JP2008281351A

JP2008281351A - 電子装置

Info

Publication number: JP2008281351A
Application number: JP2007123402A
Authority: JP
Inventors: Tameji Ota; 為治太田
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2007-05-08
Filing date: 2007-05-08
Publication date: 2008-11-20

Abstract

【課題】センサチップに熱歪が発生しても、半導体チップの特性変化を極力防止する。
【解決手段】センサチップ５のセンシング部９，１０の固定部１２に、歪補償用のＳｉＯ₂膜１９〜２２を蒸着などによって被着させる。温度上昇によりセンサチップ５が歪を生じても、その歪は熱膨張率の小なるＳｉＯ₂膜１９〜２２によって補償される。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体チップを他の部品に接合して構成された電子装置に係り、特に、温度変化により半導体チップが歪を生ずることからくる特性変化を極力防止するようにした電子装置に関する。

例えば、自動車用として用いられる半導体加速度センサでは、セラミックパッケージに回路チップを接着し、この回路チップ上に、シリコンなどの半導体基板に加速度を検出するセンシング部が形成された半導体チップ（センサチップ）を搭載して構成されている。このように、センサチップを回路チップ上に積層するスタック構造を採用するに当たって、従来では、センサチップと回路チップとの接合に、ポリイミド系接着フィルムが用いられていた。

しかしながら、このセンサチップと回路チップとの接合にポリイミド系接着フィルムを用いる構成では、温度変化により、フィルムの弾性率が急激に変化してセンサチップに熱歪を発生させる。センサチップに歪が生ずると、その特性に影響を与え、加速度を正確に検出できなくなるといった不具合を生ずる。

このような熱歪の発生を防止するために、例えば特許文献１では、ポリイミド系接着フィルムに代えて、シリコン系接着フィルムを用いることが記載されている。これは、ポリイミド系接着フィルムの弾性率の急激な変化が接着フィルムを構成する樹脂のガラス転移点で起きることに着目し、ガラス転移点が自動車用の加速度センサの通常の使用温度範囲にないシリコン系の接着フィルムを使用することによってセンサチップに熱歪が発生することを極力防止するというものである。
特開２００３−２１６４７号公報

しかしながら、センサチップが大形になったり、センサチップの形状に対してセンシング部が非対称に形成されたりすると、接着フィルムとの線膨張率の違いによる応力が無視できなくなり、センサチップ内の応力分布に不均一性を生ずる。これにより、センサチップのセンシング部に不均一な歪が生じ、特性が変化する。
また、センサチップの半導体基板として、例えばＳＯＩ（Silicon-on-Insulator）を用いた場合には、センサチップ自身で中間のＳｉＯ₂層とその上下のＳｉ層との間で熱歪が生じ、センシング部の特性に影響を及ぼす。
このようなセンサチップと接着フィルムとの線膨張率の相違によって生ずる歪や、センサチップを構成する半導体基板の構造から生ずる熱歪については、特許文献１の手段によって解消することはできない。

本発明は上記の事情に鑑みてなされたもので、その目的は、半導体チップを他の部品に接合する構成の電子装置において、半導体チップとこれを他の部品に接合する接合材との線膨張率の相違や、半導体チップを構成する半導体基板の構造などにより、半導体チップに熱歪が生ずる場合であっても、半導体チップの特性変化を極力防止できる電子装置を提供することにある。

本発明によれば、温度変化によって半導体チップが歪を生ずるようになると、歪補償用薄膜体が半導体チップの歪を防止するように作用し、この結果、半導体チップが特性変化を起こすような歪を生ずることを極力防止できる（請求項１）。
この場合、半導体チップは、力学量を検出するためのセンシング部を有したものとすることができる（請求項２）。更に、そのセンシング部は、加速度を検出するためのものとし（請求項３）、９０度異なる方向の加速度を検出するために、半導体チップに９０度方向を違えたセンシング部を２つ設けることができる（請求項４）。

その他、センシング部としては、角速度を検出するもの（請求項５）、外力を検出するもの（請求項６）、変位を検出するもの（請求項７）、傾斜を検出するもの（請求項８）とすることができる。なお、変位の検出とは、例えば振動しているものの振動振幅に相当する変位をさす。

また、センシング部としては、複数設けることができる（請求項９）。このようにすれば、２個のセンシング部の出力の平均をとるなどすることによって検出精度を上げるたり、或いは、異なる方向の物理量を検出することができたりする。
センシング部としては、容量検出方式のものとすることができる（請求項１０）。更に、センシング部としては、湿度により容量値が変化することで湿度を検出するものとすることができる（請求項１１）。

歪補償用薄膜体は、ＳｉＯ₂から構成することができる（請求項１２）。また、歪補償用薄膜体は、アルミニウムから構成できる（請求項１３）。更に、歪補償用薄膜体は、導電性材料からなると共に、電流が流れることによって発熱し溶断する幅狭部を有するものとすることができる（請求項１４）。このような歪補償用薄膜体であれば、幅狭部を溶断させることにより、当該薄膜体の長さを調節できるので、実際の歪の発生度合いに応じて歪補償用薄膜体の歪補償特性を容易に変えることができる。

以下、本発明を実施形態により具体的に説明する。
（第１の実施形態）
図１ないし図５は、本発明の第１の実施形態を示す。電子装置としての静電容量式の半導体加速度センサ１は、図４に示されている。この半導体加速度センサ１は、例えば自動車に搭載されて運転制御用のものとして用いるものであって、パッケージ２内に収納されている。このパッケージ２は、セラミック製であり、半導体加速度センサ１の基部となって被測定個所に取り付けられる。

パッケージ２の内底部には、回路チップ（第１のチップ）３が接着剤４により接着されている。半導体チップとしてのセンサチップ（第２のチップ）５は、他の部品、つまり回路チップ３の上面に設けられたボンディング部３ａに搭載され、接着フィルム６によって接着されている。このようにして回路チップ３上に積層されたセンサチップ５は、力学量である加速度を検出するためのものであり、回路チップ３にボンディングワイヤ７を介して接続され、回路チップ３は、パッケージ２にボンディングワイヤ８を介して電気的に接続されている。なお、回路チップ３は、センサチップ５の電気信号を処理して出力する機能を有している。

さて、センサチップ５の半導体基板としては、例えばＳＯＩが用いられており、図２に示すように、Ｓｉ基板５ａ上にＳｉＯ₂膜５ｂを設け、更にＳｉＯ₂膜５ｂ上にＳｉ層５ｃを設けてなるものである。このセンサチップ５のＳｉ層５ｃには、９０度異なる２方向の加速度を検出するために、２つのセンシング部９，１０が形成されている。センシング部９，１０は、図１にも示すように、夫々可動部１１と固定部１２とからなり、可動部１１と固定部１２は、溝Ｃによって分離されている。

可動部１１は、中央の直線状の錘部１３の両端部が弾性変形可能なばね部１４によってアンカー部１５に支えられていて錘部１３の長手方向に変位可能となっている。そして、可動部１１の錘部１３の両側には、複数個の可動電極１６が櫛刃状に突出形成されている。このような可動部１１は、アンカー部１５を除いて下側のＳｉＯ₂膜５ｂが除去されてＳｉ基板５ａとの間に隙間Ｇが存在している。従って、可動部１１は、錘部１３の中心軸線の方向に変位可能となっている。

一方、固定部１２は、可動部１１の錘部１３を挟んで設けられた一対のアンカー部１７から可動部１１の可動電極１６と噛み合うように突出する複数個の櫛刃状の固定電極１８とからなる。アンカー部１７を除く固定電極１８の下側のＳｉＯ₂膜５ｂは除去されており、このような固定部１２の固定電極１８は、可動部１１の可動電極１６とキャパシタを構成する。

そして、加速度を受けると、ばね部１４のばね機能により、可動部１１全体が錘部１３の長手方向に変位し、この変位量に応じて可動電極１６と固定電極１８との間隔が変化することによってキャパシタの容量が変化する。この容量変化を電気信号として出力することによって加速度が検出できるものである。本実施例では、２つのセンシング部９，１０によって直交する２方向の加速度を検出するために、図１に示すように矩形状をなすセンサチップ５に対して、一方のセンシング部９をその錘部１３がセンサチップ５の長辺と平行となるように、他方のセンシング部１０をその錘部１３がセンサチップ５の短辺と平行となるように形成している。これにより、２つのセンシング部９，１０は、９０度異なる２方向から作用する加速度を夫々検出するようになっている。

さて、センサチップ５のＳｉ層５ｃの表面には、図１に示すように、歪補償用薄膜体として、センサチップ５よりも熱膨張率の小さい例えばＳｉＯ₂膜１９〜２２が蒸着などの適宜の接着法によって接着されている。このＳｉＯ₂膜１９〜２２は、温度上昇した場合に、センサチップ５の熱歪を補償してセンシング部９，１０の誤検出を防止するようにしたものである。このＳｉＯ₂膜１９〜２２は、各センシング部９において、固定部１２の両側のアンカー部１７に接着されているが、各アンカー部１７における位置は夫々異なる。

即ち、図３は、１５０℃に加熱した場合のセンサチップ５の厚さ方向の歪量を歪検出装置によって測定したもので、歪量が等高線で示されている。これによれば、センサチップ５は、中央が膨らむように歪む。このため、各センシング部９，１０は、錘部１３の両側の固定部１７の歪量が、図示の上下および左右の各方向（錘部１３の長さ方向およびこれとは直角の方向）において互いに異なっている。この場合、仮に、センサチップが正方形で、センシング部も中央部に１つだけ形成されていれば、錘部の両側の固定部の歪量は同じであるから、電気的処理によって歪をキャンセルした電気信号を出力することは可能である。

しかしながら、本実施形態では、各センシング部９，１０において、錘部１３の両側の固定部１７の変形量が異なるので、電気的処理によって歪量の違いをキャンセルすることが困難となる。そこで、本実施形態では、ＳｉＯ₂膜１９〜２２のないセンサチップ５を用いて半導体加速度センサ１を製造した後、当該半導体加速度センサ１を使用温度に加熱して各部の歪量を測定し、そして、各部の歪が補償（キャンセル）されるような部位にＳｉＯ₂膜１９〜２２を形成するようにしたものである。

これによれば、温度上昇した場合、センサチップ５の各部は変形しようとするが、ＳｉＯ₂膜１９〜２２の線膨張率がセンサチップ５よりも小さいので、ＳｉＯ₂膜１９〜２２がセンサチップ５の熱歪の大きい部位の当該熱歪を止めるように作用する。この結果、各センシング部９，１０の錘部１３の両側の固定部１７が同じように歪むようになる。このように、錘部１３の両側の固定部１７が同じように歪を生ずれば、後は電気的処理によって歪をキャンセルした電気信号として出力できるようにすることができる。
なお、上記のようにしてＳｉＯ₂膜１９〜２２を形成したセンサチップ５を使用して再度半導体センサ１を製造し、歪検出装置によって錘部１３の両側の固定部１７が同じように歪むことを確認した上で、量産に入るようにする。

本実施形態においての半導体加速度センサ１の製造手順は、図５に示す通りである。まず、パッケージ２の内定面に接着剤４を塗布し（図５（ａ））、回路チップ３を接着する（図５（ｂ））。次に、回路チップ３の上面のボンディング部３ａに接着フィルム６を載せ（図５（ｃ））、この接着フィルム６上に、予めＳｉＯ₂膜１９〜２２が形成されたセンサチップ５を載せる（図５（ｄ））、接着フィルム６を加熱溶融させてセンサチップ５を回路チップ３に接着する（図５（ｅ））。その後、ボンディングワイヤ７，８により、回路チップ３とセンサチップ５との間、回路チップ３とパッケージ２との間を電気的に接続し、最後にメタルリッド２３をパッケージ２に被せて接着する（図５（ｆ））。以上により、半導体加速度センサ１が製造される。
なお、歪補償用薄膜体としては、センサチップ５の熱歪特性（温度上昇したときの歪の状態）によっては、ハッチングを付して示す図６のように設けてもよい。

（第２の実施形態）
図７は、本発明の第２の実施形態を示すもので、上述の第１の実施形態と異なるところは、センサチップ５上に形成したＳｉＯ₂膜をレーザにより分断するようにしたところにある。即ち、図７（ａ）に示すように、当初、ＳｉＯ₂膜２４を、各固定部１２のアンカー部１７に、その全体に亘って設けておく。そして、半導体加速度センサ１として完成させた後、加熱してセンサチップ５の歪を計測し、その結果に基づいて歪補償をより正確に行うことができるようにするために、図７（ｂ）に示すように、ＳｉＯ₂膜２４の所要個所を例えばレーザにより除去する。レーザによる除去部分を図７（ｂ）に符号２５で示した。

（第３の実施形態）
図８は、本発明の第３の実施形態を示すもので、上述の第１の実施形態と異なるところは、センサチップ５上に形成した膜をＳｉＯ₂ではなく、アルミニウム膜として、そのアルミニウム膜を熱溶断により分断するようにしたところにある。即ち、図８（ａ）に示すように、当初、アルミニウム膜２６を、固定部１２のアンカー部１７の全体に亘って設けておく。図８では、各アンカー部１７に夫々３本のアルミニウム膜２６を設けている。このアルミニウム膜２６の途中部には、幅狭部２６ａが設けられている。

そして、半導体加速度センサ１として完成させた後、加熱してセンサチップ５の歪を計測し、その結果に基づいて歪補償をより正確に行うことができるようにするために、所要のアルミニウム膜２４の両端に電圧を印加する。すると、アルミニウム膜２４に電流が流れ、幅狭部２６ａでは、大きなジュール熱を発生するので、その熱によって幅狭部２６ａが溶断され、その結果、アルミニウム膜２６が図８（ｂ）に示すように分断される。

（その他の実施形態）
なお、本発明は上記し且つ図面に示す実施形態に限定されるものではなく、以下のような変更或いは拡張が可能である。
センサチップに設けるセンシング部は、１つであっても良い。
センシング部により検出する物理量は、加速度に限られない。例えば、同様な可動部を持ち、櫛歯様の容量検出構造を持つ、角速度センサや力センサ、変位センサ、傾斜センサであってもよく、また櫛歯用の容量検出構造のみを持つ湿度センサであっても同様に適用が可能である。
センサチップは、回路チップ上に搭載する形態に限られない。例えば、プリント配線基板上に直接搭載する形態のものであっても良い。
温度上昇によるセンサチップ５の歪の計測は、歪検出装置によるものに限られない。
歪補償用薄膜体の材質としては、ＳｉＯ₂やアルミニウム膜に限られない。プリント基板上に実装される場合など、センサチップに加わる熱ひずみが大きくなった場合、それをキャンセルできる線膨脹係数を持った材料であればよく、例えばＳｉＮであってもよい。

本発明の第１の実施形態を示すセンサチップの平面図センサチップを途中で切断して示す斜視図センサチップの熱歪を測定した結果を示す図半導体加速度センサを示すもので、（ａ）はメタルリッドを除去して示す平面図、（ｂ）は断面図半導体加速度センサの製造過程を示す平面図ＳｉＯ₂膜の変形例を示す図１相当図本発明の第２の実施形態を示す１つのセンシング部の平面図本発明の第３の実施形態を示す１つのセンシング部の平面図

符号の説明

図面中、１は半導体加速度センサ（電子装置）、３は回路チップ、５はセンサチップ（半導体チップ）、９，１０はセンシング部、１１は可動部、１２は固定部、１３は錘部、１４はばね部、１５はアンカー部、１６は可動電極、１７はアンカー部、１８は固定電極、１９〜２２，２４はＳｉＯ₂膜（歪補償用薄膜体）、２６はアルミニウム膜（歪補償用薄膜体）、２６ａは幅狭部である。

Claims

半導体チップを他の部品に接合して構成された電子装置において、
前記半導体チップの表面に、温度変化によって当該半導体チップに生ずる歪を補償するために所定部位に歪補償用薄膜体を取着したことを特徴とする電子装置。
前記半導体チップは、力学量を検出するためのセンシング部を有することを特徴とする請求項１記載の電子装置。
前記センシング部は、加速度を検出することを特徴とする請求項２記載の電子装置。
前記センシング部は、加速度を検出するためのもので、前記半導体チップは、９０度異なる２方向の加速度を検出するために、前記センシング部を、センシング方向を９０度異ならせて２つ有することを特徴とする請求項２記載の電子装置。
前記センシング部は、角速度を検出することを特徴とする請求項２記載の電子装置。
前記センシング部は、外力を検出することを特徴とする請求項２記載の電子装置。
前記センシング部は、変位を検出することを特徴とする請求項２記載の電子装置。
前記センシング部は、傾斜を検出することを特徴とする請求項２記載の電子装置。
前記センシング部は、２個以上存在していることを特徴とする請求項２記載の電子装置。
前記センシング部は、容量検出電極を備えた容量検出方式であることを特徴とする請求項２記載の電子装置。
前記センシング部は、湿度により容量値が変化することで、湿度を検出することを特徴とする請求項１０記載の電子装置。
前記歪補償用薄膜体は、ＳｉＯ₂からなることを特徴とする請求項１ないし１１のいずれかに記載の電子装置。
前記歪補償用薄膜体は、アルミニウムからなることを特徴とする請求項１ないし１１のいずれかに記載の電子装置。
前記歪補償用薄膜体は、導電性材料からなると共に、電流が流れることによって発熱し溶断する幅狭部を有することを特徴とする請求項１ないし１１のいずれかに記載の電子装置。