JP2009099791A - 半導体装置及び半導体装置ユニット - Google Patents

Abstract

【課題】セラミックパッケージにコンデンサを内蔵する構成を低コストで実施することができる半導体装置及び半導体装置ユニットを提供する。
【解決手段】積層した複数のセラミック基板１３ａ〜１３ｇを焼結してセラミックパッケージ１３を形成する際に、セラミック基板１３ｇを挟むように対向電極２０を形成しておくことによりセラミック基板１３ｇを誘電体として機能させるようにしたので、セラミックパッケージ１３にコンデンサ２１を内蔵することができる。この場合、セラミックパッケージ１３を形成する際にコンデンサ２１を同時に構成することができるので、低コストで実施することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、セラミックパッケージにコンデンサが内蔵された半導体装置及びこのような半導体装置を備えた半導体装置ユニットに関する。

例えば、通信機能を有する半導体式センサにおいては、通信に必要な電源電圧を一旦コンデンサに蓄えてから、センサ出力を送信する通信方式が提供されている。
特開平９−２１４２４９号公報

このような構成のものでは、コンデンサ容量が比較的大きいことから、コンデンサを半導体式センサ内に設けることが困難である。このため、半導体式センサが搭載されるプリント配線基板上にセラミックコンデンサを実装する構造を採用しており、部品コスト、加工コストが高いという問題がある。
このような課題に対して、セラミックパッケージにコンデンサを構成する電極を埋設することが提案されているものの、電極をセラミックパッケージに埋設する構成は複雑でコスト高となる（特許文献１参照）。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、セラミックパッケージにコンデンサを内蔵する構成を低コストで実施することができる半導体装置及び半導体装置ユニットを提供することにある。

請求項１記載の発明によれば、セラミック基板を積層状態で焼結してセラミックパッケージを形成することによりコンデンサを構成することができるので、全体の構成を簡単化することができ、コストを低減することができる。つまり、コンデンサの部品費用、コンデンサを搭載するためのプリント配線基板、コンデンサをプリント配線基板に搭載するための加工費用等を低減することができる。

請求項２の発明によれば、対向電極はセラミック基板と一体であるので、セラミック基板と独立した対向電極を特別に設けることなくコンデンサを構成することができるので、コンデンサを容易に製造することができる。
請求項３記載の発明によれば、対向電極で挟まれたセラミック基板の層数を変更することによりコンデンサの容量を容易に設定することができる。
請求項４の発明によれば、対向電極の面積を変更することによりコンデンサの容量を容易に設定することができる。

請求項５ないし７の発明によれば、通信電流充電用コンデンサ、静電気対策用コンデンサ、電気フィルタ用コンデンサをセラミックパッケージに内蔵することができる。
請求項８の発明によれば、複数のコンデンサを組み合わせることによりコンデンサの容量を増大したり、容量を変更したり、異なる機能のコンデンサをセラミックパッケージに内蔵することができる。
請求項１０の発明によれば、対向電極と外部電極とを兼ねることができるので、全体構成の簡単化を図ることができる。

以下、本発明を自動車のエアバッグ用の加速度センサユニットに適用した場合の一実施例について図１ないし図４を参照して説明する。
図２は加速度センサユニットを示す平面図、図３はその縦断側面図である。尚、図２は、蓋を取外した状態で示している。加速度センサユニット（半導体装置ユニットに相当）１は、ハウジング２、半導体加速度センサ（半導体装置に相当）３、蓋４から構成されている。

ハウジング２は、複数のターミナル５をインサート成形して形成されており、そのターミナル５の先端部がハウジング２のカバー部６内に突出すると共に、基端部がキャビティ７に位置して図示上方を臨んでいる。ハウジング２の取付部８には孔部９が形成されていると共に、その孔部９に金属製のカラー１０が装着されており、そのカラー１０を通じて図示しないボルトを螺着することにより加速度センサユニット１を所定部位に固定可能となっている。

図１は半導体加速度センサ３の縦断面図、図４（ａ）はその平面図、図４（ｂ）はその側面図、図４（ｄ）はその底面図である。尚、これらの図は概略図である。
半導体加速度センサ３は、センサチップ（ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）センサチップ、半導体チップに相当）１１と、このセンサチップ１１の下側に配置された回路チップ（半導体チップに相当）１２と、これらを収納する容器形状のセラミックパッケージ１３とから構成されている。

セラミックパッケージ１３は、複数のグリーンシート状態のセラミック基板１３ａ〜１３ｇ（実際の枚数とは異なる）を積層して焼結することにより形成されている。この場合、グリーンシート状態のセラミック基板１３ａ〜１３ｄにはあらかじめキャビティ７を形成するための開口部１３ａ１〜１３ｄ１が形成されている。

セラミック基板１３ｃ〜１３ｇには図示しないスルーホールが所定部位に形成されていると共に、後述する導体パターンの下地金属となるＷ（タングステン）膜が印刷処理により形成されている。このように加工されたグリーンシート状態のセラミック基板１３ａ〜１３ｇは、加圧積層された後、所定の焼結工程を経て一体物としてのセラミックパッケージ１３が形成される。
尚、セラミック基板１３ａ〜１３ｇの厚み寸法としては、例えばセラミックパッケージ１３の底面側となるセラミック基板１３ｅ〜１３ｇが０．１５ｍｍ、キャビティ７形成用のセラミック基板１３ａ〜１３ｄが０．４ｍｍに設定されている。

上述のようにセラミックパッケージ１３を形成した後、下地金属のＷ膜のうち表面に露出している部分はめっき処理工程によりＮｉ（ニッケル）膜およびＡｕ（金）膜が形成されることにより、配線用導体パターン１４およびボンディング用導体パターン１５ならびに外部電極１６が形成される。配線用導体パターン１４は、セラミックパッケージ１３の外周面部または所定面部とキャビティ７内の部分とを電気的に接続するためのもので、スルーホール内に形成されるＷ膜を介して導通するようになっている。ボンディング用導体パターン１５は、キャビティ７内に導いた配線用導体パターン１４とキャビティ７内に配設される回路チップ１２の各ボンディングパッドとをボンディングワイヤにより電気的に接続する部分に形成するためのものである。

次に、センサチップ１１及び回路チップ１２は、キャビティ７内の所定位置にシリコーン系のダイボンド剤をディスペンスやスタンピングにより必要量だけ塗布された後マウントされる。
次に、キャビティ７内にマウントされたセンサチップ１１及び回路チップ１２の各電極パッド（図示せず）とキャビティ７内に配設されたボンディング用導体パターン１５との間をボンディング工程により接続する。ボンディングワイヤ１７は、Ａｌ（アルミニウム）ワイヤあるいはＡｕワイヤなどが使用される。

最後に、キャビティ７を閉塞するキャップ１８を装着する。キャップ１８は、キャビティ７の形状に対応したシール部に、あらかじめガラスあるいは高温はんだまたは低融点ガラスなどの封止剤が印刷などにより配設されている。このキャップ１８を治具を用いて位置合わせを行って所定位置に配置し、この後、ベルト炉やオーブンなどを用いて例えば３００℃程度の温度で加熱処理する。これによって半導体加速度センサ３をリードレス表面実装形パッケージとして構成することができる。このように形成された加速度センサユニット１の外部電極１６にはハンダバンプ１９が配設されている。

一方、本実施例では、セラミックパッケージ１３にコンデンサが内蔵されており、以下、その構成について説明する。グリーンシート状態の所定のセラミック基板１３ｇの両面の所定領域にはＷ膜が印刷処理により形成されており、セラミック基板１３ｇの図示上方となる面に形成されたＷ膜が内部電極（導体パターンに相当）２０ａを形成している。セラミック基板１３ｇの図示下方となる面（セラミックパッケージ３の外面）に形成されたＷ膜が、めっき処理工程によりＮｉ（ニッケル）膜およびＡｕ（金）膜が形成されることにより外部電極（導体パターンに相当）２０ｂを形成している。これらの電極２０ａ，２０ｂによりセラミック基板１３ｇを挟んだ対向電極２０が形成されている。内部電極２０ａは、配線用導体パターン１４を通じてボンディング用導体パターン１５と接続されている。対向電極２０を構成する外部電極２０ｂにハンダバンプ１９が装着されている。

以上のような構成により、セラミック基板１３ｇにおいて対向電極２０で挟まれた部位が誘電体として機能するもので、セラミックパッケージ１３にコンデンサ２１を内蔵することができる。この場合のコンデンサ２１の容量は、Ｃ＝ε・Ｓ／ｄの式で表すことができる。但し、Ｃ：コンデンサ容量、ε：誘電率、Ｓ＝電極面積、ｄ：電極間の距離である。

加速度センサユニット１は、ハンダバンプ１９を例えばはんだリフロー処理によりターミナル５にフリップチップ実装することにより製作されている。
加速度センサユニット１は、車両に搭載された状態では、半導体加速度センサ３により加速度の大きさを検出し、その大きさを示す信号を例えばＤＳＩ（distributed system interface）通信によりエアバックシステムに出力する。このとき、上述のようにセラミックパッケージ１３に形成したコンデンサ２１は、エアバックシステムとの通信電流充電用コンデンサとして使用されるようになっており、通信時に瞬間的に大きな電流を必要とする場合であっても、コンデンサ２１から十分な通信電流を供給することができる。

このような実施例によれば、複数のグリーンシート状態のセラミック基板１３ａ〜１３ｇを積層状態で焼結してセラミックパッケージ１３を形成する際に、セラミック基板１３ｇを挟むように対向電極２０を形成しておくことによりセラミック基板１３ｇを誘電体として機能させるようにしたので、セラミックパッケージ１３にコンデンサ２１を内蔵することができる。従って、セラミックパッケージにコンデンサを構成する電極を埋設する構成のものと違って、セラミックパッケージ１３を形成する際にコンデンサ２１を同時に構成することができるので、低コストで実施することができる。また、外付け部品としてのコンデンサを省略することができる結果、コンデンサを搭載するために従来必要であったプリント配線基板をも省略することが可能となるので、コストを一層低減することができる。

尚、セラミックパッケージ１３に形成するコンデンサ２１の容量を変更する場合は、図５に示すように対向電極２０で挟むセラミック基板の枚数を増加したり、図６に示すように対向電極２０の面積を変更したりしてもよい。また、図６に示すようにセラミック基板に挟まれたセラミック基板１３ｆを対向電極２０で挟み、電極２０ｂを外部電極１６と接続するようにしてもよい。さらに、図７に示すようにセラミックパッケージ１３の側面に外部電極１６、２０ｂを形成し、外部電極２０ｂと内部電極２０ａとで対向電極２０を形成することによりコンデンサ２１を構成するようにしてもよい。このような構成によれば、半導体加速度センサ３をハウジング２のターミナル５に縦型に搭載することができる。

本発明は、上記実施例に限定されることなく、次のように変形または拡張できる。
図１のように、内部電極２０ａおよび外部電極２０ｂの両方が、センサチップ１１および回路チップ１２の投射面上に存在しないことが望ましい。ここで、センサチップ１１が、シリコンよりなる可動部と固定部とを、絶縁層を介してシリコン基板とシリコン支持基板を積層したＳＯＩ基板の一方のシリコン層に形成し、加速度などによる可動体の変位を、可動部と固定部との間の静電容量により検出する構造であるとする。この場合、内部電極２０ａおよび外部電極２０ｂの一部が、センサチップ１１の投射面上に存在すると、シリコンよりなる可動部と内部電極２０ａ、可動部と外部電極２０ｂ、シリコンよりなる固定部と内部電極２０ａ、固定部と外部電極２０ｂ、支持基板と内部電極２０ｂ、支持基板と外部電極２０ｂとの間に静電容量（寄生容量）が発生する恐れがある。このような寄生容量は、可動部の変位に基づく静電容量にノイズとして重畳されＳ／Ｎ比が悪化する可能性や、可動部が固定部などに固着するスティッキング現象の原因となり得る。従って、内部電極２０ａおよび外部電極２０ｂの両方が、センサチップ１１の投射面上に存在しない構造であれば、上記の寄生容量の発生を抑制することができ、Ｓ／Ｎ比の悪化などを防ぐことができる。同様に、内部電極２０ａおよび外部電極２０ｂの両方が、回路チップ１２の投射面上に存在しない構造であれば、投射面上に存在する場合に比べて、回路チップ１２と内部電極２０ａ、回路チップ１２と外部電極２０ｂの間に発生する寄生容量を抑制することができる。

さらに、内部電極２０ａおよび外部電極２０ｂの両方が、セラミックパッケージ１３のキャビティ７形成用のセラミック基板１３ａ〜１３ｄの投射面上にのみ存在することが望ましい。この場合、ボンディングワイヤ１７と内部電極２０ａ、ボンディングワイヤ１７と外部電極２０ｂとの間に発生する寄生容量を抑制することができる。
セラミックパッケージ１３に内蔵したコンデンサ２１の用途としては、ＥＳＤ（Electrostatic Discharge、静電気放電）、或いは電気フィルタ用として使用するようにしてもよい。

セラミックパッケージ１３に複数のコンデンサ２１を内蔵するようにしてもよい。この場合、複数のコンデンサ２１を並列接続することによりコンデンサの容量の増大を図ったり、複数のコンデンサ２１のそれぞれに異なる機能を持たせたりすることができる。
半導体加速度センサ３をハウジング２のターミナル５にボンディグワイヤにより接続するようにしてもよい。
本発明を半導体加速度センサ以外の各種センサに適用するようにしてもよい。

本発明の一実施例における半導体加速度センサの縦断側面図 蓋を外した状態で示す加速度センサユニットの平面図 加速度センサユニットの縦断側面図 半導体加速度センサの（ａ）平面図、（ｂ）側面図、（ｃ）底面図 変形例を示す図１相当図（その１） 変形例を示す図１相当図（その２） 変形例を示す図１相当図（その３）

符号の説明

図面中、１は加速度センサユニット（半導体装置ユニット）、２はハウジング、３は半導体加速度センサ（半導体装置）、５はターミナル、１１はセンサチップ（半導体チップ）、１２は回路チップ（半導体チップ）、１３はセラミックパッケージ、１３ａ〜１３ｇはセラミック基板、２０は対向電極、２０ａは内部電極（導体パターン）、２０ｂは外部電極（導体パターン）、２１はコンデンサである。

Claims (10)

1. 複数の薄板状のセラミック基板を積層状態で焼結してなるセラミックパッケージと、
   前記セラミックパッケージに収納された半導体チップと、
   前記半導体チップの動作時に所定機能を発揮するコンデンサとを備え、
   前記コンデンサは、前記セラミック基板が誘電体として機能するように当該セラミック基板を対向電極で挟んで構成されていることを特徴とする半導体装置。
2. 前記対向電極は、前記セラミック基板の表面に形成された導体パターンであることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
3. 前記コンデンサの容量は、前記対向電極に挟まれた前記セラミック基板の層数を変更することにより設定されていることを特徴とする請求項１または２記載の半導体装置。
4. 前記コンデンサの容量は、前記対向電極の面積を変更することにより設定されていることを特徴とする請求項１または２記載の半導体装置。
5. 前記半導体チップは、外部との通信機能を有し、
   前記コンデンサは、通信電流充電用コンデンサであることを特徴とする請求項１ないし４の何れかに記載の半導体装置。
6. 前記コンデンサは、静電気対策用コンデンサであることを特徴とする請求項１ないし４の何れかに記載の半導体装置。
7. 前記コンデンサは、電気フィルタ用コンデンサであることを特徴とする請求項１ないし４の何れかに記載の半導体装置。
8. 前記コンデンサは、複数設けられていることを特徴とする請求項１ないし７の何れかに記載の半導体装置。
9. 前記対向電極の一方が前記セラミックパッケージの外部に位置して外部電極を兼ねていることを特徴とする請求項１ないし８の何れかに記載の半導体装置。
10. 請求項１ないし９の何れかの半導体装置と、
    外部機器と接続されるターミナルを有したハウジングとを備え、
    前記半導体装置は、前記外部電極にバンプが配設され、当該バンプにより前記ターミナルと接続されていることを特徴とする半導体装置ユニット。

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