JP4848696B2

JP4848696B2 - センサモジュール

Info

Publication number: JP4848696B2
Application number: JP2005215762A
Authority: JP
Inventors: 威中筋; 佳治佐名川; 充彦植田
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2005-07-26
Filing date: 2005-07-26
Publication date: 2011-12-28
Anticipated expiration: 2025-07-26
Also published as: JP2007033185A

Description

本発明は、厚み方向に変位する重錘体が形成されたセンサ素子を有するセンサモジュールに関する。

従来から、厚み方向に変位する重錘体が形成されたセンサ素子によって、例えば加速度を検出する加速度検出用のセンサモジュールがある。このようなセンサモジュールにおいて、センサ素子を絶縁基板に実装するためのボンディングワイヤの長さを短くしてモジュールの小型化を図ると共に、センサ素子を実装する絶縁基板の熱膨張係数をセンサ素子の熱膨張係数と合わせることにより、センサ素子への熱歪みの影響の低減を図るものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

また、ワイヤボンディングの代わりにバンプを用いるセンサモジュールが知られており、これを、図５を参照して説明する。このセンサモジュールは、厚み方向に変位する重錘体Ｇが形成されたセンサ素子９１を、実装基板９４の凹部９４ａの底面に実装し、凹部９４ａの開口を板状の半導体素子９６で封止して形成されている。センサ素子９１の上下には、重錘体Ｇの上下移動をそれぞれ制限するストッパ９２，９３が設けられている。センサ素子９１は、センサ素子９１からの出力信号を取り出すバンプ９５を介して実装基板９４に実装されている。半導体素子９６は、バンプ９７を介して実装基板９４に電気的に接合され、そのバンプ９７の周辺には、絶縁樹脂９８が充填されて、凹部９４ａが封止されている。
特開平４−３３２８６９号公報

しかしながら、上述した図５や特許文献１に示されるようなセンサモジュールにおいては、重錘体の可動範囲を制限する上下のストッパが可動範囲制限のためだけに専用に設けられており、このようなストッパの構造が、センサモジュールの小型化、特に低背化を妨げるという問題がある。

本発明は、上記課題を解消するものであって、センサ素子への熱履歴影響の低減を実現すると共に、低背化を実現する重錘体を有するセンサモジュールを提供することを目的とする。

上記課題を達成するために、請求項１の発明は、厚み方向に変位する重錘体が形成されたセンサ素子と、前記センサ素子を収納するための貫通空間が形成された回路基板と、前記貫通空間の上方の開口を閉塞するように、前記回路基板にバンプを介して接合される板状の半導体素子と、前記センサ素子を収納した前記貫通空間の下方の開口を閉塞するように、前記回路基板及びセンサ素子にバンプを介して接合される薄板状部材からなるインターポーザと、を備え、前記インターポーザは、前記重錘体の一定以上の下方への変位を規制するストッパ部を前記センサ素子との対向面上に備え、前記インターポーザと前記センサ素子とはいずれもシリコンで構成され、前記バンプによる接合は常温接合によってなされ、前記半導体素子は、前記各バンプと前記回路基板とを介して前記インターポーザに電気的に接続されていることを特徴とするセンサモジュールである。

請求項２の発明は、請求項１に記載のセンサモジュールにおいて、前記ストッパ部は、前記対向面から前記センサ素子に向かって突出する凸部からなるものである。

請求項３の発明は、請求項１に記載のセンサモジュールにおいて、前記ストッパ部は、前記対向面上に形成したバンプによって構成されているものである。

請求項４の発明は、請求項１乃至３のいずれかに記載のセンサモジュールにおいて、前記半導体素子は、前記重錘体の一定以上の上方への変位を規制するものである。

請求項１の発明によれば、回路基板の貫通空間に半導体素子とインターポーザとによりセンサ素子を収納閉塞するので、センサモジュールの低背化が可能となる。インターポーザがストッパ部を兼ねるので、重錘体従ってセンサ素子の劣化を防止できる。また、回路基板をその内部及び／又は表面に配線が形成されたいわゆる立体回路基板とすることにより、この立体回路基板、センサ素子、半導体素子、及びインターポーザを接合するバンプによって相互の電気接続を行うことができ、ワイヤボンディングによる電気接続に比してセンサモジュールを小型化できる。また、インターポーザが薄板状部材からなるので、その可撓性によりセンサ素子との接合部における低応力化が可能となる。また、バンプによる接合は常温により行うことができるので、センサ素子とインターポーザの接合を残留応力の小さい状態で実施でき、センサ素子への熱履歴影響の低減を実現できる。

請求項２の発明によれば、インターポーザの凸部により重錘体の変位を小さくできるので、重錘体の過度の変位を抑制でき、その劣化を押さえて長寿命化が図れる。

請求項３の発明によれば、バンプ形成により凸部を容易に形成できる。

請求項４の発明によれば、半導体素子を上部ストッパにするので、別途に専用の上部ストッパを設ける必要がなく、センサモジュールの低コスト化、低背化ができ、また、重錘体従ってセンサ素子の劣化を防止してセンサモジュールの長寿命化ができる。

以下、本発明の重錘体を有するセンサモジュールについて、図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
図１（ａ）（ｂ）（ｃ）、図２は本発明の第１の実施形態に係るセンサモジュール１を示す。このセンサモジュール１は、厚み方向に変位する重錘体Ｇが形成されたセンサ素子１１と、センサ素子１１を収納するための貫通空間１２ａが形成された回路基板１２と、貫通空間１２ａの上方の開口を閉塞するように、回路基板１２にバンプ２３を介して接合される板状の半導体素子１３と、センサ素子１１を収納した貫通空間１２ａの下方の開口を閉塞するように、回路基板１２及びセンサ素子１１にそれぞれバンプ２２，２１を介して接合される薄板状部材からなるインターポーザ１４と、を備えている。インターポーザ１４は、センサ素子１１との対向面である上面が、重錘体Ｇの一定距離以上の下方への変位を規制するストッパ部となっている。

上述のセンサ素子１１は、例えば、シリコン基板からＭＥＭＳ（ＭｉｃｒｏＥｌｅｃｔｒｏＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍ）技術を用いて形成され、外形が正方形であり、その外形寸法と厚さは、例えば、□２ｍｍ×０．５ｍｍｔである。センサ素子１１は、例えば、内部に有する重錘体Ｇに作用する慣性力による重錘体Ｇの変位を静電容量や電気抵抗の変化により電気的に検出して、加速度を検出することができる。

回路基板１２は、その表面や必要に応じて内部に配線（不図示）を有する立体回路基板であり、シリコン、セラミックス、樹脂等で形成される。樹脂製の場合、特にＭＩＤ（ＭｏｌｄｅｄＩｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔＤｅｖｉｃｅ）基板が好適に用いられる。回路基板１２は、外形が正方形の直方体であり、外形寸法と厚さは、例えば、□４ｍｍ×０．５ｍｍｔであり、内部に正方形の貫通空間１２ａ（例えば、□２．５ｍｍ）を有する。

半導体素子１３は、シリコン基板から半導体製造技術を用いて形成され、外形寸法と厚みは、例えば、□３〜４ｍｍ×２００μｍｔである。

インターポーザ１４は、シリコンからなる可撓性を有する薄板形状の基板であり、センサモジュール１を外部実装基板に実装する際にセンサモジュール１と外部実装基板との間で電気接続するための外部端子（不図示）を備えている。インターポーザ１４は、外形が正方形であり、その外形寸法と厚さは、例えば、□３〜４ｍｍ×５０μｍｔである。

バンプ２１（第１バンプ２１とも称する、以下同様）は、上述のように、センサ素子１１とインターポーザ１４を接合する。バンプ２２（第２バンプ２２）は、上述のように、回路基板１２とインターポーザ１４を接合する。また、バンプ２３（第３バンプ２３）は、上述のように、回路基板１２と半導体素子１３を接合する。これらのバンプ２１，２２，２３は、例えば、外径と高さがφ５０〜１００μｍ×８０μｍのスタッドバンプを、インターポーザ１４及び半導体素子１３に形成し、それぞれバンプ接合時に、例えば、１００ｇ／ｂｕｍｐの荷重をかけて接合して高さ約４０μｍとされている。

また、回路基板１２の上面及び下面に配置してバンプ２２，２３で接合した半導体素子１３、インターポーザ１４に対し、その第２バンプ２２、第３バンプ２３の周辺に、それぞれ第１絶縁材料３１、第２絶縁材料３２を充填することにより、貫通空間１２ａを封止し、低背かつ気密構造を有するセンサモジュール１を実現できる。

上述の構成により、インターポーザ１４とセンサ素子１１が、いずれもシリコンで構成され、線膨張率を同じにできるので、また、インターポーザ１４が可撓性の薄板状であり、応力歪みを吸収することができるので、他の構成による場合に比べて、センサ素子１１の接合部（第１バンプ２１）にかかる応力を低滅でき、センサモジュールの性能と寿命を向上できる。

ここで、バンプ２１，２２，２３による接合を常温で行うことと、常温接合の効果を説明する。バンプ２１，２２，２３は、例えば、ワイヤボンダを用いてスタッドバンプとして形成される。これらのバンプ２１，２２，２３は、バンプ接合の前に、接合箇所とともに、バンプを形成した接合部材を含めて、プラズマ照射による表面活性化の前処理が行われる。この前処理は、例えば、Ａｒプラズマを用いて、プラズマ照射強度５０Ｗ、プラズマ照射時間８０ｓ、Ａｒガス内圧５Ｐａの条件下で行われる。このような、表面活性化により、常温下におけるバンプ接合が可能となり、接合部に熱負荷がかからないので低応力の接合が可能となる。

センサモジュール１は、回路基板１２の貫通空間１２ａにセンサ素子１１を収納し、半導体素子１３とインターポーザ１４とにより閉塞して構成するので、その背高は、それぞれ必要最小の高さに構成された回路基板１２、半導体素子１３、インターポーザ１４、第２バンプ２２、及び第３バンプ２３の和によって与えられる。また、半導体素子１３が上部ストッパを兼ねることができ、インターポーザ１４が下部ストッパを兼ねることができるので、センサモジュール１は、最小限度の構成部材で構成されることになる。これらのことにより、センサモジュール１の低背化が実現されている。

また、第１バンプ２１は、インターポーザ１４とセンサ素子１１との間のスベーサとしての機能を有し、上述のように、インターポーザ１４が重錘体Ｇの一定以上の下方への変位を規制する下部ストッパとして機能する。なお、センサ素子１１における重錘体Ｇは、センサ素子１１の中央部に形成されており、従って、第１バンプ２１は、センサ素子１１の底面周辺部に配置されている。また、同様に、第３バンプ２３もスペーサとして機能させることができ、半導体素子１３を、重錘体Ｇの変位を規制する上部ストッパとして機能させることができる。

また、回路基板１２をその内部及び／又は表面に配線が形成されたいわゆる立体回路基板で構成し、この回路基板１２、センサ素子１１、半導体素子１３、及びインターポーザ１４をバンプ２１，２２，２３によって電気的に接合するので、ワイヤボンディングによる電気接続に比してセンサモジュール１を小型化できる。

（第２の実施形態）
図３は本発明の第２の実施形態に係るセンサモジュール１を示す。この実施形態に係るセンサモジュール１は、上述の第１の実施形態におけるセンサモジュール１とは、インターポーザ１４の厚み方向の形状、回路基板１２の厚み、及び第１バンプ２１の高さが異なり、その他の点は同様である。すなわち、インターポーザ１４は、センサ素子１１の重錘体Ｇの下部に対向する部分に四角形の凸部１４ａを備えており、その凸部１４ａの形状（外形と高さ）は、例えば、□２ｍｍ×５〜３５μｍｍである。また、回路基板１２の厚みは、センサ素子１１の厚みよりも、例えば、１０μｍ厚くなっている。また、第１バンプ２１は、その高さが他のバンプよりも高くなっており、例えば、約５０μｍである。

上述のような構成により、センサモジュール１において、インターポーザ１４の凸部１４ａの上面が、重錘体Ｇの変位の範囲を規制し、下部ストッパとして機能する。これにより、センサモジュール１は、第１の実施形態におけるセンサモジュールと同様に、重錘体Ｇの長寿命化、センサモジュール１の低背化を実現している。

（第３の実施形態）
図４は本発明の第３の実施形態に係るセンサモジュール１を示す。この実施形態に係るセンサモジュール１は、上述の第２の実施形態におけるセンサモジュール１とは、インターポーザ１４における下部ストッパの構造が異なり、その他の点は第２の実施形態と同様である。すなわち、インターポーザ１４は、上述の凸部１４ａに相当する部分を、複数のバンプ２４により形成して備えている。インターポーザ１４は、上述のように、シリコンからなる可撓性を有する薄坂形状で、外形寸法と厚みが、例えば、□３〜４ｍｍ×５０μｍｔ（第１の実施形態と同様）であり、その上面における重錘体Ｇの下部に対向する部分に、直径が、例えば、φ５０〜１００μｍ、高さが、例えば、４０μｍのバンプ２４を１００個ほど形成して備えている。この多数のバンプ２４が、第２の実施形態におけるインターポーザ１４の凸部１４ａに対応する。

上述のような構成により、センサモジュール１において、インターポーザ１４のバンプ２４を用いた凸部により、第２の実施形態と同様に、重錘体Ｇの変位を規制し、これを下部ストッパとして機能させることで重錘体Ｇの長寿命化が図られる。なお、第２の実施形態と第３の実施形態における第２バンプ２２は、上述のように、他のバンプより高く形成される。このようなバンプを形成は、例えば、スタッドバンプの場合、二段重ねにしたり、接合時の実装荷重を変えたり、又は、バンプサイズを変えたりして行うことができる。

なお、本発明は、上記構成に限られることなく種々の変形が可能である。センサモジュール１やその構成要素は、外形が正方形とは限らなく、例えば、長方形であってもよい。また、センサ素子１１は、例えば、上述の図２における配置において上下逆転した配置（重錘体Ｇがぶら下がった状態）として、インターポーザ１４にバンプ接合するようにしてもよい。また、上述した図や説明文中の上下は、説明の便宜のためのものであり、センサモジュール１の使用時の上下位置を限定するものではない。

上記のバンプ２１，２２，２３等は、スタッドバンプに限らず、めっきバンプやその他の方法により形成されたバンプを用いることができる。また、上記では、第１バンプ２１、第２バンプ２２をインターポーザ１４に形成し、第３バンプ２３を半導体素子１３に形成する旨説明したが、これに限らず、第１バンプ２１をセンサ素子１１に形成し、第２バンプ２２、第３バンプ２３を回路基板１２に形成するようにしてもよい。回路基板１２にバンプを設ける場合は、回路基板１２としてのＭＩＤ基板における一体成形された突起を用いる、いわゆる成形バンプの方法を用いることができる。

（ａ）は本発明の第１の実施形態に係るセンサモジュールの分解斜視図、（ｂ）は同センサモジュールの半導体素子を外した状態の斜視図、（ｃ）は同センサモジュールの斜視図。同上センサモジュールの断面図。本発明の第２の実施形態に係るセンサモジュールの断面図。本発明の第３の実施形態に係るセンサモジュールの断面図。従来のセンサモジュールの断面図。

符号の説明

１センサモジュール
１１センサ素子
１２回路基板
１３半導体素子
１４インターポーザ
２１第１バンプ
２２第２バンプ
２３第３バンプ
２４バンプ（ストッパ部）
１２ａ貫通空間
１４ａ凸部（ストッパ部）
Ｇ重錘体

Claims

厚み方向に変位する重錘体が形成されたセンサ素子と、
前記センサ素子を収納するための貫通空間が形成された回路基板と、
前記貫通空間の上方の開口を閉塞するように、前記回路基板にバンプを介して接合される板状の半導体素子と、
前記センサ素子を収納した前記貫通空間の下方の開口を閉塞するように、前記回路基板及びセンサ素子にバンプを介して接合される薄板状部材からなるインターポーザと、を備え、
前記インターポーザは、前記重錘体の一定以上の下方への変位を規制するストッパ部を前記センサ素子との対向面上に備え、
前記インターポーザと前記センサ素子とはいずれもシリコンで構成され、前記バンプによる接合は常温接合によってなされ、
前記半導体素子は、前記各バンプと前記回路基板とを介して前記インターポーザに電気的に接続されていることを特徴とするセンサモジュール。
前記ストッパ部は、前記対向面から前記センサ素子に向かって突出する凸部からなることを特徴とする請求項１に記載のセンサモジュール。
前記ストッパ部は、前記対向面上に形成したバンプによって構成されていることを特徴とする請求項１に記載のセンサモジュール。
前記半導体素子は、前記重錘体の一定以上の上方への変位を規制することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のセンサモジュール。