JP4803917B2

JP4803917B2 - 圧力検出装置用パッケージ

Info

Publication number: JP4803917B2
Application number: JP2001230641A
Authority: JP
Inventors: 浩司木野村
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2001-07-30
Filing date: 2001-07-30
Publication date: 2011-10-26
Anticipated expiration: 2021-07-30
Also published as: JP2003042873A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧力を検出するための圧力検出装置に使用される圧力検出装置用パッケージに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、圧力を検出するための圧力検出装置として静電容量型の圧力検出装置が知られている。この静電容量型の圧力検出装置は、例えば図２に断面図で示すように、セラミックス材料や樹脂材料から成る配線基板21上に、静電容量型の感圧素子22と、パッケージ28に収容された演算用の半導体素子29とを備えている。感圧素子22は、例えばセラミックス材料等の電気絶縁材料から成り、上面中央部に静電容量形成用の一方の電極23が被着された凹部を有する絶縁基体24と、この絶縁基体24の上面に絶縁基体24との間に密閉空間を形成するようにして可撓な状態で接合され、下面に静電容量形成用の他方の電極25が被着された絶縁板26と、各静電容量形成用の電極23・25をそれぞれ外部に電気的に接続するための外部リード端子27とから構成されており、外部の圧力に応じて絶縁板26が撓むことにより各静電容量形成用の電極23・25間に形成される静電容量が変化する。そして、この静電容量の変化を演算用の半導体素子29により演算処理することにより外部の圧力を検出することができる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この従来の圧力検出装置によると、感圧素子22と半導体素子29とを配線基板21上に個別に実装していることから、圧力検出装置が大型化してしまうとともに圧力検出用の電極23・25と半導体素子29との間の配線が長いものとなり、この長い配線間に不要な静電容量が形成されるため感度が低いという問題点を有していた。
【０００４】
そこで、本願出願人は、先に特願2000-178618において、一方の主面に半導体素子が搭載される搭載部を有する絶縁基体と、この絶縁基体の表面および内部に配設され、半導体素子の各電極が電気的に接続される複数の配線導体と、絶縁基体の他方の主面の中央部に被着され、配線導体の一つに電気的に接続された静電容量形成用の第一電極と、絶縁基体の他方の主面に、この主面の中央部との間に密閉空間を形成するように可撓な状態で接合された絶縁板と、この絶縁板の内側主面に第一電極に対向して被着され、配線導体の他の一つに電気的に接続された静電容量形成用の第二電極とを具備する圧力検出装置用パッケージを提案した。
この圧力検出装置用パッケージによると、一方の主面に半導体素子が搭載される搭載部を有する絶縁基体の他方の主面に静電容量形成用の第一電極を設けるとともに、この第一電極に対向する静電容量形成用の第二電極を内側面に有する絶縁板を、絶縁基体の他方の主面との間に密閉空間を形成するようにして可撓な状態で接合させたことから、半導体素子を収容するパッケージに感圧素子が一体に形成され、その結果、圧力検出装置を小型とすることができるとともに圧力検出用の電極と半導体素子とを接続する配線を短いものとして、これらの配線間に発生する不要な静電容量を小さなものとすることができる。
【０００５】
しかしながら、特願2000-178618で提案した圧力検出装置用パッケージによると、感圧素子の感度を上げるために第一電極と第二電極との間隔を狭くすると、パッケージに大きな圧力が印加されて絶縁板が内側に大きく撓んだ場合に、絶縁板の変位量が大きな中央部において第一電極と第二電極とが接触して電気的に短絡してしまい、その結果、圧力を検出できなくなってしまうという問題点を有していた。
【０００６】
本発明は、かかる上述の問題点に鑑み完成されたものであり、その目的は、圧力検出用の電極間に電気的な短絡が発生することのない、小型でかつ感度が高く、外部の圧力を常に検出することが可能な圧力検出装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の圧力検出装置用パッケージは、一方の主面に半導体素子が搭載される搭載部を有する絶縁基体と、この絶縁基体の表面および内部に配設され、半導体素子の各電極が電気的に接続される複数の配線導体と、絶縁基体の他方の主面との間に略円板形状の密閉空間を形成するように可撓な状態で絶縁基体に接合された絶縁板と、絶縁基体と絶縁板との間の密閉空間内における絶縁基体の他方の主面に被着され、配線導体の一つに電気的に接続された静電容量形成用の第一電極と、絶縁板の内側主面に第一電極と対向するように被着され、配線導体の他の一つに電気的に接続された静電容量形成用の第二電極とを具備する圧力検出装置用パッケージであって、第一電極および／または第二電極は、一体に形成された中央部と外周部とからなり外周部が中央部よりも厚いことを特徴とするものである。
【０００８】
本発明の圧力検出装置用パッケージによれば、第一電極および／または第二電極は、一体に形成された中央部と外周部とからなり外周部が中央部よりも厚いことから、第一電極および第二電極の外周部では両者間の間隔が狭いものとなり第一電極と第二電極との間に形成される静電容量を大きなものとして感圧素子の感度を高いものとすることができる。また、パッケージに圧力が印加された場合に大きく変位する絶縁板の中央部においては、第一電極と第二電極との間隔が広いものとなるので、パッケージに大きな圧力が印加されて絶縁板が大きく撓んだとしても、第一電極と第二電極とが電気的に短絡することはない。
【０００９】
【発明の実施の形態】
次に、本発明を添付の図面を基に詳細に説明する。図１は、本発明の圧力検出装置用パッケージの実施の形態の一例を示す断面図であり、図中、１は絶縁基体、２は絶縁板、３は半導体素子である。
【００１０】
絶縁基体１は、下面中央部に半導体素子３を収容するための凹部１ａを有するとともに上面中央部に後述する絶縁板２との間に略円板状の密閉空間Ｓを形成するための略円形の凹部１ｃを有する酸化アルミニウム質焼結体や窒化アルミニウム質焼結体・ムライト質焼結体・ガラス−セラミックス等のセラミックス材料から成る積層体であり、例えば酸化アルミニウム質焼結体から成る場合であれば、酸化アルミニウム・酸化珪素・酸化マグネシウム・酸化カルシウム等のセラミック原料粉末に適当な有機バインダ・溶剤・可塑剤・分散剤を添加混合して泥漿状となすとともにこれを従来周知のドクタブレード法を採用してシート状に成形することにより複数枚のセラミックグリーンシートを得、しかる後、これらのセラミックグリーンシートに適当な打ち抜き加工・積層加工・切断加工を施すことにより絶縁基体１用の生セラミック成形体を得るとともにこの生セラミック成形体を約1600℃の温度で焼成することにより製作される。
【００１１】
絶縁基体１は、その下面中央部に形成された凹部１ａの底面中央部が半導体素子３が搭載される搭載部１ｂとなっており、この搭載部１ｂに半導体素子３を搭載するとともに凹部１ａ内に例えばエポキシ樹脂等の樹脂製封止材４を充填することにより半導体素子３が封止される。なお、この例では半導体素子３は樹脂製封止材４を凹部１ａ内に充填することにより封止されるが、半導体素子３は絶縁基体１の下面に金属やセラミックスから成る蓋体を凹部１ａを塞ぐように接合させることにより封止されてもよい。
【００１２】
また、搭載部１ｂには半導体素子３の各電極に接続される複数の配線導体５が導出しており、この配線導体５と半導体素子３の各電極を半田バンプ６等の電気的接続手段を介して接続することにより半導体素子３の各電極と各メタライズ配線導体５とが電気的に接続される。なお、この例では、半導体素子３の電極と配線導体５とは半田バンプ６を介して接続されるが、半導体素子３の電極と配線導体５とはボンディングワイヤ等の他の種類の電気的接続手段により接続されてもよい。
【００１３】
配線導体５は、半導体素子３の各電極を外部電気回路および後述する第一電極７・第二電極９に電気的に接続するための導電路として機能し、その一部は絶縁基体１の外周下面に導出し、別の一部は絶縁基体１の上面に導出して第一電極７や第二電極９に電気的に接続されている。そして、半導体素子３の各電極をこれらの配線導体５に電気的接続手段を介して電気的に接続するとともに半導体素子３を樹脂製封止材４等で封止した後、配線導体５の絶縁基体１外周下面に導出した部位を外部電気回路基板の配線導体に半田等の電気的接続手段を介して接続することにより、内部に収容する半導体素子３が外部電気回路に電気的に接続されることとなる。
【００１４】
このような配線導体５は、タングステンやモリブデン・銅・銀等の金属粉末メタライズから成り、タングステン等の金属粉末に適当な有機バインダ・溶剤・可塑剤・分散剤等を添加混合して得たメタライズペーストを従来周知のスクリーン印刷法を採用して絶縁基体１用のセラミックグリーンシートに所定のパターンに印刷塗布し、これを絶縁基体１用の生セラミック成形体とともに焼成することによって絶縁基体１の内部および表面に所定のパターンに形成される。なお、配線導体５の露出表面には、配線導体５が酸化腐食するのを防止するとともに配線導体５と半田等の電気的接続手段との接続を良好なものとするために、通常であれば、厚みが１〜10μｍ程度のニッケルめっき層と厚みが0.1〜３μｍ程度の金めっき層とが順次被着されている。
【００１５】
また、絶縁基体１の上面中央部に形成された凹部１ｃ底面には静電容量形成用の第一電極７が被着されている。この第一電極７は、後述する絶縁板２の第二電極９とともに感圧素子用の静電容量を形成するためのものである。そして、この第一電極７には配線導体５の一つ５ａが接続されており、それによりこの配線導体５ａに半導体素子３の電極をボンディングワイヤ６等の電気的接続手段を介して接続すると半導体素子３の電極と第一電極７とが電気的に接続されるようになっている。
【００１６】
このような第一電極７は、厚みが10〜50μｍ程度のタングステンやモリブデン・銅・銀等の金属粉末メタライズから成り、タングステン等の金属粉末に適当な有機バインダ・溶剤・可塑剤・分散剤を添加混合して得たメタライズペーストを従来周知のスクリーン印刷法を採用して絶縁基体１用のセラミックグリーンシートに印刷塗布し、これを絶縁基体１用の生セラミック成形体とともに焼成することによって絶縁基体１の上面中央部に所定のパターンに形成される。
【００１７】
また、絶縁基体１の上面外周部には第一電極７を取り囲む略円形や略八角形の枠状の第一接合用メタライズ層８が被着されている。第一接合用メタライズ層８は、絶縁基体１に絶縁板２を接合するための下地金属として機能し、この第一接合用メタライズ層８には下面に第二電極９およびこの第二電極９に電気的に接続された第二接合用メタライズ層10を有する絶縁板２が第二接合用メタライズ層10と第一接合用メタライズ層８とを銀−銅ろう等のろう材を介してろう付けすることにより絶縁基体１との間に密閉空間Ｓを形成するようにして接合されている。
【００１８】
この第一接合用メタライズ層８にはメタライズ配線導体５の一つ５ｂが接続されており、それによりこのメタライズ配線導体５ｂに半導体素子３の電極を半田バンプ６等の電気的接続手段を介して電気的に接続すると、半導体素子３の電極と第二電極９とが電気的に接続されるようになっている。
【００１９】
このような第一接合用メタライズ層８は、タングステンやモリブデン・銅・銀等の金属粉末メタライズから成り、タングステン等の金属粉末に適当な有機バインダ・溶剤・可塑剤・分散剤を添加混合して得たメタライズペーストを従来周知のスクリーン印刷法を採用して絶縁基体１用のセラミックグリーンシートに印刷塗布し、これを絶縁基体１用の生セラミック成形体とともに焼成することによって絶縁基体１の上面外周部に枠状の所定のパターンに形成される。
【００２０】
なお、第一接合用メタライズ層８の表面には、第一接合用メタライズ層８が酸化腐食するのを防止するとともに第一接合用メタライズ層８とろう材との接合を強固なものとするために、通常であれば、厚みが１〜10μｍ程度のニッケルめっき層が被着されている。
【００２１】
また、絶縁基体１の上面に接合された絶縁板２は、酸化アルミニウム質焼結体や窒化アルミニウム質焼結体・ムライト質焼結体・ガラス−セラミックス等のセラミックス材料から成る略四角または略八角あるいは円形等の略平板であり、外部の圧力に応じて絶縁基体１側に撓むいわゆる圧力検出用のダイアフラムとして機能する。
【００２２】
なお、絶縁板２は、その厚みが0.01ｍｍ未満では、その機械的強度が小さいものとなってしまうため、これに大きな外部圧力が印加された場合に破壊されてしまう危険性が大きなものとなり、他方、５ｍｍを超えると、小さな圧力では撓みにくくなり、圧力検出用のダイアフラムとしては不適となってしまう。したがって、絶縁板２の厚みは0.01〜５ｍｍの範囲が好ましい。
【００２３】
このような絶縁板２は、例えば酸化アルミニウム質焼結体から成る場合であれば、酸化アルミニウム・酸化珪素・酸化マグネシウム・酸化カルシウム等のセラミック原料粉末に適当な有機バインダ・溶剤・可塑剤・分散剤を添加混合して泥漿状となすとともにこれを従来周知のドクタブレード法を採用してシート状に成形することによりセラミックグリーンシートを得、しかる後、このセラミックグリーンシートに適当な打ち抜き加工や切断加工を施すことにより絶縁板２用の生セラミック成形体を得るとともにこの生セラミック成形体を約1600℃の温度で焼成することにより製作される。
【００２４】
また、絶縁板２の下面にはその中央部に第一電極７と対向する静電容量形成用の第二電極９が被着されている。この第二電極９は、前述の第一電極７とともに感圧素子用の静電容量を形成するためのものであり、例えば略円形のパターンに形成されている。
【００２５】
このような第二電極９は、厚みが10〜50μｍ程度のタングステンやモリブデン・銅・銀等の金属粉末メタライズから成り、タングステン等の金属粉末に適当な有機バインダ・溶剤・可塑剤・分散剤を添加混合して得たメタライズペーストを従来周知のスクリーン印刷法を採用して絶縁板２用のセラミックグリーンシートに印刷塗布し、これを絶縁板２用の生セラミック成形体とともに焼成することによって絶縁板２の下面中央部に所定のパターンに形成される。なお、第二電極９の表面には、第二電極９が酸化腐食するのを防止するために、通常であれば、厚みが１〜10μｍ程度のニッケルめっき層が被着されている。
【００２６】
さらに、絶縁板２の下面外周部には第二電極９に電気的に接続された略円形や略八角形の枠状の第二接合用メタライズ層10が被着されている。この第二接合用メタライズ層10は、絶縁板２を絶縁基体１に接合するための接合用下地金属層として機能し、第二接合用メタライズ層10と第一接合用メタライズ層８とを銀−銅ろう等のろう材を介してろう付けすることにより絶縁基体１と絶縁板２とが接合されるとともに第一接合用メタライズ層８と第二接合用メタライズ層10とが電気的に接続される。
【００２７】
このとき、第一電極７と第二電極９とは、絶縁基体１と絶縁板２との間に形成された密閉空間Ｓを挟んで対向しており、これらの間には、第一電極７や第二電極９の面積および第一電極７と第二電極９との間隔に応じて所定の静電容量が形成される。そして、絶縁板２の上面に外部の圧力が印加されると、その圧力に応じて絶縁板２が絶縁基体１側に撓んで第一電極７と第二電極９との間隔が変わり、それにより第一電極７と第二電極９との間の静電容量が変化するので、外部の圧力の変化を静電容量の変化として感知する感圧素子として機能する。そして、この静電容量の変化を凹部１ａ内に収容した半導体素子３にメタライズ配線導体５ａ・５ｂを介して伝達し、これを半導体素子３で演算処理することによって外部の圧力の大きさを知ることができる。
【００２８】
さらに、本発明においては、第一電極７は、その外周部がその中央部よりも例えば５〜40μｍ程度厚く形成されており、そのことが重要である。このように、第一電極７はその外周部がその中央部よりも厚く形成されていることから、第一電極７および第二電極９の外周部においては両者間の間隔が狭いものとなり、第一電極７と第二電極９との間に形成される静電容量を大きなものとして感圧素子の感度を高いものとすることができる。また、パッケージに圧力が印加された場合に大きく変位する絶縁板２の中央部においては、第一電極７および第二電極９との間隔が広いものとなるので、パッケージに大きな圧力が印加されて絶縁板２が大きく撓んだとしても、第一電極７と第二電極９との間に電気的な短絡が発生することはなく、外部の圧力を常に正常に検出することができる。
【００２９】
なお、第一電極７の外周部を厚くする領域は、凹部１ｃの半径に対して凹部１ｃの中心から60％以上外側の領域とすることが好ましい。第一電極７の外周部を厚くする領域が凹部１ｃの半径に対して凹部１ｃの中心から60％未満外側の領域とした場合、パッケージに大きな圧力が印加されて絶縁板２が大きく撓んだ場合に第一電極７と第二電極９とが接触してしまう危険性が大きくなる。
【００３０】
また、第一電極７の外周部を第一電極７の中央部よりも厚く形成するには、絶縁基体１用のセラミックグリーンシートに第一電極７用のメタライズペーストを印刷塗布する際に、その外周部を複数回重ね塗りすればよい。
【００３１】
以上説明したように、本発明の圧力検出装置用パッケージによれば、一方の主面に半導体素子３が搭載される絶縁基体１の他方の主面に静電容量形成用の第一電極７を設けるとともに、この第一電極７に対向する静電容量形成用の第二電極９を内側面に有する絶縁板２を絶縁基体１の他方の主面との間に密閉空間Ｓを形成するように可撓な状態で絶縁基体１に接合させたことから、半導体素子３を収容する容器と感圧素子とが一体となり、その結果、圧力検出装置を小型化することができる。また、静電容量形成用の第一電極７および第二電極９を、絶縁基体１に設けた配線導体５ａ・５ｂを介して半導体素子３に接続することから、第一電極７および第二電極９を短い距離で半導体素子３に接続することができ、その結果、これらの配線導体５ａ・５ｂ間に発生する不要な静電容量を小さなものとして感度の高い圧力検出装置を提供することができる。
【００３２】
かくして、上述の圧力検出装置用パッケージによれば、搭載部１ｂに半導体素子３を搭載するとともに半導体素子３の各電極と配線導体５とを電気的に接続し、しかる後、半導体素子３を封止することによって小型でかつ感度が高く、外部の圧力を常に正常に検出することが可能な圧力検出装置となる。
【００３３】
なお、本発明は、上述の実施の形態の一例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲であれば種々の変更は可能であり、例えば上述の実施の形態の一例では、第一電極７の外周部をそれより中央部よりも厚く形成したが、第二電極９の外周部をそれより中央部よりも厚く形成してもよく、さらには第一電極７および第二電極９の両方の外周部をそれらより中央部よりも厚く形成してもよい。
【００３４】
【発明の効果】
以上、説明したように、本発明の圧力検出装置用パッケージによれば、一方の主面に半導体素子が搭載される絶縁基体の他方の主面に静電容量形成用の第一電極を設けるとともに、この第一電極に対向する静電容量形成用の第二電極を有する絶縁板を絶縁基体の他方の主面との間に密閉空間を形成するように可撓な状態で焼結一体化させて接合したことから、半導体素子を収容する容器と感圧素子とが一体となり、その結果、圧力検出装置を小型とすることができるとともに圧力検出用の電極と半導体素子とを接続する配線を短いものとして、これらの配線間に発生する不要な静電容量を小さなものとすることができる。さらに、第一電極および／または第二電極は一体に形成された中央部と外周部とからなり外周部が中央部よりも厚いことから、第一電極および第二電極の外周部では両者間の間隔が狭いものとなり第一電極と第二電極との間に形成される静電容量を大きなものとして感圧素子の感度を高いものとすることができる。また、パッケージに圧力が印加された場合に大きく変位する絶縁板の中央部においては、第一電極および第二電極との間隔が広いものとなるので、パッケージに大きな圧力が印加されて絶縁板が大きく撓んだとしても、第一電極と第二電極とが電気的に短絡することはない。したがって外部の圧力を常に検出することが可能な圧力検出装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の圧力検出装置用パッケージの実施の形態の一例を示す断面図である。
【図２】従来の圧力検出装置を示す断面図である。
【符号の説明】
１・・・・・絶縁基体
１ｂ・・・・搭載部
２・・・・・絶縁板
３・・・・・半導体素子
５・・・・・配線導体
７・・・・・第一電極
９・・・・・第二電極

Claims

一方の主面に半導体素子が搭載される搭載部を有する絶縁基体と、該絶縁基体の表面および内部に配設され、前記半導体素子の各電極が電気的に接続される複数の配線導体と、前記絶縁基体の他方の主面との間に略円板形状の密閉空間を形成するように可撓な状態で前記絶縁基体に接合された絶縁板と、前記密閉空間内の前記他方の主面に被着され、前記配線導体の一つに電気的に接続された静電容量形成用の第一電極と、前記絶縁板の内側主面に前記第一電極と対向するように被着され、前記配線導体の他の一つに電気的に接続された静電容量形成用の第二電極とを具備する圧力検出装置用パッケージであって、前記第一電極および／または第二電極は、一体に形成された中央部と外周部とからなり該外周部が前記中央部よりも厚いことを特徴とする圧力検出装置用パッケージ。