JP2010175376A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ベース材の表面に接着されて加速度等の物理量を検出する半導体センサチップの特性変化を抑制し、ベース材に対する半導体センサチップの共振周波数が物理量の検出を阻害しないようにする。
【解決手段】平面視矩形環状に形成された板状の支持枠部２１と、その内縁２１ａに連結されて物理量を検出するセンサ部２２とを備える半導体センサチップ３において、支持枠部２１の一辺３１の幅寸法を他の辺３２〜３４の幅寸法ｗ１よりも大きく設定して一辺３１のうちその内縁２１ａから他の辺３２〜３４の幅寸法ｗ１分だけ差し引いた部分を延長部３５とし、延長部３５には支持枠部２１の外縁から支持枠部２１の面方向に窪む切欠部３７を形成する。半導体センサチップ３とベース材Ｐとは、その表面Ｐ１に対向する延長部３５の主面うち切欠部３７よりも一辺３１の内縁２１ａから離れた外側領域Ｓ１において、接着剤Ｇにより複数個所で点接着する。
【選択図】図１

Description

本発明は、加速度、傾斜、角速度等の物理量を検出する半導体センサチップを備える半導体装置に関する。

従来、加速度、傾斜、角速度等の物理量を検出する半導体装置としては、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術を用いて製造され、可撓性を有する可撓部の変位や変形をピエゾ抵抗部等の検出手段によって検出して電気信号で出力する半導体センサチップを、接着剤によりベース材の表面に固定して構成されたものがある（例えば、特許文献１参照）。なお、ベース材の表面は、例えば半導体センサチップを収容するケース内の搭載面等である。
半導体センサチップは、平面視環状に形成された支持枠部の内縁に可撓部を支持させて構成されており、平面視環状に形成された支持枠部の下面に接着剤を塗布してベース材の表面に固定される。なお、この支持枠部は、その内縁から外縁までの幅寸法が周方向にわたってほぼ等しく設定されている。また、接着剤は、支持枠部の下面の周方向にわたって等間隔となる複数の位置に塗布されている。

特開２００６−３０２９４３号公報

しかしながら、上記従来の半導体装置において、半導体センサチップ及びベース材の熱膨張係数が相互に異なっていると、半導体センサチップ及びベース材が加熱若しくは冷却された際に、前述した熱膨張係数の差に基づいて支持枠部とベース材との間に応力が発生したり、支持枠部が変形したりする。その結果、可撓部も変形する等して半導体センサチップの特性が変化してしまう、という問題がある。
なお、特許文献１には、可撓部が上述した応力や変形の影響を受けないように、支持枠部の一箇所において点接着する手法も記載されている。しかしながら、この場合には、半導体センサチップ全体が、点接着部分を軸としてベース材に対して振動しやすく、その固定状態が不安定となる。また、ベース材に対する半導体センサチップの共振周波数は低く、可撓部の共振周波数に近くなることが多いため、物理量の検出を阻害する虞がある。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、半導体センサチップの特性変化を抑制できると共に、ベース材に対する半導体センサチップの共振周波数が物理量の検出を阻害しない半導体装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、この発明は以下の手段を提案している。
本発明の半導体装置は、平面視矩形環状に形成された板状の支持枠部と、当該支持枠部の内側に配されて前記支持枠部の内縁に連結された可撓部と、当該可撓部の変形又は変位を検出する検出手段とを備える半導体センサチップを接着剤によりベース材の表面に固定した半導体装置であって、前記支持枠部の内縁から外縁に至る前記支持枠部の一辺の幅寸法が、他の辺の幅寸法よりも大きく設定されることで、前記一辺のうちその内縁から他の辺の幅寸法分だけ差し引いた部分を延長部とし、当該延長部には、前記支持枠部の外縁から前記支持枠部の面方向に窪む切欠部が形成され、前記半導体センサチップは、前記ベース材の表面に対向する前記延長部の主面うち、前記切欠部よりも前記一辺の内縁から離れた外側領域において、前記接着剤により複数個所で点接着されていることを特徴とする。
なお、ベース材の表面としては、例えば、上記半導体センサチップを収容するケース内の搭載面や、半導体センサと電気接続される回路基板の表面等が挙げられる。

この半導体装置によれば、半導体センサチップが延長部に位置する複数の点接着部分に分けてベース材に接着されているため、半導体センサチップ及びベース材の熱膨張係数の相異に基づいて支持枠部とベース材との間に応力が発生しても、複数の点接着部分の間の距離が変化する等して延長部が変形することで、この応力を緩和することができる。
そして、延長部に切欠部が形成されることで、延長部には切欠部よりも一辺の内縁側の領域と比較して変形しやすい易変形部が現れるため、前述した延長部の変形を易変形部に集中させることができる。
したがって、上述した応力や変形が延長部から支持枠部の内縁に伝わることを抑制して、半導体センサチップの特性が変化することを抑制できる。

また、ベース材と半導体センサチップとを複数箇所で点接着しているため、一箇所のみで点接着する場合と比較して、半導体センサチップを安定して固定できると共に、ベース材に対する半導体センサチップの共振周波数を可撓部の共振周波数よりも十分に大きくすることができる。したがって、可撓部及び検出手段による物理量の検出が上記共振周波数によって阻害されることを防止できる。

そして、前記半導体装置においては、前記切欠部が、前記外縁から前記主面に沿って前記延長部の延出方向に直交する方向に窪んで形成されていることが好ましい。
この場合には、前述した易変形部として、延長部の延出方向の一部（延長部をなす支持枠部の一辺の幅方向の中途部）に、他の部分よりも細く狭まった括れ部が形成されるため、支持枠部とベース材との間に生じる応力に基づく延長部の変形を、この括れ部に集中させることができる。

また、前記半導体装置においては、前記切欠部が、前記外縁から前記延長部の延出方向と逆向きに窪んで形成され、前記接着剤による少なくとも２つの前記点接着部分が、前記切欠部を挟み込むように位置することが好ましい。
この場合には、切欠部の両側に位置する延長部の２つの外側領域が、一辺の他の部分よりも変形しやすい易変形部として形成されることになる。このため、支持枠部とベース材との間に生じる応力に基づく延長部の変形を、これら２つの外側領域に集中させることができる。

本発明によれば、半導体センサチップの特性が変化することを抑制できると共に、可撓部及び検出手段による物理量の検出が上記共振周波数によって阻害されることを防止できる。

以下、図１〜４を参照して本発明の一実施形態に係る半導体装置について説明する。図１〜４に示すように、この実施形態に係る半導体装置１は、接着剤Ｇにより半導体センサチップ３をベース材Ｐの表面Ｐ１に固定して構成されている。なお、ベース材Ｐの表面Ｐ１の具体例としては、例えば半導体センサチップ３を収容するケース内の搭載面、半導体センサチップ３と電気接続される回路基板の表面等が挙げられる。

半導体センサチップ３は、ＭＥＭＳ技術を用いて単結晶シリコン層１１にデバイス層１２を積層したＳＯＩ（Silicon on Insulator）ウエハ１０により製造されるものである。ここで、ＳＯＩウエハ１０をなすデバイス層１２は、単結晶シリコン層１１側から二酸化シリコン（ＳｉＯ_２）からなる酸化層と、単結晶シリコン（Ｓｉ）からなる半導体層（ＳＯＩ層）とを順次積層して構成されている。また、酸化層は単結晶シリコン層１１の表層が熱酸化されることで形成されるものである。
この半導体センサチップ３は、平面視矩形環状に形成された板状の支持枠部２１と、支持枠部２１の内側に取り付けられたセンサ部２２とを備えて構成されている。

センサ部２２は、支持枠部２１の内側に間隔をあけて配された平面視矩形の錘部Ｍと、可撓性を有して支持枠部２１と錘部Ｍとを一体に連結する複数の可撓部Ｆと、検出手段としてのピエゾ抵抗部２３とを備えている。すなわち、センサ部２２は、錘部Ｍに作用する慣性力に応じた可撓部Ｆの変形又は変位をピエゾ抵抗部２３によって電気信号に変換することで加速度（物理量）を検出する加速度センサとして構成されている。
支持枠部２１及び錘部Ｍは、ＳＯＩウエハ１０の単結晶シリコン層１１及びデバイス層１２によって構成されており、その厚さ寸法が互いに等しくなるように設定されている。なお、錘部Ｍには、平面視矩形の各辺から内側に窪む４つの凹部Ｍ１が形成されている。

一方、可撓部Ｆは、ＳＯＩウエハ１０のデバイス層１２によって構成されている。すなわち、支持枠部２１、錘部Ｍ及び可撓部Ｆは、同一のデバイス層１２によって一体に形成されている。そして、各可撓部Ｆは、支持枠部２１の内側の各辺から錘部Ｍに向けて延びており、その先端部が錘部Ｍの各凹部Ｍ１の底部に結合されている。これにより、錘部Ｍの大きさを十分に確保しつつ、可撓部Ｆも十分な可撓性を有するように形成することができる。
ピエゾ抵抗部２３はデバイス層１２の半導体層に複数形成されている。なお、図示例において、ピエゾ抵抗部２３は可撓部Ｆと支持枠部２１あるいは錘部Ｍとにわたって形成されているが、例えば可撓部Ｆのみに形成されていてもよい。

図１，２に示すように、支持枠部２１では、その内縁２１ａから外縁に至る支持枠部２１の一辺３１の幅寸法が、他の辺３２〜３４の幅寸法ｗ１よりも大きく設定されている。すなわち、支持枠部２１の一辺３１は他の三辺３２〜３４よりも幅広に形成されている。なお、図示例においては、他の三辺３２〜３４の幅寸法ｗ１が互いに等しいが、例えば相互に異なっていてもよい。この場合には、支持枠部２１の一辺３１の幅寸法が、他の三辺３２〜３４のうち最も大きい幅寸法ｗ１よりも大きくなるように設定されていればよい。
そして、支持枠部２１においては、一辺３１のうちその内縁２１ａから他の辺３２〜３４の幅寸法ｗ１の分だけ差し引いた部分が、一辺３１の延長部３５をなしている。

延長部３５は、支持枠部２１の外縁形状に倣う平面視矩形状に形成されている。延長部３５には、一辺３１の長手方向（Ｙ軸方向）の両端から当該長手方向に窪む切欠部３７が一対形成されている。これにより、延長部３５の延出方向（Ｘ軸正方向）の一部が、他の部分よりも細く狭まった括れ部（易変形部）３９として形成されることになる。言い換えれば、括れ部３９は一辺３１の幅方向（Ｘ軸方向）の中途部に形成されている。したがって、一辺３１の長手方向に沿う一対の切欠部３７の深さ寸法の合計は、一辺３１の長手寸法よりも小さくなるように設定されている。また、一対の切欠部３７は、延長部３５をなす支持枠部２１の外縁の２つの角部が残るように形成されている。
なお、図示例においては、一辺３１の内縁２１ａ側に位置する切欠部３７の端部が、一辺３１の内縁２１ａ側に位置する延長部３５の延出方向の基端３５ａから離れて位置しているが、例えば延長部３５の基端３５ａに重なっていてもよい。
この切欠部３７は、錘部Ｍ及び可撓部Ｆを形成する場合と同様に、単結晶シリコン層１１やデバイス層１２をエッチングすることで形成することができる。

以上のように構成される半導体センサチップ３は、単結晶シリコン層１１からなる半導体センサチップ３の下面（主面）３ｂをベース材Ｐの表面Ｐ１に間隔をあけて対向させた状態で、その下面３ｂ及びベース材Ｐの表面Ｐ１を接着剤Ｇにより接着することで固定されている。この接着剤としては、例えば樹脂系接着剤やこれにフィラーを添加したものが挙げられる。
そして、半導体センサチップ３は、延長部３５をなす半導体センサチップ３の下面３ｂのうち、切欠部３７よりも一辺３１の内縁２１ａから離れた外側領域Ｓ１において、接着剤Ｇにより複数個所で点接着されている。なお、本実施形態における外側領域Ｓ１は、切欠部３７の窪み方向の先端よりも延長部３５の延出方向に沿って一辺３１の内縁２１ａから離れた領域であり、図１においてハッチング領域によって示されている。より具体的に説明すれば、接着剤Ｇによる点接着部分Ｇ１，Ｇ２は２つであり、これら２つの点接着部分Ｇ１，Ｇ２は、それぞれ一辺３１の内縁２１ａとの間に各切欠部３７が位置するように、延長部３５をなす支持枠部２１の外縁の２つの角部近傍に各々位置している。

以上のように構成される半導体装置１において、錘部Ｍに慣性力が作用した際には、錘部Ｍが支持枠部２１に対して移動すると共に可撓部Ｆが変形する。ここで、錘部Ｍは、ベース材Ｐの表面Ｐ１上に隙間をあけて位置するため、この隙間寸法の分だけベース材Ｐに近付く方向に移動することができる。すなわち、錘部Ｍがベース材Ｐに向けて移動できる移動量は、錘部Ｍとベース材Ｐとの隙間寸法分に制限され、その結果として、可撓部Ｆの変形量も制限されることになる。したがって、錘部Ｍが過度に移動することを防いで、可撓部Ｆの保護を図ることができる。

そして、上記半導体装置１によれば、半導体センサチップ３が延長部３５に位置する２つの点接着部分Ｇ１，Ｇ２に分けてベース材Ｐに接着されているため、半導体センサチップ３及びベース材Ｐの熱膨張係数の相異に基づいて支持枠部２１とベース材Ｐとの間に応力が発生しても、２つの点接着部分Ｇ１，Ｇ２の間の距離が変化する等して延長部３５が変形することで、この応力を緩和することができる。そして、延長部３５に切欠部３７が形成されることで、延長部３５には切欠部３７よりも一辺３１の内縁２１ａ側の領域と比較して変形しやすい括れ部３９が現れるため、前述した延長部３５の変形を括れ部３９に集中させることができる。
したがって、上述した応力や変形が延長部３５から支持枠部２１の内縁２１ａに伝わることを抑制して、半導体センサチップ３の特性が変化することを抑制できる。特に、延長部３５の延長方向の寸法を支持枠部２１の他の三辺３２〜３４の幅寸法ｗ１の３倍以上に設定すると、上述した半導体センサチップ３の特性変化を効果的に抑制できる。

また、ベース材Ｐと半導体センサチップ３とを複数箇所で点接着しているため、一箇所のみで点接着する場合と比較して、半導体センサチップ３を安定して固定できると共に、ベース材Ｐに対する半導体センサチップ３の共振周波数が、可撓部Ｆを含むセンサ部２２の共振周波数よりも十分に大きくなる。したがって、センサ部２２による加速度の検出が上記共振周波数によって阻害されることを防止できる。
なお、半導体センサチップ３及び接着剤Ｇの弾性率、ポアソン比、密度、また、半導体センサチップ３の線膨張係数を〔表１〕のように設定し、さらに、延長部３５の延長方向の寸法を支持枠部２１の他の三辺３２〜３４の幅寸法ｗ１の３倍としてモーダル解析を行った。その結果、ベース材Ｐに対する半導体センサチップ３の共振周波数は６．２〔ｋＨｚ〕となり、センサ部２２の共振周波数１〔ｋＨｚ〕と比較して、十分に大きくなることが明らかとなった。

なお、上記実施形態において、切欠部３７は、一辺３１の長手方向の両端から窪んで形成されているが、少なくとも延長部３５に括れ部３９が現れるように形成されていればよく、例えば一辺３１の長手方向の両端のいずれか一方のみから窪むように形成されてもよい。
また、接着剤Ｇによる２つの点接着部分Ｇ１，Ｇ２は、延長部３５をなす支持枠部の２つの角部近傍にそれぞれ位置するとしたが、少なくとも外側領域Ｓ１に位置していればよい。ただし、一方の点接着部分Ｇ１が一辺３１の内縁２１ａ側に寄せて配される場合には、他方の点接着部分Ｇ２を一方の点接着部分Ｇ１よりも延長部３５の延出方向にずらした位置に配することが好ましい。

さらに、延長部３５に形成される切欠部３７は、上記実施形態のように一辺３１の長手方向に窪んで形成されることに限らず、少なくとも支持枠部２１の外縁から支持枠部２１の面方向（図１においてＸＹ平面に沿う方向）に窪んで形成されていればよい。
したがって、例えば図５に示すように、支持枠部２１の外縁から延長部３５の延出方向と逆向き（Ｘ軸負方向）に窪む切欠部４１が形成されてもよい。このように構成された半導体センサチップ４でも、上記実施形態と同様に、延長部３５をなす半導体センサチップ４の下面のうち、切欠部４１よりも一辺３１の内縁２１ａから離れた外側領域Ｓ２において、接着剤Ｇにより複数個所で点接着されていればよいが、図示例のように、接着剤Ｇによる少なくとも２つの点接着部分Ｇ１，Ｇ２が、切欠部４１を挟み込むように位置することが好ましく、これら２つの点接着部分Ｇ１，Ｇ２が延長部３５をなす２つの角部に位置することがより好ましい。なお、この半導体センサチップ４における外側領域Ｓ２は、一辺３１の内縁２１ａ側に位置する切欠部４１の窪み方向の先端よりも一辺３１の内縁２１ａから所定距離だけ離れて切欠部４１を挟み込む２つの領域であり、図５においてハッチング領域によって示されている。

上記構成の半導体装置２でも、上記実施形態と同様の効果を奏する。すなわち、支持枠部２１とベース材Ｐとの間に応力が発生しても、２つの点接着部分Ｇ１，Ｇ２間の距離が変化する等して延長部３５が変形することで、この応力を緩和できる。そして、切欠部３７の形成によって現れる延長部３５の２つの外側領域Ｓ２部分は、切欠部３７よりも一辺３１の内縁２１ａ側の領域と比較して変形しやすい易変形部をなすため、前述した延長部３５の変形を２つの外側領域Ｓ２部分に集中させることができる。したがって、上述した応力や変形が延長部３５から支持枠部２１の内縁２１ａに伝わることを抑制して、半導体センサチップ３の特性が変化することを抑制できる。
また、半導体センサチップ４を安定して固定できると共に、ベース材Ｐに対する半導体センサチップ４の共振周波数をセンサ部２２の共振周波数よりも十分に大きくすることができる。なお、この半導体装置２について、上記実施形態の半導体装置１と同様の条件でモーダル解析を行ったところ、ベース材Ｐに対する半導体センサチップ４の共振周波数は６．４〔ｋＨｚ〕となり、センサ部２２の共振周波数よりも十分に大きくなることが明らかとなった。

さらに、切欠部３７，４１の窪み方向は、図１，５に示す方向に限らず、例えばＸ軸方向及びＹ軸方向の両方に傾斜する方向に傾斜してもよい。この場合には、延長部３５をなす支持枠部２１の外縁の角部が残るように形成されることに限らず、例えば延長部３５をなす支持枠部２１の外縁の角部が削り取られるように形成されてもよい。
また、切欠部３７，４１の平面視形状は、図１，５のように丸みを帯びた形状に限らず、例えば平面視矩形状、平面視三角形状等のように任意の平面視形状を呈してよい。なお、切欠部３７，４１の平面視形状が矩形状や三角形状等のように直線部分を有する場合には、この直線部分が延長部３５の基端３５ａに重なっていてもよいし、延長部３５の基端３５ａから離れていても構わない。

さらに、同一方向に窪む切欠部３７，４１は、図１，５のように１つだけ形成されることに限らず、例えば互いに隣り合うように複数形成されてもよい。なお、互いに隣り合う２つの切欠部３７，４１は、相互に間隔をあけて配されてもよいが、一部が重なり合うように形成されてもよい。
また、接着剤Ｇによる点接着部分Ｇ１，Ｇ２は２つに限らず、例えば３つ以上であってもよい。

さらに、錘部Ｍ及び可撓部Ｆの形状は、上記実施形態のものに限らず、少なくとも錘部Ｍに慣性力が作用した際に、錘部Ｍが支持枠部２１に対して移動すると共に可撓部Ｆが変形するように形成されていればよい。
例えば、支持枠部２１は平面視矩形の環状に形成されることに限らず、平面視円環状に形成されてもよい。また、複数の可撓部Ｆは、全体として平面視十字状をなすように配されることに限らず、それぞれ任意の位置に配されていてもよい。すなわち、可撓部Ｆは、例えば支持枠部２１の相対する２つの内縁２１ａを結ぶように直線状に形成されてもよい。また、可撓部Ｆは、支持枠部２１と錘部Ｍとの間に１つだけ形成される片持ち梁状に形成されてもよいし、支持枠部２１の内縁２１ａ全体に連結されるダイヤフラム状に形成されてもよい。
さらに、本発明は、加速度センサとして機能するものに限らず、角速度センサ、圧力センサ、振動センサ、マイクロフォン等として機能する半導体装置にも広く適用することができる。すなわち、本発明の半導体装置は錘部Ｍを備えていなくてもよい。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。

この発明の一実施形態に係る半導体装置を上方から見た状態を示す概略平面図である。 図１のＡ−Ａ矢視断面図である。 図１の半導体センサチップを構成するセンサ部を半導体装置の上方から見た状態を示す拡大平面図である。 図３のＢ−Ｂ矢視断面図である。 この発明の他の実施形態に係る半導体装置を上方から見た状態を示す概略平面図である。

１，２…半導体装置、３，４…半導体センサチップ、３ｂ…下面（主面）、２１…支持枠部、２１ａ…内縁、２２…センサ部、２３…ピエゾ抵抗部（検出手段）、３１…一辺、３２〜３４…他の辺、３５…延長部、Ｆ…可撓部、Ｇ…接着剤、Ｇ１，Ｇ２…点接着部分、Ｍ…錘部、Ｐ…ベース材、Ｐ１…表面、Ｓ１，Ｓ２…外側領域、ｗ１…他の辺３２〜３４の幅寸法

Claims (3)

1. 平面視矩形環状に形成された板状の支持枠部と、当該支持枠部の内側に配されて前記支持枠部の内縁に連結された可撓部と、当該可撓部の変形又は変位を検出する検出手段とを備える半導体センサチップを接着剤によりベース材の表面に固定した半導体装置であって、
   前記支持枠部の内縁から外縁に至る前記支持枠部の一辺の幅寸法が、他の辺の幅寸法よりも大きく設定されることで、前記一辺のうちその内縁から他の辺の幅寸法分だけ差し引いた部分を延長部とし、
   当該延長部には、前記支持枠部の外縁から前記支持枠部の面方向に窪む切欠部が形成され、
   前記半導体センサチップは、前記ベース材の表面に対向する前記延長部の主面うち、前記切欠部よりも前記一辺の内縁から離れた外側領域において、前記接着剤により複数個所で点接着されていることを特徴とする半導体装置。
2. 前記切欠部が、前記外縁から前記主面に沿って前記延長部の延出方向に直交する方向に窪んで形成されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記切欠部が、前記外縁から前記延長部の延出方向と逆向きに窪んで形成され、
   前記接着剤による少なくとも２つの前記点接着部分が、前記切欠部を挟み込むように位置することを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。

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