JP5403695B2 - ガスセンサ - Google Patents

Description

この発明は半導体チップのキャビティに感ガス部を設けたガスセンサに関し、特にガスセンサの実装構造に関する。

MEMS（Micro Electro Mechanical Systems）技術を用い、半導体チップのキャビティ上に感ガス部を設けたガスセンサが研究されている。しかしこのようなガスセンサの実装構造については、余り検討されていない。そしてMEMS型のガスセンサを単純に実装すると、パッケージにガスセンサの半導体チップをダイボンドし、電極のパッドをワイヤボンドし、更にチップをカバーで保護することになる。しかしこれでは実装構造が複雑である。

ここで関連する先行技術を示すと、特許文献１：JP2001-337063A、特許文献２：JP2002-174608Aは、パッケージに固定したリードにガスセンサの基板をフリップチップ接続することを開示している。なおガスセンサはMEMS型ではなく、基板に感ガス部を厚膜印刷で設けたものである。

JP2001-337063A JP2002-174608A

この発明の課題は、パッケージへのダイボンドもワイヤボンドも無しに、ガスセンサをプリント基板に実装できるようにすることにある。
この発明の追加の課題は、ガスセンサにガスフィルタを設けることにある。

この発明は、半導体チップの一面に感ガス部を有する絶縁膜が設けられ、感ガス部の裏面で半導体チップにキャビティが設けられたガスセンサにおいて、半導体チップは、一面から反対面へと貫通し感ガス部に電気的に接続される導電性のビアと、反対面に設けられかつビアに接続される配線、とを備え、かつ感ガス部が半導体チップに固着された通気性のカバーで覆われていることを特徴とする。

この発明では、半導体チップをプリント基板等に直接接続でき、パッケージが不要で、ダイボンドもワイヤボンドも不要である。また感ガス部を覆うカバーを半導体チップに固着し、パッケージ無しでカバーを取り付ける。

好ましくは、カバーはセラミックまたはガラスから成り、かつ半導体チップへ至るカバー内の通気路にガスフィルタが設けられている。このようにすると、ガスフィルタをMEMS型のガスセンサに設けることができる。
より好ましくは、感ガス部から見て反対側の位置で、カバーにガスフィルタを収容する凹部が設けられている。このようにすると、簡単な構造のカバーでガスフィルタを設けることができる。

特に好ましくは、凹部を覆い孔がある金属のリッドがカバーに固着されている。このようにすると、ガスフィルタの脱落を簡単に防止できる。またカバーに凹部を覆う蓋を設けても、ガスフィルタの脱落を防止できる。

実施例のガスセンサとプリント基板との断面図 実施例での半導体チップの平面図 実施例でのカバーの平面図 変形例のガスセンサの断面図 第２の実施例のガスセンサの断面図 第２の実施例でのカバーの平面図

以下に本発明を実施するための最適実施例を示す。

図１〜図５に、実施例とその変形とを示す。図１〜図３に最初の実施例を示し、図において２はガスセンサ、４はガスセンサ２をハンダ付けしたプリント基板である。ガスセンサ２は半導体チップ６とカバー８とから成り、半導体チップ６はシリコンあるいはGaAsなどから構成され、その一面にシリカあるいは酸化タンタルなどの絶縁膜１２が設けられ、絶縁膜１２の裏面側にキャビティ１０が設けられている。なおキャビティ１０は絶縁膜１２側からエッチングにより設けても、あるいはチップ６の反対面側から設けてもよい。

絶縁膜１２中のキャビティ１０上で例えば方形の部分をベース１４とし、ベース１４は脚１５により、キャビティ１０の外部の絶縁膜１２に接続されている。ベース１４上に、金属酸化物半導体ガスセンサもしくは接触燃焼式ガスセンサなどの感ガス部１６を設ける。感ガス部１６に例えば４本の配線１７を接続し、他端を図２に示す導電性でチップ６を貫通するビア１８に接続する。ビア１８は、チップ６への反応性イオンエッチングなどにより設けられ、Cuなどの導電体が充填されている。感ガス部１６から見てチップ６の反対面側にパッド２０を設けてビア１８に接続し、パッドは配線の例であり、ハンダバンプ２２を介してプリント基板４の配線２４にハンダ付けする。なおMEMS型のガスセンサでは、半導体チップ６の構成として種々のものが知られており、感ガス部１６の構成、絶縁膜１２の構成などは適宜に変更できる。またハンダバンプ２２はプリント基板４の一部である。

半導体チップ６の、感ガス部１６側の面に、チップ６の四周を取り囲むように金属層２６が設けられている。カバー８は例えばセラミックもしくはガラスから成り、３０，３４はキャビティで、キャビティ３０，３４間には多孔質層３２が設けられている。なおカバー８をガラスとする場合、多孔質層３２の代わりに貫通孔を設ける。３５は金属のリッドで、孔３６が設けられ、カバー８の上端の金属層３７に溶接、ハンダ付けなどで固定されている。リッド３５はキャビティ３４の蓋となり、キャビティ３４にはシート状の活性炭、シート状のゼオライトなどから成るガスフィルタ３８が収容されている。そしてカバー８の底面に金属層３９が設けられ、バンプ４０を介してチップの金属層２６に固着されている。カバー８からリッド３５とガスフィルタ３８を除いた状態を図３に示す。

図１〜図３のガスセンサ２を製造するには、半導体チップに例えば最初にビア１８とパッド２０とを形成する。次いで通常のMEMS型ガスセンサのように、キャビティ１０，ベース１４，感ガス部１６等を形成する。またカバー８をセラミックで形成する場合、例えば３層のセラミックとし、最下層のセラミックシートに孔を設けてキャビティ３０とし、最上層のセラミックシートにも同様に孔を設けてキャビティ３４とする。また中間層のセラミックシートでは多孔質層３２の部分に孔を設け、焼結後も多孔性を維持する材料を充填する。次いで３層を積層し焼成し、ガスフィルタ３８をキャビティ３４にセットし、リッド３５を金属層３７に結合する。そしてバンプ４０を用いて、金属層２６，３９を接合すると、感ガス部１６の周囲四周を封止できる。このようにしてガスセンサ２が完成し、プリント基板４にハンダ付けで取り付ける。なおカバー８をガラスとする場合、エッチングあるいは機械加工などによりキャビティ３０，３４を設け、多孔質層３２の部分にも同様に孔を設ける。またバンプ４０、金属層２６，３９に代えて、樹脂接着剤などでカバー８とチップ６の隙間を封止してもよく、あるいは封止を省略してもよい。同様にリッド３５も、樹脂などでカバー８に固着してもよい。さらにバンプ４０として背の高いバンプ、例えば感ガス部１６の厚さよりも背の高いバンプを用いると、キャビティ３０は設けなくてもよい。

好ましくは、チップ６を多数含むウェハーもしくはチップ６を多数含むサブウェハーに、カバー８を多数含む板をバンプ４０でフリップチップ接続する。ここで好ましくは多数の未切断のリッド３５から成る金属板を、板に金属層３７で取り付けておく。次いで、多数のカバー８から成る板を取り付けたウェハーもしくはサブウェハーを、個々のガスセンサ２へとダイシングする。このようにすると、チップ６へのカバー８の取り付けを、ウェハーもしくはサブウェハーの段階で一括して行える。またリッド３５の取り付けも容易になる。

図４に変形例を示し、図１〜図３と同じ符号は同じものを表す。図４の変形例では、半導体チップ６は実施例と同じで、カバー４８はキャビティ３４とガスフィルタ３８，リッド３５を備えていない。カバー４８は例えばセラミックカバーで、キャビティ３０を備え、多孔質層３２の部分で通気性を備えている。なおセラミックに代えて、ガラスカバーとして、多孔質層３２に代えて透孔を設けても良い。また多孔質層３２の部分を、焼結性の低いガスフィルタ材料、例えばγ−アルミナ、不定形アルミナ、ゼオライト等で構成しても良い。この場合、カバー４８をキャビティ３０を設けた層と、孔内にガスフィルタ材料を充填した層の２層で構成する。

図５，図６に第２の実施例のガスセンサ５２を示し、図１〜図３と同じ符号は同じものを表す。５８はセラミック等の新たなカバーで、キャビティ３４の上面を覆う蓋５３と、キャビティ３４の周囲３方を覆う側壁５４を備え、キャビティ３４の残る一方の側面に開口５５が設けられ、シート状のガスフィルタ３８の挿入口とする。そして孔５０もしくは多孔質層などを介し、キャビティ３０，３４間の通気路を形成する。図５，図６の実施例では、開口５５からシート状のガスフィルタ３８などをキャビティ３４内にセットできる。

実施例では以下の効果が得られる。
(1) ガスセンサ２，５２をプリント基板４に直接実装できる。そしてパッケージもワイヤボンドもダイボンドも不要である。
(2) 感ガス部１６をカバー８などで保護できる。カバー８とチップ６との隙間はバンプ４０などで封止でき、また樹脂接着剤でも封止できる。
(3) キャビティ３４にガスフィルタ３８を収容することにより、被毒性のガスを除去し、あるいは不要なガスを除去できる。なおガスフィルタ３８はシート状に限らず、粒状として、そのままあるいは適宜の接着剤と共に、キャビティ３４に収容しても良い。

２，４２ ガスセンサ
４ プリント基板
６ 半導体チップ
８ カバー
１０ キャビティ
１２ 絶縁膜
１４ ベース
１５ 脚
１６ 感ガス部
１７ 配線
１８ ビア
２０ パッド
２２ ハンダバンプ
２４ 配線
２６ 金属層
３０，３４ キャビティ
３２ 多孔質層
３５ リッド
３６ 孔
３７ 金属層
３８ ガスフィルタ
３９ 金属層
４０ バンプ
４８，５８ カバー
５０ 孔
５２ ガスセンサ
５３ 蓋
５４ 側壁
５５ 開口

Claims (5)

1. 半導体チップの一面に感ガス部を有する絶縁膜が設けられ、前記感ガス部の裏面で半導体チップにキャビティが設けられたガスセンサにおいて、
   前記半導体チップは、前記一面から反対面へと貫通し前記感ガス部に電気的に接続される導電性のビアと、前記反対面に設けられかつ前記ビアに接続される配線、とを備え、
   かつ前記感ガス部が半導体チップに固着された通気性のカバーで覆われていることを特徴とする、ガスセンサ。
2. 前記カバーはセラミックまたはガラスから成り、かつ半導体チップへ至るカバー内の通気路にガスフィルタが設けられていることを特徴とする、請求項１のガスセンサ。
3. 前記感ガス部から見て反対側の位置で、前記カバーに前記ガスフィルタを収容する凹部が設けられていることを特徴とする、請求項２のガスセンサ。
4. 前記凹部を覆い孔がある金属のリッドが前記カバーに固着されていることを特徴とする、請求項３のガスセンサ。
5. 前記カバーは前記凹部を覆う蓋を備えていることを特徴とする、請求項３のガスセンサ。

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