JP2017009401A - 樹脂封止型センサ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】内部に中空部を有するセンサ素子を樹脂封止してパッケージングしたセンサ装置において、樹脂モールド圧力によって中空部を構成するセンサ素子基板が変形して損傷が発生し、センサ素子の信頼性が損なわれることを防止する。【解決手段】少なくとも２枚の基板からなる積層体と、基板を貫通するように形成された電極と、基板積層体の内部に封止された中空部１１が存在するセンサ素子１を、センサ素子からの信号を処理するとともにセンサ装置外部との信号入出力を制御する回路基板とともに樹脂封止してパッケージを形成したセンサ装置１０において、センサ素子１を構成する一方の基板主面を厚くして樹脂９と接触させ、基板厚の薄い他方の基板主面は、中空部１１の投影面を覆う回路基板２に対向させて接続する。【選択図】図１

Description

本発明は、内部に中空部が気密封止されたセンサ素子を樹脂封止してパッケージを形成した樹脂封止型センサ装置に関するものである。

近年、自動車や携帯電話、デジタルカメラなどの安定動作、信頼性向上のため種々の物理量を検出するセンサ装置が開発されている。自動車においては、特に加速度センサや角速度センサが、横滑り防止や乗員の安全性を向上するための機器（例えばエアバック）制御用として適用が拡大している。また、センサ装置の自動車への適用では、センサ出力を用いて制御する機器の電子制御ユニット筐体などの限られたスペースに搭載可能とするため、センサ装置自体を小型化することが不可欠となっている。

センサ装置に搭載される加速度センサや角速度センサでは、小型化や多機能化・複合化、および量産性向上などを目的に、シリコン（Si）の微細加工技術（エッチングなど）を用いた検出手段の適用が主流となってきている。例えば、微細加工技術によってシリコンの微細なくし歯状構造体を形成し、このくし歯状構造体の微小変位を、電気信号に変換することで加速度や角速度などの物理量を検出している。くし歯状構造体は、少なくとも２枚のセンサ素子用基板（シリコンあるいはガラス材）から成る積層体内部の中空部に設けられており、この中空部は基板によって気密封止されている。

内部に中空部が存在するセンサ素子のパッケージングでは、生産性が高く、製造コスト低減に適した樹脂封止によるパッケージ形成法が用いられている。例えば、特許文献１には、中空部を有するセンサ素子を樹脂で封止してパッケージングした例が記載されている。樹脂封止には、一度の樹脂封止で多数のパッケージを短時間で形成可能なトランスファーモールドが用いられる場合がある。トランスファーモールドによって樹脂封止したパッケージを形成する例が、特許文献２に記載されている。

特開２０１０−６７８５３号公報 特開２００８−９１８４５号公報

トランスファーモールドで樹脂封止してパッケージングする場合、センサ素子を高温（１８０℃程度）に保持したモールド金型内に載置した後に樹脂を高圧で金型内に充填、硬化させてパッケージを形成する。樹脂モールド時はセンサ素子にも高い圧力が印加される。特許文献１に記載された内部に中空部を有するセンサ素子では、中空部が構成されている部分のセンサ素子基板は、中空部以外の基板周辺部より薄くなっている。トランスファーモールドによる圧力が印加されると中空部が形成されているセンサ素子基板が変形し、中空部の外周端に高い応力が発生することによって、センサ素子基板が破損する場合がある。

特許文献１に記載の例では、中空部が形成されたセンサ素子基板の一方には半導体素子とリードフレームの保持部材が接着されているので、これらの接着部は剛性が高くなっている。しかし、半導体素子とリードフレームの保持部材サイズはいずれも中空部外周サイズより小さくなっている。高い圧力が印加された場合、半導体素子とリードフレームの保持部材は、センサ素子基板と一体となって厚さ方向に容易に変形するようになる。したがって、半導体素子と接着しているセンサ素子基板側であっても基板の損傷が発生する場合がある。

センサ素子基板の変形は、センサ素子を封止する樹脂の温度変化による膨張収縮によっても発生する。センサ素子を構成する部材（シリコンやガラスなど）と封止樹脂の線膨張係数差に加え、パッケージ内での封止樹脂厚さの違いがあることによってセンサ素子が変形し、特に中空部形成部分のセンサ素子基板に高い曲げ応力が発生することで、センサ素子基板が損傷する場合もある。

センサ素子基板の中空部端部に損傷が発生すると、中空部の気密封止が保てなくなり、あるいは中空部内部のくし歯状構造体をも損傷させることになり、センサ素子の機能や信頼性が低下する場合がある。

本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、加速度や角速度などの物理量を検出するセンサ素子内部の中空部分において、センサ素子を構成する基板の変形を抑制して損傷発生を防止し、併せてパッケージの小型化を達成した高信頼性の樹脂封止型センサ装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明では以下に示す構成を採用する。

少なくとも２枚の基板からなる積層体と、基板を貫通するように形成された電極と、基板積層体の内部に気密封止された中空部が存在するセンサ素子を、センサ素子からの信号を処理するとともにセンサ装置外部との信号入出力を制御する回路基板とともに樹脂封止してパッケージを形成した樹脂封止型センサ装置において、センサ素子を構成する一方のセンサ素子基板主面は樹脂と接触し、他方のセンサ素子基板は回路基板と対向するように配置し、回路基板に接続する。樹脂と接触する側の中空部形成領域におけるセンサ素子基板厚は、回路基板に対向するセンサ素子基板より厚くなっており、回路基板はセンサ素子内部に存在する中空部の投影面を覆うようにセンサ素子と接続されている。

上記構成を用いることによって、樹脂と接触する側の中空部形成部に対応したセンサ素子基板に樹脂封止時の高い圧力が印加された場合に発生する応力を低減できるとともに、樹脂の膨張収縮に起因したセンサ素子変形で生じる応力も低減することが可能となる。回路基板に対向している側のセンサ素子基板も中空部外周サイズよりも大きな回路基板で覆われていることから、中空部に対応したセンサ素子基板部が局所的に変形することがなくなるため、中空部外周端のセンサ素子基板に高い応力が発生することを抑制することが可能となる。

センサ素子には、中空部内部に設けられた微細加工技術による検出部で得られた信号をセンサ素子外部に出力するため、センサ素子基板に基板を貫通する電極を形成している。本発明では、センサ素子基板を貫通する電極を、回路基板と対向するように配置された基板に設けている。回路基板に対向する側のセンサ素子基板は、回路基板に接続（あるいは接着）されることで樹脂封止圧力や樹脂の膨張収縮によりセンサ素子基板に発生する応力が緩和されるため、センサ素子基板を薄くすることが可能となる。これによって基板を貫通する電極の幅（あるいは直径）を縮小することができるようになり、センサ素子の平面方向サイズの拡大を抑制することができる。これによって、センサ装置の小型化を図ることが可能となる。なお、センサ素子基板に設ける基板を貫通する電極数が少ない場合や、パッケージサイズに対してセンサ素子の平面方向サイズに余裕がある場合などは、樹脂に接する側のセンサ素子基板に貫通する電極を形成しても差し支えはない。

回路基板側のセンサ素子基板に貫通する電極を形成する場合、センサ素子表面に露出した電極を、回路基板を構成する半導体基板の電極と電気的に接続する必要がある。本発明では、上下両主面にセンサ素子側電極および半導体基板側電極と接続される電極と、電気的導通に必要な配線が形成された中継回路基板を半導体基板とセンサ素子との間に設ける。これによって、センサ素子と半導体基板間の電気的接続を行うとともに、センサ装置外部との電気的接続部も行うことが可能となる。

また本発明では、少なくとも２枚の基板からなる積層体と、基板を貫通するように形成された電極と、基板積層体の内部に気密封止された中空部が存在する複数のセンサ素子を、回路基板とともに樹脂封止してパッケージを形成したセンサ装置においても、同様に中空部端のセンサ素子基板に高い応力が発生することを抑制することができる。複数のセンサ素子では、それぞれのセンサ素子を構成する一方のセンサ素子基板主面は樹脂と接触し、他方のセンサ素子基板は回路基板と対向するように配置されて回路基板に接続している。樹脂と接触する側のセンサ素子基板は回路基板に対向するセンサ素子基板より厚くなっているとともに、各センサ素子の内部に存在する中空部の投影面は回路基板で覆われている。このような構成によって、センサ素子基板の樹脂接触側および回路基板対向側の両基板に高い応力が発生することを抑制している。

本実施例によれば、所定の物理量を測定する検出部が設置された中空部を内部に持つセンサ素子を構成する基板の過大な変形を抑制して応力を低減し、センサ素子の損傷を防止するとともに、小型化に対応した高信頼性の樹脂封止型センサ装置を提供することができる。

本発明による樹脂封止型センサ装置の第１の実施形態を示す断面図である。 図１に示した樹脂封止型センサ装置の部分断面図である。 図1、図2に示した樹脂封止型センサ装置の他の様態を示す部分断面図である。 図1、図2に示した樹脂封止型センサ装置のさらに他の様態を示す断面図である。

実施例を用いて本発明の実施形態を説明する。

以下、実施例1における樹脂封止型センサ装置を、図を用いて説明する。

図1は、本発明による樹脂封止型センサ装置の断面図、図２センサ素子と回路基板の部分断面図である。

図1、図２に示すように、本発明による樹脂封止型センサ装置１０は、チップパッド５上に、半導体基板３と中継基板４とから成る回路基板２、およびセンサ素子1が順に積層配置されている。センサ素子１、回路基板２およびチップパッド５は樹脂９で覆われており、インナーリード６、アウターリード７とともにパッケージ１００を形成している。

センサ素子１は、突起状電極２７を介したフリップチップ接続により中継基板４と電気的に接続されており、突起状電極２７の周囲はアンダーフィル樹脂とも呼ばれる充填樹脂２８によって覆われている。半導体基板３と中継基板４も図示しない配線や電極を介して電気的に接続されており、中継基板４を介在してセンサ素子１と半導体基板３は電気的接続が成されている。中継基板４とインナーリード６間はワイヤ８によって電気的に接続されており、インナーリード６と一体形成されたアウターリード７はパッケージ１００から突出して、樹脂封止型センサ装置１０外部の機器と接続される。

センサ素子１は、キャップ基板表面１４ａが中継基板４に対向して配置されており、突起状電極２７で電気的に接続されるとともに充填樹脂２８によって中継基板４に固定されている。回路基板２を構成する中継基板４は、半導体基板３の表面３ａ上に配置されており、半導体基板３と一体に形成されるか、もしくは別に製作された基板が電気的かつ機械的に接続される。半導体基板３はチップパッド５上に図示していない接合材を介して固定されている。

センサ素子１の構成および回路基板２との接続状態などを、図２を用いて詳細に説明する。

センサ素子１は、ベース基板１２、検出基板１３、およびキャップ基板１４が順に接合された積層構造となっており、センサ素子内部には中空部１１が形成されている。中空部１１には、検出基板１３と一体に形成されたセンサ検出部１９が設けられており、例えば加速度や角速度などを検出し、対応した検出信号を出力する。検出信号は、キャップ基板に形成されたパターン配線２０、貫通電極２１などを経由してキャップ基板表面１４ａの表面電極２３まで達し、中継基板４の表面電極２６と突起状電極２７によって電気的に接続される。表面電極２３が設けられているキャップ基板表面１４ａは、絶縁性の保護膜２２で覆われており、表面電極２３は保護膜２２から露出している。中継基板４の表面電極２６と中継基板４のボンディング電極２９は、図示されていない配線で接続されており、ボンディング電極２９にワイヤ８が接続される。

中空部１１が形成されている部位におけるベース基板１２の基板厚１５(tb)は、同じ中空部１１におけるキャップ基板１４の基板厚１６(tc)より厚くなっている（tb＞tc）。本発明では、図１に示すように中空部１１の基板厚が厚いベース基板表面１２ａが封止樹脂９と接しており、基板厚が薄いキャップ基板表面１４ａは半導体基板３と対向するように配置されている。

センサ素子１内部の中空部１１の幅１７(wc)は、半導体基板３の幅１８(ws)より小さく形成されており、中空部１１の投影面はすべて半導体基板３に覆われている。

本発明の樹脂封止型センサ装置１０では、センサ素子１の中空部１１を形成しているセンサ素子基板１２、１４のうち、基板厚の厚いベース基板１２の表面１２ａを封止樹脂９と接する側に配置している。このような配置によって、パッケージ１００を形成する際の樹脂モールド圧力が直接作用する側により厚いセンサ素子基板（本実施例ではベース基板１２）を設けることができ、モールド圧力による中空部１１部分の基板変形を抑制することができる。これによって中空部１１端部に発生するセンサ素子基板の応力低減が可能となり、センサ素子基板の損傷を防止することが可能となる。また、基板厚の薄いキャップ基板１４の表面１４ａは、中空部１１の投影面含め半導体基板３で覆われている。半導体基板３の樹脂接触面側３ｂから樹脂モールド圧力が作用しても、圧力は十分な剛性を有する半導体基板３が負担するため、中空部１１部分のキャップ基板１２が変形し、高い応力が発生することを抑制することが可能である。

センサ素子１を封止樹脂９で封止してパッケージ１００を形成した樹脂封止型センサ装置では、高温（１８０℃前後）で樹脂封止した後に冷却されると、封止樹脂の硬化収縮、およびセンサ素子１や半導体基板３と封止樹脂９との線膨張係数差によってパッケージ１００が変形する場合がある。パッケージ１００の変形はセンサ素子１にも作用し、ベース基板１２やキャップ基板１４の中空部１１端部に応力を発生させる要因となる。本発明のセンサ装置１０では、封止樹脂９に接するベース基板１２の中空部１１部分を厚くして剛性を高くしているので、パッケージ１００の変形起因で発生する応力も低減できる効果が得られる。中空部１１部分の基板が薄いキャップ基板１４側は半導体基板３と接続することで剛性を確保しているので、ベース基板１２側と同様の応力低減効果を得ることができる。

図３は、図１、図２に示した本発明による樹脂封止型センサ装置１０の第一実施形態の他の様態を示すセンサ素子と回路基板の部分断面図である。

センサ素子１および回路基板２などの主な構成は図１に示した実施例と同じであるが、異なる点は、センサ素子１内部に二つの中空部１１ａ、１１ｂを設けたことである。ベース基板１２およびキャップ基板１４それぞれに支持部材３２を形成し、検出基板１３を支持することで中空部を分割し、中空部１１ａ、１１ｂを形成する。このような構成であっても、中空部１１ａ、１１ｂ領域におけるベース基板厚１５（tb）は、キャップ基板厚１６(tc)よりも厚くなっている。中空部１１ａ、１１ｂの幅１７ａ、１７ｂも半導体基板３の幅１８(ws)より短くなっており、中空部１１ａ、１１ｂの投影面は半導体基板３で覆われるようになっている。図３のような構成によって、中空部１１ａ、１１ｂの平面方向サイズ（例えば１７ａ、１７ｂ）を小さくすることができるので、中空部におけるセンサ素子１の剛性をより高くすることができ、発生する応力をより低減することが可能となる。

図１に示した本発明の第１実施形態では、半導体基板３上に設けた中継基板４にセンサ素子１を接続し、中継基板４の外周部に設けたボンディング電極２９とインナーリード６をワイヤ８で接続している。このような構成をとることによって、中継基板４の外周部とインナーリード６の間隔を狭くすることができ、ワイヤ８を短くすることができる。ワイヤ８が短くなると、樹脂封止時に流動する樹脂によってワイヤ８が変形することを抑制することができ、ワイヤ８同士の接触、あるいはワイヤがセンサ素子１などに接触することで生じる短絡発生を防止することが可能となる。

本発明では、センサ素子1や半導体基板３、チップパッド５をパッケージ１００の厚さ方向に積層配置しているので、パッケージサイズが横方向に拡大するのを防止することができ、パッケージ１００の小型化も図ることができる。

また、センサ素子１のベース基板表面１２ａにワイヤ８を接続するボンディング電極を設けていないので、ベース基板表面１２ａとパッケージ１００表面間の樹脂９の厚さを必要最小限にすることができ、パッケージ１００の薄型化にも対応することができる。

図２などに示したキャップ基板１４に設けられた貫通電極２１では、エッチング法によって形成した貫通孔の内部に導電材（Au(金)、Ａｇ(銀)、Ｃｕ(銅)、Ａｌ(アルミ)など）を充填あるいは付着させている。エッチングによる貫通孔形成では、貫通孔長が長く（深く）なるほど貫通孔径も増加する。近接する貫通電極２１同士の絶縁性も保つ必要があるため、貫通電極２１が長いセンサ素子１は、横方向のサイズが拡大する傾向になる。本発明の図１に示した実施の形態では、樹脂モールド圧力による基板変形も十分考慮した上で、基板厚の薄いキャップ基板１４側に貫通電極２１を設けているので、貫通電極２１の横方向サイズ（例えば孔径）が拡大することがない。これによってセンサ素子１の横方向サイズ拡大を抑制でき、センサ素子１の小型化およびパッケージ１００の小型化を実現することが可能となる。

図４は、図１に示した本発明による樹脂封止型センサ装置１０の第一実施形態のさらに他の様態を示す断面図である。

センサ装置１０の主な構成は図１に示した実施例と同じであるが、異なる点は、２つのセンサ素子１ａ、１ｂをパッケージ１００に実装したことである。センサ素子１の構成も図２に示した実施例と同じである。上記したように、本発明によるセンサ素子１の構成では、貫通電極２１を基板厚の薄いキャップ基板１４側に設けているので、センサ素子１の横方向サイズを縮小することが可能である。センサ素子１サイズを小さくできることから、検出する物理量が異なる２つのセンサ素子１ａ、１ｂ（加速度検出用センサ素子、角速度検出用センサ素子など）を半導体基板３の面内に並列配置し、センサ装置１０の複合化を図ることができる。図４の実施形態においても、センサ素子１ａ、１ｂ内部の中空部１１ｃ、１１ｄの幅１７ｃ、１７ｄは、半導体基板３の幅１８（ws）より十分短くなっており、中空部１１ｃ、１１ｄの投影面は半導体基板３で覆われている。また、中空部１１ｃ、１１ｄ領域におけるベース基板厚１５ｃ、１５ｄは、キャップ基板厚１６ｃ、１６ｄよりも厚くなっている。したがって、樹脂モールド圧力が作用してもセンサ素子１１ｃ、１１ｄのベース基板１２およびキャップ基板１４に高い応力が発生することがなく、センサ素子基板の損傷を抑制した複合化対応の樹脂封止型センサ装置を得ることができる。

センサ素子1は、シリコン（Si）を微細加工して形成したくし歯状のセンサ検出部１９を有する検出基板１３の上下を、シリコンやガラスなどからなるベース基板１２、キャップ基板１４で積層封止して形成される。センサ検出部１９の形成位置に対応したベース基板１２とキャップ基板１４にはそれぞれ凹部が設けられており、積層した際に中空部１１が形成される。回路基板２は半導体基板３と中継基板４で構成されている。半導体基板３は、シリコン基板上に半導体プロセス加工技術で所定の回路や電極が形成されている。この半導体基板３はセンサ素子1の検出動作を制御するとともに、センサ検出信号のパッケージ内外部の入出力制御などを行う。中継基板４は、例えば、セラミック基板や、ポリイミド樹脂基板、あるいはガラスエポキシ基板（例えばFR4やFR5）から成り、表面もしくは内部に所定の導体パターンや電極が形成される。あるいは、半導体基板３を形成する場合と同じプロセスを用いて、半導体基板３の表面に配線や電極および絶縁層を形成しても良い。

チップパッド５やインナーリード６、アウターリード７は、それらが連結したリードフレームの状態でパッケージ組立てを行い、モールド樹脂９によるパッケージング後にリードフレームから切断される。リードフレームは、銅合金（Cu）や鉄ニッケル合金（Fe-42Ni）などの金属材料で構成される。アウターリード７は、リード先端を外部の実装基板などに接続できるように、所定の形状に成型されている。ワイヤ８には、例えば直径25μmのAu（金）細線を使用する。モールド樹脂９にはシリカ粒子を充填した熱硬化性エポキシ樹脂を用いる。

センサ素子１の表面電極２３と中継基板４の表面電極２６間を電気的に接続する突起状電極２７は、金(Ａｕ)や銅(Cu)などのスタッドバンプで形成し、はんだや導電性接着剤を用いて接合する。突起状電極２７の周囲を覆う充填樹脂には熱硬化性のエポキシ樹脂などを用いる。

１・・・センサ素子、２・・・回路基板、３・・・半導体基板、４・・・中継基板、５・・・チップパッド、６・・・インナーリード、７・・・アウターリード、８・・・ワイヤ、９・・・封止樹脂、１０・・・センサ装置、１１・・・中空部、１２・・・ベース基板、１３・・・検出基板、１４・・・キャップ基板、２１・・・貫通電極、１００・・・パッケージ、

Claims (4)

1. 第一の基板と、前記第一の基板を貫通するように形成された電極と、前記第一の基板厚よりも厚い第二の基板と、気密封止された中空部と、を有する積層体であるセンサ素子と、
   前記センサ素子からの信号を処理するとともに外部との信号入出力を制御する回路基板と、を有し、
   前記センサ素子と前記回路基板とをともに樹脂で封止してパッケージを形成した樹脂封止型センサ装置において、
   前記センサ素子は、前記第二の基板の主面は樹脂と接触し、前記第一の基板の主面は回路基板と対向するように配置されており、
   前記回路基板を積層方向から投影した際の投影面が、前記中空部を積層方向から投影した際の投影面を覆っていることを特徴とする樹脂封止型センサ装置。
2. 前記第二の基板の前記中空部を形成する領域の厚さを、前記第一の基板の前記中空部を形成する領域の厚さより厚くしたことを特徴とする請求項１に記載の樹脂封止型センサ装置。
3. 前記回路基板は、半導体基板と、前記センサ素子と半導体基板間の電気的接続を行う中継回路基板とから構成されることを特徴とする請求項１又は２に記載の樹脂封止型センサ装置。
4. 第三の基板と、前記第三の基板を貫通するように形成された電極と、前記第三の基板厚よりも厚い第四の基板と、気密封止された中空部と、を有する積層体である第二のセンサ素子をさらに有し、
   前記第二のセンサ素子は、前記第四の基板の主面は樹脂と接触し、前記第三の基板の主面は回路基板と対向するように配置されており、
   前記回路基板を積層方向から投影した際の投影面が、前記第二のセンサ素子の中空部を積層方向から統制した際の投影面も覆っていることを特徴とする請求項1に記載の樹脂封止型センサ装置。

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