JP5595230B2 - ガスセンサ - Google Patents

Description

この発明は、MEMS（Micro Electro Mechanical Systems）型のガスセンサに関する。

MEMS型のガスセンサとして種々のものが検討されている。しかしMEMS型のガスセンサでは、雰囲気は感ガス部へ半導体チップの一面のみから供給され、チップ内を雰囲気が通過することができない。またチップをパッケージに組み付けるには、例えばチップの底面をダイボンドし、パッドをワイヤボンドする必要があり、さらにチップを覆うようにカバーを取り付ける必要がある。

なお特許文献１：JP3585082Bは、Siチップの一面に絶縁膜を設け、絶縁膜の反対側からチップをエッチングしてダイアフラムとし、ダイアフラムに感ガス部を設けたガスセンサに関して、ダイアフラムに貫通孔を設けて、応力を緩和することを提案している。特許文献２：JP2001-337063Aは、MEMS型ではないガスセンサについて、パッケージに固定したリードにガスセンサの電極をフリップチップ接続することを提案している。

JP3585082B JP2001-337063A

この発明の課題は、ガスセンサの半導体チップ内を雰囲気が通過できるようにすることと、半導体チップのパッケージへの組み付けを容易にすることにある。

この発明のガスセンサは、半導体チップと、通気性のあるセラミックもしくはガラスのパッケージとから成り、
前記パッケージは貫通孔を有するか、もしくは多孔質のセラミックから成り、
前記半導体チップは、半導体チップの一面に設けられた絶縁膜と、前記絶縁膜と前記半導体チップとを貫通するキャビティと、前記絶縁膜に設けられた感ガス部と、前記感ガス部に接続されたパッド、とを備え、
前記パッケージは、半導体チップのパッドとバンプを介してフリップチップ接続されたパッドと、パッドが設けられたパッケージの面を正面、その反対側の面を裏面として、パッケージのパッドからパッケージの裏面まで引き出された配線、とを備えている。

この発明では、キャビティが半導体チップと絶縁膜とを貫通するので、半導体チップ内を雰囲気が容易に移動できる。従って感ガス部を雰囲気に速やかに接触させることができる。

好ましくは、パッケージは感ガス部と向き合う凹部を備えている。このようにすると、感ガス部とパッケージとの接触を防止できる。
特に好ましくは、前記凹部からパッケージの裏面へ前記貫通孔が設けられている。このようにすると、貫通孔、凹部、感ガス部、キャビティの順に、ガスセンサ内を貫通する流路が得られる。

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 変形例の半導体チップの断面図 他の変形例のガスセンサとプリント基板との断面図

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４に、実施例と変形例のガスセンサを示す。図１，図２は実施例のガスセンサ２を示し、４はプリント基板である。ガスセンサ２は、シリコン，GaAsなどの半導体チップ６と、パッケージ８とから成り、パッケージ８はセラミックでもガラスでもよい。半導体チップ６には、チップ６を貫通するキャビティ１０がエッチングなどで設けられ、その一面に絶縁膜１２が設けられ、絶縁膜１２にもキャビティ１０と連通する貫通孔１６が設けられている。絶縁膜１２のうちでキャビティ１０に面した面をベース１４とし、ベース１４上に感ガス部１８が設けられている。なおチップ６が厚い場合、感ガス部１８の反対側の面でチップ６をグラインドして薄肉化しても良い。また絶縁膜１２は少なくともベース１４を含み、キャビティ１０以外の面では設けなくても良い。さらにキャビティ１０は絶縁膜１２側から設けても、その反対面側から設けても良い。

感ガス部１８は、例えば図示しない薄膜ヒータと、薄膜ヒータを保護する絶縁膜、及び絶縁膜上の一対の電極と、SnO₂などの金属酸化物半導体、とから成る。なおSnO₂に代えて ZnO，In₂O₃などの他の金属酸化物半導体でもよい。また金属酸化物半導体と電極、及び金属酸化物半導体と薄膜ヒータ間の絶縁膜を設けず、薄膜ヒータを酸化触媒で被覆し、接触燃焼式ガスセンサとしてもよい。感ガス部１８から、図２に示す脚１９を介して、配線をキャビティ１０の外部まで引き出し、パッド２０，２１に接続する。２０は例えば金属酸化物半導体の電極に接続したパッド、２１は薄膜ヒータに接続したパッドである。

パッケージ８はセラミックもしくはガラスから成り、感ガス部１８に面して凹部２２が設けられ、感ガス部１８がパッケージ８に接触しないようにする。なおチップ６とパッケージ８間のバンプ２６を背の高いバンプとすると、例えば高さ数１０μｍ程度のバンプとすると、凹部２２は設けなくてもよい。

凹部２２の底面から、チップ６の反対面側へと１個あるいは複数個の貫通孔２８が設けられている。パッケージ８のチップ６側の面に複数個のパッド２４が設けられ、バンプ２６を介してチップ６のパッド２０，２１とフリップチップ接続されている。パッド２４からパッケージ８の反対面へと電気的に接続する導電ポスト３０が設けられ、パッド３１を介して、プリント基板４の配線３２に半田層３３で半田付けされている。またプリント基板４には貫通孔２８に面して貫通孔３４を設ける。この結果、貫通孔３４，２８，凹部２２，貫通孔１６，キャビティ１０を介する雰囲気の流路が形成される。

チップ６とパッケージ８との隙間を封止する必要がある場合、例えば図１，図２に鎖線で示すように配線３５，３６を設け、この間を溶着部３７で溶着する。溶着部３７は例えばバンプ２６と同一材料で、溶着に代えて樹脂封止を用いても良い。さらに図１でのキャビティ１０の上側から埃などが侵入することを防止するため、チップ６の絶縁膜１２とは反対側の面を気体透過膜などでコートしても良い。

図３は半導体チップ６の変形例を示し、他の点では図１，図２の実施例と同一である。３８は新たなキャビティで、感ガス部１８とは反対面側からエッチングなどで設けられ、３９は新たな貫通孔である。

図４は第２の変形例を示し、４０は新たなセラミックパッケージで、多孔質である。パッケージ４０は、全面が多孔質でも、凹部２２の周囲の層のみが多孔質でも、凹部２２の底面側の層のみが多孔質でもよい。４２は新たなプリント基板で、貫通孔３４を設けていない他は、図１，図２のプリント基板４と同様である。図４の変形例では、雰囲気は例えばプリント基板４２とパッケージ４０との隙間から、パッケージ４０内を拡散して、凹部２２へ至り、感ガス部１８に接触して、キャビティ１０内を通過する。あるいは凹部２２の周囲から、パッケージ４０を通過して凹部２２内へ至り、キャビティ１０を通過する。

実施例では、パッケージ８，４０から感ガス部１８を介してキャビティ１０を貫通する雰囲気の流路ができるので、吸引ポンプなどで雰囲気を定量ずつ感ガス部１８へ供給できる。またこれ以外の用途でも、感ガス部へ多量の雰囲気を供給できるので、より大きな感度を得ることができる。さらにチップ６のフリップチップ接続によりパッケージへの組み付けが完成するので、チップ６のダイボンドも、パッド２０，２１からのワイヤボンドも不要で、カバーも不要である。そして導電ポスト３０を介して、ガスセンサ２をプリント基板４，４２に接続できる。さらに半導体チップ６を設けたウェハー、あるいはこのウェハーを数分割したサブウェハーを、未分割のパッケージ８、４０を多数備えた板に、一括してフリップチップ接続し、チップ６単位でダイシングすると、製造が容易になる。なお導電ポスト３０に代えて、パッケージ８などの端面に配線を設けてもよい。

２ ガスセンサ
４，４２ プリント基板
６ 半導体チップ
８，４０ パッケージ
１０，３８ キャビティ
１２ 絶縁膜
１４ ベース
１６，３９ 貫通孔
１８ 感ガス部
１９ 脚
２０，２１ パッド
２２ 凹部
２４ パッド
２６ バンプ
２８ 貫通孔
３０ 導電ポスト
３１ パッド
３２ 配線
３３ 半田層
３４ 貫通孔
３５，３６ 配線
３７ 溶着部

Claims (3)

1. 半導体チップと、通気性のあるセラミックもしくはガラスのパッケージとから成り、
   前記パッケージは貫通孔を有するか、もしくは多孔質のセラミックから成り、
   前記半導体チップは、半導体チップの一面に設けられた絶縁膜と、前記絶縁膜と前記半導体チップとを貫通するキャビティと、前記絶縁膜に設けられた感ガス部と、前記感ガス部に接続されたパッド、とを備え、
   前記パッケージは、半導体チップのパッドとバンプを介してフリップチップ接続されたパッドと、パッドが設けられたパッケージの面を正面、その反対側の面を裏面として、パッケージのパッドからパッケージの裏面まで引き出された配線、とを備えている、ガスセンサ。
2. 前記パッケージは、前記感ガス部と向き合う凹部を備えていることを特徴とする、請求項１のガスセンサ。
3. 前記凹部からパッケージの裏面へ前記貫通孔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。

Images