JP4353117B2 - 微小電子機械デバイスとその加工方法 - Google Patents

Description

本発明は、物理的力学量を感知する加速度センサやジャイロセンサのような物理センサなどの微小電子機械デバイスとその加工方法に関する。

従来より、物理量センサのような微小電子機械デバイスとして自動車等に搭載され各種の車両の運動制御に利用される加速度センサがあり、一般に加速度センサとしては、重り部と重り部に対向して備えられた電極面との間で構成される静電容量の変化を検出する静電容量式や、撓み部に加えられた機械的な歪みをピエゾ抵抗などによって電気抵抗の変化として検出するピエゾ抵抗式の半導体センサ等が知られている。

このような半導体センサは、シリコンの半導体基板を微細加工して構成されるセンサチップを、上下からガラス基板等で覆ったパッケージにより密封された微小電子機械デバイスとして形成されている。そして、このような微小電子機械デバイスの出力は、導体バンプなどによって実装されるプリント基板から取り出される。この取り出されたセンサ信号は、プリント基板から半導体集積回路（ＡＳＩＣ）に結合されて、静電容量―電圧変換、又は抵抗―電圧変換されて、加速度の大きさが電気信号として測定される。そして、このような物理センサにおける微小電子機械デバイスでは、測定物理量が微小であるため、特に、センサチップと基板の接合傾きにより、その特性に影響を受け易い。

従って、このような微小電子機械デバイスでは、デバイスの基板実装時におけるデバイスの取り付け姿勢によって、検出出力が大きく影響される。このため、バンプの高さのばらつきが生じ易い導体バンプによるバンプ接合においては、実装面におけるバンプの厚み（又は高さ）の状態が場所によって異なっているとセンサの姿勢精度が劣化され易くなる。同時に、このバンプの高さのばらつきは、微小電子機械デバイスに対する熱応力バランスを悪くし、接合信頼性の特性劣化につながるという問題があった。

以下に、従来の微小電子機械デバイスの例を図９を参照して説明する。図９（ａ）は、微小電子機械デバイスの断面を示し、（ｂ）は同デバイスのバンプ接合される裏面を示す。

これらの図において、微小電子機械デバイス１００は、シリコンの半導体基板に形成されたセンサチップ１０２と、このセンサチップ１０２を上下から覆って封止する上ガラス部１０１と台座ガラス部１０３により構成されている。センサチップ１０２は、加速度などの物理量により可動する可動部を設けて静電容量変化や抵抗変化を検出するセンサ構造体１０７を備え、そのセンサ出力は、台座ガラス部１０３に設けられた内部配線のスルーホール１０４を経て、バンプ接合される基板１０５から取り出される。

上記の従来例では、微小電子機械デバイス１００とプリント基板１０５とは、導体バンプ１０６により接合される。しかしながら、このバンプ接合時において、半田等が溶解されて接合される導体バンプ１０６の厚みは、溶解液体の性質上必ずしも一様でなく、少なからず厚みに差を生じる。従って、センサチップ１０２とプリント基板１０５の平行性が悪くなり、微小な物理量を検出する必要のあるセンサの姿勢精度が劣化される虞があった。また、接合後のバンプの高さのばらつきにより、熱応力バランスが悪くなり、接合信頼性の特性劣化につながるという問題があった。

また、他の従来例として、例えば、特許文献１に示されるように、ベアチップの金属バンプ上に弾性導電接着材バンプを形成し、このベアチップを基板の電極上に押圧して、弾性導電接着材バンプと接しない位置、例えば、ベアチップの中央部の金属バンプの間に樹脂で形成された仮固定剤を供給し、ベアチップを加熱した状態で基板に押圧し、仮固定剤を硬化させ、ベアチップが基板に仮固定されるセンサモジュールが提案されている。

しかしながら、金属バンプの間に備えられた仮固定剤は、製造プロセス上設けられた動作確認等のための仮固定用の部材であり、樹脂材料で構成されて温度変形を伴うなど、ベアチップと基板の平行性を十分維持するものではない。従って、前記従来例と同様に、姿勢精度の劣化の虞や、バンプの高さのばらつきによる熱応力バランスの悪化などの問題を伴っていた。
特開２００４−１６５４１４号公報

本発明は、上記の問題を解決するためになされたものであり、バンプの高さのばらつきを抑えることによって、基板に対して平行を確保でき、実装傾きによる他軸感度発生を抑制することにより、センサの姿勢精度を高めてセンサ精度を向上することができると共に、熱応力バランスを良くして、接合信頼性の特性を向上することができる微小電子機械デバイスを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために請求項１の発明は、パッケージ封止された物理量を検出するセンサチップを備え、基板に対して、前記センサチップで検出される信号の取り出しと前記センサチップの固定とを、前記センサチップと基板間に配設される導体バンプにより行う微小電子機械デバイスにおいて、前記センサチップをパッケージ封止するための台座ガラス部を備え、前記台座ガラス部は、前記センサチップからのセンサ検出信号を通すスルーホールと、前記スルーホールの一端に設けられ前記導体バンプと接合するためのバンプ接合部と、前記バンプ接合部とは別の箇所で前記基板と面接合し、前記センサチップと前記基板との間隔を規定して両者の平行性を保つための少なくとも１箇所以上の脚部と、を有するものである。

請求項２の発明は、請求項１に記載の発明において、前記バンプ接合部を前記脚部よりも外側に配置したものである。

請求項３の発明は、請求項１に記載の発明において、前記脚部を、前記台座ガラス部とは別の部材で形成して該台座ガラス部に接合するものである。

請求項４の発明は、請求項１に記載の発明において、前記バンプ接合部に前記導体バンプを埋め込むためのバンプ窪みを設け、このバンプ窪みはテーパ面を持つものである。

請求項５の発明は、請求項４に記載の発明において、前記バンプ窪みの周辺に、前記導体バンプの接合時に溶解したバンプを逃がすための空洞を設けたものである。

請求項６の発明は、請求項４又は請求項５に記載の発明において、前記バンプ窪みのテーパ面を異方性エッチングにより形成するものである。

請求項７の発明は、請求項４又は請求項５に記載の発明において、前記バンプ窪みのテーパ面をブラスト加工により形成するものである。

請求項１の発明によれば、バンプの高さがばらついても、基板に対して平行性を確保でき、実装傾きによる他軸感度発生を抑制できることにより、センサの姿勢精度を高めてセンサ精度を向上することができる。また、熱応力バランスを良くすることができることにより、熱応力的に安定化され、高い接合信頼性を得ることができる。

請求項２の発明によれば、微小電子機械デバイスの中心部からバンプ接合部を遠ざけるため、バンプ接合部から伝播する熱応力をセンサチップ等が存在するデバイスの中心部まで伝播し難くでき、高い信頼性を確保することができる。

請求項３の発明によれば、微小電子機械デバイスの平面に、別の部品で精度よく脚部を形成して接合できるので、脚部を座グリなどで加工して、デバイス裏面に立体的に凹凸を設けて形成するよりも、脚部の厚みのばらつきが少なくできる。これにより半田厚みのばらつきも少なくでき、接合信頼性を向上することができる。

請求項４の発明によれば、導体バンプの接合面積を増加することができる。これにより、接合信頼性をさらに高くできる。

請求項５の発明によれば、バンプ接合時に、溶解したバンプを空洞に逃がすことができる。これにより、デバイスが基板から浮かなくなり、溶解後のバンプの高さのばらつきを少なくでき、熱応力的に安定した高い接合信頼性を得ることができる。

請求項６の発明によれば、バンプ窪みのテーパ面を異方性エッチングにより形成することにより、テーパ部を精度良く形成できる。これにより、バンプの厚みのばらつきを抑制し、接合信頼性を高めることができる。

請求項７の発明によれば、テーパ表面を粗く形成できるので、テーパ面の表面積を増加できるより、導体バンプの接合面積が増大でき、接合信頼性をさらに向上することができる。

以下、本発明の第１の実施形態に係る微小電子機械デバイス（以下、単にデバイスという）について図１及び図２を参照して説明する。図１は本実施形態によるデバイスの断面を示し、図２は、同デバイスの裏面の平面を示す。各図において、対応する部材には同一符号を付している。

このデバイス１は、シリコンの半導体基板に形成されたセンサチップ３と、このセンサチップ３を上下からカバーしてパッケージ封止する上ガラス部２及び台座ガラス部４とにより構成される。センサチップ３は、半導体微細加工により形成され物理量により変化する静電容量や電気抵抗の検出を行うセンサ検出機能を持つ構造体７を備える。この構造体７は、加速度等の物理量を検出して、センサチップ３よりセンサ検出信号を出力する。台座ガラス部４は、センサチップ３からのセンサ検出信号を通すスルーホール６と、このスルーホール６の一端において導体バンプ８と接合する台座ガラス部４の裏面１０に設けたバンプ接合部１１と、バンプ接合部１１とは別に基板５と接合する２箇所の脚部９ａ、９ｂとを備えている。また、台座ガラス部４のセンサチップ３との接合面には、空間１２（図４ａ参照）が設けられ、通常の物理量ではセンサチップ３の構造体７が台座ガラス部４に接触しないように形成されている。導体バンプ８の材料は、例えば、半田、金、銀ペースト等である。

上記のように構成されたデバイス１において、センサチップ３により検出されたセンサ検出信号は、スルーホール６を通ってバンプ接合部１１に導かれる。そして、導体バンプ８（例えば、半田）を挟んで、高温の中でデバイス１を基板５に押しつけて熱すると、半田が融解されてデバイス１と基板５が半田接合される。この時、デバイス１に設けた２つの脚部９ａ、９ｂにより、デバイス１のセンサチップ３と基板５の間隔は、脚部９ａ、９ｂの高さで規定されるので、両者は平行性を保つことができる。すなわち、脚部９ａ、９ｂで高さの位置決めを行うことにより、バンプの高さのバラツキが削減される。これにより、デバイス１のセンサチップ３と基板５との平行性が保たれ、実装傾きによるセンサの他軸感度発生が抑制され、センサの精度を向上できる。同時に、この平行性により、熱が均等に伝わり、熱応力的に均一した安定性が得られ、接合信頼性を高めることができる。

次に、本発明の第２の実施形態に係るデバイスについて図３を参照して説明する。図３は、本実施形態によるデバイスの裏面の平面を示す。本実施形態は、バンプ接合部とは別に基板と接合する４箇所の脚部を備えた点で前記実施形態と異なっている。

同図において、台座ガラス部４は、４隅の４箇所に脚部９ｃ乃至９ｆを備えることにより、デバイス１と基板５との平行性を保つと共に、バンプの接合位置範囲を広く取ることができ、バンプ接合部１１の位置設計の自由度が増し、基板５の接合用のパターン配線の設計もし易くなる。

次に、本発明の第３の実施形態に係るデバイスについて図４を参照して説明する。図４（ａ）は、は本実施形態によるデバイス１の断面を示し、（ｂ）は、同デバイス１の裏面の平面を示す。このデバイス１は、台座ガラス部４の中心部側に脚部１３を設け、脚部１３の外側に導体バンプ８とバンプ接合部１１を設けた点で前記実施形態と異なる。

このデバイス１においては、台座ガラス部４のセンサチップ３と接する面と台座ガラス部４の脚部１３の底面とが平行に形成されている。従って、導体バンプ８によるバンプ接合部１１と基板５との接合時に、脚部１３を基板５に押しつけて接合することにより、台座ガラス部４と基板５とは傾くことなく接合される。また、脚部１３の導体バンプ８側の側面に傾斜面１４を設けて、接合時のバンプの流れる範囲を広くしている。

上記の構成により、センサチップ３と基板５との平行性が保たれ、実装傾きによるセンサの他軸感度発生が抑制され、センサの精度が向上する。さらに、バンプ接合部１１を脚部１３より外側に配置したことにより、センサチップ３の構造体７からバンプ接合部１１の位置が遠ざかるため、バンプ接合部１１から伝搬する熱応力が構造体７まで伝搬され難くなる。これにより、熱応力による構造体７における歪みの発生を防止することができ、接合信頼性をさらに高めることができる。

次に、本発明の第４の実施形態に係るデバイスについて、図５を参照して説明する。図５は、デバイス１の断面を示す。このデバイス１は、台座ガラス部４に形成される脚部を、台座ガラス部４とは別に形成して台座ガラス部４に接合した点で前記実施形態と異なる。

このデバイス１においては、台座ガラス部４自体に脚部は形成されておらず、別途、ガラスやセラミック材により逆台形型の脚部台１５が形成され、この脚部台１５が台座ガラス部４の裏面に接合されることにより、台座ガラス部４の脚部が構成されている。

上記の構成により、このデバイス１は、脚部として、台座ガラス部４とは別の部材で精度良く形成された脚部台１５を用いることができるので、バンプ接合時のバンプの厚みのばらつきが少なくできる。従って、脚部を形成するために台座ガラス部４の裏面を座グリなどで加工し、立体的な凹凸にして形成する必要はなく、接合信頼性も向上することができる。また、脚部台１５を金属部材等で構成すれば接合されるデバイスの放熱効果を高めることができる。

次に、本発明の第５の実施形態に係るデバイスについて、図６を参照して説明する。図６（ａ）及び（ｂ）は、デバイス１のバンプ接合前の断面と、裏面を示し、（ｃ）及び（ｄ）は、デバイス１のバンプ接合後の断面と、裏面を示している。このデバイス１は、台座ガラス部４の裏面１０のバンプ接合部１１に導体バンプ接合用のバンプ窪み１６を設け、このバンプ窪み１６にテーパ面１６ａを持たせた点で前記実施形態と異なる。

このデバイス１は、台座ガラス部４の裏面１０のバンプ接合部１１に、導体バンプ８を埋め込む窪み又は溝となるテーパ面１６ａを持つバンプ窪み１６が複数個設けられている。そして、バンプ窪み１６のテーパ面１６ａを含む表面には、導体バンプ８と接合される導体バンプ下地１７が形成されている。このように、バンプ窪み１６にテーパ面１６ａを設けたことにより、導体バンプ８のバンプ接合部１１との接合面積を実効的に増加させることができるため、より強固に接合され接合信頼性をさらに高くできる。

さらに、このバンプ窪み１６の周辺には、導体バンプ８の接合時に溶解したバンプを逃がすための空洞１８を設けている。この空洞１８により、溶解したバンプを周辺に逃がすことができるため、バンプが盛り上がることがなくなる。これにより、接合時に台座ガラス部４が基板５に対し浮き上がらなくできるので、バンプの高さのばらつきを減少させることができ、実装傾きが防げてセンサ精度を向上できると共に、熱応力が均等化され、デバイスの安定性を良くすることができる。

次に、本発明の第６の実施形態に係るデバイスについて、図７を参照して説明する。図７は、デバイス１の断面を示す。このデバイス１は、バンプ窪み１６のテーパ面１６ａを異方性エッチングにより形成した点で前記実施形態と異なる。

このデバイス１においては、バンプ窪み１６のテーパ面１６ａが、プラズマ中の高速イオンを用いたドライエッチング等の直線性の良い異方性エッチングにより形成されている。従って、テーパ面１６ａを精度良く形成することができる。これにより、バンプ窪み１６内での導体バンプ８の量を一定にでき、そのばらつきを抑えることができる。

次に、本発明の第７の実施形態に係るデバイスについて、図８を参照して説明する。図８（ａ）は、デバイス１の断面を示し、（ｂ）は、（ａ）における点線で囲んだＡ部を拡大して示す。このデバイス１は、バンプ窪み１６のテーパ面１６ａをブラスト加工により形成した点で前記実施形態と異なる。

このテーパ面１６ａをブラスト加工で形成することにより、テーパ面１６ａが粗化されてテーパ面１６ｂのように粗く形成できるため、導体バンプ８とテーパ面１６ｂとの結合面積が増加し、接合信頼性を高めることができる。

以上述べたように、本実施形態によるデバイス１によれば、バンプの高さのばらつきが少なくでき、基板５に対して平行性を確保できる。これにより、実装傾きによる他軸感度発生を抑制することができ、センサの姿勢精度を高めてセンサ精度を向上することができる。同時に、熱応力バランスを良くして、接合信頼性の特性を向上することができる。

なお、本発明は、上記実施形態に限られるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、バンプ接合部を脚部の外側に設けることにより、センサチップの構造体からバンプ接合部を遠ざけることにより、バンプ接合部から伝播する熱応力が構造体まで伝播し難くすることができ、高い接合信頼性を確保できる。

また、台座ガラス部４に形成されていた脚部を、台座ガラス部４とは別に形成して脚部台を構成することにより、脚部を座グリなどで加工し、立体的に凹凸を設けて形成するよりも、台座ガラス部４の裏面に別の部品で精度よく形成された脚部台を接合して、脚部とすることにより、脚部の厚みのばらつきが少なくなり、これによりバンプの厚みのばらつきを削減し、接合信頼性を向上することができる。さらに、この脚部台を金属部材で構成すれば接合されるデバイスの放熱効果を高めることができる。

また、バンプ接合部のバンプ窪みにテーパ面を設けることにより、導体バンプの接合面積が増えるため、接合信頼性をさらに高くすることができる。

また、バンプ窪みの周辺に、導体バンプの接合時に溶解したバンプを逃がすための空洞を設けることにより、バンプ接合時に、溶解したバンプによりセンサが基板から浮き上がることを防止でき、溶解後のバンプの高さのばらつきを減少することができる。従って、熱応力的に安定した高い接合信頼性を得ることができる。

また、バンプ窪みのテーパ面を異方性エッチングにより形成することにより、テーパ部を精度よく形成できる。これにより、バンプの厚みのばらつきを削減でき、接合信頼性を高めることができる。

さらに、バンプ窪みのテーパ面をブラスト加工で形成することにより、テーパ表面を粗く形成できるので、テーパ面の実効的な表面積を増加することができ、導体バンプの接合面積を増大させ、接合信頼性をさらに向上することができる。

本発明の第１の実施形態に係る微小電子機械デバイスの断面図。 上記デバイスの裏面図。 本発明の第２の実施形態に係る微小電子機械デバイスの裏面図。 （ａ）は本発明の第３の実施形態に係る微小電子機械デバイスの断面図、（ｂ）は同デバイスの裏面の平面図。 本発明の第４の実施形態に係る微小電子機械デバイスの断面図。 （ａ）、（ｂ）は本発明の第５の実施形態に係る微小電子機械デバイスのバンプ接合前の状態を示す断面図と裏面図、（ｃ）、（ｄ）はバンプ接合後の状態を示す断面図と裏面図。 本発明の第６の実施形態に係る微小電子機械デバイスの断面図。 （ａ）は本発明の第７の実施形態に係る微小電子機械デバイスの断面図、（ｂ）は（ａ）のＡ部の拡大図。 （ａ）は従来の微小電子機械デバイスの断面図、（ｂ）は同デバイスの裏面図。

符号の説明

１ 微小電子機械デバイス
２ 上ガラス部（パッケージ）
３ センサチップ
４ 台座ガラス（パッケージ）
５ 基板
８ 導体バンプ
９、１３ 脚部
１５ 脚部台（別の脚部）
１１ バンプ接合部
１６ バンプ窪み
１６ａ、１６ｂ テーパ面
１８ 空洞

Claims (7)

1. パッケージ封止された物理量を検出するセンサチップを備え、基板に対して、前記センサチップで検出される信号の取り出しと前記センサチップの固定とを、前記センサチップと基板間に配設される導体バンプにより行う微小電子機械デバイスにおいて、
   前記センサチップをパッケージ封止するための台座ガラス部を備え、
   前記台座ガラス部は、
   前記センサチップからのセンサ検出信号を通すスルーホールと、
   前記スルーホールの一端に設けられ前記導体バンプと接合するためのバンプ接合部と、
   前記バンプ接合部とは別の箇所で前記基板と面接合し、前記センサチップと前記基板との間隔を規定して両者の平行性を保つための少なくとも１箇所以上の脚部と、を有することを特徴とする微小電子機械デバイス。
2. 前記バンプ接続部を前記脚部よりも外側に配置したことを特徴とする請求項１に記載の微小電子機械デバイス。
3. 前記脚部を、前記台座ガラス部とは別の部材で形成して該台座ガラス部に接合することを特徴とする請求項１に記載の微小電子機械デバイス。
4. 前記バンプ接合部に前記導体バンプを埋め込むためのバンプ窪みを設け、このバンプ窪みはテーパ面を持つことを特徴とする請求項１に記載の微小電子機械デバイス。
5. 前記バンプ窪みの周辺に、前記導体バンプの接合時に溶解したバンプを逃がすための空洞を設けたことを特徴とする請求項４に記載の微小電子機械デバイス。
6. 前記バンプ窪みのテーパ面を異方性エッチングにより形成することを特徴とする請求項４又は請求項５に記載の微小電子機械デバイスの加工方法。
7. 前記バンプ窪みのテーパ面をブラスト加工により形成することを特徴とする請求項４又は請求項５に記載の微小電子機械デバイスの加工方法。

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