JP2010164412A - Acceleration sensor device and method of manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、MEMS(Micro−Electro−Mechanical Syst
ems)チップを有する半導体センサ装置に関し、特に、可動部を有するMEMSチップ
を備えた加速度センサ装置および加速度センサ装置の製造方法に関するものである。
The present invention relates to MEMS (Micro-Electro-Mechanical System).
ems) The present invention relates to a semiconductor sensor device having a chip, and more particularly to an acceleration sensor device having a MEMS chip having a movable part and a method of manufacturing the acceleration sensor device.
半導体製造プロセス技術に機械加工技術や材料技術などを組み合わせることによって、
半導体基板上に三次元的な微細構造を有するシステムを実現するMEMS技術は、極めて
広汎な分野に応用可能である。特に、自動車や航空機、携帯端末機器、玩具などに用いら
れるこれら半導体センサ装置は、加速度や角速度、圧力等の物理量検出分野への適用が注
目されている。
By combining semiconductor manufacturing process technology with machining technology and material technology,
The MEMS technology for realizing a system having a three-dimensional microstructure on a semiconductor substrate can be applied to a very wide range of fields. In particular, these semiconductor sensor devices used for automobiles, airplanes, portable terminal devices, toys and the like are attracting attention in the field of detecting physical quantities such as acceleration, angular velocity, and pressure.
これらの半導体センサ装置は、MEMS技術で形成された可動部を有するのが特徴であ
る。可動部の変化をピエゾ抵抗素子の抵抗変化や静電容量変化で検知し、データー処理す
ることで、加速度や角速度、圧力等の値を得るものである。
These semiconductor sensor devices are characterized by having movable parts formed by MEMS technology. A change in the movable part is detected by a resistance change or a capacitance change of the piezoresistive element, and data processing is performed to obtain values such as acceleration, angular velocity, pressure, and the like.
近年市場が拡大している携帯端末機器やゲーム機用の加速度センサ装置は、車載用セン
サと比較して精度や信頼性の規格は緩和できるものの、低価格化や小型化に対する要求は
より厳しいものとなっている。このため、信頼性は高いが高価な中空型セラミックパッケ
ージから、半導体で実績があり安価なモールド型樹脂パッケージに変更し、低価格化や小
型化に対応した製品も増えつつある。
Acceleration sensor devices for portable terminal devices and game consoles whose market has been expanding in recent years can relax accuracy and reliability standards compared to in-vehicle sensors, but demands for lower prices and smaller sizes are more severe. It has become. For this reason, a highly reliable but expensive hollow ceramic package is changed to a mold-type resin package that has a proven track record in semiconductors and is inexpensive, and products that support lower prices and smaller sizes are increasing.
非特許文献1には、同じ仕様の加速度センサチップを中空型セラミックパッケージとモ
ールド型樹脂パッケージで組立てたときのセンサ特性比較が開示されている。中空パッケ
ージと異なる樹脂パッケージでは、センサチップの周囲が樹脂やリードフレームで直接取
り囲まれており、これら熱膨張係数の異なる構成部材から受ける応力とその温度変化によ
り、センサ出力電圧のオフセットばらつきや温度安定性の低下が課題となっている。
さらに、半導体センサチップの小型化は、半導体センサチップ自身の対称性を犠牲にす
る傾向にあるので、上述した温度安定性の低下の問題は半導体センサチップを小型化する
場合により顕著になる。
Furthermore, since the downsizing of the semiconductor sensor chip tends to sacrifice the symmetry of the semiconductor sensor chip itself, the above-described problem of the decrease in temperature stability becomes more conspicuous when the semiconductor sensor chip is downsized.
特許文献1および2には半導体の樹脂封止技術(樹脂モールド技術)を応用し、MEM
S組立体を低弾性樹脂で覆い、温度変化に起因したセンサチップの応力変化を抑えて温度
安定性を改善した半導体センサ装置が開示されている。
A semiconductor sensor device is disclosed in which the S assembly is covered with a low-elasticity resin, and the temperature stability is improved by suppressing the stress change of the sensor chip due to the temperature change.
特許文献1には、センサチップと回路チップをリードフレーム上で横並びに配置し、回
路チップ側のみ樹脂モールドし、センサチップ側は低弾性率の保護樹脂で覆う構造が開示
されている。温度変化に起因したセンサチップに加わる応力変化を抑えることで半導体セ
ンサ装置の温度安定性を改善することはできるが、2つのチップを横並び配置して領域ご
とに別の樹脂を用いるのでパッケージの小型化は困難である。また、リードフレームや金
型は複雑形状となってしまい、2種類の封止樹脂を2段階に使用することでセンサ装置構
造や製造プロセスも複雑になってしまう。
特許文献2には、リードフレーム上にセンサチップと回路チップを積み重ね配置し、セ
ンサチップとこれを包むモールド樹脂の間に緩衝部材が配置された構造が開示されている
。温度変化に起因したセンサチップに加わる応力変化を抑えることで、半導体センサ装置
の温度安定性を改善することはできるが、チップ周囲に緩衝部材層を設けて、更にその外
側を樹脂モールドするため、パッケージの小型化は困難である。また緩衝部材層を安定に
形成したり、2種類の樹脂を2段階に使用したりと、センサ装置構造や製造プロセスも複
雑になってしまう。
上述のいずれの方法もセンサ装置構造が複雑になってしまうため、応力シミュレーショ
ン等の解析も複雑になってしまう。また、製造プロセス自体も複雑になってしまうので、
民生用の安価な部品への対応はコスト的に困難になってしまう。
In any of the above-described methods, the structure of the sensor device becomes complicated, so that analysis such as stress simulation becomes complicated. Also, the manufacturing process itself becomes complicated,
Corresponding to inexpensive parts for consumer use becomes difficult in terms of cost.
本願発明は上記課題を解決するために行なわれたものであり、構造が単純で小型かつ温
度安定性に優れた半導体センサ装置、より具体的には加速度センサ装置を低コストで提供
することを目的にしている。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object thereof is to provide a semiconductor sensor device having a simple structure, a small size, and excellent temperature stability, more specifically, an acceleration sensor device at low cost. I have to.
本願発明の加速度センサ装置は、可動部を有するMEMS加速度センサチップ(以下、
MEMSチップ)とMEMSチップの少なくとも可動部を密封するキャップチップとでM
EMS加速度センサ組立体(以下、MEMS組立体)が形成され、配線基板上に前記ME
MSチップからの出力を制御する回路チップと前記MEMS組立体とが積み重ねられ、前
記MEMSチップと前記回路チップおよび前記回路チップと前記配線基板とが各々金属ワ
イヤで接続され、前記配線基板上に積み重ねられた前記回路チップとMEMS組立体およ
び前記金属ワイヤがシリコン系樹脂で封止されていることを特徴としている。
The acceleration sensor device of the present invention includes a MEMS acceleration sensor chip (hereinafter, referred to as a MEMS acceleration sensor chip having a movable part).
MEMS chip) and a cap chip that seals at least the movable part of the MEMS chip.
An EMS acceleration sensor assembly (hereinafter referred to as a MEMS assembly) is formed, and the MEMS is formed on a wiring board.
A circuit chip for controlling the output from the MS chip and the MEMS assembly are stacked, and the MEMS chip, the circuit chip, and the circuit chip and the wiring board are connected by metal wires, and are stacked on the wiring board. The circuit chip, the MEMS assembly and the metal wire are sealed with a silicon-based resin.
MEMSチップは、シリコン基板もしくはSOI(Silicon On Insul
ator)基板の微細加工により可動部を形成したものであり、キャップチップはMEM
Sチップと熱膨張係数が等しいシリコンで形成されるのが好ましい。MEMSチップとキ
ャップチップとの接合は、陽極接合や低融点材料接合(低融点金属接合や共晶接合、低融
点ガラス接合、樹脂接合等を含む)、拡散接合、表面活性化接合のいずれかの方法を用い
ることが可能であるが、工業的にはAu−Sn合金等の低融点材料接合を用いるのは製造
プロセスの信頼性の観点から好ましいものである。低融点材料接合は、低融点材料を介し
たチップどうしを位置合わせした後、熱と圧力を印加することで低融点材料が熔解し、チ
ップどうしが接合するものである。低融点材料接合は、MEMSチップとキャップチップ
のうねり等で発生する隙間に低融点材料が流れ込むので、隙間が埋まって気密性を向上さ
せることができる。大きな圧力を加えて基板のうねりを強制する必要が無く、キャップチ
ップ等を破損する危険性が小さいのでMEMSチップとキャップチップの接合には好まし
いものである。MEMS組立体内の空間を真空(減圧下)にする、もしくは乾燥窒素や不
活性ガス等で充填気密するためには、真空(減圧)雰囲気下や乾燥窒素、不活性ガス雰囲
気下で接合するのが好ましい。MEMSチップの可動部をキャップチップで密封すること
により、MEMSチップの可動部は環境雰囲気から遮断され、耐環境性の良い加速度セン
サ装置にすることができる。
The MEMS chip is a silicon substrate or SOI (Silicon On Insul).
ator) The movable part is formed by fine processing of the substrate, and the cap chip is MEM.
Preferably, the S chip is formed of silicon having the same thermal expansion coefficient. The bonding between the MEMS chip and the cap chip is one of anodic bonding, low melting point material bonding (including low melting point metal bonding, eutectic bonding, low melting point glass bonding, resin bonding, etc.), diffusion bonding, and surface activation bonding. Although it is possible to use a method, industrially, it is preferable to use a low-melting-point material joint such as an Au—Sn alloy from the viewpoint of the reliability of the manufacturing process. In the low-melting-point material bonding, the chips are aligned via the low-melting-point material, and then the low-melting-point material is melted by applying heat and pressure, and the chips are bonded to each other. In the low melting point material bonding, since the low melting point material flows into the gap generated by the undulation of the MEMS chip and the cap chip, the gap is filled and the airtightness can be improved. It is not necessary to force the substrate to swell by applying a large pressure, and the risk of damaging the cap chip or the like is small, which is preferable for joining the MEMS chip and the cap chip. In order to make the space in the MEMS assembly vacuum (under reduced pressure) or to fill and hermetically with dry nitrogen or inert gas, bonding is performed under a vacuum (depressurized) atmosphere or under dry nitrogen or inert gas atmosphere. preferable. By sealing the movable part of the MEMS chip with a cap chip, the movable part of the MEMS chip is shielded from the environmental atmosphere, and an acceleration sensor device with good environmental resistance can be obtained.
外部から加速度センサ装置に加速度が加わると、MEMSチップの可動部上に形成した
抵抗素子や静電容量素子等で形成した電気回路が、外部からの加速度の力を電流や電圧お
よび静電容量等の物理量に変換して出力する。出力される物理量の変化は非常に微小であ
るため、出力を増幅する素子(増幅回路等)を形成した回路チップを備えることが好まし
い。また、前記素子が温度の影響を受ける場合、回路チップには温度補正回路等を形成す
るのが好ましい。
When acceleration is applied to the acceleration sensor device from the outside, an electric circuit formed by a resistance element, a capacitance element, etc. formed on the movable part of the MEMS chip generates an acceleration force from the outside, such as current, voltage, capacitance, etc. Convert to physical quantity and output. Since the change in the output physical quantity is very small, it is preferable to include a circuit chip on which an element (amplifier circuit or the like) that amplifies the output is formed. When the element is affected by temperature, it is preferable to form a temperature correction circuit or the like on the circuit chip.
一般的な半導体の樹脂封止のように、リードフレーム上にMEMSチップと回路チップ
を積み重ね配置して、エポキシ樹脂でトランスファーモールドした場合、構成部材から受
ける応力とその温度変化により、センサ出力電圧のオフセットばらつきや温度安定性の低
下する可能性がある。また、固形のタブレット状樹脂を用いたトランスファーモールドで
は、一般に樹脂を金型内に押圧するのに80kg/cm2前後の圧力が必要となるうえ、
封止樹脂やセンサチップに残留応力が生じるので好ましい方法ではない。環境温度の変化
に対して、MEMSチップが周囲構成材の応力変化の影響を受けないようにするには、構
成部材の熱膨張係数をすべて一致させるのが理想であるが、実際のところは不可能である
。温度変化に対するの応力変化の影響を極力抑えるには、構成材間の熱膨張係数差を小さ
くするのと共に、周囲構成材(特に封止樹脂)の弾性率を小さくするのが有効である。具
体的な封止樹脂としては、低弾性率のシリコン系樹脂を用いるのが好ましい。
When a MEMS chip and a circuit chip are stacked on a lead frame and transfer molded with an epoxy resin as in general resin sealing of a semiconductor, the sensor output voltage is affected by the stress received from the component and its temperature change. Offset variation and temperature stability may be reduced. Moreover, in the transfer mold using a solid tablet-like resin, generally a pressure of around 80 kg / cm 2 is required to press the resin into the mold.
Since residual stress is generated in the sealing resin and sensor chip, it is not a preferable method. In order to prevent the MEMS chip from being affected by changes in the stress of surrounding components with respect to changes in environmental temperature, it is ideal to match all the thermal expansion coefficients of the components. Is possible. In order to suppress the influence of the stress change on the temperature change as much as possible, it is effective to reduce the difference in thermal expansion coefficient between the constituent materials and to reduce the elastic modulus of the surrounding constituent materials (particularly the sealing resin). As a specific sealing resin, it is preferable to use a silicon-based resin having a low elastic modulus.
また、本願発明の加速度センサ装置は、前記配線基板が、ガラスエポキシ樹脂基板であ
ることも特徴としている。
The acceleration sensor device of the present invention is characterized in that the wiring board is a glass epoxy resin board.
単純に封止樹脂を低弾性樹脂にした場合、独立した主端子間が低弾性樹脂に拘束される
ことで、外力やはんだ接合後の熱サイクルにより主端子が動いてしまう可能性があり、M
EMS素子に伝わる応力変化に対して、センサ出力電圧のオフセット変化やワイヤ接合部
でのワイヤ断線等の不具合を引き起こす可能性がある。
If the sealing resin is simply made of low elastic resin, the main terminals may move due to external force or thermal cycle after soldering, because the independent elastic terminals are restrained by the low elastic resin.
There is a possibility of causing problems such as a change in the offset of the sensor output voltage and a wire breakage at the wire joint with respect to the stress change transmitted to the EMS element.
リードフレームをガラスエポキシ樹脂基板の配線基板に置き換えることにより、主端子
の動きは基板で固定することができる。これにより封止樹脂を低弾性樹脂としても、セン
サ出力電圧のオフセット変化やワイヤ断線等の不具合は解消できるものである。
By replacing the lead frame with a wiring substrate of a glass epoxy resin substrate, the movement of the main terminal can be fixed by the substrate. As a result, even if the sealing resin is a low-elasticity resin, problems such as offset changes in the sensor output voltage and wire breakage can be solved.
さらに、本願発明の加速度センサ装置は、前記配線基板が、アルミナまたはLTCC基
板であることも特徴としている。
Furthermore, the acceleration sensor device of the present invention is characterized in that the wiring board is an alumina or LTCC board.
ガラスエポキシ樹脂基板の熱膨張係数は14×10−6/℃程度であるのに対し、アル
ミナ基板やLTCC基板の熱膨張係数は7×10−6/℃前後とMEMSチップにより近
い数値を示す。また、アルミナ基板やLTCC基板は、湿度による基板自体の膨潤の影響
を考慮する必要がなく、ガラスエポキシ樹脂基板よりも安定した特性を得ることができる
。一般に部材コストはガラスエポキシ樹脂基板よりも若干高価となるが、ガラスエポキシ
樹脂基板より安定した特性で、中空型セラミックパッケージよりも安価な加速度センサ装
置を提供することができる。
The thermal expansion coefficient of the glass epoxy resin substrate is about 14 × 10 −6 / ° C., whereas the thermal expansion coefficient of the alumina substrate or the LTCC substrate is about 7 × 10 −6 / ° C., which is closer to the MEMS chip. In addition, the alumina substrate and the LTCC substrate do not need to consider the influence of the swelling of the substrate itself due to humidity, and can obtain more stable characteristics than the glass epoxy resin substrate. In general, the member cost is slightly higher than that of the glass epoxy resin substrate, but it is possible to provide an acceleration sensor device having more stable characteristics than the glass epoxy resin substrate and less expensive than the hollow ceramic package.
さらに、本願発明の加速度センサ装置の製造方法は、可動部を有するMEMS加速度セ
ンサチップとMEMS加速度センサチップの少なくとも可動部を密封するキャップチップ
とでMEMS加速度センサ組立体を形成し、配線基板上に前記MEMS加速度センサチッ
プからの出力を制御する回路チップと前記MEMS加速度センサ組立体とを積み重ね、前
記MEMS加速度センサチップと前記回路チップおよび前記回路チップと前記配線基板と
を各々金属ワイヤで接続し、前記配線基板上に積み重ねた前記回路チップとMEMS加速
度センサ組立体および前記金属ワイヤを、印刷法またはポッティング法を用いてシリコン
系樹脂封止することを特徴としている。
Furthermore, in the manufacturing method of the acceleration sensor device of the present invention, a MEMS acceleration sensor assembly having a movable part and a cap chip that seals at least the movable part of the MEMS acceleration sensor chip are formed, and the MEMS acceleration sensor assembly is formed on the wiring board. Stacking a circuit chip for controlling output from the MEMS acceleration sensor chip and the MEMS acceleration sensor assembly, connecting the MEMS acceleration sensor chip, the circuit chip, the circuit chip, and the wiring board with metal wires, respectively. The circuit chip, the MEMS acceleration sensor assembly, and the metal wire stacked on the wiring board are sealed with a silicon-based resin using a printing method or a potting method.
一般的な半導体パッケージの樹脂封止方法であるトランスファーモールドでは、樹脂を
型に注入するときに80kgf/cm2前後の圧力を印加して、気泡の残留を防ぐ必要が
ある。このモールド圧力は通常の半導体チップの樹脂封止においては問題とならないが、
加速度センサのように微小な応力変化を検知するMEMSチップにおいては、オフセット
の変化など特性への影響は避けられない。樹脂を印刷やポッティングで形成することによ
り上述のモールド圧力の影響を回避でき、より特性の安定したセンサ装置を提供すること
ができる。
In transfer molding, which is a general resin sealing method for semiconductor packages, it is necessary to apply a pressure of around 80 kgf / cm 2 when injecting resin into a mold to prevent bubbles from remaining. This mold pressure is not a problem in resin sealing of normal semiconductor chips,
In a MEMS chip that detects a minute stress change such as an acceleration sensor, an influence on characteristics such as a change in offset is unavoidable. By forming the resin by printing or potting, the influence of the mold pressure described above can be avoided, and a sensor device with more stable characteristics can be provided.
本願発明のように、配線基板上に回路チップとMEMS組立体を積み重ね、これらを接
続する金属ワイヤと共に低弾性率のシリコン系樹脂で封止し、好ましくは配線基板をガラ
スエポキシ樹脂基板もしくはアルミナ基板、LTCC基板とすることで、構造が単純で小
型かつ温度安定性に優れた加速度センサ装置を、中空型セラミックパッケージを用いた構
造と比較して低コストで提供することができる。
As in the present invention, a circuit chip and a MEMS assembly are stacked on a wiring board and sealed with a silicon resin having a low elastic modulus together with a metal wire for connecting them, and the wiring board is preferably a glass epoxy resin board or an alumina board. By using the LTCC substrate, an acceleration sensor device having a simple structure, a small size, and excellent temperature stability can be provided at a lower cost than a structure using a hollow ceramic package.
以下、本願発明について図面を参照しながら実施例に基づいて詳細に説明する。説明を
判り易くするため、同一の部品、部位には同じ符号を用いている。
Hereinafter, the present invention will be described in detail based on examples with reference to the drawings. In order to make the explanation easy to understand, the same reference numerals are used for the same parts and parts.
(実施例1)
本実施例の加速度センサ装置を、図1から図6を用いて具体的に説明する。図1は、本
実施例に用いたMEMSチップ2の斜視図である。MEMSチップ2はピエゾ抵抗素子1
3、14、15と配線(省略)、電極パッド24、接合部20、梁部12、錘部11、支
持枠部10等で構成している。
Example 1
The acceleration sensor device of the present embodiment will be specifically described with reference to FIGS. FIG. 1 is a perspective view of a
3, 14, 15, wiring (omitted),
MEMSチップ2は、約400μm厚のシリコン板に数μmのシリコン酸化層と約6μ
mのシリコン層を有するSOI基板を用いて作製した。シリコン層側の面にピエゾ抵抗素
子13、14、15の形状にフォトレジストをパターニングし、シリコン層にボロンを1
〜3x1018原子/cm3打ち込むことでピエゾ抵抗素子13、14、15を形成した
。ピエゾ抵抗素子13、14、15に接続する配線は、金属スパッターとドライエッチン
グ装置を用いて形成した。シリコン層とシリコン板をフォトリソとドライエッチング装置
を用いて加工し、シリコン層に形成される梁部12、およびシリコン層からシリコン板に
渡って形成される錘部11を形成した。シリコン酸化層はシリコンのドライエッチングの
際にエッチングストッパーとして機能する。ドライエッチングされるのはシリコンのみで
あるので、シリコン板はドライエッチングされるがシリコン酸化層は残っている。ドライ
エッチング後、弗酸、弗化アンモニウム水溶液に漬けシリコン酸化層をウェットエッチン
グで除去した。ドライエッチングはSF6、酸素混合ガスとC4F8ガスとを交互に導入
するプラズマ内で行った。1枚のウェファー上に多数の加速度センサチップを作製した。
The
It was manufactured using an SOI substrate having an m silicon layer. Photoresist is patterned in the shape of the
MEMSチップ2のピエゾ抵抗素子13、14、15や配線、電極パッド24を形成し
た後、それらの上に窒化シリコンをCVDで(厚さ0.1μm)積層した後、電極パッド
上の窒化シリコンをフォトリソ、エッチングで除去した。次にフォトレジストで電極パッ
ド24および接合部を開口した後、金属スパッターで、Cr(厚さ0.1μm)−Ni(
厚さ0.2μm)−Au(厚さ0.5μm)の順に積層膜を形成した。
After forming the
A laminated film was formed in the order of thickness 0.2 μm) -Au (thickness 0.5 μm).
接合部20には、接合材として3〜5μmの厚さのAu−Sn合金膜を真空蒸着で成膜
した。成膜時には接合部2以外の部分をフォトレジストで保護し、成膜後にフォトレジス
トを除去することでパターン形成を行なった。図1には図示されていないが、接合部20
は、MEMSチップ2のピエゾ抵抗素子面とその反対面の両面に形成した。
An Au—Sn alloy film having a thickness of 3 to 5 μm as a bonding material was formed on the
Were formed on both the piezoresistive element surface of the
本実施例では、接合部にAu−Sn合金膜を形成したが、上キャップ22と下キャップ
23とを接合でき、MEMSチップ2の特性に影響を与えない接合材料であればこれに限
定されない。他の低融点金属や樹脂等の接合材料を用いても良い。
In this embodiment, the Au—Sn alloy film is formed at the joint, but the present invention is not limited to this as long as it is a joining material that can join the
図2は、本実施例に用いたMEMS組立体21の斜視図および分解図である。MEMS
組立体21はMEMSチップ2に上キャップチップ22と下キャップチップ23とを接合
部20を介して接合することで作製した。
FIG. 2 is a perspective view and an exploded view of the
The
上キャップ22と下キャップ23は、厚さ約400μmのシリコンチップに、深さ15
μmの駆動制御溝31と接合部2を形成したものである。駆動制御溝31は、フォトレジ
ストを塗布して形成した開口部を、67℃の温度の40wt%水酸化カリウム水溶液で異
方性ウェットエッチングすることで形成した。接合部20は、MEMSチップ2の接合部
と同じ方法で、駆動制御溝31の外周部に形成した。
The
A μm drive control groove 31 and a joint 2 are formed. The drive control groove 31 was formed by anisotropic wet etching of an opening formed by applying a photoresist with a 40 wt% potassium hydroxide aqueous solution at a temperature of 67 ° C. The
駆動抑制溝30の形成方法は上記のウェットエッチングに限定されない。SF6、酸素
混合ガスとC4F8ガスとを交互に導入するプラズマ内でのドライエッチングを適用する
ことも可能である。
The formation method of the drive suppression groove |
MEMSチップ2と上キャップチップ22、下キャップチップ23の接合は、窒素ガス
雰囲気中でチップの上下から10kNの荷重を印加して、Au−Sn合金膜が熔解する温
度まで加熱することで行なった。この接合により、MEMSチップ2の可動部が上キャッ
プチップ22と下キャップチップ23に挟まれた空間で密封されてMEMS組立体21が
形成されるが、可動部は予め上キャップチップ22および下キャップチップ23のMEM
Sチップ2に対向する面に駆動抑制溝30が形成されているので自由に動作することがで
きる。
The
Since the
図3は、本実施例に用いた加速度センサ装置1の組立構造を示す半透視斜視図であり、
図4および図5は加速度センサ装置1の構造を示す断面図である。まず、回路チップ25
は下接合層31bを介して配線基板26に固定し、MEMS組立体21は上接合層31a
を介して回路チップ25に固定した。次に、MEMSチップ2の電極パッド24と回路チ
ップ25の電極パッド24’、および回路チップ25の電極パッド24’と配線基板26
の主端子26aを金属ワイヤ27で接続した。最後に、配線基板26上に積み重ねた回路
チップ25とMEMS組立体21および金属ワイヤ27をシリコン系樹脂29で封止した
。
FIG. 3 is a semi-transparent perspective view showing the assembly structure of the
4 and 5 are cross-sectional views showing the structure of the
Is fixed to the
It fixed to the
The main terminal 26 a was connected by a
本実施例では、上接合層31aおよび下接合層31bにダイアタッチフィルム(DAF
)を用いたが、ダイアタッチ用ペーストを用いても良い。
In this embodiment, a die attach film (DAF) is formed on the
However, a die attach paste may be used.
また、本実施例では、配線基板26に平板状のガラスエポキシ樹脂基板を用いた。これ
により、リードフレームを使用した小型パッケージでは面積が確保し難いダイパッドに相
当する回路チップの接合領域を、平面として十分に確保することができた。また、本実施
例では、ワイヤボンド性を考慮して耐熱温度の高いFR−5相当のガラスエポキシ樹脂基
板を用いた。ガラスエポキシ樹脂基板の熱膨張係数は平面方向で14×10−6/℃程度
、弾性率は27GPa程度であった。
In this embodiment, a flat glass epoxy resin substrate is used for the
また、平板状の配線基板26を使用することで、配線基板25の変形は基板母材の物性
が支配的になる。平板状の配線基板26は、リードフレームと比較して基板のXY方向の
変形異方性が小さくなるので、温度特性を安定化するには好ましいものである。これは、
加速度センサ装置をハンダ2次実装する際、2次実装用基板が温度で変形してもMEMS
チップ2への外力の影響が小さくなることを意味しており、2次実装後の温度特性を安定
化するのに有効と言える。特に、柔軟なシリコン系樹脂を用いて封止した加速度センサ装
置では、MEMSチップ2への外力の影響がさらに小さくなり、温度特性を安定化させる
効果が顕著になる。
Further, by using the
Even if the secondary mounting substrate is deformed due to temperature when the acceleration sensor device is secondarily mounted by solder, the MEMS is used.
This means that the influence of external force on the
また、シリコン系樹脂とリードフレームの組合せでは個別のリードが外力で動き易いた
め、回路チップ25の電極パッド24’と配線基板26の主端子26aを接続する金属ワ
イヤ27に負荷が掛かり断線し易くなる。リードが個別に動かないように固定された平板
状の配線基板26を用いることで、このような金属ワイヤ27の断線は回避することがで
きる。
In addition, in the combination of the silicon resin and the lead frame, individual leads are easily moved by an external force, so that a load is applied to the
また、小型パッケージのリードフレームでは、回路チップを接合するダイパッド面積を
十分に確保するのがレイアウト上困難であるが、平板状の配線基板26であれば回路チッ
プ25の裏面全域を配線基板に接合することができる。これにより、配線基板26と回路
チップ25との接合面全体が平坦にすることができるので、接合時の気泡生成を少なくす
ることができるのと同時に、接合面の熱膨張係数を均一化することもできる。このため、
加速度センサ装置の温度変化に対するMEMSチップ2への外力の影響を安定化させるこ
とができ、センサ出力電圧が安定化することで回路チップ25の補正を容易にすることが
できるので好ましいものである。
In addition, in a lead frame of a small package, it is difficult in terms of layout to secure a sufficient die pad area to which the circuit chip is bonded. However, in the case of the
This is preferable because the influence of the external force on the
配線基板26には、ガラスエポキシ樹脂基板よりアルミナ基板やLTCC等のセラミッ
ク基板の方がMEMSチップ2の熱膨張係数に近いため有利であるが、基板材の選定は特
性安定性だけでなくコストや構成材との相性等も考慮する必要がある。
A ceramic substrate such as an alumina substrate or LTCC is more advantageous than the glass epoxy resin substrate for the
図6は、本実施例に用いた配線基板26を示す上面図である。基板ベース材26bの表
裏に形成した主端子26aをスルーホール26c越しにCuめっきで電気的に接続したも
のであり、主端子26aのうち接続に必要な部分以外はレジスト26cで覆う構造とした
ものである。
FIG. 6 is a top view showing the
また、本実施例に用いる配線基板26は、図7の上面図に示されるような配線基板でも
良い。図7の配線基板は、基板ベース材26bの表裏に形成した主端子26aをキャスタ
レーション構造(端面電極)で接続することにより、回路チップ接合部の配線パターンを
なくして平坦にしたものである。図7の配線基板のように、回路チップを接合する領域に
配線パターンを配置しない方がレジストも不要となり、積層材の構成を単純にすることが
できる。また、配線基板が熱変形することによるMEMS組立体へ外力の影響を安定化す
ることができ、温度変化に対する加速度センサ装置の特性変化をより安定化させることも
可能である。
The
シリコン系樹脂29は、加速度センサ装置1において環境温度変化の影響を小さくする
ために、熱膨張係数αと弾性率Eの積(α×E)は小さく、熱膨張係数自体はMEMS組
立体21の主な構成部材であるシリコンに近接していることが好ましいものである。本実
施例には、黒色シリコン樹脂にSiO2系フィラーを混ぜて熱膨張係数を低くし、硬化後
の熱膨張係数が約170×10−6/℃,弾性率が約5MPaとなるようなシリコン系樹
脂29を用いた。
The silicon-based
本実施例では、シリコン系樹脂29は印刷法により形成した。配線基板26上に積み重
ねた回路チップ25とMEMS組立体21とを、印刷機のステージ上に固定し、樹脂ペー
ストを印刷領域と厚さを決定するマスク越しにスキージで塗布形成した。印刷では、15
行×15列の225個のセンサを印刷単位として一括印刷した。印刷後の樹脂内には気泡
が巻込まれるため、真空脱泡器で20分間脱泡後にクリーンオーブンで樹脂の熱硬化を行
った。熱硬化条件は175℃×30分とした。
In this embodiment, the
Batch printing was performed using 225 sensors in rows and 15 columns as printing units. Since bubbles were entrained in the resin after printing, the resin was thermally cured in a clean oven after defoaming for 20 minutes with a vacuum defoamer. The thermosetting conditions were 175 ° C. × 30 minutes.
図8は、本実施例の加速度センサ装置1について温度変化に対する特性変化を示した図
である。特性変化は、MEMSチップ2に対して垂直方向の加速度に対する出力電圧オフ
セットの加速度換算値で示している。比較例として、実施例と同じMEMS組立体25と
回路チップ25を、実施例と同じ上接合層31aと下接合層31bを介してリードフレー
ムに固定し、トランスファーモールドによりエポキシ系樹脂を封止した加速度センサ装置
の評価結果も示している。
FIG. 8 is a diagram showing a characteristic change with respect to a temperature change in the
比較例であるリードフレームとエポキシ系樹脂を用いた加速度センサ装置では、温度変
化に対するオフセットの加速度換算値が約3.5mg/℃であるのに対して、ガラスエポ
キシ樹脂基板とシリコン樹脂を用いた加速度センサ装置はその1/7の約0.5mg/℃
に改善され、温度安定性に優れた加速度センサ装置になっていることが確認できた。この
結果は、ガラスエポキシ樹脂基板とシリコン系樹脂の組合せにすることで、温度が変化に
よるMEMSチップ2に伝播する応力が低減できた効果と考えられる。
In the acceleration sensor device using the lead frame and the epoxy resin as a comparative example, the acceleration conversion value of the offset with respect to the temperature change is about 3.5 mg / ° C., whereas the glass epoxy resin substrate and the silicon resin are used. The acceleration sensor device is about 1/7 of about 0.5 mg / ° C.
As a result, it was confirmed that the acceleration sensor device was excellent in temperature stability. This result is considered to be the effect that the stress propagating to the
1 加速度センサ装置、
2 加速度センサチップ、
10 支持枠部、
11 錘部、
12 梁部、
13,14,15 ピエゾ抵抗素子、
20 接合部、
21 MEMS組立体、
22 上キャップチップ、
23 下キャップチップ、
24,24’ 電極パッド、
25 回路チップ、
26 配線基板、
26a 主端子、
26b ベース材、
26c スルーホール、
26d レジスト、
27 金属ワイヤ、
29 モールド樹脂、
30 駆動抑制溝、
31a 上接合層、
31b 下接合層。
1 acceleration sensor device,
2 acceleration sensor chip,
10 Support frame,
11 weight,
12 Beam part,
13, 14, 15 piezoresistive element,
20 joints,
21 MEMS assembly,
22 Upper cap tip,
23 Lower cap tip,
24, 24 'electrode pads,
25 circuit chips,
26 Wiring board,
26a main terminal,
26b base material,
26c through hole,
26d resist,
27 metal wire,
29 Mold resin,
30 Drive suppression groove,
31a upper bonding layer,
31b Lower joining layer.
Claims (4)
も可動部を密封するキャップチップとでMEMS加速度センサ組立体が形成され、配線基
板上に前記MEMS加速度センサチップからの出力を制御する回路チップと前記MEMS
加速度センサ組立体とが積み重ねられ、前記MEMS加速度センサチップと前記回路チッ
プおよび前記回路チップと前記配線基板とが各々金属ワイヤで接続され、前記配線基板上
に積み重ねられた前記回路チップとMEMS加速度センサ組立体および前記金属ワイヤが
シリコン系樹脂で封止されていることを特徴とする加速度センサ装置。 A MEMS acceleration sensor assembly having a movable part and a cap chip that seals at least the movable part of the MEMS acceleration sensor chip to form a MEMS acceleration sensor assembly, and a circuit chip for controlling an output from the MEMS acceleration sensor chip on a wiring board And the MEMS
The acceleration sensor assembly is stacked, the MEMS acceleration sensor chip, the circuit chip, and the circuit chip and the wiring board are connected to each other by metal wires, and the circuit chip and the MEMS acceleration sensor stacked on the wiring board are stacked. An acceleration sensor device, wherein the assembly and the metal wire are sealed with a silicon-based resin.
速度センサ装置。 The acceleration sensor device according to claim 1, wherein the wiring substrate is a glass epoxy resin substrate.
の加速度センサ装置。 The acceleration sensor device according to claim 1, wherein the wiring board is an alumina or LTCC board.
も可動部を密封するキャップチップとでMEMS加速度センサ組立体を形成し、配線基板
上に前記MEMS加速度センサチップからの出力を制御する回路チップと前記MEMS加
速度センサ組立体とを積み重ね、前記MEMS加速度センサチップと前記回路チップおよ
び前記回路チップと前記配線基板とを各々金属ワイヤで接続し、前記配線基板上に積み重
ねられた前記回路チップとMEMS加速度センサ組立体および前記金属ワイヤを、印刷法
またはポッティング法を用いてシリコン系樹脂封止することを特徴とする加速度センサ装
置の製造方法。 A circuit chip for forming a MEMS acceleration sensor assembly with a MEMS acceleration sensor chip having a movable part and a cap chip for sealing at least the movable part of the MEMS acceleration sensor chip, and controlling an output from the MEMS acceleration sensor chip on a wiring board And the MEMS acceleration sensor assembly, the MEMS acceleration sensor chip, the circuit chip, and the circuit chip and the wiring board are respectively connected by metal wires, and the circuit chip and the MEMS stacked on the wiring board are connected to each other. A method of manufacturing an acceleration sensor device, comprising: sealing an acceleration sensor assembly and the metal wire with a silicon-based resin using a printing method or a potting method.
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