JP5675653B2 - センサモジュールとその製造方法 - Google Patents

Description

本発明はセンサモジュールの取り付けとハウジングに関する。

センサモジュールは、一般に、センサチップと、センサチップの信号を処理する評価チップとから構成される。チップはリードフレームやパネルにマウントされ、電気的に接続され、その後、モールド材料で直接カプセル化される。センサチップが機械的歪みに敏感な場合、センサチップと評価チップとは空洞のあるハウジングに配置され、接続される。ハウジングは、例えば、ボンド、はんだ付け、溶接により金属カバーで封止される。

センサモジュールのマウンティングとハウジングに関する一つの課題は、ハウジングを小型化することにある。さらに、センサチップが機械的歪みに敏感ならば、悪影響を与えない適切な方法でマウントしなければならない。

従って、この発明の目的は、小形のハウジングを備え、センサチップに機械的歪みを与えないセンサモジュールを提供することである。

本発明のセンサモジュールは、以下のセンサモジュールにより発明の目的を達成する。
センサモジュールであって、キャリアと、少なくとも一つのセンサチップと、センサチップに電気的に接続された少なくとも一つの評価チップと、から構成される。キャリアはカットアウトを備え、センサチップは、少なくとも部分的にはカットアウト内に配置されている。評価チップは、キャリア上に位置し、少なくとも部分的にはカットアウトを覆っている。カットアウト付きのキャリアはセンサチップのハウジング（筐体）として、評価チップはカバーとして、別々のカバーが得られるようになっている。この場合、評価チップの少なくとも長さ又は幅はカットアウトの長さ又は幅よりも大きく、カットアウトをブリッジする（またぐ）ことができる。

ある実施形態では、評価チップによりカットアウトが完全に覆われている。そのためセンサチップはキャリアと評価チップに囲まれ、守られている。

ある実施形態では、センサチップはカットアウト中に収まっている。カットアウトの深さは、センサチップが完全にカットアウトに収まるように設計するので、非常に平坦なセンサモジュールが得られる。センサチップはこのために薄くできる。

ある実施形態では、評価チップが、キャリアに面していて、フリップチップ技術により、キャリアの第１電気的コンタクト領域に電気的に接続されている電気的コンタクト領域を備えている。こうして、評価チップはフリップチップ技術によりキャリア上に機械的、電気的に固定される。評価チップの電気的コンタクト領域はキャリアに面しているので、外界から守る必要はない。さらに、キャリアの第１電気的コンタクト領域を経由して、電気信号は評価チップとの間で双方向に流れる。その信号は例えばセンサチップから生じ、もしくは、センサモジュールの外部にさらなる処理のために提供される。

ある実施形態では、キャリアは第２電気的コンタクト領域を持っている。それは前述の電気的コンタクト領域とスルーホールを通して電気的に繋がっている。第２電気的コンタクト領域は、信号がセンサチップと評価チップの間で交換されるように、センサチップの電気的コンタクト領域に繋がれうる。

ある実施形態では、センサチップを弾性接着剤でキャリアのカットアウトの中に固定し、センサチップの電気的コンタクト領域が第２電気的コンタクト領域にボンディングワイヤで電気的に接続されている。弾性接着剤とボンディングワイヤは、センサチップに機械的歪みが影響しないように使用される。

ある実施形態では、第２電気的コンタクト領域はカットアウトの中に存在している。センサチップの電気的コンタクト領域はフリップチップ技術によりキャリアの第２電気的コンタクト領域に接続される。ボンディングワイヤ用のスペースはないので、フリップチップ技術用のボンディングパッドが必要となる。この実施形態は、評価チップがセンサチップより十分に大きくない時に特に優れている。この場合、センサチップはメッキされたスルーホールによって評価チップに接続されている。

ある実施形態では、センサチップの電気的接触領域は、導電性のバネによりキャリアの第２電気的コンタクト領域に電気的に接続されている。センサチップは機械的に導電性のバネにのみ繋がっている。フリップチップ技術により、キャリアの機械的歪みはセンサチップに直接伝わる。しかし、センサチップが導電性のバネのみによりキャリアに接続されると、キャリアの機械的歪みはほんの僅かにセンサチップに影響を及ぼす。

ある実施形態では、少なくとも一つの導電性のバネが曲がり角を二つ以上持つ。曲がり角は少なくとも二つの違った空間的方向に向く。曲がり角が違った方向に向くことにより、多数の方向からくる機械的歪みは導電性のバネに吸収され、大きく減衰され、センサチップにはほとんど影響しない。

ある実施形態では、センサチップは電気的コンタクト領域を持つ評価チップの側に固定されている。評価チップとセンサチップは大抵同じ材質で作られる（シリコンなど）。これは温度変化による歪みを全く起こさせない熱機械学的に良い組み合わせである。また、センサチップは評価チップにより機械的に安定させられる。

ある実施形態では、センサチップの電気的コンタクト領域がフリップチップ技術により評価チップの電気的コンタクト領域と電気的に接続されている。フリップチップ技術はセンサチップから評価チップへの機械的、電気的接続の省スペースに寄与している。

ある実施形態では、センサチップの電気的コンタクト領域がボンディングワイヤにより評価チップの電気的コンタクト領域に電気的に接続されている。評価チップからセンサチップへの機械的歪みの伝播はボンディングワイヤにより軽減される。

ある実施形態では、ボンディングワイヤを受け入れるもう一つカットアウトがキャリアに形成されている。そのカットアウトはセンサモジュールを小型化するために、ボンディングワイヤの必要とするスペースを減らすことができる。

ある実施形態では、評価チップとキャリアの間にシールが配置されている。シールはセンサチップと電気的コンタクト領域を持つ評価チップの側面とを、湿気・湿度・蒸気などの環境の影響から保護する。この場合、シールは密封、不浸透性である。

ある実施形態では、シールははんだフレーム、粘着性材料もしくはアンダーフィラーから形成されている。これらにより、フリップチップ技術による導電接続で形成されたキャリアと評価チップとの間の隙間を埋める事ができる。これによりセンサモジュールの内部構造を外部環境から守り、フリップチップ接続を機械的に安定な状態にさせる。

ある実施形態では、第１層が、評価チップとキャリア上に配置され、第１層は、カットアウトを完全に覆い、キャリアと共に評価チップを完全に囲う。第１層は、少なくとも１つの熱可塑性層、熱硬化性プラスチック層、熱溶融性接着剤コーティング、又は反応性接着剤コーティングを備える。第１層がカットアウトを完全に覆い、評価チップを囲むことで、環境の影響に対してセンサモジュールを保護される。

ある実施形態では、少なくとも一つの層を重ねている。この層は金属製の層である。金属層は不浸透性とセンサモジュールの機械的構造安定性を促進させ、電磁的放射からセンサモジュールを守っている。

評価チップが、評価チップのへりからキャリアのへりまでマージンができるように、キャリアよりも小さい。第１層がマージンの内側部分を覆い、マージンの外側部分は覆わない。もう一つの層は、第１層を完全に覆い、マージンの外側部分でキャリアに接続されている。最初の層がマージンの外側部分を覆っていないので、もう一つの層である金属層が不浸透で固定的に接着される。この構造には、センサモジュールの不浸透性と機械的な頑丈さを向上する。

ある実施形態では、評価チップの周囲に閉じられたフレーム型のマージンが広がる。この場合、センサモジュールは全ての箇所がシールされ密封される。

ある実施形態では、評価チップが増幅器、ＡＳＩＣ、ＭＥＭＳである。機械的歪み、熱歪みを分離したため、ハウジングは前述の歪みに敏感に反応するＭＥＭＳに特に適する。評価チップやＡＳＩＣでは、ＭＥＭＳの信号が省スペースの形態で処理されうる。

ある実施形態では、ＭＥＭＳは圧力センサ、マイク、湿度（蒸気）センサ、または加速度センサである。

ある実施形態では、キャリアがセラミックで出来ている。セラミックは機械的に強く、必要な電気的コンタクト領域とメッキされたスルーホールを備える。

ある実施形態では、センサチップは１００〜２００μｍの厚さを持ち、評価チップは２００〜４００μｍの厚さを持つ。機械的歪み、熱歪みがあまりおきないので、チップ厚を薄くすることができ、センサモジュールの全高を大幅に減らすことができる。

本発明は、センサモジュールの生産方法も提供する。この生産方法は、少なくとも第１層が、パネル技術を用いて、複数のセンサモジュールの上に適用され、センサモジュールは、続いて、単一化されている。センサモジュールを組み合わせる処理は、取り扱いステップを減らし、センサモジュールの低コスト化に寄与する。

フリップチップ技術によってセンサチップがキャリアに固定されたものの断面図である。 導電性のバネによりセンサチップがキャリアに接続されたものの断面図である。 導電性のバネによりセンサチップがキャリアに接続されたものの平面図である。 センサチップが評価チップに固定されたものの断面図である。 センサチップが評価チップに固定されたものの平面図である。

図１はセンサモジュール２２の実施例の断面図である。キャリア１はカットアウト（切り抜き部）２を持ち、センサチップ３がフリップチップ技術によりカットアウトの底に取り付けられている。評価チップ４はカットアウト２とセンサチップ３を覆っている。この場合、キャリア１は、セラミック、例えば、高温焼成セラミック（ＨＴＣＣ）又は低温焼成セラミック（ＬＴＣＣ）から構成可能である。このタイプのセラミックは、メッキされたスルーホール１０を有効にする金属構造を含んでもよい。この場合、キャリア１はフレームが載置された基盤を備えても良い。

センサチップ３は、圧力センサ、マイク、加速度センサ等であり、例えば、ＭＥＭＳ（メムス：Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）を備える。他のタイプのセンサも同様に可能である。
一例として、図１は、メンブレン５を備えるセンサチップ３と開口部６を備えるキャリア１を備える圧力センサとを示している。
計測対象の圧力は、開口部６を介してセンサチップ３に到達する。開口部６はセンサモジュール２２の他の場所に形成されてもよい。

センサチップ３は、測定信号を取り出すための電気的コンタクト領域７を持つ。電気的コンタクト領域７は、はんだボール、金スタッドバンプ、導電接着剤等の導電接続９により、キャリア１の第２電気的コンタクト領域８と接続される。しかし、センサチップ３の電気的コンタクト領域７がボンディングワイヤによりキャリア１の第２電気的コンタクト領域８に接続される「フェイスアップ」マウンティングも可能である。このタイプの接合・接続は評価チップ４がセンサチップ３より圧倒的に大きければ、横方向に伸びるボンディングワイヤの必要平面領域はどのみち提供されるので、不利益は生じない。ボンディングワイヤを用いた接合・接続の利点は、キャリア１の機械的歪みがセンサチップ３に直接伝わらないことである。機械的歪みの分離は、柔軟な粘着性フィルムによりセンサチップ３がキャリア１と繋がれれば更に改善される。粘着フィルムは、シリコンゴムなどから形成され、例えば、５０μｍ以上の厚さを有する。

キャリア１は更に、第１電気的コンタクト領域１１を備える。第１電気的コンタクト領域１１には、評価チップの電気的コンタクト領域１７が導電接続９により接続されている。第１電気的コンタクト領域１１とキャリア１の第２電気的コンタクト領域８はスルーホール１０を通じてお互い接続されている。このように、センサの信号は評価回路４に伝達され、評価回路４で処理される。

図１は、評価チップ４から、センサチップ２２の一部の接合接続、即ち、処理されたセンサ信号を取り出すための接合接続や、評価チップを駆動するための接合・接続は省略している。これらは、キャリア４の下面のコンタクトエリアに、例えば、メッキされたスルーホールを介して、接続される。これにより、センサモジュール２２は、表面実装装置（ＳＭＤ）技術により接続可能となる。

評価チップ４はキャリア１に「フェイスダウン」で取り付けられており、キャリア１の方向に電気的に接触する領域１７が向いている。評価チップ４はフリップチップ技術によってキャリア１に接続されている。評価チップ４はカットアウト２よりも少なくとも長さか幅では大きく、少なくとも部分的にはカットアウトをブリッジしている（乗り越えている）。これにより、センサチップ３は一側をキャリア１で保護され、他側を評価チップ４によって保護されている。

図１の右側には、シール１２が描かれている。シール１２は、評価チップ４とキャリア１の間を塞いでいて評価チップ４とキャリア１の間に配置されており、導電接続９を囲んでいる。シール１２は、例えば、そのような場所に適用される硬化ポリマー等である。毛管力によって、接合部分に広がるアンダフィルや、ジェットプリンティングなどに使われる接着剤等でもよい。

第１層１３が評価チップ４上に配置されてもよい。第１層は、例えば、熱可塑性フィルム、熱溶融性接着剤がコーティングされたフィルム、「Ｂ−Ｓｔａｇｅ」を有する材料（所謂、熱硬化性ポリマーの硬化反応において可塑性と粘着性との中間状態を有する材料）、又は、反応性接着剤がコーティングされたフィルム、から構成される。これは、多数のセンサモジュール２２が１つの領域に配置され、さらに、パネル技術により、１枚の第１層１３が共通に１ステップで提供される場合に、特に有効である。図１の構成とは対照的に、この場合には、隣のセンサモジュール２２との隙間も埋められ、単一化の後、格子状の部分が生成される。この場合、第１層１３は、全評価チップ４上にフード型で配置され、全側面でキャリア１に接続される。

より高い不浸透性や密封性がセンサモジュール２２に要求されたり、電磁シールドが必要ならば、金属製のもう一つの層１４を第１層１３上に配置してもよい。この場合、第１層１３ともう一つの層１４は合成フィルムでもよい。もう一つの層１４は、チタン、タングステン、クロムのスパッタ等の金属から形成されたシード層と、後続する、銅、ニッケルによる電解メッキにより、例えば、５μｍ〜１００μｍの総厚を有するように形成されたものでもよい。第１層１３の厚さは２０〜２００μｍである。

もう一つの層１４の金属層を不浸透かつ粘着、固定させてキャリア１に繋げるためには、マージン１９の外側部分２１に第１層１３を設けないことが有効である。この場合、平面図３と平面図５にも示されているように、マージン１９は評価チップ４のへりからキャリア１のへりまで位置する、マージン１９の内側部分２０では、第１層１３がキャリア１に接触接続し、外側部分２１では、もう一つの層１４だけがキャリア１に接触接続しているこの場合、もう一つの層１４はフードタイプで第１層１３に適合し、デバイスをさらに密閉する。金属層の厚みが３０μｍ以上ならば、センサモジュール２２は、良好な機械的強度を示し、負荷に関して安定的で、プリント基板にピックアンドプレース製法で処理する際等に有効である。

図２は図１とは異なり、キャリア１の機械的歪みが、導電性のバネ１５が伸びることによりセンサチップ３に伝わらないようになっている。導電性のバネ１５はセンサチップ３に電気的接続を提供し、機械的に固定する。センサチップ３が導電性のバネ１５によってのみ支えられているので、機械的歪みと熱歪みは補填される。導電性のバネ１５は、金属構造として実現されうる。この構造は、犠牲層プロセス（ｓａｃｒｉｆｉｃｉａｌ ｌａｙｅｒ ｐｒｏｃｅｓｓ）により形成され、部分的にキャリア８から離れて（分離して）いる、これにより、特に、柔軟なバネが形成される。弾力のある金属構造は、キャリアの底に、フォトリソグラフィ法で作るのが好ましい。この場合、それらは、全体上に堆積された層からエッチングにより形成される。或いは、それらは、フォトレジスト構造中の開口内に電気的に形成される。この場合、部分的に、配置された犠牲層構造定義領域−そこにおいては、バネは、最終的にレジスト層と犠牲層を除去した後では、自由となる。導電性のバネ１５は、望ましくは少なくとも二回、曲げて形成される。

図３は図２の平面図である。導電性のバネ１５は、違う方向からの機械的歪み及び熱歪みを取り除くように、最低二度は違う方向に曲られている。センサチップ３の電気的コンタクト領域７は、フリップチップ技術で使用された固定導電接続９の代わりに、導電性のバネ１５によって、キャリア１の第２電気的コンタクト領域８に弾性を持って接続されている。

評価チップ４が幅Ｂ４と長さＬ４を有することが図３で分かり、それはカットアウト２の幅Ｂ２と長さＬ２よりそれぞれ大きい。特徴的な事は、評価チップ４は少なくとも一つの方向ではカットアウト２よりも小さくできる事である。この場合、第１層１３と、可能ならば、もう一つの層１４はカットアウト２の、評価チップ４にカバーされていない部分（ギャップ）を覆う。

図３もまた、マージン１９が内側部分２０と外側部分２１を有することを示している。この場合、マージン１９は、閉じたフレームタイプの形態で評価チップ４の周りに広がる。

図４は、キャリア１にセンサチップ３が繋がれておらず、評価チップ４に固定されている典型的なセンサモジュールの実施形態の断面図である。これは、評価チップ４のウエハが切られる前に、接着ボンデイングすることにより達成される。図４で見られる配置は、評価チップ４とセンサチップ３が一般的にシリコンなどの同じ金属でできているので、熱機械的にとても都合が良い。それ故、違う線膨張が熱変化によって起こらない。評価チップ４によって、センサチップ３は機械的に安定し、さらに、キャリア１とは機械的に接続されない。これにより、センサモジュール２２は、小さい内部の歪みを有し、外部機械歪みに対しより頑丈である。

センサチップ３の電気的コンタクト領域７はボンディングワイヤ１６によって評価チップの電気的コンタクト領域１７に電気的に接続されている。ボンディングワイヤのスペースを小さくすることによりセンサモジュールをより小さくするためには、ボンディングワイヤ１６が配置されるもう一つのカットアウト１８を形成してもよい。フリップチップ技術によって、センサチップ３の電気的コンタクト領域７が評価チップ４の電気的コンタクト領域１７に接続されるように、フリップチップ技術によって接着剤とワイヤボンディングを取り替える。センサチップ３の電気的コンタクト領域７を、接着剤とワイヤボンディングにより、評価チップ４の電気的コンタクト領域１７に接続構造を、フリップチップ技術により、領域７が電気的コンタクト領域１７に直接接続する構造に置換してもよい。

図５は、図４の平面図であり、もう一つのカットアウト１８とボンディングワイヤ１６のコースを示している。評価チップ４はフリップチップコンタクトとメッキされたスルーホール１０とを経由して外部接続回路に繋がっている。この外部接続回路は、例えば、キャリア１の下面に形成されたＳＭＤはんだパッドである。これにより、センサ信号を外部に送ることができる。

全ての典型的な実施形態では、センサチップ３の上の評価チップ４の場所はセンサモジュール２２の中のとても狭いエリアになる。記述したように、機械的歪み、熱歪みは減るので、評価チップ４とセンサチップ３を薄くすることが可能である。キャリア１の厚さを１００〜３００μｍに、センサチップ３の厚さを１００〜２００μｍに、評価チップ４の厚さを２００〜４００μｍにすることで、センサモジュール全体の高さを１ｍｍかそれ以下にすることができる。

１ キャリア
２ カットアウト
３ センサチップ
４ 評価チップ
５ メンブレン
６ 開口部
７ センサチップの電気的コンタクト領域
８ キャリアの第２電気的コンタクト領域
９ 導電接続
１０ スルーホール
１１ キャリアの第１電気的コンタクト領域
１２ シール
１３ 第１層
１４ もう一つの層
１５ 導電性のバネ
１６ ボンディングワイヤ
１７ 評価チップの電気的コンタクト領域
１８ もう一つのカットアウト
１９ マージン
２０ 内側部分
２１ 外側部分
２２ センサモジュール

Claims (14)

1. センサモジュールであって、
   キャリア（１）と、
   少なくとも一つのセンサチップ（３）と、
   センサチップ（３）と電気的に接続された少なくとも一つの評価チップ（４）と、から構成され、
   前記キャリア（１）はカットアウト（２）を備え、
   前記センサチップ（３）は、前記カットアウト（２）内に配置されており、
   前記評価チップ（４）は、前記キャリア（１）上に位置し、少なくとも部分的にはカットアウト（２）を覆っており、
   第１層（１３）が、前記評価チップ（４）と前記キャリア（１）上に配置され、前記第１層（１３）は、前記評価チップ（４）に接触した状態で、前記カットアウト（２）を密封し、前記キャリア（１）と共に前記評価チップ（４）を密封し、前記第１層（１３）は、少なくとも１つの熱可塑性層、熱硬化性プラスチック層、熱溶融性接着剤コーティング又は反応性接着剤コーティングを備え、
   前記キャリア（１）が、スルーホール（１０）を介して前記キャリア（１）の第１電気的コンタクト領域（１１）に電気的に接触している、第２電気的コンタクト領域（８）を前記カットアウト（２）の中に備え、
   前記評価チップ（４）が、前記キャリア（１）に面していて、フリップチップ技術により、前記キャリア（１）の前記第１電気的コンタクト領域（１１）に電気的に接続されている、電気的コンタクト領域（１７）を備え、
   前記センサチップ（３）の電気的コンタクト領域（７）は、導電性のバネ（１５）にのみ該センサチップ（３）が機械的に接続されるように、該導電性のバネ（１５）により、前記キャリア（１）の前記第２電気的コンタクト領域（８）に電気的にフリップチップ技術によって接続されている、
   ことを特徴とするセンサモジュール。
2. 請求項１に記載のセンサモジュールであって、
   前記評価チップ（４）は、前記カットアウト（２）を完全に覆っている、
   ことを特徴とするセンサモジュール。
3. 請求項１に記載のセンサモジュールであって、
   前記導電性のバネ（１５）の少なくとも１つは、少なくとも二つの曲がり角を有する、
   ことを特徴とするセンサモジュール。
4. 請求項３に記載のセンサモジュールであって、
   曲がり角は少なくとも二つの異なる空間的方向に面する、
   ことを特徴とするセンサモジュール。
5. 請求項１から４の何れかに記載のセンサモジュールであって、
   前記評価チップ（４）と前記キャリア（１）の間に、シール（１２）が配置されている、
   ことを特徴とするセンサモジュール。
6. 請求項５に記載のセンサモジュールであって、
   前記シール（１２）は、はんだ付けされたフレーム、粘着性のもの、もしくはアンダフィル、から構成される、
   ことを特徴とするセンサモジュール。
7. 請求項１に記載のセンサモジュールであって、
   金属から形成される少なくとももう一つの層（１４）が、前記第１層（１３）上に形成されている、
   ことを特徴とするセンサモジュール。
8. 請求項７に記載のセンサモジュールであって、
   前記評価チップ（４）が、前記評価チップ（４）のへりからキャリア（１）のへりまでマージン（１９）ができるように、前記キャリア（１）よりも小さく、
   前記第１層（１３）が前記マージン（１９）の内側部分（２０）を覆い、前記マージン（１９）の外側部分（２１）は覆わず、
   前記もう一つの層（１４）は、前記第１層（１３）を完全に覆い、前記マージン（１９）の外側部分（２１）で前記キャリア（１）に接続されている、
   ことを特徴とするセンサモジュール。
9. 請求項８に記載のセンサモジュールであって、
   マージン（１９）は、前記評価チップ（４）の周囲に、閉じたフレーム型に広がっている、
   ことを特徴とするセンサモジュール。
10. 請求項１から９の何れかに記載のセンサモジュールであって、
    前記評価チップ（４）は、増幅器かＡＳＩＣから構成され、
    前記センサチップ（３）は、ＭＥＭＳから構成される、
    ことを特徴とするセンサモジュール。
11. 請求項１０に記載のセンサモジュールであって、
    前記ＭＥＭＳは、圧力センサ、マイク、湿度センサ、加速度センサ、を構成する、
    ことを特徴とするセンサモジュール。
12. 請求項１から１１の何れかに記載のセンサモジュールであって、
    前記キャリア（１）はセラミック製である、
    ことを特徴とするセンサモジュール。
13. 請求項１０に記載のセンサモジュールであって
    前記センサチップ（３）の厚さは１００〜２００μｍであり、
    前記評価チップ（４）の厚さは２００〜４００μｍである、
    ことを特徴とするセンサモジュール。
14. 請求項１、又は、請求項８から１３の何れかに記載のセンサモジュールの製造方法であって、
    少なくとも第１層（１３）が、パネル技術を用いて、複数のセンサモジュールの上に適用され、前記センサモジュールは、続いて、単一化されている、
    ことを特徴とするセンサモジュールの製造方法。

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