JP2014128842A

JP2014128842A - Ｍｅｍｓ素子を有する半導体パッケージ

Info

Publication number: JP2014128842A
Application number: JP2012287069A
Authority: JP
Inventors: Kenichi Shirasaka; 健一白坂
Original assignee: Yamaha Corp
Current assignee: Yamaha Corp
Priority date: 2012-12-28
Filing date: 2012-12-28
Publication date: 2014-07-10

Abstract

【課題】ＭＥＭＳ素子を有する半導体パッケージを高密度化しつつ、省スペース化を図る。
【解決手段】ＭＥＭＳ素子を有する半導体パッケージ１は、ＭＥＭＳ素子１０が一体に形成される支持基板１１と、その支持基板１１上に接着されＭＥＭＳ素子１０の上方を覆う中空のキャップ４とを備え、キャップ４は、ＬＳＩチップにより構成されている。また、キャップ４は、バルク層４１の上に絶縁層を介して配線部を有する積層構造体により形成されており、バルク層４１の底面に凹部４１ａが形成され、その凹部４１ａによって支持基板１１との間に空間部１４が形成された構成とされる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＭＥＭＳ（ＭｉｃｒｏＥｌｅｃｔｒｏＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍｓ）素子を有する半導体パッケージに関する。

ＭＥＭＳ技術により、半導体基板に外力に応じて変位する錘部や、その錘部に結合している可撓部等の構造が形成され、可撓部の変形をピエゾ抵抗素子などで検出することにより、加速度、姿勢（傾斜角）、角速度、振動などを検出する小型の加速度センサ、振動ジャイロスコープなどのＭＥＭＳ素子を有するセンサが知られている。

このようなＭＥＭＳ素子を有するセンサにおいては、例えば特許文献１及び特許文献２に記載されているように、ＭＥＭＳ素子の錘部や可撓部等が形成される基板の上にキャップが被せられ、ＭＥＭＳ素子が中空封止された状態とされている。
また、特許文献１では、ＭＥＭＳ素子を有する加速度センサと信号処理チップや磁気センサ等が１つの基板上に搭載された半導体パッケージが開示されている。このように１つの基板上に複数のセンサを配置してパッケージ化する構成は、複数のセンサを別々の半導体パッケージで構成する場合に比べるとスペース効率が高まるという利点がある。

国際公開第２００７／０２０７００号特開２０１２‐９１２４３号公報

しかし、このような半導体パッケージが実装される各種電子機器は、小型軽量化や多機能化が進められており、半導体パッケージにはさらなる高密度化が要求される。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、ＭＥＭＳ素子を有する半導体パッケージをさらに高密度化して省スペース化を図ることを目的とする。

本発明のＭＥＭＳ素子を有する半導体パッケージは、ＭＥＭＳ素子が一体に形成される支持基板と、該支持基板上に接着され前記ＭＥＭＳ素子の上方覆う中空のキャップとを備える半導体パッケージであって、前記キャップは、ＬＳＩチップにより構成されていることを特徴とする。
また、本発明のＭＥＭＳ素子を有する半導体パッケージにおいて、前記キャップは、バルク層の上に絶縁層を介して配線部を有する積層構造体により形成されており、前記バルク層の底面に凹部が形成され、該凹部によって前記支持基板との間に空間部が形成された構成とされる。
さらに、本発明のＭＥＭＳ素子を有する半導体パッケージは、前記キャップに磁気センサを備える。

ＭＥＭＳ素子の上方を覆うキャップをＬＳＩチップにより構成することで、ＭＥＭＳ素子とＬＳＩチップとを積層配置してＬＳＩチップの設置スペースを支持基板の平面内に確保することができるので、全体の設置スペースを小さくすることができる。また、半導体パッケージにＭＥＭＳ素子を有するセンサやアクチュエータ等のデバイスの他に磁気センサや圧力センサ等のセンサを配置する場合においても、ＬＳＩチップにそれらのセンサを搭載することにより、半導体パッケージの省スペース化を図ることができる。

本発明のＭＥＭＳ素子を有する半導体パッケージにおいて、前記キャップと前記支持基板とは、これら部材間の緩衝機能を有する接着剤により接着される。
温度環境の変化によりキャップ又は支持基板に熱伸縮による変形が生じたり、ＭＥＭＳ素子の変形やその他の外力による応力が生じたりしても、これら部材間を接着する接着剤に緩衝機能を持たせることで、隣接する各部材にそれぞれの変形の影響が加わることを緩和することができる。したがって、キャップ又は支持基板に設けられた素子の特性を劣化させることがなく、安定した検出を行うことができる。

なお、キャップ及び支持基板は、例えば単結晶珪素（Ｓｉ）等により形成することができ、このようなキャップと支持基板との間に緩衝機能を有する接着剤としては、例えばエポキシ系樹脂やシリコーン系樹脂等の樹脂系接着剤を用いることができる。

本発明によれば、ＭＥＭＳ素子の上方を覆うキャップにＬＳＩチップを構成することで、ＭＥＭＳ素子とＬＳＩチップとを積層してＬＳＩチップの設置スペースを支持基板の平面内に確保することができ、全体の設置スペースを小さくすることができるので、半導体パッケージを高密度化して、省スペース化を図ることができる。

本発明の一実施形態のＭＥＭＳ素子を有する半導体パッケージを示す概略平面図である。図１に示す半導体パッケージのＡ‐Ａ線に沿う断面図である。加速度センサを説明する概略図であり、（ａ）が支持基板の平面図、（ｂ）が側面図である。キャップを説明する概略図であり、（ａ）が平面図、（ｂ）がＢ‐Ｂ線に沿う断面図である。

以下、本発明の一実施形態を、図面を用いて説明する。
図１及び図２は、第１実施形態の半導体パッケージ１の概略図である。この半導体パッケージ１は、ＭＥＭＳ素子を有する加速度センサ２と、磁気センサ３とを備えたパッケージである。

加速度センサ２は、図２及び図３に示すように、互いに直交する３軸の加速度成分を検出するためのＭＥＭＳ素子１０を、支持基板１１に一体に形成したものである。
支持基板１１は、単結晶珪素（Ｓｉ）からなるバルク層、二酸化珪素（ＳｉＯ_２）などからなる絶縁層、アルミニウム（Ａｌ）などからなる配線部などで構成される積層構造体である。ＭＥＭＳ素子１０は、その支持基板１１に形成された開口１１ａの周囲の支持部１１ｂに一端が接続される板ばね状の４本の梁部１２と、その梁部１２の他端に接続されるとともに開口１１ａ内に配置され、支持基板１１に対して浮遊して設けられる変位部１３とを備える。

また、図示しないが、各梁部１２には、その変形を検出するピエゾ抵抗素子などの検出手段が備えられている。例えば、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向のいずれか、又はこれらの複合方向の加速度により、変位部１３が変位すると、その加速度の方向及び大きさに応じて各梁部１２のピエゾ抵抗素子の出力電圧が変化する。その変化の検出機構として、４個のピエゾ抵抗素子を連結するホイートストンブリッジ回路を構成することにより、変位部１３に作用する力に応じた各梁部１２の変形を電気信号に変換して加速度を検出することができる。なお、加速度センサ２の検出回路等は、支持基板１１に組み込まれている。

さらに、加速度センサ２は、ＭＥＭＳ素子１０の変位部１３が機能するために必要とされる空間部１４を確保するように、ＭＥＭＳ素子１０の上方を覆う中空のキャップ４が被せられており、このキャップ４を被せることにより、変位部１３に過度な加速を受けた際の変位量を制限して、破損を防止することができる。

加速度センサ２に被せられるキャップ４は、ＬＳＩチップにより形成されており、支持基板１１と同様に、単結晶珪素（Ｓｉ）からなるバルク層、二酸化珪素（ＳｉＯ_２）などからなる絶縁層、アルミニウム（Ａｌ）などからなる配線部などで構成される積層構造体により形成されている。
このキャップ４には、図２及び図４（ｂ）に示すように、その下層に配置されるバルク層４１に凹部４１ａが形成されており、凹部４１ａにより支持基板１１との間に空間部１４が形成される。凹部４１ａは、エッチング加工等により形成することができる。
そして、その凹部４１ａの形成面とは反対側の上層表面には、積層回路部４２が設けられている。この積層回路部４２には、図１に示すように、巨大磁気抵抗素子（ＧＭＲ素子）や磁気トンネル効果素子（ＴＭＲ素子）などの磁気センサ素子が組み込まれており、磁気センサ３が構成されている。

例えば、図４に示すキャップ４に設けられた磁気センサ３は、複数のＧＭＲ素子３１Ｘ，３１Ｙ１，３１Ｙ２を備えており、その一部（例えばＹ軸方向に沿うＧＭＲ素子３１Ｙ１，３１Ｙ２）が、水平面に対して傾斜する斜面上に設けられている。そして、これらＧＭＲ素子３１Ｘ，３１Ｙ１，３１Ｙ２のそれぞれをブリッジ接続することにより、水平面内の直交する２方向（Ｘ軸方向及びＹ軸方向）と、これらに直交するＺ軸方向との３軸の磁界の変化を検出できるようになっている。

また、キャップ４と支持基板１１とは、一般的にははんだ付けにより接合されるが、半導体パッケージ１のキャップ４と支持基板１１とは、これら部材間の緩衝機能を有する接着剤５により接着されている。
例えば、本実施形態のように、単結晶珪素（Ｓｉ）により形成されるキャップ４及び支持基板１１の間に緩衝機能を有する接着剤５としては、例えばエポキシ系樹脂やシリコーン系樹脂等のはんだよりも軟質の樹脂系接着剤を採用することができる。
そして、図示しないが、この接着状態の支持基板１１とキャップ４の上方を一体に被覆するように、エポキシ樹脂等の封止樹脂が設けられる。ＭＥＭＳ素子１０は、キャップ４により覆われているので、中空状態で封止される。また、封止樹脂に代えて、プラスチック成形パッケージキャップにより支持基板１１とキャップ４とを包み込む構成としてもよい。

なお、図１に示す符号１５，１６は、パッド部であり、加速度センサ２及び磁気センサ３の検出手段は、図示しない配線部によってこれらパッド部１５，１６に電気的に接続され、検出信号が出力されるようになっている。また、積層回路部４２には、磁気センサ３の他にも、例えば圧力センサやＡＳＩＣ（ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎＳｐｅｃｉｆｉｃＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＣｉｒｃｕｉｔ）等を追加して設けることもできる。

このように構成される半導体パッケージ１は、例えば、加速度センサ２のＭＥＭＳ素子１０を構成する支持基板１１とキャップ４とが別々のウエハ上に複数配列した状態で形成される。この状態では、支持基板１１及びキャップ４は、その上面にパッド部１５，１６が露出している。そして、複数の支持基板１１が形成されたウエハはそのままにして、複数のキャップ４が形成されたウエハをダイシングにより分割し、個片化した各キャップ４を１つずつ支持基板１１の上に接着剤により積層状態に接着する。

次いで、加速度センサ２とキャップ４とが接着された状態で、これらを一体に被覆するように樹脂封止すること、又はプラスチック成形パッケージキャップ等により包み込むことで、支持基板１１が形成されたウエハに、複数の半導体パッケージ１が配列した状態で形成される。そして、複数の半導体パッケージ１が形成されたウエハをダイシングにより分割することにより、個片化した半導体パッケージ１を得ることができる。

このように構成された半導体パッケージ１においては、加速度センサ２のＭＥＭＳ素子１０の上方を覆うキャップ４をＬＳＩチップ（磁気センサ３）により構成することで、ＭＥＭＳ素子１０とＬＳＩチップとを積層配置してＬＳＩチップの設置スペースを支持基板１１の平面内に確保することができるので、全体の設置スペースを小さくすることができる。したがって、半導体パッケージを高密度化しつつも省スペース化を図ることができる。

また、半導体パッケージ１は、キャップ４と支持基板１１の構造等の違いから、温度環境の変化によりキャップ４又は支持基板１１に熱伸縮による変形が生じたり、ＭＥＭＳ素子１０の変形やその他の外力による応力が生じたりすることがある。
しかし、キャップ４と支持基板１１とは、これら部材間の緩衝機能を有する接着剤５により接着されていることから、隣接する各部材にそれぞれの変形の影響が加わることを緩和することができる。したがって、キャップ４又は支持基板１１に設けられたセンサ等の特性を劣化させることがなく安定した検出を行うことができることから、信頼性を向上させることができる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上記実施形態では、ＭＥＭＳ素子を有する半導体パッケージとして加速度センサ２が搭載された半導体パッケージ１を用いて説明したが、本発明の半導体パッケージには、ＭＥＭＳ素子を有する振動ジャイロスコープなどのセンサや、ＭＥＭＳ素子を駆動部とするアクチュエータが搭載されたものも含まれる。

また、上記実施形態では、キャップ４を構成するＬＳＩチップを磁気センサとしたが、ＬＳＩチップは、磁気センサに限られるものではない。その他の測定対象が異なるセンサや各種のＩＣ回路を磁気センサに変えて組み込むことや、磁気センサに追加して組み込むことも可能である。また、ＭＥＭＳ素子の処理回路を、キャップに形成してもよい。

１…半導体パッケージ、２…加速度センサ、３…磁気センサ、４…キャップ、５…接着剤、１０…ＭＥＭＳ素子、１１…支持基板、１１ａ…開口、１１ｂ…支持部、１２…梁部、１３…変位部、１４…空間部、１５，１６…パッド部、３１Ｘ，３１Ｙ１，３１Ｙ２…ＧＭＲ素子（磁気センサ素子）、４１…バルク層、４１ａ…凹部、４２…積層回路部

Claims

ＭＥＭＳ素子が一体に形成される支持基板と、該支持基板上に接着され前記ＭＥＭＳ素子の上方を覆う中空のキャップとを備える半導体パッケージであって、前記キャップは、ＬＳＩチップにより構成されていることを特徴とするＭＥＭＳ素子を有する半導体パッケージ。
前記キャップは、バルク層の上に絶縁層を介して配線部を有する積層構造体により形成されており、前記バルク層の底面に凹部が形成され、該凹部によって前記支持基板との間に空間部が形成された構成とされることを特徴とする請求項１記載のＭＥＭＳ素子を有する半導体パッケージ。
前記キャップに磁気センサを備えることを特徴とする請求項１又は２記載のＭＥＭＳ素子を有する半導体パッケージ。
前記キャップと前記支持基板とは、これら部材間の緩衝機能を有する接着剤により接着されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のＭＥＭＳ素子を有する半導体パッケージ。