの高さのばらつきが生じ易い導体バンプによるバンプ接合においては、実装面におけるバンプの厚み(又は高さ)の状態が場所によって異なっているとセンサの姿勢精度が劣化され易くなる。同時に、このバンプの高さのばらつきは、微小電子機械デバイスに対する熱応力バランスを悪くし、接合信頼性の特性劣化につながるという問題があった。 Therefore, in such a microelectromechanical device, the detection output is greatly influenced by the mounting orientation of the device when the device is mounted on the board. For this reason, in bump bonding using a conductor bump, in which bump height variation is likely to occur, if the thickness (or height) of the bump on the mounting surface differs depending on the location, the attitude accuracy of the sensor tends to deteriorate. At the same time, the variation in the height of the bumps has a problem that the thermal stress balance with respect to the microelectromechanical device is deteriorated and the characteristics of the bonding reliability are deteriorated.
以下に、従来の微小電子機械デバイスの例を図9を参照して説明する。図9(a)は、微小電子機械デバイスの断面を示し、(b)は同デバイスのバンプ接合される裏面を示す。 Hereinafter, an example of a conventional microelectromechanical device will be described with reference to FIG. FIG. 9A shows a cross section of a micro electro mechanical device, and FIG. 9B shows a back surface of the device to be bump-bonded.
これらの図において、微小電子機械デバイス100は、シリコンの半導体基板に形成されたセンサチップ102と、このセンサチップ102を上下から覆って封止する上ガラス部101と台座ガラス部103により構成されている。センサチップ102は、加速度などの物理量により可動する可動部を設けて静電容量変化や抵抗変化を検出するセンサ構造体107を備え、そのセンサ出力は、台座ガラス部103に設けられた内部配線のスルーホール104を経て、バンプ接合される基板105から取り出される。
In these drawings, a
上記の従来例では、微小電子機械デバイス100とプリント基板105とは、導体バンプにより接合される。しかしながら、このバンプ接合時において、半田等が溶解されて接合される導体バンプの厚みは、溶解液体の性質上必ずしも一様でなく、少なからず厚みに差を生じる。従って、センサチップ102とプリント基板105の平行性が悪くなり、微小な物理量を検出する必要のあるセンサの姿勢精度が劣化される虞があった。また、接合後のバンプの高さのばらつきにより、熱応力バランスが悪くなり、接合信頼性の特性劣化につながるという問題があった。
In the above conventional example, the
また、他の従来例として、例えば、特許文献1に示されるように、ベアチップの金属バンプ上に弾性導電接着材バンプを形成し、このベアチップを基板の電極上に押圧して、弾性導電接着材バンプと接しない位置、例えば、ベアチップの中央部の金属バンプの間に樹脂で形成された仮固定剤を供給し、ベアチップを加熱した状態で基板に押圧し、仮固定剤を硬化させ、ベアチップが基板に仮固定されるセンサモジュールが提案されている。
As another conventional example, for example, as shown in
しかしながら、金属バンプの間に備えられた仮固定剤は、製造プロセス上設けられた動作確認等のための仮固定用の部材であり、樹脂材料で構成されて温度変形を伴うなど、ベアチップと基板の平行性を十分維持するものではない。従って、前記従来例と同様に、姿勢精度の劣化の虞や、バンプの高さのばらつきによる熱応力バランスの悪化などの問題を伴っていた。
本発明は、上記の問題を解決するためになされたものであり、バンプの高さのばらつきを抑えることによって、基板に対して平行を確保でき、実装傾きによる他軸感度発生を抑制することにより、センサの姿勢精度を高めてセンサ精度を向上することができると共に、熱応力バランスを良くして、接合信頼性の特性を向上することができる微小電子機械デバイスを提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above problem, and by suppressing variations in bump height, it is possible to ensure parallelism to the substrate, and to suppress the occurrence of other-axis sensitivity due to mounting tilt. An object of the present invention is to provide a microelectromechanical device that can improve the sensor accuracy by improving the posture accuracy of the sensor, improve the thermal stress balance, and improve the characteristics of bonding reliability.
上記目的を達成するために請求項1の発明は、基板に対して導体バンプによる信号の取り出しと固定を同時に行うパッケージされた微小電子機械デバイスにおいて、前記バンプ接合部とは別に前記基板と接合する少なくとも1箇所以上の脚部を備えたものである。 In order to achieve the above object, a first aspect of the present invention is a packaged micro electromechanical device that simultaneously extracts and fixes a signal by a conductor bump to a substrate, and is bonded to the substrate separately from the bump bonding portion. At least one leg portion is provided.
請求項2の発明は、請求項1に記載の発明において、前記バンプ接合部を前記脚部よりも外側に配置したものである。 According to a second aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, the bump bonding portion is disposed outside the leg portion.
請求項3の発明は、請求項1に記載の発明において、前記脚部を設ける層を、前記導体バンプを接続する層に、それとは別の脚部を接続することにより形成したものである。 According to a third aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, the layer provided with the leg portion is formed by connecting another leg portion to the layer connecting the conductive bump.
請求項4の発明は、請求項1に記載の発明において、導体バンプ接合用のバンプ窪みを設け、このバンプ窪みはテーパ面を持つものである。 According to a fourth aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, a bump dent for conductor bump bonding is provided, and the bump dent has a tapered surface.
請求項5の発明は、請求項4に記載の発明において、前記バンプ窪みの周辺に、前記導体バンプの接合時に溶解したバンプを逃がすための空洞を設けたものである。 According to a fifth aspect of the present invention, in the fourth aspect of the present invention, a cavity is provided around the bump dent to allow the melted bumps to escape when the conductor bumps are joined.
請求項6の発明は、請求項4又は請求項5に記載の発明において、前記バンプ窪みのテーパ面を異方性エッチングにより形成したものである。
The invention of
請求項7の発明は、請求項4又は請求項5に記載の発明において、前記バンプ窪みのテーパ面をブラスト加工により形成したものである。
The invention according to
請求項1の発明によれば、バンプの高さのばらつきを少なくすることができる。従って、基板に対して平行性を確保でき、実装傾きによる他軸感度発生を抑制できることにより、センサの姿勢精度を高めてセンサ精度を向上することができる。また、熱応力バランスを良くすることができることにより、熱応力的に安定化され、高い接合信頼性を得ることができる。 According to the first aspect of the present invention, variation in bump height can be reduced. Accordingly, parallelism with respect to the substrate can be ensured, and the occurrence of other-axis sensitivity due to mounting tilt can be suppressed, so that the sensor accuracy can be improved by increasing the posture accuracy of the sensor. Further, since the thermal stress balance can be improved, the thermal stress can be stabilized and high bonding reliability can be obtained.
請求項2の発明によれば、微小電子機械デバイスの中心部からバンプ接合部を遠ざけるため、バンプ接合部から伝播する熱応力をセンサチップ等が存在するデバイスの中心部まで伝播し難くでき、高い信頼性を確保することができる。
According to the invention of
請求項3の発明によれば、微小電子機械デバイスの平面に、別の部品で精度よく脚部を形成して接合できるので、脚部を座グリなどで加工して、デバイス裏面に立体的に凹凸を設けて形成するよりも、脚部の厚みのばらつきが少なくできる。これにより半田厚みのばらつきも少なくでき、接合信頼性を向上することができる。
According to the invention of
請求項4の発明によれば、導体バンプの接合面積を増加することができる。これにより、接合信頼性をさらに高くできる。
According to the invention of
請求項5の発明によれば、バンプ接合時に、溶解したバンプを空洞に逃がすことができる。これにより、デバイスが基板から浮かなくなり、溶解後のバンプの高さのばらつきを少なくでき、熱応力的に安定した高い接合信頼性を得ることができる。 According to the fifth aspect of the present invention, the melted bumps can escape into the cavities at the time of bump bonding. As a result, the device does not float from the substrate, variation in the height of the bump after melting can be reduced, and high bonding reliability stable in terms of thermal stress can be obtained.
請求項6の発明によれば、バンプ窪みのテーパ面を異方性エッチングにより形成することにより、テーパ部を精度良く形成できる。これにより、バンプの厚みのばらつきを抑制し、接合信頼性を高めることができる。
According to the invention of
請求項7の発明によれば、テーパ表面を粗く形成できるので、テーパ面の表面積を増加できるより、導体バンプの接合面積が増大でき、接合信頼性をさらに向上することができる。
According to the invention of
以下、本発明の第1の実施形態に係る微小電子機械デバイス(以下、単にデバイスという)について図1及び図2を参照して説明する。図1は本実施形態によるデバイスの断面を示し、図2は、同デバイスの裏面の平面を示す。各図において、対応する部材には同一符号を付している。 A microelectromechanical device (hereinafter simply referred to as a device) according to a first embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS. FIG. 1 shows a cross section of the device according to the present embodiment, and FIG. 2 shows a plane of the back surface of the device. In each figure, corresponding members are denoted by the same reference numerals.
このデバイス1は、シリコンの半導体基板に形成されたセンサチップ3と、このセンサチップ3を上下からカバーしてパッケージ封止する上ガラス部4及び台座ガラス部4とにより構成される。センサチップ3は、半導体微細加工により形成され物理量により変化する静電容量や電気抵抗の検出を行うセンサ検出機能を持つ構造体7を備える。この構造体7は、加速度等の物理量を検出して、センサチップ3よりセンサ検出信号を出力する。台座ガラス部4は、センサチップ3からのセンサ検出信号を通すスルーホール6と、このスルーホール6の一端において導体バンプ8と接合する台座ガラス部4の裏面10に設けたバンプ接合部11と、バンプ接合部11とは別に基板5と接合する2箇所の脚部9a、9bとを備えている。また、台座ガラス部4のセンサチップ3との接合面には、空間12が設けられ、通常の物理量ではセンサチップ3の構造体7が台座ガラス部4に接触しないよ形成されている。導体バンプ8の材料は、例えば、半田、金、銀ペースト等である。
The
上記のように構成されたデバイス1において、センサチップ3により検出されたセンサ検出信号は、スルーホール6を通ってバンプ接合部11に導かれる。そして、導体バンプ8(例えば、半田)を挟んで、高温の中でデバイス1を基板5に押しつけて熱すると、半田が融解されてデバイス1と基板5が半田接合される。この時、デバイス1に設けた2つの脚部9a、9bにより、デバイス1と基板5の間隔は、脚部9a、9bの高さで規定されるので、両者は平行性を保つことができる。すなわち、脚部9a、9bで高さの位置決めを行うことにより、バンプの高さのバラツキが削減される。これにより、デバイス1のセンサチップ3と基板5との平行性が保たれ、実装傾きによるセンサの他軸感度発生が抑制され、センサの精度を向上できる。同時に、この平行性により、熱が均等に伝わり、熱応力的に均一した安定性が得られ、接合信頼性を高めることができる。
In the
次に、本発明の第2の実施形態に係るデバイスについて図3を参照して説明する。図3は、本実施形態によるデバイスの裏面の平面を示す。本実施形態は、バンプ接合部とは別に基板と接合する4箇所の脚部を備えた点で前記実施形態と異なっている。 Next, a device according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 3 shows a plan view of the back surface of the device according to the present embodiment. This embodiment is different from the above-described embodiment in that it includes four leg portions that are bonded to the substrate separately from the bump bonding portion.
同図において、台座ガラス部4は、4隅の4箇所に脚部9c乃至9fを備えることにより、デバイス1と基板5との平行性を保つと共に、バンプの接合位置範囲を広く取ることができ、バンプ接合部11の位置設計の自由度が増し、基板5の接合用のパターン配線の設計もし易くなる。
In the figure, the
次に、本発明の第3の実施形態に係るデバイスについて図4を参照して説明する。図4(a)は、は本実施形態によるデバイス1の断面を示し、(b)は、同デバイス1の裏面の平面を示す。このデバイス1は、台座ガラス部4の中心部側に脚部13を設け、脚部13の外側に導体バンプ8とバンプ接合部11を設けた点で前記実施形態と異なる。
Next, a device according to a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 4A shows a cross section of the
このデバイス1においては、台座ガラス部4のセンサチップ3と接する面と台座ガラス部4の脚部13の底面とが平行に形成されている。従って、導体バンプ8によるバンプ接合部11と基板5との接合時に、脚部13を基板5に押しつけて接合することにより、台座ガラス部4と基板5とは傾くことなく接合される。また、脚部13の導体バンプ8側の側面に傾斜面14を設けて、接合時のバンプの流れる範囲を広くしている。
In this
上記の構成により、センサチップ3と基板5との平行性が保たれ、実装傾きによるセンサの他軸感度発生が抑制され、センサの精度が向上する。さらに、バンプ接合部11を脚部13より外側に配置したことにより、センサチップ3の構造体7からバンプ接合部11の位置が遠ざかるため、バンプ接合部11から伝搬する熱応力が構造体7まで伝搬され難くなる。これにより、熱応力による構造体7における歪みの発生を防止することができ、接合信頼性をさらに高めることができる。
With the configuration described above, the parallelism between the
次に、本発明の第4の実施形態に係るデバイスについて、図5を参照して説明する。図5は、デバイス1の断面を示す。このデバイス1は、台座ガラス部4に形成される脚部を、台座ガラス部4とは別に形成して台座ガラス部4に接合した点で前記実施形態と異なる。
Next, a device according to a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 5 shows a cross section of the
このデバイス1においては、台座ガラス部4自体に脚部は形成されておらず、別途、ガラスやセラミック材により逆台形型の脚部台15が形成され、この脚部台15が台座ガラス部4の裏面に接合されることにより、台座ガラス部4の脚部が構成されている。
In this
上記の構成により、このデバイス1は、脚部として、台座ガラス部4とは別の部材で精度良く形成された脚部台15を用いることができるので、バンプ接合時のバンプの厚みのばらつきが少なくできる。従って、脚部を形成するために台座ガラス部4の裏面を座グリなどで加工し、立体的な凹凸にして形成する必要はなく、接合信頼性も向上することができる。また、脚部台15を金属部材等で構成すれば接合されるデバイスの放熱効果を高めることができる。
With the above configuration, the
次に、本発明の第5の実施形態に係るデバイスについて、図6を参照して説明する。図6(a)及び(b)は、デバイス1のバンプ接合前の断面と、裏面を示し、(c)及び(d)は、デバイス1のバンプ接合後の断面と、裏面を示している。このデバイス1は、台座ガラス部4の裏面10のバンプ接合部11に導体バンプ接合用のバンプ窪み16を設け、このバンプ窪み16にテーパ面16aを持たせた点で前記実施形態と異なる。
Next, a device according to a fifth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIGS. 6A and 6B show the cross section and the back surface of the
このデバイス1は、台座ガラス部4の裏面10のバンプ接合部11に、導体バンプ8を埋め込む窪み又は溝となるテーパ面16aを持つバンプ窪み16が複数個設けられている。そして、バンプ窪み16のテーパ面16aを含む表面には、導体バンプ8と接合される導体バンプ下地17が形成されている。このように、バンプ窪み16にテーパ面16aを設けたことにより、導体バンプ8のバンプ接合部11との接合面積を実効的に増加させることができるため、より強固に接合され接合信頼性をさらに高くできる。
In this
さらに、このバンプ窪み16の周辺には、導体バンプ8の接合時に溶解したバンプを逃がすための空洞18を設けている。この空洞18により、溶解したバンプを周辺に逃がすことができるため、バンプが盛り上がることがなくなる。これにより、接合時に台座ガラス部4が基板5に対し浮き上がらなくできるので、バンプの高さのばらつきを減少させることができ、実装傾きが防げてセンサ精度を向上できると共に、熱応力が均等化され、デバイスの安定性を良くすることができる。
Further, a
次に、本発明の第6の実施形態に係るデバイスについて、図7を参照して説明する。図7は、デバイス1の断面を示す。このデバイス1は、バンプ窪み16のテーパ面16aを異方性エッチングにより形成した点で前記実施形態と異なる。
Next, a device according to a sixth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 7 shows a cross section of the
このデバイス1においては、バンプ窪み16のテーパ面16aが、プラズマ中の高速イオンを用いたドライエッチング等の直線性の良い異方性エッチングにより形成されている。従って、テーパ面16aを精度良く形成することができる。これにより、バンプ窪み16内での導体バンプ8の量を一定にでき、そのばらつきを抑えることができる。
In this
次に、本発明の第7の実施形態に係るデバイスについて、図8を参照して説明する。図8(a)は、デバイス1の断面を示し、(b)は、(a)における点線で囲んだA部を拡大して示す。このデバイス1は、バンプ窪み16のテーパ面16aをブラスト加工により形成した点で前記実施形態と異なる。
Next, a device according to a seventh embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 8A shows a cross section of the
このテーパ面16aをブラスト加工で形成することにより、テーパ面16aが粗化されてテーパ面16bのように粗く形成できるため、導体バンプ8とテーパ面16bとの結合面積が増加し、接合信頼性を高めることができる。
By forming the
以上述べたように、本実施形態によるデバイス1によれば、バンプの高さのばらつきが少なくでき、基板5に対して平行性を確保できる。これにより、実装傾きによる他軸感度発生を抑制することができ、センサの姿勢精度を高めてセンサ精度を向上することができる。同時に、熱応力バランスを良くして、接合信頼性の特性を向上することができる。
As described above, according to the
なお、本発明は、上記実施形態に限られるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、バンプ接合部を脚部の外側に設けることにより、センサチップの構造体からバンプ接合部を遠ざけることにより、バンプ接合部から伝播する熱応力が構造体まで伝播し難くすることができ、高い接合信頼性を確保できる。 In addition, this invention is not restricted to the said embodiment, Various deformation | transformation are possible. For example, by providing the bump bonding portion outside the leg portion, the thermal stress propagating from the bump bonding portion can be made difficult to propagate to the structure by keeping the bump bonding portion away from the sensor chip structure. Bonding reliability can be ensured.
また、台座ガラス部4に形成されていた脚部を、台座ガラス部4とは別に形成して脚部台を構成することにより、脚部を座グリなどで加工し、立体的に凹凸を設けて形成するよりも、台座ガラス部4の裏面に別の部品で精度よく形成された脚部台を接合して、脚部とすることにより、脚部の厚みのばらつきが少なくなり、これによりバンプの厚みのばらつきを削減し、接合信頼性を向上することができる。さらに、この脚部台を金属部材で構成すれば接合されるデバイスの放熱効果を高めることができる。
In addition, by forming the leg part formed on the
また、バンプ接合部のバンプ窪みにテーパ面を設けることにより、導体バンプの接合面積が増えるため、接合信頼性をさらに高くすることができる。 Further, by providing a taper surface in the bump depression of the bump bonding portion, the bonding area of the conductor bumps increases, so that the bonding reliability can be further increased.
また、バンプ窪みの周辺に、導体バンプの接合時に溶解したバンプを逃がすための空洞を設けることにより、バンプ接合時に、溶解したバンプによりセンサが基板から浮き上がることを防止でき、溶解後のバンプの高さのばらつきを減少することができる。従って、熱応力的に安定した高い接合信頼性を得ることができる。 In addition, by providing a cavity around the bump recess to release the bumps that were melted when the conductor bumps were joined, the sensor can be prevented from floating from the substrate due to the melted bumps when the bumps were joined. Variations in thickness can be reduced. Accordingly, it is possible to obtain high bonding reliability that is stable in terms of thermal stress.
また、バンプ窪みのテーパ面を異方性エッチングにより形成することにより、テーパ部を精度よく形成できる。これにより、バンプの厚みのばらつきを削減でき、接合信頼性を高めることができる。 Further, the tapered portion can be formed with high accuracy by forming the tapered surface of the bump recess by anisotropic etching. Thereby, the variation in the thickness of the bump can be reduced, and the bonding reliability can be improved.
さらに、バンプ窪みのテーパ面をブラスト加工で形成することにより、テーパ表面を粗く形成できるので、テーパ面の実効的な表面積を増加することができ、導体バンプの接合面積を増大させ、接合信頼性をさらに向上することができる。 Furthermore, by forming the taper surface of the bump recess by blasting, the taper surface can be roughened, so that the effective surface area of the taper surface can be increased, the bonding area of the conductor bump is increased, and the bonding reliability is increased. Can be further improved.
1 微小電子機械デバイス
2 センサチップ
3 上ガラス部(パッケージ)
4 台座カラス(パッケージ)
5 基板
8 導体バンプ
9、13 脚部
15 脚部台(別の脚部)
11 バンプ接合部
16 バンプ窪み
16a、16b テーパ面
18 空洞
DESCRIPTION OF
4 pedestal crows (package)
5
11 Bump joint 16
Claims (7)
前記バンプ接合部とは別に前記基板と接合する少なくとも1箇所以上の脚部を備えたことを特徴とする微小電子機械デバイス。 In a packaged microelectromechanical device that simultaneously extracts and fixes a signal by a conductor bump to a substrate,
A micro electro mechanical device comprising at least one or more legs that are bonded to the substrate separately from the bump bonding portion.
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