JP2013007651A - センサ装置およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】センサ素子の傾斜角度の精度が高く、製造コストが抑制され、かつ、センサ素子と他の素子との電気的接合の信頼性が高いセンサ装置およびその製造方法を提供する。
【解決手段】センサ装置は、台座４と、台座４の上面に実装される角速度センサ素子１とを備える。台座４の上面は、下面に対して傾斜する傾斜面４Ａを有する。角速度センサ素子１は、傾斜面４Ａに実装され、その天面上に形成された電極３０を有する。角速度センサ素子１の天面における傾斜面２０Ａは、台座４の下面に対する傾斜角度が小さくなるように傾斜しており、この傾斜面２０Ａに電極３０が形成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、センサ装置およびその製造方法に関し、特に、センサ素子の検出軸を傾斜させたセンサ装置およびその製造方法に関する。

物理量センサの検出軸を傾斜させることが従来から行なわれている。物理量センサの検出軸を傾斜させた構造は、たとえば、特開２００８−９６４２０号公報（特許文献１）、特許第３８２３９５４号公報（特許文献２）および特開２００７−１７２２５号公報（特許文献３）などに記載されている。

特許文献１においては、リードフレーム上にジャイロセンサを実装した後、リード端子の曲げ加工形状によって、ジャイロセンサの検出軸を傾斜させている。

特許文献２においては、リードフレーム上に磁気センサを実装した後、リードフレームにおける磁気センサが搭載されている部分を押し曲げることによって、磁気センサの検出軸を傾斜させている。

特許文献３においては、傾斜した台座にチップをダイボンドすることによって、物理量センサの検出軸を傾斜させている。

特開２００８−９６４２０号公報 特許第３８２３９５４号公報 特開２００７−１７２２５号公報

特許文献１に記載のセンサ装置においては、長いリードフレームを複雑に曲げる加工を要し、高度な加工工程を追加する必要がある。この結果、製造コストが増大する。また、金属からなるリードフレームに対して、何段階にもわたる、複雑な曲げ加工を施すことにより、位置精度、端子平行度、端子コプラナリティ、角度精度などが劣化することが懸念される。

さらに、特許文献１に記載のセンサ装置においては、モールドの樹脂量が多くなる傾向にあり、その材料費を含む製造コストが増大する。また、モールド樹脂の応力によるセンサ素子の変形が誘発されやすくなり、センサ特性が不安定になる。

特許文献２に記載のセンサ装置においては、リードフレームを変形させるときにワイヤも変形することにより、接合信頼性の劣化や、変形接触、ワイヤ間隔の変化などによるセンサ特性への影響が生じることが懸念される。また、金属からなるリードフレームを変形させるので、その変形量が安定せず、傾斜角度の精度が低い。

さらに、特許文献２に記載のセンサ装置においては、リードフレーム実装、樹脂モールドによるパッケージを前提とした製造方法を採用しているが、成形時の圧力や樹脂との線膨張係数差により発生する応力に対して影響を受けやすい素子など、樹脂モールドパッケージングに適さないデバイスに対しては、特許文献２に記載の製造方法を適用できない。

特許文献３に記載のセンサ装置においては、傾斜した台座に実装されたチップに対してワイヤボンディングを行なうことになるが、この場合、超音波や押しつけ力が接合面に理想的に伝わらず接合が不十分となる。さらに、バンプ形状やネック形状、ループ形状が不安定であり、接合信頼性が劣化する。また、傾斜した状態でボンディング位置の認識を行なう際に、画像認識用カメラの焦点深度の影響からワイヤボンディングの位置精度が著しく低下する。それらを防ぐためには、特別な設備が必要となり、製造コストが増大する。

本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、センサ素子の傾斜角度の精度が高く、製造コストが抑制され、かつ、センサ素子と他の素子との電気的接合の信頼性が高いセンサ装置およびその製造方法を提供することにある。

本発明に係るセンサ装置は、上面および下面を有する台座と、台座の上面に実装されているセンサ素子とを備え、台座の上面は、下面に対して傾斜する傾斜部分を有し、センサ素子は、傾斜部分に実装されており、センサ素子は、台座の傾斜部分に固定される固定面と、固定面の反対側に位置する天面と、天面上に形成された電極とを有し、天面の少なくとも一部は、台座の下面に対する傾斜角度が小さくなるように固定面に対して傾斜しており、天面における固定面に対して傾斜した部分に電極が形成されている。

１つの実施態様では、上記センサ装置において、台座の上面は、下面に対して平行な水平部分を有する。この実施態様において、上記センサ装置は、水平部分に実装されている集積回路素子と、集積回路素子の天面に形成されている外部電極と、センサ素子の電極および集積回路素子の外部電極を電気的に接続するワイヤとをさらに備えている。

本発明に係るセンサ装置の製造方法は、複数のセンサ素子を構成する集合基板を準備する工程と、集合基板の延在方向に対して傾斜する傾斜面を集合基板の表面に形成する工程と、集合基板を分断してセンサ素子を個片化する工程と、下面と、下面に対して傾斜する傾斜部分を含む上面とを有する台座を準備する工程と、台座の上面における傾斜部分にセンサ素子を実装する工程とを備える。

１つの実施態様では、上記センサ装置の製造方法は、集合基板上にマスクパターンを形成する工程をさらに備え、マスクパターンをマスクとして集合基板にサンドブラストを施すことにより、傾斜面が形成される。

１つの実施態様では、上記センサ装置の製造方法において、ダイシングブレードを用いて積層基板を加工することにより、傾斜面が形成される。

本発明によれば、センサ装置において、センサ素子の傾斜角度の精度を向上させ、製造コストを抑制するとともに、センサ素子と他の素子との電気的接合の信頼性を向上させることができる。

本発明の１つの実施の形態に係るセンサ装置を示す断面図である。 図１に示すセンサ装置に含まれるセンサ素子を示す図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は断面図である。 図２に示すセンサ素子に使用される振動子基板の構造を示す平面図である。 図１に示すセンサ装置を製造する方法における各工程を示す図である。

以下に、本発明の実施の形態について説明する。なお、同一または相当する部分に同一の参照符号を付し、その説明を繰返さない場合がある。

なお、以下に説明する実施の形態において、個数、量などに言及する場合、特に記載がある場合を除き、本発明の範囲は必ずしもその個数、量などに限定されない。また、以下の実施の形態において、各々の構成要素は、特に記載がある場合を除き、本発明にとって必ずしも必須のものではない。

（センサ装置の構造）
図１は、本実施の形態に係るセンサ装置を示す断面図である。図１に示すように、本実施の形態に係るセンサ装置は、角速度センサ素子１と、集積回路素子２と、角速度センサ素子１および集積回路素子２を電気的に接続するワイヤ３と、角速度センサ素子１および集積回路素子２が実装される台座４と、角速度センサ素子１および集積回路素子２を台座４に接着固定するダイボンド材５とを含む。なお、図１中に示されるＺ軸が、角速度センサ素子１の角速度検知軸である。

図２は、図１に示すセンサ装置に含まれる角速度センサ素子１を示す図である。図２に示すように、角速度センサ素子１は、矩形状の振動子基板１０と、同じく矩形状の一対の保護基板２０とを含み、一対の保護基板２０が振動子基板１０の両主面にそれぞれ貼り合わされることにより、一体的に構成されている。また、一対の保護基板２０のうち、角速度センサ素子１の天面側となる保護基板２０は、天面の一辺を切り欠くように形成されている傾斜面２０Ａを有している。そして、傾斜面２０Ａ上には、複数の電極３０が形成されている。

振動子基板１０は、たとえば単結晶または多結晶をなす低抵抗なシリコン材料からなる。保護基板２０は、たとえば高抵抗なシリコン材料、ガラス材料などからなる。本実施の形態では、保護基板２０はガラス材料からなる。

振動子基板１０と保護基板２０とは、たとえば陽極接合などの接合方法により、互いに接合されている。ここで、保護基板２０には、振動子基板１０との接合面に凹部（図示せず）が形成されている。凹部が振動子基板１０の可動部分を密閉するように配置されることにより、角速度センサ素子１の内部に振動子基板１０の振動空間を確保するためのキャビティ（図示せず）が形成されている。また、キャビティ内は、振動ダンピングを低減するために、真空状態または低圧力状態に保たれている。

再び図１を参照して、本実施の形態に係るセンサ装置では、角速度センサ素子１の傾斜面２０Ａ上に形成された複数の電極３０と、外部電極として集積回路素子２の天面上に形成されたパッド２Ａとをワイヤ３により接続することで、角速度センサ素子１と集積回路素子２とが電気的に接続される。

台座４は樹脂材からなり、傾斜面４Ａと、水平面４Ｂとを有する。角速度センサ素子１は、傾斜面４Ａ上に実装され、集積回路素子２は、水平面４Ｂ上に実装される。

角速度センサ素子１の天面は台座４の傾斜面４Ａに対して平行であるが、傾斜面２０Ａは、傾斜面４Ａに対して傾斜している。台座４における水平面４Ｂに対する傾斜面４Ａの傾斜角度と、角速度センサ素子１における点面に対する傾斜面２０Ａの傾斜角度とは、略同じである。したがって、台座４の水平面４Ｂと、角速度センサ素子１の傾斜面２０Ａとは、略平行である。そして、その結果、角速度センサ素子１の電極３０と、集積回路素子２のパッド２Ａとは、互いに平行になる。

（振動子基板１０の構造）
次に、図３を用いて、振動子基板１０の構造について説明する。

図３に示すように、振動子基板１０には、エッチング処理などの微細加工を施すことにより、第１〜第４の各質量部７１〜７４、駆動梁８０、固定部１８１、１８２が形成されている。また、第１および第２モニタ電極９１、９２、第１〜第４駆動電極１０１〜１０４、ならびに第１〜第４検出電極１６１〜１６４などが形成されている。

ここで、図３において、振動子基板１０の長手方向をＹ軸方向、これに直交する短手方向をＸ軸方向、両軸に共に直交する紙面に垂直な方向をＺ軸方向とする。第１〜第４の各質量部７１〜７４は、駆動梁８０によってＹ軸方向に沿って直列に支持されており、これによって第１〜第４の各質量部７１〜７４はＸ軸方向に沿って振動可能な状態になっている。すなわち、第１〜第４の各質量部７１〜７４が可動部となっており、第１および第２モニタ電極９１、９２、ならびに第１〜第４駆動電極１０１〜１０４が固定部となっている。

第１質量部７１には、第１モニタ電極９１ならびに第１および第２の駆動電極１０１、１０２の櫛歯状部分に対向するように、左右に突出形成された、櫛歯状の可動側電極１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃが設けられている。

第２質量部７２は、駆動梁８０により支持された四角形の第１駆動枠１２１と、その内側において上下の第１検出梁１３１により支持された２つの四角形を連接した形状の第１検出枠１４１とを有する。第１駆動枠１２１の外側には、第１質量部７１に近接して上記の第１および第２駆動電極１０１、１０２の櫛歯状部分に対向した、櫛歯状の可動側電極１５１ａ、１５１ｂが形成されている。また、第１検出枠１４１の２つの四角形部分の内側には、それぞれ櫛歯状の第１および第２検出電極１６１、１６２にそれぞれ対向して、櫛歯状の可動側電極１７１が形成されている。これにより、第１検出枠１４１は可動側電極１７１と共に第１検出梁１３１によって、Ｙ軸方向に沿って振動可能な状態になっている。

第４質量部７４には、第２モニタ電極９２ならびに第３および第４の駆動電極１０３、１０４の櫛歯状部分に対向するように、左右に突出形成された、櫛歯状の可動側電極１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃが設けられている。

第３質量部７３は、駆動梁８０により支持された四角形の第２駆動枠１２２と、その内側において上下の第２検出梁１３２により支持された２つの四角形を連接した形状の第２検出枠１４２とを有する。第２駆動枠１２２の外側には、第４質量部７４に近接して上記の第３および第４駆動電極１０３、１０４の櫛歯状部分に対向した、櫛歯状の可動側電極１５２ａ、１５２ｂが形成されている。また、第２検出枠１４２の２つの四角形部分の内側には、それぞれ櫛歯状の第３および第４検出電極１６３、１６４にそれぞれ対向して、櫛歯状の可動側電極１７２が形成されている。これにより、第２検出枠１４２は可動側電極１７２と共に第２検出梁１３２によって、Ｙ軸方向に沿って振動可能な状態になっている。

振動子基板１０の平面に対して垂直なＺ軸が、角速度検知軸となる。振動子基板１０のＹ軸方向の振動による変位により、振動子基板１０に対して垂直な検知軸（Ｚ軸）まわりの角速度を検知することができる。つまり、角速度センサ素子１は、図３に示すＺ軸方向を回転中心軸とした回転角速度に応じた出力信号（容量変化）を、電極３０を介して外部に出力する。

（センサ装置の製造方法）
次に、図４を用いて、本実施の形態に係るセンサ装置の製造方法について説明する。

まず、図４（ａ）に示すように、複数の振動子基板１０が形成されているシリコンウェハ１０Ａの両面に、複数の保護基板２０の凹部が形成されている２枚のガラス基板２０Ｂをそれぞれ貼り合わせてなる積層基板を準備する。積層基板は、後に複数の角速度センサ素子１に個片化される集合体である。そして、積層基板の一方のガラス基板２０Ｂ上にドライフィルムレジストを貼り、ドライフィルムレジストを露光・現像することにより、サンドブラスト用のマスク２０Ｃを形成する。

次に、図４（ｂ１）に示すように、サンドブラストのノズルを傾斜させるか、マスク２０Ｃが形成されているウエハを傾斜させて固定し（要するに、ノズルの噴射方向に対して被加工面を斜めに交差させ）、サンドブラストによる加工を行う。その際、被加工面の状態やチッピング状態を最適化するように、砂の材質、粒度、ノズル-基板間距離、加工圧、スキャンスピード、吐出量などを最適化する。

上記サンドブラストにより、ガラス基板２０Ｂ上に傾斜面２０Ａが形成される。なお、傾斜面２０Ａの形成方法としては、図４（ｂ１）に示す方法に代えて、図４（ｂ２）に示すように、ダイシングブレード２０Ｄにより切り込みを入れる方法が用いられてもよい。

次に、加工済み積層基板の表面に、真空蒸着やスパッタ成膜などを用いて電極膜を成膜する。電極膜の成膜後、レジストなどで所望のパターンを保護したのち、エッチングによりパターニングして、図４（ｃ）に示す電極３０を形成する。

なお、電極３０の形成方法としては、上述の方法に代えて、先にレジストをパターニングし、その上から電極膜を成膜し、リフトオフによりパターニングする方法が用いられてもよいし、めっき法を用いてパターニングする方法が用いられてもよいし、印刷などの方法が用いられてもよい。

電極３０を形成した後、積層基板をダイシングすることにより、複数の角速度センサ素子１を個片化する。

次に、図４（ｄ）に示すように、上面の一部が傾斜した台座４を準備する。台座４としては、金型に樹脂を流し込み成形したものを用いることで、正確な傾斜角度の傾斜面４Ａを有する台座４を安価に作成することができる。

台座４の傾斜面４Ａ上に、角速度センサ素子１をダイボンドする。また、水平面４Ｂ上には、角速度センサ素子１の駆動、信号処理などを行なう集積回路素子２（ＡＳＩＣ）をダイボンドする。ここで、角速度センサ素子１の天面に対するガラス基板２０の傾斜面２０Ａの傾斜角度は、台座４の水平面４Ｂに対する傾斜面４Ａの傾斜角度とほぼ同じ角度に形成されているため、傾斜面２０Ａは水平面４Ｂと略平行になっている。

次に、図４（ｅ）に示すように、水平面４Ｂに対して略平行な傾斜面２０Ａ上に形成された電極３０と、集積回路素子２の電極と間を、ワイヤ３により電気的に接続する。

一般的に言って、ワイヤボンディングにより接続する両電極面が斜めに交差していると、画像認識用カメラの焦点深度の影響からワイヤボンディングの位置精度が低下する傾向にある。この影響が生じ始める交差角度は、±１０度程度であるため、傾斜面２０Ａは、必ずしも水平面４Ｂと略平行である必要はなく、±１０度程度の範囲内で交差していてもよい。たとえば、角速度センサ素子１の下面に対する傾斜面２０Ａの傾斜角度が約２０度である場合、水平面４Ｂに対する傾斜面４Ａの傾斜角度が約１０度〜約３０度の範囲である台座４に対応することができる。

次に、図４（ｆ）に示すように、プリント基板６上に台座４を実装し、金属性のキャップ７により台座４を封止する。これにより、安価なパッケージが実現可能である。

（作用効果）
本実施の形態に係るセンサ装置によれば、上記特許文献１に記載のセンサ装置に比べて、リードフレームの曲げ形状によらずに角速度センサ素子１の検出軸を傾斜させることができるため、加工が容易である。

また、台座４として、樹脂製のものを用いることで、高精度の傾斜角度を持つ安価な台座４を再現性よく得ることができる。そして、安価な台座４上において角速度センサ素子１の傾斜実装を実現することができる。そのため、樹脂モールドで角速度センサ素子１を固定する必要はなく、、樹脂の応力による角速度センサ素子１の変形も抑制できる。

さらに、ワイヤ３を設けた後に、ワイヤ３を変形させることが無いので、接合信頼性の確保や、ワイヤ３の接触および間隔変化による特性への影響を抑制できる。

また、角速度センサ素子１の傾斜面２０Ａ上に形成された複数の電極３０が、集積回路素子２の天面上に形成されたパッド２Ａと同じくほぼ水平になるため、角速度センサ素子１が傾斜実装されていても、通常のワイヤボンディングと同じ、ほぼ水平な状態でワイヤボンディングできる。したがって、接合信頼性の劣化を抑制できる。

さらにまた、角速度センサ素子１を台座４の傾斜面４Ａにダイボンドするだけで傾斜実装するだけなので、傾斜実装に際して特別な設備は必要なく、水平実装モデルと同じ製造ラインを用いることができる。この結果、コストダウンにつながる。

このように、本実施の形態に係るセンサ装置によれば、角速度センサ素子１の傾斜角度の精度を向上させ、製造コストを抑制するとともに、角速度センサ素子１と集積回路素子２との電気的接合の信頼性を向上させることができる。

（まとめ）
上述した内容について要約すると、次のようになる。すなわち、本実施の形態に係るセンサ装置は、台座４と、台座４の上面に実装される角速度センサ素子１とを備える。台座４の上面は、下面に対して傾斜する傾斜面４Ａを有する。角速度センサ素子１は、傾斜面４Ａに実装され、その天面上に形成された電極３０を有する。角速度センサ素子１の天面における傾斜面２０Ａは、台座４の下面に対する傾斜角度が小さくなるように傾斜しており、この傾斜面２０Ａに電極３０が形成される。また、台座４の上面は、傾斜面４Ａに加えて水平面４Ｂを有する。水平面４Ｂには集積回路素子２が実装される。角速度センサ素子１の電極３０および集積回路素子２のパッド２Ａは、ワイヤ３により、電気的に接続される。

本実施の形態に係るセンサ装置の製造方法は、複数の角速度センサ素子１を構成する集合基板を準備する工程（図４（ａ））と、集合基板の延在方向に対して傾斜する傾斜面２０Ａを集合基板の表面に形成する工程（図４（ｂ１），図４（ｂ２））と、集合基板を分断して角速度センサ素子１を個片化する工程（図４（ｃ））と、台座４の上面における傾斜面４Ａに角速度センサ素子１を実装する工程（図４（ｄ），図４（ｅ））とを備える。

なお、本実施の形態では、「センサ素子」の一例として角速度センサ素子１について説明したが、本発明のセンサ素子（センサチップ）は、角速度センサ素子１に限定されず、たとえば、加速度センサ素子等、同様の課題を有する物理量センサ素子であってもよい。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ 角速度センサ素子、２ 集積回路素子、２Ａ パッド、３ ワイヤ、４ 台座、４Ａ 傾斜面、４Ｂ 水平面、５ ダイボンド材、６ プリント基板、７ キャップ、１０ 振動子基板、２０ 保護基板、２０Ａ 傾斜面、３０ 電極、７１，７２，７３，７４ 質量部、８０ 駆動梁、９１，９２ モニタ電極、１０１，１０２，１０３，１０４ 駆動電極、１１１ａ，１１１ｂ，１１１ｃ，１１２ａ，１１２ｂ，１１２ｃ 可動側電極、１２１，１２２ 駆動枠、１３１，１３２ 検出梁、１４１，１４２ 検出枠、１５１ａ，１５１ｂ，１５２ａ，１５２ｂ，１７１，１７２ 可動側電極、１６１，１６２，１６３，１６４ 検出電極、１８１，１８２ 固定部。

Claims (5)

1. 上面および下面を有する台座と、
   前記台座の上面に実装されているセンサ素子とを備え、
   前記台座の上面は、前記下面に対して傾斜する傾斜部分を有し、前記センサ素子は、前記傾斜部分に実装されており、
   前記センサ素子は、前記台座の傾斜部分に固定される固定面と、前記固定面の反対側に位置する天面と、前記天面上に形成された電極とを有し、
   前記天面の少なくとも一部は、前記台座の下面に対する傾斜角度が小さくなるように前記固定面に対して傾斜しており、
   前記天面における前記固定面に対して傾斜した部分に前記電極が形成されている、センサ装置。
2. 前記台座の上面は、前記下面に対して平行な水平部分を有し、
   前記水平部分に実装されている集積回路素子と、
   前記集積回路素子の天面に形成されている外部電極と、
   前記センサ素子の前記電極および前記集積回路素子の前記外部電極を電気的に接続するワイヤとをさらに備えている、請求項１に記載のセンサ装置。
3. 複数のセンサ素子を構成する集合基板を準備する工程と、
   前記集合基板の延在方向に対して傾斜する傾斜面を前記集合基板の表面に形成する工程と、
   前記集合基板を分断して前記センサ素子を個片化する工程と、
   下面と、前記下面に対して傾斜する傾斜部分を含む上面とを有する台座を準備する工程と、
   前記台座の上面における前記傾斜部分に前記センサ素子を実装する工程とを備えた、センサ装置の製造方法。
4. 前記集合基板上にマスクパターンを形成する工程をさらに備え、
   前記マスクパターンをマスクとして前記集合基板にサンドブラストを施すことにより、前記傾斜面が形成される、請求項３に記載のセンサ装置の製造方法。
5. ダイシングブレードを用いて前記積層基板を加工することにより、前記傾斜面が形成される、請求項３に記載のセンサ装置の製造方法。

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