JP4754817B2 - 半導体加速度センサ - Google Patents

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Description

本発明は、半導体加速度センサ、特に３軸それぞれの方向に作用する加速度を検出する半導体加速度センサに関する。
近年、自動車やロボット、各種精密機器など産業上の様々な分野において加速度センサが広く用いられている。なかでも、小型軽量であること、正確かつ確実に動作すること、低コストであることなどの要求から、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）技術を応用した半導体加速度センサの需要が急増している。
この半導体加速度センサの多くは、ピエゾ抵抗効果、すなわち、応力に比例して抵抗率が変化する現象を利用して加速度の検知を行う。一般的な半導体加速度センサは、例えば、パッケージの一部をなすセラミック基板上に台座を設け、この台座上に半導体加速度センサチップを固着して形成される。この半導体加速度センサチップは、シリコンなどを材料とする半導体基板において可撓性を持つ４本の梁部を形成し、その梁部によって半導体加速度センサチップの中央部に形成される錘部を吊り下げ、錘部に作用する加速度に応じて梁部が撓むように構成されている。また、４本の梁部の表面にはそれぞれピエゾ抵抗素子が形成され、これらのピエゾ抵抗素子によってホイートストン・ブリッジ回路が構成されている。加速度の作用によって梁部に応力が生じると、ホイートストン・ブリッジの抵抗バランスが変化し、この抵抗変化を電流の変化または電圧の変化として測定して加速度を検知する。
加速度センサに関する発明が、例えば、特許文献１乃至３に記載されている。
特許文献１に記載の発明は、ピエゾ抵抗素子を用いる半導体加速度センサに関する発明であって、半導体加速度センサの中枢機能を果たすシリコン単結晶基板の外周部分に作用部（錘部）、その内側部分に可撓部（梁部）、さらにその内側の中央部分に固定部を形成し、固定部の下面に設けられた円柱状の台座を介して単結晶基板をパッケージの底面に固着している。そして、作用部（錘部）の下面に設けられた円筒状の重錘体が加速度によって変位すると、その変位が単結晶基板の可撓部（梁部）に伝達されて加速度が検出される構造となっている。この半導体加速度センサの構造では、重錘体と台座との間に形成される間隙によって、重錘体の左右方向の変位が所定の限度以内になるように制限している。
特許文献２に記載の発明は、圧電セラミックスを用いる加速度センサに関する発明であって、一方が閉じている有底筒状の加速度センサを回路基板に実装する際に、センサ駆動用集積回路を加速度センサと回路基板との間に配置実装している。これにより、加速度センサの実装面積を小さくし、回路基板の回路パターンを短くして耐ノイズ性を向上させている。
特許文献３に記載の発明は、ピエゾ抵抗素子を用いる半導体加速度センサに関する発明であって、梁部を介して支持された重錘部を有する半導体加速度センサチップを、これと同等の熱膨張係数を有する材料で形成された台座により支持すると共に、台座と重錘部との間のエアギャップが７〜１５μｍの範囲となるように近接配置している。この半導体加速度センサの構造では、重錘部と台座との間のエアダンピングによって重錘部の振動を減衰させ、センサの出力特性を安定化して比較的低いレベルの加速度の検知を可能としている。
特許２１２７８４０（第１１頁、第１１図） 特開平９−６１４４８号公報（第２−３頁、第３図） 特開平１０−１２３１６６号公報（第５−８頁、第１−６図）
半導体加速度センサを小型化するためには、加速度が作用する錘部を小型化・薄膜化する必要がある。通常、錘部を小型化・薄膜化すると慣性モーメントが小さくなり、加速度センサの感度が低下するため、可撓性を持つ梁部も同時に薄膜化して感度を上げる必要がある。しかしながら、梁部を薄膜化すると半導体加速度センサの耐衝撃性が低下し、外部からの衝撃、例えば、落下衝撃などに対して脆弱となってしまう。また、半導体加速度センサの製造工程における衝撃、例えば、ダイシング工程での水圧やピックアップ時に加わる力などを受けて破損し、製造歩留まりの低下を引き起こす虞がある。従って、外形を小型化・薄膜化しつつ、耐衝撃性を向上させることができる半導体加速度センサが必要とされる。
特許文献１に記載の加速度センサは、シリコン単結晶基板の中央部分に固定部を形成し、固定部の下面に設けられた円柱状の台座を介して単結晶基板をパッケージの底面に直接固着している。そのため、外周部分の作用部（錘部）の下面に設けられた円筒状の重錘体の下面高さと、固定部の下面に設けられた円柱状の台座の下面高さとの間に段差を形成する工程が必要となり、製造工程が複雑化する虞がある。また、特許文献１には、加速度センサの耐衝撃性、特に、梁部の耐衝撃性に関しての記載は特になされていない。
特許文献２に記載の加速度センサは、圧電セラミックスを材料とする有底筒状の加速度センサ筐体の中央部に重錘体を設けているため、加速度センサを小型化するためには重錘体を小型化・薄膜化し、かつ可撓性を持つセンサ部も同時に薄膜化しなければならない。そのため、加速度センサの耐衝撃性が低下し、外部からの衝撃に対して脆弱となる虞がある。
特許文献３に記載の加速度センサは、半導体基板の中央部分に重錘部を形成し、可撓性を持つ梁部を介して周辺部分の枠体で支持する構造となっているため、加速度センサを小型化するためには重錘部を小型化・薄膜化し、かつ可撓性を持つ梁部も同時に薄膜化しなければならない。そのため、加速度センサの耐衝撃性が低下し、外部からの衝撃に対して脆弱となる虞がある。
本発明に係る半導体加速度センサは、半導体加速度センサチップと、制御用集積回路と、半導体加速度センサチップ及び前記制御用集積回路を収容するケースとを備えている。半導体加速度センサチップは、固定部と、固定部の下面高さと略同一の下面高さを有しかつ固定部と所定の間隙を有して固定部の周囲を囲む枠状の錘部と、固定部と錘部とを接続しかつ固定部及び錘部の膜厚よりも薄い梁部と、を有している。制御用集積回路は半導体加速度センサチップの下面に積層され、ケースの底面部に制御用集積回路が固着されている。梁部は、錘部の対角点同士を結ぶ仮想直線に一致する方向で固定部と錘部とを接続している。固定部には、表面に所定の間隔を有して複数の第１電極が配置されている。制御用集積回路には、表面に所定の間隔を有して複数の第２電極が配置されている。第１電極と第２電極とは、固定部と錘部との間隙を利用してワイヤーボンディングで接続される。
本発明に係る半導体加速度センサによれば、半導体加速度センサチップの錘部を周辺部に配置して錘部の体積を大きく設定することにより、半導体加速度センサチップを薄膜化しても十分な慣性モーメントが作用するようになる。これにより、半導体加速度センサチップを薄型化、延いては半導体加速度センサの構造全体を薄型化することが可能となる。また、十分な慣性モーメントが作用するため、例えば、梁部を所定の機械的強度が確保される膜厚で形成した場合でも、加速度センサの十分な感度を確保することができる。そして、梁部の機械的強度を確保することにより、加速度センサの耐衝撃性を向上させ、製造工程における破損を防止して製造歩留まりの低下を抑制することができる。また、半導体加速度センサチップの下面に制御用集積回路を積層し、ケースの底面部に制御用集積回路を固着する構造とすることにより、錘部とケース底面部との間隔が確保できるため、半導体加速度センサチップの固定部の下面と、錘部の下面とを略同一の高さで形成することができる。これにより、半導体加速度センサチップの製造工程を簡略化することができる。また、制御用集積回路と半導体加速度センサチップを積層することで、制御用集積回路を内蔵した上で半導体加速度センサの外形サイズを小さくすることができる。
（１）第１実施形態
図１は、本発明の第１実施形態に係る半導体加速度センサ１００の構成図である。図１（ａ）は上方からの平面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ’における断面図である。なお、図１（ａ）では、説明の便宜上、上面の蓋を外した状態を示している。
半導体加速度センサ１００は、半導体加速度センサチップ１０がケース５０に収容され、蓋５５で気密封止された構造となっている。
半導体加速度センサチップ１０は、例えば、シリコンの半導体基板を用いて形成され、固定部１１と、錘部１２と、梁部１３とを備えている。
固定部１１は、半導体加速度センサチップ１０の中央部に位置し、上方から見た外形形状が略正方形の四角柱構造をしている。固定部１１の上面には、後述するピエゾ抵抗素子１６からの信号を外部に取り出すための電極パッド１５が、所定間隔を有して複数個配置されている。また、固定部１１の下面は、後述するケース５０の底面部５１に形成された突起部５１ａ上に固着されている。
錘部１２は、半導体加速度センサチップ１０の周辺部に位置し、固定部１１を囲むように形成された略矩形の枠状の部分である。錘部１２を半導体加速度センサチップ１０の周辺部に配置することにより、従来の半導体加速度センサチップの構造、すなわち、半導体加速度センサチップの中央部に錘部を備える構造に比べ、錘部の体積を大きく設定することができる。これにより、半導体加速度センサチップ１０の構造全体を薄膜化しても所定の慣性モーメントが作用するため、加速度センサの感度低下を抑制することができる。また、固定部１１の下面と錘部１２の下面とは略同一の高さで形成されている。これは、半導体加速度センサチップ１０の製造工程を簡略化できることを意味している。具体的には、従来の半導体加速度センサチップの構造においては、加速度の作用により錘部が自由に変位できるように錘部の下面と固定部の下面との間には段差を設けなければならず、そのためのエッチング工程が必要であった。しかしながら、本実施形態の半導体加速度センサチップ１０においては、固定部１１の下面と錘部１２の下面とは略同一の高さで形成されるため、段差形成のためのエッチング工程が不要となる。
錘部１２と固定部１１とは間隙部１４により分離されている。間隙部１４は、例えば、固定部１１及び錘部１２の各辺の略中心部において約０．３ｍｍの間隔を有しており、従来の半導体加速度センサチップの構造と比べて間隔が広く形成されている。これにより、製造工程における異物、例えば、ダイシング時の切り屑などが間隙部に噛み込まれ、加速度センサの動作が妨げられることを回避することができる。
梁部１３は、固定部１１と錘部１２とを接続する板状部分、すなわち、半導体基板の膜厚が薄い部分であり、固定部１１と錘部１２との対角点同士を互いに接続し、錘部１２の上下横方向の移動に伴って撓むように可撓性を有するように形成されている。梁部１３の上面には、所定間隔を有して複数のピエゾ抵抗素子１６が形成されており、加速度の作用によって梁部１３が上下横方向に撓むことにより、ピエゾ抵抗素子１６の抵抗値が変化する。ピエゾ抵抗素子１６の抵抗値の変化に基づく信号は、図示しない配線から電極パッド１５を介して外部に取り出される。本実施形態の半導体加速度センサチップ１０では、錘部１２が半導体加速度センサチップ１０の周辺部に位置する構造となっているため、既述したように、錘部１２の体積を大きく設定することができる。従って、梁部１３を薄膜化することなく、加速度センサの所望の感度を確保することができる。また、固定部１１及び錘部１２の対角方向に梁部１３を配置することにより、梁部１３の長さを長く設定できるため、加速度センサの感度をさらに向上させることができる。
次に、ケース５０は、例えば、セラミックを用いて形成され、底面部５１と、側面部５２とを備えている。
底面部５１は、その中央部に上方から見た外形形状が略正方形の突起部５１ａを備えており、突起部５１ａの上面で半導体加速度センサチップ１０を支持固定している。突起部５１ａの上面への半導体加速度センサチップ１０の固着は、例えば、エポキシ樹脂やシリコン樹脂などの熱硬化性樹脂を用いて１５０℃／１ｈｒの熱処理によって熱硬化させることで行われる。突起部５１ａの高さは、例えば、３０μｍであり、この高さ分だけ半導体加速度センサチップ１０の固定部１１の高さを錘部１２の高さよりも実効的に高くすることができる。これにより、錘部１２が底面部５１に接触することなく、加速度の作用により自由に変位することができる。なお、突起部５１ａの形成は、例えば、セラミックからなるケース５０を作製する際に、底面部５１となる部分のセラミック材料の表面、すなわち、グリーンシートの表面に突起部５１ａとなる略正方形のグリーンシートを貼り付けてから焼成すればよい。また、突起部５１ａを有しないケースに対して、半導体加速度センサチップ１０の実装工程で略正方形の樹脂フィルム、例えば、エポキシフィルムなどを貼り付けて突起部５１ａを形成してもよい。
側面部５２は、底面部５１と一体に形成されるケース５０の側壁である。側面部５２の４つの各辺の中央部には複数の配線孔が形成されており、その配線孔を通るようにしてケース５０の外部へと導かれる外部配線用電極５３が、所定間隔を有して複数配置されている。そして、半導体加速度センサチップ１０の電極パッド１５と、外部配線用電極５３とはボンディングワイヤー５４によって電気的に接続されている。ここでのワイヤーボンディングは、例えば、金線を材料とし、２３０℃の超音波併用熱圧着法により行われる。本実施形態の半導体加速度センサチップ１０では、突起部５１ａで支持固定された固定部１１の表面に電極パッド１５を配置しているため、電極パッド１５と外部配線用電極５３とを接続するワイヤーボンディングにおいて、半導体加速度センサチップ１０、特に、梁部１３が破損することはない。
ケース５０の上部には、金属製の蓋５５が取り付けられている。蓋５５は、例えば、４２アロイ合金やＳＵＳ（ステンレス）などを材料とし、熱硬化性樹脂を用いてケース５０の側面部５２上に密閉性を有するように取り付けられる。なお、ケース５０の内部はＮ２ガスまたはドライエアーでパージされている。
〔作用効果〕
本発明の第１実施形態に係る半導体加速度センサ１００によれば、半導体加速度センサチップ１０の錘部１２を周辺部に配置して錘部１２の体積を大きく設定することにより、半導体加速度センサチップ１０を薄膜化しても十分な慣性モーメントが作用するようになる。これにより、半導体加速度センサチップ１０を薄型化、延いては半導体加速度センサ１００の構造全体を薄型化することが可能となる。また、十分な慣性モーメントが作用するため、所定の機械的強度が確保される膜厚を以て梁部１３を形成した場合でも、加速度センサの十分な感度を確保することができる。そして、梁部１３の機械的強度を確保することにより、加速度センサの耐衝撃性を向上させ、製造工程における破損を防止して製造歩留まりの低下を抑制することができる。また、梁部１３を固定部１１及び錘部１２の対角方向に配置することにより、梁部１３の長さを長く設定できるため、加速度センサの感度をさらに向上させることができる。また、間隙部１４の間隔を広く形成することにより、製造工程における異物の噛み込みに起因する動作不良の発生を回避することができる。さらに、ケース５０の底面部５１に突起部５１ａを形成し、その上面に半導体加速度センサチップ１０を支持固定する構造とすることにより、半導体加速度センサチップ１０の固定部１１の下面と、錘部１２の下面とを略同一の高さで形成することができるため、半導体加速度センサチップ１０の製造工程を簡略化することができる。
（２）第２実施形態
図２は、本発明の第２実施形態に係る半導体加速度センサ２００の構成図である。図２（ａ）は上方からの平面図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）のＡ−Ａ’における断面図である。なお、図２（ａ）では、説明の便宜上、上面の蓋を外した状態を示している。
半導体加速度センサ２００は、半導体加速度センサチップ２０がケース６０に収容され、蓋６５で気密封止された構造となっている。
半導体加速度センサチップ２０は、例えば、シリコンの半導体基板を用いて形成され、固定部２１と、錘部２２と、梁部２３とを備えている。
固定部２１は、半導体加速度センサチップ２０の中央部に位置し、上方から見た外形形状が略円形の円柱構造をしている。固定部２１の上面には、後述するピエゾ抵抗素子２６からの信号を外部に取り出すための電極パッド２５が、所定間隔を有して複数個配置されている。また、固定部２１の下面は、後述するケース６０の底面部６１に形成された突起部６１ａ上に固着されている。第１実施形態における固定部１１は上方から見た外形形状が略正方形をしていたが、第２実施形態における固定部２１は上方から見た外形形状が略円形をしている。この効果について、図５の比較図を用いて説明する。略正方形の固定部１１の一辺の長さをＬとすれば、その対角線の長さは√２×Ｌとなる。今、略円形の固定部２１が略正方形の固定部２１に外接するとすれば、固定部２１の直径は固定部１１の対角線の長さに等しく√２×Ｌとなる。ここで、固定部１１及び固定部２１それぞれの面積を計算すると、略正方形の固定部１１の面積はＬ×Ｌ＝Ｌ２、略円形の固定部２１の面積はπ×（１／√２）２×Ｌ２＝１．５７Ｌ２となる。つまり、固定部２１の面積は固定部１１の面積の約１．５７倍となることが分かる。従って、第１実施形態に比べ、半導体加速度センサチップ２０とケース６０との接合面積が大きくなり、その接合強度を向上させることができる。
錘部２２は、半導体加速度センサチップ２０の周辺部に位置し、固定部２１を囲むように形成された略矩形の枠状の部分である。錘部２２を半導体加速度センサチップ２０の周辺部に配置することにより、従来の半導体加速度センサチップの構造、すなわち、半導体加速度センサチップの中央部に錘部を備える構造に比べ、錘部の体積を大きく設定することができる。これにより、半導体加速度センサチップ２０の構造全体を薄膜化しても所定の慣性モーメントが作用するため、加速度センサの感度低下を抑制することができる。また、固定部２１の下面と錘部２２の下面とは略同一の高さで形成されている。これは、半導体加速度センサチップ２０の製造工程を簡略化できることを意味している。具体的には、従来の半導体加速度センサチップの構造においては、加速度の作用により錘部が自由に変位できるように錘部の下面と固定部の下面との間には段差を設けなければならず、そのためのエッチング工程が必要であった。しかしながら、本実施形態の半導体加速度センサチップ２０においては、固定部２１の下面と錘部２２の下面とは略同一の高さで形成されるため、段差形成のためのエッチング工程が不要となる。
錘部２２と固定部２１とは間隙部２４により分離されている。間隙部２４は、従来の半導体加速度センサチップの構造と比べて間隔が広く形成されている。これにより、製造工程における異物、例えば、ダイシング時の切り屑などが間隙部に噛み込まれ、加速度センサの動作が妨げられることを回避することができる。
梁部２３は、固定部２１と錘部２２とを接続する板状部分、すなわち、半導体基板の膜厚が薄い部分であり、錘部２２の対角点同士を結ぶラインに一致する方向において固定部２１と錘部２２と互いに接続し、錘部２２の上下横方向の移動に伴って撓むように可撓性を有するように形成されている。梁部２３の上面には、所定間隔を有して複数のピエゾ抵抗素子２６が形成されており、加速度の作用によって梁部２３が上下横方向に撓むことにより、ピエゾ抵抗素子２６の抵抗値が変化する。ピエゾ抵抗素子２６の抵抗値の変化に基づく信号は、図示しない配線から電極パッド２５を介して外部に取り出される。本実施形態の半導体加速度センサチップ２０では、錘部２２が半導体加速度センサチップ２０の周辺部に位置する構造となっているため、既述したように、錘部２２の体積を大きく設定することができる。従って、梁部２３を薄膜化することなく、加速度センサの所望の感度を確保することができる。また、錘部２２の対角方向に梁部２３を配置することにより、梁部２３の長さを長く設定できるため、加速度センサの感度をさらに向上させることができる。
次に、ケース６０は、例えば、セラミックを用いて形成され、底面部６１と、側面部６２とを備えている。
底面部６１は、その中央部に上方から見た外形形状が略円形の突起部６１ａを備えており、突起部６１ａの上面で半導体加速度センサチップ２０を支持固定している。突起部６１ａの上面への半導体加速度センサチップ２０の固着は、例えば、エポキシ樹脂やシリコン樹脂などの熱硬化性樹脂を用いて１５０℃／１ｈｒの熱処理によって熱硬化させることで行われる。突起部６１ａの高さは、例えば、３０μｍであり、この高さ分だけ半導体加速度センサチップ２０の固定部２１の高さを錘部２２の高さよりも実効的に高くすることができる。これにより、錘部２２が底面部６１に接触することなく、加速度の作用により自由に変位することができる。なお、突起部６１ａの形成は、例えば、セラミックからなるケース６０を作製する際に、底面部６１となる部分のセラミック材料の表面、すなわち、グリーンシートの表面に突起部６１ａとなる略円形のグリーンシートを貼り付けてから焼成すればよい。また、突起部６１ａを有しないケースに対して、半導体加速度センサチップ２０の実装工程で略円形の樹脂フィルム、例えば、エポキシフィルムなどを貼り付けて突起部６１ａを形成してもよい。
側面部６２は、底面部６１と一体に形成されるケース６０の側壁である。側面部６２の４つの各辺の中央部には複数の配線孔が形成されており、その配線孔を通るようにしてケース６０の外部へと導かれる外部配線用電極６３が、所定間隔を有して複数配置されている。そして、半導体加速度センサチップ２０の電極パッド２５と、外部配線用電極６３とはボンディングワイヤー６４によって電気的に接続されている。ここでのワイヤーボンディングは、例えば、金線を材料とし、２３０℃の超音波併用熱圧着法により行われる。本実施形態の半導体加速度センサチップ２０では、突起部６１ａで支持固定された固定部２１の表面に電極パッド２５を配置しているため、電極パッド２５と外部配線用電極６３とを接続するワイヤーボンディングにおいて、半導体加速度センサチップ２０、特に、梁部２３が破損することはない。
ケース６０の上部には、金属製の蓋６５が取り付けられている。蓋６５は、例えば、４２アロイ合金やＳＵＳ（ステンレス）などを材料とし、熱硬化性樹脂を用いてケース６０の側面部６２上に密閉性を有するように取り付けられる。なお、ケース６０の内部はＮ２ガスまたはドライエアーでパージされている。
〔作用効果〕
本発明の第２実施形態に係る半導体加速度センサ２００によれば、第１実施形態に係る半導体加速度センサ１００と同様の効果を奏することができる。すなわち、半導体加速度センサチップ２０の錘部２２を周辺部に配置して錘部２２の体積を大きく設定することにより、半導体加速度センサチップ２０を薄膜化しても十分な慣性モーメントが作用するようになる。これにより、半導体加速度センサチップ２０を薄型化、延いては半導体加速度センサ２００の構造全体を薄型化することが可能となる。また、十分な慣性モーメントが作用するため、所定の機械的強度が確保される膜厚を以て梁部２３を形成した場合でも、加速度センサの十分な感度を確保することができる。そして、梁部２３の機械的強度が確保されることにより、加速度センサの耐衝撃性が向上し、製造工程における破損を防止して製造歩留まりの低下を抑制することができる。また、梁部２３を錘部２２の対角方向に配置することにより、梁部２３の長さを長く設定できるため、加速度センサの感度をさらに向上させることができる。また、間隙部２４の間隔を広く形成することにより、製造工程における異物の噛み込みに起因する動作不良の発生を回避することができる。また、ケース６０の底面部６１に突起部６１ａを形成し、その上面に半導体加速度センサチップ２０を支持固定する構造とすることにより、半導体加速度センサチップ２０の固定部２１の下面と、錘部２２の下面とを略同一の高さで形成することができるため、半導体加速度センサチップ２０の製造工程を簡略化することができる。さらに第２実施形態では、上記の効果に加えて、半導体加速度センサチップ２０の固定部２１を円柱構造とすることにより、固定部２１と突起部６１ａとの接合面積を大きくすることができるため、その接合強度を向上させることができる。これにより、加速度センサの耐衝撃性をさらに向上させることができる。
（３）第３実施形態
図３は、本発明の第３実施形態に係る半導体加速度センサ３００の構成図である。図３（ａ）は上方からの平面図であり、図３（ｂ）は図３（ａ）のＡ−Ａ’における断面図である。なお、図３（ａ）では、説明の便宜上、上面の蓋を外した状態を示している。半導体加速度センサ３００は、制御用集積回路３０上に積層された半導体加速度センサチップ１０もしくは半導体加速度センサチップ２０が、制御用集積回路３０と共にケース７０に収容され、蓋７５で気密封止された構造となっている。
本実施形態における半導体加速度センサチップは、第１実施形態の半導体加速度センサチップ１０及び第２実施形態の半導体加速度センサチップ２０のいずれであってもよいが、説明の便宜上、半導体加速度センサチップ１０を使用した場合を例に説明する。なお、図３において、第１実施形態と同一の半導体加速度センサチップ１０の構造については、図１と同一符号を付してその説明を省略する。
制御用集積回路３０は、半導体加速度センサチップ１０のセンサ感度補正やＸ、Ｙ、Ｚ軸のズレ補正を行うためのＩＣ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）である。制御用集積回路３０の下面は、後述するケース７０の底面部７１の表面に固着されている。また、制御用集積回路３０の上面には、半導体加速度センサチップ１０が積層されている。制御用集積回路３０の上面への半導体加速度センサチップ１０の固着は、例えば、エポキシ樹脂やシリコン樹脂などの熱硬化性樹脂を用いて１５０℃／１ｈｒの熱処理によって熱硬化させることで行われる。また、制御用集積回路３０の上面には、制御用集積回路３０と半導体加速度センサチップ１０との間で信号をやりとりするための電極パッド３１が所定間隔を有して複数個配置されており、間隙部１４の中を通して半導体加速度センサチップ１０の一部の電極パッド１５とボンディングワイヤー３２によって電気的に接続されている。ここでのワイヤーボンディングは、例えば、金線を材料とし、２３０℃の超音波併用熱圧着法により行われる。本実施形態における制御用集積回路３０は、第１実施形態におけるケース５０の突起部５１ａと構造上同じ機能を果たしている。すなわち、制御用集積回路３０の高さ分だけ半導体加速度センサチップ１０の固定部１１の高さを錘部１２の高さよりも実効的に高くすることができるため、錘部１２が底面部７１に接触することなく、加速度の作用により自由に変位することができる。
次に、ケース７０は、例えば、セラミックを用いて形成され、底面部７１と、側面部７２とを備えている。
底面部７１は、その表面で制御用集積回路３０を支持固定している。底面部７１の表面への制御用集積回路３０の固着は、例えば、エポキシ樹脂やシリコン樹脂などの熱硬化性樹脂を用いて１５０℃／１ｈｒの熱処理によって熱硬化させることで行われる。
側面部７２は、底面部７１と一体に形成されるケース７０の側壁である。側面部７２の４つの各辺の中央部には複数の配線孔が形成されており、その配線孔を通るようにしてケース７０の外部へと導かれる外部配線用電極７３が、所定間隔を有して複数配置されている。そして、半導体加速度センサチップ１０の電極パッド１５と、外部配線用電極７３とはボンディングワイヤー７４によって電気的に接続されている。ここでのワイヤーボンディングは、例えば、金線を材料とし、２３０℃の超音波併用熱圧着法により行われる。本実施形態の半導体加速度センサチップ１０では、制御用集積回路３０で支持固定された固定部１１の表面に電極パッド１５を配置しているため、電極パッド１５と外部配線用電極７３とを接続するワイヤーボンディングにおいて、半導体加速度センサチップ１０、特に、梁部１３が破損することはない。
ケース７０の上部には、金属製の蓋７５が取り付けられている。蓋７５は、例えば、４２アロイ合金やＳＵＳ（ステンレス）などを材料とし、熱硬化性樹脂を用いてケース７０の側面部７２上に密閉性を有するように取り付けられる。なお、ケース７０の内部はＮ２ガスまたはドライエアーでパージされている。
〔作用効果〕
本発明の第３実施形態に係る半導体加速度センサ３００によれば、半導体加速度センサチップ１０（２０）の錘部１２（２２）を周辺部に配置して錘部１２（２２）の体積を大きく設定することにより、半導体加速度センサチップ１０（２０）を薄膜化しても十分な慣性モーメントが作用するようになる。これにより、半導体加速度センサチップ１０（２０）を薄型化することが可能となる。また、十分な慣性モーメントが作用するため、所定の機械的強度が確保される膜厚を以て梁部１３（２３）を形成した場合でも、加速度センサの十分な感度を確保することができる。そして、梁部１３（２３）の機械的強度を確保することにより、加速度センサの耐衝撃性を向上させ、製造工程における破損を防止して製造歩留まりの低下を抑制することができる。また、梁部１３（２３）を錘部１２（２２）の対角方向に配置することにより、梁部１３（２３）の長さを長く設定できるため、加速度センサの感度をさらに向上させることができる。また、間隙部１４（２４）の間隔を広く形成することにより、製造工程における異物の噛み込みに起因する動作不良の発生を回避することができる。また、ケース７０の底面部７１の表面に制御用集積回路３０を形成し、その上面に半導体加速度センサチップ１０（２０）を支持固定する構造とすることにより、半導体加速度センサチップ１０（２０）の固定部１１（２１）の下面と、錘部１２（２２）の下面とを略同一の高さで形成することができるため、半導体加速度センサチップ１０（２０）の製造工程を簡略化することができる。また、制御用集積回路３０と半導体加速度センサチップ１０（２０）を積層することで、制御用集積回路３０を内蔵した上で半導体加速度センサ３００の外形サイズを小さくすることができる。さらに、半導体加速度センサチップ１０（２０）の電極パッド１５（２５）と制御用集積回路３０の電極パッド３１とを、間隙部１４（２４）の中を通したボンディングワイヤー３２で接続することにより、ボンディングワイヤー３２の長さを短くすることができるため、耐ノイズ性が向上する。
（４）第４実施形態
図４は、本発明の第４実施形態に係る半導体加速度センサ４００の構成図である。図４（ａ）は上方からの平面図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）のＡ−Ａ’における断面図である。なお、図４（ａ）では、説明の便宜上、上面の蓋を外した状態を示している。
半導体加速度センサ４００は、半導体加速度センサチップ１０もしくは半導体加速度センサチップ２０が、半導体加速度センサチップ１０もしくは半導体加速度センサチップ２０と横並びに配置された制御用集積回路４０と共にケース８０に収容され、蓋８５で気密封止された構造となっている。
本実施形態における半導体加速度センサチップは、第１実施形態の半導体加速度センサチップ１０及び第２実施形態の半導体加速度センサチップ２０のいずれであってもよいが、説明の便宜上、半導体加速度センサチップ１０を使用した場合を例に説明する。なお、図４において、第１実施形態と同一の半導体加速度センサチップ１０の構造については、図１と同一符号を付してその説明を省略する。
制御用集積回路４０は、半導体加速度センサチップ１０のセンサ感度補正やＸ、Ｙ、Ｚ軸のズレ補正を行うためのＩＣである。制御用集積回路４０は、半導体加速度センサチップ１０と横並びに配置され、制御用集積回路４０の下面は後述するケース８０の底面部８１の表面に固着されている。制御用集積回路４０の上面には、制御用集積回路４０と半導体加速度センサチップ１０、及び制御用集積回路４０とその他の外部回路との間で信号をやりとりするための電極パッド４１が所定間隔を有して複数個配置されており、半導体加速度センサチップ１０の一部の電極パッド１５及び後述するケース８０の外部配線用電極８３とボンディングワイヤー４２によって電気的に接続されている。ここでのワイヤーボンディングは、例えば、金線を材料とし、２３０℃の超音波併用熱圧着法により行われる。
次に、ケース８０は、例えば、セラミックを用いて形成され、底面部８１と、側面部８２とを備えている。
底面部８１は、その中央部に上方から見た外形形状が略正方形の突起部８１ａを備えており、突起部８１ａの上面で半導体加速度センサチップ１０を支持固定している。突起部８１ａの上面への半導体加速度センサチップ１０の固着は、例えば、エポキシ樹脂やシリコン樹脂などの熱硬化性樹脂を用いて１５０℃／１ｈｒの熱処理によって熱硬化させることで行われる。突起部８１ａの高さは、例えば、３０μｍであり、この高さ分だけ半導体加速度センサチップ１０の固定部１１の高さを錘部１２の高さよりも実効的に高くすることができる。これにより、錘部１２が底面部８１に接触することなく、加速度の作用により自由に変位することができる。なお、突起部８１ａの形成は、例えば、セラミックからなるケース８０を作製する際に、底面部８１となる部分のセラミック材料の表面、すなわち、グリーンシートの表面に突起部８１ａとなる略円形のグリーンシートを貼り付けてから焼成すればよい。また、突起部８１ａを有しないケースに対して、半導体加速度センサチップ１０の実装工程で略正方形の樹脂フィルム、例えば、エポキシフィルムなどを貼り付けて突起部８１ａを形成してもよい。
側面部８２は、底面部８１と一体に形成されるケース８０の側壁である。側面部８２の４つの各辺の中央部には複数の配線孔が形成されており、その配線孔を通るようにしてケース８０の外部へと導かれる外部配線用電極８３が、所定間隔を有して複数配置されている。そして、半導体加速度センサチップ１０の電極パッド１５と、外部配線用電極８３とはボンディングワイヤー８４によって電気的に接続されている。また、制御用集積回路４０の電極パッド４１と、外部配線用電極８３とはボンディングワイヤー４２によって電気的に接続されている。ここでのワイヤーボンディングは、例えば、金線を材料とし、２３０℃の超音波併用熱圧着法により行われる。本実施形態の半導体加速度センサチップ１０では、突起部８１ａで支持固定された固定部１１の表面に電極パッド１５を配置しているため、電極パッド１５と外部配線用電極８３とを接続するワイヤーボンディングにおいても半導体加速度センサチップ１０、特に、梁部１３が破損することはない。
ケース８０の上部には、金属製の蓋８５が取り付けられている。蓋８５は、例えば、４２アロイ合金やＳＵＳ（ステンレス）などを材料とし、熱硬化性樹脂を用いてケース８０の側面部８２上に密閉性を有するように取り付けられる。なお、ケース８０の内部はＮ２ガスまたはドライエアーでパージされている。
〔作用効果〕
本発明の第４実施形態に係る半導体加速度センサ４００によれば、半導体加速度センサチップ１０（２０）の錘部１２（２２）を周辺部に配置して錘部１２（２２）の体積を大きく設定することにより、半導体加速度センサチップ１０（２０）を薄膜化しても十分な慣性モーメントが作用するようになる。これにより、半導体加速度センサチップ１０（２０）を薄型化することが可能となる。また、十分な慣性モーメントが作用するため、所定の機械的強度が確保される膜厚を以て梁部１３（２３）を形成した場合でも、加速度センサの十分な感度を確保することができる。そして、梁部１３（２３）の機械的強度を確保することにより、加速度センサの耐衝撃性を向上させ、製造工程における破損を防止して製造歩留まりの低下を抑制することができる。また、梁部１３（２３）を錘部１２（２２）の対角方向に配置することにより、梁部１３（２３）の長さを長く設定できるため、加速度センサの感度をさらに向上させることができる。また、間隙部１４（２４）の間隔を広く形成することにより、製造工程における異物の噛み込みに起因する動作不良の発生を回避することができる。また、ケース８０の底面部８１の表面に突起部８１ａを形成し、その上面に半導体加速度センサチップ１０（２０）を支持固定する構造とすることにより、半導体加速度センサチップ１０（２０）の固定部１１（２１）の下面と、錘部１２（２２）の下面とを略同一の高さで形成することができるため、半導体加速度センサチップ１０（２０）の製造工程を簡略化することができる。さらに、制御用集積回路４０と半導体加速度センサチップ１０（２０）を横並びに配置することで、制御用集積回路４０を内蔵した上で半導体加速度センサ４００の構造全体を薄型化することができる。
第１実施形態に係る半導体加速度センサの構成図。 第２実施形態に係る半導体加速度センサの構成図。 第３実施形態に係る半導体加速度センサの構成図。 第４実施形態に係る半導体加速度センサの構成図。 固定部の接合面積の比較図。
符号の説明
１０、２０・・・半導体加速度センサチップ
１１、２１・・・固定部
１２、２２・・・錘部
１３、２３・・・梁部
１４、２４・・・間隙部
１５、２５、３１、４１・・・電極パッド
１６、２６・・ピエゾ抵抗素子
３０、４０・・・制御用集積回路
５０、６０、７０、８０・・・ケース
５１、６１、７１、８１・・・底面部
５１ａ、６１ａ、８１ａ・・・突起部
５２、６２、７２、８２・・・側面部
５３、６３、７３、８３・・・外部配線用電極
３２、４２、５４、６４、７４、８４・・・ボンディングワイヤー
５５、６５、７５、８５・・・蓋
１００、２００、３００、４００・・・半導体加速度センサ

Claims (6)

  1. 固定部と、前記固定部の下面高さと略同一の下面高さを有しかつ前記固定部と所定の間隙を有して前記固定部の周囲を囲む枠状の錘部と、前記固定部と前記錘部とを接続しかつ前記固定部及び前記錘部の膜厚よりも薄い梁部と、を有する半導体加速度センサチップと、
    前記半導体加速度センサチップの下面に積層される制御用集積回路と、
    底面部に前記制御用集積回路が固着されかつ前記半導体加速度センサチップ及び前記制御用集積回路を収容するケースと、
    を備え、
    前記梁部は、前記錘部の対角点同士を結ぶ仮想直線に一致する方向で前記固定部と前記錘部とを接続し、
    前記固定部には、表面に所定の間隔を有して複数の第１電極が配置され、
    前記制御用集積回路には、表面に所定の間隔を有して複数の第２電極が配置され、
    前記第１電極と前記第２電極とは、前記固定部と前記錘部との間隙を利用してワイヤーボンディングで接続されることを特徴とする半導体加速度センサ。
  2. 前記ワイヤーボンディングは、金線を材料として超音波併用熱圧着法を用いて接続されることを特徴とする、請求項１に記載の半導体加速度センサ。
  3. 前記ケースは、前記半導体加速度センサの外部へ導かれる外部配線用電極を有する側面部を備え、前記第１電極と前記外部配線用電極とはワイヤーボンディングで接続されることを特徴とする、請求項１に記載の半導体加速度センサ。
  4. 前記ワイヤーボンディングは、金線を材料として超音波併用熱圧着法を用いて接続されることを特徴とする、請求項３に記載の半導体加速度センサ。
  5. 前記固定部は、上方から見た外形形状が略正方形の四角柱構造をしていることを特徴とする、請求項３に記載の半導体加速度センサ。
  6. 前記固定部は、上方から見た外形形状が略円形の円柱構造をしていることを特徴とする、請求項３に記載の半導体加速度センサ。
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