JP4029453B2 - 半導体加速度センサ - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体基板上にピエゾ抵抗を形成し、加速度や衝撃を電気信号に変換して出力する半導体加速度センサに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
この種の半導体加速度センサとしては図9に示すような構造を有するものがあり、この半導体加速度センサAは、半導体基板上に形成されたピエゾ抵抗により加速度や衝撃を電気信号に変換して出力するセンサチップ1と、センサチップ1の出力を信号処理する信号処理用IC2と、例えばセラミックやポリイミド樹脂などから形成され、センサチップ1や信号処理用IC2や外部接続用の端子ピン3などが実装された本体回路基板4と、本体回路基板4に被着されるカバー5とから構成される。センサチップ1は、図10に示すように、本体回路基板4にダイボンドペースト9を用いて固定され、センサチップ1のパッド6と、本体回路基板4の電極7とをボンディングワイヤ8を介して電気的に接続した後、本体回路基板4をカバー5で封止して形成されており、外部の衝撃や電磁波ノイズからセンサチップ1を保護していた(例えば、特開平9−184851号公報参照)。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
上記構成の半導体加速度センサでは、センサチップ1に加速度(応力)が印加されると、半導体基板上に形成されたピエゾ抵抗の抵抗値が変化し、この抵抗値の変化から加速度を検出しているので、センサチップ1に余計な応力が加わると、この応力をセンサチップ1が誤検出し、センサ特性が悪化するという問題があった。
【0004】
また、従来の半導体加速度センサでは、センサチップ1をダイボンドペースト9を用いて本体回路基板4に固定しているので、センサチップ1、本体回路基板4及びダイボンドペースト9の線熱膨張係数や弾性係数などの差によって熱応力が発生するため、この熱応力をセンサチップ1が誤検出して、センサ特性に悪影響を与えるという問題もあった。
【0005】
さらに、半導体加速度センサは所定の検知軸方向から加わる加速度や衝撃を検出するため、所定の検知軸方向に対してのみ感度特性を持っている。すなわち、理想的には検知軸方向に対して完全に直交する方向から加速度が加わったとしてもセンサチップ1の出力は発生しない。しかしながら、実際にはセンサチップ1は検知軸方向と異なる方向から加わる加速度を検知してしまうので、検知軸方向と異なる方向の感度を他軸感度として規定し、この他軸感度をある範囲内で管理する必要がある。
【0006】
例えば、センサチップ1を本体回路基板4に実装する工程で他軸感度を管理するためには、センサチップ1の本体回路基板4に対する固定角度を管理する必要があり、センサチップ1をダイボンドペースト9により本体回路基板4に実装する場合、センサチップ1の本体回路基板4に対する固定角度は、ダイボンダのチップマウント精度や、ダイボンドペースト9の流動などに依存するため、他軸感度を管理しにくいという問題がある。さらに、製造コストの低減やセンサ全体の小型化を図るためにセンサチップ1が小型化するにつれて、センサチップ1の本体回路基板4に対する固定角度はますます管理しにくくなり、他軸感度が悪化する虞がある。
【0007】
本発明は上記問題点に鑑みて為されたものであり、その目的とするところは、センサチップの固定によるセンサ特性への影響を低減した半導体加速度センサを提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項1の発明では、ピエゾ抵抗が形成された半導体基板および半導体基板の表面に固定されて半導体基板を封止するキャップを有するセンサチップと、センサチップの出力信号を信号処理する回路が形成された本体回路基板と、センサチップが取り付けられるとともに本体回路基板に固定されるフレキシブル基板とを備え、フレキシブル基板に、本体回路基板とセンサチップの間を電気的に接続する導体パターンと、キャップが入り込む開口と、開口の端部に設けられて開口内に挿入されたキャップと当接する支持片とを設けたことを特徴とし、センサチップの固定にボンディングペーストを用いていないので、線熱膨張係数や弾性係数の差によってセンサチップに発生する熱応力が低減され、熱応力によるセンサ特性の悪化を防止することができる。
【0009】
しかも、フレキシブル基板にキャップが入り込む開口を設けているので、上部キャップを開口に挿入することにより、フレキシブル基板を上部キャップの形状に合わせて曲げる必要がなく、TAB(Tape Automated Bonding)技術を応用した自動化を容易に行うことができる。
【0010】
さらに、上記開口の端部を、センサチップの位置決めを行えるような形状に形成しているので、開口の端部でセンサチップを位置決めすることができ、センサチップの本体回路基板に対する固定角度を精度良く管理することができる。
請求項2の発明では、請求項1の発明において、上記センサチップの出力端子にバンプを形成し、前記バンプを介してセンサチップとフレキシブル基板とを接続しているので、センサチップの出力端子の内、選択された出力端子にのみバンプを形成すれば、選択された出力端子のみをフレキシブル基板に接続することができる。
【0011】
請求項3の発明では、請求項1の発明において、上記本体回路基板を収納するカバーを備え、本体回路基板又はカバーのいずれか一方に、フレキシブル基板の位置決め用の突起を設けているので、この突起を用いてフレキシブル基板を位置決めすることにより、フレキシブル基板の取付位置を精度良く管理することができ、センサチップの本体回路基板に対する固定角度の精度が向上する。
【0015】
【発明の実施の形態】
(基本構成)
本発明にかかる半導体加速度センサの基本構成を図1及び図2に基づいて説明する。
センサチップ1は、重り部21と、重り部21をビーム(梁)22を介して揺動自在に支持する支持部23とが、シリコン基板(半導体基板)をエッチング加工することにより形成されたセンシングエレメント20を有し、ビーム22の表面にはビーム22の撓みに応じて抵抗値が変化するピエゾ抵抗24がセンシングエレメント20への拡散技術などにより形成されている。センシングエレメント20の上下には上部キャップ25、下部キャップ26がそれぞれ固定されている。上部キャップ25及び下部キャップ26はセンシングエレメント20を封止するためのものであり、センシングエレメント20と略同様の熱膨張率を有するガラス(耐熱ガラス)で形成してある。また、上部キャップ25の両側のセンシングエレメント20の表面にはアルミニウム等からなる出力端子としてのパッド27が複数形成されている。さらに、図2(a)に示すように、下部キャップ26のセンシングエレメント20に対向する面には、重り部21の揺動空間を確保するための凹所26aが形成され、上部キャップ25のセンシングエレメント20に対向する面にも同様の凹所が形成されている。また、上部キャップ25及び下部キャップ26の重り部21と対向する部位には、重り部21の揺動を規制するストッパ(図示せず)がそれぞれ形成されており、センサチップ1に過大な加速度が印加された時に、ビーム22が破損するのを防止している。
【0016】
而して、図2(a)中の上下方向の加速度がセンサチップ1に印加されると、その加速度の大きさに応じて重り部21が揺動して、ビーム22が撓み、その結果ビーム22に歪による応力が発生し、ピエゾ効果によってピエゾ抵抗24の抵抗値が変化する。したがって、この抵抗値変化を電圧出力として取り出すことで、センサチップ1に印加された加速度を検出することができる。
【0017】
この半導体加速度センサでは、フレキシブル基板10を介してセンサチップ1が本体回路基板4に電気的且つ機械的に接続されている。略矩形状のフレキシブル基板10の長手方向略中央にはセンサチップ1の上部キャップ25が入り込む開口11が形成され、長手方向両端部で開口11を挟んで対角の位置にはそれぞれ孔12,12が形成されている。また、フレキシブル基板10の長手方向における開口11の両側のフレキシブル基板10の部位には、センサチップ1と本体回路基板4とを電気的に接続するための導体パターン13がフレキシブル基板10の長手方向に沿って複数設けられている。なお、フレキシブル基板10以外の構成は、図9に示す半導体加速度センサと同様であるので、共通する部分の図示及び説明は省略する。
【0018】
以下に、フレキシブル基板10を用いてセンサチップ1を本体回路基板4に取り付ける方法を説明する。まず、フレキシブル基板10の開口11にセンサチップ1の上部キャップ25を挿入して、センサチップ1のパッド27とフレキシブル基板10の導体パターン13とを例えばバンプにより電気的に接続する。次に、本体回路基板4に突設された位置決め用の突起14,14をフレキシブル基板10の孔12,12に挿入して、フレキシブル基板10の位置決めを行い、フレキシブル基板10の導体パターン13と本体回路基板4の端子とを半田付けなどによって電気的に接続すると、センサチップ1が本体回路基板4に電気的に接続されるとともに、フレキシブル基板10によりセンサチップ1が本体回路基板4に固定される。このように、この半導体加速度センサではフレキシブル基板10を用いてセンサチップ1を本体回路基板4に電気的且つ機械的に接続しており、線熱膨張係数や弾性係数の差によってセンサチップ1に発生する熱応力が低減され、センサチップ1のセンサ特性が悪化するのを防止できる。
【0019】
上述のように、フレキシブル基板10を介してセンサチップ1を本体回路基板4に電気的且つ機械的に接続し、センサチップ1のオフセット電圧(センサチップ1に加速度が印加されていない時に発生する出力電圧)やセンサ感度及びそれらの温度特性の補正などを本体回路基板4上の回路で行った後、本体回路基板4に外部接続用の端子ピン3を半田付けなどで接続する。その後、本体回路基板4をカバー5内に入れ、カバー5内の隙間に樹脂等を注入して、半導体加速度センサAを形成する。尚、半導体加速度センサAは例えば自動車等に用いられるABS装置やエアバック装置などの制御回路に組み込まれて使用される。また、この半導体加速度センサでは、センサチップ1の位置決め用の突起14を本体回路基板4に設けているが、本体回路基板4を収納するカバー5にセンサチップ1の位置決め用の突起14を設けても良く、センサチップ1の位置決め精度が向上する。
【0020】
ところで、ピエゾ抵抗24を用いるセンサチップ1では、オフセット電圧を低くするために抵抗値の補正(タップ補正)を行う必要がある。タップ補正の方法としては、ウェハ段階でセンサ特性を検査し、そのオフセット電圧に応じてセンシングエレメント20上に形成された抵抗を選択し、選択した抵抗に対応するパッド27と外部回路(即ちフレキシブル基板10)とをボンディングワイヤなどにより接続する方法があった。例えば、接続方向にのみ導電性を有する異方性導電樹脂を用いてセンサチップ1のパッド27とフレキシブル基板10の配線パターン13とを接続する場合、全てのパッド27と配線パターン13とが導通されるため、特定のパッド27を選択して配線パターン13に導通させることができず、タップ補正を容易に行うことができなかった。そこで、この半導体加速度センサでは、図2(c)に示すように、センサ特性より選択された抵抗に対応するパッド27にのみバンプ28を形成し、このバンプ28を用いてパッド27とフレキシブル基板10の配線パターン13とを接続しているので、選択したパッド27のみをフレキシブル基板10の配線パターン13に導通させることができ、タップ補正を容易に行うことができる。
【0021】
なお、図3に示すように、信号処理用IC2をフレキシブル基板10に実装し、フレキシブル基板10を介して信号処理用IC2を本体回路基板4に電気的且つ機械的に接続しても良く、信号処理用IC2の実装スペースを本体回路基板4に設ける必要がないので、その分他の部品を実装することができ、本体回路基板4の省面積化を図ることができる。なお、信号処理用IC2はバンプ或いはワイヤボンィングなどの方法でフレキシブル基板10に接続される。
【0022】
(実施形態1)
本実施形態の半導体加速度センサに用いるフレキシブル基板10の斜視図を図4(a)に示し、フレキシブル基板10とセンサチップ1との接続状態を図4(b)に示す。尚、フレキシブル基板10以外の構成は基本構成で説明した半導体加速度センサと同様であるので、同一の構成要素には同一の符号を付して、その説明を省略する。
【0023】
本実施形態では、フレキシブル基板10の幅方向における開口11の両端部に、センサチップ1の側面と面接触する支持片15を設けている。したがって、センサチップ1を本体回路基板4に取り付ける際は、フレキシブル基板10の開口11にセンサチップ1の上部キャップ25を挿入し、センサチップ1(上部キャップ25)の側面と支持片15とを面接触させて、接着或いは成形によりセンサチップ1を支持片15に固定しているので、支持片15によりセンサチップ1を精度良く位置決めすることができる。而して、本体回路基板4に対するセンサチップ1の固定角度の精度が向上し、センサチップ1の他軸感度が向上する。尚、支持片15をフレキシブル基板10と別部材としても良いことは言うまでもない。
【0024】
(参考例1)
本参考例では、図5(a)(b)に示すように、本体回路基板4に接続されるフレキシブル基板10の両端部を本体回路基板4に固定するための固定手段たる押さえ板16,16を設けている。押さえ板16の下面には突起16aが突設されており、この突起16aに対応する本体回路基板4の部位には貫通孔4aが設けられている。而して、フレキシブル基板10を本体回路基板4に電気的且つ機械的に接続した状態で、本体回路基板4に接続されるフレキシブル基板10の部位の上方に押さえ板16を載せ、本体回路基板4の貫通孔4aに押さえ板16の突起16aを挿入して、突起16aを熱圧着や接着などにより貫通孔4aに固着することにより、押さえ板16が本体回路基板4に固定され、押さえ板16と本体回路基板4との間にフレキシブル基板10の両端部が挟持される。このように、フレキシブル基板10の両端部は押さえ板16によって本体回路基板4に固定されるので、フレキシブル基板10と本体回路基板4との接触信頼性が向上する。
【0025】
(参考例2)
上述の基本構成および実施形態1並びに参考例1ではセンサチップ1を直接本体回路基板4に固定しているが、本参考例では、図6に示すように、本体回路基板4に実装されたソケット30にフレキシブル基板10を用いてセンサチップ1を固定している。
ソケット30は、本体回路基板4に実装された略矩形状のベース31と、ベース31の上面に固着される枠体32とから構成され、フレキシブル基板10の開口11に上部キャップ25を挿入した状態のセンサチップ1をベース31上に載置し、ベース31に枠体32を被着することにより、ベース31に設けられたリード(図示せず)にフレキシブル基板10の導電パターンを接触させるとともに、フレキシブル基板10をソケット30に固定する。
【0026】
本参考例では、ソケット30を用いてフレキシブル基板10を本体回路基板4に接続しているので、フレキシブル基板10と本体回路基板4とを半田付けする際の加熱工程がなくなるため、温度変化によってセンサチップ1に加わる応力が低減され、センサチップ1の温度特性が向上する。しかも、半田付けなどの接続箇所がないため、本体回路基板4とフレキシブル基板10との導通の信頼性が向上する。
【0027】
ところで、上述のソケット31において、図7に示すように、ベース31の両側にそれぞれ一対の係止爪片33を突設するとともに、ベース31の係止爪片33に対応する枠体32の部位に係止爪片33が入り込む凹所34を設け、凹所34に係止爪片33が係止離脱自在に係止する係止突起(図示せず)を形成することにより、枠体32がベース31に着脱自在に固定されるようにしても良く、枠体32の取り付け、取り外しが容易に行えるので、センサチップ1を容易に交換することができる。
【0028】
また、図8に示すように、本体回路基板4に実装されるベース31と、ベース31に被着される一面開口した略箱状のカバー35とでソケット30を構成し、ベース31の両側から一対の係止爪片33を突設するとともに、係止爪片33に対応するカバー35の部位に凹所34を形成し、凹所34内に係止爪片33が係止離脱自在に係止する係止突起36を設け、カバー35がベース31に着脱自在に固定されるようにしても良い。尚、カバー35のベース31と対向する面にはセンサチップ1を収納する凹所35aが設けられている。
【0029】
ここで、フレキシブル基板10の開口11に上部キャップ25を挿入した状態のセンサチップ1をベース31上に載置し、ベース31にカバー35を被せ、係止爪片33を係止突起36に係止させて、カバー35をベース31に固定する。この時、カバー35の脚部35b,35bでフレキシブル基板10の両端部をベース31に接触させ、フレキシブル基板10と本体回路基板4とをベース31を介して導通させる。なお、カバー35とセンサチップ1との間には緩衝材37が介装されているので、センサチップ1をソケット30に装着する際にセンサチップ1に加わる衝撃を緩衝材37で抑制することができる。
【0030】
【発明の効果】
上述のように、請求項1の発明は、ピエゾ抵抗が形成された半導体基板および半導体基板の表面に固定されて半導体基板を封止するキャップを有するセンサチップと、センサチップの出力信号を信号処理する回路が形成された本体回路基板と、センサチップが取り付けられるとともに本体回路基板に固定されるフレキシブル基板とを備え、フレキシブル基板に、本体回路基板とセンサチップの間を電気的に接続する導体パターンと、キャップが入り込む開口と、開口の端部に設けられて開口内に挿入されたキャップと当接する支持片とを設けたことを特徴とし、センサチップの固定にボンディングペーストを用いていないので、線熱膨張係数や弾性係数の差によってセンサチップに発生する熱応力が低減され、熱応力によるセンサ特性の悪化を防止できるという効果がある。
【0031】
しかも、フレキシブル基板にキャップが入り込む開口を設けているので、上部キャップを開口に挿入することにより、フレキシブル基板を上部キャップの形状に合わせて曲げる必要がなく、TAB技術を応用した自動化が容易に行え、生産性が向上するという効果がある。
【0032】
さらに、上記開口の端部を、センサチップの位置決めを行えるような形状に形成しているので、開口の端部でセンサチップを位置決めすることができ、センサチップの本体回路基板に対する固定角度を精度良く管理することができ、センサチップの他軸感度が向上するという効果がある。
請求項2の発明は、上記センサチップの出力端子にバンプを形成し、前記バンプを介してセンサチップとフレキシブル基板とを接続しているので、センサチップの出力端子の内、選択された出力端子にのみバンプを形成すれば、選択された出力端子のみをフレキシブル基板に接続することができ、タップ補正を容易に行えるという効果がある。
【0033】
請求項3の発明は、上記本体回路基板又は本体回路基板を収納する筐体のいずれか一方に、フレキシブル基板の位置決め用の突起を設けているので、この突起を用いてフレキシブル基板を位置決めすることにより、フレキシブル基板の取付位置を精度良く管理することができ、センサチップの本体回路基板に対する固定角度の精度が向上し、他軸感度が向上するという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】 (a)〜(c)は基本構成の半導体加速度センサに用いるセンサチップの固定方法を示す説明図である。
【図2】同上に用いるセンサチップを示し、(a)はセンサチップの内部構造を示す説明図、(b)は外観斜視図、(c)は要部拡大図である。
【図3】同上に用いるセンサチップの別の固定方法を示す斜視図である。
【図4】 実施形態1の半導体加速度センサに用いるフレキシブル基板を示し、(a)は外観斜視図、(b)はセンサチップを固定する状態を示す断面図である。
【図5】参考例1の半導体加速度センサに用いるフレキシブル基板を示し、(a)は外観斜視図、(b)は要部断面図である。
【図6】参考例2の半導体加速度センサに用いるソケットを示す外観斜視図である。
【図7】同上に用いる別のソケットを示す外観斜視図である。
【図8】同上に用いるまた別のソケットを示す断面図である。
【図9】従来の半導体加速度センサを示し、(a)は分解斜視図、(b)は外観斜視図である。
【図10】同上のセンサチップの実装状態を示す斜視図である。
【符号の説明】
1 センサチップ
4 本体回路基板
10 フレキシブル基板
11 開口
13 配線パターン
20 センシングエレメント
25 上部キャップ
26 下部キャップ
27 パッド
Claims (3)
- ピエゾ抵抗が形成された半導体基板および半導体基板の表面に固定されて半導体基板を封止するキャップを有するセンサチップと、センサチップの出力信号を信号処理する回路が形成された本体回路基板と、センサチップが取り付けられるとともに本体回路基板に固定されるフレキシブル基板とを備え、フレキシブル基板に、本体回路基板とセンサチップの間を電気的に接続する導体パターンと、キャップが入り込む開口と、開口の端部に設けられて開口内に挿入されたキャップと当接する支持片とを設けたことを特徴とする半導体加速度センサ。
- 上記センサチップの出力端子にバンプを形成し、前記バンプを介してセンサチップとフレキシブル基板とを接続することを特徴とする請求項1記載の半導体加速度センサ。
- 上記本体回路基板を収納するカバーを備え、本体回路基板又はカバーのいずれか一方に、フレキシブル基板の位置決め用の突起を設けたことを特徴とする請求項1記載の半導体加速度センサ。
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