JP2010071817A

JP2010071817A - 半導体センサ内蔵パッケージ

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Publication number: JP2010071817A
Application number: JP2008240043A
Authority: JP
Inventors: Tadashi Maeda; 忠賜前田
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2008-09-18
Filing date: 2008-09-18
Publication date: 2010-04-02

Abstract

【課題】半導体センサをパッケージに実装するための接着層に起因する半導体センサの誤出力を低減する。
【解決手段】半導体センサ１は制御用ＩＣ３２を介してパッケージ３０に実装されている。半導体センサ１の下面１ａは平坦に形成されている。制御用ＩＣ３２の下面３２ｂ及び上面３２ａは平坦であり、かつ互いに平行に設けられている。両面に接着面をもつ膜厚が均一なシート状接着フィルム３４によってパッケージ３０の平坦な半導体センサ実装面３０ａと制御用ＩＣ３２の下面３２ａが接着されている。両面に接着面をもつ膜厚の均一な第２シート状接着フィルム３６によって半導体センサ１の下面１ａと制御用ＩＣ３２の上面３２ｂが接着されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体基板に形成されたセンサ部を備えた半導体センサと、その半導体センサが内部に実装されるパッケージを備えた半導体センサ内蔵パッケージに関するものである。
半導体センサは、例えば走行中の自動車に加わる進行方向又は横方向の加速度の測定やビデオカメラの手ぶれ測定などに用いられる。

半導体センサとして、シリコン単結晶ウェハの表面にＩＣ（integrated circuit）製造技術と同様の方法でピエゾ抵抗体を形成し、これを歪ゲージとして用いるものがある（例えば、特許文献１、特許文献２及び特許文献３を参照。）。ピエゾ抵抗体を利用した半導体センサは、ピエゾ抵抗体が形成された領域のシリコンウェハの裏面にエッチングなどによって凹部を設けて薄肉な可撓部を設けて、可撓部が加速度で変形するようにし、その変形によって変化するピエゾ抵抗体の抵抗値を測定することで、加速度に対応する電気信号を得る。

半導体センサには、可撓部を撓みやすくするために重錘部が設けられている。重錘部の周囲には支持部が設けられており、可撓部の一端は重錘部に固定されており他端は支持部に固定されている。支持部には、ピエゾ抵抗体に電気的に接続された金属配線パターン及び電極パッドが形成されている。

また、半導体基板に形成された半導体センサとして、可動電極と固定電極との間の静電容量の変化に基づいて加速度を検出するもの（例えば特許文献４を参照。）や、２個の振動子の振動に基づいて角速度を検出するもの（例えば特許文献５を参照。）や、圧力センサなどがある。

図６は、半導体センサの一例を示す図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は（Ａ）のＡ−Ａ位置での断面図である。

半導体センサ１は、シリコン層２ａと、シリコン層２ａ下に形成された絶縁層２ｂと、絶縁層２ｂ下に形成されたシリコン層２ｃにより構成されるＳＯＩ（Silicon-on-Insulator）基板２を備えている。
ＳＯＩ基板２からなる枠状の支持部４のシリコン層２ａに連続してシリコン層２ａからなる可撓部６が形成されている。可撓部６のシリコン層２ａにピエゾ抵抗体８が形成されている。
上方から見て支持部４の中央側に、支持部４とは間隔をもって、ＳＯＩ基板２からなる重錘部１０が形成されている。重錘部１０のシリコン層２ａは可撓部６と連続して形成されている。重錘部１０は可撓部６によって支持されている。

シリコン層２ａの表面に絶縁膜１２が形成されている。図６（Ａ）ではピエゾ抵抗体８を便宜上図示している。絶縁膜１２上に複数の金属配線パターン１４及び複数の電極パッド１６が形成されている。金属配線パターン１４は絶縁膜１２に形成されたスルーホール１２ａを介してピエゾ抵抗体８と電気的に接続されている。図６では電極パッド１６の近傍の金属配線パターン１４の図示は省略しているが、電極パッド１６は金属配線パターン１４を介してピエゾ抵抗体８と電気的に接続されている。

金属配線パターン１４の形成領域を含んで絶縁膜１２上に保護膜１８（（Ａ）での図示は省略）が形成されている。電極パッド１６上の保護膜１８には開口部が形成されており、電極パッド１６の表面は露出している。
支持部４の裏面にボトム板２０が接着剤２２により接合されている。重錘部１０の下端面は、接着剤２２の厚みによってボトム板２０とは間隔をもっている。

支持部４上面の保護膜１８上にカバー板２４が接着剤２６により接合されている。重錘部１０の表面は、接着剤２６の厚みによってカバー板２４とは間隔をもっている。カバー板２４は、上方から見て、可撓部６及び重錘部１０を含むセンサ部２８を覆い、電極パッド１６を覆わない位置に設けられている。

このような半導体センサは、パッケージの内部に実装されて半導体センサ内蔵パッケージとして使用される。

特許第２６７００４８号公報特開２００４−２３３０８０号公報特開２００４−２５７８３２号公報特許第４０００９３６号公報特許第３６２７６４８号公報

図６に示した加速度を検出する半導体センサ１は、可撓部６が撓むことによってセンサ本体がどの向きにどれ程の加速度を受けているかを検出する機能をもっている。
しかし、例えば１Ｇ（重力加速度）の加速度を受けたとしても、可撓部の撓みは０.５μｍ（マイクロメートル）程度で、半導体センサの出力の精度や再現性を確保するには、加速度とは無関係の不規則な撓み等が発生することを抑える必要が有り、その許容範囲は少なくとも０.００５μｍ以下である。

ＩＣ等のデバイスをパッケージに接着させるにはダイボンド用樹脂ペーストを用いるが、半導体センサをパッケージに実装する際にダイボンド用樹脂ペーストを用いた場合、ダイボンド用樹脂ペーストにおける接着強度や熱膨張係数の相違の影響で、半導体センサが不均一な応力を受けて歪み、この時に半導体センサの内部に存在する可撓部も変形し、加速度とは無関係な出力を生み出すことになる。

また、角速度を検出する半導体センサでは、角度の絶対精度においても高い性能が求められており、最も厳しいものでは±１°以内程度の場合がある。半導体センサをパッケージに実装する際にダイボンド用樹脂ペーストを用いた場合は、その滴下量の制御が困難なために、分量や形状のバラツキが大きく、その後に行われる半導体センサの実装工程でもマウンター自体のバラツキも上乗せされるため、パッケージに対しての半導体センサの水平度が悪化することがある。

そこで本発明は、半導体センサをパッケージに実装するための接着層に起因する半導体センサの誤出力を低減できる半導体センサ内蔵パッケージを提供することを目的とするものである。

本発明に係る半導体センサ内蔵パッケージは、半導体基板に形成されたセンサ部を備えた半導体センサと、その半導体センサが内部に実装されるパッケージを備えたものであって、上記半導体センサはその外観の下面に第１平坦面を備え、上記パッケージは上記半導体センサの実装面に第２平坦面を備え、両面に接着面をもつ膜厚の均一なシート状接着フィルムによって上記半導体センサの第１平坦面と上記パッケージの第２平坦面が接着されているものである。

本発明の半導体センサ内蔵パッケージにおいて、上記パッケージは上記半導体基板よりも小さい熱膨張係数をもつ材料、例えばセラミックによって形成されている例を挙げることができる。請求項１に記載の半導体センサ内蔵パッケージ。

また、本発明の半導体センサ内蔵パッケージにおいて、上記半導体センサは半導体チップを介して上記パッケージに実装されており、上記半導体チップは、その外観の下面に第３平坦面と、その外観の上面に第４平坦面を備え、上記第３平坦面と上記第４平坦面は互いに平行に設けられており、上記シート状接着フィルムによって上記パッケージの上記第２平坦面と上記半導体チップの上記第３平坦面が接着されており、両面に接着面をもつ膜厚の均一な第２シート状接着フィルムによって上記半導体センサの第１平坦面と上記半導体チップの第４平坦面が接着されているようにしてもよい。

本発明の半導体センサ内蔵パッケージでは、半導体センサはその外観の下面に第１平坦面を備え、パッケージは半導体センサの実装面に第２平坦面を備え、両面に接着面をもつ膜厚の均一なシート状接着フィルムによって半導体センサの第１平坦面とパッケージの第２平坦面が接着されているようにした。
従来技術のようにダイボンド用樹脂ペーストを用いると、半導体センサが斜めに取り付けられたり、半導体センサの中心からダイボンド用樹脂ペーストがずれたりすることが起きる。その場合、半導体センサ下面の平坦面では、ダイボンド用樹脂ペーストの厚みが不均一になったり、ダイボンド用樹脂ペーストの存在しない場所が発生したりすることになるので、温度が変化した際に半導体センサの各場所において、熱膨張によるダイボンド用樹脂ペーストの厚み変移量も不揃いになる。この現象により、半導体センサに不均一な応力をかけることになるので、検出すべき物理量とは関係の無い出力を発生してしまうことになる。
これに対し、膜厚の均一なシート状接着フィルムを用いると、半導体センサ下面の平坦面において、シート状接着フィルムはそれぞれの温度である一定の膜厚になり、シート状接着フィルムで膜厚の偏りは発生しないので、半導体センサに不均一な応力を与えることはない。
これにより、本発明の半導体センサ内蔵パッケージによれば、半導体センサをパッケージに実装するための接着層に起因する半導体センサの誤出力を低減できる。
さらに、膜厚の均一なシート状接着フィルムを用いることにより、半導体センサをパッケージの半導体センサ実装面に対して水平に実装することができる。

本発明の半導体センサ内蔵パッケージにおいて、パッケージは半導体基板よりも小さい熱膨張係数をもつ材料、例えばセラミックによって形成されているようにすれば、パッケージの熱膨張や熱収縮に起因する半導体センサへの応力を低減することができる。

また、本発明の半導体センサ内蔵パッケージにおいて、半導体センサは半導体チップを介してパッケージに実装されており、半導体チップは、その外観の下面に第３平坦面と、その外観の上面に第４平坦面を備え、第３平坦面と第４平坦面は互いに平行に設けられており、シート状接着フィルムによってパッケージの第２平坦面と半導体チップの第３平坦面が接着されており、両面に接着面をもつ膜厚の均一な第２シート状接着フィルムによって半導体センサの第１平坦面と半導体チップの第４平坦面が接着されているようにすれば、パッケージ内に半導体チップを実装する場合であっても、パッケージへの実装後の半導体センサへの応力を低減し、かつ半導体センサをパッケージの半導体センサ実装面に対して水平に実装することができる。

図１は一実施例を説明するための、パッケージを断面で示す側面図である。図２はその実施例の平面図である。この実施例で用いた半導体センサは図６に示したものと同じである。図１及び図２において図６と同じ部分には同じ符号を付す。図１及び図２では半導体センサを概略的に図示している。

例えばセラミックからなるパッケージ３０の半導体センサ実装面（第２平坦面）３０ａに制御用ＩＣ（半導体チップ）３２が実装されている。パッケージ３０は断面が凹状に形成されている。パッケージ３０の半導体センサ実装面３０ａは平坦に形成されている。パッケージ３０で半導体センサ実装面３０ａの裏面である外観下面３０は半導体センサ実装面３０ａに対して平行に形成されている。制御用ＩＣ３２は下面（第３平坦面）３２ａ及び上面（第４平坦面）３２ｂが平坦に形成されている。制御用ＩＣ３２の下面３２ａと上面３２ｂは互いに平行に形成されている。パッケージ３０の半導体センサ実装面３０ａと制御用ＩＣ３２の下面３２ａは、両面に接着面をもつ膜厚の均一なシート状接着フィルム３４によって接着されている。

制御用ＩＣ３２の上面３２ｂ上に半導体センサ１が実装されている。半導体センサ１の下面（第１平坦面）１ａは平坦に形成されている。半導体センサ１の下面１ａと制御用ＩＣ３２の上面３２ｂは、両面に接着面をもつ膜厚の均一な第２シート状接着フィルム３６によって接着されている。

シート状接着フィルム３４及び第２シート状接着フィルム３６の具体的な例としてはＤＡＦ（ダイアタッチドフィルム）を挙げることができる。ＤＡＦは両面に接着面をもち、半田実装時にかかる２５０℃の熱履歴を許容する耐熱性をもち、実使用範囲である−２０〜８０℃で粘着性が衰えない条件を併せもっている。

パッケージ３０の半導体センサ実装面３０ａには制御用ＩＣ３２の実装位置とは異なる位置に複数の電極パッド３０ｃが形成されている。
制御用ＩＣ３２の上面３２ｂには半導体センサ１の実装位置とは異なる位置に複数の電極パッド３２ｃ，３２ｄが形成されている。
パッケージ３０の電極パッド３０ｃと制御用ＩＣ３２の電極パッド３２ｃはボンディングワイヤー３８によって電気的に接続されている。
制御用ＩＣ３２の電極パッド３２ｄと半導体パッケージ１の電極パッド１６はボンディングワイヤー４０によって電気的に接続されている。

この実施例では、第２シート状接着フィルム３６を用いて半導体センサ１を制御用ＩＣ３２に実装したので、第２シート状接着フィルム３６の熱膨張や熱収縮に起因して半導体センサ１に不均一な応力がかかるのを防止できる。また、シート状接着フィルム３４を用いて制御用ＩＣ３２をパッケージ３０に実装したので、シート状接着フィルム３４の熱膨張や熱収縮に起因して制御用ＩＣ３２に不均一な応力をかかるのを防止できる。これにより、半導体センサ１の誤出力を低減できる。

さらに、シート状接着フィルム３４及び第２シート状接着フィルム３６は膜厚が均一であり、制御用ＩＣ３２の下面３２ａ及び上面３２ｂは互いに平行に形成されているので、半導体センサ１をパッケージ３０の半導体センサ実装面３０ａに対して水平に配置することができる。

図３は図１に示した実施例の製造工程例を説明するための、パッケージを断面で示す側面図である。図３中のかっこ数字は、以下に説明する工程（１）〜（５）に対応している。図３を参照してこの製造工程例を説明する。

（１）パッケージ３０を用意する。パッケージ３０は断面形状が凹状であり、その凹部の底面である半導体センサ実装面３０ａに制御用ＩＣ３２との電気的接続を行なうための電極パッド３０ｃが形成されている。パッケージ３０の材料としては、セラミックが最適で、熱膨張係数がセンサよりも充分に小さい特徴が有る上に、機械的な強度も優れている。

（２）パッケージ３０の半導体センサ実装面３０ａ上に制御用ＩＣ３２を実装する。具体的には、シート状接着フィルム３４を用いてパッケージ３０の半導体センサ実装面３０ａと制御用ＩＣ３２の下面３２ａを接着する。シート状接着フィルム３４は膜厚が均一なので、制御用ＩＣ３２はパッケージ３０の半導体センサ実装面３０ａ及び下面３０ｂに対して水平に半導体センサ実装面３０ａに実装される。

（３）制御用ＩＣ３２の上面３２ｂ上に半導体センサ１を実装する。具体的には、第２シート状接着フィルム３６を用いて制御用ＩＣ３２の上面３２ｂと半導体センサ１の下面１ａを接着する。第２シート状接着フィルム３６は膜厚が均一なので、半導体センサ１は制御用ＩＣ３２の上面３２ｂ及び下面３２ａに対して水平に制御用ＩＣ３２の上面３２ｂに実装される。上述のように、制御用ＩＣ３２はパッケージ３０の半導体センサ実装面３０ａ及び下面３０ｂに対して水平に半導体センサ実装面３０ａに実装されているので、半導体センサ１もパッケージ３０の半導体センサ実装面３０ａ及び下面３０ｂに対して水平に実装される。

（４）ワイヤーボンディング技術を用いて、パッケージ３０の電極パッド３０ｃと制御用ＩＣ３２の電極パッド３２ｃをボンディングワイヤー３８によって電気的に接続する。また、制御用ＩＣ３２の電極パッド３２ｄと半導体パッケージ１の電極パッド１６をボンディングワイヤー４０によって電気的に接続する。

（５）パッケージ３０の上面にパッケージカバー４２を取り付けることによって、半導体センサ内蔵パッケージが完成する。その後、この状態で製品のボードに実装される。

パッケージ３０の半導体センサ実装面３０ａと制御用ＩＣ３２の下面３２ａを接着させるシート状接着フィルム３４の平面形状は特に制約はなく、作業性の面から制御用ＩＣ３２の下面３２ａと同じ形状でよい。

また、制御用ＩＣ３２の上面３２ｂと半導体センサ１の下面１ａを接着させる第２シート状接着フィルム３６の平面形状も特に制約はない。しかし、半導体センサ１が応力にたいして敏感な場合は第２シート状接着フィルム３６の面積を半導体センサ１の下面１ａよりも小さくしてもよい。

図４（Ａ）〜（Ｃ）は、第２シート状接着フィルム３６の面積を半導体センサ１の下面１ａよりも小さくする場合の第２シート状接着フィルム３６の配置を半導体センサ１の下面１ａ側から見た状態で示す平面図である。

図４（Ａ）に示すように、第２シート状接着フィルム３６は半導体センサ１の下面１ａの４角部分を含んで枠状に配置されていてもよい。
また、図４（Ｂ）に示すように、第２シート状接着フィルム３６は半導体センサ１の下面１ａの４角部分を含んで下面１ａの対向する２辺に沿って配置されていてもよい。
また、図４（Ｃ）に示すように、第２シート状接着フィルム３６は半導体センサ１の下面１ａの４角部分に沿って配置されていてもよい。

このように、第２シート状接着フィルム３６の面積を半導体センサ１の下面１ａよりも小さくする場合は、制御用ＩＣ３２の上面３２ａに対して半導体センサ１が水平に実装されるように、少なくとも半導体センサ１の下面１ａの４角部分に第２シート状接着フィルム３６を配置することが好ましい。ただし、第２シート状接着フィルム３６の配置はこれらに限定されるものではない。

図１に示した実施例では、半導体センサ１はパッケージ３０の半導体センサ実装面３０ａに、シート状接着フィルム３４、制御用ＩＣ３２及び第２シート状接着フィルム３６を介して実装されているが、本発明はこれに限定されるものではない。

例えば、図５に示すように、半導体センサ１をパッケージ３０の半導体センサ実装面３０ａにシート状接着フィルム３４を介して実装されているようにしてもよい。この実施例では、半導体センサ１の電極パッドとパッケージ３０の電極パッド３０ｃはボンディングワイヤー４４を介して電気的に接続されている。

図５に示した実施例では、半導体センサ１はパッケージ３０の半導体センサ実装面３０ａに膜厚の均一なシート状接着フィルム３４を介して実装されているので、半導体センサ１はパッケージ３０の半導体センサ実装面３０ａ及び下面３０ｂに対して水平にパッケージ３０に実装される。

また、図１に示した実施例では、制御用ＩＣ３２上に半導体センサ１が実装されているが、制御用ＩＣ３２と半導体センサ１の位置関係は逆であってもよい。
また、制御用ＩＣ３２とは別の半導体チップを膜厚の均一なシート状接着フィルムを用いてさらに積層することも可能である。

以上、本発明の実施例を説明したが、本明細書中に示されている材料、寸法、形状、配置などは一例に過ぎず、本発明は特許請求の範囲に記載されている範囲内において種々の変更が可能である。

また、上記実施例では、ピエゾ抵抗型の半導体センサ１を用いているが、本発明の半導体センサ内蔵パッケージでパッケージ内に実装される半導体センサはピエゾ抵抗型の半導体センサに限定されない。例えば、特許文献４に開示された加速度を検出する半導体センサや、特許文献５に開示された角速度を検出する半導体センサなどであっても、外観の下面に平坦面を備えた半導体センサであれば、本発明の半導体センサ内蔵パッケージを適用することができる。

一実施例を説明するための、パッケージを断面で示す側面図である。同実施例の平面図である。同実施例で用いる半導体センサ領域が形成されたＳＯＩウェハを示す平面図である。図１に示した実施例の製造工程例を説明するための、パッケージを断面で示す側面図である。（Ａ）〜（Ｃ）は第２シート状接着フィルムの配置を半導体センサの下面側から見た状態で示す平面図である。他の実施例を説明するための、パッケージを断面で示す側面図である。半導体センサの一例を示す図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は（Ａ）のＡ−Ａ位置での断面図である。

符号の説明

１半導体センサ
１ａ半導体センサの下面
３０パッケージ
３０ａ半導体センサ実装面
３０ｂパッケージの下面
３２制御用ＩＣ
３２ａ制御用ＩＣの下面
３２ｂ制御用ＩＣの上面
３４シート状接着フィルム
３６第２シート状接着フィルム

Claims

半導体基板に形成されたセンサ部を備えた半導体センサと、その半導体センサが内部に実装されるパッケージを備えた半導体センサ内蔵パッケージにおいて、
前記半導体センサはその外観の下面に第１平坦面を備え、
前記パッケージは前記半導体センサの実装面に第２平坦面を備え、
両面に接着面をもつ膜厚の均一なシート状接着フィルムによって前記半導体センサの第１平坦面と前記パッケージの第２平坦面が接着されていることを特徴とする半導体センサ内蔵パッケージ。
前記パッケージは前記半導体基板よりも小さい熱膨張係数をもつ材料によって形成されている請求項１に記載の半導体センサ内蔵パッケージ。
前記パッケージはセラミックによって形成されている請求項２に記載の半導体センサ内蔵パッケージ。
前記半導体センサは半導体チップを介して前記パッケージに実装されており、
前記半導体チップは、その外観の下面に第３平坦面と、その外観の上面に第４平坦面を備え、前記第３平坦面と前記第４平坦面は互いに平行に設けられており、
前記シート状接着フィルムによって前記パッケージの前記第２平坦面と前記半導体チップの前記第３平坦面が接着されており、
両面に接着面をもつ膜厚の均一な第２シート状接着フィルムによって前記半導体センサの第１平坦面と前記半導体チップの第４平坦面が接着されている請求項１から３のいずれか一項に記載の半導体センサ内蔵パッケージ。