JP3955067B2 - 圧力検出装置用パッケージおよび圧力検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、圧力を検出するための圧力検出装置に使用される圧力検出装置用パッケージに関するものである。

従来、圧力を検出するための圧力検出装置として静電容量型の圧力検出装置が知られている。この静電容量型の圧力検出装置は、例えば図４に断面図で示すように、セラミックス材料や樹脂材料から成る配線基板21上に、静電容量型の感圧素子22と、パッケージ28に収容された演算用の半導体素子29とを備えている。感圧素子22は、例えばセラミックス材料等の電気絶縁材料から成り、上面中央部に静電容量形成用の一方の電極23が被着された凹部を有する絶縁基体24と、この絶縁基体24の上面に絶縁基体24との間に密閉空間を形成するようにして可撓な状態で接合され、下面に静電容量形成用の他方の電極25が被着された絶縁板26と、各静電容量形成用の電極23・25をそれぞれ外部に電気的に接続するための外部リード端子27とから構成されており、外部の圧力に応じて絶縁板26が撓むことにより各静電容量形成用の電極23・25間に形成される静電容量が変化する。そして、この静電容量の変化を演算用の半導体素子29により演算処理することにより外部の圧力を検出することができる。

しかしながら、この従来の圧力検出装置によると、感圧素子22と半導体素子29とを配線基板21上に個別に実装していることから、圧力検出装置が大型化してしまうとともに圧力検出用の電極23・25と半導体素子29との間の配線が長いものとなり、この長い配線間に不要な静電容量が形成されるため感度が低いという問題点を有していた。

本発明はかかる従来の問題点に鑑み案出されたものであり、その目的は、小型でかつ感度の高い圧力検出装置を提供することにある。

本発明は、第二電極が、枠状の接合用メタライズ層の全周にわたって、ダイアフラムと接合用メタライズ層との間に設けられているものである。

本発明は、一方の面に半導体素子が搭載されるとともに、他方の面に第一電極を有する絶縁基体と、前記第一電極に密閉空間を介して対向する第二電極を有し、前記絶縁基体の前記他方の面に取着されたダイアフラムと、前記第一電極および前記第二電極を前記半導体素子に電気的に接続する複数の配線導体とを備え、前記密閉空間が前記絶縁基体もしくは前記ダイアフラムのいずれか一方に設けられた凹部によって形成されており、該凹部の外方で前記ダイアフラムと前記絶縁基体とが接合されることにより前記ダイアフラムが前記絶縁基体に取着されていることにより、半導体素子が収容される容器と感圧素子とが一体となり、圧力検出装置の小型化を図ることができる。

次に、本発明を添付の図面を基に詳細に説明する。図１は、本発明の圧力検出装置用パッケージの実施の形態の一例を示す断面図であり、図中、１は絶縁基体、２は絶縁板、３は半導体素子である。

絶縁基体１は、酸化アルミニウム質焼結体や窒化アルミニウム質焼結体・ムライト質焼結体・炭化珪素質焼結体・窒化珪素質焼結体・ガラス−セラミックス等の電気絶縁材料から成る積層体であり、例えば酸化アルミニウム質焼結体から成る場合であれば、酸化アルミニウム・酸化珪素・酸化マグネシウム・酸化カルシウム等のセラミック原料粉末に適当な有機バインダ・溶剤・可塑剤・分散剤を添加混合して泥漿状となすとともにこれを従来周知のドクタブレード法を採用してシート状に成形することにより複数枚のセラミックグリーンシートを得、しかる後、これらのセラミックグリーンシートに適当な打ち抜き加工・積層加工・切断加工を施すことにより絶縁基体１用の生セラミック成形体を得るとともにこの生セラミック成形体を約1600℃の温度で焼成することにより製作される。

絶縁基体１は、その下面中央部に半導体素子３を収容するための凹部１ａが形成されており、これにより半導体素子３を収容する容器として機能する。そして、この凹部１ａの底面中央部が半導体素子３が搭載される搭載部１ｂとなっており、この搭載部１ｂに半導体素子３を搭載するとともに凹部１ａ内に例えばエポキシ樹脂等の樹脂製封止材４を充填することにより半導体素子３が封止される。なお、この例では半導体素子３は樹脂製封止材４を凹部１ａ内に充填することにより封止されるが、半導体素子３は絶縁基体１の下面に金属やセラミックスから成る蓋体を凹部１ａを塞ぐように接合させることにより封止されてもよい。

また、搭載部１ｂには半導体素子３の各電極と接続される複数のメタライズ配線導体５が導出しており、このメタライズ配線導体５と半導体素子３の各電極を半田バンプ６等の導電性材料から成る導電性接合部材を介して接合することにより半導体素子３の各電極と各メタライズ配線導体５とが電気的に接続されるとともに半導体素子３が搭載部１ｂに固定される。なお、この例では、半導体素子３の電極とメタライズ配線導体５とは半田バンプ６を介して接続されるが、半導体素子３の電極とメタライズ配線導体５とはボンディングワイヤ等の他の種類の電気的接続手段により接続されてもよい。

メタライズ配線導体５は、半導体素子３の各電極を外部電気回路および後述する第一電極７・第二電極９に電気的に接続するための導電路として機能し、その一部は絶縁基体１の外周下面に導出し、別の一部は第一電極７・第二電極９に電気的に接続されている。そして、半導体素子３の各電極をこれらのメタライズ配線導体５に導電性接合材６を介して電気的に接続するとともに半導体素子３を樹脂製封止材４で封止した後、メタライズ配線導体５の絶縁基体１外周下面に導出した部位を外部電気回路基板の配線導体に半田等の導電性接合材を介して接合することにより、内部に収容する半導体素子３が外部電気回路に電気的に接続されることとなる。

このようなメタライズ配線導体５は、タングステンやモリブデン・銅・銀等の金属粉末メタライズから成り、タングステン等の金属粉末に適当な有機バインダ・溶剤・可塑剤・分散剤等を添加混合して得たメタライズペーストを従来周知のスクリーン印刷法を採用して絶縁基体１用のセラミックグリーンシートに所定のパターンに印刷塗布し、これを絶縁基体１用の生セラミック成形体とともに焼成することによって絶縁基体１の内部および表面に所定のパターンに形成される。なお、メタライズ配線導体５の露出表面には、メタライズ配線導体５が酸化腐食するのを防止するとともにメタライズ配線導体５と半田等の導電性接合材との接合を良好なものとするために、通常であれば、厚みが１〜10μｍ程度のニッケルめっき層と厚みが0.1〜３μｍ程度の金めっき層とが順次被着されている。

また、絶縁基体１の上面外周部には高さが0.01〜５ｍｍ程度の枠状の突起部１ｃが設けられており、それにより上面中央部に底面が略平坦な凹部１ｄが形成されている。この凹部１ｄは、後述するように、絶縁板２との間に密閉空間を形成するためのものであり、この凹部１ｄの底面には静電容量形成用の第一電極７が被着されている。

この第一電極７は、後述する第二電極９とともに感圧素子用の静電容量を形成するためのものであり、例えば略円形のパターンに形成されている。そして、この第一電極７にはメタライズ配線導体５の一つ５ａが接続されており、それによりこのメタライズ配線導体５ａに半導体素子３の電極を半田バンプ６等の導電性接合材を介して接続すると半導体素子３の電極と第一電極７とが電気的に接続されるようになっている。

このような第一電極７は、タングステンやモリブデン・銅・銀等の金属粉末メタライズから成り、タングステン等の金属粉末に適当な有機バインダ・溶剤・可塑剤・分散剤を添加混合して得たメタライズペーストを従来周知のスクリーン印刷法を採用して絶縁基体１用のセラミックグリーンシートに印刷塗布し、これを絶縁基体１用の生セラミック成形体とともに焼成することによって絶縁基体１の凹部１ｄ底面に所定のパターンに形成される。なお、第一電極７の露出表面には、第一電極７が酸化腐食するのを防止するために、通常であれば、厚みが１〜10μｍ程度のニッケルめっき層が被着されている。

また、絶縁基体１の突起部１ｃの上面にはその全周にわたり枠状の接合用メタライズ層８が被着されており、この接合用メタライズ層８には、下面に第二電極９を有する絶縁板２がこの第二電極９と接合用メタライズ層８とを銀−銅ろう材等の導電性接合材を介して接合することにより取着されている。

この接合用メタライズ層８にはメタライズ配線導体５の一つ５ｂが接続されており、それによりこのメタライズ配線導体５ｂに半導体素子３の電極を半田バンプ６等の導電性接合材を介して電気的に接続すると接合用メタライズ層８に接続された第二電極９と半導体素子３の電極とが電気的に接続されるようになっている。

接合用メタライズ層８は、タングステンやモリブデン・銅・銀等の金属粉末メタライズから成り、タングステン等の金属粉末に適当な有機バインダ・溶剤・可塑剤・分散剤を添加混合して得たメタライズペーストを従来周知のスクリーン印刷法を採用して絶縁基体１用のセラミックグリーンシートに印刷塗布し、これを絶縁基体１用の生セラミック成形体とともに焼成することによって絶縁基体１の突起部１ｃ上面に枠状の所定のパターンに形成される。なお、接合用メタライズ層８の露出表面には、接合用メタライズ層８が酸化腐食するのを防止するとともに接合用メタライズ層８と導電性接合材との接合を強固なものとするために、通常であれば、厚みが１〜10μｍ程度のニッケルめっき層が被着されている。

また、絶縁基体１の上面に取着された絶縁板２は、酸化アルミニウム質焼結体や窒化アルミニウム質焼結体・ムライト質焼結体・窒化珪素質焼結体・炭化珪素質焼結体・ガラス−セラミックス等の電気絶縁材料から成る厚みが0.01〜５ｍｍの略平板であり、外部の圧力に応じて絶縁基体１側に撓むいわゆる圧力検出用のダイアフラムとして機能する。

なお、絶縁板２は、その厚みが0.01ｍｍ未満では、その機械的強度が小さいものとなってしまうため、これに大きな外部圧力が印加された場合に破壊されてしまう危険性が大きなものとなり、他方、５ｍｍを超えると、小さな圧力では撓みにくくなり、圧力検出用のダイアフラムとしては不適となってしまう。したがって、絶縁板２の厚みは0.01〜５ｍｍの範囲が好ましい。

このような絶縁板２は、例えば酸化アルミニウム質焼結体から成る場合であれば、酸化アルミニウム・酸化珪素・酸化マグネシウム・酸化カルシウム等のセラミック原料粉末に適当な有機バインダ・溶剤・可塑剤・分散剤を添加混合して泥漿状となすとともにこれを従来周知のドクタブレード法を採用してシート状に成形することによりセラミックグリーンシートを得、しかる後、このセラミックグリーンシートに適当な打ち抜き加工や切断加工を施すことにより絶縁板２用の生セラミック成形体を得るとともにこの生セラミック成形体を約1600℃の温度で焼成することにより製作される。

また、絶縁板２の下面の略全面には静電容量形成用の第二電極９が被着されている。この第二電極９は、前述の第一電極７とともに感圧素子用の静電容量を形成するための電極として機能するとともに絶縁板２を絶縁基体１に接合するための接合用下地金属層として機能する。

このような第二電極９は、タングステンやモリブデン・銅・銀等の金属粉末メタライズから成り、タングステン等の金属粉末に適当な有機バインダ・溶剤・可塑剤・分散剤を添加混合して得たメタライズペーストを従来周知のスクリーン印刷法を採用して絶縁板２用のセラミックグリーンシートに印刷塗布し、これを絶縁板２用の生セラミック成形体とともに焼成することによって絶縁板２の下面の略全面に所定のパターンに形成される。なお、第二電極９の露出表面には、第二電極９が酸化腐食するのを防止するとともに第二電極９と導電性接合材との接合を良好とするために、通常であれば、厚みが１〜10μｍ程度のニッケルめっき層が被着されている。

この第二電極９と接合用メタライズ層８とは銀−銅ろう材等の導電性接合材を介して接合されており、それにより、絶縁基体１上面と絶縁板２下面との間に密閉空間が形成されるとともに接合用メタライズ層８と第二電極９とが電気的に接続される。

このとき、第一電極７と第二電極９とは、絶縁基体１と絶縁板２との間に形成された空間を挟んで対向しており、これらの間には、第一電極７や第二電極９の面積および第一電極７と第二電極９との間隔に応じて所定の静電容量が形成される。そして、絶縁板２の上面に外部の圧力が印加されると、その圧力に応じて絶縁板２が絶縁基体１側に撓んで第一電極７と第二電極９との間隔が変わり、それにより第一電極７と第二電極９との間の静電容量が変化するので、外部の圧力の変化を静電容量の変化として感知する感圧素子として機能する。そして、この静電容量の変化を凹部１ａ内に収容した半導体素子３にメタライズ配線導体５ａ・５ｂを介して伝達し、これを半導体素子３で演算処理することによって外部の圧力の大きさを知ることができる。

このように、本発明の圧力検出装置用パッケージによれば、一方の主面に半導体素子３が搭載される絶縁基体１の他方の主面に、静電容量形成用の第一電極７を設けるとともにこの第一電極７と対向する静電容量形成用の第二電極９を内側面に有する絶縁板２を絶縁基体１との間に密閉空間を形成するように可撓な状態で接合させたことから、半導体素子３を収容する容器と感圧素子とが一体となり、その結果、圧力検出装置を小型化することができる。また、静電容量形成用の第一電極７および第二電極９を、絶縁基体１に設けたメタライズ配線導体５ａ・５ｂを介して半導体素子３に接続することから、第一電極７および第二電極９を短い距離で半導体素子３に接続することができ、その結果、これらのメタライズ配線導体５ａ・５ｂ間に発生する不要な静電容量を小さなものとして感度の高い圧力検出装置を提供することができる。

なお、第一電極７と第二電極９との間隔が１気圧中において0.01ｍｍ未満の場合、絶縁板２に大きな圧力が印加された際に、第一電極７と第二電極９とが接触して圧力を検出することができなくなってしまう危険性があり、他方、５ｍｍを超えると、第一電極７と第二電極９との間に形成される静電容量が小さなものとなり、圧力を検出する感度が低いものとなる傾向にある。したがって、第一電極７と第二電極９との間隔は、１気圧中において0.01〜５ｍｍの範囲が好ましい。

かくして、上述の圧力検出装置用パッケージによれば、搭載部１ａに半導体素子３を搭載するとともに半導体素子３の各電極とメタライズ配線導体５とを電気的に接続し、しかる後、半導体素子３を封止することによって小型でかつ感度の高い圧力検出装置となる。

なお、本発明は、上述の実施の形態の一例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲であれば種々の変更は可能である。例えば上述の実施の形態の一例では、絶縁基体１の上面外周部に枠状の突起部１ｃを設け、この突起部１ｃ上に絶縁板２を接合することにより絶縁基体１上面と絶縁板２との間に密閉空間を設けるようにしたが、本発明は図２に断面図で示すように、絶縁板２の下面外周部に枠状の突起部２ａを設け、これを絶縁基体１上面に接合することによって絶縁基体１と絶縁板２との間に密閉空間を設けるようにしてもよい。この場合、突起部２ａ下面に接合用メタライズ層10を設けておき、この接合用メタライズ層10を接合用メタライズ層８に銀−銅ろう等の導電性接合材を介して接合すればよい。なお、接合用メタライズ層10と第二電極層９とは、絶縁板２にこれらを接続するための接続用メタライズ導体11を設けることにより電気的に接続しておけばよい。

さらに、本発明は図３に断面図で示すように、絶縁基体１の上面外周部に例えば鉄−ニッケル−コバルト合金や鉄−ニッケル合金等から成る金属枠体12を銀−銅ろう等の導電性接合材を介して接合させておき、この金属枠体12上に絶縁板２を銀−銅ろう等の導電性接合材を介して接合させることにより絶縁基体１と絶縁板２との間に密閉空間を設けるようにしてもよい。

本発明の圧力検出装置用パッケージの実施の形態の一例を示す断面図である。 本発明の圧力検出装置用パッケージの実施形態の他の例を示す断面図である。 本発明の圧力検出装置用パッケージの実施形態のさらに他の例を示す断面図である。 従来の圧力検出装置を示す断面図である。

符号の説明

１・・・・・絶縁基体
２・・・・・ダイアフラム
３・・・・・半導体素子
５，５ａ，５ｂ・・・・・配線導体
７・・・・・第一電極
９・・・・・第二電極

Claims (5)

1. 半導体素子が搭載される一方の面と、第一電極が形成されているとともに前記第一電極を囲む枠状の突起部が設けられた他方の面とを有するセラミックス製絶縁基体と、
   前記絶縁基体の前記突起部の全周にわたって形成された枠状の接合用メタライズ層と、
   前記第一電極に対向する第二電極が形成された表面を有しており、前記絶縁基体に対向して配置されたセラミックス製ダイアフラムとを備えており、
   前記第二電極は、金属粉末を含むメタライズペーストをダイアフラム用の生セラミック成形体とともに焼成することにより前記ダイアフラムの表面に形成されており、導電性接合材を介して前記接合用メタライズ層に接合されているとともに、
   該第二電極は、枠状の前記接合用メタライズ層の全周にわたって、前記ダイアフラムと前記接合用メタライズ層との間に設けられていることを特徴とする圧力検出装置用パッケージ。
2. 前記絶縁基体は、前記半導体素子が収容される凹部が設けられた前記一方の面を有していることを特徴とする請求項１記載の圧力検出装置用パッケージ。
3. 前記導電性接合材が銀−銅ろう材であることを特徴とする請求項１記載の圧力検出装置用パッケージ。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載された圧力検出装置用パッケージと、
   前記圧力検出装置用パッケージの前記絶縁基体の前記一方の面に搭載されており、前記第一電極および前記第二電極間の静電容量に応じて前記ダイアフラムに加わる圧力を検出する半導体素子と、
   を備えた圧力検出装置。
5. 請求項２に記載された圧力検出装置用パッケージと、
   前記圧力検出装置用パッケージの前記絶縁基体の前記凹部に収容されており、前記第一電極および前記第二電極間の静電容量に応じて前記ダイアフラムに加わる圧力を検出する半導体素子と、
   前記前記圧力検出装置用パッケージの前記絶縁基体の前記凹部に充填されており、前記半導体素子を封止する樹脂製封止材と、
   を備えた圧力検出装置。

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