JP2015513090A - 微小機械測定素子および微小機械測定素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、検知素子（２１）および担体（３）を備える微小機械測定素子（１）を提供する。この検知素子（２１）は、少なくとも１つの第１のはんだ接続部（４１）と少なくとも１つの第２のはんだ接続部（４２）とによって、担体（３）と接続されおり、ここでこの検知素子（２１）は、当該第１のはんだ接続部（４１）を介して電気的に接続されている。さらに検知素子（２１）、担体（３）、および第２のはんだ接続部（４２）は、第１の小室（５１）を形成し、当該第１の小室は、第１の開口部（６１）を備える。さらに本発明は微小機械測定素子（１）の製造方法を提供する。【選択図】 図１

Description

本発明は微小機械測定素子に関する。
さらに本発明は微小機械測定素子の製造方法に関する。

少なくとも企業内部では、たとえば圧力センサとして、たとえば絶対圧センサ、または相対圧センサおよび差圧センサ等の微小機械測定素子（mikromechanische Messelemente）が開発されていることが知られている。これらの圧力センサは検知素子を含み、たとえば接着剤またははんだ接続等の接合媒体を用いて、チップ収容部（Chipaufnahme）に取り付けられている。この検知素子は、たとえば圧電抵抗を備えてよく、この圧電抵抗の出力信号は、ボンディングワイヤを用いて、この圧力センサの外部コンタクトに引き出される。アプリケーションに応じて、この圧力センサは、媒体導入が行われるハウジングカバーを備えてよい。公知の圧力センサでは、この媒体導入は、たとえば検知素子の取り付けによって、またたとえばボンディングワイヤを用いた、この圧力センサの電気的接続によって、別々のプロセス工程で行われる。

本発明のいくつかの実施形態での解決すべき課題は、容易に製造可能な微小機械測定素子のいくつかの実施形態を提供することである。さらに本発明の少なくともいくつかの実施形態での解決すべき課題は、微小機械測定素子を製造する方法を提供することである。これらの課題は独立請求項に記載の物および方法によって解決される。有利な変形実施例が、従属請求項に示されている。

少なくとも１つの実施形態による微小機械測定素子は、検知素子と担体とを備える。この担体は、たとえばセラミック材料から成り、またはセラミック板として実装されてよい。さらにこの担体は、回路基板として、たとえばＦＲ４回路基板として実装することができる。検知素子は、好ましくはシリコンを含み、またはシリコンから成っている。たとえばこの検知素子は、シリコンチップとして実装されていてよい。好ましくはこの検知素子は、少なくとも１つの第１のはんだ接続部と少なくとも１つの第２のはんだ接続部を用いて上記の担体と接続されている。たとえばこの検知素子は、上記の少なくとも１つの第１のはんだ接続部と上記の少なくとも１つの第２のはんだ接続部を用いて直接上記の担体と接続されていてよい。この検知素子は、好ましくはこの第１のはんだ接続部を介して電気的に接続される。

１つの変形実施例によれば、この検知素子，担体および上記のはんだ接続部は、第１の小室を形成する。好ましくはこの第１の小室は、第１の開口部を備える。さらにこの第１の小室は、上記の検知素子，担体，第２のはんだ接続部，および他の部品によって形成されることができる。これらの他の部品は、たとえばエラストマー体および／またはメタライジング部であってよく、これらは検知素子と第２のはんだ接続部との間および／またはこの第２のはんだ接続部と担体との間に配設されていてよい。

１つの変形実施例によれば、上記の第１の小室の第１の開口部は、第１の媒体をこの第１の小室に導入可能なように形成されている。好ましくはこの検知素子は下面と上面とを有するメンブレンを備える。この検知素子は、たとえばシリコンウェハから製造されたメンブレンを有するシリコンチップであってよく、ここでこのメンブレンは、薄くなった領域、たとえばシリコンチップが薄くエッチングされた領域を形成する。のメンブレンの上面は、以下で測定媒体または伝達媒体と呼称され得る第１の媒体に、上記の第１の開口部によって接触可能である。この測定媒体は、この検知素子ののメンブレンに印加される圧力を伝達し、これによって圧力測定を可能とする。たとえばこの検知素子は、圧電抵抗パターン、導電部、およびコンタクト面を備える圧電抵抗素子として実装される。圧力に依存したメンブレンおよびこれに埋め込まれた、たとえばホイートストンブリッジに接続された圧電抵抗パターンの変型により、この圧電抵抗パターンの抵抗変化の結果、このホイートストンブリッジの出力電圧が変化され、この変化によって印加された圧力または圧力変化が測定される。代替として、この検知素子は、容量素子または圧電素子として実装されてよい。

ここに記載する微小機械測定素子の製造では、電気的および流体的接続端子を１つのプロセスステップで同時に実現することができ有利である。さらにこの流体的接続端子は、電気的接続端子から分離されることを保証することができる。

１つの変形実施例によれば、この検知素子は基板上に配設される。この基板は、ガラスおよび／またはシリコンを備えてよく、またはこれらの材料の１つから成っていてよい。

１つの変型実施例によれば、この微小機械測定素子は、直接担体に接続されているキャップを備える。好ましくはこのキャップは、少なくとも部分的に、この基板と、この基板上に取り付けられた検知素子とを包囲している。たとえば、このキャップおよびこのキャップと接続された基板は、上記の検知素子および基板を包んでいる。このキャップは好ましくはシリコン，セラミック材料またはプラスチック材料を備え、あるいはこれらの材料１つから成っている。
１つの好ましい変形実施例によれば、この担体はＦＲ４回路基板として実装され、キャップはプラスチックで実装される。

もう１つの変型実施例によれば、この担体には上記の第１の開口部が形成されている。たとえばこの担体は、上記の第１の小室の第１の開口部を形成し、上記の第１の媒体が上記のメンブレンの上面へ到達することを可能とする。

もう１つの変型実施例によれば、上記の第２のはんだ接続部は、この第２のはんだ接続部によって、上記の第１の小室は気密にシーリングされ、この際たとえば上記の第１の開口部はこの小室の唯一の開口部を形成する。

もう１つの変型実施例によれば、上記の検知素子は、上記の第２のはんだ接続部によって電気的に接続されない。たとえばこの検知素子は、上記の第１のはんだ接続部によって電気的に接続され、ここで上記の第２のはんだ接続部は、たとえば上記の媒体導入および／または上記の第１の小室のシーリングにおいて機能してよい。

もう１つの変型実施例によれば、上記の第２のはんだ接続部は、閉じた曲線として実装される。たとえばこの第２のはんだ接続部は、環状または環状とは異なる閉じた曲線形状を備える。

もう１つの変型実施例によれば、上記の第２のはんだ接続部は、環状に実装される。好ましくはこの環状の第２のはんだ接続部によって、上記の第１の小室は気密にシーリングされ、この際この第１の開口部は、この小室の唯一の開口部を形成する。

もう１つの変型実施例によれば、上記の検知素子と上記の第１のはんだ接続部との間、および上記の検知素子と上記の第２のはんだ接続部との間には、それぞれエラストマー体が配設されている。このエラストマー体は、たとえばインクジェット技術，シルクスクリーン印刷またはラミネートフィルムを用いて取り付けられてよく、たとえばリソグラフィーまたはレーザーアブレーションによるパターニングを用いて取り付けられてよい。これらのはんだ接続部と検知素子との間に配設されたエラストマー体によって、担体と検知素子との間の機械的隔離を保証することができ、たとえばパッケージングに起因するような外乱の影響を確実に極小とすることができる。

もう１つの変型実施例によれば、これらのエラストマー体と第１のはんだ接続部との間には、メタライジング部が配設される。好ましくはこのメタライジング部は蛇行形状または螺旋形状に形成されている。これによって機械的および／または熱機械的に生じた張力に対し必要な可撓性を得ることができ、有利である。好ましくはこのメタライジング部は、はんだ可能である。たとえばこのメタライジング部は、スパッタリングによるシード層とこれに続く電解析出（galvanische Abscheidung）によって、上記のエラストマー体上に生成されてよい。

もう１つの変型実施例によれば、上記の第１の小室は、少なくとも部分的に保護層が設けられる。これによって第１および／または第２の媒体として湿潤性および／または腐食性の媒体を使用することができ、有利である。

もう１つの変型実施例によれば、この保護層はパリレン（Parylen、登録商標）を備える。有利には、この第１および／または第２の媒体に暴露される、微小機械測定素子のすべての領域または部分はパリレンによってコーティングされる。

もう１つの変型実施例によれば、上記の検知素子は、その担体に向いていない面が直接基板と接続している。好ましくは、第２の小室が、少なくとも部分的にこの検知素子および基板によって形成されている。好ましくはこの第２の小室は、上記の担体および検知素子を貫通して延在する第２の開口部を備える。たとえば、この第２の小室は、上記の検知素子，基板，担体，およびさらなる第２のはんだ接続部によって形成されていてよい。このさらなる第２のはんだ接続部は、たとえば閉じた曲線として、たとえば環状に実装されていてよく、またたとえば上記の第２の小室を密封してよく、ここでこの第２の開口部は、この第２の小室の唯一の開口部を形成する。

もう１つの変型実施例によれば、上記のメンブレンの下面は、この第２の開口部によって第２の媒体に対し到達可能となっている。これによって、この第２の媒体を用いて基準圧力のメンブレンへの伝達を達成することができる。

もう１つの変型実施例によれば、本発明の微小機械測定素子は圧力センサとして実装される。この圧力センサは、たとえば絶対圧センサ，相対圧センサ，または差圧センサとして実装されてよい。

もう１つの変型実施例によれば、本発明の微小機械測定素子はガスセンサとして実装される。このガスセンサは、ガス状物質の検出に有利に適しており、この際このガスセンサの周囲の大気における化学的情報が、電気的に利用できる信号に変換される。

もう１つの変型実施例によれば、本発明の微小機械測定素子は、加速度センサとして実装される。この加速度センサは、たとえば微小化したセンサとして，たとえば圧電センサまたはいわゆるＭＥＭＳ（Micro-Electro-Mechanical System）として実装されていてよい。

さらに本発明は微小機械測定素子の製造方法を提供する。この製造方法で製造可能な、あるいは製造された微小機械測定素子は、上述の実施形態の１つ以上の特徴を備えてよい。上記および以下に記載する実施形態は、この微小機械測定素子に対し、またこの微小機械測定素子の製造方法に対し同様に有効である。

１つの実施形態によれば、検知素子が準備される。さらに、少なくとも１つの開口部を備えた担体が準備される。好ましくはこの担体は、上記の検知素子の接続に用いられる少なくとも１つの貫通接続部を備える。続いてこの検知素子は、上記の担体と接続される。好ましくはこの検知素子は、１つ以上のはんだ接続部を用いてこの担体と接続され、ここでこれらのはんだ接続部の少なくとも１つは、上記の貫通接続部によってこの検知素子を電気的に導通するように接続する。これらの１つ以上のはんだ接続部は、たとえばはんだペーストを用いて印刷されてよい。代替として、これらの１つ以上のはんだ接続部は、スパッタリングまたは電解析出を用いて取り付けられてよい。検知素子（複数）を上記の担体と結合することにより、これらの検知素子の電気的接続および検知素子への媒体導入を１つのプロセスステップで実現することができる。

１つの変型実施例によれば、用いたこれらの検知素子の担体との結合は、フリップチップはんだ接合を用いて行われる。

これらの製造プロセスは、ウェハーレベルでもまたこれに続くパッケージングプロセスステップにおいてもバッチプロセスを利用して行われ、こうして安価に実現できるので有利である。さらにこの製造技術は、ハウジング全体の微小化の観点で大きな可能性を提供し、幅広い多様な製品への基礎技術として適用可能である。

以下に、微小機械測定素子および微小機械測定素子の製造方法の実施形態例を、図１〜４を参照して説明する。

これらの実施形態例および図では、同等もしくは同等の機能の部分はそれぞれ同じ参照番号が付けられている。表示された素子およびそれらの互いの大きさの関係は、基本的に寸法通りとはなっていない。むしろたとえば層、部品および領域などの個々の要素をより見易くするため、および／またはより理解し易くするために誇張した厚さまたは大きさの寸法で示してある。

第１の実施形態例による、微小機械測定素子の断面概略図である。 もう１つの実施形態例による、微小機械測定素子の断面概略図である。 もう１つの第１の実施形態例による、微小機械測定素子の断面概略図である。 もう１つの実施形態例による、微小機械測定素子の製造方法の概略図である。

図１は、微小機械測定素子１を断面概略図で示している。この微小機械測定素子１は、前面側に媒体導入部を有する絶対圧センサとして実装されている。

この微小機械測定素子１は、検知素子２１および担体３を備える。図示された実施形態例においては、この担体３は、セラミックプレートである。代替としてこの担体３は、ＦＲ４回路基板として実装されてよい。上記の検知素子２１は、圧電抵抗性ＭＥＭＳ圧力センサチップとして実装され、下面２１１および上面２１２を有するメンブレン２１０を備える。

さらにこの検知素子２１は、ガラスから成る基板２２に直接接続されている。代替としてこの基板２２はシリコンを備えてよく、あるいはシリコンから成っていてよい。この検知素子２１は、この基板２２に向いていない面で、第１のはんだ接続部４１と第２のはんだ接続部４２とによって、担体３と接続されている。この担体３に取り付けられた、この測定素子１の外側の電気的接続部として機能する外部コンタクト１２は、貫通接続部１１によって、上記の第１のはんだ接続部４１と電気的に導通して接続されている。このようにこの第１のはんだ接続部は、検知素子２１の電気的コンタクト部として機能する。代替としてこの微小機械測定素子１は、１つ以上のさらなる第１のはんだ接続部４１を備え、これらのはんだ接続部は、上記の検知素子２１を担体３におけるさらなる貫通接続部１１に電気的に導通して接続している。

上記の検知素子、担体および第２のはんだ接続部４２は、閉じた曲線として実装され、第１の小室５１を形成する。とりわけこの第２のはんだ接続部４２は、環状に実装されている。この第１の小室５１は、担体３に形成されて第１の媒体の導入部として機能する第１の開口部６１を備える。この第１の小室５１は、上記の第２のはんだ接続部４２によって耐圧密封されている。

これらのはんだ接続部４１，４２と上記の検知素子との間にはそれぞれ、エラストマー体８が配設され、このエラストマー体は、担体と検知素子との間の機械的隔離部として機能する。さらに上記の環状の第２のはんだ接続部４２とこのエラストマー体との間、およびこの第２のはんだ接続部４２と上記の担体３との間には、それぞれメタライジング部９２が配設されている。上記の第１のはんだ接続部４１とこのエラストマー体８との間にも同様にメタライジング部９１が配設されており、このメタライジング部は蛇行形状（maanderformig）に形成されている。代替として、このメタライジング部９１は、螺旋形状に実装されていてよい。この蛇行形状あるいは螺旋形状に実装されたメタライジング部９１は、機械的張力の作用を有利に補償する。

測定される圧力は、上記の第１の媒体によってメンブレン２１０に伝達され、この際これより生じるメンブレン２１０の変型が、圧電抵抗として実装されて埋め込まれた抵抗パターン１３によって取得される。この結果生じる電気的信号は、高濃度ドーピングされた導電部１４，アルミニウムコンタクトパッド１０，上記のエラストマー体に堆積されたメタライジング部９１，上記の第１のはんだ接続部４１，および外部コンタクト１２への貫通接続部１１を介して伝送される。この抵抗パターン１３および導電部１４は、圧力測定のための圧電抵抗性測定ブリッジを形成する。さらに、この測定ブリッジをさらなる機能層によって形成することが可能である。

上記の第１の小室５１には、パリレンからなる保護層が少なくとも部分的に設けられている。この保護層のコーティングによって、多くの媒体に対する高い耐腐食性が保証される。たとえばこれによって湿性および腐食性の媒体を用いることができる。

さらにこの微小機械測定素子１は、シリコンから成るキャップ７を備え、このキャップは上記の担体３に直接接続されている。代替として、このキャップはプラスチック材料またはセラミック材料から成っていてよい。さらにこの微小機械測定素子１は、キャップ７無しに実装することも可能である。

図２は、もう１つの実施形態例による微小機械測定素子の断面を示す。

図１に示す実施形態例と異なり、このキャップ７および基板２２は、上記のメンブレン２１０の下面２１１に向いた面にそれぞれ開口部を備える。これらのキャップ７および基板２２の開口部を介して、このメンブレン２１０の下面２１１に第２の媒体を導入することができる。このようにして図２に示す微小機械測定素子１は、前面および背面を備え、これにより相対圧センサまたは差圧センサとして利用することができる。相対圧が周囲圧に対応する場合は、このキャップ７は無くともよい。

図３には、もう１つの実施形態例による微小機械測定素子１の断面が示されている。この微小機械測定素子１は、一方の面である、前面側に媒体導入部を有する相対圧センサまたは差圧センサとして実装されている。

図１に示す実施形態例と異なり、担体３は、第２の媒体の導入部として機能する第２の開口部６２を備える。この第２の開口部６２は、この担体３および検知素子２１の開裂部を通って延伸する。この第２の開口部はレーザードリル加工，ＤＲＩＥエッチングまたはＫＯＨエッチングを用いて形成することができる。これにより検知素子２１および基板２２は、第２の小室５２を形成し、第２の媒体は、この第２の開口部６２を介してメンブレン２１０の下面２１１に到達することができる。このようにして図３に示す実施形態例においては、第１の媒体がメンブレン２１０の上面２１２に導入され、これに対しチップ面への基準圧が第２の媒体を用いてこのメンブレン２１０の下面２１１に導かれる。

図４には、図１〜３に示す実施形態例による微小機械測定素子１の製造方法が概略的に示されている。したがって、微小機械測定素子の特徴に関する以下の記述は、単に例として図１〜３に記載された参照番号の要素に基づくものである。

第１の方法ステップ１０１においては、検知素子２１が準備される。この検知素子は、たとえば基板２２上に取り付けられてよい。第２の方法ステップ１０２においては、少なくとも１つの開口部６１および少なくとも１つの貫通接続部１１を備える担体３が準備される。第３の方法ステップ１０２においては、この検知素子２１が、はんだ接続部４１，４２を用いて担体３に接続される。ここでこの検知素子２１の担体３との接続は、単一のプロセスステップで実現され、このプロセスステップでは、検知素子２１の電気的接続部およびこの検知素子２１への媒体導入部が実現される。以上により前面側の電気的接続部および流体的接続部が１つの同時のプロセスステップで行われるので有利である。 本発明は、これらの実施形態例を参照した記載によって、これらに限定されず、あらゆる新たな特徴およびこれらの特徴のあらゆる組み合わせを包含するものである。とりわけこれは特許請求の範囲の特徴のあらゆる組み合わせを包含する。この特徴またはこれらの特徴の組み合わせが特許請求の範囲に顕わに記載されていなくとも、これを包含するものである。

１ ： 測定素子
２１ ： 検知素子
２１０ ： メンブレン
２１１ ： メンブレンの下面
２１２ ： メンブレンの上面
２２ ： 基板
３ ： 担体
４１ ： 第１のはんだ接続部
４２ ： 第２のはんだ接続部
５１ ： 第１の小室
５２ ： 第２の小室
６１ ： 第１の開口部
６２ ： 第２の開口部
7 ： キャップ
８ ： エラストマ体
９１，９２ ： メタライジング部
１０ ： コンタクトパッド
１１ ： 貫通接続部
１２ ： 外部コンタクト
１３ ： 抵抗パターン
１４ ： 導電部
１０１，１０２，１０３ ： 方法ステップ

Claims (15)

1. 検知素子（２１）と担体（３）とを備えた微小機械測定素子（１）であって、
   前記検知素子（２１）は、少なくとも１つの第１のはんだ接続部（４１）と少なくとも１つの第２のはんだ接続部（４２）とを用いて上記の担体（３）と接続されており、
   前記検知素子（２１）は、前記第１のはんだ接続部（４１）を介して電気的に接続されており、
   前記検知素子（２１）、前記担体（３）、および前記第２のはんだ接続部（４２）は、第１の小室（５１）を形成し、前記第１の小室（５１）は、第１の開口部（６１）を備える、
   ことを特徴とする微小機械測定素子。
2. 前記検知素子（２１）は下面（２１１）と上面（２１２）とを有するメンブレン（２１０）を備え、
   前記メンブレン（２１０）の上面（２１２）は、前記第１の開口部（６１）によって第１の媒体が到達可能となっている、
   ことを特徴とする、請求項１に記載の微小機械測定素子。
3. 前記第１の開口部（６１）は、前記担体（３）に形成されることを特徴とする、請求項１または２に記載の微小機械測定素子。
4. 前記第２のはんだ接続部（４２）は、環状に形成されることを特徴とする、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の微小機械測定素子。
5. 前記検知素子（２１）と前記第１および第２のはんだ接続部（４１，４２）との間には、それぞれエラストマ体（８）が配設されていることを特徴とする、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の微小機械測定素子。
6. 前記エラストマ体（８）と前記第１のはんだ接続部（４１）との間に、蛇行形状または螺旋形状に形成されたメタライジング部（９１）が配設されていることを特徴とする、請求項５に記載の微小機械測定素子。
7. 前記第１の小室（５１）は、少なくとも部分的に保護層が設けられていることを特徴とする、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の微小機械測定素子。
8. 前記保護層は、パリレンから成ることを特徴とする、請求項７に記載の微小機械測定素子。
9. 前記検知素子（２１）は、前記担体（３）に向いていない面が直接基板（２２）と接続されており、
   第２の小室（５２）が、少なくとも部分的に前記検知素子（２１）および前記基板（２２）によって形成されており、
   前記第２の小室（５２）は、前記担体（３）および前記検知素子（２１）を貫通して延在する第２の開口部（６２）を備える、
   ことを特徴とする、請求項１乃至８のいずれか１項に記載の微小機械測定素子。
10. 前記メンブレン（２１０）の下面（２１２）は、前記第２の開口部（６１）によって第２の媒体が到達可能となっている、ことを特徴とする、請求項９に記載の微小機械測定素子。
11. 前記微小機械測定素子（１）は、圧力センサとして実装されていることを特徴とする、請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の微小機械測定素子。
12. 前記微小機械測定素子（１）は、ガスセンサとして実装されていることを特徴とする、請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の微小機械測定素子。
13. 前記微小機械測定素子（１）は、加速度センサとして実装されていることを特徴とする、請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の微小機械測定素子。
14. 微小機械測定素子（１）の製造方法であって、
    検知素子（２１）を準備するステップと、
    媒体を導入するための少なくとも１つの第１の開口部（６１）と、少なくとも前記検知素子（２１）の電気的接続部のための貫通接続部とを備える、担体（３）を準備するステップと、
    前記検知素子（２１）を前記担体（３）と接続するステップであって、前記検知素子（２１）の前記担体（３）との接続によって、前記検知素子（２１）の前記電気的接続部および前記検知素子（２１）への媒体導入部が１つのプロセスステップで生成されるステップと、
    を備えることを特徴とする方法。
15. 前記検知素子（２１）の前記担体（３）との接続は、フリップチップはんだ接続によって行われる、ことを特徴とする請求項１２に記載の方法。

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