JP2012007984A - ピエゾ抵抗素子内蔵センサチップの製造方法及びそのセンサチップ - Google Patents

Abstract

【課題】容易かつ低コストの製造が実現でき、また小型化、薄型化を促進する。
【解決手段】インターポーザ１上において、その凹部にＩＣ２を接続すると同時に、ピエゾ抵抗素子が上面略中央に配置された複数のセンサ部４を接続し、この複数のセンサ部４のそれぞれに対し、ピエゾ抵抗素子に圧縮及び引張り応力を生じさせるための伝達体５とこの伝達体５の上面よりも面積の大きい外力受け板６を配置する。その後、上記外力受け板６とセンサ部４及び集合基板１との間に、固定／緩衝用樹脂７を充填し、最後に集合基板体８を個片化して複数のセンサチップ１０を製作する。上記樹脂７は、外力受け板６をセンサ部４と集合基板１に対して固定して、センサチップ１０を一体化させると共に、その弾性力により外力受け板６で受けた外力を吸収し弱める緩衝の役目をする。
【選択図】図１

Description

本発明はピエゾ抵抗素子内蔵センサチップの製造方法及びそのセンサチップ、特に小型化、薄型化されたセンサチップの製造方法等に関する。

従来より、半導体基板上に形成したピエゾ抵抗素子を利用した各種の力・モーメントセンサが製作されており、この種のセンサとして、例えば図３に示されるような下記特許文献１の力覚センサが提案されている。

図３のセンサでは、固定部５１上のチップ台座５２の上に、歪み抵抗素子を内蔵する力覚センサ用チップ５３が取り付けられ、この力覚センサ用チップ５３の作用部の上に、伝達部５４を介して入力部５５が配置される。また、固定部５１の平板部と入力部５５の平板部との間の四隅に、固体材料（金属、プラスチック、セラミックス、ガラス等）で形成された４本の柱からなる減衰機構部（緩衝装置）５６が設けられている。

このようなセンサによれば、入力部５５に加えられた外力が減衰機構部５６で、例えば９０％を吸収し弱められた状態で、力覚センサ用チップ５３の作用部に、例えば外力の１０％が印加されることで、力・モーメント等を検知することができる。

特開２００８−２９２５１０号公報

しかしながら、従来の図３のような力・モーメントセンサの構造では、固定部５１に対し、チップ台座５２、力覚センサ用チップ５３、伝達部５４、入力部５５及び減衰機構部５６のそれぞれを組み立てる必要があり、しかもそれぞれの部品の寸法や組立てにおいてある程度高い精度が必要となり、容易かつ低コストの製造ができないという問題がある。

また、外力を吸収する減衰機構部５６が４本の柱等から構成され（特許文献１の他の例では円板から構成される）、この減衰機構部５６の各部材を組み立てる構成となるため、小型化、薄型化を促進することもできなかった。

本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、容易かつ低コストの製造が実現でき、また小型化、薄型化を促進することのできるピエゾ抵抗素子内蔵センサチップの製造方法及びそのセンサチップを提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１の発明に係るピエゾ抵抗素子内蔵センサチップの製造方法は、集合基板上に、ピエゾ抵抗素子が形成されたセンサ部(感圧部)を複数接続する工程と、上記複数のセンサ部のそれぞれに対し、上記ピエゾ抵抗素子に応力を生じさせるための伝達体（加圧体）及びこの伝達体の上面よりも面積の大きい外力受け板を取り付ける工程と、上記外力受け板と上記センサ部及び集合基板との間に、固定／緩衝用樹脂を充填する樹脂充填工程と、を含み、上記工程を経て得られた集合基板体を個片化して複数のセンサチップを製作することを特徴とする。
請求項２の発明に係るピエゾ抵抗素子内蔵センサチップは、基板上に取り付けられ、ピエゾ抵抗素子が配置されたセンサ部と、このセンサ部のピエゾ抵抗素子に対し配置され、このピエゾ抵抗素子に応力を生じさせる伝達体と、この伝達体に取り付けられ、その上面よりも面積が大きい板状体からなり、外力を上記伝達体から上記ピエゾ抵抗素子へ与えるための外力受け板と、この外力受け板と上記センサ部及び集合基板との間に充填された固定／緩衝用樹脂と、からなることを特徴とする。

上記請求項１の構成によれば、集合基板に接続したセンサ部のピエゾ抵抗素子に、円柱状又は多角柱状の伝達体を配置すると同時に、この伝達体に平板状の外力受け板を載置し、この外力受け板とセンサ部及び集合基板との間に、固定／緩衝用樹脂をポッティング法により充填することで、集合基板体を形成し、この集合基板体をダイシング等で個片化することにより、ピエゾ抵抗素子内蔵センサチップが製作される。

本発明のピエゾ抵抗素子内蔵センサチップの製造方法によれば、多くの部品の組み立てによらず、また各部品の寸法、組立てにおいて高い精度が必要とはならないので、容易かつ低コストの製造が実現でき、またセンサチップの小型化、薄型化を促進することも可能になるという効果がある。

本発明の実施例に係るピエゾ抵抗素子内蔵センサチップの製造工程を示す断面図である。 個片化されたピエゾ抵抗素子内蔵センサチップの構成を示す断面図である。 従来の力・モーメントセンサの構成を示す斜視図である。

図１には、本発明の実施例に係るピエゾ抵抗素子内蔵センサチップの製造工程（方法）が示されており、本実施例では、まず図１（Ａ）にて、ＩＣ２の接続が行われる（ＩＣ接続工程）。即ち、インターポーザ１は複数のセンサチップを製造するための集合基板（配線等を有するもの）として成形されており、このインターポーザ１の凹部に、力やモーメントの測定に関する処理をするＩＣ２がバンプや金線（ワイヤ）３のワイヤボンディングで接続され、搭載される。

次に、図１（Ｂ）では、各ＩＣ２の上部を塞ぐようにして、センサ部(感圧部)４が載置され、このセンサ部４は、図１（Ｃ）のように、金線３でインターポーザ１にワイヤボンディング（或いはバンプ等の併用）により接続される（センサ部接続工程）。このセンサ部４の上面略中央には、例えば所定の配列で複数のピエゾ抵抗素子（部）が配置され、この複数のピエゾ抵抗素子によって複数軸(例えば３軸)の力等を検知するように構成される。

図１（Ｄ）では、上記センサ部４上面のピエゾ抵抗素子に対し、円柱状又は多角柱状の伝達体（加圧体)５が接着剤により取付け配置されると共に、この伝達体５の上面に平板状の外力受け板６が接着剤により取付け配置される（伝達体及び外力受け板取付け工程）。この伝達体５は、外力受け板６で受けた外力をセンサ部４へ伝達する役目をしており、複数のピエゾ抵抗素子に圧縮及び引張り応力を発生させ、感度を維持できる位置に配置される。また、この伝達体５の厚みは、外力受け板６が金線３に接触しない程度となるように設定すればよいし、この外力受け板６の外力受け面（上面）のサイズ（大きさ）を変えれば、モーメントにより伝達体５にかかる力を変えることができる。

なお、上記伝達体５と外力受け板６については、別々の材料でも、同一の材料でもよく、また伝達体５と外力受け板６とを一体に成形した状態とし、この一体部品における伝達体５をセンサ部４の上面に取り付けるようにしてもよい。

図１（Ｅ）では、上記外力受け板６とセンサ部４及び集合基板１との間に、シリコーン等の弾性を持つ材料の固定／緩衝用樹脂７がポッティング法で注入され充填される（樹脂充填工程）。この固定／緩衝用樹脂７は、外力受け板６をセンサ部４と集合基板１に対して固定し、センサチップを一体化させる役目をすると共に、その弾性力により外力受け板６で受けた外力を吸収し弱める緩衝の役目をすることになる（固定機能と緩衝機能）。なお、固定／緩衝用樹脂７は、材質によって緩衝の度合い（外力吸収の割合）が変わるので、この緩衝の度合いを考慮してその材質が決定される。

また、上記外力受け板６の厚みは、センサチップ薄型化のために薄くする必要があるが、薄くすれば強度が低下するため、この外力受け板６には剛性の高い材料を用いることが好ましい。しかし、本発明では、固定／緩衝用樹脂７が用いられるため、剛性の低い例えば樹脂等を外力受け板６の材料にすることもできる。

最後に、図１（Ｆ）では、図１（Ｅ）で製作された集合基板体８がブレードによる切削により個片化され、多数のピエゾ抵抗素子内蔵センサチップ１０が製作される。

図２には、最終的に得られた１つのセンサチップ１０の構成が示されており、実施例のセンサチップ１０では、外力受け板６とセンサ部４及び集合基板１との間に、固定／緩衝用樹脂７が充填される。上述のように、この固定／緩衝用樹脂７は、緩衝機能を果たすが、この緩衝機能としては、外力受け板６に加わる測定対象の力を吸収し弱めるという機能と、外力受け板６だけでなく、センサチップ１０の全体に過度な力や瞬間的な衝撃が加わった際に、これらの過度な力や衝撃を吸収し、センサチップ１０の破壊を防止するという機能がある。

上記の測定対象の力を吸収するという機能においては、固定／緩衝用樹脂７の弾性率を変えることで、外力を分散させ、検出可能な力の範囲を変えることができ、例えば微少な力を検出するときは、低弾性率の樹脂材料を用い、大きな力を検出するときは、高弾性率の樹脂材料を使用することになる。

また、実施例のセンサチップ１０では、インターポーザ（基板）１の上に、ＩＣ２とピエゾ抵抗素子を有するセンサ部４が設けられるが、インターポーザ１に凹部を形成してＩＣ２を配置し、この凹部を跨ぐようにしてＩＣ２の上方にセンサ部４を配置することにより、センサチップ１０の面積が小さくなるようにしている。即ち、ＩＣ２とセンサ部４とを同一面に並べて平置きにするのではなく、両者を縦方向に配置することで、センサチップ１０の面積が小さくなり小型化することができ、しかも、その際にはインターポーザ１の凹部を利用することで、薄型化が図られることになる。

更に、伝達体５及び外力受け板６の厚みを可能な限り薄くし、かつ固定／緩衝用樹脂７を用いて外力受け板６とセンサ部４及びインターポーザ１とを固定することで、センサチップ１０の薄型化が図れるという利点がある。即ち、センサチップ１０において所定の強度を確保するためには、外力受け板６においてもある程度の厚みが必要となるが、本発明では、固定／緩衝用樹脂７により強度補強の役目をさせることによって、外力受け板６を薄くしてセンサチップ全体の薄型化を図ることができる。

ピエゾ抵抗素子を内蔵したセンサチップ、例えば力、モーメント、加速度等を検出する各種のセンサに適用することができる。

１…インターポーザ（集合基板）、 ２…ＩＣ（集積回路）、
４…センサ部（ピエゾ抵抗素子内蔵）、 ５…伝達体、
６…外力受け板、 ７…固定／緩衝用樹脂、
８…集合基板体、 １０…センサチップ。

Claims (2)

1. 集合基板上に、ピエゾ抵抗素子が形成されたセンサ部を複数接続する工程と、
   上記複数のセンサ部のそれぞれに対し、上記ピエゾ抵抗素子に応力を生じさせるための伝達体及びこの伝達体の上面よりも面積の大きい外力受け板を取り付ける工程と、
   上記外力受け板と上記センサ部及び集合基板との間に、固定／緩衝用樹脂を充填する樹脂充填工程と、を含み、
   上記工程を経て得られた集合基板体を個片化して複数のセンサチップを製作するピエゾ抵抗素子内蔵センサチップの製造方法。
2. 基板上に取り付けられ、ピエゾ抵抗素子が配置されたセンサ部と、
   このセンサ部のピエゾ抵抗素子に対し配置され、このピエゾ抵抗素子に応力を生じさせる伝達体と、
   この伝達体に取り付けられ、その上面よりも面積が大きい板状体からなり、外力を上記伝達体から上記ピエゾ抵抗素子へ与えるための外力受け板と、
   この外力受け板と上記センサ部及び集合基板との間に充填された固定／緩衝用樹脂と、からなるピエゾ抵抗素子内蔵センサチップ。

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