JP4578087B2

JP4578087B2 - 加速度センサ

Info

Publication number: JP4578087B2
Application number: JP2003379403A
Authority: JP
Inventors: 尚克池上
Original assignee: Oki Semiconductor Co Ltd
Current assignee: Lapis Semiconductor Co Ltd
Priority date: 2003-11-10
Filing date: 2003-11-10
Publication date: 2010-11-10
Anticipated expiration: 2023-11-10
Also published as: JP2005140720A; US20050097958A1; US7100448B2

Description

本発明は、半導体微細加工技術を応用した加速度センサ、特にそのパッケージ構造に関するものである。

特開平７−２２５２４０号公報特開平１１−２４８７３７号公報

近年、半導体微細加工技術を応用したマイクロマシニングを用い、大きさが数１００μｍ程度の非常に微小な構造体を製造する技術が注目を集めている。このような微小構造体は、各種センサや光通信分野における光スイッチ、高周波部品等への応用が検討されている。一般に、このようなマイクロマシン応用部品は、シリコンプロセスを用いて製造されるため、信号処理系の集積回路と同一チップとして集積化することが可能である。この結果、ある１つの機能を持つシステムを１チップで形成することが可能になる。このことから、このような機能を持つ素子は、ＭＥＭＳ（Micro Electrical Mechanical System）、或いはＭＩＳＴ（Micro System Technology)と呼ばれている。

ＭＥＭＳ応用部品として、自動車のエアバッグ制御装置、地震活動等の地下環境情報計測システム、情報通信部品の耐震システム等に広く応用される加速度センサがある。

図２は、上記特許文献１に開示された従来の加速度センサの構造を示す断面図である。この加速度センサは、加速度を検出するセンサチップ１を有している。センサチップ１は、周囲のフレーム１ａ、内部のマス部１ｂ、及びこのフレーム１ａにマス部１ｂを片持ち状態で弾性自在に支持する２本のビーム１ｃで構成され、これらがシリコンウエハによって半導体製造技術を用いて一体形成されている。ビーム１ｃの上面には、このビームの撓み量に応じて抵抗値が変化するピエゾ抵抗素子（図示せず）が形成され、このピエゾ抵抗素子がフレーム１ａ上面の接続パッドに接続されている。センサチップ１のフレーム１ａの外周域には、角枠状をした阻止部２が設けられている。更に、フレーム１ａの下面には、ガラス製のカバー３が接合されている。

このようなセンサチップ１、阻止部２、及びカバー３からなるセンサ本体は、実装基板４上に載置された後、この実装基板４上に設けられた検知回路等の接続端子とセンサチップ１の接続パッドとの間がボンディングワイヤ５で接続される。更に、阻止部２からセンサチップ１及びボンディングワイヤ５を包むようにして、樹脂部６が形成されている。阻止部２はフレーム１ａの周囲に角枠状に設けられているので、モールド樹脂によって加速度センサを実装基板４にモールドした場合にも、このモールド樹脂がフレーム１ａの内側に入り込まず、ビーム１ｃやマス部１ｂの弾性変位が妨げられることがない。

また、この加速度センサでは、センサ本体が樹脂部６で保護されるため、落下などに対する衝撃が和らげられ、破損のおそれが少なくなって信頼性を高めることができる。更に、使用環境による熱歪みなどが樹脂部６で抑えられ、温度特性を向上させることができる等の利点があるとされている。

しかしながら、前記加速度センサは、センサチップ１をガラス製のカバー３で接合し、このカバー３を実装基板４上に載置した後、モールド樹脂で封止している。このため、加速度センサの厚さが厚くなると共に、カバー３を接合するための工程が必要となり、コストが増加するという課題があった。

一方、低コスト化のためにカバー３を省略し、センサチップ１を実装基板４上に直接接着すると、接着材がフレーム１ａから染み出してマス部１ｂの下部に達し、マス部１ｂと実装基板４が接着されてしまうという問題が新たに発生する。この問題を解決するためにマス部１ｂと実装基板４の間の間隙を大きく（例えば、５０μｍ）空けると、今度は加速度等によるマス部１ｂの移動量が増加し、このマス部１ｂを支持するビーム１ｃが破壊されるという別の問題が発生する。

本発明は、厚さが薄く、破壊耐性が高く、かつ低コストの加速度センサを提供することを目的としている。

本発明は、外部から与えられる力を検出するための錘部、該錘部の周囲を囲むフレーム部、該錘部の底面が該フレーム部の底面よりも所定の寸法だけ高い位置となるように該錘部の上部を該フレーム部の上部に接続して可撓的に支持するビーム部、及び該ビーム部の撓み量によって電気抵抗の値が変化するセンサ素子を一体形成したセンサチップと、前記センサチップのフレーム部を固定する実装基板と、を備えた加速度センサにおいて、前記センサチップのフレーム部の底面を前記実装基板の所定位置に固定する接着部と、前記接着部と同じ材料からなり、かつ該接着部と離間して、前記センサチップの錘部の中央位置に対応する前記実装基板の表面に該接着部の厚さよりも厚く形成され、該錘部の下方向への移動量を制限するストッパと、を有することを特徴としている。

本発明では、センサチップのフレーム部を固定する実装基板上で、このセンサチップの錘部の中央位置に対応する箇所に、接着材と同じ材料によって接着部の厚さよりも厚く形成されたストッパを有している。これにより、センサチップの錘部と実装基板との距離を大きく設定しても、ストッパによって錘部の下方向への移動量が制限されるので、ビーム部が破損するおそれがなくなる。そして、錘部と実装基板の距離を大きく設定することにより、センサチップを実装基板に固定するときに、接着材が染み出して錘部の下部に達して、この錘部と実装基板が接着されてしまうというおそれがなくなる。特に、本発明では、接着部とストッパとを同じ材料で構成しているので、接着部とストッパとを一つのパターンとして塗布することができる。従って、加速度センサの組立工程が簡略化されるため、低コストの加速度センサを提供することができると共に、従来のようなガラス製のカバーが不要になり、厚さが薄く、破壊耐性が高い加速度センサを提供することができる。

この発明の前記並びにその他の目的と新規な特徴は、次の、好ましい実施例の説明を添付図面と照らし合わせて読むと、より完全に明らかになるであろう。但し、図面は、もっぱら解説のためのものであって、この発明の範囲を限定するものではない。

図１（ａ），（ｂ）は、本発明の実施例を示す加速度センサの構成図であり、同図（ａ）は平面図、及び同図（ｂ）は同図（ａ）中の断面Ａ−Ａを示す断面図である。

この加速度センサは、加速度を検出するセンサチップ１０と、このセンサチップ１０を収容する容器２０を有している。センサチップ１０は、半導体製造技術を用いてシリコン基板を加工することにより、周囲のフレーム部１１、中心錘部１２ａ、周辺錘部１２ｂ及びこのフレーム部１１に中心錘部１２ａを可撓的に支持する４本のビーム部１３を一体に形成したものである。フレーム部１１は、縦×横×高さが、１．５×１．５×０．６ｍｍ程度の直方体を成している。

中心錘部１２ａは４角柱状の形状をしており、この中心錘部１２ａの４隅に、同様の４角柱状の周辺錘部１２ｂが接続された形状となっている。中心錘部１２ａの表面の４辺は、弾性を有する４本のビーム部１３によってフレーム部１１の表面に接続されている。フレーム部１１の厚さは、中心錘部１２ａ及び周辺錘部１２ｂの厚さよりも５０μｍ程度厚く形成されている。即ち、フレーム部１１の表面を上にして平板上に置いたときに、中心錘部１２ａ及び周辺錘部１２ｂの底部と平板の間に、５０μｍ程度の間隙が生ずるような寸法に形成されている。

図示していないが、ビーム部１３の表面には、このビーム部１３の撓み量に応じて電気抵抗の値が変化するピエゾ抵抗素子が形成され、このピエゾ抵抗素子がフレーム１１の表面に形成された複数のパッド１４に接続されている。

一方、容器２０は外枠部２１と底部２２で構成され、内部にセンサチップ１０が入る程度の空間を有する蓋のない箱状のものである。外枠部２１の上表面には、センサチップ１０のパッド１４に対応する複数のパッド２３が形成され、これらのパッド１４，２３間がワイヤ３１で接続されている。

容器２０内部の底部２２には、センサチップ１０のフレーム部１１の底面が厚さ２５μｍ程度の接着部３２で接着されている。接着部３２は、例えばエポキシ等の封止樹脂として使用されるものと同様の接着材が用いられる。また、容器２０内部の底部２２の中央部で、センサチップ１０の中心錘部１２ａの下側に対向する位置には、接着部３２と同じ接着材を塗布することによって、厚さ５０μｍ程度のスペーサ３３が同時に形成されている。従って、中心錘部１２ａとスペーサ３３の間には、２５μｍ程度の間隙Ｇが設けられる。

このような加速度センサは、センサチップ１０と容器２０をそれぞれ別の工程で製造する。次に、容器２０内部の底部２２に、接着部３２とスペーサ３３の材料である接着材を、１つのパターンとして塗布し、この接着部３２にセンサチップ１０のフレーム部１１の底面を位置合わせして搭載する。そして、接着材を硬化させると、センサチップ１０が容器２０内部に固定されると共に、中心錘部１２ａの下側に間隙Ｇをあけてスペーサ３３が形成される。その後、パッド１４，２３間をワイヤ３１でボンディング接続することにより、図１のような加速度センサが完成する。

以上のように、本実施例の加速度センサは、中心錘部１２ａの直下に位置する容器２０内部の底部２２に、スペーサ３３を配置している。従って、センサチップ１０の中心錘部１２ａと容器２０の底部２２との距離を大きく設定しても、スペーサ３３によってこの中心錘部１２ａの動きが妨げられるので、ビーム部１３が破損するおそれがなくなる。そして、中心錘部１２ａと底部２２の距離を大きく設定することにより、センサチップ１０を容器２０に貼り付けるときに、接着材が染み出して中心錘部１２ａや周辺錘部１２ｂの下部に達して、錘部１２ａ，１２ｂと容器２０の底部２２が接着されてしまうというおそれがなくなる。特に、本実施例では、接着部３２とスペーサ３３とを同じ材料で構成しているので、接着部３２とスペーサ３３とを一つのパターンとして塗布することができる。従って、加速度センサの組立工程が簡略化されるため、低コストの加速度センサを提供することができると共に、従来のようなガラス製のカバーが不要になり、厚さが薄く、破壊耐性が高い加速度センサを提供することができるという利点がある。

なお、以上説明した実施例は、あくまでも、この発明の技術内容を明らかにするためのものである。この発明は、上記実施例にのみ限定して狭義に解釈されるものではなく、この発明の特許請求の範囲に述べる範囲内で、種々変更して実施することができる。その変形例としては、例えば、次のようなものがある。

（ａ）センサチップ１０の構造は、例示したものに限定されない。例えば図２のようなものに対しても同様に適用可能である。

（ｂ）センサチップ１０を固定して搭載する容器２０は、例示した箱型のものに限定されない。例えば図２のような平板状の実装基板も同様に適用可能である。

（ｃ）寸法や材料は、例示したものに限定されない。

本発明の活用例として、各種の自動制御システム、計測システム、情報通信システム等のマイクロエレクトロニクス応用産業に、広範囲に利用することができる。

本発明の実施例を示す加速度センサの構成図である。従来の加速度センサの構造を示す断面図である。

符号の説明

１０センサチップ
１１フレーム部
１２ａ中心錘部
１２ｂ周辺錘部
１３ビーム部
２０容器
２１枠部
２２底部
３２接着材
３３スペーサ

Claims

外部から与えられる力を検出するための錘部、該錘部の周囲を囲むフレーム部、該錘部の底面が該フレーム部の底面よりも所定の寸法だけ高い位置となるように該錘部の上部を該フレーム部の上部に接続して可撓的に支持するビーム部、及び該ビーム部の撓み量によって電気抵抗の値が変化するセンサ素子を一体形成したセンサチップと、
前記センサチップのフレーム部を固定する実装基板と、
を備えた加速度センサにおいて、
前記センサチップのフレーム部の底面を前記実装基板の所定位置に固定する接着部と、
前記接着部と同じ材料からなり、かつ該接着部と離間して、前記センサチップの錘部の中央位置に対応する前記実装基板の表面に該接着部の厚さよりも厚く形成され、該錘部の下方向への移動量を制限するストッパと、
を有することを特徴とする加速度センサ。