JP4712042B2 - 空洞ハウジングおよびセンサチップを含む半導体センサ装置、および、その製造方法 - Google Patents

空洞ハウジングおよびセンサチップを含む半導体センサ装置、および、その製造方法 Download PDF

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Description

発明の詳細な説明
本発明は、空洞ハウジングおよびセンサチップを含む半導体センサ装置、および、その製造方法に関するものである。
空洞ハウジングを含む半導体センサ装置が、特許出願ＤＥ１０２００４０１９４２８．９から知られている。このタイプの半導体センサ装置には、上記センサチップが、弾性係数の低い材料を用いて接着結合することによって、空洞ハウジングに固定されており、この固定は、剛性の空洞ハウジングの機械的負荷の反作用（例えば、熱ひずみや振動負荷）が上記センサチップに影響を与え、測定結果を部分的に悪化させてしまう、という問題がある。上記空洞ハウジングのこのようなセンサチップは、少なくとも半導体センサチップのセンサ領域を有する上面を他の負荷から保護するために、軟質材料によって周囲から保護されている。
さらに、センサチップの信頼性は、上記センサチップを剛性の空洞ハウジングの底部に固定する接着剤の質が変わり、その結果、特にボンディングワイヤを装着している間にセンサチップの共鳴振動が部分的に生じることよって、変化する。結果として、半導体チップの製造に起因する、以前の損傷や、ボンディングの質の低減は避けられず、その結果、センサチップの信頼性が悪化する。その上、用いる材料の熱膨張係数が異なっているために、センサチップの機械的応力により効率が低減してしまう。
本発明の目的は、空洞ハウジングおよびセンサチップを含む半導体デバイス、および、その製造方法を提供することである。その結果、一方では、このような半導体センサ装置の製造における効率が上がり、他方では、日々の測定においてこのような半導体センサ装置の信頼性が上がる。
この目的を、独立請求項の主題によって達成する。本発明の有効な複数の形態については、従属請求項に記載する。
本発明は、空洞ハウジングを備えた半導体センサ装置を提供する。センサチップは、ハウジングの空洞に配置される。このセンサチップは、好ましくは、圧力変動及び／または温度変動に反応するセンサ領域を有している。この目的のために、空洞ハウジングは、周囲のパラメータが敏感なセンサ領域上で動作することを許容するための周囲への開口を有している。したがって、このセンサ領域は、上記開口に面している。このセンサ領域自体は、ハウジングの空洞内において、あらゆる側面がゴム製で弾力性のある組成物に埋め込まれている。この空洞ハウジングは、貫通開口部を有する底部を有している。
ゴム製で弾力性のある組成物におけるチップの埋設については、ＪＰ６０‐１３６２５４の図４に開示されている。あらゆる側面への埋設については、ＤＥ ４２ ３８ １１３ Ａ１に開示されている。
ここでは、ゴム製で弾力性のある組成物は、その上にセンサチップの半導体フレームが背面側によって設けられたセンサチップの下側の下部領域と、センサ領域自体を備えたセンサチップの側面及び上面が埋め込まれた上部領域との２つの領域を有している（参照：ＤＥ ４２ ３８ １１３ Ａ１）。これらの２つの領域は、製造を単純にするために、製造段階の間においてのみ異なっている。特に、もし、下部領域と上部領域とに同じゴム製で弾力性のある組成物を使用するのであれば、空洞ハウジングと空洞ハウジング内のセンサチップとを備えた半導体センサ装置が完成した後では、これらの領域は、もはや差異はない。
下部領域と上部領域との間の界面は、ゴム製で弾力性のある組成物が、センサチップの下部領域と上部領域とで異なる弾性定数を有するか、または、実際の実施形態で排除されない異なる配色を有しているときにのみ認識される。好ましくは、ゴム製で弾力性のある組成物は、光学的に透明なエラストマーである。この光学的に透明なエラストマーは、半導体センサ装置の光敏感性が特定の測定目的に使用され得るという効果を有する。しかしながら、センサチップが光に鈍感であると、カーボンブラック粒子のような光吸収性の粒子を備えたゴム製で弾力性のある組成物を使用することもできる。
本発明では、空洞ハウジングは、貫通開口部を有する底部を有している。この貫通開口部が設けられて、センサチップは、空洞ハウジングの底部内の開口を通って導かれた対応するピンによって、移送と実装とのために支持される。また、開口は、ボンディング動作の間、即ち、半導体装置の製造の間、開口によって、及び、対応するサポート及び／またはボンディング内のスペーサによって機械的に支持され、これによって、センサチップの上面におけるボンディングワイヤと接触領域との間の信頼性の高いボンディング接続が可能になるという効果を奏する。
本発明のさらに好ましい実施形態では、空洞ハウジングは、少なくとも１つの底部と、空洞を側方に区切る側壁とを有しており、スペーサの移動可能な端部が底部から突出しており、スペーサの端部上に位置するセンサチップ上のボンディングワイヤの構成及び適合のための隣接点を形成する。底部のこの構成は、空洞底部内に設けられた貫通開口部によって、技術的に達成される。センサチップは、センサチップのボンディングのための隣接点の除去の後フリーになるが、ゴム製で弾力性のある組成物の中で、硬い空洞ハウジングから機械的に分離され、その結果、その計測値は、硬い空洞ハウジングによって害されない。
本発明の他の実施形態では、スペーサは、底部を通って空洞に突出するピンである。これらのピンは、ボンディングによって最大の荷重が与えられるセンサチップの領域を正確に支持する寸法である。半導体チップをスペーサ上に固定するために、ゴム製で弾力性のある組成物の下部領域は、すでに底部に供給されており、その結果、ゴム製で弾力性のある組成物によって半導体チップは側方に保持され、スペーサによって下から支持される。
空洞ハウジングとセンサ領域を有するセンサチップとを備え、センサチップはハウジングの空洞に設けられる半導体センサの製造方法は、以下の方法ステップを有する。第１ステップは、内部導体トラックと外部接触部と空洞底部とを有する空洞ハウジングを製造することを含み、内部導体トラックは、貫通接触部またはリードトラックを介して外部接触部に接続されている。空洞ハウジングの製造の間、空洞底部と空洞底部を囲む側壁は、注入成形方法における剛性のプラスチック材料から製造される。
注入成形動作の間、空洞底部から突き出たスペーサの端部は、同時に底部で鋳造され、スペーサの配置と寸法は、半導体チップの領域的範囲に適合され、スペーサの端部は、スペーサの端部上に位置する半導体チップ上のボンディングワイヤの構成及び適合のための隣接点を形成する。空洞ハウジング内では、まず、空洞の底部が、ゴム製で弾力性のある組成物により下部領域まで満たされ、スペーサは、ゴム製で弾力性のある組成物によって少なくともそれらの端部まで封止される。
センサチップは、その背面側にスペーサの端部が供給されて、センサチップは、ゴム製で弾力性のある組成物の助けにより固定されている。その後、ボンディングワイヤが、センサチップのスペーサの端部と反対側の上面の上の対応する接触領域の上にボンディングされ、空洞ハウジングの内部リードの対応する接触パッドの上に適合される。ボンディングワイヤとセンサチップとは、ゴム製で弾力性のある組成物の上部領域の供給によって、ゴム製で弾力性のある組成物に埋め込まれ、センサチップのエッジサイドとセンサチップのセンサ領域との双方を封止する。そして、スペーサは、空洞ハウジングの底部内の貫通開口部の形成により底部から除去され得る。
この方法は、例えば、ボンディング工程、または、使用の位置にセンサチップを搬送し実装するといった製造方法に必要な限り、スペーサがセンサチップを機械的に支持するという効果を奏する。この方法で前述したように、スペーサは、剛性の空洞ハウジングからセンサチップを機械的に完全に切り離すために、いつでも除去され得る。
半導体センサ装置の製造方法のさらに好ましい実施態様では、内部導体トラックと外部接触部とを備えた空洞ハウジングを製造するために、まず、複数のハウジング位置を備えたリードフレームが製造される。側壁と鋳造スペーサを有する底部とが、この目的のために、注入成形の前に、注入金型の中にスペーサが配置されるような注入成形技術によって製造される。この方法の変形は、スペーサを配置するために底部を通る穴を形成する必要がなく、単一の注入成形工程において、外部接触部、内部リードの双方、及びスペーサ実装のために必要なスペーサは、すべて、既に、注入金型内に予め配置されており、後者の完成の後、リードフレームから切り離され得る空洞ハウジングを製造するという効果を奏する。
本発明の他の実施形態では、リードフレーム自体がスペーサを有している。即ち、スペーサは、リードフレームに固定的に接続されており、注入成形動作の後であって、センサチップの配置と、完成した半導体装置からのリードフレームを有する内部リードへの接続の後に、スペーサは除去され得る。ハウジング内のセンサチップのための支持体として、この半導体センサ装置が使用の位置で使用されるまでスペーサを残す可能性は、このケースでは適切でない。しかしながら、リードフレームからスペーサを除去した後に空洞ハウジング底部に搬送スペーサを差し込む可能性はある。
空洞ハウジングの空洞内の底部を下部領域も上部領域もゴム製で弾力性のある組成物で満たすことは、好ましくはディスペンス技術によって実行される。この技術は、ボンディングワイヤを備えたセンサチップを、ゴム製で弾力性のある組成物に、極めてやわらかな態様で埋め込むという効果を奏する。熱圧着、または熱圧着ボンディングは、ボンディングワイヤをセンサチップの接触領域上に適合させる方法として有用なことが実証されている。センサチップを損傷することなく剛性の空洞ハウジングの底部領域からスペーサを除去する可能性が妨げられるのであれば、スペーサの除去は、エッチング技術によって実施されてもよい。このエッチング技術の場合は、エッチング液は、外部接触部を初期にエッチングせず、ゴム製で弾力性のある組成物をそのプロセスで損傷することなく、スペーサの金属と調和する。
要するに、本発明によれば、製造、搬送および実装する間、センサチップを安定させるために、ピンをハウジングに挿入する。その結果、チップ粘着剤として、極めて柔らかいゴム製で弾力性のある組成物が、効果的に使用される。ピンが支持しているので、センサチップ自体は、ワイヤボンディングの間、振動をし始めない。最後に、ピンがハウジングから再び除去されるが、これは、搬送及び実装の前に実際に生じるか否かに依存し得る。
本発明によって達成されることについて、以下に示す。
１．チップを非常に軟質のゴム製の弾性材料に完全に埋め込むことができ、したがって、上記チップは、剛性の空洞ハウジングから機械的に完全に切り離されている。
２．スペーサにセンサチップを固定し、上記センサチップを埋め込むために、単一のゴム製の弾性材料を用いる。
３．半導体センサ装置を用いている間、センサチップ、および特に、センサ領域のセンサ振動板に、機械力が直接作用しない。
４．他方では、必要な機械的安定は、ピンを用いることにより、または、ワイヤボンディング用のスペーサーを用いることにより得られる。
５．所定のスペーサーの機能である上記ピンは、上記装置に一時的に存在できる。あるいは、上記ピンは、ワイヤボンディングおよびチップをポッティングした直後、空洞ハウジングの底部領域から再び除去される。
６．ワイヤボンディングによる負荷がかかっている間にチップを固定するための本発明の思想によって、好ましくは圧力センサチップを機械的に完全に切り離すことができる。
本発明について、図面を参照しながら詳述する。
図１は、本発明の第１の実施形態にかかる半導体センサ装置の断面を概略的に示す図である。
図２〜図７は、半導体センサ装置の様々な製造段階における、空洞ハウジングの断面を概略的に示す図である。
図２は、空洞ハウジングの断面を概略的に示す図である。
図３は、ゴム製の弾力性の構成物の下部領域を加えた後の、図２の空洞ハウジングの断面を概略的に示す図である。
図４は、センサチップをゴム製の弾力性の構成物の下部領域に形成した後の、図３の空洞ハウジングの断面を概略的に示す図である。
図５は、上記センサチップを内部リードに電気的に接続した後の、図４の空洞ハウジングの断面を概略的に示す図である。
図６は、ゴム製の弾力性の構成物の上部領域を形成した後の、図５の空洞ハウジングの断面を概略的に示す図である。
図７は、空洞ハウジングの底部領域からスペーサーを除去した後の、図６の空洞ハウジングの断面を概略的に示す図である。
図１は、本発明の一実施形態にかかる半導体センサ装置２０の断面を概略的に示す図である。半導体センサ装置２０は、空洞ハウジング１を備えている。空洞ハウジング１の空洞２は、図１に示したように、上部に開いている。この開口部５によって、半導体センサ装置２０は、周囲６との物理接続を維持することができる。したがって、空洞ハウジング１の空洞２に配置されたセンサチップ３のセンサ領域４は、開口部５に対向している。上記センサチップ３は、空洞ハウジング１の空洞２において、あらゆる側面でゴム製の弾力性の構成物７の中に埋め込まれている。
このような半導体センサ装置２０の構造の結果、剛性の空洞ハウジング１は、あらゆる側面においてセンサチップを取り囲んでいるゴム製の弾力性の構成物７の中に上記センサチップ３を埋め込むことにより、センサチップ３から機械的に切り離されている。結果として、空洞ハウジング１と、上記導線と、センサチップ３との材料が異なっており、上記材料の膨張係数が異なっているために、熱ひずみが生じない。なぜなら、熱負荷によるこれらの異なる膨張がゴム製の弾力性の構成物７によって吸収されるからであり、あるいは、上記膨張が上記センサチップに伝達されないからである。さらに、剛性の空洞ハウジング１の振動負荷を、センサチップへの影響を制限して、または、著しく弱めて与えることができる。これにより、従来の半導体センサ装置よりも、半導体センサ装置２０の信頼性が高くなる。
ゴム製の弾力性の構成物７は、図１では一様であるように見えるが、２つの領域を含んでいる。センサチップ３の下には、主に下部領域８が配置されており、センサチップの背面側１０を覆っている。センサチップ３の上面１３には、主にゴム製の弾力性の構成物７の上部領域９が配置されており、上記上部領域は、センサチップの端部側１１、１２を部分的に覆っており、センサチップの接触領域２４を介して上記センサチップを吊るすボンディングワイヤ１４をゴム製の弾力性の構成物７に埋め込んでいる。
センサチップ３の中央には、主として、センサ領域４が配置されており、ボンディングワイヤ１４は、センサチップの端部領域において終端している。ボンディングワイヤ１４の断面の半径は、わずか数マイクロメートルであり、ボンディングワイヤ自体は、剛性の空洞ハウジング１との単一の機械的電気的接続を確立する。このために、ボンディングワイヤ１４は、内部リードトラック２３に接着され、その結果、測定信号を、センサチップ３からボンディングワイヤ１４を介して内部リードトラック２３に、および、そこから貫通接触部１５を介して外部接触部１６に、導くことができる。
空洞ハウジング１の底部１７は、ゴム製の弾力性の構成物７の下部領域８に延びる貫通開口部１８を有している。搬送および実装するための貫通開口部１８には、スペーサーを挿入できる。これにより、搬送および実装している間のセンサチップの位置が保証される。半導体センサ装置２０の使用領域において実装が行われて初めて、センサチップを解放しながら、上記スペーサーを、空洞ハウジング１の底部１７から除去できる。本発明の本実施形態では、底部１７は、側壁１９によって取り囲まれている。上記側壁を介して、貫通接触部１５は上記信号を外部へと外部接触部１６に導く。
図２〜図７は、半導体センサ装置２０の様々な製造段階中の、空洞ハウジング１の断面を概略的に示す図である。図１と同じ機能を有する部品を同じ参照符号で示し、上記部品については続く図２〜図７では個別に記載しない。
図２は、空洞ハウジング１の断面を概略的に示す図である。空洞ハウジング１は、プラスチックハウジング構成物２７から構成されており、底部１７と、上記底部１７を取り囲み、リード２５がしっかりと固定されている側壁１９とを備えている。リード２５は、複数の空洞ハウジング位置を有するリードフレームの一部である。このような空洞ハウジング１は、注入成形方法によって、空洞ハウジング位置のそれぞれにおいて成形されている。ここに存在している空洞ハウジング１は、空洞の底部１７に割り当てられたスペーサ２２を備えている。上記スペーサは、ここでは、ピンの形状をしており、このピンには、スペーサ２２の先細になっている鋭い端部２１がある。スペーサー２２は、上記スペーサの端部２１が空洞の底部のレベルにおいて空洞２に突き出ており、ボンディング、搬送および／または実装中、センサチップ３を支持し、上記センサチップから間隔を保つことができるように、空洞の底部に配置されている。側壁１９では、内部導体トラック２３が、上記底部領域に位置しており、上記空洞において、被覆されたボンディング領域２６に溶け込んでいる。ボンディング領域２６は、貫通接触部１５を介して外部接触部１６に電気的に接続されている。
図３は、ゴム製の弾力性の構成物７の下部領域を加えた後の、図２の空洞ハウジングの断面１を概略的に示す図である。この場合、ゴム製の弾力性の構成物７は、粘性が高い状態を保っている。これにより、センサチップがスペーサ２２の端部２１に触れるまで、上記センサチップをゴム製の弾力性の構成物７の下部領域８の中に成形できる。
図４は、ゴム製の弾力性の構成物７の下部領域８にセンサチップ３を形成した後の、図３の空洞ハウジング１の断面を概略的に示す図である。この場合、センサチップ３の背面側１０は、空洞ハウジング１の底部１７に配置されたスペーサー２２の端部２１上で接着するように支えられている。端部側１１、１２に向かってずれたゴム製の弾力性の構成物７によって、センサチップ３は、水平空間方向にも固定される。その結果、センサチップ３の接触領域２４においてボンディングワイヤを確実にボンディングできるようになる。
図５は、センサチップを内部リード２５に電気的に接続した後の、図４の空洞ハウジング１の断面を概略的に示す図である。このために、ボンディングワイヤ１４を、ボンディング針によってセンサチップ３の接触領域２４に接着し、続いて、上記ボンディングワイヤ１４を、空洞ハウジング１の中のリード２５のボンディング領域２６に装着する。センサチップ３の負荷を形成するボンディング中、センサチップ３は、その接触領域２４とボンディングワイヤ１４との間に、信頼できるボンディング接続部が生じるように、空洞ハウジング１の底部１７から突き出たスペーサー２２によって支持されている。
図６は、ゴム製の弾力性の構成物７の上部領域９を形成した後の、図５の空洞ハウジング１の断面を概略的に示す図である。この場合、ボンディングワイヤ１４、半導体チップ３の端部側１１、１２、および、半導体チップ３の上面１３は、ゴム製の弾力性の構成物７の中に埋め込まれている。結果として、センサチップ３は、今や、ゴム製の弾力性の構成物によって完全に取り囲まれており、スペーサー２２によってのみ、剛性の空洞ハウジング１に機械的に結合している。上記結合を、半導体センサ装置２０の搬送および実装を終了するまで維持できる。次に、スペーサー２２を底部１７から除去できる。
図７は、空洞ハウジング１の底部１７からスペーサー２２を除去した後の、図６の空洞ハウジング１の断面を概略的に示す図である。図７の半導体デバイス２０の概略的断面は、図１に既に示した概略的断面に相当する。
図１は、本発明の第１の実施形態にかかる半導体センサ装置の断面を概略的に示す図である。 図２は、空洞ハウジングの断面を概略的に示す図である。 図３は、ゴム製の弾力性の構成物の下部領域を加えた後の、図２の空洞ハウジングの断面を概略的に示す図である。 図４は、センサチップをゴム製の弾力性の構成物の下部領域に形成した後の、図３の空洞ハウジングの断面を概略的に示す図である。 図５は、上記センサチップを内部リードに電気的に接続した後の、図４の空洞ハウジングの断面を概略的に示す図である。 図６は、ゴム製の弾力性の構成物の上部領域を形成した後の、図５の空洞ハウジングの断面を概略的に示す図である。 図７は、空洞ハウジングの底部領域からスペーサーを除去した後の、図６の空洞ハウジングの断面を概略的に示す図である。

Claims (10)

  1. 空洞ハウジング（１）とセンサ領域（４）を有するセンサチップ（３）とを備えた半導体センサ装置であって、前記センサチップは、前記空洞ハウジング（１）の空洞（２）内に設けられており、前記空洞ハウジング（１）は、周囲（６）への開口（５）を有しており、前記センサ領域（４）は、前記開口（５）に対向しており、前記センサチップ（３）は、前記ハウジング（１）の前記空洞（２）内において、あらゆる側面がゴム製で弾力性のある組成物（７）に埋め込まれており、前記空洞ハウジング（１）が、貫通開口部（１８）を有する底部（１７）を有しており、
    前記貫通開口部は、前記ゴム製で弾力性のある組成物を通って前記センサチップの背面側に伸びている半導体センサ装置。
  2. 請求項１に記載の半導体センサ装置のための空洞ハウジングであって、
    前記空洞ハウジング（１）は、空洞（２）を区切る少なくとも１つの底部（１７）と側壁（１９）とを有し、スペーサ（２２）の除去可能な端部（２１）が底部（１７）から突出しており、前記スペーサ（２２）の前記端部（２１）は、前記スペーサ（２２）の前記端部（２１）上に位置づけられたセンサチップ（３）上のボンディングワイヤ（１４）の構成のための支持体を形成する空洞ハウジング。
  3. 前記スペーサ（２２）は、前記底部（１７）を通って前記空洞（２）に突き出たピンである請求項２記載の空洞ハウジングを備えた半導体センサ装置。
  4. 前記底部（１７）から突き出た前記スペーサ（２２）の端部（２１）は、前記ゴム製で弾力性のある組成物（７）によって封止されている請求項３に記載の半導体センサ装置。
  5. 空洞ハウジング（１）とセンサ領域（４）を有するセンサチップ（３）とを備えた半導体センサ装置（２０）の製造方法であって、前記センサチップは、前記空洞ハウジング（１）の空洞（２）に設けられており、
    内部導体トラック（２３）と外部接触部（１６）と空洞底部（１７）と、前記空洞底部（１７）を囲む側壁（１９）と、前記空洞底部（１７）から突出するスペーサ（２２）の端部（１７）とを備えた空洞ハウジング（１）を形成し、前記スペーサ（２２）の配置及び寸法は、センサチップ（３）の背面側（１０）の領域範囲に適合されており、前記スペーサ（２２）の端部（２１）は、前記スペーサ（２２）の端部（２１）上に位置するセンサチップ（３）上のボンディングワイヤ（１４）の構成のための支持体を形成しており、
    前記空洞ハウジング（１）の前記空洞（２）の底部（１７）を、少なくとも前記スペーサ（２２）の端部（２１）までゴム製で弾力性のある組成物（７）で満たし、
    センサチップ（３）をその背面側（１０）で前記スペーサ（２２）の端部（２１）に当てて、前記ゴム製で弾力性のある組成物（７）上に前記センサチップ（３）を固定し、
    前記センサチップ（３）の接触領域（２４）上にボンディングワイヤ（１４）を接着させ、
    前記ボンディングワイヤ（１４）と前記センサチップ（３）とを前記ゴム製で弾力性のある組成物（７）に埋め込み、
    前記底部（１７）から前記スペーサ（２２）を除去して前記空洞ハウジング（１）の底部（１７）に貫通開口部（１８）を形成し、
    前記貫通開口部は、前記ゴム製で弾力性のある組成物を通って前記センサチップの背面側に伸びている方法。
  6. 内部導体トラック（２３）と外部接触部（１６）とを備えた空洞ハウジング（１）を形成するために、まず、複数のハウジング位置を備えたリードフレームを製造し、前記ハウジング位置内にキャストインスペーサを備えた前記側壁（１９）と前記底部（１７）とが、注入成形技術によって製造され、この目的のために、注入成形する前に注入型の中に前記スペーサ（２２）が配置される請求項５記載の方法。
  7. 前記リードフレームは、注入成形動作の後に、前記リードフレームとともに完成された半導体センサ装置（２０）から除去されるスペーサ（２２）を有している請求項５または請求項６記載の方法。
  8. ディスペンス技術によって、前記空洞ハウジング（１）の空洞の底部（１７）をゴム製で弾力性のある組成物（７）で満たす請求項５〜７のいずれか１項記載の方法。
  9. 熱圧着または熱圧着ボンディングによって、ボンディングワイヤ（１４）を前記センサチップ（３）の接触領域（２４）に適合させる請求項５〜８のいずれか１項記載の方法。
  10. エッチング技術によって、前記スペーサ（２２）を除去する請求項５〜９のいずれか１項記載の方法。
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