JP2007010462A - 圧力検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 センサチップと回路基板とを積層しバンプを介して電気的に接続するにあたって、バンプ接続部の接続信頼性を適切に確保しつつ、圧力を精度よく検出できるようにする。
【解決手段】 圧力の印加により歪む歪み部２１を有するセンサチップ２０と回路基板３０とを対向して配置し、これら両部材２０と３０との間にて、これら両部材２０、３０を電気的に接続するバンプ４０を介在させるとともに、バンプ４０以外の部位に両部材２０、３０の接続強度を確保する充填部材５０を充填している。また、両部材２０、３０間にて歪み部２１に対応する領域を取り囲むダム部６０が備えられ、ダム部６０の内周領域には充填部材５０が存在しない。それにより、充填部材５０による歪み部２１の歪み変形の阻害が緩和される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、圧力の印加により歪む歪み部を有するセンサチップと回路基板とをバンプを介して電気的に接続してなる圧力検出装置に関する。

この種の圧力検出装置としては、従来より、圧力印加によるピエゾ抵抗効果により信号を出力するピエゾ式センサ素子などに代表されるセンサチップと、このセンサチップと電気的に接続された回路基板とを備える圧力検出装置が広く知られている。

このような圧力検出装置において、従来では、一般にセンサチップと回路基板とは、ボンディングワイヤにより結線され電気的に接続されている。そして、センサチップからの信号は、ボンディングワイヤを介して回路基板に送られ、そこで処理されて外部へ出力されるようになっている。

ここで、本発明者は、上記した従来の圧力検出装置において、装置体格の小型化を図るため、センサチップと回路基板とを対向して配置し積層した構造、いわゆるスタック構造とすることを検討した。

図６は、本発明者が試作検討したもので、上記スタック構造をなす圧力検出装置の概略断面構成を示す図である。ここでは、金属ステム１０のダイアフラム１１の外面に接着されたセンサチップ２０を用いている。

このセンサチップ２０は、金属ステム１０のダイアフラム１１に対応した部位が、歪み部２１であり、この歪み部２１は、圧力印加によるダイアフラム１１の変形に応じて歪み、その歪みに基づく信号がセンサチップ２０から出力されるものである。

センサチップ２０と回路基板３０とは、これら両部材２０、３０における図示しないパッド同士において、バンプ４０により電気的に接続されている。そして、センサチップ２０からの出力信号は、バンプ４０から回路基板３０に伝えられ、そこで信号処理などが行われ、外部へと出力されるようになっている。

ここで、このバンプ４０を介したセンサチップ２０と回路基板３０とのスタック構造においては、両者２０、３０は実質的にバンプ４０のみで機械的に接続されており、外部振動や衝撃などによって剥がれが生じるなどバンプ４０の接続強度が不十分である場合が多い。

そのため、本発明者は、図６に示されるように、樹脂などのアンダーフィル材料からなる充填部材５０をセンサチップ２０と回路基板３０との間に充填して、バンプ４０による接続強度を確保し、接続部の接続信頼性を向上させることとした。

しかしながら、この図６に示される試作品について、さらに検討を進めたところ、圧力印加時においてセンサチップ２０が歪もうとするのに対して、充填部材５０が歪み部２１を抑えていることから、歪み部２１は、圧力を受けた分よりも少ない歪みしか発生しないため、圧力を精度よく測定できない、という問題点が生じることがわかった。

そこで、本発明は上記問題に鑑み、センサチップとこれに電気的に接続された回路基板とを備える圧力検出装置において、センサチップと回路基板とを積層しバンプを介して電気的に接続するにあたって、バンプ接続部の接続信頼性を適切に確保しつつ、圧力を精度よく検出できるようにすることを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は、圧力印加により歪む歪み部（２１）を有するセンサチップ（２０）とこれに電気的に接続された回路基板（３０）とを備える圧力検出装置において、センサチップ（２０）と回路基板（３０）とは対向して配置されており、センサチップ（２０）と回路基板（３０）との間には、これら両部材を電気的に接続するバンプ（４０）が介在しており、センサチップ（２０）と回路基板（３０）との間にてバンプ（４０）以外の部位には、センサチップ（２０）と回路基板（３０）との接続強度を確保する充填部材（５０）が充填されており、歪み部（２１）に対応した部位には、充填部材（５０）による歪み部（２１）の歪み変形の阻害を緩和する緩和手段（６０、７０）が設けられていることを第１の特徴とする。

それによれば、対向して配置されたセンサチップ（２０）と回路基板（３０）との間をバンプ（４０）により電気的に接続し、そのバンプ（４０）の周囲に充填部材（５０）を配置しているため、バンプ（４０）による接続強度を確保できる。

また、歪み部（２１）に対応した部位に、充填部材（５０）による歪み部（２１）の歪み変形の阻害を緩和する緩和手段（６０、７０）を設けているため、圧力印加時に、歪み部（２１）は、充填部材（５０）によって歪み変形を阻害されることは極力抑制される。

したがって、本発明によれば、センサチップ（２０）とこれに電気的に接続された回路基板（３０）とを備える圧力検出装置において、センサチップ（２０）と回路基板（３０）とを積層しバンプ（４０）を介して電気的に接続するにあたって、バンプ接続部の接続信頼性を適切に確保しつつ、圧力を精度よく検出できるようにすることができる。

また、本発明は、上記第１の特徴を有する圧力検出装置において、前記緩和手段は、センサチップ（２０）と回路基板（３０）との間にて歪み部（２１）に対応する領域を取り囲むダム部（６０）を備えるものであり、センサチップ（２０）と回路基板（３０）との間にて、ダム部（６０）の内周領域には充填部材（５０）が存在せず、外周領域には充填部材（５０）が充填されていることを第２の特徴とする。

それによれば、センサチップ（２０）と回路基板（３０）との間では、ダム部（６０）によって歪み部（２１）に対応する部位には充填部材（５０）が無い構成となる。そのため、充填部材（５０）による歪み部（２１）の歪み変形の阻害が緩和され、上記した緩和手段の効果が適切に発揮される。

また、本発明は、上記第１の特徴を有する圧力検出装置において、前記緩和手段は、回路基板（３０）のうち歪み部（２１）に対応した部位に設けられた穴部（７０）を備えるものであり、充填部材（５０）に加わる力が穴部（７０）から逃がされるようになっていることを第３の特徴とする。

それによれば、歪み部（２１）に対応した部位にて充填部材（５０）に加わる力が穴部（７０）から逃がされるため、充填部材（５０）による歪み部（２１）の抑えが弱くなる。そのため、充填部材（５０）による歪み部（２１）の歪み変形の阻害が緩和され、上記した緩和手段の効果が適切に発揮される。

なお、特許請求の範囲およびこの欄で記載した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実施形態に係る圧力検出装置１００の概略断面構成を示す図であり、図２は、この圧力検出装置１００におけるセンサチップ２０の回路基板３０との対向面をみたときの概略平面図であり、図３は、同圧力検出装置１００におけるセンサチップ２０近傍部の構成を示す斜視図である。なお、図３では回路基板３０および充填部材５０は省略してある。

本実施形態の圧力検出装置１００は、基材としての金属ステム１０と、この金属ステム１０の一面に貼り付けられたセンサチップ２０と、センサチップ２０に対向して配置された回路基板３０と、センサチップ２０と回路基板３０とを電気的に接続するバンプ４０と、センサチップ２０と回路基板３０との接続強度を確保する充填部材５０とを備えて構成されている。

金属ステム１０は、その内部に中空部を有する有底筒状、すなわち中空筒状をなしており、このような金属ステム１０は、基本的には円筒体を加工することにより形成することができる。

金属ステム１０は、その外面のうちの一面に圧力によって変形可能なダイアフラム１１を有するとともに、このダイアフラム１１とは異なる部位に、中空部へ圧力を導入するための開口部１２を有する。

本実施形態では、ダイアフラム１１は、金属ステム１０の軸一端側の端面（図１中の下面）に設けられ、開口部１２は、金属ステム１０の軸他端側に設けられている。ここで、ダイアフラム１１は、金属ステム１０の軸一端側の端面を薄肉部とすることにより形成されている。

このような金属ステム１０においては、被測定物からの圧力すなわち被測定圧力は、開口部１２から中空部に導入される。すると、導入された被測定圧力の大きさに応じて、ダイアフラム１１が歪むようになっている。

そして、金属ステム１０におけるダイアフラム１１の表面には、上記センサチップ２０が貼り付けられている。ここで、金属ステム１０とセンサチップ２０との接合は、たとえば、低融点ガラスを用いたガラス溶着などを採用することができる。

このセンサチップ２０は、金属ステム１０のダイアフラム１１を介して印加される圧力を受けて歪むことにより圧力検出を行うものである。ここで、センサチップ２０は、図１、図２に示されるように、たとえば板状をなすものであり、金属ステム１０のダイアフラム１１に対応した中央部の領域が、圧力の印加により歪む歪み部２１として構成されている。

具体的には、センサチップ２０は、上記した圧力印加によるダイアフラム１１の変形に応じて歪み部２１も歪み、その歪みに応じた電気信号を出力するもので、歪みゲージとして機能するものである。

たとえば、センサチップ２０としては、単結晶Ｓｉ（シリコン）等の半導体チップからなるものであって、歪み部２１にピエゾ拡散抵抗などからなるブリッジ回路を有するピエゾ抵抗効果を利用した圧力素子を採用できる。

このものは、圧力により金属ステム１０のダイアフラム１１が変形したとき、この変形に応じて歪み部２１が歪み、そのときの抵抗値変化を電気信号に変換して出力するものである。そして、これら金属ステム１０のダイアフラム１１およびセンサチップ２０が、圧力検出装置１００の基本性能を左右する。

ここで、金属ステム１０を構成する金属材料には、上述のように高圧を受けることから高強度であること、および、Ｓｉなどからなるセンサチップ２０を上記低融点ガラスなどにより接合するため低熱膨張係数であることなどが求められる。

具体的には、金属ステム１０は、Ｆｅ、Ｎｉ、ＣｏまたはＦｅ、Ｎｉを主体とし、析出強化材料としてＴｉ、Ｎｂ、Ａｌまたは、Ｔｉ、Ｎｂが加えられた材料を選定し、プレス、切削や冷間鍛造等により形成することができる。

回路基板３０は、プリント基板、フレキシブルプリント基板、セラミック基板などの配線基板により構成されている。この回路基板３０は、たとえば、センサチップ２０からの信号を受けて、信号処理を行い、外部へ出力するものである。

そして、バンプ４０は、対向して配置されたセンサチップ２０と回路基板との間に介在し、これら両者２０、３０を電気的に接続している。このバンプ４０は、図２に示されるように、センサチップ２０の周辺部に配置されている。

図示しないが、センサチップ２０の周辺部には、たとえばコンタクトホールなどを介して外部と接続可能なパッドが形成されており、センサチップ２０は、このパッドを介して外部と信号のやりとりを行うことができる。そして、バンプ４０は、この図示しないセンサチップ２０のパッドと、回路基板３０の図示しない導体パターンやパッドとを接続している。

このようなバンプ４０としては、特に限定するものではないが、たとえば電子分野において通常採用される金バンプ、はんだバンプなどを採用することができる。そして、センサチップ２０と回路基板３０との間にてバンプ４０以外の部位には、充填部材５０が充填されている。

この充填部材５０は、バンプ４０による接続部を補強し、センサチップ２０と回路基板３０との接続強度を確保するものである。充填部材５０は、エポキシ系樹脂などの樹脂に代表されるアンダーフィル材料からなるもので、この充填部材５０によって、バンプ４０による接続部への応力を緩和することができる。

ここにおいて、本実施形態の圧力検出装置１００においては、図１、図３に示されるように、歪み部２１に対応した部位には、充填部材５０による歪み部２１の歪み変形の阻害を緩和する緩和手段６０が設けられている。

ここでは、緩和手段は、センサチップ２０と回路基板３０との間にて歪み部２１に対応する領域を取り囲むダム部６０を備えて構成されている。このダム部６０は、図３に示されるように、センサチップ２０の歪み部２１に対応した穴形状を持つ筒状のものであり、ここでは、円形の歪み部２１に対応して円筒状のダム部６０としている。

より具体的にいうならば、たとえば拡散層などからなるゲージ抵抗を歪み部２１に有するセンサチップ２０に対して、ダム部６０は、上記ゲージ抵抗よりも外周側となるように位置している。

このダム部６０は、たとえば絶縁性の樹脂やセラミックなどを筒状に成形してなるものであり、その一端部を回路基板３０またはセンサチップ２０に接着などにより固定した状態で組み付けられている。

このようなダム部６０を設けることにより、図１に示されるように、センサチップ２０と回路基板３０との間にて、ダム部６０の中空部すなわち内周領域には充填部材５０が存在せず、ダム部６０の外周領域には充填部材５０が充填されている。

かかる構成を有する圧力検出装置１００の製造方法の一例について説明する。まず、金属ステム１０を用意し、この金属ステム１０におけるダイアフラム１１の表面に上記低融点ガラスを印刷し、その低融点ガラスの上にセンサチップ２０を搭載する。

そして、低融点ガラスを溶融させ、固化させることにより、センサチップ２０を金属ステム１０に固定する。また、センサチップ２０の周辺部に上記したバンプ４０を配設しておく。

次に、ダム部６０が固定された回路基板３０を用意し、金属ステム１０と一体化されたセンサチップ２０と回路基板３０とを対向させ、位置あわせしながら、バンプ４０およびダム部６０を介して、センサチップ２０と回路基板３０とを接触させ、バンプ４０によるセンサチップ２０と回路基板３０との電気的な接続を行う。

続いて、センサチップ２０と回路基板３０との隙間に、充填部材５０を構成する樹脂を注入し、これを加熱などにより硬化させる。このとき、ダム部６０の内周領域には当該樹脂が入り込まないため、ダム部６０の内周領域には充填部材５０が存在せず、外周領域には充填部材５０が充填される。こうして、図１に示されるような本実施形態の圧力検出装置１００が完成する。

かかる圧力検出装置１００においては、被測定物からの圧力が、金属ステム１０の開口部１２から金属ステム１０の中空部へ導入され、金属ステム１０のダイアフラム１１の裏面に印加されたときに、その圧力によってダイアフラム１１が変形する。

すると、そのダイアフラム１１の変形によって、このダイアフラム１１の表面に貼り付けられているセンサチップ２０の歪み部２１が歪み、センサチップ２０は、この歪みに応じたレベルの電気信号を出力する。

そして、そのセンサチップ２０から発せられる電気信号は、バンプ４０から回路基板３０へ伝達され、信号処理などが行われた上で、外部へ出力される。こうして圧力検出が行われるようになっている。

ところで、本実施形態によれば、圧力の印加により歪む歪み部２１を有するセンサチップ２０と、センサチップ２０と電気的に接続された回路基板３０とを備える圧力検出装置において、センサチップ２０と回路基板３０とは対向して配置されており、センサチップ２０と回路基板３０との間には、これら両部材２０、３０を電気的に接続するバンプ４０が介在しており、センサチップ２０と回路基板３０との間にてバンプ４０以外の部位には、センサチップ２０と回路基板３０との接続強度を確保する充填部材５０が、充填されており、歪み部２１に対応した部位には、充填部材５０による歪み部２１の歪み変形の阻害を緩和する緩和手段６０が設けられていることを特徴とする圧力検出装置１００が提供される。

それによれば、バンプ４０の周囲に充填部材５０を配置することによって、補強が行われているため、バンプ４０による接続強度を確保できる。

また、歪み部２１に対応した部位に緩和手段６０を設けているが、本実施形態では、緩和手段は、センサチップ２０と回路基板３０との間にて歪み部２１に対応する領域を取り囲むダム部６０を備えたものである。そして、ダム部６０の内周領域には充填部材５０が存在しない、すなわち、歪み部２１に対応する部位には充填部材５０が無い構成となっている。

上述したように、圧力検出装置１００においては、被測定物からの圧力が金属ステム１０のダイアフラム１１の裏面に印加され、その圧力によってダイアフラム１１とともに歪み部２１が歪み、この歪み度合に応じて、圧力検出がなされる。

つまり、上記図６に示される従来のものでは、センサチップ２０の歪み部２１が、圧力の印加によって回路基板３０の方向へ歪もうとするが、その方向には充填部材５０が存在し、充填部材５０の抑えつけにより、歪み部２１の歪みが阻害される。

しかし、本実施形態では、歪み部２１が圧力の印加によって歪む方向においては、充填部材５０が存在しないため、充填部材５０による歪み部２１の歪み変形の阻害が緩和される。

つまり、圧力印加時に、歪み部２１は、充填部材５０によって歪み変形を阻害されることは極力抑制され、印加された圧力に応じた本来の歪み変形がなされるため、精度のよい検出が可能となる。

このように、本実施形態によれば、センサチップ２０とこれに電気的に接続された回路基板３０とを備える圧力検出装置１００において、センサチップ２０と回路基板３０とを積層しバンプ４０を介して電気的に接続するにあたって、バンプ接続部の接続信頼性を適切に確保しつつ、圧力を精度よく検出することができる。

（第２実施形態）
図４は、本発明の第２実施形態に係る圧力検出装置２００の概略断面構成を示す図であり、図５は、この圧力検出装置２００における回路基板３０のセンサチップ２０との対向面をみたときの概略平面図である。

本実施形態の圧力検出装置２００も、圧力の印加により歪む歪み部２１を有するセンサチップ２０と、センサチップ２０と電気的に接続された回路基板３０とを、対向して配置し、センサチップ２０と回路基板３０との間にて、これら両部材２０、３０を電気的に接続するバンプ４０を介在させるとともに、バンプ４０以外の部位に両部材２０、３０の接続強度を確保する充填部材５０を充填している。

また、歪み部２１に対応した部位に、充填部材５０による歪み部２１の歪み変形の阻害を緩和する緩和手段７０を設けたことも、上記同様であり、それによる作用効果も同様である。

ここにおいて、本実施形態では、緩和手段の具体的構成が上記実施形態と相違するものであり、本実施形態の緩和手段は、図４、図５に示されるように、回路基板３０のうち歪み部２１に対応した部位に設けられた穴部７０を備えるものである。そして、充填部材５０に加わる力がこの穴部７０から逃がされるようになっている。

この穴部７０は、プレス加工などにより形成できるもので、ここでは、穴部７０は、図５に示されるように、センサチップ２０の歪み部２１に対応した穴形状を持つものである。本例では、円形の歪み部２１に対応して円形の穴部７０としている。

より具体的にいうならば、たとえば拡散層などからなるゲージ抵抗を歪み部２１に有するセンサチップ２０に対して、穴部７０の端部は、上記ゲージ抵抗よりも外周側となるように位置している。

この場合、充填部材５０の注入は、たとえば回路基板３０の穴部７０を別の治具などにより閉塞した状態で行い、樹脂を乾燥させた後、当該治具を取り外し、硬化を行う。または、センサチップ２０側を下側に位置させた状態で、充填部材５０の注入・硬化を行うようにしてもよい。

本実施形態によれば、歪み部２１に対応する部位にも充填部材５０が充填されているが、回路基板３０側に穴部７０が開いていることにより、歪み部２１に対応した部位にて充填部材５０に加わる力が穴部７０から逃がされ、充填部材５０による歪み部２１の抑えが弱くなる。

つまり、穴部７０の存在により、圧力を受けた分の歪み部２１の歪み、さらに、それに対応した充填部材５０の歪みが減衰しにくくなる。そのため、充填部材５０による歪み部２１の歪み変形の阻害が緩和され、本実施形態においても、上記した緩和手段の効果が適切に発揮される。

さらに、本実施形態の圧力検出装置２００においては、充填部材５０の硬化時に発生する空気（ボイド）が回路基板３０側の穴部７０から逃げることが可能となるため、硬化後の充填部材５０中のボイドの発生を抑えることも可能となる。

（他の実施形態）
なお、基材としては、上記した金属ステム１０以外でもよい。基材としては、当該基材に貼り付けられたセンサチップに対して圧力を印加できるものであれば、どのようなものであってもよい。

また、センサチップ２０は、金属ステム１０のような基材に取り付けられ、この基材を介して圧力を印加されるものでなくてもよく、直接、測定圧力を受けるものであってもよい。

たとえば、シリコン半導体基板の裏面に凹部を形成し表面側にシリコンダイアフラムを形成してなる半導体ダイアフラム式のセンサチップであってもよい。この場合、センサチップは、基板表面を回路基板に対向させた状態、すなわちフェースダウンの状態でバンプ実装すればよい。

また、センサチップとしては、上記した半導体基板を用いたピエゾ抵抗効果を利用したもの以外にも、基材に印加される圧力を受けて歪むことにより圧力検出を行う歪みゲージとして機能するものであれば、何でもよい。

また、緩和手段としては、充填部材による歪み部の歪み変形の阻害を緩和できるものであるならば、上記したダム部や回路基板の穴部により構成されたもの以外のものであってもよい。

要するに、本発明は、圧力の印加により歪む歪み部を有するセンサチップと、センサチップと電気的に接続された回路基板とを備える圧力検出装置において、これら両部材を対向して配置し、センサチップと回路基板との間にて、これら両部材を電気的に接続するバンプを介在させるとともに、バンプ以外の部位に両部材の接続強度を確保する充填部材を充填し、歪み部に対応した部位に、充填部材による歪み部の歪み変形の阻害を緩和する緩和手段を設けたことを要部とするものであり、その他の部分については、適宜設計変更が可能である。

本発明の第１実施形態に係る圧力検出装置の概略断面図である。 図１中の圧力検出装置におけるセンサチップの回路基板との対向面をみたときの概略平面図である。 図１中の圧力検出装置におけるセンサチップ近傍部の構成を示す斜視図である。 本発明の第２実施形態に係る圧力検出装置の概略断面図である。 図４中の圧力検出装置における回路基板のセンサチップとの対向面をみたときの概略平面図である。 本発明者が試作したスタック構造をなす圧力検出装置の概略断面図である。

符号の説明

２０…センサチップ、２１…センサチップの歪み部、３０…回路基板、
４０…バンプ、５０…充填部材、６０…緩和手段としてのダム部、
７０…緩和手段としての穴部。

Claims (3)

1. 圧力の印加により歪む歪み部（２１）を有するセンサチップ（２０）と、
   前記センサチップ（２０）と電気的に接続された回路基板（３０）とを備える圧力検出装置において、
   前記センサチップ（２０）と前記回路基板（３０）とは対向して配置されており、
   前記センサチップ（２０）と前記回路基板（３０）との間には、これら両部材を電気的に接続するバンプ（４０）が介在しており、
   前記センサチップ（２０）と前記回路基板（３０）との間にて前記バンプ（４０）以外の部位には、前記センサチップ（２０）と前記回路基板（３０）との接続強度を確保する充填部材（５０）が、充填されており、
   前記歪み部（２１）に対応した部位には、前記充填部材（５０）による前記歪み部（２１）の歪み変形の阻害を緩和する緩和手段（６０、７０）が設けられていることを特徴とする圧力検出装置。
2. 前記緩和手段は、前記センサチップ（２０）と前記回路基板（３０）との間にて前記歪み部（２１）に対応する領域を取り囲むダム部（６０）を備えるものであり、
   前記センサチップ（２０）と前記回路基板（３０）との間にて、前記ダム部（６０）の内周領域には前記充填部材（５０）が存在せず、外周領域には前記充填部材（５０）が充填されていることを特徴とする請求項１に記載の圧力検出装置。
3. 前記緩和手段は、前記回路基板（３０）のうち前記歪み部（２１）に対応した部位に設けられた穴部（７０）を備えるものであり、
   前記充填部材（５０）に加わる力が前記穴部（７０）から逃がされるようになっていることを特徴とする請求項１に記載の圧力検出装置。
   

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