JP2012098233A - ガスセンサ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【構成】
半導体チップの中空部に感ガス部を設けると共に、感ガス部に接続された複数のパッドを設ける。通気性のあるセラミックパッケージもしくはガラスパッケージの、半導体チップ側の面とその反対面とに配線を設けて、互いに接続する。パッケージのチップ側の面の配線に複数のパッドをフリップチップ接続する。
【効果】
ダイボンドもワイヤボンドも無しに、MEMS型ガスセンサをプリント基板へ組み付けることができる。
【選択図】 図１

Description

この発明は、MEMS（Micro Electro Mechanical Systems）タイプのガスセンサとその製造方法に関し、特にガスセンサの半導体チップの実装に関する。

発明者らはMEMS型のガスセンサを開発中である。MEMS型のガスセンサでは、半導体チップの中空部に感ガス部を設け、チップの感ガス部側の面にパッドを設ける。パッケージにチップをダイボンドし、またパッドをパッケージの配線にワイヤボンドする。そしてパッケージ内の配線を介して、感ガス部をプリント基板等に接続する。さらにチップにカバーを接合し、感ガス部を保護する。この構造では、ダイボンドとワイヤボンドが必要で、カバーの接合も必要になる。

関連する先行技術を示す。特許文献１：JP2001-337063A及び特許文献２：JP2002-174608Aは、MEMS型ではないガスセンサに関して、パッケージに固定したリードにガスセンサの基板のパッドをフリップチップ接続することを開示している。特許文献３：JP2009-216543Aは、MEMS型のガスセンサを基材にフリップチップ接続し、キャップで覆うことを開示している。特許文献３では、基材とキャップとが必要で、しかもキャップを基材の表裏両側に設けている。

JP2001-337063A JP2002-174608A JP2009-216543A

この発明の課題は、MEMS型ガスセンサをダイボンドもワイヤボンドも無しに、プリント基板へ組み付けることにある。

この発明は、半導体チップの中空部に感ガス部を設けたガスセンサにおいて、
半導体チップには、感ガス部に接続された複数のパッドが設けられ、
通気性のあるセラミックパッケージもしくはガラスパッケージで、半導体チップ側の面とその反対面とに配線が設けられ、かつ半導体チップ側の面の配線と反対面の配線とが接続されたパッケージが設けられ、
パッケージの半導体チップ側の面の配線に、半導体チップの複数のパッドがバンプを介してフリップチップ接続されていることを特徴とする。

またこの発明は、中空部に感ガス部を設けた半導体チップをパッケージに固定することにより、ガスセンサを製造する方法において、
パッケージは、半導体チップ側の面とその反対面とに配線が設けられ、かつチップ側の面の配線と反対面の配線とが接続された、通気性のあるセラミックパッケージもしくはガラスパッケージであり、
かつ半導体チップに感ガス部に接続された複数のパッドを設けるステップと、
パッケージの半導体チップ側の面の配線と、複数のパッドをバンプを介してフリップチップ接続するステップ、とを行うことを特徴とする。

この発明では、半導体チップはパッケージにフリップチップ接続され、ダイボンドもワイヤボンドも不要で、パッケージは感ガス部を保護するカバーを兼ねる。この明細書において、ガスセンサに関する記載はガスセンサの製造方法にもそのまま当てはまり、逆にガスセンサの製造方法に関する記載はガスセンサにもそのまま当てはまる。ガスセンサは、金属酸化物半導体の抵抗値の変化を利用したものでも、接触酸化触媒により燃焼熱を利用したものでも良い。

好ましくは、フリップチップ接続が行われている個所の外側で、半導体チップとパッケージとの隙間が、半導体チップの全周に渡り、導体もしくは樹脂により封止されている。特に好ましくは、フリップチップ接続が行われている個所の外側で、半導体チップとパッケージとの隙間が導体により封止されている。半導体チップとパッケージとの隙間を封止すると感ガス部を保護でき、導体により封止するとフリップチップ接続と同時に封止できる。

好ましくは、パッケージに感ガス部と向き合う凹部が設けられている。なお凹部を設けずに、感ガス部が半導体チップから突き出す長さ以上の高さを備えているバンプを用いても良い。

好ましくは、パッケージを多孔質のセラミックパッケージとし、例えばセラミックパッケージを凹部の周囲でも凹部の底部でも多孔質とする。このようにすると、感ガス部への通気性を高くでき、水素、ＣＯ、エタノール、ＬＰＧ等を検出するガスセンサとすることができる。
また好ましくは、パッケージはセラミックパッケージで、凹部の周囲もしくは凹部の底部の一方でのみ多孔質で、他方は緻密質である。このようにすると感ガス部への雰囲気の供給量を制限できるので、ガス選択性が得られる。例えば感ガス部の燃焼活性によりメタン以外のガスを燃焼させて除去し、メタン選択性のあるガスセンサとすることができる。

好ましくは、半導体チップのウェハーもしくはウェハーを各々複数の半導体チップを含むように分割したサブウェハーと、セラミックパッケージあるいはガラスパッケージの母体となる板とを、フリップチップ接続により接合する。接合したウェハーもしくはサブウェハーと板とを、半導体チップ単位でダイシングする。このようにするとウェハー単位、あるいはサブウェハー単位で、フリップチップ接続しダイシングするので、パッケージへの組み付けが容易になる。

プリント基板に実装した、実施例のガスセンサの断面図 実施例での半導体チップの底面図 プリント基板に実装した、変形例のガスセンサの断面図 プリント基板に実装した、第２の変形例のガスセンサの断面図 プリント基板に実装した、第３の変形例のガスセンサの断面図 実施例の工程図

以下に本発明を実施するための最適実施例を示す。

図１〜図６に、実施例とその変形とを示す。図１，図２は実施例のガスセンサ２を示し、ガスセンサ２は、例えば多孔質のセラミックパッケージ８と、感ガス部１４を形成した半導体チップ１０とで構成されている。４はプリント基板で、ガスセンサ２は配線６にハンダ層７を介して半田付けされ、透孔５を備えている。なお透孔５を設けず、ハンダ層７によって形成される隙間から雰囲気を供給してもよい。

半導体チップ１０はキャビティ１２を備え、チップ１０の一面に感ガス部１４が設けられている。キャビティ１２は感ガス部１４側からエッチングにより形成され、あるいは感ガス部１４の反対面側からエッチングにより形成されている。感ガス部１４は、薄膜ヒータと、例えば一対の電極、及び薄膜ヒータと電極間の絶縁膜とから成るベース１５と、ベース１５上の金属酸化物半導体膜１６とから成る。金属酸化物半導体膜１６は薄膜でも厚膜でもよい。また金属酸化物半導体１６と電極とを設けず、接触酸化触媒の膜を設けて接触燃焼式ガスセンサとしてもよい。

半導体チップ１０は、感ガス部１４側の面に例えば４個のパッド１８，１８，１９，１９を備え、このうちパッド１８，１８は膜１６の電極に接続したパッドで、パッド１９，１９は薄膜ヒータに接続したパッドである。さらに４個のパッド１８，１８，１９，１９を取り巻くように、チップ１０の四周に、パッド１８，１９と同一材料の配線２０が設けられている。パッケージ８は２つの多孔質層２１，２２を積層し、同時焼成したもので、多孔質層２１にはパンチングにより凹部２３が設けられ、さらに多孔質層２１，２２を貫通する金属の導電ポスト２４が設けられている。

パッケージ８には、導電ポスト２４と接続されたパッド２５と、チップの配線２０と向き合う配線２６とが設けられている。そして例えばパッド２５上に金属のバンプ２７を形成し、チップ１０側のパッド１８，１９とフリップチップ接続する。なおバンプ２７はCuあるいはAu-Snなどで構成され、配線２０，２６はバンプ２７と同材料の溶着層２８により接続されて、パッケージ８と半導体チップ１０間の隙間を四周に渡って封止する。

図３は変形例のガスセンサを示し、チップ１０の構成は同一で、プリント基板４ｂには透孔５が設けられていない。３０は樹脂層で、セラミックパッケージ３１とチップ１０との隙間を四周に渡って封止し、パッケージ３１は多孔質層３２と緻密質層３３の２層を備え、多孔質層３２から凹部２３へ雰囲気を拡散させ、感ガス部１４で雰囲気中のガスを検出する。なお上側の層を緻密に、下側の層を多孔質にして、緻密質と多孔質の配置を上下逆にしても良い。図３の変形例では、感ガス部１４への雰囲気の供給を制限し、例えばメタン以外のガスを感ガス部１４の酸化活性により燃焼除去し、メタンを選択的に検出できる。

図４は第２の変形例を示し、チップ１０及びプリント基板４は図１，図２の実施例と同じで、パッケージ４１は上層４２と透孔４４を設けた下層４３の２層から成る。層４２，４３は緻密質でも多孔質でも良く、透孔４４から雰囲気を供給する。図４のパッケージ４１は、セラミックパッケージに限らず、ガラスパッケージでも良い。

図５はさらに他の変形例を示し、５４はセラミックの多孔質パッケージで、形状は板状である。パッケージ５４と半導体チップ１０のパッド１８，１９は、背の高いバンプ５０でフリップチップ接続され、バンプ５０は例えば基層のCu層５１と表面のAu層５２とから成る。例えばバンプ５０の高さを５０μｍとすると、チップ１０の面から例えば２０〜３０μｍ突き出す感ガス部でも、パッケージ５４と接触しない。

図６に実施例でのガスセンサの組立を示す。シリコン等の半導体ウェハー上にMEMSセンサを製造し、ウェハー上に半導体チップ１０を多数設ける。次にウェハー単位でパッケージと各半導体チップとをフリップチップ接続し、溶着層２８を設ける場合、フリップチップ接続と同時に溶着を行う。フリップチップ接続後のウェハーとパッケージとを半導体チップ１０単位にダイシングし、プリント基板へ半田付けする。樹脂層３０を設ける場合、フリップチップ接続と同時に樹脂層３０を硬化させることは難しいので、ダイシング後に樹脂層３０を設ける。ウェハー単位でのフリップチップ接続に代えて、ウェハーを数分割したサブウェハー単位でのフリップチップ接続とダイシングとを行っても良い。

実施例では以下の効果が得られる。
(1) 半導体チップ１０をパッケージに固定する際に、ワイヤボンドもダイボンドも必要ではない。またパッケージをカバーに兼用できる。
(2) ウェハー単位で、あるいはウェハーを例えば数分割したサブウェハー単位で、パッケージにフリップチップ接続を行うと、ダイシング後の半導体チップを１個ずつ取り扱う必要がない。そして１工程のフリップチップ接続で、チップとパッケージ側の接合ができる。

２ ガスセンサ
４ プリント基板
５ 透孔
６ 配線
７ ハンダ層
８ パッケージ
１０ 半導体チップ
１２ キャビティ
１４ 感ガス部
１５ ベース
１６ 金属酸化物半導体膜
１８，１９ パッド
２０ 配線
２１，２２ 多孔質層
２３ 凹部
２４ 導電ポスト
２５ パッド
２６ 配線
２７ バンプ
２８ 溶着層
３０ 樹脂層
３１，４１ パッケージ
３２ 多孔質層
３３ 緻密質層
４２，４３ 層
４４ 透孔
５０ バンプ
５１ Cu層
５２ Au層
５４ 多孔質パッケージ

Claims (8)

1. 半導体チップの中空部に感ガス部を設けたガスセンサにおいて、
   半導体チップには、感ガス部に接続された複数のパッドが設けられ、
   通気性のあるセラミックパッケージもしくはガラスパッケージで、半導体チップ側の面とその反対面とに配線が設けられ、かつ半導体チップ側の面の配線と反対面の配線とが接続されたパッケージが設けられ、
   パッケージの半導体チップ側の面の配線に、半導体チップの複数のパッドがバンプを介してフリップチップ接続されていることを特徴とする、ガスセンサ。
2. 前記フリップチップ接続が行われている個所の外側で、半導体チップと前記パッケージとの隙間が、半導体チップの全周に渡り、導体もしくは樹脂により封止されていることを特徴とする、請求項１のガスセンサ。
3. 前記パッケージに、感ガス部と向き合う凹部が設けられていることを特徴とする、請求項１または２のガスセンサ。
4. 前記パッケージはセラミックパッケージで、かつ凹部の周囲でも凹部の底部でも多孔質であることを特徴とする、請求項３のガスセンサ。
5. 前記パッケージはセラミックパッケージで、凹部の周囲で多孔質で、かつ凹部の底部では緻密質であることを特徴とする、請求項３のガスセンサ。
6. 前記パッケージは感ガス部と向き合う面に凹部が備えず、かつ前記バンプは、感ガス部の半導体チップからの突き出し長以上の高さを備えていることを特徴とする、請求項１または２のガスセンサ。
7. 中空部に感ガス部を設けた半導体チップをパッケージに固定することにより、ガスセンサを製造する方法において、
   パッケージは、半導体チップ側の面とその反対面とに配線が設けられ、かつ半導体チップ側の面の配線と反対面の配線とが接続された、通気性のあるセラミックパッケージもしくはガラスパッケージであり、
   かつ半導体チップに感ガス部に接続された複数のパッドを設けるステップと、
   パッケージの半導体チップ側の面の配線と、複数のパッドをバンプを介してフリップチップ接続するステップ、とを行うことを特徴とする、ガスセンサの製造方法。
8. 前記半導体チップのウェハーもしくはウェハーを各々複数の半導体チップを含むように分割したサブウェハーと、前記セラミックパッケージあるいはガラスパッケージの母体となる板とを、前記フリップチップ接続するステップにより接合し、
   接合した前記ウェハーもしくはサブウェハーと前記板とを、半導体チップ単位でダイシングすることを特徴とする、請求項７のガスセンサの製造方法。

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