JP2009294152A - Capacity sensor package - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、静電容量を用いて圧力などの物理量を検出する容量センサのパッケージに関する。 The present invention relates to a package of a capacitance sensor that detects a physical quantity such as pressure by using a capacitance.
圧力などの物理量を検出するセンサとして、例えば容量センサがある。この容量センサは、固定電極と、ダイヤフラムなどの可動電極とで構成され、固定電極と可動電極との間の静電容量の変化を検出することにより、物理量を求めることができる。 As a sensor for detecting a physical quantity such as pressure, there is a capacity sensor, for example. This capacitance sensor is composed of a fixed electrode and a movable electrode such as a diaphragm, and a physical quantity can be obtained by detecting a change in capacitance between the fixed electrode and the movable electrode.
このような容量センサは、携帯電話やPDA(Personal Digital Assistance)のような電子機器に搭載されるようになってきており、電子素子としてパッケージ化される。パッケージング化された容量センサの例として、特許文献1に開示されているものがある。この容量センサパッケージは、図6に示すように、基板61上に容量センサ62が実装されており、容量センサ62の可動電極であるダイヤフラム62a以外の領域が樹脂63によりモールドされて構成されている。
しかしながら、図6に示す容量センサパッケージにおいては、容量センサ62のダイヤフラム62a以外の領域に樹脂63を被覆しているが、樹脂封止の際にアライメントずれなどが起こると、ダイヤフラム62aに樹脂63が流れ出してしまい、ダイヤフラム62aが正常に可動できなくなり、正確に物理量を検出することができない。また、図6に示す構成においては、ダイヤフラム62aは非常に薄いので、機械的強度がとれないという問題もある。
However, in the capacitive sensor package shown in FIG. 6, the
本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、樹脂によりパッケージングを行っても正確に物理量を検出することが可能な容量センサパッケージを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of this point, and an object of the present invention is to provide a capacitive sensor package capable of accurately detecting a physical quantity even when packaging is performed with a resin.
本発明の容量センサパッケージは、一対の主面及び通気穴を有する配線基板と、前記配線基板の一方の主面上に実装されており、可動電極及び固定電極を有し、前記可動電極と前記固定電極との間の静電容量の変化から物理量を検出する容量センサと、前記配線基板の前記一方の主面上で前記通気穴を閉塞せずに前記容量センサを封止する封止部材と、を具備し、前記容量センサは、前記通気穴を介して導入される外気で前記可動電極が可動する位置に実装されていることを特徴とする。 The capacitive sensor package of the present invention is mounted on a wiring board having a pair of main surfaces and vent holes, and on one main surface of the wiring board, and has a movable electrode and a fixed electrode. A capacitance sensor that detects a physical quantity from a change in capacitance with the fixed electrode; and a sealing member that seals the capacitance sensor without closing the vent hole on the one main surface of the wiring board; The capacitance sensor is mounted at a position where the movable electrode is movable by outside air introduced through the vent hole.
この構成によれば、通気穴を有する配線基板上に、可動電極を下にし、固定電極を上にした状態で容量センサを実装しているので、容量センサを封止部材で被覆しても、封止部材を構成する封止樹脂は、第3シリコン層と接触するが、可動電極領域には接触しない。このため、可動電極に対して封止樹脂の影響は全くないことになり、従来のように容量センサを封止樹脂で封止する場合に、可動電極に封止樹脂が流れ出して、そのために正確に物理量を検出できなくなることはなく、正確に物理量を検出することが可能となる。 According to this configuration, since the capacitive sensor is mounted on the wiring board having the vent holes with the movable electrode facing down and the fixed electrode facing up, even if the capacitive sensor is covered with the sealing member, The sealing resin constituting the sealing member contacts the third silicon layer but does not contact the movable electrode region. For this reason, there is no influence of the sealing resin on the movable electrode, and when the capacitive sensor is sealed with the sealing resin as in the prior art, the sealing resin flows out to the movable electrode, and therefore it is accurate. Therefore, the physical quantity cannot be detected in a short time, and the physical quantity can be accurately detected.
本発明の容量センサパッケージにおいては、前記容量センサは、前記可動電極を構成する第1シリコン層と、前記配線基板の一方の主面上に実装される第2シリコン層と、前記第1シリコン層及び前記第2シリコン層の間に介在する一定厚の絶縁層と、から構成されることが好ましい。 In the capacitive sensor package of the present invention, the capacitive sensor includes a first silicon layer constituting the movable electrode, a second silicon layer mounted on one main surface of the wiring board, and the first silicon layer. And an insulating layer having a constant thickness interposed between the second silicon layers.
この構成によれば、第2シリコン層のエッチングストッパとして絶縁層が機能するので、第2シリコン層のエッチングの際に第1シリコン層がエッチングされることがなく、第1シリコン層の厚さを可動電極領域全体にわたって正確に確保することができる。これにより、正確に物理量の検出を行うことが可能となる。 According to this configuration, since the insulating layer functions as an etching stopper for the second silicon layer, the first silicon layer is not etched when the second silicon layer is etched, and the thickness of the first silicon layer is reduced. It can be ensured accurately over the entire movable electrode region. This makes it possible to accurately detect the physical quantity.
本発明の容量センサパッケージにおいては、前記第2シリコン層は、前記配線基板の温度変化による膨張・収縮を吸収するために十分な厚さを持つことが好ましい。 In the capacitive sensor package of the present invention, it is preferable that the second silicon layer has a thickness sufficient to absorb expansion / contraction due to a temperature change of the wiring board.
本発明の容量センサパッケージにおいては、前記容量センサは、前記固定電極を構成する第3シリコン層と、前記可動電極を構成する第1シリコン層と、前記第1シリコン層、前記第3シリコン層、及び前記可動電極と前記固定電極との間のギャップに相当する厚さを持つ熱酸化膜で囲まれるキャビティ領域と、を有することが好ましい。 In the capacitive sensor package of the present invention, the capacitive sensor includes a third silicon layer constituting the fixed electrode, a first silicon layer constituting the movable electrode, the first silicon layer, the third silicon layer, And a cavity region surrounded by a thermal oxide film having a thickness corresponding to the gap between the movable electrode and the fixed electrode.
この構成において、シリコン基板の熱酸化膜の厚さは、可動電極と固定電極との間のギャップに相当する。この可動電極と固定電極との間のギャップは、センサ感度に大きく影響する。シリコン基板の熱酸化膜の厚さは、1nm単位で膜厚制御することが可能であるので、このような構成を採ることにより、可動電極と固定電極との間のギャップの精度を高めることができ、結果として、センサの検出精度を高くすることが可能となる。 In this configuration, the thickness of the thermal oxide film on the silicon substrate corresponds to the gap between the movable electrode and the fixed electrode. The gap between the movable electrode and the fixed electrode greatly affects the sensor sensitivity. Since the thickness of the thermal oxide film of the silicon substrate can be controlled in units of 1 nm, by adopting such a configuration, the accuracy of the gap between the movable electrode and the fixed electrode can be improved. As a result, the detection accuracy of the sensor can be increased.
本発明の容量センサパッケージは、一対の主面及び通気穴を有する配線基板と、前記配線基板の一方の主面上に実装されており、可動電極及び固定電極を有し、前記可動電極と前記固定電極との間の静電容量の変化から物理量を検出する容量センサと、前記配線基板の前記一方の主面上で前記通気穴を閉塞せずに前記容量センサを封止する封止部材と、を具備し、前記容量センサは、前記通気穴を介して導入される外気で前記可動電極が可動する位置に実装されているので、樹脂によりパッケージングを行っても正確に物理量を検出することができる。 The capacitive sensor package of the present invention is mounted on a wiring board having a pair of main surfaces and vent holes, and on one main surface of the wiring board, and has a movable electrode and a fixed electrode. A capacitance sensor that detects a physical quantity from a change in capacitance with the fixed electrode; and a sealing member that seals the capacitance sensor without closing the vent hole on the one main surface of the wiring board; The capacitive sensor is mounted at a position where the movable electrode is movable by the outside air introduced through the vent hole, so that the physical quantity can be accurately detected even if packaging is performed with resin. Can do.
以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照して詳細に説明する。
図1は、本発明の実施の形態に係る容量センサパッケージを示す図であり、(a)は断面図であり、(b)は平面図である。図1に示す容量センサパッケージは、配線基板11を有する。この配線基板11としては、ガラスエポキシやセラミックスで構成されたプリント配線板などが挙げられる。この配線基板11には、外気を通過させるための通気穴11aが設けられている。この通気穴11aの大きさは、容量センサのサイズによるが、後述する容量センサのダイヤフラムが物理量検出用の可動に十分な外気を通過させることができる大きさであれば特に制限されない。また、配線基板11の一対の主面のうちの一方の主面11b上には、容量センサの電極と電気的に接続するための導電性のランド13が設けられている。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
1A and 1B are diagrams showing a capacitive sensor package according to an embodiment of the present invention. FIG. 1A is a cross-sectional view, and FIG. 1B is a plan view. The capacitive sensor package shown in FIG. 1 has a
配線基板11の一方の主面11b上には、可動電極及び固定電極を有し、この可動電極と固定電極との間の静電容量の変化から物理量を検出する容量センサ12がダイボンド材14によりダイボンド(実装)されている。
A
容量センサ12は、可動電極であるダイヤフラム12aを構成する第1シリコン層12b、配線基板11の一方の主面上に実装される第2シリコン層12c、並びに第1シリコン層12b及び第2シリコン層12cの間に介在する一定厚の絶縁層12dから構成されるSOI(Silicon On Insulator)基板と、固定電極を構成する第3シリコン層12e、並びに前記第1シリコン層12bと第3シリコン層12eとの間に位置するように第3シリコン層12e上に設けられており、ダイヤフラム12aと固定電極(第3シリコン層12e)との間のギャップに相当する厚さを持つ熱酸化膜12fから構成されるシリコン基板と、を接合することにより構成されている。
The
容量センサ12において、SOI基板の第2シリコン層12cの一方の面は、ダイボンド材14を介して配線基板11上に実装されており、ダイヤフラム12aに対応する領域に開口部を有し、配線基板11の通気穴11aからの外気をその開口部で通過させるようになっている。第2シリコン層12cは、配線基板11の温度変化による膨張・収縮を吸収するために十分な厚さを持つことが好ましい。例えば、配線基板11がガラスエポキシで構成されている場合には、第2シリコン層12cは、200μm〜500μmの厚さを有することが好ましい。
In the
また、容量センサ12において、第2シリコン層12cの他方の面上には絶縁層12dを介して第1シリコン層12bが設けられている。第1シリコン層12bは、その周縁部が第2シリコン層12c上に絶縁層12dを介して設けられており、その中央部は何も支持されておらず可動状態となる。この可動状態の領域がダイヤフラム12aとして機能する。したがって、ダイヤフラム12aは、配線基板11の通気穴11a及び第2シリコン層12cの開口部を介して外気が直接接触する状態となっており、外気により変位可能となっている。なお、第1シリコン層12bの厚さは、10μm〜50μmであることが好ましく、絶縁層12dの厚さは、1.0μm〜2.0μmであることが好ましい。
In the
このダイヤフラム12aは、SOI基板を加工して形成されるので、すなわち、第2シリコン層12cのエッチングストッパとして絶縁層12dが機能するので、第2シリコン層12cのエッチングの際に第1シリコン層12bがエッチングされることがなく、第1シリコン層12bの厚さをダイヤフラム12a領域全体にわたって正確に確保することができる。これにより、正確に物理量の検出を行うことが可能となる。
Since the
また、SOI基板の第1シリコン層12b(絶縁層12dと反対側の面)上には、第3シリコン層(シリコン基板)12eの表面の熱酸化膜12fが接合されている。この第3シリコン層12eが固定電極を構成する。第1シリコン層12bと、第3シリコン層12eと、可動電極と固定電極との間のギャップに相当する厚さを持つ熱酸化膜12fとで囲まれた領域がキャビティ領域18である。また、第1シリコン層12b上には、可動電極側の電極15aが形成されている。この電極15aとランド13とは、ワイヤ16を用いたワイヤボンディングにより電気的に接続されている。さらに、第3シリコン層12e(熱酸化膜12fと反対側の面)上には、固定電極側の電極15bが形成されている。この電極15bとランド13とは、ワイヤ16を用いたワイヤボンディングにより電気的に接続されている。なお、電極15a,15bの材料としては、アルミニウム、金などの通常の電極材料を用いることができる。
Also, a
シリコン基板の熱酸化膜12fの厚さは、可動電極であるダイヤフラム12aと固定電極である第3シリコン層12eとの間のギャップに相当する。この可動電極と固定電極との間のギャップは、センサ感度に大きく影響する。シリコン基板の熱酸化膜12fの厚さは、1nm単位で膜厚制御することが可能であるので、このような構成を採ることにより、可動電極と固定電極との間のギャップの精度を高めることができ、結果として、センサの検出精度を高くすることが可能となる。なお、第3シリコン層12eの厚さは、150μm〜500μmであることが好ましく、熱酸化膜12fの厚さは、0.5μm〜1.5μmであることが好ましい。
The thickness of the
配線基板11の一方の主面11a上には、通気穴11aを閉塞しないように容量センサ12が封止部材17により封止されている。封止部材17の材料としては、通常の封止材料である、エポキシ樹脂などを用いることができる。
On one
このような構成の容量センサパッケージにおいて、物理量、例えば圧力を検出する場合、容量センサパッケージに圧力が加わると、配線基板11の通気穴11aを介して外気がダイヤフラム12aを押圧する。ダイヤフラム12aを押圧すると、ダイヤフラム12aが変位して、第3シリコン層12eとの間の距離が変わり、その距離の変化による静電容量の変化を容量差として検出することができ、その静電容量変化で圧力を測定することができる。
In the capacitive sensor package having such a configuration, when a physical quantity, for example, pressure is detected, when pressure is applied to the capacitive sensor package, outside air presses the
図1に示す構成を有する容量センサパッケージにおいては、容量センサ12は、配線基板11の通気穴11aを介して導入される外気で可動電極であるダイヤフラム12aが可動する位置に実装されている。すなわち、通気穴11aを有する配線基板11上に、ダイヤフラム12a(可動電極)を下にし、第3シリコン層12e(固定電極)を上にした状態で容量センサを実装しているので、容量センサ12を封止部材17で被覆しても、封止部材17を構成する封止樹脂は、第3シリコン層12eと接触するが、ダイヤフラム12a領域には接触しない。このため、ダイヤフラム12aに対して封止樹脂の影響は全くないことになり、従来のように容量センサを封止樹脂で封止する場合に、ダイヤフラム12aに封止樹脂が流れ出して、そのために正確に物理量を検出できなくなることはなく、正確に物理量を検出することが可能となる。また、この構成によれば、樹脂封止を用いることができるので、低コストでパッケージング化を図ることができる。
In the capacitive sensor package having the configuration shown in FIG. 1, the
次に、上記構成を有する容量センサパッケージの製造方法の一例について説明する。図2(a)〜(c)、図3(a),(b)、図4(a),(b)、図5(a)〜(c)は、本発明に係る容量センサパッケージの製造方法を説明するための図である。 Next, an example of a manufacturing method of the capacitive sensor package having the above configuration will be described. 2 (a)-(c), FIGS. 3 (a), 3 (b), 4 (a), 4 (b) and 5 (a)-(c) show the manufacture of a capacitive sensor package according to the present invention. It is a figure for demonstrating a method.
図2(a)に示すように、第2シリコン層12c上に絶縁層12dを介して第1シリコン層12bを有するSOI基板の第1シリコン層12b上に可動電極用の電極15aを形成する。すなわち、第2シリコン層12c上にスパッタリングにより電極材料を被着し、フォトリソグラフィ及びエッチングにより電極15aを形成する。
As shown in FIG. 2A, the
次いで、図2(b)に示すように、第2シリコン層12cを異方性エッチングして、配線基板11の通気穴11aと連通する開口部21を形成する。このとき、絶縁層12dが第2シリコン層12cのエッチングストッパの役割を果たすので、第1シリコン層12bはエッチングされない。次いで、図2(c)に示すように、絶縁層12dを等方性エッチングして開口部21の絶縁層12dを除去してダイヤフラム12aを形成する。
Next, as shown in FIG. 2B, the
次いで、シリコン基板(第3シリコン層12e)の一方の主面を熱酸化して熱酸化膜12fを形成し、図3(a)に示すように、第3シリコン層12eの他方の主面上に固定電極用の電極15bを形成する。すなわち、第3シリコン層12eの他方の主面上にスパッタリングにより電極材料を被着し、フォトリソグラフィ及びエッチングにより電極15bを形成する。次いで、図3(b)に示すように、熱酸化膜12fを等方性エッチングしてダイヤフラム12aに対応する領域以外に熱酸化膜12fが残存するように熱酸化膜12fを除去する。
Next, one main surface of the silicon substrate (
次いで、図4(a)に示すように、第1シリコン層12b上に熱酸化膜12fが当接するようにしてSOI基板とシリコン基板とを接合する。接合方法としては、プラズマ活性法や常温法などの通常の基板接合方法を用いることができる。なお、SOI基板とシリコン基板との接合は、ウエハスケールで行うことが好ましい。次いで、図4(b)に示すように、可動電極用の電極15aが露出するように、第3シリコン層12eを異方性エッチングにより除去する。このようにして容量センサを作製する。
Next, as shown in FIG. 4A, the SOI substrate and the silicon substrate are bonded so that the
次いで、図5(a)に示すように、予め通気穴11aを設けた配線基板11上に、通気穴11aを介して導入される外気でダイヤフラム12aが可動する位置に容量センサ12を、ダイボンド材を用いてダイボンドし、電極15a,15bとランド13とをワイヤ16によりワイヤボンディングして、配線基板11と容量センサ12とを電気的に接続する。次いで、図5(b)に示すように、通気穴11aを閉塞せずに、配線基板11上で容量センサ12を、封止部材17を用いて封止する。このとき、封止部材17を構成する封止樹脂は、第3シリコン層12eと接触するが、ダイヤフラム12a領域には接触しない。最後に、図5(c)に示すように、配線基板11をダイシングしてチップ化する。なお、図5(b)の状態において、封止部材17間の領域に、RFIDのような他の電子素子を実装しても良い。
Next, as shown in FIG. 5 (a), the
本発明は上記実施の形態に限定されず、種々変更して実施することができる。上記実施の形態において、センサにおける電極や各層の厚さや材質については本発明の効果を逸脱しない範囲で適宜設定することができる。また、上記実施の形態で説明したプロセスについてはこれに限定されず、工程間の適宜順序を変えて実施しても良い。その他、本発明の目的の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜変更することが可能である。 The present invention is not limited to the above embodiment, and can be implemented with various modifications. In the above-described embodiment, the thickness and material of the electrode and each layer in the sensor can be set as appropriate without departing from the effects of the present invention. Further, the process described in the above embodiment is not limited to this, and the process may be performed by changing the order as appropriate. Other modifications may be made as appropriate without departing from the scope of the object of the present invention.
11 配線基板
11a 通気穴
11b 主面
12 容量センサ
12a ダイヤフラム
12b 第1シリコン層
12c 第2シリコン層
12d 絶縁層
12e 第3シリコン層
12f 熱酸化膜
13 ランド
14 ダイボンド材
15a,15b 電極
16 ワイヤ
17 封止部材
18 キャビティ領域
21 開口部
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