JP2007240250A

JP2007240250A - 圧力センサ、圧力センサパッケージ、圧力センサモジュール、及び電子部品

Info

Publication number: JP2007240250A
Application number: JP2006061016A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Yamamoto; 敏山本; Mikio Hashimoto; 橋本　　幹夫; Takanao Suzuki; 孝直鈴木
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 2006-03-07
Filing date: 2006-03-07
Publication date: 2007-09-20

Abstract

【課題】外部からの応力を受け難く、ゲージ圧センサとして機能する構造を備えた圧力センサを提供する。
【解決手段】本発明の圧力センサ１０は、平板状の半導体基板１２を基材とし、この半導体基板１２の一面において、その中央域αの内部に該一面と略平行して広がる空間（基準圧力室）１３を備え、該空間１３の一方側に位置する薄板化された領域をダイアフラム部１４とする。このダイアフラム部１４には複数の感圧素子１５が配されている。また、前記一面において、前記ダイアフラム部１４を除いた外縁域βには、前記感圧素子１５ごとに電気的に接続された導電部１６が配されている。さらに、前記空間１３の他方側に、当該半導体基板１２の他面に向かって開口し、前記空間１３と前記半導体基板１２の外部とを連通する孔部１７を設けていることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧力センサ、圧力センサパッケージ、圧力センサモジュール、及び電子部品に係り、詳しくは基準圧を外圧（例えば、大気圧）とする圧力センサと、小型化された圧力センサパッケージ、圧力センサモジュール、及び電子部品に関する。

近年、ＭＥＭＳ（Micro Electro-Mechanical Systems）技術を駆使した小型の圧力センサが開発されている（例えば、Transducers’０３予稿集、ｐ．２４６参照）。
その一例としては、図１５に示すようなものが挙げられる。この圧力センサ１１１は、シリコン等からなる半導体基板１１２の一面において、その中央域の内部に該一面と略平行して広がる、基準圧力室としての空間１１３と、該空間１１３の一方側に位置する薄板化された領域によりなるダイアフラム部１１４と、圧力による該ダイアフラム部１１４の歪抵抗の変化を測定するために複数配された、感圧素子としての歪ゲージ１１５と、前記一面において、前記ダイアフラム部１１４を除いた外縁域に配され、前記歪ゲージ１１５ごとに電気的に接続された電極１１６等を備えている。

このような圧力センサ１１１は、ダイアフラム部１１４が圧力を受けて撓むと、各歪ゲージ１１５にダイアフラム部１１４の歪み量に応じた応力が発生し、この応力に応じて歪ゲージ１１５の抵抗値が変化する。この抵抗値変化を電気信号として取り出すことにより、圧力センサ１１１は圧力を検出する（例えば、特許文献１参照。）

また、このような圧力センサ１１１は、パッケージ化された状態で使用される。例えば図１６に、典型的な圧力センサのパッケージ構造を示す。この圧力センサパッケージ２００は、絶縁体からなる基台２０１と、圧力導入口２０２を備えた樹脂等からなる蓋体２０３とからなる筐体２０４を備え、該筐体２０４の内部空間において圧力センサ２０５（１１１）が基台２０１に載置され、ワイヤボンド２０６によりリード２０７と電気的に接続された構造を有する。このような構造により、従来の圧力センサパッケージ２００を構成する圧力センサ２０５（１１１）は、リード２０７を通じて、筐体２０４の外部に設けられた、例えば増幅回路（不図示）や補償回路（不図示）と交信可能とされていた。

しかしながら、従来の圧力センサ、及び圧力センサパッケージにおいては、次のような課題がそれぞれあった。
（１）上述した圧力センサは、基準圧力室を基板内に有しており、本質的に絶対圧センサとして機能する。そのため、ゲージ圧を測定する場合には、圧力センサでの測定だけでなく、そのときの大気圧も測定して補正する必要があり、大気圧を基準としたゲージ圧の測定が困難である。
（２）上述した圧力センサパッケージは、筐体内に圧力センサを設置する構成であり、圧力センサの小型化が図れたとしても、筐体自体は依然として元の大きさゆえに、直ちにパッケージ自体の小型化を図ることは困難である。

さらに、従来の差圧タイプの圧力センサは、基板上に抵抗体を形成し、その抵抗体が配される領域の基板を薄くすることにより圧力の検知部となるダイアフラム部を形成するが、基板を薄くするにあたっては、抵抗体が配されている面とは反対側の面より、同領域とほぼ同じ大きさで基板に対してエッチング処理が施される。そのため、ダイアフラム部が形成される領域は、極めて薄肉化され、その厚さ方向に見て抵抗体が配されている部分のみが残る構成となるので、ダイアフラム部は外部からの影響を受け易いものであった。
特開２００２−３４０７１４号公報

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、外部からの応力を受け難く、ゲージ圧センサとして機能する構造を備えた圧力センサを提供することを第一の目的とする。また、ゲージ圧センサとして機能する圧力センサを備えたチップサイズパッケージを実現することにより、小型化された圧力センサパッケージを提供することを第二の目的とする。また、このような圧力センサパッケージを備えた圧力センサモジュールを実現することにより、小型化された圧力センサモジュールを提供することを第三の目的とする。さらに、このような圧力センサ、圧力センサパッケージ、又は圧力センサモジュールを搭載することにより、小型で軽量な電子部品を提供することを第四の目的とする。

本発明の請求項１に係る圧力センサは、半導体基板の一面において、その中央域の内部に該一面と略平行して広がる空間を備え、該空間の一方側に位置する薄板化された領域をダイアフラム部とし、該ダイアフラム部に感圧素子を配してなり、前記一面において、前記ダイアフラム部を除いた外縁域に配され、前記感圧素子ごとに電気的に接続された導電部を少なくとも備えた圧力センサであって、前記空間の他方側に、前記半導体基板の他面に向かって開口し、前記空間と前記半導体基板の外部とを連通する孔部を設けたことを特徴とする。

本発明の請求項２に係る圧力センサパッケージは、請求項１に記載の圧力センサと、前記圧力センサの導電部にそれぞれ配され、該導電部と個別に電気的に接続されるバンプと、から構成されたことを特徴とする。

本発明の請求項３に係る圧力センサモジュールは、請求項２に記載の圧力センサパッケージと、前記圧力センサパッケージのバンプを介して電気的に接続される実装基板と、から構成されたことを特徴とする。

本発明の請求項４に係る圧力センサは、半導体基板の一面において、その中央域の内部に該一面と略平行して広がる空間を備え、該空間の一方側に位置する薄板化された領域をダイアフラム部とし、該ダイアフラム部に感圧素子を配してなり、前記一面において、前記ダイアフラム部を除いた外縁域に配され、前記感圧素子ごとに電気的に接続された導電部を少なくとも備えた圧力センサであって、前記空間の他方側に、前記半導体基板の他面に向かって開口し、前記空間と前記半導体基板の外部とを連通する孔部を備えると共に、一端が前記導電部に電気的に接続し、他端がその他面に露呈するように、前記半導体基板の内部を貫通してなる貫通電極を該導電部ごとに設けたことを特徴とする。

本発明の請求項５に係る圧力センサパッケージは、請求項４に記載の圧力センサと、前記圧力センサの貫通電極の露呈した部分にそれぞれ配され、該貫通電極と個別に電気的に接続されるバンプと、から構成されたことを特徴とする。

本発明の請求項６に係る圧力センサモジュールは、請求項５に記載の圧力センサパッケージと、前記圧力センサパッケージのバンプを介して電気的に接続される実装基板と、から構成されたことを特徴とする。

本発明の請求項７に係る圧力センサモジュールは、請求項３又は６において、前記半導体基板と前記実装基板との間をなす空隙のうち、前記バンプより外域側に封止部を配したことを特徴とする。

本発明の請求項８に係る圧力センサモジュールは、請求項３又は６において、前記半導体基板と前記実装基板との間をなす空隙のうち、前記バンプより内域側に封止部を配したことを特徴とする。

本発明の請求項９に係る電子部品は、請求項１乃至８のいずれか１項に記載の圧力センサ、圧力センサパッケージ又は圧力センサモジュールを備えたことを特徴とする。

本発明の請求項１に係る圧力センサ（以下、「第一の圧力センサ」とも呼ぶ。）では、半導体基板の中央域の内部に備えられた空間の一方側に位置する薄板化された領域をダイアフラム部とし、該ダイアフラム部を除いた前記半導体基板の外縁域に配した感圧素子ごとに電気的に接続される導電部を少なくとも備え、前記空間の他方側に、前記半導体基板の他面に向かって開口し、前記空間と前記半導体基板の外部とを連通する孔部を設けて構成した。つまり、第一の圧力センサは、半導体基板の外部と連通する孔部によって、圧力基準室である空間が外部（例えば、大気）に開放され、外圧（例えば、大気圧）との差圧を測定するゲージ圧センサとして利用可能な状態に構成される。このような構成は、外圧を基準としているため、測定時の外圧を測定して補正する必要がなく、一度の測定でゲージ圧を測定することができる効果をもたらす。しかも、ダイアフラム部を形成するにあたって、感圧素子が配されている面とは反対側の面より半導体基板をエッチングして薄く形成する必要もなく、半導体基板を外から見た場合に、その外縁域と中央域とがほぼ同じ厚さをもつ構成とすることができる。
したがって、本発明によれば、ダイアフラム部が形成される領域は、外部からの応力を受け難く、外圧を基準としたゲージ圧の測定を行なうゲージ圧センサとして機能する構造を備えた圧力センサを提供することができる。

本発明の請求項２に係る圧力センサパッケージ（以下、「第一の圧力センサパッケージ」とも呼ぶ。）では、請求項１に記載の圧力センサの導電部にそれぞれ配され、該導電部と個別に電気的に接続されるバンプを備えて構成した。このような構成は、バンプによって、ゲージ圧センサとして機能する圧力センサを備えたチップサイズパッケージを実現できる効果をもたらす。また、バンプを用いて例えば実装基板と直接接続する構成は、従来の圧力センサパッケージが必須としていた圧力センサを内包する筐体、及び、圧力センサと外部基板の間を電気的に繋ぐワイヤボンドやリード等の接続部材を一切不要とする。したがって、本発明によれば、筐体などを必要とせず、小型化が実現された圧力センサパッケージを提供することができる。

本発明の請求項３に係る圧力センサモジュール（以下、「第一の圧力センサモジュール」とも呼ぶ。）では、請求項２に記載の圧力センサパッケージのバンプを介して電気的に接続される実装基板を備えて構成した。このような構成は、実装基板によって、ゲージ圧センサとして機能する圧力センサを備え、小型化が実現されたチップサイズパッケージを備えた圧力センサモジュールを実現できる効果をもたらす。したがって、本発明によれば、小型化された圧力センサモジュールを提供することができる。

本発明の請求項４に係る圧力センサ（以下、「第二の圧力センサ」とも呼ぶ。）では、半導体基板の中央域の内部に備えられた空間の一方側に位置する薄板化された領域をダイアフラム部とし、該ダイアフラム部を除いた前記半導体基板の外縁域に配した感圧素子ごとに電気的に接続される導電部を少なくとも備え、前記空間の他方側に、前記半導体基板の他面に向かって開口し、前記空間と前記半導体基板の外部とを連通する孔部を備えると共に、一端が前記導電部に電気的に接続し、他端がその他面に露呈するように、前記半導体基板の内部を貫通してなる貫通電極を該導電部ごとに設けて構成した。つまり、第二の圧力センサは、半導体基板の外部と連通する孔部によって、圧力基準室である空間が外部（例えば、大気）に開放され、外圧（例えば、大気圧）との差圧を測定するゲージ圧センサとして利用可能な状態に構成されると共に、半導体基板の内部を貫通する貫通電極によって、ダイアフラム部とは反対側の面に電気配線を引き出すことが可能な状態に構成される。このような構成は、外圧を基準としているため、測定時の外圧を測定して補正する必要がなく、一度の測定でゲージ圧を測定することができると共に、導電部が備えられた面とは異なる面に、例えばバンプ等の接続部材を配置することの自由度を上げる効果をもたらす。しかも、ダイアフラム部を形成するにあたって、感圧素子が配されている面とは反対側の面より半導体基板をエッチングして薄く形成する必要もなく、半導体基板を外から見た場合に、その外縁域と中央域とがほぼ同じ厚さをもつ構成とすることができる。
したがって、本発明によれば、ダイアフラム部が形成される領域は、外部からの応力を受け難く、外圧を基準としたゲージ圧の測定を行なうゲージ圧センサとして機能すると共に、外部基板の要求に応じた接続自由度を備えた構造を備えた圧力センサを提供することができる。

本発明の請求項５に係る圧力センサパッケージ（以下、「第二の圧力センサパッケージ」とも呼ぶ。）では、請求項４に記載の圧力センサの貫通電極の露呈した部分にそれぞれ配され、該貫通電極と個別に電気的に接続されるバンプを備えて構成した。このような構成は、バンプによって、ゲージ圧センサとして機能し、外部基板との接続自由度を備える圧力センサを備えたチップサイズパッケージを実現できる効果をもたらす。また、バンプを用いて例えば実装基板と直接接続する構成は、従来の圧力センサパッケージが必須としていた圧力センサを内包する筐体、及び、圧力センサと外部基板の間を電気的に繋ぐワイヤボンドやリード等の接続部材を一切不要とする。したがって、本発明によれば、筐体などを必要とせず、小型化が実現された圧力センサパッケージを提供することができる。また、ダイアフラム面とは逆の面にバンプ等が形成されるため、ダイアフラムにかかる熱的な応力をより小さくすることができる。

本発明の請求項６に係る圧力センサモジュール（以下、「第一の圧力センサモジュール」とも呼ぶ。）では、請求項５に記載の圧力センサパッケージのバンプを介して電気的に接続される実装基板を備えて構成した。このような構成は、実装基板によって、ゲージ圧センサとして機能し、外部基板との接続自由度を備える圧力センサを備え、小型化が実現されたチップサイズパッケージを備えた圧力センサモジュールを実現できる効果をもたらす。したがって、本発明によれば、小型化された圧力センサモジュールを提供することができる。

本発明の請求項９に係る電子部品では、上述した構成を備える、圧力センサ、圧力センサパッケージ又は圧力センサモジュールを搭載したことを特徴とする。この圧力センサ、圧力センサパッケージ又は圧力センサモジュールは、搭載した際に嵩張る筐体などが不要なことから、圧力センサ、圧力センサパッケージ又は圧力センサモジュールを収容する容積が大幅に低減されると共に、筐体などに相当する重量も削減される。よって、本発明によれば、小型で軽量な電子部品の提供が可能となる。

以下、最良の形態に基づき、図面を参照して本発明を説明する。
本発明に係る圧力センサは、半導体基板の内部に備えられた空間に外部と連通する孔部を設けてなる構造（第一の圧力センサ）と、半導体基板の内部に備えられた空間に外部と連通する孔部を設けると共に、前記半導体基板に配された導電部と一端が電気的に接続し、他端がその他面に露呈するように、該半導体基板の内部を貫通してなる貫通電極を設けてなる構造（第二の圧力センサ）とに大きく分けることができる。

＜第一実施形態＞
まず、第一の圧力センサについて、図１と図２に基づき説明する。
図１は、本発明に係る圧力センサの一例を示す模式的な断面図（ａ）と、模式的な平面図（ｂ）であり、図１（ａ）は図１（ｂ）に示すＡ−Ａ線に沿った断面を表している。すなわち、図１（ｂ）はダイアフラム部を設けた面である。また、図２は、感圧素子（ゲージ抵抗）の電気的な配線図である。

図１に示すように、第一の圧力センサ１０は、平板状の半導体基板１２を基材とし、この半導体基板１２の一面において、その中央域αの内部に該一面と略平行して広がる空間（基準圧力室）１３を備え、該空間１３の一方側に位置する薄板化された領域をダイアフラム部１４とする。このダイアフラム部１４には複数の感圧素子１５が配されている。また、前記一面において、前記ダイアフラム部１４を除いた外縁域βには、前記感圧素子１５ごとに電気的に接続された導電部１６が配されている。さらに、前記空間１３の他方側に、当該半導体基板１２の他面に向かって開口し、前記空間１３と前記半導体基板１２の外部とを連通する孔部（以下、「連通孔」と呼ぶ。）１７を設けている。

図１は、感圧素子１５として機能するゲージ抵抗（Ｒ１〜Ｒ４）が配された例であり、各ゲージ抵抗は、不図示のリード配線を介して、ホイットストーンブリッジ（図２）を構成するように電気的に接続されている。このような感圧素子１５は、ダイアフラム部１４の周縁部に配置すると良い。周縁部においては圧縮と引張の両応力が感圧素子１５に加わり易いので、感度の良い圧力センサが得られる。

したがって、第一の圧力センサ１０では、圧力基準室である空間１３が連通孔１７によって外部（例えば、大気）に開放されているので、基準圧が外圧（例えば、大気圧）となり、測定時に必要としていた外圧の測定による補正を行なう必要がなく、ゲージ圧を直接測定することができるゲージ圧センサとして機能する構造を備えた圧力センサが得られる。しかも、ダイアフラム部を形成するにあたって、感圧素子が配されている面とは反対側の面より半導体基板をエッチングして薄く形成する必要もなく、半導体基板を外から見た場合に、その外縁域と中央域とがほぼ同じ厚さをもつ構成とすることができる。

次に、第一の圧力センサパッケージ２０について、図３に基づき説明する。
図３は、本発明に係る圧力センサパッケージの一例を示す模式的な断面図である。
図３に示すように、第一の圧力センサパッケージ２０は、上記構造とした第一の圧力センサ１０の導電部１６にそれぞれ配され、該導電部１６と個別に電気的に接続されるバンプ１８を備えることによって構成されている。

すなわち、本発明に係る第一の圧力センサパッケージ２０を構成する第一の圧力センサ１０は、平板状の半導体基板１２を基材とし、この半導体基板１２の一面において、その中央域αの内部に該一面と略平行して広がる空間（基準圧力室）１３を備え、該空間１３の一方側に位置する薄板化された領域をダイアフラム部１４とする。このダイアフラム部１４には複数の感圧素子１５が配されている。また、前記一面において、前記ダイアフラム部１４を除いた外縁域βには、前記感圧素子１５ごとに電気的に接続された導電部１６が配されている。さらに、前記空間１３の他方側に、当該半導体基板１２の他面に向かって開口し、前記空間１３と前記半導体基板１２の外部とを連通する連通孔１７を設けることにより構成される。

また、圧力センサ１０において、図１に示すように、バンプ１８を載置するための導電部１６を除く外縁域βは、絶縁部（不図示）によって覆われる形態が好ましい。絶縁部を設けることにより、感圧素子１５が絶縁層によって被覆した構成が得られる。この構成とした第一の圧力センサパッケージ１１では、バンプ１８を例えば外部基板（不図示）と接続させる際に、バンプ１８以外の外縁域βは全て絶縁部によって被覆されているので、外部基板に対して感圧素子１５の絶縁性が十分に確保される。また、絶縁部は、感圧素子１５の外気との接触を遮断するため感圧素子１５の耐食性を向上させると共に、感圧素子１５がダイアフラム部１４を介さずに直接、外部から受ける機械的な影響を大幅に削減する効果も有する。

なお、バンプ１８は、必ずしも電極パッドのような導電部１６の上に配されるもののみを示すものではなく、配線層（不図示）を介して導電部１６からずれた位置に配されるものを含んでいる。

したがって、第一の圧力センサパッケージ２０では、従来の圧力センサパッケージが必須構成としていた圧力センサを内包する筐体などが不要となり、また、例えば外部基板と接続可能なバンプ１８も圧力センサパッケージ自体が備えているので、極めて小型化の圧力センサパッケージが得られる。また、筐体などを構成する各部材が削減されると共に、筐体内に圧力センサをパッケージングする工程も不要となるので、大幅な低コスト化が図れる。さらに、バンプによって、外部基板にチップサイズで実装することが可能となる。

次に、第一の圧力センサモジュール３０について、図４に基づき説明する。
図４は、本発明に係る圧力センサモジュールの一例を示す模式的な断面図である。
図４に示すように、第一の圧力センサモジュール３０は、上記構造とした第一の圧力センサパッケージ２０のバンプ１８を介して電気的に接続される実装基板４１を備えることによって構成されている。

すなわち、本発明に係る第一の圧力センサモジュール３０を構成する第一の圧力センサパッケージ２０は、平板状の半導体基板１２を基材とし、この半導体基板１２の一面において、その中央域αの内部に該一面と略平行して広がる空間（基準圧力室）１３を備え、該空間１３の一方側に位置する薄板化された領域をダイアフラム部１４とする。このダイアフラム部１４には複数の感圧素子１５が配されている。また、前記一面において、前記ダイアフラム部１４を除いた外縁域βには、前記感圧素子１５ごとに電気的に接続された導電部１６が配されている。また、前記空間１３の他方側に、当該半導体基板１２の他面に向かって開口し、前記空間１３と前記半導体基板１２の外部とを連通する連通孔１７を備える。さらに、導電部１６にそれぞれ配され、該導電部１６と個別に電気的に接続されるバンプ１８を備えることにより構成される。

したがって、第一の圧力センサモジュール３０では、圧力センサパッケージに備えられたバンプ１８を用いて実装基板４１が接続されているので、極めて小型化された圧力センサモジュールが得られる。このとき、ダイアフラム部１４が実装基板４１側に対向して配置され、連通孔１７が実装面と反対側に開口することとなり、当該連通孔１７を圧力導入口として利用することも可能である。また、実装基板４１が接続されると、ダイアフラム部１４や感圧素子１５に加わる機械的あるいは熱的な影響が抑制されるものとなる。さらには、複数の電気的な接続個所が生じてしまうワイヤボンドやリード等を用いておらず、バンプ１８のみによって実装基板４１と接続する構成としたことにより、優れた接続信頼性も同時に得られる。

また、上記構造とした第一の圧力センサパッケージ２０を用いた圧力センサモジュールは、図５に示すように、第一の圧力センサパッケージ２０を構成する半導体基板１２と実装基板４１との間をなす空隙のうち、バンプ１８より外域側に、当該バンプ１８とくっつくように封止部１９を、例えばリング状に配することで気密をとる構成とすることにより、第二の圧力センサモジュール４０Ａとしても良い。
この封止部１９には、樹脂を用いることができるが、これに限定されず、はんだフィルム、又はこれらの組合せを適宜利用することができる。

また、上記構造とした第一の圧力センサパッケージ２０を用いた圧力センサモジュールは、図６に示すように、第一の圧力センサパッケージ２０を構成する半導体基板１２と実装基板４１との間をなす空隙のうち、バンプ１８より内域側に、当該バンプ１８とは離れて封止部２９を、例えばリング状に配することで気密をとる構成とすることにより、第三の圧力センサモジュール４０Ｂとしても良い。
この封止部２９も樹脂を用いることができるが、これに限定されず、はんだフィルム、又はこれらの組合せを適宜利用することができる。

なお、前記空隙に封止部１９又は２９を配することで気密をとる構成とした場合、実装基板４１に、該空隙に連通する開放口（不図示）を形成するようにしても良い。
これにより、実装基板４１の開放口も圧力導入口として利用できるため、第二の圧力センサモジュール４０Ａ及び第三の圧力センサモジュール４０Ｂを、差圧検知センサとして利用することができる。

次に、図７を参照して、図３に示す第一の圧力センサパッケージを製造する方法について説明する。
本発明においては、絶対圧センサとして機能する従来の構造を有する圧力センサ（例えば、図１５参照）に対して、ゲージ圧センサを実現するための加工をウエハレベルで行ない、さらに、実現した図１に示すようなゲージ圧センサに対して、チップサイズパッケージを実現するための加工を行なう。

まず、図７（ａ）に示すように、例えばシリコン基板などの半導体基板１２内に形成された空間（圧力基準室）１３に接続するようにダイアフラムの大きさより小さい径の連通孔１７を形成し、該空間１３と該半導体基板１２の外部とを連通する。これにより、図１に示す第一の圧力センサ１０が作製される。
このような半導体基板１２の内部に空間（圧力基準室）１３を備えてなる構造の圧力センサは、例えばS.Armbruster等により開示された方法（S.Armbruster et.al.,“A NOVEL MICROMACHINING PROCESS FOR THE FABRICATION OF MONOCRYSTALLINE SI-MEMBRANES USING POROUS SILICON”，Digest of Technical Papers Transducers ’03, 2003, pp.246.）により作製される。

この連通孔１７は、例えば直径８０μｍの円形とし、半導体基板１２をＤＲＩＥ（Deep-Reactive Ion Etching）法によりエッチングすることで形成することができる。ＤＲＩＥ法とは、エッチングガスに六フッ化硫黄（ＳＦ_６）を用い、高密度プラズマによるエッチングと、側壁へのパッシベーション成膜を交互に行なうことにより（Bosch プロセス）、半導体基板１２を深堀エッチングするものである。
なお、連通孔１７を形成する方法はこれに限定されず、レーザ等の物理的加工も可能である。

次に、図７（ｂ）に示すように、導電部１６と個別に電気的に接続するように、当該導電部１６にそれぞれバンプ１８を形成する。これにより、図３に示す第一の圧力センサパッケージ２０が作製される。
バンプ１８は、例えばはんだボールを搭載して形成することができる。なお、はんだボールは、電極パッド等の導電部１６上に直接搭載することもできるし、一度再配線層を形成しておき、導電部とは別の場所で当該再配線層と電気的に接続するようにはんだボールを搭載することもできる。
そして、バンプ１８と電気的に接続するように実装基板４１を備えることによって、図４に示す第一の圧力センサモジュール３０が作製されるものとなる。

＜第二実施形態＞
次に、第二の圧力センサについて、図８に基づき説明する。
図８は、本発明に係る圧力センサの他の一例を示す模式的な断面図（ａ）と、模式的な平面図（ｂ）であり、図８（ａ）は図８（ｂ）に示すＢ−Ｂ線に沿った断面を表している。すなわち、図８（ｂ）はダイアフラム部を設けた面である。また、図９は、感圧素子（ゲージ抵抗）の電気的な配線図である。

図８に示すように、第二の圧力センサ５０は、平板状の半導体基板５２を基材とし、この半導体基板５２の一面において、その中央域γの内部に該一面と略平行して広がる空間（基準圧力室）５３を備え、該空間５３の一方側に位置する薄板化された領域をダイアフラム部５４とする。このダイアフラム部５４には複数の感圧素子５５が配されている。また、前記一面において、前記ダイアフラム部５４を除いた外縁域δには、前記感圧素子５５ごとに電気的に接続された導電部５６が配されている。また、前記空間５３の他方側に、当該半導体基板５２の他面に向かって開口し、前記空間５３と前記半導体基板５２の外部とを連通する孔部（以下、「連通孔」とも呼ぶ。）５７を備える。さらに、一端６６ａが前記導電部５６に電気的に接続し、他端６６ｂがその他面に露呈するように、前記半導体基板５２の内部を貫通してなる貫通電極６６を該導電部５６ごとに設けている。

図８は、感圧素子５５として機能するゲージ抵抗（Ｒ１〜Ｒ４）が配された例であり、各ゲージ抵抗は、不図示のリード配線を介して、ホイットストーンブリッジ（図９）を構成するように電気的に接続されている。このような感圧素子５５は、ダイアフラム部５４の周縁部に配置すると良い。周縁部においては圧縮と引張の両応力が感圧素子５５に加わり易いので、感度の良い圧力センサ５０が得られる。

したがって、第二の圧力センサ５０では、圧力基準室である空間５３が連通孔５７によって外部（例えば、大気）に開放されているので、基準圧が外圧（例えば、大気圧）となり、測定時に必要としていた外圧の測定による補正を行なう必要がなく、ゲージ圧を直接測定することができるゲージ圧センサとして機能すると共に、半導体基板５２の内部を貫通する貫通電極６６によって、ダイアフラム部１４とは反対側の面に電気配線を引き出すことが可能な構造を備えた圧力センサが得られる。しかも、ダイアフラム部を形成するにあたって、感圧素子が配されている面とは反対側の面より半導体基板をエッチングして薄く形成する必要もなく、半導体基板を外から見た場合に、その外縁域と中央域とがほぼ同じ厚さをもつ構成とすることができる。

次に、第二の圧力センサパッケージ６０について、図１０に基づき説明する。
図１０は、本発明に係る圧力センサパッケージの一例を示す模式的な断面図である。
図１０に示すように、第二の圧力センサパッケージ６０は、上記構造とした第二の圧力センサ５０の貫通電極６６の露呈した他端６６ｂにそれぞれ配され、該貫通電極６６と個別に電気的に接続されるバンプ５８を備えることによって構成されている。

すなわち、本発明に係る第二の圧力センサパッケージ６０を構成する第二の圧力センサ５０は、平板状の半導体基板５２を基材とし、この半導体基板５２の一面において、その中央域βの内部に該一面と略平行して広がる空間（基準圧力室）５３を備え、該空間５３の一方側に位置する薄板化された領域をダイアフラム部５４とする。このダイアフラム部５４には複数の感圧素子５５が配されている。また、前記一面において、前記ダイアフラム部５４を除いた外縁域δには、前記感圧素子５５ごとに電気的に接続された導電部５６が配されている。また、前記空間５３の他方側に、当該半導体基板５２の他面に向かって開口し、前記空間５３と前記半導体基板５２の外部とを連通する連通孔５７を備える。さらに、一端６６ａが前記導電部５６に電気的に接続し、他端６６ｂがその他面に露呈するように、前記半導体基板５２の内部を貫通してなる貫通電極６６を該導電部５６ごとに設けることにより構成される。

なお、圧力センサ５０において、図８に示すように、導電部５６を除く外縁域δは、絶縁部（不図示）によって覆われる形態が好ましい。絶縁部を設けることにより、感圧素子５５が絶縁層によって被覆した構成が得られる。この構成とした第二の圧力センサパッケージ５１では、絶縁部は、感圧素子５５の外気との接触を遮断するため感圧素子５５の耐食性を向上させると共に、感圧素子５５がダイアフラム部５４を介さずに直接、外部から受ける機械的な影響を大幅に削減する効果も有する。

したがって、第二の圧力センサパッケージ６０では、従来の圧力センサパッケージが必須構成としていた圧力センサを内包する筐体などが不要となり、また、例えば外部基板と接続可能なバンプ５８も圧力センサパッケージ自体が備えているので、極めて小型化の圧力センサパッケージが得られる。また、筐体などを構成する各部材が削減されると共に、筐体内に圧力センサをパッケージングする工程も不要となるので、大幅な低コスト化が図れる。

次に、第四の圧力センサモジュール７０について、図１１に基づき説明する。
図１１は、本発明に係る圧力センサモジュールの一例を示す模式的な断面図である。
図１１に示すように、第四の圧力センサモジュール７０は、上記構造とした第二の圧力センサパッケージ６０のバンプ５８を介して電気的に接続される実装基板８１を備えることによって構成されている。

すなわち、本発明に係る第四の圧力センサモジュール７０を構成する第二の圧力センサパッケージ６０は、平板状の半導体基板５２を基材とし、この半導体基板５２の一面において、その中央域βの内部に該一面と略平行して広がる空間（基準圧力室）５３を備え、該空間５３の一方側に位置する薄板化された領域をダイアフラム部５４とする。このダイアフラム部５４には複数の感圧素子５５が配されている。また、前記一面において、前記ダイアフラム部５４を除いた外縁域δには、前記感圧素子５５ごとに電気的に接続された導電部５６が配されている。また、前記空間５３の他方側に、当該半導体基板５２の他面に向かって開口し、前記空間５３と前記半導体基板５２の外部とを連通する連通孔５７を備えると共に、当該半導体基板５２には、一端６６ａが前記導電部５６に電気的に接続し、他端６６ｂがその他面に露呈するように、前記半導体基板５２の内部を貫通してなる貫通電極６６を該導電部５６ごとに備える。さらに、貫通電極６６の露呈した他端６６ｂにそれぞれ配され、該貫通電極６６と個別に電気的に接続されるバンプ５８を備えることにより構成される。

なお、バンプ１８は、必ずしも貫通電極６６の上に配されるもののみを示すものではなく、配線層（不図示）を介して貫通電極６６の他端６６ｂからずれた位置に配されるものを含んでいる。

したがって、第四の圧力センサモジュール７０では、圧力センサパッケージに備えられたバンプ５８を用いて実装基板８１が接続されているので、極めて小型化された圧力センサモジュールが得られる。また、複数の電気的な接続個所が生じてしまうワイヤボンドやリード等を用いておらず、バンプ５８のみによって実装基板８１と接続する構成としたことにより、優れた接続信頼性も同時に得られる。

また、上記構造とした第二の圧力センサパッケージ６０を用いた圧力センサモジュールは、図１２に示すように、第二の圧力センサパッケージ６０を構成する半導体基板５２と実装基板８１との間をなす空隙のうち、バンプ５８より外域側に、当該バンプ５８くっつくように封止部５９を、例えばリング状に配することで気密をとる構成とすることにより、第五の圧力センサモジュール８０Ａとしても良い。
この封止部５９には、樹脂を用いることができるが、これに限定されず、はんだフィルム、又はこれらの組合せを適宜利用することができる。

また、上記構造とした第二の圧力センサパッケージ５１を用いた圧力センサモジュールは、図１３に示すように、第二の圧力センサパッケージ５１を構成する半導体基板５２と実装基板８１との間をなす空隙のうち、バンプ５８より内域側に、当該バンプ１８とは離れて封止部６９を例えばリング状に配することで気密をとる構成とすることにより、第六の圧力センサモジュール８０Ｂとしても良い。
この封止部５９も樹脂を用いることができるが、これに限定されず、はんだフィルム、又はこれらの組合せを適宜利用することができる。

なお、前記空隙に封止部５９又は６９を配することで気密をとる構成とした場合、実装基板８１に、該空隙に連通する開放口（不図示）を形成するようにしても良い。
これにより、実装基板８１の開放口も圧力導入口として利用できるため、第五の圧力センサモジュール８０Ａ及び第六の圧力センサモジュール８０Ｂを、差圧検知センサとして利用することができる。

次に、図１４を参照して、図１０に示す第二の圧力センサパッケージを製造する方法について説明する。
本発明においては、絶対圧センサとして機能する従来の構造を有する圧力センサ（例えば、図１５参照）に対して、ゲージ圧センサを実現するための加工をウエハレベルで行ない、さらに、実現した図１に示すようなゲージ圧センサに対して、チップサイズパッケージを実現するための加工を行なう。

まず、図１４（ａ）に示すように、例えばシリコン基板などの半導体基板５２内に形成された空間（圧力基準室）５３に接続するようにダイアフラムの大きさより小さい径の連通孔５７を形成し、該空間５３と該半導体基板５２の外部とを連通すると共に、導電部５６に接続する貫通孔６３を形成する。
このような半導体基板５２の内部に空間（圧力基準室）５３を備えてなる構造の圧力センサは、例えばS.Armbruster等により開示された方法（S.Armbruster et.al.,“A NOVEL MICROMACHINING PROCESS FOR THE FABRICATION OF MONOCRYSTALLINE SI-MEMBRANES USING POROUS SILICON”，Digest of Technical Papers Transducers ’03, 2003, pp.246.）により作製される。

連通孔５７及び貫通孔６３は、例えば直径８０μｍの円形とし、半導体基板５２をＤＲＩＥ（Deep-Reactive Ion Etching）法によりエッチングすることで形成することができる。ＤＲＩＥ法とは、エッチングガスに六フッ化硫黄（ＳＦ_６）を用い、高密度プラズマによるエッチングと、側壁へのパッシベーション成膜を交互に行なうことにより（Bosch プロセス）、半導体基板５２を深堀エッチングするものである。
なお、連通孔を形成する方法はこれに限定されず、例えばレーザ等の物理的な加工を用いてもよい。

次に、図１４（ｂ）に示すように、貫通孔６３の内壁及び半導体基板５２の他面に絶縁層６４を形成する。絶縁層６４としては、例えばＳｉＯ_２をプラズマＣＶＤにより１μｍ成膜することで形成できる。この絶縁層としてはＳｉＯ_２に限定されるものではなく、ＳｉＮや樹脂等の他の絶縁材料であっても良い。また、製法もスパッタ、スピンコート等が利用できる。

次いで、図１４（ｃ）に示すように、導電部５６と電気的に接続するように、貫通孔６３内に導電性物質６５を充填することにより、貫通電極６６を形成する。これにより、図８に示す第二の圧力センサ５０が作製される。この導電性物質６５としては、例えばＣｕとし、めっきにより貫通孔６３内に充填することができる。なお、導電性物質はこれに限定されず、他の金属材料やはんだ等の合金とすることもできる。また、充填方法もＣＶＤやスパッタを利用することができる。

さらに、当該貫通電極６６と電気的に接続するように、バンプ５８を形成する。バンプ１８は、例えばはんだボールを搭載して形成することができる。これにより、図１０に示す第二の圧力センサパッケージ６０が作製される。
なお、はんだボールは、貫通電極６６上に直接搭載することもできるし、一度再配線層を形成しておき、貫通電極とは別の場所で当該再配線層と電気的に接続するようにはんだボールを搭載することもできる。
そして、バンプ５８と電気的に接続するように実装基板８１を備えることによって、図１１に示す第四の圧力センサモジュール７０が作製されるものとなる。

本発明に係る圧力センサ、圧力センサパッケージ、圧力センサモジュールは、例えば空気圧や水圧、油圧等の圧力を測定する用途に使用され、特にウエハレベルチップサイズ化により筐体等を不要とした構造を備えているので、薄型化や小型化、あるいは軽量化等が求められている各種の電子部品に好適である。

本発明に係る第１の圧力センサの一例を示す図である。感圧素子（ゲージ抵抗）の電気的な配線図である。本発明に係る第１の圧力センサパッケージの一例を示す図である。本発明に係る第１の圧力センサモジュールの他の一例を示す図である。本発明に係る第２の圧力センサモジュールの一例を示す図である。本発明に係る第３の圧力センサモジュールの一例を示す図である。第１の圧力センサパッケージの製造工程を示す図である。本発明に係る第２の圧力センサの一例を示す図である。感圧素子（ゲージ抵抗）の電気的な配線図である。本発明に係る第２の圧力センサパッケージの一例を示す図である。本発明に係る第４の圧力センサモジュールの一例を示す図である。本発明に係る第５の圧力センサモジュールの一例を示す図である。本発明に係る第６の圧力センサモジュールの一例を示す図である。第２の圧力センサパッケージの製造工程を示す図である。従来の圧力センサを示す図である。従来の圧力センサモジュールを示す図である。

符号の説明

α，γ 中央域、β，δ 外縁域、１０，５０圧力センサ、２０，６０圧力センサパッケージ、３０，４０Ａ，４０Ｂ，７０，８０Ａ，８０Ｂ圧力センサモジュール、１１，５１１２，５２基板、１３，５３空間（基準圧力室）、１４，５４ダイアフラム部、１５，５５感圧素子、１６，５６電極パッド、１７，５７連通孔、１８，５８バンプ、１９，２９，５９，６９封止部、４１，８１実装基板、６３貫通孔、６４絶縁層、６５導電性物質、６６貫通電極。

Claims

半導体基板の一面において、その中央域の内部に該一面と略平行して広がる空間を備え、該空間の一方側に位置する薄板化された領域をダイアフラム部とし、該ダイアフラム部に感圧素子を配してなり、前記一面において、前記ダイアフラム部を除いた外縁域に配され、前記感圧素子ごとに電気的に接続された導電部を少なくとも備えた圧力センサであって、
前記空間の他方側に、前記半導体基板の他面に向かって開口し、前記空間と前記半導体基板の外部とを連通する孔部を設けたことを特徴とする圧力センサ。
請求項１に記載の圧力センサと、
前記圧力センサの導電部にそれぞれ配され、該導電部と個別に電気的に接続されるバンプと、
から構成されたことを特徴とする圧力センサパッケージ。
請求項２に記載の圧力センサパッケージと、
前記圧力センサパッケージのバンプを介して電気的に接続される実装基板と、
から構成されたことを特徴とする圧力センサモジュール。
半導体基板の一面において、その中央域の内部に該一面と略平行して広がる空間を備え、該空間の一方側に位置する薄板化された領域をダイアフラム部とし、該ダイアフラム部に感圧素子を配してなり、前記一面において、前記ダイアフラム部を除いた外縁域に配され、前記感圧素子ごとに電気的に接続された導電部を少なくとも備えた圧力センサであって、
前記空間の他方側に、前記半導体基板の他面に向かって開口し、前記空間と前記半導体基板の外部とを連通する孔部を備えると共に、一端が前記導電部に電気的に接続し、他端がその他面に露呈するように、前記半導体基板の内部を貫通してなる貫通電極を該導電部ごとに設けたことを特徴とする圧力センサ。
請求項４に記載の圧力センサと、
前記圧力センサの貫通電極の露呈した部分にそれぞれ配され、該貫通電極と個別に電気的に接続されるバンプと、
から構成されたことを特徴とする圧力センサパッケージ。
請求項５に記載の圧力センサパッケージと、
前記圧力センサパッケージのバンプを介して電気的に接続される実装基板と
から構成されたことを特徴とする圧力センサモジュール。
前記半導体基板と前記実装基板との間をなす空隙のうち、前記バンプより外域側に封止部を配したことを特徴とする請求項３又は６記載の圧力センサモジュール。
前記半導体基板と前記実装基板との間をなす空隙のうち、前記バンプより内域側に封止部を配したことを特徴とする請求項３又は６記載の圧力センサモジュール。
請求項１乃至８のいずれか１項に記載の圧力センサ、圧力センサパッケージ又は圧力センサモジュールを備えたことを特徴とする電子部品。