JP5181452B2

JP5181452B2 - 加速度センサ

Info

Publication number: JP5181452B2
Application number: JP2006267556A
Authority: JP
Inventors: 靖雄山口; 牧夫堀川; 美香奥村; 公敏佐藤
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2006-09-29
Filing date: 2006-09-29
Publication date: 2013-04-10
Anticipated expiration: 2026-09-29
Also published as: JP2008089327A

Description

本発明は加速度センサに関し、特に、固定電極及び可動電極を有する静電容量型の加速度センサ素子が搭載され、全体が樹脂封止された静電容量型加速度センサに関するものである。

現在、大半の自動車には、エアバッグシステムが搭載されている。一般にエアバッグシステムには、衝撃を検出するための加速度センサが組み込まれている。

種々の自動車に対して加速度センサを組み込むため、加速度センサを小型化、低コスト化する努力が払われてきた。例えば、加速度検出部及び信号処理部が搭載された半導体基板を覆うパッケージは、金属製のものからトランスファーモールドで形成された樹脂製のものへと切り替えられている。

上述した加速度検出部の半導体基板の表面には、加速度検出用の可動質量体や電気信号を入出力するための電極等が設けられている。上記質量体の可動空間を確保し、可動空間内への異物や水分の侵入を防ぐため、半導体基板の表面には、ガラスキャップが接合されている。これにより質量体の可動空間は密閉されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００５−１７２５４３号公報

上記従来の静電容量型加速度センサにおいて、電極パッドの周辺には、外部と電気信号のやり取りをするためのワイヤが接続されている。そのため、電極パッド周辺部はガラスキャップにより密閉できない。また、樹脂製のパッケージは吸湿性を有しているため、水分に対して密閉封止できない。さらに樹脂と電極パッドの周辺は必ずしも密着性が良いわけではなく、熱衝撃等で剥離することがある。

電極パッドの周辺部でパッケージが剥離すると、パッケージから吸湿した水分が電極パッド周辺部に溜まり、電極パッドと封止枠間の絶縁性が悪化する。そうすると、容量変化により加速度センサの特性が悪化するという問題点があった。

本発明は上記課題を解決するためになされたもので、その目的は、電極パッドの周辺部で樹脂と加速度センサ素子との密着力を大きくしてパッケージの剥離を抑制し、パッケージが剥離した場合でも特性劣化を小さく抑えることである。

本発明に係る加速度センサは、ダイパッドと、前記ダイパッド上に固定された基板と、前記基板上に設けられ、加速度を検出するためのセンサ素子部と、前記基板上で前記センサ素子部と離間して設けられ、前記センサ素子部の電気信号を入出力するための電極パッドと、前記基板上に設けられ、前記センサ素子部と前記電極パッドを電気的に接続する配線と、前記配線上に設けられ、前記配線の表面が暴露するのを防止する絶縁膜と、前記基板上に設けられ、前記センサ素子部を囲む封止枠と、下端部が前記封止枠の上面に接合され、前記センサ素子部を覆うキャップと、前記基板上で前記センサ素子部と前記電極パッドとの間に設けられた突起状部材と、前記基板、前記センサ素子部、前記電極パッド、前記突起状部材を覆い、封止する樹脂と、を有することを特徴とする。本発明のその他の特徴については、以下において詳細に説明する。

本発明によれば、電極パッドの周辺部で樹脂と加速度センサ素子との密着力を大きくしてパッケージの剥離を抑制し、パッケージが剥離した場合でも特性劣化を小さく抑えた加速度センサを得ることができる。

以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において同一または相当する部分には同一符号を付して、その説明を簡略化ないし省略する。

実施の形態１．
本実施の形態１に係る加速度センサについて説明する。上記加速度センサを含む半導体チップ１の側面図を図１に示す。また、図１の半導体チップ１の平面図を図２に示す。

図１及び図２に示すように、半導体チップ１の内部には、ダイパッド２が設けられている。ダイパッド２の上には、加速度センサ３及び信号処理チップ４が、互いに離間して固定されている。加速度センサ３は、シリコン等を材料とする基板５を用いて形成されている。基板５の上には、加速度を検出するためのセンサ素子部６が設けられている。基板５の上で、センサ素子部６と離間して、センサ素子部６の電気信号を入出力するための電極パッド７ａが設けられている。さらに基板５上で、センサ素子部６と電極パッド７ａとの間に、突起状部材８が設けられている。ダイパッド２の周囲には、複数のリード９が設けられている。

信号処理チップ４の上には、電極パッド７ｂ、７ｃが設けられている。リード９の端部上には、電極パッド７ｄが設けられている。電極パッド７ｂは、ワイヤ１０ａを介して電極パッド７ａと接続されている。電極パッド７ｃは、ワイヤ１０ｂを介して電極パッド７ｄと接続されている。

このようにして、信号処理チップ４は、電極パッド７ｂ、ワイヤ１０ａ、電極パッド７ａを介して加速度センサ３と接続され、加速度センサ３から出力される信号の処理等を行うことができる。また、信号処理チップ４は、電極パッド７ｃ、ワイヤ１０ｂ、電極パッド７ｄを介してリード９に接続されている。リード９の一部は樹脂１１の外部に露出し、外部との信号のやり取りをするための入出力端子として用いられる。ダイパッド２、信号処理チップ４、基板５、センサ素子部６、突起状部材８、電極パッド７ａ〜７ｄ、配線１０ａ、１０ｂは、全体が樹脂１１により覆われ、封止されている。

次に、図１及び図２に示した加速度センサ３について説明する。図１及び図２に示した加速度センサ３の拡大上面図を図３に示す。さらに、図３の切断線Ａ−Ａの断面図を図４に示す。また、図３の切断線Ｂ−Ｂの断面図を図５に示す。

図３に示すように、基板５の上の右側部分にはセンサ素子部６が設けられ、センサ素子部６の左側には、電極パッド７ａ（７ａ１〜７ａ４）が設けられている。電極パッド７ａ１〜７ａ４は、それぞれ配線ＬＮａ、ＬＮｂ、ＬＮｃ、ＬＮｄを介してセンサ素子部６と接続されている。これらの配線は、図４及び図５に示すように、基板５の表面に配設されている。また、センサ素子部６の基板５の表面にはシールド電極ＳＥが形成され、配線ＬＮｃに接続されている。

図３に示すように、センサ素子部６には、加速度を検出するための質量体１３、質量体１３を支持する支持部１４、質量体１３と支持部１４とを接続する梁部１５が設けられている。配線ＬＮａには固定電極１６ａが接続され、配線ＬＮｄには固定電極１６ｄが接続されている。質量体１３の両翼には、固定電極１６ａ、１６ｄと対向するように、可動電極１７が櫛状に設けられている。このとき、図３及び図４に示すように、質量体１３及び可動電極１７は、梁部１５及び支持部１４により中空保持されている。

図３に示した加速度センサ３に加速度が加わると、梁部１５が撓んで質量体１３が変位する。すると、可動電極１７と固定電極１６ａ、１６ｄとの間の電極間距離が変動し、電極間の静電容量が変化する。この静電容量の変化により、加速度が検出される。

上述した質量体１３、支持部１４、梁部１５、固定電極１６ａ、１６ｄは、薄膜のポリシリコンにより構成されている。このポリシリコンには、電気的な導通をもたせるため、イオン注入等により燐などの不純物がドープされている。この不純物としては、燐の他に、ガリウム、硼素、砒素などを用いても良い。

上述したセンサ素子部６は、リソグラフィやエッチングなどの半導体製造技術を用いて形成される。すなわち、上述した質量体１３、支持部１４、梁部１５、固定電極１６ａ、１６ｄは、基板５の上にポリシリコンを成膜し、リソグラフィ及びエッチングを用いて形成することができる。

次に、センサ素子部６の密閉構造について説明する。図４及び図５に示すように、基板５の上には、ガラス等により形成されたキャップ１２が設けられ、センサ素子部６の全体を覆っている。基板５上には、センサ素子部６を囲むように、封止枠１８が形成されている。封止枠１８の上面はキャップ１２の下端部に接合され、質量体１３を覆っている。キャップ１２と質量体１３との間には、質量体１３の可動空間１２ａが設けられている。このようにして、封止枠１８とキャップ１２により、センサ素子部６が密封されている。

ここで、キャップ１２と封止枠１８との界面は、陽極接合により接合されている。この接合方法としては、例えば３００〜５００℃程度の温度で、封止枠１８側を陽極とし、キャップ１２側を陰極として、キャップ１２と封止枠１８との間に３００〜１０００Ｖ程度の電圧を印加する。この結果、キャップ１２と封止枠１８との界面にＳｉＯ_２の共有結合が形成され、キャップ１２と封止枠１８とが接合される。

また、可動空間１２ａは、質量体１３がキャップ１２に接触するのを防ぐために設けられている。この可動空間１２ａは、キャップ１２のセンサ素子部６（基板５）に対向する面をエッチング処理したり、サンドブラスト処理したりすることにより形成される。

可動空間１２ａの厚さは、センサ素子部６の厚さに応じて決定される。この厚さを薄くすることにより、質量体１３の基板５から離れる方向への移動を制限できる。これにより、質量体１３がキャップ１２に接触しても、接触時の衝突エネルギーを小さくでき、センサ素子部６のダメージを最小限に抑えることができる。

次に、図５に示した電極パッド７ａ２、突起状部材８、封止枠１８付近（楕円の点線部付近）の拡大断面図を図６に示す。また、図６に対応する平面図を図７に示す（なお、図７においては、図６に示す樹脂１１、絶縁膜１９の図示は省略している）。図６に示すように、基板５の表面に配線ＬＮｂが設けられ、その上に絶縁膜１９が形成されている。絶縁膜１９には開口部１９ａが形成され、開口部１９ａを介して、配線ＬＮｂと電極パッド７ａ２が接続されている。基板５の上で、電極パッド７ａ２と封止枠１８との間には、突起状部材８が設けられている。さらに、これら全体を覆うように、樹脂１１が形成されている。

図６に示すように、配線ＬＮｂと封止枠１８は、絶縁膜１９により電気的に分離されている。また、絶縁膜１９が設けられていることにより、配線ＬＮｂの表面が、電極パッド７ａ２と封止枠１８との間で暴露するのを防止できる。これにより、樹脂１１が剥離して電極パッド７ａ２と封止枠１８との間に水分が溜まった場合であっても、電極パッド７ａ２とセンサ素子部６との間にショートが発生することを防止できる。

また、封止枠１８の電位は、センサ素子部６と同電位とするか、又は接地電位とすることが好ましい。これにより、静電気等の外部からの電気的なノイズからセンサ素子部６を保護することができる。

前述したように、樹脂１１は基板５の上で、加速度センサ３の全体を覆うように形成されている。本実施の形態１では、基板５の上に突起状部材８を設けたことにより、樹脂１１と加速度センサ３との接触面積が増加し、両者の密着力が増加する。これにより、樹脂１１が加速度センサ３から剥離するのを抑制できる。また、剥離が部分的に発生した場合であっても、樹脂１１が突起状部材６から全て剥離することを防止できる。

従って、本実施の形態１に係る加速度センサによれば、電極パッドの周辺部で、基板５の表面に水分が溜まることを防止でき、電極パッド７ａと封止枠１８との間の絶縁性を保つことができる。よって、加速度センサ３の特性変動を小さく抑えることが可能となる。

また、電極パッド７ａから封止枠１８に至る沿面距離は、突起状部材８を設けない場合と比較して、突起状部材８の高さの２倍だけ長くなる。従って、仮に樹脂１１が加速度センサ３から剥離し、電極パッド７ａと封止枠１８との間に水分が溜まった場合であっても、突起状部材がない場合と比較して、水分による抵抗が大きくなる。よって、加速度センサの特性への影響を小さく抑えることができる。

また、突起状部材８の材料としては、センサ素子部６を構成する材料と同一の材料、例えばシリコン膜を用いることが好ましい。これにより、センサ素子部６を形成する過程で、センサ素子部６と突起状部材８を同時に形成することができる。従って、突起状部材８を形成するための新たな工程を追加する必要はなく、製造コストの上昇を抑えることができる。

次に、本実施の形態１の第１の変形例について説明する。本変形例の加速度センサのセンサ素子部の周辺部の拡大断面図を図８に示す。また、図８に対応する平面図を図９に示す。図８及び図９に示すように、電極パッド７ａと封止枠１８との間に、２本の線状の突起状部材８が設けられた構造であっても良い。これにより、図６及び図７の構造と比較して、樹脂１１と加速度センサ３との間の密着性をさらに向上させることができる。

次に、本実施の形態１の第２の変形例について説明する。本変形例の加速度センサのセンサ素子部の周辺部の拡大断面図を図１０に示す。また、図１０に対応する平面図を図１１に示す。図１０及び図１１に示すように、突起状部材８が、島状に設けられた構造であっても良い。このような構造であっても、図６〜図９に示した構造と同様の効果を得ることができる。

次に、本実施の形態１の第３の変形例について説明する。本変形例の加速度センサのセンサ素子部の周辺部の拡大断面図を図１２、図１３に示す。図１２に示すように、突起状部材８の断面形状は、基板５上でＴ字状となる構造であっても良い。また、図１３に示すように、突起状部材８の断面形状は、基板５上で鍵型（逆Ｌ字型）となる構造であっても良い。すなわち、図１２、図１３に示すように、突起状部材８の上面の幅が、突起状部材８の下面の幅よりも大きくなる形状であっても良い。このような構造とすることにより、図６の構造と比較して、樹脂１１と加速度センサ３との間の密着力を大きくし、樹脂１１の剥離を効果的に抑制できる。

以上説明したように、本実施の形態１およびその変形例によれば、電極パッド周辺部での樹脂と加速度センサ素子との密着力を大きくしてパッケージの樹脂と加速度センサとの間の剥離を抑制することができる。また、パッケージの樹脂が剥離した場合であっても、特性劣化を小さく抑えることができる。

実施の形態２．
本実施の形態２に係る加速度センサについて説明する。ここでは、実施の形態１と異なる点を中心に説明する。

本実施の形態２に係る加速度センサの断面図を図１４に示す。この断面図は、実施の形態１の図６と同様に、電極パッド７ａ２と封止枠１８との間の部分を拡大したものである。また、この部分に対応する平面図を図１５に示す（なお、この平面図においては、図１４に示す樹脂１１、絶縁膜１９の図示は省略している）。図１４及び図１５に示すように、基板５の表面で、センサ素子部６と電極パッド７ａ２との間に第１の溝２０が設けられている。第１の溝２０の内部には樹脂１１が埋め込まれている。さらに樹脂１１は基板５、電極パッド７ａ２を覆い、封止している。なお、ここでは、実施の形態１で示した突起状部材８（図６、図７参照）は設けられていない。

すなわち、本実施の形態２に係る加速度センサは、実施の形態１で示した突起状部材８に置き換えて、基板５の表面に第１の溝２０を形成して、その内部に樹脂１１が埋め込まれるようにしたものである。このような構造とすることにより、実施の形態１と同様に、樹脂１１と加速度センサ３との接触面積が増加し、両者の密着性を向上させることができる。従って、実施の形態１と同様に、パッケージの樹脂と加速度センサとの間の剥離を抑制することができる。また、パッケージの樹脂が剥離した場合であっても、特性劣化を小さく抑えることができる。

ここで、センサ素子部６が設けられた位置において、基板５の表面には、第２の溝２１が形成されている。そして、第１の溝２０の深さと第２の溝２１の深さは、ほぼ同一である。第２の溝２１は、センサ素子部６を形成する過程で形成される溝である。従って、第１の溝２０を形成するための新たな工程を追加する必要はなく、製造コストの上昇を抑えることができる。

次に、本実施の形態２の第１の変形例について説明する。本変形例の加速度センサのセンサ素子部の周辺部の拡大断面図を図１６に示す。また、図１６に対応する平面図を図１７に示す。図１６及び図１７に示すように、第１の溝２０は、島状に設けられた構造であっても良い。このような構造であっても、図１４及び図１５に示した構造と同様の効果を得ることができる。

次に、本実施の形態２の第２の変形例について説明する。本変形例の加速度センサのセンサ素子部の周辺部の拡大断面図を図１８、図１９に示す。図１８に示すように、第１の溝２０の断面形状が、逆Ｔ字状となる構造であっても良い。また、図１９に示すように、第１の溝２０の断面形状が、逆テーパ状となる構造であっても良い。すなわち、図１８、図１９に示すように、第１の溝２０の底面の幅が、この溝の開口部の幅よりも大きくなる形状であっても良い。このような構造とすることにより、図１４の構造と比較して、樹脂１１と加速度センサ３との間の密着力をさらに大きくし、樹脂１１の剥離を効果的に抑制できる。

以上説明したように、本実施の形態２およびその変形例によれば、実施の形態１で得られる効果に加えて、樹脂１１と加速度センサ３との間の密着性を向上させ、樹脂１１の剥離を効果的に抑制できる。

実施の形態１に係る加速度センサを含む半導体チップの側面図である。図１の半導体チップの平面図である。加速度センサの上面図である。図３の切断線Ａ−Ａの断面図である。図３の切断線Ｂ−Ｂの断面図である。実施の形態１に係る加速度センサの拡大断面図である。図６の断面図に対応する平面図である。実施の形態１の第１の変形例に係る加速度センサの拡大断面図である。図８の断面図に対応する平面図である。実施の形態１の第２の変形例に係る加速度センサの拡大断面図である。図１０の断面図に対応する平面図である。実施の形態１の第３の変形例に係る加速度センサの拡大断面図である。実施の形態１の第３の変形例に係る加速度センサの拡大断面図である。実施の形態２に係る加速度センサの拡大断面図である。図１４の断面図に対応する平面図である。実施の形態２の第１の変形例に係る加速度センサの拡大断面図である。図１６の断面図に対応する平面図である。実施の形態２の第２の変形例に係る加速度センサの拡大断面図である。実施の形態２の第２の変形例に係る加速度センサの拡大断面図である。

符号の説明

１半導体チップ、２ダイパッド、３加速度センサ、４信号処理チップ、５基板、６センサ素子部、７ａ−７ｄ電極パッド、８突起状部材、９リード、１０ａ、１０ｂワイヤ、１１樹脂、１２キャップ、１３質量体、１６ａ、１６ｄ固定電極、１７可動電極、１８封止枠、１９絶縁膜、２０第１の溝、２１第２の溝。

Claims

ダイパッドと、
前記ダイパッド上に固定された基板と、
前記基板上に設けられ、加速度を検出するためのセンサ素子部と、
前記基板上で前記センサ素子部と離間して設けられ、前記センサ素子部の電気信号を入出力するための電極パッドと、
前記基板上に設けられ、前記センサ素子部と前記電極パッドを電気的に接続する配線と、
前記配線上に設けられ、前記配線の表面が暴露するのを防止する絶縁膜と、
前記基板上に設けられ、前記センサ素子部を囲む封止枠と、
下端部が前記封止枠の上面に接合され、前記センサ素子部を覆うキャップと、
前記基板上で前記センサ素子部と前記電極パッドとの間に設けられた突起状部材と、
前記基板、前記センサ素子部、前記電極パッド、前記突起状部材を覆い、封止する樹脂と、
を有することを特徴とする加速度センサ。
前記突起状部材の材料として、前記センサ素子部を構成する材料と同一の材料が用いられていることを特徴とする請求項１に記載の加速度センサ。
前記突起状部材の上面の幅は、前記突起状部材の下面の幅よりも大きいことを特徴とする請求項１又は２に記載の加速度センサ。
前記突起状部材の断面形状は、Ｔ字状または鍵型状であることを特徴とする請求項３に記載の加速度センサ。
ダイパッドと、
前記ダイパッド上に固定された基板と、
前記基板上に設けられ、加速度を検出するためのセンサ素子部と、
前記基板上で前記センサ素子部と離間して設けられ、前記センサ素子部の電気信号を入出力するための電極パッドと、
前記基板上に設けられ、前記センサ素子部と前記電極パッドを電気的に接続する配線と、
前記配線上に設けられ、前記配線の表面が暴露するのを防止する絶縁膜と、
前記基板上に設けられ、前記センサ素子部を囲む封止枠と、
下端部が前記封止枠の上面に接合され、前記センサ素子部を覆うキャップと、
前記基板の表面で、前記センサ素子部と前記電極パッドとの間に設けられた第１の溝と、
前記第１の溝に埋め込まれ、前記基板、前記センサ素子部、前記電極パッドを覆い、封止する樹脂と、
を有することを特徴とする加速度センサ。
基板と、
前記基板上に設けられ、加速度を検出するためのセンサ素子部と、
前記基板上で前記センサ素子部と離間して設けられ、前記センサ素子部の電気信号を入出力するための電極パッドと、
前記基板の表面で、前記センサ素子部と前記電極パッドとの間に設けられた第１の溝と、
前記第１の溝に埋め込まれ、前記基板、前記センサ素子部、前記電極パッドを覆い、封止する樹脂と、
を有し、
前記センサ素子部が設けられた位置で、前記基板の表面には第２の溝が形成され、
前記第１の溝の深さと、前記第２の溝の深さが同一であることを特徴とする加速度センサ。
前記第１の溝の底面の幅は、前記第１の溝の開口部の幅よりも大きいことを特徴とする請求項５又は６に記載の加速度センサ。
前記第１の溝の断面形状は、逆Ｔ字状又は逆テーパ状であることを特徴とする請求項７に記載の加速度センサ。