JP2010010165A - 電子部品モジュール - Google Patents

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Abstract

【課題】 信頼性の高い電子部品モジュールを提供する。
【解決手段】 配線導体9が形成された絶縁基板1の下面の外周部に、配線導体9と電気的に接続された複数の外部接続パッド6が形成された配線基板1と、配線基板1の上面に、配線導体9と電気的に接続するように搭載された、センサ素子2および半導体素子3の少なくとも一方を含む複数の電子部品素子40と、配線基板1の下面の、センサ素子2および半導体素子3が搭載された領域と対向する領域に形成された補強用外部接続パッド5とを具備することを特徴とする電子部品モジュール10である。センサ素子2および半導体素子3が配置された領域と対向する領域に形成された補強用外部接続パッド6により、配線基板1のセンサ素子2および半導体素子3が配置されている領域に加わる応力が小さくなるので、一部の外部接続パッド6において応力が大きくなって剥がれてしまうことを防止することができる。
【選択図】 図2

Description

本発明は、比較的大型で重いセンサ素子および半導体素子の少なくとも一方を含む複数の電子部品素子が配線基板に搭載されてなる電子部品モジュールに関し、特にタイヤ内の気圧を検知するために用いられる圧力センサモジュールなどのように大きな力が作用する環境下で使用される電子部品モジュールに関する。
気体の圧力を検知するために用いられる圧力センサモジュールなどの電子部品モジュールは、圧力センサ素子などのセンサ素子や半導体素子を含む複数の電子部品素子が配線基板に搭載されて構成されている。
このような電子部品モジュールに用いられる配線基板は、一般に、セラミック材料や樹脂材料などの絶縁材料からなる絶縁基板の上面に電子部品素子が搭載される搭載領域を有し、下面の外周部に、外部電気回路に接続するための複数の外部接続パッドが形成されるとともに、搭載領域から外部接続パッドにかけて配線導体が形成された構造を有している。
そしてこの配線基板の上面に複数の電子部品素子が配置されるとともに配線導体と電気的に接続され、必要に応じて樹脂などで封止されることにより電子部品モジュールが作製される。また電子部品モジュールの外部接続パッドが外部電気回路に接続されて、電子部品素子と外部電気回路とが電気的に接続され、電気信号の授受が行なわれる。
近年、このような電子部品モジュールは、例えばタイヤ内の気圧を測定するための圧力センサモジュールなどのように、大きな力(タイヤの回転に起因する遠心力や車両の移動に伴う振動など)が作用する環境下での使用が要求されるようになってきている。これに伴い、外部接続パッドと外部電気回路との接続信頼性の向上が求められている。なお、このような接続パッドと外部電気回路との接合強度を向上させる技術として、絶縁基板の下面の中央部に、ダミー導電パッドなどの接続用パッドを設ける技術が知られている(例えば、特許文献1を参照。)。
特開2003−60334号公報
しかしながら、このような従来の電子部品モジュールでは、たとえ絶縁基板の下面の中央部にダミー導電パッドなどを設けたとしても、ダミー導電パッドがセンサ素子や半導体素子と必ずしも対向した位置に存在せず、センサ素子や半導体素子のように質量が比較的大きい電子部品素子が配置されている領域では遠心力などの力が他の領域に比べて大きいため、次のような問題が生じやすい。
例えば、電子部品モジュールがタイヤのホイールに配置された外部電気回路(基板)に実装され、電子部品モジュールの上面がタイヤ側を向くように配置されたときには、センサ素子や半導体素子が実装された領域で相対的に大きな力(遠心力など)が配線基板に対して作用するので、これらのセンサ素子や半導体素子が配置された領域と対向する領域に比較的近い位置の外部接続パッドに応力が集中する。このため、応力が集中する部分の外部接続パッドが剥がれたり、外部接続パッド間の応力集中の偏りにより配線基板にこれを捻るような力が働きクラックが発生したりするという問題点があった。
本発明はこのような従来の電子部品モジュールにおける問題点に鑑みて案出されたものであり、その目的は、強い振動や衝撃などが加わった場合にも電子部品モジュールの外部接続パッドが外部電気回路(基板)から剥がれてしまうことや、電子部品モジュールの配線基板にクラックが発生することを有効に防止できるような、接合強度が強く信頼性の高い電子部品モジュールを提供することにある。
本発明の電子部品モジュールは、配線導体が形成された絶縁基板の下面の外周部に、前記配線導体と電気的に接続された複数の外部接続パッドが形成された配線基板と、該配線基板の上面に、前記配線導体と電気的に接続するように搭載されたセンサ素子および半導体素子の少なくとも一方を含む複数の電子部品素子と、前記配線基板の下面の、前記センサ素子および/または前記半導体素子が搭載された領域と対向する領域に形成された補強用外部接続パッドとを具備することを特徴とするものである。
本発明の電子部品モジュールによれば、センサ素子および/または半導体素子が搭載された領域と対向する領域に形成された補強用外部接続パッドにより、センサ素子や半導体素子が搭載された領域と対向する領域において、電子部品モジュールを外部電気回路(基板)に接合して外部電気回路(基板)と電子部品モジュールとの接合を補強することができる。そのため、配線基板のセンサ素子および/または半導体素子が配置されている領域に加わる応力(遠心力など)の大部分は補強用外部接続パッドに作用するので、センサ素子および半導体素子が配置された領域と対向する領域に比較的近い位置の外部接続パッドに応力が集中することが抑制される。したがって、センサ素子および/または半導体素子が配置された領域と対向する領域に比較的近い位置の外部接続パッドが外部電気回路(基板)から剥れてしまうことを効果的に防止することができる。
また、配線基板のセンサ素子や半導体素子、あるいは両者が搭載された領域と対向する領域は補強用外部接続パッドで外部電気回路(基板)に接合されており、配線基板のセンサ素子や半導体素子に加わる応力の大部分は補強用外部接続パッドに作用することから、一部の外部接続パッドに応力が集中することはなく、その結果、外部接続パッド間の応力集中の偏りも小さくなるので配線基板を捻るような力も小さくなり、配線基板のクラックの発生を効果的に防止することができる。
以下に、本発明の電子部品モジュールについて、添付図面を参照しつつ詳細に説明する。
図1は本発明の電子部品モジュールの実施の形態の一例を示す断面図であり、図1において、1は配線基板、2はセンサ素子(または半導体素子)、3は半導体素子(またはセンサ素子)、40は電子部品素子、5は補強用外部接続パッド、6は外部接続パッド、7は封止樹脂、8は絶縁基板、9は配線導体、10は電子部品モジュールである。
また、図2(a)は、図1に示す電子部品モジュールの、封止樹脂7を除いた状態での上面図であり、図2(b)は、図1に示す電子部品モジュールの下面図である。なお、図2(a)および(b)において、同一のコーナー部には同一の符号(x,y)を付している。
これら図1および図2に示す本例の電子部品モジュール10は、配線基板1と、配線基板1の上面に配置された、センサ素子2および半導体素子3の少なくとも一方を含む電子部品素子40とを具備している。
配線基板1は、センサ素子2および半導体素子3の少なくとも一方を含む電子部品素子40を上面に配置してモジュールを形成するための基板であり、例えば、複数の絶縁体層が積層されて成る絶縁基板8と、この絶縁基板8の内部および表面に形成されている配線導体9と、下面の外周部に、配線導体9と電気的に接続された外部接続パッド6とを備えている。
絶縁基板8は、例えば酸化アルミニウム質焼結体やムライト質焼結体,窒化アルミニウム質焼結体,ガラスセラミックスなどのセラミック材料から成る電気絶縁性の絶縁体層(符号なし)が複数積層されたものである。
配線導体9は、タングステンやモリブデン,銅,銀などの金属材料から成るものであり、例えば、絶縁基板8の上面に被着された、センサ素子2や半導体素子3を含む電子部品素子40が接続された電極パッド(符号なし)と、絶縁基板8内の絶縁体層間に配置された内部配線層(符号なし)と、絶縁体層を貫通して内部配線層と外部接続パッド6とを電気的に接続する貫通導体とを備えている。
また、内部配線層は10〜20μmの厚みに形成され、外部接続パッド6は10〜30μmの厚みに形成され、電極パッドは10〜20μmの厚みに形成されている。
この配線導体9を介して、電子部品素子40と外部接続パッド6とが電気的に接続される。すなわち、配線導体9のうち電極パッド部分に電子部品素子40の電極をボンディングワイヤやはんだなどの導電性の接続材(図示せず)を用いて接続することにより、配線導体9(電極パッド,内部配線層および貫通導体)を介して電子部品素子40の電極が配線基板1の外部接続パッド6と電気的に接続されている。
このような配線基板1は、例えば絶縁基板8がガラスセラミックスで形成され、外部接続パッド6や配線導体9が銅や銀などの金属材料で形成される場合であれば、以下に示す製造方法により製造される。
まず、ガラス粉末とセラミック粉末とを含む原料粉末に適当な有機溶剤および有機バインダを添加し混合して作製したセラミックスラリーを、ドクターブレード法などによってシート状に形成することにより、セラミックスグリーンシートを作製する。
次に、作製したセラミックスグリーンシートに、貫通導体となる所定径の貫通孔を例えば金型などを用いて形成し、この貫通孔にスクリーン印刷法などにより導電性ペーストを充填するとともに、このセラミックスグリーンシート上に接続パッド6や配線導体9の所定パターンに導電性ペーストを塗布する。導電性ペーストは、例えば、銅,銀などの金属を主成分とする導体材料粉末に適当な有機溶剤および有機バインダなどを添加し混合することにより作製する。
そして、この各種導体膜を形成したセラミックスグリーンシートを複数積層して圧着した後、850℃〜1000℃の温度で焼成することによって、配線基板1を作製する。
なお、配線導体9の露出する表面には、必要に応じてニッケル,金などの耐蝕性に優れる金属を被着するとよい。これにより、配線導体9が腐食することを効果的に抑制することができるとともに、配線導体9(電極パッド)と圧力センサ素子2や他の電子部品素子40との接合または配線導体9(電極パッド)とボンディングワイヤとの接合、および配線導体9(外部電極)と外部電気回路との接合を強固にすることができる。そのような金属として、例えば、厚さが1〜10μm程度のニッケルめっき層と厚さが0.1〜3μm程度の金めっき層とが、電解めっき法または無電解めっき法により順次被着される。
また、配線基板1に配置されているセンサ素子2および半導体素子3の少なくとも一方を含む電子部品素子40は、配線基板1の上面に配置されるとともに電極パッド(配線導体9)と電気的に接続され、電極パッドを介して貫通導体および内部配線層と電気的に接続されている。なお、電子部品素子40を配線基板1内部に配置してもよいことは言うまでもない。
このようなセンサ素子2としては、圧力センサ素子や加速度センサ素子などが例示される。圧力センサ素子や加速度センサ素子などのセンサ素子2は、電子部品モジュール10が用いられる機器などの環境において、その環境の圧力(例えば気圧など)や加速度(例えば円運動している機器の角加速度など)を検知するためのものである。
センサ素子2は、例えば空気圧を測定する圧力センサ素子であれば、気圧に応じて変位するダイアフラムと、ダイアフラムの変位に応じて電気信号を発生する圧電素子などの部材と、それらを封止する樹脂材料などのケースとを具備している。
半導体素子3は、例えば半導体集積回路素子(ICなど)であり、シリコンなどの半導体基板の主面や内部に集積回路素子が形成されている。この半導体素子3は、半導体素子3以外の電子部品素子40(センサ素子2を含む)により検知された電気信号に対して演算や記憶,増幅などの処理を行なうためのものである。
このようなセンサ素子2や半導体素子3以外の他の電子部品素子4は、例えば、コンデンサ素子,インダクタ素子,抵抗素子,SAWフィルタなどを含むものである。これらの他の電子部品素子4は、配線基板1の一方主面上で電極パッド上に配置され、電極パッド,貫通導体および内部配線層などの配線導体9を介してセンサ素子2や半導体素子3と相互に電気的に接続されることによって、所定の回路が構成されている。
他の電子部品素子4と配線導体9との電気的な接続は、例えば他の電子部品素子4の電極と配線導体9の電極パッドとをはんだやボンディングワイヤなどを介して接続することにより行なわれる。
そして、センサ素子2により測定した測定値(例えば圧力センサ素子であれば、ダイアフラムの振動に応じて圧電効果により生じた電圧)が電気信号として配線導体9(電極パッドや貫通導体,内部配線層など)を介して半導体素子3(信号処理回路素子)に伝送される。半導体素子3に伝送された電気信号は、半導体素子3の信号処理回路で演算や増幅などの処理が行なわれる。処理された電気信号は配線導体9を介して外部の電気回路(図示せず)に伝送される。
外部の電気回路に対する配線導体9の電気的な接続は、例えば外部接続パッド6を外部の電気回路の所定部位にはんだや導電性接着剤などを介して接合することにより行なわれる。なお、外部の電気回路は、例えばタイヤの空気圧監視装置を構成する回路基板の回路である。電子部品モジュール10が例えば空気圧監視装置を構成する場合には、センサ素子2によりタイヤ内の空気圧が測定され、この空気圧に変動(例えばパンクによる減圧)が生じたときには、空気圧監視装置を介して警告などの情報が運転席において表示される。
封止樹脂7は、フェノール樹脂やエポキシ樹脂などの絶縁性の樹脂材料で形成されており、このような封止樹脂7を用いることにより、高温で、水分やオイルなどの腐食性物質を含むタイヤ内の空気に他の電子部品素子4がさらされることがなくなるので、配線基板1上に配置されている他の電子部品素子4が劣化するのを抑えることができる。
封止樹脂7は、液状の熱硬化性樹脂をセンサ素子2および/または半導体素子3および他の電子部品素子4が配置された配線基板1上に印刷やディスペンサにより塗布し、例えば150℃で30分程度加熱することにより硬化させて形成する。あるいは、封止樹脂7は光硬化性樹脂であってもよく、例えば、光硬化性のエポキシ樹脂やポリイミド樹脂,アクリル樹脂等の光硬化性樹脂の未硬化物を上記と同様に塗布し、500〜1500mJ/cmの紫外線を照射して、硬化させて形成する。光で仮硬化し、熱で本硬化させるような光熱硬化性樹脂を用いてもよい。このときの流動性や硬化後の熱膨張係数を調節するために、封止樹脂7は、溶融シリカやアルミナなどの絶縁性材料の無機粉末を含むものであってもよい。なお、電子部品素子40は蓋体により封止されていてもよい。
そして本発明の電子部品モジュール10においては、配線基板1の下面の、センサ素子2および/または半導体素子3が配置された領域と対向する領域に補強用外部接続パッド5が形成されていることが重要である。
このような補強用外部接続パッド5が形成されていることにより、センサ素子2や半導体素子3が配置された領域と対向する領域において、電子部品モジュール10を外部電気回路(基板)に接合して、外部電気回路(基板)と電子部品モジュール10との接合を補強することができる。そのため、電子部品モジュール10に作用する遠心力などに応じて配線基板1のセンサ素子2および半導体素子3が配置されている領域に加わる応力の大部分は補強用外部接続パッド5に作用するので、センサ素子2および半導体素子3、あるいはセンサ素子2や半導体素子3が単独で配置された領域と対向する領域に比較的近い位置の外部接続パッド6に応力が集中することが抑制される。したがって、センサ素子2および/または半導体素子3が配置された領域と対向する領域に比較的近い位置の外部接続パッド6が外部電気回路(基板)から剥れてしまうことを効果的に防止することができる。
また、配線基板1のセンサ素子2や半導体素子3、あるいは両者が搭載された領域と対向する領域は補強用外部接続パッド5で外部電気回路(基板)に接合されており、配線基板1のセンサ素子2や半導体素子3に加わる応力の大部分は補強用外部接続パッド5に作用することから、一部の外部接続パッド6に応力が集中することはなく、その結果、外部接続パッド6間の応力集中の偏りも小さくなるので配線基板1を捻るような力も小さくなり、配線基板1のクラックの発生を効果的に防止することができる。
このような補強用外部接続パッド5は、例えば、外部接続パッド6や配線導体9と同様の材料(タングステンやモリブデン,銅,銀などの金属材料)を用い、同様の方法(導電性ペーストを絶縁基板1の絶縁体層となるセラミックグリーンシートに印刷する方法など)により形成することができる。
また、補強用外部接続パッド5は、上記のような金属材料からなる場合であれば、10〜30μm程度の厚みに形成されている。なお、補強用外部接続パッド5は、配線基板1としての生産性を考慮すれば、外部接続パッド6や配線導体9と同じ種類の金属材料により形成することが好ましい。
なお、図1および図2に示す例では、補強用外部接続パッド5がそれぞれ対向するセンサ素子2や半導体素子3の平面視した面積に対してほぼ同じ大きさの面積で形成されている例を示している。しかしながら、必ずしもこのような面積で形成する必要はなく、例えば図5に示すような、センサ素子2や半導体素子3より小さい面積の補強用外部接続パッド5でも効果を得ることはできる。
補強用外部接続パッド5の面積が、対向するセンサ素子2や半導体素子3の面積に比べて小さい場合でも、配線基板1のセンサ素子2および半導体素子3が配置されている領域に加わる応力(遠心力など)の大部分は補強用外部接続パッド5に作用するので、センサ素子2および半導体素子3が配置された領域と対向する領域に比較的近い位置の外部接続パッド6に応力が集中することを抑制することができる。
ここで、補強用外部接続パッド5は、センサ素子2や半導体素子3の平面視した領域に対して80%以上重なるように形成すればより確実に効果を得ることができる。
補強用外部接続パッド5の形成領域が、センサ素子2や半導体素子3の平面視した領域に対して80%未満の場合は、補強用外部接続パッド5が、対向するセンサ素子2や半導体素子3の中央部と対向する位置に配置されることが望ましい。このようにすれば、補強用外部接続パッド5が、センサ素子2や半導体素子3が配置された領域と対向する領域の周辺において外部接続パッド6に加わる応力を十分に緩和し、センサ素子2および/または半導体素子3が配置された領域と対向する領域に比較的近い位置の外部接続パッド6に応力が集中することをより効果的に抑制することができる。
なお、補強用外部接続パッド5は上記した方法を用いて形成する際に、補強用外部接続パッド5となる導電性ペーストの印刷位置を、センサ素子2や半導体素子3が配置される領域と対向する領域に設定するようにすればよい。
以上のように、センサ素子2および/または半導体素子3が配置された領域と対向する領域に形成された補強用外部接続パッド5を具備することから、外部電気回路に対する接続信頼性の高い電子部品モジュールとなっている。
図3(a)および(b)は、それぞれ本発明の電子部品モジュールの実施の形態の他の例を示す上面図および下面図であり、図3(a)および(b)において図1(a)および(b)と同様の部位には同じ符号を付している。図3に示す例において、配線基板1の上面にセンサ素子2と他の電子部品素子4とが配置されている。この配線基板1の下面の、センサ素子2が配置された領域と対向する領域に補強用外部接続パッド5が形成されている。
このようなセンサ素子2が配置された電子部品モジュール10は、例えば、外部の電気回路と接続され、この外部の電気回路に接続された半導体素子(図示せず)により信号に対する処理を施すようにしたものである。このように、配線基板1にセンサ素子2と他の電子部品素子4のみが配置されているため、半導体素子3が配置されていない分、電子部品モジュール10を小型化するうえで有利である。
この図3に示す例においても、補強用外部接続パッド5は、対向するセンサ素子2と同じ程度の面積で形成された例を示しているが、この面積よりも小さいものでもよい。
なお、電子部品モジュール10は、半導体素子3と他の電子部品素子4とが配線基板1に配置され、センサ素子2が配置されていないものでもよい。このような電子部品モジュール10(図示せず)は、例えば上記のようにセンサ素子2が配置された電子部品モジュール10に対する制御のために使用される。この場合、半導体素子3と他の電子部品素子4とが配線基板1に配置されてなる1つの電子部品モジュール10を、センサ素子2と他の電子部品素子4とが配置されてなる複数の電子部品モジュールと電気的に接続して、これらをまとめて電気信号の処理を行わせることもできる。
図4(a)および(b)は、それぞれ本発明の電子部品モジュール10の実施の形態の他の例を示す上面図および下面図であり、図4(a)および(b)において図1(a)および(b)と同様の部位には同じ符号を付している。図4に示す例において、複数(3個)のセンサ素子2と1個の半導体素子とが絶縁基板1の上面に配置されている。この絶縁基板1の下面の、複数のセンサ素子2が配置された領域および半導体素子3が配置された領域と対向する領域のそれぞれに補強用外部接続パッド5が形成されている。
この構成においても、半導体素子3および複数のセンサ素子2のそれぞれに対向する領域に補強用外部接続パッド5が形成されているので、半導体素子3およびセンサ素子2が配置された領域と対向する領域のそれぞれにおいて、その周辺の外部接続パッド6に加わる応力を抑え、外部接続パッド6間で作用する応力にばらつきが生じることが効果的に抑制される。
また、この図4に示す例においても、補強用外部接続パッド5は、対向するセンサ素子2と同じ程度の面積で形成された例を示しているが、この面積よりも小さいものでもよい。
なお、図3(a),(b)、図4(a),(b)、図5(a),(b)においても、図2(a),(b)と同様に、同一のコーナー部には同一の符号(x,y)を付している。
このような複数のセンサ素子2および半導体素子3と他の電子部品素子4が配置された電子部品モジュール10は、異なる種類のセンサ素子2が複数配置されている場合であれば、複数種類のセンサ素子2が配置されているので、複数種類の測定が可能である。例えば、複数のセンサ素子2として加速度センサ,圧力センサおよび温度センサを実装したときには、一つの電子部品モジュール10で加速度,圧力および温度を測定することができ、半導体素子3で測定データを処理することができる。このように、複数のセンサ素子2が配置されているので、電子部品モジュール10を多機能化する上で有利である。
なお、本発明は上述した実施の形態の例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更,改良が可能である。
例えば、絶縁基板1の下面の外周部に形成された外部接続パッド6のうち角部に配置されている外部接続パッド6を他の外部接続パッド6よりも大きく形成してもよい。このような外部接続パッド6を用いることで、配線基板1と電子部品モジュール10を実装する外部電気回路(基板)との熱膨張の差による剥がれが生じることが少なくなる。
また、上述の実施の形態の例では、補強用外部接続パッド5は、それぞれが対向するセンサ素子2や半導体素子3に対して一つずつ配置されているが、必ずしも一つずつである必要はなく、例えば図6に示すように複数の補強用外部接続パッド5を、センサ素子2や半導体素子3と対向する1つの領域に形成してもよい。
また、上述の実施の形態の例では、補強用外部接続パッド5は配線導体9と接続されていないが、配線導体9と接続し、補強用外部接続パッド5を接地することによりグランド電極として利用してもよい。
また、このような電子部品モジュール10およびこれを構成する配線基板1は、1枚の大型基板(図示せず)に電子部品モジュール10や配線基板1となる領域が、縦横の並びに複数個配列されてなる、いわゆる多数個取りの形態で製造してもよい。この大型基板を電子部品モジュール10や配線基板1に対応する個片の領域の境界線に沿って、例えば切断刃を用いて切断することにより、個々の電子部品モジュール10を作製することができる。
本発明の電子部品モジュールの実施の形態の一例を示す断面図である。 (a)は図1に示す電子部品モジュールの例の封止樹脂を除いた状態での上面図であり、(b)は図1に示す電子部品モジュールの例の下面図である。 (a)は本発明の電子部品モジュールの実施の形態の他の例を示す上面図であり、(b)は図3(a)の下面図である。 (a)は本発明の電子部品モジュールの実施の形態の他の例を示す上面図であり、(b)は図4(a)の下面図である。 (a)は本発明の電子部品モジュールの実施の形態の他の例を示す上面図であり、(b)は図5(a)の下面図である。 (a)は本発明の電子部品モジュールの実施の形態の他の例を示す上面図であり、(b)は図6(a)の下面図である。
符号の説明
1・・・配線基板
2,3・センサ素子,半導体素子
4・・・他の電子部品素子
40・・・電子部品素子
5・・・補強用外部接続パッド
6・・・外部接続パッド
7・・・封止樹脂
8・・・絶縁基板
9・・・配線導体
10・・・電子部品モジュール

Claims (1)

  1. 配線導体が形成された絶縁基板の下面の外周部に、前記配線導体と電気的に接続された複数の外部接続パッドが形成された配線基板と、
    該配線基板の上面に、前記配線導体と電気的に接続するように搭載された、センサ素子および半導体素子の少なくとも一方を含む複数の電子部品素子と、
    前記配線基板の下面の、前記センサ素子および/または前記半導体素子が搭載された領域と対向する領域に形成された補強用外部接続パッドとを具備することを特徴とする電子部品モジュール。
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