JP4957123B2 - センサーユニットおよびその製造方法 - Google Patents
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一方、物体のモーション検出には、加速度センサーや角速度センサー等が複数組み合わされて使用されていた。そして、小型化、コスト低減の要請から、加速度センサーや角速度センサーの多軸化が進み、最近では、加速度と角速度を同時に検出する多軸モーションセンサーが開発されている(特許文献2、3)。
また、配線基板上にセンサー内蔵モジュールと能動素子内蔵モジュールを個々に実装するので、個々のモジュールを配線基板の所定の位置に実装するための位置合せを正確に行なう必要があり、工程管理が煩雑であるとともに、実装位置のズレを生じた場合、センサーユニットの信頼性が低下するという問題があった。
さらに、実装時にセンサーが高温に曝されることがあり、センサーの特性の低下や、センサーユニットの信頼性低下を引き起こすことがあった。
本発明は、上記のような実情に鑑みてなされたものであり、小型で信頼性の高いセンサーユニットと、このようなセンサーユニットを簡便に製造するための製造方法を提供することを目的とする。
本発明の他の態様として、前記接合部材は、接合バンプと該接合バンプを挟持する金属層からなり、前記接合バンプはAu、Ag、Cu、Snあるいはこれらの合金のいずれかの導電性粉末と樹脂成分とを有する導電性ペースト、または、Au、Ag、Cu、Snのいずれかの導電材料からなるような構成とした。
また、本発明の製造方法は、ウエハレベルで多軸モーションセンサー半製品とインターポーザと能動素子内蔵モジュールとの接合を行う一括アッセンブリー、あるいは、ウエハレベルで多軸モーションセンサー半製品と能動素子内蔵モジュールとの接合を行う一括アッセンブリーが可能であるので、工程管理が容易で製造コストの低減が可能であり、また、接合が、メタル接合法あるいはペーストバンプ接合法を用いたものであるため、多軸モーションセンサーへの熱の影響を阻止することができ、信頼性の高いセンサーユニットの製造が可能となる。
[センサーユニット]
(第1の実施形態)
図1は、本発明のセンサーユニットの一実施形態を示す概略断面図である。図1において、本発明のセンサーユニット1は、多軸モーションセンサー2とインターポーザ3と能動素子内蔵モジュール4とがこの順に多段状態で接合されたものである。多軸モーションセンサー2とインターポーザ3とは環状の封止部材5により内部が気密封止されており、インターポーザ3と能動素子内蔵モジュール4との間隙部には封止樹脂層6が介在している。
上記のような微細貫通孔52内に配設された貫通電極53は、微細貫通孔52内に充填されたものであってもよく、また、微細貫通孔52の内壁面に形成され、貫通孔あるいは凹部が存在するようなものであってもよい。貫通電極53の材質は、Au、Ag、Cu、Sn等の導電材料とすることができる。
また、インターポーザ3は、能動素子内蔵モジュール4と対向する面に、配線55を有しており、この配線55は、接合バンプ57を介して、後述する能動素子内蔵モジュール4の配線64に接合されている。尚、インターポーザ3の配線55が、接合バンプ57を介して、後述する能動素子内蔵モジュール4の貫通電極63に直接(配線64ではなく)接合するものであってもよい。
接合部材5の形状は、錘23が存在するセンサー本体11の内部を気密封止できる環状であればよく、特に制限はなく、図示例では、センサー本体の枠部材21に対応した回廊形状となっている。また、接合部材5の厚み、幅も制限はなく、例えば、厚みを1〜30μm、幅を10〜300μmの範囲で適宜設定することができる。このようなメタル接合法によるセンサー本体11の枠部材21とインターポーザ3との接合、およびセンサー本体11のコンタクト電極29とインターポーザ3の配線54との接合は、400℃以下の温度で安定して行うことができる。
一方、封止樹脂60は、例えば、絶縁性の樹脂材料、異方性導電樹脂等を使用することができる。
上記のような微細貫通孔62内に配設された貫通電極63は、微細貫通孔62内に充填されたものであってもよく、また、微細貫通孔62の内壁面に形成され、貫通孔あるいは凹部が存在するようなものであってもよい。貫通電極63の材質は、Au、Ag、Cu、Sn等の導電材料とすることができる。
上述のようなセンサーユニット1は、多軸モーションセンサー2とインターポーザ3と能動素子内蔵モジュール4とが多段状態に接合された構造であり、配線基板を備えていないとともに、多軸モーションセンサー2を構成する電極の一部(電極41)がインターポーザ3に配設され、インターポーザ3の一部が多軸モーションセンサー2の一部を構成しているので、面積、高さともに大幅な小型化が可能となる。
図11は、本発明のセンサーユニットの他の実施形態を示す概略断面図である。図11において、本発明のセンサーユニット71は、多軸モーションセンサー2と能動素子内蔵モジュール74とが接合されたものである。
センサーユニット71を構成する多軸モーションセンサー2は、従来公知の多軸モーションセンサー、例えば、3軸加速度成分と2軸角速度成分を同時に検出できるMEMS型の5軸モーションセンサー、圧力センサー、イメージセンサー等の光学センサー等であってよく、特に制限はない。図示例では、センサーユニット71を構成する多軸モーションセンサー2は、上述のセンサーユニット1を構成する多軸モーションセンサー2と同じであり、センサー本体11と、ガラス基板12を備え、この多軸モーションセンサー2を構成する電極81が能動素子内蔵モジュール74に配設されている。尚、図11に示す多軸モーションセンサー2には、電極81を除いて、上述のセンサーユニット1を構成する多軸モーションセンサー2と同じ部材番号を付し、ここでの説明は省略する。
センサーユニット71を構成する能動素子内蔵モジュール74は、基板91と、この基板91に内蔵された能動素子95と、この能動素子95の外側の領域の基板91に形成された複数の微細貫通孔92と、これらの微細貫通孔92内に配設された貫通電極93とを備えている。さらに、基板91の多軸モーションセンサー2と対向する面には、上述のような多軸モーションセンサー2を構成する電極81と、配線94と、環状の接合部材5′を構成する環状の接合部材97とが配設されている。また、基板91の多軸モーションセンサー2と対向する面の反対側の面には、能動素子95の所望の端子(図示せず)と所望の貫通電極93とを接続する配線(図示せず)が配設されている。そして、これらの配線の所望箇所には、外部端子としてのはんだバンプ96が配設されている。
微細貫通孔92の形状、開口径、貫通電極93の材質、形状は、上述の微細貫通孔62、貫通電極63と同様とすることができる。
能動素子内蔵モジュール74に配設されている環状の接合部材97は、上述の実施形態においてインターポーザ3に配設されている環状の接合部材56と同様とすることができる。また、配線94は、上述の実施形態においてインターポーザ3に配設されている配線54と同様とすることができる。
接合部材5′の形状は、錘23が存在するセンサー本体11の内部を気密封止できる環状であればよく、特に制限はなく、図示例では、センサー本体の枠部材21に対応した回廊形状となっている。また、接合部材5′の厚み、幅も制限はなく、例えば、厚みを1〜30μm、幅を10〜300μmの範囲で適宜設定することができる。このようなメタル接合法によるセンサー本体11の枠部材21と能動素子内蔵モジュール74との接合、およびセンサー本体11のコンタクト電極29と能動素子内蔵モジュール74の配線94との接合は、400℃以下の温度で安定して行うことができる。
尚、能動素子内蔵モジュール74は、図13に示されるものであってもよい。この能動素子内蔵モジュール74では、基板91は両面と複数の微細貫通孔92の内壁面に電気絶縁層98を備えている。そして、多軸モーションセンサー2側の電気絶縁層98上には、上述のような多軸モーションセンサー2を構成する電極81と、配線94、環状の接合部材5′を構成する環状の接合部材97を有している。このような能動素子内蔵モジュール74では、電気絶縁層98は、例えば、酸化珪素、窒化珪素等の無機酸化物等とすることができる。図示例では、貫通電極93は微細貫通孔92の内壁面に形成され、凹部が存在するものであるが、上述の例と同様に、微細貫通孔92内に充填されたものであってもよい。
上述のセンサーユニットの実施形態は例示であり、本発明のセンサーユニットはこれらに限定されるものではない。例えば、能動素子内蔵モジュール4および能動素子内蔵モジュール74では、能動素子65,95が基板61,91の多軸モーションセンサー2側に配設されていてもよい。
(第1の実施形態)
次に、本発明のセンサーユニットの製造方法について、上述の図1に示すセンサーユニット1を例として説明する。
図14および図15は、本発明のセンサーユニットの製造方法の一実施形態を示す工程図である。本発明では、まず、多面付けで多軸モーションセンサー半製品2′を作製する。すなわち、シリコン層16(活性層シリコン)、酸化シリコン層17、シリコン層18(基板シリコン)の3層構造を有するSOI(Silicon On Insulator)ウエハ15′と、ガラスウエハ12′とを多面付け(各面付け部を1Aで示す)に区画する(図14(A))。そして、これらに対して各面付け1A毎に所望の加工を施して、SOIウエハ15′に形成されたセンサー本体11の一方の面に、ガラスウエハ12′に形成されたガラス基板12を接合した積層構造の多軸モーションセンサー半製品2′を多面付けで作製する(図14(B))。
まず、シリコン層16(活性層シリコン)、酸化シリコン層17、シリコン層18(基板シリコン)の3層構造を有するSOIウエハ15′に酸化処理を施して、SOIウエハ15′の両面に酸化層16′,18′を形成する(図16(A))。その後、SOIウエハ15′の各面付け1A毎に、パターンエッチングにより所望のパターンで凹部7a,7b,8を形成する(図16(B))。このパターンエッチングは、例えば、酸化層16′,18′上にマスクパターンを形成し、サンドブラスト法、ウエットエッチング法等により行うことができる。
次いで、枠部材21と十字型の梁22と複数の柱部材24(図3参照)とを形成するための溝部10をシリコン層16に形成する(図16(D))。この溝部10の形成は、例えば、マスクパターンを介して、プラズマを利用したドライエッチング法であるICP−RIE(Inductively Coupled Plasma − Reactive Ion Etching:誘導結合プラズマ−反応性イオンエッチング)法により行うことができる。また、サンドブラスト法、ウエットエッチング法、フェムト秒レーザ法により溝部10を形成することもできる。
一方、ガラスウエハ12′の各面付け1A毎に、1個の十字型の中心電極32と、これを囲むように配設された4個の周囲電極33とからなる電極31を形成する(図17(A))。次いで、このガラスウエハ12′とSOIウエハ15′のシリコン層16(活性層シリコン)とを陽極接合する(図17(B))。
これにより、SOIウエハ15′に形成されたセンサー本体11に、ガラスウエハ12′に形成されたガラス基板12を配した積層構造の多軸モーションセンサー半製品2′が多面付けで作製される。
また、微細貫通孔52内への貫通電極53の形成は、例えば、プラズマCVD法等により下地導電薄膜を微細貫通孔52内に形成し、その後、電解フィルドめっきにより、導電金属を析出させることにより行うことができる。これにより、ボイドのない貫通電極53を得ることができる。また、導電性ペーストを微細貫通孔52内に充填することにより貫通電極53を形成することもできる。
次いで、接合部材56を上記の多軸モーションセンサー半製品2′の接合部材30に接合し、また、配線54をセンサー本体11のコンタクト電極29に接合することにより、多面付けのインターポーザ3と多面付けの多軸モーションセンサー半製品2′とを接合して、多軸モーションセンサー2を作製する(図15(A))。この接合部材56と接合部材30とが接合して形成される環状の接合部材5を介した多軸モーションセンサー半製品2′とインターポーザ3との接合、および、配線54とコンタクト電極29の接合は、上述の図9で説明したようなメタル接合法、あるいは、図10で説明したようなペーストバンプ接合法により行うことができる。
次いで、多面付けのセンサーユニット1をダイシングすることにより、図1に示されるようなセンサーユニット1が得られる。
次に、本発明のセンサーユニットの製造方法の他の実施形態について、上述の図8に示されるインターポーザ3を備えたセンサーユニット1を例として図18を参照しながら説明する。
上述の実施形態と同様に、多面付けで多軸モーションセンサー半製品2′を作製する(図16および図17参照)。
また、以下のようにして、多面付けでインターポーザ3を作製する。すなわち、電気絶縁層58を一方の面に備えた基材51からなるインターポーザ用ウエハ3′を多面付け(各面付け部を1Aで示す)に区画し、各面付け1A毎に、電気絶縁層58上に多軸モーションセンサー2を構成する電極41(図7に示される十字型の中心電極42と4個の周囲電極43)と、配線54、環状の接合部材56を形成する(図18(A))。電気絶縁層58は、例えば、基材51がシリコンである場合、酸化珪素とすることができる。
次に、凹部52′の底部に露出している電気絶縁層58に微細孔を穿設して配線54を凹部52′内に露出させる。これにより、微細貫通孔52が形成され、この微細貫通孔52に導電材料を配設して貫通電極53を形成し、また、配線55、接合バンプ57を形成する(図18(D))。これにより、インターポーザ3が多面付けで作製される。微細孔の穿設は、例えば、マスクパターンを介してICP−RIE法により行うことができる。
次いで、インターポーザ3の接合バンプ57を上記の能動素子内蔵モジュール4の配線64に接合することにより、多面付けのインターポーザ3と多面付けの能動素子内蔵モジュール4とを接合して多面付けのセンサーユニット1(図18には示していない)が得られる。接合バンプ57を介したインターポーザ3と能動素子内蔵モジュール4との接合は、図10で説明したようなペーストバンプ接合法により行うことができる。また、インターポーザ3と能動素子内蔵モジュール4との接合は、上述の図9で説明したようなメタル接合法によっても行うことができる。
次いで、多面付けのセンサーユニット1をダイシングすることにより、図8に示されるようなインターポーザ3を備えたセンサーユニット1が得られる。
次に、本発明のセンサーユニットの製造方法の他の実施形態について、上述の図11に示すセンサーユニット71を例として説明する。
図19は、本発明のセンサーユニットの製造方法の他の実施形態を示す工程図である。まず、上述の実施形態と同様にして、多面付け(各面付け部を71Aで示す)で多軸モーションセンサー半製品2′を作製する(図19(A))。
次いで、多面付けのセンサーユニット71をダイシングすることにより、図11に示されるようなセンサーユニット71が得られる。
次に、本発明のセンサーユニットの製造方法の他の実施形態について、上述の図13に示される能動素子内蔵モジュール74を備えたセンサーユニット71を例として図20および図21を参照しながら説明する。
上述の実施形態と同様に、多面付けで多軸モーションセンサー半製品2′を作製する(図16および図17参照)。
また、以下のようにして、多面付けで能動素子内蔵モジュール74を作製する。すなわち、電気絶縁層98を一方の面に備えた基材91からなる能動素子内蔵モジュール用ウエハ74′を多面付け(各面付け部を71Aで示す)に区画し、各面付け71A毎に、電気絶縁層98上に多軸モーションセンサー2を構成する電極81(図7に示される電極41と同様に、十字型の中心電極82と4個の周囲電極83からなる)と、配線94、環状の接合部材97を形成する(図20(A))。電気絶縁層98は、例えば、基材91がシリコンである場合、酸化珪素とすることができる。
次に、凹部92′の底部に露出している電気絶縁層98に微細孔を穿設して配線94を凹部92′内に露出させる。これにより、微細貫通孔92が形成され、この微細貫通孔92に導電材料を配設して貫通電極93を形成する(図21(A))。微細孔の穿設は、例えば、マスクパターンを介してICP−RIE法により行うことができる。
次いで、多面付けのセンサーユニット71をダイシングすることにより、図13に示されるような能動素子内蔵モジュール74を備えたセンサーユニット71が得られる。
上述のような本発明のセンサーユニットの製造方法は、ウエハレベルで多軸モーションセンサー半製品と能動素子内蔵モジュールとの接合を行う一括アッセンブリーが可能であるため、工程管理が容易で製造コストの低減が可能であり、また、接合が、メタル接合法あるいはペーストバンプ接合法を用いたものであるため、多軸モーションセンサーへの熱の影響を阻止することができ、信頼性の高いセンサーユニットの製造が可能となる。
尚、上述のセンサーユニットの製造方法は例示であり、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。
2…多軸モーションセンサー
3…インターポーザ
4,74…能動素子内蔵モジュール
5,5′…接合部材
11…センサー本体
12…ガラス基板
15…SOI基板
21…枠部材
22…梁
23…錘
25,27…電極
29…コンタクト電極
30…接合部材
31,41…電極
52,62,92…微細貫通孔
53,63,93…貫通電極
54,55…配線
56,97…接合部材
64,94…配線
65,95…能動素子
12′…ガラスウエハ
15′…SOIウエハ
Claims (5)
- 能動素子内蔵モジュールと、該能動素子内蔵モジュール上に接合された多軸モーションセンサーを備え、
前記多軸モーションセンサーは、シリコン層/酸化シリコン層/シリコン層の3層構造を有するSOI基板からなるセンサー本体であって、梁を介して支持された錘と、該錘の両面に配設された電極と、該錘よりも外側の領域に配設されたコンタクト電極とを有するセンサー本体と、該センサー本体の前記能動素子内蔵モジュールと対向する面と反対側の面に配設され所定の電極を有するガラス基板と、センサー本体と対向するように前記能動素子内蔵モジュールに配設された所定の電極とを備え、
前記能動素子内蔵モジュールは、基板と、該基板上に前記センサー本体と対向するように配設された前記電極と、前記基板に内蔵された能動素子と、前記能動素子よりも外側の領域に位置して前記基板を貫通する複数の貫通電極とを有するとともに、前記貫通電極と前記能動素子を接続する配線を有し、前記配線よりも外側の領域において前記センサー本体に環状の接合部材を介して接合されて前記錘が気密封止されており、前記貫通電極は前記センサー本体のコンタクト電極と接合されていることを特徴とするセンサーユニット。 - 前記接合部材は、Al/Cr積層、Al/Ti積層、および、Al/Au積層のいずれかの金属層と、Al/Au積層、Al/Sn−Au合金積層、および、Al/Sn−Ag合金積層のいずれかの金属層とが接合されたものであることを特徴とする請求項1に記載のセンサーユニット。
- 前記接合部材は、接合バンプと該接合バンプを挟持する金属層からなり、前記接合バンプはAu、Ag、Cu、Snあるいはこれらの合金のいずれかの導電性粉末と樹脂成分とを有する導電性ペースト、または、Au、Ag、Cu、Snのいずれかの導電材料からなることを特徴とする請求項1に記載のセンサーユニット。
- シリコン層/酸化シリコン層/シリコン層の3層構造を有するSOIウエハと、1枚のガラスウエハとを多面付けに区画し、これらに対して各面付け毎に所望の加工を施して、SOIウエハに形成されたセンサー本体の一方の面に、ガラスウエハに形成されたガラス基板を接合した積層構造の多軸モーションセンサー半製品を多面付けで作製する工程と、
能動素子内蔵モジュール用ウエハを多面付けに区画し、各面付け毎に能動素子を内蔵させ、該能動素子の外側の領域に複数の微細貫通孔を形成し、該微細貫通孔に導電材料を配設して貫通電極とし、該貫通電極と前記能動素子とを接続するための配線、多軸モーションセンサー用の電極を形成して能動素子内蔵モジュールを多面付けで作製する工程と、
各面付け毎に、多軸モーションセンサー用の電極が前記センサー本体に対向するように前記能動素子内蔵モジュールを前記多軸モーションセンサー半製品にメタル接合法またはペーストバンプ接合法により環状に接合し、同時に前記能動素子内蔵モジュールの貫通電極と前記センサー本体の所望部位とを接合して多軸モーションセンサーを完成させて、多面付けのセンサーユニットとする工程と、
多面付けのセンサーユニットをダイシングする工程と、を有することを特徴とするセンサーユニットの製造方法。 - シリコン層/酸化シリコン層/シリコン層の3層構造を有するSOIウエハと、1枚のガラスウエハとを多面付けに区画し、これらに対して各面付け毎に所望の加工を施して、SOIウエハに形成されたセンサー本体の一方の面に、ガラスウエハに形成されたガラス基板を接合した積層構造の多軸モーションセンサー半製品を多面付けで作製する工程と、
能動素子内蔵モジュール用ウエハを多面付けに区画し、各面付け毎に多軸モーションセンサー用の電極と所望の配線を形成し、次いで、各面付け毎に、多軸モーションセンサー用の電極が前記センサー本体に対向するように前記能動素子内蔵モジュール用ウエハを前記多軸モーションセンサー半製品にメタル接合法またはペーストバンプ接合法により環状に接合し、同時に前記能動素子内蔵モジュール用ウエハの配線と前記センサー本体の所望部位とを接合して多軸モーションセンサーを完成し、次に、各面付け毎に能動素子を内蔵させ、また、該能動素子の外側の領域に前記能動素子内蔵モジュール用ウエハの反対面から前記配線が露出するように複数の微細貫通孔を形成し、該微細貫通孔に導電材料を配設して貫通電極とし、該貫通電極と前記能動素子とを接続するための配線を形成して能動素子内蔵モジュールを多面付けで作製して、多面付けのセンサーユニットとする工程と、
多面付けのセンサーユニットをダイシングする工程と、を有することを特徴とするセンサーユニットの製造方法。
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