JP2006329840A - ハイブリッドセンサ部品 - Google Patents

Abstract

【課題】センサとその出力信号を処理する集積回路をハイブリッド化したハイブリッドセンサ部品は、その小型化と信頼性を確保することは相反することであった。
【解決手段】センサと集積回路を積層あるいはインターポーザーを介して組み合わせ、集積回路あるいはインターポーザーに加速度センサにおける規制板に代表されるような信頼性関わる機能を持たせて、高性能で超小型、高い信頼性を得ることができる。
【選択図】
図４

Description

センサと集積回路を一つのパッケージによってモジュール化する方法に関するものである。特に、本発明の方法は、異形のセンサと集積回路を、積層一体化し、小型、低容積化を実現する方法に関するものである。

近年の情報端末、携帯電話などの携帯機器は、低コスト、小型、高機能、軽量化などが強く求められている。このような携帯機器の情報処理能力の向上、ユビキタス化に伴うユーザー側からの様々な情報の要求から、ハイブリッドセンサ部品の搭載が必要となってきた。

このようなハイブリッドセンサ部品は、センサと集積回路が一体となった集積型、センサと集積回路を分けた非集積型の大きく分けて２種類の形で構成される。

一般的に枯れた技術となっている半導体集積回路工程を経て作製される集積回路にくらべ、バルク加工技術などを用いるセンサは歩留まりが悪い。

よって、集積型は常にセンサ部の歩留まりにコストを制限されるため、後者の非集積型が主体となりつつある。しかしながら、センサと集積回路を別筐体で搭載すると、回路基板上でのフットプリント、容積等で不利である。

集積回路チップの場合、ＳＩＰ（Ｓｙｓｔｅｍ ｉｎ Ｐａｃｋａｇｅ）技術、ＣＳＰ（Ｃｈｉｐ Ｓｉｚｅ Ｐａｃｋａｇｅ）技術などによって集積回路を３次元に積層化することで実装効率を向上させている。

しかしながら、センサを含む実装では３次元積層が多くの制約を受けるという問題がある。センサを含む実装の際は、センシング部分が積層によって影響を受けてはならない。よって、積層によってセンサが誤動作あるいは破壊してしまうことに注意する必要がある。また、低コスト化のためには汎用の集積回路を利用できることも必要となってくる。

センサは、情報として必要としている信号以外の外乱によって影響を受けやすい。従来用いられるセラミックなどによって構成されるパッケージは、センサや集積回路を構成する材料であるシリコンと熱的にマッチングが悪いため、信号特性に悪影響を与える場合がある。また、コストも高い。

図１に従来技術例１を示す。1aはセンサであり、１ｂは集積回路であり、１ｃは集積回路とセンサの接続端子であり、１ｄはセンサとパッケージ１ｅを接続する配線である。

ここでセンサは、加速度センサ、角速度センサ、圧力センサ、気流センサ、温度センサ、湿度センサ等及びそれらを複合したものが挙げられる。

本技術例によれば、集積回路の多段積層化が可能である。しかしながら、1aのようなセンサと集積回路の組み合わせの場合、センサの破壊、信頼性への影響があり、その応用は大きく制限される。また、センサと集積回路はお互いに電気的・機械的に接続可能なように作製する必要があり、それぞれの自由度は著しく制限される。

図２に従来技術例２を示す。２aはセンサであり、２bは集積回路であり、２ｃは集積回路とセンサを接続する配線であり、2dはセンサとパッケージ２eを接続する配線である。

ここでセンサは、加速度センサ、角速度センサ、圧力センサ、気流センサ、温度センサ、湿度センサ等及びそれらを複合したものが挙げられる。

本従来技術例２によれば、センサと集積回路の自由度は、非常に高い。集積回路とセンサを一つのパッケージに収めることによる信頼性の低下等の影響も少ない。しかしながら、センサと集積回路両方のフットプリントが必要となり、小型、省面積化を実現することは非常に困難である。
特開２００４−１８４０８１号公報

そこで本発明の目的は、センサと集積回路を積層、あるいはそれらと同じ材料であるシリコンで構成されるインターポーザーを介して接続し、センサ性能への影響なく集積回路との積層化をおこない、小型、高機能および高性能なセンサモジュールを提供することにある。

また、集積回路にセンサの信頼性向上のための機能を持たせることによって、さらなる小型化と信頼性向上を提供することを目的としている。

回路基板にセンサや素子を搭載した構造においては、形状が大きくなり、しかも配線が複雑化するという問題点があり、従来のようにセンサと集積回路を別々に配置すればさらに形状が大型化し、配線もさらに複雑化するという問題点がある。

本発明は、上記した問題点を解決するために、センサ機能を有する部品を構成する場合、小型化、薄型化が図れ、配線構造を簡単化することができ、単一パッケージによってハイブリッドセンサ部品を形成することを目的としている。

本発明によれば、２つ以上の種類のセンサ、あるいはセンサと集積回路を積層して１つのセンサ部品を構成したので、ハイブリッドセンサ部品を狭い占有面積で実現でき、小型化、薄型化が図れ、配線が簡単化され、分散配置する場合に比較し、回路基板への取付けが容易となる。

また、集積回路あるいはセンサと集積回路間に挿入されるインターポーザーをセンサの信頼性を補う付属機能として利用することにより、センサの信頼性を向上することが可能である。

以上の発明によれば、センサと集積回路を小型、低容積で一つのパッケージに収めることができ、高性能、低価格で信頼性の高いハイブリッドセンサ部品を提供することができる。

本発明によるハイブリッドセンサ部品は、少なくとも１つのセンサと集積回路によって構成される。それらは、互いに電気的に接続され、例えば、集積回路はセンサからの出力を処理し、出力する機能を有する。また、センサと集積回路の中間に両者を電気的に接続するインターポーザーを挿入してもよい。

ここでセンサは、加速度センサ、角速度センサ、圧力センサ、気流センサ、温度センサ、湿度センサ等及びそれらを複合したものが挙げられる。

集積回路は、センサの信号入出力（Ｉ／Ｏ）部、処理部等によって構成され、すでに量産されている既存品やカスタム品を適宜選択する。既存量産品を利用する場合は、さらに低コスト化が望める。

以下に、上記センサのうち、加速度センサを例に本発明の形態を説明する。

請求項１のようにセンサと集積回路は、積層され電気的、機械的に接続される。しかしながら、各センサは物理的、特性的に外力に対して弱い部分を有するため、その積層方法は制限をうける。また、センサからの出力信号は非常に微弱であるため、請求項２のように集積回路には、その信号処理回路が搭載される。

また、加速度センサのような可動部がある場合、破壊を防ぐ目的で可動部分の変位規制機構（規制板）が設けられる。このような構造は、すでに特開平５−４１１４８号、特開平４−２７４００５号，特開平８−２３３８５１号としてすでに出願されている。また、特開２００４−１８４３７３号、特開２００４−１８４０８１によれば、規制板にセンサからの出力信号を取り出すためのワイヤーボンディングが容易になるように切り欠きを設けることなどを出願している。本発明は、規制板に切り欠きなどの加工をすることなく、同様の効果を得るものである。請求項３によれば、集積回路との接合部にその機構を設けることで、ハイブリッドセンサ部品の信頼性と小型化が実現可能である。

例えば、集積回路面を第１の表面、裏面を第２の表面とすれば、第２の表面に数ミクロンの凹部を形成し、可動部と対向させることで可動部の動きはその凹部深さの範囲に規制される。凹部深さは０〜２０ミクロンの範囲であり、好ましくは１〜８ミクロンの範囲であり、さらに好ましくは３〜６ミクロンの範囲であることが適当である。

凹部の代わりに、規制深さに準ずるスペーサーにより接合してもよい。この場合、スペーサーをセンサと集積回路間に配置し、熱圧着、超音波接合、熱溶着等の方法により接合を行う。また、スペーサーを分散したシリコン樹脂等の接着剤を利用することにより規制距離を確保してもよい。

ここでスペーサーとは、樹脂ビーズ、金属球などの微小体、金、半田などのバンプ等を指す。

集積回路の大きさは、通常センサの縦横寸法前後であるが、センサの出力信号や信頼性に影響を与えない範囲であれば大きさに制限はない。また、集積回路とセンサの数は、ハイブリッド部品に求められる機能によって適宜選択することができる。

上記形態の場合、センサをパッケージあるいは回路基板に対してワイヤーボンディングによらないバンプ技術などによって接続し、センサ裏面に接続された集積回路からワイヤーボンディングによってパッケージあるいは回路基板に接続、センサとの回路を完了することが可能である。また、請求項４によれば、パッケージあるいは回路基板のセンサと対向する面に凸構造を作成することで重錘の可動を規制可能である。

請求項５、６、７によれば、請求項３と同様の機能を有する機構をセンサと集積回路の間に挿入されるインターポーザーに形成してもよい。本インターポーザーには、センサと集積回路を電気的、機械的に接続するビアと表面の配線を形成できる。また、本インターポーザーは、センサと集積回路の間だけではなく、どちらか一方に接続してもよく、ハイブリッドセンサ部品の機能に従って適宜選択される。

インターポーザーの材料は、センサ及び集積回路と同じ材料であるシリコンが最も望ましいが、シリコンと熱膨張係数が等しいあるいはそれに近い材料を適宜選択してもよい。

電気的接続のための配線及び電極は、メッキによる電気配線、スパッタ蒸着、抵抗加熱蒸着、電子ビーム蒸着、ＣＶＤ法などによって形成される金属薄膜によっておこなわれ、配線の２次元化、３次元化によって適宜選択される。

機械的接続には、金バンプ、半田ボールなどによるフリップチップ実装、金、アルミ、銅などによるワイヤー接続、接着剤を使用する。これらの方法は、機械的接続に伴う電気的接続の必要性の有無によって適宜選択される。

インターポーザーにより重錘の動きを規制するために、表面を第１の表面、裏面を第２の表面とすれば、第２の表面に数ミクロンの凹部を形成し、可動部と対向させることで可動部の動きはその凹部深さの範囲に規制される。凹部深さは０〜２０ミクロンの範囲であり、好ましくは１〜８ミクロンの範囲であり、さらに好ましくは３〜６ミクロンの範囲であることが適当である。

凹部の代わりに、規制深さに準ずる樹脂ビーズにより接合してもよい。この場合、樹脂ビーズをセンサと集積回路間に配置し、熱圧着、超音波接合、熱溶着等の方法により接合を行う。また、樹脂ビーズを分散したシリコン樹脂等の接着剤を利用することにより規制距離を確保してもよい。樹脂ビーズの代わりに金属球、金、半田などのバンプ等を使用してもよい。

以上の観点から作製される加速度センサを用いたハイブリッドセンサ部品の例を図３に挙げる。ここで３ａはセンサであり、３ｂは集積回路であり、３ｃはセンサとパッケージあるいは回路基板３ｅ等とを接続する配線であり、3dは集積回路とパッケージあるいは回路基板3e等とを接続する配線であり、3fは集積回路とセンサの接着層である。接着層3fには、接着厚みをコントロールするためのスペーサーが分散してあり、センサ３ａと対向する集積回路３ｂ面が、センサ３ａの重錘の動きを抑制する役割を持っている。ここで、樹脂ビーズの大きさは、１〜２０ミクロンであり、好ましくは１〜８ミクロンであり、さらに好ましくは３〜６ミクロンである。また、樹脂ビーズは、それと同様のスペーサー効果のあるもので代用してもよい。接着層3fは、その正確な厚みコントロールが可能なスクリーン印刷、タコ印刷等で代用してもよい。センサ3aと集積回路3bは、パッケージあるいは回路基板3eを介して電気的に接続される。以上のようにして、加速度センサを用いたハイブリッドセンサ部品が実現される。

このように作製された加速度センサを含むハイブリッドセンサ部品は、従来技術で作製されるものと比較して、低コスト、高信頼性を有するものとなる。また、前述文献に記載される規制板の役割を集積回路あるいはインターポーザーに与えることでコストの削減が可能である。さらに、ワイヤーボンディングに必要な規制板への切り欠き加工も必要なくなる。

以下に本発明によるハイブリッドセンサ部品の実施形態について説明する。ここで本実施例におけるセンサとは、加速度センサ、角速度センサ、圧力センサ、気流センサ、温度センサ、湿度センサ等及びそれらを複合したものを示す。

図4は、本発明による実施形態１である。4aは少なくとも１つ以上のセンサであり、4bは少なくとも１つ以上の集積回路であり、4cはセンサとパッケージあるいは回路基板を接続する配線であり、4dは集積回路とパッケージあるいは回路基板を接続する配線であり、4eはパッケージあるいは回路基板である。センサ4aと集積回路4bは、接着層を介して接合されている。接着層の厚みは、センサの種類によって適宜選択される。例えば、接着層4fには、接着厚みをコントロールするためのスペーサーが分散してあり、センサ4aと対向する集積回路4b面が、センサ4aの重錘の動きを規制する役割を持っている。ここで、樹脂ビーズの大きさは、1〜20ミクロンであり、好ましくは1〜8ミクロンであり、さらに好ましくは３〜６ミクロンである。また、樹脂ビーズは、それと同様のスペーサー効果のあるもので代用してもよい。接着層4fは、その正確な厚みコントロールが可能なスクリーン印刷、タコ印刷等で代用してもよい。センサ４ａと集積回路４ｂは、パッケージあるいは回路基板４ｅを介して電気的に接続される。また、パッケージ４ｅに凸構造を作ることで、重錘のもう一方側の動きも規制することが可能である。凸構造の高さは、配線４ｃの高さと重錘の規制範囲によって適宜選択される。重錘の規制範囲は、０〜２０ミクロンの範囲であり、好ましくは１〜８ミクロンの範囲であり、さらに好ましくは３〜６ミクロンの範囲であることが適当である。以上のようにして、加速度センサを用いたハイブリッドセンサ部品が実現される。

図５は、本発明による実施形態2である。５ａは少なくとも１つ以上のセンサであり、５ｂは少なくとも１つ以上の集積回路であり、５ｃは集積回路とセンサを接続する配線であり、5dは集積回路とインターポーザーと接続する配線であり、５ｅはパッケージあるいは回路基板であり、５ｆはインターポーザーであり、５ｇはインターポーザーとパッケージあるいは回路基板を接続する配線である。センサ５ａと集積回路５ｂは、インターポーザー５ｆを仲介して、電気的、機械的に接続されている。接続に使用される配線５ｄは、フリップチップ実装技術によって接続され、配線５ｇは、金、アルミニウム、銅などのワイヤーボンディングによって接続される。ここで、配線５ｇは、金バンプ、半田ボールなどによるフリップチップ実装でも代用可能である。また、パッケージ５ｅには、センサ５ａ重錘部の規制として彫り込みをしてもよい。彫り込みの形状は、多角形状、円形状などであり、センサ５ａの種類により適宜選択できる。ここで彫り込みの深さは、０〜２０ミクロンの範囲であり、好ましくは１〜８ミクロンの範囲であり、さらに好ましくは３〜６ミクロンの範囲であることが適当である。さらに、インターポーザー５ｆも重錘規制として働く。インターポーザー５ｆとセンサ５ａの間隔を適宜選択することで可能である。その間隔は、例えば０〜２０ミクロンの範囲であり、好ましくは１〜８ミクロンの範囲であり、さらに好ましくは３〜６ミクロンの範囲であることが適当である。また、インターポーザー5fに凸形状、あるいは凹形状にすることにより間隔の調整も可能である。以上のようにして、加速度センサを用いたハイブリッドセンサ部品が実現される。

図６は、本発明による実施形態３である。６ａは少なくとも１つ以上のセンサであり、６ｂは少なくとも１つ以上の集積回路であり、６ｃはセンサとパッケージあるいは回路基板を接続する配線であり、６ｄは集積回路とパッケージあるいは回路基板を接続する配線であり、６ｅはパッケージあるいは回路基板である。本実施例は、実施例１と基本的に同じ構造であるが、接着層ではなく集積回路６ｂへの彫り込みによって、センサ６ａ重錘部の規制効果を生んでいる。彫り込みの形状は、多角形状、円形状などであり、センサ６ａの種類により適宜選択できる。ここで彫り込みの深さは、０〜２０ミクロンの範囲であり、好ましくは１〜８ミクロンの範囲であり、さらに好ましくは３〜６ミクロンの範囲であることが適当である。さらに、パッケージ6eも重錘規制として働く。パッケージ6eとセンサ6aの間隔を適宜選択することで可能である。その間隔は、例えば０〜２０ミクロンの範囲であり、好ましくは１〜８ミクロンの範囲であり、さらに好ましくは３〜６ミクロンの範囲であることが適当である。また、パッケージ6eに凸形状、あるいは凹形状にすることにより間隔の調整も可能である。以上のようにして、加速度センサを用いたハイブリッドセンサ部品が実現される。

図７は、本発明による実施形態４である。７ａは少なくとも１つ以上のセンサであり、７ｂは少なくとも１つ以上の集積回路であり、７ｃはセンサとパッケージあるいは回路基板を接続する配線であり、７ｄは集積回路とパッケージあるいは回路基板を接続する配線であり、７ｅはパッケージあるいは回路基板である。本実施例は、実施例１における重錘の規制を重錘のエッチングによって実現するものである。よって、接着層による厚みのコントロールは必要ない。ここで、重錘のエッチング量は、センサ７ａと集積回路７ｂの接合界面より、０〜２０ミクロンの範囲であり、好ましくは１〜８ミクロンの範囲であり、さらに好ましくは３〜６ミクロンの範囲であることが適当である。さらに、パッケージ6eも重錘規制として働く。パッケージ７ｅとセンサ７ａの間隔を適宜選択することで可能である。その間隔は、例えば０〜２０ミクロンの範囲であり、好ましくは１〜８ミクロンの範囲であり、さらに好ましくは３〜６ミクロンの範囲であることが適当である。また、パッケージ７ｅに凸形状、あるいは凹形状にすることにより間隔の調整も可能である。また、センサの重錘部上面と、集積回路７ｂとセンサ７ａ支持部との接合面の高低差を確保するために、重錘部のエッチングではなくセンサ７ａの支持部の延長を行ってもよい。以上のようにして、加速度センサを用いたハイブリッドセンサ部品が実現される。

図８は、本発明による実施形態５である。８ａは少なくとも１つ以上のセンサであり、８ｂは少なくとも１つ以上の集積回路であり、８ｆは集積回路とセンサを接続するインターポーザーであり、８ｄは集積回路とインターポーザー８ｆと接続する配線であり、８ｃはセンサとインターポーザー８ｆを接続する配線である。８ｅはパッケージあるいは回路基板である。センサ８ａと集積回路８ｂは、フリップチップ実装によりインターポーザー８ｆに電気的、機械的に接続される。両方の回路はインターポーザー内で接続され、外部端子により信号の引き出しが行われる。配線８ｃとインターポーザー８ｆの高さを適宜選択することで、センサ８ａの重錘の可動規制を行うことも可能である。インターポーザー８ｆに凸構造を作成し、規制量をコントロールすることもできる。重錘の規制量は、０〜２０ミクロンの範囲であり、好ましくは１〜８ミクロンの範囲であり、さらに好ましくは３〜６ミクロンの範囲であることが適当である。以上のようにして、加速度センサを用いたハイブリッドセンサ部品が実現される。

図９は、本発明による実施形態６である。９ａは少なくとも１つ以上のセンサであり、９ｂは少なくとも１つ以上の集積回路であり、９ｆは集積回路とセンサを接続するインターポーザーであり、９ｄは集積回路９ｂとインターポーザー９ｆと接続する配線であり、９ｃはセンサ９ａとパッケージあるいは回路基板９ｅを接続する配線である。９ｇはインターポーザーとパッケージあるいは回路基板を接続する配線である。本実施例では、インターポーザー９ｆに彫り込みによるセンサ９ａの重錘の規制を設けている。また、パッケージ9eに実施例１に示した凸構造を作ることで、重錘の規制を行うことができる。重錘の規制量は、０〜２０ミクロンの範囲であり、好ましくは１〜８ミクロンの範囲であり、さらに好ましくは３〜６ミクロンの範囲であることが適当である。以上のようにして、加速度センサを用いたハイブリッドセンサ部品が実現される。

図１０は、本発明による実施形態７である。１０ａは少なくとも１つ以上のセンサであり、１０ｂは少なくとも１つ以上の集積回路であり、１０ｆは集積回路とセンサを接続するインターポーザーであり、１０ｄは集積回路１０ｂとインターポーザー１０ｆと接続する配線であり、１０ｃはセンサとインターポーザー１０ｆを接続する配線である。１０ｇはインターポーザー１０ｆとパッケージあるいは回路基板１０ｅを接続する配線である。センサ１０ａと集積回路１０ｂは、インターポーザー１０ｆを介して電気的、機械的に接続されている。センサ１０ａの重錘は、可動規制のためにエッチングが行われている。ここで、重錘のエッチング量は、センサ１０ａとインターポーザー１０ｆの接合界面より、０〜２０ミクロンの範囲であり、好ましくは１〜８ミクロンの範囲であり、さらに好ましくは３〜６ミクロンの範囲であることが適当である。以上のようにして、加速度センサを用いたハイブリッドセンサ部品が実現される。

図１１は、本発明による実施形態８である。１１ａは少なくとも１つ以上のセンサであり、１１ｂは少なくとも１つ以上の集積回路であり、１１ｆは集積回路とセンサを接続するインターポーザーであり、１１ｃはセンサ１１ａとインターポーザー１１ｆを接続する配線であり、１１ｄは集積回路１１ｂとインターポーザー１１ｆを接続する配線である。１１ｇはインターポーザー１１ｆとパッケージあるいは回路基板11eを接続する配線である。本実施例では、インターポーザー１１ｆを介して、センサ１１ａと集積回路１１ｂが、フリップチップ実装によって電気的、機械的に接続されている。センサ１１ａのふたとなる１１ｇには重錘の可動を規制する彫り込みが行われている。彫り込みの形状は、多角形状、円形状などであり、センサ１１ａの種類により適宜選択できる。ここで彫り込みの深さは、０〜２０ミクロンの範囲であり、好ましくは１〜８ミクロンの範囲であり、さらに好ましくは３〜６ミクロンの範囲であることが適当である。さらに、インターポーザー１１ｆも重錘規制として働く。インターポーザー１１ｆとセンサ１１ａの間隔を適宜選択することで可能である。その間隔は、例えば０〜２０ミクロンの範囲であり、好ましくは１〜８ミクロンの範囲であり、さらに好ましくは３〜６ミクロンの範囲であることが適当である。また、インターポーザー１１ｆに凸形状、あるいは凹形状にすることにより間隔の調整も可能である。以上のようにして、加速度センサを用いたハイブリッドセンサ部品が実現される。

従来のハイブリッドセンサ部品における加速度センサの従来技術例１である。 従来のハイブリッドセンサ部品における加速度センサの従来技術例２である。 本発明のハイブリッドセンサ部品における加速度センサの展開図である。 本発明による実施例１を表す断面図である。 本発明による実施例２を表す断面図である。 本発明による実施例３を表す断面図である。 本発明による実施例４を表す断面図である。 本発明による実施例５を表す断面図である。 本発明による実施例６を表す断面図である。 本発明による実施例７を表す断面図である。 本発明による実施例８を表す断面図である。

Claims (7)

1. 少なくとも１つ以上のセンサと少なくとも１つ以上の集積回路を積層することによって構成されるハイブリッドセンサ部品
2. センサとセンサからの出力信号を処理するための集積回路と結合することを特徴とする請求項１記載のハイブリッドセンサ部品
3. センサの信頼性に係る機能を有する構造が、少なくとも一方の面に形成される集積回路を含む請求項１〜２に記載のハイブリッドセンサ部品
4. センサの信頼性に係る機能を有する凸構造が、少なくとも一方の面に形成されるパッケージあるいは回路基板を含む請求項１〜２に記載のハイブリッドセンサ部品
5. 少なくとも１つ以上のセンサと少なくとも１つ以上の集積回路を接続するインターポーザーを含む構成による請求項１〜２記載のハイブリッドセンサ部品
6. 電気的配線と機械的結合部を有する第１の表面と第２の表面によって構成され、第１の表面と第２の表面がビアによって電気的に結合されたインターポーザーとで構成される、請求項１〜４記載のハイブリッドセンサ部品
7. センサの信頼性に係る機能を有する構造が、少なくとも一方の面に形成されるインターポーザーとともに構成される請求項１〜５記載のハイブリッドセンサ部品
   

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