JP5799564B2

JP5799564B2 - センサ装置

Info

Publication number: JP5799564B2
Application number: JP2011095461A
Authority: JP
Inventors: 拓也三木
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2011-04-21
Filing date: 2011-04-21
Publication date: 2015-10-28
Anticipated expiration: 2031-04-21
Also published as: JP2012225852A

Description

本発明は、センサ部と、該センサ部を密閉空間内に収納するパッケージと、センサ部をパッケージに接着固定する接着剤と、を有するセンサ装置に関するものである。

従来、例えば特許文献１に示されるように、センサチップが接着剤によってパッケージ内に固定された半導体圧力センサが提案されている。この半導体圧力センサでは、センサチップの底面とパッケージ内の底面との間に、ヤング率が１×１０^６Ｐａ以下の接着剤が介在され、センサチップの側面とパッケージ内の内周面との間に、ヤング率が１×１０^６Ｐａ以上の接着剤が充填されている。

特開平１１−２９５１７２号公報

ところで、特許文献１に示される半導体圧力センサでは、パッケージが凹形状を成し、その底面に圧力導入孔が形成されている。そして、この圧力導入孔の一方の開口端が、センサチップと接着剤とによって閉塞されている（特許文献１の図１参照）。しかしながら、例えば、パッケージが密閉空間を構成する箱状を成し、この密閉空間が、１気圧よりも低い低圧状態に保たれ、センサチップが接着剤を介してパッケージの内面に接着固定された構成の場合、下記に示す不具合が生じる。

特許文献１に示される接着剤は、具体的には、シリコーン系接着剤やエポキシ系接着剤であり、有機系接着剤である。有機系接着剤の母材は、経時変化によって揮発し易いため、密閉空間内の低圧状態が変動する虞がある。

低圧状態の密閉空間に収納されるセンサとしては、例えば、角速度によって生じるコリオリ力などの慣性力を検出する慣性センサがある。このセンサは、一般的に、慣性力の印加によって変位する電極と変位しない電極とからなるコンデンサを有しており、慣性力の印加によるコンデンサの静電容量の変動を検出することで、慣性力を検出する構成となっている。コンデンサの静電容量の変動（電極の変位）は、電極周囲の圧力状態（粘性）に大きく依存する。そのため、上記したように、密閉空間内の圧力が変動すると、センサ検出精度が低下する虞がある。

そこで、本発明は上記問題点に鑑み、密閉空間内の低圧状態の変動が抑制され、センサ検出精度の低下が抑制されたセンサ装置を提供することを目的とする。

上記した目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、センサ部（１０，５０）と、密閉空間を構成し、該密閉空間内にセンサ部（１０，５０）を収納するパッケージ（７０）と、センサ部（１０，５０）をパッケージ（７０）に接着固定する接着剤（９２）と、を有するセンサ装置であって、センサ部（１０，５０）は、外力によって静電容量が変化するコンデンサを有し、パッケージ（７０）は、底部及び該底部の縁に形成された側壁から成る箱部（７１）と、該箱部（７１）の開口部を閉塞する蓋部（７２）と、を有し、密閉空間は、１気圧よりも低い低圧状態であり、接着剤（９２）は、センサ部（１０，５０）と底部とを接着固定する有機系接着剤（９４）と、有機系接着剤（９４）を覆う無機系接着剤（９５）と、を有し、有機系接着剤（９４）は、無機系接着剤（９５）よりもヤング率が低いことを特徴とする。

このように本発明によれば、有機系接着剤（９４）が、無機系接着剤（９５）によって覆われている。有機系接着剤（９４）及び無機系接着剤（９５）の母材は、共に、経時変化によって揮発する。しかしながら、一般的に、無機系接着剤の母材は有機系接着剤の母材よりも分子間に働く結合力が強いので、経時変化によって揮発し難い。したがって、上記構成によれば、センサ部が有機系接着剤のみによってパッケージに接着固定された構成と比べて、経時変化によって揮発した接着剤（９２）の成分が、密閉空間内を満たすことが抑制され、密閉空間内の低圧状態の変動が抑制される。したがって、低圧状態の変動によるコンデンサの静電容量変化の変動が抑制され、センサ検出精度の低下が抑制される。

また、本発明では、有機系接着剤（９４）は、無機系接着剤（９５）よりもヤング率が低い。そのため、熱膨張によってパッケージ（７０）に歪みが生じたとしても、その歪みが、センサ部（１０，５０）に伝達されることが抑制される。これにより、センサ検出精度の低下が抑制される。

請求項２に記載のように、センサ部（１０，５０）は、センサチップ（１０）と、該センサチップ（１０）とバンプ（９１）を介して機械的及び電気的に接続された回路チップ（５０）と、を有し、センサチップ（１０）及び回路チップ（５０）それぞれには、バンプ（９１）と接合されるパッド（１８，５９）が形成され、パッド（１８，５９）は、バンプ（９１）とは異なる金属材料から成り、無機系接着剤（９５）は有機系接着剤（９４）よりも硬化温度が低い構成が好適である。

請求項２に記載のように、パッド（１８，５９）とバンプ（９１）とが異なる金属材料から成る場合、熱を印加して接着剤（９２）を硬化する際に、パッド（１８，５９）とバンプ（９１）との接合部にボイドが発生する虞がある。このボイドは、印加する熱の温度が高ければ高いほど、発生し易くなる。しかしながら、請求項１に記載のように、有機系接着剤（９４）は、無機系接着剤（９５）によって覆われており、請求項２に記載のように、無機系接着剤（９５）は、有機系接着剤（９４）よりも硬化温度が低い。したがって、請求項２に記載の構成は、センサ部が有機系接着剤のみによってパッケージに接着固定された構成と比べて、接着剤（９２）を硬化する際に印加する熱の温度を低くすることができる。この結果、センサチップ（１０）と回路チップ（５０）とで電気的な接続不良が生じることが抑制され、センサ検出精度の低下が抑制される。

なお、請求項２に記載の硬化温度とは、液状状態の接着剤に含まれる揮発性物質を全て揮発させるための温度であり、接着剤の母材を硬化する温度ではない。一般的に、有機系接着剤の母材が硬化する温度は、上記した硬化温度よりも、１００℃以上低い。したがって、液状状態の無機系接着剤（９５）を硬化する温度を印加すれば、液状状態の有機系接着剤（９４）に含まれる揮発性物質は全て揮発しないが、有機系接着剤（９４）の母材は硬化する。

請求項３に記載のように、センサチップ（１０）は、第１半導体層（１２）、絶縁層（１３）、第２半導体層（１４）の３層が順次積層されてなるセンサ基板（１１）と、第２半導体層（１４）及び絶縁層（１３）に形成されたセンシング部（１５）と、を有し、センシング部（１５）は、コンデンサを有し、コンデンサは、第１半導体層（１２）に対して浮いた、第２半導体層（１４）から成る可動電極と、絶縁層（１３）を介して第１半導体層（１３）に固定された、第２半導体層（１４）と絶縁層（１３）から成る固定電極と、を有する構成を採用することができる。

請求項４〜７に記載のように、回路チップ（５０）は、半導体から成る回路基板（５１）と、該回路基板（５１）に形成された回路部（５２）と、を有し、回路部（５２）は、コンデンサの静電容量を電気信号に変換する変換回路を有し、パッケージ（７０）はセラミックパッケージであり、センサ部（１０，５０）とパッケージ（７０）は、ワイヤ（９３）を介して電気的に接続されており、パッケージ（７０）は、底部及び該底部の縁に形成された側壁から成る箱部（７１）と、該箱部（７１）の開口部を閉塞する蓋部（７２）と、を有し、箱部（７１）と蓋部（７２）は、環状のシールリング（７３）を介して機械的に接続された構成を採用することができる。

また、請求項８に記載のように、有機系接着剤（９４）は、シリコーン系接着剤であり、無機系接着剤（９５）は、セラミックフィラーを含むガラス接着剤である構成を採用することができる。

第１実施形態に係る角速度センサ装置の概略構成を示す断面図である。

以下、本発明を、角速度センサ装置に適用した場合の実施形態を図に基づいて説明する。
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る角速度センサ装置の概略構成を示す平面図である。以下においては、センサチップ１０の対向面１１ａに沿う一方向をｘ方向、対向面１１ａに沿い、ｘ方向に直交する方向をｙ方向、対向面１１ａに直交する方向をｚ方向と示す。

角速度センサ装置１００は、図１に示すように、要部として、センサチップ１０と、回路チップ５０と、パッケージ７０と、を有する。センサチップ１０と回路チップ５０とが、バンプ９１を介して機械的及び電気的に接続され、回路チップ５０とパッケージ７０とが、接着剤９２を介して機械的に接続されている。そして、回路チップ５０とパッケージ７０とが、ワイヤ９３を介して電気的に接続され、センサチップ１０と回路チップ５０とが、パッケージ７０の密閉空間に収納されている。本実施形態では、密閉空間は１気圧よりも低い低圧状態となっており、センサチップ１０と回路チップ５０とによって、特許請求の範囲に記載のセンサ部が構成されている。

センサチップ１０は、第１半導体層１２、絶縁層１３、及び、第２半導体層１４が順次積層されて成るセンサ基板１１と、該センサ基板１１における回路チップ５０との対向面１１ａ側に周知の露光技術を用いて形成されたセンシング部１５と、を有する。

センシング部１５は、図１に示すように、絶縁層１３を介さずに第１半導体層１２に対して第２半導体層１４が浮遊した浮遊部１６と、絶縁層１３を介して第１半導体層１２に第２半導体層１４が固定された固定部１７と、該固定部１７に形成されたセンサパッド１８と、を有する。浮遊部１６は、第１半導体層１２に対してｘ方向及びｙ方向に変位（振動）可能だが、固定部１７及びセンサパッド１８は、第１半導体層１２に対して変位不可能となっている。

図示しないが、浮遊部１６は、ｘ方向において、逆位相で振動する対を成す２つの振動子と、該振動子の一部によって構成される可動電極と、を有する。そして、固定部１７は、ｙ方向において、可動電極と対向する固定電極を有する。振動子がｘ方向に振動している状態で、ｚ方向に角速度が印加されると、ｙ方向に沿うコリオリ力が振動子に発生する。このコリオリ力によって振動子がｙ方向に変位（振動）すると、その変位（振動）に伴って、振動子の一部である可動電極もｙ方向に変位（振動）する。この結果、可動電極と固定電極との電極間隔が変動し、可動電極と固定電極によって構成されるコンデンサの静電容量が変動する。この静電容量の変動が、センサチップ１０の出力信号として、回路チップ５０に出力される。

回路チップ５０は、図１に示すように、半導体から成る回路基板５１と、該回路基板５１の一面５１ａ側に形成された、センサチップ１０の出力信号を処理する回路部５２と、該回路部５２と電気的に接続されたパッド５３と、を有する。

回路部５２は、図示しないが、特許請求の範囲に記載の変換回路に相当するＣＶ変換回路を有する。バンプ９１を介して、センサチップ１０から回路チップ５０に、静電容量の変動を含む電気信号が入力されると、その静電容量の変動が、上記したＣＶ変換回路によって電圧に変換される。この電圧に変換された信号が、ワイヤ９３を介してパッケージ７０に出力される。

パッド５３は、センサパッド１８に対応する回路パッド５９と、後述する内部端子７４と電気的に接続される外部パッド６０と、を有する。センサパッド１８と回路パッド５９とがバンプ９１を介して機械的及び電気的に接続され、内部端子７４と外部パッド６０とがワイヤ９３を介して電気的に接続されている。

パッド１８，５３とバンプ９１とは、異なる金属材料から成る。本実施形態では、パッド１８，５３は共にアルミニウムから成り、バンプ９１は金から成る。

パッケージ７０は、図１に示すように、底部と側部とから成る凹状の箱部７１と、該箱部７１の開口部を閉塞する蓋部７２と、を有し、環状のシールリング７３を介して機械的に接続されている。箱部７１の底部内面には、接着剤９２が設けられており、該接着剤９２を介して箱部７１と回路チップ５０とが機械的に接続されている。箱部７１には、側部内面に設けられた内部端子７４と、側部内部に設けられた内部配線７５と、底部外面に設けられた外部端子７６と、が設けられている。上記したように、内部端子７４と外部パッド６０とがワイヤ９３を介して電気的に接続されており、回路チップ５０の電気信号が、外部パッド６０、ワイヤ９３、内部端子７４、内部配線７５、及び、外部端子７６を介して、外部に出力される。なお、箱部７１と蓋部７２とは、機械的及び電気的に接続されている。

次に、本実施形態に係る角速度センサ装置１００の特徴点である接着剤９２を説明する。接着剤９２は、液状状態で揮発性材料及び母材を含有し、硬化状態で主として母材を含有するものである。接着剤９２は、母材が有機材料から成る有機系接着剤９４と、母材が無機材料から成る無機系接着剤９５と、を有する。有機系接着剤９４は、シリコーン系接着剤であり、無機系接着剤９５は、セラミックフィラーを含むガラス接着剤である。有機系接着剤９４は、無機系接着剤９５よりもヤング率が低く、無機系接着剤９５は、有機系接着剤９４よりも硬化温度（揮発性材料の全てが揮発する温度）が低い性質を有する。有機系接着剤９４は、回路チップ５０の底面と箱部７１の底部との間に設けられ、両者を接着固定している。そして、無機系接着剤９５は、回路チップ５０の側面と箱部７１の側部との間に設けられ、有機系接着剤９４を覆っている。

次に、本実施形態に係る角速度センサ装置１００の製造方法を説明する。先ず、バンプ９１によって機械的及び電気的に接続されたセンサチップ１０と回路チップ５０（以下、センサ部と示す）を準備する。以上が、準備工程である。

準備工程後、液状状態の有機系接着剤９４を箱部７１の底部内面に塗布し、回路チップ５０の底面に有機系接着剤９４が接触するように、センサ部を箱部７１内に配置する。次いで、回路チップ５０と箱部７１の側部との間の空間に、液状状態の無機系接着剤９５を塗布して、有機系接着剤９４を無機系接着剤９５で覆う。以上が、塗布工程である。

塗布工程後、熱を印加して、無機系接着剤９５の揮発性材料を揮発させる。これにより、無機系接着剤９５を硬化して、有機系接着剤９４の母材を硬化する。以上が、硬化工程である。

硬化工程後、ワイヤ９３によって回路チップ５０とパッケージ７０とを電気的に接続する。以上が、接続工程である。

該接続工程後、１気圧よりも低い低圧状態下で、シールリング７３を介して、箱部７１に蓋部７２を機械的に接続することで、密閉空間を構成する。以上が、密閉工程である。

以上に示す各工程を経ることで、本実施形態に記載の角速度センサ装置１００が製造される。

次に、本実施形態に係る角速度センサ装置１００の作用効果を説明する。上記したように、有機系接着剤９４が、無機系接着剤９５によって覆われている。有機系接着剤９４及び無機系接着剤９５の母材は、共に、経時変化によって揮発する。しかしながら、一般的に、無機系接着剤の母材は有機系接着剤の母材よりも分子間に働く結合力が強いので、経時変化によって揮発し難い。したがって、上記構成によれば、センサ部（回路チップ５０）が有機系接着剤９４のみによってパッケージ７０に接着固定された構成と比べて、経時変化によって揮発した接着剤９２の成分が、密閉空間内を満たすことが抑制され、密閉空間内の低圧状態の変動が抑制される。したがって、低圧状態の変動によるコンデンサの静電容量変化の変動が抑制され、センサ検出精度の低下が抑制される。

また、有機系接着剤９４は、無機系接着剤９５よりもヤング率が低い。そのため、熱膨張によって箱部７１の底部に歪みが生じたとしても、その歪みが、センサ部（センサチップ１０）に伝達されることが抑制される。これにより、センサ検出精度の低下が抑制される。

パッド１８，５３とバンプ９１とは、異なる金属材料から成り、無機系接着剤９５は有機系接着剤９４よりも硬化温度が低くなっている。パッド１８，５３とバンプ９１とが異なる金属材料から成る場合、熱を印加して接着剤９２を硬化する硬化工程の際に、パッド１８，５３とバンプ９１との接合部にボイドが発生する虞がある。このボイドは、印加する熱の温度が高ければ高いほど、発生し易くなる。しかしながら、上記したように、有機系接着剤９４は、無機系接着剤９５によって覆われており、無機系接着剤９５は、有機系接着剤９４よりも硬化温度が低い。したがって、本実施形態に係る角速度センサ装置１００は、センサ部が有機系接着剤のみによってパッケージに接着固定された構成と比べて、接着剤９２を硬化する際に印加する熱の温度を低くすることができる。この結果、センサチップ１０と回路チップ５０とで電気的な接続不良が生じることが抑制され、センサ検出精度の低下が抑制される。

なお、上記したように、硬化温度とは、液状の接着剤９２に含まれる揮発性物質を全て揮発させるための温度であり、接着剤９２の母材を硬化する温度ではない。一般的に、有機系接着剤の母材が硬化する温度は、上記した硬化温度よりも、１００℃以上低い。したがって、無機系接着剤９５を硬化する温度を印加すれば、有機系接着剤９４に含まれる揮発性物質は全て揮発しないが、有機系接着剤９４の母材は硬化する。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上記した実施形態になんら制限されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々変形して実施することが可能である。

本実施形態では、図１に示すように、無機系接着剤９５を介して、回路チップ５０の側面と箱部７１の側部とが機械的に接続された例を示した。しかしながら、無機系接着剤９５は、有機系接着剤９４を覆う機能を奏すればよいので、無機系接着剤９５を介して、回路チップ５０の側面と箱部７１の側部とが機械的に接続されていなくとも良い。

本実施形態では、図１に示すように、無機系接着剤９５の一部が、回路チップ５０の底面と箱部７１の底部とを接着固定した例を示した。しかしながら、上記したように、無機系接着剤９５は、有機系接着剤９４を覆う機能を奏すればよいので、無機系接着剤９５によって、回路チップ５０の底面と箱部７１の底部とが接着固定されていなくとも良い。

なお、本実施形態では、塗布工程において、有機系接着剤９４と無機系接着剤９５を塗布し、硬化工程において、無機系接着剤９５と有機系接着剤９４を硬化する例を示した。しかしながら、上記した塗布工程と硬化工程において、先ず、有機系接着剤を塗布して、有機系接着剤を硬化した後、無機系接着剤を塗布して、無機系接着剤を硬化しても良い。

１０・・・センサチップ
１８・・・センサパッド
５０・・・回路チップ
５３・・・パッド
７０・・・パッケージ
９１・・・バンプ
９２・・・接着剤
９４・・・有機系接着剤
９５・・・無機系接着剤
１００・・・角速度センサ装置

Claims

センサ部（１０，５０）と、
密閉空間を構成し、該密閉空間内に前記センサ部（１０，５０）を収納するパッケージ（７０）と、
前記センサ部（１０，５０）を前記パッケージ（７０）に接着固定する接着剤（９２）と、を有するセンサ装置であって、
前記センサ部（１０，５０）は、外力によって静電容量が変化するコンデンサを有し、
前記密閉空間は、１気圧よりも低い低圧状態であり、
前記接着剤（９２）は、前記センサ部（１０，５０）と前記パッケージ（７０）とを接着固定する有機系接着剤（９４）と、前記有機系接着剤（９４）を覆う無機系接着剤（９５）と、を有し、
前記有機系接着剤（９４）は、前記無機系接着剤（９５）よりもヤング率が低いことを特徴とするセンサ装置。
前記センサ部（１０，５０）は、センサチップ（１０）と、該センサチップ（１０）とバンプ（９１）を介して機械的及び電気的に接続された回路チップ（５０）と、を有し、
前記センサチップ（１０）及び前記回路チップ（５０）それぞれには、前記バンプ（９１）と接合されるパッド（１８，５９）が形成され、
前記パッド（１８，５９）は、前記バンプ（９１）とは異なる金属材料から成り、
前記無機系接着剤（９５）は前記有機系接着剤（９４）よりも硬化温度が低いことを特徴とする請求項１に記載のセンサ装置。
前記センサチップ（１０）は、第１半導体層（１２）、絶縁層（１３）、第２半導体層（１４）の３層が順次積層されてなるセンサ基板（１１）と、前記第２半導体層（１４）及び前記絶縁層（１３）に形成されたセンシング部（１５）と、を有し、
前記センシング部（１５）は、前記コンデンサを有し、
前記コンデンサは、前記第１半導体層（１２）に対して浮いた、前記第２半導体層（１４）から成る可動電極と、前記絶縁層（１３）を介して前記第１半導体層（１３）に固定された、前記第２半導体層（１４）と前記絶縁層（１３）から成る固定電極と、を有することを特徴とする請求項２に記載のセンサ装置。
前記回路チップ（５０）は、半導体から成る回路基板（５１）と、該回路基板（５１）に形成された回路部（５２）と、を有し、
前記回路部（５２）は、前記コンデンサの静電容量を電気信号に変換する変換回路を有することを特徴とする請求項２又は請求項３に記載のセンサ装置。
前記パッケージ（７０）はセラミックパッケージであることを特徴とする請求項１〜４いずれか１項に記載のセンサ装置。
前記センサ部（１０，５０）と前記パッケージ（７０）は、ワイヤ（９３）を介して電気的に接続されていることを特徴とする請求項５に記載のセンサ装置。
前記パッケージ（７０）は、底部及び該底部の縁に形成された側壁から成る箱部（７１）と、該箱部（７１）の開口部を閉塞する蓋部（７２）と、を有し、
前記箱部（７１）と前記蓋部（７２）は、環状のシールリング（７３）を介して機械的に接続されていることを特徴とする請求項１〜６いずれか１項に記載のセンサ装置。
前記有機系接着剤（９４）は、シリコーン系接着剤であり、
前記無機系接着剤（９５）は、セラミックフィラーを含むガラス接着剤であることを特徴とする請求項１〜７いずれか１項に記載のセンサ装置。