JP4674622B2 - センサモジュール及びその製造方法 - Google Patents

センサモジュール及びその製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、センサモジュール及びその製造方法に関し、例えば加速度センサや角速度センサ等のセンサモジュール及びその製造方法に関する。
一般に加速度センサや角速度センサ等のセンサモジュールは、センシング部とIC(Integrated Circuit)部とを有し、センシング部によって得た検出信号をIC部によって信号変換処理や増幅処理を施して外部に出力するようになっている。
ところで、この種のセンサは、例えばゲームコントローラ等の玩具や、自動車の衝撃検出装置、ハードディスクの落下検知装置、携帯電話機の入力装置等に内蔵されて用いられることから、高い検出精度は勿論のこと、小型であることが求められる。
この要求を充たすための技術として、例えば特許文献1及び特許文献2に記載されたものがある。以下、これらの技術について簡単に説明する。
特許文献1には、図5に示す断面形状でなる加速度センサが記載されている。図5の加速度センサは、大きく分けて、加速度センサ素子1と、ICが形成されたIC規制板2と、加速度センサ素子1及びIC規制板2をパッケージングするケース3とを有する。加速度センサ素子1とIC規制板2は、ケース3内において互いに積層されている。IC規制板2は、一端がケース3の段差面4に接着されている。これにより、IC規制板2は、加速度センサ素子1の錘部の上方への規定値以上の揺動を規制することで、規定値以上の揺動による梁部の損傷を防止する。特許文献1では、このような構成を採ることにより、高感度と耐衝撃性を同時に充たすことができる小型かつ薄型の3軸加速度センサを実現できる、と記載されている。
一方、特許文献2には、図6に示す断面形状でなるセンサモジュールが記載されている。図6のセンサモジュールは、センサ基板5の表裏に電極形成基板6と回路形成基板7とを積層した3層構造の積層体であり、センサ基板5、電極形成基板6及び回路形成基板7が封着されている。特許文献2では、このような構成を採ることにより、小型のチップサイズパッケージを容易に実現できる、と記載されている。また、特許文献2の構成においては、センサ基板5に形成された錘部8の上下方向の揺動を、電極形成基板6の下面及び回路形成基板7の上面によって規制することで、錘部8が規定値以上揺動することによる梁部の損傷を防止することができるようになっている。なお、センサ基板5、電極形成基板6及び回路形成基板7は、貫通孔配線によって電気的に接続されている。
特開2007−322160号公報 特開2007−266320号公報 特開2008−51658号公報 特開2005−17080号公報
ところで、特許文献1のような構成において、錘部の揺動を確保しつつ、錘部の既定値以上の揺動による梁部の損傷を回避するといった目的を達成するためには、錘部上面とIC規制板下面との間隙(以下これをストッパーギャップと呼ぶ)を所望の値に設定しなければならない。実際上、前記目的を達成するためには前記ストッパーギャップを、10[μm]以下の精度で設定することが好ましい。
しかしながら、特許文献1のような構成においては、ストッパーギャップはケースの段差面の高さと接着剤の厚さとに委ねられるので、ストッパーギャップを10[μm]以下の精度で形成することは困難である。因みに、ケース(セラミックパッケージ)は寸法公差が大きいので、ケース内部の段差面を10[μm]以下の精度で形成することは困難であり、さらに接着剤(接着剤樹脂)の厚みの精度誤差も加わるので、前記ストッパーギャップの精度誤差が大きくなる。
また、特許文献1のように、ケース(セラミックパッケージ)内に、センシング部及びIC部を収容する構成では、外枠(ケース側面部)が存在するので、その分だけモジュール全体の面積が大きくなる欠点がある。
また、特許文献2のような構成においては、センサ基板に形成された錘部の上下方向の揺動を電極形成基板の下面及び回路形成基板の上面によって規制することで、梁部の損傷を防止しているが、回路形成基板の上面にはIC部が形成されており、錘部がIC部に衝突することによってICが損傷するおそれがある。
さらに、特許文献1、2のような従来のセンサモジュールにおいては、効率的にセンサモジュールを製造する点及びセンサモジュールの歩留まりを向上させる点については、配慮が少なかった。
本発明は、かかる点を考慮してなされたものであり、歩留まりの良い小型のセンサモジュールを効率的に製造できる、センサモジュールの構造及びその製造方法を提供する。
本発明のセンサモジュールの一つの態様は、ウェハレベルパッケージングされたセンサ部と、前記センサ部とは別個にウェハレベルパッケージングされて構成され、前記センサ部に積層した状態で電気的に接続されたIC部と、を有し、前記センサ部は、センサ基板と、前記センサ基板の一面側で前記センサ基板に接合され、前記センサ基板の前記一面側に対向する面に凹部が形成され、かつ前記センサ素子と前記IC部とを電気的に接続する貫通電極が形成された貫通基板と、がウェハレベルパッケージングされて構成されており、前記IC部は、一面側にICが形成され、かつ貫通電極が形成されたIC基板と、前記ICが形成された前記一面側で前記IC基板に接合され、かつ貫通電極が形成された貫通基板と、がウェハレベルパッケージングされて構成されており、前記積層状態における、前記センサ部と前記IC部との対向面の面積は、前記IC部の対向面の面積の方が前記センサ部の対向面の面積よりも大きい、構成を採る。
本発明のセンサモジュールの一つの態様は、前記センサ部と前記IC部とは、前記積層状態における、対向面の面積が異なる構成を採る。
本発明のセンサモジュール製造方法の一つの態様は、センサ部をウェハレベルパッケージングして製造するセンサ部製造工程と、IC部をウェハレベルパッケージングして製造するIC部製造工程と、ウェハレベルパッケージングされた前記センサ部をダイシングすることで、個片化されたセンサパッケージを得る工程と、前記個片化されたセンサパッケージを、前記ウェハレベルパッケージングされた前記IC部にフリップチップ実装する工程と、前記個片化されたセンサパッケージがフリップチップ実装された前記IC部を、ダイシングする工程と、を含む。
これらの構成及び製造方法によれば、センサ部とIC部とが独立にウェハレベルパッケージングされているので、センサ部のサイズとIC部とのサイズを合わせる必要がなく、センサ部とIC部とを個々に可能な限り小型化できる。よって、ウェハ1枚当たりからの個々の取り数を最大化することができ、小型のセンサモジュールを効率的に製造することが可能となる。また、センサ部とIC部とが独立にウェハレベルパッケージングされているので、センサ部とIC部とを独立に検査することが可能となり、歩留まりの良いセンサモジュールを製造することができる。
本発明によれば、歩留まりの良い小型のセンサモジュールを効率的に製造できる、センサモジュール及び製造方法を実現できる。
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
(1)構成
図1に、本発明の実施の形態に係るセンサモジュールの構成を示す。なお、以下の説明では、図1において上方側に位置するものを上、下方側に位置するものを下と表現するが、本発明のセンサモジュールは上下方向に本質的な意義をもたないので、以下の説明における上下を逆に読み替えてもよい。
センサモジュール100は、センサ部10とIC部20とから構成されている。センサ部10とIC部20は、それぞれ別個にウェハレベルパッケージされた後に、積層状態で電気的に接続されている。本実施の形態の場合、センサ部10とIC部20はフリップチップ接続されている。
(1−1)センサ部
センサ部10は、センサ基板11と、保護基板12と、貫通基板13とから構成されている。センサ基板11の上面に保護基板12が接合されており、センサ基板11の下面に貫通基板13が接合されている。センサ基板11、保護基板12及び貫通基板13は、全て同一の平面形状であり、例えば平面が同一面積の正方形の基板である。また、センサ基板11、保護基板12及び貫通基板13は、全てシリコン基板である。
センサ基板11は、錘部11aと、梁部11bと、支持部11cと、梁部11bに設けられたセンサ素子11dとを有する。このような、錘部11aと梁部11bと支持部11cとセンサ素子11dとを有するセンサ基板11は、例えば特許文献1〜4等に記載された既知の構成なので、ここでは簡単に説明する。錘部11aは、梁部11bを介して支持部11cに揺動自在に連結されている。梁部11bは例えば4箇所に設けられている。センサ素子11dは、例えばピエゾ抵抗素子である。センサ基板の下面にはピエゾ抵抗素子を用いたブリッジ回路が形成されている。かかる構成において、センサモジュール100に加速度が加わると、錘部11aが加速度に応じて揺動し、梁部11bが撓み、センサ素子11dにその撓みに応じた電圧が発生する。このようにして、センサ基板11は、加速度を電気信号に変換することができる。
貫通基板13は、貫通電極13aが形成されている。この貫通電極13aは、基板に貫通孔を形成し、貫通孔の表面に絶縁膜を形成した後に、導体膜を形成することで形成される。貫通基板13は、センサ基板11とIC部20とを電気的に接続する機能と、センサ基板11の下面側を保護する機能を果たす。
センサ基板11と保護基板12はシリコン−シリコン接合されている。例えば、加重及び熱を加えることによって接合させる方法、プラズマ常温接合、表面活性接合又は金属溶融接合を用いればよい。これにより、基板間(接合面間)の距離がほとんど無くなるので、例えば樹脂接着剤を用いて接着した場合(換言すれば接着剤の厚みによってストッパーギャップを形成する場合)と比較して、接合によって生じる基板間の距離の誤差を無くすことができる。例えば樹脂接着剤を用いた場合には、塗布する接着剤の量に応じてストッパーギャップに2〜3[μm]程度の誤差が生じてしまう。
ここで、保護基板12の下面における、錘部11aと対向する位置には、凹部12aが形成されている。これにより、センサ基板11と保護基板12が接合された状態において、錘部11aの上面と保護基板12の下面との間にはストッパーギャップ14が生じる。このストッパーギャップ14によって錘部11aは揺動が可能とされていると共に規定値以上の揺動が規制される。ストッパーギャップ14の値は梁部11bの強度や感度等を加味して設計時に決められるものであり、錘部11aの揺動を確保しつつ、錘部11aの既定値以上の揺動による梁部11bの損傷を回避するためには、製造物における実際のストッパーギャップを設計時に決められた値に高精度で一致させる必要がある。
本実施の形態のセンサモジュール100においては、凹部12aを半導体プロセスのエッチング処理によって高精度で形成でき、かつ基板間の距離がほとんど無く接合できるので、ストッパーギャップ14を所望値に高精度で形成できる。本実施の形態の場合、ストッパーギャップ14は10[μm]とされている。
なお、上述したように保護基板12の下面に凹部12aを形成することによってストッパーギャップ14を形成してもよいが、錘部11aの上面を基板接合面から引っ込んだ位置に形成することによってストッパーギャップ14を形成してもよい。
センサ基板11と貫通基板13は、貫通電極13aの位置においてパット同士が金属溶融接合されている。これにより、基板同士が接合されると共に、センサ素子11dを含むブリッジ回路と貫通電極13aとが電気的に接続される。なお、図ではブリッジ回路を省略しているが、ブリッジ回路は貫通電極13aに電気的に接続されている。
貫通基板13の上面における、錘部11a及び梁部11bと対向する位置には、凹部13bが形成されている。これにより、センサ基板11と貫通基板13が接合された状態において、錘部11a及び梁部11bの下面と貫通基板13の上面との間には間隙15が生じる。この間隙15によって錘部11aの揺動及び梁部11bの撓みが可能とされている。
本実施の形態の場合、センサ基板11の厚みは400〜500[μm]、保護基板12の厚みは100〜200[μm]、貫通基板13の厚みは100〜200[μm]とされている。
(1−2)IC部
IC部20は、IC基板21と、貫通基板22とから構成されている。
IC基板21は、下面にIC21aが形成されている。また、IC基板21には貫通電極21bが形成されている。なお、IC21aは貫通電極21bに電気的に接続されている。また、IC基板21の上面には、IC基板21の貫通電極21bと貫通基板13の貫通電極13aとを電気的に接続するための配線21cが形成されている。なお、IC基板21の貫通電極21bと貫通基板13の貫通電極13aとの位置が一致する場合には、配線21cは必要ない。
貫通基板22は、外部電極基板と言い換えてもよく、下面にプリント配線基板22aが設けられている。また、貫通基板22には、IC基板21の貫通電極21bと対応する位置に、貫通電極22bが形成されている。また、貫通基板22の下面には外部出力端子22cが設けられている。なお、プリント配線基板22aは貫通電極22b及び外部出力端子22cに電気的に接続されている。
(2)製造方法
本実施の形態のセンサモジュール100の製造方法を、図2を用いて説明する。
本実施の形態のセンサモジュール100の製造方法は、大きく分けて、IC部製造工程ST10と、センサ部製造工程ST20と、接続工程ST30とに分かれる。
IC部製造工程ST10では、先ず、ICウェハを準備する(ST11)と共に貫通配線ウェハを準備する(ST12)。ここで、ICウェハとは図1に示した構成のIC基板21が1枚のウェハ上に複数形成されたものであり、貫通配線ウェハとは図1に示した構成の貫通基板22が1枚のウェハ上に複数形成されたものである。次に、ICウェハと貫通配線ウェハとを貼り合わせる(ST13)。これにより、IC部20がウェハレベルパッケージされる。次に、貼り合わせたウェハを検査し選別する(ST14)。
センサ部製造工程ST20では、先ず、センサ形成ウェハ、保護ウェハ及び貫通ウェハをそれぞれ準備する(ST21、ST22、ST23)。ここで、センサ形成ウェハとは図1に示した構成のセンサ基板11が1枚のウェハ上に複数形成されたものであり、保護ウェハとは図1に示した構成の保護基板12が1枚のウェハ上に複数形成されたものであり、貫通ウェハとは図1に示した構成の貫通基板13が1枚のウェハ上に複数形成されたものである。次に、センサ形成ウェハと保護ウェハとを貼り合わせると共に、センサ形成ウェハと貫通ウェハとを貼り合わせる(ST24)。これにより、センサ部10がウェハレベルパッケージされる。次に、貼り合わせたウェハを検査し選別する(ST25)。次に、貼り合わせたウェハをダイシングする(ST26)ことで、チップ単位(すなわち図1の単位)のセンサ部10を形成する。
このように、センサ形成ウェハと保護ウェハと貫通ウェハとを貼り合わせた後にダイシングしたことにより、センサ基板11を破損させることなく、通常の半導体と同じようにダイシングやチップピックアップが可能となる。因みに、センサ形成ウェハに保護ウェハを貼り合わせる前にセンサ形成ウェハをダイシングすると、ダイシング時の切削水等によって梁部11bが破損したり、センサ基板11をピックアップする際に梁部11bが破損するおそれがある。
接続工程ST30では、先ず、IC部製造工程ST10で製造したウェハ上であって、ICウェハの検査・選別(ST14)の際に、良品判定されたIC基板に対して、センサ部製造工程ST20で製造したセンサ部チップを、フリップチップ接続によってボンディングする(ST31)。このように、ウェハレベルのIC部20にチップレベルのセンサ部10をボンディングできるのは、センサ部10の面積の方がIC部20の面積よりも小さいからである。次に、IC側ウェハをダイシングする(ST32)ことで、チップ単位(すなわち図1の単位)のセンサモジュール100を形成する。
なお、上述した製造方法では、IC部製造工程ST10で製造したウェハ上に、センサ部製造工程ST20で製造したセンサ部チップをボンディングする場合について述べたが、図3に示すように、IC部製造工程ST10でウェハをダイシングし(ST15)、接続工程ST30で、IC部製造工程ST10で製造したチップとセンサ部製造工程ST20で製造したチップとをボンディングしてもよい。
(3)効果
以上説明したように、本実施の形態によれば、センサ部10とIC部20とを独立にウェハレベルパッケージングし、それらの不良を独立に判定した後に、それらを接続したことにより、歩留まりの良いセンサモジュールを製造することができる。すなわち、センサ部10とIC部20とを直接ウェハレベルで接合すると、製造されるセンサモジュールの不良率は、センサ部10の不良率×IC部20の不良率となり、歩留まりが下がる。これに対して、本発明では、接合時点でのセンサ部10の不良率及びIC部20の不良率の両方を検査によって下げることができるので、それらから形成されるセンサモジュールの歩留まりが向上する。
また、センサ部10とIC部20とを独立にウェハレベルパッケージングし、それらを接続したことにより、センサ部10のサイズとIC部20とのサイズを合わせる必要がないので、センサ部10とIC部20とを個々に可能な限り小型化できる。よって、ウェハ1枚当たりからの個々の取り数を最大化することができる。一般に、センサ部10を構成するのに必要なチップ面積はIC部20を構成するのに必要なチップ面積よりも小さいので、本発明を採用すれば、センサ部10を形成するのに要するウェハを節約できる。
また、個々に封止(パッケージング)されているセンサ部10とIC部20とを接続するので、ある程度ラフな実装を行っても、センサ基板11、IC21a及び配線の損傷を回避できる。よって、実装の工法の選択肢が増える。例えば、C4工法、ESC工法、NCP工法等を利用できる。
また、ほとんどの製造工程を半導体プロセスを用いて行うことができるので、MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)対応の特殊なカスタム実装装置を用いなくても、一般的な半導体実装装置をそのまま使用して製造できる。
また、錘部11aの揺動を規制するためのストッパーギャップ14を、半導体エッチングで形成するので、ストッパーギャップ14を高精度で形成でき、錘部11aの揺動を高精度で規制できる。加えて、センサ基板11と保護基板12がシリコン−シリコン接合によって距離がほとんど無く接合されるので、ストッパーギャップ14を一段と高精度で形成でき、錘部11aの揺動を一段と高精度で規制できる。
また、センサ基板11に貫通電極を設けることなく、センサ基板11に比して薄い貫通基板13、22及びIC基板21に貫通電極13a、21b、22bを設けた構成としたので、貫通電極の製造が容易となり、タクトが早くかつARDE(アスペクト依存エッチング効果)による悪影響も回避できる。因みに、センサ基板11は感度を上げるために、IC基板21や外部電極基板(実施の形態の貫通基板22に相当)に比して厚くされているので、センサ基板11に貫通電極を形成することは、IC基板や外部電極基板に貫通電極を形成するよりも困難であると考えられる。
また、センサモジュール100は、特許文献1の構成と比較して、特別な外枠(パーケージ)やワイヤボンディングを用いない構成とされているので、センサ部10及びIC部20の面積がそのままモジュールの面積となり、モジュールを小型化できる。
(4)他の実施の形態
図1との対応部分に同一符号を付して示す図4に、本発明におけるセンサモジュールの別の構成例を示す。センサモジュール200のセンサ部10は、図1のセンサ部10と同じ構成である。センサモジュール200は、IC部がIC基板30のみから構成されている点が図1のセンサモジュール100と異なる。
IC基板30は、上面にIC30aが形成されており、下面にプリント配線基板30bが設けられている。また、IC基板30には貫通電極30cが形成されている。貫通電極30cは、貫通基板13の貫通電極13a、IC30a、プリント配線基板30b及び外部出力端子30dを電気的に接続する。
IC基板30と貫通基板13は、フリップチップ接続されている。ここで、IC30aの表面及び貫通電極30cにおける接続部以外の表面には、ウェハの状態から予め、図示しない樹脂が塗布されている。つまり、IC基板30は、ウェハレベルパッケージングされている。これにより、IC基板30と貫通基板13は、IC30aの表面及び貫通電極30cにおける接続部以外の表面が樹脂によって保護されながら、フリップチップ接続される。つまり、それぞれ別々にウェハレベルパッケージングされた、センサ部10とIC部(IC基板30)とが、フリップチップ接続により接合される。IC基板30と貫通基板13が接合されると、IC30aは貫通基板13によっても封止され保護される。
センサモジュール200は、センサモジュール100と比較して貫通基板22が無い分だけ、部品点数を削減でき、モジュールの低背化が可能となる。
なお、上述の実施の形態では、本発明のセンサモジュールの構造及び製造方法を、加速度センサに適用した場合について述べたが、本発明はこれに限らず、センサ部とIC部とを有する種々のセンサモジュールに適用することができる。
本発明のセンサモジュール及びその製造方法は、例えば加速度センサや角速度センサ等のセンサモジュール及びその製造方法に広く適用可能である。
本発明の実施の形態に係るセンサモジュールの構成を示す断面図 実施の形態によるセンサモジュール製造方法を示すフローチャート 実施の形態によるセンサモジュール製造方法を示すフローチャート 他の実施の形態によるセンサモジュールの構成を示す断面図 特許文献1に記載された加速度センサの構成を示す断面図 特許文献2に記載されたセンサモジュールの構成を示す断面図
符号の説明
100、200 センサモジュール
10 センサ部
11 センサ基板
11a 錘部
11b 梁部
11c 支持部
11d センサ素子
12 保護基板
12a、13b 凹部
13、22 貫通基板
13a、21b、22b、30c 貫通電極
14 ストッパーギャップ
15 間隙
20 IC部
21、30 IC基板
21a、30a IC
22a、30b プリント配線基板
22c、30d 外部出力端子

Claims (5)

  1. ウェハレベルパッケージングされたセンサ部と、
    前記センサ部とは別個にウェハレベルパッケージングされて構成され、前記センサ部に積層した状態で電気的に接続されたIC部と、
    を有し、
    前記センサ部は、センサ基板と、前記センサ基板の一面側で前記センサ基板に接合され、前記センサ基板の前記一面側に対向する面に凹部が形成され、かつ前記センサ素子と前記IC部とを電気的に接続する貫通電極が形成された貫通基板と、がウェハレベルパッケージングされて構成されており、
    前記IC部は、一面側にICが形成され、かつ貫通電極が形成されたIC基板と、前記ICが形成された前記一面側で前記IC基板に接合され、かつ貫通電極が形成された貫通基板と、がウェハレベルパッケージングされて構成されており、
    前記積層状態における、前記センサ部と前記IC部との対向面の面積は、前記IC部の対向面の面積の方が前記センサ部の対向面の面積よりも大きい、
    センサモジュール。
  2. 前記センサ部と前記IC部とは、フリップチップ接続されている、
    請求項1に記載のセンサモジュール。
  3. センサ部をウェハレベルパッケージングして製造するセンサ部製造工程と、
    IC部をウェハレベルパッケージングして製造するIC部製造工程と、
    ウェハレベルパッケージングされた前記センサ部をダイシングすることで、個片化されたセンサパッケージを得る工程と、
    前記個片化されたセンサパッケージを、前記ウェハレベルパッケージングされた前記IC部にフリップチップ実装する工程と、
    前記個片化されたセンサパッケージがフリップチップ実装された前記IC部を、ダイシングする工程と、
    を含むセンサモジュール製造方法。
  4. 前記フリップチップ実装する工程の前に、前記センサ部製造工程により得られた前記センサ部と、前記IC部製造工程により得られた前記IC部とを、独立に検査する工程を、さらに含む、
    請求項に記載のセンサモジュール製造方法。
  5. 前記センサ部製造工程は、センサ基板と、前記センサ基板を保護する保護基板と、貫通電極が形成された貫通基板と、をウェハレベルパッケージングするステップを含み、
    前記IC部製造工程は、IC基板と、貫通電極が形成された貫通基板と、をウェハレベルパッケージングするステップを含む、
    請求項又は請求項に記載のセンサモジュール製造方法。
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