JP2010271080A - Pressure sensor module and pressure sensor package - Google Patents
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Description
本発明は、圧力センサモジュール及び圧力センサパッケージに関する。詳しくは、半導体基板に形成した半導体圧力センサと、該半導体圧力センサの制御用の集積回路のチップサイズでの実装を目的とし、他の電子部品との電気的接合に用いる電極にバンプを用いる圧力センサモジュール及び圧力センサパッケージに関する。 The present invention relates to a pressure sensor module and a pressure sensor package. Specifically, the pressure used to bump the electrodes used for electrical bonding with other electronic components for the purpose of mounting the semiconductor pressure sensor formed on the semiconductor substrate and the integrated circuit for controlling the semiconductor pressure sensor in a chip size. The present invention relates to a sensor module and a pressure sensor package.
半導体圧力センサ（以下、「圧力センサ」と呼称）は、ピエゾ抵抗効果などを利用して、シリコンなどの半導体基板上に生ずる圧力変化を電圧信号に変換する機能を有するセンサである。 A semiconductor pressure sensor (hereinafter referred to as “pressure sensor”) is a sensor having a function of converting a pressure change generated on a semiconductor substrate such as silicon into a voltage signal by utilizing a piezoresistance effect or the like.
その一例としては、例えば図１０に示すようなものが挙げられる。この圧力センサ１００は、シリコン等からなる半導体基板１０２の一面において、その中央域の内部に該一面と略平行して広がる、基準圧力室としての空間部１０３と、該空間部１０３の一方側に位置する薄板化された領域によりなるダイアフラム部１０４（感圧部）と、圧力による該ダイアフラム部１０４の歪抵抗の変化を測定するために複数配された、感圧素子としての歪ゲージ１０５と、前記一面において、前記ダイアフラム部１０４を除いた外縁域に配され、前記歪ゲージ１０５ごとに電気的に接続された電極（パッド部）１０６等を備えている。
As an example, for example, the one shown in FIG. The
このような圧力センサ１００は、主に樹脂からなるパッケージに封止することにより、圧力センサの電子部品として用いられる(以下、「圧力センサパッケージ」と呼称)。
図１１は、樹脂による圧力センサパッケージ１１０の構造例である。この例では、樹脂板等からなり、圧力導入孔１１１ａを有する筐体１１１を備え、該筐体１１１内部に形成される空間の中に、前記圧力センサ１００が絶縁材料からなる支持基板１１２上に配され、金線などを用いたワイヤーボンド１１３により、圧力センサ１００の電極部１０６と筐体１１１に設けられた金属リード１１４とが電気的に接続される。図１１（ａ）は絶対圧型圧力センサの構成例であり、図１１（ｂ）は相対圧型圧力センサの構成例である。
Such a
FIG. 11 is a structural example of a
ただし、このような圧力センサパッケージの筐体を小型化するには、リードフレームのサイズや筐体内部の空間を縮小する必要がある。樹脂やリードフレームの加工精度などにより圧力センサパッケージのサイズ縮小が困難であるため、圧力センサを高密度に実装するためには、感圧素子を形成した半導体基板を樹脂や金属などで構成された筐体で覆う形態の、従来の圧力センサパッケージの構成をとることは困難であるという問題がある。 However, in order to reduce the size of the housing of such a pressure sensor package, it is necessary to reduce the size of the lead frame and the space inside the housing. Since it is difficult to reduce the size of the pressure sensor package due to the processing accuracy of the resin and lead frame, the semiconductor substrate on which the pressure-sensitive elements are formed is made of resin or metal in order to mount the pressure sensor at high density. There is a problem that it is difficult to adopt a configuration of a conventional pressure sensor package in a form of covering with a housing.
電子部品の実装用基板に対する、圧力センサの高密度実装を目的とした、従来よりも小型の圧力センサを実現する方法として、半導体基板上に電極となるバンプを形成する技術（以下、「バンプ形成技術」と呼称）が知られている（例えば、特許文献１参照）。 Technology for forming bumps that serve as electrodes on a semiconductor substrate (hereinafter referred to as “bump formation”) Technology (referred to as “technology”) is known (see, for example, Patent Document 1).
図１２にバンプ形成技術を用いて作製された圧力センサパッケージを示す。バンプ形成技術により作製した圧力センサパッケージは、圧力センサの半導体基板と同程度の大きさで電子部品の実装用基板に実装することが可能である。また、図１３に示すように、半導体基板面上のダイアフラム部１０４の外周領域に、感圧素子１０５形成面から対向面に対して半導体基板１０２に貫通孔１２１を形成し、貫通孔１２１内面にスパッタ法などにより金属膜１２２を堆積させ、該対向面に形成したバンプ１２０と、感圧素子とを電気的に接続する（以下、「貫通配線形成技術」と呼称）。このように、バンプ形成技術と貫通配線形成技術を用いることにより、小型の圧力センサパッケージを作製することが可能である。
FIG. 12 shows a pressure sensor package manufactured using a bump forming technique. The pressure sensor package manufactured by the bump formation technology can be mounted on a mounting substrate for electronic components in the same size as the semiconductor substrate of the pressure sensor. Further, as shown in FIG. 13, a
このような圧力センサにおいて高精度の圧力分解能を実現するためには、出力の電気信号の温度依存性を小さくすることが効果的であり、加えて、所望の出力値になるような電気信号の増幅や補正が必要になる。
そこで、前記の特徴をもつ感圧素子を形成した半導体基板（以下、「圧力センサ本体」と呼称）に加えて、該感圧素子からの電気信号を補償するために、半導体の集積回路が接続されることがある。
In order to achieve high-precision pressure resolution in such a pressure sensor, it is effective to reduce the temperature dependence of the electrical signal of the output, and in addition, the electrical signal of a desired output value is obtained. Amplification and correction are required.
Therefore, in addition to a semiconductor substrate (hereinafter referred to as “pressure sensor body”) on which a pressure-sensitive element having the above characteristics is formed, a semiconductor integrated circuit is connected to compensate for an electric signal from the pressure-sensitive element. May be.
圧力センサ本体の感圧素子の形成面と同一面で、感圧素子の外周部に、当該集積回路を形成した圧力センサモジュール（以下、「集積化圧力センサ」と呼称）が知られている。集積化圧力センサにより、感圧素子からの電気信号の補償が可能であるが、感圧素子と同一面に該集積回路が形成されるため、圧力センサ本体の面積より、集積化圧力センサの面積が、少なからず増加するという問題がある。 A pressure sensor module (hereinafter referred to as “integrated pressure sensor”) in which the integrated circuit is formed on the outer surface of the pressure sensitive element on the same surface as the pressure sensitive element forming surface of the pressure sensor body is known. The integrated pressure sensor can compensate the electric signal from the pressure sensitive element. However, since the integrated circuit is formed on the same surface as the pressure sensitive element, the area of the integrated pressure sensor is larger than the area of the pressure sensor body. However, there is a problem that it increases not a little.
圧力センサ本体と圧力センサ制御用の集積回路（以下、「ＡＳＩＣ」と呼称）を、他の電子部品と電気的に接続するために、圧力センサ本体とＡＳＩＣを、それぞれ樹脂などで構成されたパッケージ内に設置した状態で樹脂基板等に実装する場合、圧力センサ本体とＡＳＩＣのパッケージに相当する実装面積と、パッケージ間を電気的に接続する配線部の面積が必要になる。特に小型の携帯端末などに圧力センサパッケージを実装する場合には、実装面積が大きいという問題がある。 In order to electrically connect the pressure sensor main body and the integrated circuit for controlling the pressure sensor (hereinafter referred to as “ASIC”) to other electronic components, the pressure sensor main body and the ASIC are each made of a resin or the like. When mounting on a resin substrate or the like in a state of being installed inside, a mounting area corresponding to the pressure sensor main body and the ASIC package and an area of a wiring portion for electrically connecting the packages are required. In particular, when the pressure sensor package is mounted on a small portable terminal or the like, there is a problem that the mounting area is large.
また、圧力センサ本体とＡＳＩＣを積層した場合は、圧力センサ単体のパッケージと同等のパッケージ面積を実現できるが、パッケージの高さが増加するという問題がある。実装後の圧力センサパッケージの高さは、該パッケージの高さに依存するため、薄型化の実装が困難であるという問題がある。 Further, when the pressure sensor main body and the ASIC are stacked, a package area equivalent to the package of the pressure sensor alone can be realized, but there is a problem that the height of the package increases. Since the height of the pressure sensor package after mounting depends on the height of the package, there is a problem that it is difficult to reduce the thickness of the package.
一方、圧力センサ本体に対する小型かつ薄型の実装を目的として、バンプを用いたチップサイズのパッケージ（以下、「ＣＳＰ」と呼称）による実装技術が検討されている。この方法により、樹脂等で構成されたパッケージに圧力センサを設置する従来のパッケージより、実装面積が小さく薄型の実装が可能になる。ただし、温度特性が補償された高精度の圧力センサを実現するためには、ＡＳＩＣと組み合わせた圧力センサモジュールが必要になる。 On the other hand, a mounting technique using a chip size package (hereinafter referred to as “CSP”) using bumps has been studied for the purpose of small and thin mounting on the pressure sensor body. By this method, the mounting area is smaller and thinner than the conventional package in which the pressure sensor is installed in a package made of resin or the like. However, in order to realize a highly accurate pressure sensor with compensated temperature characteristics, a pressure sensor module combined with an ASIC is required.
感圧素子を形成した半導体基板とＡＳＩＣを、他の電子部品との接続を目的とした基板上に実装する場合、ＡＳＩＣも圧力センサ本体と同様にＣＳＰで実装することにより、圧力センサ単体のＣＳＰによる実装と比べて、実装面積が増加するという問題がある。また、バンプを形成したセンサチップ面上に、バンプを形成したＡＳＩＣを実装する方法が知られている（例えば、非特許文献１参照）。この方法により小型の実装は可能であるが、バンプやＡＳＩＣチップの厚さを精密に制御しなければならないという問題がある。 When mounting a semiconductor substrate on which a pressure-sensitive element is formed and an ASIC on a substrate intended for connection to other electronic components, the ASIC is also mounted on the CSP in the same manner as the pressure sensor body, so that the CSP of the pressure sensor alone is mounted. There is a problem that the mounting area is increased as compared with mounting by. In addition, a method of mounting an ASIC with bumps formed on a sensor chip surface with bumps is known (see, for example, Non-Patent Document 1). Although this method allows a small mounting, there is a problem that the thickness of the bump and the ASIC chip must be precisely controlled.
本発明は、このような従来の実情に鑑みて考案されたものであり、圧力センサ制御用の集積回路を備えた圧力センサモジュールにおいて、チップサイズに小型化、薄型化することが可能な圧力センサモジュールを提供することを第一の目的とする。
本発明は、圧力センサ制御用の集積回路を備えた圧力センサパッケージにおいて、チップサイズに小型化、薄型化することが可能な圧力センサパッケージを提供することを第二の目的とする。
The present invention has been devised in view of such a conventional situation, and in a pressure sensor module including an integrated circuit for controlling a pressure sensor, a pressure sensor that can be reduced in size and thickness to a chip size. The primary purpose is to provide modules.
A second object of the present invention is to provide a pressure sensor package having an integrated circuit for controlling the pressure sensor, which can be made smaller and thinner in chip size.
本発明の請求項１に記載の圧力センサモジュールは、第一基板と第二基板とを重ねてなる基体、第二基板の中央域に配された凹部により、該基体内の重なり面において、その中央域の内部に前記第一基板と略平行に配された空間部、前記空間部上に位置し、前記第一基板の薄板化された領域からなるダイアフラム部、前記ダイアフラム部に配された感圧素子、及び、前記第一基板において、前記ダイアフラム部を除いた外周域に配され、前記感圧素子と電気的に接続された導電部、を少なくとも有する圧力センサと、前記空間部内に配された、前記圧力センサ制御用の集積回路と、を少なくとも備え、前記導電部と前記集積回路とが電気的に接続されていることを特徴とする。
本発明の請求項２に記載の圧力センサモジュールは、請求項１において、前記感圧素子が、前記第一基板の外面からなる前記基体の一面に配置されることを特徴とする。
本発明の請求項３に記載の圧力センサモジュールは、請求項１において、前記感圧素子が、前記第一基板の内面からなる前記空間部に接する面に配置されることを特徴とする。
本発明の請求項４に記載の圧力センサパッケージは、請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の圧力センサモジュールと、前記集積回路と個別に電気的に接続されたバンプと、を少なくとも備えたことを特徴とする。
The pressure sensor module according to
According to a second aspect of the present invention, the pressure sensor module according to the first aspect is characterized in that the pressure-sensitive element is disposed on one surface of the base body formed of an outer surface of the first substrate.
A pressure sensor module according to a third aspect of the present invention is the pressure sensor module according to the first aspect, characterized in that the pressure sensitive element is disposed on a surface in contact with the space formed by an inner surface of the first substrate.
A pressure sensor package according to a fourth aspect of the present invention includes at least the pressure sensor module according to any one of the first to third aspects and a bump electrically connected to the integrated circuit individually. It is characterized by that.
本発明では、第一基板に感圧素子が配されて圧力センサを構成し、第二基板の中央域に配された凹部により構成された空間部内に前記圧力センサの制御用集積回路が配されているので、圧力センサと集積回路を基板の同一面に形成した従来の集積化圧力センサと比較して、小面積の圧力センサのチップサイズで構成することができる。また、空間部内に集積回路を配することで、モジュールを薄型化することができる。これにより本発明では、従来よりも、小型、薄型で補償機能を備えた圧力センサモジュールを提供することができる。
また、本発明では、第一基板に感圧素子が配されて圧力センサを構成し、第二基板の中央域に配された凹部により構成された空間部内に前記圧力センサの制御用集積回路が配されることで、小面積の圧力センサのチップサイズで構成され、また、空間部内に集積回路が配されていることで薄型化された圧力センサモジュールを備えている。これにより本発明では、従来よりも、小型、薄型で補償機能を備えた圧力センサパッケージを提供することができる。
In the present invention, the pressure sensor is arranged on the first substrate to constitute a pressure sensor, and the integrated circuit for controlling the pressure sensor is arranged in the space portion constituted by the concave portion arranged in the central area of the second substrate. Therefore, the pressure sensor and the integrated circuit can be configured with a chip area of a pressure sensor having a small area as compared with the conventional integrated pressure sensor in which the integrated circuit is formed on the same surface of the substrate. Further, the module can be thinned by arranging the integrated circuit in the space. As a result, the present invention can provide a pressure sensor module that is smaller and thinner than the prior art and has a compensation function.
In the present invention, the pressure sensor is arranged on the first substrate to constitute a pressure sensor, and the integrated circuit for controlling the pressure sensor is formed in the space portion constituted by the concave portion arranged in the central area of the second substrate. By being arranged, the pressure sensor module is configured in a chip size of a small area pressure sensor, and is thinned by arranging an integrated circuit in the space. As a result, the present invention can provide a pressure sensor package that is smaller and thinner than the prior art and has a compensation function.
以下、本発明に係る圧力センサモジュール及び圧力センサパッケージの実施形態を図面に基づいて説明する。 Hereinafter, embodiments of a pressure sensor module and a pressure sensor package according to the present invention will be described with reference to the drawings.
＜第一実施形態＞
図１は、本発明に係る圧力センサパッケージの一構成例を模式的に示す断面図である。
この圧力センサパッケージ１Ａ（１）は圧力センサモジュール２０Ａ（２０）を備え、該圧力センサモジュール２０Ａ（２０）は、第一基板３と第二基板４とを重ねてなる基体２、該基体２内の重なり面において、その中央域の内部に前記第一基板３と略平行に配された空間部５、前記空間部５上に位置し、前記第一基板３の薄板化された領域からなるダイアフラム部６（感圧部とも言う。）、前記ダイアフラム部６に配された感圧素子７である４つのｐ型抵抗体（ピエゾ抵抗素子）Ｒ１〜Ｒ４（図ではＲ１，Ｒ２の２つのみ記載）、及び、前記第一基板３の外面３ｂからなる前記基体２の一面２ａにおいて、前記ダイアフラム部６を除いた外周域に配され、前記感圧素子７と電気的に接続された導電部８、を少なくとも有する圧力センサ１０Ａ（１０）と、前記空間部５内に配された、前記圧力センサ制御用の集積回路１１と、を少なくとも備える。そして、前記導電部８と前記集積回路１１とが電気的に接続されている。
<First embodiment>
FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a configuration example of a pressure sensor package according to the present invention.
The
そして、この圧力センサパッケージ１Ａ（１）は、前記圧力センサモジュール２０Ａ（２０）と、前記基体２の外周域において、一端が該基体２の導電部８と電気的に接続し、他端が前記第二基板４の外面４ｂからなる前記基体２の他面２ｂに露呈するように、前記基体２を貫通してなる貫通配線部１７と、前記貫通配線部１７の他端と電気的に接続されたバンプ２１と、を少なくとも備えたことを特徴とする。
この圧力センサモジュール２０Ａ（２０）を構成する圧力センサ１０Ａ（１０）において、前記第二基板４の中央域に配された凹部４ａにより、前記空間部５が構成されている。
In the
In the
本発明では、第一基板３の外面３ｂからなる前記基体２の一面２ａに感圧素子７が配置されて圧力センサ１０を構成し、第二基板４の中央域に配された凹部４ａにより構成された空間部５内に、前記圧力センサ１０の制御用集積回路１１が配されているので、圧力センサ１０と集積回路１１を基板の同一面に形成した従来の集積化圧力センサと比較して、小面積の圧力センサのチップサイズで構成することができる。また、空間部５内に集積回路１１を配することで、モジュールを薄型化することができる。これにより本発明では、圧力センサ１０と制御用集積回路１１を基板の同一面に形成した従来の集積化圧力センサと比較して、小型、薄型で補償機能を備えた圧力センサモジュール２０を提供することができる。
In the present invention, the
また、本発明では、基体２の一面２ａに感圧素子７が配されて圧力センサ１０を構成し、第二基板４の中央域に配された凹部４ａにより構成された空間部５内に前記圧力センサ１０の制御用集積回路１１が配されることで、小面積の圧力センサ１０のチップサイズで構成され、また、空間部５内に集積回路１１が配されていることで薄型化された圧力センサモジュールを備えている。これにより本発明では、従来よりも、小型、薄型で補償機能を備えた圧力センサパッケージ１を提供することができる。
Further, in the present invention, the pressure
図１に示すように、この圧力センサ１０Ａ（１０）は、平板状の第一基板３及び第二基板４を基体２とし、この第二基板４の中央域の内部に、前記基体２の一面２ａと略平行して広がる空間部５（基準圧力室）を備える。本実施形態では、圧力センサ１０Ａ（１０）において、前記第二基板４の中央域に配された凹部４ａにより、前記空間部５が構成されている。そして、該空間部５の一方側（第一基板３側）に位置する薄板化された領域をダイアフラム部６（感圧部とも言う。）とする。この感圧部には感圧素子７である抵抗体Ｒ１〜Ｒ４が配されている（図ではＲ１，Ｒ２のみ表示）。
As shown in FIG. 1, the
感圧素子７として機能するｐ型抵抗体（ピエゾ抵抗素子）Ｒ１〜Ｒ４は、ダイアフラム部６の圧力変動を検出する検出回路（ストレンゲージ）を構成するものであり、リード配線を介して、いわゆるホイットストーンブリッジ回路を構成するよう互いが接続されている。それぞれの抵抗体Ｒ１〜Ｒ４は圧力センサ外周部のパッド部までを導電部８によって電気配線接続されている。
The p-type resistors (piezoresistive elements) R 1 to R 4 that function as the pressure-
また、前記基体２一面２ａにおいて、前記ダイアフラム部６を除いた外縁域には、前記抵抗体Ｒ１〜Ｒ４ごとに電気的に接続された導電部８が配されている。したがって、圧力センサ１０は、絶対圧センサとして機能する構造を備えている。
これにより、基体２を外から見た場合に、その外縁域と中央域とがほぼ同じ厚さをもつ構成とすることができる。
Further, in the
Thereby, when the base |
このような抵抗体Ｒ１〜Ｒ４は、ダイアフラム部６の周縁部に配置すると良い。周縁部においては圧縮と引張の両応力が抵抗体Ｒ１〜Ｒ４に加わり易いので、感度の良い圧力センサ１０が得られる。また、各抵抗体Ｒ１〜Ｒ４は、ダイアフラム部６の表面に配されており、例えばシリコン基板中にボロンなどの拡散源を注入することによって形成することができる。
Such resistors R 1 to R 4 are preferably arranged at the peripheral edge of the
また、第一基板３には、導電部８が設けられている。この導電部８は、例えば金属薄膜などを第一基板３の外面３ｂ面上に形成して、さらにフォトリソグラフィーによってパターニングすることによって形成することができる。そして、この導電部８の一端部は、ｐ型抵抗体Ｒ１〜Ｒ４と電気的に接続され、他端部は、基体２を貫通して配された貫通配線部１７と電気的に接続されている。また、この導電部８は、Ｐ型抵抗体Ｒ１〜Ｒ４よりも高濃度の拡散源を注入することによって得られる配線を介し、Ｐ型抵抗体Ｒ１〜Ｒ４と電気的に接続してもよい。
The
導電部８を除く第一基板３面上には、絶縁材料によって絶縁部（図示略）を形成することが望ましい。絶縁部を設けることにより、感圧素子７が該絶縁部によって被覆した構造が得られる。
絶縁部は、感圧素子７の外気との接触を遮断するため、感圧素子７の耐食性を向上させるとともに、感圧素子７が空間部５（圧力基準室）を介さずに、直接、外部から受ける機械的な影響による圧力センサ１０の特性変動を抑制する効果も奏する。
It is desirable to form an insulating portion (not shown) with an insulating material on the surface of the
The insulating part blocks the contact of the pressure
貫通配線部１７は、空間部５を避けるとともに基体２を貫通して設けられた貫通孔１８と、該貫通孔１８に充填された導電性物質１９とからなる。この導電性物質１９としては、例えばＣｕ等が挙げられる。
貫通配線部１７の一端部は、基体２の一面２ａにおいて導電部８と電気的に接続し、他端部は、他面２ｂに配された再配線部１６と電気的に接続されている。この再配線部１６は、他の貫通配線部１２を介して制御用集積回路１１の電極部と電気的に接続されている。これにより、圧力センサ１０と制御用集積回路１１とが、電気的に接続される。
The through
One end portion of the through
はんだバンプ２１は、例えばはんだボールを搭載して形成することができる。なお、はんだバンプ２１は、必ずしもパッド部上に直接搭載されるもののみを示すものではなく、一度再配線部を形成しておき、該再配線部を介してパッド部とは別の場所で当該再配線部と電気的に接続するようにはんだボールを搭載することもできる。これにより、実装基板やパッケージとの接続位置について高い自由度を有することができる。
The
次に、上述したような圧力センサモジュール２０、及び圧力センサパッケージ１の製造方法について説明する。図２及び図３は、圧力センサモジュール２０、及び圧力センサパッケージ１の製造方法を工程順に示す断面図である。
（１）図２（ａ）に示すように、例えばシリコンからなる第二基板４の内面４ｃにおいて、中央域に凹部４ａを形成する。この凹部４ａの形成は、第二基板４の内面４ｃから、該第二基板４を侵食することにより行われる。当該凹部４ａの形成方法は、水酸化カリウム水溶液（以下、ＫＯＨ水溶液と示す。）などを用いたウェットエッチング法でもよいし、フッ素系のガスとプラズマを用いたドライエッチングでもよい。ドライエッチングの場合、例えばＤＲＩＥ（Deep-Reactive Ion Etching）法によりエッチングすることで形成することができる。
Next, a manufacturing method of the
(1) As shown in FIG. 2A, a
ＤＲＩＥ法とは、エッチングガスに六フッ化硫黄（ＳＦ６）を用い、高密度プラズマによるエッチングと、側壁へのパッシベーション成膜を交互に行なうことにより（Boschプロセス）、第二基板４を採掘エッチングするものである。
なお、これらの凹部４ａを形成する方法はこれに限定されるものではなく、酸やＫＯＨ以外のアルカリ等の溶液を用いたウェットエッチング、サンドブラスト、レーザ等の物理的加工も可能である。
The DRIE method uses sulfur hexafluoride (SF 6 ) as an etching gas, and alternately etches with high-density plasma and forms a passivation film on the sidewall (Bosch process), thereby mining and etching the
Note that the method of forming these
（２）図２（ｂ）に示すように、第二基板の凹部に、貫通配線部１２を形成する。まず、第二基板４の凹部４ａに貫通孔１３を形成した後、貫通孔１３内に導電性物質１４を充填することにより、貫通配線部１２が得られる。
貫通孔１３の形成は、前述のように、例えばＤＲＩＥ法（Boschプロセス）によりエッチングすることで形成することができる。
(2) As shown in FIG. 2B, the through
As described above, the through-
（３）図２（ｃ）に示すように、圧力センサ１０の制御用集積回路１１を、第二基板４の中央域に配された凹部４ａにより構成された空間部５内に配し、実装する。また、前記制御用集積回路１１の電極部と貫通配線部１２とを電気的に接続する。
該凹部４ａ内の配線部と圧力センサ１０の制御用集積回路１１との電気的接続を形成するためには、集積回路１１が形成された回路基板にバンプ１５を形成し、該バンプ１５と貫通配線部１２とで電気的接続を形成することが望ましい。なお、該凹部４ａの深さが、実装後の集積回路１１が配された回路基板の高さより大きくなるように、バンプ１５の高さ、凹部４ａの深さ、回路基板の厚みを調整する。
(3) As shown in FIG. 2 (c), the control integrated
In order to form an electrical connection between the wiring portion in the
（４）図２（ｄ）に示すように、外面３ｂに感圧素子７が形成された第一基板３を、前記凹部４ａと対向させて前記第二基板４に張り合わせる。この張り合わせは、第二基板４の凹部４ａを形成した内面４ｃ側で、第一基板３を例えば高温で熱処理することにより行われる。
第一基板３は、例えばシリコンなどの半導体からなり、基体２の一面２ａをなす外面３ｂにおいて中央域には、感圧素子７、さらに外周部には該感圧素子７と電気的に接続する導電部８が予め形成されている。このとき、感圧素子７がホイットストーンブリッジを構成するように形成される。
(4) As shown in FIG. 2D, the
The
本実施形態では、基板張り合わせ技術を用いた場合について説明する。凹部４ａを形成した第二基板４の対向面（内面４ｃ）に、感圧素子７を形成した第一基板３を張り合わせる。
当該第一基板３及び第二基板４にシリコン単結晶を用いる場合、第一基板３と第二基板４の表面を熱酸化法などにより酸化した後、第一基板３と第二基板４の酸化膜を形成した面同士を接触させて熱処理することにより、基板を接合する方法が知られている。また、第一基板３と第二基板４の自然酸化膜を除去し疎水性にするために水素終端化処理を施し、水素終端化処理を施した第一基板３と第二基板４の表面を接触させて、分子間力による結合後に酸素を含む雰囲気で熱処理し、水素を基板表面から脱離させると同時にシリコン間の結合を形成することにより、半導体基板を接合する方法が知られる。
In this embodiment, a case where a substrate bonding technique is used will be described. The
When silicon single crystals are used for the
さらに、第一基板３を陽極化成することにより多孔質シリコン層を基板上に成長させ、さらに熱処理を施し、当該多孔質シリコン層上にシリコンのエピタキシャル成長層を形成した後表面に酸化させ、表面が酸化した第二基板４と分子間力により張り合わせ、熱処理による脱水縮合反応により、シリコン同士の結合を形成する方法などが知られている。
本実施形態では、前記のどの手法の基板張り合わせ技術を利用しても、密閉空間を作製することは可能である。
このように、凹部４ａを形成した第二基板４と、感圧素子７を形成した第一基板３を当該基板張り合わせ技術を利用して張り合わせることにより、感圧素子７と制御用集積回路１１とを備えた圧力センサモジュール２０が得られる。
Furthermore, the
In this embodiment, it is possible to produce a sealed space using any of the above-described substrate bonding techniques.
In this way, the pressure
続いて、このような圧力センサモジュール２０に対して、貫通配線形成技術及びバンプ形成技術を用いて、チップサイズの圧力センサパッケージ１を作製する方法を示す。
（５）図３（ａ）に示すように、第一基板３のダイアフラム部６の外周部で、感圧素子７に通電するための導電部８の近傍に、圧力センサ本体と制御用集積回路１１を電気的に接続するための貫通孔１８を形成する。
貫通孔１８は、例えばＤＲＩＥ法（Boschプロセス）によりエッチングすることで形成することができる。なお、貫通孔１８を形成する方法はこれに限定されるものではなく、レーザ等の物理的加工も可能である。
Next, a method of manufacturing the chip-sized
(5) As shown in FIG. 3A, the pressure sensor main body and the control integrated circuit are arranged in the vicinity of the
The through
（６）貫通孔１８の内壁及び第二基板４の外面４ｂからなる基体２の他面２ｂに絶縁部（図示略）を形成する。絶縁部を形成することにより、後に示す、貫通配線部１７を形成する際に基体２の表面を保護することができる。
絶縁部としては、例えばＳｉＯ２ をプラズマＣＶＤにより１μｍ成膜することで形成できる。この絶縁部としてはＳｉＯ２ に限定されるものではなく、ＳｉＮや樹脂等の他の絶縁材料であっても良い。また、製法もその他スパッタ、スピンコート等が利用できる。
(6) An insulating portion (not shown) is formed on the
The insulating part can be formed, for example, by depositing SiO 2 with a thickness of 1 μm by plasma CVD. This insulating part is not limited to SiO 2 but may be other insulating material such as SiN or resin. In addition, sputtering, spin coating, etc. can be used for the manufacturing method.
（７）図３（ｂ）に示すように、導電部８と電気的に接続するように、貫通孔１８内に導電性物質１９を充填することにより、貫通配線部１７を形成する。
この導電性物質１９としては、例えばＣｕとし、めっきにより貫通孔１８内に充填することができる。なお、導電性物質１９はこれに限定されず、他の金属材料や半田等の合金とすることもできる。また、充填方法もＣＶＤやスパッタを利用することができる。さらに、貫通孔１８に充填する導電性物質１９は、基体２の両面における電気的な接続を形成することが目的なので、当該貫通孔１８内に空間がなくなるように完全に充填する必要はない。
(7) As shown in FIG. 3B, the through
The
（８）図３（ｃ）に示すように、第二基板４の外面４ｂからなる基体２の他面２ｂにおいて、貫通配線部１２と貫通配線部１７とを電気的に接続するように、再配線部１６を形成する。これにより、前記圧力センサ１０と、前記制御用集積回路１１とが電気的に接続される。
再配線部１６の一端部は、貫通配線部１７を通じて圧力センサ１０の導電部８と電気的に接続し、他端部は、貫通配線部１２を通じて制御用集積回路１１と電気的に接続される。これにより圧力センサ１０と制御用集積回路１１とが、電気的に接続される。
(8) As shown in FIG. 3 (c), on the
One end portion of the
（９）図３（ｄ）に示すように、前記制御用集積回路１１と個別に電気的に接続するように、貫通配線部１２上にそれぞれバンプ２１を形成する。
バンプ２１は、例えばＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系からなる半田ボールを搭載して形成することができる。なお、半田ボールは、電極パッド等の導電部上に直接搭載することもできるし、一度再配線部を形成しておき、導電部とは別の場所で当該再配線部と電気的に接続するように搭載することもできる。
また、本発明では、バンプ２１はこれに限定されるものではなく、他の組成の半田や、他の金属からなる半田、またＣｕやＡｕなどからなるバンプを用いることができ、作製法も、半田ペーストを用いた印刷法やメッキ法、ワイヤによるスタッドバンプ等が適用可能である。
(9) As shown in FIG. 3D, bumps 21 are formed on the through
The
In the present invention, the
なお、バンプ２１は、貫通配線部１２上に、直接形成することもできるし、第二基板上のバンプ形成面上に、バンプ２１形成以前に、貫通配線部１２と電気的に接合するように導電部（再配線）を形成し、貫通配線部１２と異なる位置に該再配線と電気的に接続するようにはんだボールを形成することもできる。
これにより、図１に示す圧力センサパッケージ１Ａ（１）が作製される。
The
Thereby, the
以上の工程により、圧力センサモジュールに対して、圧力センサ１０の導電部８と制御用集積回路１１の電極を、貫通配線部１２，貫通配線部１７を用いて接続した圧力センサパッケージ１Ａ（１）が作製される。
このように、圧力センサ制御用の集積回路１１を備え、チップサイズに小型化された圧力センサモジュール２０を、簡便な方法で得ることができる。
さらに、バンプ形成技術を組み合わせてパッケージ化することで、圧力センサ制御用の集積回路１１を備え、チップサイズに小型化された圧力センサパッケージを、簡便な方法で得ることができる。基体２の内部を貫通する貫通配線部１７を利用してバンプ２１を形成することによって、ダイアフラム部６の対向面側に電気配線を引き出すことにより、バンプ２１のみで、圧力センサ１０と電子部品の実装用基板に電気的に接合することができるため、高密度の実装が可能になる。
Through the above process, the
As described above, the
Furthermore, by combining the bump formation techniques into a package, a pressure sensor package that includes the integrated
なお、図１に示した圧力センサパッケージでは、制御用集積回路１１は、第二基板４に配された凹部４ａ内に実装されるとともに、圧力センサ１０と制御用集積回路１１とは、第一基板３及び第二基板４を貫通して設けられた貫通配線部１７、を介して電気的に接続されていたが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば図４に示すように、制御用集積回路１１が、第一基板３の内面３ｃ側に実装されるともに、該第一基板３を貫通して設けられた貫通配線部２６を介して導電部８と電気的に接続されていてもよい。
In the pressure sensor package shown in FIG. 1, the control integrated
また、図１及び図４に示す構造では、空間部５（圧力基準室）が密閉されているため、絶対圧型の圧力センサモジュールを作製できるが、空間部５が圧力センサモジュール外部に連通する貫通孔を、第二基板４、あるいは、ダイアフラム部６以外で感圧素子７を形成した第一基板３上に形成することにより、ゲージ圧型の圧力センサモジュールを作製することができる。
In the structure shown in FIGS. 1 and 4, since the space portion 5 (pressure reference chamber) is sealed, an absolute pressure type pressure sensor module can be manufactured. However, the
本実施例では基体２の他面２ｂ上にバンプ２１を形成したが、基体２の一面２ａ上にバンプ２１を形成してもよい。この場合、バンプ２１を介して接続される電子部品の実装用基板等が、基体２の一面２ａに配された感圧素子７を保護することができる。
また、感圧素子７上に、圧力センサの保護基板を形成してもよい（図示略）。これにより外乱による圧力センサの機械的強度等が向上し、センサ特性が安定する。以下に、該保護基板の形成方法の一例を示す。
In this embodiment, the
Further, a protective substrate for the pressure sensor may be formed on the pressure sensitive element 7 (not shown). As a result, the mechanical strength of the pressure sensor due to disturbance is improved, and the sensor characteristics are stabilized. Below, an example of the formation method of this protective substrate is shown.
まず、感圧素子７が形成された第一基板３面上でダイアフラム部６の外部の領域に、圧力センサを形成した半導体基板と保護基板の接着剤を設置する。当該接着剤としては、アクリル系やエポキシ系やポリイミド系などで、熱硬化性でも室温硬化性でもよい。ただし、接着時に導電部８に含まれる金属材料が融解し、凝集などにより電気的に断線すると、感圧素子７の電気抵抗変化による電圧変化を観測するための電流を、感圧素子７に印加することができないので、当該金属材料の融点よりも低温で硬化できる接着剤を用いることが望ましい。
First, an adhesive between a semiconductor substrate on which a pressure sensor is formed and a protective substrate is placed on a region outside the
続いて、接着剤が設置された感圧素子７を形成した第一基板３上に保護基板を設置し、前記第一基板３と前記保護基板を接着する。本実施例では、圧力基準室が密閉されている絶対圧型圧力センサの構造であるため、感圧素子７の形成面上に、外部の気体圧力を印加する必要がある。したがって、保護基板と感圧素子７を形成した第一基板３の間に空隙があり、接着剤により密閉されないことが必要である。接着する際、接着剤の種類により前記第一基板３と前記保護基板を加熱してもよい。第一基板３と保護基板の間に空隙が形成されるように配置しても、熱処理により保護基板が変形し、空隙が消失する場合がある。したがって、第一基板３と保護基板を加熱処理により接着する際、加熱温度以下で変形しない材料が主成分の保護基板を用いることが望ましい。
Subsequently, a protective substrate is installed on the
また、保護基板や接着用の樹脂が導電性をもつ場合、感圧素子７に導電部８を介して電流の一部が、樹脂や保護基板から印加される場合があるので、樹脂と保護基板は絶縁性をもつことが望ましい。
Further, when the protective substrate or the adhesive resin has conductivity, a part of the current may be applied to the pressure
一方、保護基板は、従来の圧力センサパッケージの樹脂材料と同程度以上の機械的強度を有していることが望ましい。また、樹脂材料を介して、圧力センサを形成した半導体基板と保護基板が接続されているために、保護基板と圧力センサを形成した半導体基板の熱膨張係数の差が緩和される。したがって、感圧素子が形成された半導体基板面上にバンプを形成する場合より、圧力センサのセンサ特性の変動を抑制することができるという効果がある。さらに望ましくは、圧力センサを形成した半導体基板と保護基板が同程度の熱膨張係数を有することが望ましい。例えば、半導体基板がシリコンである場合、ガラス等の絶縁性を有しシリコンと同程度の熱膨張係数をもつ材料を用いることが望ましい。 On the other hand, it is desirable that the protective substrate has a mechanical strength equal to or higher than that of the resin material of the conventional pressure sensor package. Further, since the semiconductor substrate on which the pressure sensor is formed and the protective substrate are connected via the resin material, the difference in thermal expansion coefficient between the protective substrate and the semiconductor substrate on which the pressure sensor is formed is reduced. Therefore, there is an effect that fluctuations in sensor characteristics of the pressure sensor can be suppressed as compared with the case where bumps are formed on the surface of the semiconductor substrate on which the pressure sensitive elements are formed. More preferably, it is desirable that the semiconductor substrate on which the pressure sensor is formed and the protective substrate have the same thermal expansion coefficient. For example, when the semiconductor substrate is silicon, it is desirable to use a material having an insulating property such as glass and having a thermal expansion coefficient comparable to that of silicon.
本実施例で示した保護基板は、圧力センサモジュール２０形成後の感圧素子７の保護を目的として形成したが、貫通配線部１７を形成する際の、感圧素子７の保護基板として用いることも可能である。したがって、貫通配線部１７を形成する前に当該保護基板を感圧素子７上に形成してもよい。
The protective substrate shown in the present embodiment is formed for the purpose of protecting the pressure
また、電子部品の実装用基板に圧力センサモジュール２０を実装した場合の、実装後の圧力センサモジュール２０の高さは、保護基板と半導体基板の厚さの和に依存するため、薄く高密度に実装する場合に不利になるという問題がある。そこで、保護基板を当該半導体基板に張りつけた後に、ラッピングなどの研磨により保護基板を薄くすることは、実装時の厚さを薄くするためには効果的である。
In addition, when the
＜第二実施形態＞
図５は、本発明に係る圧力センサパッケージの一構成例を模式的に示す断面図である。
この圧力センサパッケージ１Ｃ（１）は圧力センサモジュール２０Ｃ（２０）を備え、該圧力センサモジュール２０Ｃ（２０）は、第一基板３と第二基板４とを重ねてなる基体２、該基体２内の重なり面において、その中央域の内部に前記第一基板３と略平行に配された空間部５、前記空間部５上に位置し、前記第一基板３の薄板化された領域からなるダイアフラム部６（感圧部とも言う。）、前記ダイアフラム部６に配された感圧素子７である４つのｐ型抵抗体（ピエゾ抵抗素子）Ｒ１〜Ｒ４（図ではＲ１，Ｒ２の２つのみ記載）、及び、前記第一基板３の内面３ｃからなる前記空間部５に接する面において、前記ダイアフラム部６を除いた外周域に配され、前記感圧素子７と電気的に接続された導電部２２、を少なくとも有する圧力センサ１０Ｃ（１０）と、前記空間部５内に配された、前記圧力センサ制御用の集積回路１１と、を少なくとも備える。そして、前記導電部２２と前記集積回路１１とが電気的に接続されている。
<Second embodiment>
FIG. 5 is a cross-sectional view schematically showing a configuration example of the pressure sensor package according to the present invention.
The pressure sensor package 1C (1) includes a pressure sensor module 20C (20). The pressure sensor module 20C (20) includes a
そして、この圧力センサパッケージ１Ｃ（１）は、前記圧力センサモジュール２０Ｃ（２０）と、前記基体２の外周域において、一端が導電部２２と電気的に接続し、他端が第一基板３の外面３ｂからなる前記基体２の一面２ａに露呈するように、前記第一基板３を貫通してなる貫通配線部２５と、前記貫通配線部２５の他端と電気的に接続された導電部８と、一端が該基体２の導電線部８と電気的に接続し、他端が前記第二基板４の外面４ｂからなる前記基体２の他面２ｂに露呈するように、前記基体２を貫通してなる貫通配線部１７と、前記貫通配線部１７の他端と電気的に接続されたバンプ２１と、を少なくとも備えたことを特徴とする。
この圧力センサモジュール２０Ｃ（２０）を構成する圧力センサ１０Ｃ（１０）において、前記第二基板４の中央域に配された凹部４ａにより、前記空間部５が構成されている
In the pressure sensor package 1C (1), one end of the pressure sensor module 20C (20) is electrically connected to the
In the
本発明では、第一基板３の内面３ｃからなる前記空間部５に接する面に感圧素子７が配置されて圧力センサ１０を構成し、第二基板４の中央域に配された凹部４ａにより構成された空間部５内に、前記圧力センサ１０の制御用集積回路１１が配されているので、圧力センサ１０と集積回路１１を基板の同一面に形成した従来の集積化圧力センサと比較して、小面積の圧力センサのチップサイズで構成することができる。また、空間部５内に集積回路１１を配することで、モジュールを薄型化することができる。さらに、該感圧素子７が前記空間部５に接する面に配され、モジュールの内部で保護されているため、該感圧素子７の腐食や汚損を防ぐことができる。これにより本発明では、圧力センサ１０と制御用集積回路１１を基板の同一面に形成した従来の集積化圧力センサと比較して、小型、薄型で補償機能を備え、さらに耐腐食及び耐汚損に優れた圧力センサモジュール２０を提供することができる。
In the present invention, the
また、本発明では、第一基板３の内面３ｃからなる前記空間部５に接する面に感圧素子７が配されて圧力センサ１０を構成し、第二基板４の中央域に配された凹部４ａにより構成された空間部５内に前記圧力センサ１０の制御用集積回路１１が配されることで、小面積の圧力センサ１０のチップサイズで構成され、また、空間部５内に集積回路１１が配されていることで薄型化された圧力センサモジュールを備えている。さらに、該圧力センサモジュールでは、該感圧素子７が前記空間部５に接する面に配され、モジュールの内部で保護されているため、該感圧素子７の腐食や汚損が防がれている。これにより本発明では、従来よりも、小型、薄型で補償機能を備え、さらに耐腐食及び耐汚損に優れた圧力センサパッケージ１を提供することができる。
In the present invention, the
図５に示すように、この圧力センサ１０Ｃ（１０）は、平板状の第一基板３及び第二基板４を基体２とし、この第二基板４の中央域の内部に、前記基体２の一面２ａと略平行して広がる空間部５（基準圧力室）を備える。本実施形態では、圧力センサ１０Ｃ（１０）において、前記第二基板４の中央域に配された凹部４ａにより、前記空間部５が構成されている。そして、該空間部５の一方側（第一基板３側）に位置する薄板化された領域をダイアフラム部６（感圧部とも言う。）とする。この感圧部には、第一基板３の内面３ｃからなる前記空間部５に接する面に、感圧素子７である抵抗体Ｒ１〜Ｒ４が配されている（図ではＲ１，Ｒ２のみ表示）。
As shown in FIG. 5, the
感圧素子７として機能するｐ型抵抗体（ピエゾ抵抗素子）Ｒ１〜Ｒ４は、ダイアフラム部６の圧力変動を検出する検出回路（ストレンゲージ）を構成するものであり、リード配線を介して、いわゆるホイットストーンブリッジ回路を構成するよう互いが接続されている。それぞれの抵抗体Ｒ１〜Ｒ４は圧力センサ外周部のパッド部までを、導電部２２、貫通配線部２５、及び導電部８によって電気配線接続されている。
The p-type resistors (piezoresistive elements) R 1 to R 4 that function as the pressure-
また、前記第一基板３の内面３ｃからなる前記空間部５に接する面において、前記ダイアフラム部６を除いた外縁域には、前記抵抗体Ｒ１〜Ｒ４ごとに電気的に接続された導電部２２が配されている。したがって、圧力センサ１０は、絶対圧センサとして機能する構造を備えている。
これにより、基体２を外から見た場合に、その外縁域と中央域とがほぼ同じ厚さをもつ構成とすることができる。
In addition, on the surface of the
Thereby, when the base |
このような抵抗体Ｒ１〜Ｒ４は、ダイアフラム部６の周縁部に配置すると良い。周縁部においては圧縮と引張の両応力が抵抗体Ｒ１〜Ｒ４に加わり易いので、感度の良い圧力センサ１０が得られる。また、各抵抗体Ｒ１〜Ｒ４は、ダイアフラム部６の表面に配されており、例えばシリコン基板中にボロンなどの拡散源を注入することによって形成することができる。
Such resistors R 1 to R 4 are preferably arranged at the peripheral edge of the
また、前記第一基板３の内面３ｃからなる前記空間部５に接する面には、導電部２２が設けられている。この導電部２２は、例えば金属薄膜などを第一基板３の内面３ｃ面上に形成して、さらにフォトリソグラフィーによってパターニングすることによって形成することができる。そして、この導電部２２の一端部は、ｐ型抵抗体Ｒ１〜Ｒ４と電気的に接続され、他端部は、第一基板３を貫通して配された貫通配線部２５と電気的に接続されている。また、この導電部２２は、Ｐ型抵抗体Ｒ１〜Ｒ４よりも高濃度の拡散源を注入することによって得られる配線を介し、Ｐ型抵抗体Ｒ１〜Ｒ４と電気的に接続してもよい。
In addition, a
ここで、導電部２２を除く、前記第一基板３の内面３ｃからなる前記空間部５に接する面上には、絶縁材料によって絶縁部（図示略）を形成することが望ましい。絶縁部を設けることにより、感圧素子７が該絶縁部によって被覆した構造が得られる。
絶縁部は、感圧素子７の外気との接触を遮断するため、感圧素子７の耐食性を向上させるとともに、感圧素子７が空間部５（圧力基準室）を介さずに、直接、外部から受ける機械的な影響による圧力センサ１０の特性変動を抑制する効果も奏する。
Here, it is desirable that an insulating portion (not shown) is formed of an insulating material on a surface that is in contact with the
The insulating part blocks the contact of the pressure
貫通配線部２５は、第一基板３の空間部５と重なる領域を貫通して、空間部５に通じるように設けられた貫通孔２４と、該貫通孔２４に充填された導電性物質２３とからなる。この導電性物質２３としては、例えばＣｕ等が挙げられる。
貫通配線部２５の一端部は、第一基板３の内面３ｃからなる前記空間部５に接する面に配された導電部２２と電気的に接続し、他端部は、基体２の一面２ａにおいて導電部８と電気的に接続されている。この導電部２２は、貫通配線部２５を介して、導電部８および貫通配線部１７と電気的に接続されている。
The through
One end portion of the through
貫通配線部１７は、空間部５を避けるとともに基体２を貫通して設けられた貫通孔１８と、該貫通孔１８に充填された導電性物質１９とからなる。この導電性物質１９としては、例えばＣｕ等が挙げられる。
貫通配線部１７の一端部は、基体２の一面２ａにおいて導電部８と電気的に接続し、他端部は、他面２ｂに配された再配線部１６と電気的に接続されている。この再配線部１６は、貫通配線部１２を介して制御用集積回路１１の電極部と電気的に接続されている。これにより、圧力センサ１０と圧力センサ１０の制御用集積回路１１とが、電気的に接続される。
The through
One end portion of the through
また、導電部８を除く、基体２の一面２ａ上には、絶縁材料によって絶縁部（図示略）を形成することが望ましい。絶縁部を設けることにより、貫通配線部２５を形成する際に基体２の表面を保護することができる。
Further, it is desirable to form an insulating portion (not shown) with an insulating material on the one
はんだバンプ２１は、例えばはんだボールを搭載して形成することができる。なお、はんだバンプ２１は、必ずしもパッド部上に直接搭載されるもののみを示すものではなく、一度再配線部を形成しておき、該再配線部を介してパッド部とは別の場所で当該再配線部と電気的に接続するようにはんだボールを搭載することもできる。これにより、実装基板やパッケージとの接続位置について高い自由度を有することができる。
The
次に、上述したような圧力センサモジュール２０、及び圧力センサパッケージ１の製造方法について説明する。図６、図７及び図８は、圧力センサモジュール２０、及び圧力センサパッケージ１の製造方法を工程順に示す断面図である。
（１）図６（ａ）に示すように、例えばシリコンからなる第二基板４の内面４ｃにおいて、中央域に凹部４ａを形成する。この凹部４ａの形成は、第二基板４の内面４ｃから、該第二基板４を侵食することにより行われる。当該凹部４ａの形成方法は、水酸化カリウム水溶液（以下、ＫＯＨ水溶液と示す。）などを用いたウェットエッチング法でもよいし、フッ素系のガスとプラズマを用いたドライエッチングでもよい。ドライエッチングの場合、例えばＤＲＩＥ（Deep-Reactive Ion Etching）法によりエッチングすることで形成することができる。
Next, a manufacturing method of the
(1) As shown in FIG. 6A, a
ＤＲＩＥ法とは、エッチングガスに六フッ化硫黄（ＳＦ６）を用い、高密度プラズマによるエッチングと、側壁へのパッシベーション成膜を交互に行なうことにより（Boschプロセス）、第二基板４を採掘エッチングするものである。
なお、これらの凹部４ａを形成する方法はこれに限定されるものではなく、酸やＫＯＨ以外のアルカリ等の溶液を用いたウェットエッチング、サンドブラスト、レーザ等の物理的加工も可能である。
The DRIE method uses sulfur hexafluoride (SF 6 ) as an etching gas, and alternately etches with high-density plasma and forms a passivation film on the sidewall (Bosch process), thereby mining and etching the
Note that the method of forming these
（２）図６（ｂ）に示すように、第二基板の凹部に、貫通配線部１２を形成する。まず、第二基板４の凹部４ａに貫通孔１３を形成した後、貫通孔１３内に導電性物質１４を充填することにより、貫通配線部１２が得られる。
貫通孔１３の形成は、前述のように、例えばＤＲＩＥ法（Boschプロセス）によりエッチングすることで形成することができる。
(2) As shown in FIG. 6B, the through
As described above, the through-
（３）図６（ｃ）に示すように、圧力センサ１０の制御用集積回路１１を、第二基板４の中央域に配された凹部４ａにより構成された空間部５内に配し、実装する。また、前記制御用集積回路１１の電極部と貫通配線部１２とを電気的に接続する。
該凹部４ａ内の配線部と圧力センサ１０の制御用集積回路１１との電気的接続を形成するためには、集積回路１１が形成された回路基板にバンプ１５を形成し、該バンプ１５と貫通配線部１２とで電気的接続を形成することが望ましい。なお、該凹部４ａの深さが、実装後の集積回路１１が配された回路基板の高さより大きくなるように、バンプ１５の高さ、凹部４ａの深さ、回路基板の厚みを調整する。
(3) As shown in FIG. 6 (c), the control integrated
In order to form an electrical connection between the wiring portion in the
（４）図７（ａ）に示すように、内面３ｃに、予め絶縁部によって被覆された感圧素子７及び導電部２２が形成された第一基板３を、内面３ｃ側を前記凹部４ａと対向させて前記第二基板４に張り合わせる。この張り合わせは、第二基板４の凹部４ａを形成した内面４ｃ側で、第一基板３を例えば高温で熱処理することにより行われる。
第一基板３は、例えばシリコンなどの半導体からなり、内面３ｃからなる前記空間部５に接する面において中央域には、感圧素子７、さらに外周部には該感圧素子７と電気的に接続する導電部２２が予め形成されている。このとき、感圧素子７がホイットストーンブリッジを構成するように形成される。
(4) As shown in FIG. 7A, the
The
本実施形態では、基板張り合わせ技術を用いた場合について説明する。凹部４ａを形成した第二基板４の対向面（内面４ｃ）に、感圧素子７及び導電部２２を形成した第一基板３を張り合わせる。
当該第一基板３及び第二基板４にシリコン単結晶を用いる場合、第一基板３と第二基板４の表面を熱酸化法などにより酸化した後、第一基板３と第二基板４の酸化膜を形成した面同士を接触させて熱処理することにより、基板を接合する方法が知られている。また、第一基板３と第二基板４の自然酸化膜を除去し疎水性にするために水素終端化処理を施し、水素終端化処理を施した第一基板３と第二基板４の表面を接触させて、分子間力による結合後に酸素を含む雰囲気で熱処理し、水素を基板表面から脱離させると同時にシリコン間の結合を形成することにより、半導体基板を接合する方法が知られる。
In this embodiment, a case where a substrate bonding technique is used will be described. The
When silicon single crystals are used for the
さらに、第一基板３を陽極化成することにより多孔質シリコン層を基板上に成長させ、さらに熱処理を施し、当該多孔質シリコン層上にシリコンのエピタキシャル成長層を形成した後表面に酸化させ、表面が酸化した第二基板４と分子間力により張り合わせ、熱処理による脱水縮合反応により、シリコン同士の結合を形成する方法などが知られている。
本実施形態では、前記のどの手法の基板張り合わせ技術を利用しても、密閉空間を作製することは可能である。
このように、凹部４ａを形成した第二基板４と、感圧素子７及び導電部２２を形成した第一基板３を当該基板張り合わせ技術を利用して張り合わせることにより、感圧素子７と制御用集積回路１１とを備えた圧力センサモジュール２０が得られる。
Furthermore, the
In this embodiment, it is possible to produce a sealed space using any of the above-described substrate bonding techniques.
In this way, the
続いて、このような圧力センサモジュール２０に対して、貫通配線形成技術及びバンプ形成技術を用いて、チップサイズの圧力センサパッケージ１を作製する方法を示す。
（５）図７（ｂ）に示すように、第一基板３のダイアフラム部６の外周部で、感圧素子７に通電するための導電部２２の近傍に、圧力センサ本体と制御用集積回路１１を電気的に接続するための貫通孔２４を形成する。
貫通孔２４は、例えばＤＲＩＥ法（Boschプロセス）によりエッチングすることで形成することができる。なお、貫通孔２４を形成する方法はこれに限定されるものではなく、レーザ等の物理的加工も可能である。
Next, a method of manufacturing the chip-sized
(5) As shown in FIG. 7 (b), the pressure sensor main body and the control integrated circuit are provided in the vicinity of the
The through
（６）貫通孔２４の内壁及び第一基板３の外面３ｂからなる基体２の一面２ａに絶縁部（図示略）を形成する。絶縁部を形成することにより、貫通配線部２５及び導電部８を形成する際に基体２の表面を保護することができる。
絶縁部としては、例えばＳｉＯ２ をプラズマＣＶＤにより１μｍ成膜することで形成できる。この絶縁部としてはＳｉＯ２ に限定されるものではなく、ＳｉＮや樹脂等の他の絶縁材料であっても良い。また、製法もその他スパッタ、スピンコート等が利用できる。
(6) An insulating portion (not shown) is formed on the one
The insulating part can be formed, for example, by depositing SiO 2 with a thickness of 1 μm by plasma CVD. This insulating part is not limited to SiO 2 but may be other insulating material such as SiN or resin. In addition, sputtering, spin coating, etc. can be used for the manufacturing method.
（７）図７（ｃ）に示すように、導電部２２と電気的に接続するように、貫通孔２４内に導電性物質２３を充填することにより、貫通配線部２５を形成する。
この導電性物質２３としては、例えばＣｕとし、めっきにより貫通孔２４内に充填することができる。なお、導電性物質２３はこれに限定されず、他の金属材料や半田等の合金とすることもできる。また、充填方法もＣＶＤやスパッタを利用することができる。さらに、貫通孔２４に充填する導電性物質２３は、第一基板３の両面における電気的な接続を形成することが目的なので、当該貫通孔２４内に空間がなくなるように完全に充填する必要はない。
(7) As shown in FIG. 7C, the through
The
（８）図７（ｄ）に示すように、第一基板３の外面３ｂからなる基体２の一面２ａにおいて、貫通配線部２５と、後で形成する貫通配線部１７とを電気的に接続するように、導電部８を形成する。
(8) As shown in FIG. 7 (d), the through
（９）図８（ａ）に示すように、第一基板３の一面２ａの導電部８の近傍に、圧力センサ本体と制御用集積回路１１を電気的に接続するための貫通孔１８を形成する。
貫通孔１８は、例えばＤＲＩＥ法（Boschプロセス）によりエッチングすることで形成することができる。なお、貫通孔１８を形成する方法はこれに限定されるものではなく、レーザ等の物理的加工も可能である。
(9) As shown in FIG. 8A, a through
The through
（１０）貫通孔１８の内壁及び第二基板４の外面４ｂからなる基体２の他面２ｂに絶縁部（図示略）を形成する。絶縁部を形成することにより、後に示す、貫通配線部１７を形成する際に基体２の表面を保護することができる。
絶縁部としては、例えばＳｉＯ２ をプラズマＣＶＤにより１μｍ成膜することで形成できる。この絶縁部としてはＳｉＯ２ に限定されるものではなく、ＳｉＮや樹脂等の他の絶縁材料であっても良い。また、製法もその他スパッタ、スピンコート等が利用できる。
(10) An insulating portion (not shown) is formed on the
The insulating part can be formed, for example, by depositing SiO 2 with a thickness of 1 μm by plasma CVD. This insulating part is not limited to SiO 2 but may be other insulating material such as SiN or resin. In addition, sputtering, spin coating, etc. can be used for the manufacturing method.
（１１）図８（ｂ）に示すように、導電部８と電気的に接続するように、貫通孔１８内に導電性物質１９を充填することにより、貫通配線部１７を形成する。
この導電性物質１９としては、例えばＣｕとし、めっきにより貫通孔１８内に充填することができる。なお、導電性物質１９はこれに限定されず、他の金属材料や半田等の合金とすることもできる。また、充填方法もＣＶＤやスパッタを利用することができる。さらに、貫通孔１８に充填する導電性物質１９は、基体２の両面における電気的な接続を形成することが目的なので、当該貫通孔１８内に空間がなくなるように完全に充填する必要はない。
(11) As shown in FIG. 8 (b), the through
The
（１２）図８（ｃ）に示すように、第二基板４の外面４ｂからなる基体２の他面２ｂにおいて、貫通配線部１２と貫通配線部１７とを電気的に接続するように、再配線部１６を形成する。これにより、前記圧力センサ１０と、前記制御用集積回路１１とが電気的に接続される。
再配線部１６の一端部は、貫通配線部１７を通じて圧力センサ１０の導電部８と電気的に接続し、他端部は、貫通配線部１２を通じて制御用集積回路１１と電気的に接続される。これにより圧力センサ１０と圧力センサ１０の制御用集積回路１１とが、電気的に接続される。
(12) As shown in FIG. 8 (c), the
One end portion of the
（１３）図８（ｄ）に示すように、前記制御用集積回路１１と個別に電気的に接続するように、貫通配線部１２上にそれぞれバンプ２１を形成する。
バンプ２１は、例えばＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系からなる半田ボールを搭載して形成することができる。なお、半田ボールは、電極パッド等の導電部上に直接搭載することもできるし、一度再配線部を形成しておき、導電部とは別の場所で当該再配線部と電気的に接続するように搭載することもできる。
また、本発明では、バンプ２１はこれに限定されるものではなく、他の組成の半田や、他の金属からなる半田、またＣｕやＡｕなどからなるバンプを用いることができ、作製法も、半田ペーストを用いた印刷法やメッキ法、ワイヤによるスタッドバンプ等が適用可能である。
(13) As shown in FIG. 8D, bumps 21 are respectively formed on the through
The
In the present invention, the
なお、バンプ２１は、貫通配線部１２上に、直接形成することもできるし、第二基板上のバンプ形成面上に、バンプ２１形成以前に、貫通配線部１２と電気的に接合するように導電部（再配線）を形成し、貫通配線部１２と異なる位置に該再配線と電気的に接続するようにはんだボールを形成することもできる。
これにより、図５に示す圧力センサパッケージ１Ｃ（１）が作製される。
The
Thereby, the pressure sensor package 1C (1) shown in FIG. 5 is manufactured.
以上の工程により、圧力センサモジュールに対して、圧力センサ１０の導電部２２と圧力センサ１０の制御用集積回路１１の電極を、貫通配線部１２、貫通配線部１７、及び貫通配線部２５を用いて接続した圧力センサパッケージ１Ｃ（１）が作製される。
このように、圧力センサ制御用の集積回路１１を備え、チップサイズに小型化された圧力センサモジュール２０を、簡便な方法で得ることができる。
さらに、バンプ形成技術を組み合わせてパッケージ化することで、圧力センサ制御用の集積回路１１を備え、チップサイズに小型化された圧力センサパッケージを、簡便な方法で得ることができる。基体２の内部を貫通する貫通配線部１７を利用してバンプ２１を形成することによって、ダイアフラム部６の対向面側に電気配線を引き出すことにより、バンプ２１のみで、圧力センサ１０と電子部品の実装用基板に電気的に接合することができるため、高密度の実装が可能になる。
Through the above steps, the
As described above, the
Furthermore, by combining the bump formation techniques into a package, a pressure sensor package that includes the integrated
なお、図５に示した圧力センサパッケージでは、制御用集積回路１１は、第二基板４に配された凹部４ａ内に実装されるとともに、圧力センサ１０と制御用集積回路１１とは、第一基板３及び第二基板４を貫通して設けられた貫通配線部１７、第一基板３の空間部５と重なる領域を貫通して設けられた貫通配線部２５、を介して電気的に接続されていたが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば図９に示すように、制御用集積回路１１が、第一基板３の内面３ｃ側に実装される際に、導電部２２と電気的に接続に接続されていてもよい。
In the pressure sensor package shown in FIG. 5, the control integrated
また、図５及び図９に示す構造では、空間部５（圧力基準室）が密閉されているため、絶対圧型の圧力センサモジュールを作製できるが、空間部５が圧力センサモジュール外部に連通する貫通孔を、第二基板４、あるいは、ダイアフラム部６以外で感圧素子７を形成した第一基板３上に形成することにより、ゲージ圧型の圧力センサモジュールを作製することができる。
In the structure shown in FIGS. 5 and 9, since the space portion 5 (pressure reference chamber) is sealed, an absolute pressure type pressure sensor module can be manufactured. However, the
本実施例では基体２の他面２ｂ上にバンプ２１を形成したが、基体２の一面２ａ上にバンプ２１を形成してもよい。この場合、バンプ２１を介して接続される電子部品の実装用基板等が、基体２の一面２ａに配されたダイアフラム部６及び第一基板３の内面３ｃに配された感圧素子７を保護することができる。
また、感圧素子７上に、圧力センサの保護基板を形成してもよい（図示略）。これにより外乱による圧力センサの機械的強度等が向上し、センサ特性が安定する。以下に、該保護基板の形成方法の一例を示す。
In this embodiment, the
Further, a protective substrate for the pressure sensor may be formed on the pressure sensitive element 7 (not shown). As a result, the mechanical strength of the pressure sensor due to disturbance is improved, and the sensor characteristics are stabilized. Below, an example of the formation method of this protective substrate is shown.
まず、感圧素子７が形成された第一基板３面上でダイアフラム部６の外部の領域に、圧力センサを形成した半導体基板と保護基板の接着剤を設置する。当該接着剤としては、アクリル系やエポキシ系やポリイミド系などで、熱硬化性でも室温硬化性でもよい。ただし、接着時に導電部２２に含まれる金属材料が融解し、凝集などにより電気的に断線すると、感圧素子７の電気抵抗変化による電圧変化を観測するための電流を、感圧素子７に印加することができないので、当該金属材料の融点よりも低温で硬化できる接着剤を用いることが望ましい。
First, an adhesive between a semiconductor substrate on which a pressure sensor is formed and a protective substrate is placed on a region outside the
続いて、接着剤が設置された感圧素子７を形成した第一基板３上に保護基板を設置し、前記第一基板３と前記保護基板を接着する。本実施例では、圧力基準室が密閉されている絶対圧型圧力センサの構造であるため、感圧素子７の感度を劣化させないために保護基板と感圧素子７を形成した第一基板３との間に空隙を形成し、接着剤により密閉されないことが望ましい。接着する際、接着剤の種類により前記第一基板３と前記保護基板を加熱してもよい。第一基板３と保護基板との間に空隙が形成されるように配置しても、熱処理により保護基板が変形し、空隙が消失する場合がある。したがって、第一基板３と保護基板を加熱処理により接着する際、加熱温度以下で変形しない材料が主成分の保護基板を用いることが望ましい。
Subsequently, a protective substrate is installed on the
また、保護基板や接着用の樹脂が導電性をもつ場合、感圧素子７に導電部２２を介して電流の一部が、樹脂や保護基板から印加される場合があるので、樹脂と保護基板は絶縁性をもつことが望ましい。
Further, when the protective substrate or the adhesive resin has conductivity, a part of the current may be applied to the pressure
一方、保護基板は、従来の圧力センサパッケージの樹脂材料と同程度以上の機械的強度を有していることが望ましい。また、樹脂材料を介して、圧力センサを形成した半導体基板と保護基板が接続されているために、保護基板と圧力センサを形成した半導体基板の熱膨張係数の差が緩和される。さらには望ましくは、圧力センサを形成した半導体基板と保護基板が同程度の熱膨張係数を有することが望ましい。例えば、半導体基板がシリコンである場合、ガラス等の絶縁性を有しシリコンと同程度の熱膨張係数をもつ材料を用いることが望ましい。 On the other hand, it is desirable that the protective substrate has a mechanical strength equal to or higher than that of the resin material of the conventional pressure sensor package. Further, since the semiconductor substrate on which the pressure sensor is formed and the protective substrate are connected via the resin material, the difference in thermal expansion coefficient between the protective substrate and the semiconductor substrate on which the pressure sensor is formed is reduced. More preferably, it is desirable that the semiconductor substrate on which the pressure sensor is formed and the protective substrate have the same thermal expansion coefficient. For example, when the semiconductor substrate is silicon, it is desirable to use a material having an insulating property such as glass and having a thermal expansion coefficient comparable to that of silicon.
本実施例で示した保護基板は、空間部５に面するように第一基板３の内面３ｃに形成されているので、前記工程（４）で第一基板３と第二基板４とを張り合わせる際に、前記凹部４ａにより構成された空間部５内に実装された前記制御用集積回路１１と該保護基板との衝突を避けるために、前記凹部４ａの深さ、前記制御用集積回路１１の基板の厚みを調整する必要がある。また、ラッピングなどの研磨により保護基板を予め薄くしておくことは、該衝突を避けるために効果的である。
Since the protective substrate shown in the present embodiment is formed on the
以上、本発明の圧力センサモジュール及び圧力センサパッケージについて説明してきたが、本発明はこれに限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜変更が可能である。
例えば、ストレンゲージとして機能するｐ型抵抗体の配置および数に関しては、種々の変形例が考えられ、要は、ダイアフラム部（感圧部）の圧力歪を検出できれば、その配置や数はいかなるものでも構わない。
Although the pressure sensor module and the pressure sensor package of the present invention have been described above, the present invention is not limited to this, and can be changed as appropriate without departing from the spirit of the invention.
For example, regarding the arrangement and number of p-type resistors that function as a strain gauge, various modifications can be considered. In short, as long as the pressure strain of the diaphragm portion (pressure-sensitive portion) can be detected, any arrangement or number can be used. It doesn't matter.
本発明は、圧力センサ及び圧力センサパッケージに広く適用可能である。 The present invention is widely applicable to pressure sensors and pressure sensor packages.
１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ（１） 圧力センサパッケージ、２ 基体、３ 第一基板、４ 第二基板、４ａ 凹部、５ 空間部、６ ダイアフラム部（感圧部）、７ 感圧素子、８ 導電部、１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄ（１０） 圧力センサ、１１ 集積回路、１２ 貫通配線部、１３ 貫通孔、１４ 導電性物質、１５ バンプ、１６ 再配線部、１７ 貫通配線部、１８ 貫通孔、１９ 導電性物質、２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ、２０Ｄ（２０） 圧力センサモジュール、２１ バンプ、２２ 導電部、２３ 導電性物質、２４ 貫通孔、２５ 貫通配線部、２６ 貫通配線部。 1A, 1B, 1C, 1D (1) Pressure sensor package, 2 base, 3 first substrate, 4 second substrate, 4a concave portion, 5 space portion, 6 diaphragm portion (pressure sensitive portion), 7 pressure sensitive element, 8 conductive 10A, 10B, 10C, 10D (10) Pressure sensor, 11 Integrated circuit, 12 Through wiring part, 13 Through hole, 14 Conductive material, 15 Bump, 16 Rewiring part, 17 Through wiring part, 18 Through hole, 19 Conductive substance, 20A, 20B, 20C, 20D (20) Pressure sensor module, 21 Bump, 22 Conductive part, 23 Conductive substance, 24 Through hole, 25 Through wiring part, 26 Through wiring part.
Claims (4)
第二基板の中央域に配された凹部により、該基体内の重なり面において、その中央域の内部に前記第一基板と略平行に配された空間部、
前記空間部上に位置し、前記第一基板の薄板化された領域からなるダイアフラム部、
前記ダイアフラム部に配された感圧素子、及び、
前記第一基板において、前記ダイアフラム部を除いた外周域に配され、前記感圧素子と電気的に接続された導電部、を少なくとも有する圧力センサと、
前記空間部内に配された、前記圧力センサ制御用の集積回路と、を少なくとも備え、
前記導電部と前記集積回路とが電気的に接続されていること特徴とする圧力センサモジュール。 A substrate formed by stacking a first substrate and a second substrate;
Due to the concave portion arranged in the central region of the second substrate, in the overlapping surface in the base body, a space portion arranged substantially parallel to the first substrate inside the central region,
A diaphragm portion that is located on the space portion and includes a thinned region of the first substrate,
A pressure-sensitive element disposed in the diaphragm, and
In the first substrate, a pressure sensor disposed at an outer peripheral area excluding the diaphragm portion and having at least a conductive portion electrically connected to the pressure sensitive element;
An integrated circuit for controlling the pressure sensor, disposed in the space,
The pressure sensor module, wherein the conductive portion and the integrated circuit are electrically connected.
前記集積回路と個別に電気的に接続されたバンプと、を少なくとも備えたことを特徴とする圧力センサパッケージ。 A pressure sensor module according to any one of claims 1 to 3,
A pressure sensor package comprising at least a bump electrically connected to the integrated circuit.
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