JP2012098234A

JP2012098234A - Gas sensor

Info

Publication number: JP2012098234A
Application number: JP2010248142A
Authority: JP
Inventors: Kazuya Aranishi; 一哉新西
Original assignee: Figaro Engineering Inc
Current assignee: Figaro Engineering Inc
Priority date: 2010-11-05
Filing date: 2010-11-05
Publication date: 2012-05-24
Anticipated expiration: 2030-11-05
Also published as: JP5595230B2

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a gas sensor that allows an atmosphere to permeate through inside of a semiconductor chip from a gas sensing section side, and a chip to be mounted to a package when the chip is flip-chip connected, and thus eliminating need of a cover except the package.SOLUTION: The gas sensor includes a semiconductor chip, and a gas permeable ceramic package or a glass package. The semiconductor chip includes an insulative film formed on a face of the semiconductor chip, a cavity penetrating through the insulative film and the semiconductor chip, a gas sensing section formed on the insulative film, and pads connected to the gas sensing section. The package includes pads flip-chip connected to pads of the semiconductor chip via bumps, and wiring led out to the other face of the package from the pads of the package.

Description

この発明は、MEMS（Micro Electro Mechanical Systems）型のガスセンサに関する。 The present invention relates to a MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) type gas sensor.

MEMS型のガスセンサとして種々のものが検討されている。しかしMEMS型のガスセンサでは、雰囲気は感ガス部へ半導体チップの一面のみから供給され、チップ内を雰囲気が通過することができない。またチップをパッケージに組み付けるには、例えばチップの底面をダイボンドし、パッドをワイヤボンドする必要があり、さらにチップを覆うようにカバーを取り付ける必要がある。 Various types of MEMS type gas sensors have been studied. However, in the MEMS type gas sensor, the atmosphere is supplied to the gas sensitive part from only one surface of the semiconductor chip, and the atmosphere cannot pass through the chip. In order to assemble the chip into the package, for example, it is necessary to die-bond the bottom surface of the chip and wire-bond the pads, and to attach a cover so as to cover the chip.

なお特許文献１：JP3585082Bは、Siチップの一面に絶縁膜を設け、絶縁膜の反対側からチップをエッチングしてダイアフラムとし、ダイアフラムに感ガス部を設けたガスセンサに関して、ダイアフラムに貫通孔を設けて、応力を緩和することを提案している。特許文献２：JP2001-337063Aは、MEMS型ではないガスセンサについて、パッケージに固定したリードにガスセンサの電極をフリップチップ接続することを提案している。 Patent Document 1: JP3585082B relates to a gas sensor in which an insulating film is provided on one surface of a Si chip, the chip is etched from the opposite side of the insulating film to form a diaphragm, and a gas sensitive part is provided in the diaphragm, and a through hole is provided in the diaphragm. Propose to relieve stress. Patent Document 2: JP2001-337063A proposes that a gas sensor electrode that is not a MEMS type is flip-chip connected to a lead fixed to a package.

JP3585082BJP3585082B JP2001-337063AJP2001-337063A

この発明の課題は、ガスセンサの半導体チップ内を雰囲気が通過できるようにすることと、半導体チップのパッケージへの組み付けを容易にすることにある。 An object of the present invention is to enable an atmosphere to pass through a semiconductor chip of a gas sensor and to easily assemble a semiconductor chip into a package.

この発明は、半導体チップと、通気性のあるセラミックもしくはガラスのパッケージとから成り、
半導体チップは、半導体チップの一面に設けられた絶縁膜と、絶縁膜と半導体チップとを貫通するキャビティと、絶縁膜に設けられた感ガス部と、感ガス部に接続されたパッド、とを備え、
パッケージは、半導体チップのパッドとバンプを介してフリップチップ接続されたパッドと、パッケージのパッドからパッケージの他の面まで引き出された配線、とを備えている。 The present invention comprises a semiconductor chip and a breathable ceramic or glass package,
The semiconductor chip includes an insulating film provided on one surface of the semiconductor chip, a cavity penetrating the insulating film and the semiconductor chip, a gas sensitive part provided in the insulating film, and a pad connected to the gas sensitive part. Prepared,
The package includes a semiconductor chip pad and a pad flip-chip connected via a bump, and a wiring drawn from the package pad to the other surface of the package.

この発明では、キャビティが半導体チップと絶縁膜とを貫通するので、半導体チップ内を雰囲気が容易に移動できる。従って感ガス部を雰囲気に速やかに接触させることができる。 In this invention, since the cavity penetrates the semiconductor chip and the insulating film, the atmosphere can easily move in the semiconductor chip. Therefore, the gas sensitive part can be quickly brought into contact with the atmosphere.

好ましくは、パッケージは感ガス部と向き合う凹部を備えている。このようにすると、感ガス部とパッケージとの接触を防止できる。
特に好ましくは、パッケージは凹部からパッケージを貫通する孔を備えている。このようにすると、貫通孔、凹部、感ガス部、キャビティの順に、ガスセンサ内を貫通する流路が得られる。
Preferably, the package includes a recess facing the gas sensitive part. If it does in this way, a contact with a gas sensitive part and a package can be prevented.
Particularly preferably, the package includes a hole penetrating the package from the recess. If it does in this way, the channel which penetrates the inside of a gas sensor is obtained in order of a penetration hole, a crevice, a gas sensitive part, and a cavity.

実施例のガスセンサとプリント基板との断面図Sectional drawing of gas sensor of example and printed circuit board 実施例での半導体チップの平面図Plan view of semiconductor chip in example 変形例の半導体チップの断面図Cross-sectional view of a modified semiconductor chip 他の変形例のガスセンサとプリント基板との断面図Sectional drawing of gas sensor of another modification and printed circuit board

以下に本発明を実施するための最適実施例を示す。 In the following, an optimum embodiment for carrying out the present invention will be shown.

図１〜図４に、実施例と変形例のガスセンサを示す。図１，図２は実施例のガスセンサ２を示し、４はプリント基板である。ガスセンサ２は、シリコン，GaAsなどの半導体チップ６と、パッケージ８とから成り、パッケージ８はセラミックでもガラスでもよい。半導体チップ６には、チップ６を貫通するキャビティ１０がエッチングなどで設けられ、その一面に絶縁膜１２が設けられ、絶縁膜１２にもキャビティ１０と連通する貫通孔１６が設けられている。絶縁膜１２のうちでキャビティ１０に面した面をベース１４とし、ベース１４上に感ガス部１８が設けられている。なおチップ６が厚い場合、感ガス部１８の反対側の面でチップ６をグラインドして薄肉化しても良い。また絶縁膜１２は少なくともベース１４を含み、キャビティ１０以外の面では設けなくても良い。さらにキャビティ１０は絶縁膜１２側から設けても、その反対面側から設けても良い。 The gas sensor of an Example and a modification is shown in FIGS. 1 and 2 show a gas sensor 2 of the embodiment, and 4 is a printed circuit board. The gas sensor 2 includes a semiconductor chip 6 made of silicon, GaAs, or the like, and a package 8. The package 8 may be ceramic or glass. A cavity 10 penetrating the chip 6 is provided in the semiconductor chip 6 by etching or the like, an insulating film 12 is provided on one surface thereof, and a through hole 16 communicating with the cavity 10 is also provided in the insulating film 12. A surface of the insulating film 12 facing the cavity 10 is used as a base 14, and a gas sensitive part 18 is provided on the base 14. In addition, when the chip 6 is thick, the chip 6 may be grinded on the surface opposite to the gas sensitive portion 18 to reduce the thickness. The insulating film 12 includes at least the base 14 and may not be provided on a surface other than the cavity 10. Further, the cavity 10 may be provided from the insulating film 12 side or from the opposite surface side.

感ガス部１８は、例えば図示しない薄膜ヒータと、薄膜ヒータを保護する絶縁膜、及び絶縁膜上の一対の電極と、SnO₂などの金属酸化物半導体、とから成る。なおSnO₂に代えて ZnO，In₂O₃などの他の金属酸化物半導体でもよい。また金属酸化物半導体と電極、及び金属酸化物半導体と薄膜ヒータ間の絶縁膜を設けず、薄膜ヒータを酸化触媒で被覆し、接触燃焼式ガスセンサとしてもよい。感ガス部１８から、図２に示す脚１９を介して、配線をキャビティ１０の外部まで引き出し、パッド２０，２１に接続する。２０は例えば金属酸化物半導体の電極に接続したパッド、２１は薄膜ヒータに接続したパッドである。 The gas sensitive part 18 includes, for example, a thin film heater (not shown), an insulating film that protects the thin film heater, a pair of electrodes on the insulating film, and a metal oxide semiconductor such as SnO ₂ . Instead of SnO ₂ , other metal oxide semiconductors such as ZnO and In ₂ O ₃ may be used. Alternatively, a metal oxide semiconductor and an electrode, and an insulating film between the metal oxide semiconductor and the thin film heater may not be provided, and the thin film heater may be covered with an oxidation catalyst to form a catalytic combustion type gas sensor. A wiring is drawn out from the cavity 10 to the outside of the cavity 10 through the legs 19 shown in FIG. 2 and connected to the pads 20 and 21. For example, 20 is a pad connected to an electrode of a metal oxide semiconductor, and 21 is a pad connected to a thin film heater.

パッケージ８はセラミックもしくはガラスから成り、感ガス部１８に面して凹部２２が設けられ、感ガス部１８がパッケージ８に接触しないようにする。なおチップ６とパッケージ８間のバンプ２６を背の高いバンプとすると、例えば高さ数１０μｍ程度のバンプとすると、凹部２２は設けなくてもよい。 The package 8 is made of ceramic or glass, and is provided with a recess 22 facing the gas sensitive part 18 so that the gas sensitive part 18 does not contact the package 8. If the bumps 26 between the chip 6 and the package 8 are tall bumps, for example, if the bumps have a height of about several tens of μm, the recess 22 may not be provided.

凹部２２の底面から、チップ６の反対面側へと１個あるいは複数個の貫通孔２８が設けられている。パッケージ８のチップ６側の面に複数個のパッド２４が設けられ、バンプ２６を介してチップ６のパッド２０，２１とフリップチップ接続されている。パッド２４からパッケージ８の反対面へと電気的に接続する導電ポスト３０が設けられ、パッド３１を介して、プリント基板４の配線３２に半田層３３で半田付けされている。またプリント基板４には貫通孔２８に面して貫通孔３４を設ける。この結果、貫通孔３４，２８，凹部２２，貫通孔１６，キャビティ１０を介する雰囲気の流路が形成される。 One or a plurality of through holes 28 are provided from the bottom surface of the recess 22 to the opposite surface side of the chip 6. A plurality of pads 24 are provided on the surface of the package 8 on the chip 6 side, and are flip-chip connected to the pads 20 and 21 of the chip 6 via bumps 26. Conductive posts 30 that are electrically connected from the pads 24 to the opposite surface of the package 8 are provided, and are soldered to the wirings 32 of the printed circuit board 4 with the solder layers 33 via the pads 31. The printed board 4 is provided with a through hole 34 facing the through hole 28. As a result, an atmospheric flow path is formed through the through holes 34 and 28, the recess 22, the through hole 16, and the cavity 10.

チップ６とパッケージ８との隙間を封止する必要がある場合、例えば図１，図２に鎖線で示すように配線３５，３６を設け、この間を溶着部３７で溶着する。溶着部３７は例えばバンプ２６と同一材料で、溶着に代えて樹脂封止を用いても良い。さらに図１でのキャビティ１０の上側から埃などが侵入することを防止するため、チップ６の絶縁膜１２とは反対側の面を気体透過膜などでコートしても良い。 When it is necessary to seal the gap between the chip 6 and the package 8, for example, wirings 35 and 36 are provided as indicated by chain lines in FIGS. The welding part 37 is made of the same material as that of the bump 26, for example, and resin sealing may be used instead of welding. Further, in order to prevent dust and the like from entering from the upper side of the cavity 10 in FIG. 1, the surface of the chip 6 opposite to the insulating film 12 may be coated with a gas permeable film or the like.

図３は半導体チップ６の変形例を示し、他の点では図１，図２の実施例と同一である。３８は新たなキャビティで、感ガス部１８とは反対面側からエッチングなどで設けられ、３９は新たな貫通孔である。 FIG. 3 shows a modification of the semiconductor chip 6 and is otherwise the same as the embodiment of FIGS. Reference numeral 38 denotes a new cavity, which is provided by etching or the like from the side opposite to the gas sensitive portion 18, and 39 is a new through hole.

図４は第２の変形例を示し、４０は新たなセラミックパッケージで、多孔質である。パッケージ４０は、全面が多孔質でも、凹部２２の周囲の層のみが多孔質でも、凹部２２の底面側の層のみが多孔質でもよい。４２は新たなプリント基板で、貫通孔３４を設けていない他は、図１，図２のプリント基板４と同様である。図４の変形例では、雰囲気は例えばプリント基板４２とパッケージ４０との隙間から、パッケージ４０内を拡散して、凹部２２へ至り、感ガス部１８に接触して、キャビティ１０内を通過する。あるいは凹部２２の周囲から、パッケージ４０を通過して凹部２２内へ至り、キャビティ１０を通過する。 FIG. 4 shows a second modification example, 40 is a new ceramic package, which is porous. The package 40 may be entirely porous, only the layer around the recess 22 may be porous, or only the layer on the bottom side of the recess 22 may be porous. Reference numeral 42 denotes a new printed circuit board, which is the same as the printed circuit board 4 of FIGS. 1 and 2 except that the through hole 34 is not provided. In the modification of FIG. 4, the atmosphere diffuses in the package 40 from, for example, a gap between the printed circuit board 42 and the package 40, reaches the recess 22, contacts the gas sensitive part 18, and passes through the cavity 10. Alternatively, from the periphery of the recess 22, the package 40 is passed into the recess 22 and passes through the cavity 10.

実施例では、パッケージ８，４０から感ガス部１８を介してキャビティ１０を貫通する雰囲気の流路ができるので、吸引ポンプなどで雰囲気を定量ずつ感ガス部１８へ供給できる。またこれ以外の用途でも、感ガス部へ多量の雰囲気を供給できるので、より大きな感度を得ることができる。さらにチップ６のフリップチップ接続によりパッケージへの組み付けが完成するので、チップ６のダイボンドも、パッド２０，２１からのワイヤボンドも不要で、カバーも不要である。そして導電ポスト３０を介して、ガスセンサ２をプリント基板４，４２に接続できる。さらに半導体チップ６を設けたウェハー、あるいはこのウェハーを数分割したサブウェハーを、未分割のパッケージ８、４０を多数備えた板に、一括してフリップチップ接続し、チップ６単位でダイシングすると、製造が容易になる。なお導電ポスト３０に代えて、パッケージ８などの端面に配線を設けてもよい。
In the embodiment, since a flow path of an atmosphere penetrating the cavity 10 from the packages 8 and 40 through the gas sensitive part 18 can be formed, the atmosphere can be supplied to the gas sensitive part 18 by a suction pump or the like. In other applications, a large amount of atmosphere can be supplied to the gas sensitive part, so that greater sensitivity can be obtained. Further, since the assembly of the chip 6 to the package is completed by flip-chip connection, neither die bonding of the chip 6 nor wire bonding from the pads 20 and 21 is required, and no cover is required. The gas sensor 2 can be connected to the printed circuit boards 4 and 42 through the conductive posts 30. Further, a wafer provided with a semiconductor chip 6 or a sub-wafer obtained by dividing the wafer into several parts is collectively flip-chip connected to a plate having a large number of undivided packages 8 and 40, and dicing is performed on a chip 6 basis. Becomes easier. Instead of the conductive posts 30, wiring may be provided on the end face of the package 8 or the like.

２ガスセンサ
４，４２プリント基板
６半導体チップ
８，４０パッケージ
１０，３８キャビティ
１２絶縁膜
１４ベース
１６，３９貫通孔
１８感ガス部
１９脚
２０，２１パッド
２２凹部
２４パッド
２６バンプ
２８貫通孔
３０導電ポスト
３１パッド
３２配線
３３半田層
３４貫通孔
３５，３６配線
３７溶着部 2 Gas sensor 4, 42 Printed circuit board 6 Semiconductor chip 8, 40 Package 10, 38 Cavity 12 Insulating film 14 Base 16, 39 Through hole 18 Gas sensitive part 19 Leg 20, 21 Pad 22 Recess 24 Pad 26 Bump 28 Through hole 30 Conductive post 31 Pad 32 Wiring 33 Solder Layer 34 Through-holes 35, 36 Wiring 37 Welding Portion

Claims

It consists of a semiconductor chip and a breathable ceramic or glass package,
The semiconductor chip is connected to an insulating film provided on one surface of the semiconductor chip, a cavity penetrating the insulating film and the semiconductor chip, a gas sensitive part provided in the insulating film, and the gas sensitive part. Pad, and
The package includes a semiconductor chip pad and a pad flip-chip connected via a bump, and a wiring drawn from the package pad to the other surface of the package.

The gas sensor according to claim 1, wherein the package includes a recess facing the gas sensitive part.

The gas sensor according to claim 2, wherein the package includes a hole penetrating the package from the recess.