JP2014048072A - 圧力センサモジュール - Google Patents

Abstract

【課題】構成部材の熱膨張係数の違いから生じる温度ドリフトと温度特性の劣化を低減し、測定精度を向上させた圧力センサモジュールを提供する。
【解決手段】本発明の圧力センサモジュールは、半導体基板２の一面側にダイアフラム部３およびゲージ抵抗４を有する圧力センサ素子１０と、前記圧力センサ素子が実装される実装基板２０と、前記圧力センサ素子と前記実装基板とを接合する接合樹脂部３０と、を備えた圧力センサモジュール１Ａ（１）であって、前記実装基板は、前記圧力センサ素子と対抗する一面側において、前記接合樹脂部を介して前記圧力センサ素子を支持する厚肉領域２２と、前記実装基板の前記一面側に開口し、前記ダイアフラム部と重なる部位を少なくとも通り、前記実装基板の相対向する２辺を結ぶように設けられた薄肉領域２３と、を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、温度変化による圧力センサの出力特性の劣化を低減することで、測定精度の向上を図った圧力センサモジュールに関する。

近年、半導体圧力センサは、家庭電化製品、医療機器、自動車部品など様々な分野で使用されており、特に小型で高信頼性という特徴を有するため、その用途はますます拡大している。

その一例としては、例えば図１１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の一面側において、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と、該ダイアフラム部１０４が歪むとピエゾ抵抗効果によって電気抵抗が変化する歪ゲージ１０５と、前記一面側において、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の各々と電気的に接続された電極１０６等を備えている。

このような圧力センサ１００は、ダイアフラム部１０４が圧力を受けて撓むと、各歪ゲージ１０５はダイアフラム部１０４の撓み量に応じて電気抵抗が変化する。この電気抵抗の変化を電気信号として取り出すことにより、圧力センサ１００は圧力を測定する（例えば、特許文献１参照）。

圧力センサ１００は、接合樹脂１１０を介して実装基板１２０上に実装されている。圧力センサ１００の電極１０６は、金属線１３０を介して実装基板１２０の端子部１２１に電気的に接続されている。

しかしながら、半導体基板１０２と、実装基板１２０とは材質が異なり、熱膨張係数の差が大きい。例えば実装基板の材料としては、一般的にエポキシやポリフエニレンサルファイト（ＰＰＳ）などのプラスチック、またはセラミックなどを用いることが多い。

そのため、周辺環境の温度が変化すると、各部材の熱膨張係数の大きさに応じて各部材が変形する。一般的には、実装基板の熱膨張係数が、半導体基板の熱膨張係数よりも大きいので、実装基板の方が大きく変形しようとする。そうすると、半導体基板は実装基板側から大きな応力を受け、その応力がダイアフラム部１０４（歪みゲージ１０５）に影響を与える。このように、圧力が変化しなくても、単に圧力センサの温度が変化するだけで出力が変動する、いわゆる温度ドリフトと呼ばれる現象が生じる。一般にこの温度ドリフトは圧力センサの測定精度へ悪影響を及ぼし、それが誤差として現れる。したがって、温度ドリフトは出来るだけ小さいことが求められる。

従来、半導体基板１０２に加わる応力を低減するために、柔らかい複合樹脂を用いたり、接合樹脂を厚く形成したりする対策がとられていた。この対策では、使用できる接合樹脂の種類が制限されて材料選択の自由度が低下したり、接合樹脂の使用量が増えてしまう、圧力センサモジュールの薄型化というトレンドに逆行してしまう、という問題がある。

実装基板１２０としては、セラミック基板が一般的に使用される。Ｓｉの熱膨張係数が２ｐｐｍ／℃であるのに対し、セラミックの熱膨張係数は、６．４〜８ｐｐｍ／℃程度ある。そのため、セラミック基板は半導体基板よりも３〜４倍も大きく変形してしまい、この差異に応じた応力が実装基板から圧力センサへ伝わってしまう。

特開２００８−２６０８０号公報

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、温度変化による圧力センサ素子の出力特性の劣化を低減し、測定精度を向上させ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目的とする。

本発明の請求項１に記載の圧力センサモジュールは、半導体基板の一面側にダイアフラム部およびゲージ抵抗を有する圧力センサ素子と、前記圧力センサ素子が実装される実装基板と、前記圧力センサ素子と前記実装基板とを接合する接合樹脂部と、を備えた圧力センサモジュールであって、前記実装基板は、前記圧力センサ素子と対抗する一面側において、前記接合樹脂部を介して前記圧力センサ素子を支持する厚肉領域と、前記実装基板の前記一面側に開口し、前記ダイアフラム部と重なる部位を少なくとも通り、前記実装基板の相対向する２辺を結ぶように設けられた薄肉領域と、を有すること、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、前記薄肉領域が、前記ゲージ抵抗と重なる部位を通るように設けられていること、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又は２において、前記薄肉領域が複数設けられており、該複数の薄肉領域が、前記ダイアフラム部と重なる部位において交差していること、を特徴とする。
本発明の請求項４に記載の圧力センサモジュールは、請求項１乃至３のいずれかにおいて、前記薄肉領域と前記圧力センサ素子との間に、空間が設けられていること、を特徴とする。

本発明の圧力センサモジュールでは、前記実装基板の前記一面側に開口し、前記ダイアフラム部と重なる部位を少なくとも通り、前記実装基板の相対向する２辺を結ぶように設けられた薄肉領域を有しているので、実装される圧力センサ素子を構成する半導体基板との熱膨張係数が異なることで生じる応力により実装基板が変形する際には、薄肉領域が優先的に変形する。そのため、実装基板から圧力センサ素子へ伝わる応力が軽減される。これにより構成部材の熱膨張係数の違いから生じる温度ドリフトなどの温度変化による圧力センサ素子の出力特性の劣化を低減することができ、正確に圧力を検知することができる。その結果、本発明では、測定精度を向上させた圧力センサモジュールを提供することが可能である。

本発明の半導体センサの一例を模式的に示す図。 薄肉領域の位置、形状の他の一例を模式的に示す図。 薄肉領域の位置、形状の他の一例を模式的に示す図。 薄肉領域の位置、形状の他の一例を模式的に示す図。 薄肉領域の位置、形状の他の一例を模式的に示す図。 薄肉領域の位置、形状の他の一例を模式的に示す図。 薄肉領域の位置、形状の他の一例を模式的に示す断面図。 図１に示す半導体センサがパッケージに内蔵された状態を模式的に示す図。 圧力センサモジュールの製造方法を工程順に模式的に示す図。 圧力センサモジュールの製造方法を工程順に模式的に示す図。 従来の半導体センサの一例を模式的に示す図。

以下、本発明に係る圧力センサモジュールの一実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は、本発明の圧力センサモジュールの一構成例を模式的に示す図であり、（ａ）は断面図、（ｂ）は平面図である。
本発明の圧力センサモジュール１Ａ（１）は、半導体基板２と、該半導体基板２に配されたダイアフラム部３及び感圧素子（ゲージ抵抗）としてｐ型抵抗体Ｒ_１〜Ｒ_４を有する感圧部４とを備えた圧力センサ素子１０が、樹脂からなる実装基板２０の一面２０ａ上に、接合樹脂部３０を介して接合されてなる。

圧力センサ素子１０は、例えばシリコン基板、Ｃ−ＳＯＩ基板等からなる半導体基板２と、半導体基板２に配されたダイアフラム部３と、前記ダイアフラム部３と隣接して配され、例えば金属線３１等を介して外部と電気的に接続される導電性のパッド部６と、感圧部４の表面に配された感圧素子（ゲージ抵抗）として４つのｐ型抵抗体（ピエゾ抵抗素子）Ｒ_１ 〜Ｒ_４ （図１（ａ）ではＲ_１ 、Ｒ_３ の２つのみ記載）と、から構成されている。

実装基板２０は、例えば、エポキシ、ポリフエニレンサルファイト（ＰＰＳ）などからなる樹脂基板などを用いる。また、ガラスーエポキシ−ＣＲ４等の一般的な電子部品で使用される基板やセラミック基板などを用いることもできる。
接合樹脂部３０としては、例えば、シリコーン樹脂などが用いられる。

そして本発明の圧力センサモジュール１Ａ（１）は、前記実装基板２０の前記一面２０ａ側において、前記接合樹脂部３０を介して前記圧力センサ素子１０を支持する厚肉領域２２と、前記実装基板２０の前記一面２０ａ側に開口し、前記ダイアフラム部３と重なる部位を少なくとも通り、前記実装基板２０の相対向する２辺を結ぶように設けられた薄肉領域２３を有していることを特徴とする。

本発明では、実装基板２０に薄肉領域２３を配することで、薄肉領域２３が厚肉領域２２よりも空間部５側に撓みやすく、実装される相手部材（実装基板２０）との熱膨張係数が異なることで生じる熱応力が感圧部４に伝播することを抑制することができる。これにより構成部材の熱膨張係数の違いから生じる温度ドリフトを低減することができる。その結果、圧力センサモジュール１Ａ（１）は、測定精度が向上したものとなる。空間部５は、撓んだ薄肉領域２３が圧力センサ素子１０と触れ合うことを防ぐため、薄肉領域２３の撓みの影響が、圧力センサ素子１０には伝わりにくくなっている。

図１に示すように、この圧力センサモジュール１Ａ（１）は、平板状の半導体基板２を基材とし、この半導体基板２の一面２ａにおいて、その中央域の内部に該一面２ａと略平行して広がる空間部５（基準圧力室）を備え、該空間部５の一方側に位置する薄板化された領域をダイアフラム部３とする。このダイアフラム部３には、感圧素子であるｐ型抵抗体Ｒ_１ 〜Ｒ_４ が配されている。

また、前記一面２ａにおいて、前記感圧部４を除いた外縁域には、前記抵抗体Ｒ_１〜Ｒ_４ごとに電気的に接続されたパッド部６が配されている。したがって、圧力センサモジュール１Ａ（１）は、絶対圧センサとして機能する構造を備えている。パッド部６は、金属線３１を介して実装基板２０の端子部２１に電気的に接続されている。

これにより、圧力センサモジュール１Ａ（１）では、感圧部（ゲージ抵抗）４を形成するにあたって、抵抗体Ｒ_１〜Ｒ_４が配されている面とは反対側の面より半導体基板２をエッチングして薄く形成する必要もなく、半導体基板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。

また、圧力センサモジュール１Ａ（１）において、パッド部６を除く外縁域は、絶縁部（不図示）によって覆われる形態が好ましい。絶縁部を設けることにより、抵抗体Ｒ_１ 〜Ｒ_４ が絶縁部によって被覆した構成が得られる。この構成とした圧力センサモジュール１Ａ（１）では、パッド部６を例えば金属線３１を介して実装基板２０と接続させる際に、パッド部６以外の外縁域は全て絶縁部によって被覆されているので、実装基板２０やパッケージに対して抵抗体Ｒ_１ 〜Ｒ_４ の絶縁性が十分に確保される。また、絶縁部は、抵抗体Ｒ_１ 〜Ｒ_４ の外気との接触を遮断するため抵抗体Ｒ_１ 〜Ｒ_４ の耐食性を向上させると共に、抵抗体Ｒ_１ 〜Ｒ_４ が感圧部４を介さずに直接、外部から受ける機械的な影響を大幅に削減する効果も有する。

感圧素子（ゲージ抵抗）として機能するｐ型抵抗体（ピエゾ抵抗素子）Ｒ_１ 〜Ｒ_４ は、リード配線７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、感圧部４の圧力変動を検出する検出回路を構成する。それぞれの抵抗体Ｒ_１ 〜Ｒ_４ は圧力センサ素子外周部のパッド部６までを配線部８によって電気的に接続されている。

このような抵抗体Ｒ_１ 〜Ｒ_４ は、ダイアフラム部３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Ｒ_１ 〜Ｒ_４ に加わり易いので、感度の良い圧力センサ素子１０が得られる。また、各抵抗体Ｒ_１ 〜Ｒ_４ は、ダイアフラム部３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。

また、半導体基板２には、配線部８が設けられている。この配線部８は、例えばシリコン基板中にボロン（ｐ型抵抗体よりも高濃度のもの）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。または、アルミなどの金属を成膜し、エッチングによるパターニングを施すことにより形成することもできる。そして、この配線部８の一端部は、ｐ型抵抗体Ｒ_１ 〜Ｒ_４ と電気的に接続され、他端部は、半導体基板２上に例えばアルミニウムなどによって形成されたパッド部６と電気的に接続されている。

圧力センサモジュール１Ａ（１）は、このような圧力センサ素子１０が、樹脂からなる実装基板２０の一面２０ａ上に、接合樹脂部３０を介して接合されてなる。圧力センサ素子１０は、厚肉領域２２において前記接合樹脂部３０を介して支持される。
そして本発明の圧力センサモジュール１Ａ（１）では、前記実装基板２０の前記一面側に開口し、前記ダイアフラム部３と重なる部位を少なくとも通り、前記実装基板２０の相対向する２辺を結ぶように設けられた薄肉領域２３を有している。

本発明は、実装される相手部材との熱膨張係数が異なることで生じる熱応力が、接合樹脂部３０を介して圧力センサ素子表面のダイアフラム部３（感圧部４）に伝播することを、熱応力伝播の最も強い応力の発生基点となる感圧部４と重なる部位を少なくとも通るように薄肉領域２３を配することで阻止又は低減するものである。

実装される相手部材との熱膨張係数が異なることで生じる熱応力により実装基板２０が変形する際には、薄肉領域２３が優先的に変形する。そのため、実装基板２０から圧力センサ素子１０へ伝わる応力が軽減される。これにより構成部材の熱膨張係数の違いから生じる温度ドリフトを低減することができ、正確に圧力を検知することができる。その結果、本発明の圧力センサモジュール１Ａ（１）は、温度特性が改善され、測定精度が向上したものとなる。

本発明では、半導体基板２側ではなく、実装基板２０側に薄肉領域２３を作製することで、圧力センサ素子１０と接触する面積を最小にし、実装基板２０側の膨張による応力を圧力センサ素子１０で受けないようにしている。ただし、素子を固定するエリアは確保しなければならないため、実装基板２０の厚肉領域２２において最小限のエリアで接着する。

また、本実施形態において、前記薄肉領域２３が、感圧素子（ゲージ抵抗）である抵抗体Ｒ_１〜Ｒ_４と重なる部位を通るように設けられていることが好ましい。薄肉領域２３が、前記抵抗体Ｒ_１〜Ｒ_４と重なる部位を通るように設けられることにより、抵抗体Ｒ_１〜Ｒ_４への応力が伝わりやすいので、より正確に応力を検知できる。

このような薄肉領域２３は、半導体基板２の一面２０ａ側から例えばドライエッチング、レーザ加工、ウェットエッチングなどの技術を用いて形成することができる。
薄肉領域２３の位置や形状としては、ダイアフラム部３と重なる領域であれば特に限定されるものではなく、様々な位置、形状とすることができる。使用材料や必要とされる効果等によって最適な位置を適宜設定すればよい。

図２〜図７は、本発明の圧力センサモジュールにおいて、薄肉領域２３の位置、形状の例を模式的に示す図である。
例えば図２〜図４に示すように、前記薄肉領域２３が複数設けられており、該複数の薄肉領域２３が、前記ダイアフラム部３と重なる部位において交差していてもよい。この場合、複数の薄肉領域２３は、図２及び図３に示すように直交していてもよい。また、図４に示すように直交していなくてもよい。
なお、薄肉領域２３の数も限定されるものではなく、図２に示すように同方向に形成される薄肉領域が１本であってもよいし、図３及び図４に示すように、同方向に形成される薄肉領域が複数であってもよい。
このとき、図５に示すように、ダイアフラム部３と重なる部位には接合樹脂部３０を塗布せず、ダイアフラム部３と重なる部位以外で接着する。

また、例えば図６に示すように、前記薄肉領域２３と前記圧力センサ素子１０との間に、空間４０が設けられていてもよい。これにより薄肉領域２３の応力緩和機能が、より効果的に発揮される。
また、接合樹脂部３０は、硬化前流動性が高いため流れ出しが起こる。図６に示すように薄肉領域２３があると接合樹脂部３０が流れ込んでも、薄肉領域２３としての空間が確保できるため、センサチップと実装基板２０間の応力を緩和するという目的が達成できる。
実装基板２０の厚肉領域２２には、圧力センサ素子１０と接着する部分で接合樹脂部３０を塗布する部分及び接続するための端子部２１等が存在する。端子部２１に接合樹脂部３０が付着すると接続不良が発生してしまう。薄肉領域２３が存在により過剰な接合樹脂部３０が、低い薄肉領域２３に流れ込むため、不必要な接合樹脂部３０の広がりを抑えられる。

このような薄肉領域２３は、実装基板２０の一面２０ａ側に設ける。該薄肉領域２３で実装基板２０が変形したとしても、圧力センサ素子１０に接触しないため好ましい。
また、図７に示すように、薄肉領域２３は、実装基板２０の他面２０ｂ側にも設けられていてもよい。

このような薄肉領域２３の幅や深さとしては特に限定されるものではなく、使用材料や必要とされる効果等によって最適なものを適宜設定すればよい。例えば、薄肉領域２３の深さは、実装基板２０の厚みの半分程度とすることが好ましい。具体的には、実装基板２０の厚みは一般的に１００〜５００μｍであり、この場合、薄肉領域２３の深さは５０μｍ〜２５０μｍ程度に形成することが好ましい。
また、薄肉領域２３の断面形状としても特に限定されるものではなく、例えば直方体形状のほか、Ｖ字形状やＵ字形状とすることもできる。

このような本発明の圧力センサモジュール１Ａ（１）は、図８に示すように、パッケージ４０に内蔵される。このパッケージ４０は、圧力導入口４１を備えている。また、温度センサ部（温度測定部）を有し前記温度センサ部の出力値に基づいて前記圧力センサ素子１０の出力値を補償する温度補償装置５０をさらに備えていてもよい。
このとき、本発明の圧力センサモジュール１Ａ（１）では、薄肉領域２３が配されていることで、実装される相手部材（実装基板２０およびパッケージ４０）との熱膨張係数が異なることで生じる熱応力が感圧部４に伝播することを抑制することができる。これにより温度ドリフトを低減することができ、測定精度が向上したものとなる。

そして、圧力センサモジュール１Ａ（１）において、半導体基板２の感圧部４（ダイアフラム部３）に外力がかかると、感圧部４が変形し、感圧部４の表面に形成された個々のゲージ抵抗が変化する。この、ホイートストンブリッジ回路における抵抗の変化を用いてセンサの出力の変動をモニタし、圧力に換算する。

このような本発明の圧力センサモジュール１Ａ（１）は、例えば以下のようにして製造することができる。図９及び図１０は、圧力センサモジュール１Ａ（１）の製造方法を工程順に模式的に示す断面図である。
（Ａ）まず、図９（ａ）に示すように、実装基板２を構成する第一基板２０Ａを用意し、ドライエッチング、レーザ加工、ウェットエッチングなどの技術を用いて、薄肉領域２３と導通ビア用の貫通孔１１を形成する。
（Ｂ）次に、図９（ｂ）に示すように、実装基板２０を構成する第二基板２０Ｂを用意し、導通ビア用の貫通孔１２を形成する。
（Ｃ）次に、図９（ｃ）に示すように、第一基板２０Ａ及び第二基板２０Ｂにそれぞれ形成された貫通孔１１，１２に導電ペースト１３を埋め込む。さらに、第一基板２０Ａ及び第二基板２０Ｂの表面にそれぞれ配線を形成する。

（Ｄ）次に、図９（ｄ）に示すように、第一基板２０Ａと第二基板２０Ｂとを貼りあわせる。
（Ｅ）次に、図９（ｅ）に示すように、ダイシングし、チップ毎に分割（個片化）する。
（Ｆ）次に、図１０（ａ）に示すように、個片化した実装基板２０に圧力センサ素子１０及び処理ＩＣを有する温度補償装置５０を搭載する。圧力センサ素子１０と温度補償装置５０とは金属線３１により電気的に接続する。
（Ｇ）最後に、図１０（ｂ）に示すように、パッケージ４０に内蔵する。パッケージ４０は接合樹脂部３０でダイボンドされる。接合樹脂部３０の塗布はディスペンスで実施する。
以上のようにして、図８に示すような圧力センサモジュール１Ａ（１）が得られる。

以上、本発明の圧力センサモジュール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、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。

本発明は、圧力センサ素子を実装基板上に実装した圧力センサモジュールに適用可能である。このような圧力センサモジュールは、例えば一般工業用計測用、電子血圧計、高度、気圧、水深計測機能付き電子機器、携帯機器、自動車などに用いられる。

１Ａ〜１Ｅ（１） 圧力センサモジュール、２ 半導体基板、３ ダイアフラム部、４ 感圧部（ゲージ抵抗）、５ 空間部、６ パッド部、７ リード配線、８ 配線部、１０ 圧力センサ素子、２０ 実装基板 ２１ 端子部、２２ 厚肉領域、２３ 薄肉領域、 ３０ 接合樹脂部、３１ 金属線、４０ パッケージ、４１圧力導入孔、Ｒ_１ 〜Ｒ_４ ｐ型抵抗体。

Claims (4)

1. 半導体基板の一面側にダイアフラム部およびゲージ抵抗を有する圧力センサ素子と、前記圧力センサ素子が実装される実装基板と、前記圧力センサ素子と前記実装基板とを接合する接合樹脂部と、を備えた圧力センサモジュールであって、
   前記実装基板は、前記圧力センサ素子と対抗する一面側において、前記接合樹脂部を介して前記圧力センサ素子を支持する厚肉領域と、前記実装基板の前記一面側に開口し、前記ダイアフラム部と重なる部位を少なくとも通り、前記実装基板の相対向する２辺を結ぶように設けられた薄肉領域と、を有すること、を特徴とする圧力センサモジュール。
2. 前記薄肉領域が、前記ゲージ抵抗と重なる部位を通るように設けられていること、を特徴とする請求項１に記載の圧力センサモジュール。
3. 前記薄肉領域が複数設けられており、該複数の薄肉領域が、前記ダイアフラム部と重なる部位において交差していること、を特徴とする請求項１又は２に記載の圧力センサモジュール。
4. 前記薄肉領域と前記圧力センサ素子との間に、空間が設けられていること、を特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の圧力センサモジュール。

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